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Die Erfindung betrifft einen elektrischen Energiespeicher nach dem Oberbegriff des Anspruchs 1 oder 4.
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Elektrische Energiespeicher von Kraftfahrzeugen dürfen, um einen ordnungsgemäßen Betrieb derselben zu gewährleisten, hinsichtlich ihres Ladezustands weder einen unteren Grenzwert noch einen oberen Grenzwert unterschreiten bzw. überschreiten. Eine unzulässige Unterladung sowie eine unzulässige Überladung des elektrischen Energiespeichers kann akustisch oder optisch angezeigt werden.
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Ferner müssen elektrische Energiespeicher von Kraftfahrzeugen, um einen ordnungsgemäßen Betrieb derselben zu gewährleisten, in einem definierten Temperaturbereich betrieben werden. Dann, wenn ein elektrischer Energiespeicher eines Kraftfahrzeugs außerhalb eines definierten Temperaturbereichs betrieben wird, kann sich ein unzulässig hoher Ladestrom, den ein Generator des Kraftfahrzeugs bereitstellt, für den elektrischen Energiespeicher ausbilden, der zur einer Überhitzung des elektrischen Energiespeichers und zu einem Druckanstieg in demselben führen kann.
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In Folge des Druckanstiegs sowie der Überhitzung eines elektrischen Energiespeichers kann ein Gehäuse desselben unkontrolliert zerbersten, wobei dann herumfliegende Teile des Gehäuses des elektrischen Energiespeichers die Fahrsicherheit des Kraftfahrzeugs beeinträchtigen.
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Es besteht daher Bedarf an elektrischen Energiespeichern, die ein unkontrolliertes Zerbersten des Gehäuses des elektrischen Energiespeichers verhindern.
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Hiervon ausgehend liegt der vorliegenden Erfindung die Aufgabe zu Grunde einen neuartigen elektrischen Energiespeicher mit erhöhter Sicherheit zu schaffen.
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Diese Aufgabe wird nach einem ersten Aspekt der Erfindung durch einen elektrischen Energiespeicher gemäß Anspruch 1 gelöst. Hiernach bilden die das Gehäuseoberteil durchdringen Polbolzen und die von denselben durchdrungenen Ausnehmungen des Gehäuseoberteils korrespondierende Dichtflächen aus, die im Normalbetrieb des elektrischen Energiespeichers den Innenraum des Gehäuses zur Umgebung nach außen gasdicht abdichten, wobei die Polbolzen an sich außerhalb des Innenraums des Gehäuses an die Dichtflächen anschließenden Abschnitten konisch konturiert sind, sodass sich dann, wenn sich das Gehäuseoberteil infolge eines Überdrucks im Innenraum nach außen wölbt, zwischen den Polbolzen und den von denselben durchdrungenen Ausnehmungen Spalte zum Druckausgleich mit der Umgebung ausbilden.
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Nach einem zweiten Aspekt der Erfindung wird diese Aufgabe durch einen elektrischen Energiespeicher gemäß Anspruch 4 gelöst. Hiernach ist in das Gehäuseoberteil mindestens eine Sollbruchstelle eingebracht, die dann, wenn sich im Innenraum des Gehäuses ein Überdruck aufbaut, bricht.
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Mit beiden erfindungsgemäßen Aspekten kann ein plötzliches und unkontrolliertes Zerbersten eines Gehäuses eines elektrischen Energiespeichers in Folge eines Druckanstiegs in demselben vermieden werden. Nach dem ersten Aspekt der Erfindung bilden sich bei einem Druckanstieg im Gehäuse des elektrischen Energiespeichers zwischen den Polbolzen und dem Gehäuseoberteil Spalte aus, über die ein Druckausgleich zur Umgebung erfolgen kann. Nach dem zweiten Aspekt der Erfindung verfügt das Gehäuseoberteil über mindestens eine Sollbruchstelle, die bei Erreichen bzw. Überschreiten eines definierten Drucks im Gehäuse kontrolliert aufbricht. Mit beiden Aspekten der Erfindung ist es möglich, einem unkontrollierten Zerbersten des Gehäuses eines elektrischen Energiespeichers entgegenzuwirken.
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Obwohl beide Aspekte der Erfindung grundsätzlich unabhängig voneinander an einem elektrischen Energiespeicher zum Einsatz kommen können, ist der kombinierte Einsatz derselben an einem elektrischen Energiespeicher besonders bevorzugt.
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Beim kombinierten Einsatz beider Aspekte der Erfindung an einem elektrischen Energiespeicher erfolgt dann, wenn sich im Innenraum des Gehäuses desselben ein Überdruck aufbaut, zunächst ein Druckausgleich über die sich zwischen den Polbolzen und den von denselben durchdrungenen Ausnehmungen des Gehäuseoberteils ausbildenden Spalte. Sollte dieser Druckausgleich nicht ausreichend sein und es zu einem weiteren Druckanstieg, insbesondere kombiniert mit einem Temperaturanstieg, im Innenraum des Gehäuses des elektrischen Energiespeichers kommen, bricht nachfolgend die oder jede Sollbruchstelle des Gehäuseoberteils kontrolliert auf, sodass dann ein weiterer Druckausgleich zur Umgebung erfolgen kann.
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Bei der Kombination beider Aspekte der Erfindung wird demnach ein mehrstufiges Druckentlastungssystem für einen elektrischen Energiespeicher vorgeschlagen, mithilfe dessen ein unkontrolliertes Zerbersten des Gehäuses desselben vermieden werden kann.
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Bevorzugte Weiterbildungen der Erfindung ergeben sich aus den Unteransprüchen und der nachfolgenden Beschreibung. Ausführungsbeispiele der Erfindung werden, ohne hierauf beschränkt zu sein, an Hand der Zeichnung näher erläutert. Dabei zeigt:
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1 eine schematisierte Draufsicht auf einen erfindungsgemäßen elektrischen Energiespeicher;
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2 eine schematisierte Seitenansicht des erfindungsgemäßen elektrischen Energiespeichers der 1;
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3 das Detail III der 2; und
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4 einem Polbolzen des erfindungsgemäßen elektrischen Energiespeichers in Alleindarstellung.
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Die Erfindung betrifft einen elektrischen Energiespeicher für ein Kraftfahrzeug, insbesondere einen als Lithium-Batterie wie z. B. als Lithium-Ionen-Batterie oder Lithium-Eisenphosphat-Batterie ausgebildeten, elektrischen Energiespeicher.
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1 zeigt eine Draufsicht und 2 eine Seitenansicht eines bevorzugten Ausführungsbeispiels eines als Lithium-Batterie ausgebildeten, erfindungsgemäßen elektrischen Energiespeichers 10. Der elektrische Energiespeicher 10 verfügt über ein Gehäuse 11, welches von einem Gehäuseunterteil 12 und einem Gehäuseoberteil 13 gebildet ist.
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Das Gehäuseunterteil 12 und das Gehäuseoberteil 13 des Gehäuses 11 des elektrischen Energiespeichers 10 definieren zusammen einen Innenraum des Gehäuses 11, in welchem mehrere nicht gezeigte Speicherzellen des elektrischen Energiespeichers positioniert sind. Diese Speicherzellen werden auch als Batteriezellen bezeichnet.
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Der elektrische Energiespeichers 10 verfügt gemäß 1 und 2 weiterhin über sogenannte Polbolzen 14 und 15. Die Polbolzen 14 und 15 dienen der elektrischen Kontaktierung des elektrischen Energiespeichers 10, nämlich der elektrischen Kontaktierung der im Innenraum des Gehäuses 11 positionierten Speicherzellen des elektrischen Energiespeichers 10 und 11, wozu die Polbolzen 14 und 15 Ausnehmungen des Gehäuseoberteils 13 durchdringen.
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Das Gehäuse 11 des elektrischen Energiespeichers 10, nämlich das Gehäuseunterteil 12 sowie das Gehäuseoberteil 13 desselben, sind vorzugsweise aus einem Kunststoff gefertigt. Um eine chemische Beständigkeit des Gehäuses 11 zum Beispiel gegenüber Flusssäure zu gewährleisten, sind das Gehäuseunterteil 12 sowie das Gehäuseoberteil 13 vorzugsweise aus Polypropylen gefertigt.
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Bei den Polbolzen 14 und 15 handelt es sich hingegen um metallische Bauteile, die mit dem Gehäuseunterteil 12 des Gehäuses 11 fest verbunden sind. So ist es möglich, die Polbolzen 14 und 15 mechanisch am Gehäuseunterteil 12 zu fixieren und/oder mit dem Gehäuseunterteil 12 zu verkleben.
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In montiertem Zustand des Gehäuses 11 des elektrischen Energiespeichers 10 sind vorzugsweise auch das Gehäuseunterteil 12 sowie das Gehäuseoberteil 13 des Gehäuses 11 an aneinandergrenzenden Kontaktflächen 16 bzw. 17 zwischen Gehäuseunterteil 12 und Gehäuseoberteil 13 miteinander verklebt.
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Wie bereits ausgeführt, sind im Innenraum des Gehäuses 11 des elektrischen Energiespeichers 10 mehrere Speicherzellen positioniert. Im Falle einer Lithium-Eisenphosphat-Batterie sind die entsprechenden Batteriezellen als Lithium-Zellen auf einer chemischen Basis von Graphit als Anodenmaterial und von Lithium-Eisenphosphat als Kathodenmaterial ausgebildet. Die Speicherzellen bzw. Batteriezellen verfügen über eine definierte, elektrische Kapazität.
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Werden solche Batteriezellen z. B. einem unzulässig hohen Ladestrom ausgesetzt, so führt dies einerseits zu einer Überhitzung der Batteriezellen und andererseits zu einem Überdruck in denselben.
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Den Speicherzellen bzw. Batteriezellen des elektrischen Energiespeichers 10 sind Berstmembrane zugeordnet, die bei Erreichen eines definierten Drucks innerhalb der Speicherzellen bzw. Batteriezellen bersten. Dann, wenn also ein definierter Speicherzellendruck bzw. Batteriezellendruck der Speicherzellen bzw. Batteriezellen des elektrischen Energiespeichers 10 erreicht bzw. überschritten wird, bersten die Berstmembrane der Speicherzellen bzw. Batteriezellen, wobei dann gasförmige Zersetzungsprodukte der Speicherzellen bzw. Batteriezellen in den Innenraum des Gehäuses 11 des elektrischen Energiespeichers 10 gelangen. Dies führt zu einer Druckerhöhung im Innenraum des Gehäuses 11 des elektrischen Energiespeichers 10 sowie zu einer Temperaturerhöhung in demselben.
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Um nun bei einer Druckerhöhung im Innenraum des Gehäuses 11 des erfindungsgemäßen elektrischen Energiespeichers 10 einen Druckausgleich zur Umgebung zu ermöglichen, bilden nach einem ersten Aspekt der Erfindung die das Gehäuseoberteil 13 durchdringenden Polbolzen 14 und 15 und die von den Polbolzen 14 und 15 durchdrungenen Ausnehmungen des Gehäuseoberteils 13 korrespondierende Dichtflächen 18 und 19 aus, die im Normalbetrieb des elektrischen Energiespeichers 10, also dann, wenn in demselben kein kritischer Überdruck herrscht, den Innenraum des Gehäuses 11 zur Umgebung nach außen gasdicht abdichten.
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Vorzugsweise ist auf der entsprechenden Dichtfläche 18 der Polbolzen 14 und 15 ein elastischer, nicht aushärtender Kleber aufgebracht, der dann die Dichtfunktion gegenüber der Dichtfläche 19 der jeweiligen Ausnehmung des Gehäuseoberteils 13, die vom jeweiligen Polbolzen 14 bzw. 15 durchdrungen ist, bereitstellt.
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Nach dem ersten Aspekt der Erfindung verfügen die Polbolzen 14 und 15 außen bzw. außerhalb des Innenraums anschließend an die jeweilige Dichtfläche 18 über einen konisch konturierten Abschnitt 20, der sich ausgehend von der Dichtfläche 18 gesehen nach außen konisch verjüngt.
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Dann, wenn sich im Innenraum des Gehäuses 11 des elektrischen Energiespeichers 10 ein Überdruck ausbildet, in Folge dessen sich das Gehäuseoberteil 13 nach außen wölbt, bilden sich zwischen diesen Abschnitten 20 der Polbolzen 14 und 15 und den von den Polbolzen 14 und 15 durchdrungenen Ausnehmungen des Gehäuseoberteils 13 Spalte aus, über die ein Druckausgleich mit der Umgebung erfolgen kann.
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Da die Polbolzen 14 und 15 am Gehäuseunterteil 12 fixiert sind, ist deren Position unveränderlich, sodass beim Aufwölben des Gehäuseoberteils 13 sich die Spalte zwischen den konturierten Abschnitten 20 der Polbolzen 14 und 15 und den von denselben durchdrungenen Ausnehmungen des Gehäuseoberteils 13 sicher ausbilden können.
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4 kann entnommen werden, dass eine Außenkontur der nicht konisch konturierten Dichtflächen 18 der Polbolzen 14 und 15 und eine Außenkontur der konisch konturieren Abschnitte 20 der Polbolzen 14 bzw. 15 einen Winkel α einschließen, der zwischen insbesondere 7° und 15° beträgt. Vorzugsweise beträgt der Winkel α in etwa 12°.
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Die Befestigung bzw. Fixierung der Polbolzen 14 und 15 am Gehäuseunterteil 12 durch insbesondere Verkleben erfolgt an Abschnitten 24 der Polbolzen 14 und 15.
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Im gezeigten Ausführungsbeispiel umfasst der elektrische Energiespeicher 10 ein weiteres Sicherungsmerkmal nach einem zweiten Aspekt der Erfindung, mithilfe dessen bei einem Überdruck im Innenraum des Gehäuses 11 des elektrischen Energiespeichers 10 ein Druckausgleich zur Umgebung erfolgen kann. So zeigt 2, dass in das Gehäuseoberteil 13 des Gehäuses 11 mindestens eine Sollbruchstelle 21 eingebracht ist, die dann, wenn sich im Innenraum des Gehäuses 11 ein Überdruck aufbaut, bricht und so einen Druckausgleich zur Umgebung ermöglicht.
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Im gezeigten Ausführungsbeispiel der 2 ist die Sollbruchstelle 21 nutartig konturiert und verfügt an beiden Enden über Y-artig oder V-artig konturierte Endabschnitte 22 und 23. Eine solche Nut 21 ist vorzugsweise an einer Seite des Gehäuseoberteils 13 in dasselbe eingebracht, es können jedoch auch an mehreren Seiten des Gehäuseoberteils 13 in dasselbe eine derartige Sollbruchstelle 21 gebracht sein.
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Die oder jede nutartig konturierte Sollbruchstelle 21 wird durch eine reduzierte Materialstärke des Gehäuseoberteils 13 im Bereich der jeweiligen Sollbruchstelle 21 ausgebildet, wobei die Materialstärke des Gehäuseoberteils 13 im Bereich der Sollbruchstelle 21 maximal 0,05 mm beträgt. Vorzugsweise liegt die Materialstärke des Gehäuseoberteils 13 im Bereich der oder jeder Sollbruchstelle 21 zwischen 0,02 mm und 0,05 mm.
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Im gezeigten, bevorzugten Ausführungsbeispiel der Erfindung verfügt der elektrische Energiespeicher 10 über beide Sicherungsmerkmale zum Druckausgleich mit der Umgebung, also sowohl über Polbolzen 14 und 15 mit den konisch konturierten Abschnitten 20 als auch über mindestens eine Sollbruchstelle 21 im Gehäuseoberteil 13. Diese bilden dann zusammen ein zweistufiges Duckentlastungssystem aus.
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Bersten in einem solchen elektrischen Energiespeicher 10 die den individuellen Speicherzellen des Energiespeichers 10 zugeordneten Berstmembrane, so baut sich im Innenraum des Gehäuses 11 des Energiespeichers 10 über die gasförmigen Zersetzungsprodukte der Speicherzellen, die aus den Speicherzellen in den Innenraum des Gehäuses 11 des Energiespeichers 10 gelangen, ein Überdruck auf, infolgedessen sich zunächst das Gehäuseoberteil 13 aufwölbt und infolgedessen zwischen den Abschnitten 20 der Polbolzen 14 und 15 und den von denselben durchdrungenen Ausnehmungen des Gehäuseoberteils 13 die Spalte ausgebildet werden, über die ein erster Druckausgleich mit der Umgebung erfolgen kann.
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Der Druckausgleich über diese Spalte erfolgt bei Erreichen bzw. Überschreiten eines definierten ersten Druckgrenzwerts im Innerraum des Gehäuses 11 des elektrischen Energiespeichers 10.
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Sollte dieser Druckausgleich nicht ausreichend sein und sich im Innenraum des Gehäuses 10 ein weiterer Überdruck bzw. Druckanstieg mit einer begleitenden Temperaturerhöhung ausbilden, so brechen nachfolgend die Sollbruchstellen 21 des Gehäuseoberteils 13, sodass dann ein weiterer Druckausgleich zur Umgebung erfolgen kann. Die oder jede Sollbruchstelle 21 bricht bei Erreichen bzw. Überschreiten eines definierten zweiten, höheren Druckgrenzwerts im Innerraum des Gehäuses 11 des elektrischen Energiespeichers 10.
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Es wird so ein mehrstufiges Druckentlastungssystem für einen elektrischen Energiespeicher 10 bereitgestellt, über das im Falle eines Zerberstens der Berstmembrane der Speicherzellen ein kontrollierter Druckausgleich zur Umgebung zunächst über die Spalte zwischen den Polbolzen 14 und 15 und dem Gehäuseoberteil 13 und nachfolgend über die oder jede Sollbruchstelle 21 erfolgen kann.
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Hierdurch wird ein unkontrolliertes Zerbersten des Gehäuses 11 des elektrischen Energiespeichers 10 vermieden, wodurch die Sicherheit des elektrischen Energiespeichers 10 und damit eines denselben aufweisenden Kraftfahrzeugs erhöht werden kann.
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Obwohl die kombinierte Verwendung der beiden Maßnahmen zur Bereitstellung eines mehrstufigen Überdruckausgleichs an einem elektrischen Energiespeicher 10 bevorzugt ist, ist es auch möglich, ausschließlich eine der beiden Maßnahmen einzusetzen, also entweder ausschließlich die konisch konturierten Abschnitte 20 an den Polbolzen 14 und 15 oder mindestens eine Sollbruchstelle 21 am Gehäuseoberteil 13 vorzusehen. Die Verwendung ausschließlich einer Maßnahme oder die kombinierte Verwendung beider Maßnahmen ist dabei insbesondere von der Anzahl der Speicherzellen des elektrischen Energiespeichers abhängig. Je mehr Speicherzellen vorhanden sind, desto mehr gasförmige Zersetzungsprodukte können aus denselben beim Zerbersten der Berstmembrane austreten. Daraus folgt, dass dann, wenn ein elektrischer Energiespeichers relativ viele Speicherzellen aufweist, z. B. mehr als zwei Speicherzellen oder mehr als drei Speicherzellen aufweist, bevorzugt beide Maßnahmen kombiniert Verwendung finden.
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Bezugszeichenliste
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- 10
- elektrischer Energiespeicher
- 11
- Gehäuse
- 12
- Gehäuseunterteil
- 13
- Gehäuseoberteil
- 14
- Polbolzen
- 15
- Polbolzen
- 16
- Kontaktfläche
- 17
- Kontaktfläche
- 18
- Dichtfläche
- 19
- Dichtfläche
- 20
- Abschnitt
- 21
- Sollbruchstelle
- 22
- Endabschnitt
- 23
- Endabschnitt
- 24
- Abschnitt
