DE102011087198A1

DE102011087198A1 - Batteriezellenmodul und Kraftfahrzeug

Info

Publication number: DE102011087198A1
Application number: DE102011087198A
Authority: DE
Inventors: Robert Thomas
Original assignee: SB LiMotive Germany GmbH; SB LiMotive Co Ltd
Current assignee: Robert Bosch GmbH; Samsung SDI Co Ltd
Priority date: 2011-11-28
Filing date: 2011-11-28
Publication date: 2013-05-29
Anticipated expiration: 2031-11-29
Also published as: DE102011087198B4

Abstract

Es wird ein Batteriezellenmodul (10) mit einem geschlossenen Entgasungssystem beschrieben, eine Mehrzahl von Batteriezellen (11) aufweisend, denen ein Gasaufnahmeraum (17) zur dauerhaften Aufnahme von Gas zugeordnet ist, in dem vorzugsweise ein Absorptionsmittel (18) angeordnet ist. Zudem wird ein Kraftfahrzeug offenbart, das ein Batteriezellenmodul (10) aufweist.

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft ein Batteriezellenmodul umfassend eine Mehrzahl von Batteriezellen, die jeweils eine Entgasungsöffnung aufweisen, sowie weiterhin einen den Batteriezellen zugeordneten Gasaufnahmeraum zur Aufnahme von aus diesen Batteriezellen entwichenem Gas, sowie ein Kraftfahrzeug.
Stand der Technik
Es besteht ein erheblicher Bedarf an Batterien für breite Anwendungsbereiche, beispielsweise für Fahrzeuge, stationäre Anlagen, wie zum Beispiel Windkraftanlagen, und mobile Elektronikgeräte, wie zum Beispiel Laptops und Kommunikationsgeräte. An diese Batterien werden sehr hohe Anforderungen hinsichtlich Zuverlässigkeit, Lebensdauer und Leistungsfähigkeit gestellt.
Eine Batteriezelle besteht im Inneren aus elektrochemischen Elementen, die empfindlich auf äußere Einflüsse wie Luft oder Feuchtigkeit reagieren und daher so gut wie möglich davor geschützt werden müssen.
So ist beispielsweise bei Lithium-Ionen-Zellen zur Interkalation sowie zur Deinterkalation die Anwesenheit eines sogenannten Lithium-Ionen-Leitsalzes notwendig. Sowohl für Batteriezellen geringerer Ladung, wie sie zum Beispiel in tragbaren elektronischen Geräten Anwendung finden, als auch in Batteriezellen für den automotiven Bereich wird als Lithium-Leitsalz Lithium-hexa-Fluorophosphat (LiPF₆) eingesetzt. Dieses Leitsalz ist gegenüber Feuchtigkeit äußerst reaktiv, so dass Hydrolyse erfolgen kann, bis zur Entstehung von Fluorwasserstoff (HF).
Sollte es zu einer Fehlfunktion kommen, beispielsweise durch einen Unfall oder durch Überladung, kann es zu einer Überhitzung kommen. Damit eine solche Zelle nicht unkontrolliert platzt und nachfolgend weitere Zellen beschädigt werden, kann im Deckel einer solchen Zelle ein Sicherheitsventil (safety vent). integriert sein, welches bei einem definierten Überdruck im Zellinneren aktiviert wird. Bei einem erhöhten Innendruck öffnet dieses und die Zelle kann definiert entgasen. Es erfolgt eine Druckentlastung der Zelle. Derartige Entgasungsöffnungen können dabei auch als Sollbruchstellen ausgestaltet sein.
Die austretenden Gase enthalten Elektrolyt und reagieren mit Wasser zu Flusssäure. Um Gefahren für Aggregate und Personen zu vermeiden, ist es notwendig, dass das aus den Batteriezellen ausgetretene Gas kontrolliert und gezielt abgeführt wird, was durch einen sogenannten Moduldeckel erfolgen kann, der auf einem Batteriezellenmodul angeordnet sein kann.
Zudem kann in dem Moduldeckel ein Kollektor integriert sein, der die entweichenden Gase der Zellen zumindest temporär sammelt. Der Kollektor ist am Schlauchsystem des Entgasungssystems angeschlossen, welches alle Module miteinander verbindet und die entweichenden Gase aus dem Batteriegehäuse leitet.
Vorteilhaft gegenüber den vorgenannten Lösungen ist es jedoch, dass die Gase letztendlich nicht aus dem Modul austreten und und die Sicherheit für in der Nähe befindliche Bauteile usw. erhöht wird.
Offenbarung der Erfindung
Vorgeschlagen wird erfindungsgemäß ein Batteriezellenmodul, umfassend eine Mehrzahl von Batteriezellen, welche insbesondere Lithium-Ionen-Batteriezellen sein können. Die Batteriezellen weisen jeweils eine Entgasungsöffnung auf. Das Batteriezellenmodul umfasst weiterhin einen mehreren Batteriezellen zugeordneten Gasaufnahmeraum zur dauerhaften Aufnahme von aus diesen Batteriezellen entwichenem Gas, wobei ein geschlossenes Entgasungssystem gegeben ist.
Geschlossenes Entgasungssystem bedeutet in diesem Kontext, dass die Entgasungsöffnungen dicht mit dem Gasaufnahmeraum verbunden sind und die den Batteriezellen entwichenen Gase vorteilhafterweise nicht in die Umwelt gelangen können. Die Ausbildung entsprechender Verbindungen ist dem Fachmann bekannt.
Um einen Druckausgleich im geschlossenen Entgasungssystem beim Austritt des Gases aus den Batteriezellen zu gewährleisten, sind mehrere Möglichkeiten vorgesehen.
So kann der Gasaufnahmeraum ein Überdruckventil aufweisen, das die im Gasaufnahmeraum befindliche Luft, nicht jedoch die entwichenen Gase austreten lässt. Dazu ist der Gasaufnahmeraum entsprechend zu dimensionieren, so dass bei Abschluss der Verdrängung der Luft aus dem Entgasungssystem durch die ausgetretenen Gase wieder Normaldruck herrscht und das Überdruckventil schließt.
Alternativ kann der Gasaufnahmeraum volumenveränderlich sein, um eine Druckerhöhung auszugleichen.
Eine bevorzugte Ausführungsform besteht darin, den Gasaufnahmeraum mit einem Vakuum zu beaufschlagen und zwischen dem Gasaufnahmeraum und den Batteriezellen ein Ventil vorzusehen, das sich bei Druckerhöhung durch die entwichenen Gase öffnet. Vorteilhafterweise erfolgt durch das Vorsehen eines Vakuums im Gasaufnahmeraum eine sehr schnelle Entgasung in Richtung des Gasaufnahmeraums.
Nach einer besonders bevorzugten Ausführungsform der Erfindung ist im Gasaufnahmeraum ein Absorptionsmittel, ein Adsorptionsmittel oder ein Mittel zur andersgearteten Bindung des entwichenen Gases angeordnet.
Dazu gehören auch Mittel, die mit den Gasen eine chemische Reaktion eingehen, wobei die Reaktionsprodukte vorzugsweise Feststoffe sind.
Der Vorteil bei dieser Ausführungsform ist, dass auch bei einer späteren Zerstörung oder Öffnung des Gasaufnahmeraums keine Gase unkontrolliert austreten können.
Als Absorptionsmittel, Adsorptionsmittel oder Mittel zur andersgearteten Bindung der entwichenen Gase können beispielsweise Aktivkohle, Zeolithe (künstlich oder natürlich hergestellte), Polymere, Superabsorber oder andere Stoffe mit hoher spezifischer Oberfläche verwendet werden.
Die Entgasungsöffnung der Batteriezellen oder die Öffnungen des zumindest einen Gehäuses zur Aufnahme der Batteriezellen können zusätzlich mit einem Berstelement, einem Sicherheitsventil oder dergleichen versehen sein.
Das Batteriezellenmodul umfasst zumindest ein Gehäuse, in dem die Mehrzahl der Batteriezellen angeordnet ist. Dieses Gehäuse ist über Leitungen mit dem Gasaufnahmeraum verbunden.
Das Batteriezellenmodul kann aber auch mehrere Gehäuse zur Aufnahme von Batteriezellen aufweisen, wobei diese über eine gemeinsame Leitung oder über separate Leitungen mit dem Gasaufnahmeraum verbunden sind.
Das heißt, dass der Gasaufnahmeraum vorzugsweise allen Batteriezellen des Batteriezellenmoduls gemeinsam zugeordnet ist.
Bevorzugt ist eine direkte Verbindung des Volumens des Gasaufnahmeraums mit den Entgasungsöffnungen, ohne eine Durchströmung von zwischengeordneten Kammern oder dergleichen. Bevorzugt ist eine Durchströmung von relativ kurzen Leitungsstutzen. Dadurch kann bei Erzeugung einer Strömung im Gasaufnahmeraum durch ein Vakuum effizient ein Unterdruck an allen Entgasungsöffnungen erzeugt werden.
Zudem wird erfindungsgemäß ein Kraftfahrzeug, insbesondere ein elektromotorisch angetriebenes Kraftfahrzeug, zur Verfügung gestellt, welches wenigstens ein erfindungsgemäßes Batteriezellenmodul aufweist, das mit einem Antriebssystem des Kraftfahrzeugs verbunden ist.
Vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung sind in den Unteransprüchen angegeben und in der Beschreibung beschrieben.
Ausführungsbeispiele der Erfindung werden anhand der Zeichnung und der nachfolgenden Beschreibung näher erläutert. Es zeigt:
1 in einer schematischen Darstellung ein erfindungsgemäßes Batteriezellenmodul mit einem geschlossenen Entgasungssystem nach einer bevorzugten Ausführungsform.
In der 1 ist ein erfindungsgemäßes Batteriezellenmodul 10 dargestellt, das Batteriezellen 11, die jeweils eine nicht dargestellte Entgasungsöffnung aufweisen und in drei Gehäusen 12 angeordnet sind, aufweist. Die drei Gehäuse 12 weisen eine Öffnung 13 auf, wobei die drei Gehäuse 12 mittels Verbindungsleitungen 14, die an der jeweiligen Öffnung 13 der Gehäuse 12 ansetzen, verbunden sind. Letztlich sind alle Öffnungen mit einer Leitung 15 verbunden, die mittels eines Ventils 16 in Abhängigkeit vom Druck verschlossen ist und in einem Gasaufnahmeraum 17 endet. In diesem Gasaufnahmeraum 17 befindet sich ein Absorptionsmittel oder dergleichen zur Aufnahme von Gasen, die aus den Batteriezellen 11 entweichen können.

Claims

Ein Batteriezellenmodul, umfassend eine Mehrzahl von Batteriezellen (11), die jeweils eine Entgasungsöffnung aufweisen, sowie weiterhin einen den Batteriezellen (11) zugeordneten Gasaufnahmeraum (17) zur Aufnahme von aus diesen Batteriezellen (11) entwichenem Gas, dadurch gekennzeichnet, dass der Gasaufnahmeraum (17) zur dauerhaften Aufnahme des entwichenen Gases ausgebildet ist.
Das Batteriezellenmodul nach Anspruch 1, wobei die Batteriezellen (11) Lithium-Ionen-Zellen sind.
Das Batteriezellenmodul nach Anspruch 1 oder 2, wobei der Gasaufnahmeraum (17) ein Überdruckventil aufweist.
Das Batteriezellenmodul nach einem der Ansprüche 1 bis 3, wobei der Gasaufnahmeraum (17) volumenveränderlich ausgebildet ist.
Das Batteriezellenmodul nach Anspruch 1 oder 2, wobei der Gasaufnahmeraum (17) mit einem Vakuum beaufschlagt ist.
Das Batteriezellenmodul nach Anspruch 5, wobei zwischen Gasaufnahmeraum (17) und den Entgasungsöffnungen der Batteriezellen (11) ein druckgesteuertes Ventil (16) angeordnet ist.
Das Batteriezellenmodul nach einem der Ansprüche 1 bis 6, wobei im Gasaufnahmeraum (17) ein Absorptionsmittel (18), ein Adsorptionsmittel oder ein Mittel zur andersgearteten Bindung des entwichenen Gases angeordnet ist.
Das Batteriezellenmodul nach einem der Ansprüche 1 bis 7, wobei die Entgasungsöffnungen der Batteriezellen (11) zusätzlich mit einem Berstelement, einem Sicherheitsventil oder dergleichen versehen sind.
Das Batteriezellenmodul nach einem der Ansprüche 1 bis 8, wobei das Batteriezellenmodul (10) zumindest ein Gehäuse (12) umfasst, in dem die Mehrzahl der Batteriezellen (11) angeordnet ist, wobei dieses zumindest eine Gehäuse (12) über zumindest eine Leitung (15) mit dem Gasaufnahmeraum (17) verbunden ist und mit einem Berstelement, einem Sicherheitsventil oder dergleichen versehen sein kann.
Ein Kraftfahrzeug, insbesondere elektromotorisch antreibbares Kraftfahrzeug, mit einem Batteriezellenmodul (10) nach einem der Ansprüche 1 bis 9, wobei das Batteriezellenmodul (10) mit einem Antriebssystem des Kraftfahrzeuges verbunden ist.