DE102011103998A1

DE102011103998A1 - Energiespeichereinheit und/oder -wandlereinheit

Info

Publication number: DE102011103998A1
Application number: DE102011103998A
Authority: DE
Inventors: Dirk Schröter; Barbara Seling; Andreas Warkentin; Norbert Wiesheu
Original assignee: Daimler AG
Current assignee: Mercedes Benz Group AG
Priority date: 2011-06-10
Filing date: 2011-06-10
Publication date: 2012-12-13
Also published as: WO2012167812A1

Abstract

Die Erfindung betrifft eine Energiespeichereinheit und/oder -wandlereinheit (1) mit zumindest einem als elastischer Hohlkörper ausgebildeten Druckausgleichselement (2). Erfindungsgemäß ist zumindest eine Öffnung des Druckausgleichselementes (2) mit zumindest einer Gehäuseöffnung eines Gehäuses (3) der Energiespeichereinheit und/oder -wandlereinheit (1) verbunden, wobei die Gehäuseöffnung durch das Druckausgleichselement (2) gegenüber einer äußeren Umgebung der Energiespeichereinheit und/oder -wandlereinheit (1) fluiddicht verschlossen ist.

Description

Die Erfindung betrifft eine Energiespeichereinheit und/oder -wandlereinheit nach den Merkmalen des Oberbegriffs des Anspruchs 1.
Aus dem Stand der Technik ist, wie in der US 2003/0022059 A1 beschrieben, ein Behälter bekannt, in welchem ein Elektrolyt zirkuliert. Der Behälter weist eine Vorrichtung zur Verhinderung von Druckveränderungen im Behälter auf. Die Vorrichtung umfasst ein Druckausgleichselement, welches als ein elastischer Hohlkörper aus einem säurebeständigen und luftdichten Material ausgebildet ist und in einem mit Gas gefüllten Bereich des Behälters angeordnet ist. Ein Innenraum des Druckausgleichselementes steht in Kontakt zu einer äußeren Umgebung des Behälters, so dass das Druckausgleichselement sich in Abhängigkeit vom Druck im Behälter und vom Umgebungsdruck ausdehnt oder zusammenzieht.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine verbesserte Energiespeichereinheit und/oder -wandlereinheit anzugeben.
Die Aufgabe wird erfindungsgemäß durch eine Energiespeichereinheit und/oder -wandlereinheit mit den Merkmalen des Anspruchs 1 gelöst.
Bevorzugte Ausgestaltungen und Weiterbildungen der Erfindung sind in den abhängigen Ansprüchen angegeben.
Eine Energiespeichereinheit und/oder Energiewandlereinheit weist zumindest ein als elastischer Hohlkörper ausgebildetes Druckausgleichselement auf, d. h. das Druckausgleichselement weist eine elastische, insbesondere dehnbare Wandung auf, so dass es sich, analog eines Luftballons, aufblähen und wieder zusammenziehen kann und auf diese Weise einen volumenveränderlichen Fluidspeicher, insbesondere Gasspeicher bildet.
Erfindungsgemäß ist zumindest eine Öffnung des Druckausgleichselementes mit zumindest einer Gehäuseöffnung eines Gehäuses der Energiespeichereinheit und/oder -wandlereinheit verbunden, wobei die Gehäuseöffnung durch das Druckausgleichselement gegenüber einer äußeren Umgebung der Energiespeichereinheit und/oder -wandlereinheit fluiddicht verschlossen ist, d. h. das Druckausgleichselement wirkt als fluiddichter Verschluss eines Innenraums des Gehäuses gegenüber der äußeren Umgebung der Energiespeichereinheit und/oder -wandlereinheit.
Die Energiespeichereinheit und/oder -wandlereinheit kann für mobile und/oder für stationäre Verwendungszwecke vorgesehen sein. Sie ist beispielsweise eine elektrochemische Energiespeichereinheit und/oder -wandlereinheit, insbesondere eine elektrochemische Batterie mit zumindest einer Einzelzelle oder mit einer Mehrzahl parallel und/oder seriell elektrisch miteinander verschalteter Einzelzellen. Eine derartige, als elektrochemische Batterie ausgebildete Energiespeichereinheit und/oder -wandlereinheit ist beispielsweise eine Fahrzeugbatterie, insbesondere eine Batterie für ein Hybridfahrzeug, ein Brennstoffzellenfahrzeug oder ein Elektrofahrzeug.
Mittels des Druckausgleichselementes ist ein Fluidaustausch, insbesondere ein Luft- oder Gasaustausch, zwischen dem Gehäuse und der äußeren Umgebung des Gehäuses bei einer Änderung eines Gehäuseinnendrucks gegenüber einem Umgebungsdruck des Gehäuses oder bei einer Änderung des Umgebungsdrucks gegenüber dem Gehäuseinnendruck vermieden oder zumindest deutlich reduziert, da ein Druckgefälle zwischen einem Innenraum des Gehäuses und dessen äußerer Umgebung nahezu gegen Null geht. Auf diese Weise erfolgt kein Luftaustausch durch in das Gehäuse nachströmende Luft.
Dadurch ist ein Eintrag von Feuchtigkeit, insbesondere von Luftfeuchtigkeit in das Gehäuse vermieden oder zumindest deutlich reduziert. Insbesondere ist eine Ansammlung von Flüssigkeit im Gehäuse vermieden.
Ein derartiger Eintrag von Feuchtigkeit kann zu Beschädigungen, insbesondere in Form von Korrosion, an im Gehäuse angeordneten Teilen der Energiespeichereinheit und/oder -wandlereinheit führen. Zudem kann die Feuchtigkeit Kurzschlüsse an den im Gehäuse angeordneten Teilen der Energiespeichereinheit und/oder -wandlereinheit verursachen und/oder zu einer Erhöhung eines elektrischen Widerstands an den im Gehäuse angeordneten Teilen der Energiespeichereinheit und/oder -wandlereinheit und dadurch zu einer höheren Abwärme führen.
Da dies durch das Druckausgleichselement vermieden oder zumindest deutlich reduziert ist, sind beispielsweise Korrosionsschutzanforderungen an die im Innenraum des Gehäuses angeordneten Teile reduzierbar, so dass die Korrosionsschutzanforderungen bereits mit einfachen konstruktiven Maßnahmen erfüllbar sind. Dadurch sind Fertigungserleichterungen sowie Kosten- und Gewichtseinsparungen realisierbar.
Da, wie bereits erwähnt, das Druckgefälle zwischen dem Innenraum des Gehäuses und dessen äußerer Umgebung nahezu gegen Null geht, sind zudem keine aufwändigen und kostenintensiven konstruktiven Maßnahmen zu treffen, um das Gehäuse und die im Gehäuse angeordneten Teilen der Energiespeichereinheit und/oder -wandlereinheit ausreichend druckbeständig gegenüber auftretenden Druckschwankungen auszulegen. Dadurch sind Fertigungserleichterungen sowie Kosten- und Gewichtseinsparungen realisierbar. Da derartige Druckschwankungen aufgrund des Druckausgleichselementes nicht auftreten, ist eine Gefahr einer Explosion oder Implosion der Energiespeichereinheit und/oder -wandlereinheit sowie Beschädigung der im Gehäuse angeordneten Teile der Energiespeichereinheit und/oder -wandlereinheit nicht vorhanden oder zumindest erheblich reduziert.
Zweckmäßigerweise sind das Gehäuse und/oder das Druckausgleichselement zumindest innerhalb eines vorgegebenen Gehäuseinnendruckbereiches fluiddicht gegenüber einer äußeren Umgebung des Gehäuses ausgebildet. Dies ist ermöglicht, da der Druckausgleich, zumindest innerhalb des vorgegebenen Gehäuseinnendruckbereiches, ausschließlich durch das Druckausgleichselement realisierbar ist. Durch das fluiddichte Gehäuse ist ein Eintrag von Fluiden, insbesondere von Umgebungsluft und Luftfeuchtigkeit, in das Gehäuse vermieden.
Vorzugsweise weist das Gehäuse und/oder das Druckausgleichselement zumindest ein Überdruck- und/oder Unterdruckventil auf. Ist eine maximale Ausdehnungsgröße des Druckausgleichselementes beschränkt, beispielsweise aufgrund eines beschränkten Bauraums, in welchen es sich ausdehnen kann, so kann das Druckausgleichselement den Druckausgleich nur innerhalb bestimmter Grenzen realisieren, beispielsweise abgestimmt auf Hauptbetriebsbedingungen der Energiespeichereinheit und/oder -wandlereinheit.
Diese Grenzen können jedoch beispielsweise in Ausnahmefällen überschritten oder unterschritten werden, zum Beispiel bei starken Umgebungsdruckveränderungen oder bei einer Fehlfunktion der Energiespeichereinheit und/oder -wandlereinheit, beispielsweise bei einem Kurzschluss, bei einer Überlastung oder bei einer Überladung. Daher ist ein derartiges Überdruck- und/oder Unterdruckventil vorteilhaft, um eine Explosion oder Implosion des Gehäuses und daraus resultierende starke Beschädigungen der Energiespeichereinheit und/oder -wandlereinheit und Gefährdungen von Personen sowie des Weiteren eine Beschädigung der im Innenraum angeordneten Teile der Energiespeichereinheit und/oder -wandlereinheit zu verhindern oder zumindest deutlich zu reduzieren.
Das Überdruck- und/oder Unterdruckventil ist beispielsweise mittels einer Messvorrichtung steuerbar, zum Beispiel durch einen Drucksensor, mittels welchem das Überdruck- und/oder Unterdruckventil schaltbar ist. Das Überdruck- und/oder Unterdruckventil ist beispielsweise im stromlosen Zustand geschlossen und durch Anlegen von Strom zu öffnen.
Ein Strömungsweg eines Ausgleichsluftstroms durch das Überdruck- und/oder Unterdruckventil verläuft dabei vorzugsweise über bzw. durch eine mit einem Feuchtebindungsmittel, zum Beispiel so genannte SILICA-Teilchen, gefüllte Trockenpatrone, um in das Gehäuse einströmender Luft Feuchtigkeit zu entziehen und einen Feuchtigkeitseintrag in das Gehäuse auch bei geöffnetem Überdruck- und/oder Unterdruckventil zu vermeiden oder zumindest deutlich zu reduzieren. Alternativ oder zusätzlich kann im Strömungsweg beispielsweise eine gasdurchlässige, insbesondere luftdurchlässige und flüssigkeitsundurchlässige Membran, zum Beispiel aus Polytetrafluorethen (PTFE), angeordnet sein.
Das Druckausgleichselement ist zweckmäßigerweise aus Kunststoff und/oder Metall gebildet, beispielsweise aus einem oder mehreren Geweben und/oder aus einer oder mehreren Folien. Aus Stabilitätsgründen ist beispielsweise ein Schichtaufbau aus mehreren Folien- und/oder Gewebeschichten aus Kunststoff und/oder Metall möglich.
Das Druckausgleichselement ist in einer vorteilhaften Ausführungsform innerhalb und in einer weiteren vorteilhaften Ausführungsform außerhalb des Gehäuses angeordnet. Bei einer Verwendung einer Mehrzahl von Druckausgleichselementen ist auch eine Kombination der beiden Ausführungsformen möglich, d. h. ein oder mehrere Druckausgleichselemente sind innerhalb und ein oder mehrere weitere Druckausgleichselemente außerhalb des Gehäuses angeordnet.
Die Verwendung mehrerer Druckausgleichselemente kann beispielsweise aufgrund eingeschränkter Platzverhältnisse im Gehäuse und/oder außerhalb des Gehäuses vorteilhaft sein, da dann anstatt eines großen beispielsweise mehrere kleinere Druckausgleichselemente einsetzbar sind. Des Weiteren kann beispielsweise auch bei einem Gehäuse mit einer Mehrzahl voneinander abgetrennter Innenräume die Verwendung mehrerer Druckausgleichselemente sinnvoll sein, wobei dann für jeden Innenraum des Gehäuses zumindest ein Druckausgleichselement vorgesehen sein sollte.
Ist das Druckausgleichselement innerhalb des Gehäuses angeordnet und mit der Gehäuseöffnung verbunden, welche es abdichtet, so ist im Druckausgleichselement ein gegenüber dem Innenraum des Gehäuses abgeschirmtes und über die Öffnung im Druckausgleichselement mit der äußeren Umgebung verbundenes variables Luftvolumen vorhanden, wodurch eine Trennung einer für den Druckausgleich erforderlichen Fluidmenge, d. h. insbesondere Außenluftmenge, von einer sich im Gehäuse befindenden Fluidmenge, insbesondere Luft- oder Gasmenge, realisiert ist. Dadurch ist ein Fluidaustausch, insbesondere ein Luft- oder Gasaustausch, zwischen dem Gehäuse und der äußeren Umgebung des Gehäuses bei einer Änderung des Gehäuseinnendrucks gegenüber dem Umgebungsdruck des Gehäuses und/oder bei einer Änderung des Umgebungsdrucks gegenüber dem Gehäuseinnendruck vermieden oder zumindest deutlich reduziert. Auf diese Weise erfolgt insbesondere kein Luftaustausch durch in das Gehäuse nachströmende Luft.
Steigt der Gehäuseinnendruck gegenüber dem Umgebungsdruck an und/oder fällt der Umgebungsdruck gegenüber dem Gehäuseinnendruck ab, so wird dies durch ein Zusammenpressen des Druckausgleichselementes und ein Ausströmen der Luft aus dem Druckausgleichselement in die äußere Umgebung sofort kompensiert. Analog wird, wenn der Umgebungsdruck gegenüber dem Gehäusesinnendruck ansteigt und/oder wenn der Gehäuseinnendruck gegenüber dem Umgebungsdruck abfällt, dies durch ein Einströmen von Umgebungsluft in das Druckausgleichselement und ein Ausdehnen des Druckausgleichselementes im Gehäuse sofort kompensiert, so dass die Druckdifferenz jederzeit nahe Null ist.
Ist das Druckausgleichselement außerhalb des Gehäuses angeordnet und mit der Gehäuseöffnung verbunden, welche es abdichtet, so ist im Druckausgleichselement ein gegenüber der äußeren Umgebung des Gehäuses abgeschirmtes und über die Öffnung im Druckausgleichselement mit dem Innenraum des Gehäuses verbundenes variables Fluidvolumen vorhanden. Steigt der Gehäuseinnendruck gegenüber dem Umgebungsdruck an und/oder fällt der Umgebungsdruck gegenüber dem Gehäuseinnendruck ab, so wird dies durch ein Einströmen des Fluids aus dem Innenraum des Gehäuses in das Druckausgleichselement und ein Ausdehnen des Druckausgleichselementes sofort kompensiert. Analog wird, wenn der Umgebungsdruck gegenüber dem Gehäusesinnendruck ansteigt und/oder wenn der Gehäuseinnendruck gegenüber dem Umgebungsdruck abfällt, dies durch ein Zusammenpressen des Druckausgleichselementes und ein Zurückströmen des Fluids aus dem Druckausgleichselement in das Gehäuse sofort kompensiert, so dass die Druckdifferenz jederzeit nahe Null ist.
Die Öffnung des Druckausgleichselementes ist in einer vorteilhaften Ausführungsform an der Gehäuseöffnung angeordnet und in einer weiteren vorteilhaften Ausführungsform durch eine Verbindungsleitung mit der Gehäuseöffnung verbunden. Auch hier ist bei einer Verwendung einer Mehrzahl von Druckausgleichselementen auch eine Kombination der beiden Ausführungsformen möglich.
Die Verbindung der Öffnung des Druckausgleichselementes mit der Gehäuseöffnung über eine Verbindungsleitung, beispielsweise ein Rohr oder einen Schlauch, ist vorteilhaft, um das Druckausgleichselement an einer günstigen Stelle positionieren zu können, an welcher insbesondere ein ungehindertes Ausdehnen des Druckausgleichselementes möglich ist. Zudem ist das Druckausgleichselement auf diese Weise an einer geschützten Stelle positionierbar, um die Gefahr von Beschädigungen des Druckausgleichselementes zu vermeiden oder zumindest deutlich zu reduzieren.
Vorzugsweise weist die Gehäuseöffnung eine Anschlusseinheit zum Anschließen des Druckausgleichselementes, entweder direkt oder indirekt über die Verbindungsleitung, auf, wobei die Anschlusseinheit gasdurchlässig sowie dichtend gegenüber Flüssigkeiten und Festkörpern, insbesondere in Form von Staub, ausgebildet ist. Zu diesem Zweck weist die Anschlusseinheit beispielsweise eine gasdurchlässige, insbesondere luftdurchlässige und flüssigkeitsundurchlässige Membran auf, zum Beispiel aus Polytetrafluorethen (PTFE). Diese kann beispielsweise mit einem zusätzlichen Staubfilter kombiniert sein. Durch die Anschlusseinheit ist sowohl ein Eindringen von Flüssigkeiten und Verschmutzungen in das Druckausgleichselement als auch deren Eindringen in den Innenraum des Gehäuses bei einer Beschädigung des Druckausgleichselementes, beispielsweise bei einem Platzen, Reißen oder vollständigen Entfernen des Druckausgleichselementes, verhindert oder zumindest stark vermindert.
Alternativ oder zusätzlich kann die Gehäuseöffnung ein Notabschlussventil aufweisen, welches die Gehäuseöffnung bei einer Beschädigung des Druckausgleichselementes, beispielsweise bei einem Platzen, Reißen oder vollständigen Entfernen des Druckausgleichselementes verschließt und auf diese Weise ein Eindringen von Feuchtigkeit in den Innenraum des Gehäuses verhindert. Die Beschädigung oder das Entfernen des Druckausgleichselementes ist beispielsweise mittels entsprechender Sensoren ermittelbar, welche beispielsweise eine plötzliche starke Druckveränderung im Innenraum des Gehäuses registrieren können, um daraufhin das Notabschlussventil anzusteuern und zu schließen. Insbesondere bei einem zumindest teilweise aus Metallfolien gefertigten Druckausgleichselement ist beispielsweise mittels eines Überwachungsstromkreises, in welchen die Metallfolie eingebunden ist, eine Beschädigung des Druckausgleichselementes durch eine Beschädigung der Metallfolie und eine draus resultierende Änderung eines überwachten Strom-, Spannungs-, und/oder Widerstandswertes im Überwachungsstromkreis ermittelbar und daraufhin das Notabschlussventil ansteuerbar und verschließbar.
Bevorzugt ist das Gehäuse mit einem Inertgas oder Schutzgas gefüllt, beispielsweise mit Stickstoff, Kohlenstoffdioxid und/oder mit einem Edelgas. Mittels eines derartigen Schutzgases oder Inertgases ist beispielsweise eine Brandgefahr der im Innenraum des Gehäuses angeordneten Teile der Energiespeichereinheit und/oder -wandlereinheit verhinderbar oder zumindest reduzierbar. Da durch das Druckausgleichselement ein Gasaustausch mit der äußeren Umgebung des Gehäuses verhindert oder zumindest deutlich reduziert ist, ist eine Verdünnung des Schutzgases oder Inertgases mit Umgebungsluft verhindert oder zumindest deutlich reduziert, wodurch dessen Brandschutzwirkung auch über eine sehr lange Einsatzdauer der Energiespeichereinheit und/oder -wandlereinheit hinweg erhalten bleibt.
Zweckmäßigerweise weist das Gehäuse und/oder das Druckausgleichselement ein Ventil zum Einfüllen und/oder Absaugen eines Fluids auf, beispielsweise zum Einfüllen und/oder Absaugen des Inertgases oder Schutzgases oder von Luft. Dieses Ventil kann beispielsweise das Überdruck- und/oder Unterdruckventil oder ein separates Ventil sein.
Insbesondere das Einfüllen des Inertgases oder Schutzgases oder auch der Luft sollte dabei derart erfolgen, dass das Druckausgleichselement entsprechend den während des Einfüllens herrschenden Druckverhältnissen und Temperaturen gefüllt und aufgebläht ist. D. h. ein jeweiliges Füllvolumen ist entsprechend anzupassen.
Herrschen beispielsweise durchschnittliche Umgebungs- und Innendruckverhältnisse und Umgebungs- und Innenraumtemperaturen, so sollte das Druckausgleichselement beispielsweise bis zu einer halben zulässigen Maximalgröße aufgebläht sein. Auf diese Weise kann es sich beispielsweise bei Druck- und/oder Volumenveränderungen, zum Beispiel aufgrund von Temperaturänderungen, noch ausreichend ausdehnen oder zusammenziehen.
Ausführungsbeispiele der Erfindung werden im Folgenden anhand von Zeichnungen näher erläutert.
Dabei zeigen:
1 schematisch eine Innenluftvolumenänderung bei einer Batterie nach dem Stand der Technik,
2 schematisch eine Innendruckveränderung in einer Batterie nach dem Stand der Technik,
3 schematisch ein erstes Ausführungsbeispiel einer Energiespeichereinheit und/oder -wandlereinheit in einem ersten Betriebszustand,
4 schematisch ein erstes Ausführungsbeispiel einer Energiespeichereinheit und/oder -wandlereinheit in einem zweiten Betriebszustand,
5 schematisch ein zweites Ausführungsbeispiel einer Energiespeichereinheit und/oder -wandlereinheit,
6 schematisch ein drittes Ausführungsbeispiel einer Energiespeichereinheit und/oder -wandlereinheit,
7 schematisch eine Gehäuseinnendruckveränderung in einer Energiespeichereinheit und/oder -wandlereinheit und
8 schematisch eine Fluidvolumenänderung eines Fluids einer Energiespeichereinheit und/oder -wandlereinheit.
Einander entsprechende Teile sind in allen Figuren mit den gleichen Bezugszeichen versehen.
1 zeigt schematisch eine Innenluftvolumenänderung dVB in Abhängigkeit einer Änderung einer Batterietemperatur TB bei einer Batterie nach dem Stand der Technik mit einem nicht gegenüber einer Umgebung abgedichteten Batteriegehäuse. Bei einem Verschluss des Batteriegehäuses, welcher im hier dargestellten Beispiel bei einer Batterietemperatur TB von 20°C stattfand, hatte die Batterie ein Innenluftvolumen in einem Batterieinnenraum von beispielsweise zehn Litern. Dieses Innenluftvolumen ergibt sich aus einem Freiraum, welcher im Batteriegehäuse noch vorhanden ist und mit Luft gefüllt ist.
In einem Betrieb der Batterie ist diese stets Temperaturveränderungen ausgesetzt, beispielsweise durch Erwärmung während des Ladens und Entladens und durch Abkühlung in ungenutzten Phasen der Batterie. Zudem wirken auch äußere Temperaturveränderungen auf die Batterie ein und erwärmen diese oder kühlen sie ab.
Bei einer steigenden Batterietemperatur TB findet, wie in 1 dargestellt, eine Ausdehnung und dadurch eine Innenluftvolumenvergrößerung der im Batteriegehäuse vorhandenen Innenluft statt, bei einer Batterietemperatur TB von 60°C beispielsweise um 1,4 Liter, so dass aufgrund des nicht abgedichteten Batteriegehäuses Innenluft in die Umgebung entweicht. Bei einer sinkenden Batterietemperatur TB findet, wie ebenfalls in 1 dargestellt, eine Innenluftvolumewerkleinerung der im Batteriegehäuse vorhandenen Innenluft statt, bei einer Batterietemperatur TB von –40°C beispielsweise um –2 Liter, so dass aufgrund des nicht abgedichteten Batteriegehäuses Umgebungsluft aus der Umgebung der Batterie in das Batteriegehäuse nachströmt.
Bei diesem Einströmen von Umgebungsluft aus der Umgebung der Batterie in das Batteriegehäuse findet auch ein Eintrag von Luftfeuchtigkeit in das Batteriegehäuse statt. Sich dadurch im Batteriegehäuse ansammelnde Feuchtigkeit kann zu Korrosionsschäden führen, so dass aufwändige und kostenintensive Korrosionsschutzvorkehrungen zu treffen sind. Zudem kann die Feuchtigkeit Kurzschlüsse an im Batteriegehäuse angeordneten Batterieteilen verursachen und/oder zu einer Erhöhung eines elektrischen Widerstands an den im Batteriegehäuse angeordneten Batterieteilen und dadurch zu einer höheren Abwärme führen.
Um dies zu vermeiden, ist das Batteriegehäuse vollständig gegenüber der Umgebung abzudichten, so dass kein Luftaustausch zwischen dem Batterieinnenraum und der Umgebung stattfindet. Dies führt allerdings, wie in 2 dargestellt, zu Innendruckveränderungen dPB im Batterieinnenraum bei den schon beschriebenen Temperaturänderungen. Ist die Batterie beispielsweise bei einer Umgebungstemperatur, welche dann der Batterietemperatur TB entspricht, von 20°C gefertigt, so entspricht ein Innendruck im Batteriegehäuse bei der Batterietemperatur TB von 20°C einem Umgebungsdruck, d. h. eine Druckdifferenz zwischen Innendruck im Batteriegehäuse und Umgebungsdruck ist Null.
Bei Temperaturerhöhungen findet, da die Luft nicht aus dem Batteriegehäuse entweichen kann, eine Innendruckerhöhung gegenüber dem Umgebungsdruck statt, bei einer Batterietemperatur TB von 60°C beispielsweise um 140 mbar. Bei Temperatursenkungen findet entsprechend, da keine Luft aus der Umgebung in das Batteriegehäuse einströmen kann, eine Innendruckabsenkung gegenüber dem Umgebungsdruck statt, bei einer Batterietemperatur TB von –40°C beispielsweise um –200 mbar.
Diese Innendruckveränderungen dPB können zu einer Explosion bzw. zu einer Implosion der Batterie führen, d. h. zu erheblichen Beschädigungen oder zur vollständigen Zerstörung der Batterie, und zudem Personen in der Umgebung der Batterie gefährden. Des Weiteren können diese Innendruckveränderungen dPB, selbst wenn das Batteriegehäuse diesen standhält, zu Beschädigungen oder zur Zerstörung von im Batteriegehäuse angeordneten Batterieteilen führen.
Um dies zu vermeiden, sind aufwändige und kostenintensive konstruktive Maßnahmen erforderlich, beispielsweise ein entsprechend verstärktes Batteriegehäuse, welches den Innendruckveränderungen dPB standhält, und entsprechend den auftretenden Innendruckveränderungen dPB ausgelegte Batterieteile. Alternativ ist ab vorgegebenen Innendruckwertebereichen wieder ein Druckausgleich mit der Umgebung zu ermöglichen, woraus allerdings wieder ein Eintrag von Feuchtigkeit in des Batteriegehäuse mit den bereits geschilderten Nachteilen resultiert.
In den 3 bis 6 sind Ausführungsbeispiele einer erfindungsgemäßen Energiespeichereinheit und/oder -wandlereinheit 1 dargestellt, mittels welcher, wie in den 7 und 8 dargestellt, ein konstanter Gehäuseinnendruck und eine Fluidvolumenveränderung eines gegenüber einer äußeren Umgebung fluiddicht abgeschlossenen Fluids zumindest innerhalb eines vorgegebenen Volumenbereiches und dadurch innerhalb eines vorgegebenen Temperaturbereiches ermöglicht ist, wodurch die geschilderten Nachteile von Batterien nach dem Stand der Technik vermieden sind. Um dies zu verdeutlichen, ist in 7 eine Gehäuseinnendruckveränderung dPE in Abhängigkeit von einer Temperatur TE der Energiespeichereinheit und/oder -wandlereinheit 1 und in 8 eine Fluidvolumenänderung dVE in Abhängigkeit von der Temperatur TE der Energiespeichereinheit und/oder -wandlereinheit 1 dargestellt.
Die Energiespeichereinheit und/oder -wandlereinheit 1 kann für mobile und/oder für stationäre Verwendungszwecke vorgesehen sein. Sie ist beispielsweise eine elektrochemische Energiespeichereinheit und/oder -wandlereinheit 1, insbesondere, wie in den hier dargestellten Ausführungsbeispielen, eine elektrochemische Batterie mit zumindest einer Einzelzelle oder mit einer Mehrzahl parallel und/oder seriell elektrisch miteinander verschalteter Einzelzellen. Eine derartige, als elektrochemische Batterie ausgebildete Energiespeichereinheit und/oder -wandlereinheit 1 ist beispielsweise eine Fahrzeugbatterie, insbesondere eine Batterie für ein Hybridfahrzeug, ein Brennstoffzellenfahrzeug oder ein Elektrofahrzeug.
Die Energiespeichereinheit und/oder -wandlereinheit 1 weist, wie in den 3 bis 6 dargestellt, zumindest ein als elastischer Hohlkörper ausgebildetes Druckausgleichselement 2 auf, d. h. das Druckausgleichselement 2 weist eine elastische, insbesondere dehnbare Wandung auf, so dass es sich, analog eines Luftballons, aufblähen und wieder zusammenziehen kann und auf diese Weise einen volumenveränderlichen Fluidspeicher, insbesondere Gasspeicher bildet. Das Druckausgleichselement 2 ist zum Beispiel aus Kunststoff und/oder Metall gebildet, beispielsweise aus einem oder mehreren Geweben und/oder aus einer oder mehreren Folien. Aus Stabilitätsgründen ist beispielsweise ein Schichtaufbau aus mehreren Folien- und/oder Gewebeschichten aus Kunststoff und/oder Metall möglich.
Eine Öffnung des Druckausgleichselementes 2 ist mit einer Gehäuseöffnung eines Gehäuses 3 der Energiespeichereinheit und/oder -wandlereinheit 1 derart verbunden, dass die Gehäuseöffnung durch das Druckausgleichselement 2 gegenüber der äußeren Umgebung der Energiespeichereinheit und/oder -wandlereinheit 1 fluiddicht verschlossen ist, d. h. das Druckausgleichselement 2 wirkt als fluiddichter Verschluss eines Innenraums 4 des Gehäuses 3 gegenüber der äußeren Umgebung der Energiespeichereinheit und/oder -wandlereinheit 1. Das Gehäuse 3 ist auch an allen anderen Stellen zumindest weitgehend fluiddicht gegenüber der äußeren Umgebung verschlossen. Fluiddicht bedeutet in diesem Zusammenhang, dass ein Austausch von Flüssigkeiten und Gasen, insbesondere von Luft und Feuchtigkeit, zum Beispiel in Form von Luftfeuchtigkeit, zwischen dem Innenraum 4 des Gehäuses 3 und der äußeren Umgebung zumindest weitestgehend unterbunden ist.
In den 3 und 4 ist das Druckausgleichselement 2 innerhalb des Gehäuses 3 angeordnet und an einer Anschlusseinheit 5 der Gehäuseöffnung befestigt, über welche das Druckausgleichselement 2 mit der äußeren Umgebung, d. h. mit einer Außenluft in der äußeren Umgebung verbunden ist. Über diese Anschlusseinheit 5 ist das Druckausgleichselement 2 weitgehend druckdifferenzfrei mit der äußeren Umgebung verbunden und kann dadurch die Volumenarbeit mit der äußeren Umgebung, d. h mit der Außenluft leisten.
Die Anschlusseinheit 5 ist gasdurchlässig sowie dichtend gegenüber Flüssigkeiten und Festkörpern, insbesondere in Form von Staub, ausgebildet. Zu diesem Zweck weist die Anschlusseinheit 5 beispielsweise eine gasdurchlässige, insbesondere luftdurchlässige und flüssigkeitsundurchlässige Membran auf, zum Beispiel aus Polytetrafluorethen (PTFE). Diese kann beispielsweise mit einem zusätzlichen Staubfilter kombiniert sein. Durch die Anschlusseinheit 5 ist sowohl ein Eindringen von Flüssigkeiten und Verschmutzungen in das Druckausgleichselement 2 als auch deren Eindringen in den Innenraum 4 des Gehäuses 3 bei einer Beschädigung des Druckausgleichselementes 2, beispielsweise bei einem Platzen, Reißen oder vollständigen Entfernen des Druckausgleichselementes 2, verhindert oder zumindest stark vermindert.
Im Innenraum 4 des Gehäuses 3 sind Teile 6 der Energiespeichereinheit und/oder -wandlereinheit 1 angeordnet. Diese sind hier aus Gründen der vereinfachten Darstellung lediglich schematisch angedeutet.
Bei einer als Batterie ausgebildeten Energiespeichereinheit und/oder -wandlereinheit 1 sind derartige Teile 6, d. h. derartige Batterieeinbauten, beispielsweise eine Mehrzahl von elektrisch seriell und/oder parallel miteinander verschaltete Einzelzellen. Zusätzlich können dies beispielsweise eine oder mehrere Temperiereinrichtungen zur Temperierung der Einzelzellen sein, beispielsweise Wärmeleitplatten, und des Weiteren, alternativ oder zusätzlich, beispielsweise elektrische Anschlusseinrichtungen und/oder Überwachungseinrichtungen. Diese Teile 6 im Innenraum 4 des Gehäuses 3 sind zumindest weitgehend volumenfest, d. h. sie verändern ihr Volumen nicht oder zumindest nicht wesentlich.
Da das Druckausgleichselement 2 in dem in 3 und 4 dargestellten Ausführungsbeispiel innerhalb des Gehäuses 3 angeordnet und mit der Gehäuseöffnung verbunden ist, wobei es den Innenraum 4 des Gehäuses 3 gegenüber der äußeren Umgebung abdichtet, ist im Druckausgleichselement 2 ein gegenüber dem Innenraum 4 des Gehäuses 3 abgeschirmtes und über die Öffnung im Druckausgleichselement 2 mit der äußeren Umgebung verbundenes variables Luftvolumen vorhanden, wodurch eine Trennung einer für den Druckausgleich erforderlichen Fluidmenge, d. h. insbesondere Außenluftmenge, von einer sich im Gehäuse 3 befindenden Fluidmenge, insbesondere Luft- oder Gasmenge, realisiert ist. Dadurch ist ein Fluidaustausch, insbesondere ein Luft- oder Gasaustausch, zwischen dem Gehäuse 3 und der äußeren Umgebung des Gehäuses 3 bei einer Änderung des Gehäuseinnendrucks gegenüber dem Umgebungsdruck des Gehäuses 3 und/oder bei einer Änderung des Umgebungsdrucks gegenüber dem Gehäuseinnendruck vermieden oder zumindest deutlich reduziert. Auf diese Weise erfolgt insbesondere kein Luftaustausch durch in das Gehäuse 3 nachströmende Luft.
Mittels des Druckausgleichselementes 2 ist, wie in 3 dargestellt, bereits ein geringfügiger Anstieg des Gehäuseinnendrucks gegenüber dem Umgebungsdruck, zum Beispiel aufgrund einer Temperaturerhöhung im Innenraum 4 des Gehäuses 3 und/oder ein geringfügiger Abfall des Umgebungsdrucks gegenüber dem Gehäuseinnendruck, zum Beispiel aufgrund einer Bergauffahrt eines Fahrzeugs, welches eine derartige als Fahrzeugbatterie ausgebildete Energiespeichereinheit und/oder -wandlereinheit 1 aufweist, durch ein Zusammenpressen des Druckausgleichselementes 2 und ein Ausströmen der Luft aus dem Druckausgleichselement 2 in die äußere Umgebung sofort kompensierbar. Dies ist in 3 durch einen in die äußere Umgebung gerichteten ersten Pfeil P1 schematisch angedeutet. Dabei erfolgt kein Ausströmen von Fluid, beispielsweise Luft, aus dem das Druckausgleichselement 2 umgebenden Innenraum 4 des Gehäuses 3 in die äußere Umgebung, da dieser fluiddicht verschlossen ist.
Analog ist, wie in 4 dargestellt, bereits ein geringfügiger Anstieg des Umgebungsdrucks gegenüber dem Gehäusesinnendruck, zum Beispiel aufgrund einer Bergabfahrt und/oder ein geringfügiger Abfall des Gehäuseinnendrucks gegenüber dem Umgebungsdruck, zum Beispiel aufgrund einer Temperaturabsenkung im Innenraum 4, durch ein Einströmen von Umgebungsluft in das Druckausgleichselement 2 und ein Ausdehnen des Druckausgleichselementes 2 im Gehäuse 3 sofort kompensierbar. Dies ist in 4 durch einen in das Druckausgleichselement 2 gerichteten zweiten Pfeil P2 schematisch angedeutet. Dabei ersetzt das ausgedehnte Druckausgleichselement 2 das Volumen des komprimierten Fluids, d. h. der Luft oder des Gases, im Innenraum 4 des Gehäuses 3. Während dieses Vorgangs erfolgt kein Einströmen von Umgebungsluft und Luftfeuchtigkeit aus der äußeren Umgebung in den das Druckausgleichselement 2 umgebenden Innenraum 4 des Gehäuses 3, da dieser fluiddicht verschlossen ist.
In beiden Fällen ist aufgrund der Wirkung des Druckausgleichselementes 2 die Druckdifferenz zwischen dem Gehäuseinnendruck und dem Umgebungsdruck in der äußeren Umgebung des Gehäuses 3 jederzeit nahe Null.
In den 5 und 6 sind alternative Ausführungsbeispiele dargestellt, bei welchen das Druckausgleichselement 2 außerhalb des Gehäuses 3 angeordnet und mit der Gehäuseöffnung verbunden ist, wobei auch hier das Gehäuse 3 sowie durch die fluiddichte Verbindung des Druckausgleichselementes 2 mit der Gehäuseöffnung auch ein Inneres des Druckausgleichselementes 2 fluiddicht gegenüber der äußeren Umgebung verschlossen sind. Dabei ist das Druckausgleichselement 2, wie in 5 dargestellt, direkt an der Anschlusseinheit 5 der Gehäuseöffnung befestigt oder, wie in 6 dargestellt, über eine Verbindungsleitung 7, welche an der Anschlusseinheit 5 befestigt ist, mit der Gehäuseöffnung verbunden. Die beispielsweise als Rohr oder Schlauch und zum Beispiel aus Kunststoff oder Metall ausgebildete Verbindungsleitung 7 ist zum Beispiel vorteilhaft, um das Druckausgleichselement 2 an einer günstigen Stelle positionieren zu können, an welcher insbesondere ein ungehindertes Ausdehnen des Druckausgleichselementes 2 möglich ist. Zudem ist das Druckausgleichselement 2 auf diese Weise an einer geschützten Stelle positionierbar, um die Gefahr von Beschädigungen des Druckausgleichselementes 2 zu vermeiden oder zumindest deutlich zu reduzieren.
Die in den 5 und 6 dargestellte Anschlusseinheit 5 kann ähnlich aufgebaut sein wie bereits zu den 3 und 4 beschrieben, d. h. gasdurchlässig und insbesondere dichtend gegenüber Flüssigkeiten, beispielsweise mittels der gasdurchlässigen, insbesondere luftdurchlässige und flüssigkeitsundurchlässige Membran, zum Beispiel aus Polytetrafluorethen (PTFE). Der Staubfilter zum Zurückhalten von Staubpartikeln ist hier nicht unbedingt erforderlich, da die Anschlusseinheit 5 in den in 5 und 6 dargestellten Ausführungsbeispielen insbesondere ein Eindringen von Flüssigkeiten in den Innenraum 4 des Gehäuses 3 bei einer Beschädigung des Druckausgleichselementes 2, beispielsweise bei einem Platzen, Reißen oder vollständigen Entfernen des Druckausgleichselementes 2, verhindern oder zumindest stark vermindern soll. Der Staubfilter kann jedoch ebenfalls vorhanden sein, um auch ein Eindringen von Staub in den Innenraum 4 des Gehäuses 3 oder sinnvollerweise bereits eine Verschmutzung und Verstopfung der gasdurchlässigen und flüssigkeitsundurchlässige Membran zu verhindern.
Alternativ oder zusätzlich kann die Gehäuseöffnung ein hier nicht dargestelltes Notabschlussventil aufweisen, welches die Gehäuseöffnung bei einer Beschädigung des Druckausgleichselementes 2, beispielsweise bei einem Platzen, Reißen oder vollständigen Entfernen des Druckausgleichselementes 2 verschließt und auf diese Weise ein Eindringen von Feuchtigkeit in den Innenraum 4 des Gehäuses 3 verhindert. Dies gilt sowohl für die in den 5 und 6 dargestellten Ausführungsbeispiele als auch für das in den 3 und 4 dargestellte Ausführungsbeispiel.
Die Beschädigung oder das Entfernen des Druckausgleichselementes 2 ist beispielsweise mittels entsprechender Sensoren ermittelbar, welche beispielsweise eine plötzliche starke Druckveränderung im Innenraum 4 des Gehäuses 3 registrieren können, um daraufhin das Notabschlussventil anzusteuern und zu schließen. Insbesondere bei einem zumindest teilweise aus Metallfolien gefertigten Druckausgleichselement 2 ist beispielsweise mittels eines Überwachungsstromkreises, in welchen die Metallfolie eingebunden ist, eine Beschädigung des Druckausgleichselementes 2 durch eine Beschädigung der Metallfolie und eine draus resultierende Änderung eines überwachten Strom-, Spannungs-, und/oder Widerstandswertes im Überwachungsstromkreis ermittelbar und daraufhin das Notabschlussventil ansteuerbar und verschließbar.
Durch die Anordnung des Druckausgleichselementes 2 außerhalb des Gehäuses 3 ist im Druckausgleichselement 2 ein gegenüber der äußeren Umgebung des Gehäuses 3 abgeschirmtes und über die Öffnung im Druckausgleichselement 2 mit dem Innenraum 4 des Gehäuses 3 verbundenes variables Fluidvolumen vorhanden. Auf diese Weise ist bereits ein geringer Anstieg des Gehäuseinnendrucks gegenüber dem Umgebungsdruck und/oder ein geringer Abfall des Umgebungsdruck gegenüber dem Gehäuseinnendruck, beispielsweise aufgrund der oben bereits genannten Gründe, durch ein Einströmen des Fluids aus dem Innenraum 4 des Gehäuses 3 in das Druckausgleichselement 2 und ein Ausdehnen des Druckausgleichselementes 2 sofort kompensierbar. Dabei erfolgt kein Ausströmen von Fluid, beispielsweise Luft, aus dem Innenraum 4 des Gehäuses 3 in die äußere Umgebung, da dieser fluiddicht verschlossen ist.
Analog ist bereits ein geringfügiger Anstieg des Umgebungsdrucks gegenüber dem Gehäusesinnendruck und/oder ein geringfügiger Abfall des Gehäuseinnendruckes gegenüber dem Umgebungsdruck, beispielsweise aufgrund der oben bereits genannten Gründe, durch ein Zusammenpressen des Druckausgleichselementes 2 und ein Zurückströmen des Fluids aus dem Druckausgleichselement 2 in das Gehäuse 3 sofort kompensierbar. Dabei erfolgt kein Einströmen von Umgebungsluft und Luftfeuchtigkeit aus der äußeren Umgebung in den Innenraum 4 des Gehäuses 3, da dieser fluiddicht verschlossen ist.
In beiden Fällen ist aufgrund der Wirkung des Druckausgleichselementes 2 die Druckdifferenz zwischen dem Gehäuseinnendruck und dem Umgebungsdruck in der äußeren Umgebung des Gehäuses 3 jederzeit nahe Null.
In allen in den 3 bis 6 dargestellten Ausführungsbeispielen ist der Innenraum 4 des Gehäuses 3 bevorzugt mit einem Inertgas oder Schutzgas gefüllt, beispielsweise mit Stickstoff, Kohlenstoffdioxid und/oder mit einem Edelgas. Mittels eines derartigen Schutzgases oder Inertgases ist beispielsweise eine Brandgefahr der im Innenraum 4 des Gehäuses 3 angeordneten Teile 6 der Energiespeichereinheit und/oder -wandlereinheit 1 verhinderbar oder zumindest reduzierbar. Da durch das Druckausgleichselement 2 ein Gasaustausch mit der äußeren Umgebung des Gehäuses 3 verhindert oder zumindest deutlich reduziert ist, ist eine Verdünnung des Schutzgases oder Inertgases mit Umgebungsluft verhindert oder zumindest deutlich reduziert, wodurch dessen Brandschutzwirkung auch über eine sehr lange Einsatzdauer der Energiespeichereinheit und/oder -wandlereinheit 1 hinweg erhalten bleibt.
Zweckmäßigerweise weist das Gehäuse 3 und/oder das Druckausgleichselement 2 ein hier nicht dargestelltes Ventil zum Einfüllen und/oder Absaugen eines Fluids auf, insbesondere zum Einfüllen des Inertgases oder Schutzgases. Insbesondere das Einfüllen des Inertgases oder Schutzgases oder, wenn dieses nicht verwendet wird, das Einfüllen von Luft, sollte dabei derart erfolgen, dass das Druckausgleichselement 2 entsprechend den während des Einfüllens herrschenden Druckverhältnissen und Temperaturen gefüllt und aufgebläht ist. D. h. ein jeweiliges Füllvolumen ist entsprechend anzupassen.
Herrschen beispielsweise durchschnittliche Umgebungs- und Innendruckverhältnisse und Umgebungs- und Innenraumtemperaturen, so sollte das Druckausgleichselement 2 beispielsweise bis zu einer halben zulässigen Maximalgröße aufgebläht sein. Auf diese Weise kann es sich beispielsweise bei Gehäuseinnendruckveränderungen dPE und/oder bei Fluidvolumenänderungen dVE, zum Beispiel aufgrund von Temperaturänderungen, noch ausreichend ausdehnen oder zusammenziehen.
Mittels des Druckausgleichselementes 2 sind, wie bereits beschrieben, die aus dem Stand der Technik bekannten Nachteile vermeidbar, da ein Druckgefälle zwischen dem Innenraum 4 des Gehäuses 3 und dessen äußerer Umgebung nahezu gegen Null geht und dadurch ein Fluidaustausch, insbesondere ein Luft- oder Gasaustausch, zwischen dem Gehäuse 3 und der äußeren Umgebung des Gehäuses 3 bei einer Änderung des Gehäuseinnendrucks gegenüber dem Umgebungsdruck des Gehäuses 3 und/oder bei einer Änderung des Umgebungsdrucks gegenüber dem Gehäuseinnendruck vermieden oder zumindest deutlich reduziert ist. Auf diese Weise erfolgt insbesondere kein Luftaustausch durch in das Gehäuse 3 nachströmende Luft.
Dadurch ist der Eintrag von Feuchtigkeit, insbesondere von Luftfeuchtigkeit in das Gehäuse 3 vermieden oder zumindest deutlich reduziert. Insbesondere ist eine Ansammlung von Flüssigkeit im Gehäuse 3 vermieden. Da dies und die damit verbundenen, bereits beschriebenen Nachteile durch das Druckausgleichselement 2 vermieden oder zumindest deutlich reduziert sind, sind beispielsweise Korrosionsschutzanforderungen an die im Innenraum 4 des Gehäuses 3 angeordneten Teile 6 der Energiespeichereinheit und/oder -wandlereinheit 1 reduzierbar, so dass die Korrosionsschutzanforderungen bereits mit einfachen konstruktiven Maßnahmen erfüllbar sind. Dadurch sind Fertigungserleichterungen sowie Kosten- und Gewichtseinsparungen realisierbar.
Da, wie bereits erwähnt, das Druckgefälle zwischen dem Innenraum 4 des Gehäuses 3 und dessen äußerer Umgebung nahezu gegen Null geht, sind zudem keine aufwändigen und kostenintensiven konstruktiven Maßnahmen zu treffen, um das Gehäuse 3 und die im Gehäuse 3 angeordneten Teile 6 der Energiespeichereinheit und/oder -wandlereinheit 1 ausreichend druckbeständig gegenüber auftretenden Gehäuseinnendruckveränderungen dPE auszulegen. Dadurch sind Fertigungserleichterungen sowie Kosten- und Gewichtseinsparungen realisierbar. Da derartige Gehäuseinnendruckveränderungen dPE aufgrund des Druckausgleichselementes 2 nicht auftreten, ist eine Gefahr einer Explosion oder Implosion der Energiespeichereinheit und/oder -wandlereinheit 1 sowie Beschädigung der im Gehäuse 3 angeordneten Teile 6 der Energiespeichereinheit und/oder -wandlereinheit 1 nicht vorhanden oder zumindest erheblich reduziert.
Ist der Innenraum 4 im Gehäuse 3, insbesondere ein nicht durch die Teile 6 der Energiespeichereinheit und/oder -wandlereinheit 1, sondern durch Luft oder das Inert- oder Schutzgas gefüllter Innenraumbereich sehr groß und/oder ist eine maximale Ausdehnungsgröße des Druckausgleichselementes 2 beschränkt, beispielsweise aufgrund eines beschränkten Bauraums, in welchen es sich ausdehnen kann, so kann das Druckausgleichselement 2 den Druckausgleich nur innerhalb bestimmter Grenzen realisieren, beispielsweise abgestimmt auf Hauptbetriebsbedingungen der Energiespeichereinheit und/oder -wandlereinheit 1. Diese Hauptbetriebsbedingungen werden beispielsweise entsprechend auftretenden Jahresmittelwerten der Temperaturen vorgegeben.
Diese Grenzen können jedoch beispielsweise in Ausnahmefällen überschritten oder unterschritten werden, zum Beispiel bei starken Umgebungsdruckveränderungen oder bei einer Fehlfunktion der Energiespeichereinheit und/oder -wandlereinheit 1, beispielsweise bei einem Kurzschluss, bei einer Überlastung, bei einer Überladung oder in einem Brandfall der Energiespeichereinheit und/oder -wandlereinheit 1 oder beispielsweise des Fahrzeugs, in welchem die Energiespeichereinheit und/oder -wandlereinheit 1 angeordnet ist. Daher weist das Gehäuse 3 und/oder das Druckausgleichselement 2 vorzugsweise zumindest ein hier nicht dargestelltes Überdruck- und/oder Unterdruckventil auf, um eine Explosion oder Implosion des Gehäuses 3 und daraus resultierende starke Beschädigungen der Energiespeichereinheit und/oder -wandlereinheit 1 und Gefährdungen von Personen sowie des Weiteren eine Beschädigung der im Innenraum 4 angeordneten Teile 6 der Energiespeichereinheit und/oder -wandlereinheit 1 zu verhindern oder zumindest deutlich zu reduzieren.
Das Überdruck- und/oder Unterdruckventil ist beispielsweise mittels einer Messvorrichtung steuerbar, zum Beispiel durch einen Drucksensor, mittels welchem das Überdruck- und/oder Unterdruckventil schaltbar ist. Das Überdruck- und/oder Unterdruckventil ist beispielsweise im stromlosen Zustand geschlossen und durch Anlegen von Strom zu öffnen.
Ein Strömungsweg eines Ausgleichsluftstroms durch das Überdruck- und/oder Unterdruckventil verläuft dabei vorzugsweise über bzw. durch eine mit einem Feuchtebindungsmittel, zum Beispiel so genannte SILICA-Teilchen, gefüllte Trockenpatrone, um in das Gehäuse 3 einströmender Luft Feuchtigkeit zu entziehen und einen Feuchtigkeitseintrag in das Gehäuse 3, d. h. in dessen Innenraum 4, auch bei geöffnetem Überdruck- und/oder Unterdruckventil zu vermeiden oder zumindest deutlich zu reduzieren. Alternativ oder zusätzlich kann im Strömungsweg beispielsweise eine gasdurchlässige, insbesondere luftdurchlässige und flüssigkeitsundurchlässige Membran, zum Beispiel aus Polytetrafluorethen (PTFE), angeordnet sein.
Ist die Energiespeichereinheit und/oder -wandlereinheit 1 derart, d. h. mit dem Druckausgleichselement 2 und zusätzlich mit dem Überdruck- und/oder Unterdruckventil ausgebildet, so ergibt sich eine in 7 beispielhaft schematisch dargestellte Druckkurve DK und eine in 8 beispielhaft schematisch dargestellte Volumenkurve VK. Wie aus den Kurven DK, VK ersichtlich, ergibt sich dadurch ein Kompromiss aus einem isobaren und einem isochoren Betrieb der Energiespeichereinheit und/oder -wandlereinheit 1, wobei der isobare Betrieb in einem Temperaturbereich ermöglicht ist, in welchem sich die Energiespeichereinheit und/oder -wandlereinheit 1 standardmäßig befindet, d. h. innerhalb eines normalen Betriebstemperaturbereiches der Energiespeichereinheit und/oder -wandlereinheit 1.
Innerhalb dieses normalen Betriebstemperaturbereiches, im hier dargestellten Beispiel im Temperaturbereich zwischen 10°C und 30°C, ist das Druckausgleichselement 2 in der Lage, durch seine Volumenänderung den Druckausgleich zwischen dem Umgebungsdruck und dem Gehäuseinnendruck sicherzustellen, so dass der isobare Betrieb der Energiespeichereinheit und/oder -wandlereinheit 1 sichergestellt ist und kein Fluidaustausch zwischen dem Innenraum 4 des Gehäuses 3 und der äußeren Umgebung stattfindet. D. h. in diesem normalen Betriebstemperaturbereich und damit in normalen Hauptbetriebsbedingungen der Energiespeichereinheit und/oder -wandlereinheit 1 sind die Vorteile durch das Vermeiden des Fluidaustausches vollständig realisierbar. Im hier dargestellten Beispiel beträgt die mögliche Volumenänderung des Druckausgleichselementes 2 zum Ausgleich der Fluidvolumenänderungen dVE im Innenraum 4 des Gehäuses 3, ausgehend von einem ca. zur Hälfte gefüllten Druckausgleichselement 2 in einem mittleren normalen Betriebstemperaturbereich, zwischen 0,35 L und –0,35 L.
In Ausnahmefällen, wie bereits beschrieben, beispielsweise bei starken Umgebungsdruckveränderungen oder bei einer Fehlfunktion der Energiespeichereinheit und/oder -wandlereinheit 1, beispielsweise bei einem Kurzschluss, bei einer Überlastung oder bei einer Überladung, können diese Hauptbetriebsbedingungen jedoch verlassen werden, so dass die daraus resultierenden Fluidvolumenänderungen dVE nicht mehr durch das Ausdehnen oder Zusammenziehen des Druckausgleichselementes 2 kompensierbar sind. Ist keine weitere Volumenänderung des Druckausgleichselementes 2 mehr möglich, beispielsweise weil es bereits vollständig zusammengedrückt oder maximal möglich aufgebläht ist, tritt die Energiespeichereinheit und/oder -wandlereinheit 1 in den isochoren Betrieb ein, d. h. der Gehäuseinnendruck steigt bei weiteren Temperaturveränderungen an, im hier dargestellten Beispiel ab Temperaturen TE von 30°C und höher, bzw. fällt ab, im hier dargestellten Beispiel ab Temperaturen TE von 10°C und tiefer.
Um in diesen Fällen die Explosion bzw. Implosion des Gehäuses 3 mit den bereits beschriebenen Folgen sowie eine Beschädigung der im Innenraum 4 des Gehäuses 3 angeordneten Teile 6 der Energiespeichereinheit und/oder -wandlereinheit 1 zu vermeiden, öffnet bei vorgegebenen Innendruckwerten, im hier dargestellten Beispiel bei einem Überdruck im Innenraum 4 des Gehäuses 3 gegenüber der äußeren Umgebung von 100 mbar und bei einem Unterdruck im Innenraum 4 des Gehäuses 3 gegenüber der äußeren Umgebung von –175 mbar, das Überdruck- und/oder Unterdruckventil, so dass Fluid, beispielsweise Luft oder Schutz- bzw. Inertgas aus dem Innenraum 4 des Gehäuses 3 ausströmen bzw. Außenluft aus der äußeren Umgebung des Gehäuses 3 in den Innenraum 4 des Gehäuses 3 einströmen kann, wodurch eine Stabilisierung des Gehäuseinnendrucks auf dem jeweiligen Niveau stattfindet und die Gefahr der Explosion bzw. Implosion des Gehäuses 3 sowie die Beschädigung der im Innenraum 4 des Gehäuses 3 angeordneten Teile 6 der Energiespeichereinheit und/oder -wandlereinheit 1 verhindert oder zumindest deutlich reduziert ist.
Da, wie bereits beschrieben, der Strömungsweg des Ausgleichsluftstroms durch das Überdruck- und/oder Unterdruckventil vorzugsweise über bzw. durch eine mit einem Feuchtebindungsmittel, zum Beispiel so genannte SILICA-Teilchen, gefüllte Trockenpatrone und/oder durch eine gasdurchlässige, insbesondere luftdurchlässige und flüssigkeitsundurchlässige Membran, zum Beispiel aus Polytetrafluorethen (PTFE) verläuft, ist auch in diesen Fällen außerhalb der Hauptbetriebsbedingungen und dadurch im isochoren Betrieb der Energiespeichereinheit und/oder -wandlereinheit 1 der Feuchtigkeitseintrag in das Gehäuse 3 vermieden oder zumindest deutlich reduziert.
Bezugszeichenliste

1: Energiespeicher- und/oder -wandlereinheit
2: Druckausgleichselement
3: Gehäuse
4: Innenraum
5: Anschlusseinheit
6: Teil
7: Verbindungsleitung
DK: Druckkurve
dPB: Innendruckveränderung
dPE: Gehäuseinnendruckveränderung
dVB: Innenluftvolumenänderung
dVE: Fluidvolumenänderung
P1: erster Pfeil
P2: zweiter Pfeil
TB: Batterietemperatur
TE: Temperatur
VK: Volumenkurve

ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

US 2003/0022059 A1 [0002]

Claims

Energiespeichereinheit und/oder -wandlereinheit (1) mit zumindest einem als elastischer Hohlkörper ausgebildeten Druckausgleichselement (2), dadurch gekennzeichnet, dass zumindest eine Öffnung des Druckausgleichselementes (2) mit zumindest einer Gehäuseöffnung eines Gehäuses (3) der Energiespeichereinheit und/oder -wandlereinheit (1) verbunden ist, wobei die Gehäuseöffnung durch das Druckausgleichselement (2) gegenüber einer äußeren Umgebung der Energiespeichereinheit und/oder -wandlereinheit (1) fluiddicht verschlossen ist.
Energiespeichereinheit und/oder -wandlereinheit (1) nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das Gehäuse (3) und/oder das Druckausgleichselement (2) zumindest innerhalb eines vorgegebenen Gehäuseinnendruckbereiches fluiddicht gegenüber einer äußeren Umgebung des Gehäuses (3) ausgebildet sind/ist.
Energiespeichereinheit und/oder -wandlereinheit (1) nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass das Gehäuse (3) und/oder das Druckausgleichselement (2) zumindest ein Überdruck- und/oder Unterdruckventil aufweisen/aufweist.
Energiespeichereinheit und/oder -wandlereinheit (1) nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass das Druckausgleichselement (2) aus Kunststoff und/oder Metall gebildet ist.
Energiespeichereinheit und/oder -wandlereinheit (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Druckausgleichselement (2) innerhalb oder außerhalb des Gehäuses (3) angeordnet ist.
Energiespeichereinheit und/oder -wandlereinheit (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Öffnung des Druckausgleichselementes (2) an der Gehäuseöffnung angeordnet ist oder durch eine Verbindungsleitung (7) mit der Gehäuseöffnung verbunden ist.
Energiespeichereinheit und/oder -wandlereinheit (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Gehäuseöffnung eine Anschlusseinheit (5) zum Anschließen des Druckausgleichselementes (2) aufweist, welche gasdurchlässig sowie dichtend gegenüber Flüssigkeiten und Festkörpern ausgebildet ist.
Energiespeichereinheit und/oder -wandlereinheit (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Gehäuseöffnung ein Notabschlussventil aufweist.
Energiespeichereinheit und/oder -wandlereinheit (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Gehäuse (3) mit einem Inertgas gefüllt ist.
Energiespeichereinheit und/oder -wandlereinheit (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Gehäuse (3) und/oder das Druckausgleichselement (2) ein Ventil zum Einfüllen und/oder Absaugen eines Fluids aufweisen/aufweist.