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Die vorliegende Erfindung betrifft eine Batterie mit einer Mehrzahl an Batteriemodulen, die eine Mehrzahl an Batteriezellen umfassen. Die Batterie umfasst ferner ein Entgasungssystem, welches eine Entgasungsleitung mit Öffnungen aufweist. Die Öffnungen verbinden die Batteriemodule strömungstechnisch mit der Entgasungsleitung. Ferner betrifft die Erfindung ein Kraftfahrzeug mit der erfindungsgemäßen Batterie.
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Stand der Technik
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Es zeichnet sich ab, dass in Zukunft sowohl bei stationären Anwendungen, wie Windkraftanlagen, in Kraftfahrzeugen, die als Hybrid- oder Elektrokraftfahrzeuge ausgelegt sind, als auch bei Elektronikgeräten, wie Laptops oder Mobiltelefonen, neue Batteriesysteme zum Einsatz kommen werden, an die sehr hohe Anforderungen bezüglich Zuverlässigkeit, Sicherheit, Leistungsfähigkeit und Lebensdauer gestellt werden.
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1 zeigt, wie mehrere Batteriezellen 10 zu einem Batteriemodul 12 und anschließend mehrere Batteriemodule 12 zu einer Batterie 14 zusammengefasst werden können. Dies erfolgt durch eine nicht dargestellte Parallel- oder Reihenschaltung der Pole der Batteriezellen 10. Die elektrische Spannung einer Batterie 14 beträgt beispielsweise zwischen 12 und 750 Volt Gleichspannung.
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In Fahrzeugen mit zumindest teilweisem elektrischen Antrieb kommen Batterien zum Einsatz, um die elektrische Energie für den Elektromotor, welcher den Antrieb unterstützt bzw. als Antrieb dient, zu speichern. In den Fahrzeugen der neuesten Generation finden hierbei sogenannte Lithium-Ionen-Batterien Verwendung. Diese zeichnen sich unter anderem durch hohe Energiedichten und eine äußerst geringe Selbstentladung aus. Lithium-Ionen-Batteriezellen besitzen mindestens eine positive und eine negative Elektrode (Kathode bzw. Anode), die Lithium-Ionen (Li+) reversibel ein- (Interkalation) oder wieder auslagern (Deinterkalation) können.
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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. Sollte es dennoch zu einer Fehlfunktion kommen (z. B. durch einen Unfall oder durch eine Überladung), kann es zu einer unzulässigen Gasbildung kommen. Damit eine solche Batteriezelle nicht platzt und folgend weitere Batteriezellen beschädigt, ist im Batteriezellengehäuse, beispielsweise in dessen Deckel, eine Sicherheitsöffnung 11 angeordnet – ersichtlich in 1. Bei einem erhöhten Innendruck der Batteriezelle öffnet sich die Sicherheitsöffnung und die Batteriezelle kann entgasen.
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Das Austreten der Gase kann jedoch zu Schäden an der Batterie führen, da die Gase Elektrolyt enthalten können. Diese Entgasungsprodukte können zusammen mit Wasser korrosiv wirken. Daher ist es notwendig, die aus der Batteriezelle austretenden Entgasungsprodukte gezielt abzuführen. Dazu werden die Entgasungsprodukte in ein Entgasungssystem entlassen, welches die entweichenden Entgasungsprodukte sammelt und gezielt abführt. Dieses Entgasungssystem ist an alle Batteriezellen angeschlossen.
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Die
DE 10 2009 046 385 A1 beschreibt ein Entgasungssystem einer Batterie, wobei die Batteriezellen an ihren Unterseiten Austrittsöffnungen für Batteriegase und Elektrolyt umfassen. Bei einem Überdruck innerhalb der Batteriezellen werden die Batteriegase und Elektrolyte in ein Sammelbecken unterhalb der Batteriezellen entlassen. Das Sammelbecken ist über ein Formstück, welches beispielsweise ein Rückschlagventil sein kann, mit der Umgebung verbunden. Das Rückschlagventil verhindert z. B. ein Eindringen von Feuchtigkeit der Umgebungsluft in die Batterie.
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Offenbarung der Erfindung
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Erfindungsgemäß wird eine Batterie mit einer Mehrzahl an Batteriemodulen, die eine Mehrzahl an Batteriezellen umfassen, zur Verfügung gestellt. Die Batterie umfasst ferner ein Entgasungssystem, welches eine Entgasungsleitung mit Öffnungen aufweist. Die Öffnungen verbinden die Batteriemodule strömungstechnisch mit der Entgasungsleitung. Kennzeichnend ist mit jeder Öffnung jeweils ein Sperrelement derart wirkverbunden, dass die Öffnungen in die Entgasungsleitung hinein durchlässig sind, jedoch die Öffnungen in Gegenrichtung versperrt sind.
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Der Erfindung liegt die Erkenntnis zu Grunde, ein Sperrelement auf Modulebene vorzusehen, um den Eintritt von Entgasungsprodukten in unbeteiligte Batteriemodule zu verhindern. Unter Entgasungsprodukten kann im Sinne der Erfindung im Wesentlichen ein aus der Batteriezelle austretendes Gas und/oder Elektrolyt verstanden werden. Die strömungstechnische Verbindung der Batteriemodule mit der Entgasungsleitung und somit auch die Verbindung der Batteriezellen mit der Entgasungsleitung ist nur in Richtung vom Batteriemodul oder den Batteriezellen ausgehend in die Entgasungsleitung hinein durchlässig ausgeführt. Dadurch können Batteriezellen innerhalb eines Batteriemoduls, wie aus dem Stand der Technik bekannt, in die Entgasungsleitung hinein entgasen. Die dadurch in der Entgasungsleitung befindlichen Entgasungsprodukte können nun jedoch nicht mehr zu anderen, nicht an der Entgasung beteiligten, Batteriemodulen und deren Batteriezellen gelangen. Dies verhindert, dass Batteriezellen, die außerhalb eines entgasenden Moduls liegen, verschmutzt oder z. B. durch korrosive Wirkungen der Entgasungsprodukte beschädigt werden.
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Die Batteriemodule sind strömungstechnisch über Öffnungen in der Entgasungsleitung mit dieser verbunden, so dass beim Entgasen von Batteriezellen innerhalb der Batteriemodule die Entgasungsprodukte der Batteriezellen in die Entgasungsleitung gelangen können. Diese Funktionalität wird erfindungsgemäß durch Sperrelemente ermöglicht, welche in Wirkverbindung mit den Öffnungen stehen. Die Sperrelemente verfügen über eine Funktionalität, welche es den Entgasungsprodukten der Batteriezellen erlaubt, durch die Öffnung in die Entgasungsleitung zu gelangen. Gleichzeitig werden die Entgasungsprodukte jedoch vom Sperrelement daran gehindert, ausgehend von der Entgasungsleitung über deren Öffnungen zu anderen, an der Entgasung unbeteiligten, Batteriemodulen und deren Batteriezellen vorzudringen.
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Vorteilhaft sollte das Sperrelement dazu ausgebildet sein, bereits bei geringen Drücken innerhalb der Batteriemodule einen Durchfluss von Entgasungsprodukten durch die Öffnung aus dem Batteriemodul in die Entgasungsleitung zu ermöglichen. Gleichzeitig sollte das Sperrmodul dazu ausgebildet sein, auch bei hohen Drücken innerhalb der Entgasungsleitung einen Durchfluss von Entgasungsprodukten durch die Öffnung aus der Entgasungsleitung in das Batteriemodul zu verhindern. Solch ein Sperrelement kann durch verschiedene Bauteile realisiert werden.
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Das Sperrelement ist beispielsweise als reversibel öffnendes Sperrelement ausgeführt. Ein reversibel öffnendes Sperrelement bezeichnet ein Sperrelement, welches dazu ausgebildet ist, nach dem erstmaligen Durchlassen von Entgasungsprodukten in die Entgasungsleitung erneut in Gegenrichtung zu sperren. Reversibel öffnende Sperrelemente sind insbesondere Rückschlagventile. Ein Rückschlagventil ist ein Bauteil, welches die Strömung eines Fluids in nur eine Richtung zulässt. Ein solches Rückschlagventil kann bevorzugt ein Schnabelventil oder ein federbelastetes Rückschlagventil sein.
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Des Weiteren bevorzugt ist das Sperrelement ein irreversibel öffnendes Sperrelement. Ein irreversibel öffnendes Sperrelement bezeichnet ein Sperrelement, welches nach dem erstmaligen Durchlassen von Entgasungsprodukten in die Entgasungsleitung in beide Richtungen bleibend geöffnet ist. Bevorzugt ist das irreversibel öffnende Sperreelement eine Membran oder eine Berstscheibe. Ferner bevorzugt weisen auch die irreversibel öffnenden Sperrelemente eine unterschiedliche Widerstandsfähigkeit bezüglich der Richtung des einwirkenden Drucks auf (Eierschalenprinzip).
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Das Sperrelement sollte zumindest mehrere Tage gegen korrosive Eigenschaften von aus den Batteriezellen austretbaren Entgasungsprodukten funktionell resistent sein. Bleiben die Sperrelemente trotz Einfluss von Entgasungsprodukten zumindest mehrere Tage funktionstüchtig, besteht in der Regel genügend Zeit, um den Schaden zu reparieren, bevor weitere Batteriezellen in Mitleidenschaft gezogen werden.
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Insbesondere bevorzugt ist das Sperrelement gegen korrosive Eigenschaften von aus den Batteriezellen austretbaren Entgasungsprodukten funktionell resistent. Durch den Einsatz von Sperrelementen, welche trotz Einfluss von Entgasungsprodukten auch längere Zeit funktionstüchtig bleiben, müssen die Sperrventile von nicht an der Entgasung beteiligten Batteriemodulen auch nicht erneuert oder repariert werden.
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Vorzugsweise ist ein Sperrelement pro Batteriemodul vorgesehen. Dadurch, dass je Batteriemodul nur ein Sperrelement und keine weiteren Sperrelemente verwendet werden, kann die Bauteilanzahl ohne wesentliche Nachteile reduziert werden, z. B. wenn ein Batteriemodul als die kleinste zu tauschende Einheit ausgelegt ist. Ein Batteriemodul umfasst bevorzugt mehr als zwei Batteriezellen, ferner bevorzugt mehr als fünf Batteriezellen, insbesondere bevorzugt sechs Batteriezellen. Eine Batterie umfasst bevorzugt mehr als zwei Batteriemodule, ferner bevorzugt mehr als fünf Batteriemodule.
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In der Regel umfassen die Batteriezellen Sicherheitsöffnungen, über welche die Batteriezellen entgasen können. Bevorzugt sind die Sicherheitsöffnungen an der den Polen zugewandten Seite der Batteriezellen angeordnet. Dies ist im eingebauten Zustand in der Regel die Oberseite der Batteriezellen, wodurch beim Entgasen der Elektrolytanteil in den Entgasungsprodukten relativ gering ist.
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Gemäß einer bevorzugten Ausgestaltung der Erfindung umfasst das Batteriemodul einen Kollektor zum Sammeln von aus den Batteriezellen austretbaren Entgasungsprodukten. Der Kollektor dient zum Auffangen von Entgasungsprodukten, welche aus den Sicherheitsöffnungen der Batteriezellen austreten. Der Kollektor ist strömungstechnisch beispielsweise über eine Zwischenleitung und über die Öffnung mit der Entgasungsleitung verbunden.
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Bevorzugt ist der Kollektor in einem Modulgehäusedeckel integriert. Durch diese Ausgestaltung sind der Modulgehäusedeckel und der Kollektor ein und dasselbe Bauteil, wodurch Bauteile eingespart werden können und in der Produktion Montageschritte entfallen können.
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Gemäß einer bevorzugten Ausgestaltung der Erfindung umfasst die Entgasungsleitung Anschlüsse und an die Anschlüsse angeschlossene Schläuche, wobei die Öffnungen durch die Anschlüsse ausgebildet sind. Beispielsweise kann die Entgasungsleitung einen Abschnitt umfassen, welcher durch Schlauchstücke und abwechselnd zwischengeschaltete T-Anschlüsse realisiert ist. Ein Zweig der T-Anschlüsse führt zu einem Batteriemodul und verbindet dieses mit der Entgasungsleitung. In diesem Zweig kann beispielsweise auch das Sperrelement angeordnet sein.
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Bevorzugt ist die Batterie eine Lithium-Ionen-Batterie umfassend eine Mehrzahl an Lithium-Ionen-Batteriezellen (Sekundärzellen). Lithium-Ionen-Batteriezellen zeichnen sich durch hohe Energie- und Leistungsdichten aus, wodurch besonders im Bereich der Elektrotraktion weitere Vorteile entstehen.
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Ferner wird ein Kraftfahrzeug mit der erfindungsgemäßen Batterie zur Verfügung gestellt. Die Batterie ist in der Regel zur Speisung eines elektrischen Antriebssystems des Fahrzeuges vorgesehen.
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Ferner wird ein Entgasungssystem für eine Batterie mit einer Mehrzahl an Batteriemodulen, die eine Mehrzahl an Batteriezellen umfassen, zur Verfügung gestellt. Das Entgasungssystem umfasst eine Entgasungsleitung mit Öffnungen, welche geeignet sind, Batteriemodule strömungstechnisch mit der Entgasungsleitung zu verbinden. Kennzeichnend ist mit jeder Öffnung jeweils ein Sperrelement derart wirkverbunden, dass die Öffnungen in die Entgasungsleitung hinein durchlässig sind, jedoch die Öffnungen in Gegenrichtung versperrt sind.
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Vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung sind in den Unteransprüchen angegeben und in der Beschreibung beschrieben.
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Zeichnungen
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Ausführungsbeispiele der Erfindung werden anhand der Zeichnungen und der nachfolgenden Beschreibung näher erläutert. Es zeigen:
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1 eine Batteriezelle, ein Batteriemodul und eine Batterie,
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2 eine schematische Teilansicht einer erfindungsgemäßen Batterie,
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3 eine Innenansicht eines Modulgehäusedeckels umfassend ein Sperrelement, und
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4 eine Außenansicht eines Modulgehäusedeckels umfassend ein Sperrelement.
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Auf 1 wurde bereits zur Erläuterung des Standes der Technik eingegangen.
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2 zeigt eine schematische Teilansicht einer erfindungsgemäßen Batterie 14 mit einem Entgasungssystem 15. Das Entgasungssystem 15 bildet eine Entgasungsleitung 16 mit Öffnungen 17 aus. Die Entgasungsleitung 16 kann beispielsweise über Anschlüsse 24 in Form von T-Anschlüssen mit zwischengeschalteten Schläuchen 25 gebildet sein. In jenem Arm der T-Anschlüsse, welcher zu einem Batteriemodul 12 der Batterie 14 führt, kann ein Sperrelement 26, beispielsweise ein Rückschlagventil, angeordnet sein. Die Batteriezellen 10 des Batteriemoduls 12 können beispielsweise in einem Batteriemodulgehäuse 19 angeordnet und von der Außenwelt abgekapselt sein, wobei das Batteriemodulgehäuse 19 über den Anschluss 24 mit der Entgasungsleitung 16 verbunden ist.
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Entgast eine der Batteriezellen 10, so werden ihre Entgasungsprodukte, im Wesentlichen Batteriegase und/oder Elektrolyt, innerhalb des Batteriemodulgehäuses 19 aufgefangen und über das Sperrelement 26 durch die Öffnung 17 in die Entgasungsleitung 16 geleitet. Über die Entgasungsleitung 16 gelangen die Entgasungsprodukte aus der Batterie 14 und aus ihrem Batteriegehäuse beispielsweise ins Freie. Auf ihrem Weg durch die Entgasungsleitung 16 werden die Entgasungsprodukte durch die Sperrelemente 26 daran gehindert, zu den Batteriezellen 10 anderer, nicht entgasender Batteriemodule 12 vorzudringen. Somit wird verhindert, dass die anderen Batteriemodule 12 der Batterie 14, die von der Entgasung einer Batteriezelle 10 nicht betroffen sind, durch die korrosive Wirkung der Entgasungsprodukte geschädigt werden. Eine Schädigung von nicht entgasenden Batteriezellen 10 im entgasenden Batteriemodul 12 kann toleriert werden, wenn z. B. das Batteriemodul 12 als die kleinste zu tauschende Einheit in der Batterie 14 ausgeführt ist.
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Das Sperrelement 26 sollte zumindest für eine gewisse Zeit, beispielsweise mehrere Tage, gegen die korrosiven Eigenschaften der Entgasungsprodukte von Batteriezellen 10, z. B. Lithium-Ionen-Batteriezellen, resistent sein. Dadurch bleiben die restlichen Batteriemodule 12 bis zu einer Reparatur oder einem Wechsel des entgasenden Batteriemoduls 12 und einer damit einhergehenden Reinigung des Entgasungssystems 15 geschützt.
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Das Sperrelement 26 kann zudem wiederverschließend, also reversibel öffnend, oder auch irreversibel öffnend ausgeführt sein. Das reversibel öffnende Sperrelement 26 kann sowohl aus flexiblen Materialien, z. B. in Form eines Schnabelventils, bzw. mit einem Federmechanismus ausgeführt sein. Ferner kann das irreversibel öffnende Sperrelement 26 in Form einer Membran oder Berstscheibe, insbesondere mit unterschiedlicher Widerstandsfähigkeit bezüglich der Richtung des einwirkenden Drucks (Eierschalenprinzip) ausgeführt sein.
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Die Batterie 14, oder bei Parallelverschaltung mehrerer Batteriezellenstränge der betroffene Strang, sollte bis zum Austausch der entgasten Batteriezelle 10 oder des betroffenen Batteriemoduls 12 nicht weiter genutzt werden und eine baldige Reparatur ist angebracht.
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3 zeigt die den Batteriezellen 10 zugewandte Innenseite eines Modulgehäusedeckels 18 eines Batteriemoduls 12. Im Modulgehäusedeckel 18 ist ein Kollektor 20 integriert, der die entweichenden Entgasungsprodukte der Batteriezellen 10 des Batteriemoduls 12 sammelt. Dazu ist der Kollektor 20 wannenförmig über den Sicherheitsöffnungen 11 der Batteriezellen 10 angeordnet. Der Kollektor 20 kann zudem von einer Nut 22 umrahmt sein, in welche eine Dichtung eingelegt werden kann. Die Dichtung dichtet den Übergang zwischen dem Kollektor 20 und den Batteriezellen 10, so dass die aus den Sicherheitsöffnungen 11 in den Kollektor 20 strömenden Entgasungsprodukte nicht die anderen Bereiche der Batteriezellen 10, beispielsweise deren Pole, kontaktieren können. Die Entgasungsprodukte werden über die Öffnung 17 aus dem Kollektor 20 in die Entgasungsleitung 16 geleitet.
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4 zeigt die Außenseite des bereits aus 3 bekannten Modulgehäusedeckels 18. Analog zu 2 ist der Anschluss 24 als T-Anschluss ausgeformt, wobei an jedes der beiden freien Enden des T-Anschlusses ein Schlauch 25 angeschlossen werden kann. An diesen Schläuchen 25 können weitere Anschlüsse 24 anderer Kollektoren 20 angeschlossen werden, bis alle Kollektoren 20 des Entgasungssystems 15 über die Entgasungsleitung 16 miteinander verbunden sind. In jedem Anschluss 24 der Kollektoren 20 ist ein Sperrelement 26 integriert. Entgasen nun eine oder mehrere Batteriezellen 10, eines Batteriemoduls 12, können die entweichenden Entgasungsprodukte nicht mehr über den Anschluss 24 in benachbarte Kollektoren 20 und somit in die Batteriemodule 12 eindringen.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- DE 102009046385 A1 [0007]
