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Die vorliegende Erfindung betrifft ein System zur Abdichtung von elektrischen Anschlusspolen eines Akkumulators, insbesondere zur Abdichtung von Anschlusspolen eines Lithium-Ionen-Akkumulators zur Verwendung im Automobilbereich.
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Stand der Technik
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Aus dem Stand der Technik sind Lithium-Ionen-Akkumulatoren (im Folgenden kurz LiIon-Akkus) bekannt, welche insbesondere im Automotive-Bereich Verwendung finden. Diese LiIon-Akkus weisen ein Gehäuse auf, meistens aus räumlichen Gründen in einer prismatischen Form, in dem sich ein elektrisches Speicherelement befindet, welches elektrische Energie speichert und auf Abruf, zum Beispiel in einem Hybridfahrzeug für die Energieversorgung von Antriebsmotoren, bereitstellt. Auf eine genaue Beschreibung des Speicherelements soll hier allerdings verzichtet werden, da dies als bekannt vorausgesetzt wird.
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Besondere Aufmerksamkeit muss allerdings der Ausgestaltung der Stromdurchführungen gewidmet werden, oder im Folgenden auch als Anschlusspole bezeichnet, welche eine Durchführung durch das Gehäuse bilden. Hierbei sind die Anforderungen zum einen, dass die jeweilige Durchführung für einen Anschlusspol derart abgedichtet ist, dass der in dem Gehäuse befindliche unter Druck stehende Elektrolyt nicht austreten kann. Zum anderen müssen die Anschlusspole mechanischen Belastungen standhalten, ohne dass dabei die Dichtheit gefährdet ist. Bei den mechanischen Belastungen handelt es sich im Wesentlichen um Querkräfte und Biegemomente.
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Aus dem Stand der Technik, beispielsweise der
DE 10 2010 022 584 A1 , sind zur Erfüllung der oben genannten Anforderungen so genannte Seal-Gasket-Dichtungen bekannt (siehe dazu weiter die Beschreibung mit Bezug auf
1 und
2), welche sowohl die Funktion des Abdichtens und der elektrischen Isolierung der Anschlusspole gegenüber dem Gehäuse als auch die Funktion der Aufnahme der mechanischen Belastungen auf die Anschlusspole übernehmen. Problematisch ist dabei jedoch, dass das Material dieser Seal-Gasket-Dichtungen relaxiert, d.h. seine Dimensionen über die Lebensdauer nicht einhält und es somit zu Undichtigkeiten im Bereich der Anschlusspole kommen kann. Außerdem kann die Seal-Gasket-Dichtung durch die Aufnahme von Querkräften zusätzlich verformt werden, und die Dichtung wirkt nicht selbstheilend (im Sinne der so genannten "Konstruktionsregel der Selbsthilfe"), d.h. elastisch, um entstandene Undichtigkeiten wieder auszugleichen.
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Offenbarung der Erfindung
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Die Erfindung schlägt unter einem ersten Aspekt gemäß Anspruch 1 ein System zur Abdichtung von elektrischen Anschlusspolen eines Akkumulators vor, wobei das System umfasst: ein Gehäuse mit einem elektrischen Speicherelement, wobei das Gehäuse wenigstens zwei Durchgangsöffnungen für mit dem Speicherelement elektrisch verbundene Anschlusspole aufweist; erste Dichtelemente, welche jeweils vollumfänglich um einen Anschlusspol herum und zwischen diesem und der entsprechenden Durchgangsöffnung angeordnet sind; und zweite Dichtelemente, welche jeweils innerhalb des Gehäuses vollumfänglich an einem Umfang eines ersten Dichtelements und an eine Gehäuseinnenfläche in abdichtender Weise angeordnet sind.
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Vorteile der Erfindung
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Der Vorteil des vorgeschlagenen Systems ergibt sich daraus, dass die Funktionen hinsichtlich Abdichten und Isolieren sowie Aufnahme mechanischer Belastungen auf verschiedene Bauelemente aufgeteilt werden bzw. von verschiedenen Funktionsbereichen eines Bauelements übernommen werden. Somit ist sichergestellt, dass zum Beispiel eine elektrische Isolierung und eine Abdichtung vorhanden ist, selbst wenn die elektrische Isolierung keine abdichtende Eigenschaft aufweist. Gleichzeitig wird dafür gesorgt, dass Querkräfte aufgenommen werden können, ohne dass es dabei zu Undichtigkeiten im Bereich eines Anschlusspols kommt.
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Vorzugsweise sind die ersten Dichtelemente aus einem Material hergestellt, welches elektrisch isolierend ist und mechanisch eine Kraft quer zu einer Längsachse eines Anschlusspols absorbieren kann. Dies hat den Vorteil, dass die ersten Dichtelemente aus einem Material hergestellt sein können, welches im Wesentlichen relativ stabil gegenüber mechanischen Beanspruchungen ist, ohne dabei gleichzeitig auch eine nur abdichtende Funktion übernehmen zu müssen. Prinzipiell sind die ersten Dichtelemente deshalb auch keine Elemente mit rein abdichtender Funktion, um das Austreten von Elektrolyt-Flüssigkeit im Bereich der Anschlusspole zu vermeiden, sondern Elemente, die zwar den Raum zwischen den Anschlusspolen und den Durchgangsöffnungen "abdichten", aber hauptsächlich zur Aufnahme von mechanischen Belastungen auf die Anschlusspole ausgebildet sind. Der Einfachheit halber sollen diese Elemente aber auch als "Dichtelemente" bezeichnet werden.
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Weiterhin wird bevorzugt, dass die zweiten Dichtelemente aus einem Material hergestellt sind, insbesondere einem Elastomer-Material, welches in plastischer Weise dauerelastisch ist. Somit wird vermieden, dass die zweiten Dichtelemente im Laufe der Zeit aufgrund von Formveränderungen ihre Dichtungswirkung verlieren. Außerdem sind die zweiten Dichtelemente somit in der Lage, durch mechanische Belastungen auftretende kurzzeitige Verformungen wieder zu kompensieren (so genannte Selbstheilung).
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Außerdem wird bevorzugt, dass die zweiten Dichtelemente im Querschnitt entlang ihres Umfangs eine obere Ausnehmung und eine untere Ausnehmung aufweisen. Durch diese besondere Gestaltung der zweiten Dichtelemente wird eine Lippen-artige Abdichtungsform erzielt, welche besonders wirksam hinsichtlich der gewünschten Abdichtung ist.
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Vorteilhafterweise sind die zweiten Dichtelemente an die ersten Dichtelemente nach Art eines Zwei-Komponenten-Bauteils in integraler Weise angespritzt. Dies vereinfacht die Herstellung des Systems und die Montage in einem Akku.
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Vorzugsweise weisen die ersten Dichtelemente entlang ihres Umfangs, welcher an die zweiten Dichtelemente grenzt, jeweils einen Kragen auf, der in eine entsprechend geformte Ausnehmung in den zweiten Dichtelementen eingreift. Dies ist von Vorteil, da hierdurch eine mechanische Stabilität der zweiten Dichtelemente bereitgestellt wird. Außerdem wird noch bevorzugt, dass der Akkumulator ein Lithium-Ionen-Akkumulator zur Verwendung in einem automobilen Fahrzeug ist, wobei es sich um ein Wasserkraftfahrzeug, ein Luft- bzw. Raumfahrzeug und/oder ein Landfahrzeug handeln kann. Für diese Art von Fahrzeugen eignet sich die offenbarte Erfindung in besonderer Weise, da die Beanspruchung zum Beispiel hinsichtlich der mechanischen Kräfte aufgrund ständiger Bewegungen relativ hoch sind.
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Kurze Beschreibung der Zeichnungen
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Nachfolgend wird die Erfindung anhand von Ausführungsformen in Verbindung mit den Figuren erläutert, wobei:
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1 einen Aufbau eines herkömmlichen Lithium-Ionen-Akkus in einer Explosionszeichnung zeigt;
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2 eine Detailansicht eines Anschlusspols des Akkus aus 1 zeigt;
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3 eine Detailansicht eines Anschlusspols mit einem Dichtsystem gemäß einer Ausführungsform der Erfindung zeigt; und
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4 eine Detailansicht eines Anschlusspols mit einem Dichtsystem gemäß einer weiteren Ausführungsform der Erfindung zeigt.
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Ausführungsformen der Erfindung
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1 zeigt einen wesentlichen schematischen Aufbau eines herkömmlichen Lithium-Ionen-Akkus 10 in einer Explosionszeichnung.
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Hierbei sind zum besseren Verständnis lediglich die wesentlichen Komponenten dargestellt. Der Akku 10 umfasst ein Gehäuse 15, in dessen Inneren sich ein flach gepresster Wickel aus einer Aluminium-Folie und einer Kupfer-Folie befindet (hier nicht dargestellt), wobei die Folien jeweils mit aktiven Kathoden- und Anoden-Stoffen beschichtet sind. Der Vollständigkeit halber sei noch erwähnt, dass zwischen der Aluminium-Folie und Kupfer-Folie ein Separator, das heißt eine Kunststoff- oder Keramikfolie, angeordnet ist. Das Gehäuse 15 wird nach Einbringen des Wickels mit einem flüssigen Elektrolyten befüllt.
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Die elektrische Kontaktierung der Kathoden- bzw. Anoden-Folie des Wickels erfolgt über Stromanschlüsse 20, von denen der in 1 auf der rechten Bildseite dargestellte Stromanschluss außerhalb des Gehäuses 15 zur besseren Erläuterbarkeit des Aufbaus der Stromanschlüsse 20, 21 dargestellt ist. Da jedoch der grundsätzliche Aufbau solcher Stromanschlüsse 20, 21 hinreichend bekannt sein dürfte, und auch nichts zum Kern der Erfindung beiträgt, wird auf eine weitere Beschreibung hier verzichtet.
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Von Interesse ist hierbei lediglich, dass jeder Stromanschluss 20, 21 über je einen Anschlusspol 25, 26 verfügt, welche jeweils durch Durchgangsöffnungen 30, 31 in einer Gehäuseverschlussplatte 35 eine Verbindung des im Gehäuse 15 befindlichen Wickels nach außen hin bilden.
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Weiterhin sind in 1 im Bereich der Anschlusspole 25, 26 sogenannte Seal-Gasket-Dichtungen 40, 41 zu erkennen, welche im Detail weiter unten noch beschrieben werden. Diese Dichtungen 40, 41 bilden im Wesentlichen eine Abdichtung zwischen den Anschlusspolen 25, 26 und den Durchgangsöffnungen 30, 31 der Gehäuseverschlussplatte 35 und jeweils einer Isolationsplatte 45, 46, welche jeweils unterhalb der Gehäuseverschlussplatte 35 angeordnet ist, und welche ebenfalls jeweils eine Durchgangsöffnung 50, 51 für die Anschlusspole 25, 26 aufweisen. Weitere, insbesondere in der Gehäuseverschlussplatte 35 dargestellte, Öffnungen haben für die vorliegende Offenbarung keine Bedeutung und werden deshalb hier außer Acht gelassen.
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2 zeigt eine Detailansicht eines Anschlusspols 25, und zwar in diesem Fall eine Querschnittsansicht des in 1 auf der linken Bildseite dargestellten Anschlusspols 25. Außer dem Anschlusspol 25 ist noch ein Teil der Gehäuseverschlussplatte 35, des Gehäuses 15, der Isolationsplatte 45 sowie die Dichtung 40, jeweils im Querschnitt, zu erkennen. Entscheidend hierbei ist die Dichtung 40, welche in der Regel aus einem Thermoplast, zum Beispiel Teflon, hergestellt ist, und, wie oben bereits erwähnt, mehrere Funktionen ausüben muss, das heißt Abdichten des Anschlusspols 25 gegenüber dem Gehäuse bzw. der Gehäuseverschlussplatte 35 gegen Austritt des unter Druck stehenden, flüssigen Elektrolyten, und Aufnahme bzw. Absorbieren von mechanischen Belastungen auf den Anschlusspol (bzw. auf die Anschlusspole 25, 26), wobei es sich im Wesentlichen um Querkräfte und Biegemomente handelt. Die letztgenannte Funktion, das heißt Aufnahme von mechanischen Belastungen durch die Dichtung 40, ist deshalb entscheidend, um keine Undichtheit an dem Anschlusspol 25 auftreten zu lassen, das heißt ein Austreten von Elektrolytflüssigkeit.
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Wie oben bereits erwähnt, muss die Dichtung 40 alle genannten Forderungen gleichzeitig erfüllen können, wobei es jedoch schon aufgrund einer mechanischen Belastung des Anschlusspols 25 relativ leicht zu einer Undichtheit an der Dichtung 40 kommen kann, und das Material der Dichtung 40 selber in der Regel nicht den Ansprüchen genügt, eine Verformung von alleine wieder zu kompensieren, d.h. sich selbst "zu heilen".
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3 zeigt nun eine ähnliche Detailansicht eines Anschlusspols 25, jedoch gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung.
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In der in 3 dargestellten Ausführungsform ist entscheidend, dass die in 2 gezeigte Dichtung 40 durch zwei Elemente ersetzt worden ist, nämlich durch ein erstes Dichtelement 55 und ein zweites Dichtelement 60. Somit sind die Funktionen, welche vorher von Dichtung 40 (siehe 2) übernommen werden mussten, nunmehr auf zwei Elemente aufgeteilt worden. Dabei dient das erste Dichtelement 55 im Wesentlichen dazu, eine elektrische Isolierung zwischen Anschlusspol 25 und Gehäuseverschlussplatte 35 herzustellen sowie mechanische Querkräfte auf den Anschlusspol 25 aufzunehmen, während das zweite Dichtelement 60 lediglich die Funktion des Abdichtens übernimmt, das heißt, zu verhindern, dass Elektrolytflüssigkeit im Bereich des Anschlusspols 25 aus dem Gehäuse 15 austreten kann.
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Im in 3 dargestellten Ausführungsbeispiel sind das erste Dichtelement 55 und das zweite Dichtelement 60 jeweils aus unterschiedlichen Materialien hergestellt, wobei das zweite Dichtelement 60 dauerelastisch ausgebildet ist, um auftretende Verformungen aufnehmen zu können und den anstehenden Innendruck in selbsthelfender bzw. selbstheilender Weise über eine entsprechende Anpresskraft der Dichtfllächen des zweiten Dichtelements 60 an die ihn umgebenden Partnerdichtflächen, das heißt erstes Dichtelement 55, Gehäuseverschlussplatte 35, und Isolationsplatte 45, zu kompensieren. Das heißt, dass die Dichtheit im Bereich des Anschlusspols 25 auch nach langer Betriebszeit und bei mechanischer Verformung gewährleistet bleibt. Vorzugsweise ist das zweite Dichtelement 60 aus einem Elastomer-Material hergestellt. Aber auch jedes andere geeignete Material oder Materialkombination ist für die Dichtelemente denkbar.
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Wie in 3 zu erkennen ist, weist das zweite Dichtelement 60 im Querschnitt die Form des Buchstabens „H“ auf, mit anderen Worten, das zweite Dichtelement 60 weist entlang seines Umfangs eine obere Ausnehmung 61 und eine untere Ausnehmung 62 auf, so dass sich für eine Abdichtung in vorteilhafter Weise zwei obere Lippen 63 und zwei untere Lippen 64 ergeben.
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4 zeigt eine weitere Ausführungsform der vorliegenden Erfindung, wobei der Unterschied zu der in 3 dargestellten Ausführungsform darin besteht, dass das erste Dichtelement 55 an seinem Umfang einen Kragen 70 aufweist, welcher in eine entsprechend geformte Ausnehmung 80 im zweiten Dichtelement 60 eingreift. Der in das zweite Dichtelement 60 in die Ausnehmung 80 eingreifende Kragen 70 dient der mechanischen Stabilisierung des zweiten Dichtelements 60, und kann, ebenso wie in der in 3 gezeigten Ausführungsform, in der Art eines zweikomponentigen Bauteils ausgeführt sein, wobei das zweite Dichtelement 60 in integraler Weise an das erste Dichtelement 55 bzw. den Kragen 70 angespritzt sein kann. Selbstverständlich sind auch andere geeignete Arten der Verbindung von erstem Dichtelement 55 mit zweitem Dichtelement 60 denkbar. Außerdem sei noch erwähnt, dass sich das oben Gesagte hinsichtlich der Dichtelemente auf beide Anschlusspole in gleicher Weise bezieht.
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Zusammenfassend lässt sich also sagen, dass sich die vorliegende Erfindung dadurch auszeichnet, dass die Funktionen Abdichten, Isolieren und Querkräfte aufnehmen entweder auf zwei Bauteile aufgeteilt werden, nämlich erstes Dichtelement und zweites Dichtelement, oder von verschiedenen Funktionsbereichen einer Baugruppe übernommen werden, und zwar im Falle einer integralen Ausführung der beiden Dichtelemente.
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Abschließend sei noch bemerkt, dass die in den 1–4 dargestellten Dimensionen nicht maßstabsgetreu sind.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- DE 102010022584 A1 [0004]
