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Die vorliegende Erfindung betrifft eine Batterie und ein Kraftfahrzeug mit der erfindungsgemäßen Batterie, wobei die Batterie eine Vielzahl galvanischer Zellen umfasst, welche miteinander elektrisch verbunden sind und jeweils ein Zellengehäuse mit einer Entgasungsöffnung aufweisen; sowie ein Batteriegehäuse umfasst, welches die galvanischen Zellen mindestens teilweise umfasst.
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Stand der Technik
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Lithium-Ionen-Zellen können beim elektrischen Missbrauch, beispielsweise Überladung, beim mechanischen Missbrauch, beispielsweise Beschädigung des Gehäuses, beim thermischen Missbrauch sowie beim unbeabsichtigten internen oder externen Kurzschluss eine ungewollte Erwärmung erfahren. Um einen resultierenden Druckanstieg in der Zelle kontrolliert ableiten zu können, verfügen moderne Lithium-Ionen-Zellen über eine Berstöffnung. Bei Batteriesystemen werden diese über ein Entgasungssystem, beispielsweise eine Verbindung mit Kunststoffrohren oder -schläuchen, gesammelt und aus dem Batteriegehäuse nach außen geleitet. Nach außen wird das Entgasungssystem durch ein einfaches Ventil, welches aus einem Schlauch ausgeformt ist, verschlossen. Die dabei austretenden Flüssigkeiten beziehungsweise Dämpfe oder Gase können unzersetzte Elektrolytkomponenten, wie Dimethylcarbonat oder Ethylencarbonat, oder auch brennbare Zersetzungsprodukte, wie Kohlenmonoxid, Wasserstoff oder Methan, enthalten, sowie ebenfalls ein Zersetzungsprodukt des Leitsalzes, Fluorwasserstoff oder phosphorhaltige Verbindungen wie Phosphoroxytrifluorid. Auch durch Korrosion oder einfache mechanische Beschädigung der Berstmembran oder des Gehäuses, zum Beispiel durch Feuchtigkeit oder Kriechströme, kann es zum Austritt von Elektrolyt kommen, der sich nur langsam durch abfallende Zellspannungen und Erhöhung der Innenwiderstände bemerkbar macht. Besonders Fluorwasserstoffsäure ist kritisch, da diese zur Korrosion in der Batterie führt.
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Offenbarung der Erfindung
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Erfindungsgemäß wird eine Batterie zur Verfügung gestellt, die eine Vielzahl galvanischer Zellen umfasst, welche miteinander elektrisch verbunden sind und jeweils ein Zellengehäuse mit einer Entgasungsöffnung aufweisen; die ein Batteriegehäuse umfasst, welches die galvanischen Zellen mindestens teilweise umfasst, wobei das Batteriegehäuse ein Sicherheitsventil aufweist, welches ausgebildet ist, einen Überdruck im Inneren der Batterie nach außen ableiten zu können, wobei innerhalb des Batteriegehäuses Leitelemente von den Entgasungsöffnungen räumlich beabstandet angeordnet sind und die Leitelemente ausgebildet sind, ein Fluid und/oder ein Gas strömungstechnisch zu lenken.
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Vorteilhaft daran ist das Einsparen eines Schlauchsystems oder eines Kanalsystems zur Ableitung eines Überdrucks des Elektrolyten/des Fluids. Der erzielte Vorteil erstreckt sich auch auf eine Einsparung von Kosten und auf eine Reduktion von träger Masse.
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Vorzugsweise ist jeder Entgasungsöffnung mindestens ein Leitelement zugeordnet, wobei das Leitelement derart angeordnet und ausgeformt ist, ein aus der zugeordneten Entgasungsöffnung ausströmendes Fluid und/oder ein Gas in Richtung des Sicherheitsventils zu lenken.
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Vorteilhaft daran ist das Vermeiden eines Kontakts des Elektrolyten mit einem gegensätzlich geladenen elektrischen Anschlusspol. Somit werden empfindliche Elemente, wie beispielsweise ein Batteriemanagementsystem, vor einer Beschädigung durch chemisch reaktive Elektrolyte, im Fluid enthalten, geschützt.
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Vorzugsweise korrespondiert eine Ausformung und/oder Anordnung der Leitelemente mit einer Anordnung der jeweiligen Entgasungsöffnung sowie mit einer Anordnung des Sicherheitsventils.
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Vorteilhaft daran ist eine verbesserte Strömungsführung durch gezielte Umleitung des Fluidstroms am jeweiligen Leitelement.
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Vorzugsweise ist das Leitelement parabelförmig ausgebildet oder weist eine zum Paraboloid kongruent ausgeformte Fläche auf.
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Vorzugsweise weist das Sicherheitsventil eine Berstscheibe und/oder eine Berstmembran auf.
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Vorteilhaft daran ist die gezielte Ableitung von Wärmeenergie, welche bei der Entgasung freigesetzt wird, um empfindliche Komponenten im Inneren der Batterie zu schützen.
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Vorzugsweise weisen die Leitelemente eine Absorberstruktur und/oder eine gelochte Platte auf.
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Vorteilhaft daran ist die Möglichkeit einer Umwandlung beziehungsweise Ableitung eines Teils der thermischen und kinetischen Energie.
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Vorzugsweise umfasst die gelochte Platte ein Metall und/oder einen Kunststoff. Vorzugsweise ist die gelochte Platte der zugeordneten Entgasungsöffnung zugewandt.
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Vorteilhaft daran ist eine Beständigkeit gegen ausgasende Chemikalien sowie gegen erhöhte Temperaturen bei einer vergleichsweise leichtgewichtigen Bauweise.
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Vorzugsweise sind die Leitelemente wannenförmig und/oder schaufelförmig ausgebildet.
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Vorteilhaft daran ist eine gezielte Umleitung des Elektrolytstroms, wobei der Winkel zwischen einem Lot und dem einfallenden Elektrolytstrom sowie zwischen einem Lot und dem umgeleiteten Elektrolytstrom bedingt durch die Impulserhaltung – ähnlich dem optischen Reflexionsgesetz – gleich ist. Vorzugsweise beginnt der Elektrolytstrom an einer Entgasungsöffnung, die sich im Inneren der Batterie, beispielsweise einer Zelle, befindet. Die Umlenkung des Elektrolytstroms erfolgt vorzugsweise an einer konkav gewölbten Seite des Leitelements.
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Vorzugsweise sind die Vielzahl galvanischer Zellen entlang einer Achse und die Vielzahl der Entgasungsöffnungen äquidistant zueinander angeordnet, wobei benachbarte Leitelemente in jeweils unterschiedlichem Winkel zur zugeordneten Entgasungsöffnung angeordnet sind.
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Vorzugsweise ist der Winkel das arithmetische Mittel aus einem Anströmwinkel und einem Abströmwinkel in einer Ebene, wobei sich der Anströmwinkel als auch der Abströmwinkel in einem gemeinsamen Punkt berühren. Der gemeinsame Punkt ist eine Stelle der Oberfläche des Leitelements, welche (verglichen mit anderen Bereichen der Oberfläche desselben Leitelements) einen maximalen Volumenstrom aufweist. Vorzugsweise wird für jedes Leitelement eine Ebene aufgespannt, welche durch drei Punkte: Entgasungsöffnung, Leitelement und Sicherheitsventil; verläuft.
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Vorzugsweise sind die Leitelemente an einer Innenwand des Batteriegehäuses befestigt, vorzugsweise durch Formguss, Schrauben, Nieten, Kleben, Klemmen oder Einrasten; demnach vorzugsweise durch eine kraftschlüssige, formschlüssige oder stoffschlüssige Verbindung.
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Vorzugsweise sind die Leitelemente an einem fest oder lösbar angeordneten Gerüst angeordnet, welches vorzugsweise durch Stecken, Klemmen, Einrasten, Aufsetzen, Einsetzen, Auflegen, Unterlegen, Danebenstellen, Danebenklemmen, Dahinterklemmen, Dahinterstecken, Darübersetzen, Kleben, Schrauben oder Nieten im Inneren des Batteriegehäuses fixiert ist.
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Vorzugsweise weist das Gerüst eine zur Geometrie der innerhalb der Batterie befindlichen Module und/oder galvanischen Zellen korrespondierende Form auf.
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Vorzugsweise weist das Gerüst eine auch zur Geometrie des Batteriegehäuses korrespondierende Form auf.
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Vorzugsweise ist die Vielzahl der Entgasungsöffnungen einem Deckel der Batterie zugewandt, wobei das Sicherheitsventil im Deckel angeordnet ist.
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Der Deckel kann sowohl an einer Oberseite, an einer Seitenfläche oder an einer Unterseite der Batterie angeordnet sein. Auch ist eine Vielzahl von Entgasungsöffnungen im Gehäuse der Batterie möglich.
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Vorzugsweise ist die Batterie eine Lithium-Ionen-Batterie.
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Gemäß einem weiteren Aspekt der Erfindung wird ein Kraftfahrzeug mit der erfindungsgemäßen Batterie gemäß den vorgenannten Merkmalen offenbart, wobei die Batterie mit dem Kraftfahrzeug elektrisch und mechanisch verbunden ist. Der Vorteil eines Kraftfahrzeuges mit der erfindungsgemäßen Batterie ist eine Verbesserung der Sicherheit bei einer vergleichsweise preisgünstigen Herstellung.
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Vorzugsweise befinden sich in einem Batteriemodul eine oder mehrere galvanische Zellen, wobei jede galvanische Zelle in einem Zellengehäuse angeordnet ist und die Zellengehäuse nebeneinander entlang einer Linie gestapelt sind und benachbarte Zellen miteinander elektrisch verbunden sind.
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Bevorzugt weist jedes Zellengehäuse eine Entgasungsöffnung auf.
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Ebenfalls ist es bevorzugt, dass das Batteriemodul ein eigenes Gehäuse mit einer eigenen Entgasungsöffnung aufweist.
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Die räumliche Ausdehnung eines Leitelements in der durch die drei vorgenannten Punkte aufgespannten Ebene weist einen Betrag von vorzugsweise zwischen 10 % und 90 %, noch bevorzugter zwischen 15 % und 55 % und noch bevorzugter zwischen 25 % und 35 % einer Längsausdehnung des Batteriemoduls auf.
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Der Abstand eines Leitelements vom nächsten Leitelement weist einen Betrag von vorzugsweise zwischen 10 % und 900 %, noch bevorzugter zwischen 50 % und 200 % und noch bevorzugter zwischen 80 % und 120 % einer Breite der galvanischen Zelle in Stapelrichtung auf.
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Vorzugsweise sind Leitelemente in einer Spiegelsymmetrie und/oder Rotationssymmetrie bezüglich der Entgasungsöffnung und des Sicherheitsventils angeordnet.
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Die räumliche Ausdehnung eines Strömungsbereichs zwischen den galvanischen Zellen beziehungsweise zwischen einem Modul und einem Deckel des Batteriegehäuses weist einen Betrag von vorzugsweise zwischen 1 % und 90 %, noch bevorzugter zwischen 3 % und 30 % und noch bevorzugter zwischen 5 % und 15 % einer Längsausdehnung des Batteriemoduls beziehungsweise der galvanischen Zelle auf.
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Vorzugsweise sind die Abstände zwischen den Entgasungsöffnungen äquidistant.
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Vorzugsweise sind die Entgasungsöffnungen entlang einer sinusförmigen Kurve in einer Reihe angeordnet.
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Vorzugsweise sind die Entgasungsöffnungen entlang einer Geraden in einer Reihe angeordnet.
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Die Entfernung benachbarter Entgasungsöffnungen weist einen Betrag von vorzugsweise zwischen 10 % und 900 %, noch bevorzugter zwischen 50 % und 200 % und noch bevorzugter zwischen 80 % und 120 % einer Ausdehnung des Zellengehäuses in Stapelrichtung auf.
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Vorzugsweise sind die Entgasungsöffnungen uniform, gleich groß und befinden sich bezüglich des Zellengehäuses beziehungsweise des Modulgehäuses an einer jeweils gleichen Stelle des Gehäuses.
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Vorzugsweise weist jedes Modul mindestens ein damit korrespondierendes Leitelement auf.
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Vorzugsweise weist jedes vom Sicherheitsventil des Batteriegehäuses abgewandte Modul genau ein Leitelement auf, welches sich über das Ausmaß einer Länge und/oder einer Breite einer darin befindlichen galvanischen Zelle erstreckt.
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Vorzugsweise sind zwischen den Batteriemodulen und/oder zwischen einem Batteriemodul und einer Gehäusewand des Batteriegehäuses Kanäle angeordnet.
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Vorzugsweise sind die Kanäle und/oder die Enden der Kanäle mit Leitelementen ausgestaltet.
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Vorzugsweise weist die erfindungsgemäße Batterie keine Schläuche oder geschlossenen Kanäle auf, die sich vollständig zwischen einer Entgasungsöffnung und dem Sicherheitsventil erstrecken. Durch Verwendung der Leitelemente kann vorteilhafterweise auf geschlossene Schläuche/Kanäle verzichtet werden, wodurch eine erhebliche Materialeinsparung erzielt werden kann.
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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 zweidimensionale schematische Darstellung einer Seitenansicht einer Batterie gemäß einer ersten bevorzugten Ausführungsvariante,
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2 eine zweidimensionale schematische Darstellung einer Aufsicht auf eine Batterie gemäß einer zweiten bevorzugten Ausführungsvariante,
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3 eine zweidimensionale schematische Darstellung einer Seitenansicht einer Batterie gemäß einer dritten bevorzugten Ausführungsvariante,
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4 eine dreidimensionale schematische Darstellung einer Aufsicht auf einen Teil einer Batterie gemäß einer vierten bevorzugten Ausführungsvariante,
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5 eine dreidimensionale schematische Darstellung einer Aufsicht auf einen Teil einer Batterie gemäß einer fünften bevorzugten Ausführungsvariante, und
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6 eine dreidimensionale schematische Darstellung einer Aufsicht auf einen Teil einer Batterie gemäß einer sechsten bevorzugten Ausführungsvariante.
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Ausführungsformen der Erfindung
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1 zeigt eine zweidimensionale schematische Darstellung einer Seitenansicht einer ersten bevorzugten Ausführungsvariante einer Batterie mit einem erfindungsgemäßen Entgasungssystem, wobei das Entgasungssystem mittels Deflektoren, auch Leitelemente 250 genannt, ein Fluid durch ein Sicherheitsventil 240 aus dem Inneren eines Batteriegehäuses 230 in einen Außenbereich ableitet.
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Das Batteriegehäuse 230 umfasst mindestens ein Batteriemodul. Ein Batteriemodul umfasst eine Vielzahl galvanischer Zellen 200, welche miteinander elektrisch verbunden sind und jeweils ein Zellengehäuse 210 mit einer Entgasungsöffnung 220 aufweisen.
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Die Vielzahl der Entgasungsöffnungen 220 ist einem Deckel 260 der Batterie zugewandt, wobei das Sicherheitsventil 240 im Deckel 260 angeordnet ist.
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Die Leitelemente 250 sind an der Innenseite des Batteriegehäuses 230 befestigt und sowohl von den Entgasungsöffnungen 220 der galvanischen Zellen 200 als auch vom Sicherheitsventil 240 räumlich beabstandet.
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Die Leitelemente 250 sind ausgebildet, im Falle einer Überhitzung der Batterie einen aus den Entgasungsöffnungen 220 der jeweiligen Zellen 200 ausströmenden Gasstrom in Richtung des Sicherheitsventils 240 umzulenken, sodass sich diese Gase im Bereich des Sicherheitsventils 240 konzentrieren und im Falle eines Innenüberdrucks, also beim Öffnen des Sicherheitsventils 240 besonders effizient in die Umgebung abströmen können. Dadurch wird die Konzentration an Substanzen, welche zu einer Korrosion der Berstmembran oder des Gehäuses führen können, vorteilhafterweise minimiert.
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Aufgrund der Impulserhaltung wird der Gasstrom an der Oberfläche des Leitelements 250 reflektiert, sodass der Anströmwinkel zu einem Lot dem Abströmwinkel entspricht. Die verschieden gerichteten Gasströme an jedem Leitelement 250 können sich überlagern, da jedes Leitelement 250 von verschiedenen Entgasungsöffnungen 220 „angestrahlt“ werden kann.
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Die Leitelemente 250 sind im Raum zwischen den galvanischen Zellen 200 und dem Batteriegehäuse 230 angeordnet. Dieser Raum dient als Strömungsweg und besitzt eine Höhe zwischen 5 % bis 30 % einer Längsausdehnung einer galvanischen Zelle 200. Der Raum zwischen den Entgasungsöffnungen 220 und den Leitelementen 250 ist vorzugsweise als Freiraum (Lücke) ausgebildet. Der Raum zwischen den Leitelementen 250 und dem Sicherheitsventil 240 ist vorzugsweise ebenfalls als Freiraum (Lücke) ausgebildet. Dabei ist es besonders bevorzugt, dass neben den Leitelementen 250 keine weiteren Elemente zur strömungstechnischen Lenkung des Gasstroms verwendet werden.
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Das Sicherheitsventil 240 ist in diesem Ausführungsbeispiel an einer Oberseite des Batteriegehäuses 230 angeordnet, wobei die Oberseite elektrischen Anschlussterminals der galvanischen Zellen 200 zugewandt ist.
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Ein erfindungsgemäßer Vorteil daran ist das Einsparen eines Schlauchsystems oder eines Kanalsystems zur Ableitung eines Überdrucks des Elektrolyten/des Fluids, welcher/es an einer Entgasungsöffnung 220 austreten kann.
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Die Leitelemente 250 sind bevorzugt konkav ausgebildet, wobei die konkave Fläche den Entgasungsöffnungen 220 zugewandt ist. Da der Gasstrom, der aus einer Entgasungsöffnung 220 in Richtung eines zugeordneten Leitelements 250 strömt, einer gewissen räumlichen Streuung unterliegt, ist die konkave Fläche vorzugsweise derart ausgebildet, dass in jedem Anströmpunkt des Leitelements 250 ein Winkel zwischen dem Lot (im Anströmpunkt) und der Verbindungslinie zwischen einem Mittelpunkt der Entgasungsöffnung 220 und dem Anströmpunkt gleich Winkel zwischen dem Lot (im Anströmpunkt) und der Verbindungslinie zwischen einem Mittelpunkt des Sicherheitsventils 240 und dem Anströmpunkt ist. Dadurch kann der divergente Gasstrom einer Entgasungsöffnung 220 auf das Sicherheitsventil 240 fokussiert werden. Je nach Anordnung der Entgasungsöffnungen 220, der Leitelemente 250 und des Sicherheitsventils 240 können sich dadurch unterschiedliche Flächenformen ergeben. Die konkave Fläche der Leitelemente 250 kann beispielsweise parabelförmig ausgebildet sein.
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2 zeigt eine zweidimensionale schematische Darstellung einer Aufsicht auf eine zweite bevorzugte Ausführungsvariante einer Batterie mit dem erfindungsgemäßen Entgasungssystem.
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Im vorliegenden Fall erstreckt sich ein Leitelement 250a über die gesamte Länge aller Module 280, die jeweils eine Vielzahl von Zellen mit Entgasungsöffnungen aufweisen. Mittels dieses Leitelements 250a wird der Gasstrom der Entgasungsöffnungen der Zellen (im Falle einer Überhitzung der Batterie) in Richtung der Leitelemente 250 umgelenkt. Zwischen den Modulen 280 ist jeweils eine Lücke vorgesehen, sodass das Gas aus den einzelnen Entgasungsöffnungen jeweils seitlich in diese Lücken strömen kann. Einerseits wird dieses Gas mittels des Leitelements 250a in Richtung der Leitelemente 250 umgelenkt; andererseits erhöht ein Ausströmen von Gas aus den Entgasungsöffnungen der Zellen den Gasdruck in den Lücken zwischen den Modulen, sodass sich ein Gesamtgasstrom vom Leitelement 250a zu den Leitelementen 250 ausbildet. Die Leitelemente 250 sind derart mit konkaven Flächen ausgebildet, dass der Gasstrom in Richtung des Sicherheitsventils 240 umgelenkt wird, sodass sich diese Gase im Bereich des Sicherheitsventils 240 konzentrieren und im Falle eines Innenüberdrucks, also beim Öffnen des Sicherheitsventils 240 besonders effizient in die Umgebung abströmen können. Dadurch wird die Konzentration an Substanzen, welche zu einer Korrosion der Berstmembran oder des Gehäuses führen können, vorteilhafterweise minimiert.
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Im Vergleich zur Ausführungsvariante der 1 sind die Leitelemente 250 jedoch nicht einzelnen Zellen, sondern jeweils einem (oder mehreren) Modulen 280 zugeordnet, sodass die Leitelemente 250 einen resultierenden Gasstrom mehrerer Zellen (Entgasungsöffnungen) umlenken.
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Das Sicherheitsventil 240 ist in diesem Ausführungsbeispiel im seitlichen Bereich des Batteriegehäuses 230 angeordnet. Die Leitelemente 250 sind dabei sowohl im Bereich von elektrischen Anschlussterminals der galvanischen Zellen 200 als auch im Bereich seitlich der galvanischen Zellen 200 angeordnet.
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3 zeigt eine zweidimensionale schematische Darstellung einer Seitenansicht einer dritten bevorzugten Ausführungsvariante einer Batterie mit dem erfindungsgemäßen Entgasungssystem.
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An einer Oberseite der galvanischen Zellen 200 sind Entgasungsöffnungen 220 angeordnet.
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In einem Bereich unterhalb der galvanischen Zellen 200 ist ein Thermomanagement 410 angeordnet. Das Thermomanagement 410 führt zusätzlich Wärme aus einem Inneren der Batterie in einen Außenbereich ab.
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Das Leitelement 250 weist entlang einer Längsausdehnung eine S-förmige Biegung auf.
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4 zeigt eine dreidimensionale schematische Darstellung einer Aufsicht auf einen Teil einer Batterie gemäß einer vierten bevorzugten Ausführungsvariante mit dem erfindungsgemäßen Entgasungssystem.
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Die Leitelemente 250 sind in diesem Ausführungsbeispiel von den galvanischen Zellen 200 beabstandet, sodass ein Gas auch zwischen den galvanischen Zellen 200 und den Leitelementen 250 entlang strömen kann.
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5 zeigt eine dreidimensionale schematische Darstellung einer Aufsicht auf einen Teil einer Batterie, das Leitelement 250, gemäß einer fünften bevorzugten Ausführungsvariante mit dem erfindungsgemäßen Entgasungssystem.
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Das Leitelement 250 ist gebogen und umfasst mehrere nebeneinanderliegende Schichten.
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Eine dem strömenden Gas zugewandte Seite des Leitelements 250 weist eine rasterartige Anordnung durchgehender Löcher in einer gelochten Platte 620 auf. Durch diese Löcher kann das Fluid die nächstliegende Schicht, die Absorberstruktur 610, erreichen.
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Die Absorberstruktur 610 ist chemisch aktiv und deaktiviert chemisch reaktive Substanzen des im Falle eines Überdrucks aus den Entgasungsöffnungen 220 austretenden Elektrolyts.
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Eine dritte Schicht, die Trägerschicht 630, dient der Stabilisierung und Befestigung des Leitelements 250 am Batteriegehäuse 230, am Batteriemodul und/oder an einer galvanischen Zelle 200.
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Befestigungselemente für das Leitelement 250 sind nicht dargestellt, da die Darstellung eine Schnitt-Darstellung ist.
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6 zeigt eine zweidimensionale schematische Darstellung einer Seitenansicht eines Teils einer Batterie, eines Leitelements 250, gemäß einer sechsten bevorzugten Ausführungsvariante mit dem erfindungsgemäßen Entgasungssystem.
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Die Löcher in der gelochten Platte 620 sind durch eine Strichpunkt-Linie angedeutet, welche in Richtung einer Anströmrichtung 710 verlaufen. Die Anströmrichtung 710 ist jene Richtung, in welcher das auf die gelochte Platte 620 strömende Fluid gerichtet ist.
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Befestigungselemente für das Leitelement 250 sind nicht dargestellt, da die Darstellung eine Schnitt-Darstellung ist.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- US 5516602 [0003]
- US 2010/0104928 A1 [0003]
- US 4678726 [0003]
- EP 0942479 A1 [0003]
