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Die Erfindung betrifft eine Batterie mit mehreren Batterieeinzelzellen nach der im Oberbegriff von Anspruch 1 näher definierten Art. Außerdem betrifft die Erfindung die Verwendung einer solchen Batterie.
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Batterien aus mehreren Batterieeinzelzellen sind aus dem Stand der Technik bekannt. Sie können beispielsweise als Traktionsbatterien, vorzugsweise in Lithium-Ionen-Technologie, in zumindest teilsweise elektrisch angetriebenen Fahrzeuge, beispielsweise Elektrofahrzeugen oder Hybridfahrzeugen, eingesetzt werden. Diese Batterien sind dabei so ausgebildet, dass sie im regulären Betrieb typischerweise nicht überlastet werden. Allerdings lässt sich, insbesondere beim Einsatz in Fahrzeugen, eine Überlastung bzw. ein Fehlgebrauch nie gänzlich ausschließen. In diesem Fall kommt es zu einem inneren Überdruck in den Batterieeinzelzellen der Batterie. Diese haben typischerweise eine Membran oder eine Sollbruchstelle, sodass sie ab einem gewissen Innendruck Gase in die Umgebung abgeben. Nun ist es so, dass die Batterieeinzelzellen typischerweise in einem Batteriegehäuse angeordnet sind. Dementsprechend weist auch das Batteriegehäuse eine Abblasöffnung, welche auch gerne mit dem englischen Begriff Venting-Öffnung bezeichnet wird, auf. Typischerweise sind solche Venting-Öffnungen dabei so ausgestaltet, dass sie beispielsweise mit einer Membran versehen sind, welche erst ab einem gewissen Überdruck bzw. einer gewissen Menge an abgeblasenen Substanzen das Batteriegehäuse öffnet. Die Substanzen werden dann in die Umgebung abgeblasen. Eine ähnliches Verhalten lässt sich auch mit einem Ventil erreichen, welches auf einen definierten Überdruck eingestellt ist, und welches ab diesem definierten Überdruck im Inneren des Batteriegehäuses die Abblasöffnung freigibt und nach dem Absenken des Drucks auch wieder verschließen kann.
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Mit dem Abblasen von Substanzen aus dem Batteriegehäuse geht unvermeidbar immer eine gewisse Umweltbelastung und Gefährdung einher. Insbesondere ein plötzlich austretender Gasstrahl mit entsprechender hoher Temperatur kann dabei gefährlich sein. Außerdem verursacht er typischerweise ein vergleichsweise lautes Geräusch, welches insbesondere beim Einsatz in einem Fahrzeug die Gefahr mit sich bringt, dass der Fahrer irritiert und damit vom Verkehrsgeschehen abgelenkt wird.
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Die Aufgabe der hier vorliegenden Erfindung besteht nun darin, eine Batterie mit einer Abblassöffnung in einem Batteriegehäuse in der Art weiterzuentwickeln, dass die genannten Nachteile vermieden werden können.
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Erfindungsgemäß wird diese Aufgabe durch eine Batterie mit den Merkmalen im kennzeichnenden Teil des Anspruchs 1 gelöst. Vorteilhafte Ausgestaltungen und Weiterbildungen der Idee ergeben sich aus den hiervon abhängigen Unteransprüchen. Außerdem ist im Anspruch 8 eine besonders bevorzugte Verwendung der erfindungsgemäßen Batterie angegeben.
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Bei der erfindungsgemäßen Batterie ist so, dass auf dem Strömungsweg der abgeblasenen Substanzen zwischen den Batterieeinzelzellen und der Mündung der Abblasöffnung in die Umgebung des Batteriegehäuses Einbauteile zur Strömungsumlenkung und/oder Wärmeabfuhr angeordnet sind. Solche Einbauten, welche gemäß einer vorteilhaften Weiterbildung beispielsweise Prallbleche sein können, sorgen für eine Umlenkung der Strömung. Durch diesen so aufgebauten dynamischen Staudruck wird zum einen die Geschwindigkeit der abströmenden Substanzen verringert und zum anderen werden die abgeblasenen Substanzen, welche typischerweise immer gasförmig vorliegen oder ein Gemisch aus Gas und mitgerissenen Flüssigkeitströpfchen sind, zu einem längeren Verweilen im Bereich der Einbauteile gezwungen. Idealerweise sind die Einbauteile, welche neben den genannten Prallblechen auch ohnehin vorhandene Bauelemente der Batterie oder des Batteriegehäuses sein können, dabei zumindest teilweise in zumindest mittelbarem wärmeleitenden Kontakt mit einem Kühlwärmetauscher in dem Batteriegehäuse ausgebildet. Das Gas gibt Wärme an die Einbauten ab, welche vorzugsweise aus gut wärmeleitendem Material hergestellt sein können. Dies führt dazu, dass es neben der Verlangsamung der Strömung auch aufgrund der gesunkenen Temperatur zu einem Druckabbau in den abgeblasenen Substanzen kommt, da der Druck proportional zur Temperatur ist.
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Die erfindungsgemäßen Einbauten, welche idealerweise so ausgebildet sind, dass sie sowohl eine Strömungsumlenkung als auch eine Wärmeabfuhr bewirken, sorgen im Idealfall dann für eine Druckminderung einerseits und eine Wärmeabgabe andererseits. Die an die Umgebung gelangenden abgeblasenen Substanzen strömen dementsprechend vergleichsweise kühl und mit wenig Druck und Volumenstrom durch die Mündung der Abblasöffnung in die Umgebung der Batterie. Die eingangs genannten Nachteile lassen sich somit vermeiden.
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Bei der erfindungsgemäß aufgebauten Batterie mit den bereits beschriebenen vorteilhaften Weiterbildungen der Erfindung ist es dabei im Prinzip ausreichend, wenn die entsprechenden Einbauten in dem Strömungsweg der abgeblasenen Substanzen angeordnet sind. Zusätzliche Ventileinrichtungen oder dergleichen, außer den typischerweise vorhandenen Berstscheiben oder Ähnlichem im Bereich der Batterieeinzelzellen, sind im Prinzip nicht notwendig. Dennoch kann es gemäß einer vorteilhaften Weiterbildung der erfindungsgemäßen Batterie auch vorgesehen sein, dass zusätzlich für den Einbau im Strömungsweg der abgeblasenen Substanzen wenigstens ein druckanhängig öffnendes Ventil vorgesehen ist. Dieses kann, wie oben beschrieben, beispielsweise als Membran, welche ab einem bestimmten Druck aufreißt oder erst ab einem bestimmten Druck Substanzen durchlässt, ausgebildet sein. Genauso gut wäre ein Überdruckventil denkbar. Die durch diese druckabhängig öffnende Ventileinrichtung abströmenden Substanzen würden dann, vergleichbar zu dem oben beschriebenen Fall, bei dem die Ventileinrichtung nicht zwingend notwendig ist, im Bereich der Einbauten entsprechend abgekühlt und in ihrer Strömungsgeschwindigkeit abgebremst, sodass die genannten Vorteile auch bei diesem Aufbau zum Tragen kommen.
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Die besonderen Vorteile der erfindungsgemäßen Batterie ergeben sich insbesondere bei Batterien, welche stark belastet sind, und welche insbesondere in der Nähe von Personen eingesetzt werden, da hierdurch beim Abblasen von Substanzen eine hohe Gefährdung und Belastung entstehen kann. Derartige Batterien werden nun insbesondere in Fahrzeugen eingesetzt, beispielsweise in Elektrofahrzeugen, Brennstoffzellenfahrzeugen oder Hybridfahrzeugen. Da hier immer auch Nutzer des Fahrzeugs in der Nähe der Batterie sind, ist insbesondere für derartige Batterie der erfindungsgemäße Aufbau von besonderem Vorteil. Dementsprechend liegt die bevorzugte Verwendung der erfindungsgemäßen Batterie in ihrem Einsatz als Traktionsbatterie in einem zumindest teilweise elektrisch angetriebenen Fahrzeug.
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Weitere vorteilhafte Ausgestaltungen der erfindungsgemäßen Batterie ergeben sich aus den restlichen abhängigen Unteransprüchen und werden anhand des Ausführungsbeispiels deutlich, welches nachfolgend unter Bezugnahme auf die Figuren näher beschrieben ist.
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Dabei zeigen:
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1 ein prinzipmäßig angedeutetes Fahrzeug mit einer Batterie gemäß der Erfindung;
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2 eine erste Ansicht einer möglichen Ausführungsform einer Batterie gemäß der Erfindung; und
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3 eine weitere Ansicht einer möglichen Ausführungsform einer Batterie gemäß der Erfindung.
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In der Darstellung der 1 ist sehr stark schematisiert ein Fahrzeug 1 dargestellt. Beispielhaft soll dieses Fahrzeug 1 als elektrisch angetriebenes Fahrzeug ausgebildet sein. Die zum Antrieb des Fahrzeugs benötigte Leistung wird dabei in einer im Inneren des Fahrzeugs 1 angedeuteten Batterie 2 gespeichert. Die Batterie 2 umfasst dabei in der Darstellung der 1 sehr stark schematisiert ein Batteriegehäuse 3 sowie eine Vielzahl von Batterieeinzelzellen 4, welche beispielhaft als Stapel von prismatischen Batterieeinzelzellen 4 angedeutet sind. Jede der Batterieeinzelzellen 4 kann in an sich bekannter Art und Weise über eine Öffnung verfügen, welche im Falle eines Überdrucks im Inneren der Batterieeinzelzelle 4, beispielweise durch eine Überlastung, eine Überladung oder dergleichen, geöffnet wird. Dies kann beispielsweise eine Berstscheibe oder ein ähnliches Element sein, welches sich zumeist durch Zerstörung im Fehlerfall öffnet. Die dann aus einer oder mehrere der Batterieeinzelzellen 2 abgeblasenen Substanzen gelangen zuerst in das Innere des Batteriegehäuses 3. Nun weist auch dieses Batteriegehäuse 3 eine Abblasöffnung 5 auf, auf welche in den nachfolgenden Figuren noch näher eingegangen wird. Über diese Abblasöffnung 5 gelangen die abgeblasenen Substanzen aus dem Batteriegehäuse 3 in die Umgebung, um so Druck nicht nur in den Batterieeinzelzellen 4, sondern auch im Batteriegehäuse 3 effizient abzubauen und eine sicherheitskritische Situation zu vermeiden.
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In der Darstellung der 2 ist nun eine erste beispielhafte Darstellung der Batterie 2 nochmals zu erkennen. Die Batterie 2 umfasst die Batterieeinzelzellen 4, welche im Inneren des Batteriegehäuses 3 lediglich als kreuzschraffierter Bereich prinzipmäßig angedeutet sind. Die Bauart der Zellen, beispielsweise ob prismatisch, als Rundzellen oder dergleichen, spielt dabei keinerlei Rolle. Die Batterieeinzelzellen 4 selbst wurden deshalb nicht nochmals explizit dargestellt. Nun ist es so, dass das Batteriegehäuse 3 in den Darstellungen der 2 und 3 beispielhaft als doppelwandiges Gehäuse dargestellt ist. Vorzugsweise in einem im bestimmungsgemäßen Einsatz in Richtung der Schwerkraft g oben liegenden Bereich beginnt die der Strömungsweg der abgeblasenen Substanzen durch eine Verbindung des zwischen den doppelten Wänden des Batteriegehäuses 3 oder auch lediglich in der freien Umgebung der Batterieeinzelzellen 4 liegenden Teils. Kommt des zum Abblasen von Substanzen, dann werden die Substanzen, wie durch die punktierten Pfeile dargestellt, zwischen den Wandungen des Batteriegehäuses 3 bzw. zwischen den Bereichen der Batterieeinzelzellen 4 und der Außenwand des Batteriegehäuses 3 abströmen.
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Über eine definierte Mündung 6 der Abblasöffnung 5 im bestimmungsgemäßen Einsatz im unteren Bereich der Batterie 2 bzw. des Batteriegehäuses 3 gelangen die abgeblasenen Substanzen dann durch die Abblasöffnung 5 in die Umgebung. Auf dem Weg dorthin müssen sie verschiedene Einbauten 7 passieren. Diese Einbauten 7 können beispielsweise in Form von explizit eingebrachten Prallblechen oder Umlenkblechen ausgebildet sein. Sie sind idealerweise aus gut wärmeleitendem Material und stehen zumindest mittelbar beispielsweise mit den Batterieeinzelzellen 4 und damit letztlich auch mit einem die Batterieeinzelzellen 4 kühlenden Kühlwärmetauscher in Verbindung. Hierdurch erfüllen die Einbauten 7 zwei unterschiedliche Effekte. Einerseits sorgen sie für eine Umlenkung der Strömung und verringern dadurch die Geschwindigkeit durch den aufgebauten dynamischen Staudruck. Andererseits nehmen sie Temperatur auf und kühlen damit die abgeblasenen Substanzen entsprechend ab. Da durch das Absenken der Temperatur, welche sich proportional zum Druck verhält, gleichzeitig der Druck sinkt, führt dies insgesamt zu einem langsamen Abfließen der abgeblasenen Substanzen, wodurch Druckspitzen abgefedert werden können. Die abgeblasenen Substanzen gelangen dann vergleichsweise kühl, langsam und mit geringem Druck und entsprechend geringem Volumenstrom durch die Mündung 6 in die Umgebung des Batteriegehäuses 3, sodass eine Beeinträchtigung durch die abgeblasenen Substanzen weitgehend ausgeschlossen werden kann.
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Die Einbauten 7 können, wie bereits erwähnt und hier dargestellt, insbesondere im Bereich des Batteriegehäuses 3 eingebrachte Prallbleche oder dergleichen sein. Ferner können verschiedene Elemente, welche in dem Inneren des Batteriegehäuses 3 ohnehin vorhanden sind, beispielsweise geeignete Teile wie Stromschienen, Schütze, Elektronikgehäuse, Kühlkörper, Lagerelemente der Batterieeinzelzellen 4 in dem Batteriegehäuse 3 und dergleichen in die Umlenkung und gezielte Beeinflussung der Abströmung der abgeblasenen Substanzen mit eingebunden werden. Alles in allem stellt sich dann der beschriebene Effekt ein, sodass der sehr hohe Druck und die hohe Temperatur beim Austritt der abgeblasenen Substanzen aus den Batterieeinzelzellen auf seinem Weg bis zur Mündung 6 der Abblasöffnung 5 des Batteriegehäuses 3 entsprechend abgebaut wird. Hier kann er dann direkt oder insbesondere auch über eine eingebaute Austrittsbarriere, beispielsweise eine Membran, eine federbelastete Klappe oder dergleichen, in die Umgebung abgelassen werden, sofern ein ausreichend hoher Druck im Inneren des Batteriegehäuses 3 vorliegt.
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In den Darstellungen der 2 und 3 ist außerdem zu erkennen, dass das Batteriegehäuse 3 einen Deckel 8 aufweist. Dieser Deckel bzw. Gehäusedeckel 8 ist gegenüber dem Bereich der Batterieeinzelzellen 4 und gegenüber dem Strömungsweg der abgeblasenen Substanzen zu der Abblasöffnung 5 abgedichtet. In dem Batteriedeckel 8 kann die gesamte Elektrik bzw. Elektronik der Batterie 2 untergebracht sein. Dadurch, dass diese gegenüber dem Strömungsweg der im Fehlerfall abströmenden Substanzen abgedichtet ist, können diese die Elektrik bzw. Elektronik der Batterie 2 nicht nachteilig beeinflussen, wodurch ein zusätzlicher Vorteil hinsichtlich der Sicherheit entsteht.
