DE102013203108A1

DE102013203108A1 - Schutz für Abblasventile von Akkumulatorzellen

Info

Publication number: DE102013203108A1
Application number: DE201310203108
Authority: DE
Inventors: Markus Kohlberger
Original assignee: Robert Bosch GmbH; Samsung SDI Co Ltd
Current assignee: Robert Bosch GmbH; Samsung SDI Co Ltd
Priority date: 2013-02-26
Filing date: 2013-02-26
Publication date: 2014-08-28
Also published as: CN104009196B; CN104009196A

Abstract

Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung (10) zum Schützen eines an einer Abblasöffnung (6) in einem Gehäuse (2) einer Akkumulatorzelle (1) angeordneten, eine irreversibel verformbare Berstscheibe oder eine reversibel verformbare Berstmembran (7) aufweisenden Abblasventils (8) gegen äußere mechanische Krafteinflüsse. Um Abblasventile (8) von Akkumulatorzellen (1) weitestgehend vor Beschädigungen durch äußere mechanische Krafteinflüsse zu schützen und somit den Schutz vor einen Austritt von Flüssigkeiten, Dämpfen und Gasen über geschlossene Ablassventile (8) von Akkumulatorzellen (1) zu erhöhen, wird mit der Erfindung vorgeschlagen, dass die Vorrichtung (10) wenigstens einen auf der dem Inneren des Gehäuses (2) der Akkumulatorzelle (1) zugewandten Seite der Berstscheibe bzw. der Berstmembran (7) anordbaren, formstabilen Stützsteg (11) aufweist.

Description

Stand der Technik
In elektrisch angetriebenen Kraftfahrzeugen, insbesondere Elektrofahrzeugen, Plug-in-Hybridfahrzeugen und Hybridfahrzeugen, werden modular aufgebaute Akkumulatoren eingesetzt, um mit ihnen über ein fahrzeugseitiges elektrisches Hochvolt-Antriebsnetz elektrische Antriebseinrichtungen des Kraftfahrzeugs mit elektrischer Energie zu versorgen. Die Akkumulatormodule weisen üblicherweise mehrere Akkumulatorzellen auf, die seriell oder parallel verschaltet sein können.
Eine Akkumulatorzelle kann sich beim Auftreten eines elektrischen Mißbrauchs, bedingt beispielsweise durch eine elektrische Überladung der Akkumulatorzelle, eines mechanischen Mißbrauchs, bedingt besipielsweise durch Einwirkung äußerer mechanischer Krafteinflüsse auf das Gehäuse der Akkumulatorzelle, eines thermischen Mißbrauchs, bedingt beispielsweise durch eine äußere Wärmeeinwirkung auf die Akkumulatorzelle, oder eines unbeabsichtigten internen oder externen Kurzschlusses, bedingt beispielsweise durch einen Kontakt mit metallischen Gegenständen, mehr oder weniger stark erwärmen. Um den hierdurch innerhalb des Gehäuses der Akkumulatorzelle erzeugten Druckanstieg, welcher im äußersten Fall zu einer Explosion der Akkumulatorzelle führen könnte, ausgleichen zu können, weist das Gehäuse einer Akkumulatorzelle üblicherweise eine Abblasöffnung auf, an der ein auf Druck reagierendes Abblasventil angeordnet ist, welches beim Auftreten eines Überdrucks bestimmter Größenordnung innerhalb des Gehäuses der Akkumulatorzelle öffnet.
Die bei geöffnetem Abblasventil aus dem Gehäuse der Akkumulatorzelle austretenden Flüssigkeiten, Dämpfe oder Gase können unzersetzte Elektrolytkomponenten, wie beispielsweise Dimethylcarbonat (DMC) oder Ethylencarbonat (EC), oder auch brennbare Zersetzungsprodukte, wie Kohlenmonoxid (CO), Wasserstoff (H₂) oder Methan (CH₄), enthalten. Des Weiteren können Zersetzungsprodukte des in dem Gehäuse vorhandenen Leitsalzes, wie Fluorwasserstoff (HF) oder phosphorhaltige Verbindungen, wie Phosphoroxytrifluorid (POF₃), in den Flüssigkeiten, Dämpfen oder Gasen enthalten sein.
Um die aus einer Akkumulatorzelle eines Akkumulators bei geöffnetem Abblasventil austretenden Flüssigkeiten, Dämpfe oder Gase aus dem Akkumulator abführen zu können, sind die Akkumulatorzellen mit einem Entgasungssystem des Akkumulators verbunden, welches beispielsweise Kunststoffrohre oder Schläuche aufweisen kann. Gegenüber der äußeren Umgebung kann das Entgasungssystem durch ein druckempfindliches Ventil geschlossen sein.
Um einen unkontrollierten Austritt von Flüssigkeiten, Dämpfen und Gasen aus dem Gehäuse einer Akkumulatorzelle zu verhindern, ist es erforderlich, dass das an dem Gehäuse der Akkumulatorzelle angeordnete Abblasventil funktionsfähig bleibt, insbesondere dass es in seiner die Abblasöffnung verschließenden Schließstellung einen solchen unkontrollierten Austritt von Flüssigkeiten, Dämpfen oder Gasen vollständig unterbindet. Ein unkontrollierter Austritt von Elektrolyt aus dem Gehäuse einer Akkumulatorzelle macht sich in der Regel durch eine langsam abfallende Zellspannung und eine Erhöhung des Innenwiderstands bemerkbar.
Es ist bekannt, Abblasventile zu verwenden, die einen ab dem Auftreten eines bestimmten Überdrucks, beispielsweise in einer Größenordnung von etwa 5 bis 10 bar, in dem Gehäuse der Akkumulatorzelle berstenden Schließkörper aufweisen. Diese Schließkörper sind jedoch sehr empfindlich gegenüber äußeren mechanischen und insbesondere punktuellen Krafteinflüssen, wie sie beispielsweise bei einem Kontakt mit einem Montagewerkzeug oder mit einem Finger bzw. einem Fingernagel entstehen können. Durch einen solchen Kontakt kann es daher zu einer unerwünschten Beschädigung des Schließkörpers kommen, welche dazu führt, dass Flüssigkeiten, Dämpfe und Gase unkontrolliert aus dem Gehäuse der Akkumulatorzelle austreten können.
Offenbarung der Erfindung
Gegenstand der Erfindung ist eine Vorrichtung zum Schützen eines an einer Abblasöffnung in einem Gehäuse einer Akkumulatorzelle angeordneten, eine irreversibel verformbare Berstscheibe oder eine reversibel verformbare Berstmembran aufweisenden Abblasventils gegen äußere mechanische Krafteinflüsse, gekennzeichnet durch wenigstens einen auf der dem Inneren des Gehäuses der Akkumulatorzelle zugewandten Seite der Berstscheibe bzw. der Berstmembran anordbaren, formstabilen Stützsteg.
Durch die Anordnung eines formstabilen Stützstegs auf der dem Inneren des Gehäuses der Akkumulatorzelle zugewandten Seite der Berstscheibe bzw. Berstmembran wird diese von unten zumindest abschnittweise unterstützt, so dass äußere mechanische Krafteinflüsse, welche auf die dem Inneren des Gehäuses der Akkumulatorzelle abgewandte Seite der Berstscheibe bzw. Berstmembran einwirken können, nicht zwangsläufig zu einer Beschädigung der Berstscheibe bzw. Berstmembran führen, durch die Flüssigkeiten, Dämpfe oder Gase unkontrolliert aus dem Gehäuse der Akkumulatorzelle austreten könnten.
Um die Abblasöffnung in dem Gehäuse der Akkumulatorzelle bei geöffnetem Abblasventil möglichst weitgehend freizuhalten, sollte die Breite des Stützstegs deutlich geringer als die Dimensionierung der Abblasöffnung des Gehäuses gewählt werden.
Unter einer irreversibel verformbare Berstscheibe ist ein Berstkörper zu verstehen, der nach seinem Bersten unter Druck nicht mehr zum Schließen der Abblasöffnung in dem Gehäuse der Akkumulatorzelle eingesetzt werden kann, da er sich nach seinem Bersten nicht wieder in seine Schließstellung zurückverformen lässt. Hingegen ist unter einer reversibel verformbaren Berstmembran ein elastisch verformbarer Berstkörper zu verstehen, welcher nach seinem Bersten und der damit verbundenen Druckbeaufschlagung wieder selbsttätig in seine Schließstellung zurückkehrt. Hierzu kann an der Berstscheibe bzw. Berstmembran beispielsweise wenigstens eine Sollbruchstelle vorgesehen sein, an welcher die Berstscheibe bzw. Berstmembran bei ihrem erstmaligen Bersten aufbricht.
Dass der wenigstens eine Stützsteg formstabil ausgebildet ist, soll bedeuten, dass er beim Einwirken insbesondere von montagetypischen äußeren mechanischen Krafteinflüssen auf die Berstscheibe bzw. Berstmembran und hierüber auf den Stützsteg seine im unbelasteten Zustand gegebene Formgebung im Wesentlichen beibehält, um eine geeignete Abstützung der Berstscheibe bzw. Berstmembran von deren dem Inneren des Gehäuses der Akkumulatorzelle zugewandten Seite zu erreichen.
Gemäß einer vorteilhaften Ausgestaltung weist die Vorrichtung wenigstens zwei auf der dem Inneren des Gehäuses der Akkumulatorzelle zugewandten Seite der Berstscheibe bzw. der Berstmembran sich kreuzend anordbare, formstabile Stützstege auf. Die Anzahl der Stützstege pro Vorrichtung kann in Abhängigkeit der jeweiligen technischen Gegebenheiten und Anforderungen variiert werden. Je mehr Stützstege vorhanden sind, desto größer ist der hierdurch unterstützte Bereich der Berstscheibe bzw. Berstmembran.
Nach einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung kreuzen sich die beiden formstabilen Stützstege unter einem Winkel von 90°. Diese Ausgestaltung zeichnet sich durch eine gute Abstützung der Berstscheibe bzw. Berstmembran unter Einsatz von möglichst wenig zusätzlichem Material aus.
Eine weitere vorteilhafte Ausgestaltung sieht vor, dass die formstabilen Stützstege einstückig miteinander verbunden sind. Hierdurch können sich die Stützstege gewissermaßen gegenseitig stützen, was der Gesamtanordnung aus den Stützstegen sehr gute Stützeigenschaften verleiht.
Es wird weiter als vorteilhaft erachtet, wenn wenigstens ein formstabiler Stützsteg aus Kunststoff, aus Metall oder einem Verbundwerkstoff gebildet ist. Die Wahl des jeweilig für den Stützsteg verwendeten Werkstoffs kann von den jeweiligen technischen Gegebenheiten und Anforderungen abhängig gemacht werden. Als Kunststoff kommt beispielsweise Polypropylen (PP) oder Polyethylen (PE) in Betracht.
Vorteilhafterweise ist wenigstens ein formstabiler Stützsteg einstückig mit einem Bestandteil der Akkumulatorzelle verbunden. Dies ermöglicht, dass die Montage einer entsprechend ausgebildeten Akkumulatorzelle gegenüber der Montage herkömmlicher Akkumulatorzellen nicht erschwert wird, sondern unter Verwendung derselben Montageschritte möglich ist.
Ferner wird vorgeschlagen, dass wenigstens ein formstabiler Stützsteg als formschlüssig und/oder kraftschlüssig mit einem Bestandteil der Akkumulatorzelle verbindbares, separates Bauteil ausgebildet ist. Dies macht eine Nachrüstung vorhandener Akkumulatorzellen und ein Auswechseln der Vorrichtung möglich. Letzteres kann beispielsweise bei einer Beschädigung der Vorrichtung oder einer Änderung der Auslegung einer entsprechend ausgestatteten Akkumulatorzelle von Vorteil sein.
Gegenstand der Erfindung ist des Weiteren ein Abstützelement für eine Akkumulatorzelle, welches zwischen Elektroden der Akkumulatorzelle und einem oberseitigen Deckel eines Gehäuses der Akkumulatorzelle anordbar ist und über das sich die Elektroden an der dem Inneren des Gehäuses zugewandten Seite des Deckels abstützen können, wobei an dem Abstützelement wenigstens eine Abblasöffnung ausgebildet ist, welche bei bestimmungsgemäßer Anordnung des Abstützelementes an dem Deckel im Bereich einer in dem Deckel angeordneten Abblasöffnung angeordnet ist, gekennzeichnet durch wenigstens eine Vorrichtung nach einer der obigen Ausgestaltungen oder einer beliebigen Kombination derselben, wobei die Vorrichtung an der Abblasöffnung in dem Abstützelement angeordnet ist. Damit sind die oben genannten Vorteile verbunden.
Die Anordnung eines Abstützelementes zwischen den Elektroden einer Akkumulatorzelle und einem oberseitigen Deckel des Gehäuses der Akkumulatorzelle ist bekannt. Über das Abstützelement können sich die Elektroden an der dem Inneren des Gehäuses zugewandten Seite des Deckels abstützen, wodurch Bewegungen der Elektroden beim Auftreten von einsatzbedingten Vibrationen, beispielsweise beim Fahren eines entsprechend ausgebildeten Kraftfahrzeugs, reduziert werden können. Zudem wird durch die Anordnung eines Abstützelementes in dem Gehäuse einer Akkumulatorzelle das Totvolumen in dem Gehäuse verringert. Das Abstützelement kann aus Polypropylen (PP) gebildet sein. An dem Abstützelement ist wenigstens eine Abblasöffnung ausgebildet, welche bei bestimmungsgemäßer Anordnung des Abstützelementes an dem Deckel im Bereich einer in dem Deckel angeordneten Abblasöffnung angeordnet ist, so dass ein Druckabbau innerhalb des Gehäuses der Akkumulatorzelle durch die Abblasöffnung in dem Abstützelement und die Abblasöffnung in dem Deckel des Gehäuses möglich ist.
Gemäß einer vorteilhaften Ausgestaltung ist die Vorrichtung einstückig mit dem übrigen Abstützelement ausgebildet. Dies ermöglicht, dass die Montage einer entsprechend ausgebildeten Akkumulatorzelle gegenüber der Montage herkömmlicher Akkumulatorzellen nicht erschwert wird, sondern unter Verwendung derselben Montageschritte und im Wesentlichen unverändert einsetzbarer Bauteile möglich ist.
Nach einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung ist die Vorrichtung als mit dem übrigen Abstützelement verbindbares separates Bauteil des Abstützelementes ausgebildet. Dies macht eine Nachrüstung vorhandener Akkumulatorzellen und ein Auswechseln der Vorrichtung möglich. Letzteres kann beispielsweise bei einer Beschädigung der Vorrichtung oder einer Änderung der Auslegung einer entsprechend ausgestatteten Akkumulatorzelle von Vorteil sein.
Gegenstand der Erfindung ist weiterhin eine Akkumulatorzelle mit einem Gehäuse, an dem wenigstens eine Abblasöffnung ausgebildet ist, wobei an der Abblasöffnung ein eine irreversibel verformbare Berstscheibe oder eine reversibel verformbare Berstmembran aufweisendes Abblasventil angeordnet ist, gekennzeichnet durch wenigstens ein Abstützelement nach einer der obigen Ausgestaltungen oder einer beliebigen Kombination derselben. Hiermit sind die oben genannten Vorteile verbunden.
Gegenstand der Erfindung ist ferner ein Akkumulator mit wenigstens einer Akkumulatorzelle und einem fluidleitend mit der Akkumulatorzelle verbundenen Entgasungssystem, dadurch gekennzeichnet, dass die Akkumulatorzelle wie vorstehend ausgebildet ist. Hiermit sind die oben genannten Vorteile verbunden.
Im Folgenden wird die Erfindung unter Bezugnahme auf die anliegenden Figuren anhand eines bevorzugten Ausführungsbeispiels exemplarisch erläutert, wobei die nachfolgend dargestellten Merkmale sowohl jeweils für sich genommen als auch in Kombination miteinander einen Aspekt der Erfindung darstellen können. Es zeigen
1: eine schematische Darstellung eines Teils eines Querschnitts durch eine Akkumulatorzelle nach dem Stand der Technik,
2: eine schematische Darstellung eines Teils eines Querschnitts durch ein Ausführungsbeispiel für eine erfindungsgemäße Akkumulatorzelle, und
3: eine schematische Darstellung des in 2 gezeigten Ausführungsbeispiels gesehen vom Inneren des Gehäuses der Akkumulatorzelle.
1 zeigt eine schematische Darstellung eines Teils eines Querschnitts durch eine herkömmliche Akkumulatorzelle 1 nach dem Stand der Technik. Die Akkumulatorzelle 1 umfasst ein Gehäuse 2, von dem in 1 nur der Deckel 3 dargestellt ist. Des Weiteren weist die Akkumulatorzelle 1 Elektroden 4 auf, welche im Inneren des Gehäuses 2 angeordnet sind. Zwischen den Elektroden 4 der Akkumulatorzelle 1 und dem Deckel 3 ist ein Abstützelement 5 angeordnet, über das sich die Elektroden 4 an der dem Inneren des Gehäuses 2 zugewandten Seite des Deckels 3 abstützen können. An dem Deckel 3 ist eine Abblasöffnung 6 ausgebildet, an der ein eine reversibel verformbare Berstmembran 7 aufweisendes Abblasventil 8 angeordnet ist. Auch an dem Abstützelement 5 ist eine Abblasöffnung 9 ausgebildet ist, welche bei der gezeigten bestimmungsgemäßen Anordnung des Abstützelementes 5 an dem Deckel 3 im Bereich der in dem Deckel 3 angeordneten Abblasöffnung 6 angeordnet ist. Die Berstmembran 7 weist eine Sollbruchstelle 12 auf, an der sich die Berstmembran 7 bei Druckbeaufschlagung zu öffnen beginnt.
2 zeigt eine schematische Darstellung eines Teils eines Querschnitts durch ein Ausführungsbeispiel für eine erfindungsgemäße Akkumulatorzelle 1. Die erfindungsgemäße Akkumulatorzelle 1 unterscheidet sich von der in 1 gezeigten Akkumulatorzelle 1 durch eine Vorrichtung 10 zum Schützen des an der Abblasöffnung 6 in dem Gehäuse 2 angeordneten Abblasventils 8 gegen äußere mechanische Krafteinflüsse, welche zwei auf der dem Inneren des Gehäuses 2 der Akkumulatorzelle 1 zugewandten Seite der Berstmembran 7 angeordnete, formstabile Stützstege 11 aufweist, von denen in 2 nur ein Stützsteg 11 dargestellt ist.
3 zeigt eine schematische Darstellung des in 2 gezeigten Ausführungsbeispiels gesehen vom Inneren des Gehäuses 2 der Akkumulatorzelle 1. Es sind die beiden formstabilen Stützstege 11 der Vorrichtung 10 dargestellt, die sich in der Mitte der Abblasöffnung 9 unter einem Winkel von 90° kreuzen. Die beiden formstabilen Stützstege 11 sind einstückig miteinander verbunden. Die formstabilen Stützstege sind einstückig mit einem Bestandteil der Akkumulatorzelle 1 verbunden, nämlich mit dem Abstützelement 5, wobei die Stützstege 11 und somit die Vorrichtung 10 in der Abblasöffnung 9 in dem Abstützelement 5 angeordnet sind.

Claims

Vorrichtung (10) zum Schützen eines an einer Abblasöffnung (6) in einem Gehäuse (2) einer Akkumulatorzelle (1) angeordneten, eine irreversibel verformbare Berstscheibe oder eine reversibel verformbare Berstmembran (7) aufweisenden Abblasventils (8) gegen äußere mechanische Krafteinflüsse, gekennzeichnet durch wenigstens einen auf der dem Inneren des Gehäuses (2) der Akkumulatorzelle (1) zugewandten Seite der Berstscheibe bzw. der Berstmembran (7) anordbaren, formstabilen Stützsteg (11).
Vorrichtung (10) nach Anspruch 1, gekennzeichnet durch wenigstens zwei auf der dem Inneren des Gehäuses (2) der Akkumulatorzelle (1) zugewandten Seite der Berstscheibe bzw. der Berstmembran (7) sich kreuzend anordbare, formstabile Stützstege (11).
Vorrichtung (10) nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass sich die beiden formstabilen Stützstege (11) unter einem Winkel von 90° kreuzen.
Vorrichtung (10) nach Anspruch 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, dass die formstabilen Stützstege (11) einstückig miteinander verbunden sind.
Vorrichtung (10) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass wenigstens ein formstabiler Stützsteg (11) aus Kunststoff, aus Metall oder einem Verbundwerkstoff gebildet ist.
Vorrichtung (10) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass wenigstens ein formstabiler Stützsteg (11) einstückig mit einem Bestandteil der Akkumulatorzelle (1) verbunden ist.
Vorrichtung (10) nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass wenigstens ein formstabiler Stützsteg (11) als formschlüssig und/oder kraftschlüssig mit einem Bestandteil der Akkumulatorzelle (1) verbindbares, separates Bauteil ausgebildet ist.
Abstützelement (5) für eine Akkumulatorzelle (1), welches zwischen Elektroden (4) der Akkumulatorzelle (1) und einem oberseitigen Deckel (3) eines Gehäuses (2) der Akkumulatorzelle (1) anordbar ist und über das sich die Elektroden (4) an der dem Inneren des Gehäuses (2) zugewandten Seite des Deckels (3) abstützen können, wobei an dem Abstützelement (5) wenigstens eine Abblasöffnung (9) ausgebildet ist, welche bei bestimmungsgemäßer Anordnung des Abstützelementes (5) an dem Deckel (3) im Bereich einer in dem Deckel (3) angeordneten Abblasöffnung (6) angeordnet ist, gekennzeichnet durch wenigstens eine Vorrichtung (10) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die Vorrichtung (10) an der Abblasöffnung (9) in dem Abstützelement (5) angeordnet ist.
Abstützelement (5) nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass die Vorrichtung (10) einstückig mit dem übrigen Abstützelement (5) ausgebildet ist.
Abstützelement (5) nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass die Vorrichtung (10) als mit dem übrigen Abstützelement (5) verbindbares separates Bauteil des Abstützelementes (5) ausgebildet ist.
Akkumulatorzelle (1) mit einem Gehäuse (2), an dem wenigstens eine Abblasöffnung (6) ausgebildet ist, wobei an der Abblasöffnung (6) ein eine irreversibel verformbare Berstscheibe oder eine reversibel verformbare Berstmembran (7) aufweisendes Abblasventil (8) angeordnet ist, gekennzeichnet durch wenigstens ein Abstützelement (5) nach einem der Ansprüche 8 bis 10.
Akkumulator mit wenigstens einer Akkumulatorzelle (1) und einem fluidleitend mit der Akkumulatorzelle (1) verbundenen Entgasungssystem, dadurch gekennzeichnet, dass die Akkumulatorzelle (1) gemäß Anspruch 11 ausgebildet ist.