-
Stand der Technik
-
Akkumulatoren werden in unterschiedlichen Bereichen eingesetzt. Bekannt ist beispielsweise der mobile Einsatz von Akkumulatoren in elektrisch angetriebenen Kraftfahrzeugen, insbesondere Elektrokraftfahrzeugen und Hybridelektrokraftfahrzeugen, um mit den Akkumulatoren elektrische Antriebseinrichtungen der Kraftfahrzeuge mit elektrischer Energie zu versorgen. Des Weiteren sind mobile Anwendungen von Akkumulatoren unter anderem im Verbraucher-Bereich, beispielsweise in Laptops, Mobiltelefonen, MP3-Playern und ähnlichem, bekannt. Daneben werden Akkumulatoren auch stationär, beispielsweise in Windkraftanlagen, eingesetzt.
-
Herkömmliche Akkumulatoren weisen üblicherweise mehrere Akkumulatorzellen, insbesondere Lithium-Ionen-Akkumulatorzellen, auf, die in einem Gehäuse des Akkumulators angeordnet sind. Eine solche Akkumulatorzelle weist ein Gehäuse auf, in dem eine galvanische Zelle angeordnet ist. Die galvanische Zelle reagiert, insbesondere bei Lithium-Ionen-Akkumulatorzellen, empfindlich auf Kontakt mit äußeren Einflüssen, wie beispielsweise Luft oder Feuchtigkeit, und muss daher so gut wie möglich gegen diese Einflüsse geschützt werden. Sollte Luft oder Feuchtigkeit dennoch in eine Akkumulatorzelle eindringen, hervorgerufen beispielsweise durch eine unfallbedingte mechanische Beschädigung der Akkumulatorzelle, kann es zu einer Überspannung und infolgedessen zu einer Überhitzung der Akkumulatorzelle kommen. Auch durch eine elektrische Beschädigung einer Akkumulatorzelle, bedingt beispielsweise durch eine elektrische Überladung der Akkumulatorzelle oder einen internen oder externen elektrischen Kurzschluss, kann es zu einer Überhitzung der Akkumulatorzelle kommen.
-
Bei den genannten Beschädigungen an einer Akkumulatorzelle kann es zu einer Gasentwicklung innerhalb des Gehäuses der Akkumulatorzelle kommen. Hierdurch steigt der Druck im Gehäuse der Akkumulatorzelle. Damit die Akkumulatorzelle bei einem derartigen thermischen Durchgehen (sogenannter „thermal runaway“) nicht explodiert, ist es bekannt, an dem Gehäuse ein Sicherheitsventil, beispielsweise eine Berstscheibe aus einem geprägten Aluminiumblech oder eine durch eine Prägung hervorgerufene Materialschwächung, anzuordnen, welches bei einem Auftreten eines maximal zulässigen Innendrucks in dem Gehäuse öffnet. Hierdurch können Gase, Dämpfe und Flüssigkeiten schlagartig aus dem Gehäuse der Akkumulatorzelle entweichen, so dass der Druck in dem Gehäuse abgebaut wird. Dieser Vorgang ist auch unter dem Begriff „Entgasung“ bekannt.
-
Die bei einer beschriebenen Entgasung einer Akkumulatorzelle aus dieser austretenden Gase, Dämpfe und Flüssigkeiten gelangen in das Gehäuse des Akkumulators. Um sie von dort abzuführen, ist es bekannt, an dem Gehäuse des Akkumulators ein Sicherheitsventil anzuordnen, welches ab Erreichen eines vorgebbaren Drucks innerhalb des Gehäuses des Akkumulators öffnet.
-
Des Weiteren ist es bekannt, an dem Gehäuse des Akkumulators eine Einrichtung zum Ausgleichen eines Druckunterschiedes zwischen einem Druck innerhalb des Gehäuses des Akkumulators und des Drucks in der Umgebung des Gehäuses in einem Normalzustand des Akkumulators an dem Gehäuse anzuordnen, wobei im Normalzustand des Akkumulators keine Entgasung einer Akkumulatorzelle stattfindet. Durch einen solchen Druckausgleich kann eine Kondensatbildung innerhalb des Gehäuses weitestgehend vermieden werden. Ein im Normalzustand des Akkumulators auftretender Druckunterschied kann beispielsweise dadurch erzeugt werden, dass ein mit einem entsprechend ausgebildeten Akkumulator ausgestattetes Kraftfahrzeug, beispielsweise bei einer Bergfahrt, einen Höhenunterschied überwindet.
-
Offenbarung der Erfindung
-
Gegenstand der Erfindung ist eine Vorrichtung zum Ausgleichen eines Druckunterschiedes zwischen einem Druck innerhalb eines gasdichten Gehäuses eines wenigstens eine in dem Gehäuse angeordnete Akkumulatorzelle, insbesondere Lithium-Ionen-Akkumulatorzelle, aufweisenden Akkumulators und einem Druck in der Umgebung des Gehäuses, gekennzeichnet durch wenigstens einen gasdicht mit einer an dem Gehäuse ausgebildeten gasdurchlässigen Druckausgleichsöffnung verbindbaren Entgasungskanal und zumindest eine an dem Entgasungskanal angeordnete, kompakt ausgebildete Druckausgleichseinrichtung, die den Entgasungskanal bis zum Auftreten eines Druckunterschiedes vorgebbarer Größe gasdicht verschließt und an der wenigstens eine gasdurchlässige Entgasungsöffnung und mindestens eine gasdurchlässige Druckausgleichsöffnung ausgebildet sind, wobei der Querschnitt der Entgasungsöffnung größer als der Querschnitt der Druckausgleichsöffnung der Druckausgleichseinrichtung ist, wobei an der Entgasungsöffnung ein im Normalbetrieb des Akkumulators die Entgasungsöffnung gasdicht verschließendes Sicherheitsventil angeordnet ist, wobei an der Druckausgleichsöffnung der Druckausgleichseinrichtung ein bidirektional wirkendes Sicherheitsventil angeordnet ist oder zwei entgegengesetzt zueinander geschaltete, unidirektional wirkende Sicherheitsventile angeordnet sind, und wobei der Ansprechdruck des an der Druckausgleichsöffnung der Druckausgleichseinrichtung angeordneten Sicherheitsventils bzw. der an der Druckausgleichsöffnung der Druckausgleichseinrichtung angeordneten Sicherheitsventile kleiner als der Ansprechdruck des an der Entgasungsöffnung angeordneten Sicherheitsventils ist.
-
Bei Verwendung einer erfindungsgemäßen Vorrichtung zum Druckausgleich muss an dem Gehäuse des Akkumulators lediglich eine einzige gasdurchlässige Druckausgleichsöffnung ausgebildet werden, über die sowohl ein bidirektionaler Druckausgleich im Normalbetrieb des Akkumulators als auch ein unidirektionaler Druckausgleich bei einer Entgasung einer Akkumulatorzelle des Akkumulators erfolgen kann.
-
Da der der Querschnitt der gasdurchlässigen Entgasungsöffnung größer als der Querschnitt der gasdurchlässigen Druckausgleichsöffnung der Druckausgleichseinrichtung und der Ansprechdruck des an der Druckausgleichsöffnung der Druckausgleichseinrichtung angeordneten Sicherheitsventils bzw. der an der Druckausgleichsöffnung der Druckausgleichseinrichtung angeordneten Sicherheitsventile kleiner als der Ansprechdruck des an der Entgasungsöffnung angeordneten Sicherheitsventils ist, kommt es im Falle einer Entgasung einer Akkumulatorzelle des Akkumulators dazu, dass sich zwar alle Sicherheitsventile der Druckausgleichseinrichtung öffnen, jedoch dass der schlagartig bei einer solchen Entgasung einer Akkumulatorzelle entstehende Druck im Wesentlichen über das an der Entgasungsöffnung angeordnete Sicherheitsventil abgebaut wird. Hierzu weist die Entgasungsöffnung einen derart dimensionierten Querschnitt auf, dass der im Falle einer Entgasung einer Akkumulatorzelle entstehenden Druck schnell über die Entgasungsöffnung abgebaut werden kann, ohne dass weitere Komponenten des Akkumulators dem Druck längere Zeit ausgesetzt sind. Hingegen ist ein derart zügiger Druckabbau über die Druckausgleichöffnung der Druckausgleichseinrichtung aufgrund des kleineren Querschnitts dieser Druckausgleichsöffnung nicht möglich. Durch den kleineren Ansprechdruck des bzw. der an der Druckausgleichöffnung der Druckausgleichseinrichtung angeordneten Sicherheitsventile kann jedoch ein gewünschter Druckausgleich im Normalbetrieb des Akkumulators erfolgen, ohne dass hierzu das an der Entgasungsöffnung angeordnete Sicherheitsventil geöffnet wird.
-
Der Entgasungskanal kann schlauchartig aus einem flexiblen Material oder rohrartig aus einem starren Material gebildet sein.
-
Durch die kompakte Ausbildung der Druckausgleichseinrichtung benötigt die Anordnung der Druckausgleichseinrichtung an einem Kraftfahrzeug wenig Bauraum. Zudem kann durch die kompakte Ausbildung der Druckausgleichseinrichtung erreicht werden, dass die Druckausgleichseinrichtung und somit die gesamte Vorrichtung unter einem relativ geringen Materialaufwand hergestellt werden kann, was mit einer günstigen Gewichtsreduzierung verbunden ist.
-
Durch die jeweilige Wahl der Ansprechdrücke für die Sicherheitsventile der Druckausgleichseinrichtung kann vorgegeben werden, bis zu welcher Größe eines Druckunterschiedes die Druckausgleichseinrichtung den Entgasungskanal gasdicht verschließt.
-
Das an der Druckausgleichsöffnung der Druckausgleichseinrichtung angeordnete Sicherheitsventil bzw. die an der Druckausgleichsöffnung der Druckausgleichseinrichtung angeordneten Sicherheitsventile können auf irgendeine geeignete Art und Weise ausgebildet sein. Beispielsweise kann ein unidirektional wirkendes Sicherheitsventil einen schirmförmigen Ventilkörper aufweisen, der sich bei Druckbeaufschlagung elastisch verformt und hierdurch von dem ihm zugeordneten Ventilsitz abhebt.
-
Das Gehäuse des Akkumulators soll gasdicht ausgestaltet sein. Da eine vollständige Gasdichtheit jedoch nicht in jedem Fall gewährleistet werden kann, soll hierunter eine relative Gasdichtheit verstanden werden. Die relative Gasdichtheit wird in der Regel als Leckrate angegeben. Im Rahmen der Erfindung ist eine weitestgehend reduzierte Leckrate des Gehäuses bevorzugt.
-
Gemäß einer vorteilhaften Ausgestaltung weist die Druckausgleichseinrichtung ein Gehäuse auf, an dem die Entgasungsöffnung und die Druckausgleichsöffnung angeordnet sind und an dem ein Anschluss zum gasdichten Verbinden der Druckausgleichseinrichtung mit dem Entgasungskanal angeordnet ist. Hierdurch wird der Druckausgleichseinrichtung eine robuste und kompakte Ausgestaltung verliehen. Gleichzeitig kann die Handhabung und Montage einer entsprechend ausgebildeten Druckausgleichseinrichtung vereinfacht werden.
-
Nach einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung ist das an der Entgasungsöffnung angeordnete Sicherheitsventil passiv ausgebildet oder über einen Aktuator aktiv ansteuerbar. Ein passiv ausgebildetes Sicherheitsventil wird lediglich über die auf ihn einwirkenden Druckunterschiede betätigt. Hingegen kann die Betätigung eines aktiven Sicherheitsventils aktiv über einen mit dem Ventilkörper des Sicherheitsventils verbundenen Aktuator erfolgen.
-
Eine weitere vorteilhafte Ausgestaltung sieht vor, dass das an der Entgasungsöffnung angeordnete Sicherheitsventil eine Berstscheibe aufweist. Dies stellt eine passive Ausgestaltung des Sicherheitsventils dar.
-
Gemäß einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung ist der Entgasungskanal wenigstens an seiner Innenseite zumindest teilweise aus Aluminium oder Teflon gebildet. Hierdurch kann der Entgasungskanal den im Falle einer Entgasung einer Akkumulatorzelle aus dieser austretenden aggressiven Gasen, Dämpfen und Flüssigkeiten widerstehen. Zudem ermöglicht die Verwendung solcher Werkstoffe die Ausbildung eines Entgasungskanals mit einer sehr geringen Rohrreibungszahl. Zudem wird der Entgasungskanal durch die Wahl dieser Werkstoffe relativ widerstandsfähig bezüglich der bei einer Entgasung einer Akkumulatorzelle auftretenden hohen Temperaturen.
-
Gegenstand der Erfindung ist des Weiteren ein Akkumulatorsystem mit einem Akkumulator, der ein gasdichtes Gehäuse und wenigstens eine in dem Gehäuse angeordnete Akkumulatorzelle, insbesondere Lithium-Ionen-Akkumulatorzelle, umfasst, gekennzeichnet durch wenigstens eine Vorrichtung nach einer der obigen Ausgestaltungen oder einer beliebigen Kombination derselben, wobei die Vorrichtung gasdicht mit einer an dem Gehäuse ausgebildeten gasdurchlässigen Druckausgleichsöffnung verbunden ist. Damit sind die oben mit Bezug auf die Vorrichtung genannten Vorteile verbunden.
-
Nach einer vorteilhaften Ausgestaltung weist das Akkumulatorsystem wenigstens eine Sensoreinrichtung auf, mit der der in dem Entgasungskanal herrschende Druck und/oder das Vorhandensein von aus einer der Akkumulatorzellen ausgetretenen Gasen in dem Entgasungskanal erfassbar ist. Diese Ausgestaltung ist insbesondere bei einer aktiven Ansteuerung des an der Entgasungsöffnung angeordneten Sicherheitsventils von Vorteil, da eine entsprechende Ansteuerung unter Berücksichtigung des jeweilig in dem Entgasungskanal herrschenden Drucks bzw. der Zusammensetzung eines in dem Entgasungskanals vorhandenen Gases erfolgen kann. Eine entsprechende Sensoreinrichtung kann jedoch auch bei Verwendung eines passiven Sicherheitsventils an der Entgasungsöffnung von Vorteil sein, beispielsweise um für eine Fahrzeugelektronik ein eine Entgasung einer Akkumulatorzelle anzeigendes Entgasungssignal zu erzeugen, welches von der Fahrzeugelektronik zur weiteren Steuerung und/oder Regelung eines entsprechend ausgestatteten Kraftfahrzeugs verwendet oder auch für Nutzer des Kraftfahrzeugs erfassbar gemacht werden kann. Die Sensoreinrichtung kann an der Druckausgleicheinrichtung oder separat hiervon in dem Entgasungskanal angeordnet sein.
-
Nach einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung weist das Akkumulatorsystem eine kommunikationstechnisch mit der Sensoreinrichtung und dem Aktuator verbundene elektronische Einrichtung auf, die eingerichtet ist, ab der Erfassung eines einen vorgebbaren Grenzdruck überschreitenden Drucks innerhalb des Entgasungskanals den Aktuator zur Öffnung des an der Entgasungsöffnung angeordneten Sicherheitsventils elektrisch anzusteuern. Hierzu wird ein aktives Sicherheitsventil an der Entgasungsöffnung angeordnet. Die elektronische Einrichtung kann eine separate Einrichtung oder ein Teil einer bereits vorhandenen Einrichtung, beispielsweise einer Fahrzeugelektronik, sein. Die kommunikationstechnische Verbindung zwischen der Sensoreinrichtung und der elektronischen Einrichtung kann kabelgebunden oder kabellos sein.
-
Gemäß einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung ist die elektronische Einrichtung kommunikationstechnisch mit der Akkumulatorzelle verbunden und zur Erfassung der von der Akkumulatorzelle erzeugten elektrischen Spannung eingerichtet, wobei die elektronische Einrichtung den Aktuator zur Öffnung des an der Entgasungsöffnung angeordneten Sicherheitsventils elektrisch ansteuert, wenn ein einen vorgebbaren Grenzdruck überschreitender Druck innerhalb des Entgasungskanals und gleichzeitig ein Spannungsabfall vorgebbarer Größenordnung an der Akkumulatorzelle erfasst wird. Hiernach werden also zwei Informationen gemeinsam ausgewertet und In Korrelation miteinander gebracht, um auf das Vorliegen einer Entgasung einer Akkumulatorzelle des Akkumulators zu schließen. Dies erhöht die Sicherheit des Akkumulatorsystems gegen Fehlauslösungen des an der Entgasungsöffnung angeordneten Sicherheitsventils.
-
Weiterer Gegenstand der Erfindung ist ein Kraftfahrzeug, insbesondere Elektrokraftfahrzeug oder Hybridelektrokraftfahrzeug, gekennzeichnet durch wenigstens ein Akkumulatorsystem nach einer der obigen Ausgestaltungen oder einer beliebigen Kombination derselben. Damit sind die oben mit Bezug auf die Vorrichtung bzw. das Akkumulatorsystem genannten Vorteile verbunden.
-
Nach einer vorteilhaften Ausgestaltung ist der Akkumulator auf einem Fahrzeugboden des Kraftfahrzeugs angeordnet, wobei in dem Fahrzeugboden eine Öffnung angeordnet ist, durch die der Entgasungskanal aus dem Kraftfahrzeug heraus geführt ist, wobei die Druckausgleichseinrichtung außerhalb des Kraftfahrzeugs angeordnet ist. Hierdurch kann verhindert werden, dass es beispielsweise bei einem Unfall und einer dadurch bedingten mechanischen Beschädigung an wenigstens einer Akkumulatorzelle des Akkumulators dazu kommt, dass im Zuge einer Entgasung der Akkumulatorzelle aus der Druckausgleichseinrichtung austretende Gase, Dämpfe und Flüssigkeiten in den Fahrzeuginnenraum gelangen, so dass eine entsprechende Gefährdung von Insassen des Kraftfahrzeugs ausgeschlossen werden kann.
-
Im Folgenden wird die Erfindung unter Bezugnahme auf die anliegenden Figuren anhand von bevorzugten Ausführungsbeispielen exemplarisch erläutert, wobei die nachfolgend dargestellten Merkmale sowohl jeweils für sich genommen als auch in verschiedener Kombination miteinander einen Aspekt der Erfindung darstellen können. Es zeigen
-
1: eine schematische und perspektivische Teildarstellung eines Ausführungsbeispiels für ein erfindungsgemäßes Kraftfahrzeug,
-
2: eine schematische Darstellung eines Ausführungsbeispiels für eine erfindungsgemäße Vorrichtung, und
-
3: eine schematische Darstellung eines Ausführungsbeispiels für das erfindungsgemäße Akkumulatorsystem.
-
1 zeigt eine schematische und perspektivische Teildarstellung eines Ausführungsbeispiels für ein erfindungsgemäßes Kraftfahrzeug 1, von dem in 1 lediglich ein Teil des Fahrzeugbodens 2 und ein Akkumulatorsystem 3 zu sehen sind.
-
Das Akkumulatorsystem 3 weist einen Akkumulator 4 auf, der auf den Fahrzeugboden 2 gestellt ist. Der Akkumulator 4 umfasst ein gasdichtes Gehäuse 5, an dem eine gasdurchlässige Druckausgleichsöffnung 6 ausgebildet ist und in dem nicht gezeigte Akkumulatorzellen angeordnet sind. Des Weiteren ist an dem Gehäuse 5 ein elektrischer Anschluss 7 zur Verbindung des Akkumulators 4 mit einem Hochvoltnetz des Kraftfahrzeugs 1 angeordnet.
-
Das Akkumulatorsystem 3 umfasst des Weiteren eine Vorrichtung 8 zum Ausgleichen eines Druckunterschiedes zwischen einem Druck innerhalb eines gasdichten Gehäuses 5 des Akkumulators 4 und einem Druck in der Umgebung des Gehäuses 5. Die Vorrichtung 8 weist einen gasdicht mit der Druckausgleichsöffnung 6 verbundenen Entgasungskanal 9 und eine an dem Entgasungskanal 9 angeordnete, kompakt ausgebildete Druckausgleichseinrichtung 10 auf, die den Entgasungskanal 9 bis zum Auftreten eines Druckunterschiedes vorgebbarer Größe gasdicht verschließt. Der Entgasungskanal 9 ist an seiner nicht gezeigten Innenseite aus Aluminium oder Teflon gebildet. Ein beispielhafter Aufbau der Druckausgleichseinrichtung 10 wird in 2 gezeigt.
-
In dem Fahrzeugboden 2 ist eine Öffnung 11 angeordnet, durch die der Entgasungskanal 9 aus dem Kraftfahrzeug 1 heraus geführt ist, wobei die Druckausgleichseinrichtung 10 außerhalb des Kraftfahrzeugs 1 angeordnet ist.
-
2 zeigt eine schematische Darstellung eines Ausführungsbeispiels für eine erfindungsgemäße Vorrichtung 8. An der Druckausgleichseinrichtung 10 sind eine gasdurchlässige Entgasungsöffnung 12 und zwei gasdurchlässige Druckausgleichsöffnungen 13 ausgebildet. Der Querschnitt der Entgasungsöffnung 12 ist größer als der Querschnitt der Druckausgleichsöffnungen 13 der Druckausgleichseinrichtung 10 ausgebildet. An der Entgasungsöffnung 12 ist ein im Normalbetrieb des Akkumulators 3 die Entgasungsöffnung 12 gasdicht verschließendes Sicherheitsventil 14 angeordnet. An den Druckausgleichsöffnungen 13 der Druckausgleichseinrichtung 10 sind zwei entgegengesetzt zueinander geschaltete, unidirektional wirkende Sicherheitsventile 15 angeordnet. Der Ansprechdruck der an den Druckausgleichsöffnungen 13 der Druckausgleichseinrichtung 10 angeordneten Sicherheitsventile 15 ist kleiner als der Ansprechdruck des an der Entgasungsöffnung 12 angeordneten Sicherheitsventils 14. Das an der Entgasungsöffnung 12 angeordnete Sicherheitsventil 14 weist eine nicht näher dargestellte Berstscheibe auf.
-
Die Druckausgleichseinrichtung 10 weist ein Gehäuse 16 auf, an dem die Entgasungsöffnung 12 und die Druckausgleichsöffnungen 13 angeordnet sind und an dem ein Anschluss 17 zum gasdichten Verbinden der Druckausgleichseinrichtung 10 mit dem Entgasungskanal 9 angeordnet ist.
-
3 zeigt eine schematische Darstellung eines Ausführungsbeispiels für das erfindungsgemäße Akkumulatorsystem 3. In diesem Ausführungsbeispiel ist das an der Entgasungsöffnung 12 angeordnete Sicherheitsventil 14 über einen nicht gezeigten Aktuator aktiv elektrisch ansteuerbar. Das Akkumulatorsystem 3 weist eine Sensoreinrichtung 18 auf, mit der der in dem Entgasungskanal 9 herrschende Druck und/oder das Vorhandensein von aus einer der Akkumulatorzellen ausgetretenen Gasen in dem Entgasungskanal 9 erfassbar ist. Des Weiteren umfasst das Akkumulatorsystem 3 eine kommunikationstechnisch mit der Sensoreinrichtung 18 und dem Aktuator verbundene elektronische Einrichtung 19 auf, die eingerichtet ist, ab der Erfassung eines einen vorgebbaren Grenzdruck überschreitenden Drucks innerhalb des Entgasungskanals 9 den Aktuator zur Öffnung des an der Entgasungsöffnung 12 angeordneten Sicherheitsventils 14 elektrisch anzusteuern. Die elektronische Einrichtung 19 kann zusätzlich kommunikationstechnisch mit der bzw. den Akkumulatorzellen des Akkumulators 4 verbunden und zur Erfassung der von der Akkumulatorzelle erzeugten elektrischen Spannung eingerichtet sein, wobei die elektronische Einrichtung den Aktuator zur Öffnung des an der Entgasungsöffnung 12 angeordneten Sicherheitsventils 14 elektrisch ansteuert, wenn ein einen vorgebbaren Grenzdruck überschreitender Druck innerhalb des Entgasungskanals 9 und gleichzeitig ein Spannungsabfall vorgebbarer Größenordnung an der Akkumulatorzelle erfasst wird.
