-
Die Erfindung betrifft eine Batterie mit einer Mehrzahl von Batteriezellen, wie sie beispielsweise in einem Elektrofahrzeug oder Hybridfahrzeug zum Einsatz kommen kann. Die Batteriezellen sind in einem Batteriegehäuse angeordnet. Wenigstens eine Komponente des Batteriegehäuses weist einen Durchlass auf. Über den Durchlass kann ein Gas aus dem Batteriegehäuse abgeführt werden, welches im Falle einer Fehlfunktion aus wenigstens einer der Batteriezellen austreten kann. Des Weiteren betrifft die Erfindung ein Fahrzeug mit einer solchen Batterie.
-
Kommt es im Betrieb einer Hochvoltbatterie für ein Elektrofahrzeug oder Hybridfahrzeug zu einer Havarie einer der in der Batterie verbauten Batteriezellen, so kann aus dieser Batteriezelle ein Gas austreten, welches toxisch und brennbar ist. Dies kann dazu führen, dass sich unter bestimmten Umständen innerhalb des Batteriegehäuses ein zündfähiges Gemisch bildet. Entzündet sich das Gemisch tatsächlich, so kann es in extremen Fällen sogar zu einer Explosion des Batteriegehäuses kommen, wenn keine Sicherheitsvorkehrungen getroffen werden.
-
Aus dem Stand der Technik ist es hierbei bekannt, das aus einer Batteriezelle austretende Gas zunächst in das Batteriegehäuse abzulassen. Steigt daraufhin der Druck im Batteriegehäuse, so bewirkt dies in einem nächsten Schritt das Öffnen eines Berstventils im Batteriegehäuse. Über das geöffnete Berstventil kann das Gas an die Umgebung abgeleitet werden. Als nachteilig ist hierbei der Umstand anzusehen, dass das Risiko der Entstehung eines zündfähigen Gemischs im Batteriegehäuse so nicht verhindert werden kann.
-
Des Weiteren werden zum Ableiten des Gases aus Batteriezellen Schlauchsysteme eingesetzt. Über entsprechende Schläuche wird das entstehende Gas gesammelt und in die Umgebung abgeführt, ohne dass das Batteriegehäuse zuvor mit dem Gas geflutet wird. Diese Lösung ist vergleichsweise aufwändig und bringt einen hohen Bauraumbedarf für das Verlegen der Entgasungsschläuche mit sich. Des Weiteren kann es bei einer Leckage der Schläuche dennoch zu einem Fluten des Batteriegehäuses mit dem Gas kommen.
-
Das Risiko, dass sich im Batteriegehäuse ein zündfähiges Gemisch bildet, kann nur sehr begrenzt durch das Einstellen einer im Batteriegehäuse vorhandenen Luftmenge beeinflusst werden, etwa indem die Größe des Batteriegehäuses und darin vorhandener Hohlräume entsprechend bemessen werden. Hierbei kann man versuchen, dass ein Gemisch des aus der Batteriezelle austretenden Gases und der im Batteriegehäuse vorhandenen Luft im Fall einer Havarie immer unterhalb einer unteren Explosionsgrenze oder oberhalb einer oberen Explosionsgrenze gehalten wird. Da jedoch je nach Art der Havarie die Menge des anfallenden Gases und dessen Zusammensetzung stark schwanken können, ist dies allenfalls schwer umsetzbar.
-
Die
DE 10 2009 046 385 A1 beschreibt eine Batterie mit einer Mehrzahl von Batteriezellen, welche jeweilige Zellgehäuse aufweisen. An ihrer Oberseite weisen die Batteriezellen elektrische Anschlüsse auf, und an einer Unterseite der Zellgehäuse ist eine jeweilige Entgasungsöffnung vorgesehen. Die Batteriezellen stehen mit ihrer Unterseite auf einer Grundplatte auf, welche Durchlässe aufweist. Hierbei sind die Batteriezellen so angeordnet, dass sich die Entgasungsöffnungen an der Stelle der Durchlässe befinden. Tritt aus einer der Batteriezellen im Falle einer Fehlfunktion Gas aus, so sammelt sich dieses in einem in der Grundplatte ausgebildeten Auffangbereich. Aus diesem kann das Gas über einen mit einem Rückschlagventil versehenen Auslass in die Umgebung gelangen.
-
Bei dieser Batterie ist es notwendig, dass die Batteriezellen sehr präzise auf der Grundplatte positioniert werden, so dass sich die Entgasungsöffnungen der Batteriezellen genau über den Durchlässen befinden. Eine solche Ausgestaltung erfordert es des Weiteren, dass die Batteriezellen überhaupt eine räumlich definierte Entgasungsöffnung aufweisen. Dies schränkt die Nutzungsmöglichkeit des in der
DE 10 2009 046 385 A1 beschriebenen Entgasungssystems ein.
-
Des Weiteren beschreiben die
DE 20 2010 017 245 U1 und die
DE 10 2009 040 128 A1 eine Batterie mit in einem Batteriegehäuse angeordneten Batteriezellen. Hierbei befindet sich in dem Batteriegehäuse eine Matte zum Aufnehmen eines im Fall einer Fehlfunktion aus einer der Batteriezellen austretenden Gases.
-
Hier verbleibt also das toxische und brennbare Gas innerhalb des Batteriegehäuses. Dies ist mit einem gewissen Risiko verbunden.
-
Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es daher, eine Batterie der eingangs genannten Art zu schaffen, mittels welcher besonders zuverlässig ein mit dem Austreten von Gas aus einer Batteriezelle der Batterie verbundenes Risiko verringert werden kann.
-
Diese Aufgabe wird durch eine Batterie mit den Merkmalen des Patentanspruchs 1 und durch ein Fahrzeug mit den Merkmalen des Patentanspruchs 8 gelöst. Vorteilhafte Ausgestaltungen mit zweckmäßigen Weiterbildungen der Erfindung sind in den abhängigen Patentansprüchen angegeben.
-
Bei der erfindungsgemäßen Batterie sind die Batteriezellen als Folienzellen ausgebildet, welche eine Elektrodenanordnung umfassen. Die Elektrodenanordnungen der Folienzellen sind von Rahmen eingefasst. Durch eine Mehrzahl der Rahmen ist ein Kanal für das Gas gebildet. Der Kanal mündet in den Durchlass, welcher in der Komponente des Batteriegehäuses ausgebildet ist. Dem liegt die Erkenntnis zugrunde, dass Folienzellen bauartbedingt keine definierte Entgasungsöffnung aufweisen. Dadurch, dass vorliegend der Kanal durch die Rahmen gebildet wird, welche die Elektrodenanordnungen der Folienzellen außenumfangsseitig umschließen, kann jedoch auch aus Folienzellen austretendes Gas aus dem Batteriegehäuse abgeführt werden. Das Gas strömt nämlich zunächst in den Kanal, welcher innerhalb eines Stapels der Rahmen ausgebildet ist. Von dem Kanal aus strömt es dann hin zu dem Durchlass. Über diesen Durchlass kann das Gas schließlich in die Umgebung des Batteriegehäuses gelangen.
-
Es kann also bei der die Folienzellen aufweisenden Batterie das mit dem Austreten von Gas aus einer der Folienzellen verbundene Risiko verringert werden. Die über den Kanal und den Durchlass geführte Entgasung verhindert nämlich zuverlässig die Bildung zündfähiger Gemische im Batteriegehäuse. Des Weiteren ist der Bauraumbedarf für die dem Abführen des Gases dienenden Bauteile besonders gering, da der Kanal leicht in dem Stapel der Rahmen ausgebildet werden kann.
-
Im Vergleich zum Vorsehen von Entgasungsschläuchen werden zudem weniger Teile benötigt. Dies bringt einen Kostenvorteil mit sich. Des Weiteren ist insbesondere im Vergleich mit einem Schlauchsystem zum Abführen des Gases eine besonders hohe Zuverlässigkeit gegeben.
-
Darüber hinaus weisen die Rahmen und die den Durchlass aufweisende Komponente des Batteriegehäuses eine hohe Beständigkeit gegenüber hohen Temperaturen und aggressiven Stoffen im aus einer Batteriezelle entweichenden Gas auf, so dass das Gas besonders funktionssicher in die Umgebung abgeführt werden kann.
-
In einer vorteilhaften Ausgestaltung ist die Elektrodenanordnung einer jeweiligen Folienzelle von einer Hülle umschlossen. Die Hülle weist einen Rand auf, welcher zwischen zwei Dichtbereichen angeordnet ist. In dem Dichtbereichen grenzen zwei benachbarte Rahmen aneinander an. Hierbei ist an zumindest einer Stelle der Dichtbereiche ein auf den Rand der Hülle wirkender Druck geringer als in an die zumindest eine Stelle angrenzenden Abschnitten der Dichtbereiche. Über diese Stelle, an welcher also der Rand der Hülle einem geringeren Druck ausgesetzt ist, kann das aus der jeweiligen Folienzelle austretende Gas besonders gut und definiert in den Kanal gelangen, welcher durch die Rahmen gebildet ist.
-
So ist auch bei Folienzellen, welche an sich keine definierte Entgasungsöffnung aufweisen, eine zuverlässige Abfuhr des Gases aus den Folienzellen und aus dem Batteriegehäuse heraus ermöglicht.
-
Der Rand der Hülle kann insbesondere als Siegelnaht der Hülle ausgebildet sein, welche zwischen den Dichtbereichen angeordnet ist. Dadurch, dass auf diese Siegelnaht an der zumindest einen Stelle ein verringerter Druck wirkt, kann die Siegelnaht im Falle des Ausgasens einer Folienzelle an genau dieser Stelle nachgeben. Es ist somit gewissermaßen eine Sollbruchstelle in der Siegelnaht bereitgestellt, über welche eine fluidische Verbindung zwischen dem Inneren der Hülle und dem durch die Rahmen gebildeten Kanal herstellbar ist.
-
In wenigstens einem der Dichtbereiche kann ein Dichtelement angeordnet sein, um eine besonders gute Dichtwirkung sicherzustellen. Zudem wird durch das Vorsehen eines elastischen Dichtelements beim Beaufschlagen des Rands der Hülle mit dem Druck eine Beschädigung der Hülle besonders weitgehend vermieden.
-
Hierbei hat es sich als weiter vorteilhaft gezeigt, wenn die zumindest eine Stelle durch eine Aussparung in dem Dichtelement bereitgestellt ist. Das Dichtelement kann also an dieser Stelle fehlen oder eine verringerte Stärke aufweisen. So ist ein Durchbruch in dem Dichtelement geschaffen, über welchen das Gas aus dem Inneren der Hülle in den Kanal gelangen kann. Eine solche Ausgestaltung ist fertigungstechnisch besonders einfach zu realisieren.
-
In dem Artikel
"Dichtungs- und Fixierungselemente für flexible Zellen in großformatigen Lithium-Batterien" in der ATZ – Automobiltechnische Zeitschrift Ausgabe 06/2011, Seiten 474–477, Springer Automotive Media Wiesbaden GmbH (2011), beschreiben die Autoren Dr. Peter Kritzer und Olaf Nahrwold mit einer Elastomerdichtung versehene Rahmen für Folienzellen, welche für einen entsprechenden Einsatz in der vorliegend beschriebenen Batterie geeignet sind. Hier ist in die einzelnen Rahmen eine Öffnung integriert. Beim Aufeinanderstapeln der Rahmen bilden diese Öffnungen einen Abblaskanal für aus einer Folienzelle austretendes Gas.
-
Der Durchlass, über welchen das Gas in die Umgebung des Batteriegehäuses gelangen kann, kann in einer als Seitenwand ausgebildeten Komponente des Batteriegehäuses ausgebildet sein. Zusätzlich oder alternativ kann der Durchlass in einem Deckelelement des Batteriegehäuses vorgesehen sein. Des Weiteren können Streben vorgesehen sein, durch welche das Batteriegehäuse versteift ist, und der Durchlass kann in einer solchen Strebe ausgebildet sein. Über derartige Komponenten des Batteriegehäuses lässt sich das Gas funktionssicher in die Umgebung des Batteriegehäuses abführen.
-
In einer bevorzugten Ausgestaltung ist der Durchlass jedoch in einer Bodenplatte des Batteriegehäuses angeordnet. So kann nämlich die Batterie aus aufeinander gestapelten und die Elektrodenanordnungen einfassenden Rahmen aufgebaut werden, welche an der Bodenplatte befestigt werden. Dies ist fertigungstechnisch besonders einfach zu realisieren. Zudem befindet sich in einer Einbaulage der Batterie im Fahrzeug die Bodenplatte unten, so dass über den in der Bodenplatte ausgebildeten Durchlass das Gas direkt nach unten in die Umgebung geleitet werden kann. Dies ist im Hinblick auf die toxischen und brennbaren Eigenschaften des austretenden Gases vorteilhaft.
-
Schließlich hat es sich als vorteilhaft gezeigt, wenn die Bodenplatte mit einem Deckelement des Batteriegehäuses verspannt ist, wobei die zwischen der Bodenplatte und dem Deckelelement angeordneten Rahmen mit einem Pressdruck beaufschlagt sind. So kann besonders einfach eine hohe Dichtigkeit des durch die Rahmen gebildeten Kanals sichergestellt werden.
-
Das erfindungsgemäße Fahrzeug weist eine erfindungsgemäße Batterie auf. Hierbei ist durch die Komponente des Batteriegehäuses, welche den Durchlass für das Gas aufweist, ein Teil einer Außenbegrenzung des Fahrzeugs gebildet. So kann sichergestellt werden, dass das aus dem Batteriegehäuse austretende Gas direkt in die Umgebung des Fahrzeugs geleitet wird und nicht etwa durch Hohlräume unterhalb eines Fahrgastraums strömt. Das Gas wird so insbesondere vom Fahrgastraum weg in die Umgebung geleitet.
-
Besonders leicht lässt sich diese Art des Abführens des Gases in die Umgebung des Fahrzeugs realisieren, wenn der Durchlass in einer Bodenplatte des Batteriegehäuses ausgebildet ist.
-
Die vorstehend in der Beschreibung genannten Merkmale und Merkmalskombinationen sowie die nachfolgend in der Figurenbeschreibung genannten und/oder in der Figur alleine gezeigten Merkmale und Merkmalskombinationen sind nicht nur in der jeweils angegebenen Kombination, sondern auch in anderen Kombinationen oder in Alleinstellung verwendbar, ohne den Rahmen der Erfindung zu verlassen. Es sind somit auch Ausführungen als von der Erfindung umfasst und offenbart anzusehen, die in der Figur nicht explizit gezeigt oder erläutert sind, jedoch durch separierte Merkmalskombinationen aus den erläuterten Ausführungen hervorgehen und erzeugbar sind.
-
Weitere Vorteile, Merkmale und Einzelheiten der Erfindung ergeben sich aus den Ansprüchen, der nachfolgenden Beschreibung bevorzugter Ausführungsformen sowie anhand der Zeichnung.
-
Diese zeigt ausschnittsweise eine Batterie mit auf einer Bodenplatte eines Batteriegehäuses gestapelt angeordneten Folienzellen, wobei das elektrochemisch aktive Material umschließende Hüllen der Folienzellen in Rahmen gehalten sind, und wobei durch die aufeinander gestapelten Rahmen ein Ausgasungskanal gebildet ist, welcher mit einem in der Bodenplatte ausgebildeten Durchlass fluidisch verbunden ist.
-
Eine in der Fig. ausschnittsweise gezeigte Batterie 10 umfasst eine Mehrzahl von Batteriezellen, welche vorliegend als Folienzellen 12 oder Pouchzellen ausgebildet sind. Jede Folienzelle 12 umfasst eine von einer Hülle umschlossene Elektrodenanordnung 14. An einem umlaufenden Rand 16 sind die Hüllen oder Beutel der Folienzellen 12 versiegelt. Die innerhalb einer jeweiligen Hülle angeordnete Elektrodenanordnung 14 umfasst die elektrochemisch aktiven Materialien einer Anode und einer Kathode der jeweiligen Folienzellen 12, einen zwischen der Anode und der Kathode angeordneten elektrisch isolierenden Separator und einen Elektrolyten. Diese Komponenten der Elektrodenanordnung 14 liegen in der Hülle üblicherweise in einem Schichtaufbau vor.
-
Zwischen den die Elektrodenanordnungen 14 umschließenden Hüllen der Folienzellen 12 sind vorliegend Matten 18 aus einem elektrisch isolierenden Material angeordnet. Der um die Elektrodenanordnung 14 umlaufende Rand 16 einer jeweiligen Folienzelle 12 ist zwischen zwei Dichtbereichen 20 von benachbarten und aufeinander gestapelten Rahmen 22 angeordnet. Die Rahmen 22 weisen eine Aussparung auf, in welcher sich die Elektrodenanordnungen 14 befinden. Die Elektrodenanordnungen 14 der Folienzellen 12 sind also von dem Rahmen 22 eingefasst. In den Dichtbereichen 20 ist der umlaufende Rand 16 mit einem Druck beaufschlagt. Des Weiteren ist in den Dichtbereichen 20 ein Dichtelement etwa in Form einer Dichtlippe vorgesehen, welche an dem Rand 16 der Hüllen der Folienzellen 12 anliegt.
-
Vorliegend ist bezogen auf die Elektrodenanordnungen 14 außerhalb der Dichtbereiche 20 durch die aufeinander gestapelten Rahmen 22 ein Kanal 24 gebildet, welcher als Ausgasungskanal dient. Dieser Kanal 24 verläuft seitlich entlang des Stapels der aufeinander angeordneten Folienzellen 12 durch einen entsprechenden Bereich der Rahmen 22 hindurch von einem Deckel 26 des Batteriegehäuses bis zu einer Bodenplatte 28 des Batteriegehäuses.
-
Durch eine außer Kontrolle geratene elektrochemische Reaktion innerhalb einer der Folienzellen 12 kann es innerhalb der Hülle zur Bildung von Gas kommen. Da dieses Gas toxisch und brennbar ist, wird es vorliegend über den als Ausgasungskanal dienenden Kanal 24 abgeführt. Der Kanal 24 mündet in einen Durchlass 30, welcher in der Bodenplatte 28 ausgebildet ist. Dieser Durchlass 30 weist an seinem auslassseitigen Ende ein Verschlusselement 32 auf, welches ein Eintreten von Schmutz, Wasser oder dergleichen in den Durchlass 30 und den Kanal 24 verhindert, jedoch das Austreten des Gases in eine Umgebung 34 der Batterie 10 ermöglicht.
-
In der Fig. ist ein Weg 36 des Gases aus einer der Folienzellen 12 in die Umgebung 34 veranschaulicht. In den Dichtbereichen 20 weist die Dichtlippe, welche an dem umlaufenden Rand 16 der Hülle der das Gas freisetzenden Folienzelle 12 anliegt, einen Durchbruch oder eine Ausnehmung auf. Im Bereich dieses Durchbruchs wirkt also auf den Rand 16 ein verringerter Druck, wenn die benachbarten Rahmen 22 gegeneinander gepresst werden, deren Dichtbereiche 20 den Rand 16 einklemmen.
-
Somit ist an dieser Stelle eine Sollbruchstelle der Siegelnaht beziehungsweise des Rands 16 bereitgestellt. An der durch das Vorsehend des Durchbruchs in der Dichtung bereitgestellten Sollbruchstelle kann das Gas definiert in den Kanal 24 austreten. Entsprechend strömt das Gas an dieser Stelle zwischen den Dichtbereichen 20 der benachbarten Rahmen 22 hindurch zunächst in den Kanal 24 und von diesem in den Durchlass 30, welcher in der Bodenplatte 28 ausgebildet ist.
-
An der Bodenplatte 28 des Batteriegehäuses oder Batterietrogs liegt der die Folienzellen 12 und die Rahmen 22 umfassende Stapel an. Zur Oberseite hin ist dieser Stapel mit dem als Stapelschloss dienenden Deckel 26 gasdicht verschlossen. Der Deckel 26 ist über (nicht gezeigte) Spannelemente wie etwa Zugstreben mit der Bodenplatte 28 verspannt, so dass auf die Rahmen 22 und somit auch auf die den Rand 16 der Hülle einklemmenden Dichtbereiche 20 ein Pressdruck wirkt. Der Pressdruck sorgt auch für eine entsprechende Dichtigkeit des in dem Kunststoffmaterial der Rahmen 22 ausgebildeten Kanals 24 gegenüber der Umgebung 34 der Batterie 10.
-
Vorliegend ist der Durchlass 30 in die Bodenplatte 28 integriert gezeigt. Die trogseitige oder gehäuseseitige Gasführung kann jedoch auch in andere Komponenten des Batteriegehäuses integriert sein, etwa in Seitenwände, in den Deckel 26 oder in, insbesondere freistehende, Streben, welche die Seitenwände und/oder die Bodenplatte 28 und/oder den Deckel 26 abstützen können.
-
Durch die Integration der Funktion der Gasführung in die Bodenplatte 28 lässt sich ein verringerter Bauraumbedarf und eine geringere Anzahl an zu verbauenden Teilen im Vergleich zur Abführung des Gases aus den Folienzellen 12 über eine Vielzahl von Schlauchleitungen realisieren. Zudem lassen sich durch eine geeignete Wahl der Werkstoffe für die den Durchlass 30 aufweisende Komponente des Batteriegehäuses und die Rahmen 22 sowie durch ein entsprechendes Fügeverfahren eine besonders hohe Zuverlässigkeit im Hinblick auf Undichtigkeiten erreichen.
-
Die oben genannten Komponenten des Batteriegehäuses, welche den Durchlass 30 aufweisen können, und die Rahmen 22 sind zudem besonders beständig gegen die hohen Temperaturen und aggressive Stoffe im aus den Folienzellen 12 entweichenden Gas.
-
In einem Fahrzeug, welches die Batterie 10 aufweist, kann die Bodenplatte 28 einen Teil einer Außenbegrenzung des Fahrzeugs bilden. Dann strömt das aus dem Durchlass 30 austretende Gas direkt in die Umgebung des Fahrzeugs, insbesondere nach unten und weg von einem Fahrgastraum des Fahrzeugs. Wird das Gas direkt nach unten vom Fahrzeug weg in die Umgebung geleitet, so ergibt sich eine besonders rasche, insbesondere durch den Fahrtwind beschleunigte Verdünnung des Gases in der Umgebung des Fahrzeugs.
-
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
-
Diese Liste der vom Anmelder aufgeführten Dokumente wurde automatisiert erzeugt und ist ausschließlich zur besseren Information des Lesers aufgenommen. Die Liste ist nicht Bestandteil der deutschen Patent- bzw. Gebrauchsmusteranmeldung. Das DPMA übernimmt keinerlei Haftung für etwaige Fehler oder Auslassungen.
-
Zitierte Patentliteratur
-
- DE 102009046385 A1 [0006, 0007]
- DE 202010017245 U1 [0008]
- DE 102009040128 A1 [0008]
-
Zitierte Nicht-Patentliteratur
-
- "Dichtungs- und Fixierungselemente für flexible Zellen in großformatigen Lithium-Batterien" in der ATZ – Automobiltechnische Zeitschrift Ausgabe 06/2011, Seiten 474–477 [0021]
