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Die Erfindung betrifft eine Batteriegehäuseanordnung für ein Kraftfahrzeug mit einem Batteriegehäuse zur Aufnahme einer Mehrzahl von Batteriezellen und einer Druckausgleichsvorrichtung, welche dazu ausgelegt ist, eine Druckdifferenz zwischen einem Innendruck des Batteriegehäuses und einem Umgebungsdruck des Batteriegehäuses auszugleichen. Dabei umfasst die Druckausgleichsvorrichtung ein dehnbares und deformierbares Trennelement zwischen einem Innenbereich innerhalb des Batteriegehäuses und einem Außenbereich außerhalb des Batteriegehäuses, wobei das Trennelement derart ausgebildet ist, dass es sich im Falle einer vorbestimmten auftretenden Druckdifferenz zwischen dem Innendruck des Batteriegehäuses und dem Umgebungsdruck des Batteriegehäuses dehnt und deformiert, sowie ein Halteelement für das Trennelement zur mechanischen Befestigung des Trennelements an dem Batteriegehäuse. Weiterhin betrifft die Erfindung eine Batterie mit einer derartigen Batteriegehauseanordnung sowie ein Kraftfahrzeug mit einer Batterie, welche eine derartige Batteriegehäuseanordnung aufweist. Überdies betrifft die Erfindung ein Verfahren zur Druckentlastung einer derartigen Batteriegehäuseanordnung.
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Bei Batterien beziehungsweise Batteriezellen im Allgemeinen besteht zum Beispiel bei zu starker Erhitzung der Batteriezellen Explosionsgefahr. Um einen zu hohen Innendruck einer Batteriezelle gezielt abzubauen, insbesondere um eine Explosion der Batteriezelle zu verhindern, beschreibt die
EP 0 798 793 A2 eine zylindrische Batteriezelle mit einer oberen, hutförmigen Kappe, die gleichzeitig den positiven Pol der Batteriezelle darstellt. Diese Kappe weist nach innen ragende, spitze Klingen auf, wobei unterhalb dieser spitzen Klingen ein Metallplättchen angeordnet ist, welches den Innenraum der Batteriezelle versiegelt. Mit zunehmendem Druck im Inneren der Batteriezelle dehnt sich das Metallplättchen nach oben aus und wird durch die Klingen zerstochen, sodass der Überdruck in der Batteriezelle über Öffnungen in der hutförmigen Kappe entweichen kann.
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Auch im Zusammenhang mit Kraftfahrzeugbatterien sind Druckausgleichsvorrichtungen bekannt, die bei Überdruck im Batteriegehäuse einen Druckausgleich ermöglichen. Im Batteriegehäuse, in welchem typischerweise mehrere Batteriezellen angeordnet sind, befindet sich dabei eine dehnbare und deformierbare Membran, die sich bei Überdruck ausdehnt. Um diese Membran bei zu hohem Überdruck kontrolliert zum Platzen zu bringen, wird üblicherweise ein Dorn so platziert, dass die Membran bei Überdruck gegen den Dorn gedrückt und durchstochen wird. Im Idealfall platzt dadurch die Membran vollständig auf, und die den Überdruck im Batteriegehäuse verursachenden Gase können entweichen. Dadurch kann sich der Überdruck schnell abbauen. Häufig wird die Membran jedoch nur angestochen, ohne dabei zu platzen. Der Überdruck im Batteriegehäuse wird dann nachteiligerweise unkontrolliert durch Aufplatzen des Batteriegehäuses abgebaut.
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Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es daher, eine Batteriegehäuseanordnung mit einer Druckausgleichsvorrichtung, eine Batterie mit einer solchen Batteriegehäuseanordnung und ein Kraftfahrzeug mit einer solchen Batterie sowie ein Verfahren bereitzustellen, mittels welchen sich auf möglichst zuverlässige Weise ein Druckausgleich im Falle eines im Batteriegehäuse auftretenden Überdrucks bewerkstelligen lässt.
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Diese Aufgabe wird gelöst durch eine Batteriegehäuseanordnung mit den Merkmalen des Patentanspruchs 1, eine Batterie mit einer solchen Batteriegehäuseanordnung gemäß Patentanspruch 7 und ein Kraftfahrzeug mit einer Batterie gemäß Patentanspruch 8 sowie durch ein Verfahren gemäß Patentanspruch 9. Vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung finden sich in den abhängigen Ansprüchen.
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Die Erfindung geht aus von einer gattungsgemäßen Batteriegehäuseanordnung, welche derart weitergebildet wird, dass vor dem Trennelement auf der dem Innenbereich zugewandten Seite des Trennelements ein plattenförmiges Element parallel zu dem Trennelement angeordnet ist, wobei das plattenförmige Element über einen plastisch oder elastisch verformbaren Steg mit dem Halteelement mechanisch gekoppelt ist. Dabei kippt das plattenförmige Element bei einem in dem Innenbereich gegenüber dem Außenbereich aufgebauten Überdruck um eine durch den Steg gegebene Achse und bildet dabei an dem Trennelement entlang einer Kante des plattenförmigen Elements, welche in die Oberfläche des Trennelements eingedrungen ist, einen Riss zur Ableitung des Überdrucks.
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Bevorzugt kann das plattenförmige Element durch ein Blech ausgebildet sein, welches insbesondere scharfkantig gestaltet ist. Über den Steg, welcher Teil des plattenförmigen Elements sein kann, ist das plattenförmige Element mechanisch mit dem Halteelement gekoppelt und kann somit direkt oder indirekt mit dem Batteriegehäuse oder dem Anschlussstutzen verbunden sein. Bei Überdruck in dem Batteriegehäuse wird das plattenförmige Element, welches insbesondere in Form eines deckelförmigen Blechs vorliegen kann, gegen das Trennelement gedrückt, welches dann an der Kante des plattenförmigen Elements aufreißt. Die infolge der Druckdifferenz zwischen dem Innendruck des Batteriegehäuses und dem Umgebungsdruck des Batteriegehäuses auf das plattenförmige Element wirkende Kraft wird somit über eine Kante des plattenförmigen Elements direkt auf die Oberfläche des Trennelements geleitet und führt dort zu einer definierten Überdehnung und in der Folge davon zu einer Rissbildung. Durch eine entsprechende Ausformung des plattenförmigen Elements an der Kante als Schneide kann die Rissbildung unterstützt werden.
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In einer vorteilhaften Weiterbildung kippt das plattenförmige Element bei der Ableitung des Überdrucks nach der Bildung des Risses in dem Trennelement weiter in Richtung des Außenbereichs. Dadurch versperrt das plattenförmige Element dem von dem Innenbereich in den Außenbereich strömenden Gas nicht den Weg, somit kann durch das nach außen gedrückte plattenförmige Element ein ungehinderter Druckausgleich durch die freigelegte Öffnung erfolgen. Da das plattenförmige Element noch mit dem Halteelement mechanisch gekoppelt ist, kann es nicht herausfallen beziehungsweise herausgeschleudert werden.
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In einer vorteilhaften Ausführungsform weist das plattenförmige Element eine runde Form, vorzugsweise eine elliptische Form, insbesondere eine Kreisform auf. Dadurch kann eine gleichmäßige Krafteinleitung auf das Trennelement erfolgen.
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Bevorzugt ist das Trennelement durch ein Membran, insbesondere eine poröse Membran ausgebildet, welche dazu ausgelegt ist, einen Übertritt von Gasen zwischen dem Innenbereich und dem Außenbereich zu ermöglichen. Somit erfüllt das Trennelement zwei Funktionen, nämlich der Angleichung des Innendrucks an einen sich langsam ändernden Umgebungsdruck, sowie die Ableitung eines mit hoher Geschwindigkeit infolge einer Fehlfunktion von Batteriezellen ansteigenden Innendrucks in den Außenbereich.
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Bei einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung weist die Batteriegehäuseanordnung einen Anschlussstutzen zum Anschließen eines Abgasrohres zum Ableiten von aus dem Batteriegehäuse entweichenden Gasen auf, der am Batteriegehäuse angeordnet ist und der die Druckausgleichsvorrichtung beinhaltet. Auf diese Weise lässt sich eine besonders einfache Integration des Trennelements und des plattenförmigen Elements in die Batteriegehäuseanordnung bewerkstelligen. Das Trennelement kann beispielsweise sich über den gesamten Innenquerschnitt des Anschlussstutzens erstreckend, insbesondere zusammen mit dem plattenförmigen Element, am Anschlussstutzen angebracht sein. Der Anschlussstutzen kann dabei auch zweiteilig ausgeführt sein, wobei beispielsweise ein Teil am Batteriegehäuse, insbesondere an einer Durchgangsöffnung des Batteriegehäuses zur Abführung der Gase, angeordnet sein kann und der andere Teil zum Anschließen des Abgasrohres vorgesehen ist. Dadurch kann die Druckausgleichsvorrichtung besonders einfach an den Anschlussstutzen angebracht werden.
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Bei einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung weist die Batteriegehäuseanordnung ein am Anschlussstutzen angeschlossenes Abgasrohr zum Ableiten von aus dem Batteriegehäuse entweichenden Gasen auf. Durch dieses Abgasrohr lassen sich vorteilhafterweise aus dem Gehäuse austretende Gase, wie beispielsweise im Falle eines Zerreißens des Trennelements, definiert und gezielt in die Umgebung abführen.
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Bevorzugt kann eine Batterie eine derartige Batteriegehäuseanordnung aufweisen, wodurch sich eine erfindungsgemäße Batterie ergibt.
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In einer vorteilhaften Ausgestaltung kann ein Kraftfahrzeug eine Batterie mit einer derartigen Batteriegehäuseanordnung aufweisen, wodurch sich ein erfindungsgemäßes Kraftfahrzeug ergibt.
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Verfahrensseitig wird zur Druckentlastung einer erfindungsgemäßen Batteriegehäuseanordnung die Ausführung der nachfolgenden Schritte vorgeschlagen: Kippen des plattenförmigen Elements bei einem in dem Innenbereich gegenüber dem Außenbereich aufgebauten Überdruck um eine durch den Steg gegebene Achse, und Bilden eines Risses an dem Trennelement entlang einer Kante des plattenförmigen Elements, welche in die Oberfläche des Trennelements eingedrungen ist, zu Ableitung des Überdrucks.
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Die für die erfindungsgemäße Batteriegehäuseanordnung beschriebenen Vorteile und Merkmale sowie Ausführungsformen gelten gleichermaßen für das erfindungsgemäße Verfahren und umgekehrt. Folglich können für Vorrichtungsmerkmale entsprechende Verfahrensmerkmale und umgekehrt vorgesehen sein.
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Weitere Vorteile, Merkmale und Einzelheiten der Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung eines bevorzugten Ausführungsbeispiels sowie anhand der Zeichnungen. Die vorstehend in der Beschreibung genannten Merkmale und Merkmalskombinationen sowie die nachfolgend in der Figurenbeschreibung genannten und/oder in den Figuren 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.
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Dabei zeigen:
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1 eine schematische Querschnittsdarstellung einer Batteriegehäuseanordnung mit einer Druckausgleichsvorrichtung gemäß einem Ausführungsbeispiel der Erfindung; und
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2 eine schematische Darstellung einer Batteriegehäuseanordnung mit einer Druckausgleichsvorrichtung in einer Draufsicht auf das Trennelement gemäß dem Ausführungsbeispiel der Erfindung.
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1 zeigt eine schematische Querschnittsdarstellung einer Batteriegehäuseanordnung 10 mit einer Druckausgleichsvorrichtung 12. Die Batteriegehäuseanordnung 10 weist dabei ein Batteriegehäuse 14 zur Aufnahme einer Mehrzahl von Batteriezellen auf. Weiterhin umfasst die Druckausgleichsvorrichtung 12 ein Trennelement in Form einer porösen Membran 16, insbesondere einer Berstmembran. Die Druckausgleichsvorrichtung 12 ist dabei über einen Anschlussstutzen 20, dessen eines Ende an einer Öffnung des Batteriegehäuses 14, insbesondere einer Druckausgleichsöffnung, befestigt ist und an dessen anderen Ende ein Abgasrohr 22 angeordnet ist, am Batteriegehäuse 14 angeordnet. Die Membran 16 trennt damit einen Innenbereich 24 des Batteriegehäuses 14 und einen Außenbereich 26 des Batteriegehäuses 14.
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In einem geringen Abstand zu der Membran 16 ist ein plattenförmiges Element, welches beispielsweise durch ein Blech 18 gegeben sein kann, angeordnet. In dem dargestellten Ausführungsbeispiel weist die Membran 16 die Form einer kreisförmigen Scheibe auf, ebenfalls weist das Blech 18 die Form einer kreisförmigen Scheibe auf, deren Durchmesser geringer ist als der Durchmesser der Membran 16. Der Abstand zwischen der Membran 16 und dem Blech 18 ist hierbei gering verglichen mit den beiden Durchmessern. Das scheibenförmige Blech 18 weist an einer Seite einen Steg 30 auf, über welchen das Blech 18 mit einem in 1 nicht dargestellten Halteelement 28 mechanisch gekoppelt ist. Durch das Blech 18 und den Steg 30 wird somit eine Klappe gebildet. Das plattenförmige Element muss nicht notwendigerweise aus Metall gebildet sein, es kann beispielsweise auch aus Kunststoff, einem Mineral oder einer Keramik hergestellt sein. Insbesondere können das plattenförmige Element und der Steg 30 aus unterschiedlichen Materialien bestehen.
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Die poröse Membran 16 ist beispielsweise aus Sinter-PTFE gebildet und ermöglicht einerseits einen Luftaustausch bei geringen Druckschwankungen wie beispielsweise bei Höhenfahrten oder geringen Temperaturschwankungen zwischen dem Innenbereich 24 des Batteriegehäuses 14 und dem Außenbereich 26, insbesondere ohne sich dabei zu dehnen oder zu verformen. Tritt andererseits ein zu großer Überdruck am Batteriegehäuse 14 auf, so kippt in der beispielhaften Ausführungsform der Batteriegehäuseanordnung 10 das Blech 18 um eine durch den Steg 30 gegebene Achse in Richtung auf die Membran 16, wobei in der Folge aufgrund einer mechanischen Überdehnung der Membran 16 im Bereich der aufliegenden Kante des Blechs 18 und/oder einer Schnittwirkung einer in Form einer geschärften Schneide vorliegenden Kante des Blechs 18 eine Rissbildung in der Membran 16 einsetzt.
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2 zeigt dabei eine schematische Darstellung einer Draufsicht auf die Batteriegehäuseanordnung 10 mit der Druckausgleichsvorrichtung 12. Die Druckausgleichsvorrichtung 12 umfasst in diesem Beispiel die kreisrunde Membran 16, über der das ebenfalls kreisrunde Blech 18 konzentrisch angeordnet ist, welches über den Steg 30 mechanisch mit einer Haltevorrichtung 28 gekoppelt ist. Die Haltevorrichtung 28 dient der mechanischen Befestigung der Membran 16 an dem Batteriegehäuse 14 und lässt einen kreisrunden Ausschnitt der Membran 16 frei, welcher einen größeren Durchmesser aufweist, als der Durchmesser des kreisrunden Blechs 18. Durch den ringförmigen Spalt zwischen der Haltevorrichtung 28 und dem Blech 18 kann im normalen Betrieb der Batteriegehäuseanordnung 10 eine sich langsam aufbauende Druckdifferenz zwischen dem Innendruck und dem Umgebungsdruck ungestört ausgeglichen werden. Im Falle eines plötzlichen Druckanstiegs im Innenbereich des Batteriegehäuses wird das Blech nach außen gedrückt und führt zu einer Rissbildung in der Membran 16. Das Blech 18 kann dabei so weit nach außen gedrückt werden, dass es den durch das ausströmende Gas erfolgenden Druckausgleich nicht behindert, wobei insbesondere in dem gekippten Zustand des Blechs 18 eine wesentlich größere Querschnittsfläche zur Durchströmung zur Verfügung steht, als sie durch den ringförmigen Spalt zwischen der Haltevorrichtung 28 und dem Blech 18 entsprechend der Darstellung in 2 gegeben ist.
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Sollten sich also Batteriezellen, insbesondere Lithium-Ionen-Zellen, die in Batteriegehäusen 14 angeordnet sind, entzünden, muss eine große Gasmenge in kurzer Zeit abgeleitet werden. Dazu muss sichergestellt sein, dass die Membran 16 kontrolliert aufplatzen kann, so dass das Gas ungehindert entweichen kann. Durch das Vorsehen von scharfkantigen Schneiden an dem Blech 18 in unmittelbarer Nähe der Membran 16 wird vorteilhafter Weise ein zuverlässiges Zerreißen und/oder Zerschneiden der Membran 16 sichergestellt, so dass ein kontrolliertes Ableiten des Gasstroms möglich ist, ohne dabei das Batteriegehäuse 14 zu beschädigen. Mittels des Abgasrohrs 22 und des Anschlussstutzens 20 kann zudem das kontrollierte Abtransportieren des Gasstroms aus dem Fahrzeuginneren sichergestellt werden.
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Das Ausführungsbeispiel dient lediglich der Erläuterung der Erfindung und ist für diese nicht beschränkend. So können natürlich konstruktive Merkmale, insbesondere die Formen der dargestellten Elemente, beliebig gestaltet sein, ohne den Gedanken der Erfindung zu verlassen. Weiterhin ist die Anwendung der Erfindung nicht auf eine bestimmte Batterietechnologie wie die Lithium-Ionen-Technologie beschränkt. Des Weiteren ist die Anwendung der Erfindung nicht auf ein Kraftfahrzeug beschränkt, vielmehr kann die Erfindung auch bei stationären Batteriesystemen, beispielsweise in Fotovoltaikanlagen, zum Einsatz kommen.
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Somit wurde abschließend gezeigt, wie durch eine Klappe zum Aufschneiden der Druckausgleichsmembran eine schnelle Druckentlastung von Batterien erreicht werden kann.
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Bezugszeichenliste
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- 10
- Batteriegehauseanordnung
- 12
- Druckausgleichsvorrichtung
- 14
- Batteriegehäuse
- 16
- Membran
- 18
- Blech
- 20
- Anschlussstutzen
- 22
- Abgasrohr
- 24
- Innenbereich
- 26
- Außenbereich
- 28
- Halteelement
- 30
- Steg
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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