DE102014019075A1

DE102014019075A1 - Zellblockvorrichtung für eine Kraftfahrzeugbatterie

Info

Publication number: DE102014019075A1
Application number: DE102014019075.7A
Authority: DE
Inventors: Jens Meintschel; Dirk Schröter; Knut Welke
Original assignee: Daimler AG
Current assignee: Mercedes Benz Group AG
Priority date: 2014-12-18
Filing date: 2014-12-18
Publication date: 2016-06-23

Abstract

Die Erfindung betrifft eine Zellblockvorrichtung für eine Kraftfahrzeugbatterie (30), mit zumindest einer Batteriezelle (10), die eine Gehäusefolie (12) zur Ausbildung eines Zellengehäuses aufweist, wobei die Gehäusefolie (12) zumindest eine Sollöffnungsstelle (15) umfasst, die bei einem Überschreiten eines Gehäusegrenzinnendrucks für eine Gehäuseentlüftung vorgesehen ist, wobei die Zellblockvorrichtung zumindest ein Folientrennelement (16) aufweist, das dazu vorgesehen ist, die Gehäusefolie (12) an der zumindest einen Sollöffnungsstelle (15) aufzutrennen. Ferner betrifft die Erfindung einen Zellhalter (25) für die Zellblockvorrichtung und eine Kraftfahrzeugbatterie (30) mit mindestens einer solchen Zellblockvorrichtung.

Description

Die Erfindung betrifft eine Zellblockvorrichtung für eine Kraftfahrzeugbatterie, einen Zellhalter für die Zellblockvorrichtung und die Kraftfahrzeugbatterie.
Aus der DE 10 2010 055 599 A1 ist bereits eine Zellblockvorrichtung für eine Kraftfahrzeugbatterie bekannt, mit mehreren Batteriezellen, die jeweils eine Gehäusefolie zur Ausbildung eines Zellengehäuses aufweisen, wobei die Gehäusefolie eine Sollöffnungsstelle umfasst, die bei einem Überschreiten eines Gehäusegrenzinnendrucks für eine Gehäuseentlüftung vorgesehen ist.
Der Erfindung liegt insbesondere die Aufgabe zugrunde, eine Sicherheit der Kraftfahrzeugbatterie zu verbessern, ohne eine Belastbarkeit der Kraftfahrzeugbatterie negativ zu beeinflussen. Diese Aufgabe wird durch eine erfindungsgemäße Ausgestaltung einer Zellblockvorrichtung entsprechend dem Anspruch 1, durch eine erfindungsgemäße Ausgestaltung eines Zellhalters entsprechend dem Anspruch 9 und eine erfindungsgemäße Ausgestaltung einer Kraftfahrzeugbatterie entsprechend dem Anspruch 10 gelöst. Weiterbildungen der Erfindung ergeben sich aus den abhängigen Ansprüchen.
Die Erfindung geht aus von einer Zellblockvorrichtung für eine Kraftfahrzeugbatterie, mit zumindest einer Batteriezelle, die eine Gehäusefolie zur Ausbildung eines Zellengehäuses aufweist, wobei die Gehäusefolie zumindest eine Sollöffnungsstelle umfasst, die bei einem Überschreiten eines Gehäusegrenzinnendrucks für eine Gehäuseentlüftung vorgesehen ist.
Es wird vorgeschlagen, dass die Zellenblockvorrichtung zumindest ein Folientrennelement aufweist, das dazu vorgesehen ist, die Gehäusefolie an der zumindest einen Sollöffnungsstelle aufzutrennen. Dadurch kann oberhalb eines kritischen Gehäuseinnendrucks ein sogenanntes Ventinggas, das sich unter anderem bei einer Überladung und/oder einem Kurzschluss der Batteriezelle unter anderem durch ein Verdampfen eines Elektrolyten innerhalb der Gehäusefolie bildet, definiert entweichen, wodurch der Gehäuseinnendruck definiert abgebaut werden kann. Durch den Abbau des Gehäuseinnendrucks kann ein thermisches Durchgehen (thermal runaway) und/oder eine Explosion verhindert werden. Durch das Folientrennelement kann die Gehäusefolie beim Überschreiten des Gehäusegrenzinnendrucks gezielt aufgetrennt werden, wodurch die Gehäusefolie zum Abbau des zu hohen Gehäuseinnendrucks erst bei Bedarf und damit erst bei einem Erreichen des kritischen Gehäuseinnendrucks mit einer Entlüftungsöffnung versehen werden kann. Damit kann auf eine Schwächung der Gehäusefolie und/oder auf eine Schwächung einer Siegelnaht der Gehäusefolie zur Bereitstellung der Sollöffnungsstelle verzichtet werden, wodurch eine besonders belastbare Gehäusefolie mit einer Sollöffnungsstelle und/oder eine besonders belastbare Siegelnaht der Gehäusefolie mit einer Sollöffnungsstelle realisiert werden kann. Durch das definierte Auftrennen der Gehäusefolie an der Sollöffnungsstelle kann ferner ein zufälliges und unbeherrschbares Entweichen des Ventinggases verhindert werden, wodurch das Ventinggas der Batteriezelle gezielt aus der Zellblockvorrichtung geführt werden kann. Damit kann verhindert werden, dass empfindliche Bauteile der die Zellblockvorrichtung aufweisenden Kraftfahrzeugbatterie, wie beispielsweise eine Elektronik und/oder eine elektrische Kontaktierung, beschädigt oder zerstört werden, wodurch weitere Kurzschlüsse in der Kraftfahrzeugbatterie verhindert und Beschädigungen der Kraftfahrzeugbatterie in Grenzen gehalten werden können. Die gezielte Gehäuseentlüftung zur Ausleitung des Ventinggases kann somit verbessert werden, ohne eine mechanische Stabilität der Gehäusefolie und/oder der Siegelnaht der Gehäusefolie negativ zu beeinflussen, wodurch eine Sicherheit der Zellblockvorrichtung verbessert werden kann, ohne die mechanische Belastbarkeit negativ zu beeinflussen. Damit kann eine Sicherheit der Kraftfahrzeugbatterie verbessert werden, ohne eine mechanische Belastbarkeit der Kraftfahrzeugbatterie negativ zu beeinflussen.
Das zumindest eine Folientrennelement ist vorzugsweise dazu vorgesehen, die Gehäusefolie an der zumindest einen Sollöffnungsstelle bei dem oder nach dem Überschreiten des Gehäusegrenzinnendrucks aufzutrennen. Unter einer „Gehäusefolie” soll insbesondere eine zumindest teilweise ein Zellengehäuse bindende Folie verstanden werden, innerhalb der ein elektrochemisch aktiver Teil der Batteriezelle angeordnet und/oder eingeschlossen und/oder aufgenommen ist. Unter einer „Sollöffnungsstelle” soll insbesondere eine Stelle der Gehäusefolie verstanden werden, an der die Gehäusefolie beim Überschreiten des Gehäusegrenzinnendrucks durch das Folientrennelement durchdrungen und/oder aufgetrennt wird, vorzugsweise bevor die Gehäusefolie durch den Gehäuseinnendruck an anderer Stelle öffnet und/oder undicht wird. Vorzugsweise ist die Sollöffnungsstelle durch eine Positionierung des Folientrennelements relativ zur Gehäusefolie definiert. Vorzugsweise fehlt der Gehäusefolie und/oder der Siegelnaht der Gehäusefolie eine Schwachstelle zur Bereitstellung der Sollöffnungsstelle und/oder zur Bereitstellung der Gehäuseentlüftung. Unter einem „Folientrennelement” soll insbesondere ein Element verstanden werden, das dazu vorgesehen ist, die Gehäusefolie an der Sollöffnungsstelle, insbesondere irreversibel, zu beschädigen und/oder zu zerstören, sodass ein in der Gehäusefolie eingeschlossenes Gas, insbesondere Ventinggas, entweichen kann. Das zumindest eine Folientrennelement ist vorzugsweise dazu vorgesehen, ab einem bestimmten Gehäuseinnendruck die Gehäusefolie an der Sollöffnungsstelle mit zumindest einer Entlüftungsöffnung zu versehen. Unter einem „Gehäuseinnendruck” soll insbesondere ein Gasdruck innerhalb des durch die Gehäusefolie zumindest teilweise gebildeten Zellengehäuses verstanden werden, der vorzugsweise von innen auf die Gehäusefolie einwirkt. Unter „vorgesehen” soll insbesondere speziell ausgebildet, ausgelegt, ausgestattet und/oder angeordnet verstanden werden.
Weiter wird vorgeschlagen, dass die Gehäusefolie und das Folientrennelement dazu vorgesehen sind, sich gegenseitig lediglich in einem gehäuseinnendruckbehafteten Zustand der Batteriezelle zu kontaktieren. Dadurch kann verhindert werden, dass das Folientrennelement in einem fehlerfreien Betriebszustand und/oder bei fehlendem Gehäuseinnendruck unnötig auf die Gehäusefolie einwirkt. Unter einem „gehäuseinnendruckbehafteten Zustand der Batteriezelle” soll insbesondere ein Zustand der Batteriezelle verstanden werden, in dem der Gehäuseinnendruck größer Null ist. In einem gehäuseinnendrucklosen Zustand der Batteriezelle fehlt vorzugsweise ein Kontakt zwischen der Gehäusefolie und dem Folientrennelement. Die Gehäusefolie und das Folientrennelement sind vorzugsweise dazu vorgesehen, sich gegenseitig erst beim Überschreiten des Gehäusegrenzinnendrucks zu kontaktieren. Vorzugsweise fehlt unterhalb des Gehäusegrenzinnendrucks ein Kontakt zwischen dem Folientrennelement und der Gehäusefolie.
Ferner wird vorgeschlagen, dass die Gehäusefolie zumindest einen die Sollöffnungsstelle aufweisenden Sollwölbungsbereich aufweist, der dazu vorgesehen ist, sich mit einem steigendem Gehäuseinnendruck in Richtung des Folientrennelements zu wölben, wodurch das Auftrennen der Gehäusefolie und damit die Gehäuseentlüftung besonders einfach mit einer Abhängigkeit von dem Gehäuseinnendruck versehen werden kann.
Unter einem „Sollwölbungsbereich” soll insbesondere ein Bereich der Gehäusefolie verstanden werden, in dem sich die Gehäusefolie durch den Gehäuseinnendruck als erstes auswölbt und/oder ausbeult und/oder ausweitet. Vorzugsweise sind das Folientrennelement und der Sollwölbungsbereich der Gehäusefolie in der Art zueinander positioniert, sodass die Sollöffnungsstelle der Gehäusefolie ab einem bestimmten Wölbungsgrad oder Wölbungsfortschritt und damit ab einem bestimmten Gehäuseinnendruck gegen das Folientrennelement gedrückt wird.
Insbesondere ist es vorteilhaft, wenn die Zellblockvorrichtung zumindest einen zur Fixierung der Batteriezelle vorgesehenen Zellhalter aufweist, mit dem das Folientrennelement fest verbunden ist, wodurch das Folientrennelement gezielt zur Gehäusefolie entsprechend positioniert werden kann. Unter einem „Zellhalter” soll insbesondere ein Halter verstanden werden, der zumindest eine Batteriezelle aufnimmt und/oder kontaktiert, wobei der Halter vorzugsweise dazu vorgesehen ist, die zumindest eine Batteriezelle zu fixieren und/oder elektrisch zu isolieren. Vorzugsweise ist der Zellhalter als eine Schalenform ausgeführt. Grundsätzlich ist es aber auch denkbar, dass der Zellhalter als eine Rahmenform ausgeführt ist. Der Zellhalter ist vorzugsweise zumindest teilweise aus Kunststoff gebildet.
Weiter ist es vorteilhaft, wenn der Zellhalter und das Folientrennelement einstückig miteinander ausgebildet sind, wodurch eine Bauteilanzahl reduziert und eine Montage vereinfacht werden kann. Unter „einstückig” soll insbesondere zumindest stoffschlüssig verbunden verstanden werden, beispielsweise durch einen Schweißprozess, einen Klebeprozess, einen Anspritzprozess und/oder einen anderen, dem Fachmann als sinnvoll erscheinenden Prozess, und/oder vorteilhaft in einem Stück geformt verstanden werden, wie beispielsweise durch eine Herstellung aus einem Guss und/oder durch eine Herstellung in einem Ein- oder Mehrkomponentenspritzverfahren und/oder aus einem einzelnen Rohling.
Ferner ist es vorteilhaft, wenn der Zellhalter zumindest eine Vertiefung aufweist, in der das Folientrennelement angeordnet ist, wodurch der Kontakt zwischen dem Folientrennelement und der Gehäusefolie unterhalb eines bestimmten Gehäuseinnendrucks zuverlässig verhindert werden kann. Vorzugsweise bildet der Zellhalter die Vertiefung einstückig aus. Unter einer „Vertiefung” soll insbesondere ein Bereich des Zellhalters verstanden werden, der zumindest eine Wandung aufweist, die das Folientrennelement zumindest teilweise umgibt. Die Wandung ist vorzugsweise dem Folientrennelement zugewandt. Die Wandung ist vorteilhaft dazu vorgesehen, die Gehäusefolie bei einem Auswölben und/oder Ausweiten und/oder Ausbeulen zu stützen und/oder zu führen.
Zudem wird vorgeschlagen, dass der Zellhalter zumindest eine Entlüftungsführung aufweist, die dazu vorgesehen ist, ein durch die Sollöffnungsstelle entweichendes Gehäusegas aus dem Zellhalter zu führen. Dadurch kann das Ventinggas gezielt in einen unsensiblen Bereich der Kraftfahrzeugbatterie geleitet werden. Vorzugsweise bildet der Zellhalter die Entlüftungsführung einstückig aus. Das Gehäusegas ist vorzugsweise als das Ventinggas ausgebildet. Die Entlüftungsführung mündet vorzugsweise strömungstechnisch in die Vertiefung.
Insbesondere ist es vorteilhaft, wenn das Folientrennelement als ein Dorn und/oder als eine Schneide ausgebildet ist, wodurch die Gehäusefolie zuverlässig aufgetrennt werden kann. Das als Dorn ausgebildete Folientrennelement weist vorzugsweise zumindest eine der Gehäusefolie zugewandte Spitze auf. Das als Schneide ausgebildete Folientrennelement weist vorzugsweise zumindest eine der Gehäusefolie zugewandte Schneidkante auf.
Weiter wird ein Zellhalter für eine Zellblockvorrichtung einer Kraftfahrzeugbatterie vorgeschlagen, der zur Fixierung zumindest einer Batteriezelle der Zellblockvorrichtung vorgesehen ist und der zumindest ein Folientrennelement aufweist, das dazu vorgesehen ist, eine Gehäusefolie der Batteriezelle für eine Gehäuseentlüftung aufzutrennen. Durch einen solchen Zellhalter kann eine besonders sichere und belastbare Zellblockvorrichtung bereitgestellt werden.
Ferner wird eine Kraftfahrzeugbatterie mit zumindest einer erfindungsgemäßen Zellblockvorrichtung vorgeschlagen. Dadurch kann eine besonders sichere und belastbare Kraftfahrzeugbatterie bereitgestellt werden. Die Kraftfahrzeugbatterie ist vorzugsweise als eine Kraftfahrzeug-Hochvoltbatterie ausgebildet. Sie ist vorzugsweise für Fahrzeuganwendungen, wie beispielsweise für ein Hybrid-, Plugin- oder Elektrofahrzeug, vorgesehen. Grundsätzlich kann die Kraftfahrzeugbatterie für Stationäranwendungen umfunktioniert werden und beispielsweise als Stromversorger oder Stromspeicher dienen.
Weitere Vorteile ergeben sich aus der folgenden Figurenbeschreibung. In den Figuren ist ein Ausführungsbeispiel der Erfindung dargestellt. Die Figuren, die Figurenbeschreibung und die Ansprüche enthalten zahlreiche Merkmale in Kombination. Der Fachmann wird die Merkmale zweckmäßigerweise auch einzeln betrachten und zu sinnvollen weiteren Kombinationen zusammenfassen.
Dabei zeigen:
1 schematisch einen Kraftfahrzeugantriebsstrang mit einer Kraftfahrzeugbatterie, die mehrere Zellblöcke mit jeweils mehreren Batteriezellen aufweist,
2 eine Explosionsdarstellung eines der Zellblöcke,
3 teilweise schematisiert einen Längsschnitt des Zellblocks entlang einer Stapelrichtung der Batteriezellen in einem gehäuseinnendrucklosen Zustand der Batteriezellen und
4 teilweise schematisiert der Längsschnitt des Zellblocks gemäß 3, wobei eines der Batteriezellen sich in einem gehäuseinnendruckbehafteten Zustand befindet.
1 zeigt schematisiert einen Kraftfahrzeugantriebsstrang mit einer Kraftfahrzeugbatterie 30. Die Kraftfahrzeugbatterie 30 umfasst mehrere Zellblöcke, wobei lediglich der Zellblock 11 mit einem Bezugszeichen versehen ist. Die Zellblöcke sind elektrisch parallel und/oder seriell geschaltet, um eine für den Kraftfahrzeugantriebsstrang erforderliche Spannung und Kapazität bereitstellen zu können. Der Zellblock 11 ist zumindest teilweise in den 2 bis 4 dargestellt. Die Zellblöcke sind analog zueinander ausgebildet, weswegen lediglich der Zellblock 11 näher beschrieben wird.
Der Zellblock 11 umfasst eine Zellblockvorrichtung mit einer Vielzahl von Batteriezellen 10, die parallel hintereinander angeordnet sind (vgl. 2 bis 4). Die Batteriezellen 10 sind in Serie und/oder parallel miteinander verschaltet, um eine für den Kraftfahrzeugantriebsstrang erforderliche Spannung und Kapazität bereitstellen zu können. Die Batteriezellen 10 weisen jeweils eine Zellspannung im Niedervoltbereich auf, die von einer verwendeten Zellchemie abhängt. Bei einer Ausbildung der Batteriezellen 10 als Lithium-Ionen-Batterien beträgt die Zellspannung beispielsweise 3,6 Volt. Grundsätzlich kann die Zellspannung aber auch andere Werte aufweisen. Die Kraftfahrzeugbatterie 30 weist je nach Verschaltung der Batteriezellen 10 und/oder der Zellblöcke 11 eine Betriebsspannung auf, die in Abhängigkeit von einer vorgesehenen Verwendung im Niedervoltbereich oder im Hochvoltbereich liegen kann. Ist die Kraftfahrzeugbatterie 30 als Starterbatterie ausgebildet, kann die Betriebsspannung beispielsweise bei 12 Volt liegen. Insbesondere für eine Anwendung in einem Hybridantriebsstrang oder Elektroantriebsstrang kann die Kraftfahrzeugbatterie 30 auch für eine Betriebsspannung von 120 Volt oder mehr vorgesehen sein.
In diesem Ausführungsbeispiel ist der Kraftfahrzeugantriebsstrang als Hybridantriebsstrang ausgebildet. Der Kraftfahrzeugantriebsstrang weist einen Verbrennungsmotor 42 und einen Elektromotor 43 auf, die dazu vorgesehen sind, gemeinsam und/oder einzeln Antriebsräder 44 des Kraftfahrzeugantriebsstrangs anzutreiben. Die Kraftfahrzeugbatterie 30 ist zur Energieversorgung des Elektromotors 43 vorgesehen. Die Kraftfahrzeugbatterie 30 ist aufladbar ausgeführt. Zum Aufladen der Kraftfahrzeugbatterie 30 ist der Elektromotor 43 generatorisch betreibbar. Die Kraftfahrzeugbatterie 30 ist als eine Hochvolt-Kraftfahrzeugbatterie ausgebildet.
Zur Fixierung und elektrischen Isolierung der Batteriezellen 10 weist die Zellblockvorrichtung eine Mehrzahl von hintereinander angeordneten Zellhaltern 25 auf, die die Batteriezellen 10 aufnehmen (vgl. 2 bis 4). Die Zellhalter 25 sind jeweils zwischen zwei Batteriezellen 10 angeordnet und/oder umschließen einen Rand, insbesondere einen Siegelnahtrand 20, zumindest einer der Batteriezellen 10. Die Zellhalter 25 sind aus Kunststoff gebildet. Die Zellhalter 25 sind jeweils als eine Schalenform ausgeführt. Sie weisen jeweils eine der entsprechenden Batteriezelle 10 zugewandte Fläche 22 auf, die die entsprechende Batteriezelle 10 flächig kontaktiert. Zudem weisen die Zellhalter 25 jeweils einen um die Fläche 22 herum angeordneten Rand 26 auf, der sich aus der Fläche 22 zu der entsprechenden Batteriezelle 10 erhebt. Der Rand 26 des Zellhalters 25 kontaktiert den Rand, insbesondere den Siegelnahtrand 20, der entsprechenden Batteriezelle 10. Grundsätzlich ist es denkbar auf den Kontakt zwischen dem Rand 26 des Zellhalters 25 und dem Rand, insbesondere dem Siegelnahtrand 20, der Batteriezelle 10 zu verzichten. Zudem ist es denkbar, dass die Zellhalter 25 als eine Rahmenform ausgebildet sind, wodurch dem Zellhalter 25 die Fläche 22 fehlt und die Zellhalter 25 die entsprechende Batteriezelle 10 lediglich mit ihrem Rand 26 kontaktieren. Ferner ist es grundsätzlich denkbar, dass die Zellhalter 25 aus einem anderen Material gebildet sind, wie beispielsweise aus einem elektrisch leitenden Material. In den 2 bis 4 ist der Übersicht halber lediglich der Zellhalter 25 mit einem Bezugszeichen versehen.
Zur Fixierung sind die Zellhalter 25 und die Batteriezellen 10 gegeneinander verpresst und/oder verspannt. Zum Verpressen und/oder Verspannen weist der Zellblock 11 durchgehende Spannelemente 45 auf. Die Spannelemente 45 sind als Zugankerschrauben ausgebildet. Grundsätzlich können die Spannelemente auch als Gewindestangen, Spannbänder oder der Gleichen ausgebildet sein. Zur Einleitung einer Spann- und/oder Presskraft sind die zwei endseitig angeordneten Zellhalter als Druckbrillen 23, 24 ausgebildet. Die Zellhalter 25 fixieren die Batteriezellen 10 zum einen mittels den Flächen 22 kraftschlüssig durch Druck auf eine Fläche der Batteriezellen 10 und zum anderen mittels den Rändern 26 kraftschlüssig durch Druck auf den Rand, insbesondere den Siegelnahtrand 20, der Batteriezellen 10. Alternativ oder zusätzlich kann die Fläche 22 der Zellhalter 25 mit der entsprechenden Batteriezelle 10 verklebt sein.
Die Kraftfahrzeugbatterie 30 weist ein Batteriegehäuse 31 auf, das die Zellblöcke 11 mit ihren Zellblockvorrichtungen aufnimmt. Weiter umfasst die Kraftfahrzeugbatterie 30 eine Elektronik 32 die insbesondere zur Überwachung der Batteriezellen 10 sowie zur Einstellung einer elektrischen Leistung, die den Batteriezellen 10 zugeführt oder den Batteriezellen 10 entnommen wird, vorgesehen ist. Außerdem umfasst die Kraftfahrzeugbatterie 30 eine Temperiereinrichtung 33 für die Batteriezellen 10 und/oder die Elektronik 32, welche insbesondere zur Kühlung und/oder Heizung der Batteriezellen 10 vorgesehen ist. Die Zellblöcke 11 mit ihren Zellblockvorrichtungen, die Elektronik 32 und die Temperiereinrichtung 33 sind in dem gemeinsamen Batteriegehäuse 31 angeordnet.
Zur Speicherung elektrischer Energie weist die Batteriezelle 10 einen elektrochemisch aktiven Teil auf, der ein Elektrodenpaket 18 und ein Elektrolyt umfasst. Ferner weist die Batteriezelle 10 eine Gehäusefolie 12 auf, die ein Zellengehäuse der Batteriezelle 10 ausbildet. Die Gehäusefolie 12 nimmt den elektrochemisch aktiven Teil auf. Der elektrochemisch aktive Teil ist innerhalb der Gehäusefolie 12 angeordnet. Die Gehäusefolie 12 schließt den elektrochemisch aktiven Teil der Batteriezelle 10 ein. Die Gehäusefolie 12 ist als eine Verbundfolie ausgebildet. Sie ist als eine Pouchfolie ausgebildet. Der elektrochemisch aktive Teil ist in der Gehäusefolie 12 eingeschweißt. Die Batteriezelle 10 ist als eine Pouchzelle ausgebildet. Das Elektrodenpaket 18 umfasst zumindest einen Elektrodenstapel und/oder zumindest ein Elektrodenwickel aus elektrolytgetränkten Lagen von Anoden und Kathoden, die jeweils von Separatorem getrennt sind.
Der Elektrolyt besteht typischerweise aus organischen Lösungsmitteln, wie beispielsweise Dimethylcarbonat, Ethylencarbonat, Propylencarbonat oder Diethylcarbonat oder aus Gemischen derselben sowie einem darin gelösten Leitsalz, wie beispielsweise LiPF₆. Der Elektrolyt kann zusätzlich Additive aufweisen. Das Elektrodenpaket 18 weist wechselweise angeordnete Lagen aus Kathodenfolien, Separatorfolien und Anodenfolien auf. Die Kathodenfolien und die Anodenfolien werden jeweils durch eine der Separatorfolien getrennt. Bei einer Lithium-Ionen-Zellchemie können die Kathodenfolien und die Anodenfolien beispielsweise beschichtete Alu- und Kupferfolien sein. Grundsätzlich ist aber auch eine andere Zellchemie denkbar.
Für das Elektrodenpaket 18 sind unterschiedliche Ausgestaltungen möglich. Die Lagen aus Kathodenfolie, Anodenfolie und Separatorfolie können beispielsweise gestapelt sein. Alternativ ist denkbar, Bänder aus einer Mehrzahl von Lagen zu wickeln oder flachzuwickeln. Weiter ist es denkbar, eine bandförmige Separatorfolie in Z-Form zu falten und die Kathodenfolie und Anodenfolien in Form von Blättern seitlich in sich dadurch ausbildende Taschen einzuschieben.
Zur elektrischen Verschaltung weist die Batteriezelle 10 zwei elektrische Kontaktelemente 13, 14 auf, die an zwei gegenüberliegenden Seiten aus der Gehäusefolie 12 herausragen. Die Kontaktelemente 13, 14 bilden Pole der Batteriezelle 10 aus und sind zum Einleiten und/oder Entnehmen von elektrischen Leistung vorgesehen. Die Kontaktelemente 13, 14 sind außerhalb der Gehäusefolie 12 abgewinkelt. Die elektrischen Kontaktelemente 13, 14 zumindest zweier benachbarter Batteriezellen 10 sind einander überlappend zueinander hin gebogen. Die elektrischen Kontaktelemente 13, 14 zumindest zweier benachbarter Batteriezellen 10 sind in ihrem Überlappungsbereich elektrisch leitend miteinander verbunden. Sie sind in ihrem Überlappungsbereich stoffschlüssig miteinander verbunden. Die elektrischen Kontaktelemente 13, 14 zweier benachbarter Batteriezellen 10 sind miteinander verschweißt, vorzugsweise durch Laserschweißen, Widerstandspressschweißen, Ultraschalschweißen und/oder der Gleichen. Die Kontaktelemente 13, 14 sind als Kontaktfahnen ausgebildet. Sie sind aus einem Blech gebildet. Grundsätzlich können die zwei elektrischen Kontaktelemente 13, 14 an einer Seite aus der Gehäusefolie 12 herausragen. Weiter ist es grundsätzlich denkbar, dass die elektrischen Kontaktelemente 13, 14 alternativ oder zusätzlich formschlüssig miteinander verbunden sind, vorzugsweise durch Durchsetzfügen, Crimpen, Nieten und/oder der Gleichen. Ferner ist es denkbar, die elektrischen Kontaktelemente 13, 14 alternativ oder zusätzlich durch Schrauben, Klemmen und/oder der Gleichen miteinander zu verbinden.
Bei einer Überladung oder einem Kurzschluss baut sich durch ein Ventinggas im Inneren der betroffenen Batteriezelle 10 ein Gehäuseinnendruck auf, der ab einem bestimmten Gehäusegrenzinnendruck definiert abgebaut werden muss, um ein thermisches Durchgehen und/oder eine Explosion zu verhindern. Um den genannten Druckabbau zu realisieren, weist die Zellblockvorrichtung für jede Batteriezelle 10 eine Ventingvorrichtung auf, die beim Überschreiten des Gehäusegrenzinnendrucks für eine Gehäuseentlüftung der entsprechenden Batteriezelle 10 vorgesehen ist. Jeweils eine Ventingvorrichtung ist jeweils einer Batteriezelle 10 zugeordnet. Die Ventingvorrichtungen wirken jeweils mit der Gehäusefolie 12 einer der Batteriezellen 10 zusammen. Die Ventingvorrichtungen sind jeweils in einem Zellhalter 25 integriert. Sie sind jeweils zellhalterfest ausgebildet. Die Ventingvorrichtungen sind analog zueinander ausgebildet, weswegen lediglich die in dem Zellhalter 25 integrierte Ventingvorrichtung 27, die der Batteriezelle 10 zugeordnet ist, und lediglich das Zusammenwirken dieser Ventingvorrichtung 27 mit der Batteriezelle 10 im Folgenden näher beschrieben wird.
Zum Zusammenwirken mit der Ventingvorrichtung 27 weist die Gehäusefolie 12 der Batteriezelle 10 eine Sollöffnungsstelle 15 auf, die bei einem Überschreiten des Gehäusegrenzinnendrucks für die Gehäuseentlüftung vorgesehen ist. Die Sollöffnungsstelle 15 ist dazu vorgesehen, mit der Ventingvorrichtung 27 in der Art zusammenzuwirken, sodass das innerhalb der Gehäusefolie 12 gebildete Ventinggas beim Überschreiten des Gehäusegrenzinnendrucks aus der Batteriezelle 10 und dem Zellhalter 25 entweicht. Die Sollöffnungsstelle 15 ist dem Zellhalter 25 zugewandt. Sie ist der Ventingvorrichtung 27 zugewandt.
Um die Gehäusefolie 12 an der Sollöffnungsstelle 15 mit einer Entlüftungsöffnung zu versehen, weist die Ventingvorrichtung 27 ein Folientrennelement 16 auf, das dazu vorgesehen ist, die Gehäusefolie 12 an der Sollöffnungsstelle 15 beim Überschreiten des Gehäusegrenzinnendrucks lokal zu durchdringen und aufzutrennen. Das Folientrennelement 16 und die Gehäusefolie 12 sind separat voneinander ausgebildet. Das Folientrennelement 16 ist dazu vorgesehen, die Gehäusefolie 12 an der Sollöffnungsstelle 15 lediglich in einem gehäuseinnendruckbehafteten Zustand der Batteriezelle 10 zu kontaktieren. In einem gehäuseinnendrucklosen Zustand der Batteriezelle 10 sind das Folientrennelement 16 und die Gehäusefolie 12 beabstandet zueinander angeordnet. Der gehäuseinnendrucklose Zustand der Batteriezelle 10 ist in der 3 dargestellt. Der gehäuseinnendruckbehaftete Zustand der Batteriezelle 10, in dem der Gehäusegrenzinnendruck überschritten ist, ist in der 4 dargestellt. In dem in der 4 dargestellten Zustand, trennt das Folientrennelement 16 die Gehäusefolie 12 an der Sollöffnungsstelle 15 auf, wodurch das Ventinggas durch die Sollöffnungsstelle 15 aus der Gehäusefolie 12 entweichen kann.
Damit sich die Gehäusefolie 12 und das Folientrennelement 16 erst in dem gehäuseinnendruckbehafteten Zustand gegenseitig kontaktieren, weist die Gehäusefolie 12 einen Sollwölbungsbereich 17 auf, in dem die Sollöffnungsstelle 15 angeordnet ist. Der Sollwölbungsbereich 17 der Gehäusefolie 12 ist dazu vorgesehen, zur Herstellung des Kontakts zwischen der Sollöffnungsstelle 15 und dem Folientrennelement 16 sich mit steigendem Gehäuseinnendruck in Richtung des Folientrennelements 16 zu wölben. Der Sollwölbungsbereich 17 ist dazu vorgesehen, die Sollöffnungsstelle 15 mit steigendem Gehäuseinnendruck in Richtung des Folientrennelements 16 zu bewegen, wodurch die Gehäusefolie 12 bei einem bestimmten Gehäuseinnendruck mit seiner Sollöffnungsstelle 15 das Folientrennelement 16 kontaktiert und beim Überschreiten des Gehäusegrenzinnendrucks durch das Folientrennelement 16 an der Sollöffnungsstelle 15 aufgetrennt wird. Der Sollwölbungsbereich 17 ist an dem Kontaktelement 13 zwischen dem Siegelnahtrand 20 der Batteriezelle 10 und dem elektrochemisch aktiven Teil der Batteriezelle 10 angeordnet. Zur Ausbildung des Sollwölbungsbereichs 17 steht die Gehäusefolie 12 von dem Kontaktelement 13 ab. Die Gehäusefolie 12 steht in dem Sollwölbungsbereich 17 von dem Kontaktelement 13 ab, wodurch sich die Gehäusefolie 12 in dem Sollwölbungsbereich 17 im Vergleich zu anderen Stellen bei einem geringeren Gehäuseinnendruck wölbt. Grundsätzlich kann der Sollwölbungsbereich 17 auch innerhalb des Siegelnahtrands 20, beispielsweise an Seitenrändern der Batteriezelle 10, angeordnet werden.
Die Ventingvorrichtung 27 ist in den Zellhalter 25 integriert. Sie ist fest an dem Zellhalter 25 angebunden. Das Folientrennelement 16 ist fest mit dem Zellhalter 25 verbunden. Es ist an einer der Batteriezelle 10 zugewandten Fläche des Zellhalters 25 fest angeordnet. Der Zellhalter 25 weist das Folientrennelement 16 auf, das dazu vorgesehen ist, die Gehäusefolie 12 der Batteriezelle 10 für die Gehäuseentlüftung aufzutrennen. Das Folientrennelement 16 ist in einem Bereich des Rands 26 des Zellhalters 25 angeordnet. In diesem Ausführungsbeispiel ist der Zellhalter 25 und das Folientrennelement 16 einstückig miteinander ausgebildet. Der Zellhalter 25 bildet und/oder formt das Folientrennelement 16 einstückig aus. Der Zellhalter 25 und das Folientrennelement 16 sind als ein einzelnes Spritzgussbauteil ausgebildet. Er bildet die Ventingvorrichtung 27 einstückig aus.
Das Folientrennelement 16 weist ein spitzes oder scharfes Ende auf, das der Batteriezelle 10 zugewandt ist. Das Folientrennelement 16 ist als ein kegelförmiger oder spitzer Dorn ausgebildet, dessen Kegelspitze der Batteriezelle 10 zugewandt ist. Grundsätzlich ist es denkbar, dass das Folientrennelement 16 als ein messerförmiger Dorn ausgebildet ist, dessen Messerspitze der Batteriezelle 10 zugewandt ist. Zudem ist es grundsätzlich denkbar, dass das Folientrennelement 16 nagel- und/oder nadelförmig ausgebildet ist. Weiter ist es grundsätzlich denkbar, dass das Folientrennelement 16 als eine Schneide ausgebildet ist, dessen Schneidkante der Batteriezelle 10 zugewandt ist. Ferner ist es grundsätzlich denkbar, dass die Zellblockvorrichtung zumindest ein weiteres Folientrennelement 16 und/oder zumindest eine weitere Sollöffnungsstelle 15 und/oder zumindest einen weiteren Sollwölbungsbereich 17 aufweist. Des Weiteren ist es grundsätzlich denkbar, dass das Folientrennelement 16 und der Zellhalter 25 separat zueinander ausgebildet sind, wobei das Folientrennelement 16 fest an dem Zellhalter 25 angebunden ist, beispielsweise fest in den Zellhalter 25 eingesetzt, eingeklebt und/oder eingespritzt ist. Bei einer separaten Ausbildung des Folientrennelements 16 und des Zellhalters 25 ist das Folientrennelement 16 vorzugsweise aus einem anderen Material gebildet als der Zellhalter 25, beispielsweise aus Stahl.
Die Ventingvorrichtung 27 weist weiter eine Vertiefung 19 auf, die in den Zellhalter 25 eingebracht ist. Der Zellhalter 25 weist somit die Vertiefung 19 auf. Er bildet die Vertiefung 19 einstückig aus. Die Vertiefung 19 ist in Richtung der Batteriezelle 10 geöffnet. Das Folientrennelement 16 ist in der Vertiefung 19 angeordnet. Die Vertiefung 19 ist in den Rand 26 des Zellhalters 25 eingebracht. Sie ist in einem montierten Zustand der Batteriezelle 10 durch die Batteriezelle 10 abgedeckt oder verschlossen. Die Vertiefung 19 und der Sollwölbungsbereich 17 der Gehäusefolie 12 liegen übereinander, sodass die Gehäusefolie 12 mit seinem Sollwölbungsbereich 17 mit steigendem Gehäuseinnendruck in die Vertiefung 19 gedrückt wird. Bei steigendem Gehäuseinnendruck beult sich damit die Gehäusefolie 12 in seinem Sollwölbungsbereich 17 zunächst aus, tritt dadurch in die Vertiefung 19 ein, kommt mit dem Folientrennelement 16 in Kontakt und wird beim Überschreiten des Gehäusegrenzinnendrucks schließlich an seiner Sollöffnungsstelle 15 durch das Folientrennelement 16 aufgetrennt. Grundsätzlich kann die Zellblockvorrichtung zumindest eine nachgiebige Abdeckung aufweisen, die die Vertiefung 19 und damit das Folientrennelement 16 abdeckt. Die nachgiebige Abdeckung ist dabei dazu vorgesehen, bei steigendem Gehäuseinnendruck durch den Sollwölbungsbereich 17 weggedrückt zu werden, um dadurch das Folientrennelement 16 freizugeben. Die nachgiebige Abdeckung kann beispielsweise als eine Schaummatte, Kunststoffmembran, Folie oder der Gleichen ausgebildet sein.
Um ein aus der Gehäusefolie 12 austretendes Gehäusegas aus dem Zellhalter 25 auszuleiten, weist die Ventingvorrichtung 27 eine Entlüftungsführung 21 auf, die in den Zellhalter 25 eingebracht ist. Der Zellhalter 25 weist somit die Entlüftungsführung 21 auf.
Er bildet die Entlüftungsführung 21 einstückig aus. Die Entlüftungsführung 21 ist dazu vorgesehen, das durch die Sollöffnungsstelle 15 entweichende Ventinggas aus dem Zellhalter 25 zu führen. Die Entlüftungsführung 21 ist in den Rand 26 des Zellhalters 25 eingebracht. Sie ist in Richtung der Batteriezelle 10 geöffnet. Die Entlüftungsführung 21 ist dazu vorgesehen, die durch die Batteriezelle 10 verschlossene Vertiefung 19 strömungstechnisch mit einer Umgebung zu verbinden. Sie öffnet die durch die Batteriezelle 10 verschlossene Vertiefung 19 in Richtung der Umgebung, wodurch das Ventinggas gezielt aus der Vertiefung 19 ausgeleitet wird. In dem montierten Zustand deckt die Batteriezelle 10 die Entlüftungsführung 21 ab, wodurch der Zellhalter 25 und die Batteriezelle 10 einen Entlüftungskanal von der Vertiefung 19 in die Umgebung einschließen. Grundsätzlich kann der Zellhalter 25 anstatt der Entlüftungsführung 21 einen durch sein Material umgebenden Entlüftungskanal aufweisen, der die Vertiefung 19 zur Umgebung hin öffnet.
Bezugszeichenliste

10: Batteriezelle
11: Zellblock
12: Gehäusefolie
13: Kontaktelement
14: Kontaktelement
15: Sollöffnungsstelle
16: Folientrennelement
17: Sollwölbungsbereich
18: Elektrodenpaket
19: Vertiefung
20: Siegelnahtrand
21: Entlüftungsführung
22: Fläche
23: Druckbrille
24: Druckbrille
25: Zellhalter
26: Rand
27: Ventingvorrichtung
30: Kraftfahrzeugbatterie
31: Batteriegehäuse
32: Elektronik
33: Temperiereinrichtung
42: Verbrennungsmotor
43: Elektromotor
44: Antriebsrad
45: Spannelement

ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

DE 102010055599 A1 [0002]

Claims

Zellblockvorrichtung für eine Kraftfahrzeugbatterie (30), mit zumindest einer Batteriezelle (10), die eine Gehäusefolie (12) zur Ausbildung eines Zellengehäuses aufweist, wobei die Gehäusefolie (12) zumindest eine Sollöffnungsstelle (15) umfasst, die bei einem Überschreiten eines Gehäusegrenzinnendrucks für eine Gehäuseentlüftung vorgesehen ist, gekennzeichnet durch zumindest ein Folientrennelement (16), das dazu vorgesehen ist, die Gehäusefolie (12) an der zumindest einen Sollöffnungsstelle (15) aufzutrennen.
Zellblockvorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Gehäusefolie (12) und das Folientrennelement (16) dazu vorgesehen sind, sich gegenseitig lediglich in einem gehäuseinnendruckbehafteten Zustand der Batteriezelle (10) zu kontaktieren.
Zellblockvorrichtung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Gehäusefolie (12) zumindest einen die Sollöffnungsstelle (15) aufweisenden Sollwölbungsbereich (17) aufweist, der dazu vorgesehen ist, sich mit einem steigenden Gehäuseinnendruck in Richtung des Folientrennelements (16) zu wölben.
Zellblockvorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, gekennzeichnet durch zumindest einen zur Fixierung der Batteriezelle (10) vorgesehenen Zellhalter (25), mit dem das Folientrennelement (16) fest verbunden ist.
Zellblockvorrichtung nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass der Zellhalter (25) und das Folientrennelement (16) einstückig miteinander ausgebildet sind.
Zellblockvorrichtung nach Anspruch 4 oder 5, dadurch gekennzeichnet, dass der Zellhalter (25) zumindest eine Vertiefung (19) aufweist, in der das Folientrennelement (16) angeordnet ist.
Zellblockvorrichtung nach einem der Ansprüche 4 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass der Zellhalter (25) zumindest eine Entlüftungsführung (21) aufweist, die dazu vorgesehen ist, ein durch die Sollöffnungsstelle (15) entweichendes Gehäusegas aus dem Zellhalter (25) zu führen.
Zellblockvorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Folientrennelement (16) als ein Dorn und/oder als eine Schneide ausgebildet ist.
Zellhalter für eine Zellblockvorrichtung einer Kraftfahrzeugbatterie (30), der zur Fixierung zumindest einer Batteriezelle (10) der Zellblockvorrichtung vorgesehen ist und der zumindest ein Folientrennelement (16) aufweist, das dazu vorgesehen ist, eine Gehäusefolie (12) der Batteriezelle (10) für eine Gehäuseentlüftung aufzutrennen.
Kraftfahrzeugbatterie mit zumindest einer Zellblockvorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 8.