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Die Erfindung betrifft ein Batteriesystem umfassend eine Mehrzahl von Batteriezellen, die jeweils eine Entgasungsöffnung aufweisen, und umfassend eine Entgasungseinrichtung, die eine Mehrzahl von Einlassöffnungen aufweist, wobei die Batteriezellen jeweils über ein Anschlusselement, welches die Entgasungsöffnung einer Batteriezelle des Batteriesystems mit einer Einlassöffnung der Entgasungseinrichtung verbindet, an die Entgasungseinrichtung angeschlossen sind.
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Stand der Technik
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Derartige Batteriesysteme sind als Energiespeicher von großer Bedeutung, beispielsweise um elektrische Energie für den Betrieb von Hybrid-, Plug-In-Hybrid- oder Elektrofahrzeugen bereitzustellen. Die Batteriezellen sind dabei in der Regel zu Batteriemodulen elektrisch verschaltet, wobei ein Batteriesystem ein Batteriemodul oder mehrere Batteriemodule aufweisen kann. Die Batteriezellen sind insbesondere sekundäre Batteriezellen, das heißt nachladbare Akkumulatorzellen. Aufgrund der vergleichsweise hohen Energiedichte und weil beim Nachladen der sogenannte Memory-Effekt nicht oder zumindest nur verringert auftritt, werden als Batteriezellen bevorzugt Lithium basierte Batteriezellen, insbesondere Lithium-Ionen-Zellen eingesetzt. Allgemein können galvanische Zellen zum Einsatz kommen.
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Bei solchen Batteriesystemen besteht die Möglichkeit, dass es insbesondere aufgrund von Störungen, wie beispielsweise einem Überladen der Batteriezellen, einem Tiefenentladen der Batteriezellen, einem Kurzschluss der Batteriezellen oder hohen Umgebungstemperaturen, zu einer derart starken Erwärmung der betroffenen Batteriezelle kommen kann, dass der Elektrolyt oder Separator oder andere Komponenten in dieser Batteriezelle in einen gasförmigen Zustand übergeht, wodurch sich der Druck innerhalb der Batteriezelle innerhalb kurzer Zeit stark erhöht. Um ein Platzen der betroffenen Batteriezelle zu verhindern, ist es bekannt, Batteriezellen mit einer Entgasungsöffnung auszustatten, über die zur Reduzierung des Zellinnendrucks ein Fluid, insbesondere der verdampfte Elektrolyt oder ein Aerosol, aus der betroffenen Zelle entweichen kann. Üblicherweise ist die Entgasungsöffnung bei Normalbetrieb mit einem Sicherheitsventil verschlossen, welches bei einem vorbestimmten Zellinnendruck öffnet und somit ein Entweichen des verdampften Elektrolyten sowie gegebenenfalls weiterer gebildeter Zersetzungsprodukte über die Entgasungsöffnung ermöglicht. Ein solches Sicherheitsventil kann insbesondere als eine in eine Ventilöffnung eingesetzte Berstscheibe ausgebildet sein, welche bei einem definierten Berstdruck zerbirst und somit die Ventilöffnung freigibt. Eine Lithium-Ionen-Zelle mit einem solchen Sicherheitsventil ist beispielsweise aus der Druckschrift
DE 103 28 862 B4 bekannt.
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Öffnet das Sicherheitsventil einer Batteriezelle infolge eines solchen Druckanstiegs, so tritt der verdampfte Elektrolyt gegebenenfalls zusammen mit weiteren Zersetzungsprodukten als Aerosol mit hoher Geschwindigkeit druckstoßartig aus der betroffenen Batteriezelle aus; man spricht von einer Entgasung der Batteriezelle. Das austretende Aerosol kann dabei ungewünschte Bestandteile umfassen, die mit einem Druck von beispielsweise 10 bar und einer Temperatur von unter Umständen mehr als 500°C aus dem Sicherheitsventil entweichen. Damit sich ein von einer Batteriezelle freigesetztes Aerosol nicht unkontrolliert ausbreitet, und bei Einsatz eines mehrere Batteriezellen umfassenden Batteriesystems in einem Fahrzeug ein von einer Batteriezelle freigesetztes Fluid insbesondere nicht in den Fahrgastraum gelangt, ist es bekannt, das freigesetzte Aerosol mittels einer Entgasungseinrichtung kontrolliert abzuleiten. So offenbart beispielsweise die Druckschrift
DE 10 2009 000 660 A1 eine in einem Gehäuse angeordnete Batterie, wobei eine Einrichtung zum Ableiten von Gasen und Dämpfen aus der wenigstens einen Batterie vorgesehen ist.
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Ferner offenbart die Druckschrift
DE 10 2011 079 037 A1 ein Batteriemodul mit einer Mehrzahl von Batteriezellen, wobei das Batteriemodul einen Gasaufnahmeraum als Entgasungseinrichtung umfasst. Das Volumen des Gasaufnahmeraums ist dabei direkt mit allen Entgasungsöffnungen der jeweiligen Batteriezellen verbunden, wobei zwischen den Entgasungsöffnungen der jeweiligen Batteriezellen und der zugehörigen Gaseintrittsöffnungen des Gasaufnahmeraums jeweils mindestens eine mehrschenklige Dichtung angeordnet ist.
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Problematisch bei solchen Batteriesystemen ist die Anbindung der Entgasungseinrichtung an die Batteriezellen des Batteriesystems. So wird die Anbindung der Entgasungseinrichtung an die Batteriezellen aufgrund der hohen Temperatur eines von einer Batteriezelle bei einer Entgasung freigesetzten Fluids und des bei einer Entgasung auftretenden Druckstoßes mechanisch stark beansprucht. Daher müssen bislang für eine dauerhaft dichte Anbindung einer Entgasungseinrichtung an wenigstens eine Batteriezelle hohe Kontaktkräfte aufgebracht und aufwendige Dichtungen vorgesehen werden.
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Vor diesem Hintergrund ist es eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung ein eingangs genanntes Batteriesystem zu verbessern. Insbesondere soll dabei die Anbindung einer Entgasungseinrichtung an wenigstens eine Batteriezelle verbessert werden, vorteilhafterweise dahingehend, dass eine äußerst dichte Anbindung bereitgestellt ist, insbesondere im Fall einer Zellentgasung.
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Offenbarung der Erfindung
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Zur Lösung der Aufgabe wird ein Batteriesystem umfassend eine Mehrzahl von Batteriezellen, die jeweils eine Entgasungsöffnung aufweisen, und umfassend eine Entgasungseinrichtung, die eine Mehrzahl von Einlassöffnungen aufweist, vorgeschlagen, wobei die Batteriezellen jeweils über ein Anschlusselement, welches die Entgasungsöffnung einer Batteriezelle des Batteriesystems mit einer Einlassöffnung der Entgasungsöffnung verbindet, an die Entgasungseinrichtung angeschlossen sind. Die Anschlusselemente weisen dabei jeweils eine größere Nachgiebigkeit auf als die Entgasungseinrichtung. Zudem weisen die Anschlusselemente jeweils zwischen Einlassöffnung und Entgasungsöffnung eine Angriffsfläche für einen sich bei einer Zellentgasung in der Entgasungseinrichtung ausbildenden Überdruck auf, derart, dass eine Bewegung der Entgasungseinrichtung weg von der Batteriezelle infolge des Überdrucks überkompensiert wird durch die Verformung des Anschlusselementes hin zu der Batteriezelle. Hierdurch ist vorteilhafterweise eine sich selbstverstärkende Dichtung bereitgestellt. Diese selbstverstärkende Dichtwirkung wird dabei insbesondere dadurch erzielt, dass sich im Entgasungsfall das Anschlusselement aufgrund der höheren Nachgiebigkeit als die Entgasungseinrichtung stärker in Richtung der Zelle verformen würde, als sich die Entgasungseinrichtung verformt. Somit ist vorteilhafterweise selbst bei einer Vergrößerung des Abstandes zwischen Batteriezelle und Entgasungseinrichtung eine dichte Anbindung der Batteriezellen an die Entgasungseinrichtung bereitgestellt, zumindest solange ein gewisser Abstand, den das Anschlusselement nicht mehr ausgleichen kann, nicht überschritten wird.
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Die größere Nachgiebigkeit des Anschlusselementes gegenüber der Entgasungseinrichtung wird vorzugsweise erzielt durch eine geringere Materialstärke, also insbesondere eine geringere Wanddicke, und/oder eine höhere Plastizität des Materials der Anschlusselemente gegenüber der Entgasungseinrichtung und/oder durch unterschiedliche Materialien für die Anschlusselemente und die Entgasungseinrichtung, insbesondere Magnesium für Anschlusselemente und Stahl für Entgasungseinrichtung, und/oder die geometrische Ausgestaltung der Anschlusselemente, insbesondere indem die Anschlusselemente wellig und/oder konisch ausgeführt sind, vorzugsweise ähnlich der Ausgestaltung eines Faltenbalges oder wie ein Faltenbalg. Vorzugsweise sind die Anschlusselemente aus einem Feder-Werkstoff.
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Dass die Anschlusselemente eine höhere Nachgiebigkeit aufweisen, als die Entgasungseinrichtung heißt insbesondere, dass die Entgasungseinrichtung eine höhere Steifigkeit aufweist als die Anschlusselemente. Hierdurch wird vorteilhafterweise erreicht, dass sich die Anschlusselemente des Batteriesystems wie gewünscht verformen, insbesondere hin zu den Batteriezellen, wodurch die Dichtwirkung der Anbindung der Batteriezellen an die Entgasungseinrichtung im Fall einer Entgasung vorteilhafterweise weiter verbessert ist.
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Bei dem erfindungsgemäßen Batteriesystem ist insbesondere vorgesehen, dass jede Entgasungsöffnung einer Batteriezelle über ein Anschlusselement mit jeweils einer Einlassöffnung der Entgasungseinrichtung verbunden ist. Das Anschlusselement bildet dabei quasi einen Kanal, über welchen ein von einer Batteriezelle über die Entgasungsöffnung freigesetztes Fluid in die Einlassöffnung der Entgasungseinrichtung gelangt. Vorteilhafterweise ist ein Ende des Anschlusselementes dabei die Entgasungsöffnung umgebend an der Batteriezelle angeordnet und das andere Ende die Einlassöffnung umgebend an der Entgasungseinrichtung angeordnet.
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Insbesondere ist ferner vorgesehen, dass das erfindungsgemäße Batteriesystem für die Bereitstellung der für den Betrieb eines Hybrid-, Plug-In-Hybrid- oder Elektrofahrzeugs benötigten elektrischen Energie ausgebildet ist. Vorzugsweise sind die Batteriezellen des Batteriesystems Lithium-Ionen-Zellen.
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Zudem ist als weitere vorteilhafte Ausgestaltung der Erfindung vorgesehen, dass die Entgasungseinrichtung des Batteriesystems ein Entgasungskollektor ist. Der Entgasungskollektor bildet dabei vorteilhafterweise einen Volumenraum aus, in den ein von einer oder von mehreren Batteriezellen freigesetztes Fluid entweichen kann. Von diesem Volumenraum aus wird dann vorteilhafterweise das Fluid über eine Abführeinrichtung abgeleitet.
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Gemäß einer besonders bevorzugten Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Batteriesystems ist vorgesehen, dass die Anschlusselemente jeweils zumindest teilweise nach innen gewölbt sind, insbesondere in Richtung der jeweiligen Batteriezelle nach innen gewölbt sind. Das heißt insbesondere, dass die seitlichen Wandungen der Anschlusselemente jeweils nach innen gewölbt sind. Die Wölbung nach innen dient dabei vorteilhafterweise zur Bereitstellung der Angriffsfläche für einen sich bei einer Zellentgasung in der Entgasungseinrichtung ausbildenden Überdruck. Insbesondere ist vorgesehen, dass die Anschlusselemente jeweils zumindest teilweise im Wesentlichen nach innen gewölbt sind, vorzugsweise konkav nach innen gewölbt. Vorzugsweise sind die Anschlusselemente jeweils rotationssymmetrisch nach innen gewölbt. Insbesondere ist vorgesehen, dass die Wölbung zumindest teilweise auf eine mechanische Vorspannung der Anschlusselemente zurückzuführen ist. Durch die Wölbung des jeweiligen Anschlusselementes nach innen ist der durch das jeweilige Anschlusselement bereitgestellte Kanal zwischen der Entgasungsöffnung einer Batteriezelle und einer Einlassöffnung der Entgasungseinrichtung entgegen der Strömungsrichtung bei Entgasung dieser Batteriezelle, nicht der Nachbar-Zelle, quasi verengt und somit in Strömungsrichtung erweitert. Hieraus resultiert der Vorteil, dass das Anschlusselement einerseits im Normalbetrieb mit erhöhtem Druck gegen die jeweilige Batteriezelle gepresst wird, sodass auch im Normalbetrieb ein dichter Anschluss der Batteriezelle an die Entgasungseinrichtung bereitgestellt ist. Andererseits besteht der Vorteil, dass im Fall einer Entgasung der Batteriezelle der mit der Entgasung einhergehende hohe Druck in der Entgasungseinrichtung das Anschlusselement quasi von der Entgasungseinrichtung weg in Richtung der Batteriezelle verschiebt, wobei sich vorteilhafterweise die Querschnittsfläche des von dem Anschlusselement ausgebildeten Kanals in Strömungsrichtung vergrößert, sodass das aus der Batteriezelle ausströmende Fluid verbessert in die Entgasungseinrichtung einströmen kann.
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Gemäß einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Batteriesystems ist vorgesehen, dass die über ein Anschlusselement des Batteriesystems mit einer Entgasungsöffnung einer Batteriezelle verbundene Einlassöffnung der Entgasungseinrichtung größer ist als diese Entgasungsöffnung der Batteriezelle, wobei das Anschlusselement zu der Entgasungsöffnung hin sich verjüngend ausgebildet ist. Hierdurch wird vorteilhafterweise eine Angriffsfläche für einen sich bei einer Zellentgasung in der Entgasungseinrichtung ausbildenden Überdruck bereitgestellt und somit vorteilhafterweise der positive Effekt verbessert, dass sich im Fall einer Entgasung das Anschlusselement von der Entgasungseinrichtung weg in Richtung der Batteriezelle verschiebt. Das heißt, dass die durch den hohen Druck im Fall einer Zellentgasung erzeugte Kraft an dem Anschlusselement einen wesentlichen Beitrag zur Dichtwirkung der Verbindung zwischen entgasender Batteriezelle und Entgasungseinrichtung während der Entgasung liefert.
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Gemäß einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung ist vorgesehen, dass die Anschlusselemente jeweils nach Art einer Tellerfeder oder nach Art einer Napffeder oder als Faltenbalg ausgebildet sind. Insbesondere ist als Ausgestaltungsvariante vorgesehen, dass ein erfindungsgemäßes Batteriesystem nur gleich ausgestaltete Anschlusselemente oder unterschiedlich ausgestaltete Anschlusselemente umfasst, insbesondere derart, dass die Anschlusselemente nach Art einer Tellerfeder und/oder als Tellerfeder und/oder nach Art einer Napffeder und/oder als Napffeder und/oder nach Art eines Faltenbalgs und/oder als Faltenbalg ausgebildet sind. Durch eine solche Ausgestaltung sind die Anschlusselemente vorteilhafterweise zusätzlich nachgiebiger und beweglicher ausgebildet, sodass deren Nachgiebigkeit im Vergleich zu der Entgasungseinrichtung vorteilhafterweise weiter erhöht ist. Vorzugsweise sind die Anschlusselemente rund oder oval ausgebildet, vorzugsweise rotationssymmetrisch.
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Gemäß einer bevorzugten Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Batteriesystems ist vorgesehen, dass die Anschlusselemente des Batteriesystems jeweils fest mit der Entgasungseinrichtung verbunden sind. Insbesondere ist vorgesehen, dass die Anschlusselemente dazu mit der Entgasungseinrichtung kraftschlüssig und/oder formschlüssig und/oder stoffschlüssig verbunden sind. Insbesondere ist vorgesehen, dass die Anschlusselemente jeweils die Einlassöffnungen der Entgasungseinrichtung umgebend an der Entgasungseinrichtung angelötet beziehungsweise angeschweißt sind. Darüber hinaus ist insbesondere vorgesehen, dass die Anschlusselemente in die Einlassöffnungen eingerastet beziehungsweise eingeklemmt sind, insbesondere derart, dass eine dichte Verbindung zwischen Anschlusselement und Entgasungseinrichtung bereitgestellt ist. Gemäß einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltungsvariante ist insbesondere vorgesehen, dass die Anschlusselemente mit der Entgasungseinrichtung einstückig ausgebildet sind. Dies kann insbesondere mittels eines Tiefzieh- und/oder Press-Prozesses erfolgen. Dabei ist insbesondere vorgesehen, dass die Anschlusselemente deutlich dünner und weicher und somit elastisch und/oder plastisch verformbarer ausgebildet sind, als der Rest der Entgasungseinrichtung, insbesondere als derjenige Teil der Entgasungseinrichtung, in dem die Einlassöffnungen angeordnet sind.
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Eine weitere vorteilhafte Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Batteriesystems sieht vor, dass die Anschlusselemente jeweils elastisch rückstellend ausgebildet sind. Dabei verbinden die Anschlusselemente vorteilhafterweise jeweils mechanisch vorgespannt die Entgasungsöffnung und die Einlassöffnung. Das heißt, dass jede Entgasungsöffnung einer Batteriezelle über ein mechanisch vorgespanntes Anschlusselement mit jeweils einer Einlassöffnung der Entgasungseinrichtung verbunden ist. Vorzugsweise sind die Anschlusselemente dabei aus einem Feder-Werkstoff. Dadurch, dass die Anschlusselemente jeweils elastisch rückstellend ausgebildet sind und ein Anschlusselement des Batteriesystems jeweils mechanisch vorgespannt eine Entgasungsöffnung einer Batteriezelle des Batteriesystems und eine Einlassöffnung der Entgasungseinrichtung verbindet, drückt sich das Anschlusselement vorteilhafterweise gegen die Batteriezelle. Hierdurch ist vorteilhafterweise eine besonders dichte Anbindung der jeweiligen Entgasungsöffnung an die jeweilige Einlassöffnung bereitgestellt. Da das jeweilige Anschlusselement entsprechend der Kraft der mechanischen Feder des Anschlusselementes vorgespannt ist, wird das Anschlusselement im Fall einer mechanischen Verformung der Entgasungseinrichtung und einer damit einhergehenden Veränderung des Abstandes zwischen wenigstens einer Batteriezelle des Batteriesystems und der Entgasungseinrichtung des Batteriesystems vorteilhafterweise quasi nachgeführt. Somit ist vorteilhafterweise selbst bei einer Vergrößerung des Abstandes zwischen Batteriezelle und Entgasungseinrichtung eine dichte Anbindung der Batteriezellen an die Entgasungseinrichtung bereitgestellt, zumindest solange ein gewisser Abstand, den das Anschlusselement nicht mehr ausgleichen kann, nicht überschritten wird.
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Bei einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung wird das der Entgasungsöffnung einer Batteriezelle des Batteriesystems zugewandte Ende eines jeweiligen Anschlusselementes durch die mechanische Vorspannung jeweils die Entgasungsöffnung einer Batteriezelle umgebend gegen die Batteriezelle gedrückt. Hierdurch ist vorteilhafterweise eine besonders dichte Anbindung der Entgasungseinrichtung an die Batteriezellen ermöglicht.
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Gemäß einer besonders bevorzugten Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Batteriesystems ist vorgesehen, dass die Anschlusselemente des Batteriesystems jeweils derart ausgebildet sind, dass diese sich bei einer die mechanische Verspannung des jeweiligen Anschlusselementes überschreitenden Druckeinwirkung nach außen wölben, insbesondere nach außen in Richtung der jeweiligen Batteriezelle. Insbesondere ist vorgesehen, dass die Anschlusselemente sich bei einer die mechanische Verspannung überschreitenden Druckeinwirkung derart nach außen wölben, dass sich der Querschnitt des durch das Anschlusselement gebildeten Kanals vergrößert, wodurch ein Fluid weiter verbessert von einer Batteriezelle in die Entgasungseinrichtung einströmen kann. Insbesondere ist vorgesehen, dass das nach außen Wölben der Anschlusselemente derart erfolgt, dass sich die Anschlusselemente zu den Batteriezellen hinbewegen, wodurch vorteilhafterweise die Dichtwirkung der Anbindung der Entgasungseinrichtung an die Batteriezellen weiter verbessert ist.
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Bei einer Ausgestaltung der Anschlusselemente nach Art einer Tellerfeder oder nach Art einer Napffeder oder nach Art eines Faltenbalges sind vorteilhafterweise die gewünschten Effekte, insbesondere das Anpressen des jeweiligen Anschlusselementes durch die mechanische Vorspannung des Anschlusselementes an die Batteriezelle im Normalbetrieb und die Bewegung hin zu der Batteriezelle im Entgasungsfall, besonders gut erzielbar.
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Vorteilhafterweise ist jeweils um die Entgasungsöffnung einer Batteriezelle des Batteriesystems ein elektrisches Isolierelement und/oder ein Dichtelement angeordnet, wobei das die Entgasungsöffnung mit einer Einlassöffnung der Entgasungseinrichtung verbindende Anschlusselement jeweils über das elektrische Isolierelement und/oder das Dichtelement mit der Entgasungsöffnung verbunden ist. Als Isolierelement kann insbesondere eine elektrisch nicht leitende Lackschicht vorgesehen sein. Vorzugsweise ist das Dichtelement als elektrisches Isolierelement ausgebildet. Insbesondere ist ein Kunststoffring als Dichtelement, welches zudem als elektrisches Isolierelement wirkt, vorgesehen. Durch ein solches Dichtelement wird vorteilhafterweise die Dichtigkeit der Anbindung der Entgasungseinrichtung an die Batteriezellen weiter verbessert.
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Gemäß einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Batteriesystems ist vorgesehen, dass die Einlassöffnungen jeweils mit einem Verschlusselement verschlossen sind, wobei das eine Einlassöffnung verschließende Verschlusselement die Einlassöffnung im Fall eines Entweichens eines Fluids aus der über ein Anschlusselement des Batteriesystems mit der Einlassöffnung verbundenen Entgasungsöffnung einer Batteriezelle freigibt, sodass das entweichende Fluid über die freigegebene Einlassöffnung in die Entgasungseinrichtung einströmen kann, und wobei die die weiteren Einlassöffnungen verschließenden Verschlusselemente ein Ausströmen dieses Fluids aus der Entgasungseinrichtung über diese weiteren Einlassöffnungen verhindern. Bei Normalbetrieb des Batteriesystems, das heißt insbesondere dann, wenn sich keine der Batteriezellen in einem kritischen Zustand befindet, der zu einer Entgasung der Batteriezelle führt, sind die Einlassöffnungen der Entgasungseinrichtung bei dieser Ausgestaltung der Erfindung vorteilhafterweise jeweils durch ein Verschlusselement dicht verschlossen. Eine Einlassöffnung der Entgasungseinrichtung ist dabei vorzugsweise jeweils derart mit einem Verschlusselement verschlossen, dass dieses nur dann die Eintrittsöffnung freigibt, wenn ein Fluid von einer über diese Einlassöffnung mit der Entgasungseinrichtung verbundenen Batteriezelle entweicht. Wird dagegen von einer anderen Batteriezelle, welche nicht über diese Einlassöffnung mit der Entgasungseinrichtung verbunden ist, ein Fluid in die Entgasungseinrichtung freigesetzt, so gibt das diese Einlassöffnung verschließende Verschlusselement die Einlassöffnung nicht frei. Das Verschlusselement dieser Einlassöffnung gibt die Einlassöffnung vorteilhafterweise auch dann nicht frei, wenn das freigesetzte Fluid beziehungsweise der mit dem Freisetzen des Fluids einhergehende erhöhte Druck auf dieses Verschlusselement einwirkt. Das Verschlusselement verhindert somit vorteilhafterweise ein Ausströmen eines Fluids aus der Entgasungseinrichtung über die mit dem Verschlusselement verschlossene Einlassöffnung. Vorzugsweise ist eine Dichtung an dem Verschlusselement angeordnet, sodass das die Einlassöffnung verschließende Verschlusselement die Einlassöffnung weiter verbessert dicht verschließt. Die Dichtung ist dabei vorzugsweise als eine die Einlassöffnung umlaufende Dichtlippe ausgebildet.
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Insbesondere ist vorgesehen, dass das eine Einlassöffnung der Entgasungseinrichtung verschließende Verschlusselement derart ausgebildet ist, dass dieses unter Einwirkung eines aus der über das Anschlusselement verbundenen Entgasungsöffnung einer Batteriezelle entweichenden Fluids die Einlassöffnung freigibt, insbesondere im Fall einer Entgasung dieser Batteriezelle. Hierbei wird ausgenutzt, dass das von einer Batteriezelle gebildete Fluid, insbesondere ein in einen gasförmigen Zustand übergegangener Elektrolyt, bei einer Zellentgasung druckstoßartig von der Batteriezelle freigegeben wird. Dabei ist insbesondere vorgesehen, dass unter Einwirkung dieses Druckstoßes, welcher auf das Verschlusselement einwirkt, die von dem Verschlusselement verschlossene Einlassöffnung freigegeben wird. Gemäß einer vorteilhaften Ausgestaltungsvariante eines erfindungsgemäßen Batteriesystems ist vorgesehen, dass das Verschlusselement unter Einwirkung des entweichenden Fluids derart aus der Einlassöffnung entfernt wird, dass die Einlassöffnung danach geöffnet bleibt. Gemäß einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltungsvariante ist darüber hinaus vorgesehen, dass das Verschlusselement bei nachlassender Einwirkung des entweichenden Fluids wieder die ursprüngliche Position einnimmt und die Einlassöffnung somit wieder verschließt.
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Gemäß einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung ist vorgesehen, dass eine fluiddurchlässige Materialschicht, insbesondere ein Materialgeflecht, an das eine Einlassöffnung verschließende Verschlusselement anschließend angeordnet ist, derart, dass die fluiddurchlässige Materialschicht das Verschlusselement gegen eine aus der Entgasungseinrichtung erfolgende Druckeinwirkung stabilisiert. Vorzugsweise ist die fluiddurchlässige Materialschicht direkt an das eine Einlassöffnung verschließende Verschlusselement anschließend angeordnet. Vorzugsweise ist die Materialschicht eine Membran oder ein Drahtgeflecht oder ein Gitter. Die fluiddurchlässige Materialschicht ist bei Normalbetrieb des Batteriesystems mit dem Verschlusselement vorzugsweise nicht verbunden; dies kann, muss aber nicht sein. Die Materialschicht ermöglicht dabei vorteilhafterweise weiterhin, dass ein aus einer Batteriezelle entweichendes Fluid auf das die Einlassöffnung verschließende Verschlusselement einwirkt. Unter dieser Einwirkung gibt das diese Einlassöffnung verschließende Verschlusselement vorteilhafterweise die Einlassöffnung frei, sodass das entweichende Fluid über die freigegebene Einlassöffnung in die Entgasungseinrichtung einströmen kann. Da das in die Entgasungseinrichtung einströmende Fluid innerhalb der Entgasungseinrichtung ebenfalls einen hohen Anstieg des Drucks bewirkt, welcher auf die die weiteren Einlassöffnungen verschließenden Verschlusselemente einwirkt, ist es besonders vorteilhaft, dass die Verschlusselemente jeweils durch die fluiddurchlässige Materialschicht gegen eine aus der Entgasungseinrichtung erfolgende Druckeinwirkung stabilisiert sind. Diese Verschlusselemente geben somit vorteilhafterweise selbst unter einer aus der Entgasungseinrichtung erfolgenden Druckeinwirkung die jeweiligen Einlassöffnungen nicht frei und verhindern somit ein Ausströmen eines Fluids aus der Entgasungseinrichtung des Batteriesystems über die Einlassöffnungen.
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Gemäß einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung ist vorgesehen, dass das eine Einlassöffnung der Entgasungseinrichtung verschließende Verschlusselement unter Einwirkung einer Rückhaltekraft die Einlassöffnung verschließt, wobei das Verschlusselement bei Überwindung der Rückhaltekraft durch ein von einer mit dieser Einlassöffnung verbundenen Batteriezelle entweichendes Fluid die Einlassöffnung freigibt. Die Rückhaltekraft wird hierbei vorzugsweise durch ein Federelement auf das Verschlusselement ausgeübt. Durch die auf das Verschlusselement einwirkende Rückhaltekraft wird die Dichtigkeit, mit der das Verschlusselement eine Einlassöffnung verschließt, vorteilhafterweise weiter erhöht. Darüber hinaus bewirkt die Rückhaltekraft vorteilhafterweise, dass das Verschlusselement automatisch wieder die Einlassöffnung verschließt, sobald die auf das Verschlusselement einwirkende Kraft von dem aus der Batteriezelle entweichenden Fluid geringer ist als die Rückhaltekraft. Vorteilhafterweise ist ein Fluidaustausch nach erfolgter Entgasung zwischen der Batteriezelle und der Entgasungseinrichtung über das jeweilige Anschlusselement hierdurch verhindert.
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Bei einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Batteriesystems ist das eine Eintrittsöffnung verschließende Verschlusselement ein Berstelement, insbesondere eine Berstmembran. Ein solches als Berstelement ausgebildetes Verschlusselement gibt vorteilhafterweise unter Einwirkung eines druckstoßartig von einer Batteriezelle über das Anschlusselement entweichenden Fluids die Einlassöffnung der Entgasungseinrichtung frei. Vorteilhafterweise ist das Berstelement dabei derart ausgestaltet, dass das Berstelement bei einer Druckeinwirkung durch ein von einer Batteriezelle entweichendes Fluid zerbirst. Vorzugsweise wird dies durch entsprechende Formgebung des Berstelementes und/oder durch Sollbruchstellen des Berstelementes erreicht. Ferner ist das Berstelement vorteilhafterweise derart ausgebildet, dass dieses einer aus der Entgasungseinrichtung erfolgenden Druckeinwirkung standhält, insbesondere einer Druckeinwirkung infolge einer Freisetzung eines Fluids aus einer anderen entgasenden Batteriezelle. Ist das Verschlusselement als Berstelement ausgebildet, ist es besonders vorteilhaft, dieses mit einem fluiddurchlässigem Materialgeflecht, insbesondere einem Gitter oder einem Drahtgeflecht, zu kombinieren, welches direkt an dem Berstelement angeordnet ist. Das Materialgeflecht ist dabei vorteilhafterweise der Batteriezelle und das Berstelement der Entgasungseinrichtung zugewandt. Durch das fluiddurchlässige Materialgeflecht wird das Berstelement vorteilhafterweise gegen eine aus der Entgasungseinrichtung erfolgende Druckeinwirkung weiter stabilisiert. Ein solches Berstelement ist vorteilhafterweise kostengünstig einsetzbar.
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Gemäß einer weiteren besonders bevorzugten Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Batteriesystems ist vorgesehen, dass das eine Eintrittsöffnung verschließende Verschlusselement eine Rückschlagarmatur ist, insbesondere eine federbelastete Rückschlagarmatur. Die Rückschlagarmatur verschließt die Einlassöffnung vorteilhafterweise derart, dass diese die Einlassöffnung unter Einwirkung eines druckstoßartigen von einer Batteriezelle entweichenden Fluids freigibt, sodass das Fluid von der Batteriezelle über das Anschlusselement und die freigegebene Einlassöffnung in die Entgasungseinrichtung einströmen kann. Ein Öffnen der Rückschlagarmatur durch Einwirkung einer aus der Entgasungseinrichtung auf die Rückschlagarmatur einwirkenden Kraft ist dabei vorteilhafterweise verhindert.
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Insbesondere ist vorgesehen, dass das eine Eintrittsöffnung verschließende Verschlusselement eine Rückschlagklappe ist. Dabei ist insbesondere vorgesehen, dass ein als Rückschlagklappe ausgebildetes Verschlusselement derart an einer Einlassöffnung der Entgasungseinrichtung angeordnet ist, dass die Rückschlagklappe die Einlassöffnung vollständig bedeckt. Zur Freigabe der Einlassöffnung öffnet die Rückschlagklappe vorteilhafterweise durch Verschwenken in die Entgasungseinrichtung. Hierzu kann insbesondere vorgesehen sein, dass die Rückschlagklappe an einem Scharnier angeordnet ist.
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Vorteilhafterweise ist ferner ein Federelement vorgesehen, welches eine Rückhaltekraft auf die Rückschlagklappe ausübt. Im Fall einer Zellentgasung überwindet das von der Batteriezelle ausströmende Fluid vorteilhafterweise die von dem Federelement ausgeübte Rückhaltekraft, sodass sich die Rückschlagklappe öffnet und das Fluid von der Batteriezelle über das Anschlusselement in die Entgasungseinrichtung entweichen kann. Ist die Batteriezelle entgast, sodass kein Fluid mehr aus der Batteriezelle ausströmt und auf die Rückschlagklappe kein Druck mehr ausgeübt wird, wird die Rückschlagklappe durch das Federelement wieder in die ursprüngliche Position verbracht, in der die Rückschlagklappe die Einlassöffnung verschließt. Hierdurch wird vorteilhafterweise verhindert, dass bei einer Entgasung einer weiteren Batteriezelle das dann freigesetzte Fluid über diese Einlassöffnung aus der Entgasungseinrichtung entweicht.
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Durch die Verschlusselemente in den Einlassöffnungen der Entgasungseinrichtung werden vorteilhafterweise die den Verschlusselementen gegenüberliegenden Innenflächen der Entgasungseinrichtung und die dort bei einer Zellentgasung wirkenden Kräfte ausgeglichen beziehungsweise kompensiert. Hierdurch wird vorteilhafterweise die in einer Richtung resultierende auf die Entgasungseinrichtung wirkende Gesamtkraft verringert. Hierdurch wird vorteilhafterweise eine biege-balken-förmige Deformation der Entgasungseinrichtung verringert. Die Entgasungseinrichtung entfernt sich hierbei vorteilhafterweise nicht oder zumindest kaum von den über das jeweilige Anschlusselement mit der Entgasungseinrichtung verbundenen Batteriezellen. Zudem bleiben vorteilhafterweise die Dichtungen zwischen den Batteriezellen und der Entgasungseinrichtung dicht, sodass ein freigesetztes Fluid vollständig in die Entgasungseinrichtung entweicht und nicht ungewollt an die äußere Umgebung abgegeben wird.
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Weitere vorteilhafte Einzelheiten, Merkmale und Ausgestaltungsdetails der Erfindung werden im Zusammenhang mit den in den Figuren dargestellten Ausführungsbeispielen näher erläutert. Dabei zeigt:
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1 in einer schematischen Darstellung ein im Stand der Technik bekanntes mehrere Batteriezellen umfassendes Batteriesystem mit einer Entgasungseinrichtung;
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2 in einer schematischen Darstellung das in 1 dargestellte Batteriesystem im Fall einer Zellentgasung;
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3 in einer schematischen Schnittdarstellung ein Ausführungsbeispiel für ein erfindungsgemäßes Batteriesystem, wobei das Batteriesystem frontal ausgerichtet ist;
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4 in einer schematischen Darstellung das Batteriesystem aus 3 im Falle einer Zellentgasung;
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5 in einer schematischen Darstellung einen Ausschnitt aus einem weiteren Ausführungsbeispiel für ein erfindungsgemäßes Batteriesystem;
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6 in einer schematischen Darstellung den Ausschnitt des Batteriesystems aus 5 im Falle einer Zellentgasung;
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7 in einer schematischen Darstellung einen Ausschnitt aus einem weiteren Ausführungsbeispiel für ein erfindungsgemäßes Batteriesystem; und
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8 in einer schematischen Darstellung den Ausschnitt des Batteriesystems aus 7 im Falle einer Zellentgasung.
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1 zeigt ein Batteriesystem 1, welches im Stand der Technik bekannt ist. Das Batteriesystem 1 umfasst dabei eine Mehrzahl von Batteriezellen 2, die jeweils eine Entgasungsöffnung 3 aufweisen. Darüber hinaus umfasst das Batteriesystem 1 eine Entgasungseinrichtung 4. Die Entgasungseinrichtung 4 ist dabei als Entgasungskollektor ausgebildet. Die Entgasungseinrichtung 4 weist eine Mehrzahl von Einlassöffnungen 5 auf, wobei die Entgasungseinrichtung 4 derart über den Batteriezellen 2 angeordnet ist, dass jeweils eine Einlassöffnung 5 über einer Entgasungsöffnung 3 einer Batteriezelle 2 angeordnet ist. Die Batteriezellen 2 sind dabei jeweils über ein Anschlusselement 6, welches die Entgasungsöffnung 3 einer Batteriezelle 2 des Batteriesystems 1 mit einer Einlassöffnung 5 der Entgasungseinrichtung 4 verbindet, an die Entgasungseinrichtung 4 angeschlossen. Dabei ist es bei solchen Batteriesystemen 1 insbesondere üblich, dass im Normalbetrieb die Entgasungsöffnung 3 einer Batteriezelle 2 durch ein Sicherheitsventil, beispielsweise durch eine Berstmembran, verschlossen ist, wobei das Sicherheitsventil ausgebildet ist, bei einem Druck beziehungsweise Druckanstieg über einen bestimmten Schwellwert hinaus zu öffnen, insbesondere bei einem Druck beziehungsweise Druckanstieg infolge einer Entgasung, das heißt außerhalb des Normalbetriebs.
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1 zeigt dabei eine entgasende Batteriezelle 2’ mit einer geöffneten Entgasungsöffnung 3’. Durch das Öffnen des Sicherheitsventils ist ein Entweichen eines Fluides 7 aus der Batteriezelle 2’ in die Entgasungseinrichtung 4 ermöglicht. Dabei ist schematisch dargestellt, wie ein Fluid 7, insbesondere ein verdampfter Elektrolyt, aus der Batteriezelle 2’ über die freigegebene Entgasungsöffnung 3’ dieser Batteriezelle 2’ entweicht.
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Über das Anschlusselement 6 und die Einlassöffnung 5 der Entgasungseinrichtung 4 strömt das Fluid 7 dabei druckstoßartig in die Entgasungseinrichtung 4 ein. Der mit der Zellentgasung einhergehende Druck, der sich in der Entgasungseinrichtung 4 ausbildet, liegt dabei an allen Flächen im Inneren der Entgasungseinrichtung 4 an, was in 1 symbolisch durch die Pfeile 8 dargestellt ist. An einander gegenüberliegenden Innenflächen – in 1 beispielhaft durch den Pfeil 9 gekennzeichnet – der Entgasungseinrichtung 4 wirkender Druck 8 wird dabei kompensiert. Da die Innenfläche der Entgasungseinrichtung 4 an den Einlassöffnungen 5 der Entgasungseinrichtung 4 unterbrochen ist, wird der an den den Einlassöffnungen 5 gegenüberliegenden Flächen – in 1 beispielhaft durch den Pfeil 10 gekennzeichnet – wirkende Druck 8 nicht kompensiert; diese Flächen werden daher vorliegend als nicht ausgeglichene Flächen bezeichnet.
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Dies hat zur Folge, dass sich die Entgasungseinrichtung 4 im Entgasungsfall wie ein sogenannter Biege-Balken verhält. Dies ist beispielhaft in 2 dargestellt. 2 zeigt dabei, dass durch die nicht ausgeglichenen Flächen und die somit nicht kompensierten Kräfte – in 2 symbolisch durch die Pfeile 11 dargestellt – ein Biegemoment in der Entgasungseinrichtung 4 hervorgerufen wird, welches die Entgasungseinrichtung 4 deformiert. Insbesondere wird die Entgasungseinrichtung 4 nach oben von den Batteriezellen 2 und der Batteriezelle 2’ wegbewegt. Der abzudichtende Abstand zwischen den Batteriezellen 2 und 2’ und der Unterseite der Entgasungseinrichtung 4 vergrößert sich dabei. Dies kann insbesondere derart erfolgen, dass sich die Entgasungseinrichtung 4 von den Anschlusselementen 6 des Batteriesystems 1 ablöst und durch den somit entstehenden Spalt 12 eine ungewünschte Leckage entsteht. Je mehr Einlassöffnungen 5 sich dabei in der Entgasungseinrichtung 4 befinden und/oder je größer diese sind, desto größer sind die resultierende, nicht ausgeglichene Kraft und die verursachte Deformation.
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Darüber hinaus hat sich insbesondere herausgestellt, dass sich die Entgasungseinrichtung 4 im Entgasungsfall wie ein Hohlkörper-Kessel – verhält. Der im Fall der Entgasung der Batteriezelle 2’ stark erhöhte Druck, der beispielsweise 10 bar betragen kann, bläht die gesamte Entgasungseinrichtung 4 auf. Gründe hierfür sind insbesondere die Geometrie der Entgasungseinrichtung 4, die insbesondere zu Einsparung von Bauraum üblicherweise rechteckig und dabei länglich und schmal ausgebildet ist, und in der Regel nicht rund ausgeformt ist. Darüber hinaus sind unterschiedliche Blechabschnitte der Entgasungseinrichtung 4 verschiedenartig ausgestaltet und weisen nicht die gleiche Dicke, die gleiche Steifheit und/oder die gleichen Werkstoffe auf. Durch das Aufblähen der Entgasungseinrichtung 4 entfernt sich insbesondere der obere Teil der Entgasungseinrichtung 4, insbesondere das Oberblech der Entgasungseinrichtung 4, von den Batteriezellen 2 und 2’. Der untere Teil der Entgasungseinrichtung 4, insbesondere das Unterblech der Entgasungseinrichtung 4, kommt den Batteriezellen 2 jedoch entgegen und verringert dadurch den Abstand zur Zelle.
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Je nachdem welche Stelle der Entgasungseinrichtung 4 betrachtet wird, wirken die beiden Arten der Deformation, also sowohl die Biege-Balken-Deformation als auch die Hohlkörper-Deformation in dieselbe Richtung. Hierdurch entfernt sich der obere Teil der Entgasungseinrichtung 4 noch weiter von den Batteriezellen 2 und 2’. Insbesondere kann es aber auch vorkommen, dass die beiden Arten der Deformation einander entgegenwirken, wodurch sich die beiden Arten der Deformation zumindest teilweise aufheben.
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Eine Idee der Erfindung ist es dabei, die beiden unterschiedlichen Ursachen der Deformation gemeinsam so zu nutzen, dass sich der untere Teil der Entgasungseinrichtung 4, insbesondere das Unterblech der Entgasungseinrichtung 4, den Batteriezellen 2 und 2’ entgegenbewegt, sodass sich der Abstand zwischen den Batteriezellen 2, 2’ und der Entgasungseinrichtung 4 im Entgasungsfall verringert und hierdurch die Dichtfunktion während einer Entgasung erhöht wird. Dabei ist insbesondere vorgesehen, dass im abzudichtenden Bereich des Unterbleches der Entgasungseinrichtung 4 die Biege-Balken-Deformation von der Hohlkörper-Deformation überkompensiert wird.
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Vorteilhafterweise ist hierzu die Geometrie der Entgasungseinrichtung 4 so gestaltet, dass das Unterblech sich durch das Aufblähen den Batteriezellen 2, 2’ stärker entgegenbewegt, als es sich aufgrund der nicht kompensierten Flächen von den Batteriezellen 2, 2’ entfernt.
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Um dies zu erreichen, ist erfindungsgemäß insbesondere vorgesehen, dass die Anschlusselemente eines erfindungsgemäßen Batteriesystems jeweils elastisch rückstellend ausgebildet sind, wobei die Anschlusselemente jeweils mechanisch vorgespannt die Entgasungsöffnung einer Batteriezelle des Batteriesystems und die Einlassöffnung der Entgasungseinrichtung 4 des Batteriesystems verbinden. Ein vorteilhaftes Ausführungsbeispiel hierzu wird unter Bezugnahme auf 3 und 4 näher erläutert.
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Das in 3 und 4 gezeigte Ausführungsbeispiel zeigt dabei einen Schnitt durch ein dem Betrachter frontal zugewandtes, erfindungsgemäß ausgestaltetes Batteriesystem 1. Das Batteriesystem 1 umfasst dabei eine Mehrzahl von Batteriezellen 2, wobei in 3 und 4 aufgrund der gewählten Darstellung jeweils nur eine Batteriezelle 2 zu sehen ist. Für die Batteriezelle wird dabei – anders als im Zusammenhang mit 1 und 2 – sowohl im Fall der Entgasung als auch im Normalbetrieb das Bezugszeichen 2 genutzt.
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Das Batteriesystem 1 umfasst darüber hinaus eine als Entgasungskollektor ausgebildete Entgasungseinrichtung 4. Die Entgasungseinrichtung 4 weist dabei ein unteres Blech 17 und ein oberes Blech 16 auf. In dem unteren Blech 17 sind dabei eine Mehrzahl von Einlassöffnungen 5 vorhanden; in 3 und 4 ist jeweils eine Einlassöffnung 5 dargestellt.
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Die Batteriezellen 2 des Batteriesystems 1 sind jeweils über ein Anschlusselement 6 an die Entgasungseinrichtung 4 angeschlossen, wobei ein Anschlusselement 6 jeweils die Entgasungsöffnung 3 einer Batteriezelle 2 mit einer Einlassöffnung 5 der Entgasungseinrichtung 4 verbindet. Das Anschlusselement 6 ist dabei als Napf-Feder ausgebildet. Als Material für das Anschlusselement 6 ist insbesondere ein Feder-Werkstoff vorgesehen. Insbesondere weist das Anschlusselement 6 jeweils eine höhere Nachgiebigkeit und/oder eine höhere Elastizität auf, als die Entgasungseinrichtung 4, insbesondere als das Unterblech 17 und vor allem als das Oberblech 16 der Entgasungseinrichtung 4.
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Insbesondere dadurch, dass jedes Anschlusselement 6 eines erfindungsgemäßen Batteriesystems 1 eine größere Nachgiebigkeit aufweist, als die Entgasungseinrichtung 4 eines erfindungsgemäßen Batteriesystems 1 und insbesondere eine höhere Nachgiebigkeit aufweisen als das obere Blech 16 der Entgasungseinrichtung 4, wird im Fall einer Zellentgasung eine selbstverstärkende Dichtwirkung erzielt. Diese selbstverstärkende Dichtwirkung wird dabei insbesondere dadurch erzielt, dass sich im Entgasungsfall das Anschlusselement stärker in Richtung der Batteriezelle 2 verformt als sich die Entgasungseinrichtung 4, insbesondere das obere Blech 16 und/oder das untere Blech 17 der Entgasungseinrichtung 4, von der Batteriezelle weg verformt, insbesondere auch dann, wenn das Blech 17 und das Anschlusselement 6 einstückig ausgeführt sind. Würde sich das obere Blech 16 der Entgasungseinrichtung 4 im Fall einer Entgasung einer Batteriezelle 2 und des sich infolge der Entgasung ausbildenden Überdrucks beispielsweise 1 mm von der Batteriezelle 1 weg bewegen, so würde sich das Anschlusselement 6 aufgrund der höheren Nachgiebigkeit im Vergleich zu der Entgasungseinrichtung 4 um 2 mm in die entgegengesetzte Richtung, also in Richtung der Batteriezelle 2 bewegen, wenn die Ausdehnung des Anschlusselementes 6 nicht durch die Batteriezelle 2 begrenzt wäre. Da eine derartige Ausdehnung um 2 mm durch die Batteriezelle 2 aber verhindert wird, wird durch das Anschlusselement 6 der Abstand von 1 mm, den sich das obere Blech 16 und/oder das untere Blech 17 – auch bei einstückiger Ausführung von Blech 17 und Anschlusselement 6 – von der Batteriezelle 2 wegbewegt hat, ausgeglichen, und zudem das Anschlusselement 6 stärker an die Batteriezelle 2 gepresst. Das heißt, die Bewegung der Entgasungseinrichtung 4 weg von der Batteriezelle 2 wird durch das jeweilige Anschlusselement 6 überkompensiert. Das Anschlusselement 6 wirkt somit als selbstverstärkende Dichtung.
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Dadurch, dass das Anschlusselement 6 bei den in 3 und 4 dargestellten Ausführungsbeispielen jeweils als Napf-Feder ausgebildet ist, ist ein Anschlusselement 6 jeweils elastisch ausgebildet, insbesondere elastisch rückstellend. Die Anschlusselemente 6 des Batteriesystems 1 verbinden dabei jeweils mechanisch vorgespannt die Entgasungsöffnung 3 einer Batteriezelle 2 mit einer Einlassöffnung 5 der Entgasungseinrichtung 4. In dem in 3 und 4 jeweils dargestellten Ausführungsbeispiel ist dabei die jeweilige Einlassöffnung 5 größer ausgebildet als die Entgasungsöffnung 3. Die Anschlusselemente 6 sind jeweils fest mit der Entgasungseinrichtung 4 verbunden, beispielsweise indem das obere Ende 15 eines Anschlusselementes 6 an dem Unterblech 17 der Entgasungseinrichtung 4 angeschweißt ist. Insbesondere kann gemäß einer vorteilhaften nicht dargestellten Ausgestaltungsvariante vorgesehen sein, dass die Anschlusselemente 6 jeweils mit der Entgasungseinrichtung 4 verrastet, verklebt oder verlötet sind. Insbesondere ist auch eine einteilige Ausgestaltung von Anschlusselementen 6 mit der Entgasungseinrichtung 4, insbesondere eine einteilige Ausgestaltung von Anschlusselementen 6 mit dem Unterblech 17 der Entgasungseinrichtung 4, als Ausgestaltungsvariante vorgesehen.
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Bei dem in 3 und 4 jeweils dargestellten Batteriesystem 1 ist die Entgasungsöffnung 3 einer Batteriezelle 2 des Batteriesystems 1 umlaufend jeweils ein Dichtelement 13 angeordnet, wobei die Anschlusselemente 6 jeweils über ein solches Dichtelement 13 mit der Entgasungsöffnung 3 einer Batteriezelle 2 verbunden sind. Das Dichtelement 13 wirkt dabei vorteilhafterweise zugleich als elektrischer Isolator, sodass keine elektrisch leitende Verbindung zwischen einer Batteriezelle 2 und der Entgasungseinrichtung 4 besteht. Auch hier kann das Dichtelement 13 einteilig mit dem Anschlusselement 6 ausgeführt sein, insbesondere wenn es sich weich und dicht an die Batteriezelle 2 anschmiegt. Gemäß einer nicht dargestellten vorteilhaften Ausgestaltungsvariante ist auch eine scharfkantige Variante vorgesehen, wobei die scharfe Kante des Anschlusselementes umlaufend in die Oberfläche der Batteriezelle 2 drückt. Die Isolation ist dabei vorteilhaferweise eine Beschichtung, insbesondere eine Lackierung, des Dichtelementes 13 oder der Batteriezelle 2 oder eine dazwischenliegende Folie.
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Aufgrund der mechanischen Vorspannung der Anschlusselemente 6 wird das untere Ende 14 eines Anschlusselementes 6 des Batteriesystems 1 gegen das Dichtelement 13 gedrückt, sodass die Batteriezellen 2 jeweils dicht an die Entgasungseinrichtung 4 angeschlossen sind. Die Anschlusselemente 6 des Batteriesystems 1 sind bei Normalbetrieb, also wenn keine Zellentgasung erfolgt, zumindest teilweise in Richtung der Batteriezelle 2 gewölbt, wie in 3 beispielhaft dargestellt.
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Wird ein Fluid 7 von einer Batteriezelle 2 über die Entgasungsöffnung 3 der Batteriezelle 2 freigesetzt, sodass das Fluid 7 in die Entgasungseinrichtung 4 einströmt und dabei einen Überdruck 8 innerhalb der Entgasungseinrichtung 4 bewirkt, so ist jeweils die der Einlassöffnung 5 gegenüberliegende Fläche – in 3 durch den Pfeil 10 markiert – nicht mit einer korrespondierenden Fläche der Entgasungseinrichtung 4 ausgeglichen. Es ist lediglich ein Ausgleich mit der korrespondierenden Fläche im Boden der Batteriezelle 2 vorhanden. Der Überdruck 8 wirkt dabei innerhalb der Entgasungseinrichtung 4 des Batteriesystems 1 auf alle Flächen, was in 4 durch die den Überdruck symbolisierenden Pfeile 8 dargestellt ist. Die durch den Überdruck 8 erzeugte Kraft wirkt dabei insbesondere auf die durch das jeweilige Anschlusselement 6 bereitgestellte Angriffsfläche. Die elastische Rückstellkraft des Anschlusselementes 6 infolge der eigenen Vorspannung ist im Vergleich zu der Kraft, die durch den Anstieg des Drucks 8 in der Entgasungseinrichtung 4 auf das Anschlusselement 6 wirkt, gering. Das Anschlusselement 6 verformt sich daher infolge der Druckeinwirkung zu der jeweiligen Batteriezelle 2 hin. Das Anschlusselement 6 wölbt sich dabei zumindest teilweise nach außen, wie in 4 vergleichend zu 3 beispielhaft dargestellt. Der Druck 8, der unter anderem auf das Anschlusselement 6 wirkt, trägt dazu bei, dass die Dichtwirkung des Anschlusselementes 6 verbessert ist, da das Anschlusselement 6 gegen die Batteriezelle 2 beziehungsweise das Dichtelement 13 und das Dichtelement 13 gegen die Zelle 2 gepresst wird.
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Weitere vorteilhafte Ausführungsbeispiele für ein erfindungsgemäßes Batteriesystem werden im Zusammenhang mit 5 und 6 sowie im Zusammenhang mit 7 und 8 näher erläutert. Dabei ist jeweils ein Ausschnitt eines Ausführungsbeispiels für ein erfindungsgemäßes Batteriesystem 1 in einer Schnittansicht dargestellt. 5 und 7 zeigen dabei jeweils den Ausschnitt eines Batteriesystem 1 bei Normalbetrieb. 6 und 8 zeigen jeweils den Ausschnitt eines Batteriesystems 1 im Fall einer Zellentgasung.
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Bei den in 5 bis 8 dargestellten Ausführungsbeispielen der Erfindung ist wiederum vorgesehen, dass die Batteriesysteme 1 eine Mehrzahl von Batteriezellen 2, vorzugsweise eine Mehrzahl von nachladbaren Lithium-Ionen-Zellen, umfassen, wobei die Batteriezellen 2 jeweils eine Entgasungsöffnung 3 aufweisen. Insbesondere ist bei dem in 5 bis 8 dargestellten Batteriesystem 1 vorgesehen, dass die Batteriezellen 2 jeweils von einem metallischen Zellgehäuse umgeben sind. Bei Normalbetrieb ist die Entgasungsöffnung 3 einer Batteriezelle 2 von einem Sicherheitsventil 18, welches insbesondere als Berstmembran ausgebildet sein kann, verschlossen. Erst bei Übersteigen eines bestimmten innerhalb der Batteriezelle 2 wirkenden Innendrucks insbesondere infolge von innerhalb der Batteriezelle 2 ablaufenden chemischen Reaktionen öffnet das Sicherheitsventil 18. In 6 und 8 ist dabei das Batteriesystem 1 beispielhaft mit geöffnetem Sicherheitsventil 18’ dargestellt. Durch das geöffnete Sicherheitsventil 18’ kann das innerhalb der Batteriezelle 2 unter höherem Druck vorliegende Fluid aus der Batteriezelle 2 entweichen.
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Darüber hinaus umfassen die in 5 bis 8 gezeigten Batteriesysteme 1 jeweils eine Entgasungseinrichtung 4, wobei es sich bei der Entgasungseinrichtung 4 insbesondere um einen Entgasungskollektor handeln kann. Die Entgasungseinrichtung 4 weist eine Mehrzahl von Einlassöffnungen 5 auf, wobei die Anzahl der Entgasungsöffnungen 3 der Anzahl der Einlassöffnungen 5 entspricht.
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Über Anschlusselemente 6 sind die Batteriezellen 2 dabei an die Entgasungseinrichtung 4 angeschlossen, wobei die Anschlusselemente 6 jeweils die Entgasungsöffnung 3 einer Batteriezelle 2 mit einer Einlassöffnung 5 der Entgasungseinrichtung 4 verbinden. Vorzugsweise weisen die Anschlusselemente 6 eine höhere Nachgiebigkeit auf als die Entgasungseinrichtung 4. Insbesondere sind die Anschlusselemente 6 elastisch rückstellend ausgebildet und verbinden mechanisch vorgespannt jeweils die Entgasungsöffnung 3 einer Batteriezelle 2 mit der Einlassöffnung 5 der Entgasungseinrichtung 4. Die Anschlusselemente 6 sind dabei jeweils unter Vorspannung zwischen der Entgasungseinrichtung 4 beziehungsweise dem unteren Blech 17 der Entgasungseinrichtung 4 und der Batteriezelle 2 angeordnet. Das obere Ende 15 des Anschlusselementes 6 ist dabei fest mit der Entgasungseinrichtung 4 verbunden. Das untere Ende 14 des Anschlusselementes 6 wird durch die Vorspannung gegen die Batteriezelle 2 gedrückt. Dies ist grundsätzlich auch umgekehrt möglich.
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Auch kann eine Folie jeweils dazwischen angeordnet sein oder die Anschlusselemente 6 sind beschichtet/lackiert, dies erfolgt insbesondere zur elektrischen Isolation.
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Vorteilhafterweise ist die Oberfläche der jeweiligen Batteriezelle 2 in diesem Kontaktierungsbereich mit einer Lackschicht – in 5 bis 8 nicht explizit dargestellt – beschichtet, die die Batteriezelle 2 elektrisch gegen das Anschlusselement 6 isoliert. Das Anschlusselement 6 ist dabei bei Normalbetrieb nach innen gewölbt.
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Ferner weisen die Batteriesysteme 1 jeweils Verschlusselemente 19, 22 auf, wobei das im Zusammenhang mit 5 und 6 erläuterte Ausführungsbeispiel eine an einem Scharnier 20 angeordnete Rückschlagklappe als Verschlusselement 19 aufweist und das im Zusammenhang mit 7 und 8 erläuterte Ausführungsbeispiel eine Berstscheibe als Verschlusselement 22 aufweist. Die Verschlusselemente 19, 22 sind dabei jeweils an einer Einlassöffnung 5 der Entgasungseinrichtung 4 angeordnet.
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In 5 und 7 ist dargestellt, dass die Einlassöffnungen 5 jeweils mit einem Verschlusselement 19, 22 verschlossen sind, wobei das eine Einlassöffnung 5 verschließende Verschlusselement 19, 22 die Einlassöffnung 5 im Fall eines Entweichens eines Fluids 7 aus der über das Anschlusselement 6 verbundenen Entgasungsöffnung 3 einer Batteriezelle 2 freigibt – wie in 6 und 8 dargestellt; die geborstene Berstscheibe ist dabei in 8 mit dem Bezugszeichen 22’ bezeichnet. Das entweichende Fluid 7 kann somit über die dann freigegebene Einlassöffnung 5 in die Entgasungseinrichtung 4 einströmen. Die dabei die weiteren Einlassöffnungen der Entgasungseinrichtung 4 verschließenden Verschlusselemente verhindern dabei ein Ausströmen dieses Fluids 7 aus der Entgasungseinrichtung über die Einlassöffnungen. Um dies zu verdeutlichen ist in 5 und 7 jeweils ein auf das jeweilige Verschlusselement 19, 22 weisender Pfeil 7 zur symbolischen Darstellung des Fluids 7 dargestellt, welches an einem Verlassen der Entgasungseinrichtung 4 durch das jeweilige Verschlusselement 19, 22 gehindert ist.
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Bei dem in 7 und 8 dargestellten Ausführungsbeispiel eines erfindungsgemäßen Batteriesystems 1 ist zudem eine Gitterstruktur als fluiddurchlässige Materialschicht 23 direkt an das die Einlassöffnung 5 im Normalbetrieb verschließende Verschlusselement 22 anschließend angeordnet. Die Materialschicht 23 stabilisiert dabei vorteilhafterweise das Verschlusselement 22 gegen eine aus der Entgasungseinrichtung erfolgende Druckeinwirkung. Bei geborstenem Verschlusselement 22’ behindert die Materialschicht 23 vorteilhafterweise das Fluid kaum beim Einströmen in die Entgasungseinrichtung 4.
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Wie in 6 und 8 beispielhaft dargestellt, gibt das eine Einlassöffnung 5 verschließende Verschlusselement 19, 22 die Einlassöffnung 5 im Fall eines Entweichens eines Fluids 7 aus der über das Anschlusselement 6 verbundenen Entgasungsöffnung 3 einer Batteriezelle 2 frei. Somit kann das entweichende Fluid 7 über die freigegebene Einlassöffnung 5 in die Entgasungseinrichtung 4 einströmen. Unter Einwirkung des aus der Zellentgasung resultierenden Anstiegs des Drucks wölbt sich das Anschlusselement 6 senkrecht zur Strömungsrichtung des aus der Batteriezelle 2 austretenden Fluids 7 radial nach außen, wie in 6 und 8 beispielhaft dargestellt. Die die weiteren Einlassöffnungen verschließenden Verschlusselemente verhindern dabei vorteilhafterweise nicht nur ein Ausströmen dieses Fluids 7 aus der Entgasungseinrichtung 4 über diese weiteren Einlassöffnungen 5, sondern führen zudem dazu, dass die Flächen 10, die einer Einlassöffnung 5 gegenüberliegen, ausgeglichen sind, siehe 5 und 7. Hierdurch ist die Deformierung der Entgasungseinrichtung 4 im Fall einer Entgasung zumindest geringer als ohne die Verschlusselemente 19, 22.
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Die in den Figuren dargestellten und im Zusammenhang mit diesen erläuterten Ausführungsbeispiele dienen der Erläuterung der Erfindung und sind für diese nicht beschränkend.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- DE 10328862 B4 [0003]
- DE 102009000660 A1 [0004]
- DE 102011079037 A1 [0005]
