DE102014210231A1

DE102014210231A1 - Druckausgleichselement mit einer Membran, Gehäuse, Batteriezellenmodul sowie Kraftfahrzeug

Info

Publication number: DE102014210231A1
Application number: DE102014210231.6A
Authority: DE
Inventors: Claus Gerald Pflüger; Clemens Schupp; Alexander Vasilico; Olaf Nahrwold
Original assignee: Robert Bosch GmbH; Samsung SDI Co Ltd
Current assignee: Robert Bosch GmbH; Freudenberg Sealing Technologies SAS di Externa Italia SRL; Samsung SDI Co Ltd
Priority date: 2014-05-28
Filing date: 2014-05-28
Publication date: 2015-12-03
Also published as: US20170187018A1; US10539246B2; CN107004803A; CN107004803B; WO2015180971A1

Abstract

Es wird ein Druckausgleichselement (10) für ein Gehäuse, vorzugsweise für einen Lithium-Ionen-Akkumulator, das eine Membran (14) aufweist, die in Reihe mit zumindest zwei parallel und entgegengesetzt zueinander angeordneten Rückschlagventilen geschaltet ist, bereitgestellt, wobei zur Ausbildung der zumindest zwei Rückschlagventile das Druckausgleichselement (10) zwei Ventilplatten (18, 19) aufweist, die zumindest eine Auslasskammer (20) und zumindest eine Einlasskammer (21) ausbilden, die jeweils eine Eingangsöffnung (22) und eine Ausgangsöffnung (23) aufweisen, wobei zwischen den zwei Ventilplatten (18, 19) eine Ventilmembran (24), die zumindest zwei Ventilkappen (28) aufweist, angeordnet ist, und wobei jeweils eine Ventilkappe (28) die Eingangsöffnung (22) der zumindest einen Auslasskammer (20) und der zumindest einen Einlasskammer (21) verschließt. Somit lassen sich vorteilhafterweise Druckausgleichselemente sehr kostengünstig und rationell mit sehr wenig Bauteilen unter Vermeidung loser Bauteile realisieren. Ferner werden ein Gehäuse, ein Batteriezellenmodul sowie ein Kraftfahrzeug vorgeschlagen.

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft ein Druckausgleichselement für ein Gehäuse, das eine Membran aufweist, ein Gehäuse, ein Batteriezellenmodul sowie ein Kraftfahrzeug.
Stand der Technik
Es besteht ein erheblicher Bedarf an mobilen und stationären Batterien für breite Anwendungsbereiche, beispielsweise für Fahrzeuge, stationäre Anlagen, wie zum Beispiel Windkraftanlagen, und mobile Elektronikgeräte, wie zum Beispiel Laptops und Kommunikationsgeräte. An diese Batterien werden sehr hohe Anforderungen hinsichtlich Zuverlässigkeit, Lebensdauer und Leistungsfähigkeit gestellt.
Eine Batteriezelle besteht im Inneren aus elektrochemischen Elementen, die empfindlich auf äußere Einflüsse wie Druckunterschiede, Luft oder Feuchtigkeit reagieren und daher so gut wie möglich davor geschützt werden müssen.
So ist beispielsweise bei Lithium-Ionen-Zellen zur Interkalation sowie zur Deinterkalation die Anwesenheit eines sogenannten Lithium-Ionen-Leitsalzes notwendig. Sowohl für Batteriezellen geringerer Ladung, wie sie zum Beispiel in tragbaren elektronischen Geräten Anwendung finden, als auch in Batteriezellen für den automotiven Bereich wird als Lithium-Leitsalz Lithium-hexa-Fluorophosphat (LiPF₆) eingesetzt. Dieses Leitsalz ist gegenüber Feuchtigkeit äußerst reaktiv, so dass durch Hydrolyse Fluorwasserstoff (HF) entstehen kann.
Insbesondere bei automotiven Anwendungen der Lithium-Ionen-Speichertechnologie muss jedoch zwischen dem Innenraum des Gehäuses der Batterie und der Umgebung ein Druckausgleich stattfinden, da ansonsten durch hohe Umgebungsdruckunterschiede das Gehäuse komprimiert wird oder im anderen Fall sich stark ausdehnen kann. Hohe Druckunterschiede sind bei Flugzeugtransport, bei Gebirgsfahrten, infolge täglicher Druckschwankungen und hohen Temperaturschwankungen gegeben. Das hat im Extremfall zur Folge, dass das Gehäuse der Batterie durch die sehr starke mechanische Belastung zerstört wird.
Daher wird ein permanent ablaufender Volumenaustausch zwischen Gehäuseinnenraum und Umgebung mittels eines Druckausgleichselementes sichergestellt. Das Druckausgleichselement kann durch eine Membran ausgebildet sein. Da in der Umgebungsluft stets ein gewisser Anteil an Wasserdampf enthalten ist, gelangt dieser durch Volumenaustausch und Diffusion durch die Membran in das Gehäuse.
Um genannte Probleme durch Kondenswasser im Inneren des Gehäuses zu verhindern, wird üblicherweise ein Trockenmittel eingesetzt. Auch bei kleinsten Gehäusevolumen ist jedoch über eine Lebensdauer von mehreren Jahren eine Trockenmittelmasse von einigen Kilogramm erforderlich oder es ist ein Austausch des Trockenmittels vorzusehen.
In der DE 10 2012 202 103 A1 wird ein Druckausgleichselement für einen Lithium-Ionen-Akkumulator beschrieben, bei dem eine Membran in Reihe mit zwei parallel und entgegengesetzt zueinander angeordneten Ventilen geschaltet ist. Zudem kann ein Trockenmittel im Druckausgleichselement angeordnet sein.
Offenbarung der Erfindung
Erfindungsgemäß wird ein Druckausgleichselement für ein Gehäuse, das eine Membran aufweist, die in Reihe mit zumindest zwei parallel und entgegengesetzt zueinander angeordneten Rückschlagventilen geschaltet ist, bereitgestellt, wobei zur Ausbildung der zumindest zwei Rückschlagventile das Druckausgleichselement zwei Ventilplatten aufweist, die derart beschaffen sind, dass zumindest eine Auslasskammer und zumindest eine Einlasskammer dazwischen gegeben sind. Die zumindest eine Auslasskammer und die räumlich davon getrennte zumindest eine Einlasskammer besitzen jeweils eine Eingangsöffnung und eine Ausgangsöffnung. Zwischen den zwei Ventilplatten ist eine Ventilmembran befindlich und durch die Ventilplatten fixiert, die zumindest zwei Ventilkappen, das heißt vorzugsweise verstärkte Bereiche, vorzugsweise in zylindrischer Form verstärkt, der Ventilmembran aufweist, die jeweils die Eingangsöffnungen der zumindest einen Auslasskammer und der zumindest einen Einlasskammer verschließen.
Die Ventilplatten werden mittels geeigneter Mittel oder Maßnahmen fest miteinander verbunden.
Somit lassen sich vorteilhafterweise die Rückschlagventile aus lediglich drei Bauteilen realisieren, da die Ventilmembran und die Ventilkappen vorzugsweise einstückig, unter Vermeidung loser Bauteile, ausgebildet sind.
Zudem bietet die erfindungsgemäße Ausgestaltung bei einfacher Realisierung eine sichere Ventilfunktion.
Um den Druckausgleich zu ermöglichen, muss die Ventilmembran Durchgangsöffnungen aufweisen. Diese sind vorzugsweise derart ausgebildet, dass die Ventilkappen davon umgeben sind, wobei zur exakten Positionierung der Ventilkappen in Relation zur übrigen Ventilmembran zumindest eine Verbindung zwischen Ventilkappe und Ventilmembran, vorzugsweise zwei oder drei Verbindungen gegeben sein müssen.
Die zumindest eine Verbindung ist vorzugsweise federnd ausgestaltet, so dass über die Federkraft die Rückschlagventile entsprechend den jeweiligen Vorgaben bzw. hinsichtlich des gewünschten Öffnungsdrucks ausgestaltet werden können.
Die federnde Ausgestaltung der zumindest einen Verbindung kann durch die Auswahl eines elastischen Materials der Ventilmembran und/oder durch eine entsprechende räumliche Auslegung der zumindest einen Verbindung, vorzugsweise als Mäanderfeder erfolgen.
Geeignete Materialien, vorzugsweise Polymere, besonders bevorzugt Elastomere, sind dem Fachmann bekannt.
Um insgesamt die Anzahl der für das Druckausgleichselement benötigten Bauteile zu reduzieren, wird vorzugsweise die Ventilmembran mit einem angeformten O-Ring versehen, der für die Abdichtung des Druckausgleichselements in Relation zu einem Gehäuse notwendig ist.
Der O-Ring umgibt die Ventilmembran, die vorzugsweise rund ausgestaltet ist und ist mit dieser über zumindest einen, vorzugsweise zwei bis vier Stege verbunden.
Vorzugsweise wird diese Ausführungsform der Ventilmembran mit angeformtem O-Ring aus einem Elastomer gefertigt, damit die Dichtwirkung möglichst hoch ist.
Da der O-Ring um die Ventilplatten herumführt, weisen die Ventilplatten korrespondierende Nuten auf, durch die Stege, die zur Ventilmembran führen, geführt sind.
Nach einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung weist die Ventilmembran in den Bereichen, in denen sie von den Ventilplatten kontaktiert wird, Verdickungen bzw. Stege auf, um die Ventilplatten bzw. die Einlass- und Auslasskammern nach außen und untereinander verstärkt abzudichten.
Die Ventilmembran in ihren verschiedenen Ausführungsformen bietet vorteilhafterweise eine prozesssichere Herstellung an Nestplatten und ein verbessertes Handling für Pick & Place-Montageautomaten.
Die Membran ist lediglich gasdurchlässig, so dass feste Verunreinigungen und Flüssigkeiten zurückgehalten werden. Nach einer bevorzugten Ausführungsform kann die Membran hydrophob und/oder oleophob ausgerüstet sein, so dass gegenüber Flüssigkeiten, insbesondere Wasser und/oder Ölen, ein erhöhter Schutz gegeben ist.
Nach einer weiteren Ausführungsform des erfindungsgemäßen Druckausgleichselements ist auf der der ersten Membran abgewandten Seite der Rückschlagventile eine zweite Membran vorgesehen, um eventuell vorhandene Verschmutzungen aus dem Innenraum des mit einem Druckausgleich versehenen Gehäuses von den Rückschlagventilen fernzuhalten.
Geeignete Materialien für derartige Membranen sind dem Fachmann aus dem Stand der Technik bekannt, bevorzugt werden Membranen aus Polytetrafluorethylen (PTFE) oder Polyethylenterephthalat (PET).
Nach einer besonders bevorzugten Ausführungsform des Druckausgleichselements ist dieses mit einem Trockenmittel versehen, das vorzugsweise in einem Trockenmittelbehälter angeordnet ist und dem zumindest zwei Rückschlagventile nachgeordnet sind. Dadurch wird beim Druckausgleich die Luft, die eventuell dampfbeladen ist, durch das im Gehäuse befindliche Trockenmittel geführt und Feuchtigkeit sicher gebunden.
Vorteilhafterweise kann hierüber sicher gewährleistet werden, dass jegliche Feuchtigkeit am Eindringen in das Gehäuse gehindert wird, wodurch Korrosion und Kurzschlüsse sicher unterbunden werden können.
Die Menge an Trockenmittel kann derart bemessen sein, dass diese über die Lebensdauer beispielsweise eines Akkumulators, der im Gehäuse angeordnet ist, ausreicht.
Alternativ kann die Trockenmittelmenge in einem austauschbaren Trockenmittelbehälter befindlich sein, der in definierten Intervallen auszutauschen ist. Dabei ist besonders vorteilhaft, dass die benötigte Trockenmittelmenge noch geringer gehalten werden kann als bei den anderen Ausführungsformen der Erfindung.
Geeignete Trockenmittel sind dem Fachmann aus dem Stand der Technik allgemein bekannt. Bevorzugt werden Silika, Molekularsieb oder tonbasierte Trockenmittel.
Die Membran wird vorzugsweise mit einer Schutzkappe, die auch als Grundhalter oder Gehäuse fungieren kann, versehen, so dass mechanische Beschädigungen der Membran verhindert werden können. Auch ein Schutz vor Spritzwasser, beispielsweise bei der Anwendung eines Dampfstrahlreinigers oder bei Steinschlag, ist damit gegeben.
Zudem wird erfindungsgemäß ein Gehäuse, das über ein erfindungsgemäßes Druckausgleichselement verfügt, für feuchtigkeitsempfindliche Bauteile oder Vorrichtungen, bei denen es nicht zu Kondensatbildung kommen darf, wie Steuergeräten oder Batteriemodulen, beansprucht.
Dementsprechend ist Gegenstand dieser Erfindung auch ein Batteriezellenmodul bzw ein Batteriepack, vorzugsweise ein Lithium-Ionen-Akkumulator mit einem erfindungsgemäßen Gehäuse, wobei das Batteriezellenmodul bzw. das Batteriepack ein Steuergerät aufweisen kann.
Zudem ist Gegenstand der Erfindung ein Kraftfahrzeug, insbesondere ein elektromotorisch angetriebenes Kraftfahrzeug, welches wenigstens ein erfindungsgemäßes Batteriezellenmodul aufweist, das mit einem Antriebssystem des Kraftfahrzeugs verbunden ist.
Vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung sind in den Unteransprüchen angegeben und in der Beschreibung beschrieben.
Zeichnungen
Ausführungsbeispiele der Erfindung werden anhand der Zeichnungen und der nachfolgenden Beschreibung näher erläutert. Es zeigen:
1 in einer geschnittenen Ansicht ein erfindungsgemäßes Druckausgleichselement,
2 in einer perspektivischen Ansicht eine erste Ausführungsform der Ventilmembran des erfindungsgemäßen Druckausgleichselements,
3 in einer perspektivischen Ansicht eine zweite Ausführungsform der Ventilmembran des erfindungsgemäßen Druckausgleichselements, und
4 in einer Aufsicht eine Nestplatte für Ventilmembranen des erfindungsgemäßen Druckausgleichselements.
1 zeigt ein erfindungsgemäßes Druckausgleichselement 10, das über einen Grundhalter 11 in einer Durchgangsöffnung einer Wandung 12 eines nicht näher dargestellten Gehäuses angeordnet ist. Der Grundhalter 11 ist auf der Innenseite des Gehäuses mittels eines Schnappverschlusses 13 fixiert. Andere Befestigungsarten sind möglich. Der Grundhalter 11 dient nach dieser Ausführungsform zugleich als Schutzkappe für eine im Grundhalter 11 angeordnete Membran 14. Zum Ein- und Auslass von Luft bzw. zum Druckausgleich besitzt der Grundhalter 11 mehrere Durchgangsöffnungen 15.
Der Grundhalter 11 weist umlaufend einen auskragenden Abschnitt 16 auf, wobei zwischen diesem Abschnitt 16 und der Wandung ein O-Ring 17 zur Abdichtung angeordnet ist. Der Membran 14 nachgeordnet befinden sich im Inneren des Grundhalters 11 zwei Ventilplatten 18 und 19, die gemeinsam eine Auslasskammer 20 und eine Einlasskammer 21 ausbilden, die jeweils eine Eingangsöffnung 22 und eine Ausgangsöffnung 23 aufweisen, wobei die Eingangsöffnungen 22 in die Einlasskammer 21 und die Auslasskammer 20 hinein bis zur Raummitte verlängert sind. Zwischen den zwei Ventilplatten 18 und 19 ist eine Ventilmembran 24 angeordnet, die zum einen zur Dichtung der Ventilplatten 18 und 19 gegeneinander und zum anderen zur Trennung von Einlasskammer 21 und Auslasskammer 20 dient. Die Ventilmembran 24, die in den 2 und 4 näher dargestellt ist, weist einen runden Mittelteil auf, der einen umlaufenden Steg 25 und einen zweiten Steg 26 besitzt, der die Ventilmembran mittig unterteilt. Die Stege 25 und 26 sind auf Ober- und Unterseite der Ventilmembran 24 vorgesehen und dienen, wie bereits ausgeführt, zur Dichtung und Unterteilung. Weiterhin weist die Ventilmembran 24 umlaufend den genannten O-Ring 17 auf, der mittels mehrerer Stege 27 an der Ventilmembran 24 fixiert ist. Die Stege 27 führen durch nicht näher dargestellte Öffnungen durch die Ventilplatten 18, 19 sowie den Grundhalter 11. In den beiden Teilen der Ventilmembran 24 ist jeweils in einer Durchgangsöffnung eine zylindrische Ventilkappe 28 angeordnet, die über Stege 29 oder Mäanderfedern 30 gehalten werden. Die Ventilkappen 28 überdecken im fertig montierten Druckausgleichselement 10 die Eingangsöffnungen 22 und geben diese bei einem definierten Druck frei. 4 zeigt eine sogenannte Nestplatte 31 zur rationellen Fertigung der Ventilmembran 24.
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
Diese Liste der vom Anmelder aufgeführten Dokumente wurde automatisiert erzeugt und ist ausschließlich zur besseren Information des Lesers aufgenommen. Die Liste ist nicht Bestandteil der deutschen Patent- bzw. Gebrauchsmusteranmeldung. Das DPMA übernimmt keinerlei Haftung für etwaige Fehler oder Auslassungen.
Zitierte Patentliteratur

DE 102012202103 A1 [0008]

Claims

Ein Druckausgleichselement (10) für ein Gehäuse, das eine Membran (14) aufweist, die in Reihe mit zumindest zwei parallel und entgegengesetzt zueinander angeordneten Rückschlagventilen geschaltet ist, dadurch gekennzeichnet, dass zur Ausbildung der zumindest zwei Rückschlagventile das Druckausgleichselement (10) zwei Ventilplatten (18, 19) aufweist, die zumindest eine Auslasskammer (20) und zumindest eine Einlasskammer (21) ausbilden, die jeweils eine Eingangsöffnung (22) und eine Ausgangsöffnung (23) aufweisen, wobei zwischen den zwei Ventilplatten (18, 19) eine Ventilmembran (24), die zumindest zwei Ventilkappen (28) aufweist, angeordnet ist, und wobei jeweils eine Ventilkappe (28) die Eingangsöffnung (22) der zumindest einen Auslasskammer (20) und der zumindest einen Einlasskammer (21) verschließt.
Das Druckausgleichselement nach Anspruch 1, wobei die zumindest zwei Ventilkappen (28) federnd mit der Ventilmembran (24) verbunden sind.
Das Druckausgleichselement nach Anspruch 2, wobei die federnde Verbindung der zumindest zwei Ventilkappen (28) jeweils durch zumindest eine Mäanderfeder (30) ausgebildet ist.
Das Druckausgleichselement nach Anspruch 2 oder 3, wobei die zumindest zwei Ventilkappen (28), die Ventilmembran (24) und die federnde Verbindung einteilig sind.
Das Druckausgleichselement nach einem der Ansprüche 1 bis 4, wobei an der Ventilmembran (24) ein umlaufender O-Ring (17) angeformt ist.
Das Druckausgleichselement nach einem der Ansprüche 1 bis 5, wobei das Druckausgleichselement (10) ein Trockenmittel aufweist, das der Membran (14) und den zumindest zwei Rückschlagventilen nachgeordnet ist.
Das Druckausgleichselement nach einem der Ansprüche 1 bis 6, wobei die Membran (14) mit einer Schutzkappe überdeckt ist.
Ein Gehäuse ein Druckausgleichselement (10) nach einem der Ansprüche 1 bis 7 aufweisend.
Ein Batteriezellenmodul ein Gehäuse nach Anspruch 8 aufweisend.
Das Batteriezellenmodul nach Anspruch 9, wobei das Batteriezellenmodul ein Lithium-Ionen-Akkumulator ist.
Ein Kraftfahrzeug, insbesondere elektromotorisch antreibbares Kraftfahrzeug, mit einem Batteriezellenmodul nach Anspruch 9 oder 10, wobei das Batteriezellenmodul mit einem Antriebssystem des Kraftfahrzeuges verbunden ist.