DE102014213916A1

DE102014213916A1 - Batteriesystem mit verbessertem Entgasungssystem

Info

Publication number: DE102014213916A1
Application number: DE102014213916.3A
Authority: DE
Inventors: Matthias Stein; Jochen Schweinbenz; Alfons Doerr; Till Froemling; Alexander Reitzle; Markus Kohlberger; Andreas Gleiter; Klaus-Peter Spieske
Original assignee: Robert Bosch GmbH
Current assignee: Robert Bosch GmbH
Priority date: 2014-07-17
Filing date: 2014-07-17
Publication date: 2016-01-21
Also published as: CN105280861B; CN105280861A

Abstract

Die vorliegende Erfindung betrifft ein Batteriesystem (10), aufweisend ein Batteriemodul (12) mit einer Mehrzahl an Batteriezellen (14), die jeweils wenigstens eine in einem Zellgehäuse (16) angeordnete Zelleinheit aufweisen, wobei die Zellgehäuse (16) jeweils ein Entgasungsventil (18) zum Entgasen von bei einem Fehlerfall in dem Zellgehäuse (16) sich bildender Entgasungsemission aufweisen, und wobei ein Entgasungskollektor (20) zum Ableiten der Entgasungsemission aus dem Batteriesystem (10) vorgesehen ist, der Öffnungen aufweist, die mit den Entgasungsventilen (18) verbunden sind, dadurch gekennzeichnet, dass der Entgasungskollektor (20) durch die Entgasungsemission derart verformbar ist, dass das von ihm umschlossene Volumen vergrößerbar ist. Zusammenfassend kann das vorbeschriebene Batteriesystem (10) ein kostengünstiges, platzarmes, gewichtsarmes und sicheres Entgasungssystem für das Entgasen in einem Fehlerfall von Batteriezellen (14) schaffen.

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft ein Batteriesystem. Die vorliegende Erfindung betrifft insbesondere ein Batteriesystem mit einem verbesserten Entgasungssystem zur Entgasung von Batteriezellen in einem Fehlerfall einer oder mehrerer Batteriezellen.
Stand der Technik
Batteriesysteme, wie beispielsweise aufweisend Lithium-Ionen-Batterien, sind in vielen täglichen Anwendungen weit verbreitet. Sie werden beispielsweise in Computern, wie etwa Laptops, Mobiltelefonen, Smartphones und bei anderen Anwendungen eingesetzt. Auch bei der zur Zeit stark vorangetriebenen Elektrifizierung von Fahrzeugen, wie etwa Kraftfahrzeugen, bieten derartige Batterien Vorteile.
Batteriesysteme und deren Subkomponenten sind dabei oftmals aus Gründen des Hochvolt-Berührschutzes, zur Vermeidung von Korrosions- und allgemeinen Verschmutzungsrisiken, aus Gründen der geführten Entgasung und aus Gründen der elektromagnetischen Verträglichkeit geschlossen ausgeführt beziehungsweise von einem dichten und starren Gehäuse umgeben. Die Abdichtung der Gehäusekomponenten wie auch die Abdichtung an den Schnittstellen zwischen den Gehäusekomponenten gestaltet sich oftmals als technisch sehr herausfordernd.
Zudem können Batteriesysteme durch verschiedene Mechanismen, insbesondere in einem Fehlerfall, wie ein Generator wirken, der innerhalb weniger Sekunden eine große Menge an Gas erzeugt. Lithium-Ionen-Zellen, beispielsweise, können dabei insbesondere aufgrund von elektrischen Effekten, wie etwa einem Überladen, mechanischen Effekten, wie etwa einer Beschädigung des Gehäuses, von thermischen Effekten oder bei einem internen oder externen Kurzschluss, wie beispielsweise durch metallische Gegenstände, sich mehr oder weniger heftig erwärmen. Ein derartiges Erwärmen geht oftmals einher mit einem Druckanstieg in der Zelle durch sich bildendes Gas.
Eine einzige Batteriezelle kann dabei bis zu 80 Liter giftiges Gas, wie etwa Kohlenmonoxid (CO), Kohlendioxid (CO₂), Wasserstoff (H₂), Fluorwasserstoff (HF), welches zu einer weiteren Korrosion führen kann, oder Methan (CH₄) ausstoßen. Ferner können unzersetzte Elektrolytkomponenten, wie etwa Dimethylcarbonat (DMC), Ethylencarbonat (EC) oder Phosphorverbindungen, wie etwa Phosphoroxytrifluorid (POF₃) oder auch feste brennbare Bestandteile, wie etwa Graphit, austreten. Infolge dessen besteht die Gefahr, dass das Gehäuse aufgrund einer schnellen, unkontrollierbaren Druckerhöhung beschädigt wird und die Umgebung negativ beeinflusst beziehungsweise gefährdet wird.
Zum kontrollierten Abführung dieser Gase beziehungsweise Bestandteile aus der Batterie verfügen Batteriezellen beziehungsweise deren Zellgehäuse oftmals über eine Berstöffnung beziehungsweise ein Entgasungsventil. Das Entgasungsventil kann dabei mit einem Entgasungssystem verbunden sein, das aus stabilen Schläuchen oder Kunststoffrohren ausgestaltetet sein kann. Ein üblicher Aufbau ist hierzu ein Deckel über einer oder mehrere Batteriezellen, wobei die aus dem Kollektor austretenden Gase über Rohre oder Schläuche nach außen geführt werden.
Auch durch Korrosion oder einfache mechanische Beschädigung des Entgasungsventils oder des Gehäuses an sich, etwa durch Feuchtigkeit oder Kriechströme, kann es zum Austritt von Elektrolyt kommen, der sich nur langsam durch abfallende Zellspannungen und Erhöhung der Innenwiderstände bemerkbar macht.
Das Dokument JP 2013-051048 A beschreibt einen Energiespeicher, bei dem eine Vielzahl von Zellen durch eine umlaufende Befestigungseinrichtung aufweisend zwei Endplatten und bandartige Querplatten befestigt ist.
Aus dem Dokument EP 2 538 470 A1 ist ein Batteriemodul bekannt, bei dem eine Mehrzahl an Zellen jeweils aufweisend eine Entlüftung hintereinander angeordnet sind, wobei die Entlüftungen räumlich in einer Reihe angeordnet sind. Dabei ist ein Kollektor vorgesehen, um die aus den Entlüftungen austretenden Gase aufzunehmen.
Die Dokumente EP 2 509 084 A1 und US 2012/0276426 A1 beschreiben eine Vorrichtung zum Speichern elektrischer Energie aufweisend eine Vielzahl an Speicherzellen, die jeweils in einem Gehäuse angeordnet ist. Ein flexibler Kanal ist auf die Gehäuse geschweißt und weist mit dem Inneren der Gehäuse verbundene Öffnungen und ferner ein Rückschlagventil auf. Der Kanal dient dazu, während eines gewünschten Ladens beziehungsweise Entladens der Zellen, also während des Betriebs der Energiespeichervorrichtung, Gas aus den Zellen aufzunehmen, wobei das Rückschlagventil Gas entweichen jedoch nicht eintreten lässt. Durch diese Ausgestaltung soll die Anzahl der Rückschlagventile reduziert werden, damit nicht mehr jede der Zellen ein derartiges Ventil aufweisen braucht.
Das Dokument US 2013/0143077 A1 beschreibt eine Lithium-Ionen-Batterie. Eine derartige Batterie weist ein flexibles Gehäuse auf, welches eine oder mehrere Öffnungen zum Entgasen aufweisen kann.
Offenbarung der Erfindung
Gegenstand der vorliegenden Erfindung ist ein Batteriesystem, aufweisend ein Batteriemodul mit einer Mehrzahl an Batteriezellen, die jeweils wenigstens eine in einem Zellgehäuse angeordnete Zelleinheit aufweisen, wobei die Zellgehäuse jeweils ein Entgasungsventil zum Entgasen von, insbesondere bei einem Fehlerfall, in dem Zellgehäuse sich bildender Entgasungsemission aufweisen, und wobei ein Entgasungskollektor zum Ableiten der Entgasungsemission aus dem Batteriesystem vorgesehen ist, der Öffnungen aufweist, die mit den Entgasungsventilen verbunden sind, dadurch gekennzeichnet, dass der Entgasungskollektor durch die Entgasungsemission derart verformbar ist, dass das von ihm umschlossene Volumen vergrößerbar ist.
Ein derartiges Batteriesystem erlaubt eine verbesserte Entgasung, indem es bei kostengünstiger Herstellbarkeit und einer besonders platzarmen Verbauung eine sichere Entgasung und Ableitung der Entgasungsemission erlaubt.
Hierzu umfasst das Batteriesystem zunächst ein Batteriemodul mit einer Mehrzahl an Batteriezellen, die jeweils wenigstens eine in einem Gehäuse angeordnete Zelleinheit aufweisen. Das Batteriemodul umfasst somit eine beziehungsweise ist aufgebaut aus einer Mehrzahl an Batteriezellen, welche in an sich bekannter Weise in Reihe oder parallel geschaltet sein können. Die Batteriezellen weisen dabei jeweils ein Zellgehäuse auf, in welchem eine oder eine Mehrzahl an Zelleinheiten angeordnet ist. Dabei umfasst das Vorsehen einer Zelleinheit in für den Fachmann verständlicher Weise gleichermaßen das Vorsehen einer Mehrzahl an Zelleinheiten in dem Gehäuse. Die Zelleinheiten können grundsätzlich wie aus dem Stand der Technik beispielsweise für Lithium-Ionen-Zellen bekannt ausgestaltet sein und etwa ein Wicklungselement ausbilden.
Um bei einem Fehlerfall ein in dem Zellinneren sich ausbildendes Gas, wie dies vorstehend im Detail beschrieben ist, aus der Batteriezelle ableiten zu können, weist das Zellgehäuse beziehungsweise weisen die in dem Modul angeordneten Zellgehäuse ein beispielsweise als grundsätzlich bekannte Berstmembran ausgestaltetes Entgasungsventil auf. Dabei wird im Folgenden das austretende Gas beziehungsweise das zumindest teilweise gasförmige Gemisch zusammen mit seinen Bestandteilen und seinen Eigenschaften, also insbesondere einer erhöhten Temperatur und einem erhöhten Druck, als Entgasungsemission bezeichnet.
Für den Fall, dass in einer oder in einer Mehrzahl an Batteriezellen ein Fehlerfall vorliegt, der mit dem Austreten von Entgasungsemission aus den Batteriezellen einhergeht, sollte die Entgasungsemission nicht nur aus den Batteriezellen geleitet sondern ferner definiert aus dem Batteriesystem und in vorteilhafter Weise aus einer mit dem Batteriesystem ausgestatteten Vorrichtung abgeleitet werden. Beispielsweise kann die Entgasungsemission aus einem Elektromotor beziehungsweise aus einem elektrisch angetriebenen Fahrzeug geleitet werden. Hierfür ist bei einem vorbeschriebenen Batteriesystem ein Entgasungskollektor zum Ableiten der Entgasungsemission aus dem Batteriesystem vorgesehen. Ein derartiger Entgasungskollektor kann somit insbesondere als Leitung beziehungsweise Kanal oder Leitungssystem beziehungsweise Kanalsystem beispielsweise derart ausgestaltet beziehungsweise angeordnet sein, um die Entgasungsemission gezielt und definiert abzuleiten und aus dem Batteriesystem zu einer definierten Entgasungsposition zu leiten. Beispielsweise kann ein Entgasungskollektor dazu dienen, Schadgase nicht in einen Fahrgastraum zu leiten, sondern in die Fahrzeugumgebung zu führen. Dabei kann der Entgasungskollektor beispielsweise dazu dienen, die Entgasungsemission von einem Batteriesystem wegzuleiten. Um die Entgasungsemission aus den Batteriezellen in den Entgasungsanal zu leiten, kann dieser entsprechend der Anzahl an Zellgehäusen beziehungsweise Entgasungsventilen eine geeignete Anzahl an Öffnungen aufweisen, die mit den Entgasungsventilen der Batteriezellen beziehungsweise der Zellgehäuse vorteilhafter Weise druckdicht verbunden sind. Die Öffnungen sind somit derart positioniert, dass Entgasungsemission durch die Entgasungsventile und die Öffnungen in den Entgasungskollektor strömen kann. Eine druckdichte Verbindung, insoweit diese vorliegt, kann ferner bedeuten, dass die Entgasungsemission ohne die Gefahr eines unkontrollierten Austretens in den Entgasungskollektor strömt.
Bei einem vorbeschriebenen Batteriesystem ist es dabei vorgesehen, dass der Entgasungskollektor durch die Entgasungsemission derart verformbar, beispielsweise entfaltbar oder dehnbar ist, dass das von ihm umschlossene Volumen vergrößerbare beziehungsweise expandierbar ist. Eine derartige Ausgestaltung weist insbesondere gegenüber den aus dem Stand der Technik bekannten Lösungen, wonach ein insbesondere starrer beziehungsweise in seinem Volumen nicht veränderbarer Entgasungskollektor vorgesehen ist, signifikante Vorteile auf.
Durch das Vorsehen eines wie vorstehend beschrieben ausgestalteten Entgasungskollektors kann sich dieser bei dem Austreten von Entgasungsemission aus einer oder mehreren Batteriezellen verformen beziehungsweise ausdehnen oder entfalten, so dass die gesamte auftretende Entgasungsemission problemlos durch den Entgasungskollektor abführbar ist.
Dadurch wird es ermöglicht, dass der Entgasungskollektor bei einem gewünschten Arbeiten des Batteriesystems kompakt an den Zellgehäusen angeordnet werden kann und nur im Bedarfsfall das notwendige Volumen ausbildet. Dadurch kann ein besonders platzarmes Anordnen des Entgasungskollektors ermöglicht werden, wobei trotzdem ein großer Querschnitt problemlos erzielbar ist, ohne dass permanent ein ausreichender Bauraum vorgehalten werden muss oder ein räumlich anspruchsvoller Kollektor die Montage schwierig gestaltet. Ein großer Querschnitt des Entgasungskollektors kann dabei von Vorteil sein, um die unter Druck stehenden Entgasungsemissionen dynamisch ableiten zu können.
Dabei kann durch eine Verformung des Entgasungskollektors und damit einhergehend durch eine Vergrößerung des von dem Entgasungskollektor umschlossenen Volumens sogar problemlos ein verglichen zu einer starren Anordnung vergrößerter Querschnitt erzeugt werden, da dieser, wie vorstehend beschrieben, nicht permanent vorliegen braucht. Dadurch kann aufgrund des idealen Gasgesetzes der Druck und die Temperatur vergleichsweise geringer sein als bei einem geringeren Querschnitt, so dass die auftretenden Belastungen, wie insbesondere Temperatur und Druck, für die Materialien geringer sind.
Durch einen Verzicht auf einen starren Kollektor und damit durch eine Reduzierung starrer Komponenten kann ferner der weitere Vorteil erzielt werden, wonach verhindert werden kann, dass durch die Größe und Masse derartiger starrer Bauteile im dynamischen Fahrzeugbetrieb, bei einer nicht beschränkenden mobilen Verwendung etwa in einem elektrisch angetriebenen Fahrzeug, die Eigenbewegung der Bauteile zu einer hohen Belastung der Dichtsysteme an den Schnittstellen führen können.
Darüber hinaus ist es möglich, nur den Entgasungskollektor aus einem flexiblen Material zu gestalten, die eigentlichen Batteriezellen beziehungsweise deren Gehäuse jedoch aus einem festen und beispielsweise starren Gehäuse zu schaffen, was die Sicherheit der eigentlichen Zellen nicht negativ beeinflusst.
Denn eine mechanische Beschädigung der Zellen kann durch stabile Zellgehäuse weiterhin effektiv verhindert werden.
Dabei sind als Materialien für den Entgasungskollektor besonders geeignet, hochtemperaturbeständige Polymere, also bei der Entgasungsemission stabilen Polymeren, wie etwa Polyethylenterephtalat, oder Edelstahl, wie etwa SUS304, welcher beispielsweise Falzen aufweisen kann, die sich entsprechend einem Blasebalg auffalten können. Derartige Materialien können eine hohe Flexibilität mit einer hohen Stabilität und insbesondere einem geringen Gewicht vereinen.
Zusammenfassend kann das vorbeschriebene Batteriesystem somit ein kostengünstiges, platzarmes, gewichtsarmes und sicheres Entgasungssystem für das Entgasen in einem Fehlerfall von Batteriezellen schaffen.
Im Rahmen einer Ausgestaltung kann der Entgasungskollektor wenigstens einen Bereich aufweisen, der eine nach innen gewölbte Form aufweist und durch die Entgasungsemission in einen Bereich mit einer nach außen gewölbten Form überführbar ist. In dieser Ausgestaltung liegt der eine oder liegt eine Mehrzahl an Bereichen somit bei einem gewünschten Betreiben des Batteriesystems in einer nach innen beziehungsweise konvexen Form vor. Durch die Entgasungsemission, insbesondere durch den Druck der Entgasungsemission, kann dabei erreicht werden, dass der oder die entsprechenden Bereiche nach außen verformt werden und somit in einer konkaven Form vorliegen. Dadurch kann es ermöglicht werden, dass Druckstöße besonders problemlos aufgefangen werden, da durch die Deformierung des Entgasungskollektors beziehungsweise des wenigstens einen entsprechend geformten Bereichs Austrittsenergie der Entgasungsemission aufgenommen beziehungsweise für die Deformierung aufgebracht beziehungsweise verbraucht wird. Dabei kann beispielsweise aber nicht beschränkend über jeder der Batteriezellen beziehungsweise jeweils benachbart zu einem Entgasungsventil eines Zellgehäuses jeweils ein konvexer Bereich vorliegen. Insbesondere in dieser Ausgestaltung, aber auch grundsätzlich, kann der Entgasungskollektor dabei aus einem Metall geformt sein, wie dies vorstehen erläutert ist. Das Metall kann beispielsweise als Metallblech ausgestaltet sein, um eine gewünschte Deformierbarkeit zu erreichen.
In dieser Ausgestaltung können somit Druckstöße besonders effektiv aufgenommen werden. Dadurch kann der Nachteil umgangen werden, wonach gemäß dem Stand der Technik Druckstöße von bis zu 10bar infolge einer sukzessiven Entgasung von Batteriezellen von einem umgebenden starren Gehäuse nur bedingt dynamisch aufgefangen werden. Es kann somit vermieden werden, dass bei einer Entgasung von Batteriezellen infolge eines sehr dynamischen Druckaufbaus Verformungen von Gehäusekomponenten auftreten können, die von Dichtungen zwischen den Gehäusekomponenten nicht oder nur schwer kompensiert werden können. Derartige Probleme treten bei einem vorbeschriebenen flexiblen Entgasungskollektor insbesondere in dieser Ausgestaltung, aber auch grundsätzlich bei einem erfindungsgemäßen Entgasungskollektor, somit gerade nicht auf.
Im Rahmen einer weiteren Ausgestaltung kann der Entgasungskollektor zumindest teilweise von durch die Entgasungsemission verformbarem und/oder schmelzbarem Material umgeben sein. Dabei kann das Material unmittelbar an dem Entgasungskollektor anliegen oder von diesem beabstandet sein. Ferner kann das entsprechende Material den Entgasungskollektor vollständig umgeben oder nur partiell benachbart zu dem Entgasungskollektor angeordnet sein. Dieses Material kann dabei durch die Entgasungsemission verformt, insbesondere komprimiert, oder aufgeschmolzen werden. Ein Verformen kann dabei insbesondere durch den Druck der Entgasungsemission erfolgen, wohingegen ein Schmelzen insbesondere durch die Temperatur der Entgasungsemission und damit einhergehend des Entgasungskollektors erfolgen kann. Hierdurch kann es ermöglicht werden, dass der Entgasungskollektor bei einer Entgasung einen vormals von dem Material eingenommenen Raum einnimmt. Dadurch kann bei besonders großer Kompaktheit eine besonders stabile Anordnung geschaffen werden, die eine Volumenvergrößerung des Entgasungskollektors nicht negativ beeinflusst.
Beispielsweise kann das vorbeschriebene Material geschäumt sein und dadurch deformierbar beziehungsweise komprimierbar sein. In dieser Ausgestaltung können beispielsweise Schaumstoffe verwendet werden, die etwa aus einem Polyurethan-Material ausgebildet sind.
Bezüglich einer Schmelzbarkeit können derartige Materialien einen Schmelzpunkt aufweisen, der bei oder unterhalb der Temperatur der Entgasungsemission liegt, so dass nicht nur eine Kompression des Materials sondern auch ein Aufschmelzen erreicht werden kann. Dadurch kann eine Expansion des Entgasungskollektors noch weiter verbessert werden. Materialien mit entsprechenden Schmelzpunkten können ebenfalls die vorgenannten Polyurethan-Materialien beziehungsweise Polyurethan-Schäume oder andere Schaumstoffe sein.
Derartige Schäume beziehungsweise Schaumstoffe können ferner den weiteren Vorteil bieten, dass diese eine Isolationswirkung, insbesondere eine thermische Isolationswirkung ausbilden, so dass auf weitere isolierende Materialien an dieser Position verzichtet werden kann beziehungsweise deren Einsatz signifikant reduziert werden kann. Somit kann insbesondere in dieser Ausgestaltung ein Einsatz des Batteriesystems insbesondere bei Anwendungen vorteilhaft sein, die thermisch isoliert sein sollen beziehungsweise die doppelstöckig aufgebaut sind und zur Isolation eine Kühlplatte aufweisen.
Im Rahmen einer weiteren Ausgestaltung kann ein Schutzelement vorgesehen sein, welches sich bei einer Entgasung zumindest teilweise vor eine zwischen dem Entgasungskollektor und dem Zellgehäuse angeordnete Dichtung legt. Dabei kann die Dichtung unmittelbar zwischen Zellgehäuse und Entgasungskollektor angeordnet sein, oder mittelbar und dabei zwischen einem weiteren zwischen Entgasungskollektor und Zellgehäuse angeordneten Gehäusebauteil und dem Entgasungskollektor oder dem Zellgehäuse. Grundsätzlich ist die Dichtung jedoch räumlich zwischen dem Zellgehäuse und dem Entlassungskollektor angeordnet.
Ein derartiges Schutzelement kann die Dichtheit und Stabilität der Anordnung aus Gehäusebauteil, wie etwa Zellgehäuse oder Modulgehäuse, weiter verbessern. In dieser Ausgestaltung kann somit insbesondere darauf reagiert werden, dass eine Dichtheit eines Zellgehäuses, beispielsweise, mit einem Entgasungskollektor aufgrund einer Kombination aus Druckstoß, Temperatur und Chemikalien während einer Entgasung sehr schwierig ist. Darüber hinaus umfasst die Dichtung zwischen einer Zelle und dem Kollektor oftmals Gummi oder einen anderen Kunststoff und wird bei einem Entgasen hoch belastet und kann dadurch potenziell undicht werden. Um dies zu verhindern ist in dieser Ausgestaltung das Schutzelement vorgesehen.
Das Schutzelement kann beispielsweise metallisch sein und/oder folienartig ausgestaltet sein und zwischen einer Batteriezelle und dem Entgasungskollektor zusätzlich zu einer Dichtung eingesetzt beziehungsweise fixiert sein. Beispielsweise kann das Schutzelement zwischen einem Zelldeckel und einem Moduldeckel befestigt sein. Das Schutzelement ist dabei derart ausgestaltet, dass es sich beim Entgasend der Zelle nach oben legen oder öffnen kann und somit nach außen an einem Entgasungspfad angelegt und die dort befindlichen Bauteile, insbesondere die Dichtung, schützen und zusätzlich abdichten kann. Somit kann durch das Schutzelement die Dichtung vor Temperaturen und Chemikalien geschützt werden und es kann ferner verhindert werden, dass störende Stoffe in den Raum zwischen Zelldeckel und Dichtung und Kollektor strömen und die Dichtung degradieren. Grundsätzlich kann das Vorsehen eines derartigen Schutzelements dabei wie die übliche Gummidichtung verwendet werden und etwa den Bereich zwischen Zelldeckel und Kollektor überbrücken.
Im Rahmen einer weiteren Ausgestaltung kann der Entgasungskollektor an einem Gehäusebauteil durch eine Klebeverbindung oder durch eine auch als Clipsverbindung bezeichnete Rastverbindung fixiert sein. Insbesondere derartige Verbindungen können in Kombination eines starren Gehäusebauteils mit einem flexiblen Gehäusebauteil eine sichere Dichtung und dauerhafte Verbindung ausbilden. Dabei sind die vorgenannten Verbindungsarten kostengünstig herstellbar und einfach in der Produktion.
Eine dichte Anbindung des Entgasungskollektors an ein Gehäusebauteil, wie beispielsweise an ein Modulgehäuse oder ein Zellgehäuse, wie dies in der vorliegenden Ausgestaltung ermöglicht werden kann, ist eine besonders vorteilhafte Voraussetzung für das sichere Betreiben eines Batteriesystems. Denn insbesondere eine schadgasdichte Verbindung von Ableitungen mit den entsprechenden Batteriekomponenten kann bei einer beispielsweisen Verwendung in einem Fahrzeug ermöglichen, dass ein für die Gesundheit der Fahrzeuginsassen ungefährlicher Betrieb von Batteriesystemen ausgeführt wird. So kann insbesondere sichergestellt werden, dass giftige Schadgase bei der Entgasung nicht in den Fahrgastraum gelangen sondern in die Umgebung abgeführt werden.
Im Rahmen einer weiteren Ausgestaltung können die Batteriezellen und der Entgasungskollektor zumindest teilweise von einer flexiblen Umhüllung umgeben sein. Dabei kann es vorgesehen sein, dass Komponenten des Batteriesystems, auf Zell-, Modul-, oder Packebene von einer derartigen Umhüllung umgeben sind, wobei durch entsprechende druckdichte insbesondere flexible Verbindungen Druckschwankungen ausgeglichen werden können. Eine Kombination unterschiedlicher Materialien der etwa als Folie ausgestalteten Umhüllung kann dabei der Realisierung unterschiedlicher physikalischer Eigenschaften an den Flächen, wie etwa unterschiedliche Wärmeleitfähigkeiten, realisieren.
Unter einer flexiblen Umhüllung kann wiederum verstanden werden eine Umhüllung, welche sich beispielsweise durch das Einfließen von Entgasungsemission in die Umhüllung beispielsweise ausdehnen oder entfalten kann und somit das von ihr umschlossene Volumen vergrößern kann. In dieser Ausgestaltung kann ein besonders sicherer Schutz der Umgebung vor Schadgasen, welche bei einem Entgasen aus den Batteriezellen austreten können, realisiert werden. Im Detail kann in dieser Ausgestaltung die Abdichtung von Subkomponenten des Batteriesystems, insbesondere des Batteriemoduls oder des Gesamt-Batteriesystems in flexibler, beispielsweise elastischer, Form durch Umhüllung mit einem flexiblen Material realisiert werden, die beim Einbau der Batterie in einen engen Bauraum beispielsweise eines Fahrzeugs in ihrer Ausdehnung reduziert sind. So können Druckstöße beim Entgasen von Batteriezellen von einem umgebenden flexiblen Gehäuse dynamisch aufgefangen werden insbesondere für den Fall, dass zwischen einer Batteriezelle und dem Entgasungskollektor eine ungewollte Undichtigkeit besteht oder entsteht.
Eine derartige flexible Umhüllung kann den Vorteil aufweisen, dass es nur in einem Entgasungszustand seine maximale Ausdehnung aufweisen muss, bei einem Einbau jedoch durch Evakuierung in ihrer Ausdehnung wesentlich reduziert sein kann, die nur unwesentlich größer zu sein braucht, als das eigentliche Modulgehäuse, oder einen Gehäusegitter, dass es umhüllen und abdichten kann. Dadurch kann ein Batteriesystem beziehungsweise können Subkomponenten desselben geschaffen werden, die eine minimal mögliche räumliche Ausdehnung aufweisen und deshalb leicht und kostengünstig in einem räumlich begrenzten Bauraum, beispielsweise in einem Kraftfahrzeug, montierbar sind. Im Entgasungsfall können dann die meist aus technischen Gründen nicht im Regelbetrieb nutzbaren Bauräume beispielsweise des Kraftfahrzeugs oder in unmittelbarer Nähe des Kraftfahrzeugs als Gasaufnahme oder für das Ableitungssystem genutzt werden.
Beispielsweise kann die flexible Umhüllung und der Entgasungskollektor aus flexiblem Material gleicher Dicke und/oder mit gleichem thermischen und mechanischen Ausdehnungskoeffizienten ausgebildet sein, beispielsweise können die Umhüllung und der Entgasungskollektor aus dem gleichen Material ausgestaltet sein. Die flexible Umhüllung kann dabei aus einem hochtemperaturbeständigen Polymer, also einem bei der Entgasungsemission stabilen Polymer, wie etwa Polyethylenterephtalat, ausgestaltet sein. Alternativ kann die Umhüllung aus einem Edelstahl, wie dieser vorstehend mit Bezug auf den Entgasungskollektor beschrieben ist, ausgestaltet sein und beispielsweise Falzen aufweisen, die sich entsprechend einem Blasebalg auffalten können. Die Verbindungen beziehungsweise die Abdichtung der Materialteile kann beispielsweise durch Verklebung, Verschweißung oder Vulkanisation erfolgen. Sobald die Umhüllung mit den Entgasungskanälen beziehungsweise dem Entgasungskollektor die insbesondere starre Innengehäusestruktur, etwa des Modulgehäuses, umgeben, können die flexiblen Bauteile an ein insbesondere gitterartiges Innengehäuse mechanisch leicht angedrückt und die flexible Umhüllung evakuiert werden. Dies kann schon in der Fertigung des Batteriesystems geschehen.
Durch den entstehenden Unterdruck von beispielsweise 0,8 bar kann der Entgasungskollektor beispielsweise aufweisend Entgasungsschläuche auf alle Entgasungsöffnungen des Zellgehäuses aufgepresst werden, wodurch die Verbindungen zu einer Umgebung, beispielsweise einer Fahrzeugumgebung, selbst abgedichtet werden. Die flexiblen Bauteile schrumpfen auf die durch die starre Innenstruktur vorgegebenen Abmessungen zusammen und bleiben bei diesen Abmessungen auch nach Abdichtung des Unterdruckanschlusses und Entfernen der Unterdruckpumpe bestehen. Auf diese Weise kann ein Batteriesystem beziehungsweise können Sub-Komponenten desselben mit minimal möglichen Abmessungen erhalten werden.
Bei einer Entgasung von einer oder mehreren Batteriezellen in einem Störungsfall drückt der entstehende Druckstoß von bis zu 10 Bar zunächst auf die Öffnungen in dem Entgasungskollektor über den Entgasungsventilen. Der Entgasungskollektor mit einem Entgasungskanal ist dabei mit der flexiblen Umhüllung gasdicht verbunden. Das bedeutet, dass das Batteriepack beziehungsweise das Batteriemodul und die Entgasungseinrichtungen von einer dichten flexiblen etwa sackartig ausgestalteten Umhüllung umgeben sind, durch die der oder die Entgasungskanäle des Entgasungskollektors geführt sind. Beispielsweise kann nur der Entgasungskollektor eine gewollte Öffnung zu der Umgebung, beispielsweise des Kraftfahrzeugs, aufweisen.
Dies hat den großen Vorteil, dass die Öffnungen in den Entgasungskollektor nicht gasdicht mit dem Zellgehäuse verbunden sein brauchen beziehungsweise auch bei dem Vorliegen einer Undichtigkeit zwischen Entgasungskollektor und Zellgehäuse, beispielsweise, ein sicheres Abführen beziehungsweise Auffangen der Entgasungsemission möglich ist, da ein anderer Entgasungsweg für die Entgasungsemission nicht vorliegt.
Die flexible Umhüllung und der Entgasungskollektor können sich auf den durch beispielsweise eine Fahrzeugstruktur begrenzten maximalen Bauraum flexibel aufweiten. Dem aus der oder den Batteriezellen emittierten Schadgas bietet sich so mehr Expansionsraum an, als bei herkömmlichen Entgasungssystemen in starrer Bauweise. Durch die größere Expansionsmöglichkeit werden der Druck und die Temperatur des Gasgemisches nicht zu hoch, weshalb die flexiblen Materialien den auftretenden Belastungen meist problemlos standhalten können. Somit kann in dieser Ausgestaltung „totes Volumen“, also im Wesentlichen ungenutztes Volumen in der Umgebung des Batteriesystems, ausgenutzt und Volumen für die Entgasungsemission gewonnen werden.
Dabei kann eine vergrößerte Stabilität ferner dadurch erzielt werden, dass in der Umgebung des Batteriesystems Anlagen vorgesehen sind, an welche sich der Entgasungskollektor und/oder die flexible Umhüllung in einem expandierten, also beispielsweise entfalteten oder gedehnten Zustand, anlegen können. Die Anlagen können dabei bevorzugt starr sein und beispielsweise gebildet werden durch Fahrzeugkomponenten, wie etwa Innenwandungen eines Fahrzeugkofferraums, wenn das Batteriesystem beispielsweise in einem Kofferraum oder benachbart zu diesem angeordnet ist. Dadurch können die flexiblen Bauteile, welche sich aufgrund der Entgasungsemission etwa durch eine Verpackungsarchitektur entfalten oder ausdehnen können, sicher aufgefangen und abgestützt werden, wodurch eine vergrößerte Überdruckbeständigkeit gewonnen werden kann.
Dabei kann es ferner vorgesehen sein, dass gegebenenfalls vorliegende Verbindungen, welche durch die flexible Umhüllung geleitet werden, mit Dichtungen, wie etwa angeklebten Dichtungsringen, abgedichtet werden, so dass trotzdem eine Gasdichtheit gegeben ist. Insoweit etwa Kabel oder ähnliches von den Verbindungen umfasst sind, wie beispielsweise Kabel von den Terminals des Moduls oder einzelner Batteriezellen, können diese insbesondere innerhalb der Umhüllung oder auch vollständig gewickelt beziehungsweise in einer schraubenlinienförmigen Ausgestaltung vorgesehen sein, so dass diese sich bei einer Entgasung zusammen mit der flexiblen Umhüllung ebenfalls ausdehnen beziehungsweise ihre räumliche Länge vergrößern können.
Im Rahmen einer weiteren Ausgestaltung kann an der Umhüllung, beispielsweise an der in den Innenraum der Umhüllung gerichteten Oberfläche der Umhüllung, ein Material vorgesehen sein, welches eine größere Wärmeleitfähigkeit besitzt, als das Material der Umhüllung. Beispielsweise kann dieses Material, etwa unter Verwendung eines gut wärmeleitfähigen Klebstoffs, mit der Umhüllung verklebt oder verschweißt sein. Dadurch kann eine Anordnung der Batteriezellen auf einer Kühlvorrichtung, wie etwa einer Kühlplatte, mit einer besonders guten thermischen Anbindung realisiert werden, wobei die Kühlvorrichtung jedoch außerhalb der Umhüllung angeordnet sein kann. Dadurch kann verhindert werden, dass die Kühlvorrichtung innerhalb der Umhüllung betaut und somit die Batteriezellen negativ beeinflusst. Außerdem kann die die Handhabung des Batteriesystems beziehungsweise des Moduls vereinfacht werden. Darüber hinaus können in dieser Ausgestaltung insbesondere bauartbedingte Höhentoleranzen ausgeglichen und die thermische Anbindung an die Kühlvorrichtung verbessert werden
Im Rahmen einer weiteren Ausgestaltung kann die flexible Umhüllung ein Entgasungsventil aufweisen, das bei einem vorbestimmten Innendruck der Umhüllung öffnet. Beispielsweise kann ein derartiges Entgasungsventil als Sollbruchstelle ausgestaltet sein. Durch ein derartiges Entgasungsventil kann ein weiterer Sicherheitsgewinn realisiert werden, da in einem Fall, in dem die Entgasungsemission in nicht ausreichender Weise abgeführt beziehungsweise aufgefangen wird, die Entgasungsemission zusätzlich an gezielten Positionen aus der Umhüllung geleitet werden kann. Dies kann beispielsweise vorteilhaft sein, wenn etwa ein vorgehaltenes Volumen für eine Expansion der flexiblen Bauteile, beispielsweise aufgrund von zu geringen Platzverhältnissen, nicht für einen gleichzeitigen Fehlerfall sämtlicher Batteriezellen möglich ist, auch wenn letzteres zu bevorzugen ist. Um ein unkontrolliertes Entfernen der Entgasungsemission zu verhindern, kann ferner ein Schlauchsystem oder ein anderes Ableitungssystem vorgesehen sein, welches mit der oder den Entgasungsventilen beziehungsweise Sollbruchstellen in Kontakt steht und die Entgasungsemission gezielt und definiert abführt, beispielsweise in die Umgebung eines Kraftfahrzeugs.
Darüber hinaus kann durch ein Öffnen des Entgasungsventils ein weiteres Volumen geschaffen werden, durch welches der durch die Entgasungsemission erzeugte Druck und die durch die Entgasungsemission erzeugte Temperatur vergleichsweise niedrig sind, so dass die Belastung der verwendeten Materialien reduziert werden kann.
Dabei kann es wiederum vorgesehen sein, dass außerhalb der Umhüllung und in einem Normalzustand beabstandet hierzu starre Bauteile vorgesehen sind, die für eine hohe Druckbeständigkeit eine Abstützung bewirken.
Im Rahmen einer weiteren Ausgestaltung kann eine Mehrzahl von Batteriezellen in einem von der Umhüllung umgebenen Modulgehäuse angeordnet sein und kann das Modulgehäuse ein insbesondere als Sollbruchstelle ausgestaltetes Entgasungsventil aufweisen. In dieser Ausgestaltung kann eine Entgasung nicht nur durch den Entgasungskollektor erfolgen, sondern ferner durch das Entgasungsventil in die Umhüllung. In dieser Ausgestaltung kann das Volumen besonders stark erhöht werden, so dass die Temperatur- und Druckeinwirkung besonders effektiv reduziert werden können. Sollbruchstellen als Beispiel für Entgasungsventile können beispielsweise durch integrierte Dorne oder anderen Schneidkomponenten umgesetzt werden oder auch durch Bereiche mit verdünnter Wandstärke. So kann ein Öffnen der Entgasungsventile bei einem definierten Innendruck, etwa bei 4bar, ermöglicht werden. Da der Strömungswiderstand durch diese so geformten Öffnungen sehr gering ist, kann sich die Umhüllung sehr schnell mit der Entgasungsemission füllen. Darüber hinaus kann auf diese Weise eine definierte Position einer aus dem Modulgehäuse austretenden Entgasungsemission erreicht werden.
Im Rahmen einer weiteren Ausgestaltung kann die flexible Umhüllung eine reversibel verschließbare Öffnung aufweisen. Durch eine reversibel, also wieder öffenbar, gasdicht verschließbare Öffnung der Umhüllung kann eine Montage wie auch eine Wartung signifikant verbessert werden, da eine Zugänglichkeit der in der Umhüllung angeordneten Komponenten problemlos möglich ist. Beispielsweise kann eine reversible verschließbare Öffnung realisierbar sein durch einen Faltmechanismus, wie etwa ein Aufrollen einer an einem Ende geöffneten Umhüllung, oder durch ein gasdicht verschließbares Reißverschlusssystem, wie es beispielsweise aus Taucheranzügen bekannt ist.
Zeichnungen
Weitere Vorteile und vorteilhafte Ausgestaltungen der erfindungsgemäßen Gegenstände werden durch die Zeichnungen veranschaulicht und in der nachfolgenden Beschreibung erläutert. Dabei ist zu beachten, dass die Zeichnungen nur beschreibenden Charakter haben und nicht dazu gedacht sind, die Erfindung in irgendeiner Form einzuschränken. Es zeigen
1a eine schematische Schnittansicht einer Ausgestaltung eines Batteriesystems in einem Normalzustand;
1b eine schematische Schnittansicht der Ausgestaltung des Batteriesystems aus 1a in einem Entgasungszustand;
2a eine schematische Schnittansicht einer weiteren Ausgestaltung eines Batteriesystems in einem Normalzustand;
2b eine schematische Schnittansicht der Ausgestaltung des Batteriesystems aus 2a in einem Entgasungszustand;
3a eine schematische um 90° zu 2a verdrehte Schnittansicht einer weiteren Ausgestaltung eines Batteriesystems in einem Normalzustand;
3b eine schematische Schnittansicht der Ausgestaltung des Batteriesystems aus 3a in einem Entgasungszustand;
4 eine schematische Schnittansicht einer weiteren Ausgestaltung eines Batteriesystems in einem Entgasungszustand einer Batteriezelle;
5 eine schematische Schnittansicht einer weiteren Ausgestaltung eines Batteriesystems in einem Normalzustand;
6 eine schematische Ansicht einer weiteren Ausgestaltung eines Batteriesystems in einem Normalzustand von schräg oben;
7 eine schematische Ansicht eines Teils einer weiteren Ausgestaltung eines Batteriesystems in einem Normalzustand von schräg oben;
8 eine Schnittansicht durch den Schnitt A-A aus 7;
9a eine schematische Darstellung einer weiteren Ausgestaltung eines Batteriesystems in einem Normalzustand von schräg oben;
9b eine schematische Darstellung der Ausgestaltung des Batteriesystems aus 9a in einem Entgasungszustand von schräg oben;
10a eine schematische Schnittansicht einer weiteren Ausgestaltung eines Batteriesystems in einem Normalzustand;
10b eine schematische Schnittansicht der Ausgestaltung des Batteriesystems aus 10a in einem Entgasungszustand;
11 eine schematische Ansicht eines Teils einer weiteren Ausgestaltung eines Batteriesystems in einem Entgasungszustand von schräg oben;
12 eine schematische Schnittansicht eines Teils einer weiteren Ausgestaltung eines Batteriesystems in einem Entgasungszustand;
13a eine schematische Ansicht eines Teils einer weiteren Ausgestaltung eines Batteriesystems in einem geschlossenen Zustand von schräg oben;
13b eine schematische Ansicht der Ausgestaltung des Batteriesystems aus
13a in einem geöffneten Zustand; und
14 eine schematische Ansicht eines Teils einer weiteren Ausgestaltung eines Batteriesystems in einem geschlossenen Zustand von schräg oben.
In den folgenden Figuren sind jeweils Ausgestaltungen von Batteriesystemen 10 gezeigt, welche etwa Bestandteil eines elektrisch angetriebenen Fahrzeugs sein können. Dabei können die in den verschiedenen Figuren gezeigten Merkmale jeweils einzeln oder in einer beliebigen Kombination Bestandteil der Erfindung sein, ohne dass jeweils separat darauf hingewiesen wird. Darüber hinaus beschreiben gleiche Bezugszeichen gleiche oder vergleichbare Bauteile, so dass diese nicht zu jeder Figur explizit im Detail beschrieben werden.
Ein Batteriesystem 10, welches in 1a gezeigt ist, weist ein Batteriemodul 12 mit einer Mehrzahl an Batteriezellen 14 auf. Die Batteriezellen 14 weisen dabei jeweils wenigstens eine in einem Zellgehäuse 16 angeordnete Zelleinheit auf, wobei die Zellgehäuse 16 jeweils ein Entgasungsventil 18 zum Entgasen von bei einem Fehlerfall sich in dem Zellgehäuse 16 bildender Entgasungsemission aufweisen, und wobei ein Entgasungskollektor 20 zum Ableiten der Entgasungsemission aus dem Batteriesystem 10 vorgesehen ist. Der Entgasungskollektor 20 umfasst dabei Öffnungen, die mit den Entgasungsventilen 18 insbesondere druckdicht verbunden sind, um die Entgasungsemission aus den Zellgehäusen 16 in den Entgasungskollektor 20 zu leiten.
Dabei ist es vorgesehen, dass der Entgasungskollektor 20 durch die Entgasungsemission derart verformbar ist, dass das von ihm umschlossene Volumen vergrößerbar beziehungsweise expandierbar ist. Dies ist in der 1b gezeigt, in welcher Entgasungsemission aus den Zellgehäusen 16 in den Entgasungskollektor 20 strömt, was durch die Pfeile an den Entgasungsventilen 18 dargestellt werden soll. Es ist zu erkennen, dass das Volumen des Entgasungskollektors 20 sich vergrößert hat. Dies kann beispielsweise realisierbar sein durch eine gefaltete Anordnung eines flexiblen Entgasungskollektors 20 oder durch das Verwenden eines dehnbaren, beispielsweise elastischen Materials des Entgasungskollektors 20.
In der 2a ist eine weitere Ausgestaltung eines Batteriesystems 10 in einem Normalzustand, also bei einem gewünschten Arbeiten des Batteriesystems 10 gezeigt. In der Ausgestaltung gemäß 2a weist der Entgasungskollektor 20 eine Mehrzahl an Bereichen 22 auf, die eine nach innen gewölbte Form aufweisen. Dabei ist jedem der Entgasungsventile 18 ein entsprechender Bereich 22 zugeordnet. Ferner sind die entsprechenden Bereiche 22 derart ausgestaltet, das sie durch die Entgasungsemission in einen nach außen gewölbten Zustand überführbar sind und dabei nach außen gewölbte Bereiche 22‘ ausbilden.
In der 3a ist eine weitere Ausgestaltung eines Batteriesystems 10 in einem Normalzustand, also bei einem gewünschten Arbeiten des Batteriesystems 10 gezeigt. In der Ausgestaltung gemäß 3a ist der Entgasungskollektor 20 zumindest teilweise von durch die Entgasungsemission verformbarem oder schmelzbarem Material 24 umgeben. Beispielsweise kann das Material 24 auf der dem Entgasungsventil 18 gegenüberliegenden Seite des Entgasungskollektors 20 angeordnet sein. Im Detail ist gemäß 3a somit oberhalb des Entgasungskollektors 20 eine Schicht eines deformierbaren Materials 24 angeordnet. In einem Entgasungszustand, wie dieser in der 3b gezeigt ist, hat sich das Volumen des Entgasungskollektors 20 vergrößert, so dass sich der Entgasungskollektor 20 teilweise in das Material 24 gedrückt und dieses komprimiert hat.
Dabei kann der ausgedehnte Entgasungskollektor 20 das Gehäuse berühren oder etwa bei einer doppelstöckigen Ausgestaltung ein darüber liegende Kühlplatte. Dadurch kann die Wärmeabfuhr der bei einer Entgasung auftretenden Wärme deutlich verbessert werden.
Das Material 24 kann beispielsweise Isoliermaterial sein. Kommt es zu einer Entgasung, wird dieses verdrängt beziehungsweise verformt, wobei die bei einer Entgasung entstehende Hitze ferner das Material in Abhängigkeit der jeweiligen Materialparameter schmelzen kann, was die Wärmeabfuhr zusätzlich verbessert. Dabei kann die Verformung reversibel oder auch irreversibel sein, was jedoch meist unproblematisch ist, da die entsprechende Baugruppe oftmals ohnehin nach einem Fehlerfall ausgetauscht werden muss.
In der 4 ist eine weitere Ausgestaltung eines Batteriesystems 10 gezeigt. In 4 sind die Batteriezellen 14 gezeigt, welche in den Zellgehäusen 16 die Entgasungsventile 18 aufweisen. Dabei ist zwischen den Zellgehäusen 16 und dem Entgasungskollektor 20 ein Modulgehäuse 26 angeordnet, durch welches ein von dem Zellgehäuse 16 beziehungsweise einem Zellgehäusedeckel 17 zu dem Entgasungskollektor 20 verlaufender Entgasungspfad 28 verläuft. Der Entgasungspfad 28 ist dabei durch Dichtungen 30, etwa aus Gummi oder einem anderen Kunststoff, abgedichtet, welche etwa an dem Entgasungskollektor 20 oder dem Zellgehäuse 16 beziehungsweise Zelldeckel 17 anvulkanisiert sein können. Ferner können die Dichtungen 30 in eine entsprechende Aussparung gelegt sein.
In der 4 ist dabei ein Zustand gezeigt, in welchem eine Batteriezelle 14 entgast, was durch den Pfeil dargestellt ist. In diesem Zustand ist gezeigt, dass ein Schutzelement 32 vorgesehen ist, welches sich bei einer Entgasung zumindest teilweise vor die zwischen dem Entgasungskollektor 20 und dem Zellgehäuse 16 angeordnete Dichtung 30 legt. Dabei kann das Schutzelement 32 beispielsweise folienartig ausgestaltet sein und in dem Entgasungsfall offen oder gewollt gerissen sein, und so die Dichtung 30 schützen und das Entweichen von Substanzen, wie etwa Elektrolyt, an der Dichtung vorbei verhindern. Im Detail kann das Schutzelement 32 durch die Entgasungsemission nach oben weggedrückt werden und den Entgasungspfad 28 frei geben und sich ferner seitlich an die Komponenten des Entgasungspfades 28 legen und diese so vor der Entgasungsemission schützen.
Das Schutzelement 32 ist bevorzugt aus einem Material ausgestaltet, dass resistent ist gegen hohe Temperaturen und Chemikalien. Beispielsweise kann eine Folie aus einem Graphit-Gewebe geeignet sein.
In der Ausgestaltung gemäß 4 ist das Schutzelement 32 dabei derart lang ausgeführt, dass es den gesamten Entgasungspfad 28 seitlich abdecken kann. Es kann jedoch auch kürzer ausgestaltet sein, um so nur die Anlagefläche der Dichtung 30 an den Zelldeckel 17 zu schützen.
Als weiteren Vorteil bleibt die Dicht-Verbindung zwischen Zelldeckel 17 und Entgasungskollektor 20 elastisch. Verschiebungen sind möglich, wie es für den betrieb, die Temperaturschwankungen und Alterungsvorgänge und für allgemeine Toleranzen erforderlich beziehungsweise von Vorteil ist.
Weiterhin kann es vorgesehen sein, dass das Schutzelement 32 beschichtet ist. Die Beschichtung kann beispielsweise eine klebende Eigenschaft aufweisen. So kann das Schutzelement 32 beispielsweise am Entgasungskollektor 20 beziehungswiese am Entgasungspfad 28 kleben beziehungsweise sich selbst an der Dichtung 30 und dem Entgasungskollektor 20 fixieren. Dabei können in einer Ausgestaltung die Klebeeigenschaften erst durch die Entgasungsemission, beispielsweise die Temperatur, sich ausbilden.
In der 5 ist eine weitere Ausgestaltung des Batteriesystems 10 gezeigt. In der Ausgestaltung gemäß 5 ist das Schutzelement 32 als geschlossene Folie ausgestaltet, die sich etwa pilzförmig in dem Entgasungskollektor 20 befinden kann oder diese Form erst durch die Entgasungsemission einnehmen kann. Bei einer Entgasung kann die Folie sich öffnen beziehungsweise gewollt reißen und so eine Entgasung erlauben. Das Schutzelement 32 kann dabei beispielsweise bereits ein oder mehrere Löcher oder einen oder mehrere Schlitze oder eine andere Sollbruchstelle aufweisen, um so ein Aufreißen zu erleichtern. Es kann jedoch auch geschlossen sein und erst durch die Entgasung aufreißen beziehungsweise geöffnet werden.
In der 6 ist eine weitere Ausgestaltung eines Batteriesystems 10 gezeigt, bei welcher der Entgasungskollektor 20 an dem Modulgehäuse 26, in welchen die einzelnen Batteriezellen 14 angeordnet sind, durch eine Klebeverbindung befestigt ist. Dazu kann es hilfreich sein, dass die Öffnungen in dem Modulgehäuse 26 und die Öffnungen in dem Entgasungskollektor 20 entsprechend möglichst exakt ausgerichtet sind. Im Detail sind Klebebereiche 34 gezeigt, welche die Klebeverbindung ausbilden. Der verwendete Klebstoff ist in für den Fachmann bekannter Weise problemlos auswählbar durch eine Auswahl aus bekannten Klebstoffen, wobei der Klebstoff angepasst wird an die Komponenten des Modulgehäuses 26 sowie des Entgasungskollektors 20.
In dieser Ausgestaltung kann es vorgesehen sein, dass zur dichten Anbindung der Ableitungen des Entgasungskollektor 20 an die Entgasungsöffnungen zunächst die Unterseite des Moduldeckels des Modulgehäuses 26 in den Umgebungsbereichen ihre Öffnungen herum gasdicht auf die Zelldeckel 17 aufgeklebt wird. Danach kann der beispielsweise als flexibler Schlauch ausgestaltete Entgasungskollektor 20 in der gleichen Weise in einem zweiten Klebevorgang auf den Moduldeckel aufgeklebt werden wobei der letzte Schritt auch gleichzeitig mit dem ersten erfolgen kann oder die Reihenfolge umgekehrt werden kann. Dadurch kann eine dichte Verbindung der Zelloberflächen um ihre Entgasungsventile 18 mit dem Entgasungskollektor 20 realisiert werden.
In den 7 und 8 ist eine Ausgestaltung gezeigt, in der einen gasdichte Anbindung des Entgasungskollektors 20 durch eine Rastverbindung beziehungsweise durch ein Einclipsen realisiert wird, wobei in 7 zur besseren Verständlichkeit auf eine Abbildung des Entgasungskollektors 20 verzichtet wurde. Die Zelldeckel 17 weisen rund um ihre Entgasungsventile 18 einen Rastnasenring 36 auf. In diesen Rastnasenring 36 werden an dem Entgasungskollektor 20 vorgesehenen Rasthaken 38 eingerastet beziehungsweise eingeclipst. Dabei wird ein Dichtring 40, der sich an dem zellzugewandten Seite des Entgasungskollektors 20 befinden kann, gasdicht auf den Zelldeckel 17 aufgedrückt oder alternativ aufgeklebt. Durch eine entsprechenden Öffnung des Modulgehäuses 26 beziehungsweise des Moduldeckels hindurch kann sich bei einer Entgasung etwa eines Faltenbalgs des als gefalteter Schlauch ausgestalteten Entgasungskollektors 20 entfalten und die Schadgase nach außen ableiten, wie dies durch den mittig angeordneten Pfeil dargestellt werden soll. Auch diese Ausgestaltung kann eine dichte Verbindung der Zelldeckel 17 um ihre Entgasungsöffnung herum mit dem Entgasungskollektor 20 realisieren.
In der 9a ist eine weitere Ausgestaltung eines Batteriesystems 10 gezeigt. In der Ausgestaltung gemäß 9a die sind Batteriezellen 14 und der Entgasungskollektor 20 zumindest teilweise von einer flexiblen Umhüllung 42 umgeben. Dabei kann die Umhüllung 42 dicht mit dem Entgasungskollektor 20 verschweißt sein. Dabei ist ferner gezeigt, dass der Entgasungskollektor 20 Entgasungskanäle 21 aufweist, die von den jeweiligen Batteriezellen 14 führen und zusammen in einem Hauptentgasungskanal 23 verbunden sind, wie dies grundsätzlich für den Entgasungskollektor 20 gelten kann. Ferner ist gezeigt, dass die Batteriezellen 14 durch ein Fixierungsmittel 44, wie etwa ein Spannband, verbunden sind und so das Batteriemodul 12 beziehungsweise ein Batteriepack ausbilden. In der 9a ist dabei gezeigt, dass die Umhüllung 42 wie auch der Entgasungskollektor 20 flach auf der Innenstruktur, gebildet insbesondere durch das Modulgehäuse 26, aufliegen.
In der 9b ist die Ausgestaltung der 9a gezeigt, wobei rein schematisch der Entgasungskollektor 20 und die Umhüllung 42 durch die Entgasungsemission ausgedehnt sind und die Entgasungsemission den Entgasungskollektor 20 verlässt, was durch die entsprechenden Pfeile dargestellt sein soll.
In der 10a ist eine weitere Ausgestaltung eines Batteriesystems 10 gezeigt. In der Ausgestaltung gemäß 10a ist innerhalb der Umhüllung 42 ein Material 50 vorgesehen, welches eine größere Wärmeleitfähigkeit besitzt, als das Material der Umhüllung 42. Dabei kann dieses gut wärmeleitende Material 50 insbesondere an dem Bodenbereich, also etwa unterhalb der Batteriezellen 14 angeordnet sein, um so eine verbesserte thermische Anbindung der Batteriezellen 14 an ein Kühlelement 48, wie etwa eine Kühlplatte, zu ermöglichen. In der 10a ist dabei ein Normalzustand gezeigt, in welchem die Umhüllung 42 einen gering dimensionierten und nicht expandierten Raum einnimmt, der deutlich kleiner sein kann, als ein exemplarischer vorhandener Bauraum 46, der als Toleranzraum dienen kann.
In der 10b ist die Ausgestaltung der 10a gezeigt, wobei rein schematisch die Umhüllung 42 durch die Entgasungsemission ausgedehnt ist und den vorhandenen Bauraum 46 fast vollständig ausnutzt.
In der 11 ist ein Teil einer weiteren Ausgestaltung des Batteriesystems 10 gezeigt, wobei der Entgasungskollektor 20 in der 11 nicht gezeigt ist. In der 11 ist dabei gezeigt, dass die flexible Umhüllung 42 zwei Entgasungsventile 52, 52‘ aufweist, die bei einem vorbestimmten Innendruck der Umhüllung 42 öffnen können. Dabei ist das Entgasungsventil 52 geöffnet und kann Entgasungsemission aus dem Inneren der Umhüllung 42 austreten lassen, wie dies durch den Pfeil dargestellt werden soll. Das Entgasungsventil 52, 52‘ kann dabei als Sollbruchstelle ausgestaltet sein und etwa durch entsprechend scharfkantige Ausgestaltung der Öffnung auf bestimmte Maximaldrücke konditioniert werden. Dadurch kann sichergestellt werden, dass die Umhüllung 42 beziehungsweise das Batteriesystem 10 in wichtigen Bereichen dicht bleibt, jedoch die Entgasungsemission bei Überschreiten eines definiertes Drucks abgeleitet werden kann, so dass beispielsweise die gezielte Ableitung in ein Schlauchsystem ermöglicht werden kann.
In der 12 ist ein Teil einer weiteren Ausgestaltung eines Batteriesystems 10 gezeigt, bei welchem in einem Modulgehäuse 26 ein Entgasungsventil 54 beziehungsweise eine Sollbruchstelle angeordnet ist. Dabei zeigt 12, dass das die Umhüllung 42 beim Öffnen der Entgasungsventile 54 nach außen expandieren kann und so weiteres Volumen für die Entgasungsemission bereitstellen kann, wie dies durch die Pfeile angedeutet werden soll. Dabei kann die Umhüllung 42 nur an den Entgasungsventilen 54 expandierbar und um die Entgasungsventile an dem Modulgehäuse 26 befestigt sein, oder grundsätzlich expandieren können und sich von dem Modulgehäuse 26 entfernen beziehungsweise abheben können.
In der 13a ist eine weitere Ausgestaltung eines Teils eines Batteriesystems 10 gezeigt, wobei der Entgasungskollektor 20 nicht gezeigt ist. In der Ausgestaltung gemäß 13 ist eine reversibel gasdicht verschließbare Öffnung der Umhüllung 42 vorgesehen. Dabei ist gemäß 13a zu Ausbildung der Öffnung ein Verschlussmechanismus vorgesehen, der einen reversibel gasdicht verschließbaren Reißverschluss 56 aufweist. In der 13b ist diese Ausgestaltung in einer geöffneten Form gezeigt, wodurch die Batteriezellen 14 freiliegen und so eine verbesserte Handhabbarkeit gegeben ist.
In der 14 ist eine weitere Ausgestaltung eines Teils eines Batteriesystems 10 gezeigt, wobei wiederum der Entgasungskollektor 20 nicht gezeigt ist. In der Ausgestaltung gemäß dieser Figur weist die Umhüllung 42 an einem Endbereich 58 eine Öffnung auf, die reversibel gasdicht verschließbar ist durch ein Zusammenfalten beziehungsweise Aufrollen der Umhüllung 42.
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

JP 2013-051048 A [0008]
EP 2538470 A1 [0009]
EP 2509084 A1 [0010]
US 2012/0276426 A1 [0010]
US 2013/0143077 A1 [0011]

Claims

Batteriesystem (10), aufweisend ein Batteriemodul (12) mit einer Mehrzahl an Batteriezellen (14), die jeweils wenigstens eine in einem Zellgehäuse (16) angeordnete Zelleinheit aufweisen, wobei die Zellgehäuse (16) jeweils ein Entgasungsventil (18) zum Entgasen von in dem Zellgehäuse (16) sich bildender Entgasungsemission aufweisen, und wobei ein Entgasungskollektor (20) zum Ableiten der Entgasungsemission aus dem Batteriesystem (10) vorgesehen ist, der Öffnungen aufweist, die mit den Entgasungsventilen (18) verbunden sind, dadurch gekennzeichnet, dass der Entgasungskollektor (20) durch die Entgasungsemission derart verformbar ist, dass das von ihm umschlossene Volumen vergrößerbar ist.
Batteriesystem (10) nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Entgasungskollektor (20) wenigstens einen Bereich (22) aufweist, der eine nach innen gewölbte Form aufweist und durch die Entgasungsemission in einen Bereich (22‘) mit einer nach außen gewölbten Form überführbar ist.
Batteriesystem (10) nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass der Entgasungskollektor (20) zumindest teilweise von durch die Entgasungsemission verformbarem und/oder schmelzbarem Material (24) umgeben ist.
Batteriesystem (10) nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass ein Schutzelement (32) vorgesehen ist, welches sich bei einer Entgasung zumindest teilweise vor eine zwischen dem Entgasungskollektor (20) und dem Zellgehäuse (16) angeordnete Dichtung (30) legt.
Batteriesystem (10) nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass der Entgasungskollektor (20) an einem Gehäusebauteil durch eine Klebeverbindung oder durch eine Rastverbindung fixiert ist.
Batteriesystem (10) nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass die Batteriezellen (14) und der Entgasungskollektor (20) zumindest teilweise von einer flexiblen Umhüllung (42) umgeben sind.
Batteriesystem (10) nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass an der Umhüllung (42) ein Material (50) vorgesehen ist, welches eine größere Wärmeleitfähigkeit besitzt, als das Material der Umhüllung (42).
Batteriesystem (10) nach einem der Ansprüche 6 oder 7, dadurch gekennzeichnet, dass die Umhüllung (42) ein Entgasungsventil (52, 52‘) aufweist, das bei einem vorbestimmten Innendruck der Umhüllung (42) öffnet.
Batteriesystem (10) nach einem der Ansprüche 6 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass eine Mehrzahl von Batteriezellen (14) in einem von der Umhüllung (42) umgebenen Modulgehäuse (26) angeordnet ist und dass das Modulgehäuse (26) ein Entgasungsventil (54) aufweist.
Batteriesystem (10) nach einem der Ansprüche 6 bis 9, dadurch gekennzeichnet, dass die Umhüllung (42) eine reversibel verschließbare Öffnung aufweist.