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Die Erfindung betrifft eine Einzelzelle für einen elektrochemischen Energiespeicher mit einem Zellgehäuse, welches ein Sicherheitsventil zum Überdruckabbau aufweist. Weiterhin betrifft die Erfindung einen elektrochemischen Energiespeicher mit einer Mehrzahl solcher Einzelzellen.
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Aus der
EP 1 321 993 sind ein Zellsicherheitsventil und eine Einzelzelle mit einem solchen Zellsicherheitsventil bekannt. Das Zellsicherheitsventil weist eine Ventilplatte mit einer Wandstärke, eine ringförmige Sollbruchnut sowie eine oder mehrere Hilfsnuten innerhalb der Sollbruchnut auf. Die verbleibende Wandstärke der Ventilplatte ist innerhalb der Hilfsnuten größer als die verbleibende Wandstärke der Ventilplatte innerhalb der Sollbruchnut. Dabei ist wenigstens ein Ende der Hilfsnut mit der Sollbruchnut verbunden.
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Zudem beschreibt die
US 2011/0212350 eine Sekundärbatterie mit einem Gehäuse zur Aufnahme einer Energiequelle und einem Gasauslassventil, welches Teil des Gehäuses ist. Das Gasauslassventil weist eine Ventilscheibe auf, welche sich bei Druck im Gehäuse nach außen ausdehnen kann. Mehrere Nuten sind an der Ventilscheibe derart ausgebildet, dass bei einer Dehnung der Ventilscheibe mehrere Ventilelemente entlang der Nuten brechen, und dass sich bei der Dehnung ein Halteabschnitt an der Ventilscheibe bildet, um einem Lösen von Ventilelementen von der Ventilscheibe zu begegnen. Zudem ist das Gasauslassventil als Vertiefung in einer Oberfläche eines mittels Pressen angefertigten Deckels ausgebildet und weist eine geringere Wandstärke als der Deckel auf.
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Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine gegenüber dem Stand der Technik verbesserte Einzelzelle für einen elektrochemischen Energiespeicher und einen elektrochemischen Energiespeicher mit einer Mehrzahl solcher Einzelzellen anzugeben.
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Die Aufgabe wird erfindungsgemäß hinsichtlich der Einzelzelle durch die in Anspruch 1 angegebenen Merkmale und hinsichtlich des elektrochemischen Energiespeichers durch die in Anspruch 9 angegebenen Merkmale gelöst.
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Vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung sind Gegenstand der Unteransprüche.
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Eine Einzelzelle für einen elektrochemischen Energiespeicher umfasst ein Zellgehäuse, welches ein Sicherheitsventil zum Überdruckabbau aufweist. Erfindungsgemäß weist das Sicherheitsventil eine mit einem Verschlusselement verschlossene von einer umlaufenden Nut eingefasste Ventilöffnung auf, wobei die Nut zumindest zwei Abschnitte mit unterschiedlicher Wandstärke umfasst.
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Eine Weiterbildung sieht vor, dass die Ventilöffnung bei Übersteigen eines vorgegebenen in dem Zellgehäuse vorherrschenden Zellinnendruckes automatisch im Bereich des Abschnittes mit einer geringen Wandstärke freigebbar ist. Dabei reißt das Verschlusselement im Bereich des Abschnitts mit der geringeren Wandstärke auf, wobei ein Abschnitt mit einer größeren Wandstärke ein Scharnier bildet, wodurch das Verschlusselement gezielt geschwenkt wird.
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Dadurch, dass die Nut die zumindest zwei Abschnitte mit unterschiedlichen Wandstärken aufweist, ist die Freigabe der Ventilöffnung zum gezielten Überdruckabbau im Wesentlichen sichergestellt, wobei gleichzeitig das Risiko eines Abreißens des Verschlusselementes und ein Umherfliegen des Verschlusselementes mit vergleichsweise hoher Geschwindigkeit weitestgehend ausgeschlossen ist.
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Da das Abreißen des Verschlusselementes weitestgehend ausgeschlossen ist, ist zudem die Gefahr von Verletzungen sich in einer unmittelbaren Umgebung der Einzelzelle befindender Lebewesens zumindest verringert.
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Zudem ist dadurch, dass das Risiko eines Abreißens des Verschlusselementes weitestgehend ausgeschlossen ist, eine Beschädigung von Komponenten der Einzelzelle und/oder des elektrochemischen Energiespeichers im Wesentlichen ausschließbar.
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In einer Ausführung sind die Abschnitte unterschiedlicher Wandstärken derart angeordnet, dass das Verschlusselement zur Freigabe der Ventilöffnung in eine vorgegebene Richtung schwenkt. Dabei ist ein Abschnitt der Nut derart ausgebildet, dass dieser in vorteilhafter Weise die Funktion eines Scharniers aufweist. Das Verschlusselement schwenkt in die vorgegebene Richtung, so dass die Ventilöffnung zum Überdruckabbau freigebbar ist, ohne dass das Verschlusselement von der Einzelzelle abreißt und unkontrolliert umherfliegt.
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In einer weiteren Ausführung ist die Ventilöffnung mittels einer Membran und/oder eines Gehäuseteiles als Verschlusselement verschlossen. Vorzugsweise ist die Ventilöffnung mittels eines Gehäuseteiles verschlossen, so dass es nur erforderlich ist, die umlaufende Nut als abschnittsweise Sollbruchstelle in das Gehäuseteil, welches ein Gehäusedeckel des Zellgehäuses sein kann, einzubringen. Dadurch kann ein Aufwand zur Ausbildung des Sicherheitsventils verringert werden.
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Eine Weiterbildung des Sicherheitsventils sieht vor, dass ein Abschnitt mit geringerer Wandstärke länger ausgebildet ist als zumindest ein weiterer Abschnitt der Nut, welcher eine größere Wandstärke aufweist. Dabei stellt der Abschnitt der Nut mit der geringeren Wandstärke eine Sollbruchstelle zur Freigabe der Ventilöffnung dar, wobei der Abschnitt mit der größeren Wandstärke als Scharnier zum Schwenken des Verschlusselementes zur Freigabe der Ventilöffnung dient.
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In einer Ausbildung sind genau ein Abschnitt mit geringerer Wandstärke und genau ein Abschnitt mit größerer Wandstärke vorgesehen. Da genau zwei Abschnitte mit unterschiedlicher Wandstärke vorgesehen sind, bricht die Nut bei Übersteigen eines vorgegebenen Zellinnendruckes in dem einen Abschnitt mit der geringeren Wandstärke auf, wobei der eine weitere Abschnitt die Scharnierfunktion übernimmt.
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Eine weitere Ausbildung sieht vor, dass das Zellgehäuse aus Kunststoff und/oder Metall gebildet ist. Dabei ist die Nut mit den zumindest zwei Abschnitten unterschiedlicher Wandstärken bei einem Herstellprozess des Zellgehäuses ausformbar oder nachträglich einbringbar.
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Ist das Verschlusselement als integraler Bestandteil des Zellgehäuses ausgebildet, ist es vorzugsweise möglich, dass das Sicherheitsventil der Einzelzelle nach einer Fertigstellung derselben an dem Zellgehäuse ausbildbar ist.
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In einer möglichen Weiterbildung weist das Verschlusselement eine nach außen gewölbte Form auf, so dass das Verschlusselement bei Übersteigen des vorgegebenen in dem Zellgehäuse vorherrschenden Zellinnendruckes definiert nach außen schwenkt.
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Darüber hinaus betrifft die Erfindung einen elektrochemischen Energiespeicher mit einer Mehrzahl von solchen elektrisch seriell und/oder parallel miteinander verschalteten Einzelzellen.
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Insbesondere ist der elektrochemische Energiespeicher zur Anordnung als Traktionsbatterie in einem Fahrzeug, insbesondere einem Elektrofahrzeug, einem Hybridfahrzeug oder einem mit Brennstoffzellen betriebenen Fahrzeug vorgesehen.
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Ausführungsbeispiele der Erfindung werden im Folgenden anhand von Zeichnungen näher erläutert.
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Dabei zeigen:+
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1 schematisch perspektivische Ansichten nicht erfindungsgemäßer Ausführungsformen eines Sicherheitsventils einer Einzelzelle,
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2 schematisch eine Schnittdarstellung einer nicht erfindungsgemäßen Ausführungsform des Sicherheitsventils,
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3 schematisch eine Schnittdarstellung eines vergrößerten Ausschnittes der nicht erfindungsgemäßen Ausführungsform des Sicherheitsventils gemäß 2,
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4 schematisch eine Schnittdarstellung eines vergrößerten Ausschnittes eines erfindungsgemäßen Sicherheitsventils einer Einzelzelle im geschlossenen Zustand,
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5 schematisch eine Schnittdarstellung eines vergrößerten Ausschnittes des erfindungsgemäßen Sicherheitsventils einer Einzelzelle im geöffneten Zustand und
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6 schematisch eine Draufsicht eines erfindungsgemäßen Sicherheitsventils.
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Einander entsprechende Teile sind in allen Figuren mit den gleichen Bezugszeichen versehen.
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Die 1 zeigt drei nichterfindungsgemäße Ausführungsformen eines Sicherheitsventils 1 einer Einzelzelle 2 für einen nicht näher dargestellten elektrochemischen Energiespeicher.
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Ein solcher elektrochemischer Energiespeicher weist eine Mehrzahl von elektrisch seriell und/oder parallel verschalteten Einzelzellen 2 auf, wobei es sich bei dem elektrochemischen Energiespeicher insbesondere um eine Fahrzeugbatterie handelt.
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Die Fahrzeugbatterie dient als Traktionsbatterie, wobei das Fahrzeug, in welchem die Fahrzeugbatterie anordbar ist, ein Elektrofahrzeug, ein Hybridfahrzeug oder ein mit Brennstoffzellen betriebenes Fahrzeug ist.
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Aufgrund eines Defektes und/oder einer Fehlbedienung der Einzelzelle 2 können innerhalb eines Zellgehäuses 3 der Einzelzelle 2 Reaktionen auftreten, die einen massiven, teils schlagartigen Anstieg eines Zellinnendruckes hervorrufen. Dabei besteht die Gefahr, dass die Einzelzelle 2 birst.
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Zum gezielten Abbau eines solchen erhöhten Zellinnendruckes weist die Einzelzelle 2 im Allgemeinen eine sogenannte Ventingöffnung oder auch Berstöffnung als Sicherheitsventil 1 auf.
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Ein solches Sicherheitsventil 1 umfasst ein eine Ventilöffnung 4 in dem Zellgehäuse 3 verschließendes Verschlusselement 5. Übersteigt der in dem Zellgehäuse 3 vorherrschende Zellinnendruck einen vorgegebenen Wert, bricht eine Sollbruchstelle des Verschlusselementes 5 auf, so dass die Ventilöffnung 4 zum Überdruckabbau freigebbar ist.
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Das Verschlusselement 5 zum Verschließen der Ventilöffnung 4 ist dabei integraler Bestandteil des Zellgehäuses 3, beispielsweise ein Gehäusedeckel oder ein separates Bauteil in Form einer Membran.
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In den nichterfindungsgemäßen Ausführungsformen umläuft die Ventilöffnung 4 eine Nut 6 als Sollbruchstelle, also als Materialschwächung, die umlaufend eine vorgegebene Wandstärke D1 aufweist, wie in den 2 und 3 näher gezeigt ist.
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Dabei zeigt 2 eine Schnittdarstellung eines der nichterfindungsgemäßen Ausführungsbeispiele und in 3 ist eine Schnittdarstellung eines vergrößerten Ausschnittes des Sicherheitsventils 1 gemäß 2 dargestellt.
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Steigt der in dem Zellgehäuse 3 vorherrschende Zellinnendruck schlagartig an und übersteigt den vorgegebenen Wert, bricht die Nut 6 zur Freigabe der Ventilöffnung 4 auf, so dass der überhöhte Zellinnendruck gezielt abbaubar ist.
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Da die Nut 6 umlaufend die gleiche Wandstärke D1 aufweist, besteht die Gefahr, dass das Verschlusselement 5 beim Aufbrechen der Nut 6 abreißt und mit verhältnismäßig hoher Geschwindigkeit umherfliegt. Dadurch stellt das Verschlusselement 5 ein Verletzungsrisiko für Lebewesen in unmittelbarer Umgebung des elektrochemischen Energiespeichers dar. Darüber hinaus kann das abgerissene Verschlusselement 5 weitere Komponenten der Einzelzelle 2 selbst und des elektrochemischen Energiespeichers beschädigen.
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Um das Risiko des Abreißens des Verschlusselementes 5 beim Freigeben der Ventilöffnung 4 zumindest wesentlich zu verringern, ist vorgesehen, dass die die Ventilöffnung 4 umlaufende Nut 6 zwei Abschnitte 6.1, 6.2 mit unterschiedlicher Wandstärke D1, D2 aufweist.
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Dabei ist die Wandstärke D1 in einem ersten Abschnitt 6.1 geringer als eine weitere Wandstärke D2 in dem zweiten Abschnitt 6.2, wie in 4 näher dargestellt ist. Dabei ist das Sicherheitsventil 1 in 4 im geschlossenen Zustand dargestellt, wobei in 5 die freigegebene Ventilöffnung 4 gezeigt ist.
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Zur Sicherstellung, dass die Nut 6 in dem ersten Abschnitt 6.1 bei Übersteigen des vorgegebenen Wertes in Bezug auf den Zellinnendruck ordnungsgemäß aufbricht, so dass der überhöhte Zellinnendruck gezielt abgebaut werden kann, ist der erste Abschnitt 6.1 länger ausgebildet als der zweite Abschnitt 6.2 und weist eine vorgegebene Wandstärke D1 auf.
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Da die weitere Wandstärke D2 in dem zweiten Abschnitt 6.2 größer ist als in dem ersten Abschnitt 6.1 ist die Gefahr, dass das Verschlusselement 5 abreißt wesentlich verringert, wobei die weitere Wandstärke 6.2 auch einen vorgegebenen Wert aufweist.
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Die beiden Abschnitte 6.1, 6.2 der Nut 6 sind derart positioniert zueinander angeordnet, dass das Verschlusselement 5 bei Freigabe der Ventilöffnung 4 in eine vorgegebene Richtung R schwenkt. Dabei bildet der zweite Abschnitt 6.2 der Nut 6 ein Scharnier und somit eine Schwenkachse, um die das Verschlusselement 5 nach dem gezielten Aufbrechen der Nut 6 in dem ersten Abschnitt 6.1 schwenkt.
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Bevorzugt ist das Zellgehäuse 3 aus einem Kunststoff und/oder einem Metall gebildet, wobei der Kunststoff und/oder das Metall derart verformbar sind, dass eine Scharnierwirkung des zweiten Abschnittes 6.2 der Nut 6 sichergestellt ist.
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Insbesondere ist das Verschlusselement 5 integraler Bestandteil des Zellgehäuses 3, wobei die Nut 6 mit den zwei Abschnitten 6.1, 6.2, wobei der erste Abschnitt 6.1 die Sollbruchstelle bildet, beispielsweise mittels Laserstrahlung in einem vorgegebenen Bereich des Zellgehäuses 3 einbringbar ist. Dabei kann die Nut 6 nach einer Montage, d. h. nach einer Fertigstellung der Einzelzelle 2, in das Zellgehäuse 3 eingebracht werden.
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Besonders bevorzugt weist das Verschlusselement 5 eine nach außen gewölbte Form auf, so dass sich das Verschlusselement 5 bei Erreichen des vorgegebenen Wertes in Bezug auf den Zellinnendruck gezielt und nach außen öffnet.
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Dadurch, dass die Nut 6 die zwei Abschnitte 6.1, 6.2 zum gezielten Freigeben der Ventilöffnung 4 aufweist, ohne dass die Gefahr eines Abreißens des Verschlusselementes 5 besteht, ist eine Sicherheit für Lebewesen in unmittelbarer Umgebung der Einzelzelle 2 erhöht.
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6 zeigt eine Draufsicht des Sicherheitsventils 1 mit der umlaufenden Nut 6, die in zwei Abschnitte 6.1, 6.2 mit unterschiedlicher Wandstärke D1, D2 unterteilt ist.
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Bezugszeichenliste
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- 1
- Sicherheitsventil
- 2
- Einzelzelle
- 3
- Zellgehäuse
- 4
- Ventilöffnung
- 5
- Verschlusselement
- 6
- Nut
- 6.1
- erster Abschnitt
- 6.2
- zweiter Abschnitt
- D1
- Wandstärke
- D2
- weitere Wandstärke
- R
- Richtung
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- EP 1321993 [0002]
- US 2011/0212350 [0003]
