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Die Erfindung betrifft einen Zellhalter für eine Anzahl von jeweils ein Sicherheitsventil zum Überdruckabbau aufweisenden Einzelzellen für einen elektrochemischen Energiespeicher.
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Im Stand der Technik sind Hochvolt-Batterien bekannt, beispielsweise für Fahrzeuge, insbesondere für wie Hybrid-, Plugin- oder Elektrofahrzeuge, sowie für stationäre Anwendungen, insbesondere für Stromversorger oder Stromspeicher. Derartige Hochvolt-Batterien bestehen aus mehreren in Reihe und/oder parallel geschalteten Einzelzellen. Innerhalb einer Batterie sind Einzelzellen meist in sogenannten Zellblöcken zusammengefasst, die jeweils eine bestimmte Anzahl von Einzelzellen sowie von Elementen zu deren mechanischer Fixierung, zur Kontaktierung und erforderlichenfalls zur Temperierung, also Kühlung oder Heizung, enthalten. Eine Anzahl von Zellblöcken ist in einem stabilen Batteriegehäuse angeordnet, welches zusätzlich Elemente zur elektrischen Steuerung und Absicherung der Batterie, beispielsweise ein als BMS bezeichnetes battery management system, oder eine Schutzvorrichtung zur Zu- und Abschaltung des Stromes, Sicherungen oder Strommesser, sowie Anschlüsse nach außen, beispielsweise Stromzu- und Ableitung, Kühlmittelzu- und Abführung, Anschluss für eine Batteriesteuerung oder ähnliches enthält.
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Im Stand der Technik sind sogenannte Pouchzellen bekannt, bei denen ein elektrochemisch aktiver Inhalt, beispielsweise Elektrodenstapel oder Elektrodenwickel aus einzelnen elektrolytgetränkten Lagen von Anoden und Kathoden, die jeweils von Separatoren getrennt sind, von einer Pouchfolie umschlossen ist. Die Pouchfolie kann eine Verbundfolie in einer Gesamtdicke von ca. 150 μm aus Alu-Trägerfolie mit Polypropylen-Innenbeschichtung und Polyethylen-Außenbeschichtung sein.
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Durch die Pouchfolie sind Zellpole in Blechform, so genannte Ableiter, isoliert durchgeführt. Der Verschluss von Pouchzellen erfolgt nach dem Einfüllen des Elektrolyts vorzugsweise durch ein Heißsiegelverfahren, eine so genannte Siegelung, wobei die aus Polypropylen bestehenden Innenseiten der beiden Pouchfolien im Bereich des Zellrandes in einer Heißpresse partiell aufgeschmolzen werden und sich beim Erkalten unter Wirkung des Pressdrucks stoffschlüssig miteinander verbinden. Die mechanische Fixierung der empfindlichen Einzelzellen zur Bildung eines Zellblocks erfolgt im Allgemeinen durch Zellhalter in Rahmen-, Schalen- oder Doppelschalenform, die zwischen den Einzelzellen angeordnet sind und/oder diese Einzelzellen jeweils randseitig umschließen. Zellhalter und Zellen sind über durchgehende Spannmittel, beispielsweise Verbindungsleisten, Zuganker, Gewindestangen, Spannbänder gegeneinander verpresst. Die Einleitung der Spannkräfte in den Zellblock erfolgt durch an den Enden desselben befindliche Druckbrillen. Die Zellhalter fixieren die Einzelzellen vorzugsweise kraftschlüssig durch Druck auf einen umlaufenden Siegelrand und/oder auf eine seitliche Fläche. Möglich ist auch die Fixierung einer Einzelzelle im Zellhalter durch Klebung.
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Unter anderem bei Überladung oder Kurzschluss baut sich im inneren der Einzelzelle ein Druck auf, der ab einem bestimmten Wert, also bei einem bestimmten Überdruck, definiert abgebaut werden muss, um eine exotherme Reaktion der Zellchemie, ein so genanntes thermal runaway, oder eine mechanische Zerstörung der Einzelzelle zu verhindern. Das dabei unter anderem durch Verdampfung des Elektrolyten entstehende Gas wird als Ventinggas bezeichnet.
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Um das Ventinggas definiert abzublasen, ist häufig die Pouchfolienumhüllung der Einzelzelle, bevorzugt an einer bestimmten Stelle, mit einer gezielten Schwächung versehen.
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Der Erfindung liegt die Aufgabe zu Grunde, einen verbesserten Zellhalter anzugeben.
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Die Aufgabe wird erfindungsgemäß gelöst durch die in Anspruch 1 angegebene Merkmalskombination.
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Ein Zellhalter ist vorgesehen für eine Anzahl von jeweils ein Sicherheitsventil zum Überdruckabbau aufweisenden Einzelzellen für einen elektrochemischen Energiespeicher. Erfindungsgemäß ist eine Öffnung vorgesehen, an oder in welcher eine Berstmembran oder eine Berstklappe zum Überdruckabbau angeordnet ist. Beim Bersten einer Einzelzelle kann dadurch ein Ventinggas gezielt und definiert durch den korrespondierenden Zellhalter hindurch abgeführt werden, ohne dass eine weitere Einzelzelle, insbesondere eine benachbarte Einzelzelle, beeinträchtigt wird.
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Besonders vorteilhaft ist, dass die aus der Einzelzelle austretenden Ventinggase mit Temperaturen über 400°C über Öffnung im Zellhaltern derart ableitbar sind, dass ein Kontakt zu den noch intakten Einzelzellen weitgehend unterbunden ist, so dass die Gefahr, dass deren dünne und empfindliche Pouchfolienumhüllung beschädigt wird oder aufschmilzt und dadurch weitere Einzelzellen bersten können, deutlich reduziert ist.
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Vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung sind Gegenstand der Unteransprüche.
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Eine Ausgestaltung der Erfindung sieht vor, dass der Zellhalter eine Schale aufweist, mittels derer eine Einzelzelle vollständig umschließbar ist. Dadurch ist der Schutz einer benachbarten Einzelzelle beim Bersten der von der Schale umschlossenen Einzelzelle besonders hoch.
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Eine weitere Ausgestaltung der Erfindung sieht vor, dass die Lage der Öffnung des Zellhalters mit einer Lage des Sicherheitsventils einer Einzelzelle korrespondiert. Der Abbau des Überdrucks ist dadurch besonders sicher möglich.
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Eine andere Ausgestaltung der Erfindung sieht vor, dass die Berstmembran eine bei Überdruck zerstörend auf- oder abreißbare Metall- oder Metallverbundfolie ist, welche auf einer äußere Oberfläche der Schale die Öffnung verschließend aufgeklebt ist. Dadurch ist auf besonders einfache Weise ein Ventil zum Abbau des Überdrucks herstellbar.
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Eine dazu alternative Ausgestaltung der Erfindung sieht vor, dass die Berstklappe bei Überdruck nicht zerstörend eine Federkraft einer Feder überwindend öffenbar ist und dass die Berstklappe ohne Überdruck durch die Federkraft der Feder im Wesentlichen gasdicht verschlossen ist. Dadurch ist auf besonders einfache Weise ein Ventil zum Abbau des Überdrucks herstellbar, welches sich nach dem Bersten einer Einzelzelle selbstständig weder verschließt.
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Ausführungsbeispiele der Erfindung werden im Folgenden anhand einer Zeichnung näher erläutert.
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Dabei zeigen:
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1 eine perspektivische Ansicht eines schalenförmigen Zellhalters vor dem Anbringen einer Berstmembran,
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2 eine zugehörige Schnittdarstellung nach dem Anbringen der Berstmembran,
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3 eine perspektivische Ansicht eines schalenförmigen Zellhalters und einer Einzelzelle,
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4 eine perspektivische Ansicht eines Zellblocks mit Berstmembranen als Explosionsdarstellung,
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5 eine zugehörige perspektivische Ansicht des montierten Zellblocks,
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6 eine zugehörige perspektivische Ansicht von unten,
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7 eine zugehörige Schnittdarstellung,
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8 eine perspektivische Ansicht eines montierten Zellblocks mit Berstklappen von unten und
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9 eine zugehörige Schnittdarstellung.
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Einander entsprechende Teile sind in allen Figuren mit den gleichen Bezugszeichen versehen.
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1 zeigt eine perspektivische Ansicht eines schalenförmigen Zellhalters 1, der zumindest eine rahmenförmige Schale 2 umfasst, an dessen unterer Seite eine Öffnung 3 vorgesehen ist. Die Öffnung 3 dient dazu, einen Überdruck einer berstenden, hier nicht dargestellten Pouchzelle definiert abzubauen, also ein Ventinggas entweichen zu lassen. Dazu wird eine Berstmembran 4, deren Abmessungen größer als die der Öffnung 3 ist, an die Unterseite der Schale 2 geklebt, bevorzugt heißgeklebt und/oder gesiegelt. Die Berstmembran 4 ist eine Metallfolie oder eine Metallverbundfolie. Wenn ein bestimmter Überdruck erreicht ist, reist die Berstmembran 4 auf oder ab, so dass das Ventinggas entweichen kann. Die Oberfläche der Bestmembran 4 kann zur Festlegung, insbesondere zur Reduzierung des Öffnungsdruckes mit definierten Materialschwächungen, insbesondere Einkerbungen oder Prägungen versehen sein.
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2 zeigt eine zugehörige Schnittdarstellung des Zellhalters 1, wobei die Berstmembran 4 unterseitig über die Öffnung 3 auf die Schale 2 aufgeklebt ist. Das heißt, der Zellhalter 1 ist im unzerstörten Zustand, also vor Austritt des Ventiggases, dargestellt.
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3 zeigt eine zugehörige perspektivische Darstellung des Zellhalters 1, wobei dem die Berstmembran 4 die Öffnung 3 verschließend aufgeklebt ist. Neben dem Zellhalter 1 ist eine in selbigen einzusetzende, insbesondere einzuklebende Einzelzelle 5 gezeigt, an deren Unterseite ein Sicherheitsventil (6) angeordnet ist, welches auf einfache Weise als eine definierte Schwächung einer Siegelnaht durch eine Kerbe ausgebildet ist. Beim Bersten der Einzelzelle 5 öffnet sich das Sicherheitsventil (6), indem die Siegelnaht an der Stelle der Kerbe aufreißt. Die Lage der Öffnung 3 im Zellhalter 1 korrespondiert dabei mit der Lage des Sicherheitsventils (6) der Einzelzelle 5.
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4 zeigt eine perspektivische Explosionsansicht eines Zellblocks 7, welcher zehn Zellmodule 8 umfasst, die jeweils aus einer Einzelzelle 5 und einem korrespondierenden Zellhalter 1 mit Öffnung 3 und Berstmembran 4 gebildet sind. Der Zellblock 7 umfasst außerdem zwei Stromkollektorplatten 9, zwei Druckbrillen 10 sowie 4 Verbindungsleisten 11.
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5 und 6 zeigen jeweils eine perspektivische Ansicht des montierten vorgenannten Zellblocks 7 mit den zehn Zellmodulen 8, welche von den Druckbrillen 10 und den Verbindungsleisten 11 fixiert sind. In 6 sind zehn Berstmembranen 4 gezeigt, nämlich eine an der Unterseite jedes Zellhalters 1.
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7 zeigt die zu den 5 und 6 gehörige Schnittdarstellung des Zellblocks 7 mit den zehn Berstmembranen 4, welche jeweils eine Öffnung 3 verschließen.
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8 zeigt eine perspektivische Untersicht eines montierten Zellblocks 7 mit den zehn Zellmodulen 8, die jeweils einen Zellhalter 1 mit einer verdeckten Einzelzelle 5 umfassen. An jedem Zellhalter 1 ist unterseitig jeweils eine Berstklappe 12 angeordnet. Die Berstklappen 12 bestehen bevorzugt aus Metall oder temperaturfestem Kunststoff und werden durch eine nicht dargestellte Feder, insbesondere eine Blattfeder, im Ruhezustand, also im Zustand ohne berstende Einzelzelle 5, in ihren Sitz gepresst und bei Überschreitung eines definierten Innendrucks abgehoben. Jede Berstklappe 12 verschließt die Öffnung 3, in welcher sie angeordnet ist, bei nachlassendem Druck wieder selbsttätig.
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9 zeigt eine Schnittdarstellung eines Zellblocks 7, bei welchem die zweite Einzelzelle 5 birst. Da jede der Einzelzellen 5 gegenüber ihrer benachbarten Einzelzelle 5 durch einen schalenförmigen Zellhalter 1 abgeschirmt ist, baut sich beim Bersten der zweiten Einzelzelle 5 nur innerhalb des zweiten Zellhalters 1 ein Überdruck auf, in dessen Folge die Öffnung 3 dieses Zellhalters 1 freigegeben wird, indem sich eine darin angeordnete, hier nicht gezeigte, Berstklappe 12 öffnet.
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Die Einzelzellen 5 der Zellblöcke 7 in den vorbeschriebenen Figuren sind Pouchzellen. Diese Pouchzellen sind in schalenförmige Zellhalter 1 aus Kunststoff durch Verpressung und/oder durch Verklebung auf einer Fläche des Zellhalters 1 fixiert. Jede der Einzelzellen 5 ist gegenüber ihrer benachbarten Einzelzelle 5 durch diese Fläche des schalenförmigen Zellhalters 1 getrennt und damit abgeschirmt. Die elektrische Reihenschaltung der Einzelzellen 5 im Zellblock 7 erfolgt durch direkte Verbindung von aufeinander zu gebogenen Ableitern. Die an den Enden des Zellblocks 7 angeordneten Stromkollektorplatten 9 bestehen aus Kunststoff. In die Stromkollektorplatten 9 sind massive Stromschienen mit außenliegenden HV-Kontakten eingespritzt, welche die Stromeinleitung und -entnahme aus dem Zellblock 7 ermöglichen. Der Zellblock 7 wird vorn und hinten durch Druckbrillen 10 abgeschlossen, die mit den vier seitlich am Zellblock entlang laufenden Verbindungsleisten 11 verschweißt sind und die eine Druckvorspannung aufbringen. Durch die dargestellte und beschriebene Ausführung des Randes der Zellhalter 1 werden die Einzelzellen 5 komplett umschlossen. An der Unterseite jeder Einzelzelle 5 befindet sich eine Ventingkerbe als Sicherheitsventil 6, also eine gezielte Schwächung der Pouchfolie und/oder deren Siegelnaht zum bezüglich Druck und Ort definierten Öffnen der betreffenden Einzelzelle 5 bei unzulässigem Überdruck. An der jeweils korrespondierenden Stelle ist der Rand des Zellhalters 1 mit der Öffnung 3 versehen, welcher von außen mit einer aufgesiegelten Berstmembran 4 aus Verbundfolie, beispielsweise einer 0,1 mm bis 0,2 mm starken Aluminium-Trägerfolie mit 0,05 mm dicker PP-Innenbeschichtung, verschlossen wird. Öffnet sich eine Einzelzelle 5 bei Überschreitung eines bestimmten Druckes an deren Ventingkerbe, dann wird auch die Berstmembran 4 des entsprechenden Zellhalters 1 geöffnet. Die austretenden Ventinggase können dadurch nicht zu weiteren Einzelzellen 5 gelangen und diese beschädigen, wodurch ein sogenannter thermal runaway des gesamten Zellblocks 7 oder der kompletten Batterie verhindert wird.
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Bezugszeichenliste
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- 1
- Zellhalter
- 2
- Schale
- 3
- Öffnung
- 4
- Berstmembran
- 5
- Einzelzelle
- 6
- Sicherheitsventil
- 7
- Zellblock
- 8
- Zellmodule
- 9
- Stromkollektorplatte
- 10
- Druckbrille
- 11
- Verbindungsleiste
- 12
- Berstklappe
