-
Die Erfindung betrifft ein Zellgehäuse für eine prismatische Batteriezelle einer Hochvoltbatterie eines Kraftfahrzeugs aufweisend mehrere metallische Gehäusewände, welche einen Aufnahmeraum zum Aufnehmen eines galvanischen Elementes der Batteriezelle umschließen, wobei eine der Gehäusewände eine Entgasungsöffnung für ein in dem Aufnahmeraum auftretendes Heißgas aufweist, und aufweisend eine Berstscheibe, welche die Entgasungsöffnung bedeckt und welche die Entgasungsöffnung durch Bersten ab einem vorbestimmten, aus dem Heißgas resultierenden Innendruck in dem Aufnahmeraum freigibt. Die Erfindung betrifft außerdem ein Verfahren zum Herstellen eines Zellgehäuses, eine Batteriezelle, eine Hochvoltbatterie sowie ein Kraftfahrzeug.
-
Vorliegend richtet sich das Interesse auf wiederaufladbare Hochvoltbatterien bzw. Hochvoltakkumulatoren für elektrisch antreibbare Kraftfahrzeuge, beispielsweise Elektrofahrzeuge oder Hybridfahrzeuge. Die Hochvoltbatterien umfassen üblicherweise eine Vielzahl von zusammengeschalteten Batteriezellen, welche in einem Batteriegehäuse angeordnet sind. Die Batteriezellen selbst können beispielsweise prismatische Batteriezellen mit jeweils einem metallischen Zellgehäuse sein, in dessen Aufnahmeraum ein galvanisches Element der Batteriezelle angeordnet ist. Das Zellgehäuse dient hauptsächlich dazu, ein Eindringen von Luft oder Wasser in den Aufnahmeraum zum Verhindern einer chemischen Reaktion mit dem galvanischen Element zu verhindern. Auch dient das Zellgehäuse dazu, das Austreten des zumeist flüssigen Elektrolyten in die Umgebung zu verhindern.
-
Dabei kann es vorkommen, dass eine Batteriezelle, beispielsweise durch zellinterne Kurzschlüsse, mechanische Beanspruchung, etc., thermisch überhitzt. Ein solcher Schadensfall der Batteriezelle in Form von einem thermischen Ereignis wird üblicherweise von einer heißen Entgasung begleitet, bei welcher in dem Aufnahmeraum des Zellgehäuses ein Heißgas entsteht. Um dieses Heißgas aus dem Zellgehäuse entweichen zu lassen, ist es aus dem Stand der Technik bekannt, ein Berstelemente in eine der Gehäusewände zu integrieren. Dieses Berstelement verdeckt eine Entgasungsöffnung in der Gehäusewand und hält das Zellgehäuse im fehlerfreien Fall, also wenn sich kein Heißgas im Aufnahmeraum befindet, dicht. Sobald im Fehlerfall Heißgas in dem Aufnahmeraum entsteht und ein Innendruck in dem Aufnahmeraum einen bestimmten Schwellwert, nämlich einen spezifischen Berstdruck des Berstelements, erreicht, berstet das Berstelement und gibt den Aufnahmeraum frei. Solche Berstelemente sind üblicherweise Berstmembranen in Form von dünnen Metallfolien ausgebildet. Die Herausforderung bei solchen Metallfolien besteht darin, dass sie einerseits bei zu hohem Innendruck versagen, also bersten, sollen, was eine besonders geringe Materialstärke bzw. Materialdicke erfordert. Andererseits sollen die Metallfolien im fehlerfreien Fall das Zellgehäuse dicht halten, was wiederum eine gewisse Mindestmaterialstärke erfordert. Die Materialstärke der Metallfolie muss also exakt eingestellt werden, um beiden Anforderungen gerecht werden zu können.
-
Es ist Aufgabe der vorliegenden Erfindung, eine Lösung bereitzustellen, wie eine Entgasung einer Batteriezelle einer Hochvoltbatterie für ein Kraftfahrzeug besonders einfach und kostengünstig erreicht werden kann.
-
Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß durch ein Zellgehäuse, ein Verfahren zum Herstellen eines Zellgehäuses, eine Batteriezelle, eine Hochvoltbatterie sowie ein Kraftfahrzeug mit den Merkmalen gemäß den jeweiligen unabhängigen Patentansprüchen gelöst. Vorteilhafte Ausführungen der Erfindung sind Gegenstand der abhängigen Patentansprüche, der Beschreibung sowie der Figuren.
-
Ein erfindungsgemäßes Zellgehäuse für eine prismatische Batteriezelle einer Hochvoltbatterie eines Kraftfahrzeugs weist mehrere metallische Gehäusewände, welche einen Aufnahmeraum zum Aufnehmen eines galvanischen Elementes der Batteriezelle umschließen, auf. Eine der Gehäusewände weist eine Entgasungsöffnung für ein in dem Aufnahmeraum auftretendes Heißgas auf. Außerdem weist das Zellgehäuse eine Berstscheibe auf, welche die Entgasungsöffnung bedeckt und die Entgasungsöffnung durch Bersten ab einem vorbestimmten, aus dem Heißgas resultierenden Innendruck in dem Aufnahmeraum freigibt. Die Berstscheibe ist aus Kunststoff gebildet, welche über eine Metall-Kunststoff-Direktverbindung mit der Gehäusewand verbunden ist und welche eine Sollbruchstelle in Form von einer Materialschwächung für das Bersten aufweist.
-
Das Zellgehäuse kann beispielsweise ein flachquaderförmiges Zellgehäuse, welches aus Metall, beispielsweise Aluminium gefertigt ist, sein. Das Zellgehäuse weist die Gehäusewände auf, welche den Aufnahmeraum für das galvanische Element bzw. den Zellwickel umgeben bzw. begrenzen. Die Gehäusewände können beispielsweise ein Gehäusedeckel, ein Gehäuseboden und ein Gehäusemantel sein. Am dem Gehäusedeckel können beispielsweise Zellterminals der Batteriezelle angeordnet sein, welche mit Elektroden des galvanischen Elementes elektrisch verbunden sind und über welche die Batteriezelle beispielsweise mit anderen Batteriezellen verschaltet werden kann.
-
Eine der Gehäusewände weist die Entgasungsöffnung auf, welche beispielsweise als ein ovales Loch in der Gehäusewand ausgebildet sein kann. Beispielsweise kann die Entgasungsöffnung zwischen den Zellterminals in dem Gehäusedeckel angeordnet sein. Um im fehlerfreien Fall, also bei Abwesenheit des Heißgases in dem Aufnahmeraum, ein gasdichtes Zellgehäuse bereitzustellen, ist die Entgasungsöffnung von der Berstscheibe bedeckt bzw. verschlossen. Die Berstscheibe kann beispielsweise ein ovales Plättchen sein. Die Berstscheibe berstet, sobald im Fehlerfall, beispielsweise bei einem zellinternen Kurzschluss, Heißgas in dem Aufnahmeraum entsteht und dadurch ein Innendruck in dem Aufnahmeraum einen Berstdruck der Berstscheibe erreicht. Der Berstdruck ist also derjenige Druck, ab welchem die Berstscheibe berstet. Die Berstscheibe ist hier als eine Kunststoff-Berstscheibe ausgebildet, welche mit der die Entgasungsöffnung aufweisenden Gehäusewand verbunden ist. Ein Rand der Berstscheibe ist also mit einem die Entgasungsöffnung umgebenen Oberflächenbereich der Gehäusewand verbunden und überdeckt somit die Entgasungsöffnung. Dabei ist die Berstscheibe insbesondere außerhalb des Aufnahmeraums an einer der Umgebung zugewandten Außenseite des Gehäusedeckels angeordnet.
-
Die Verbindung zwischen der Gehäusewand und der Berstscheibe ist dabei eine Metall-Kunststoff-Direktverbindung. Die Metall-Kunststoff-Direktverbindung ist dabei insbesondere eine stoffschlüssige Hybridverbindung zwischen dem metallischen Zellgehäuse und der Kunststoff-Berstscheibe ohne einen weiteren Fügepartner. Eine solche Metall-Kunststoff-Direktverbindung ist vorzugsweise eine thermische Fügeverbindung.
-
Die Kunststoff-Berstscheibe weist außerdem die Sollbruchstelle auf, welche als die Materialschwächung ausgebildet ist. Die Materialschwächung wird insbesondere dadurch realisiert, dass die Kunststoff-Berstscheibe im Bereich der Sollbruchstelle eine geringere Schichtdicke bzw. Materialstärke aufweist als im Bereich außerhalb der Sollbruchstelle. Durch die Stärke der Materialschwächung, also durch den Wert der Schichtdicke im Bereich der Sollbruchstelle, kann der Berstdruck der Berstscheibe eingestellt werden. Im Bereich der Sollbruchstelle bricht die Kunststoff-Berstscheibe auf, sobald der durch das Heißgas hervorgerufene Anstieg des Innendrucks im Aufnahmeraum den Berstdruck erreicht hat. Die gebrochene Berstscheibe gibt daraufhin die Entgasungsöffnung frei und das Heißgas kann aus dem Aufnahmeraum des Zellgehäuses in die Umgebung entweichen.
-
Aus der Verwendung der Kunststoff-Berstscheibe ergibt sich der Vorteil, dass diese im Vergleich zu Metallfolien, deren Berstdruck nur über eine besonders geringe und mit niedriger Toleranz herstellbaren Schichtdicke eingestellt werden kann, mit einer deutlich größeren Schichtdicke im Bereich der Sollbruchstelle bereitgestellt werden kann. Die Kunststoff-Berstscheibe ist somit einfacher und kostengünstiger herzustellen als eine Metallfolie mit vergleichbarem Berstdruck.
-
Vorzugsweise ist die Berstscheibe aus einem Thermoplast oder einem Duroplast gebildet. Die aus dem Thermoplast oder dem Duroplast hergestellte Berstscheibe ist also insbesondere als ein anelastisches, plattenförmiges Element ausgebildet, welches aufgrund der Materialschwächung berstet bzw. bricht. Die Berstscheibe ist also keine elastische Membran, welche sich bis Erreichen des Berstdrucks elastisch ausdehnt und dann reißt. Eine solche aus dem Thermoplast oder dem Duroplast hergestellte Berstscheibe kann besonders einfach, beispielsweise durch einen Spritzgussprozess, hergestellt werden.
-
Besonders bevorzugt ist die Materialschwächung als ein Einschnitt in einer Oberfläche der Berstscheibe ausgebildet. Der Einschnitt kann beispielsweise ein nutförmiger geradliniger Schlitz bzw. eine Einkerbung sein. Der Einschnitt kann aber auch eine beliebige anderen Form bzw. Geometrie aufweisen. Durch den Einschnitt in der Oberfläche der Berstscheibe kann die Materialstärke der Kunststoff-Berstscheibe zum Bereitstellen der Sollbruchstelle bereichsweise verringert werden. Der Einschnitt kann beispielsweise besonders einfach mittels eines Lasers oder mittels eines anderen Verfahrens zum Abtragen der Oberfläche der Berstscheibe erzeugt werden.
-
Die Erfindung betrifft auch ein Verfahren zum Herstellen eines erfindungsgemäßen Zellgehäuses. Dazu werden zunächst die Gehäusewand mit der Entgasungsöffnung und die aus Kunststoff gebildete Berstscheibe mit der Sollbruchstelle bereitgestellt. Dann wird ein die Entgasungsöffnung umgebender Bereich einer Oberfläche der Gehäusewand strukturiert und ein Randbereich der Berstscheibe wird an den strukturierten Bereich der Oberfläche angepresst. Die Metall-Direkt-Direktverbindung wird in Form von einer thermischen Fügeverbindung durch Erwärmen des Randbereiches und/oder des strukturierten Bereiches gebildet. Insbesondere wird die Oberfläche der Gehäusewand mittels eines Lasers strukturiert. Beim Strukturieren des der Umgebung zugewandten Oberflächenbereichs der Gehäusewand werden auf der metallischen Oberfläche der Gehäusewand kleine, mikroskopische Einschnitte bzw. Vertiefungen erzeugt, um eine Adhäsion für das thermische Fügen zu erhöhen und eine Dichtwirkung zwischen der Kunststoff-Berstscheibe und der Gehäusewand zu erhöhen. Dann werden die Gehäusewand und die Berstscheibe unter Wärmeeinbringung und Aufbringung eines Fügedrucks stoffschlüssig miteinander verbunden.
-
Es erweist sich als vorteilhaft, wenn die Sollbruchstelle der Berstscheibe durch Einschneiden einer Oberfläche der Berstscheibe mit einem Laser gebildet wird. Durch den Laser kann eine Einschnitttiefe in vorteilhafter Weise besonders genau eingestellt werden, sodass die Materialstärke im Bereich der Sollbruchstelle beispielsweise 100 µm beträgt. Außerdem können beispielsweise mittels des Lasers auf einfache Weise beliebige Einschnittgeometrien in der Oberfläche der Berstscheibe erzeugt werden.
-
Zur Erfindung gehören außerdem eine prismatische Batteriezelle für eine Hochvoltbatterie eines Kraftfahrzeugs mit einem galvanischen Element und einem erfindungsgemäßen Zellgehäuse, eine Hochvoltbatterie mit zumindest einer erfindungsgemäßen Batteriezelle sowie ein Kraftfahrzeug mit einer erfindungsgemäßen Hochvoltbatterie. Die Batteriezelle ist insbesondere eine Lithium-Ionen-Batteriezelle für die Hochvoltbatterie, welche beispielsweise als eine Traktionsbatterie für ein als Elektro- oder Hybridfahrzeug ausgebildetes Kraftfahrzeug eingesetzt werden kann.
-
Die mit Bezug auf das erfindungsgemäße Zellgehäuse vorgestellten Ausführungsformen und deren Vorteile gelten entsprechend für das erfindungsgemäße Verfahren, für die erfindungsgemäße Batteriezelle, für die erfindungsgemäße Hochvoltbatterie sowie für das erfindungsgemäße Kraftfahrzeug.
-
Weitere Merkmale der Erfindung ergeben sich aus den Ansprüchen, der Figuren und der Figurenbeschreibung. Die vorstehend in der Beschreibung genannten Merkmale und Merkmalskombinationen sowie die nachfolgend in der Figurenbeschreibung genannten und/oder in den Figuren alleine gezeigten Merkmale und Merkmalskombinationen sind nicht nur in der jeweils angegebenen Kombination, sondern auch in anderen Kombinationen oder in Alleinstellung verwendbar.
-
Die Erfindung wird nun anhand eines bevorzugten Ausführungsbeispiels sowie unter Bezugnahme auf die Zeichnungen näher erläutert.
-
Es zeigen:
- 1 eine schematische Darstellung einer Ausführungsform einer erfindungsgemäßen Batteriezelle;
- 2 eine schematische Darstellung einer Ausführungsform eines Gehäusedeckels der erfindungsgemäßen Batteriezelle, an welchem eine Berstscheibe angeordnet ist;
- 3 eine schematische Darstellung der mit dem Gehäusedeckel verbundenen Berstscheibe in vergrößerter Darstellung;
- 4 die Berstscheibe gemäß 3 in einer Schnittdarstellung; und
- 5a, 5b Herstellungsschritte zum Fügen der Berstscheibe und des Gehäusedeckels.
-
In den Figuren sind gleiche sowie funktionsgleiche Elemente mit den gleichen Bezugszeichen versehen.
-
1 zeigt eine prismatische Batteriezelle 1 für eine hier nicht gezeigte Hochvoltbatterie eines elektrisch antreibbaren Kraftfahrzeugs. Die Batteriezelle 1 weist ein Zellgehäuse 2 mit Gehäusewänden in Form von einem Gehäusemantel 3, einem Gehäuseboden 4 und einem Gehäusedeckel 5 auf. Die Gehäusewände des Zellgehäuses 2 sind aus einem metallischen Werkstoff, beispielsweise Aluminium, gebildet. In einem Aufnahmeraum 6 des Zellgehäuses 2 ist ein hier nicht gezeigtes galvanisches Element bzw. ein Zellwickel angeordnet.
-
Die Batteriezelle 1 weist zwei, an einer Oberfläche 7 des Gehäusedeckels 5 angeordnete Zellterminals 8, 9 auf, welche mit Elektroden des galvanischen Elements in dem Aufnahmeraum 6 elektrisch verbunden sind. Über die Zellterminals 8, 9 kann die Batteriezelle 1 mit weiteren Batteriezellen der Hochvoltbatterie verschaltet werden. Der Gehäusedeckel 5 weist außerdem eine Entgasungsöffnung 10 für eine Notentgasung der Batteriezelle 1 auf. Über diese Entgasungsöffnung 10 kann ein im Schadensfall, beispielsweise bei einem zellinternen Kurzschluss, in dem Aufnahmeraum 6 entstehendes Heißgas in eine Umgebung 12 der Batteriezelle 1 entweichen. Das Zellgehäuse 2 weist außerdem eine Einfüllöffnung 11 zum Einfüllen eines Elektrolyten des galvanischen Elementes in den Aufnahmeraum 6 während der Herstellung der Batteriezelle 1 auf.
-
In 2 ist der Gehäusedeckel 5 in separater Darstellung gezeigt. Der Gehäusedeckel 5 weist Terminalbereiche 13, 14 auf, in welchen die Zellterminals 8, 9 angeordnet werden. Beispielsweise ist der Terminalbereich 13 als eine Öffnung ausgebildet, durch welche das Zellterminal 8 hindurchgeführt wird und elektrisch gegenüber dem Zellgehäuse 2 isoliert ist. Der Terminalbereich 14 ist hingegen mit dem metallischen Zellgehäuse 2 und dem Zellterminal 9 verbunden, sodass das Zellterminal 9 auf einem Potential des Zellgehäuses 2 liegt. Außerdem weist das Zellgehäuse 2 eine Berstscheibe 15 auf, welche mit dem Gehäusedeckel 5 verbunden ist und welche die Entgasungsöffnung 10 bedeckt. Die Berstscheibe 15 ist in vergrößerter Darstellung in 3 gezeigt und hier als ein ovales Plättchen ausgebildet. Bei Abwesenheit des Heißgases schließt die Berstscheibe 15 das Zellgehäuse 2 gasdicht ab. Eine Verbindung zwischen der Berstscheibe 15 und dem Gehäusedeckel 5 ist also gasdicht. Die Berstscheibe 15 ist aus einem Kunststoff, insbesondere einem anelastischen Duroplast oder Thermoplast, gebildet und weist eine Sollbruchstelle 16 auf, welche durch eine Materialschwächung (siehe Querschnittdarstellung der Berstscheibe 15 in 4) ausgebildet ist. Die Materialschwächung ist als eine erste Schichtdicke 17 des Kunststoffs ausgebildet, welche gegenüber einer zweiten Schichtdicke 18 des Kunststoffs verringert ist. Die erste Schichtdicke 17 kann beispielsweise 100µm betragen. Die Sollbruchstelle 16 ist hier als ein geradliniger Schlitz bzw. Einschnitt 19 in einer Oberfläche 20 der Berstscheibe 15 ausgebildet. Der Einschnitt 19 kann beispielsweise mittels eines Lasers erzeugt werden.
-
Die Berstscheibe 15 ist dazu ausgelegt, an der Sollbruchstelle 16 zu bersten bzw. aufzubrechen, falls ein Innendruck pi in dem Aufnahmeraum 6 aufgrund der Anwesenheit des Heißgases ansteigt und einen bestimmten Schwellwert bzw. Berstdruck, beispielsweise 5 bar oder 6 bar, erreicht. Durch das Bersten der Berstscheibe 15 wird die Entgasungsöffnung 10 freigegeben und das Heißgas kann durch die Entgasungsöffnung 10 und die gebrochene Berstscheibe 15 aus dem Aufnahmeraum 6 in die Umgebung 12 entweichen. Der Schwellwert, ab welchen die Berstscheibe 15 berstet, kann dabei durch den Wert der ersten Schichtdicke 17 eingestellt werden.
-
Die Verbindung zwischen dem metallischen Gehäusedeckel 5 und der Kunststoff-Berstscheibe 15 ist eine Metall-Kunststoff-Direktverbindung 21, insbesondere eine thermische Fügeverbindung. Herstellungsschritte der thermischen Fügeverbindung sind in 5a und 5b gezeigt. In 5a ist die Oberfläche 7 des Gehäusedeckels 5 in einem an die Entgasungsöffnung 10 angrenzenden Bereich gezeigt. Die Oberfläche 7 wird mit einem Laser 22 vorbehandelt bzw. strukturiert, indem mikroskopische Einschnitte 23 in der Oberfläche 7 erzeugt werden. Die dabei entstehende Metallschmelze 24 in den Einschnitten 23 sorgt für eine erhöhte Adhäsion der thermischen Fügung. In 5b wird die Berstscheibe 15 durch Aufbringen eines Fügedrucks pF sowie durch Wärmeeinbringung W mit dem strukturierten, mit den Einschnitten 23 versehenen Bereich der Oberfläche 7 des Gehäusedeckels 5 stoffschlüssig verbunden. Diese thermische Fügeverbindung ist auch bei einem den Berstdruck erreichenden Innendruck pi stabil. Das Freigeben der Entgasungsöffnung 10 erfolgt also insbesondere ausschließlich durch das Bersten der Bertmembran 15 an der Sollbruchstelle.
-
Bezugszeichenliste
-
- 1
- Batteriezelle
- 2
- Zellgehäuse
- 3
- Gehäusemantel
- 4
- Gehäuseboden
- 5
- Gehäusedeckel
- 6
- Aufnahmeraum
- 7
- Oberfläche
- 8
- Zellterminal
- 9
- Zellterminal
- 10
- Entgasungsöffnung
- 11
- Einfüllöffnung
- 12
- Umgebung
- 13
- Terminalbereich
- 14
- Terminalbereich
- 15
- Berstscheibe
- 16
- Sollbruchstelle
- 17
- Erste Materialstärke
- 18
- Zweite Materialstärke
- 19
- Einschnitt
- 20
- Oberfläche
- 21
- Metall-Kunststoff-Direktverbindung
- 22
- Laser
- 23
- Einschnitte
- 24
- Metallschmelze
- pi
- Innendruck
- pF
- Fügedruck
- W
- Wärmeeinbringung
