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Die Erfindung betrifft ein Zellgehäuse für eine prismatische Batteriezelle einer Hochvoltbatterie eines Kraftfahrzeugs aufweisend mehrere 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. Das Zellgehäuse umfasst außerdem ein mit der die Entgasungsöffnung aufweisenden Gehäusewand gasdicht verbundenes und die Entgasungsöffnung bedeckendes Berstelement, welches dazu ausgelegt ist, die Entgasungsöffnung ab einem vorbestimmten, aus dem Heißgas resultierenden Innendruck in dem Aufnahmeraum freizugeben, wobei eine Verbindung zwischen der Gehäusewand und dem Berstelement dazu ausgelegt ist, ab dem vorbestimmten Innendruck zu versagen. Die Erfindung betrifft außerdem eine Batteriezelle, eine Hochvoltbatterie sowie ein Kraftfahrzeug.
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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 hautsächlich 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.
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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 Berstelement in das Zellgehäuse zu integrieren. Dieses Berstelement verdeckt eine Entgasungsöffnung in einer der Gehäusewände und hält das Zellgehäuse im Normalfall bzw. fehlerfreien Fall, also wenn sich kein Heißgas im Aufnahmeraum befindet, dicht. Sobald im Fehlerfall bzw. Schadensfall Heißgas in dem Aufnahmeraum entsteht und ein Innendruck in dem Aufnahmeraum einen bestimmten Schwellwert erreicht, gibt das Berstelement den Aufnahmeraum frei. Solche Berstelemente sind üblicherweise als Berstmembranen in Form von dünnen Metallfolien ausgebildet, welche die Entgasungsöffnung durch Bersten freigeben.
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Aus der
DE 10 2016 212 450 A1 ist ein plattenartiges Berstelement bekannt, welches mit einem die Entgasungsöffnung umgebenden Randbereich der Gehäusewand verbunden wird. Bei Überschreitung des vorbestimmten Innendrucks in dem Aufnahmeraum versagt eine Verbindung zwischen dem Berstelement und der Gehäusewand, wodurch sich das Berstelement zumindest teilweise von der Gehäusewand löst. Hier wird die Entgasungsöffnung also nicht durch Zerbersten des Berstelementes, sondern durch das Lösen des Berstelementes von der Gehäusewand freigeben.
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Die Herausforderung bei solchen Berstelementen besteht darin, dass die Verbindung zwischen Berstelement und Gehäusewand einerseits bei zu hohem Innendruck versagen soll, weswegen die Verbindung aufgrund der auf das plattenartige Berstelement wirkenden Zugbeanspruchung eine niedrige Stabilität aufweisen muss. Andererseits soll die Verbindung im fehlerfreien Fall die Entgasungsöffnung abdichten, was wiederum eine gewisse Mindeststabilität erfordert.
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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.
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Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß durch ein Zellgehäuse, 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.
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Ein erfindungsgemäßes Zellgehäuse für eine prismatische Batteriezelle einer Hochvoltbatterie eines Kraftfahrzeugs weist mehrere Gehäusewände auf, 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. Das Zellgehäuse umfasst außerdem ein Berstelement, welches mit der die Entgasungsöffnung aufweisenden Gehäusewand gasdicht verbunden ist und die Entgasungsöffnung bedeckt. Das Berstelement ist dazu ausgelegt, die Entgasungsöffnung ab einem vorbestimmten, aus dem Heißgas resultierenden Innendruck in dem Aufnahmeraum freizugeben, wobei eine Verbindung zwischen der Gehäusewand und dem Berstelement dazu ausgelegt ist, ab dem vorbestimmten Innendruck zu versagen. Dabei weist das Berstelement zumindest eine gegenüber der Gehäusewand abgeschrägte, der Entgasungsöffnung zugewandte Fläche auf, welche dazu ausgelegt ist, bei Belastung mit dem vorbestimmten Innendruck eine Schälbeanspruchung an der Verbindung zwischen der Gehäusewand und dem Berstelement hervorzurufen, durch welche die Verbindung versagt.
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Das Zellgehäuse kann beispielsweise ein flachquaderförmiges Zellgehäuse sein. Das Zellgehäuse kann aus Metall, beispielsweise Aluminium, gefertigt 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.
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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 dem Berstelement bedeckt bzw. verschlossen. Dazu ist ein Randbereich des Berstelementes mit einem die Entgasungsöffnung umgebenden Bereich einer der Umgebung zugewandten Außenseite der Gehäusewand verbunden. Die Verbindung zwischen dem Berstelement und der Gehäusewand ist dabei insbesondere eine stoffschlüssige Verbindung.
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Das Berstelement ist hier nicht als eine flache, plattenförmige Scheibe ausgebildet, sondern ist zumindest bereichsweise abgeschrägt. Durch diese abgeschrägte Fläche wirkt ab dem vorbestimmten Innendruck, beispielsweise ab 5 bar, eine ungleichmäßige Druckbelastung bzw. Druckverteilung auf das Berstelement, durch welche eine Schälkraft auf die Verbindung zwischen dem Berstelement und der Gehäusewand wirkt. Diese Schälkraft resultiert in einer Schälbeanspruchung auf die Verbindung zwischen der Gehäusewand und dem Berstelement, welche daraufhin versagt. Durch die Schälkraft wird also das Berstelement von der Gehäusewand „abgeschält“. Der Erfindung liegt hierbei die Erkenntnis zugrunde, dass die Festigkeit der Verbindung zwischen dem Berstelement und der Gehäusewand gegenüber der Schälkraft deutlich geringer ist als gegenüber einer Zugbeanspruchung. Somit ist die Verbindung im Normalfall bzw. im fehlerfreien Fall bei Abwesenheit des Heißgases stabil, versagt aber zuverlässig im Schadensfall. Um diese Schälbeanspruchung zu induzieren, ist das Berstelement mit der zumindest einen abgeschrägten, geneigten Fläche ausgestattet.
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Dabei kann vorgesehen sein, dass das Berstelement als ein kuppelartiger Hohlkörper mit einem kragenartigen Randbereich ausgebildet ist, wobei der Randbereich mit einem die Entgasungsöffnung umgebenden Oberflächenbereich der Gehäusewand verbunden ist. Insbesondere ist der kuppelartige Hohlkörper keilförmig ausgebildet. Das Berstelement ist also ein dreidimensionales Element, welches die Entgasungsöffnung kappenartig bzw. kuppelartig überdeckt. Der Hohlkörper kann dabei keilförmig ausgebildet sein und eine abgeschrägte Seite aufweisen, deren Fläche an einer der Entgasungsöffnung zugewandten Innenseite in einem Strömungspfad des Heißgases liegt und welche die Schälbeanspruchung an der Verbindung zwischen dem kragenartigen Randbereich und der Oberfläche der Gehäusewand induziert.
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Besonders bevorzugt ist das Berstelement aus Kunststoff gebildet und ist über eine Metall-Kunststoff-Direktverbindung mit der metallischen Gehäusewand verbunden. Der Kunststoff ist vorzugsweise ein Thermoplast oder ein Duroplast. Das Berstelement ist also insbesondere als ein anelastisches Element ausgebildet, welches die Entgasungsöffnung durch Ablösen von der Gehäusewand freigibt. Das Berstelement ist also keine elastische Membran, welche sich bis Erreichen des Berstdrucks elastisch ausdehnt und dann reißt bzw. berstet. Ein solches aus Kunststoff hergestelltes Berstelement kann besonders einfach, beispielsweise durch einen Spritzgussprozess, hergestellt werden.
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Die Metall-Kunststoff-Direktverbindung ist dabei insbesondere eine stoffschlüssige Hybridverbindung zwischen der metallischen Gehäusewand und dem Kunststoff-Berstelement ohne einen weiteren Fügepartner. Eine solche Metall-Kunststoff-Direktverbindung ist vorzugsweise eine thermische Fügeverbindung. Vor dem Herstellen der thermischen Fügeverbindung kann dabei zunächst der die Entgasungsöffnung umgebende Oberflächenbereich der Gehäusewand vorbehandelt werden. 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 dem Kunststoff-Berstelement und der Gehäusewand zu erhöhen. Dann kann der Randbereich des Berstelementes an den strukturierten Bereich der Oberfläche angepresst werden und die thermische Fügeverbindung kann durch Erwärmen des Randbereiches und/oder des strukturierten Bereiches gebildet werden.
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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.
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Die mit Bezug auf das erfindungsgemäße Zellgehäuse vorgestellten Ausführungsformen und deren Vorteile gelten entsprechend für die erfindungsgemäße Batteriezelle, für die erfindungsgemäße Hochvoltbatterie sowie für das erfindungsgemäße Kraftfahrzeug.
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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.
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Die Erfindung wird nun anhand eines bevorzugten Ausführungsbeispiels sowie unter Bezugnahme auf die Zeichnungen näher erläutert.
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Es zeigen:
- 1 eine schematische Darstellung einer Ausführungsform einer erfindungsgemäßen Batteriezelle;
- 2 eine schematische Darstellung einer Ausführungsform eines Gehäusedeckels der erfindungsgemäßen Batteriezelle, an welchem ein Berstelement angeordnet ist;
- 3 eine schematische Darstellung des mit dem Gehäusedeckel verbundenen Berstelementes in vergrößerter Darstellung;
- 4 das Berstelement gemäß 3 in einer Schnittdarstellung; und
- 5a, 5b Herstellungsschritte zum Fügen des Berstelementes und des Gehäusedeckels.
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In den Figuren sind gleiche sowie funktionsgleiche Elemente mit den gleichen Bezugszeichen versehen.
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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, welcher durch die Gehäusewände umschlossen wird, ist ein hier nicht gezeigtes galvanisches Element bzw. ein Zellwickel angeordnet.
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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 hier 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. Die Einfüllöffnung wird nach dem Befüllen abgedichtet.
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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 Potenzial des Zellgehäuses 2 liegt. Außerdem weist das Zellgehäuse 2 ein Berstelement 15 auf, welches mit dem Gehäusedeckel 5 gasdicht verbunden ist und welches die Entgasungsöffnung 10 in dem Gehäusedeckel 5 bedeckt. Durch das Berstelement 15 kann also im schadensfreien Fall das Zellgehäuse 2 gasdicht abschießen. Das Berstelement 15 ist in vergrößerter Darstellung in 3 gezeigt. Das Berstelement 15 ist hier als ein kappenartiger bzw. kuppelartiger Hohlkörper mit einer abgeschrägten Fläche 16 und einem flanschartigen bzw. kragenartigen Randbereich 17 ausgebildet. Der kragenartige Randbereich 17 ist zum gasdichten Verbinden des Berstelementes 15 mit dem Gehäusedeckel 5 insbesondere stoffschlüssig mit einem die Entgasungsöffnung umgebenden Bereich der Oberfläche 7 des Gehäusedeckels 5 verbunden.
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Wie anhand der Querschnittdarstellung des Berstelementes 15 in 4 gezeigt ist, ist durch die Ausbildung des Berstelementes 15 als Hohlkörper ein Hohlraum 18 zwischen der Entgasungsöffnung 10 und dem Berstelement 15 ausgebildet, in welchen das Heißgas einströmen kann. Das Berstelement 15 ist dazu ausgelegt, die Entgasungsöffnung 10 freizugeben, indem eine Verbindung 19 zwischen dem Berstelement 15 und der Gehäusewand 5 zumindest bereichsweise nachgibt bzw. versagt, falls im Schadensfall ein Innendruck pi in dem Aufnahmeraum 6 aufgrund der Anwesenheit des Heißgases ansteigt und einen bestimmten Schwellwert, beispielsweise 5 bar oder 6 bar, erreicht. Um dieses Versagen der Verbindung 19 zu erreichen, ist das Berstelement 15 nicht flach, sondern mit der abgeschrägten Fläche 16 ausgebildet. Diese abgeschrägte, geneigte Fläche 16 sorgt dafür, dass der auf eine Innenseite 20 des Berstelementes 15 wirkende Innendruck pi in einer Schärkraft F resultiert, welche wiederum eine Schälbeanspruchung an der Verbindung 19 hervorruft. Durch diese Schälbeanspruchung löst sich das Berstelement 15 von der Gehäusewand 5 und gibt die Entgasungsöffnung 10 frei.
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Das Berstelement 15 ist hier aus einem Kunststoff, beispielsweise einem Thermoplast oder Duroplast hergestellt, wobei die Verbindung 19 eine Metall-Kunststoff-Direktverbindung 21 ist. Eine solche Metall-Kunststoff-Direktverbindung 21 kann beispielsweise eine thermische Fügeverbindung sein. Herstellungsschritte der thermischen Fügeverbindung sind in 5a und 5b gezeigt. In 5a ist die Oberfläche 7 des Gehäusedeckels 5 in dem 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 in den Einschnitten 23 entstehende Metallschmelze 24 sorgt für eine erhöhte Adhäsion der thermischen Fügung. In 5b wird das Berstelement 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 für Zugbeanspruchungen sehr stabil. Durch Induzieren der Schälbeanspruchung kann diese Fügeverbindung jedoch zuverlässig bei bei einem den Schwellwert erreichenden Innendruck pi gelöst werden.
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Bezugszeichenliste
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- 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
- Berstelement
- 16
- abgeschrägte Fläche
- 17
- Randbereich
- 18
- Hohlraum
- 19
- Verbindung
- 20
- Innenseite
- 21
- Metall-Kunststoff-Direktverbindung
- 22
- Laser
- 23
- Einschnitte
- 24
- Metallschmelze
- F
- Schälkraft
- pi
- Innendruck
- PF
- Fügedruck
- W
- Wärmeeinbringung
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- DE 102016212450 A1 [0004]
