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Die Erfindung betrifft eine Notentgasungsanordnung für die Notentgasung eines Akkumulators eines elektrisch angetriebenen Kraftfahrzeugs.
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Elektrisch angetriebene Kraftfahrzeuge weisen typischerweise Akkumulatoren auf, die dazu dienen, die elektrische Energie für den Betrieb des elektrischen Antriebs des Kraftfahrzeugs zur Verfügung zu stellen.
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Um diese Akkumulatoren auch im Falle von Unfällen wirksam zu schützen, sind diese regelmäßig in vergleichsweise stabilen und insbesondere weitestgehend gasdichten Gehäusen angeordnet. Die Gehäuse schützen die Zellen der Akkumulatoren vor schädlichen Umwelteinflüssen und vor mechanischen Beschädigungen, beispielsweise im Falle eines Unfalls des Kraftfahrzeugs.
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Da bei dem Betrieb eines derartigen Akkumulators durchaus Gase im Inneren des Akkumulators entstehen können, können die Akkumulatoren sogenannte Druckausgleichselemente aufweisen. Derartige Druckausgleichselemente verfügen in der Regel über Membranen, die in der Lage sind, minimale Gasmengen aus dem Inneren des Gehäuses entweichen zu lassen. Dabei können lediglich verhältnismäßig kleine Stoffmengenströme die Membranen passieren. Für das schnelle Abführen großer Gasmengen sind derartige Druckausgleichselemente daher nicht geeignet.
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Solche Gasmengen können jedoch entstehen, wenn es lokal zu einer Temperaturerhöhung in dem Akkumulator kommt. Im schlimmsten Fall könnte dies zu einem Bersten des gasdichten Gehäuses führen. Dann würden explosionsartig heiße Gase aus der Batterie aus- und in den Innenraum des Fahrzeugs eintreten.
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Die Ursache eines derartigen Szenarios können beispielsweise Kurzschlüsse in Batteriezellen sein. Diese haben lokale Überhitzungen und die Entwicklung entsprechender Gase zur Folge. Es ist jedoch auch denkbar, dass eine Batterie aufgrund externer Einflüsse überhitzt, beispielsweise wenn sie bei einem Unfall einem Feuer ausgesetzt wird. Es ist wünschenswert, dass bei derartigen Szenarien den Insassen eines Kraftfahrzeugs ein ausreichender Zeitraum zur Verfügung steht, um das Kraftfahrzeug zu verlassen. So schreibt beispielsweise in China ein Gesetz vor, dass Insassen eines Elektrofahrzeugs im Falle eines auftretenden Kurzschlusses und des resultierenden Druck- und Temperaturanstiegs in der Batterie fünf Minuten Zeit haben müssen, um das Kraftfahrzeug zu verlassen.
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Um dies zu erreichen, ist es notwendig, Maßnahmen zur Reduzierung des Drucks und/oder der Temperatur im Batteriegehäuse zu ergreifen. Eine dieser Maßnahmen kann eine kontrollierte Notentgasung sein. Dies bedeutet im Grunde nichts anderes, als dass bei einem Anstieg des Drucks oder der Temperatur im Inneren des Gehäuses eine Möglichkeit geschaffen wird, die es erlaubt, dass vergleichsweise große Mengen der erzeugten Gase in vergleichsweise kurzer Zeit entweichen können.
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Die
CN 107293656 A schlägt hierfür eine Notentgasungsanordnung für die Notentgasung eines Akkumulators eines elektrisch angetriebenen Fahrzeugs vor. Bei dieser Notentgasungsanordnung weist das Gehäuse des Akkumulators eine Notentgasungsöffnung auf. Diese Notentgasungsöffnung ist durch ein Verschlusselement verschlossen. Bei dem Verschlusselement handelt es sich um ein Kunststoffmaterial, welches bei einer definierten Temperatur, die in einem Bereich zwischen 100° C und 150 °C liegen kann, schmilzt. Durch das Schmelzen dieses Verschlusselements wird die Notentgasungsöffnung für das Ausströmen von Gas aus dem Gehäuse freigegeben.
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Derartige Notentgasungsanordnungen weisen jedoch Nachteile auf. Zum einen ist der Verschluss über einen derartigen Stopfen - der im Praxisbetrieb über eine lange Zeit hinreichend gasdicht sein muss und dabei beispielsweise umgebungstemperaturbedingte thermische Ausdehnungen des in der Regel metallischen Gehäuses im gasdichten Zustand überstehen muss - in der Praxis nicht trivial. In der Praxis werden hier schmelzkleberartige Materialien eingesetzt, die vergleichsweise schwierig automatisiert zu handhaben sind. Zum anderen ist es möglich, dass ein Kurzschluss an einer Stelle in dem Gehäuse entsteht, welche weit von dem Stopfen entfernt ist. In einem derartigen Fall ist es möglich, dass die Temperatur im Bereich des Stopfens nur vergleichsweise langsam ansteigt, während sich gleichzeitig mit hoher Geschwindigkeit ein hoher Druck im Gehäuse aufbaut. In einem derartigen Fall ist es bei einer Notentgasungsanordnung nach dem Stand der Technik möglich, dass diese nicht rechtzeitig auslöst, um eine rechtzeitige Notentgasung des Gehäuses des Akkumulators anzuleiten.
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Der Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, eine Notentgasungsanordnung für einen Akkumulator eines Kraftfahrzeugs aufzuzeigen, die einfach herzustellen ist und zuverlässig funktioniert.
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Die Aufgabe wird gelöst durch eine Notentgasungsanordnung mit den Merkmalen des Anspruchs 1. Die Merkmale der abhängigen Ansprüche betreffen vorteilhafte Ausführungsformen.
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Erfindungsgemäß ist vorgesehen, dass das Verschlusselement auf einen Teil einer Außenfläche des Gehäuses aufgeklebt ist. Eine derartige Gestaltung der Notentgasungsanordnung bietet gegenüber dem Stand der Technik wesentliche Vorteile. Zunächst kann die Befestigung derartiger Verschlusselemente an dem Gehäuse in sehr einfacher Weise automatisiert erfolgen. Da es sich bei dem Verschlusselement insbesondere um einen Festkörper handelt, ist dieses bei der Herstellung der Notentgasungsanordnung leichter zu handhaben als beispielsweise zähflüssiger aufgeschmolzener Kunststoff. In einfacher Weise kann, beispielsweise mittels eines Roboters, das Verschlusselement auf das Gehäuse aufgeklebt werden.
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Darüber hinaus bietet die Befestigung des Aufklebens eine zusätzliche Möglichkeit, einen Auslösemechanismus durch das Lösen der Verklebung zwischen dem Verschlusselement und dem Gehäuse bereitzustellen. Durch den im Inneren auf das die Notentgasungsöffnung verschließende Verschlusselement wirkenden Druck kann sich die Verklebung lösen und so die Notentgasungsöffnung freigeben. Dabei kann das Lösen des Klebers durch den Anstieg der Temperatur unterstützt werden.
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Insbesondere kann es sich bei dem Verschlusselement um einen Aufkleber handeln. Unter einem Aufkleber sind in diesem Zusammenhang insbesondere flächige Gebilde zu verstehen, welche dazu bestimmt sind, mit wenigstens einer ihrer Flächenseiten auf einen Gegenstand aufgeklebt zu werden. Derartige Aufkleber sind leicht handhabbar, leicht zu bevorraten und kostengünstig. Darüber hinaus verändert ein auf das Gehäuse des Akkumulators aufgeklebter Aufkleber praktisch nicht die Abmessungen des Gehäuses. Von daher können derartige Notentgasungsanordnungen in konstruktiver Hinsicht vergleichsweise unkompliziert an Gehäusen von Akkumulatoren vorgesehen werden, nämlich insbesondere ohne dass es hierbei aufwändiger Änderungen der Konstruktion des Gehäuses bedarf.
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Das Verschlusselement kann eine Kunststofffolie als wesentlichen Bestandteil aufweisen. Kunststofffolien sind kostengünstig herzustellen, langlebig und mechanisch belastbar. Sie haben den Vorteil, beim Erreichen bestimmter Temperaturen entfestigen, insbesondere zu schmelzen. Hierdurch kann ein weiterer Auslösemechanismus für die Notentgasungsanordnung geschaffen werden, nämlich der, dass ein Materialversagen der Kunststofffolie in Bereichen, in denen die Kunststofffolie die Notentgasungsöffnung überspannt, eintritt. Die Verklebung kann hierbei intakt bleiben, d.h. es ist möglich, zwei voneinander unabhängige Auslösemechanismen für die Notentgasungsanordnung bereitzustellen.
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Das Verschlusselement kann eine Klebstoffschicht aufweisen, mit der es auf das Gehäuse aufgeklebt ist. Die Klebstoffschicht an dem Verschlusselement vorzusehen bietet bei der Herstellung der Notentgasungsanordnung den Vorteil, dass das mit der Klebstoffschicht vorbeschichtete Verschlusselement fertigungstechnisch vergleichsweise einfach gehandhabt werden und lediglich mit dem Gehäuse in Kontakt gebracht werden muss, damit es sich dauerhaft mit dem Gehäuse verbindet. Die Klebstoffschicht erstreckt sich in diesem Zusammenhang in vorteilhafter Weise über eine Flächenseite einer Kunststofffolie.
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Bei dem Klebstoff kann es sich insbesondere um einen Klebstoff auf der Basis von Acrylat handeln. Derartige Kleber haben sich als geeignet für die Verwendung im Zusammenhang mit der vorliegenden Erfindung erwiesen.
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Bei der Kunststofffolie kann es sich um eine Kunststofffolie aus einem thermoplastischen Kunststoff handeln. Die Verwendung thermoplastischer Kunststoffe ist insbesondere im Hinblick auf deren Erweichen bzw. Schmelzen beim Erreichen bestimmter Temperaturen vorteilhaft. Es kann sich beispielsweise um Polyethylenterephtalat (PET) und/oder Polyamid (PA) handeln.
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Bei der Kunststofffolie kann es sich insbesondere um eine Druckmessfolie handeln. Derartige Druckmessfolien sind indsbesondere dazu ausgelegt, sich bei mechanischen Beanspruchungen zu Verfärben. So kann eine Beschädigung des Verschlusselements durch eine mechanische Einwirkung leicht erkann und das Verschlusselement ggf. in einfachster Weise ausgetauscht werden.
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Die Notentgasungsanordnung kann eine Stützstruktur aufweisen, auf die das Verschlusselement aufgeklebt ist. Die Stützstruktur ist insbesondere innerhalb der Notentgasungsöffnung angeordnet. Die Stützstruktur kann eine gitterartige Stützstruktur sein. Eine derartige Stützstruktur verbessert das Anhaften des Verschlusselements. Durch die Stützstruktur kann eine Aufteilung der Notentgasungsöffnung in eine Mehrzahl einzelner Teilöffnungen erfolgen. Diese bilden dennoch im Sinne der vorliegenden Erfindung eine Notentgasungsöffnung. Die Stützstruktur kann insbesondere durch Bereiche des Gehäuses gebildet sein. So ist es insbesondere möglich, eine Mehrzahl Teilöffnungen in dem Gehäuse vorzusehen, so dass die zwischen den Teilöffnungen befindlichen Gehäusebereiche die Stützstruktur bilden. Die Notentgasungsöffnung mit der Stützstruktur kann dann derart hergestellt werden, dass die einzelnen Teilöffnungen durch die Entfernung von Material aus dem Gehäuse erzeugt werden. Verbleibendes Material des Gehäuses bildet dann die Stützstruktur der so entstehenden Notentgasungsöffnung. Das Entfernen des Materials aus dem Gehäuse kann beispielsweise durch Ausschneiden, ein spanabhebendes Verfahren und/oder anderweitig erfolgen.
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Es ist vorteilhaft, wenn das Verschlusselement mit einem die Öffnung vollständig umgebenden Gehäusebereich überlappt. Auf diese Weise wird um die gesamte Notentgasungsöffnung herum eine hinreichende Kontaktfläche zwischen dem Verschlusselement und dem Gehäuse gewährleistet, um ein dichtes Verschließen der Notentgasungsöffnung durch eine Klebstoffschicht zu ermöglichen. Der die Notentgasungsöffnung vollständig umgebende Gehäusebereich überlappt mit dem Verschlusselement insbesondere an allen Stellen entlang des Umfangs des Verschlusselements auf einer Breite von wenigstens 5 mm. Insbesondere ist auf dieser Mindestbreite der Überlappung das Verschlusselement mit dem Gehäuse verklebt. Eine Verklebung mit einer derartigen Mindestbreite, die die Notentgasungsöffnung vollständig umgibt, stellt einen sicheren Schutz vor korrosiver Unterwanderung dar.
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Das Verschlusselement ist insbesondere dazu ausgebildet, bei dem Überschreiten einer definierten Temperatur zu entfestigen und so die Notentgasungsöffnung freizugeben. Bei der Entfestigung kann es sich insbesondere um ein Aufschmelzen des Materials des Verschlusselements handeln. Dabei kann insbesondere die Kunststofffolie aufschmelzen. Im Falle eines Aufschmelzens des Materials des Verschlusselements bietet dieses gegenüber aus dem Gehäuse austretendem Gas praktisch keinerlei Widerstand mehr. Es ist jedoch ebenfalls denkbar, dass es bereits bei Überschreiten einer bestimmten Temperatur zu einer derartigen Entfestigung kommt, dass das Material des Verschlusselements bereits sehr geringen Überdrücken nachgibt.
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Unter der Temperatur ist in diesem Zusammenhang insbesondere die Temperatur des Verschlusselements zu verstehen. Insbesondere wenn es sich bei dem Gehäuse um ein Gehäuse aus einem metallischen Werkstoff handelt, wird dies eine gute Wärmeleitung zum Verschlusselement hin bewirken. Für das Verhalten des Materials des Verschlusselements ist hingegen dessen Temperatur wesentlich, weshalb diese als Bezugspunkt im Zusammenhang mit der vorliegenden Beschreibung dient. Dabei ist grundsätzlich die Stelle des Verschlusselements zu betrachten, an der sich die gewünschte Wirkung der Temperatur manifestiert, sei es in einer Entfestigung der Kunststofffolie oder dem Lösen einer Verklebung (s.u.).
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Es ist möglich, dass die Freigabe der Notentgasungsöffnung als Folge der Entfestigung bei der definierten Temperatur gleichzeitig einen definierten Druck im Gehäuse voraussetzt. Bereits ein geringer Druck innerhalb des Gehäuses kann ein Materialversagen des entfestigenden Materials des Verschlusselements bewirken, kurz bevor dieses seinen tatsächlichen Schmelzpunkt erreicht hat. Die definierte Temperatur kann daher niedriger sein als der Schmelzpunkt des Materials, wenn ein bestimmter Mindestdruck im Gehäuse herrscht. Dieser Druck ist jedoch vorzugsweise niedriger als ein Druck, bei dem sich bereits die Verklebung zwischen dem Verschlusselement und dem Gehäuse lösen und so die Notentgasungsöffnung freigeben würde (s.u).
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So kann das Material des Verschlusselements derart gewählt sein, dass es bei einer Temperatur von 150 °C aufschmilzt. Ein derartiges Material würde, wenn sich seine Temperatur dieser Grenze nähert, derart entfestigen, dass bereits ein minimaler Überdruck im Inneren reicht, um ein Materialversagen des Verschlusselements herbeizuführen und so ein Freigeben der Notentgasungsöffnung zu bewirken. Bei Überschreiten der 150 °C würde das Trägermaterial aufschmelzen und so die Notentgasungsöffnung bereits ohne die Anwesenheit eines Überdrucks freigeben. Dies wäre beispielsweise dann sinnvoll, wenn das Gehäuse externen hohen Temperaturen ausgesetzt ist, so dass der Druckanstieg gegenüber dem Temperaturanstieg erst zeitverzögert erfolgt.
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Weiterhin kann die Notentgasungsanordnung insbesondere so ausgebildet sein, dass sich beim Überschreiten eines definierten Drucks im Inneren des Gehäuses die Verklebung löst und die Notentgasungsöffnung freigegeben wird. Der Widerstand der Verklebung gegenüber dem Druck im Inneren des Gehäuses stellt einen von den Materialeigenschaften des sonstigen Verschlusselements unabhängigen Faktor dar, um einen „Auslösemechanismus“ für die Notentgasungsanordnung bereitzustellen. Der große Vorteil ist, dass für diesen Mechanismus die Parameter, bei denen das Freigeben der Öffnung erfolgt, unabhängig von denen des oben beschriebenen „Auslösemechanismus“ über ein Materialversagen des Verschlusselements gewählt werden können. Dies kann beispielsweise dann sinnvoll sein, wenn der Druck im Gehäuse des Akkumulators bereits ansteigt, ein Temperaturanstieg im Bereich der Notentgasungsanordnung jedoch noch nicht erfolgt, beispielsweise weil der Ort eines Kurzschlusses vergleichsweise weit von der Notentgasungsanordnung entfernt ist und die dort entstehende Wärme noch nicht bis zu der Notentgasungsanordnung weitergeleitet wurde, wohl aber bereits der Innendruck aufgrund der sich im Gehäuse ausbreitenden Gase.
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Dabei kann es sein, dass die Freigabe der Notentgasungsöffnung als Folge des Lösens der Verklebung gleichzeitig eine definierte Temperatur voraussetzt. Diese Temperatur ist jedoch insbesondere geringer als die Temperatur, bei der bereits das Verschlusselement entfestigen und so die Notentgasungsöffnung freigeben würde. Auf diese Weise wird eine echte Alternative für das Freigeben der Notentgasungsöffnung geschaffen. Dabei kann es sein, dass aufgrund der Entfestigung des Klebstoffs durch die Einwirkung der Temperatur eine Temperaturabhängigkeit des zum Lösen der Verklebung erforderlichen definierten Drucks existiert. Für die Erfindung ist jedoch wesentlich, dass beispielsweise bei einem Überdruck von 0,2 bar im Gehäuse und einem Erreichen der Temperatur der Verklebung von 120 °C ein Lösen der Verklebung und damit eine Freigabe der Notentgasungsöffnung erfolgt.
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Im Idealfall kann auf diese Weise eine Notentgasungsanordnung zur Verfügung gestellt werden, die ein zuverlässiges Auslösen entweder bei einem höheren Druck und einer niedrigeren Temperatur durch das Materialversagen des Verschlusselements oder bei einer niedrigeren Temperatur und einem höheren Druck durch ein Lösen der Verklebung gewährleistet. Auf diese Weise wird insgesamt eine höhere Funktionssicherheit der Notentgasungsanordnung erreicht.
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Weitere praktische Ausführungsformen der Erfindung sind nachfolgend im Zusammenhang mit den Zeichnungen beschrieben. Es zeigen:
- 1 einen Akkumulator mit einer Notentgasungsanordnung,
- 2 eine Detaildarstellung der Notentgasungsöffnungen des Akkumulators vor dem Anbringen der Verschlusselemente,
- 3 eine Detaildarstellung des Akkumulators mit durch aufgeklebte Verschlusselemente verschlossenen Notentgasungsöffnungen,
- 4 eine Notentgasung nach dem die Verschlusselemente die Notentgasungsöffnungen freigegeben haben,
- 5 eine Schnittdarstellung einer von einem Verschlusselement verschlossenen Notentgasungsöffnung.
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Der in 1 dargestellte beispielhafte Akkumulator 10 weist ein Gehäuse 12 auf. Das Gehäuse 12 kann insbesondere gasdicht ausgeführt sein. Ein derartiges Gehäuse 12 kann ein Druckausgleichselement 14 aufweisen. Dies dient dazu, Druckschwankungen im normalen Betrieb auszugleichen.
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Der dargestellte Akkumulator weist darüber hinaus Notentgasungsanordnungen 16 auf, die eine Notentgasung des Akkumulators 10 bei einem schnellen Anstieg der Temperatur und/oder des Innendrucks des Akkumulators 10 ermöglichen.
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Die Funktionsweise der Notentgasungsanordnungen 16 lässt sich insbesondere anhand der 2 bis 4 nachvollziehen. Die Notentgasungsanordnungen 16 weisen Notentgasungsöffnungen 18 auf. Diese sind insbesondere in 2 zu erkennen. Die Notentgasungsöffnungen 18 sind mit Verschlusselementen 20 verschlossen. In 2 sind die Notentgasungsöffnungen 18 ohne Verschlusselemente und in 3 mit darauf aufgeklebten Verschlusselementen 20 dargestellt. Die Notentgasungsöffnungen 18 können Öffnungen in einer gitterartigen Struktur 22 zur besseren Unterstützung der Verschlusselemente 20 sein, wie dies beispielhaft in 2 dargestellt ist. Die gitterartige Stützstruktur unterteilt die einzelnen Notentgasungsöffnungen 18 jeweils in eine Anzahl von Teilöffnungen.
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Die Gase 24 können austreten, nachdem die Verschlusselemente 20 die Notentgasungsöffnungen 18 freigegeben haben. Dies kann beispielsweise auf die in 4 dargestellte Weise erfolgen. Im Fall des in der 4 dargestellten Szenarios ist aufgrund der ansteigenden Temperatur das Material der Verschlusselemente 20 geschmolzen, mit der Folge, dass das Verschlusselement 20 im Bereich der Notentgasungsöffnungen 18 dem Druck der Gase im Gehäuse 12 nicht mehr standhalten konnte und die Notentgasungsöffnungen 18 freigegeben hat. Reste des Verschlusselements 20 befinden sich noch aufgeklebt auf dem Gehäuse 12.
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In 5 ist ergänzend noch einmal ein Querschnitt der Notentgasungsanordnung 16 gezeigt. Das Verschlusselement 20 ist auf das Gehäuse 12 und die gitterförmige Stützstruktur 22 aufgeklebt. Dabei entstehen aufgrund der Überlappungen zwischen dem Verschlusselement 20 und dem die Notentgasungsöffnungen 18 umgebenden Bereich des Gehäuses 12 sowie die zusätzlichen Klebeflächen, die zwischen der gitterförmigen Stützstruktur 22 und dem Verschlusselement 20 gebildet sind, insgesamt vergleichsweise großflächige Verklebungen, die auch geringen Druckschwankungen, wie sie im Betrieb eines Akkumulators 10 typischerweise auftreten können, standhalten. Erst bei einer signifikanten Erhöhung des Innendrucks kommt es zum Versagen der Verklebungen und somit ebenfalls zu einer Notentgasung des Akkumulators 10.
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Die in der vorliegenden Beschreibung, in den Zeichnungen sowie in den Ansprüchen offenbarten Merkmale der Erfindung können sowohl einzeln als auch in beliebigen Kombinationen für die Verwirklichung der Erfindung in ihren verschiedenen Ausführungsformen wesentlich sein. Die Erfindung kann im Rahmen der Ansprüche und unter Berücksichtigung der Kenntnisse des zuständigen Fachmanns variiert werden.
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Bezugszeichenliste
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- 10
- Akkumulator
- 12
- Gehäuse
- 14
- Druckausgleichselement
- 16
- Notentgasungsanordnungen
- 18
- Notentgasungsöffnung
- 20
- Verschlusselemente
- 22
- Schutzstruktur
- 24
- Gase
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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