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Die Erfindung betrifft eine Batterie mit wenigstens einem mehrere Einzelzellen umfassenden Zellstapel und mit einem den Zellstapel umgebenden Gehäuse, nach der im Oberbegriff von Anspruch 1 näher definierten Art.
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Die
US 2020/0012009 A1 beschreibt ein Gehäuse für elektrochemische Zellen, in welchen sich ein Flammenschutzmaterial und ein Filter befinden, über welche das Innere des Gehäuses mit einer Vielzahl von Ablassöffnungen verbunden ist. Durch diese kann Gas im Falle eines störungsbedingten Überdrucks austreten. Der Nachteil liegt darin, dass eine Vielzahl von Öffnungen in einem Gehäuse für eine Batterie, insbesondere bei einer sogenannten Hochvoltbatterie, wie sie häufig als Traktionsbatterie für zumindest teilweise elektrisch angetriebene Fahrzeuge eingesetzt wird, im Allgemeinen eher unerwünscht sind und mit dem Nachteil einer typischerweise sehr schwierigen Abdichtung des Batteriegehäuses einhergehen.
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Die
DE 10 2016 102 696 A1 beschreibt eine Anordnung mit einer galvanischen Zelle und einem gemeinsamen Transportbehälter. Dabei ist unter anderem ein Aufbau beschrieben und beispielsweise in der Darstellung der
4 gezeigt, bei welchem ein Abströmkanal im Inneren des Batteriegehäuses angeordnet wird und über ein Filterelement aus Schaumglasgranulat mit dem Inneren des Batteriegehäuses verbunden ist. Der Abströmkanal, welcher auch als Venting-Kanal bezeichnet wird, ist dann über wenige Notentgasungselemente, welche hier als Überdruckventile dargestellt sind, mit der Umgebung verbunden. Der Nachteil des Aufbaus liegt in der Verwendung des relativ aufwändigen Schaumglasgranulats als Filtermaterial. Dieses Material bedarf zusätzlichen Bauraums und ist durch die relativ feinen Poren relativ anfällig gegen eine Zusetzen mit eventuellen Partikeln, welche im Falle eines thermischen Versagens einer oder mehrerer der Einzelzellen gegebenenfalls als glühende Partikel mit dem abzulassenden Gas mitgerissen werden. Dies kann außerdem zu einem Anschmelzen des Filtermaterials führen, was dann wiederum die Durchlässigkeit des Filters weiter beeinträchtigt.
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Zum weiteren Stand der Technik kann außerdem auf die
JP 04-104 458 A hingewiesen werden. In dieser Schrift ist eine metallische Hülle für eine Batterie beschrieben, welche einen Filter umfasst. Der metallische Aufbau soll dabei eventuelle brennbare Gase im Inneren der Hülle schnell abkühlen, um einer thermisch kritischen Situation, dem sogenannten thermal runaway, vorzubeugen.
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Die Aufgabe der hier vorliegenden Erfindung besteht nun darin, eine verbesserte Batterie gemäß dem Oberbegriff des Anspruchs 1 anzugeben, welche einfach, effizient und kostengünstig realisiert werden kann.
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Erfindungsgemäß wird diese Aufgabe durch eine Batterie mit den Merkmalen im Anspruchs 1, und hier insbesondere im kennzeichnenden Teil des Anspruchs 1, gelöst. Vorteilhafte Ausgestaltungen und Weiterbildungen der Batterie ergeben sich aus den hiervon abhängigen Unteransprüchen.
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Bei der erfindungsgemäßen Batterie ist es so, dass der Abströmkanal im Inneren des Gehäuses ausgebildet ist, um möglichst wenig abzudichtende Schnittstellen in dem Gehäuse zu verursachen. Er ist, vergleichbar wie im Stand der Technik, über ein Filterelement mit dem restlichen Innenraum des Gehäuses verbunden und über wenigstens ein Notentgasungselement mit dem Äußeren. Erfindungsgemäß ist es dabei so, dass das Filterelement durch eine Vielzahl von Öffnungen in wenigstens einer Kanalwand des Abströmkanals ausgebildet ist. Diese Ausgestaltung des Filterelements durch eine Vielzahl von Öffnungen ist außerordentlich einfach und effizient. Die Öffnungen müssen lediglich in die entsprechende Kanalwand -oder auch in die Kanalwände- des Abströmkanals eingebracht werden. Sie können dann Partikel, insbesondere glühende Partikel, von dem Gas separieren und können so dafür sorgen, dass die Gase ohne diese Partikel über die Notentgasungselemente abströmen und damit relativ sicher aus dem Bereich des Batteriegehäuses gelangen.
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Die Größe der Öffnungen kann dabei in einer Größenordnung von 0,3 bis 2 mm Maschenweite liegen. Die Erfahrung hat gezeigt, dass eine solche Größe annähernd ideal ist, um die typischerweise im Falle eines thermal runaways mitgerissenen, häufig glühenden, Partikel zuverlässig aus dem Abströmkanal fernzuhalten. Dadurch, dass eine Vielzahl derartiger Öffnungen über die Oberfläche des Abströmkanals oder zumindest über die Fläche einer seiner Kanalwände verteilt ausgeführt ist, ist es so, dass die kritischen Gase immer einen relativ kurzen Weg in den Abströmkanal haben und dass, für den Fall, dass das Filterelement in einem der Bereich des Kanals zugesetzt ist, immer noch eine relativ große Fläche des Kanals zur Verfügung steht, in welcher die Öffnungen des Filters ein Durchtritt des Gases auch weiterhin erlauben.
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Gemäß einer außerordentlich günstigen Weiterbildung der erfindungsgemäßen Batterie kann es deshalb auch vorgesehen sein, dass die Öffnungen sich über die gesamte Länge des Abströmkanals verteilen, sodass in jedem Fall ein Bereich des Abströmkanals mit dem Filterelement zur Durchströmung mit den Gasen bereitsteht, auch wenn andere Bereiche gegebenenfalls bereits mit Partikeln verstopft sind. Durch diese möglichst große Ausdehnung der Fläche des Filters mit den entsprechenden Öffnungen ergibt sich so also ein sehr zuverlässiger Aufbau, welcher auch im Falle eines größeren thermischen Ereignisses in der Batterie noch eine gute Funktionalität gewährleisten kann.
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Dabei kann der Abströmkanal sich gemäß einer sehr günstigen Ausgestaltung der erfindungsgemäßen Batterie über einen Großteil der Länge derjenigen Fläche des Gehäuses, an welcher er angebracht ist, erstrecken. Der Kanal ist also vorzugsweise an einer der Flächen des Gehäuses angebracht. Er erstreckt sich über den größten Teil der Länge dieser Fläche des Gehäuses und nimmt so einen relativ großen Raum in seiner Ausdehnung bezüglich der Länge ein. Dadurch kann von vielen Stellen innerhalb des Batteriegehäuses aus zu dem Venting-Kanal hin ein relativ kurzer Strömungsweg realisiert werden. Insbesondere in Kombination mit der zuvor beschriebenen Ausgestaltung, bei welcher die Öffnungen über die gesamte Länge des Abströmkanals verteilt sind, lässt sich dann eine sehr große Filterfläche zur Verfügung stellen, was die Gefahr eines Zusetzens des Filters minimiert.
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Gemäß einer weiteren sehr günstigen Ausgestaltung der Erfindung kann der Abströmkanal dabei mehrteilig oder vorzugsweise einteilig ausgebildet sein. Er kann gemäß einer vorteilhaften Weiterbildung beispielsweise als Blechteil, vorzugsweise als tiefgezogenes Blechteil, ausgebildet sein. Dieser Aufbau hat den Vorteil einer außerordentlich einfachen und effizienten Herstellung einerseits und durch die Verwendung des Blechs den Vorteil eines thermisch sehr stabilen Kanals. Prinzipiell lässt sich dies mit verschiedenen Blechen und Materialien erreichen, welche thermisch ausreichend beständig sind. Besonders bevorzugt kann es sich bei dem Blech um Stahlblech handeln
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Vorzugsweise kann dabei auch das Gehäuse aus Metall -vorzugsweise Stahlblechausgebildet sein, sodass der vorzugsweise aus Stahlblech ausgebildete und tiefgezogene Abströmkanal mit dem Gehäuse leicht verbunden werden kann, beispielsweise verschweißt werden kann. Der Aufbau lässt sich dann insbesondere bei einer Integration im Bereich einer Seitenfläche eines Oberteils des Gehäuses insgesamt aus Stahlblech herstellen und so fertigen, dass beispielsweise der Abströmkanal als tiefgezogenes Blechteil am Inneren des Oberteils des Gehäuses angeschweißt und anschließend zusammen mit diesem beschichtet wird.
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Gemäß einer weiteren sehr günstigen Ausgestaltung kann es dabei vorgesehen sein, dass die Öffnungen, welche das Filterelement ausbilden, im bestimmungsgemäßen Einsatz in Richtung der Schwerkraft unten angeordnet sind. Eine solche Anordnung im bestimmungsgemäßen Einsatz in Richtung der Schwerkraft unten ermöglicht eine gewisse Selbstreinigung des Filterelements. Kommt Gas zusammen mit Partikeln, insbesondere glühenden Partikeln, im Bereich des Abströmkanals an, dann muss dieses von unten durch die als Filterelemente genutzten Öffnungen in den Abströmkanal einströmen. Größere Partikel werden im Bereich der Öffnungen zurückgehalten. Sind diese Partikel so groß, dass sie nicht im Bereich der Öffnungen steckenbleiben, dann werden sie aufgrund der Schwerkraft nach unten fallen und sorgen somit für einen Selbstreinigungseffekt der als Filterelement genutzten Öffnungen, was ein weiterer entscheidender Vorteil des Aufbaus ist.
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Die Notentgasungselemente können in verschiedener Art und Weise ausgebildet sein. Im oben genannten Stand der Technik sind sie beispielsweise als Überdruckventile beschrieben. Insbesondere können sie in ihrer Anzahl minimiert sein, um so die Schnittstellen zwischen dem Gehäuse und dem Äußeren des Gehäuses zu minimieren. Sie können vorzugsweise, und so ist es gemäß einer besonders günstigen Ausgestaltung der erfindungsgemäßen Batterie auch vorgesehen, in Form von Berstscheiben ausgebildet sein. Diese Berstscheiben dichten den Aufbau des Abströmkanals nach außen zuverlässig ab. Kommt es im Inneren zu einem Überdruck, werden die Berstscheiben zerstört und geben einen Durchlass nach außen frei, sodass über den Abströmkanal das im Falle eines sicherheitskritischen Zustandes entstehende Gas abströmt und der in dem Gehäuse der Batterie entstandene Überdruck abgebaut werden kann.
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Weitere vorteilhafte Ausgestaltungen der erfindungsgemäßen Batterie ergeben sich auch aus dem Ausführungsbeispiel, welches nachfolgend unter Bezugnahme auf die Figuren näher dargestellt ist.
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Dabei zeigen:
- 1 einen Längsschnitt durch eine mögliche Ausführungsform der erfindungsgemäßen Batterie; und
- 2 einen Querschnitt gemäß der Linie II-II in 1.
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In der Darstellung der 1 ist ein schematischer Querschnitt durch einen Teil einer Batterie 1 zu erkennen. Diese Batterie 1 umfasst mehrere Zellmodule 2, von welchen in der Darstellung der 1 lediglich eines teilweise zu erkennen ist. Jedes dieser Zellmodule ist als Stapel von Einzelzellen aufgebaut, wie es dem Fachmann für Batterien allgemein bekannt ist. Die Batterie 1 soll als sogenannte Hochvoltbatterie ausgebildet sein. Sie kann als Traktionsbatterie in einem zumindest teilweise elektrisch angetriebenen Fahrzeug eingesetzt werden.
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Die Zellmodule 2 der Batterie 1 befinden sich innerhalb eines in seiner Gesamtheit mit 3 bezeichneten Gehäuses, welches sich gemäß der Darstellung in 1 in ein Gehäuseunterteil 3.1 und ein Oberteil 3.2 des Gehäuses 3 aufteilt. Das Oberteil 3.2 und das Gehäuseunterteil 3.1 können beispielsweise im Bereich von Flanschen 4.1 und 4.2 miteinander verschraubt sein, wobei ein Dichtelement 5 für eine Abdichtung des Gehäuses 3 der Batterie 1 gegenüber der Umgebung sorgt. Diese Abdichtung ist für die Praxis wichtig, sodass nach Möglichkeit so wenig Schnittstellen wie denkbar zwischen dem Inneren 6 des Gehäuses 3 und dessen äußerer Umgebung 7 vorhanden sein sollten.
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Um dies zu erreichen, wird ein Abströmkanal 8 im Innern 6 des Gehäuses 3 angeordnet. Er besteht aus einem beispielsweise tiefgezogenen Blechteil 9, welches mit dem ebenfalls aus Stahlblech ausgebildeten Oberteil 3.2 des Gehäuses beispielsweise durch Verschweißen verbunden sein kann. Es erstreckt sich, wie es aus Schnittdarstellung in 2 zu erkennen ist, über einen großen Teil der Länge des Gehäuses 3 bzw. der Seitenfläche, an welcher der Abströmkanal 8 angeordnet ist. Er ist über einige wenige Notentgasungselemente mit der Umgebung verbunden. Diese sind hier in Form von Berstscheiben 10 bzw. jeweils einer Berstscheibe 10 dargestellt, wobei diese in ihrem geöffneten, also geborstenen Zustand, gezeigt ist.
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In den Darstellungen der 1 und 2 ist jeweils in einigen Linien und Pfeilen ein Gasstrom 11 dargestellt, welcher von einer oder mehreren der Einzelzellen eines der Zellmodule 2 abströmt und dabei heiße und glühende, gegebenenfalls brennende durch x angedeutete Partikel 12 mit sich führt. Der durch dieses Gas 11 im Inneren 6 des Gehäuses 3 der Batterie 1 entstehende Überdruck soll nun über den Abströmkanal 8 abgebaut werden. Dieser ist dafür, vorzugsweise auf seiner im bestimmungsgemäßen Einsatz in Richtung der Schwerkraft g unteren Seite mit einer Vielzahl von kleinen Öffnungen 13 versehen, sodass sie eine Filterstruktur mit der Maschenweite in der Größenordnung von 0,3 bis 2,0 mm ausbilden. Die Öffnungen 13 erstrecken sich dabei vorzugsweise auf der im bestimmungsgemäßen Einsatz in Richtung der Schwerkraft g unten liegenden Seite des Blechteils 9 des Abströmkanals 8 über dessen gesamte Länge, sodass einerseits kurze Wege für die Gase gewährleistet sind, was insbesondere in der Darstellung der 2 zu erkennen ist, und das andererseits eine relativ große Fläche mit derartigen Öffnungen 13 zur Verfügung steht, sodass im Falle, dass in einem Teilbereich die Öffnungen 13 verstopfen, andere Teilbereiche mit noch nicht verstopften Öffnungen 13 zur Verfügung stehen, durch welche die Partikel 12 abgeschieden und die Gase 11 über den Abströmkanal und die Berstscheibe 10 als Notentgasungselement abströmen können. Die Anordnung im bestimmungsgemäßen Einsatz in Richtung der Schwerkraft g unten hat dabei den Vorteil, dass Partikel 12, welche von den Öffnungen 13 zurückgehalten werden, zumindest teilweise nach unten wegfallen und im Bereich des Gehäuseunterteils 3.1 liegen bleiben. Dies ist durch die mit 12' bezeichneten Partikel in der Darstellung der 1 entsprechend angedeutet. Damit wird ein Zusetzen der Öffnungen 13, welche als Filterstruktur dienen, konstruktionsbedingt verringert, sodass ein hochsicherer Aufbau mit einer guten und effizienten Funktionalität möglich wird.
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Durch die Integration in das Innere 6 des Gehäuses 3 werden außerdem unnötige Schnittstellen, welche entsprechend abzudichten wären, vermieden und der Aufbau kann in der gewünschten Art und Weise auf einer oder mehrerer Seiten des Gehäuses 3 so integriert werden, dass das Gehäuse 3 in seinen äußeren Abmessungen praktisch unverändert bleibt, was hinsichtlich des Packagings ein entscheidender Vorteil sein kann.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- US 2020/0012009 A1 [0002]
- DE 102016102696 A1 [0003]
- JP 4104458 A [0004]
