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Die Erfindung betrifft ein Überdruckventil für eine Batterie nach der im Oberbegriff von Anspruch 1 näher definierten Art.
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Prinzipiell sind Überdruckventile für Batterien aus dem Stand der Technik bekannt. Derartige Überdruckventile bestehen meist aus Leichtbaumaterialien oder auch aus thermischen Isolationsmaterialien. In Batteriesystemen wird das Überdruckventil verbaut, um bei Fehlfunktionen, wie beispielsweise thermischer Zersetzung von Bestandteilen des Batteriesystems sowie den damit entstehenden Gasen bzw. Dampfwolken, einen Überdruck aus dem Batteriesystem abzubauen. Insbesondere soll eine undefinierte Zerstörung des Batteriegehäuses vermieden werden, weshalb der Überdruck ab einem bestimmten Maximalwert abgebaut werden muss. Im Stand der Technik werden dafür als Überdruckventile beispielsweise Berstscheiben in unterschiedlichsten Ausführungen eingesetzt. Diese können als Berstfolien, als Stichelemente zum Auftrennen von Membranen oder als abschmelzende Folien ausgebildet sein.
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Nachteilig bei derart bekannten Überdruckventilen ist die relativ kurzzeitige Auslösung des Ventils, und dies entweder thermisch, chemisch oder mechanisch. Dies bedeutet insbesondere, dass das Ventil bei entsprechenden Temperaturen nicht lange stabil bleibt, und das obwohl der Maximaldruck noch nicht erreicht ist. Weiterhin wird meist ein großer Querschnitt durch das Ventil geöffnet, sodass ein hoher Massenstrom abgeführt wird. Werden hingegen Ventile mit kleinen Querschnitten verwendet, müssen eine Vielzahl derartiger Ventile am Batteriegehäuse angeordnet werden, wodurch hohe Kosten verursacht werden. Ein weiterer Nachteil vieler derartiger Ventile bzw. Berstelemente besteht darin, dass diese nicht wieder verschlossen werden können. Dies bedeutet, dass nach Absinken des Überdrucks eine Öffnung zurückbleibt, die den Zugang zum Batterieinneren ohne entsprechenden Berührschutz ermöglicht.
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Um einen dieser Nachteile zu überwinden kann eine wiederverschließbare federbelastete Klappe eingesetzt werden. So ist aus der
DE 10 2007 063 191 A1 eine Batterie bekannt, an der eine Vorrichtung zur Verringerung eines Innendrucks angeordnet ist. Die Vorrichtung ist als blattfederbelastetes Ventil an dem Batteriegehäuse angeordnet. Nach der Verringerung des Drucks innerhalb des Batteriegehäuses kann sich das Ventil selbsttätig wieder schließen. Die weiteren oben aufgeführten Nachteile können mit einer derartigen Klappe jedoch nicht überwunden werden.
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Die Aufgabe der hier vorliegenden Erfindung besteht nun darin, ein Überdruckventil für eine Batterie zu schaffen, welches die zuvor genannten Nachteile überwindet.
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Erfindungsgemäß wird diese Aufgabe durch ein Überdruckventil mit den Merkmalen im Anspruch 1 und hier insbesondere im kennzeichnenden Teil des Anspruchs 1 gelöst. Vorteilhafte Ausgestaltungen und Weiterbildungen ergeben sich aus den hiervon abhängigen Unteransprüchen.
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Das erfindungsgemäße Überdruckventil ist aus einem Metallschaum mit offenen Poren ausgebildet, wobei in den Poren ein Aufschmelzmaterial eingelagert ist, um die Poren abzudichten. Dadurch kann ein temperaturgesteuertes Ventingventil ausgebildet werden, das das Austreten von Gasen und damit eine Druckreduzierung im Inneren des Batteriegehäuses erlaubt. Die Gase können bei dem erfindungsgemäßen Überdruckventil durch die Poren des Metallschaums bzw. des Keramikschaums austreten. Das Überdruckventil kann daher ebenso aus einem Keramikschaum ausgebildet sein. Die Füllung der Poren mit dem Aufschmelzmaterial dient dem Verschluss des Überdruckventils bzw. des Berstventils im Normalbetrieb. Dadurch kann beispielsweise der Eintritt von Wasser oder anderen Flüssigkeiten vermieden werden. Demzufolge ist eine Batterie mit einem derartig ausgestatteten Überdruckventil weiterhin gemäß BIP 67 abgesichert.
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Durch die Porenstruktur des Schaums kann die Batterie auch nach einem Venting-Event mit einem ausreichend hohen Berührschutz ausgebildet und verschlossen werden, da der Schaum unverändert in Form verbleibt, auch wenn das Aufschmelzmaterial nicht mehr in den Poren angeordnet ist. Insgesamt kann dadurch ein preiswertes und kompaktes Bauteil mit einstellbarer Auslösetemperatur unter Beibehaltung eines Berührschutzes im Bereich der Berstöffnung bereitgestellt werden.
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Bevorzugt kann das Aufschmelzmaterial ein Wachs, Stearin, Bienenwachs und/oder Paraffin sein. Bei einem Hartparaffin kann beispielsweise DEUREX eingesetzt werden.
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Gemäß einer sehr vorteilhaften Weiterbildung der Idee kann es dabei vorgesehen sein, dass die Schmelztemperatur des Aufschmelzmaterials zwischen 45°C und 80°C liegt. Hartparaffine haben beispielsweise als feste Masse eine Erstarrungstemperatur von 50 °C bis 62 °C. Spezielle Hartparaffine erreichen auch Schmelzpunkte über 100 °C, wie beispielsweise DEUREX. In einem Venting-Fall ist der Druckanstieg immer mit einem deutlichen Temperaturanstieg gekoppelt, da zellinterne Gase thermisch freigesetzt werden. Demnach entsteht beispielsweise durch thermische Reaktionen über beispielsweise 170 °C der Überdruck. Eine Auslösung des Überdruckventils erfolgt somit indirekt über einem Temperaturpunkt. Dies geschieht aus einer Gasentwicklung bedingt durch das Venting und einem damit verbundenen Temperaturanstieg. Eine direkte Kopplung der Auslösung an den Überdruck ist daher bevorzugt nicht gegeben.
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In einer weiteren Ausführungsform kann das Überdruckventil an eine Wärmesenke, wie beispielsweise eine Zellkühlung gekoppelt sein. Dadurch kann ein zu frühes Ausschmelzen vermieden werden. So kann beispielsweise erreicht werden, dass 50 °C nicht überschritten und ein fester Zustand des Paraffin bzw. des Wachs erhalten bleibt. Eine Absicherung eines entsprechenden Ausschmelzens im Fall eines auftretenden Ventings ist durch die wesentlich größere Wärmelast beim Venting im Vergleich zum Normalbetrieb gegeben.
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Dabei kann es gemäß einer vorteilhaften Ausgestaltung vorgesehen sein, dass das Aufschmelzmaterial im aufgeschmolzenen Zustand dünnflüssig ist, und dadurch durch die Poren abfließen kann. Das Abfließen des Aufschmelzmaterials kann durch den Überdruck im Inneren des Batteriegehäuses unterstützt und beschleunigt werden.
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Eine weitere vorteilhafte Ausgestaltung kann es vorsehen, dass in einem eingebauten Zustand des Überdruckventils in einem Batteriegehäuse ein Partikelfilter vorgeschaltet ist. Dadurch kann die Funktionalität über den gesamten Venting-Vorgang gewährleistet werden. Ein Verstopfen der Porenstruktur, insbesondere in einem Bereich von 0,7 mm, kann dadurch vermieden werden.
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Insgesamt gilt es hinzuzufügen, dass ein erfindungsgemäßes Überdruckventil nicht dem Druckausgleich im Normalbetrieb des Batteriesystems dient. Eine Druckdifferenz im Normalbetrieb liegt beispielsweise bei ca. 400 mbar bedingt durch Höhenänderungen, Temperaturänderungen oder auch Druckschwankungen. Derartige Druckdifferenzen sind über ein Druckausgleichsventil zu regulieren, beispielsweise durch eine Membran.
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Weitere Vorteile des erfindungsgemäßen Überdruckventils ergeben sich ferner aus den restlichen abhängigen Unteransprüchen und werden anhand der Ausführungsbeispiele deutlich, welche nachfolgend unter Bezugnahme auf die Figuren näher beschrieben werden.
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Dabei zeigen:
- 1 eine mögliche Ausführungsform des Überdruckventils;
- 2 eine weitere mögliche Ausführungsform des Überdruckventils;
- 3 die Ausführungsform aus 1 im Falle eines Überhitzens;
- 4 eine weitere mögliche Ausführungsform des Überdruckventils.
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In der Darstellung der 1 ist eine mögliche Ausführungsform des Überdruckventils 1 dargestellt. Das Überdruckventil 1 kann in einer geometrisch notwendigen Form ausgebildet sein. So kann das Überdruckventil 1 beispielsweise hülsenartig, flächig, rechteckförmig, eben oder gewölbt ausgeführt sein. Die Form wird durch die Grundform des Materialschaums 3 bestimmt. Die Fixierung des Materialschaums 3 am Gehäuse kann formschlüssig, kraftschlüssig oder auf stoffschlüssig erfolgen. Dabei können bekannte Verfahren wie Verschrauben, Verkleben oder Verschweißen eingesetzt werden. Die Darstellung in 1 zeigt das Batteriesystem sowie das Überdruckventil 1 in einem normalen Betriebsmodus, an welchem das Aufschmelzmaterial noch nicht ausgeschmolzen ist.
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Eine weitere Ausführungsvariante der Vorrichtung 1 ist in 2 zu erkennen. Dieselben Bauteile sind dabei mit denselben Bezugszeichen versehen, sodass hierauf im Detail nicht weiter eingegangen werden muss. Im Unterschied zu 1 ist hier ein Partikelfilter 4 an dem Überdruckventil 1 vorgesehen. Dadurch kann die Funktionalität verbessert werden, da freigesetzte Partikel gebunden und nicht durch das Überdruckventil 1 gelangen.
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3 zeigt das Batteriesystem im Falle einer Überhitzung mit einer Temperaturerhöhung 8. Durch auftretendes Zellventing 7 am Zellblock 5 erfolgt ein Aufschmelzen des Aufschmelzmaterials, dargestellt mit Bezugszeichen 10. In diesem Zustand ist das Überdruckventil 1 geöffnet. Demnach können Ventinggase 9 aus dem Batteriegehäuse 2 austreten.
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Eine weitere Ausführungsform des Überdruckventils 1 ist in 4 dargestellt. Im Unterschied zu den vorherig gezeigten Ausführungsformen weist das Überdruckventil 1 eine Wärmesenke 6 auf. Diese verhindert ein Ausschmelzen des Aufschmelzmaterials im Normalbetrieb. Hierbei ist zu beachten, dass der Wärmestrom um ein Vielfaches kleiner gegenüber einem Wärmestrom aus dem Zellventing 7 sein sollte, um ein „Überkühlen“ zu vermeiden.
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In einer weiteren nicht dargestellten Ausführungsform kann das Überdruckventil 1 beispielsweise an einer anderen Position am Batteriegehäuse 2 angeordnet sein oder auch eine andere Geometrie aufweisen.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- DE 102007063191 A1 [0004]
