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Die Erfindung betrifft eine Batterieanordnung mit mindestens einer Batteriezelle nach Anspruch 1, ein Verfahren zur Herstellung der Batterieanordnung nach Anspruch 11 und ein Verfahren zum Betrieb der beschriebenen Batterieanordnung nach Anspruch 12.
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Insbesondere umfasst die mindestens eine Batteriezelle ein Gehäuse und darin angeordnet mindestens eine erste Elektrodenfolie einer ersten Elektrodenart, eine zweite Elektrodenfolie einer zweiten Elektrodenart und ein dazwischen angeordnetes Separatormaterial. Das Gehäuse ist insbesondere ein elastisch verformbares oder formfestes, gasdicht ausgeführtes Gehäuse, wobei darin ein Stapel aufeinander angeordneter Elektrodenfolien angeordnet ist.
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Eine Batteriezelle ist ein Stromspeicher, der z. B. in einem Kraftfahrzeug zum Speichern von elektrischer Energie eingesetzt wird. Insbesondere weist z. B. ein Kraftfahrzeug eine elektrische Maschine zum Antrieb des Kraftfahrzeuges (einen Traktionsantrieb) auf, wobei die elektrische Maschine durch die in der Batteriezelle gespeicherte elektrische Energie antreibbar ist. In einer Batteriezelle sind Elektrodenfolien, also Anoden und Kathoden aufeinander gestapelt angeordnet, wobei unterschiedliche Elektrodenfolien durch Separatorfolien oder ein Separatormaterial voneinander getrennt angeordnet sind. Die Elektrodenfolien sind in einem Elektrolyt angeordnet.
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Es sind z. B. Batteriezellen mit flüssigen oder festen Elektrolyten (Feststoffbatterie) bekannt.
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Ein Batteriemodul umfasst insbesondere eine Mehrzahl von Batteriezellen, die miteinander elektrisch in Reihe oder parallel-geschaltet und in einem Modulgehäuse angeordnet sind. Auch einzelne Batteriemodule können miteinander elektrisch in Reihe oder parallel-geschaltet werden. Eine Batterie umfasst ein Batteriemodul oder eine Mehrzahl von Batteriemodulen.
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Ein vorrangiges Ziel bei der Entwicklung von Batterieanordnungen ist es, das sämtliche mechanische Lastfälle ohne Brand und ohne Kurzschluss ertragen werden müssen. Gerade bei Lithium-Ionen Batteriezellen können mechanische Beschädigungen, hohe Temperaturen oder zu hohe elektrische Ströme zu einem thermischen Durchgehen (thermal runaway) führen.
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Während eines thermischen Durchgehens erhöht sich die Temperatur einer Batteriezelle kontinuierlich und teilweise exponentiell aufgrund der exothermen Reaktionen der Komponenten der Batteriezelle. Dabei können Temperaturen von bis zu 1.000 °C und höher erreicht werden, wobei zusätzlich ggf. gesundheitsgefährdende und/ oder brennbare Gase freigesetzt werden können.
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Ein thermisches Durchgehen ist in jedem Fall zu vermeiden, da ein einziger derartiger Vorfall an nur einer Batteriezelle eine Zerstörung eines ganzen Moduls, einer Batterieanordnung oder sogar eines die Batterieanordnung aufweisenden Kraftfahrzeugs bewirken kann. Bei einem thermischen Durchgehen werden große Mengen an Gasen erzeugt, ein flüssiger Elektrolyt kann sich entzünden und benachbart zu der Batteriezelle angeordnetes Material kann verbrennen und/ oder zerstört werden. Unmittelbar vor dem thermischen Durchgehen kann bereits ein hochexplosives und reaktives Gemisch verschiedener Gase erzeugt werden, z. B. umfassend Wasserstoff, Kohlendioxid, Kohlenmonoxid, Ethan, Methan, etc., das von Pulverteilchen umgeben und in einer gasförmigen und/ oder flüssigen Umgebung angeordnet ist. Dabei erhöht sich ein Innendruck der Batteriezelle bis zur Zerstörung des Gehäuses der Batteriezelle, üblicherweise bis ca. 8 bar. Nach dem Durchbruch des Gasgemisches aus der Batteriezelle reagiert dieses mit der die Batteriezelle ggf. umgebenden Luft, so dass die exotherme Reaktion exponentiell beschleunigt.
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Im Rahmen eines sogenannten „thermal propagation test“ wird überprüft, ob nach einem thermal runaway einer Batteriezelle eine Explosion der Batterie über einen Mindestzeitraum, z. B. von 5 Minuten oder sogar 30 Minuten, hinweg vermieden werden kann, um eine Evakuierung von Nutzern, z. B. eines Kraftfahrzeugs, zu ermöglichen.
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Bestimmte Maßnahmen, wie z. B. Anbindung der Batteriezellen an eine Kühlung, Einbau von Phasenwechselmaterialien zur Aufnahme größerer Wärmemengen, bei Temperaturüberschreitung schmelzende Separatormaterialien, Elektrolytadditive zur Begrenzung der Bewegung von Ionen im Falle einer Temperaturüberschreitung, Gasaufnahmetaschen innerhalb der Batteriezelle und Temperaturüberwachung der Batteriezelle bzw. des Batteriemoduls, sind bekannt.
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Bei der Temperaturüberwachung wird insbesondere eine Veränderung der Temperatur ausgewertet, d. h. bei einer Erwärmung von z. B. mehr als 10 Grad Celsius pro Minute kann auf ein unausweichliches thermisches Durchgehen entschieden werden.
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Gasaufnahmetaschen dienen insbesondere der Aufnahme von Gas, das während der Formierung einer Batteriezelle entsteht, z. B. im Rahmen der Erzeugung der SEI (solid electrolyte interphase). Während einer Formierung wird die neu hergestellte Batteriezelle mehreren Lade- und Entladezyklen unterzogen, so dass sich u. a. die SEI ausbildet. Erst nach der Formierung ist die Batteriezelle für einen bestimmungsgemäßen Gebrauch einsatzbereit. Eine Aufnahme des Gases ist sinnvoll, weil sonst die Bewegung der Ionen innerhalb der Batteriezelle beeinflusst und damit die Effizienz der Zelle beeinträchtigt wird. Diese Gasaufnahmetaschen werden insbesondere nach der Formierung der Batteriezelle entfernt. Insbesondere sind deshalb mehrere Schritte zum Verschließen des Gehäuses der Batteriezelle erforderlich.
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Das Problem der „thermal propagation“, also der thermischen Fortschreitung, wird auch dadurch verschärft, dass die gesetzlich vorgeschriebenen Evakuierungszeiten eher verlängert und das Volumen einzelner Batteriezellen sowie ihr Energieinhalt, und damit die bei einem thermischen Durchgehen freigesetzte Energie, eher vergrößert werden.
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Aus der US 2012/0196161 A1 ist eine Batteriezelle mit einem Ventil bekannt. Über das Ventil soll Gas aus der Batteriezelle abgeführt werden.
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Aus der
US 2016/0133914 A1 ist eine Batteriezelle bekannt, die zwei Anschlüsse aufweist. Über den einen Anschluss kann ein Elektrolyt in die Zelle eingefüllt werden. Über den anderen Anschluss kann Gas während der Befüllung der Zelle abgeführt werden.
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Aus der
DE 10 2018 200 870 A1 ist ein elektrochemischer Speicher bekannt. Aus der
DE 196 24 883 C1 ist eine Batterie bekannt. Aus der
CN 000111261923 A ist ein zylindrisches Batteriepacksystem bekannt. Aus der
US 2016/0036024 A1 ist ein Entlüftungssystem für eine Lithium-Sekundärbatterie bekannt.
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Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, die mit Bezug auf den Stand der Technik angeführten Probleme zumindest teilweise zu lösen. Insbesondere soll eine Batterieanordnung vorgeschlagen werden, bei der eine Zerstörung oder gar Explosion einer Batteriezelle sicher verhindert werden kann. Dabei soll die Batterieanordnung gleichzeitig eine über die gesamte Lebenszeit hohe Leistungsfähigkeit aufweisen. Zudem soll ein Verfahren zum Betrieb einer Batterieanordnung vorgeschlagen werden.
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Zur Lösung dieser Aufgaben trägt eine Batterieanordnung mit den Merkmalen gemäß Patentanspruch 1, ein Verfahren zur Herstellung der Batterieanordnung mit den Merkmalen gemäß Patentanspruch 11 und ein Verfahren zum Betrieb der Batterieanordnung gemäß Patentanspruch 12 bei. Vorteilhafte Weiterbildungen sind Gegenstand der abhängigen Patentansprüche. Die in den Patentansprüchen einzeln aufgeführten Merkmale sind in technologisch sinnvoller Weise miteinander kombinierbar und können durch erläuternde Sachverhalte aus der Beschreibung und/oder Details aus den Figuren ergänzt werden, wobei weitere Ausführungsvarianten der Erfindung aufgezeigt werden.
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Es wird eine Batterieanordnung vorgeschlagen, zumindest umfassend eine Batteriezelle mit einem, ein Volumen umschließendes Gehäuse und in dem Volumen angeordnet mindestens einer ersten Elektrodenfolie einer ersten Elektrodenart, einer zweiten Elektrodenfolie einer zweiten Elektrodenart und einem dazwischen angeordneten Separatormaterial sowie einem flüssigen Elektrolyt. Die Batteriezelle weist mindestens ein erstes Ventil und ein zweites Ventil auf. Die Batterieanordnung weist weiter eine erste Anschlussleitung auf, die über zumindest das erste Ventil mit dem Volumen verbunden ist.
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Über jedes der Ventile ist das Volumen der Batteriezelle insbesondere mit einer Umgebung (einer erste Anschlussleitung, einer zweiten Anschlussleitung, einer Zuführleitung für einen Elektrolyten, etc.) der Batteriezelle schaltbar verbindbar.
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Die Batteriezelle weist insbesondere ein elastisch verformbares Gehäuse auf.
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Die Batteriezelle ist insbesondere eine Pouchzelle (mit einem verformbaren Gehäuse bestehend aus einer Pouchfolie) und gerade nicht eine prismatische Zelle (mit einem formfesten Gehäuse). Eine Pouchfolie ist ein bekanntes verformbares Gehäuseteil, dass als Gehäuse für sogenannte Pouchzellen eingesetzt wird. Es handelt sich dabei um ein Kompositmaterial, z. B. umfassend einen Kunststoff und Aluminium.
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Innerhalb der Batteriezelle sind insbesondere keine weiteren Gehäuse vorgesehen, in denen einzelne Gruppen von Elektrodenfolien angeordnet sind. Die Elektrodenfolien werden also insbesondere nur von einem gemeinsamen Gehäuse umschlossen. Das Gehäuse ist insbesondere flüssigkeitsdicht, ggf. gasdicht ausgeführt. Innerhalb des Gehäuses ist insbesondere ein flüssiger Elektrolyt angeordnet.
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Die Batteriezelle ist insbesondere eine Lithium-lonen-Batteriezelle.
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Die einzelnen Folien der Mehrzahl von Elektrodenfolien sind aufeinander angeordnet und bilden insbesondere einen Stapel. Die Elektrodenfolien sind jeweils unterschiedlichen Elektrodenarten zugeordnet, sind also als eine Anode oder eine Kathode ausgeführt. Dabei sind Anoden und Kathoden wechselweise und jeweils durch das Separatormaterial getrennt voneinander angeordnet.
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Insbesondere umfasst das Gehäuse zumindest zwei, ggf. miteinander verbundene oder als Einzelteile bereitgestellte, Gehäuseteile, wobei die Gehäuseteile über eine Siegelnaht gasdicht miteinander verbunden sind und so das Gehäuse gasdicht verschlossen ist.
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Die Siegelnaht ist eine stoffschlüssige Verbindung zweier Gehäuseteile des Gehäuses. Die Siegelnaht erzeugt eine gasdichte Verbindung der Gehäuseteile. Über die aus Pouchfolie gebildeten Gehäuseteile und die mindestens eine Siegelnaht ist das von dem Gehäuse umschlossene Volumen damit gegenüber einer Umgebung der Batteriezelle gasdicht ausgeführt.
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Die Ventile sind insbesondere dauerhaft in dem Gehäuse der Batteriezelle angeordnet, d. h. auch für den bestimmungsgemäßen Betrieb der Batteriezelle vorgesehen. Insbesondere kann so ermöglicht werden, dass z. B. während der Formierung aber auch im Betrieb der Batteriezelle entstehendes Fluid bzw. Gas und/oder Partikel aus dem Volumen über mindestens ein Ventil an die Umgebung der Batteriezelle bzw. über die erste Anschlussleitung oder eine zweite Anschlussleitung abgeführt werden kann. Die Entstehung eines Überdrucks in der Batteriezelle kann so verhindert werden. Weiter kann ein entstehendes Gas so kontinuierlich, also insbesondere bei Überschreitung eines vordefinierbaren Grenzdruckes und über die Lebenszeit der Batteriezelle, aus dem Volumen abgeführt werden. Die Leistungsfähigkeit der Batteriezelle wird also durch das entstehende Gas nicht beeinträchtigt. Weiter ist eine Gasaufnahmetasche innerhalb des Gehäuses, z. B. für die Aufnahme des bei der Formierung entstehenden Gases, nicht erforderlich. Eine Versiegelung der Batteriezelle durch eine Siegelnaht kann direkt in einem Schritt, ggf. zusammen mit der Anordnung der Ventile an bzw. in dem Gehäuse, erfolgen.
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Ein Ventil ermöglicht eine schaltbare strömungstechnische Verbindung des Volumens mit der Umgebung (einer erste Anschlussleitung, einer zweiten Anschlussleitung, einer Zuführleitung für einen Elektrolyten, etc.) über das Ventil. Das Ventil schaltet insbesondere bei Überschreitung einer vorbestimmbaren Druckdifferenz zwischen dem Volumen und der Umgebung. Dabei schaltet das Ventil insbesondere nur in einer Richtung, d. h. nur, wenn z. B. ein Druck innerhalb des Volumens größer ist als in der Umgebung, also bei einem Überdruck in dem Volumen.
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Zumindest eines der Ventile ist so ausgeführt, dass es einen Abbau eines in dem Volumen entstehenden Überdrucks und damit verbunden ein zumindest teilweises Entgasen des Volumens an die Umgebung ermöglicht.
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Zumindest ein Ventil kann wiederholt schließen und öffnen, ohne seine Funktionalität einzubüßen.
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Die Ventile können baugleich oder voneinander unterschiedlich ausgeführt sein. Erfindungsgemäß sind die Ventile gleichartig in dem Gehäuse angeordnet. Die Ventile sind in gleicher Schaltrichtung verbaut, d. h. über beide Ventile kann entweder bei Überschreiten eines Grenzdruckes ein Überdruck in dem Volumen an die Umgebung abgebaut werden. Das Medium ist z. B. ein Elektrolyt.
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Zumindest zwei Gehäuseteile des Gehäuses sind über eine Siegelnaht gasdicht verschlossen. Die Ventile erstrecken sich jeweils durch die Siegelnaht hindurch.
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Insbesondere schaltet zumindest das erste Ventil bei einem Überdruck in dem Volumen selbsttätig und stellt eine Verbindung zwischen dem Volumen und der ersten Anschlussleitung her. Selbsttätig heißt insbesondere, dass eine äußere Betätigung des Ventils nicht erforderlich ist. Das Ventil öffnet und schließt eine strömungstechnische Verbindung zwischen dem Volumen und der ersten Anschlussleitung also ausschließlich in Abhängigkeit von einer an dem Ventil anliegenden Druckdifferenz.
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Insbesondere umfasst die Batterieanordnung eine zweite Anschlussleitung, die über das zweite Ventil mit dem Volumen verbunden ist. Das zweite Ventil
- - schaltet erfindungsgemäß in einer ersten Anordnung bei einem Überdruck in dem Volumen selbsttätig, oder
- - schaltet in einer nicht von der Erfindung umfassten zweiten Anordnung bei einem Überdruck in der zweiten Anschlussleitung selbsttätig
und stellt dadurch eine Verbindung zwischen dem Volumen und der zweiten Anschlussleitung her.
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Erfindungsgemäß ist zumindest das zweite Ventil, dass bei einem Überdruck in dem Volumen selbsttätig schaltet und eine Verbindung zwischen dem Volumen und der Umgebung herstellt (erste Anordnung), aus der Umgebung heraus betätigbar. Das Ventil kann im Rahmen einer Betätigung also insbesondere aus einer geschlossenen Stellung in eine offene Stellung überführt werden. Das zweite Ventil kann insbesondere mechanisch (z. B. über einen Stift) oder durch elektromagnetische Kraft betätigt werden. Dadurch kann das zweite Ventil, auch in einer ersten Anordnung, zur Zuführung eines Elektrolyten in das Volumen genutzt werden. Im Betrieb der Batterieanordnung können dann beide Ventile, also das erste Ventil und das zweite Ventil, bei einem Überdruck in dem Volumen selbsttätig schalten.
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Insbesondere ist, wenn das zweite Ventil in der ersten Anordnung angeordnet ist, die zweite Anschlussleitung mit der ersten Anschlussleitung strömungstechnisch verbunden. Damit kann ein aus der Batteriezelle austretendes Fluid in einer gemeinsamen Anschlussleitung zunächst zusammengeführt und dann weitergeleitet werden.
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Insbesondere ist zumindest ein (bevorzugt zumindest das erste) Ventil mit der Anschlussleitung über eine Schraubverbindung verbunden.
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Insbesondere ist zumindest ein Ventil so ausgeführt, dass es bei einer Druckdifferenz zwischen dem Volumen und der Umgebung (also z. B. der ersten Anschlussleitung, der zweiten Anschlussleitung, einer Zuführleitung für einen Elektrolyten, etc.) von 1,1 bis 1,3 bar, insbesondere bei 1,2 bar, bevorzugt mit einer gegenüber dem vorbestimmten Wert beidseitigen Toleranz von höchstens 0,05 bar (also bei 1,2 bar zwischen 1,15 und 1,25 bar), selbsttätig schaltet.
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Insbesondere umfasst die Batterieanordnung zumindest einen an der ersten Anschlussleitung angeordneten Volumenstromsensor zur Erfassung eines durch die erste Anschlussleitung strömenden Volumenstroms. Sollte also eine Entgasung der mindestens einen Batteriezelle auftreten, kann über den Volumenstromsensor dieser Fluid- bzw. Gasstrom erkannt werden. Infolge der Erkennung des Fluidstroms können unterschiedliche Maßnahmen eingeleitet werden. Ein thermisches Durchgehen kann damit frühzeitig erkannt und ggf. verhindert werden.
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Insbesondere ist zumindest die erste Anschlussleitung strömungstechnisch mit einem Aufnahmebehälter verbunden. Der Aufnahmebehälter kann z. B. beabstandet von der mindestens einen Batteriezelle, ggf. von allen Batteriezellen, ggf. von einem Batteriemodul, angeordnet sein. Insbesondere ist der Aufnahmebehälter zur Aufnahme eines so großen Fluidvolumens ausgelegt, so dass der bei einem thermischen Durchgehen auch einer Vielzahl von Batteriezellen auftretende Fluidstrom aufgenommen werden kann.
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Insbesondere ist an dem Aufnahmebehälter zumindest ein Drucksensor zur Erfassung eines innerhalb des Aufnahmebehälters vorliegenden Drucks angeordnet. Insbesondere kann damit ein in den Aufnahmebehälter überführtes Fluidvolumen bestimmt werden, so dass auf ein thermisches Durchgehen einer oder mehrerer Batteriezellen rückgeschlossen werden kann. Insbesondere kann bei Erreichen eines Grenzdruckes, z. B. von 1,1 bar, ein Warnsignal ausgegeben werden, so dass der Aufnahmebehälter entleert oder ausgetauscht werden kann.
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Insbesondere kann in bzw. an der mindestens einen Batteriezelle ein Drucksensor angeordnet sein. Durch diesen Drucksensor kann eine Gasentstehung in einer Batteriezelle frühzeitig erkannt werden.
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Insbesondere ist der Aufnahmebehälter über ein drittes Ventil mit der ersten Anschlussleitung verbunden. Insbesondere verhindert das dritte Ventil ein Wiederausströmen des in dem Aufnahmebehälter aufgenommenen Fluids.
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Insbesondere umfasst die Batterieanordnung zumindest eine in der ersten Anschlussleitung angeordnete Pumpe, die zum Fördern eines Volumenstroms von dem Volumen hin zum Aufnahmebehälter geeignet ausgeführt ist. Über die Pumpe kann ggf. ein über das mindestens eine Ventil aus dem Volumen ausgetretene Fluid hin zum Aufnahmebehälter gefördert werden.
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Insbesondere ist die zweite Anschlussleitung über zumindest einen Teil der ersten Anschlussleitung mit dem Aufnahmebehälter verbunden. Insbesondere ist die Pumpe erst stromabwärts des Zulaufs der zweiten Anschlussleitung in der ersten Anschlussleitung angeordnet.
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Insbesondere umfasst die Batterieanordnung zumindest umfassend eine Mehrzahl von Batteriezellen, die miteinander elektrisch seriell verschaltet sind. Jede der Mehrzahl von Batteriezellen ist über ein erstes Ventil mit der gemeinsamen ersten Anschlussleitung verbunden. Insbesondere ist auch jede der Mehrzahl von Batteriezellen über ein zweites Ventil und eine zweite Anschlussleitung mit der ersten Anschlussleitung verbunden.
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Es wird weiter ein Verfahren zur Herstellung der beschriebenen Batterieanordnung vorgeschlagen. Die Batterieanordnung umfasst zumindest eine Batteriezelle. Die Batteriezelle umfasst zumindest ein, ein Volumen umschließendes Gehäuse und in dem Volumen angeordnet mindestens eine erste Elektrodenfolie einer ersten Elektrodenart, eine zweite Elektrodenfolie einer zweiten Elektrodenart und ein dazwischen angeordnetes Separatormaterial sowie einen flüssigen Elektrolyt. Zumindest zwei Gehäuseteile des Gehäuses sind über eine Siegelnaht gasdicht verschlossen. Die Batteriezelle weist mindestens ein erstes Ventil mit einem ersten Ventilgehäuse und ein zweites Ventil mit einem zweiten Ventilgehäuse auf, wobei jedes der Ventile das Volumen des Gehäuses mit einer Umgebung der Batteriezelle schaltbar verbindet.
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Das Verfahren umfasst zumindest die folgenden Schritte:
- i. Bereitstellen des Gehäuses mit zumindest zwei Gehäuseteilen;
- ii. Anordnen der Elektrodenfolien und des Separatormaterials in dem Gehäuse und Anordnen zumindest der Ventilgehäuse in dem für die Siegelnaht vorgesehenen Bereich;
- iii. Verbinden der Gehäuseteile durch die Siegelnaht, so dass die Ventilgehäuse und die Gehäuseteile gasdicht miteinander verbunden sind;
- iv. Anordnen zumindest einer ersten Anschlussleitung an dem ersten Ventil, Befüllen des Volumens mit einem Elektrolyt und Entfernen von Gas aus dem Volumen über die erste Anschlussleitung; ggf. Anordnen der Ventile in den Ventilgehäusen;
- v. Formieren der Batterieanordnung.
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Die obige (nicht abschließende) Einteilung der Verfahrensschritte in i. bis v. soll vorrangig nur zur Unterscheidung dienen und keine Reihenfolge und/oder Abhängigkeit erzwingen. Auch die Häufigkeit der Verfahrensschritte kann variieren. Ebenso ist möglich, dass Verfahrensschritte einander zumindest teilweise zeitlich überlagern. Ganz besonders bevorzugt findet das Anordnen der Elektrodenfolien und des Separatormaterials und das Anordnen der Ventilgehäuse (und ggf. der Ventile, also des Ventilgehäuses zusammen mit dem schaltbaren Teil des Ventils) im Rahmen des Schrittes ii. zeitlich parallel zueinander oder nacheinander statt, wobei dabei die Reihenfolge aber verschieden sein kann. Ganz besonders bevorzugt findet das Befüllen des Volumens mit einem Elektrolyt und das Anordnen der Ventile in den Ventilgehäusen im Rahmen des Schrittes iv nacheinander statt, wobei die Reihenfolge aber verschieden sein kann. Insbesondere werden die Schritte i. bis v. in der angeführten Reihenfolge durchgeführt.
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Die Gehäuseteile können bereits miteinander verbunden sein oder z. B. durch eine einzige Pouchfolie gebildet werden. Die Gehäuseteile können aber auch separat voneinander ausgeführt sein.
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Insbesondere bilden die beiden Gehäuseteile einen Boden und einen Deckel bzw. zwei Seiten des Gehäuses, wobei die Gehäuseteile im Rahmen des Schrittes iii) zur Ausbildung des Gehäuses bzw. des Volumens miteinander verbunden werden.
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Das Verbinden der Gehäuseteile durch die mindestens eine Siegelnaht ist bekannt. Allerdings werden hier im Unterschied zu bekannten Gehäusen die Ventilgehäuse in der Siegelnaht angeordnet.
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Im Rahmen des Schrittes iv) kann der Elektrolyt über die durch das Ventilgehäuse des zweiten Ventils gebildete Öffnung oder über das zweite Ventil in das Volumen überführt werden. Dabei kann ein Gas über das erste Ventil oder über die Öffnung des Ventilgehäuses des ersten Ventils aus dem Volumen abgeführt werden.
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Im Rahmen des Schrittes v) erfolgt ein Formieren der Batteriezelle. Dabei wird die Batteriezelle mehrfach Lade- und Entladezyklen ausgesetzt. Unter anderem wird dabei die SEI ausgebildet. Erst nach der Formierung ist die Batteriezelle für einen vorbestimmten Einsatz, z. B. als Energiespeicher in einer Batterie, z. B. eines Kraftfahrzeugs, einsetzbar. Das bei der Formierung entstehende Gas kann selbsttätig oder über die Betätigung zumindest eines Ventils aus dem Volumen abgeführt werden.
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Es wird weiter ein Verfahren zum Betrieb der beschriebenen Batterieanordnung oder der nach dem beschriebenen Verfahren hergestellten Batterieanordnung vorgeschlagen. Dabei erfolgt nach dem Formieren der Batteriezelle ein Betreiben der Batterieanordnung und zumindest während des Formierens oder des Betreibens ein Entgasen des Volumens zumindest über ein Ventil.
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Insbesondere wird durch zumindest ein Ventil ermöglicht, dass ein auch im Betrieb der Batterieanordnung im Volumen entstehendes Gas aus der Batteriezelle abgeführt werden kann.
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Damit kann eine Explosion der Batteriezelle im Betrieb verhindert und gleichzeitig eine hohe Leistungsfähigkeit der Batterieanordnung über Lebenszeit gewährleistet werden.
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Es wird weiter ein Verfahren zum Betrieb der Batterieanordnung vorgeschlagen, wobei die Batterieanordnung zumindest eine Batteriezelle mit einem, ein Volumen umschließendes Gehäuse und in dem Volumen angeordnet mindestens einer ersten Elektrodenfolie einer ersten Elektrodenart, einer zweiten Elektrodenfolie einer zweiten Elektrodenart und einem dazwischen angeordneten Separatormaterial sowie einem flüssigen Elektrolyt umfasst. Die Batteriezelle weist mindestens ein erstes Ventil und ein zweites Ventil auf. Die Batterieanordnung weist weiter eine erste Anschlussleitung auf, die über zumindest das erste Ventil mit dem Volumen verbunden ist. Das Verfahren umfasst zumindest die folgenden Schritte:
- a) Bereitstellen der mindestens einen Batteriezelle und Anschluss an einen Stromkreis;
- b) Betrieb der Batterieanordnung, insbesondere mit der mindestens einen formierten Batteriezelle, bevorzugt durch Laden oder Entladen der mindestens einen Batteriezelle;
- c) Abführen eines Fluids, z. B. eines Gases, aus der mindestens einen Batteriezelle über zumindest das erste Ventil in die erste Anschlussleitung.
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Die obige (nicht abschließende) Einteilung der Verfahrensschritte in a) bis c) soll vorrangig nur zur Unterscheidung dienen und keine Reihenfolge und/oder Abhängigkeit erzwingen. Auch die Häufigkeit der Verfahrensschritte kann variieren. Ebenso ist möglich, dass Verfahrensschritte einander zumindest teilweise zeitlich überlagern. Ganz besonders bevorzugt findet der Betrieb der Batterieanordnung und das Abführen eines Fluids zeitlich parallel zueinander oder in der angegebenen Reihenfolge nacheinander statt. Insbesondere werden die Schritte a) bis c) in der angeführten Reihenfolge durchgeführt. Insbesondere tritt Schritt c) nur im Rahmen einer Reaktion einer schadhaften Batteriezelle in dem Betrieb der Batteriezelle auf.
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Insbesondere weist die Batterieanordnung ein Steuergerät auf und an der ersten Anschlussleitung ist ein Volumenstromsensor zur Erfassung eines durch die erste Anschlussleitung strömenden Volumenstroms angeordnet. Wenn ein Volumenstrom während Schritt c) einen ersten Grenzwert überschreitet, kann in einem nachfolgenden Schritt d) über das Steuergerät zumindest
- - eine Kühlleistung einer Kühleinrichtung der mindestens einen Batteriezelle erhöht werden, oder
- - die mindestens eine Batteriezelle von einem Stromkreis entkoppelt werden, oder
- - die mit der mindestens einen Batteriezelle elektrisch seriell verschalteten Batteriezellen von einem Stromkreis entkoppelt werden, oder
- - alle Batteriezellen der Batterieanordnung von einem Stromkreis entkoppelt werden.
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Der erfasste Volumenstrom deutet insbesondere darauf hin, dass in zumindest einer an die erste Anschlussleitung angeschlossenen Batteriezellen eine Gasentwicklung vorliegt. Die Gasentwicklung kann auf ein thermisches Durchgehen hindeuten. Um ein thermisches Durchgehen und insbesondere eine dauerhafte Schädigung der mindestens einen Batteriezelle und gerade auch eine Schädigung benachbarter Batteriezellen zu vermeiden, können unterschiedliche Maßnahmen, ggf. auch in einer bestimmten Reihenfolge nacheinander oder zumindest teilweise parallel zueinander eingeleitet bzw. durchgeführt werden.
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Insbesondere wird nach Überschreitung des ersten Grenzwerts zunächst eine Kühlleistung der Kühleinrichtung erhöht.
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Insbesondere kann parallel dazu, davor oder bevorzugt danach, wenn also der erste Grenzwert nicht wieder unterschritten oder ein höherer zweiter Grenzwert überschritten wird, die Batteriezelle von einem Stromkreis entkoppelt werden. Die Entkopplung bzw. Trennung von dem Stromkreis unterbindet ein weiteres Laden oder Entladen der Batteriezelle über einen angeschlossenen Verbraucher.
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Insbesondere können parallel dazu, davor oder bevorzugt danach, wenn also der erste/ zweite Grenzwert nicht wieder unterschritten oder ein höherer zweiter oder dritter Grenzwert überschritten wird, die mit der mindestens einen Batteriezelle elektrisch seriell verschalteten Batteriezellen von einem Stromkreis entkoppelt werden.
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Insbesondere können parallel dazu, davor oder bevorzugt danach, wenn also der erste/ zweite/ dritte Grenzwert nicht wieder unterschritten oder ein höherer zweiter, dritter oder vierter Grenzwert überschritten wird, alle Batteriezellen der Batterieanordnung von einem Stromkreis entkoppelt werden. Insbesondere kann so ein komplettes Batteriemodul einer Batterie, also die innerhalb eines gemeinsamen Gehäuses angeordneten Batteriezellen, von dem Stromkreis entkoppelt werden.
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Es wird weiter ein Steuergerät vorgeschlagen, das zur Durchführung des beschriebenen Verfahrens, also insbesondere zur Erfassung und Verarbeitung von Sensorsignalen, zur Steuerung einer Pumpe, eines Stromkreises und/ oder einer Kühleinrichtung, ausgestattet, konfiguriert oder programmiert ist.
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Weiter kann das Verfahren auch von einem Computer bzw. mit einem Prozessor einer Steuereinheit ausgeführt werden.
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Es wird demnach auch ein System zur Datenverarbeitung vorgeschlagen, das einen Prozessor umfasst, der so angepasst/konfiguriert ist, dass er das Verfahren bzw. einen Teil der Schritte des vorgeschlagenen Verfahrens durchführt.
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Es kann ein computerlesbares Speichermedium vorgesehen sein, das Befehle umfasst, die bei der Ausführung durch einen Computer/Prozessor diesen veranlassen, das Verfahren bzw. mindestens einen Teil der Schritte des vorgeschlagenen Verfahrens auszuführen.
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Es wird weiter ein Kraftfahrzeug vorgeschlagen, zumindest umfassend einen Traktionsantrieb und die beschriebene Batterieanordnung, wobei der Traktionsantrieb durch die mindestens eine Batteriezelle mit Energie versorgbar ist.
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Die Ausführungen zu der Batterieanordnung sind insbesondere auf das Verfahren zur Herstellung, auf das Verfahren zum Betrieb, das Kraftfahrzeug, das Steuergerät und/oder das computerimplementierte Verfahren (also den Computer bzw. den Prozessor, das System zur Datenverarbeitung, das computerlesbare Speichermedium) übertragbar und umgekehrt.
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Mit der Batterieanordnung kann z. B. sichergestellt werden, dass ein unzulässig hoher Innendruck der Batteriezelle nicht aufgebaut wird. Gerade eine Pouchzelle ist damit gegen eine Explosion geschützt. Es besteht keine Notwendigkeit zur Bereitstellung einer Gastasche in der Batteriezelle zur Aufnahme des während einer Formierung entstehenden Gases. Der Einbau von Ventilen in die Batteriezelle kann während des Tiefziehvorgangs des Gehäuses in einfacher Weise erfolgen. Da die Produktion und Entfernung von Gas kontrolliert wird, ist die Leistung der Batteriezelle auch während der Lebensdauer auf hohem Niveau. Der Prozessschritt zur Entfernung der Gastasche nach der Formierung entfällt. Eine Abdichtung des Gehäuses der Batteriezelle ist nur einmal erforderlich (nur nach Positionierung der Ventile im Tiefziehvorgang). Die Batteriezelle kann größer dimensioniert werden und somit ist mehr Energieinhalt möglich. Die Energiedichte kann erhöht und die Kosten für das inaktive Material reduziert werden.
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Das Problem der thermischen Ausbreitung (thermal propagation, z. B. chinesischer Sicherheitsstandard
GB 38031-2020 ) entfällt, da die problematische Batteriezelle und/oder das betroffene Batteriemodul sofort vom Batteriesystem getrennt werden kann und das Gas aus dieser Batteriezelle/ diesem Batteriemodul über die erste Anschlussleitung entleert wird. Die Temperatur aller Batteriezellen wird durch das Entfernen des Gases gleichmäßig und sehr schnell geregelt. Es kann eine höhere Batterielebensdauer erreicht werden, da die Batteriezelle immer bei optimaler Temperatur arbeitet. Es kann damit insgesamt eine große Erhöhung der Batteriesicherheit und Lebensdauer der Batterie erreicht werden.
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Die Verwendung unbestimmter Artikel („ein“, „eine“, „einer“ und „eines“), insbesondere in den Patentansprüchen und der diese wiedergebenden Beschreibung, ist als solche und nicht als Zahlwort zu verstehen. Entsprechend damit eingeführte Begriffe bzw. Komponenten sind somit so zu verstehen, dass diese mindestens einmal vorhanden sind und insbesondere aber auch mehrfach vorhanden sein können.
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Vorsorglich sei angemerkt, dass die hier verwendeten Zahlwörter („erste“, „zweite“, ...) vorrangig (nur) zur Unterscheidung von mehreren gleichartigen Gegenständen, Größen oder Prozessen dienen, also insbesondere keine Abhängigkeit und/oder Reihenfolge dieser Gegenstände, Größen oder Prozesse zueinander zwingend vorgeben. Sollte eine Abhängigkeit und/oder Reihenfolge erforderlich sein, ist dies hier explizit angegeben oder es ergibt sich offensichtlich für den Fachmann beim Studium der konkret beschriebenen Ausgestaltung. Soweit ein Bauteil mehrfach vorkommen kann („mindestens ein“), kann die Beschreibung zu einem dieser Bauteile für alle oder ein Teil der Mehrzahl dieser Bauteile gleichermaßen gelten, dies ist aber nicht zwingend.
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Die Erfindung sowie das technische Umfeld werden nachfolgend anhand der beiliegenden Figuren näher erläutert. Es ist darauf hinzuweisen, dass die Erfindung durch die angeführten Ausführungsbeispiele nicht beschränkt werden soll. Insbesondere ist es, soweit nicht explizit anders dargestellt, auch möglich, Teilaspekte der in den Figuren erläuterten Sachverhalte zu extrahieren und mit anderen Bestandteilen und Erkenntnissen aus der vorliegenden Beschreibung zu kombinieren. Insbesondere ist darauf hinzuweisen, dass die Figuren und insbesondere die dargestellten Größenverhältnisse nur schematisch sind. Es zeigen:
- 1: ein Gehäuse einer Batteriezelle gemäß Schritt ii. eines Verfahrens zum Herstellen einer Batteriezelle;
- 2: das Gehäuse nach 1 gemäß Schritt iii. des Verfahrens;
- 3: eine nicht von der Erfindung umfasste erste Vergleichsvariante einer Batterieanordnung mit dem Gehäuse nach 2 gemäß Schritt iv. des Verfahrens in einer Seitenansicht im Schnitt;
- 4: das Gehäuse nach 3 in einer Ansicht von oben;
- 5: die Batterieanordnung nach 3 in einer Ansicht von oben;
- 6: ein zweites Ventil in einer zweiten Anordnung in einer Seitensicht im Schnitt;
- 7: ein erstes Ventil in einer Seitenansicht im Schnitt;
- 8: eine erfindungsgemäße Ausführungsvariante einer Batterieanordnung mit dem Gehäuse nach 2 gemäß Schritt iv. des Verfahrens in einer Seitenansicht im Schnitt;
- 9: die Batterieanordnung nach 8 in einer Ansicht von oben;
- 10: ein Ventil der Batterieanordnung nach 8 und 9 in einer Seitenansicht im Schnitt;
- 11: eine nicht von der Erfindung umfasste Vergleichsvariante einer Batterieanordnung, teilweise in einer Seitenansicht und im Schnitt;
- 12: ein Detail der Batterieanordnung in einer Seitenansicht im Schnitt; und
- 13: die Batterieanordnung nach 11 in einer Ansicht von oben.
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Die 1 zeigt ein Gehäuse 4 einer Batteriezelle 2 gemäß Schritt ii. eines Verfahrens zum Herstellen einer Batteriezelle 2. Dabei sind die Gehäuseteile 12, 13 bereitgestellt und zumindest die Ventilgehäuse der Ventile 9, 10 in dem für die Siegelnaht 14 vorgesehenen Bereich des zweiten Gehäuseteils 13 angeordnet. Beide Gehäuseteile 12, 13 werden aus einer gemeinsamen Pouchfolie hergestellt. Die Elektrodenfolien 5, 6 und das Separatormaterial 7 sind zu einem Stapel angeordnet und in dem Gehäuse 4 positioniert. Ableiterfahnen 28 der unterschiedlichen Elektrodenarten erstrecken sich aus dem Volumen 3 über das Gehäuse 4 bzw. die später herzustellende Siegelnaht 14 hin in die Umgebung.
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2 zeigt das Gehäuse 4 nach 1 gemäß Schritt iii. des Verfahrens. Dabei sind die Gehäuseteile 12, 13 durch die Siegelnaht 14 miteinander verbunden, so dass die Ventilgehäuse und die Gehäuseteile 12, 13 gasdicht miteinander verbunden sind. Die Ableiterfahnen 28 und die Ventilgehäuse erstrecken sich über die Siegelnaht 14 aus dem Volumen 3 nach außen.
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Die Ventile 9, 10 weisen jeweils ein Ventilgehäuse auf, das sich ausgehend von dem Volumen 3 entlang einer radialen Richtung 27 quer zum Verlauf der Siegelnaht 14, die sich entlang einer Umfangsrichtung 26 um das Volumen 3 der Batteriezelle 2 erstreckt, durch diese hindurch nach außen erstreckt.
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3 zeigt eine nicht von der Erfindung umfasste erste Vergleichsvariante einer Batterieanordnung 1 mit dem Gehäuse 4 nach 2 gemäß Schritt iv. des Verfahrens in einer Seitenansicht im Schnitt. 4 zeigt das Gehäuse 4 nach 3 in einer Ansicht von oben. 5 zeigt die Batterieanordnung 1 nach 3 in einer Ansicht von oben. 6 zeigt ein zweites Ventil 10 in einer Seitensicht im Schnitt. 7 zeigt ein erstes Ventil 9 in einer Seitenansicht im Schnitt. Die 3 bis 7 werden im Folgenden gemeinsam beschrieben. Auf die Ausführungen zu den 1 und 2 wird verwiesen.
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Gemäß Schritt iv. erfolgt ein Anordnen einer ersten Anschlussleitung 11 an dem ersten Ventil 9, ein Befüllen des Volumens 3 mit einem Elektrolyt 8 über das zweite Ventil 10 und ein Entfernen von Gas aus dem Volumen 3 über die erste Anschlussleitung 11.
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Die Batterieanordnung 1 umfasst drei seriell verschaltete Batteriezellen 2 mit einem, ein Volumen 3 umschließenden Gehäuse 4 und in dem Volumen 3 angeordnet mindestens einer ersten Elektrodenfolie 5 einer ersten Elektrodenart, einer zweiten Elektrodenfolie 6 einer zweiten Elektrodenart und einem dazwischen angeordneten Separatormaterial 7 sowie einem flüssigen Elektrolyt 8. Die Batteriezelle 2 weist ein erstes Ventil 9 und ein zweites Ventil 10 auf. Die Batterieanordnung 1 weist weiter eine erste Anschlussleitung 11 auf, die über das erste Ventil 9 mit dem Volumen 3 verbunden ist.
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Die Ventile 9, 10 ermöglichen eine schaltbare strömungstechnische Verbindung des Volumens 3 mit der Umgebung, also über das erste Ventil 9 mit der ersten Anschlussleitung 11, über das zweite Ventil 10 mit einer Zuführleitung für den Elektrolyten 8. Die Ventile 9, 10 schalten bei Überschreitung einer vorbestimmbaren Druckdifferenz zwischen dem Volumen 3 und der Umgebung. Dabei schaltet jedes Ventil nur in einer Richtung, d. h. das erste Ventil 9 z. B. nur, wenn z. B. ein Druck innerhalb des Volumens 3 größer ist als in der Umgebung, also bei einem Überdruck in dem Volumen.
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Das erste Ventil 9 ist also so ausgeführt, dass es einen Abbau eines in dem Volumen 3 entstehenden Überdrucks und damit verbunden ein zumindest teilweises Entgasen des Volumens 3 in die erste Anschlussleitung 11 ermöglicht.
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Die Batterieanordnung 1 umfasst eine zweite Anschlussleitung 15, die über das zweite Ventil 10 mit dem Volumen 3 verbunden ist. Das zweite Ventil 10 ist gemäß einer zweiten Anordnung angeordnet und schaltet in dieser zweiten Anordnung bei einem Überdruck in der zweiten Anschlussleitung 15 selbsttätig und stellt dadurch eine Verbindung zwischen dem Volumen 3 und der zweiten Anschlussleitung 15 her. Die zweite Anschlussleitung 15 dient hier als Zuführleitung zur Zufuhr eines Elektrolyten 8 zum Befüllen der Batteriezellen 2
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6 zeigt ein zweites Ventil 10 in einer zweiten Anordnung in einer Seitensicht im Schnitt. 7 zeigt ein erstes Ventil 9 (oder ein zweites Ventil 10 in einer ersten Anordnung) in einer Seitenansicht im Schnitt. In einer ersten Anordnung schaltet das Ventil 9, 10 bei einem Überdruck in dem Volumen 3 und stellt eine strömungstechnische Verbindung zwischen dem Volumen 3 und der jeweiligen Anschlussleitung 11, 15 her.
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Das Ventil 9, 10 umfasst vorliegend einen Dichtkörper 29, eine Kugel, der durch eine Feder 30 gegen eine Dichtfläche gedrückt wird. Erst bei Überschreiten eines Grenzdruckes wird der Dichtkörper 29 gegen die Andruckkraft der Feder 30 von der Dichtfläche abgehoben, so dass eine strömungstechnische Verbindung zwischen dem Volumen 3 und der jeweiligen Anschlussleitung 11, 15 gebildet ist.
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Vorliegend sind die Ventile 9, 10 bereits vor Schritt iv. an dem Gehäuse 4 angeordnet, so dass die Befüllung des Volumens 3 mit Elektrolyt 8 und das Entgasen des Volumens 3 nur über die Ventile 9, 10 (und nicht über die Ventilgehäuse) erfolgen kann.
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Dabei wird der Elektrolyt 8 nur über das zweite Ventil 10 zugeführt. Der Druck des Elektrolyten 8 wird so eingestellt, dass er den Grenzdruck für das zweite Ventil 10 überschreitet, also z. B. auf 1,2 bar. Während der Befüllung wird über das erste Ventil 9 ein Vakuum bzw. Unterdruck angelegt, so dass innerhalb des Volumens 3 ein Druck von ca. 150 Millibar eingestellt wird. Über das erste Ventil 9 kann das Volumen 3 so vollständig entgast und über das zweite Ventil 10 mit Elektrolyt 8 befüllt werden.
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Dieser Prozess kann über ein von außen betätigbares zweites Ventil 10 unterstützt werden (siehe 8 bis 10). Dafür kann ein zweites Ventil 10, das bei einem Überdruck in dem Volumen 3 selbsttätig schaltet und eine Verbindung zwischen dem Volumen 3 und der jeweiligen Anschlussleitung 11, 15 herstellt, aus der Umgebung der Batteriezelle 2 heraus betätigt werden. Das zweite Ventil 10 kann im Rahmen einer Betätigung von außerhalb der Batteriezelle 2 also aus einer geschlossenen Stellung in eine offene Stellung überführt werden.
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8 zeigt eine erfindungsgemäße Ausführungsvariante einer Batterieanordnung 1 mit dem Gehäuse 4 nach 2 gemäß Schritt iv. des Verfahrens in einer Seitenansicht im Schnitt. 9 zeigt die Batterieanordnung 1 nach 8 in einer Ansicht von oben. 10 zeigt ein Ventil 9, 10 der Batterieanordnung 1 nach 8 und 9 in einer Seitenansicht im Schnitt. Die 8 bis 10 werden im Folgenden gemeinsam beschrieben. Auf die Ausführungen zu den 3 bis 7 wird verwiesen.
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Im Unterschied zur ersten Vergleichsvariante ist hier eine Befüllung der Batteriezellen 2 nur über ein von außen betätigbares zweites Ventil 10 möglich. Vorliegend sind die Ventile 9, 10 gleichartig angeordnet, d. h. das zweite Ventil 10 ist in einer ersten Anordnung angeordnet (siehe 10).
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Für die Betätigung des zweiten Ventils 10 aus der Umgebung ist an dem Dichtkörper 29 ein sich nach außen erstreckender Stift 31 befestigt. Über den Stift 31 kann z. B. das in einer ersten Anordnung verbaute zweite Ventil 10 betätigt werden. Der Dichtkörper 29 wird über den Stift 31 von der Dichtfläche abgehoben und der Elektrolyt 8 kann dem Volumen 3 zugeführt werden.
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Das in der ersten Anordnung angeordnete zweite Ventil 10 ist mit einer zweiten Anschlussleitung 15 und über diese mit der ersten Anschlussleitung 11 strömungstechnisch verbunden. Damit kann ein aus den Batteriezellen 2 austretendes Fluid 23/ Gas in einer gemeinsamen ersten Anschlussleitung 11 zunächst zusammengeführt und dann weitergeleitet werden. Die Anschlussleitungen 11, 15 sind als Kanäle in einer Abdeckplatte 32 eines Batteriemodulgehäuses 33 ausgeführt.
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Die Ventile 9, 10 sind mit der jeweiligen Anschlussleitung 11, 15 über eine Schraubverbindung verbunden.
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11 zeigt eine zweite Vergleichsvariante einer Batterieanordnung 1, teilweise in einer Seitenansicht und im Schnitt. 12 zeigt ein Detail der Batterieanordnung 1 in einer Seitenansicht im Schnitt. 13 zeigt die Batterieanordnung 1 nach 11 in einer Ansicht von oben. Die 11 bis 13 werden im Folgenden gemeinsam beschrieben. Auf die Ausführungen zu den 3 bis 7 wird verwiesen.
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Die Batterieanordnung 1 umfasst sechs seriell verschaltete Batteriezellen 2. Jede Batteriezelle 2 weist ein erstes Ventil 9 und ein zweites Ventil 10 auf. Die Batterieanordnung 1 weist weiter eine erste Anschlussleitung 11 auf, die über die ersten Ventile 9 mit dem Volumen 3 jeder Batteriezelle 2 verbunden ist.
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Die Batterieanordnung 1 umfasst einen an der ersten Anschlussleitung 11 angeordneten Volumenstromsensor 16 zur Erfassung eines durch die erste Anschlussleitung 11 strömenden Volumenstroms 17. Sollte also eine Entgasung mindestens einer Batteriezelle 2 auftreten, kann über den Volumenstromsensor 16 dieser Fluid- bzw. Gasstrom erkannt werden. Infolge der Erkennung des Volumenstroms 17 können unterschiedliche Maßnahmen eingeleitet werden. Ein thermisches Durchgehen kann damit frühzeitig erkannt und ggf. verhindert werden.
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Die erste Anschlussleitung 11 ist strömungstechnisch mit einem Aufnahmebehälter 18 verbunden. Der Aufnahmebehälter 18 ist beabstandet von den Batteriezellen 2 angeordnet. Der Aufnahmebehälter 18 ist zur Aufnahme eines so großen Fluidvolumens ausgelegt, so dass der bei einem thermischen Durchgehen auch einer Vielzahl von Batteriezellen 2 auftretende Volumenstrom 17 aufgenommen werden kann.
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An dem Aufnahmebehälter 18 ist ein Drucksensor 19 zur Erfassung eines innerhalb des Aufnahmebehälters 18 vorliegenden Drucks angeordnet. Damit kann ein in den Aufnahmebehälter 18 überführtes Fluidvolumen bestimmt werden, so dass auf ein thermisches Durchgehen einer oder mehrerer Batteriezellen 2 rückgeschlossen werden kann.
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Der Aufnahmebehälter 18 ist über ein drittes Ventil 20 mit der ersten Anschlussleitung 11 verbunden. Das dritte Ventil 20 verhindert ein Wiederausströmen des in dem Aufnahmebehälter 18 aufgenommenen Fluids 23.
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Die Batterieanordnung 1 umfasst eine in der ersten Anschlussleitung 11 angeordnete Pumpe 21, die zum Fördern eines Volumenstroms 17 von dem Volumen 3 hin zum Aufnahmebehälter 18 geeignet ausgeführt ist. Über die Pumpe 21 kann ggf. ein über die ersten Ventile 9 aus den Volumina 3 ausgetretene Fluid 23 hin zum Aufnahmebehälter 18 gefördert werden.
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Gemäß Schritt a) des Verfahrens zum Betrieb der Batterieanordnung 1 erfolgt ein Bereitstellen der Batteriezellen 2 und ein Anschluss an einen Stromkreis 22 über die Ableiterfahnen 28. Gemäß Schritt b) erfolgt ein Betrieb der Batterieanordnung 1 durch Laden oder Entladen der Batteriezellen 2. Gemäß Schritt c) erfolgt ein Abführen eines Fluids 23, z. B. eines Gases, aus mindestens einer Batteriezelle 2 über das jeweilige erste Ventil 9 in die erste Anschlussleitung 11.
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Die Batterieanordnung 1 weist ein Steuergerät 24 auf und an der ersten Anschlussleitung 11 ist ein Volumenstromsensor 16 zur Erfassung eines durch die erste Anschlussleitung 11 strömenden Volumenstroms 17 angeordnet. Wenn ein Volumenstrom 17 während Schritt c) einen ersten Grenzwert überschreitet, kann in einem nachfolgenden Schritt d) über das Steuergerät 24 zumindest eine Kühlleistung einer Kühleinrichtung 25 der Batteriezellen 2 erhöht werden, oder die mindestens eine Batteriezelle 2 von dem Stromkreis 22 entkoppelt werden, oder die mit der mindestens einen Batteriezelle 2 elektrisch seriell verschalteten Batteriezellen 2 von dem Stromkreis 22 entkoppelt werden, oder alle Batteriezellen 2 der Batterieanordnung 1 von dem Stromkreis 22 entkoppelt werden.
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Der erfasste Volumenstrom 17 deutet darauf hin, dass in zumindest einer an die erste Anschlussleitung 11 angeschlossenen Batteriezellen 2 eine Gasentwicklung vorliegt. Die Gasentwicklung kann auf ein thermisches Durchgehen hindeuten. Um ein thermisches Durchgehen und insbesondere eine dauerhafte Schädigung der mindestens einen Batteriezelle 2 und gerade auch eine Schädigung benachbarter Batteriezellen 2 zu vermeiden, können unterschiedliche Maßnahmen, ggf. auch in einer bestimmten Reihenfolge nacheinander oder zumindest teilweise parallel zueinander eingeleitet bzw. durchgeführt werden.
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Das Steuergerät 24 ist zur Durchführung des beschriebenen Verfahrens, also zur Erfassung und Verarbeitung von Sensorsignalen des Volumenstromsensors 16 und des Drucksensors 19, zur Steuerung der Pumpe 21, des Stromkreises 22 und der Kühleinrichtung 25 ausgestattet, konfiguriert oder programmiert.
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Bezugszeichenliste
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- 1
- Batterieanordnung
- 2
- Batteriezelle
- 3
- Volumen
- 4
- Gehäuse
- 5
- erste Elektrodenfolie
- 6
- zweite Elektrodenfolie
- 7
- Separatormaterial
- 8
- Elektrolyt
- 9
- erstes Ventil
- 10
- zweites Ventil
- 11
- erste Anschlussleitung
- 12
- erstes Gehäuseteil
- 13
- zweites Gehäuseteil
- 14
- Siegelnaht
- 15
- zweite Anschlussleitung
- 16
- Volumenstromsensor
- 17
- Volumenstrom
- 18
- Aufnahmebehälter
- 19
- Drucksensor
- 20
- drittes Ventil
- 21
- Pumpe
- 22
- Stromkreis
- 23
- Fluid
- 24
- Steuergerät
- 25
- Kühleinrichtung
- 26
- Umfangsrichtung
- 27
- radiale Richtung
- 28
- Ableiterfahne
- 29
- Dichtkörper
- 30
- Feder
- 31
- Stift
- 32
- Abdeckplatte
- 33
- Batteriemodulgehäuse
