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Die Erfindung betrifft ein Gehäuse einer Batteriezelle und/oder eine Batterie für ein zumindest teilweise elektrisch angetriebenes Kraftfahrzeug. Innerhalb des Gehäuses ist eine Entgasungsöffnung ausgebildet. Die Entgasungsöffnung ist mit einer Membran verschlossen. In die Entgasungsöffnung ragt ein Vorsprung. Bei einem Überdruck innerhalb des Gehäuses wölbt sich die Membran, wobei die Membran durch den Vorsprung derart beschädigt wird, dass diese einreißt. Die Erfindung betrifft zudem eine Batterie mit dem erfindungsgemäßen Gehäuse, sowie ein Kraftfahrzeug mit der erfindungsgemäßen Batterie.
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Batterien mit Batteriezellen sind grundsätzlich bekannt. Weiterhin ist bekannt, dass derartige Batteriezellen ein Gehäuse mit einer Entgasungsöffnung aufweisen. Die Entgasungsöffnung ist dabei in der Regel mit einer reversibel verschließbaren Membran verschlossen, sodass bei einem Überdruck innerhalb des Gehäuses der Batteriezelle die Membran vorzugsweise gegen eine Federkraft verlagert wird. Nach dem Druckabfall innerhalb des Gehäuses bewirkt die Federkraft eine Rückverlagerung der Membran in die Ausgangslage, um die Entgasungsöffnung wieder zu verschließen. Derartige reversible Verschlussmechanismen für die Entgasungsöffnung sind aufwendig und teuer. Zudem weisen sie einen erhöhten Bauraum auf.
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Es ist eine Aufgabe der Erfindung, ein Gehäuse einer Batteriezelle und/oder einer Batterie für ein zumindest teilweise elektrisch angetriebenes Kraftfahrzeug bereitzustellen, das preiswert herstellbar ist und einen reduzierten Bauraum aufweisen kann.
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Die Aufgabe wird gelöst durch den Gegenstand des unabhängigen Patentanspruchs. Bevorzugte Weiterbildungen sind Gegenstand der abhängigen Patentansprüche, der Beschreibung sowie den Zeichnungen. Dabei kann jedes Merkmal sowohl einzeln als auch in Kombination einen Aspekt der Erfindung darstellen, sofern sich nicht explizit etwas Gegenteiliges aus der Beschreibung ergibt.
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Erfindungsgemäß ist ein Gehäuse einer Batteriezelle und/oder einer Batterie eines zumindest teilweise elektrisch angetriebenen Kraftfahrzeugs vorgesehen, wobei in dem Gehäuse eine randgeschlossene Entgasungsöffnung ausgebildet ist, und die Entgasungsöffnung mittels einer Membran verschlossen ist, in die Entgasungsöffnung wenigstens ein Vorsprung ragt, der dazu eingerichtet und ausgebildet ist, bei einer Wölbung der Membran infolge eines Überdrucks innerhalb des Gehäuses die Membran einzureißen.
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Mit anderen Worten ist es ein Aspekt der vorliegenden Erfindung, dass ein Gehäuse einer Batteriezelle und/oder einer Batterie eines zumindest teilweise elektrisch angetriebenen Kraftfahrzeugs bereitgestellt wird. Die Batterie weist vorzugsweise einem Mehrzahl von miteinander in Reihe und/oder parallel verschalteter Batteriezellen auf, und ist vorzugsweise mit einer elektrischen Antriebseinrichtung, insbesondere einer elektrischen Maschine, die im Antriebsstrang des Kraftfahrzeugs angeordnet ist, elektrisch leitend verbunden. Das Gehäuse ist vorzugsweise dazu eingerichtet und ausgebildet, wenigstens eine prismatische Zelle zu umgeben und/oder einzuhausen, oder einen ganzen Zellstack, umfassend eine Mehrzahl von miteinander verschalteten Batteriezellen, zu umhüllen. Die prismatische Zelle umfasst vorzugsweise gestapelte Anoden- und Kathodenpakete, einen sogenannten Zellstack. Das Gehäuse weist vorzugsweise eine prismatische Formgebung und/oder Ausgestaltung auf. Innerhalb des Gehäuses ist eine randgeschlossene Entgasungsöffnung ausgebildet. Die Entgasungsöffnung ist somit ein Durchbruch, der ein Inneres des Gehäuses mit einem Äußeren des Gehäuses verbindet. Die Entgasungsöffnung ist mittels einer Membran verschlossen. In die Entgasungsöffnung ragt wenigstens ein Vorsprung hinein. Der Vorsprung ist dazu eingerichtet und ausgebildet, bei einer Wölbung der Membran infolge eines Überdrucks innerhalb des Gehäuses, die Membran einzureißen bzw. zu beschädigen, sodass ein innerhalb des Gehäuses entstandenes Gas durch die Entgasungsöffnung vom Inneren des Gehäuses nach außen entweichen kann. Die Membran, sofern sie eingerissen ist, ist irreversibel beschädigt. Gegenüber einer reversibel verlagerbaren Membran, ist eine irreversibel beschädigbare Membran preiswerter. Durch den Vorsprung kann bei einem definierten Druck bzw. einer definierten Verformung der Membran gezielt ein Einreißen der Membran herbeigeführt werden, sodass eine Entgasung für einen Notfall sichergestellt werden kann. Gegenüber einer reversibel verschließbaren Entgasungsöffnung weist die erfindungsgemäße Lösung einen reduzierten Bauraum auf.
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Grundsätzlich kann die Membran derart auf dem Gehäuse angeordnet sein, dass sie die Entgasungsöffnung verschließt und bei einer Wölbung der Membran infolge eines Überdrucks innerhalb des Gehäuses durch den Vorsprung einreißt. Eine vorteilhafte Weiterbildung der Erfindung liegt darin, dass die die Entgasungsöffnung verschließende Membran auf einer Innenseite des Gehäuses stoffschlüssig angeordnet ist. Die Innenseite des Gehäuses einer Batteriezelle ist vorzugsweise der prismatischen Zelle zugewandt, die von dem Gehäuse eingehaust ist. Bei einem Gehäuse einer Batterie, ist die Innenseite dem Zellstack zugewandt. Über die stoffschlüssige Verbindung der Membran mit der Innenseite des Gehäuses kann in einfacher und preiswerter Weise eine luft- und/oder mediendichte Anbindung bzw. Abdichtung der Entgasungsöffnung, insbesondere im Anbindungsbereich der Membran an das Gehäuse, bereitgestellt werden.
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In diesem Zusammenhang liegt eine vorteilhafte Weiterbildung der Erfindung darin, dass die stoffschlüssige Verbindung eine Klebeverbindung und/oder eine Schweißverbindung ist. Die Klebeverbindung kann vorzugsweise mit einem Einkomponenten- oder Mehrkomponentenkleber erfolgen.
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In einer vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung ist vorgesehen, dass die Membran aus Kunststoff ausgebildet ist oder zumindest teilweise Kunststoff aufweist. Der Kunststoff weist vorzugsweise semipermeable Eigenschaften auf. Somit ist vorzugsweise vorgesehen, dass die Membran eine semipermeable Membran ist. Der Kunststoff ist vorzugsweise ein thermoplastischer Kunststoff. Besonders bevorzugt ist der Kunststoff ein Polytetrafluorethylen Kunststoff (PTFE). Polytetrafluorethylen ist ein unverzweigtes, linear aufgebautes, teilkristallines Polymer aus Fluor und Kohlenstoff. PTFE gehört zur Klasse der Polyhalogenolefine, zu der auch Polychlortrifluorethylen (PCTFE) gehört.
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Eine bevorzugte Weiterbildung der Erfindung liegt darin, dass das Gehäuse aus Metall und/oder einem Kunststoff ausgebildet ist. Mit anderen Worten kann das Gehäuse ausschließlich aus Metall oder ausschließlich aus einem Kunststoff ausgebildet sein. Denkbar ist jedoch auch, dass das Gehäuse sowohl aus Metall als auch aus Kunststoff ausgebildet ist. Der Kunststoff kann faserverstärkt sein. Denkbar ist, dass der Kunststoff carbonfaserverstärkt und/oder glasfaserverstärkt ist. Durch einen carbon- und/oder glasfaserverstärkten Kunststoff kann die strukturelle Steifigkeit des Gehäuses erhöht werden.
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Eine bevorzugte Weiterbildung der Erfindung liegt darin, dass der Vorsprung wenigstens eine Spitze aufweist, und die Spitze parallel zu einer Ebene der Entgasungsöffnung ausgerichtet ist. Mit anderen Worten ist die Spitze nicht senkrecht zur Ebene der Entgasungsöffnung ausgerichtet, sondern parallel zu einer Normalen der Entgasungsöffnung. Wenn sich die Membran infolge eines innerhalb des Gehäuses ausgebildeten Überdrucks nach außen wölbt, schneidet die Spitze in die Membran ein. Auf diese Weise findet gezielt eine Spannungskonzentration im Bereich der Spitze auf die Membran statt, sodass die Membran dazu geneigt ist, im Bereich dieser Spannungskonzentration aufzureißen. Durch die Ausbildung des Vorsprungs parallel zur Ebene der Entgasungsöffnung, kann eine besonders Bauraum reduzierende Ausbildung des Vorsprungs bereitgestellt werden, um die Membran bei einem Überdruck innerhalb des Gehäuses und bei einem Auswölben der Membran verlässlich zum Einreißen zu bringen.
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Gemäß einer bevorzugten Ausgestaltung der Erfindung ist vorgesehen, dass die Entgasungsöffnung in einer Gehäusewandung des Gehäuses ausgebildet ist, die Gehäusewandung eine Wandstärke aufweist, und eine Dicke des Vorsprungs kleiner oder gleich der Wandstärke der Gehäusewandung ist. Somit kann vorgesehen sein, dass vorzugsweise der Vorsprung gleich der Wandstärke der Gehäusewandung ist, und in die Entgasungsöffnung hineinragt. Denkbar ist, dass der Vorsprung beim Stanzen der Entgasungsöffnung, sofern das Gehäuse aus einem Metall ausgebildet ist, direkt in der Gehäusewandung mit ausgebildet wird. Wenn das Gehäuse aus einem Kunststoff gegossen und/oder gespritzt wird, so kann der Vorsprung direkt im Spritzgussvorgang ausgebildet werden und somit eine gleiche Wandstärke aufweisen. Mit anderen Worten kann der Vorsprung einstückig mit der Gehäusewandung ausgebildet sein. Auf diese Weise kann der Vorsprung beim Herstellungsvorgang des Gehäuses in einfacher Weise ausgebildet werden.
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Eine vorteilhafte Weiterbildung der Erfindung liegt darin, dass ein die Entgasungsöffnung umgebender Bereich der Innenseite des Gehäuses zurückspringend ausgebildet ist. In diesem Zusammenhang ist vorzugsweise vorgesehen, dass in dem zurückspringenden Bereich des Gehäuses die Membran stoffflüssig angeordnet ist. Somit kann vorzugsweise vorgesehen sein, dass eine Innenseite der Membran, die dem Inneren der Zelle zugewandt ist, bündig mit der Innenseite des Gehäuses ausgebildet ist. Auf diese Weise kann der Bauraum auf der Innenseite des Gehäuses reduziert sein.
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Abschließend sieht eine bevorzugte Ausgestaltung der Erfindung vor, dass eine Mehrzahl von Vorsprüngen vorgesehen ist, die in die Entgasungsöffnung hineinragen. Die Mehrzahl der Vorsprünge ist vorzugsweise in regelmäßigen Abständen zu einander beabstandet angeordnet und/oder ausgebildet.
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Die Erfindung betrifft zudem eine Batterie für ein zumindest teilweise elektrisch angetriebenes Kraftfahrzeug, aufweisend das erfindungsgemäße Gehäuse.
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Überdies betrifft die Erfindung ein Kraftfahrzeug mit der erfindungsgemäßen Batterie, wobei die Batterie mit einer in dem Antriebsstrang des Kraftfahrzeugs angeordneten elektrischen Maschine elektrisch leitend verbunden ist.
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Weitere Merkmale und Vorteile der vorliegenden Erfindung ergeben sich aus den Unteransprüchen sowie die nachfolgenden Ausführungsbeispielen. Die Ausführungsbeispiele nicht einschränkend, sondern vielmehr als beispielhaft zu verstehen. Sie sollen den Fachmann in die Lage versetzen, die Erfindung auszuführen. Die Anmelderin behält sich vor, einzelne und/oder mehrere der in den Ausführungsbeispielen offenbarten Merkmale zum Gegenstand von Patentansprüchen zu machen oder solche Merkmale in bestehende Patentansprüche aufzunehmen. Die Ausführungsbeispiele werden anhand von Zeichnungen näher erläutert.
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In diesen zeigen:
- 1 eine dreidimensionale Ansicht eines Gehäuses einer Batteriezelle mit einer Entgasungsöffnung;
- 2 eine Detailansicht der Entgasungsöffnung mit einem Vorsprung;
- 3 einen Schnitt durch das Gehäuse der Batteriezelle im Bereich der Entgasungsöffnung gemäß einer ersten Ausgestaltung;
- 4 einen Schnitt durch das Gehäuse im Bereich der Entgasungsöffnung gemäß einer zweiten Ausführung;
- 5 einen Schnitt durch das Gehäuse im Bereich der Entgasungsöffnung gemäß einer dritten Ausgestaltung;
- 6 ein Kraftfahrzeug mit einer Batterie, die die Batteriezelle umfasst.
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In 1 ist eine dreidimensionale Ansicht eines Gehäuses 16 einer Batteriezelle 10 für eine Batterie 12 eines zumindest teilweise elektrisch angetriebenen Kraftfahrzeugs 14 gezeigt. Das Gehäuse 16 weist eine prismatische Ausgestaltung auf und umschließt vorzugsweise eine prismatische Zelle, die aus gestapelten Anoden- und Kathodenpaketen, einem sogenannten Zellstack, ausgebildet ist. Innerhalb des Gehäuses 16 ist eine randgeschlossene Entgasungsöffnung 18 ausgebildet. Die Entgasungsöffnung 18 stellt somit einen Durchbruch zwischen einem Inneren des Gehäuses 16 der Batteriezelle 10 und einem Äußeren des Gehäuses 16 her. Die Entgasungsöffnung 18 ist mittels einer Membran 20 verschlossen. Mit anderen Worten ist die Membran 20 derart auf dem Gehäuse 16 angeordnet, dass sie die Entgasungsöffnung 18 vorzugsweise zumindest in einer Richtung mediendicht verschließt. In die Entgasungsöffnung 18 ragt wenigstens ein Vorsprung 22. Der Vorsprung 22 ist dazu eingerichtet und/oder ausgebildet, bei einer Wölbung der Membran 20 infolge eines Überdrucks innerhalb des Gehäuses 16, die Membran 20 einzureißen. Durch das Einreißen der Membran 20 ist die Membran 20 irreversibel beschädigt, sodass ein innerhalb des Gehäuses 16 gebildetes Gas durch die Entgasungsöffnung 18 aus dem Gehäuse 16 entweichen kann. Bei einem Wölben der Membran 20 wirkt der Vorsprung 22 auf die Membran 20 bzw. die Membran 20 gegen den Vorsprung 22, sodass innerhalb der Membran 20 eine Spannung konzentriert wird, die lokal zum Einreißen der Membran 20 führt. Bedingt dadurch, dass der Vorsprung 22 in die Entgasungsöffnung 18 ragt, kann der Bauraum des Gehäuses 16 im Bereich der Entgasungsöffnung 18 reduziert sein. Zudem wird ein Verschluss der Entgasungsöffnung 18 über die Membran 20 bereitgestellt, der platzsparend und preiswert hergestellt werden kann.
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Die Entgasungsöffnung 18 ist vorzugsweise auf einer Oberseite, beziehungsweise in einer oberen Gehäusewandung 24 des Gehäuses 16, ausgebildet. Wenn die Batterie 12 in einem Fahrzeug 14 eingebaut ist, dann ist die obere Gehäusewandung 24 der Batteriezelle 10 auf einer dem Untergrund des Fahrzeugs 14 abgewandten Seite ausgerichtet.
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Besonders bevorzugt ist die Entgasungsöffnung 18 mittig zwischen den Kontakten 26 der Batteriezelle 10 in der Gehäusewandung 24 des Gehäuses 16 angeordnet beziehungsweise ausgebildet.
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In 2 ist eine Draufsicht auf die Entgasungsöffnung 18 gezeigt. Die Entgasungsöffnung 18 kann eine kreisförmige oder vorzugsweise ovale Grundform haben. In die Entgasungsöffnung 18 ragt der Vorsprung 22 hinein. Der Vorsprung 22 kann integraler Bestandteil der Gehäusewandung 24 sein. Im vorliegenden Ausführungsbeispiel hat der Vorsprung 22 wenigstens eine Spitze 28, die in die Entgasungsöffnung 18 hineinragt. Die Spitze 28 ist parallel zur Ebene der Entgasungsöffnung 18 ausgerichtet. Die Membran 20 ist auf einer Innenseite 30 des Gehäuses 16, die auch als Gehäuseinnenseite bezeichnet werden kann, stoffschlüssig angeordnet.
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In 3 ist ein Schnitt A-A durch das Gehäuse 16 der Batteriezelle 10 im Bereich der Entgasungsöffnung 18 gezeigt. Die Membran 20 ist auf der Innenseite 30 des Gehäuses 16 stoffschlüssig, insbesondere durch eine Schweißverbindung, angeordnet. Auf diese Weise kann eine mediendichte Anbindung der Membran 20 an das Gehäuse 16 erfolgen. Kommt es innerhalb des Gehäuses 16 zu einem Druckaufbau, so wölbt sich die Membran 20 in die Entgasungsöffnung 18, die Spitze 28 schneidet in die Membran 20, wodurch diese irreversibel beschädigt wird, sodass das innerhalb des Gehäuses 16 entstandene Gas durch die Entgasungsöffnung 18 entweichen kann.
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4 zeigt einen Schnitt A-A durch das Gehäuse 16 der Batteriezelle 10 im Bereich der Entgasungsöffnung 18 gemäß einer zweiten Ausgestaltung. In der zweiten Ausgestaltung ist vorgesehen, dass ein die Entgasungsöffnung 18 umgebender Bereich 32 der Innenseite 30 des Gehäuses 16 zurückspringend ausgebildet ist. Zurückspringend bedeutet, dass der die Entgasungsöffnung 18 umgebende Bereich 32 nicht in Richtung des Gehäuseinneren, sondern in Richtung eines Gehäuseäußeren versetzt angeordnet und/oder ausgebildet ist. Auf den zurückspringenden Bereich 32 der Innenseite 30 ist die Membran 20 stoffschlüssig angeordnet. Auf diese Weise kann eine Innenseite 34 der Membran 20 fluchtend beziehungsweise bündig und/oder auf einer Höhe mit der Innenseite 30 des Gehäuses 16 ausgebildet sein. Somit kann eine Beschädigung der stoffschlüssigen Anbindung der Membran 20 an die Gehäusewandung 24 reduziert werden.
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In 5 ist ein Schnitt A-A durch das Gehäuse 16 der Batteriezelle 10 im Bereich der Entgasungsöffnung 18 gemäß einer dritten Ausgestaltung gezeigt. Im Unterschied zu der in 4 gezeigten zweiten Ausgestaltung, ist eine Außenseite 36 des Gehäuses 16 der Gehäusewandung 24 eben ausgebildet. Mit anderen Worten ist ausschließlich auf der Innenseite 30 des Gehäuses 16 der die Entgasungsöffnung 18 umgebende Bereich 32 zurückspringend ausgebildet. Somit kann eine besonders bauraumreduzierende Anordnung des die Membran 20 aufweisende Batteriezelle 10 bereitgestellt werden, wobei die Membran 20 mediendicht an die Innenseite 30 des Gehäuses 16 angebunden ist. In diesem Ausführungsbeispiel ist auch eine Dicke des Vorsprungs 22 kleiner als eine Wandstärke der Gehäusewandung 24.
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In 6 ist ein Kraftfahrzeug 14 mit einer Batterie 12 gezeigt, die wenigstens eine Batteriezelle 10 aufweist. Vorzugsweise sind in der Batterie 12 eine Mehrzahl von in Reihe und/oder zumindest teilweise parallel miteinander verschalteten Batteriezellen 10 angeordnet. Die Batterie 12 ist mit einer elektrischen Maschine (nicht dargestellt), die im Antriebsstrang des Fahrzeugs 14 angeordnet ist, und dazu eingerichtet, das Fahrzeug 14 anzutreiben, elektrisch leitend verbunden. Mit anderen Worten kann die Batterie 12 der elektrischen Maschine Energie in Form von Strom zuführen oder auch von der elektrischen Maschine erzeugte Energie speichern.
