-
Die vorliegende Erfindung betrifft eine Druckausgleichsvorrichtung für eine elektrochemische Vorrichtung mit einer Vielzahl von elektrochemischen Zellen.
-
STAND DER TECHNIK
-
Elektrochemische Vorrichtungen, also Batterien, werden für breite Anwendungsbereiche, beispielsweise für Fahrzeuge, stationäre Anlagen und mobile Elektronikgeräte verwendet. Dabei werden sehr hohe Anforderungen hinsichtlich Zuverlässigkeit, Lebensdauer und Leistungsfähigkeit an die elektrochemischen Vorrichtungen gestellt.
-
Im Inneren der elektrochemischen Vorrichtungen ist eine Vielzahl von elektrochemischen Zellen angeordnet, die wiederum aus elektrochemischen Elementen bestehen, wodurch die elektrochemischen Zellen empfindlich auf äußere Einflüsse wie Druckunterschiede oder Feuchtigkeit reagieren. Daher werden diese durch ein Gehäuse geschützt, das das Innere der elektrochemischen Vorrichtung von der Umgebung abtrennt.
-
Die obige Problematik besteht beispielsweise bei Lithium-Ionen-Zellen, die insbesondere in Fahrzeugen eingesetzt werden und bei denen ein Lithium-Ionen-Leitsalz notwendig ist. Das Leitsalz ist gegenüber Feuchtigkeit äußerst reaktiv, so dass durch Hydrolyse Fluorwasserstoff (HF) entstehen kann. Bei der automotiven Anwendungen der Lithium-Ionen-Speichertechnologie ist die elektrochemische Vorrichtung hohen Druckunterschieden beispielsweise bei Gebirgsfahrten oder hohen Temperaturschwankungen ausgesetzt. Daher entstehen starke mechanische Belastungen für das Gehäuse der elektrochemischen Vorrichtung. Daher werden Druckausgleichsvorrichtungen verwendet, um zwischen dem Inneren der elektrochemischen Vorrichtung und der Umgebung einen Druckausgleich zu ermöglichen.
-
Üblicherweise ermöglichen die bekannten Druckausgleichsvorrichtungen einen permanenten Volumenaustausch zwischen Innerem, also Gehäuseinnenraum, und Umgebung. Die Druckausgleichsvorrichtungen weisen hierzu typischerweise eine Membran auf. Da in der Umgebungsluft stets ein Wasseranteil enthalten ist, gelangt durch den Volumenaustausch Feuchtigkeit in das Gehäuse. Als Gegenmittel kann im Inneren des Gehäuses beispielsweise ein Trockenmittel eingesetzt werden.
-
Beispielsweise ist aus der
DE 10 2012 202 103 A1 ein Druckausgleichselement für ein Gehäuse, vorzugsweise für einen Lithium-Ionen-Akkumulator, bekannt. Bei dem Druckausgleichselement ist eine Membran in Reihe mit zumindest zwei parallel und entgegengesetzt zueinander angeordneten Rückschlagventilen geschaltet. Um zu gewährleisten, dass keine Feuchtigkeit in das Gehäuse dringt, ist ein Trockenmittel nachgeschaltet.
-
Ausgehend von dem oben aufgeführten Stand der Technik ist es eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung, eine Vorrichtung anzugeben, welche die oben genannten Probleme und Nachteile des Standes der Technik ausräumt. Insbesondere ist es eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung, eine Druckausgleichsvorrichtung anzugeben, die mit einem einfachen Aufbau einen verbesserten Volumenaustausch zwischen dem Gehäuseinnenraum ermöglicht.
-
OFFENBARUNG DER ERFINDUNG
-
Die Aufgabe wird mit einer Vorrichtung gemäß Anspruch 1 gelöst. Vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung sind Gegenstand der abhängigen Ansprüche.
-
Die erfindungsgemäße Lösung besteht insbesondere darin, eine Druckausgleichsvorrichtung für eine elektrochemische Vorrichtung anzugeben. Dabei weist die Druckausgleichsvorrichtung ein Ventilelement auf, das zwischen einer, insbesondere abgesenkten, Schließposition, in der das Ventilelement dazu ausgebildet ist, eine Druckausgleichsöffnung der elektrochemischen Vorrichtung gasdicht zu verschließen, und einer, insbesondere angehobenen, Freigabeposition bewegbar ist, in der das Ventilelement dazu ausgebildet ist, die Druckausgleichsöffnung freizugeben. Ferner weist die Druckausgleichsvorrichtung einen Aktuator zum Überführen des Ventilelements von der Schließposition in die Freigabeposition und/oder von der Freigabeposition in die Schließposition auf. Ferner weist die Druckausgleichsvorrichtung eine Sensoreinheit auf, die dazu ausgebildet ist, zumindest eine physikalische oder chemische Eigenschaft der elektrochemischen Vorrichtung als Sensorwert zu erfassen und zu übertragen. Dabei ist der Aktuator basierend auf dem von der Sensoreinheit erfassten Sensorwert steuerbar.
-
Bei der elektrochemischen Vorrichtung handelt es sich insbesondere um eine Fahrzeugantriebsbatterie, die Energie für den Fahrzeugantrieb eines Fahrzeugs liefert. Mit anderen Worten handelt es sich dann bei der elektrochemischen Vorrichtung um eine Fahrzeugbatterie.
-
Bei der Druckausgleichsöffnung handelt es sich insbesondere um eine Atmungsöffnung der elektrochemischen Vorrichtung. Beim Atmen handelt es sich um einen klassischen Druckausgleich im Betrieb oder beim Transport. Nach dem Druckausgleich wird die Druckausgleichsöffnung wieder geschlossen. Die Druckausgleichsöffnung könnte auch zusätzlich als Entgasungsöffnung der elektrochemischen Vorrichtung dienen. Beim Entgasen handelt es sich um einen Not-Druckausgleich.
-
Auch wenn in der Anmeldung beschrieben wird, dass die Druckausgleichsvorrichtung dazu dient, den Druck einer elektrochemischen Vorrichtung auszugleichen, dient die Druckausgleichsvorrichtung präziser dazu, den Druck eines Vorrichtungsgehäuses der elektrochemischen Vorrichtung auszugleichen.
-
Das Ventilelement kann die Druckausgleichsöffnung der elektrochemischen Vorrichtung unmittelbar oder mittelbar verschließen. Bei einem unmittelbaren Verschließen verschließt das Ventilelement selbst die Druckausgleichsöffnung. Bei einem mittelbaren Verschließen verschließt das Ventilelement die Druckausgleichsöffnung mittels eines weiteren Elements oder das Ventilelement verschließt einen Kanal, der mit der Druckausgleichsöffnung verbunden ist.
-
Erfindungsgemäß erfolgt der Druckausgleich der Druckausgleichsvorrichtung aktiv. Die Druckausgleichsvorrichtung ist also als aktive Druckausgleichsvorrichtung mit einem Aktuator ausgebildet. Der Aktuator ist eine antriebstechnische Baueinheit, die ein Steuersignal in eine mechanische Bewegung umsetzt und so aktiv in den Druckausgleichsprozess der Druckausgleichsvorrichtung eingreift.
-
Der Aktuator überführt hierbei das Ventilelement von der Schließposition in die Freigabeposition und von der Freigabeposition in die Schließposition. Vorzugsweise erfolgt das Überführen vollständig aufgrund einer Überführungskraft des Aktuators. Alternativ hierzu kann allerdings ein Überführen des Ventilelements in die Schließposition auch aufgrund eines Rückstellelements erfolgen. Das Rückstellelement ist hierbei beispielsweise dazu ausgebildet, das Ventilelement zurückzuführen, wenn eine Kraft des Aktuators, die das Ventilelement in der Freigabeposition hält, nicht mehr auf das Ventilelement wirkt.
-
Besonders bevorzugt ist der Aktuator als Hubmagnet ausgebildet. Als Hubmagnet wird ein Elektromagnet verstanden, der bei Bestromung eine lineare Bewegung ausführt. Der Hubmagnet weist eine bestrombare Spule und einen beweglichen Anker auf. Das Ventilelement wird dann von dem Anker in seiner Bewegung mitgenommen.
-
Bei den bekannten Druckausgleichsvorrichtungen liegt ein Nachteil darin, dass diese immer also permanent den Druck ausgleichen. Es gibt dort keine aktive Fallunterscheidung, ob der Druck tatsächlich ausgeglichen werden soll oder nicht. Dies hat einen permanenten Feuchteeintrag in die elektrochemischen Vorrichtungen zur Folge, was im schlimmsten Fall zu einer Reduktion der Luft und Kriechstrecke führt. Dadurch steigt die Kurzschlussgefahr deutlich. Ferner steigt durch den Feuchteeintrag auch die Gefahr von Korrosion.
-
Durch die aktive Druckausgleichsvorrichtung der vorliegenden Erfindung kann verhindert werden, dass ständig Feuchtigkeit in den Speicher eindringt. Der Druckausgleich wird aktiv durch den Aktuator veranlasst, der basierend auf erfassten Sensorwerten gesteuert wird. Ein weiterer Vorteil des aktiven Druckausgleichs ist die Reduzierung der Belastungen auf Dichtungen. Im Gegensatz zu Membranen kann der Aktuator beim Freigeben der Druckausgleichseinrichtung zudem eine sofortige Druckentlastung herbeiführen.
-
Gemäß einer vorteilhaften Weiterbildung der Erfindung weist die Sensoreinheit einen Differenzdrucksensor auf. Der Differenzdrucksensor ist dazu ausgebildet, einen Differenzdruck-Messwert zwischen dem Inneren der elektrochemischen Vorrichtung und einer Umgebung zu erfassen.
-
Hierdurch kann der Aktuator so angesteuert werden, dass ein Gasaustausch nur dann erfolgt, wenn der Druck in der elektrochemischen Vorrichtung höher ist als der Umgebungsdruck. Die Druckausgleichsvorrichtung ist somit zum Ausstoßen von Gas aus der elektrochemischen Vorrichtung und nicht zum Ansaugen von Luft in die elektrochemische Vorrichtung ausgebildet.
-
Eine vorteilhafte Weiterbildung der Erfindung sieht vor, dass die Sensoreinheit einen Drucksensor und/oder einen Gassensor, insbesondere einen Kohlenmonoxid-Sensor oder einen Wasserstoff-Sensor, und/oder einen Temperatursensor und/oder einen Feuchtigkeitssensor aufweist.
-
Beispielsweise erfasst die Sensoreinheit mit einem Drucksensor als physikalische Eigenschaft einen Druck, also Absolutdruck, in der elektrochemischen Vorrichtung. Weiterhin beispielsweise erfasst die Sensoreinheit mit einem Differenzdrucksensor als physikalische Eigenschaft einen Differenzdruck zwischen einem Inneren der elektrochemischen Vorrichtung und einem der Umgebung.
-
Weiterhin beispielsweise erfasst die Sensoreinheit mit einem Gassensor als chemische Eigenschaft ein Gas in der elektrochemischen Vorrichtung. Dabei erfasst die Sensoreinheit beispielsweise flüchtige organische Verbindungen. Wenn Elektrolyt aus einer Zelle ausläuft, werden flüchtige organische Verbindungen frei. So kann ein Leck in der Zelle schnell entdeckt werden. Auch kann eine bevorstehende Propagation schnell erkannt werden. Der Gassensor kann beispielsweise als Luftgütesensor, insbesondere Metalloxid-Halbleitergassensor, ausgebildet sein. Mittels des Gassensors ist ein thermisches Durchgehen bzw. eine Propagation besonders sicher und schnell detektierbar. Hierdurch kann eine Propagation innerhalb eines Detektionszeitraum von 5 Minuten detektiert werden.
-
Weiterhin beispielsweise erfasst die Sensoreinheit mit einem Temperatursensor als physikalische Eigenschaft eine Temperatur in der elektrochemischen Vorrichtung. Durch die Verwendung eines Temperatursensors kann ein thermisches Ereignis festgestellt werden.
-
Weiterhin beispielsweise erfasst die Sensoreinheit mit einem Feuchtigkeitssensor als physikalische Eigenschaft einen Feuchtigkeitsgehalt in der elektrochemischen Vorrichtung. Durch den Feuchtigkeitssensor wird eine bisher verwendete Modellierung des Feuchteeintrags überflüssig. Durch die genaueren Messdaten von mehreren unterschiedlichen Sensoren wird die Risikobewertung deutlich präziser.
-
In einer besonders vorteilhaften Ausbildung der vorliegenden Erfindung weist die Sensoreinheit zumindest den Drucksensor, vorzugsweise den Differenzdrucksensor auf. In einer vorteilhaften Weiterbildung hiervon weist die Sensoreinheit zusätzlich zumindest den Temperatursensor auf. In einer vorteilhaften Weiterbildung hiervon weist die Sensoreinheit zusätzlich den Gassensor auf.
-
Alternativ hierzu ist die Sensoreinheit mit einem Drucksensor und/oder einem Gassensor, insbesondere einen Kohlenmonoxid-Sensor oder einen Wasserstoff-Sensor, und/oder einem Temperatursensor und/oder einem Feuchtigkeitssensor verbindbar. Der Sensor selbst kann dann beispielsweise Teil der elektrochemischen Vorrichtung sein.
-
Bei einer weiteren vorteilhaften Weiterbildung der Erfindung weist die Druckausgleichsvorrichtung eine Steuerung auf oder ist mit einer Steuerung verbindbar, wobei die Steuerung dazu ausgebildet ist, erfasste Sensorwerte von der Sensoreinheit zu empfangen und/oder auszuwerten, und wobei die Steuerung dazu ausgebildet ist, den Aktuator basierend auf den empfangenen Sensorwerten anzusteuern.
-
Die Steuerung führt also Berechnungen und/oder Datenverarbeitung mit den erfassten Sensorwerten durch. Außerdem ist die Steuerung dazu ausgebildet, einen Aktuatorbefehl zu erzeugen und auszugeben. Der Aktuator ist dazu ausgebildet, den Aktuatorbefehl zu empfangen und beim Empfangen des Aktuatorbefehls, das Ventilelement von der Schließposition in die Freigabeposition oder von der Freigabeposition in die Schließposition zu bewegen. Die Steuerung kann vorzugsweise als Mikrocontroller ausgebildet sein, der besonders bevorzugt Teil der Druckausgleichsvorrichtung ist. Die Steuerung kann auch mittels eines Batteriemanagementsystems erfolgen, das Teil der elektrochemischen Vorrichtung bzw. des Fahrzeugs ist, in dem die elektrochemische Vorrichtung verbaut ist. Alternativ hierzu kann die Steuerung auch auf einem Server angeordnet sein.
-
Eine vorteilhafte Weiterbildung der Erfindung sieht vor, dass die Steuerung dazu ausgebildet ist, den Aktuator derart anzusteuern, dass der Aktuator das Ventilelement in die Freigabeposition überführt, wenn ein von dem Differenzdrucksensor erfasster Differenzdruck-Messwert einen Grenzwert überschreitet. Der Grenzwert ist vorzugsweise definiert bzw. definierbar.
-
So kann beispielsweise sichergestellt werden, dass das Ventilelement nur bei einem definierten bzw. definierbaren Überdruck in der elektrochemischen Vorrichtung in der Freigabeposition ist. Als Überdruck ist hierbei allgemein ein Zustand zu verstehen, bei dem der Druck in der elektrochemischen Vorrichtung höher ist als der Umgebungsdruck. Vorzugsweise ist die Steuerung dazu ausgebildet, den Aktuator derart anzusteuern, dass der Aktuator das Ventilelement in die Schließposition überführt, wenn ein von dem Differenzdrucksensor erfasster Differenzdruck-Messwert einen weiteren, insbesondere geringeren, Grenzwert unterschreitet. Alternativ hierzu kann die Steuerung dazu ausgebildet sein, den Aktuator nach einer vorgebbaren Zeit wieder derart anzusteuern, dass der Aktuator das Ventilelement in die Schließposition überführt.
-
Bei einer vorteilhaften Weiterbildung der Erfindung weist die Sensoreinheit den Feuchtigkeitssensor auf. Dabei ist die Steuerung dazu ausgebildet, den Aktuator derart anzusteuern, dass der Aktuator das Ventilelement in die Freigabeposition überführt, wenn ein von dem Feuchtigkeitssensor erfasster Feuchtigkeits-Messwert einen Grenzwert überschreitet und der von dem Differenzdrucksensor erfasste Differenzdruck-Messwert einen Überdruck in der elektrochemischen Vorrichtung angibt.
-
Der Feuchtigkeitsgrenzwert ist definiert bzw. definierbar. Lediglich beispielsweise ist der Feuchtigkeitsgrenzwert als 65% definiert, als 50% definiert oder als 35% definiert.
-
Hierdurch ist ein aktives Ausatmen von Feuchtigkeit aus der elektrochemischen Vorrichtung möglich. Die elektrochemische Vorrichtung kann also entfeuchtet werden.
-
Gemäß einer vorteilhaften Weiterbildung der Erfindung weist die Sensoreinheit den Gassensor auf. Dabei ist die Steuerung dazu ausgebildet, basierend auf einem von dem Gassensor erfassten Gas-Messwert zwischen verschiedene Arten von in der elektrochemischen Zelle auftretenden Ereignissen zu unterscheiden und diese festzustellen.
-
Beispielsweise kann zwischen einem Bersten (rupture), einem Entgasen (degasing) und einem thermischen Durchgehen (thermal runaway) bzw. einer Propagation unterschieden werden.
-
Gemäß einer vorteilhaften Weiterbildung der vorliegenden Erfindung ist die Steuerung dazu ausgebildet, einen ersten Sensorwert eines ersten Sensors, insbesondere des Drucksensors, des Gassensors, des Temperatursensors oder des Feuchtigkeitssensors, und einen zweiten Sensorwert eines von dem ersten Sensor verschiedenen zweiten Sensor, insbesondere des Drucksensors, des Gassensors, des Temperatursensors oder des Feuchtigkeitssensors, zu empfangen. Ferner ist die Steuerung dazu ausgebildet, basierend auf dem empfangenen ersten Sensorwert und dem empfangenen zweiten Sensorwert ein Ereignis, insbesondere ein thermisches Durchgehen, festzustellen.
-
Dabei kann das Ereignis beispielsweise festgestellt werden, wenn beide Sensorwerte darauf hinweisen oder vorzugsweise wenn nur einer der beiden Sensorwerte darauf hinweist. Insbesondere kann es sich bei dem ersten Sensor um einen Gassensor und bei dem zweiten Sensor um einen Temperatursensor handeln. Insgesamt wird hierbei eine Redundanz ermöglicht. Die Steuerung empfängt also aus mindestens zwei unterschiedlichen Datenquellen Daten. Durch die Redundanz kann die Ausfall-, Funktions- und Betriebssicherheit erhöht werden.
-
Bei einer vorteilhaften Weiterbildung der Erfindung ist die Steuerung und/oder die Sensoreinheit mit einem Batteriemanagementsystem verbindbar ausgebildet.
-
Dabei kann auch die gesamte Steuerung oder ein Teil der Steuerung durch das Batteriemanagementsystem eines Fahrzeugs erfolgen. Beispielsweise ist die Steuerung über eine Schnittstelle, insbesondere ein isoSPI oder kabellos mit dem Batteriemanagementsystem verbindbar. Bei einem isoSPI (isolated Serial Port Interface) können SPI-Datenströme bidirektional galvanisch getrennt übertragen werden.
-
Die Steuerung kann von dem Batteriemanagementsystem mit Spannung versorgt werden. Außerdem kann die Steuerung dazu ausgebildet sein, die empfangenen Sensorwerte an das Batteriemanagementsystem zu übertragen. Alternativ kann die Steuerung dazu ausgebildet sein, ein Filtern der empfangenen Sensorwerte vorzunehmen und beispielsweise lediglich Maximalwerte an das Batteriemanagementsystem zu übertragen. Das Batteriemanagementsystem kann die übertragenen Werte, insbesondere Maximalwerte, auswerten und feststellen, dass ein Ereignis, insbesondere ein Bersten, Entgasen oder ein thermisches Durchgehen vorliegt. Das Batteriemanagementsystem kann zusätzlich auch auf eigene Sensoren, beispielsweise innerhalb der elektrochemischen Vorrichtung, zurückgreifen
-
Gemäß einer vorteilhaften Weiterbildung der Erfindung ist die Sensoreinheit zum Erfassen von Sensorwerten dazu ausgebildet, über eine Sensoröffnung der elektrochemischen Vorrichtung mit dem Inneren der elektrochemischen Vorrichtung verbunden zu werden.
-
Dabei ist die Sensoröffnung eine von der Durchgangsöffnung verschiedene Öffnung. So können die in der elektrochemischen Vorrichtung herrschenden Bedingungen, wie beispielsweise Druck, Temperatur, Feuchtigkeit oder Gas, auch außerhalb der elektrochemischen Vorrichtung mittels der Sensoreinheit gemessen bzw. erfasst werden.
-
Eine vorteilhafte Weiterbildung der Erfindung sieht vor, dass ein Kanal zwischen der Sensoröffnung und der Sensoreinheit ausgebildet ist.
-
Der Kanal ist luftdicht. Das Kanalinnere ist über die Sensoröffnung fluidisch mit dem Inneren der elektrochemischen Vorrichtung verbunden. Im Kanal herrschen also im Wesentlichen die Bedingungen des Inneren der elektrochemischen Vorrichtung, so dass im Kanal die entsprechenden Werte gemessen werden können.
-
Der Kanal kann mehrere Abzweigungen zu unterschiedlichen Sensoren der Sensoreinheit aufweisen. Bei den Sensoren kann es sich beispielsweise um einen Drucksensor, insbesondere Differenzdrucksensor, und/oder einen Gassensor, insbesondere einen Kohlenmonoxidsensor oder einen Wasserstoffsensor, und/oder einen Temperatursensor und/oder einen Feuchtigkeitssensor handeln.
-
Bei einer vorteilhaften Weiterbildung der Erfindung weist die Druckausgleichsvorrichtung ein Gehäuse mit vorzugsweise einem Deckel auf, wobei die Sensoreinheit und der Aktuator in dem Gehäuse angeordnet sind.
-
Der Deckel verschließt eine Montageöffnung des Gehäuses. Vorzugsweise ist auch die Steuerung in dem Gehäuse angeordnet.
-
Bei dem Gehäuse handelt es sich hierbei vorzugsweise um ein von dem Vorrichtungsgehäuse der elektrochemischen Vorrichtung verschiedenes Gehäuse. Die Druckausgleichsvorrichtung bzw. deren Gehäuse kann an dem Vorrichtungsgehäuse angebracht werden und hierzu einen entsprechenden Befestigungsbereich aufweisen.
-
Das Gehäuse der Druckausgleichsvorrichtung weist vorzugsweise einen Boden auf, der die Druckausgleichsöffnung aufweist, die mittels des Ventilelements gasdicht verschlossen und freigegeben werden kann. Bei der Druckausgleichsöffnung kann es sich streng genommen um zwei Öffnungen in zwei Bauteilen handeln. Die erste Öffnung ist als Druckausgleichsvorrichtungs-Öffnung in dem Boden des Gehäuses der Druckausgleichsvorrichtung angeordnet ist. Die zweite Öffnung ist als Elektrische-Vorrichtungs-Öffnung in dem Vorrichtungsgehäuse angeordnet. Die beiden Öffnungen sind miteinander verbunden. Beispielsweise sind die beiden Öffnungen fluchtend zueinander angeordnet. Insbesondere wird das Gehäuse der Druckausgleichsvorrichtung so an dem Vorrichtungsgehäuse angeordnet, dass die Elektrische-Vorrichtungs-Öffnung von dem Gehäuse der Druckausgleichsvorrichtung überdeckt wird. Somit kann dann die Druckausgleichsvorrichtungs-Öffnung als Öffnung hin zu dem Innenraum der elektrochemischen Vorrichtung dienen. Die Öffnung ist mittels des Ventilelements verschließbar, so dass über ein Schließen und Öffnen der Öffnung ein Gasaustausch zwischen einem Inneren der elektrochemischen Vorrichtung und einem Äußeren bzw. der Umgebung gesteuert werden kann. Durch Schließen und Freigeben der Druckausgleichsvorrichtungs-Öffnung wird also die Druckausgleichsöffnung der elektrochemischen Vorrichtung geschlossen und freigegeben.
-
Der Boden des Gehäuses der Druckausgleichsvorrichtung ist zu der Wand des Vorrichtungsgehäuses zugewandt, in der die zweite Öffnung angeordnet ist. Der Aktuator und die Sensoreinheit sind hierbei auf der der elektrochemischen Vorrichtung abgewandten Seite des Bodens angeordnet.
-
Alternativ hierzu wird das Gehäuse ohne Boden direkt an eine Wand der elektrochemischen Vorrichtung angebracht. Dann ist die Druckausgleichsöffnung nur in dem Vorrichtungsgehäuse angeordnet.
-
Die Sensoröffnung ist vorzugsweise ebenfalls in dem Boden des Gehäuses angeordnet. Die zu der Druckausgleichsöffnung beschriebenen Aspekte mit einer ersten und zweiten Öffnung oder nur einer Öffnung sind auch auf die Sensoröffnung übertragbar. So kann eine Elektrochemische-Vorrichtung-Sensoröffnung und eine Druckausgleichsvorrichtungs-Sensoröffnung vorliegen.
-
Gemäß einer vorteilhaften Weiterbildung der Erfindung weist das Gehäuse der Druckausgleichsvorrichtung eine Gehäuseöffnung zwischen dem Inneren des Gehäuses und der Umgebung auf.
-
Die Gehäuseöffnung ist nicht zwischen dem Inneren des Gehäuses und dem Inneren der elektrochemischen Vorrichtung angeordnet. Weiterhin handelt es sich bei der Gehäuseöffnung nicht um die Montageöffnung, die mittels des Deckels verschließbar ist.
-
Über die Gehäuseöffnung und die freigegebene Druckausgleichsöffnung kann ein Druckausgleich und/oder ein Gasaustausch zwischen dem Inneren der elektrochemischen Vorrichtung und der Umgebung erfolgt. Die Gehäuseöffnung ist vorzugsweise an einer Seitenwand des Gehäuses angeordnet.
-
Gemäß einer vorteilhaften Weiterbildung der vorliegenden Erfindung weist die Druckausgleichsvorrichtung eine Leiterplatte auf, auf der die Sensoreinheit und/oder der Aktuator angeordnet ist respektive sind. Vorzugsweise ist auch die Steuerung auf der Leiterplatte angeordnet.
-
Auf der Leiterplatte sind also auch mehrere Sensoren der Sensoreinheit angeordnet. Die Leiterplatte ist vorzugsweise in dem Gehäuse angeordnet. Besonders bevorzugt ist ein Spalt zwischen der Leiterplatte und dem Gehäuseboden ausgebildet. Der Spalt verbindet die Gehäuseöffnung und die freigegebene Druckausgleichsöffnung bzw. die Gehäuse-Druckausgleichsöffnung fluidisch. Der Spalt verbindet die Gehäuseöffnung und die freigegebene Druckausgleichsöffnung also derart, dass Gas ausgetauscht werden kann. Vorzugsweise ist entspricht die Grundfläche des Spalts zumindest im Wesentlichen der Fläche des Gehäusebodens.
-
Bei einer vorteilhaften Weiterbildung der Erfindung durchdringt der Kanal die Leiterplatte. Alternativ hierzu verläuft der Kanal von einer Unterseite zu einer Oberseite der Leiterplatte neben der Leiterplatte.
-
Die Druckausgleichsöffnung und auch die Sensoröffnung ist zu einer Unterseite der Leiterplatte hin gewandt ausgebildet. Die Sensoreinheit hingegen ist auf einer Oberseite der Leiterplatte angeordnet. Insbesondere ist die Sensoreinheit zu der Montageöffnung bzw. dem Deckel hin gewandt ausgebildet. Hierdurch ergibt sich eine gute Zugänglichkeit beim Montieren und Warten. Allerdings ist es nötig, die Sensoröffnung über den Kanal mit der Sensoreinheit zu verbinden. Hierzu durchdringt der Kanal die Leiterplatte.
-
Gemäß einer vorteilhaften Weiterbildung der Erfindung sind eine durch den Aktuator auf das Ventilelement ausgeübte Schließkraft und das die Druckausgleichsöffnung verschließende Ventilelement, insbesondere eine die Druckausgleichsöffnung verschließende Fläche des Ventilelements, derart aufeinander abgestimmt, dass beim Erreichen eines maximalen Überdrucks in der elektrochemischen Vorrichtung die Schließkraft überwunden wird und das Ventilelement ohne Betätigung des Aktuators in die Freigabeposition bewegbar wird.
-
Hierdurch erhält die Druckausgleichsvorrichtung eine Ausfallsicherung, die im Falle eines Fehlers bei der Druckausgleichssteuerung einen Notfalldruckausgleich durchführt, bevor es zu einem zu hohen Überdruck kommt. Der maximale Überdruck liegt hierbei unterhalb eines die elektrochemische Vorrichtung zerstörenden Drucks und oberhalb des Überdrucks bei dem sonst der aktive Druckausgleich erfolgt.
-
Die Erfindung betrifft eine weitere alternative Druckausgleichseinrichtung. Einige Elemente der weiteren Druckausgleichseinrichtung sind bereits im Zusammenhang mit den vorab beschriebenen Druckausgleichseinrichtungen eingeführt worden. Dabei sind die zu den Elementen beschriebenen Aspekte auch auf die weitere Druckausgleichseinrichtung und ihre entsprechenden Elemente übertragbar.
-
Grundsätzlich weist die weitere Druckausgleichseinrichtung denselben Grundaufbau wie die bereits beschriebenen Druckausgleichseinrichtungen auf. Im Einzelnen weist die weitere Druckausgleichsvorrichtung Folgendes auf: ein Ventilelement, das zwischen einer, insbesondere abgesenkten, Schließposition, in der das Ventilelement dazu ausgebildet ist, eine Druckausgleichsöffnung der elektrochemischen Vorrichtung gasdicht zu verschließen, und einer, insbesondere angehobenen, Freigabeposition bewegbar ist, in der das Ventilelement dazu ausgebildet ist, die Druckausgleichsöffnung freizugeben; einen Aktuator zum Überführen des Ventilelements von der Schließposition in die Freigabeposition und/oder von der Freigabeposition in die Schließposition; eine Sensoreinheit, die dazu ausgebildet ist, zumindest eine physikalische oder chemische Eigenschaft der elektrochemischen Vorrichtung als Sensorwert zu erfassen und zu übertragen; wobei der Aktuator basierend auf dem von der Sensoreinheit erfassten Sensorwert steuerbar ist.
-
Vorzugsweise handelt es sich bei dem Ventilelement der weiteren Druckausgleichseinrichtung um ein plattenförmiges Abdeckelement, mittels dessen die Druckausgleichsöffnung gasdicht verschließbar ist.
-
Gemäß einem vorteilhaften Aspekt der weiteren Druckausgleichsvorrichtung ist der Aktuator als Linearaktuator ausgebildet ist, der dazu ausgebildet ist, zum Betätigen des Ventilelements, also dem Überführen des Ventilelements in die Freigabeposition und in die Schließposition, eine Linearbewegung durchzuführen. Besonders bevorzugt ist der Linearaktuator als Hubmagnet Piezo-Linearaktuator ausgebildet.
-
Gemäß einem weiteren vorteilhaften Aspekt der weiteren Druckausgleichsvorrichtung ist die Linearbewegung senkrecht zu einer Richtung ausgerichtet, in der das Ventilelement gesehen von dem Linearaktuator aus angeordnet ist.
-
Gemäß einem weiteren vorteilhaften Aspekt der weiteren Druckausgleichsvorrichtung weist die weitere Druckausgleichsvorrichtung einen Übertragungsmechanismus zum Übertragen einer Bewegung des Aktuators zu dem Ventilelement auf, wobei der Übertragungsmechanismus einen Umlenkarm und mindestens eine mittels des Umlenkarms betätigbare Hebeleinrichtung aufweist. Die Hebeleinrichtung ist ein mechanischer Kraftwandler bestehend aus einem starren Körper, der um einen Drehpunkt drehbar ist. Vorzugsweise ist der Umlenkarm L-förmig ausgebildet.
-
Gemäß einem weiteren vorteilhaften Aspekt der weiteren Druckausgleichsvorrichtung überspannt die mindestens eine Hebeleinrichtung die Druckausgleichsöffnung und das Ventilelement und weist zwei Hebelarme auf.
-
Gemäß einem weiteren vorteilhaften Aspekt der weiteren Druckausgleichsvorrichtung ist die mindestens eine Hebeleinrichtung mit dem Grundkörper und mit dem Ventilelement verbunden und dazu ausgebildet, das Ventilelement anhebbar und absenkbar an der Druckausgleichsöffnung zu halten. Dabei ist das Ventilelement vorzugsweise über ein Drehgelenk, besonders bevorzugt über zwei Drehgelenke, mit der Hebeleinrichtung verbunden ausgebildet ist.
-
Gemäß einem weiteren vorteilhaften Aspekt der weiteren Druckausgleichsvorrichtung weist das Ventilelement mindestens ein erstes Mitnahmeelement auf, das derart mit einer Führungsstruktur des Umlenkarms zusammenwirkt, dass ein Anheben des Ventilelements einleitbar ist. Bei der Führungsstruktur handelt es sich beispielsweise um abgesenkte oder angehobene Bereiche des Umlenkarms, die entsprechend beim Kontaktieren des Mitnahmeelements ein Absenken oder Anheben des Mitnahmeelements und damit des mit dem Mitnahmeelement verbundenen Körper verursachen. Alternativ kann es sich auch um eine bahnförmige Ausnehmung handeln, die in den Umlenkarm eingebracht ist. Das Mitnahmeelement erstreckt sich von dem Ventilelement in Richtung des Umlenkarms. Insbesondere ist das Mitnahmeelement stabförmig ausgebildet.
-
Gemäß einem weiteren vorteilhaften Aspekt der weiteren Druckausgleichsvorrichtung ist das Mitnahmeelement als eine Verlängerung einer Achse eines Drehgelenks ausgebildet, durch welches das Ventilelement mit der Hebeleinrichtung drehbar verbunden ausgebildet ist.
-
Gemäß einem weiteren vorteilhaften Aspekt der weiteren Druckausgleichsvorrichtung weist die Hebeleinrichtung ein zweites Mitnahmeelement auf, das derart mit der Führungsstruktur des Umlenkarms zusammenwirkt, dass ein vollständiges Anheben des Ventilelements in die Freigabeposition erfolgt. Die Führungsstruktur kann zwei Bereiche aufweisen, wobei der erste Bereich zum Kontaktieren des ersten Mitnahmeelements ausgebildet ist und der zweite Bereich zum Kontaktieren des zweiten Mitnahmeelements ausgebildet ist. Besonders bevorzugt sind die Bereiche unterschiedlich weit von dem Ventilelement entfernt. So kann mit unterschiedlich langen Mitnahmeelementen bestimmt werden, welche Mitnahmeelemente mit welchem Bereich der Führungsstruktur in Kontakt kommen.
-
Gemäß einem weiteren vorteilhaften Aspekt der weiteren Druckausgleichsvorrichtung ist beim Bewegen des Umlenkarms zuerst das erste Mitnahmeelement und dann das zweite Mitnahmeelement, insbesondere mittels der Führungsstruktur, betätigbar.
-
Gemäß einem weiteren vorteilhaften Aspekt der weiteren Druckausgleichsvorrichtung weist die weitere Druckausgleichsvorrichtung zwei Hebeleinrichtungen auf.
-
Gemäß einem weiteren vorteilhaften Aspekt weist die weitere Druckausgleichsvorrichtung ein Rückstellelement, insbesondere eine Rückstellfeder, auf, die dazu ausgebildet ist, das Ventilelement in die Schließposition zu bewegen und/oder zu halten.
-
Gemäß einem weiteren vorteilhaften Aspekt der weiteren Druckausgleichsvorrichtung ist das Rückstellelement mit dem Ventilelement, insbesondere mit dem Mitnahmeelement hiervon, verbunden ist.
-
KURZE BESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGEN
-
Die oben beschriebenen, unterschiedlichen und beispielhaften Merkmale können erfindungsgemäß miteinander kombiniert werden, soweit dies technisch sinnvoll und geeignet ist. Weitere Merkmale, Vorteile und Ausführungsformen der Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung von Ausführungsbeispielen und anhand der Figuren. Es zeigen:
- 1 eine schematische Seitenansicht einer erfindungsgemäßen Druckausgleichsvorrichtung an einer elektrochemischen Vorrichtung;
- 2 eine perspektivische Darstellung der erfindungsgemäßen Druckausgleichsvorrichtung;
- 3 eine perspektivische Darstellung der erfindungsgemäßen Druckausgleichsvorrichtung mit transparentem Gehäuse und ohne Deckel;
- 4 eine Schnittansicht der erfindungsgemäßen Druckausgleichsvorrichtung ohne Deckel;
- 5 eine perspektivische Draufsicht der erfindungsgemäßen Druckausgleichsvorrichtung ohne Deckel von schräg oben;
- 6 eine perspektivische Draufsicht der erfindungsgemäßen Druckausgleichsvorrichtung ohne Gehäuse; und
- 7 eine weitere perspektivische Draufsicht der erfindungsgemäßen Druckausgleichsvorrichtung ohne Gehäuse.
-
AUSFÜHRUNGSBEISPIELE DER ERFINDUNG
-
1 zeigt eine schematische Seitenansicht einer erfindungsgemäßen Druckausgleichsvorrichtung 100 an einer schematisch dargestellten elektrochemischen Vorrichtung 200.
-
Von der Druckausgleichsvorrichtung 100 ist hauptsächlich ein Gehäuse 160 zu erkennen, das ein Inneres G der Druckausgleichsvorrichtung 100 umschließt und von der Umgebung U abgrenzt. Die Druckausgleichsvorrichtung 100 ist in an der elektrochemischen Vorrichtung 200 angebracht. Die elektrochemische Vorrichtung 200 weist ein Vorrichtungsgehäuse 230 auf, das ein Inneres E der elektrochemischen Vorrichtung 200 umschließt und von der Umgebung U abgrenzt.
-
Die elektrochemische Vorrichtung 200 und die Druckausgleichsvorrichtung 100 weisen in dem in 1 dargestellten Beispiel gemeinsame Öffnungen auf, die das Innere G der Druckausgleichsvorrichtung 100 mit dem Inneren E der elektrochemischen Vorrichtung 200 verbinden. Im Einzelnen liegt eine Druckausgleichsöffnung 210 und eine Sensoröffnung 220 vor.
-
Die Druckausgleichsöffnung 210 dient dazu, den Druck in der elektrochemischen Vorrichtung 200 auszugleichen. Wenn die Druckausgleichsöffnung 210 geöffnet ist, verbindet die Druckausgleichsöffnung 210 das Innere G der Druckausgleichsvorrichtung 100 mit dem Inneren E der elektrochemischen Vorrichtung 200. Das Innere G der Druckausgleichsvorrichtung ist über eine Gehäuseöffnung 162 mit der Umgebung U verbunden. So ist das Innere E der elektrochemischen Vorrichtung 200 mit der Umgebung U verbunden und es kann ein Druckausgleich bzw. allgemein Volumenfluss stattfinden.
-
Wie in 2 zu erkennen, verläuft durch die Sensoröffnung 220 ein Kanal 150. Der Kanal 150 wird im Zusammenhang mit der Erfassung von Messwerten der elektrochemische Vorrichtung 200 verwendet.
-
Das Gehäuse 160 weist einen Gehäuseboden 163 auf, in dem die Sensoröffnung 220 und die Druckausgleichsöffnung 210 ausgebildet sind. Bei der Druckausgleichsöffnung 210 und der Sensoröffnung 220 handelt es sich jeweils streng genommen um zwei Öffnungen in zwei Bauteilen. Die erste Öffnung ist in dem Gehäuseboden 163 des Gehäuses 160 ausgebildet und die zweite Öffnung ist in dem Vorrichtungsgehäuse 230 ausgebildet. Allerdings kann in einer alternativen Ausführungsform auch nur eine Öffnung ausgebildet sein. Beispielsweise könnte das Gehäuse 160 ohne Gehäuseboden 163 ausgebildet sein und direkt an der elektrochemischen Vorrichtung 200 bzw. dem Vorrichtungsgehäuse 230 angeordnet sein. Dann weist nur das Vorrichtungsgehäuse 230 die Druckausgleichsöffnung 210 auf. Der vorab beschriebene Aspekt ist auch auf die Sensoröffnung 220 übertragbar.
-
Wie in 2 zu erkennen, weist die Druckausgleichsvorrichtung 100 ein Ventilelement 110 auf. Das Ventilelement 110 ist dazu ausgebildet, die Druckausgleichsöffnung 210 zu öffnen und zu schließen. Hierzu ist das Ventilelement 110 zwischen einer Schließposition und einer Freigabeposition bewegbar ausgebildet. In der Schließposition ist das Ventilelement 110 dazu ausgebildet, die Druckausgleichsöffnung 210 gasdicht zu verschließen. In der Freigabeposition ist das Ventilelement 110 dazu ausgebildet, die Druckausgleichsöffnung 210 freizugeben bzw. zu öffnen. Dann kann Gas durch die Druckausgleichsöffnung 210 strömen.
-
In den 1 und 2 befindet sich das Ventilelement 110 in der Schließposition und muss in die Freigabeposition nach oben bewegt werden.
-
Die Gehäuseöffnung 162 ist, wie in 2 zu erkennen, in einer Seitenwand 164 des Gehäuses 160 angeordnet.
-
Die 3 zeigt eine perspektivische Darstellung der erfindungsgemäßen Druckausgleichsvorrichtung 100 mit transparentem Gehäuse 160 und ohne Deckel 161.
-
In dem Inneren G der Druckausgleichsvorrichtung 100 ist ein Aktuator 120 angeordnet, der dazu ausgebildet ist, das Ventilelement 110 zu bewegen. Dabei kann der Aktuator 120 das Ventilelement 110 anheben und absenken.
-
Der Aktuator 120 ist beispielhaft auf einer Leiterplatte 170 angeordnet. Die Leiterplatte 170 ist von dem Gehäuseboden 163 beabstandet in dem Gehäuse 160 angeordnet. Hierdurch ist ein Spalt S zwischen der Leiterplatte 170 und dem Gehäuseboden 163 ausgebildet. Der Spalt S verbindet die Gehäuseöffnung 162 und die freigegebene Druckausgleichsöffnung 210 miteinander. So kann Gas aus dem Inneren E der elektrochemischen Vorrichtung 200 in das Innere G der Druckausgleichsvorrichtung 100 und zu der Umgebung U strömen. In die andere Richtung kann Luft von der Umgebung U durch das Innere G der Druckausgleichsvorrichtung 100 in das Innere E der elektrochemischen Vorrichtung 200 strömen.
-
4 zeigt eine Schnittansicht der erfindungsgemäßen Druckausgleichsvorrichtung 100 ohne Deckel 161. Wie in 4 zu erkennen, weist der Aktuator 120 eine Spule 121 und einen Anker 122 auf. Der Anker 122 ist mit dem Ventilelement 110 verbunden ausgebildet. Wenn die Spule 121 bestromt wird, hebt sich der Anker 122 gemeinsam mit dem Ventilelement 110 an. Hierdurch kann die Druckausgleichsöffnung 210 freigegeben werden.
-
Der Kanal 150 durchdringt die Leiterplatte 170. Die Druckausgleichsöffnung 210 und die Sensoröffnung 220 sind unterhalb der Leiterplatte 170 ausgebildet. Um Zugang zu Bauteilen auf der Leiterplatte 170 zu haben, ist der Deckel 161 oberhalb der Leiterplatte 170 ausgebildet. Die Bauteile umfassen auch Sensoren, die mit der Sensoröffnung 220 verbunden werden müssen, um Messwerte der elektrochemischen Vorrichtung 200 erfassen zu können. Hierzu dient der Kanal 150, der eine Verbindung zwischen den Sensoren und dem Inneren E der elektrochemischen Vorrichtung 200 schafft. Einer der Sensoren ist in 4 deutlich zu erkennen. Hierbei handelt es sich um einen Differenzdrucksensor 131a.
-
Die Sensoren werden zusammengefasst als Sensoreinheit 130 bezeichnet. Die Sensoreinheit 130 ist besser in den 5, 6 und 7 zu erkennen. Die 5 zeigt eine perspektivische Draufsicht der erfindungsgemäßen Druckausgleichsvorrichtung 100 ohne Deckel 161 von schräg oben. Die 6 und 7 zeigen zwei unterschiedliche perspektivische Ansichten der Druckausgleichsvorrichtung 100 ohne Gehäuse 160.
-
Wie in den Figuren zu erkennen, ist auf der Leiterplatte 170 abgesehen von dem Aktuator 120 auch die Sensoreinheit 130 mit einer Vielzahl von Sensoren angeordnet. Lediglich beispielhaft umfasst die Sensoreinheit 130 einen Drucksensor 131, einen Gassensor 132, einen Temperatursensor 133 und/oder einen Feuchtigkeitssensor 134. Der Drucksensor 131 kann als Differenzdrucksensor 131a ausgebildet sein und der Gassensor 132 kann als Kohlenmonoxid-Sensor 132a und/oder Wasserstoff-Sensor 132b ausgebildet sein.
-
Insbesondere in 6 und 7 ist zu erkennen, dass der Kanal 150 die Leiterplatte 170 durchdringt und eine Verbindung zu der Sensoreinheit 130 herstellt. Dabei kann der Kanal 150 sich, wie in 6 zu erkennen, verzweigen. Dort ist ein erster Teil des Kanals 150 zu dem Differenzdrucksensor 131a geführt und ein zweiter Teil des Kanals 150 zu der restlichen Sensoreinheit 130 geführt ausgebildet. Der gezeigte Differenzdrucksensor 131 a weist eigentlich zwei Drucksensoren auf, wobei ein erster Drucksensor 131b den Druck in dem Inneren G der Druckausgleichsvorrichtung 100 misst und ein zweiter Drucksensor 131c den Druck in dem Inneren E der elektrochemischen Vorrichtung 200 misst. Dabei misst der zweite Drucksensor 131c den Druck in dem Kanal 150. Da der Kanal 150 mit dem Inneren E der elektrochemischen Vorrichtung 200 verbunden ist, herrschen dort dieselben Bedingungen wie in dem Inneren E der elektrochemischen Vorrichtung 200. Der erste Drucksensor 131b ist in 7 als zumindest im Wesentlichen zylinderförmiges Bauteil zu erkennen. Ein baugleiches zylinderförmiges Bauteil befindet sich innerhalb des Kanals 150 und ist von dem Kanal 150 verdeckt.
-
Wie in 6 zu erkennen, ist auf der Leiterplatte 170 auch eine Steuerung 140 angeordnet. Die Steuerung 140 dient dazu, Sensorwerte von der Sensoreinheit 130 zu empfangen. Außerdem kann die Steuerung 140 die empfangenen Sensorwerte auswerten und den Aktuator 120 basierend auf den empfangenen Sensorwerten ansteuern.
-
Es ist festzuhalten, dass die unter Bezug auf einzelne Ausführungsformen bzw. -varianten beschriebenen Merkmale der Erfindung, wie beispielsweise Art und Ausgestaltung der einzelnen Komponenten sowie deren genaue Dimensionierung und räumliche Anordnung auch bei anderen Ausführungsformen vorhanden sein können, außer wenn es anders angegeben ist oder sich aus technischen Gründen von selbst verbietet. Von derartigen, in Kombination beschriebenen Merkmalen einzelner Ausführungsformen müssen außerdem nicht notwendigerweise alle Merkmale in einer betreffenden Ausführungsform realisiert sein.
-
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
-
Diese Liste der vom Anmelder aufgeführten Dokumente wurde automatisiert erzeugt und ist ausschließlich zur besseren Information des Lesers aufgenommen. Die Liste ist nicht Bestandteil der deutschen Patent- bzw. Gebrauchsmusteranmeldung. Das DPMA übernimmt keinerlei Haftung für etwaige Fehler oder Auslassungen.
-
Zitierte Patentliteratur
-
- DE 102012202103 A1 [0006]
