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Die vorliegende Anmeldung betrifft ein Zellgehäuse einer direkt gekühlten Batteriezelle und eine Batteriezelle mit dem erfindungsgemäßen Zellgehäuse sowie ein Fahrzeug mit einer erfindungsgemäßen Batteriezelle.
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Insbesondere Hochleistungsbatteriezellen, beispielsweise in Form einer prismatischen Zellen, müssen zur gefahrlosen Benutzung und zur Bereitstellung der optimalen Leistungsfähigkeit sowie zur Sicherstellung der vorgesehenen Lebenszeit gekühlt werden. Hierzu ist im Stand der Technik eine Direktkühlung bekannt, bei welcher ein Kühlmedium vorgesehen ist, welches direkt an einem Zellgehäuse der Batteriezelle vorbeiströmt und somit die Zellen durch direkten Kontakt kühlt.
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Durch ein „Event“ wie beispielsweise einem Kurzschluss oder einer Tiefenentladung, kann eine hohe Wärmeenergie zu einem Zeitpunkt freigesetzt werden, wobei ein Teil der in der Batteriezelle befindlichen Elektrolytflüssigkeit verdampft. Das hierdurch entstehende Gas erzeugt einen Überdruck und ist zudem leicht entflammbar. Überschreitet die Temperatur in der Zelle den Flammpunkt des Gases, besteht die Gefahr, dass sich dieses entzündet, wodurch es zu einem schlagartigen Druckanstieg innerhalb der Zelle und zur Gefahr eines Brands kommen kann. Daher ist es wichtig, dass in der Zelle herrschender Überdruck direkt kontrolliert abgeleitet werden kann.
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Dafür sind bestimmte geschwächte Bereiche im Zellgehäuse der Batteriezelle, im Rahmen dieser Anmeldung auch als Berstbereiche bezeichnet, vorgesehen, um einen Überdruck im Zellinneren gezielt abzuleiten und somit die Gefahr eines Brands oder einer Kettenreaktion der Batteriezellen, einem sogenannten „thermal Runaway“, zu unterbinden. Bildet sich ein Überdruck im Innenraum des Zellgehäuses, berstet der Berstbereich des Zellgehäuses, wodurch der Überdruck entweichen kann. Üblicherweise werden diese Berstbereiche so ausgelegt, dass Sie bei Umgebungsdruck bei der Fertigung der Batteriezelle, also in der Regel ungefähr dem atmosphärischen Druck der Luft funktionieren. Ein zu der beschriebenen Ausführungsform ähnliches Zellgehäuse ist beispielsweise aus der Patentschrift
DE 10 2012 222 870 A1 bekannt, wobei eine Notentgasung über ein Sicherheitsventil sichergestellt werden kann.
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Ein derartiges Zellgehäuse 10 gemäß dem Stand der Technik ist in den 1a und 1b schematisch dargestellt. 1a zeigt ein Zellgehäuse 10 in der Seitenansicht, wobei das Zellgehäuse 10 einen Berstbereich 11 aufweist. Die 1b zeigt einen Schnitt durch das in 1a dargestellte Zellgehäuse 10 entlang der Schnittlinie A-A. In 1b ist dabei die Schwächung des Zellgehäuses 10 an dem Berstbereich 11 durch eine deutlich geringere Wandstärke des Zellgehäuses 10 zu erkennen. Der Berstbereich 11 stellt somit bei einem Überdruck im Zellgehäuse 10 eine Sollbruchstelle dar, welche bei einem definierten Überdruck berstet und den Überdruck aus dem Zellgehäuse 10 ableitet.
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Bei der Direktkühlung kann es jedoch durchaus zu Druckunterschieden im Kühlsystem kommen, wodurch der das Zellgehäuse umgebende Druck des Kühlmediums nicht immer konstant auf dem Auslegungsdruck gehalten werden kann. Dies kann dazu führen, dass unter bestimmten Bedingungen der Überdruck im Innenraum des Zellgehäuses nicht wie gewünscht über den Berstbereich ausgeleitet werden kann. Zudem besteht die Möglichkeit, dass unter wechselnden Druckverhältnissen im Kühlsystem, sogenannter Druckhübe, der Berstbereich des Zellgehäuses sich leicht nach innen oder außen wölbt und dadurch mit der Zeit derartig geschwächt wird, dass es zur Rissbildung und damit schlussendlich zu einem ungewollten Öffnen des Berstbereichs bzw. einer Undichtigkeit im Berstbereich kommen kann.
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Mit dem Problem der Ableitung eines gebildeten Gases aus einer Batteriezelle beschäftigt sich auch die Patentschrift
AT 515312 A4 . Sie offenbart ein Batteriemodul, bei welcher eine Schaumstoffstruktur zum Aufnehmen einer oder mehrerer Batteriezellen eine Sollbruchstelle aufweist und über einen angrenzenden Kanal austretendes Gas weggeleitet wird. In dem Kanal ist eine Kühlmittelleitung angeordnet, wobei bei einem Defekt dieser Leitung, das Kühlmittel ebenfalls über den genannten Kanal abgeleitet wird, und zwar an geeigneter Stelle außerhalb des Batteriemoduls.
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Das Dokument
DE 10 2011 078 301 A1 offenbart eine Batteriezelle mit einer Berstscheibe, wobei diese Berstscheibe mit einem Rückschlagventil vor Luftfeuchte und damit vor chemischem Angriff in Verbindung mit Fluorwasserstoffen geschützt ist.
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Die Patentschrift
DE 10 2014 222 835 A1 offenbart des Weiteren eine Abdeckplatte für eine Batterie, die zweischichtig mit einer beliebig dicken Deckelschicht und einer Sicherheitsschicht gebildet ist, wobei allein von der außenseitigen Deckelschicht eine Überdruckausnehmung, also einen Rücksprung in der Abdeckplatte, ausgebildet ist.
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Die Patentschrift
DE 10 2018 125 110 A1 offenbart ein Gehäuse für eine Batterie mit einem Druckausgleichskanal, eine in dem Druckausgleichskanal angeordnete Berstscheibe und eine Schutzkappe. Die Berstscheibe ist geegnet, bei Vorherrschen einer Mindestdruckdifferenz zwischen einem Innenraum und einem Außenraum des Gehäuses eine Entgasungsöffnung zu bilden. Die Schutzkappe ist vom Außenraum aus auf dem Druckausgleichskanal aufgesteckt, um den Druckausgleichskanal von außen zu verschließen und um bei der Bildung der Entgasungsöffnung durch das aus dem Gehäuse tretende Gas von dem Druckausgleichskanal gelöst zu werden.
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Das Patentschrift
DE 10 2021 001 258 A1 offenbart ein Ventil zum Druckausgleich und/oder zur Notentlüftung eines Behälters und hat einen Halterungsteil, der wenigstens einen Einlass für ein gasförmiges Medium aufweist. Der Einlass ist mit wenigstens einem Auslass für das Medium strömungsverbunden. Mit dem Halterungsteil ist ein Deckel mittels wenigstens eines Haltekörpers elastisch nachgiebig verbunden. Der Haltekörper gibt den Deckel bei Überschreiten eines vorgegebenen Grenzdruckes durch entsprechende elastische Verformung frei.
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Die Patentschrift
JP 2016-62757 A offenbart Batteriemodul 1 umfassend eine Batteriezelle mit einem Gehäuse, das den Batteriekörper von außen abdeckt, und ein Sicherheitsventil, das vorgesehen ist, um eine in dem Gehäuse ausgebildete Durchgangsöffnung zu schließen und Gas aus dem Inneren des Gehäuses über die Durchgangsöffnung nach außen abzuleiten, wenn das Gas von dem Batteriekörper erzeugt wird. Zudem weist es ein äußeres Gehäuse auf zum Aufnehmen der Batteriezelle und zum Verteilen eines Kühlfluids um die Batteriezelle 2 herum.
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Weiterhin ist im äußeren Gehäuse ein Deckel vorgesehen, wobei durch das Sicherheitsventil die Innenseite von der Außenseite des Gehäuses getrennt wird, wenn der Druck des Gases, das über das Sicherheitsventil zur Außenseite des Gehäuses abgeleitet wird, auf oder unter einen vorbestimmten Druck fällt.
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Vor dem Hintergrund des geschilderten Stands der Technik ist es Aufgabe der vorliegenden Erfindung ein Zellgehäuse für eine durch ein Kühlmedium gekühlte Batteriezelle bereitzustellen, welches die Sicherheit des Betriebs mit einer Direktkühlung weiter verbessert und bei einem derartigen Betrieb potentiell auftretende Fehlerquellen wie oben beschrieben vermeidet. Es ist zudem Aufgabe der vorliegenden Erfindung eine Batteriezelle mit einem erfindungsgemäßen Zellgehäuse sowie ein Fahrzeug mit einer erfindungsgemäßen Batteriezelle bereitzustellen.
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Diese Aufgabe wird durch die Gegenstände der nebengeordneten Ansprüche gelöst. Vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung sind in den Unteransprüchen enthalten.
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Das erfindungsgemäße Zellgehäuse ist dazu ausgebildet von einem Kühlmedium direkt umströmt zu werden. Das heißt, es steht im verbauten Zustand direkt mit dem Kühlmedium in Kontakt, wobei das Kühlmedium direkt am Zellgehäuse entlang geleitet wird. Das Zellgehäuse weist dabei wenigstens einen Berstbereich auf, welcher dazu ausgebildet ist bei einem definierten Überdruck im Inneren des Zellgehäuses zu bersten und den Überdruck abzuleiten. Weiterhin weist das Zellgehäuse eine Abdeckklappe auf, welche druckdicht am Zellgehäuse befestigt ist und sich vollständig über den Berstbereich erstreckt. Druckdicht ist dabei derart definiert, dass die Abdeckklappe einen definierten Überdruck auf ihrer Innenseite an eine Umgebung ableitet und der Berstbereich gegenüber einem das Zellgehäuse umgebenden Umgebungsdruck, also einem Umgebungsüberdruck, abgedichtet und damit druckisoliert ist. Die Innenseite der Abdeckklappe ist dabei als die Seite definiert, welche zum Berstbereich weist. Die Außenseite ist somit die Seite der Abdeckklappe, welche mit der Umgebung, also dem Kühlmittel, in Kontakt steht.
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Durch die vorzugsweise starre und damit schwer verformbare Abdeckklappe kommt der Berstbereich selbst nicht mehr mit der Umgebung und damit dem Kühlmittel in Kontakt. Druckschwankungen im Kühlsystem werden somit nicht mehr auf den Berstbereich geleitet, sondern von der Abdeckklappe aufgenommen, wodurch der Berstbereich keiner mechanischen Beanspruchungen durch schwankenden Umgebungsdruck ausgesetzt ist.
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In einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung ist die Abdeckklappe derart ausgebildet, dass sie bei einem definierten Überdruck auf ihrer Innenseite berstet und somit den Überdruck an die Umgebung ableitet. Das Bersten der Abdeckklappe wird dabei vorzugsweise durch eine Sollbruchstelle oder ähnlichem in der Abdeckklappe sichergestellt. Das Bersten der Abdeckklappe stellt eine gut auszulegende und günstige Möglichkeit dar, das Ableiten des Überdrucks bei bestimmten Bedingungen sicherzustellen.
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Weiterhin bevorzugt ist eine Ausführungsform der Erfindung, bei der die Abdeckklappe derart ausgelegt ist, dass ein auf ihrer Innenseite anliegender definierter Überdruck eine derartige Kraft auf die Abdeckklappe ausübt, dass sich diese vom Zellgehäuse löst. In dieser Ausführung ist also die Befestigung der Abdeckklappe an dem Zellgehäuse derart ausgeführt, dass sie sich zumindest teilweise bei einer vorgegebenen Kraft, welche durch den Überdruck an der Innenseite der Abdeckklappe hervorgerufen wird, löst. Dies kann alternativ oder zusätzlich mit einem Bersten der Abdeckklappe an sich vorgesehen werden. Das Lösen der Befestigung schafft die Möglichkeit eine Ausführungsform bereitzustellen, bei der die Abdeckklappe nicht zerstört wird, sondern unter Umständen wieder verwendet werden kann, was insbesondere im Hinblick auf Nachhaltigkeitsaspekte vorteilhaft zu bewerten ist.
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Vorzugsweise ist weiterhin die Abdeckklappe als Ventilzunge ausgebildet, welche dazu konfiguriert ist, sich bei einem definierten Überdruck auf der Innenseite der Abdeckklappe von einem Ventilsitz zu lösen und den Überdruck abzuleiten. Dies stellt eine gut auslegbare, funktionssichere und zudem kostengünstige Alternative dar den Überdruck abzuleiten.
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Weiterhin vorteilhaft ist eine Ausführungsform der Erfindung, bei der die Abdeckklappe derartig am Zellgehäuse befestigt ist, dass eine Abdichtwirkung zwischen Abdeckklappe und Zellgehäuse bei steigendem Umgebungsdruck an der Außenseite der Abdeckklappe steigt und/oder mit steigendem Druck auf der Innenseite sinkt. Durch eine steigende Dichtwirkung bei steigendem Umgebungsdruck kann die Sicherheit erhöht werden, dass der Berstbereich nicht mit dem Umgebungsdruck in Kontakt gerät und somit eine mechanische Einwirkung durch das Kühlsystem auf den Berstbereich stattfindet.
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Vorzugsweise ist dazu die Abdeckklappe ausgehend von dem Zellegehäuse nach außen hin gewölbt ausgebildet, sodass sie auf ihrer Außenseite eine konvexe Form und auf ihrer Innenseite eine konkave Form aufweist.
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In einer weiteren vorteilhaften Ausführungsform der Erfindung ist die Abdeckklappe auf dem Zellgehäuse aufgeklebt oder aufgeschweißt. Auf diese Weise kann eine sichere und druckdichte Verbindung zwischen Abdeckklappe und Zellgehäuse bereitgestellt werden.
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In einer weiteren vorteilhaften Ausführungsform der Erfindung ist zwischen dem Berstbereich und der Abdeckklappe ein gasförmiges Volumen eingeschlossen, in welchem insbesondere ein vordefinierter Standarddruck herrscht. Durch das Vorsehen eines gasförmigen Volumens können leichte Druckschwankungen, welche möglicherweise durch leichte Verformungen der Abdeckklappe an den Berstbereich weitergegeben werden, gepuffert und damit abgeschwächt werden, sodass die mechanische Belastung im Berstbereich weiter sinkt. Zudem kann durch das Einschließen des Volumens mit einem vordefinierten Standarddruck sichergestellt werden, dass ein bestimmter Überdruck im Zellinneren, also im Innenbereich der Zelle, zuverlässig zum Bersten des Berstbereichs führt, da auf der Außenseite des Berstbereichs ein konstanter vordefinierter Standarddruck herrscht. Dieser kann also bei der Auslegung des Berstbereichs berücksichtigt werden. Somit wird die Funktionssicherheit und Zuverlässigkeit des Zellgehäuses weiter verbessert.
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Die erfindungsgemäße Batteriezelle weist ein erfindungsgemäßes Zellgehäuse auf, während das erfindungsgemäße Fahrzeug wenigstens eine erfindungsgemäße Batteriezelle aufweist.
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Im Folgenden werden vorteilhafte Aspekte und Ausführungsformen der Erfindung anhand der beigefügten Zeichnungen näher erläutert. Sie zeigen:
- 1a zeigt eine schematische Darstellung eines Zellgehäuses 10 gemäß dem Stand der Technik in einer Seitenansicht.
- 1b zeigt eine schematische Darstellung des Zellgehäuses 10 aus 1a in einer Schnittansicht.
- 2a zeigt eine schematische Darstellung einer Ausführungsform eines erfindungsgemäßen Zellgehäuses 10 in einer Seitenansicht.
- 2b zeigt eine schematische Darstellung des Zellgehäuses 10 aus 2a in einer Schnittansicht.
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Auf die 1a und 1b wurde bereits bei den Erläuterungen zum Stand der Technik näher eingegangen, weshalb an dieser Stelle auf eine nähere Beschreibung verzichtet wird und auf die Ausführungen zum Stand der Technik verwiesen wird.
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Die 2a und 2b zeigen schematische Darstellungen einer Ausführungsform des erfindungsgemäßen Zellgehäuses 10 in den gleichen Ansichten wie 1a und 1b. Das Zellgehäuse 10 weist dabei wie im Stand der Technik einen Berstbereich 11 auf. Dieser ist durch eine Abdeckklappe 12 vollständig bedeckt, wie in 2a angedeutet. 2b zeigt eine Schnittansicht der 2a entlang der Schnittlinie A-A. Die Abdeckklappe 12 ist dabei am Zellgehäuse 10 um den Berstbereich 11 herum anhand dem Befestigungsabschnitt 13 verbunden. Der Befestigungsabschnitt 13 ist dabei als feste Verbindung in Form einer Klebeverbindung oder einer Schweißverbindung gegeben. Zwischen der Abdeckklappe 12 und dem Berstbereich 11 ist ein gasförmiges Volumen 20 mit einem definierten Standarddruck eingeschlossen. Der Standarddruck ist dabei der Druck, auf den die Funktion des Berstbereichs 11 ausgelegt ist. Dieses Volumen 20 ist dabei druckdicht durch die Befestigung der Abdeckklappe 12 am Zellgehäuse 10 am Befestigungsabschnitt 13 von der Umgebung des Zellgehäuses 10 abgeschlossen. Wir die Abdeckklappe 12 an das Zellgehäuse 10 angeschweißt, erfolgt dies vor dem Befüllen der Zelle mit Aktivmaterial. Erfolgt eine Befestigung mittels Klebeverbindung kann die Abdeckklappe 12 auch nach dem Befüllen der Zelle mit Aktivmaterial aufgebracht werden.
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Ein das Zellgehäuse 10 umströmendes Kühlmedium (nicht dargestellt) wird von der Abdeckklappe 12 abgeschirmt und kommt somit nicht mit dem Berstbereich 11 in Kontakt. Daher kann auch eine mechanische Beanspruchung des Berstbereichs 11 durch Druckhübe bzw. Druckschwankungen im Kühlsystem verhindert werden. Durch das abgeschlossene Volumen 20 kann sichergestellt werden, dass an der Außenseite des Berstbereichs 11 die Bedingungen anliegen, auf welche der Berstbereich 11 ausgelegt wurde. Somit sind Funktionssicherheit und Zuverlässigkeit der Anordnung sichergestellt.
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Die Abdeckklappe 12 ist ausgehend vom Zellgehäuse 10 nach außen gewölbt ausgeführt. Somit ergibt sich eine auf der Außenseite der Abdeckklappe 12, in Zeichenebene rechts von der Abdeckklappe 12, eine konvexe Form, während auf der Innenseite der Abdeckklappe 12 eine konkave Form vorliegt. Durch diese Form und die Art der Befestigung anhand des vollflächigen, den Berstbereich 11 umschließenden Befestigungsabschnitts 13, wird die Abdeckklappe 12 bei einem steigenden Umgebungsdruck an ihrer Außenseite, also einem steigenden Druck im Kühlsystem, an das Zellgehäuse 10 angedrückt, wodurch sich die Dichtwirkung des Befestigungsabschnitt 13 weiter erhöht. Die Abdeckklappe 12 muss dabei nicht zwingend an jedem Punkt des Befestigungsabschnitt 13 mit dem Zellgehäuse 10 verbunden sein, allerdings ist sicherzustellen, dass die Abdeckklappe 12 an jedem Punkt des Befestigungsabschnitts 13 mit dem Zellgehäuse 12 druckdicht abschließt.
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Kommt es nun im Innenraum des Zellgehäuses 10 zu einem Druckanstieg, wobei der Überdruck im Zellgehäuse 10 einen definierten Druck übersteigt, berstet zunächst der Berstbereich 11. Somit liegt der Überdruck des Innenraums des Zellgehäuses 10 nun auch im Volumen 20 an und wirkt auf die Innenseite der Abdeckklappe 12. Diese ist jedoch so ausgelegt, dass sie bereits bei einem geringeren Druck nachgibt als der Berstbereich 11. Dadurch berstet nach dem Bersten des Berstbereichs 11 auch mit einer vernachlässigbaren zeitlichen Verzögerung ebenfalls die Abdeckklappe 12, wodurch der Überdruck aus dem Zellgehäuse 10 kontrolliert über den Berstbereich 11 und die Abdeckklappe 12 abgeleitet werden kann. Um ein kontrolliertes Bersten und insbesondere ein sicheres Bersten bei einem bestimmten Druckniveau auf der Innenseite der Abdeckklappe 12 zu gewährleisten, ist in der Abdeckklappe 12 vorzugsweise eine Sollbruchstelle definiert.
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Es sind ebenfalls Ausführungsformen der Erfindung denkbar, bei der nicht die Abdeckklappe 12 an sich berstet, sondern der Druck auf eine andere Weise abgeleitet wird. So ist es beispielsweise denkbar, dass die Befestigung der Abdeckklappe 12 an dem Zellgehäuse 10 bei einer festgelegten Kraft, welche von der Innenseite auf die Abdeckklappe 12 wirkt, nachgibt. Die Kraft ergibt sich dabei durch den Druck auf der Innenseite der Abdeckklappe 12 und der Fläche der Abdeckklappe 12. Auf diese Weise kann die Abdeckklappe 12 an sich in Takt bleiben und kann wiederverwendet werden, wird aber kontrolliert von dem Zellgehäuse 10 gelöst.
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Alternativ ist ebenfalls eine Ausführungsform der Erfindung denkbar, bei der die Abdeckklappe 12 als Blattventil ausgeführt ist und der Ventilsitz durch den Befestigungsabschnitt 13 gegeben ist. Das Blattventil ist dabei derart vorgespannt, dass es das zwischen Berstbereich 11 und Abdeckklappe 12 eingeschlossene Volumen 20 druckdicht gegenüber der Umgebung abdichtet. Im Falle, dass der Innendruck im Volumen 20 durch den gebersteten Berstbereich 11 steigt, löst sich das Blattventil vom Ventilsitz und ermöglicht somit den im Innenbereich des Zellgehäuses 10 herrschenden Überdruck kontrolliert abzuleiten. Anhand eines Blattventils kann somit eine einfache und sichere Methode zur Druckableitung hergestellt werden.
