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Die Erfindung betrifft eine Sicherheitsvorrichtung zur Anordnung in einer Zellwandung, eine Batteriezelle mit einer Sicherheitsvorrichtung, ein Batteriemodul sowie ein Herstellverfahren zum Herstellen einer Batteriezelle.
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Es ist bekannt, dass Batteriemodule und Batteriesysteme, insbesondere in Hybrid- oder Elektrofahrzeugen, in der Regel hohen Sicherheitsanforderungen unterworfen sind. Dabei sollten Sicherheitsvorrichtungen insbesondere reproduzierbar funktionieren um Fehlfunktionen zu vermeiden.
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Beispielsweise können in Batteriezellen bei unterschiedlichen Zuständen Gase entstehen. Typischerweise kann während der Alterung eine Reaktion zwischen einem Elektrolyten und einem Aktivmaterial stattfinden, die Gasbildung zur Folge hat. Mit fortlaufender Gasbildung steigt der Druck in der Zelle, was zur Folge haben kann, dass sich diese Batteriezelle öffnet und im Batteriesystem Schäden verschiedener Art auslösen kann. Vorteilhaft für die Auslegung des Batteriesystems in Bezug auf eine sog „Thermal Propagation“ und ein „Thermal Runaway“ ist die Kenntnis, an welcher Stelle die potentielle Zellöffnung stattfindet, um darauf reagieren und/oder das Batteriesystem entsprechend auslegen zu können.
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Aus der
DE 10 2013 221 760 A1 ist daher beispielsweise eine Batteriezelle bekannt, die ein Entlüftungsventil und ein dazu separates Berstventil umfasst. Das Berstventil bildet eine Sollbruchstelle. Dadurch wird die Batteriezelle jedoch an zumindest zwei Stellen durch die unterschiedlichen Bauteile mechanisch geschwächt. Darüber hinaus führen die beiden Bauteile zu einer komplexen Montage der Batteriezelle.
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Es ist eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung, voranstehende, aus dem Stand der Technik bekannte Nachteile zumindest teilweise zu beheben. Insbesondere ist es eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung eine verbesserte Sicherheitsvorrichtung für eine Batteriezelle bereitzustellen, durch welche in einfacher Art und Weise eine Funktionalität erhöht und/oder eine Sicherheit der Batteriezelle und/oder eines Batteriemoduls verbessert wird.
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Die voranstehende Aufgabe wird gelöst durch eine Sicherheitsvorrichtung mit den Merkmalen des Anspruchs 1, eine Batteriezelle mit den Merkmalen des Anspruchs 10, ein Batteriemodul mit den Merkmalen des Anspruchs 11 sowie ein Herstellverfahren mit den Merkmalen des Anspruchs 12. Weitere Merkmale und Details der Erfindung ergeben sich aus den jeweiligen Unteransprüchen, der Beschreibung und den Zeichnungen. Dabei gelten Merkmale und Details, die im Zusammenhang mit der erfindungsgemäßen Sicherheitsvorrichtung beschrieben sind, selbstverständlich auch im Zusammenhang mit der erfindungsgemäßen Batteriezelle, dem erfindungsgemäßen Batteriemodul und/oder dem erfindungsgemäßen Herstellverfahren und jeweils umgekehrt, sodass bezüglich der Offenbarung zu den einzelnen Erfindungsaspekten stets wechselseitig Bezug genommen wird bzw. werden kann.
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Gemäß einem ersten Aspekt der Erfindung ist eine Sicherheitsvorrichtung zur Anordnung in einer Zellwandung zwischen einem Zellinnenraum und einer Zellaußenseite einer Batteriezelle vorgesehen. Die Sicherheitsvorrichtung weist einen Ventilkörper mit einem Gasleitpfad zum Führen des Gases vom Zellinnenraum zur Zellaußenseite für eine Entlüftung des Zellinnenraums auf. Ferner umfasst die Sicherheitsvorrichtung ein Notöffnungsmittel, vorzugsweise zum, insbesondere lokalen und/oder mechanischen, Schwächen der Zellwandung, für eine Notöffnung des Zellinnenraums in Abhängigkeit von einem Gasdruck im Gasleitpfad. Der Ventilkörper und das Notöffnungsmittel bilden dabei eine gemeinsame Baueinheit zur gemeinsamen Anordnung in der Zellwandung.
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Die Batteriezelle kann vorzugsweise zur Anordnung in einer Fahrzeugbatterie ausgebildet sein. Insbesondere kann die Batteriezelle als Lithium-Ionen-Zelle ausgebildet sein. Die Zellwandung ist vorzugsweise Teil eines Zellgehäuses, welches den Zellinnenraum umgibt. Die Gase können beispielsweise während des Betriebs der Batteriezelle in dem Zellinnenraum bildbar sein und dadurch zu einem Überdruck im Zellinnenraum führen.
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Unter der Anordnung der Sicherheitsvorrichtung in der Zellwandung kann insbesondere verstanden werden, dass die Sicherheitsvorrichtung zumindest teilweise zwischen zwei Wandungsabschnitten der Zellwandung anordbar ist. Vorzugsweise kann die Sicherheitsvorrichtung die Zellwandung durchdringen und/oder einen Übergang zwischen dem Zellinnenraum und der Zellaußenseite bilden.
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Durch den Gasleitpfad können zumindest einer oder mehrere Kanäle zwischen dem Zellinnenraum und der Zellaußenseite gebildet oder bildbar sein. Die Entlüftung des Zellinnenraums über den Gasleitpfad kann in Abhängigkeit von dem Überdruck erfolgen. Dabei kann der Gasleitpfad vor der Entlüftung zur Zellaußenseite verschlossen oder zumindest teilweise geöffnet sein. Beispielsweise kann vorgesehen sein, dass der Gasleitpfad in einem Normalzustand vollständig geschlossen ist und zur Entlüftung, insbesondere temporär, geöffnet werden kann. Es ist denkbar, dass der Gasleitpfad eine Labyrinthdichtung umfasst, durch welche ein Gasfluss durch den Gasleitpfad, insbesondere in einem vorbestimmten Druckbereich, verhindert ist. Der Gasleitpfad kann rotationssymmetrisch und/oder spaltartig ausgebildet sein. Der Ventilkörper umgibt den Gasleitpfad vorzugsweise umlaufend. Zusätzlich oder alternativ kann vorgesehen sein, dass der Gasleitpfad vor der Entlüftung durch ein Deckelelement verschlossen ist, welches mit dem Ventilkörper und/oder mit der Zellwandung verbunden, insbesondere am Ventilkörper und/oder an der Zellwandung angelenkt, ist.
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Der Ventilkörper und das Notöffnungsmittel sind insbesondere miteinander verbunden, um die Baueinheit zu bilden. Beispielsweise kann das Notöffnungsmittel an dem Ventilkörper befestigt sein. Vorzugsweise sind der Ventilkörper und das Notöffnungsmittel integral und/oder materialeinheitlich miteinander ausgebildet. Beispielsweise kann das das Notöffnungsmittel an den Ventilkörper angeformt sein.
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Dadurch, dass in der erfindungsgemäßen Sicherheitsvorrichtung der Ventilkörper und das Notöffnungsmittel in einer Baueinheit zur gemeinsamen Anordnung in der Zellwandung integriert sind, ergibt sich eine einfache Montage der Sicherheitsvorrichtung in der Zellwandung. Dadurch kann die Zellwandung lediglich in einem Bereich lokal für die Montage der Sicherheitsvorrichtung unterbrochen sein. Somit kann eine multifunktionale Sicherheitsvorrichtung bereitgestellt werden, durch welche während der Lebensdauer der Batteriezelle eine Entlüftung über den Gasleitpfad ermöglicht ist. Gleichzeitig kann durch die lokale Schwächung der Zellwandung durch das Notöffnungsmittel bei einem Notfall, wie beispielsweise einem Thermal Runaway oder einem bevorstehenden Thermal Runaway, eine Sollbruchstelle bereitgestellt werden. Dadurch kann eine plötzliche Gasexpansion gerichtet werden, wodurch sich ein Gasdruck im Zellinnenraum reduzieren kann. Aufgrund der vorhersagbaren Richtung kann ein Batteriemodul entsprechend ausgelegt sein, um das Gas nach außen zu führen und vorzugsweise die Funktion benachbarter Batteriezellen zu erhalten.
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Weiterhin ist es bei einer erfindungsgemäßen Sicherheitsvorrichtung denkbar, dass der Gasleitpfad zumindest einen ersten Gasraum zum Ansammeln von Gas innerhalb des Gasleitpfades aufweist, wobei der erste Gasraum zwischen zumindest zwei Engstellen des Gasleitpfades angeordnet ist. Der erste Gasraum umfasst vorzugsweise eine Kavität die einen Teil des Gasleitpfades ausbildet. Somit kann durch den ersten Gasraum eine zusätzliche Druckkammer im Gasleitpfad geschaffen werden, um eine Gasströmung im Gasleitpfad einzustellen und/oder zu steuern. Durch den ersten Gasraum kann insbesondere ein Grenzdruck, bei welchem die Entlüftung des Zellinnenraums zur Zellaußenseite erfolgt, einstellbar sein. So kann vorgesehen sein, dass sich zunächst Gas im ersten Gasraum sammelt, bevor das Gas an die Zellaußenseite abgegeben wird. Ferner kann durch den ersten Gasraum ein Eindringen von Feuchtigkeit, z. B. in Form von Kondenswasser und/oder Luft, und/oder eine Gasdiffusion von der Zellaußenseite in den Zellinnenraum verhinderbar oder reduzierbar sein.
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Im Rahmen der Erfindung ist es weiterhin denkbar, dass der Gasleitpfad zumindest einen zweiten Gasraum zum Ansammeln von Gas innerhalb des Gasleitpfades aufweist, wobei der zweite Gasraum zwischen zumindest zwei weiteren Engstellen des Gasleitpfades angeordnet ist und vorzugsweise mit dem ersten Gasraum hydraulisch in Reihe geschaltet ist. Der erste und/oder der zweite Gasraum können vorteilhafterweise kugelförmig ausgebildet sein, z. B. um einen gleichmäßigen Gasdruck in mehrere, insbesondere alle, Richtungen zu ermöglichen. Die Reihenschaltung des ersten Gasraums mit dem zweiten Gasraum kann vorteilhafterweise eine gestufte Drucksperre bilden. Insbesondere kann durch den zweiten Gasraum eine zusätzliche Sicherheitsstufe zum ersten Gasraum geschaffen sein, durch welche ein Eindringen von Feuchtigkeit in den Zellinnenraum verhinderbar ist.
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Weiterhin kann bei einer erfindungsgemäßen Sicherheitsvorrichtung vorteilhafterweise vorgesehen sein, dass der Ventilkörper aus einem elastischen Material ausgebildet ist, durch welches der erste Gasraum, der zweite Gasraum und/oder der Gasleitpfad in Abhängigkeit von dem Gasdruck, vorzugsweise in zumindest einer Weitungsrichtung senkrecht zum Gasleitpfad, vergrößerbar ist. Unter dem elastischen Material kann insbesondere ein flexibles, elastisch verformbares Material verstanden werden. Vorzugsweise kann der Ventilkörper einen Kunststoff, insbesondere auf Elastomerbasis und/oder in Form einer Polymermatrix, umfassen. Somit kann der Ventilkörper insbesondere vergrößerbar und/oder aufblähbar sein. Durch die Vergrößerbarkeit des Ventilkörpers kann der Ventilkörper eine vorteilhafte Festigkeit gegenüber Drücken im Gasleitpfad aufweisen, sodass ein Gewaltbruch vermieden wird. Ferner kann dadurch das Notöffnungsmittel in die Zellwandung drückbar sein, um die Notöffnung des Zellinnenraums zu begünstigen. Vorteilhafterweise kann der Ventilkörper ferner elektrolytfest und/oder schweißbar sein. Durch die elektrolytfeste Ausbildung ist ein Kontakt des Ventilkörpers mit einem Elektrolyt im Zellinnenraum nicht schädlich, sodass zusätzliche Abdichtungen entfallen können. Durch die Schweißbarkeit kann eine verbesserte Befestigung in der Zellwandung ermöglicht sein.
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Vorzugsweise kann bei einer erfindungsgemäßen Sicherheitsvorrichtung vorgesehen sein, dass das Notöffnungsmittel zumindest eine Kante aufweist, die sich zum Vordringen in die Zellwandung an einer Ventilaußenseite des Ventilkörpers erstreckt. Die Kante kann umlaufend um den Ventilkörper ausgebildet sein. Durch die Kante kann eine Kerbwirkung in die Zellwandung eingebracht oder einbringbar sein. Insbesondere kann die Kante beim, insbesondere elastischen, Vergrößern des Ventilkörpers in die Zellwandung drückbar sein, um die Zellwandung zu schwächen und/oder zu beschädigen. Die Kante kann einen spitzen Winkel umfassen, um die Kerbwirkung zu ermöglichen und/oder einen mechanischen Widerstand beim Hineindrücken der Kante in die Zellwandung zu verringern und/oder einzustellen. Wenn es sich bei der Batteriezelle beispielsweise um eine Pouch-Zelle handelt, kann die Kante zum Auslösen eines Schälvorgangs der Zellwandung ausgebildet sein. Dadurch können sich mehrere Schichten der Batteriezelle nacheinander voneinander lösen, um die Notöffnung zu bewirken.
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Weiterhin ist es bei einer erfindungsgemäßen Sicherheitsvorrichtung denkbar, dass die Kante Teil eines Zahnprofils des Notöffnungsmittels ist, das an der Ventilaußenseite des Ventilkörpers angeordnet ist. Das Zahnprofil kann sich zumindest abschnittsweise oder vollständig über eine Außenseite, insbesondere einen Umfang des Ventilkörpers, erstrecken und/oder umlaufend um den Ventilkörper ausgebildet sein. Dabei kann das Zahnprofil vorteilhafterweise integral mit dem Ventilkörper ausgebildet sein, vorzugsweise am Ventilkörper vorzugsweise gefräst, gedreht oder angeformt sein. Durch das Zahnprofil kann eine Vielzahl an Kanten gebildet sein, durch welche die Zellwandung zur Notöffnung geschädigt werden kann. Insbesondere kann durch die Vielzahl der Kanten der Schälvorgang mehrerer Wandungsschichten begünstigt sein. Weiterhin kann durch das Zahnprofil beim Vergrößern des Ventilkörpers aufgrund eines Überdrucks im Gasleitpfad zumindest eine der durch das Profil gebildeten Kanten in gerader Linie in die Zellwandung hineingedrückt werden, um die Kerbwirkung zu erzielen.
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Vorzugsweise kann bei einer erfindungsgemäßen Sicherheitsvorrichtung vorgesehen sein, dass der Gasleitpfad zumindest zwei Flächenbereiche aufweist, die in einem Normalzustand einander kontaktieren und in einem Entlüftungszustand voneinander beabstandet sind. Es kann vorgesehen sein, dass die Flächenbereiche eine Mikrostruktur zur Erhöhung der Oberflächenspannung beim Kontaktieren der Flächenbereiche aufweisen. Die Flächenbereiche können gegenüberliegende Bereiche mit einem halbkreisförmigen oder einem geraden Querschnittsprofil umfassen. Beispielsweise kann der Ventilkörper zwei gegenüberliegende Teilbereiche umfassen, deren einander zugewandte Oberflächen die Flächenbereiche bilden. Durch den Kontakt der Flächenbereiche im Normalzustand kann der Gasleitpfad verschlossen sein, sodass ein Gasfluss zwischen dem Zellinnenraum und der Zellaußenseite verhindert oder reduziert ist. Durch zunehmenden Druck im Zellinnenraum kann der Gasleitpfad geöffnet werden, um die Entlüftung und/oder die Notöffnung des Zellinnenraums zu ermöglichen.
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Weiterhin ist es bei einer erfindungsgemäßen Sicherheitsvorrichtung denkbar, dass der Ventilkörper eine Befestigungsschnittstelle zur, vorzugsweise stoffschlüssigen, Verbindung mit der Zellwandung aufweist und/oder dass der Ventilkörper mit der Zellwandung verschweißbar ist. Durch die stoffschlüssige, insbesondere verschweißbare Verbindung des Ventilkörpers mit der Zellwandung kann die Befestigung mit einem hohen Automatisierungsgrad erfolgen. Gleichzeitig kann durch die Befestigung vorzugsweise eine Abdichtung zwischen dem Ventilkörper und der Zellwandung erzielbar sein. Beispielsweise kann der Ventilkörper dazu umlaufend mit der Zellwandung verschweißbar sein. Alternativ kann die Befestigungsschnittstelle zur Punktverschweißung des Ventilkörpers mit der Zellwandung ausgebildet sein. Die Befestigungsschnittstelle kann vorteilhafterweise dazu ausgebildet sein, bei der Notöffnung des Zellinnenraums aufzubrechen.
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Im Rahmen der Erfindung ist es weiterhin denkbar, dass der Ventilkörper zur Integration in eine Pouch-Zelle durch Anordnung zwischen zwei Zellfolien ausgebildet ist. Die Pouch-Zelle kann beispielsweise zumindest eine Folie zur Ausbildung der Zellwandung umfassen. Vorzugsweise umfasst die Pouch-Zelle eine Vielzahl an geschichteten Folien zur Ausbildung der Zellwandung. Dabei kann die Kante und/oder die Verzahnung zur Notöffnung zwischen die Folienschichten gedrückt werden, um die Kerbwirkung zu erhöhen und die Zellwandung aufreißen zu lassen bzw. einen Schälvorgang auszulösen. Bei der Montage der Pouch-Zelle kann der Ventilkörper an einer Folienschicht, vorzugsweise zwischen zwei Folienschichten, befestigt werden.
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Gemäß einem weiteren Aspekt der Erfindung ist eine Batteriezelle für ein Batteriemodul vorgesehen. Die Batteriezelle weist einen Zellinnenraum und eine Zellwandung auf. In der Zellwandung ist eine erfindungsgemäße Sicherheitsvorrichtung zwischen dem Zellinnenraum und einer Zellaußenseite angeordnet.
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Somit bringt eine erfindungsgemäße Batteriezelle die gleichen Vorteile mit sich, wie sie bereits ausführlich mit Bezug auf eine erfindungsgemäße Sicherheitsvorrichtung beschrieben worden sind. Vorzugsweise handelt es sich bei der Batteriezelle um eine Pouch-Zelle. Es ist jedoch ebenso denkbar, dass es sich bei der Batteriezelle um einen anderen Zelltyp, wie z. B. eine zylindrische Batteriezelle, handelt.
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Gemäß einem weiteren Aspekt der Erfindung ist ein Batteriemodul vorgesehen. Das Batteriemodul weist zumindest eine erfindungsgemäße Batteriezelle auf. Ferner weist das Batteriemodul ein Leitungssystem zum Ableiten eines Gases von der Batteriezelle, vorzugsweise einer Sicherheitsvorrichtung der Batteriezelle, zu einer Modulaußenseite des Batteriemoduls auf.
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Somit bringt ein erfindungsgemäßes Batteriemodul die gleichen Vorteile mit sich, wie sie bereits ausführlich mit Bezug auf eine erfindungsgemäße Sicherheitsvorrichtung und/oder eine erfindungsgemäße Batteriezelle beschrieben worden sind. Insbesondere weist das Batteriemodul mehrere, vorzugsweise baugleiche, Batteriezellen auf. Die Batteriezelle kann mit der Sicherheitsvorrichtung vorzugsweise zum Leitungssystem ausgerichtet sein, um bei einer Entlüftung und/oder Notöffnung eines Zellinnenraums der Batteriezelle das Gas aus dem Zellinnenraum über das Leitungssystem zur Modulaußenseite leiten zu können. Somit kann die Entlüftung und/oder Notöffnung durch die Sicherheitsvorrichtung zum Leitungssystem gerichtet sein. Dadurch kann ein Einfluss der Entgasung des Zellinnenraums auf benachbarte Batteriezellen reduziert werden. Insbesondere können die benachbarten Batteriezellen durch das Leitungssystem und die Sicherheitsvorrichtung auch dann weiterbetreibbar sein, wenn die Entlüftung und/oder Notöffnung einer der Batteriezellen erfolgt.
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Gemäß einem weiteren Aspekt der Erfindung ist ein Herstellverfahren zum Herstellen einer, vorzugsweise erfindungsgemäßen, Batteriezelle vorgesehen. Dabei weist die Batteriezelle eine Zellwandung auf. Das Herstellverfahren umfasst, insbesondere in Form von Verfahrensschritten:
- - Bereitstellen einer erfindungsgemäßen Sicherheitsvorrichtung,
- - Montieren der Batteriezelle, wobei die Sicherheitsvorrichtung in der Zellwandung zwischen einem Zellinnenraum und einer Zellaußenseite der Batteriezelle angeordnet wird.
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Somit bringt ein erfindungsgemäßes Herstellverfahren die gleichen Vorteile mit sich, wie sie bereits ausführlich mit Bezug auf eine erfindungsgemäße Sicherheitsvorrichtung, eine erfindungsgemäße Batteriezelle und/oder ein erfindungsgemäßes Batteriemodul beschrieben worden sind. Zum Bereitstellen der Sicherheitsvorrichtung kann die Sicherheitsvorrichtung, insbesondere vollständig, hergestellt werden. Das Montieren der Batteriezelle kann vorzugsweise zumindest teilweise oder vollständig automatisiert erfolgen. Es kann vorgesehen sein, dass zwei oder mehr Zellfolien zum Herstellen der Zellwandung bereitgestellt werden, bevor die Sicherheitsvorrichtung in der Zellwandung angeordnet wird. Vorzugsweise wird der Zellinnenraum und/oder die Zellwandung mit der Sicherheitsvorrichtung beim Anordnen der Sicherheitsvorrichtung in der Zellwandung versiegelt. Beispielsweise kann die Sicherheitsvorrichtung in der Zellwandung, vorzugsweise zwischen den Zellfolien und/oder vom Zellinnenraum in Richtung der Zellaußenseite, eingeschweißt werden. Insbesondere wenn es sich bei der Batteriezelle um eine Pouch-Zelle handelt, kann dadurch eine kostengünstige Serienproduktion der Batteriezelle mit der Sicherheitsvorrichtung durchgeführt werden. Das Herstellverfahren kann ferner darauf gerichtet sein, ein erfindungsgemäßes Batteriemodul herzustellen. Dabei können mehrere Batteriezellen mit einem Leitungssystem montiert werden.
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Weitere Vorteile, Merkmale und Einzelheiten der Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung, in der unter Bezugnahme auf die Zeichnungen Ausführungsbeispiele der Erfindung im Einzelnen beschrieben sind. Dabei können die in den Ansprüchen und in der Beschreibung erwähnten Merkmale jeweils einzeln für sich oder in beliebiger Kombination erfindungswesentlich sein. Es zeigen schematisch:
- 1 eine erfindungsgemäße Batteriezelle für ein erfindungsgemäßes Batteriemodul mit einer erfindungsgemäßen Sicherheitsvorrichtung in einem ersten Ausführungsbeispiel,
- 2+3 das Batteriemodul in perspektivischer Darstellung und in einer Querschnittsansicht,
- 4 die Batteriezelle in einer geschnittenen Teilansicht mit der Sicherheitsvorrichtung,
- 5 die Sicherheitsvorrichtung in einem Montagezustand, und
- 6 eine Batteriezelle für ein erfindungsgemäßes Batteriemodul mit einer erfindungsgemäßen Sicherheitsvorrichtung in einem weiteren Ausführungsbeispiel.
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In der nachfolgenden Beschreibung zu einigen Ausführungsbeispielen der Erfindung werden für die gleichen technischen Merkmale auch in unterschiedlichen Ausführungsbeispielen die identischen Bezugszeichen verwendet.
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1 zeigt eine erfindungsgemäße Batteriezelle 2, die zumindest eine erfindungsgemäße Sicherheitsvorrichtung 10 aufweist. In den 2 und 3 ist ein erfindungsgemäßes Batteriemodul 1 dargestellt, welches die Batteriezelle 2 mit den Sicherheitsvorrichtungen 10 aufweist. Die Batteriezelle 2 und/oder das Batteriemodul 1 können zur Anordnung in einer Fahrzeugbatterie, insbesondere in Form einer Traktionsbatterie für ein Fahrzeug, ausgebildet sein. Ferner umfasst das Batteriemodul 1 ein Leitungssystem 6 zum Ableiten eines Gases von den Sicherheitsvorrichtungen 10 zu einer Modulaußenseite des Batteriemoduls 1. Dabei sind die Sicherheitsvorrichtungen 10 vorzugsweise derart orientiert, dass in der Batteriezelle 2 entstehendes Gas, welches im Bereich der Sicherheitsvorrichtungen 10 aus der Batteriezelle 2 austritt, in das Leitungssystem 6 gerichtet ist, um zur Modulaußenseite geführt zu werden. Insbesondere wenn das Batteriemodul 1 zur Anordnung in einer Fahrzeugbatterie ausgebildet ist, kann die Sicherheitsvorrichtung 10 an einer Unterseite des Batteriemoduls 1 angeordnet sein, um das Gas in einem Montagezustand des Batteriemoduls 1 im Fahrzeug in Richtung eines Bodens zu leiten.
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Im Ausführungsbeispiel nach 1 weist die Batteriezelle 2 zwei Sicherheitsvorrichtungen 10 auf, die an gegenüberliegenden Seiten der Batteriezelle 2 angeordnet sind. Es ist denkbar, dass die Batteriezelle 2 mehrere, insbesondere gleichartige, Sicherheitsvorrichtungen 10 aufweist. Nachfolgend wird auf eine der Sicherheitsvorrichtungen 10 Bezug genommen.
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Wie in 4 dargestellt ist die Sicherheitsvorrichtung 10, insbesondere gemäß einem erfindungsgemäßen Herstellverfahren zum Herstellen der Batteriezelle 2, in einer Zellwandung 5 zwischen einem Zellinnenraum 3 und einer Zellaußenseite 4 der Batteriezelle 2 angeordnet. Vorzugsweise kann die Batteriezelle 2 als Pouch-Zelle ausgebildet sein. Dabei kann die Sicherheitsvorrichtung 10, insbesondere beim Montieren der Batteriezelle 2, vorteilhafterweise zwischen zwei Zellfolien 2.1 der Batteriezelle 2 angeordnet sein.
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Wie in 5 in Form einer detaillierten Darstellung der Sicherheitsvorrichtung 10 gezeigt, weist die Sicherheitsvorrichtung 10 einen Ventilkörper 11 mit einem Gasleitpfad 20 zum Führen des Gases vom Zellinnenraum 3 zur Zellaußenseite 4 für eine Entlüftung des Zellinnenraums 3 auf. Der Gasleitpfad 20 umfasst vorzugsweise einen Pfadeingang 25, der zum Zellinnenraum 3 orientiert ist, und einen Pfadausgang 26, der zur Zellaußenseite 4 orientiert ist. Vorzugsweise umfasst der Gasleitpfad 20 zumindest zwei Flächenbereiche 20.1, die in einem Normalzustand einander kontaktieren und in einem Entlüftungszustand voneinander beabstandet sind. Beispielsweise kann der Pfadeingang 25 des Gasleitpfades 20 eine teilkreisförmige und/oder eine kugelabschnittsförmige Kontur aufweisen, die zum Zellinnenraum 3 geöffnet ist. Dadurch können die Flächenbereiche 20.1 bei einem Überdruck im Zellinnenraum 3 auseinandergedrückt werden, um den Gasleitpfad 20 zu öffnen. Vorteilhafterweise kann der Ventilkörper 11 eine Befestigungsschnittstelle 13 zur stoffschlüssigen Verbindung mit der Zellwandung 5 aufweisen. Beispielsweise kann der Ventilkörper 11 mit der Zellwandung 5, insbesondere umlaufend, verschweißt sein. Der Ventilkörper 11 kann den Gasleitpfad 20, insbesondere umlaufend und/oder rotationssymmetrisch, umgeben. Es ist jedoch ebenso denkbar, dass der Ventilkörper 11, insbesondere spiegelsymmetrisch, mehrteilig ausgestaltet ist. Der Gasleitpfad 20 kann dabei beispielsweise durch eine Trennebene zwischen zwei Teilen des Ventilkörpers 11 gebildet sein.
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Weiterhin weist der Gasleitpfad 20 zumindest einen ersten Gasraum 21 zum Ansammeln von Gas innerhalb des Gasleitpfades 20 auf. Der erste Gasraum 21 ist zwischen zumindest zwei Engstellen 23 des Gasleitpfades 20 angeordnet. Zu dem ersten Gasraum 21 ist ferner ein zweiter Gasraum 22 des Gasleitpfades 20 zum Ansammeln von Gas innerhalb des Gasleitpfades 20 hydraulisch in Reihe geschaltet. Dazu ist der zweite Gasraum 22 zwischen zumindest zwei weiteren Engstellen 23 des Gasleitpfades 20 angeordnet. Durch den ersten und zweiten Gasraum 21, 22 kann ein Eindringen von Feuchtigkeit, z. B. in Form von Kondenswasser und/oder Luft, und/oder eine Gasdiffusion von der Zellaußenseite 4 in den Zellinnenraum 3 verhindert werden. Beispielsweise kann sich bei einem Überdruck im Zellinnenraum 3 zunächst der Druck im ersten Gasraum 21 erhöhen, sodass der zweite Gasraum 22 verzögert mit dem Druck beaufschlagt wird. Ein Eindringen von Flüssigkeit von außen wird dann durch den Druck im ersten Gasraum 21 und/oder im zweiten Gasraum 22 verhindert. Durch die Reihenschaltung des ersten Gasraums 21 und des zweiten Gasraums 22 kann ferner auch bei keiner oder einer geringen Druckdifferenz zwischen dem Zellinnenraum 3 und der Zellaußenseite 4 das Eindringen von Flüssigkeit verhindert werden. Dazu bilden der zweite Gasraum 22 und der erste Gasraum 21 aufgrund der Reihenschaltung insbesondere aufeinanderfolgende Drucksperren.
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Weiterhin weist die Sicherheitsvorrichtung 10 ein Notöffnungsmittel 30 zum Schwächen der Zellwandung 5 für eine Notöffnung des Zellinnenraums 3 in Abhängigkeit von einem Gasdruck im Gasleitpfad 20 auf. Es kann insbesondere vorgesehen sein, dass der Gasdruck zur Auslösung der Notöffnung geringer oder gleich 7 bar ist. Der Ventilkörper 11 und das Notöffnungsmittel 30 bilden dabei eine Baueinheit zur gemeinsamen Anordnung in der Zellwandung 5. Das Notöffnungsmittel 30 umfasst zumindest eine Kante 31, die sich zum Vordringen in die Zellwandung 5 an einer Ventilaußenseite 12 des Ventilkörpers 11 erstreckt.
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Dabei ist die Kante 31 Teil eines Zahnprofils 32 des Notöffnungsmittels 30, das an der Ventilaußenseite 12 des Ventilkörpers 11 angeordnet ist und mehrere gleichartige oder Kanten 31 aufweist. Das Zahnprofil 32 ist vorzugsweise integral mit dem Ventilkörper 11 ausgebildet. Beispielsweise kann der Ventilkörper 11 mit dem Zahnprofil 32 als Gussteil und/oder als Gussteilverbund ausgebildet sein.
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Der Ventilkörper 11 ist aus einem elastischen Material ausgebildet, durch welches der erste Gasraum 21, der zweite Gasraum 22 und/oder der Gasleitpfad 20 in Abhängigkeit von dem Gasdruck, in einer Weitungsrichtung 24 senkrecht zum Gasleitpfad 20, vergrößerbar ist. Vorzugsweise ist das Material des Ventilkörpers 11 medienverträglich und/oder elektrolytfest. Beispielsweise kann der Ventilkörper 11 zumindest abschnittsweise oder vollständig aus einem Elastomer gebildet sein. Insbesondere kann der Ventilkörper 11 in Abhängigkeit von dem Gasdruck ballonartig aufgeweitet werden. Wenn der Gasdruck im Gasleitpfad 20, insbesondere der erste Gasraum 21 und/oder der zweite Gasraum 22, ansteigt, werden die Kanten 31 des Zahnprofils 32 somit entlang der Weitungsrichtung 24 in die Zellwandung 5 gedrückt. Dadurch entstehen mehrere Bereiche mit einer erhöhten Kerbwirkung, wodurch die Zellwandung 5 lokal aufreißen und/oder sich von dem Ventilkörper 11 lösen kann. Wenn es sich bei der Batteriezelle 2 um eine Pouch-Zelle handelt, kann beispielsweise ein Schälvorgang ausgelöst werden, bei welchem sich Folienschichten der Zellwandung 5 nacheinander ablösen. Insbesondere kann beim Vergrößern des Volumens des Ventilkörpers 11 auch die Befestigungsschnittstelle 13 zerstört werden.
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Somit ist die Zellwandung 5 lediglich in einem Bereich lokal durch die Sicherheitsvorrichtung 10 unterbrochen. Gleichzeitig wird eine multifunktionale Sicherheitsvorrichtung 10 bereitgestellt, welche während der Lebensdauer der Batteriezelle 2 eine Entlüftung über den Gasleitpfad 20 ermöglicht. Gleichzeitig kann durch die lokale Schwächung der Zellwandung 5 durch das Notöffnungsmittel 30 bei einem Notfall, wie beispielsweise einem Thermal Runaway oder einem bevorstehenden Thermal Runaway, eine Sollbruchstelle bereitgestellt werden. Dadurch kann eine plötzliche Gasexpansion in das Leitungssystem 6 des Batteriemoduls 1 gerichtet werden, wodurch sich ein Gasdruck im Zellinnenraum 3 reduziert. Aufgrund der vorhersagbaren Richtung kann das Gas vorteilhaft nach außen geführt und/oder die Funktion benachbarter Batteriezellen 2 erhalten werden.
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6 zeigt eine Batteriezelle 2, die zumindest zwei erfindungsgemäße Sicherheitsvorrichtungen 10 aufweist in einem weiteren Ausführungsbeispiel. Dabei sind die Sicherheitsvorrichtungen 10 an schräg gegenüberliegenden Seiten der Batteriezelle 2 angeordnet. Dadurch kann die Batteriezelle 2 beispielsweise von beiden Seiten vorteilhaft zur Mitte aufgetrennt werden und/oder unterschiedliche Gaswege eröffnen.
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Die voranstehende Erläuterung der Ausführungsformen beschreibt die vorliegende Erfindung ausschließlich im Rahmen von Beispielen. Selbstverständlich können einzelne Merkmale der Ausführungsformen, sofern technisch sinnvoll, frei miteinander kombiniert werden, ohne den Rahmen der vorliegenden Erfindung zu verlassen.
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Bezugszeichenliste
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- 1
- Batteriemodul
- 2
- Batteriezelle
- 2.1
- Zellfolien
- 3
- Zellinnenraum
- 4
- Zellaußenseite
- 5
- Zellwandung
- 6
- Leitungssystem
- 10
- Sicherheitsvorrichtung
- 11
- Ventilkörper
- 12
- Ventilaußenseite
- 13
- Befestigungsschnittstelle
- 20
- Gasleitpfad
- 20.1
- Flächenbereiche
- 21
- erster Gasraum
- 22
- zweiter Gasraum
- 23
- Engstellen
- 24
- Weitungsrichtung
- 25
- Pfadeingang
- 26
- Pfadausgang
- 30
- Notöffnungsmittel
- 31
- Kante
- 32
- Zahnprofil
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- DE 102013221760 A1 [0004]
