EP4252308A1 - Druckausgleichseinrichtung, verfahren zum druckausgleich und gehäuse, insbesondere batteriegehäuse - Google Patents

Druckausgleichseinrichtung, verfahren zum druckausgleich und gehäuse, insbesondere batteriegehäuse

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Publication number
EP4252308A1
EP4252308A1 EP21815934.1A EP21815934A EP4252308A1 EP 4252308 A1 EP4252308 A1 EP 4252308A1 EP 21815934 A EP21815934 A EP 21815934A EP 4252308 A1 EP4252308 A1 EP 4252308A1
Authority
EP
European Patent Office
Prior art keywords
closure element
base body
emergency
compensation device
pressure compensation
Prior art date
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Pending
Application number
EP21815934.1A
Other languages
English (en)
French (fr)
Inventor
Robert Zbiral
Thomas Jessberger
Jürgen KOSICKI
Robert Kusebauch
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Mann and Hummel GmbH
Original Assignee
Mann and Hummel GmbH
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Mann and Hummel GmbH filed Critical Mann and Hummel GmbH
Publication of EP4252308A1 publication Critical patent/EP4252308A1/de
Pending legal-status Critical Current

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    • H01M50/30—Arrangements for facilitating escape of gases
    • H01M50/342—Non-re-sealable arrangements
    • H01M50/3425—Non-re-sealable arrangements in the form of rupturable membranes or weakened parts, e.g. pierced with the aid of a sharp member
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    • H01M50/30—Arrangements for facilitating escape of gases
    • H01M50/308—Detachable arrangements, e.g. detachable vent plugs or plug systems
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    • F16K17/04—Safety valves; Equalising valves, e.g. pressure relief valves opening on surplus pressure on one side; closing on insufficient pressure on one side spring-loaded
    • F16K17/0413—Safety valves; Equalising valves, e.g. pressure relief valves opening on surplus pressure on one side; closing on insufficient pressure on one side spring-loaded in the form of closure plates
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    • Y02E60/10—Energy storage using batteries

Definitions

  • Pressure compensation device method for pressure compensation and housing, in particular battery housing
  • the invention relates to a pressure compensation device for a housing, in particular for a battery housing, with a base body through which fluid can flow and with a closure element.
  • the invention also relates to a method for equalizing the pressure between an interior of a housing, in particular a battery housing, and an environment, as well as the housing itself.
  • Housings such as battery housings, are often provided with a pressure equalization device in order to enable pressure equalization between an interior space of the housing and an environment. If the housing were hermetically sealed, pressure differences between the interior and the environment could build up during operation of the housing or a device arranged in the housing, for example an electrochemical energy storage device. Because the pressure equalization device enables pressure equalization, it is avoided that the housing fails mechanically during operation, for example by the housing bulging inwards or outwards or finally bursting. In the case of batteries or accumulators, in particular in the case of high-voltage storage devices such as those used as traction batteries in electric vehicles, battery cells can fail, which leads to a sharp increase in pressure and temperature in the interior of the housing. In order to prevent the housing from bursting, the hot and highly pressurized gas must be evacuated quickly from the interior of the housing to the environment.
  • a pressure compensation device for a housing is known from DE 10 2017 003 360 B3, which comprises a latticed cage with a gas passage opening covered by a gas-permeable membrane.
  • a pressure relief valve in the form of a screen is provided fluidically parallel to the gas passage opening as bursting protection.
  • WO 2020/141044 A1 describes a degassing unit for an electronics housing which has a base body which can be connected in a fluid-tight manner to an edge of a pressure equalization opening in the electronics housing and which has at least one gas passage opening which is covered by a membrane when the degassing unit is in a normal operating state.
  • the membrane is fastened in a fluid-tight manner on a membrane carrier that can be displaced relative to the base body, which in the normal operating state is pressed sealingly against an edge of the gas passage opening of the base body by an axial force, so that the membrane carrier releases a membrane when a predetermined pressure difference between an interior space and an environment is exceeded immediate emergency degassing opening can be lifted from the base body.
  • the two aforementioned pressure compensation devices or input units return to the normal operating state in that the pressure relief valve closes or the membrane carrier is pressed against the edge. A gas exchange between the environment and the interior is therefore still possible through the gas passage opening. If the emergency degassing process was carried out due to a battery cell defect, oxygen from the environment can get into the interior of the housing. This can promote the development or spread of a fire from a defective battery.
  • a sealed battery housing with a valve is known from US Pat. No. 10,128,476 B2.
  • the valve is in a closed state when an internal pressure in the battery case is less than a first pressure, in an opened state when the internal pressure is at least as great as the first pressure and less than a second pressure, and in a closed state , when the internal pressure is at least as great as the second pressure.
  • additional flow shut-off valves are provided at the anode and the cathode. It is an object of the invention to improve the operational reliability of batteries in ventilated housings. Disclosure of Invention
  • a pressure compensation device for a housing, in particular for a battery housing.
  • the pressure compensation device is typically designed to be inserted into a housing wall of the housing.
  • the pressure compensation device has a base body through which a flow can flow and a closure element.
  • the base body can be in one piece or in several parts.
  • the base body is preferably designed with a thread or a bayonet for screwing into the housing wall.
  • a flow path is opened between the base body and the closure element in a normal operating state.
  • the closure element closes the main body through which air can flow
  • a flow opening in the base body, which is located in the flow path, is typically covered by a membrane.
  • the membrane is preferably selectively permeable. In principle, the membrane is permeable to gases.
  • the membrane is preferably impermeable to liquids and solids. In the normal operating state, the membrane can prevent water from entering the housing. In the normal operating state, a (gas) flow can take place through the base body along the flow path.
  • the pressure equalization device is set up to switch to an emergency operating state after an emergency venting process, in which the Closure element closes the base body in a gas-tight manner.
  • the closure element prevents a flow through the base body and thus the pressure compensation device. Because the closure element closes the base body impermeably or tightly, after the emergency venting process is complete, the entry of oxygen—whether in the form of molecular oxygen from the ambient air or in the form of gaseous or liquid water—through the pressure equalization device is prevented.
  • a fire that is developing or has already started in the housing is thus cut off from the supply of the oxidizing agent required for combustion. The outbreak of the fire can thereby be avoided or the resulting fire can be brought to a standstill.
  • the pressure compensation device has a valve arrangement which is connected in series with the flow opening and is formed with the closure element.
  • the valve arrangement In the normal operating state, the valve arrangement is open, i. H. flowable.
  • the valve arrangement is also open during an emergency venting process.
  • the emergency operating state which is set up automatically by the pressure equalization device according to the invention after the emergency venting process has ended, the valve arrangement cannot be flowed through.
  • the base body In the emergency operating state, the base body is tightly closed by the closure element.
  • the emergency venting process can be characterized by a large volume flow, high pressure and/or high temperature of the outflowing gas.
  • the membrane can be destroyed during the emergency venting process. Since the closure element tightly closes the base body after the emergency venting process has ended, there is still no risk of gases, liquids or solids getting into the housing.
  • the pressure equalization device enables a method for pressure equalization according to the invention, described below, to be carried out.
  • the closure element is preferably prestressed against the base body.
  • the base body can be sealed in the emergency operating state by the Closure element are guaranteed particularly reliable.
  • a spring element can be provided in order to pretension the closure element against the base body.
  • the spring element can be a preferably cylindrical helical spring.
  • the spring element can be supported on a cover of the pressure compensation device.
  • the lid is typically held on the base body.
  • the cover has at least one ventilation opening. Such a cover can also be provided if the pressure compensation device does not have a spring element.
  • the closure element preferably rests against projections between which the flow path runs. Recesses formed between the projections therefore allow gas to flow past the closure element.
  • the projections are present on the base body and extend with at least one axial component from a side of the base body facing the closure element.
  • the closure element is spaced apart from the base body at least in regions by a spacer in the normal operating state.
  • the aforementioned projections and recesses can be formed on the spacer.
  • the spacer can be designed or arranged on the base body in such a way that it loses its effect during an emergency ventilation process, so that the closure element can come into sealing contact with the base body in the emergency operating state.
  • the spacer is held at one end on the cover and at the other end on the closure element.
  • gluing, welding with plasma treatment, injection molding and screws and/or rivets come into consideration here.
  • the spacer is held on the cover in such a way that a reliable connection and thus good flowability is ensured during normal operation, with the closure element being axially displaceable in a direction pointing away from the membrane, which leads to an increase in the flow gap.
  • the spacer is in one way with the closure member associated with the fact that it is firmly fixed in a normal operating state with temperatures below 100°C, but loses its adhesion at temperatures that occur in an emergency opening case, for example greater than 200°C. This is possible through a suitable choice of plastic and/or an adhesive that loses its function at correspondingly high temperatures.
  • the spacer can be axially displaceable together with the closure element when the pressure compensation device is transferred into the emergency operating state.
  • the spacer can have a force transmission structure between its closure element end close to the closure element and its end close to the cover, which has at least one predetermined breaking point which is designed to fail under a predetermined pressure load.
  • the power line structure has at least one radial projection, which is designed as an axial stop that can come into contact with an inner surface of the cover in the emergency operating state.
  • the predetermined breaking points can be reliably designed for a predetermined failure pressure force using common methods of strength simulation.
  • This embodiment has the advantage that the spacer is outside (relative to the predetermined assembly direction) of the closure element, so that individual components of the spacer, which result from the irreversible destruction of the same, do not get into an interior of the housing that is freely accessible after the emergency degassing event due to destruction of the membrane. in particular the battery housing to which the pressure equalization device is mounted.
  • the spacer can be in the form of a sleeve and preferably have a plurality of predetermined breaking points distributed over its circumference.
  • the spacer is particularly preferably made of a material which loses its dimensional stability at a temperature of at most 250°C, preferably at most 200°C, particularly preferably at most 150°C.
  • the spacer consists of such a material.
  • the aforementioned temperatures can in particular indicate a softening point or a melting point.
  • the closure element is designed with a bistable spring body.
  • the closure element In the normal operating state, the closure element is in a normal operating configuration.
  • the closure member In the normal operating configuration, the closure member is shaped and oriented such that it is unable to seal the body. Rather, the flow path remains open in the normal operating configuration.
  • the bistable closure element is designed to switch to an emergency operating configuration during an emergency ventilation process under the pressure and/or temperature effect of the gas flowing out of the interior of the housing.
  • the closure element In the emergency operation configuration, the closure element is shaped and aligned in such a way that - after the emergency venting process has been completed - it is able to seal the main body tightly.
  • the closure element is particularly preferably curved towards the flow opening in the normal operating configuration.
  • the closure member In the limp home configuration, the closure member may be bulged away from the flow opening.
  • the closure element can be designed in the shape of a plate.
  • the closure element of the pressure equalization device can be in continuous circumferential contact with the base body in order to seal it tightly.
  • the base body can have a sealing element which can be held in a groove, for example.
  • the base body can be sealed particularly reliably in the emergency operating state by the sealing element.
  • the sealing element is preferably arranged in the flow shadow of a holding structure, for example a groove wall. Damage to the sealing element by hot gas, which flows through the pressure compensation device during an emergency venting process, can be avoided as a result.
  • the pressure compensation device has an emergency degassing mandrel.
  • the emergency degassing mandrel protrudes from the closure element towards the membrane.
  • the membrane is deflected towards the emergency venting mandrel by the sharp and rapid pressure increase in the interior of the housing, which destroys it. Destroying the membrane reduces the flow resistance of the pressure compensation device, so that the emergency venting process can take place particularly quickly.
  • a housing, in particular a battery housing, with a pressure compensation device according to the invention also falls within the scope of the present invention.
  • the pressure compensation device is typically arranged on a housing wall of the housing.
  • the base body is typically held on the housing wall.
  • the housing wall can have a through-hole into which the base body can be inserted. In particular, it can be provided that the base body protrudes through the housing wall.
  • Electrochemical energy storage cells are preferably arranged in the battery housing.
  • the invention also relates to a battery.
  • the energy storage cells can be lithium-ion cells.
  • the scope of the present invention also includes a method for pressure equalization between an interior space of a housing, in particular a battery housing, and an environment surrounding the housing.
  • the housing has a pressure compensation device according to the invention.
  • the housing is therefore a housing according to the invention as described above.
  • a gas exchange is carried out between the interior of the housing and the environment.
  • the gas exchange takes place through the membrane and between the closure element and the base body.
  • the gas flows to equalize the pressure along the flow path that is in the normal operating state of the pressure equalization device between the
  • Closure element and the body is opened.
  • an emergency venting process is carried out.
  • hot gas under high pressure can in particular escape from the interior of the housing into the environment with a large volume flow.
  • the membrane is destroyed by the emergency venting mandrel protruding from the closure element of the pressure compensation device. This can make it easier for the gas to escape from the interior.
  • the base body is closed by the closure element.
  • the pressure compensation device changes to the emergency operating state.
  • the base body By sealing the base body tightly, it is possible to prevent gases and/or liquids, in particular gases or liquids containing oxygen, from flowing into the housing. If the emergency venting process was triggered by a defect in the electrochemical energy storage cells arranged in the housing, the occurrence of a fire can be counteracted by sealing the housing or a fire that has already started can be extinguished.
  • the closure element can be lifted off the base body during the emergency venting process. This can be done against the action of a spring element that pretensions the closure element. By further lifting the closure element from the base body, a particularly large flow cross section can be released in order to facilitate the emergency venting process. If the closure element is spaced apart from the base body by a spacer in the normal operating state, the spacer or the connection of the spacer to the closure element can be destroyed during the emergency venting process. As a result, the spacer loses its effect, so that the closure element can come into sealing contact with the base body after the end of the emergency venting process.
  • Destruction of the spacer or the connection of the spacer to the closure element is understood to mean that it loses its shape and/or strength at least to the extent that it is no longer able to separate the closure element from the base body to keep.
  • the spacer is preferably melted during the emergency venting process. The melted material of the spacer can be blown out of the pressure compensation device with the outflowing gas.
  • closure element is a bistable spring body, the closure element can during the implementation of the emergency venting process
  • Normal operating configuration can be converted into an emergency operating configuration.
  • the closure element can be turned inside out under the effect of the flowing gas.
  • the inversion can be carried out particularly reliably if the
  • Closure element is curved towards the flow opening in the normal operating configuration and is curved away from the flow opening in the emergency operating configuration. By turning it inside out, more space is then made available for the gas emerging from the flow opening. A pressure peak during the emergency venting process can therefore be reduced by turning the closure element inside out. At the same time, the pressure peak occurring during the emergency venting process
  • the closure member In the normal operating configuration, the closure member is shaped and oriented such that it is unable to seal the body. Rather, the flow path remains open in the normal operating configuration.
  • the closure element is shaped and aligned in such a way that it - after the end of the emergency release process - tightly closes the main body in the emergency mode.
  • FIG. 1a a pressure compensation device according to the invention with a base body through which a flow can take place, against which a closure element is pretensioned, with a spacer keeping a flow path between the base body and the closure element open in a normal operating state, in a schematic sectional view;
  • FIG. 1b shows the pressure compensation device from FIG. 1a in an enlarged, fragmentary sectional view
  • FIG. 2 shows the pressure compensation device from FIG. 1a during an emergency venting process, in which escaping gas lifts the closure element further from the base body against the action of a spring element and has removed the spacer, in a schematic sectional view;
  • Fig. 3a shows the pressure compensation device from Figure 1a after the emergency venting process has been completed in an emergency operating state, with the
  • the closure element is pressed by the spring element against the base body so that it closes it tightly, in a schematic sectional view;
  • FIG. 3b shows the pressure compensation device from FIG. 3a in an enlarged view, partial sectional view
  • FIG. 4 shows a schematic flow chart of a method according to the invention for pressure compensation and use of the pressure compensation device from FIG. 1a;
  • FIG. 5a shows another pressure equalization device according to the invention with a base body through which a fluid can flow, against which a bistable closure element is pretensioned, a flow path between the base body and the closure element being open in a normal operating configuration of the closure element, in a schematic sectional view;
  • FIG. 5b shows the pressure compensation device from FIG. 5a in an enlarged, fragmentary sectional view
  • FIG. 6 shows the pressure compensation device from FIG. 5a during an emergency venting process, in which escaping gas lifts the closure element from the base body against the action of a spring element and has turned the closure element inside out into an emergency operating configuration, in a schematic sectional view;
  • FIG. 7a shows the pressure equalization device from FIG. 5a after the end of the emergency venting process in an emergency operating state, with the closure element located in the emergency operation configuration being pressed by the spring element against the base body so that it closes it tightly, in a schematic sectional view;
  • FIG. 7b shows the pressure compensation device from FIG. 7a in an enlarged, fragmentary sectional view
  • FIG. 8 shows a schematic flowchart of a method according to the invention for pressure compensation using the pressure compensation device from FIG. 5a;
  • FIG. 9 shows a housing according to the invention with an according to the invention Pressure compensation device, several battery cells being arranged in the housing, in a highly abstracted sectional view;
  • FIG. 10 shows a further pressure compensation device according to the invention with a base body through which a flow can flow, against which a closure element is pretensioned, a flow path between the base body and the closure element being open in a normal operating configuration of the closure element, in a schematic sectional view;
  • FIG. 11a Detailed view of the pressure compensation device from Fig. 10 in
  • FIG. 11b Detailed view of the pressure compensation device from Fig. 10 in
  • FIG. 12 shows yet another pressure equalization device according to the invention with a base body through which a flow can flow, against which a closure element is pretensioned, a flow path between the base body and the closure element being open in a normal operating configuration of the closure element, in a schematic sectional view;
  • FIG. 13a Detailed view of the pressure compensation device from Fig. 12 in
  • FIG. 13b detailed view of the pressure compensation device from Fig. 12 in
  • FIG. 1a shows a pressure compensation device 10.
  • FIG. 1b shows an enlarged detail of the pressure compensation device 10.
  • FIG. The pressure compensation device 10 has a base body 12 .
  • the base body 12 is designed in one piece here.
  • the pressure equalization device 10 serves to equalize the pressure between an interior space 14 and an environment 16 of a housing 18, see FIG.
  • a seal 22 ensures that the gas exchange during pressure equalization takes place through the pressure equalization device 10 and not past it.
  • the base body 12 has a flow opening 24 .
  • the flow opening 24 is covered by a selectively permeable membrane 26 .
  • the membrane 26 is permeable to gases. Liquids and solids are held back by the membrane 26.
  • the flow opening 24 can be divided into several partial openings in the manner of a grid. The membrane 26 can rest against webs between the partial openings.
  • a cover 28 is held on the base body 10 .
  • the cover 28 has at least one ventilation opening 30, here several ventilation openings.
  • the ventilation openings 30 can be distributed over a circumference of the cover 28 .
  • the pressure compensation device 10 has a closure element 32 .
  • the closure element 32 is prestressed against the base body 12 by a spring element 34, here a helical spring.
  • the spring element 34 can be supported on the cover 28 .
  • the pressure compensation device 10 is in a normal operating state.
  • a flow path 36 is opened between the closure element 32 and the base body 12 .
  • air can flow along the flow path 36 through the flow opening 24 or the membrane 26, between the closure element 32 and the base body 12 and through the ventilation openings 30 in the cover 28 stream. In this way, gas exchange is possible both out of the housing 18 and out of the environment 16 into the housing 18 .
  • a spacer 38 is provided in order to keep the closure element 32 at a distance from the base body 12 in the normal operating state.
  • the spacer 38 is arranged on the base body 12 .
  • the spacer 38 has a plurality of projections 40 .
  • the closure element 32 rests against the projections 40 .
  • Recesses 42 are formed between the projections 40 .
  • the flow path 36 runs through the recesses 42.
  • FIG. 2 shows the pressure compensation device 10 during an emergency venting process.
  • hot gas flows out of the housing 18 under high pressure and with a large volume flow. This releases a large cross-section that can be flowed through. This reduces the flow resistance of the pressure compensation device 10. The emergency venting process can therefore take place quickly.
  • the membrane 26 (compare FIG. 1a) was deflected by the increasing pressure in the interior 14 of the housing 18 and pressed against an emergency venting mandrel 44. As a result, the membrane 26 was destroyed. This further reduces the flow resistance of the pressure compensation device 10 .
  • the emergency degassing mandrel 44 projects here from the closure element 32 to the membrane 26 .
  • the spacer 38 (compare FIGS. 1a and 1b) is destroyed.
  • the spacer 38 consists of a material which has a melting point of less than 200° C., for example a plastic. The spacer 38 is melted during the emergency ventilation process by the hot gas flowing out of the housing 18 and is removed from the base body 12 .
  • FIGS 3a and 3b show the pressure compensation device 10 after the emergency venting process.
  • the pressure compensation device 10 is now in an emergency operating state.
  • the spring element 34 presses the closure element 32 against the base body 12.
  • the closure element 32 closes the base body 12 tightly.
  • the closure element 32 can bear continuously circumferentially on a sealing element 46 of the base body 12 .
  • Substances, in particular liquids or gases, can no longer flow from the environment 16 into the interior 14 of the housing 18 through the pressure equalization device 10 .
  • the pressure in the interior 14 is high enough, a pressure equalization to the outside is also possible in the emergency operating state, in that the closure element 32 is temporarily lifted from the sealing element 46 .
  • Figure 4 shows a flow chart of the pressure equalization between the interior 14 of the housing 18 and the environment 16 using the pressure equalization device 10 described above.
  • a step 102 in a normal operating state, gas is exchanged between the interior 14 and the environment 16, with gas passing through the flow opening 24 or the membrane 26, through the recesses 42 between the closure element 32 and the base body 12 and through the ventilation openings 30 in the cover 28 flows along the flow path 36, compare Figures 1a and 1b.
  • gas passing through the flow opening 24 or the membrane 26, through the recesses 42 between the closure element 32 and the base body 12 and through the ventilation openings 30 in the cover 28 flows along the flow path 36, compare Figures 1a and 1b.
  • the flow can be directed temporarily into the housing 18 and out of the housing 18 .
  • a step 104a an emergency venting process is carried out.
  • a sudden increase in pressure in the interior 14 causes the membrane 26 to be deflected towards the closure element 32 and destroyed by the emergency degassing mandrel 44 .
  • the closing element 32 is lifted off the base body 12 by the hot gas escaping from the interior 14 under high pressure, see FIG. 2.
  • the escaping hot gas also destroys the spacer 38 by melting it.
  • the closure element 32 is pressed against the base body 12 by the spring element 34 .
  • Pressure equalization device 10 and its base body 12 are thus tightly closed in a step 106, compare FIGS. 3a and 3b, so that the emergency operating state is set up.
  • the flow path 36 (compare Figures 1a and 1b) is now blocked.
  • FIGS. 5a and 5b show a further pressure compensation device 50 in the normal operating state.
  • the pressure compensation device 50 is constructed similarly to the pressure compensation device 10 described above and serves the same purpose.
  • the pressure compensation device 50 instead of
  • Pressure compensation device 10 may be arranged on the housing 18 of FIG. The differences between the pressure compensation devices 50 and the pressure compensation device 10 are primarily described below; for the rest, reference is made to the preceding description.
  • the closure element 32 is designed as a bistable spring body.
  • the closure element 32 is in a normal operating configuration.
  • the closure element 32 can be plate-shaped.
  • the closure element 32 is curved towards the flow opening 24 with the membrane 26 in the normal operating configuration.
  • the base body 12 of the pressure compensation device 50 is designed in several parts.
  • the base body 12 has an inner part 52 , an outer part 54 and a holding part 56 . It is understood that the pressure compensation device 50 is also a one-piece
  • Body 12 could be provided; also could at the
  • a multi-part base body 12 may be provided.
  • FIG. 6 shows the pressure compensation device 50 during an emergency venting process.
  • the closing element 32 is displaced away from the base body 12 against the action of the spring element 34 due to the hot gas flowing out of the interior 14 of the housing 18 under high pressure and with a large volume flow.
  • the gas pressure has converted the closure element 32 into an emergency operating configuration.
  • the closure element 32 is curved away from the flow opening 24 .
  • the closure element 32 in the exemplary embodiment shown can be converted from the normal operating configuration into the emergency operating configuration by turning it inside out.
  • the closure member 32 may be referred to as a snap disk.
  • FIGS. 7a and 7b show the pressure compensation device 50 in the emergency operating state after the emergency venting process has been completed. Since the closure element 32 is curved away from the flow opening 24 in the emergency operating configuration, the projections 40 no longer come into contact with the closure element 32. Rather, a radially outer edge of the closure element 32 is pressed continuously circumferentially by the spring element 34 against the base body 12.
  • the base body 12 can have a sealing element 46 for the sealing contact of the closure element 32 . In the emergency operating state, the closure element 32 closes the base body 12 and thus the pressure compensation device 50.
  • Figure 8 shows a flow chart of the pressure equalization between the interior 14 and the environment 16 using the pressure equalization device 50.
  • a step 102 in a normal operating state, gas is exchanged between the interior 14 and the environment 16, with gas passing through the flow opening 24 or the membrane 26, through the recesses 42 between the closure element 32 and the base body 12 and through the ventilation openings 30 in the cover 28 flows along the flow path 36, compare Figures 5a and 5b.
  • the pressure in the interior 14 of the housing 18 is adjusted to the pressure of the environment 16 in this way.
  • the flow can be directed temporarily into the housing 18 and out of the housing 18 .
  • a step 104b an emergency venting process is performed.
  • a sudden increase in pressure in the interior 14 causes the membrane 26 to be deflected towards the closure element 32 and destroyed by the emergency degassing mandrel 44 .
  • the hot gas escaping from the interior 14 under high pressure lifts the closure element 32 off the base body 12, compare FIG. After the excess pressure in the interior 14 has been reduced, the closure element 32 is pressed against the base body 12 by the spring element 34 .
  • the pressure equalization device 50 and its base body 12 are thus tightly closed in a step 106, compare FIGS. 7a and 7b, so that the emergency operating state is set up.
  • the flow path 36 (compare Figures 5a and 5b) is now blocked.
  • the arrangement of the pressure compensation device 10 or 50 in the housing wall 20 of the housing 18 is shown schematically in FIG.
  • the housing wall 20 has a through-hole 58 for accommodating the pressure compensation device 10 or 50 .
  • Electrochemical energy storage cells 60 here lithium-ion cells, are arranged in the housing 18.
  • the overall arrangement of FIG. 9 can therefore also be referred to as a battery 62.
  • FIG. 10 shows yet another embodiment of the pressure compensation device 10 according to the invention. This differs from the embodiment according to FIGS. 1 to 3b in the different design of the spacer 38.
  • the spacer 38 is provided here between the closure element 32 and the cover 28 and is designed as a sleeve-shaped body.
  • the spacer 38 is connected to the closure element 32 with its closure element end 384 close to the latter and with its end close to the cover 28 connected to the cover 28 .
  • the compressive force exerted by the spring element 34 on the closure element 32 is thus diverted into the cover 28 via the spacer 38, which is subjected to tensile stress.
  • the spacer 38 has, in particular, a plastic material or consists of it, while the Closure element 32 consists in particular of a metal material.
  • the spacer 38 can also consist of a metal material.
  • the spacer 38 can be connected to the closure element 32 in a material or form-fitting manner. In particular, gluing, welding with plasma treatment, injection molding and screws and/or rivets come into consideration here.
  • the spacer 38 On its side facing the cover 28 , the spacer 38 is connected to the cover 28 via snap hooks 382 which engage in corresponding snap openings in the cover 28 . In other embodiments that are not shown in the figures, however, the spacer can also be connected to the cover 28 via other connections that appear suitable to a person skilled in the art.
  • a flow path 36 is released in the normal operating state 38, which is shown in FIG.
  • This embodiment has the advantage that the spacer 38 is outside of the closure element 32 and thus outside of the flow path 36, so that individual components of the spacer 38, which are caused by the irreversible destruction of the same, do not get into an interior space that is freely accessible after the emergency degassing event due to the destruction of the membrane 26 of a housing, in particular a battery housing, to which the pressure compensation device is mounted.
  • FIGS. 12, 13 a-c show a further embodiment of the pressure compensation device 10 according to the invention, which has structural similarities with the embodiment of FIGS. 10, 11 a,b, which is why only the differences are explained.
  • the spacer 38 has a sleeve shape and is connected to the closure element 32 at its closure element end 384 and held at the other end by the axial stop 383 designed as a pin on the cover 28, the spacer 38 being subjected to tensile stress in the normal operating state.
  • the axial stop can also be designed in another way that appears suitable to a person skilled in the art.
  • the connection of the spacer 38 to the closure element 32 at its closure element end 384 can be thermally decomposed above a predetermined limit temperature, in particular above 200° C., so that it is destroyed in the event of an emergency degassing event.
  • the connection can in particular be an adhesive connection or other material connection, such as the spacer 38 being injection molded onto the closure element 28 .
  • Pressure compensation device 10 50 base body 12 interior 14 environment 16 housing 18 housing wall 20 seal 22 flow opening 24 membrane 26 cover 28

Abstract

Die Erfindung betrifft eine Druckausgleichseinrichtung (10) für ein Gehäuse, insbesondere für ein Batteriegehäuse, mit einem durchströmbaren Grundkörper (12) und einem Verschlusselement (32), wobei in einem Normalbetriebszustand ein Strömungspfad (36) zwischen dem Grundkörper (12) und dem Verschlusselement (32) eröffnet ist und eine im Strömungspfad (36) liegende Strömungsöffnung (24) in dem Grundkörper (12) von einer Membran (26) überspannt ist, und wobei die Druckausgleichseinrichtung (10) dazu eingerichtet ist, nach einem Notentlüftungsvorgang in einen Notbetriebszustand überzugehen, in welchem das Verschlusselement (32) den Grundkörper (12) verschließt. Die Erfindung betrifft ferner ein Gehäuse mit einer solchen Druckausgleichseinrichtung (10). Zudem betrifft die Erfindung ein Verfahren zum Druckausgleich zwischen einem Innenraum eines solchen Gehäuses und einer Umgebung (16), mit den Schritten Durchführen eines Gasaustauschs zwischen dem Innenraum (14) des Gehäuses (18) und der Umgebung durch die Membran (26) und zwischen dem Verschlusselement (32) und dem Grundkörper (12) hindurch; Durchführen eines Notentlüftungsvorgangs; und Verschließen des Grundkörpers (12) durch das Verschlusselement (32).

Description

Beschreibung
Druckausgleichseinrichtung, Verfahren zum Druckausgleich und Gehäuse, insbesondere Batteriegehäuse
Technisches Gebiet
Die Erfindung betrifft eine Druckausgleichseinrichtung für ein Gehäuse, insbesondere für ein Batteriegehäuse, mit einem durchströmbaren Grundkörper und einem Verschlusselement. Die Erfindung betrifft ferner ein Verfahren zum Druckausgleich zwischen einem Innenraum eines Gehäuses, insbesondere eines Batteriegehäuses, und einer Umgebung sowie das Gehäuse selbst.
Stand der Technik Gehäuse, wie beispielsweise Batteriegehäuse, werden häufig mit einer Druckausgleichseinrichtung versehen, um einen Druckausgleich zwischen einem Innenraum des Gehäuses und einer Umgebung zu ermöglichen. Wenn das Gehäuse hermetisch verschlossen wäre, könnten sich im Betrieb des Gehäuses bzw. einer in dem Gehäuse angeordneten Einrichtung, etwa einer elektrochemischen Energiespeichereinrichtung, Druckunterschiede zwischen dem Innenraum und der Umgebung aufbauen. Indem durch die Druckausgleichseinrichtung einen Druckausgleich ermöglicht, wird vermieden, dass das Gehäuse im Betrieb mechanisch versagt, etwa indem das Gehäuse nach innen oder außen ausbeult oder schlussendlich birst. Bei Batterien bzw. Akkumulatoren, insbesondere bei Hochvoltspeichern wie sie als Traktionsbatterien von Elektrofahrzeugen eingesetzt werden, kann es zu einem Versagen von Batteriezellen kommen, welches zu einem starken Druck- und Temperaturanstieg im Innenraum des Gehäuses führt. Um ein Platzen des Gehäuses zu vermeiden, muss das heiße und unter hohem Druck stehende Gas schnell aus dem Innenraum des Gehäuses an die Umgebung abgeführt werden.
Aus DE 10 2017 003 360 B3 ist eine Druckausgleichsvorrichtung für ein Gehäuse bekannt, welche einen gitterförmigen Käfig mit einer Gasdurchtrittsöffnung umfasst, die von einer gaspermeablen Membran überbedeckt ist. Fluidisch parallel zu der Gasdurchtrittsöffnung ist ein Überdruckventil in Form eines Schirms als Berstschutz vorgesehen. In WO 2020/141044 A1 ist eine Entgasungseinheit für ein Elektronikgehäuse beschrieben, die einen fluiddicht mit einem Rand einer Druckausgleichsöffnung des Elektronikgehäuses verbindbaren Grundkörper aufweist, der zumindest eine Gasdurchtrittsöffnung aufweist, die in einem Normalbetriebszustand der Entgasungseinheit von einer Membran abgedeckt ist. Die Membran ist auf einem relativ zum Grundkörper verlagerbaren Membranträger fluiddicht befestigt, welcher in dem Normalbetriebszustand durch eine Axialkraft dichtend an einen Rand der Gasdurchtrittsöffnung des Grundkörpers angepresst ist, sodass der Membranträger bei Überschreiten einer vorbestimmten Druckdifferenz zwischen einem Innenraum und einer Umgebung unter Freigabe einer die Membran umgehenden Notentgasungsöffnung von dem Grundkörper abhebbar ist.
Die beiden vorgenannten Druckausgleichsvorrichtungen bzw. Eingangseinheiten gehen nach einem Notentgasungsvorgang wieder in den Normalbetriebszustand über, indem das Überdruckventil schließt bzw. der Membranträger gegen den Rand gepresst wird. Ein Gasaustausch zwischen der Umgebung und dem Innenraum ist daher durch die Gasdurchtrittsöffnung weiterhin möglich. Wenn der Notentgasungsvorgang aufgrund eines Batteriezelldefektes erfolgte, kann daher Sauerstoff aus der Umgebung in den Innenraum des Gehäuses gelangen. Dies kann das Entstehen bzw. die Ausbreitung eines Brandes einer defekten Batterie begünstigen.
Aus US 10,128,476 B2 ist ein gedichtetes Batteriegehäuse mit einem Ventil bekannt. Das Ventil befindet sich in einem geschlossenen Zustand, wenn ein Innendruck in dem Batteriegehäuse kleiner ist als ein erster Druck, in einem geöffneten Zustand, wenn der Innendruck wenigstens so groß ist wie der erste Druck und kleiner als ein zweiter Druck, und in einem geschlossenen Zustand, wenn der Innendruck wenigstens so groß ist wie der zweite Druck. Für den Fall dass der Innendruck einen dritten Druck übersteigt sind zusätzliche Strom-Unterbrechungsventile an der Anode und der Kathode vorgesehen. Es ist eine Aufgabe der Erfindung, die Betriebssicherheit von Batterien in belüfteten Gehäusen zu verbessern. Offenbarung der Erfindung
Die Aufgabe wird durch eine Druckausgleichseinrichtung mit den in Anspruch 1 angegebenen Merkmalen und ein Verfahren gemäß Anspruch 15 gelöst. Bevorzugte Ausführungsformen und Varianten sind in den jeweiligen Unteransprüchen und der Beschreibung angegeben.
Erfindungsgemäße Druckausgleichseinrichtung
Erfindungsgemäß ist eine Druckausgleichseinrichtung für ein Gehäuse, insbesondere für ein Batteriegehäuse, vorgesehen. Die Druckausgleichseinrichtung ist typischerweise dazu ausgebildet, in eine Gehäusewand des Gehäuses eingesetzt zu werden. Die Druckausgleichseinrichtung weist einen durchströmbaren Grundkörper und ein Verschlusselement auf. Der Grundkörper kann einstückig oder mehrteilig sein. Vorzugsweise ist der Grundkörper mit einem Gewinde oder einem Bajonett zum Einschrauben in die Gehäusewand ausgebildet.
Erfindungsgemäß ist in einem Normalbetriebszustand ein Strömungspfad zwischen dem Grundkörper und dem Verschlusselement eröffnet. Mit anderen Worten verschließt das Verschlusselement den für sich durchströmbaren Grundkörper im
Normalbetriebszustand nicht dichtend. Typischerweise ist eine im Strömungspfad liegende Strömungsöffnung in dem Grundkörper von einer Membran überspannt. Die Membran ist vorzugsweise selektiv permeabel. Grundsätzlich ist die Membran für Gase durchlässig. Für Flüssigkeiten und Feststoffe ist die Membran vorzugsweise undurchlässig. Durch die Membran kann im Normalbetriebszustand ein Eintrag von Wasser in das Gehäuse verhindert werden. Entlang des Strömungspfads kann im Normalbetriebszustand eine (Gas-)Strömung durch den Grundkörper hindurch erfolgen.
Weiter erfindungsgemäß ist die Druckausgleichseinrichtung dazu eingerichtet, nach einem Notentlüftungsvorgang in einen Notbetriebszustand überzugehen, in welchem das Verschlusselement den Grundkörper gasdicht verschließt. Mit anderen Worten verhindert in dem Notbetriebszustand das Verschlusselement eine Durchströmung des Grundkörpers und mithin der Druckausgleichseinrichtung. Indem das Verschlusselement den Grundkörper undurchströmbar bzw. dicht verschließt, wird nach Abschluss des Notentlüftungsvorgangs insbesondere ein Eintritt von Sauerstoff - sei es in Form von molekularen Sauerstoff aus der Umgebungsluft oder in Form von gasförmigem oder flüssigem Wasser - durch die Druckausgleichseinrichtung hindurch verhindert. Ein entstehender oder bereits entstandener Brand in dem Gehäuse wird dadurch von der Zufuhr vom für die Verbrennung erforderlichen Oxidationsmittel abgeschnitten. Das Entstehen des Brandes kann dadurch durch vermieden bzw. der entstandene Brand zum Erliegen gebracht werden.
Die erfindungsgemäße Druckausgleichseinrichtung weist mit anderen Worten eine mit der Strömungsöffnung in Reihe geschaltete Ventilanordnung auf, welche mit dem Verschlusselement gebildet ist. Im Normalbetriebszustand ist die Ventilanordnung geöffnet, d. h. durchströmbar. Auch während eines Notentlüftungsvorgangs ist die Ventilanordnung geöffnet. In dem Notbetriebszustand, der nach Abschluss des Notentlüftungsvorgangs durch die erfindungsgemäße Druckausgleichseinrichtung selbsttätig eingerichtet wird, ist die Ventilanordnung nicht durchströmbar. In dem Notbetriebszustand ist der Grundkörper von dem Verschlusselement dicht verschlossen.
Der Notentlüftungsvorgang kann durch einen großen Volumenstrom, einen hohen Druck und/oder eine hohe Temperatur des ausströmenden Gases gekennzeichnet sein. Bei dem Notentlüftungsvorgang kann die Membran zerstört werden. Da nach Abschluss des Notentlüftungsvorgangs das Verschlusselement den Grundkörper dicht verschließt, besteht dennoch nicht die Gefahr, dass Gase, Flüssigkeiten oder Feststoffe in das Gehäuse gelangen können.
Die erfindungsgemäße Druckausgleichseinrichtung ermöglicht die Durchführung eines unten beschriebenen, erfindungsgemäßen Verfahrens zum Druckausgleich.
Vorzugsweise ist das Verschlusselement gegen den Grundkörper vorgespannt. Dadurch kann das Abdichten des Grundkörpers im Notbetriebszustand durch das Verschlusselement besonders zuverlässig gewährleistet werden. Um das Verschlusselement gegen den Grundkörper vorzuspannen kann ein Federelement vorgesehen sein. Das Federelement kann eine, vorzugsweise zylindrische, Schraubenfeder sein. Das Federelement kann sich an einem Deckel der Druckausgleichseinrichtung abstützen. Der Deckel ist typischerweise an dem Grundkörper gehalten. Der Deckel weist wenigstens eine Lüftungsöffnung auf. Ein solcher Deckel kann auch vorgesehen sein, wenn die Druckausgleichseinrichtung kein Federelement aufweist. Vorzugsweise liegt das Verschlusselement in dem Normalbetriebszustand an Vorsprüngen an, zwischen denen der Strömungspfad verläuft. Zwischen den Vorsprüngen ausgebildete Rücknehmungen ermöglichen mithin eine Gasströmung an dem Verschlusselement vorbei. Insbesondere liegen die Vorsprünge an dem Grundkörper vor und erstrecken sich mit zumindest einer Axialkomponente von einer dem Verschlusselement zugewandten Seite des Grundkörpers.
Bei einer bevorzugten Ausführungsform der Druckausgleichseinrichtung ist in dem Normalbetriebszustand das Verschlusselement von dem Grundkörper zumindest bereichsweise durch einen Abstandhalter beabstandet. Die vorgenannten Vorsprünge und Rücknehmungen können an dem Abstandhalter ausgebildet sein. Der Abstandhalter kann derart ausgebildet oder an dem Grundkörper angeordnet sein, dass er bei einem Notentlüftungsvorgang seine Wirkung verliert, so dass das Verschlusselement in dem Notbetriebszustand zur dichtenden Anlage an dem Grundkörper kommen kann.
In einer ebenfalls bevorzugten Ausführungsform ist der Abstandhalter einenends an dem Deckel und anderenends an dem Verschlusselement gehalten. Es kommen hier insbesondere Kleben, Aufschweißen unter Plasmabehandlung, Anspritzen sowie Schrauben und/oder Nieten in Frage.
Bei einer vorteilhaften Ausführungsform ist der Abstandhalter am Deckel derart gehalten, dass im Normalbetrieb eine zuverlässige Verbindung und damit eine gute Durchströmbarkeit gewährleistet ist, wobei das Verschlusselement in einer von der Membran weg weisenden Richtung axial verlagerbar ist, was zu einer Vergrößerung des Strömungsspalts führt. Der Abstandhalter ist auf eine Weise mit dem Verschlusselement verbunden, dass er in einem Normalbetriebszustand mit Temperaturen von unter 100°C fest fixiert ist, jedoch bei Temperaturen die in einem Notöffnungsfall auftreten, zum Beispiel größer 200°C, seine Haftung verliert. Möglich ist dies durch eine geeignete Wahl des Kunststoffes und / oder eines Klebstoffes der bei entsprechend hohen Temperaturen seine Funktion verliert.
Ferner kann der Abstandhalter beim Überführen der Druckausgleichseinrichtung in den Notbetriebszustand zusammen mit dem Verschlusselement axial verlagerbar sein. Alternativ kann der Abstandhalter eine sich zwischen seinem dem Verschlusselement nahen Verschlusselementende und seinem dem Deckel nahen Ende eine Kraftleitungsstruktur aufweisen, die zumindest eine Sollbruchstelle aufweist, die dazu ausgebildet ist, bei einer vorbestimmten Druckbelastung zu versagen. Insbesondere weist die Kraftleitungsstruktur zumindest eine radiale Auskragung auf, die als ein Axialanschlag ausgebildet ist, der im Notbetriebszustand an einer Innenfläche des Deckels zur Anlage kommen kann.
Die Sollbruchstellen lassen sich mit gängigen Methoden der Festigkeitssimulation zuverlässig auf eine vorbestimmte Versagensdruckkraft auslegen.
Diese Ausführungsform hat den Vorteil, dass der Abstandhalter außerhalb (bezogen auf die vorbestimmte Montagerichtung) des Verschlusselements vorliegt, sodass Einzelbestandteile des Abstandhalters, die durch das irreversible Zerstören desselben entstehen, nicht in einen nach dem Notentgasungsereignis aufgrund Zerstörung der Membran frei zugänglichen Innenraum des Gehäuses, insbesondere Batteriegehäuses, an den die Druckausgleichseinrichtung montiert ist, gelangen können.
In einer noch weiteren Ausführungsform kann der Abstandhalter eine Hülsenform haben und bevorzugt über seinen Umfang verteilt eine Mehrzahl Sollbruchstellen aufweisen.
Besonders bevorzugt weist der Abstandhalter ein Material auf, das bei einer Temperatur von höchstens 250°C, vorzugsweise höchstens 200°C, besonders bevorzugt höchstens 150°C, seine Formbeständigkeit verliert. Vorzugsweise besteht der Abstandhalter aus einem solchen Material. Die vorgenannten Temperaturen können insbesondere eine Erweichungstemperatur oder eine Schmelztemperatur kennzeichnen. Dadurch kann auf einfache Weise erreicht werden, dass bei einem Notentlüftungsvorgang, bei welchem heiße Gase aus dem Innenraum des Gehäuses ausströmen, der Abstandhalter seine Festigkeit zumindest insoweit verliert bzw. so stark deformiert wird, dass er nicht mehr in der Lage ist das Verschlusselement von dem Grundkörperzu beabstanden.
Bei einer weiteren vorteilhaften Ausführungsform der Druckausgleichseinrichtung ist das Verschlusselement mit einem bistabilen Federkörper ausgebildet. Im Normalbetriebszustand befindet sich das Verschlusselement in einer Normalbetriebskonfiguration. In der Normalbetriebskonfiguration ist das Verschlusselement so geformt und ausgerichtet, dass es nicht in der Lage ist, den Grundkörper dicht zu verschließen. Vielmehr bleibt in der Normalbetriebskonfiguration der Strömungspfad eröffnet. Das bistabile Verschlusselement ist dazu ausgebildet, bei einem Notentlüftungsvorgang unter der Druck- und/oder Temperatureinwirkung des aus dem Innenraum des Gehäuses ausströmenden Gases in eine Notbetriebskonfiguration überzugehen. In der Notbetriebskonfiguration ist das Verschlusselement so geformt und ausgerichtet, dass es - nach Abschluss des Notentlüftungsvorgangs - in der Lage ist, den Grundkörper dicht zu verschließen.
Besonders bevorzugt ist das Verschlusselement in der Normalbetriebskonfiguration zu der Strömungsöffnung hin gewölbt. In der Notbetriebskonfiguration kann das Verschlusselement von der Strömungsöffnung weg gewölbt sein. Das Verschlusselement kann hierzu tellerförmig ausgebildet sein. Der Übergang zwischen der Normalbetriebskonfiguration und der Notbetriebskonfiguration kann bei dieser Weiterbildung auf einfache Weise durch Umstülpen des Verschlusselements unter der Druckwirkung des ausströmenden Gases erfolgen. Die Konfigurationsänderung kann durch ein Erweichen des Materials des Verschlusselements unter der Temperaturwirkung des ausströmenden Gases erleichtert werden.
In dem Notbetriebszustand kann das Verschlusselement der erfindungsgemäßen Druckausgleichseinrichtung durchgängig umlaufend an dem Grundkörper anliegen, um diesen dicht zu verschließen. Hierzu kann der Grundkörper ein Dichtelement aufweisen, das beispielsweise in einer Nut gehalten sein kann. Durch das Dichtelement kann der Grundkörper im Notbetriebszustand besonders zuverlässig abgedichtet werden. Das Dichtelement ist vorzugsweise im Strömungsschatten einer Haltestruktur, beispielsweise einer Nutwand, angeordnet. Eine Beschädigung des Dichtelements durch heißes Gas, welches die Druckausgleichseinrichtung bei einem Notentlüftungsvorgang durchströmt, kann dadurch vermieden werden.
Die Druckausgleichseinrichtung weist einen Notentgasungsdorn auf. Der Notentgasungsdorn ragt von dem Verschlusselement zu der Membran hin ab. Bei einem Notentlüftungsvorgang wird die Membran durch den starken und schnellen Druckanstieg im Innenraum des Gehäuses zu dem Notentgasungsdorn hin ausgelenkt, welcher sie zerstört. Durch das Zerstören der Membran wird der Strömungswiderstand der Druckausgleichseinrichtung verringert, sodass der Notentlüftungsvorgang besonders schnell ablaufen kann.
Erfindungsgemäßes Gehäuse
In den Rahmen der vorliegenden Erfindung fällt ferner ein Gehäuse, insbesondere ein Batteriegehäuse, mit einer erfindungsgemäßen Druckausgleichseinrichtung. Die Druckausgleichseinrichtung ist typischerweise an einer Gehäusewand des Gehäuses angeordnet. Der Grundkörper ist typischerweise an der Gehäusewand gehalten. Die Gehäusewand kann eine Durchgangsausnehmung aufweisen, in die der Grundkörper eingesetzt sein kann. Insbesondere kann vorgesehen sein, dass der Grundkörper die Gehäusewand durchragt. Vorzugsweise sind in dem Batteriegehäuse elektrochemische Energiespeicherzellen angeordnet. Insofern betrifft die Erfindung auch eine Batterie. Die Energiespeicherzellen können Lithium-Ionen-Zellen sein.
Erfindungsgemäßes Druckausgleichsverfahren Ferner fällt in den Rahmen der vorliegenden Erfindung ein Verfahren zum Druckausgleich zwischen einem Innenraum eines Gehäuses, insbesondere eines Batteriegehäuses, und einer Umgebung des Gehäuses. Das Gehäuse weist eine oben beschriebene, erfindungsgemäße Druckausgleichseinrichtung auf. Das Gehäuse ist mithin ein oben beschriebenes, erfindungsgemäßes Gehäuse.
In einem ersten Schritt des Verfahrens wird ein Gasaustausch zwischen dem Innenraum des Gehäuses und der Umgebung durchgeführt. Der Gasaustausch erfolgt durch die Membran und zwischen dem Verschlusselement und dem Grundkörper hindurch. Mit anderen Worten strömt das Gas zum Druckausgleich entlang des Strömungspfades, der im Normalbetriebszustand der Druckausgleichseinrichtung zwischen dem
Verschlusselement und dem Grundkörper eröffnet ist.
In einem zweiten Schritt wird ein Notentlüftungsvorgang durchgeführt. Bei dem Notentlüftungsvorgang kann insbesondere heißes Gas unter hohem Druck mit einem großen Volumenstrom aus dem Innenraum des Gehäuses in die Umgebung austreten. Bei dem Notentlüftungsvorgang wird die Membran durch den von dem Verschlusselement der Druckausgleichseinrichtung abragenden Notentgasungsdorn zerstört. Hierdurch kann das Austreten des Gases aus dem Innenraum erleichtert werden.
In einem dritten Schritt wird der Grundkörper durch das Verschlusselement verschlossen. Die Druckausgleichseinrichtung geht mit anderen Worten in den Notbetriebszustand über. Durch das dichte Verschließen des Grundkörpers kann verhindert werden, dass Gase und/oder Flüssigkeiten, insbesondere sauerstoffhaltige Gase bzw. Flüssigkeiten, in das Gehäuse einströmen. Wenn der Notentlüftungsvorgang durch einen Defekt von in dem Gehäuse angeordneten elektrochemischen Energiespeicherzellen ausgelöst wurde, kann durch das Abdichten des Gehäuses dem Entstehen eines Brandes entgegengewirkt werden bzw. ein bereits entstandener Brand zum Erlöschen gebracht werden.
Wenn das Verschlusselement gegen den Grundkörper vorgespannt ist, kann das Verschlusselement bei dem Notentlüftungsvorgang von dem Grundkörper abgehoben werden. Dies kann gegen die Wirkung eines das Verschlusselement vorspannenden Federelements geschehen. Indem das Verschlusselement von dem Grundkörper weiter abgehoben wird, kann ein besonders großer durchströmbar Querschnitt freigegeben werden, um den Notentlüftungsvorgang zu erleichtern. Wenn das Verschlusselement in dem Normalbetriebszustand durch einen Abstandhalter von dem Grundkörper beabstandet ist, kann der Abstandhalter bzw. die Verbindung des Abstandhalters mit dem Verschlusselement während des Notentlüftungsvorgangs zerstört werden. Dadurch verliert der Abstandhalter seine Wirkung, sodass das Verschlusselement nach Abschluss des Notentlüftungsvorgangs dichtend an dem Grundkörper zur Anlage kommen kann. Unter einer Zerstörung des Abstandhalters bzw. der Verbindung des Abstandhalters mit dem Verschlusselement wird insofern insbesondere verstanden, dass diese(r) seine Form und/oder Festigkeit zumindest soweit verliert, dass er nicht mehr in der Lage ist, das Verschlusselement auf Abstand von dem Grundkörper zu halten. Vorzugsweise wird der Abstandhalter bei dem Notentlüftungsvorgang aufgeschmolzen. Das auf geschmolzene Material des Abstandhalters kann mit dem ausströmen Gas aus der Druckausgleichseinrichtung ausgeblasen werden.
Wenn das Verschlusselement ein bistabiler Federkörper ist, kann das Verschlusselement während der Durchführung des Notentlüftungsvorgangs von einer
Normalbetriebskonfiguration in eine Notbetriebskonfiguration überführt werden. Hierzu kann das Verschlusselement unter der Wirkung des strömenden Gases umgestülpt werden. Das Umstülpen kann besonders zuverlässig erfolgen, wenn das
Verschlusselement in der Normalbetriebskonfiguration zu der Strömungsöffnung hin gewölbt ist und in der Notbetriebskonfiguration von der Strömungsöffnung weg gewölbt ist. Durch das Umstülpen wird dem aus der Strömungsöffnung austretenden Gas dann mehr Raum zur Verfügung gestellt. Durch das Umstülpen des Verschlusselements kann daher eine Druckspitze bei dem Notentlüftungsvorgang verringert werden. Gleichzeitig kann die bei dem Notentlüftungsvorgang auftretende Druckspitze die
Konfigurationsänderung des Verschlusselements bewirken. In der Normalbetriebskonfiguration ist das Verschlusselement so geformt und ausgerichtet, dass es nicht in der Lage ist, den Grundkörper dicht zu verschließen. Vielmehr bleibt in der Normalbetriebskonfiguration der Strömungspfad eröffnet. In der
Notbetriebskonfiguration ist das Verschlusselement so geformt und ausgerichtet, dass es - nach Abschluss des Notentlassungsvorgangs - den Grundkörper im Notbetriebszustand dicht verschließt. Kurze Beschreibung der Zeichnungen
Weitere Merkmale und Vorteile der Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden detaillierten Beschreibung von Ausführungsbeispielen der Erfindung, aus den Patentansprüchen sowie anhand der Figuren der Zeichnung, die erfindungsgemäße Einzelheiten zeigen. Die zuvor genannten und noch weiter ausgeführten Merkmale können je einzeln für sich oder zu mehreren in beliebigen, zweckmäßigen Kombinationen bei Varianten der Erfindung verwirklicht sein. Die in der Zeichnung gezeigten Merkmale sind derart dargestellt, dass die erfindungsgemäßen Besonderheiten deutlich sichtbar gemacht werden können.
In der Zeichnung zeigen: Fig. 1a eine erfindungsgmäße Druckausgleichseinrichtung mit einem durchströmbaren Grundkörper, gegen den ein Verschlusselement vorgespannt ist, wobei in einem Normalbetriebszustand ein Abstandhalter einen Strömungspfad zwischen dem Grundkörper und dem Verschlusselement offen hält, in einer schematischen Schnittansicht;
Fig. 1b die Druckausgleichseinrichtung von Figur 1a in einer vergrößerten, ausschnittsweisen Schnittansicht;
Fig. 2 die Druckausgleichseinrichtung von Figur 1a während eines Notentlüftungsvorgangs, bei dem ausströmendes Gas das Verschlusselement gegen die Wirkung eines Federelements weiter von dem Grundkörper abhebt und den Abstandhalter entfernt hat, in einer schematischen Schnittansicht;
Fig. 3a die Druckausgleichseinrichtung von Figur 1a nach Abschluss des Notentlüftungsvorgangs in einem Notbetriebszustand, wobei das
Verschlusselement von dem Federelement gegen den Grundkörper gedrückt wird, sodass es diesen dicht verschließt, in einer schematischen Schnittansicht;
Fig. 3b die Druckausgleichseinrichtung von Figur 3a in einer vergrößerten, ausschnittsweisen Schnittansicht;
Fig. 4 ein schematisches Ablaufdiagramm eines erfindungsgemäßen Verfahrens zum Druckausgleich und Verwendung der Druckausgleichseinrichtung von Figur 1a;
Fig. 5a eine weitere erfindungsgemäße Druckausgleichseinrichtung mit einem durchströmbaren Grundkörper gegen den ein bistabiles Verschlusselement vorgespannt ist, wobei in einer Normalbetriebskonfiguration des Verschlusselements ein Strömungspfad zwischen dem Grundkörper und dem Verschlusselement offen ist, in einer schematischen Schnittansicht;
Fig. 5b die Druckausgleichseinrichtung von Figur 5a in einer vergrößerten, ausschnittsweisen Schnittansicht; Fig. 6 die Druckausgleichseinrichtung von Figur 5a während eines Notentlüftungsvorgangs, bei dem ausströmendes Gas das Verschlusselement gegen die Wirkung eines Federelements von dem Grundkörper abhebt und das Verschlusselement in eine Notbetriebskonfiguration umgestülpt hat, in einer schematischen Schnittansicht;
Fig. 7a die Druckausgleichseinrichtung von Figur 5a nach Abschluss des Notentlüftungsvorgangs in einem Notbetriebszustand, wobei das in der Notbetriebskonfiguration befindliche Verschlusselement von dem Federelement gegen den Grundkörper gedrückt wird, sodass es diesen dicht verschließt, in einer schematischen Schnittansicht;
Fig. 7b die Druckausgleichseinrichtung von Figur 7a in einer vergrößerten, ausschnittsweisen Schnittansicht; Fig. 8 ein schematisches Ablaufdiagramm eines erfindungsgemäßen Verfahrens zum Druckausgleich unter Verwendung der Druckausgleichseinrichtung von Figur 5a;
Fig. 9 ein erfindungsgemäßes Gehäuse mit einer erfindungsgemäßen Druckausgleichseinrichtung, wobei in dem Gehäuse mehrere Batteriezellen angeordnet sind, in einer stark abstrahierten Schnittansicht;
Fig. 10 eine weitere erfindungsgemäße Druckausgleichseinrichtung mit einem durchströmbaren Grundkörper gegen den ein Verschlusselement vorgespannt ist, wobei in einer Normalbetriebskonfiguration des Verschlusselements ein Strömungspfad zwischen dem Grundkörper und dem Verschlusselement offen ist, in einer schematischen Schnittansicht;
Fig. 11a Detailansicht der Druckausgleichseinrichtung aus Fig. 10 im
Normalbetriebszustand;
Fig. 11b Detailansicht der Druckausgleichseinrichtung aus Fig. 10 im
Notentgasungszustand;
Fig. 12 eine noch weitere erfindungsgemäße Druckausgleichseinrichtung mit einem durchströmbaren Grundkörper gegen den ein Verschlusselement vorgespannt ist, wobei in einer Normalbetriebskonfiguration des Verschlusselements ein Strömungspfad zwischen dem Grundkörper und dem Verschlusselement offen ist, in einer schematischen Schnittansicht;
Fig. 13a Detailansicht der Druckausgleichseinrichtung aus Fig. 12 im
Normalbetriebszustand;
Fig. 13b Detailansicht der Druckausgleichseinrichtung aus Fig. 12 im
Notentgasungszustand;
Fig. 13c Detailansicht der Druckausgleichseinrichtung aus Fig. 12 nach einem Notentgasungsereignis. Ausführungsformen der Erfindung
Figur 1a zeigt eine Druckausgleichseinrichtung 10. In Figur 1b ist ein vergrößerter Ausschnitt der Druckausgleichseinrichtung 10 dargestellt. Die Druckausgleichseinrichtung 10 weist einen Grundkörper 12 auf. Der Grundkörper 12 ist hier einteilig ausgebildet. Die Druckausgleichseinrichtung 10 dient zum Druckausgleich zwischen einem Innenraum 14 und einer Umgebung 16 eines Gehäuses 18, vergleiche Figur 9. Der Grundkörper 10 ist hierzu in eine Gehäusewand 20 des Gehäuses 18 einsetzbar. Eine Dichtung 22 stellt sicher, dass der Gasaustausch beim Druckausgleich durch die Druckausgleichseinrichtung 10 und nicht an ihr vorbei erfolgt.
Der Grundkörper 12 weist eine Strömungsöffnung 24 auf. Die Strömungsöffnung 24 ist von einer selektiv permeablen Membran 26 überspannt. Die Membran 26 ist für Gase durchlässig. Flüssigkeiten und Feststoffe werden von der Membran 26 zurückgehalten. Die Strömungsöffnung 24 kann gitterartig in mehrere Teilöffnungen unterteilt sein. Die Membran 26 kann an Stegen zwischen den Teilöffnungen anliegen.
An dem Grundkörper 10 ist ein Deckel 28 gehalten. Der Deckel 28 weist wenigstens eine, hier mehrere, Lüftungsöffnungen 30 auf. Die Lüftungsöffnungen 30 können über einen Umfang des Deckels 28 verteilt sein.
Die Druckausgleichseinrichtung 10 weist ein Verschlusselement 32 auf. Das Verschlusselement 32 ist von einem Federelement 34, hiereiner Schraubenfeder, gegen den Grundkörper 12 vorgespannt. Das Federelement 34 kann sich hierzu an dem Deckel 28 abstützen.
In den Figuren 1a und 1b befindet sich die Druckausgleichseinrichtung 10 in einem Normalbetriebszustand. In dem Normalbetriebszustand ist zwischen dem Verschlusselement 32 und dem Grundkörper 12 ein Strömungspfad 36 eröffnet. Für einen Druckausgleich kann Luft entlang des Strömungspfades 36 durch die Strömungsöffnung 24 bzw. die Membran 26, zwischen dem Verschlusselement 32 und dem Grundkörper 12 hindurch und durch die Lüftungsöffnungen 30 im Deckel 28 strömen. Auf diese Weise ist ein Gasaustausch sowohl aus dem Gehäuse 18 heraus als auch aus der Umgebung 16 in das Gehäuse 18 hinein möglich.
Um das Verschlusselement 32 in dem Normalbetriebszustand von dem Grundkörper 12 beabstandet zu halten, ist ein Abstandhalter 38 vorgesehen. Der Abstandhalter 38 ist vorliegend an dem Grundkörper 12 angeordnet. Der Abstandhalter 38 weist mehrere Vorsprünge 40 auf. Im Normalbetriebszustand liegt das Verschlusselement 32 an den Vorstellungen 40 an. Zwischen den Vorsprüngen 40 sind Rücknehmungen 42 ausgebildet. Der Strömungspfad 36 verläuft durch die Rücknehmungen 42.
Figur 2 zeigt die Druckausgleichseinrichtung 10 während eines Notentlüftungsvorgangs. Bei dem Notentlüftungsvorgang strömt heißes Gas unter hohem Druck und mit einem großen Volumenstrom aus dem Gehäuse 18. Das Verschlusselement 32 wird dadurch gegen die Wirkung des Federelements 34 weiter von dem Grundkörper 12 abgehoben. Dadurch wird ein großer durchström barer Querschnitt freigegeben. Dies verringert den Durchströmungswiderstand der Druckausgleichsvorrichtung 10. Der Notentlüftungsvorgang kann daher schnell ablaufen.
Zu Beginn des Notentlüftungsvorgangs wurde die Membran 26 (vergleiche Figur 1a) durch den ansteigenden Druck im Innenraum 14 des Gehäuses 18 ausgelenkt und gegen einen Notentgasungsdorn 44 gedrückt. Dadurch wurde die Membran 26 zerstört. Dies verringert den Durchströmungswiderstand der Druckausgleichsvorrichtung 10 weiter. Der Notentgasungsdorn 44 ragt hier von dem Verschlusselement 32 zu der Membran 26 hin. Bei dem Notentlüftungsvorgang wird der Abstandhalter 38 (vergleiche Figuren 1 a und 1 b) zerstört. Hier besteht der Abstandhalter 38 aus einem Material, das einen Schmelzpunkt von weniger als 200°C aufweist, beispielsweise einem Kunststoff. Durch das heiße, aus dem Gehäuse 18 ausströmende Gas wird der Abstandhalter 38 bei dem Notentlüftungsvorgang aufgeschmolzen und von dem Grundkörper 12 entfernt.
Die Figuren 3a und 3b zeigen die Druckausgleichseinrichtung 10 nach Abschluss des Notentlüftungsvorgangs. Die Druckausgleichseinrichtung 10 befindet sich nun in einem Notbetriebszustand. Nach Abbau des Überdrucks in dem Innenraum 14 des Gehäuses 18 presst das Federelement 34 das Verschlusselement 32 gegen den Grundkörper 12. Das Verschlusselement 32 verschließt den Grundkörper 12 dicht. Hierzu kann das Verschlusselement 32 an einem Dichtelement 46 des Grundkörpers 12 durchgängig umlaufend anliegen. Ein Einströmen von Stoffen, insbesondere Flüssigkeiten oder Gasen, aus der Umgebung 16 in den Innenraum 14 des Gehäuses 18 durch die Druckausgleichseinrichtung 10 hindurch ist nun nicht mehr möglich. Auch ein Ausströmen von Gas aus dem Innenraum 14 in die Umgebung 16 ist nicht möglich, solange der Druck in dem Innenraum 14 nicht ausreicht, um das Verschlusselement 32 gegen die Wirkung des Federelements 34 von dem Grundkörper 12 abzuheben. Wenn der Druck in dem Innenraum 14 groß genug wird, ist auch in dem Notbetriebszustand ein Druckausgleich nach außen möglich, indem das Verschlusselement 32 vorübergehend von dem Dichtelement 46 abgehoben wird.
Figur 4 zeigt ein Ablaufdiagramm des Druckausgleichs zwischen dem Innenraum 14 des Gehäuses 18 und der Umgebung 16 unter Verwendung der zuvor beschriebenen Druckausgleichseinrichtung 10.
In einem Schritt 102 erfolgt in einem Normalbetriebszustand ein Gasaustausch zwischen dem Innenraum 14 und der Umgebung 16, wobei Gas durch die Strömungsöffnung 24 bzw. die Membran 26, durch die Rücknehmungen 42 zwischen dem Verschlusselement 32 und dem Grundkörper 12 hindurch und durch die Lüftungsöffnungen 30 in dem Deckel 28 entlang des Strömungspfades 36 strömt, vergleiche Figuren 1a und 1b. Auf diese Weise wird der Druck in dem Innenraum 14 des Gehäuses 18 an den Druck der Umgebung 16 angeglichen. Die Strömung kann dabei zeitweilig jeweils in das Gehäuse 18 hinein und aus dem Gehäuse 18 heraus gerichtet sein.
In einem Schritt 104a wird ein Notentlüftungsvorgang durchgeführt. Durch einen plötzlichen Druckanstieg in dem Innenraum 14 wird die Membran 26 zu dem Verschlusselement 32 hin ausgelenkt und durch den Notentgasungsdorn 44 zerstört. Durch das unter hohem Druck aus dem Innenraum 14 ausströmende heiße Gas wird das Verschlusselement 32 von dem Grundkörper 12 abgehoben, vergleiche Figur 2. Ferner zerstört das ausströmende heiße Gas den Abstandhalter 38, indem es ihn aufschmilzt. Nach Abbau des Überdrucks in dem Innenraum 14 wird das Verschlusselement 32 von dem Federelement 34 gegen den Grundkörper 12 gedrückt. Die
Druckausgleichseinrichtung 10 bzw. ihr Grundkörper 12 werden dadurch in einem Schritt 106 dicht verschlossen, vergleiche Figuren 3a und 3b, sodass der Notbetriebszustand eingerichtet ist. Der Strömungspfad 36 (vergleiche Figuren 1a und 1b) ist nun blockiert.
Die Figuren 5a und 5b zeigen eine weitere Druckausgleichseinrichtung 50 im Normalbetriebszustand. Die Druckausgleichseinrichtung 50 ist ähnlich aufgebaut wie die oben beschriebene Druckausgleichseinrichtung 10 und dient demselben Zweck. Insbesondere kann die Druckausgleichseinrichtung 50 anstelle der
Druckausgleichseinrichtung 10 an dem Gehäuse 18 von Figur 9 angeordnet sein. Nachfolgend werden vorrangig die Unterschiede der Druckausgleichseinrichtungen 50 gegenüber der Druckausgleichseinrichtung 10 beschrieben; im Übrigen sei auf die vorangegangene Beschreibung verwiesen.
Bei der Druckausgleichseinrichtung 50 ist das Verschlusselement 32 als ein bistabiler Federkörper ausgeführt. Für den Normalbetriebszustand befindet sich das Verschlusselement 32 in einer Normalbetriebskonfiguration. Das Verschlusselement 32 kann tellerförmig sein. Vorliegend ist das Verschlusselement 32 in der Normalbetriebskonfiguration zu der Strömungsöffnung 24 mit der Membran 26 hin gewölbt.
Der Grundkörper 12 der Druckausgleichseinrichtung 50 ist mehrteilig ausgebildet. Vorliegend weist der Grundkörper 12 ein Innenteil 52, ein Außenteil 54 und ein Halteteil 56 auf. Es versteht sich, dass bei der Druckausgleichseinrichtung 50 auch ein einteiliger
Grundkörper 12 vorgesehen sein könnte; ebenso könnte bei der
Druckausgleichseinrichtung 10 ein mehrteiliger Grundkörper 12 vorgesehen sein.
Vorsprünge 40, an welchen das Verschlusselement 32 im Normalbetriebszustand anliegt, sind bei der Druckausgleichseinrichtung 50 an dem Grundkörper 12, hier an dessen Innenteil 52, ausgebildet. Der Strömungspfad 36, entlang welchem die Druckausgleichseinrichtung 50 im Normalbetriebszustand durchströmbar ist, verläuft durch Rücknehmungen 42 zwischen den Vorsprüngen 40. Figur 6 zeigt die Druckausgleichseinrichtung 50 während eines Notentlüftungsvorgangs. Durch das unter hohem Druck und mit einem großen Volumenstrom aus dem Innenraum 14 des Gehäuses 18 ausströmende heiße Gas ist das Verschlusselement 32 gegen die Wirkung des Federelements 34 von dem Grundkörper 12 weg verlagert. Zudem hat der Gasdruck das Verschlusselement 32 in eine Notbetriebskonfiguration überführt. In der Notbetriebskonfiguration ist das Verschlusselement 32 von der Strömungsöffnung 24 weg gewölbt. Mit anderen Worten ist das Verschlusselement 32 im dargestellten Ausführungsbeispiel durch Umstülpen von der Normalbetriebskonfiguration in die Notbetriebskonfiguration überführbar. Das Verschlusselement 32 kann als eine Schnappscheibe bezeichnet werden.
Die Figuren 7a und 7b zeigen die Druckausgleichseinrichtung 50 im Notbetriebszustand nach Abschluss des Notentlüftungsvorgangs. Da das Verschlusselement 32 in der Notbetriebskonfiguration von der Strömungsöffnung 24 weg gewölbt ist, treten die Vorsprünge 40 nicht mehr in Kontakt mit dem Verschlusselement 32. Vielmehr wird ein radial äußerer Rand des Verschlusselements 32 durchgängig umlaufend von dem Federelement 34 gegen den Grundkörper 12 gepresst. Der Grundkörper 12 kann zur dichtenden Anlage des Verschlusselements 32 ein Dichtelement 46 aufweisen. In dem Notbetriebszustand verschließt das Verschlusselement 32 den Grundkörper 12 und mithin die Druckausgleichseinrichtung 50.
Figur 8 zeigt ein Ablaufdiagramm des Druckausgleichs zwischen dem Innenraum 14 und der Umgebung 16 unter Verwendung der Druckausgleichseinrichtung 50.
In einem Schritt 102 erfolgt in einem Normalbetriebszustand ein Gasaustausch zwischen dem Innenraum 14 und der Umgebung 16, wobei Gas durch die Strömungsöffnung 24 bzw. die Membran 26, durch die Rücknehmungen 42 zwischen dem Verschlusselement 32 und dem Grundkörper 12 hindurch und durch die Lüftungsöffnungen 30 in dem Deckel 28 entlang des Strömungspfades 36 strömt, vergleiche Figuren 5a und 5b. Auf diese
Weise wird der Druck in dem Innenraum 14 des Gehäuses 18 an den Druck der Umgebung 16 angeglichen. Die Strömung kann dabei zeitweilig jeweils in das Gehäuse 18 hinein und aus dem Gehäuse 18 heraus gerichtet sein. In einem Schritt 104b wird ein Notentlüftungsvorgang durchgeführt. Durch einen plötzlichen Druckanstieg in dem Innenraum 14 wird die Membran 26 zu dem Verschlusselement 32 hin ausgelenkt und durch den Notentgasungsdorn 44 zerstört. Durch das unter hohem Druck aus dem Innenraum 14 ausströmende heiße Gas wird das Verschlusselement 32 von dem Grundkörper 12 abgehoben, vergleiche Figur 6. Ferner überführt das ausströmende heiße Gas das Verschlusselement 32 in die Notbetriebskonfiguration, indem es das Verschlusselement 32 umstülpt. Nach Abbau des Überdrucks in dem Innenraum 14 wird das Verschlusselement 32 von dem Federelement 34 gegen den Grundkörper 12 gedrückt. Die Druckausgleichseinrichtung 50 bzw. ihr Grundkörper 12 werden dadurch in einem Schritt 106 dicht verschlossen, vergleiche Figuren 7a und 7b, sodass der Notbetriebszustand eingerichtet ist. Der Strömungspfad 36 (vergleiche Figuren 5a und 5b) ist nun blockiert.
In Figur 9 ist die Anordnung der Druckausgleichseinrichtung 10 bzw. 50 in der Gehäusewand 20 des Gehäuses 18 schematisch dargestellt. Die Gehäusewand 20 weist zur Aufnahme der Druckausgleichseinrichtung 10 bzw. 50 eine Durchgangsausnehmung 58 auf. In dem Gehäuse 18 sind elektrochemische Energiespeicherzellen 60, hier Lithium-Ionen-Zellen, angeordnet. Die Gesamtanordnung von Figur 9 kann daher auch als eine Batterie 62 bezeichnet werden.
In Figur 10 ist eine noch weitere Ausführungsform der erfindungsgemäßen Druckausgleichseinrichtung 10 gezeigt. Diese unterscheidet sich von der Ausführungsform gemäß den Fig. 1 bis Fig. 3b durch die unterschiedliche Ausbildung des Abstandhalters 38. Der Abstandhalter 38 ist hier zwischen dem Verschlusselement 32 und dem Deckel 28 vorgesehen und ist als hülsenförmiger Körper ausgebildet. Der Abstandhalter 38 ist mit seinem dem Verschlusselement 32 nahen Verschlusselementende 384 mit diesem verbunden und mit seinem dem Deckel 28 nahen Ende mit dem Deckel 28 verbunden. Die von dem Federelement 34 auf das Verschlusselement 32 ausgeübte Druckkraft wird also über den Abstandhalter 38, welcher auf Zug belastet ist, in den Deckel 28 abgeleitet. Der Abstandhalter 38 weist insbesondere ein Kunststoff material auf oder besteht daraus, während das Verschlusselement 32 insbesondere aus einem Metallwerkstoff besteht. Der Abstandhalter 38 kann jedoch auch aus einem Metallwerkstoff bestehen. Der Abstandhalter 38 kann mit dem Verschlusselement 32 etwa Stoff- oder formschlüssig verbunden sein. Es kommen hier insbesondere Kleben, Aufschweißen unter Plasmabehandlung, Anspritzen sowie Schrauben und/oder Nieten in Frage.
Auf seiner dem Deckel 28 zugewandten Seite ist der Abstandhalter 38 über Schnapphaken 382, welche in korrespondierende Schnappöffnungen des Deckels 28 eingreifen, mit dem Deckel 28 verbunden. In anderen nicht figurativ gezeigten Ausführungen kann der Abstandhalter jedoch auch über andere dem Fachmann geeignet erscheinende Verbindungen mit dem Deckel 28 verbunden sein.
Wie bereits im Rahmen der ersten zwei Ausführungsformen erläutert ist im Normalbetriebszustand 38, welcher in der Figur 10 dargestellt ist, ein Strömungspfad 36 freigegeben, der einen Luftaustausch durch die Membrane 26 ermöglicht.
Tritt nun ein Notentgasungsereignis auf, wird das Verschlusselement 32 schlagartig entgegen der Federkraft verlagert, sodass der maximal mögliche Durchlassquerschnitt zur Verfügung gestellt werden kann. Aufgrund der hierbei auftretenden axialen Druckkräfte, welche auf den Abstandhalter 38 einwirken, wird dieser mit axial verlagert und kommt zunächst an seinen radial ausragenden Axialanschlägen zur Anlage an der Innenfläche des Deckels 28. In der Folge wird der Abstandhalter 38 an seinen entsprechend dimensionierten Sollbruchstellen 381 , welche über den Umfang verteilt vorliegen, strukturell zerstört und zerfällt in zwei Teile, einen unteren dem Verschlusselement 32 zugewandten Teil, und einen oberen, dem Deckel 28 zugewandten Teil. Dieser Vorgang ist in den Figuren 11a und 11b dargestellt.
Nachdem das Notentgasungsereignis vorüber ist, lässt der Druck auf das Verschlusselement 32 wieder nach und das Verschlusselement 32 wird, getrieben durch die Federkraft des Federelements 34, axial zurück verlagert, wobei es mit seinem umlaufenden Rand auf dem Dichtelement 46 zur Anlage kommt und einen weiteren Gasdurchtritt durch die Strömungsöffnung 24 unterbindet. Diese Ausführungsform hat den Vorteil, dass der Abstandhalter 38 außerhalb des Verschlusselements 32 und somit außerhalb des Strömungspfades 36 vorliegt, sodass Einzelbestandteile des Abstandhalters 38, die durch das irreversible Zerstören desselben entstehen, nicht in einen nach dem Notentgasungsereignis aufgrund Zerstörung der Membran 26 frei zugänglichen Innenraum eines Gehäuses, insbesondere Batteriegehäuses, an den die Druckausgleichseinrichtung montiert ist, gelangen können.
Ferner besteht der Vorteil, dass von außen optisch erkennbar ist, ob eine Notöffnung stattgefunden hat, da hiernach die Schnapphaken 382 des Abstandhalters 38 aufgrund der irreversiblen Zerstörung nicht mehr in ihrer ursprünglichen Form vorhanden sind.
In den Figuren 12, 13 a-c ist eine weitere Ausführungsform der erfindungsgemäßen Druckausgleichseinrichtung 10 gezeigt, die strukturelle Gemeinsamkeiten mit der Ausführungsform der Figuren 10, 11 a,b hat, weshalb nur die Unterschiede erläutert werden.
Der Abstandhalter 38 hat eine Hülseform und ist an seinem Verschlusselementende 384 mit dem Verschlusselement 32 verbunden und anderenends durch den als Stift ausgebildeten Axialanschlag 383 am Deckel 28 gehalten, wobei der Abstandhalter 38 im Normalbetriebszustand auf Zug belastet ist. Der Axialanschlag kann auch in einer anderen dem Fachmann geeignet erscheinenden Weise ausgebildet werden. Die Verbindung des Abstandhalters 38 mit dem Verschlusselement 32 an seinem Verschlusselementende 384 ist thermisch oberhalb einer vorbestimmten Grenztemperatur zersetzbar, insbesondere oberhalb 200°C, sodass diese im Falle eines Notentgasungsereignisses zerstört wird. Bei der Verbindung kann es sich insbesondere um eine Klebeverbindung oder andere stoffschlüssige Verbindung, etwa eine Anspritzung des Abstandhalters 38 an das Verschlusselement 28, handeln.
Tritt ein Notentgasungsereignis auf und die Druckausgleichseinrichtung 10 wird in den Notentgasungszustand überführt, verlagert sich das Verschlusselement 32 axial und mit diesem der Abstandhalter 38, wobei auch der Axialanschlag 383 vom Deckel 28 abgehoben wird. Dies ist in den Figuren 13a und 13b gezeigt. Aufgrund der beim Notentgasungsvorgang herrschenden Temperaturen wird die Verbindung des Abstandhalters 38 mit dem Verschlusselement 32 an seinem Verschlusselementende 384 zerstört, sodass das Verschlusselement 32 nach Abschluss des Notentgasungsvorgangs getrieben durch die Federkraft der Feder 34 axial zurück verlagert wird und auf der umlaufenden Dichtung 46 des Grundkörpers 12 zur Anlage kommt.
Bezuqszeichenliste
Druckausgleichseinrichtung 10, 50 Grundkörper 12 Innenraum 14 Umgebung 16 Gehäuse 18 Gehäusewand 20 Dichtung 22 Strömungsöffnung 24 Membran 26 Deckel 28
Lüftungsöffnungen 30 Verschlusselement 32 Federelement 34 Strömungspfad 36 Abstandhalter 38
381 Sollbruchstelle des Abstandhalters
382 Schnapphaken des Abstandhalters 383 Axialanschlag des Abstandhalters
384 Verschlusselementende des Abstandhalters Vorsprünge 40 Rücknehmungen 42 Notentgasungsdorn 44 Dichtelement 46 Innenteil 52 Außenteil 54 Halteteil 56
Durchgangsausnehmung 58 Energiespeicherzellen 60 Batterie 62

Claims

Ansprüche
1. Druckausgleichseinrichtung (10; 50) für ein Gehäuse (18), insbesondere für ein Batteriegehäuse, mit einem durchströmbaren Grundkörper (12) und einem Verschlusselement (32), wobei in einem Normalbetriebszustand ein Strömungspfad (36) zwischen dem Grundkörper (12) und dem Verschlusselement (32) eröffnet ist und eine im Strömungspfad (36) liegende Strömungsöffnung (24) in dem Grundkörper (12) von einer Membran (26) überspannt ist, und wobei die Druckausgleichseinrichtung (10; 50) dazu eingerichtet ist, nach einem Notentlüftungsvorgang in einen Notbetriebszustand überzugehen, in welchem das Verschlusselement (32) den Grundkörper (12) gasdicht verschließt, wobei von dem Verschlusselement (32) ein Notentgasungsdorn (44) in einer zur Membran (26) hin weisenden Richtung abragt.
2. Druckausgleichseinrichtung (10; 50) nach Anspruch 1 , dadurch gekennzeichnet, dass das Verschlusselement (32) gegen den Grundkörper (12) vorgespannt ist.
3. Druckausgleichseinrichtung (10; 50) nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass sich ein das Verschlusselement (32) vorspannendes Federelement (34) an einem Deckel (28) der Druckausgleichseinrichtung (10; 50) abstützt.
4. Druckausgleichseinrichtung (10; 50) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass in dem Normalbetriebszustand das Verschlusselement (32) an Vorsprüngen (40) anliegt, zwischen denen der Strömungspfad (36) verläuft, wobei die Vorsprünge (40) bevorzugt an dem Grundkörper (12) vorliegen und sich mit zumindest einer Axialkomponente von einer dem Verschlusselement (32) zugewandten Seite des Grundkörpers (12) erstrecken.
5. Druckausgleichseinrichtung (10) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass in dem Normalbetriebszustand das Verschlusselement (32) von dem Grundkörper (12) zumindest bereichsweise durch zumindest einen Abstandhalter (38) beabstandet ist.
6. Druckausgleichseinrichtung (10) nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass der Abstandhalter (38) einenends an dem Deckel (28) und anderenends an dem Verschlusselement (32) gehalten ist, wobei bevorzugt die Verbindung mit dem Verschlusselement (32) oberhalb einer vorbestimmten Grenztemperatur, insbesondere oberhalb 200 °C, zersetzbar ist.
7. Druckausgleichseinrichtung (10) nach Anspruch 5 oder 6, dadurch gekennzeichnet, dass der Abstandhalter (38) beim Überführen der Druckausgleichseinrichtung(10) in den Notbetriebszustand zusammen mit dem Verschlusselement (32) axial verlagerbar ist.
8. Druckausgleichseinrichtung (10) nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass der Abstandhalter (38) eine sich zwischen seinem dem Verschlusselement (32) nahen Verschlusselementende (384) und seinem dem Deckel (28) nahen Ende eine Kraftleitungsstruktur aufweist, die zumindest eine Sollbruchstelle (381) aufweist, die dazu ausgebildet ist, bei einer vorbestimmten Druckbelastung zu versagen, wobei bevorzugt die Kraftleitungsstruktur zumindest eine radiale Auskragung aufweist, die als ein Axialanschlag (383) ausgebildet ist, der im Notbetriebszustand an einer Innenfläche des
Deckels (28) zur Anlage kommen kann.
9. Druckausgleichseinrichtung (10) nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass der Abstandhalter (38) eine Hülsenform hat und bevorzugt über seinen Umfang verteilt eine Mehrzahl Sollbruchstellen (381) aufweist.
10. Druckausgleichseinrichtung (10) nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass der Abstandhalter (38) ein Material aufweist, das bei einer Temperatur von höchstens 250°C, vorzugsweise höchstens 200°C, besonders bevorzugt höchstens150°C, seine Formbeständigkeit verliert. 11. Druckausgleichseinrichtung (50) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Verschlusselement (32) mit einem bistabilen Federkörper ausgebildet ist. 12. Druckausgleichseinrichtung (50) nach Anspruch 11 , dadurch gekennzeichnet, dass das Verschlusselement (32) in einer Normalbetriebskonfiguration für den Normalbetriebszustand zu der Strömungsöffnung (24) hin gewölbt ist und dass das Verschlusselement (32) in einer Notbetriebskonfiguration für den Notbetriebszustand von der Strömungsöffnung (24) weg gewölbt ist.
13. Druckausgleichseinrichtung (10; 50) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass in dem Notbetriebszustand das Verschlusselement (32) durchgängig umlaufend an dem Grundkörper (12), vorzugsweise einem Dichtelement (46) des Grundkörpers (12), anliegt.
14. Gehäuse (18), insbesondere Batteriegehäuse, mit einer Druckausgleichseinrichtung (10; 50) nach einem der vorhergehenden Ansprüche. 15. Verfahren zum Druckausgleich zwischen einem Innenraum (14) eines
Gehäuses (18), insbesondere eines Batteriegehäuses, nach Anspruch 14 und einer Umgebung (16), mit den Schritten
A) Durchführen (102) eines Gasaustauschs zwischen dem Innenraum (14) des Gehäuses (18) und der Umgebung durch die Membran (26) und zwischen dem Verschlusselement (32) und dem Grundkörper (12) hindurch;
B) Durchführen (104a; 104b) eines Notentlüftungsvorgangs, wobei die Membran (26) durch den von dem Verschlusselement (32) der Druckausgleichseinrichtung (10; 50) abragenden Notentgasungsdorn (44) zerstört wird; C) Verschließen (106) des Grundkörpers (12) durch das Verschlusselement
(32).
16. Verfahren nach Anspruch 15, dadurch gekennzeichnet, dass die
Druckausgleichseinrichtung (10; 50) nach Anspruch 1 oder 2 ausgebildet ist, und dass bei dem Notentlüftungsvorgang im Schritt B) das Verschlusselement (32) von dem Grundkörper (12) abgehoben wird.
17. Verfahren nach Anspruch 15 oder 16, dadurch gekennzeichnet, dass die Druckausgleichseinrichtung (10) nach einem der Ansprüche 5 bis 10 ausgebildet ist, und dass während der Durchführung des Notentlüftungsvorgangs der Abstandhalter (38) zerstört wird.
18. Verfahren nach einem der Ansprüche 15 oder 16, dadurch gekennzeichnet, dass die Druckausgleichseinrichtung (50) nach Anspruch 11 oder 12 ausgebildet ist, und dass während der Durchführung des Notentlüftungsvorgangs das Verschlusselement (32) von einer Normalbetriebskonfiguration in eine Notbetriebskonfiguration überführt wird. 19. Verfahren nach einem der Ansprüche 15 oder 16, dadurch gekennzeichnet, dass die Druckausgleichseinrichtung (10) nach einem der Ansprüche 6 bis 10 ausgebildet ist, und dass während der Durchführung des Notentlüftungsvorgangs die Verbindung des Abstandhalters (38) mit dem Verschlusselement (32) oberhalb einer vorbestimmten Grenztemperatur, insbesondere oberhalb 200 °C, zersetzt wird.
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