WO2011054584A1 - Batterie mit entgasungssystem und verfahren zum abführen von austretungen - Google Patents

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Abstract

Die Erfindung betrifft eine Batterie mit einem Entgasungssystem und ein Verfahren zum Abführen von Austretungen einer Batterie, wodurch die durch chemische Aktivität entstehenden Gase und Elektrolyte mit einfachen Mitteln in einer Weise abführt werden können und Zellen der Batterie vor einer Beschädigung geschützt sind. Es ist vorgesehen, dass die Batterie mit Entgasungssystem, eine Grundplatte (22) und zumindest ein auf der Grundplatte (22) angeordnetes Zellmodul (12) mit wenigstens einer Batteriezelle (16) umfasst, wobei die Batteriezelle (16) eine mit Zellterminals (14) versehene Oberseite (34) und eine mit zumindest einer Entgasungsöffnung (18) versehene Unterseite (36) aufweist und die Grundplatte (22) an der Stelle der zumindest einen Entgasungsöffnung (18) wenigstens einen Durchlass zu einem Auffangbereich aufweist, wobei die Unterseite (36) gegenüberliegend der Oberseite (34) und die Unterseite (36) in Richtung der Schwerkraft unterhalb der Oberseite (34) angeordnet ist.

Description

Beschreibung
Titel
Batterie mit Entgasungssvstem und Verfahren zum Abführen von Austretungen Die Erfindung betrifft eine Batterie mit einem Entgasungssystem und ein Verfahren zum Abführen von Austretungen einer Batterie, wodurch die durch chemische Aktivität entstehenden Gase und Elektrolyte mit einfachen Mitteln in einer Weise abführt werden können und Zellen der Batterie vor einer Beschädigung geschützt sind. Stand der Technik
Batteriezellen, beispielsweise Lithium- Ionen Zellen, benötigen eine Entgasungsöffnung, da bestimmte Betriebszustände zu einem Überdruck in der Zelle führen können. Um eine Explosion in der Batteriezelle zu vermeiden, müssen die unter Druck stehen- den Gase entweichen können. Das Austreten der Gase kann jedoch zu Schäden am
Batteriepack führen, da die Gase Elektrolyt enthalten können. Diese Austretungen können zusammen mit Wasser zu Flusssäure reagieren. Daher ist es notwendig, aus der Batteriezelle austretendes Gas gezielt abzuführen. Bekannt ist es, Entgasungsöffnungen an der Oberseite der Zellmodule, also der Seite, an der auch die Pole positioniert sind, anzuordnen. So verlaufen auch entsprechende Kanäle zur Gasabfuhr oberhalb der Batteriezellen. Die Kanäle bestehen dabei aus Schläuchen, die mittels Steckverbindungen miteinander verbunden sind. So geht aus der DE 600 03 843 T2 ein Batteriedeckel mit Lüftungssystem hervor, mit dem die durch die chemische Aktivität entstehenden Gase abgeführt werden sollen. Dazu weist der Batteriedeckel einen integrierten Gaskollektor auf, der mit einem Seitenkanal mit einer Vertiefung in der Deckelseitenwand verbunden ist und in einer Zwischenkammer mündet. In der Vertiefung befindet sich ein Frittenkörper und ist so an- geordnet, dass alle Gase durch diesen strömen und über eine Entgasungsöffnung ins Freie gelangen sollen. Ein Boden der Zwischenkammer soll dabei als Elektrolytkollektor dienen.
Durch die Anordnung der Entgasung auf der Oberseite der einzelnen Batterieellen ist bei mehreren Batteriezellen in einem Zellmodul eine aufwendige Leitungsverlegung notwendig. Die Leitungen bestehen aus vielen verschiedenen Bauteilen, was zu höheren Material- und Montagekosten führt. Zudem ergibt sich durch die hohe Anzahl der Fügestellen ein höheres Risiko von Undichtigkeiten und damit die Gefahr, dass Gas und Elektrolyt Batteriezellen beschädigt.
Der Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, eine Batterie mit optimiertem Entgasungssystem bereitzustellen, welche die zuvor genannten Probleme vermeidet.
Offenbarung der Erfindung
Gelöst wird diese Aufgabe mit einer Batterie mit den in Anspruch 1 genannten Merkmalen, einem Fahrzeug nach Anspruch 9 und einem Verfahren nach Anspruch 10.
Die erfindungsgemäße Batterie umfasst ein Entgasungssystem, eine Grundplatte und zumindest ein auf der Grundplatte angeordnetes Zellmodul mit wenigstens einer Batteriezelle, wobei die Batteriezelle eine mit Zellterminals versehene Oberseite und eine mit zumindest einer Entgasungsöffnung versehene Unterseite aufweist und die Grundplatte an der Stelle der zumindest einen Entgasungsöffnung wenigstens einen Durchläse zu einem Auffangbereich aufweist, wobei die Unterseite gegenüberliegend der Oberseite und die Unterseite in Richtung der Schwerkraft unterhalb der Oberseite angeordnet ist.
Hiermit ist es vorteilhaft ermöglicht, die Adaption der Entgasungskanäle zu vereinfachen. Die elektrischen Anschlüsse der Batteriezellen und die Entgasungskanäle müs- sen nun nicht mehr im selben Bereich angeordnet werden. Die Entgasungskanäle verlaufen erfindungsgemäß unterhalb der Zellen oder Module. So kann der Elektrolyt bei Undichtigkeiten in den Kanälen keine Zellen oder sonstige elektrische Kontakte kontaminieren. Da die Entgasungskanäle einfacher gestaltet werden können, verringert sich die Anzahl der Trennstellen und somit die Gefahr von Undichtigkeiten. Mit der erfin- dungsgemäßen Anordnung der Entgasungsöffnungen auf der Unterseite wird die Schwerkraft ausgenutzt um die austretenden Stoffe gezielt abzuleiten. Die ausgetretenen Stoffe sammeln sich unterhalb der Batteriezellen und der elektrischen Bauteile und können somit auch keine Kurzschlüsse verursachen.
In bevorzugter Ausgestaltung der Erfindung ist vorgesehen, dass das Zellmodul mit der Grundplatte verschraubt ist und zur Abdichtung zwischen der wenigstens einen Batteriezelle und der Grundplatte ein O-Ring angeordnet ist. Hierdurch wird vorteilhaft eine kostengünstige Verbindung zwischen dem Zellmodul und der Grundplatte und eine kostengünstige Abdichtung zwischen der Batteriezelle und der Grundplatte erreicht. Eine Ausformung für den O-Ring ist leicht in die Kontur der Grundplatte integrierbar.
In weiterer bevorzugter Ausgestaltung der Erfindung ist vorgesehen, dass die wenigstens eine Batteriezelle eine Lithium- Ionen Zelle ist. Lithium- Ionen Zellen bieten vorteilhaft eine bessere Leistung gegenüber anderen Zelltypen. Sie besitzen eine bessere gewichts- und massespezifische Kapazität und eine längere Lebensdauer.
In weiterer bevorzugter Ausgestaltung der Erfindung ist vorgesehen, dass die Grundplatte Entgasungskanäle aufweist. Hierdurch ist es vorteilhaft möglich, die Anzahl der verschiedenen Bauteile und damit Material und Montagekosten zu sparen. Zudem verringert die Reduzierung der Bauteile die Wahrscheinlichkeit des Auftretens von Undichtigkeiten.
In weiterer bevorzugter Ausgestaltung der Erfindung ist vorgesehen, dass in die Grundplatte ein Sammelbecken als Auffangbereich integriert ist. Hierdurch kann vorteilhaft die Länge der Entgasungskanäle minimiert werden, was die Anzahl der Bauteile weiter verringert und damit Gewicht und zusätzlich Bauraum spart.
In weiterer bevorzugter Ausgestaltung der Erfindung ist vorgesehen, dass in die Grundplatte zumindest ein geeignetes Mittel zur Kühlung integriert ist. Hierdurch weist die Grundplatte vorteilhaft eine zusätzliche Funktion auf. Es ist kein separates Aggregat mit Kühlfunktion notwendig.
In weiterer bevorzugter Ausgestaltung der Erfindung ist vorgesehen, dass die Gehäuseplatte wenigstens ein Formstück aufweist. Hierdurch wird vorteilhaft eine An- Schlussmöglichkeit zum Ableiten der Austretungen, also der Gase und Elektrolyte, geschaffen.
In weiterer bevorzugter Ausgestaltung der Erfindung ist vorgesehen, dass das Formstück ein Rückschlagventil umfasst. Hierdurch wird vorteilhaft ein Zurückströmen der Austretungen zu den Batteriezellen verhindert.
Weiterhin wird die Aufgabe durch ein Fahrzeug mit den in Anspruch 9 genannten Merkmalen gelöst.
Das erfindungsgemäße Fahrzeug umfasst eine Batterie mit einem Entgasungssystem, eine Grundplatte und zumindest ein auf der Grundplatte angeordnetes Zellmodul mit wenigstens einer Batteriezelle, wobei die Batteriezelle eine mit Zellterminals versehene Oberseite und eine mit zumindest einer Entgasungsöffnung versehene Unterseite aufweist und die Grundplatte an der Stelle der zumindest einen Entgasungsöffnung wenigstens einen Durchlass zu einem Auffangbereich aufweist, wobei die Unterseite gegenüberliegend der Oberseite und die Unterseite in Richtung der Schwerkraft unterhalb der Oberseite angeordnet ist.
Durch die verringerte Anzahl der Trennstellen und die somit verringerte Gefahr von Undichtigkeiten wird vorteilhaft eine bessere Betriebssicherheit des gesamten Fahrzeugs erreicht, in dem eine erfindungsgemäße Batterie verbaut ist.
Weiterhin wird die Aufgabe durch ein Verfahren mit den in Anspruch 10 genannten Merkmalen gelöst.
In dem erfindungsgemäßen Verfahren zum Abführen von bei Überdruck aus Batteriezellen austretenden Austretungen werden die Austretungen über wenigstens eine Entgasungsöffnung an einer Unterseite der Batteriezelle abgeführt.
Hiermit ist es vorteilhaft ermöglicht, die Adaption der Entgasungskanäle zu vereinfachen. Die elektrischen Anschlüsse der Batteriezellen und die Entgasungskanäle müssen nun nicht mehr im selben Bereich angeordnet werden. Die Entgasungskanäle verlaufen erfindungsgemäß unterhalb der Batteriezellen oder Module. So kann der Elektrolyt bei Undichtigkeiten in den Kanälen keine Zellen oder sonstige elektrische Kontak- te kontaminieren. Da die Entgasungskanäle einfacher gestaltet werden können, verringert sich die Anzahl der Trennstellen und somit die Gefahr von Undichtigkeiten. Mit der erfindungsgemäßen Anordnung der Entgasungsöffnungen auf der Unterseite wird die Schwerkraft ausgenutzt um die austretenden Stoffe gezielt abzuleiten. Die ausgetretenen Stoffe sammeln sich unterhalb der Zellen und der elektrischen Bauteile und können somit auch keine Kurzschlüsse verursachen.
In bevorzugter Ausgestaltung der Erfindung ist vorgesehen, dass die Batteriezelle auf eine Grundplatte montiert wird und die Austretungen durch Kanäle in der Grundplatte geleitet werden, oder in einem Sammelbecken in der Grundplatte aufgefangen werden. Hierdurch wird vorteilhaft die Gesamtlänge der Entgasungskanäle minimiert, was die Anzahl der Bauteile weiter verringert und damit Gewicht und zusätzlich Bauraum spart.
In bevorzugter Ausgestaltung der Erfindung ist vorgesehen, dass Austretungen mehrerer Batteriezellen zu einem Auffangbereich unterhalb der Batteriezellen abgeleitet werden. Auch hiermit wird vorteilhaft die Anzahl der Bauteile verringert.
Weitere bevorzugte Ausgestaltungen der Erfindung ergeben sich aus den übrigen, in den Unteransprüchen genannten Merkmalen.
Die Erfindung wird nachfolgend in Ausführungsbeispielen anhand der zugehörigen Zeichnungen erläutert. Es zeigen:
Figur 1 : eine herkömmliche Batteriezelle und
Figur 2: eine erfindungsgemäße Batterie mit Entgasungssystem.
In Figur 1 ist eine herkömmliche Batteriezelle 40 nach dem Stand der Technik abgebildet. Auf ihrer Oberseite befinden sich sowohl Zellterminals 42, als auch eine obenliegende Entgasungsöffnung 44. Besteht eine Batterie aus mehrerer dieser Zellen, ist ein kompliziertes Leitungssystem erforderlich, um die aus den Entgasungsöffnungen austretenden Gase und Elektrolyte abzuführen. Figur 2 bildet eine erfindungsgemäße Batterie 10 mit Entgasungssystem in einer Schnittdarstellung ab. Auf einer Gehäuseplatte 28 ist eine Grundplatte 22 montiert. Zwischen der Gehäuseplatte 28 und der Grundplatte 22 ist eine Gehäuseplattendichtung 30 angeordnet. Auf der Grundplatte 22 ist ein Zellmodul 12 mit hier drei Batteriezellen 16 befestigt. Jede Batteriezelle 16 weist auf einer Oberseite 34 Zellterminals 14 auf. An einer gegenüber der Oberseite 34 angeordneten Unterseite 36 ist jede Batteriezelle 16 mit einer untenliegenden Entgasungsöffnung 18 versehen. Die Entgasungsöffnung 18 der Batteriezelle 16 ist hier direkt über einen O-Ring 20 zur Grundplatte 22 hin abgedichtet. Eine Pressung dieser Dichtung wird dabei über ein Anschrauben des gesamten Zellmoduls 12 auf der Grundplatte 22 sichergestellt.
Die Grundplatte 22 enthält an der Stelle, an der die Batteriezellen 16 die Entgasungsöffnungen 18 aufweisen Durchlässe 24. In der abgebildeten Ausführung sind diese mit tels Bohrungen erzeugt. Durch die Durchlässe 24 wird austretender Elektrolyt und austretendes Gas gezielt zu einem Auffangbereich abgeführt. In der abgebildeten Ausführung ist die Grundplatte 22 mit einem Sammelbecken 26 versehen, welches als Auffangbereich für die Austretungen aller drei Batteriezellen 16 dient. Ebenso ist es erfindungsgemäß möglich, den Auffangbereich außerhalb der Grundplatte 22 anzuordnen. Die Grundplatte 22 kann zudem Entgasungskanäle aufweisen, mittels derer die Austre tungen weitergeleitet werden. Der Auffangbereich ist erfindungsgemäß so zu konzipieren, dass er die tiefste Ebene der Batterie oder eines Batteriepacks bildet, also alle andern durch die Austretungen beschädigbaren Komponenten oberhalb platziert sind. Der Auffangbereich kann außerdem zum Rest eines Systems, in dem die erfindungsgemäße Batterie eingesetzt ist, abgedichtet werden, um sicherzustellen, dass der ausgetretene Elektrolyt keine anderen Bauteile des Systems benetzt, die dadurch beschädigt werden könnten.
Zur Abführung der Austretungen ist im Ausführungsbeispiel der Figur 2 die Gehäuseplatte 28 im Bereich des Sammelbeckens 26 mit einem Formstück 32 versehen. Dies kann beispielsweise ein angeflanschtes Rückschlagventil sein. Es stellt im Entgasungssystem die Schnittstelle zur Umgebung dar.
In einer weiteren Ausführung ist es erfindungsgemäß zudem möglich, in die Grundplatte 22, neben den bereits genannten, weitere Funktionen zu integrieren. So kann die Grundplatte 22 beispielsweise eine Kühlung umfassen, oder Teil eines Kühlsystems sein.
Die Erfindungsgemäße Batterie 10 kann beispielsweise in einem Fahrzeug ein- gesetzt werden.

Claims

Ansprüche
1 . Batterie (10) mit einem Entgasungssystem, einer Grundplatte (22) und zumindest einem auf der Grundplatte (22) angeordneten Zellmodul (12) mit wenigstens einer Batteriezelle (16), wobei die Batteriezelle (16) eine mit Zellterminals (14) versehene Oberseite (34) und eine mit zumindest einer Entgasungsöffnung (18) versehene Unterseite (36) aufweist und die Grundplatte (22) an der Stelle der zumindest einen Entgasungsöffnung (18) wenigstens einen Durchlass zu einem Auffangbereich aufweist, wobei die Unterseite (36) gegenüberliegend der Oberseite (34) und die Unterseite (36) in Richtung der Schwerkraft unterhalb der Oberseite (34) angeordnet ist.
2. Batterie nach Anspruch 1 , dadurch gekennzeichnet, dass das Zellmodul (12) mit der Grundplatte (22) verschraubt ist und zur Abdichtung zwischen der wenigstens einen Batteriezelle (16) und der Grundplatte (22) ein O-Ring (20) angeordnet ist.
3. Batterie nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass
die wenigstens eine Batteriezelle (16) eine Lithium- Ionen Zelle ist.
4. Batterie nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Grundplatte (22) Entgasungskanäle aufweist.
5. Batterie nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass in die Grundplatte (22) ein Sammelbecken (26) als Auffangbereich integriert ist.
6. Batterie nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass in die Grundplatte (22) zumindest ein geeignetes Mittel zur Kühlung integriert ist.
7. Batterie nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass die Gehäuseplatte (28) wenigstens ein Formstück (32) aufweist.
8. Batterie nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass das Formstück (32) ein Rückschlagventil umfasst.
9. Fahrzeug mit einer Batterie (10) mit einem Entgasungssystem, einer Grundplatte (22) und zumindest einem auf der Grundplatte (22) angeordneten Zellmodul (12) mit wenigstens einer Batteriezelle (16), wobei die Batteriezelle (16) eine mit Zellterminals (14) versehene Oberseite (34) und eine mit zumindest einer Entgasungsöffnung (18) versehene Unterseite (36) aufweist und die Grundplatte (22) an der Stelle der zumindest einen Entgasungsöffnung (18) wenigstens einen Durchläse zu einem Auffangbereich aufweist, wobei die Unterseite (36) gegenüberliegend der Oberseite (34) und die Unterseite (36) in Richtung der Schwerkraft unterhalb der Oberseite (34) angeordnet ist.
10. Verfahren zum Abführen von bei Überdruck aus Batteriezellen austretenden Austretungen, dadurch gekennzeichnet, dass die Austretungen über wenigstens eine Entgasungsöffnung an einer Unterseite der Batteriezelle abgeführt werden.
1 1 . Verfahren nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, dass die Batteriezelle auf eine Grundplatte montiert wird und die Austretungen durch Kanäle in der Grundplatte geleitet werden, oder in einem Sammelbecken in der Grundplatte aufgefangen werden.
12. Verfahren nach Anspruch 10 oder 1 1 , dadurch gekennzeichnet, dass Austretungen mehrerer Batterieellen zu einem Auffangbereich unterhalb der Batterieellen abgeleitet werden.
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