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Die
Erfindung betrifft eine Batterie mit wenigstens einer von einem
Gehäuse
umgebenen, geschlossenen Einzelzellen und einer am Gehäuse angeordneten Überdrucksicherung.
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Unter
Batterie im Rahmen der vorliegenden Erfindung wird eine Einzelzelle
oder ein Verbund von Einzelzellen oder eine zu Modulen zusammengefasste
Anordnung von Einzelzellen verstanden, die in einem gemeinsamen
Gehäuse
angeordnet sind. Dieses Gehäuse
kann sowohl wiederaufladbare als auch nicht wiederaufladbare Zellen
umfassen. Insbesondere werden nachfolgend unter Batterien solche Batterien,
wie z. B. Lithium- oder Lithium-Ionen-Batterien, verstanden, die
Zellen enthalten, bei denen die Gefahr des Berstens und der Freisetzung
von gefährlichen
Substanzen, wie z. B. flüssige,
brennbare Elektrolyte, besteht.
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Derartige
Batterien können
unter starker Belastung oder bei Überlastung (z. B. bei Überladung oder
zu hohem Entladestrom, beispielsweise bei einem Kurzschluss), im
Schadensfall (z. B. Unfall, Elektrolytzersetzung) oder sogar im
Normalbetrieb bei starker Erhitzung von außen in einen thermisch unkontrollierbaren
Zustand geraten. Dabei können sie überhitzen,
einen gefährlichen
inneren Druck (auch Zelleninnendruck genannt) bis hin zum Bersten
oder Explodieren der Zelle und des Gehäuses aufbauen, wodurch gefährliche
Stoffe freigesetzt werden. Speziell im Bereich moderner Lithium-
oder Lithium-Ionen-Batterien besteht eine besondere Gefährdung,
da diese Batterien flüssige,
brennbare, organische Elektrolyte enthalten. Diese Batterien können unter
ungünstigen
Umständen
in Brand geraten und stellen ein sicherheitstechnisches Problem
dar.
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Um
Explosionen zu vermeiden, ist es bekannt, die Einzelzellen mit einer
gehäuseseitigen Überdrucksicherung
zu versehen. Als Überdrucksicherung
werden beispielsweise Überdruckventile oder
ein oder mehrere Sollbruchstellen oder eine oder mehrere Berstscheiben
am Gehäuse
angeordnet. 1 und 2 zum Stand
der Technik zeigen eine mögliche
Ausführungsform
einer Batterie 1 mit einer Überdrucksicherung 2,
welche zumindest auf einer der Gehäuseseiten 3.1 bzw. 3.2 (=
obere bzw. untere Gehäuseseiten)
eines mindestens eine Einzelzelle 4 vollständig umgebenden
Gehäuses 3 angeordnet
ist. Um im Fall beispielsweise einer Überladung oder eines Kurzschlusses
den hohen Zelleninnendruck abbauen zu können, ist die Überdrucksicherung 2 beispielsweise
durch in die betreffende Gehäuseseiten 3.1 bzw. 3.2 eingebrachte
Ausnehmungen 2.1, z. B. durch Einprägung eingebrachte Vertiefungen
oder Erhebungen, gebildet. Diese Ausnehmungen 2.1 bilden
einen gegenüber
mechanischen Beanspruchungen schwachen Gehäusebereich, so dass bei Überschreiten
eines bestimmten Zelleninnendrucks das Gehäuse 3 in diesem Bereich (auch
Berstscheibenbereich genannt) definiert öffnet. Hierdurch wird der hohe
Zelleninnendruck kontrolliert abgebaut.
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Nachteilig
dabei ist, dass die ober- bzw. unterhalb des Gehäuses 3 in dessen Ober-
bzw. Unterseite eingebrachte Überdrucksicherung 2 aufgrund einer
bauraumoptimalen Stapelung von mehreren Batteriezellen 1 übereinander
in einen zwischen diesen gebildeten Zwischenraum mit geringem Abstand angeordnet
ist. Durch einen derart geringen Zwischenraum zwischen den einzelnen
Batterien 1 kann der zu hohe Zelleninnendruck durch Bersten
der Überdrucksicherung
in Richtung einer der benachbarten Batterie 1 nur begrenzt
abgebaut werden. Insbesondere können
ausströmende
Stoffe, wie z. B. Gase nicht optimal abgeführt werden.
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Der
Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, eine Batterie mit mindestens
einer von einem Gehäuse
umgebenden Einzelzelle anzugeben, welche besonders sicher betrieben
werden kann und welche im kritischen Betriebsfall einen sicheren
und schnellen Druckabbau ermöglicht.
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Hinsichtlich
der Batterie wird die Aufgabe erfindungsgemäß gelöst durch die im Anspruch 1
angegebenen Merkmale. Vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung
sind Gegenstand der Unteransprüche.
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Bei
der erfindungsgemäßen Batterie
mit wenigstens einer von einem Gehäuse umgebenen, geschlossenen
Einzelzelle und einer am Gehäuse
angeordneten Überdrucksicherung
ist diese in einen zwei Gehäuseseiten
weitgehend umlaufend verbindenden Gehäuserahmen angeordnet. Durch
eine Ausbildung des Gehäuses
aus zwei Gehäuseseiten – einer
oberen und einer unteren –,
welche über
einen seitlichen Gehäuserahmen
umlaufend miteinander verbunden sind und eine Anordnung der Überdrucksicherung
in diesen seitlichen Gehäuserahmen
ist eine optimale Druckableitung und Gasableitung seitlich nach
außen
ermöglicht.
Somit ist ein einfacher und definierter Abbau eines zu hohen Zelleninnendrucks
zur Vermeidung einer Explosion sichergestellt. Darüber hinaus
werden die im Zellinneren in Richtung der Überdrucksicherung strömenden Medien,
wie z. B. Gase, weitgehend gedrosselt. Durch die seitliche Anordnung
der Überdrucksicherung
in den Gehäuserahmen
weist eine aus mehreren einzelnen, übereinander gestapelten Batterien
oder Batteriezellen gebildete Batterieflachzelle eine hohe Packungsdichte
auf.
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Je
nach Form, Größe und Abmessungen
der Batterie kann die Überdrucksicherung
durch zumindest einen oder mehrere in den Gehäuserahmen eingebrachte Berstbereiche
gebildet sein.
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In
einer möglichen
Ausführungsform
ist die Überdrucksicherung
im jeweiligen Berstbereich des Gehäuserahmens durch eine Vertiefung,
eine Ausnehmung, eine Sollbruchstelle und/oder eine mit einer Sicherungsmembran
versehene Öffnung
gebildet.
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Bevorzugt
ist die Batterie eine Lithium- oder Lithium-Ionen-Batterie. Verglichen
mit anderen Batterietypen besitzt eine Lithium- oder Lithium-Ionen-Batterie
z. B. hohe Energiedichten, hohe Zellspannungen, geringe Gewichte,
gute Leistungsdichten, geringe Selbstentladungen und hohe Zyklisierbarkeiten.
Daher werden Lithium- oder Lithium-Ionen-Batterien insbesondere für mobile
Anwendungen verwendet.
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Dabei
zeigen:
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1 zum
Stand der Technik schematisch in perspektivischer Darstellung eine
Batterie mit einer auf einer Ober- oder Unterseite des Batteriegehäuses angeordneten Überdrucksicherung,
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2 zum
Stand der Technik schematisch die Batterie gemäß 1 im Querschnitt
durch die Überdrucksicherung,
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3 schematisch
ein Ausführungsbeispiel für eine beispielsweise
als Flachzelle ausgebildete erfindungsgemäße Batterie ohne Überdrucksicherung
auf der Ober- bzw. Unterseite des Gehäuses in Draufsicht,
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4 schematisch
die Batterie gemäß 3 im
Querschnitt mit einer seitlich im Gehäuserahmen angeordneten Überdrucksicherung,
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5 schematisch
einen vergrößerten Ausschnitt
der Batterie gemäß 4,
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6 schematisch
ein Ausführungsbeispiel für einen
Gehäuserahmen
mit einem Berstbereich in perspektivischer Darstellung,
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7 schematisch
den Gehäuserahmen
gemäß 6 im
Längsschnitt,
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8 schematisch
ein weiteres Ausführungsbeispiel
für einen
Gehäuserahmen
mit einem alternativen Berstbereich in perspektivischer Darstellung,
und
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9 schematisch
den Gehäuserahmen
gemäß 8 im
Längsschnitt.
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Einander
entsprechende Teile sind in allen Figuren mit den gleichen Bezugszeichen
versehen.
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3 zeigt
schematisch ein Ausführungsbeispiel
für eine
erfindungsgemäße Batterie 1 ohne Überdrucksicherung
auf einer der Gehäuseseiten 3.1 bzw. 3.2 eines
Gehäuses 3 in
Draufsicht. Die Batterie 1 ist beispielsweise als Flachbatterie
mit Batterieanschlüssen 1.1 und 1.2 ausgeführt.
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Bei
der Batterie 1 kann es sich beispielsweise um eine Lithium-
oder Lithium-Ionen-Batterie handeln.
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Das
Gehäuse 3 ist
beispielsweise aus Metall, insbesondere Stahl, oder einem anderen
geeigneten Material, welches insbesondere beständig gegenüber flüssigen organischen Elektrolyten
einer Lithium- oder Lithium-Ionen-Batterie ist.
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In 4 ist
die Batterie 1 gemäß 3 im Querschnitt
dargestellt. Das Gehäuse 3 ist
aus der oberen und unteren Gehäuseseite 3.1 bzw. 3.2 gebildet,
die gegenüber
herkömmlichen
Batterien seitlich umlaufend über
einen Gehäuserahmen 3.3 miteinander
verbunden sind. Das Gehäuse 3 umgibt
mindestens eine Einzelzelle 4 vollständig.
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Im
Betrieb der Batterie 1 kann es in kritischen Situationen
zu einem besonders hohen Zelleninnendruck beispielsweise bei einem
Kurzschluss oder durch Überladung
kommen. Für
einen steuerbaren und definierten Abbau des zu hohen Zelleninnendrucks
ist bei der erfindungsgemäßen Batterie 1 im seitlichen
Gehäuserahmen 3.3 an
mindestens einer Position eine Überdrucksicherung 5 angeordnet.
Dabei ist die Überdrucksicherung 5 im
Bereich der größten Verformbarkeit
des Gehäuses 3 – einem
Berstbereich 3.3.1 des Gehäuserahmens 3.3 – eingebracht. In
einer möglichen
Ausführungsform
kann der Berstbereich 3.3.1 des Gehäuserahmens 3.3 eine
gegenüber
dem anderen Bereich des Gehäuserahmens 3.3.2 dünnere Wandung
aufweisen.
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Im
Ausführungsbeispiel
nach 4 ist die Überdrucksicherung 5 im
betreffenden Berstbereich 3.3.1 durch eine Ausnehmung 6 gebildet. 5 zeigt schematisch
einen vergrößerten Ausschnitt
des Berstbereiches 3.3.1 der Batterie 1 gemäß 4 mit der
seitlich in den Gehäuserahmen 3.3 eingebrachten Überdrucksicherung 5 als
Ausnehmung 6.
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6 zeigt
schematisch ein Ausführungsbeispiel
für einen
Gehäuserahmen 3.3 mit
einem Berstbereich 3.3.1 in perspektivischer Darstellung. Je
nach Ausführungsform
der Überdrucksicherung 5 kann
diese wie gezeigt als Ausnehmung 6 ausgebildet sein. Alternativ
kann der Gehäuserahmen 3.3 im Berstbereich 3.3.1 eine
dünnere
Wandung aufweisen und/oder mit mindestens einer Sollbruchstelle
oder eine Vertiefung in der Wandung des Berstbereiches 3.3.1 (nicht
näher dargestellt)
versehen sein. 7 zeigt schematisch den Gehäuserahmen 3.3 gemäß 6 im
Längsschnitt.
Dabei ist die in Form eines Folienstapels ausgebildete Einzelzelle 4 unter
Bildung eines Zwischenraumes R im Gehäuse 3 angeordnet.
In diesem Zwischenraum R können
austretende Gase entlang der dargestellten Pfeile P in Richtung
des Berstbereiches 3.3.1 des umlaufenden Gehäuserahmens 3.3 strömen und
gegebenenfalls bei einem zu hohen Zelleninnendruck über die
im Berstbereich 3.3.1 angeordnete Überdrucksicherung 5 entweichen.
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8 zeigt
schematisch ein weiteres Ausführungsbeispiel
für einen
Gehäuserahmen 3.3 mit einem
alternativen Berstbereich 3.3.1 in perspektivischer Darstellung.
Dabei ist im Berstbereich 3.3.1 als Überdrucksicherung 5 eine Öffnung 7 eingebracht. Diese Öffnung 7 ist,
wie in 9 im Längsschnitt
gezeigt, mit einer Sicherungsmembran 8 (= separate Berstfolie
oder Berstscheibe) versehen, die in kritischen Überdrucksituationen definiert
aufbricht, um ein Ausströmen
der Gase zu ermöglichen.
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Je
nach Vorgabe und/oder Aufbau der Batterie 1 und des Gehäuserahmens 3.3 kann
dieser umlaufend mit mehreren Berstbereichen 3.3.1, die
wiederum ebenfalls mehrere Überdrucksicherungen 5 aufweisen
können,
versehen sein. In den gezeigten Ausführungsbeispielen nach 3 bis 9 ist
beispielhaft ein Berstbereich 3.3.1 mit einer Überdrucksicherung 5 dargestellt.
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- 1
- Batterie
- 1.1,
1.2
- Batterieanschlüsse
- 2
- Überdrucksicherung
im Stand der Technik
- 3
- Gehäuse
- 3.1,
3.2
- obere
bzw. untere Gehäuseseiten
- 3.3
- seitlicher
Gehäuserahmen
- 3.3.1
- Berstbereich
im seitlichen Gehäuserahmen
- 4
- Einzelzelle
- 5
- erfindungsgemäße Überdrucksicherung
- 6
- Ausnehmung
- 7
- Öffnung
- 8
- Sicherungsmembran
- P
- Pfeile
- R
- Zwischenraum