DE102008059957A1 - Batterie mit wenigstens einer Batteriezelle - Google Patents

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Abstract

Die Erfindung betrifft eine Batterie (B) mit wenigstens einer Batteriezelle (1), welche ein Zellgehäuse (3) mit einer Berstscheibe (9) aufweist, und mit einer Berstscheibenumgebung zur Aufnahme der Berstscheibe (9), wenn sich das Zellgehäuse (3) im Bereich der Berstscheibe (9) öffnet. Dabei erstreckt sich wenigstens ein Bauteil aus elektrisch leitfähigem Material, beispielsweise ein Batteriegehäuse oder eine Kühlplatte (2), in die Berstscheibenumgebung und das wenigstens eine Bauteil aus elektrisch leitfähigem Material ist im Bereich der Berstscheibenumgebung elektrisch isoliert.

Description

  • Die Erfindung betrifft eine Batterie mit wenigstens einer Batteriezelle, welche ein Zellgehäuse mit einer Berstscheibe aufweist.
  • Dabei wird hier und im Folgenden unter einer Berstscheibe eines Zellgehäuses einer Batteriezelle ein Bereich des Zellgehäuses verstanden, der weniger stabil gegen einen Innendruck in der Batteriezelle als die übrigen Bereiche des Zellgehäuses ausgebildet ist, so dass sich das Zellgehäuse bei wachsendem Innendruck in diesem Bereich öffnet und dort Gas und/oder Elektrolyt aus der Batteriezelle austreten kann. Beispielsweise kann eine Berstscheibe als eine Sollbruchstelle durch gezielte Schwächung des Zellgehäuses in einem Bereich ausgebildet sein.
  • Üblicherweise weist eine Batterie zur Anwendung in Kraftfahrzeugen, insbesondere in Kraftfahrzeugen mit einem Hybridantrieb oder Brennstoffzellen-Fahrzeugen, mehrere elektrisch in Reihe und/oder parallel geschaltete Batteriezellen, beispielsweise Lithium-Ionen-Zellen, auf, die sich mit der dazu gehörenden Elektronik in einem gemeinsamen Gehäuse befinden.
  • Die Batteriezellen müssen gekühlt werden, um die entstehende Verlustwärme abzuführen. Dazu wird in der Regel eine indirekte Kühlung durch einen Kühlmittelkreislauf oder eine direkte Kühlung mittels vorgekühlter Luft, die zwischen die Zellen geleitet wird, eingesetzt.
  • Bei der aus Bauraumgründen bevorzugten Kühlung durch den Kühlmittelkreislauf ist am Zellenblock der Batterie eine von Kühlmittel durchströmte Kühlplatte angeordnet.
  • Insbesondere bei Lithium-Ionen-Zellen kann bei Überladung oder Kurzschluss die Temperatur und der Innendruck im Gehäuse stark ansteigen. Der in den Batteriezellen enthaltene elektrochemisch aktive Elektrolyt ist thermisch instabil. Insbesondere das in Lithium-Ionen-Zellen befindliche Nickeloxid zersetzt sich oberhalb von 150°C irreversibel in einer exothermen Reaktion. Dadurch erwärmt sich die Zelle noch weiter und der Druck in ihrem Inneren steigt. Um in solchen Fällen den Druck innerhalb der Zelle kontrolliert abzubauen, weisen die Zellgehäuse der Batteriezellen häufig jeweils eine Berstscheibe auf.
  • Üblicherweise ist die Berstscheibe an der Bodenfläche des Zellgehäuses angeordnet. Aus Bauraumgründen ist dabei unterhalb der Berstscheibe nie soviel Freiraum vorhanden, dass ein Kontakt einer Berstscheibe, die aus einem auf einer elektrischen Spannung liegenden Zellgehäuse heraus gebrochen ist, mit elektrisch leitenden Teilen der Batterie, beispielsweise mit dem Batteriegehäuse oder der Kühlplatte, sicher verhindert wird.
  • Da sich bei Überladung oder Kurzschluss in der Regel mehr als ein Zellgehäuse öffnet, kann es durch einen gemeinsamen Kontakt mehrerer Berstscheiben, die aus auf Spannung liegenden Zellgehäusen heraus gebrochen sind, mit elektrisch leitenden Teilen zu weiteren Kurzschlüssen kommen.
  • In der DE 10 2006 025 535 A1 wird eine Vorrichtung zur Kühlung elektrischer Elemente, insbesondere eines Kraftfahrzeugs, vorgeschlagen, die eine Mehrzahl von elektrischen Elementen umfasst, die jeweils eine Bodenfläche und eine Seitenfläche aufweisen. Die Bodenflächen sind im Wesentlichen in einer Ebene ausgerichtet und an einem zu der Ebene im Wesentlichen parallelen und mit Öffnungen versehenen Bodenkörper angeordnet. Ein zugeleiteter Luftstrom umströmt zu Kühlzwecken die elektrischen Elemente und der Bodenkörper ist von dem Luftstrom durchströmbar. Dabei kann zwischen den elektrischen Elementen und dem Bodenstück ein definierter Abstand vorgesehen sein und an der Bodenfläche kann jeweils eine Sollbruchstelle vorgesehen sein. Ferner können die elektrischen Elemente gegenüber dem Bodenstück elektrisch isoliert sein.
  • Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine verbesserte Batterie mit wenigstens einer Batteriezelle, deren Zellgehäuse eine Berstscheibe aufweist, anzugeben.
  • Die Aufgabe wird erfindungsgemäß durch eine Batterie gelöst, welche die im Anspruch 1 angegebenen Merkmale aufweist.
  • Vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung sind Gegenstand der Unteransprüche.
  • Die erfindungsgemäße Batterie weist wenigstens eine Batteriezelle, welche ein Zellgehäuse mit einer Berstscheibe aufweist, und eine Berstscheibenumgebung zur Aufnahme der Berstscheibe, wenn sich das Zellgehäuse im Bereich der Berstscheibe öffnet, auf. Dabei erstreckt sich wenigstens ein Bauteil aus elektrisch leitfähigem Material der Batterie in die Berstscheibenumgebung und ist im Bereich der Berstscheibenumgebung elektrisch isoliert.
  • Durch die elektrische Isolation des elektrisch leitfähigen Bauteils, beispielsweise eines metallischen Batteriegehäuses oder einer metallischen Kühlplatte zur Kühlung der Batteriezellen, im Bereich der Berstscheibenumgebung wird vorteilhaft verhindert, dass dieses Bauteil beim Aufplatzen des Zellgehäuses einer Batteriezelle mit dessen Berstscheibe in elektrisch leitenden Kontakt kommen kann. Dadurch werden insbesondere Kurzschlüsse durch einen Kontakt der Berstscheibe mit dem Bauteil verhindert und die Sicherheit der Batterie erhöht. Weiterhin erfordert die vorgeschlagene Lösung keinen zusätzlichen Bauraum und nur geringe Zusatzkosten.
  • Weitere Vorteile, Merkmale und Einzelheiten der Erfindung werden im Folgenden anhand von Ausführungsbeispielen unter Bezugnahme auf Zeichnungen beschrieben.
  • Dabei zeigen:
  • 1 eine Seitenansicht einer Batterie mit mehreren Batteriezellen und einer über den Batteriezellen angeordneten Kühlplatte in einer perspektivischen Explosionsdarstellung,
  • 2 eine Untersicht auf eine Batterie mit mehreren Batteriezellen und einer über den Batteriezellen angeordneten Kühlplatte in einer perspektivischen Explosionsdarstellung,
  • 3 eine Batterie mit mehreren Batteriezellen und einer über den Batteriezellen angeordneten Kühlplatte in einer Schnittdarstellung mit vertikaler Schnittebene,
  • 4 ein Batteriegehäuseunterteil mit einer auf den Batteriegehäuseboden aufgeklebten elektrisch isolierenden Folie in einer perspektivischen Draufsicht,
  • 5 eine in einer Längsrichtung aufgeschnittene Batteriezelle mit einer an einer Bodenfläche angeordneten Berstscheibe in einer perspektivischen Darstellung,
  • 6 eine Batteriezelle mit einer an einer Bodenfläche angeordneten Berstscheibe und dort geöffnetem Zellgehäuse in einer perspektivischen Darstellung,
  • 7 eine Seitenansicht einer Batterie mit mehreren Batteriezellen und einer unter den Batteriezellen angeordneten Kühlplatte in einer perspektivischen Explosionsdarstellung,
  • 8 eine Untersicht einer Batterie mit mehreren Batteriezellen und einer unter den Batteriezellen angeordneten Kühlplatte in einer perspektivischen Explosionsdarstellung,
  • 9 eine Batterie mit mehreren Batteriezellen und einer unter den Batteriezellen angeordneten Kühlplatte mit Durchbrüchen, deren Wandungen lackiert sind, in einer Schnittdarstellung mit vertikaler Schnittebene,
  • 10 eine Batterie mit mehreren Batteriezellen und einer unter den Batteriezellen angeordneten Kühlplatte mit Durchbrüchen, deren Wandungen mit einer Vergussmasse vergossen sind, in einer Schnittdarstellung mit vertikaler Schnittebene, und
  • 11 eine Batterie mit mehreren Batteriezellen und einer unter den Batteriezellen angeordneten Kühlplatte mit gestuft ausgebildeten Durchbrüchen, deren Wandungen teilweise mit einer Vergussmasse vergossen sind, in einer Schnittdarstellung mit vertikaler Schnittebene.
  • Einander entsprechende Teile sind in allen Figuren mit den gleichen Bezugszeichen versehen.
  • Die 1 bis 3 zeigen eine Batterie B mit mehreren Batteriezellen 1 und einer über den Batteriezellen 1 angeordneten Kühlplatte 2. Dabei zeigen 1 eine Seitenansicht in einer perspektivischen Explosionsdarstellung, 2 eine Untersicht in einer perspektivischen Explosionsdarstellung und 3 eine Schnittdarstellung mit vertikaler Schnittebene.
  • Die Batteriezellen 1 und die Kühlplatte 2 befinden sich in einem Batteriegehäuse, das ein Batteriegehäuseunterteil 4 mit einem Batteriegehäuseboden 10 und einen nicht dargestellten Batteriegehäusedeckel aufweist. Das Batteriegehäuse ist aus elektrisch leitfähigem Material, beispielsweise aus Aluminiumdruckguss oder Blech, gebildet.
  • Die Batteriezellen 1 weisen jeweils einen kreisförmigen Querschnitt und ein elektrisch leitendes Zellgehäuse 3 auf, durch dessen Zellgehäusewand Wärme entlang einer Längsrichtung der Batteriezelle 1 zu der Kühlplatte 2 leitbar ist. Zur besseren Wärmeleitung ist die Zellgehäusewand bevorzugt entsprechend aufgedickt. Kühlplattenseitig weist das Zellgehäuse 3 einen Zellgehäusedeckel 5 auf.
  • Ferner weist das Zellgehäuse 3 jeder Batteriezelle 1 an einer Bodenfläche 8 eine Berstscheibe 9 auf. Die Bodenflächen 8 der Zellgehäuse 3 sind von dem Batteriegehäuseboden 10 beabstandet, so dass die Batterie B unterhalb der Bodenfläche 8 eines jeden Zellgehäuses 3 eine Berstscheibenumgebung zur Aufnahme der Berstscheibe 9 des Zellgehäuses 3 aufweist, wenn sich das Zellgehäuse 3 dort öffnet.
  • Durch die Zellgehäusedeckel 5 sind jeweils zwei Polkontakte 6.1 und 6.2 der jeweiligen Batteriezelle 1 herausgeführt, an denen unterschiedliche elektrische Potentiale anliegen (Plus- und Minuspol der Batteriezelle 1).
  • Dabei ist ein erster Polkontakt 6.1 von dem Zellgehäuse 3 der Batteriezelle 1 elektrisch isoliert, indem er über elektrisch isolierende Dichtungen 14 an dem Zellgehäusedeckel 5 befestigt ist.
  • Zum Schutz der Dichtungen 14 ist über ihnen eine Unterlegscheibe 15 angeordnet, die bevorzugt aus Metall besteht. Weiterhin ist der erste Polkontakt 6.1 in einem Bereich oberhalb der Unterlegscheibe 15 nietartig geformt, so dass eine ringförmig um den ersten Polkontakt 6.1 verlaufende Ausbuchtung 16 entsteht, die auf der Unterlegscheibe 15 aufliegt, so dass der erste Polkontakt 6.1 sicher in dem Zellgehäusedeckel 5 gehaltert ist.
  • Der zweite Polkontakt 6.2 ist elektrisch leitend mit dem Zellgehäuse 3 und insbesondere dem Zellgehäusedeckel 5 verbunden, so dass das Zellgehäuse auf demselben elektrischen Potential wie der zweite Polkontakt 6.2 hegt.
  • Die Kühlplatte 2 weist einen nicht dargestellten Kühlkanal auf, welcher mit einem Kühlmittel zur Kühlung der Batteriezellen 1 durchströmbar ist. Ferner weist die Kühlplatte 2 für jede Batteriezelle 1 ein Langloch auf, durch die die Polkontakte 6.1 und 6.2 der Batteriezelle 1 geführt sind.
  • Der erste Polkontakt 6.1 einer Batteriezelle 1 ist oberhalb der Kühlplatte 2 mit dem zweiten Polkontakt 6.2 einer benachbarten Batteriezelle 1 über einen Zellverbinder 7 elektrisch leitend verbunden. Dadurch sind die Batteriezellen 1 elektrisch seriell miteinander verschaltet.
  • 4 zeigt das Batteriegehäuseunterteil 4 der in den 1 bis 3 dargestellten Batterie B in einer perspektivischen Draufsicht. Der Batteriegehäuseboden 10 des Batteriegehäuseunterteils 4 weist eine auf seine Innenoberfläche aufgeklebte elektrisch isolierende Folie 11 auf. Dadurch wird vorteilhaft verhindert, dass eine sich öffnende Berstscheibe in elektrisch leitenden Kontakt mit dem Batteriegehäuseboden 10 tritt.
  • In einer bevorzugten Ausgestaltung dieses Ausführungsbeispiels weist die elektrisch isolierende Folie 11 eine Armierung, beispielsweise aus Glasfasern, auf. Dadurch wird vorteilhaft ihre thermische Stabilität erhöht, wenn sich ein oder mehrere Zellgehäuse 3 an ihrer jeweiligen Berstscheibe 9 öffnen.
  • Die 5 und 6 zeigen jeweils eine Batteriezelle 1 der in den 1 bis 3 dargestellten Batterie B in einer perspektivischen Darstellung. Dabei zeigt 5 eine in einer Längsrichtung aufgeschnittene Batteriezelle 1 und 6 zeigt eine Batteriezelle 1 mit einem an der Berstscheibe 9 geöffnetem Zellgehäuse 3. Die Berstscheibe 9 ist ein kreisförmig ausgebildeter Bereich der Bodenfläche 8 des Zellgehäuses 3. Dabei weist das Zellgehäuse 3 in einem zusammenhängenden Abschnitt des Umfangs dieses kreisförmigen Bereiches eine geringere Dicke als in den übrigen Bereichen auf, so dass dieser Abschnitt eine Sollbruchstelle des Zellgehäuses 3 bildet.
  • Die 7 bis 11 zeigen verschiedene Ausführungsbeispiele einer Batterie B mit mehreren Batteriezellen 1 und einer unter den Batteriezellen 1 angeordneten Kühlplatte 2 aus elektrisch leitfähigem Material, beispielsweise aus Aluminium. Dabei zeigt 7 eine Seitenansicht einer Batterie B in einer perspektivischen Explosionsdarstellung, 8 zeigt eine Untersicht einer Batterie B in einer perspektivischen Explosionsdarstellung, und die 9 bis 11 zeigen jeweils eine Batterie B in einer Schnittdarstellung mit vertikaler Schnittebene.
  • Die Batteriezellen 1 sind jeweils im Wesentlichen baugleich mit den in den 1 bis 6 beschriebenen Batteriezellen 1 ausgebildet und weisen insbesondere jeweils eine entsprechende Berstscheibe 9 an der Bodenfläche 8 des Zellgehäuses 3 auf.
  • Die Kühlplatte 2 weist unterhalb jeder Batteriezelle 1 einen Durchbruch 17 mit einem kreisförmigen Querschnitt zur Aufnahme der Berstscheibe 9 der über dem Durchbruch 17 angeordneten Batteriezelle 1 auf, wenn sich deren Zellgehäuse 3 im Bereich der Berstscheibe 9 öffnet.
  • Zwischen den Batteriezellen 1 sind stabförmige Wärmeleitelemente 13 mit einer dreieckigen Querschnittsfläche angeordnet, die mit einem unteren Ende auf der Kühlplatte aufliegen und vorteilhaft Wärme aus den Batteriezellen 1 zu der Kühlplatte 2 ableiten.
  • Der gesamte aus den Batteriezellen 1 gebildete Zellenverbund ist mit einem Hüllblech 12 umgeben, das an einem unteren Ende an den Seitenflächen der Kühlplatte 2 angebracht ist, und mit einer elektrisch isolierenden Vergussmasse 21, beispielsweise Epoxydharz oder Polyurethan, ausgegossen. Die Vergussmasse 21 erhöht vorteilhaft die Stabilität des Zellenverbundes und die Wärmeleitung von den Batteriezellen 1 zu der Kühlplatte 2.
  • Bei der in 9 dargestellten Batterie B sind die Wandungen 18 der Durchbrüche 17 mit einer elektrisch isolierenden Lackierung 19 lackiert. Alternativ können sie beispielsweise mit einer elektrisch isolierenden Pulverbeschichtung beschichtet sein. Auf diese Weise wird vorteilhaft ein elektrischer Kontakt der Kühlplatte 2 mit einer Berstscheibe 9 verhindert, wenn sich das Zellgehäuse 3 im Bereich der Berstscheibe 9 öffnet.
  • Bei der in 10 dargestellten Batterie B sind die Wandungen 18 der Durchbrüche 17 mit der Vergussmasse 21 beschichtet. Dazu wird beim Vergießen der Vergussmasse 21 in jeden Durchbruch 17 ein Vergussstopfen 20 mit kreisförmiger Querschnittsfläche gesteckt. Dabei ist die Querschnittsfläche des Vergussstopfens 20 kleiner als die Querschnittfläche des Durchbruchs 17, so dass zwischen der Wandung 18 des Durchbruchs 17 und der seitlichen Oberfläche des Vergussstopfens 20 ein Spalt verbleibt, in den Vergussmasse 21 eindringen kann. Nach dem Vergießen der Vergussmasse 21 werden die Vergussstopfen 20 wieder aus den Durchbrüchen 17 entfernt. Auf diese Weise wird vorteilhaft ein elektrischer Kontakt der Kühlplatte 2 mit einer Berstscheibe 9 verhindert, wenn sich das Zellgehäuse 3 im Bereich der Berstscheibe 9 öffnet.
  • Bei dem in 11 dargestellten Ausführungsbeispiel einer Batterie B sind die Durchbrüche 17 der Kühlplatte 2 im Unterschied zu dem in 10 dargestellten Ausführungsbeispiel gestuft ausgebildet, so dass ihre kreisförmigen Querschnittsflächen in einem oberen Bereich größer als in einem unteren Bereich sind. Dabei korrespondiert die Querschnittsfläche in dem unteren Bereich zu der des jeweiligen Vergussstopfens 20, der beim Vergießen mit Vergussmasse 21 in den Durchbruch 17 gesteckt wird. Dadurch wird beim Vergießen mit Vergussmasse 21 nur der obere Teil der Wandung 18 des Durchbruchs 17 mit Vergussmasse 21 beschichtet. Auf diese Weise wird gegenüber dem in 10 dargestellten Ausführungsbeispiel vorteilhaft Vergussmasse 21 eingespart und die Fixierung der Vergussstopfen 20 beim Vergießen der Vergussmasse 21 vereinfacht.
    • B
    Batterie
    1
    Batteriezelle
    2
    Kühlplatte
    3
    Zellgehäuse
    4
    Batteriegehäuseunterteil
    5
    Zellgehäusedeckel
    6.1
    erster Polkontakt
    6.2
    zweiter Polkontakt
    7
    Zellverbinder
    8
    Bodenfläche eines Zellgehäuses
    9
    Berstscheibe
    10
    Batteriegehäuseboden
    11
    elektrisch isolierende Folie
    12
    Hüllblech
    13
    Wärmeleitelement
    14
    Dichtung
    15
    Unterlegscheibe
    16
    Ausbuchtung
    17
    Durchbruch
    18
    Wandung eines Durchbruchs
    19
    Lackierung
    20
    Vergussstopfen
    21
    Vergussmasse
  • ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
  • Diese Liste der vom Anmelder aufgeführten Dokumente wurde automatisiert erzeugt und ist ausschließlich zur besseren Information des Lesers aufgenommen. Die Liste ist nicht Bestandteil der deutschen Patent- bzw. Gebrauchsmusteranmeldung. Das DPMA übernimmt keinerlei Haftung für etwaige Fehler oder Auslassungen.
  • Zitierte Patentliteratur
    • - DE 102006025535 A1 [0009]

Claims (7)

  1. Batterie (B) mit wenigstens einer Batteriezelle (1), welche ein Zellgehäuse (3) mit einer Berstscheibe (9) aufweist, und mit einer Berstscheibenumgebung zur Aufnahme der Berstscheibe (9), wenn sich das Zellgehäuse (3) im Bereich der Berstscheibe (9) öffnet, wobei sich wenigstens ein Bauteil aus elektrisch leitfähigem Material in die Berstscheibenumgebung erstreckt, dadurch gekennzeichnet, dass das wenigstens eine Bauteil aus elektrisch leitfähigem Material im Bereich der Berstscheibenumgebung elektrisch isoliert ist.
  2. Batterie (B) nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das wenigstens eine Bauteil aus elektrisch leitfähigem Material im Bereich der Berstscheibenumgebung mit einer aufgeklebten elektrisch isolierenden Folie (11) beklebt ist.
  3. Batterie (B) nach Anspruch 1 dadurch gekennzeichnet, dass das wenigstens eine Bauteil aus elektrisch leitfähigem Material im Bereich der Berstscheibenumgebung mit einer elektrisch isolierenden Lackierung (19) lackiert ist.
  4. Batterie (B) nach Anspruch 1 dadurch gekennzeichnet, dass das wenigstens eine Bauteil aus elektrisch leitfähigem Material im Bereich der Berstscheibenumgebung mit einer elektrisch isolierenden Pulverbeschichtung beschichtet ist.
  5. Batterie (B) nach Anspruch 1 dadurch gekennzeichnet, dass das wenigstens eine Bauteil aus elektrisch leitfähigem Material im Bereich der Berstscheibenumgebung mit einer elektrisch isolierenden Vergussmasse (21) beschichtet ist.
  6. Batterie (B) nach Anspruch 1 dadurch gekennzeichnet, dass das wenigstens eine Bauteil aus elektrisch leitfähigem Material ein Batteriegehäuse der Batterie (B) oder Teil eines Batteriegehäuses der Batterie (B) ist.
  7. Batterie (B) nach Anspruch 1 dadurch gekennzeichnet, dass das wenigstens eine Bauteil aus elektrisch leitfähigem Material eine Kühlplatte (2) zur Kühlung von Batteriezellen (1) ist.
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