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Die vorliegende Erfindung betrifft eine Batterie, insbesondere eine Lithium-Ionen-Batterie. Im Besonderen betrifft sie dabei eine Batterie für den Einsatz in Fahrzeugen, insbesondere Kraftfahrzeugen und insbesondere solchen Kraftfahrzeugen, die elektromotorisch angetrieben sind, wozu unter anderem vollständig elektromotorisch angetriebene Fahrzeuge oder sogenannte Hybridfahrzeuge zählen. Des Weiteren betrifft die vorliegende Erfindung auch ein solches Fahrzeug mit einer solchen Batterie.
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Bei der Verwendung von Lithium-Ionen-Batterien, aber auch anderen Batterien, kann es zum Beispiel im Fall von Überladungen zu einer Kathodenzersetzung und der Freisetzung von starken Oxidationsmitteln kommen, was zu einer starken exothermen Reaktion mit Elektrolyten führen kann. Bei diesem Prozess werden heiße Gase entwickelt, die den Druck im Batteriezelleninnenraum erhöhen. Dieser Druck kann zu einem sogenannten thermischen Durchgehen, das auch als „thermal runaway” bezeichnet wird, führen. Zu diesem Zweck sind die einzelnen Batteriezellen mit einer Entgasungseinrichtung versehen, die bei einem bestimmten Druck das Gehäuse der Zelle öffnet. Diese Sicherheitseinrichtungen bzw. Entgasungseinrichtungen werden vielfach auch als „safety vent” bezeichnet. Sie sind notwendig, um eine Explosion der einzelnen Zelle zu verhindern. Das Problem ist jedoch, dass die freigegebenen Gase, die zum Beispiel Elektrolyt enthalten können und mit Wasser zu Flusssäure reagieren, nicht in den Fahrzeuginnenraum gelangen dürfen. Daher müssen diese Gase kontrolliert und gezielt abgeführt werden. Hierfür kommen in der Regel Batteriemoduldeckel zum Einsatz, die über Kanäle und verzweigte Systeme die entstehenden Gase abführen. Hierbei sind mehrere Batteriezellen zu einem Batteriemodul zusammengefasst und die Batteriemoduldeckel setzen in der Regel direkt auf den Gehäusen der Batteriezellen auf.
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Es entsteht das Problem, dass die Moduldeckel in der Regel nicht so vorgesehen werden können, dass die einzelnen Batteriezellen eines Batteriemoduls insgesamt hermetisch abgedichtet sind. Dadurch kann nicht zuverlässig ausgeschlossen werden, dass im Falle eines thermischen Durchgehens giftige Gase unkontrolliert abgeführt werden und auch in den Fahrzeuginnenraum gelangen mit der Gefahr für Insassen und Fahrzeug. Ferner werden diskrete Gasführungen zu den einzelnen Batteriemodulen geschaffen mit vielen Teilen und einem hohen Montageaufwand.
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Dadurch ist das bestehende System relativ komplex und aufwändig und erfordert zusätzlichen Bauraum in den beengten Verhältnissen eines Fahrzeugs.
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Vor dem Hintergrund der obigen Ausführungen besteht die Aufgabe der vorliegenden Erfindung darin, eine Batterie zu schaffen, die im Falle eines thermischen Durchgehens das gezielte Abführen von dabei entstehenden Gasen zuverlässiger ermöglicht und dabei mit weniger Teilen und geringerem Montageaufwand auskommt.
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Diese Aufgabe wird durch eine Batterie mit den Merkmalen des Anspruchs 1 gelöst. Vorteilhafte Weiterbildungen der vorliegenden Erfindung ergeben sich aus den Unteransprüchen, der folgenden Beschreibung sowie der Zeichnung.
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Der Grundgedanke der vorliegenden Erfindung liegt darin, nicht mehrere diskrete Gasführungen zu den einzelnen Batteriezellenmodulen bzw. Batteriezellen zu schaffen, sondern alle Batteriezellen bzw. alle Batteriezellenmodule, die jeweils aus mehreren Batteriezellen bestehen, in einem gemeinsamen Gehäuse hermetisch bzw. gasdicht einzuschließen und dieses Gehäuse dann mit einer gemeinsamen Entgasungseinrichtung bzw. Entlüftung zu versehen. Dadurch kann auf ein komplexes System aus Kanälen (Röhren oder Schläuchen), welche zusätzlichen Bauraum erfordern, verzichtet werden.
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Dementsprechend definiert die vorliegende Erfindung eine Batterie, insbesondere eine Lithium-Ionen-Batterie. Diese ist insbesondere für den Einsatz in Fahrzeugen, im Besonderen Kraftfahrzeugen, ausgestaltet und kommt bevorzugt in elektromotorisch angetriebenen Fahrzeugen, besonders bevorzugt Elektrofahrzeugen oder Hybridfahrzeugen, zum Einsatz. Die Batterie umfasst mehrere Batteriezellen. In einer besonders bevorzugten Ausführungsform umfasst sie mehrere Batteriezellenmodule, in denen jeweils mehrere Batteriezellen zusammengefasst sind. Die Batteriezellen setzen sich jeweils aus einem Gehäuse und einem elektrischen Anschluss zusammen, um die Batteriezellen elektrisch zu verbinden bzw. zusammen zu schließen. Ferner weisen die Batteriezellen vorzugsweise eine Entgasungseinrichtung in Form bekannter „safety vents” bzw. Entlüftungsöffnungen auf, die bei einem gewissen Überdruck im Gehäuse der Batteriezelle automatisch öffnen. Hier können Rückschlagventile oder Sollbruchstellen zum Einsatz kommen. Erfindungsgemäß werden mehrere, insbesondere alle Batteriezellen der Batterie in einem gemeinsamen Gehäuse aufgenommen, wobei das Gehäuse die Batteriezellen vollständig umgibt. Das Gehäuse weist eine Entgasungsöffnung und bevorzugt nur eine solche Entgasungsöffnung auf. Dieser Entgasungsöffnung ist ein Rückschlagventil zugeordnet, das bei einem Überdruck im Gehäuse öffnet. Erfindungsgemäß sind in dem Gehäuse außer der Entgasungsöffnung keine sonstigen Öffnungen oder Fluidverbindungen nach außen vorgesehen, das heißt, das Gehäuse umschließt die Batteriezellen ansonsten (außer der Entgasungsöffnung) hermetisch, was bedeutet gas- und flüssigkeitsdicht. Im Falle eines thermischen Durchgehens einer oder mehrerer Batteriezellen gelangt dabei entstehendes Gas aus den Batteriezellengehäusen in das Innere des Gehäuses, das heißt in das Volumen zwischen dem Gehäuse und den Batteriezellengehäusen. Das Volumen der Batteriezellengehäuse kann unmittelbar oder über Kanäle oder gemeinsame Führungen mit dem Inneren, das heißt dem Volumen des Gehäuses verbunden sein, so dass die Entgasungseinrichtungen in Fluidkommunikation mit dem Volumen des Gehäuses stehen. Dort werden die Gase temporär aufgenommen. Dadurch erhöht sich der Druck im Gehäuse und das Rückschlagventil öffnet sobald ein bestimmter Überdruck herrscht, so dass die Gase gezielt über eine einzelne Schnittstelle abgeführt werden können.
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Aufgrund von Temperaturschwankungen und Feuchtigkeit kann es zur Kondensatbildung in dem Gehäuse kommen. Um auch dieses Kondensat aus dem Gehäuse über die gleiche Öffnung, die Entgasungsöffnung, abführen zu können, ist es bevorzugt die Entgasungsöffnung an einem tiefsten Punkt des Gehäuses anzuordnen, an dem sich tendenziell Kondensat sammeln würde. Dabei ist selbstverständlich die Ausrichtung der Batterie bei im Fahrzeug montierter Batterie zu berücksichtigen. Bei dieser Anordnung ist es möglich die Entgasungsöffnung multifunktional, nämlich einerseits zur gezielten Abführung von Gasen bei einem thermischen Durchgehen und zur Kondensatabfuhr aus dem Batteriegehäuse zu nutzen.
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Darüber hinaus ist es auch wichtig zu vermeiden, dass sogenanntes Schwallwasser von außen in das Gehäuse eintritt. Zu diesem Zweck kann es vorteilhaft sein, dass sich an die Entgasungsöffnung ein Entgasungsanschluss bzw. Entgasungsstutzen anschließt. Dieser Entgasungsanschluss kann beispielsweise als Rohrstutzen ausgebildet sein. Er weist vorteilhafterweise eine Anschlussöffnung zum Anschluss an die Entgasungsöffnung sowie eine Abführöffnung zum Verbinden mit einer Entgasungsleitung auf. Um den Weg zur Entgasungsöffnung zu verlängern bzw. Schwallwasser daran zu hindern in den Bereich der Entgasungsöffnung zu gelangen, kann es vorteilhaft sein die Abführöffnung in einem Winkel zur Entgasungsöffnung anzuordnen. Vorzugsweise liegt der Winkel zwischen 75° und 105°, bevorzugt 80° und 100° und am meisten bevorzugt 90°. Sprich, die Mittelachsen der Entgasungsöffnung und der Abführöffnung stehen in einem Winkel zueinander oder anders ausgedrückt, die durch die Abführöffnung bzw. Entgasungsöffnung gebildeten Ebenen schneiden einander. Dadurch muss etwaiges Schwallwasser „um die Kurve” und die Wahrscheinlichkeit eines Eindringens kann weiter verhindert werden. Gleichzeitig verhindert dieses Rückschlagventil auch das Eindringen von anderen Fremdstoffen, wie beispielsweise Insekten, und kann somit das Einnisten dieser Insekten im Gehäuse vermeiden.
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Aus Montagegründen und um die Anzahl der Teile zu verringern kann es vorteilhaft sein, Teile des Rückschlagventils einstöckig, das heißt materialeinheitlich bzw. integral, mit dem Entgasungsanschluss auszubilden, insbesondere wenn dieser als Rohrstutzen ausgebildet ist. Besonders bevorzugt ist es hierbei die translatorische Führung des Ventilglieds, zum Beispiel in Form einer hohlzylindrischen Ansatzes, integral zu gestalten.
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Darüber hinaus ist es bevorzugt, dass die Schließkraft des Rückschlagventils in einem Winkel zur Mittelachse der Abführöffnung, bevorzugt parallel zur Mittelachse der Entgasungsöffnung in dem Gehäuse wirkt. Dadurch kann, wie es später beschrieben wird, eine sehr geringe Schließkraft eingestellt werden.
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Um bei dem erfindungsgemäßen Gehäuse temperaturbedingte Druckänderungen ausgleichen zu können, sei es einen Unterdruck oder einen Überdruck in dem Gehäuse, ist es bevorzugt, das Rückschlagventil mit einem Ventilglied und einem Ventilsitz auszugestalten und das Ventilglied mit so geringer Kraft gegen den Ventilsitz zu beaufschlagen, beispielsweise durch ein Federelement, dass das Rückschlagventil nicht dicht (insbesondere nicht luftdicht) auf dem Ventilsitz aufliegt. Dies führt dazu, dass das Rückschlagventil für geringe Mediengeschwindigkeiten in beide Richtungen durchlässig ist. Vorteilhafterweise wird das Totvolumen im Gehäuse möglichst klein gehalten, so dass selbst bei Temperaturschwankungen nur ein geringer Volumenausgleich und damit Luftaustausch erforderlich wird. Erst bei höheren Luft- bzw. Wasserfließgeschwindigkeiten erfolgt ein vollständiges Abdichten des Ventilsitzes.
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Dadurch kann das Rückschlagventil auch die sonst verwendeten Druckausgleichselemente ersetzen und erhält dadurch eine Dreifachfunktion. Zum einen dient es der Entgasung bei einem thermischen Durchgehen einer oder mehrerer Batteriezellen (das Ventil wird durch Gasdruck geöffnet), zum anderen der Kondensatabfuhr, sowie ferner des Druckausgleichs bei Temperaturschwankungen (das Ventil ist infolge der geringen Federkraft nicht 100% dicht), das heißt dem Luftaustausch von innen nach außen und umgekehrt. Schließlich dient es auch dazu Schwallwasser (der anstehende Wasserdruck unterstützt de Federkraft und führt zum Abdichten des Ventilsitzes) sowie andere Fremdkörper, wie beispielsweise Insekten, daran zu hindern in das Gehäuse einzutreten (da der Ventilsitz keinen Spalt aufweist).
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Vorzugsweise ist dabei die Schließkraft so ausgelegt, dass das Rückschlagventil ab einem Überdruck im Gehäuse in einem Bereich zwischen 0,005 bar und 0,10 bar, bevorzugt 0,007 bar und 0,02 bar, am meisten bevorzugt 0,01 bar öffnet.
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Neben der Batterie betrifft die vorliegende Erfindung auch ein Fahrzeug mit einer solchen Batterie, insbesondere ein Elektrofahrzeug oder ein Hybridfahrzeug. Dabei ist bevorzugt eine Entgasungsleitung in Fluidverbindung an die Entgasungsöffnung anzuschließen, die das Innere des Gehäuses mit der Umgebung des Fahrzeugs verbindet. Beispielsweise kann die Entgasungsleitung über eine geeignete Tülle durch die Karosserie des Fahrzeugs nach außen führen.
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Weitere Vorteile und Merkmale der vorliegenden Erfindung, die alleinstehend oder in Kombination mit einem oder mehreren der oben genannten Merkmale umgesetzt werden können, es sei denn die Merkmale widersprechen einander, sind aus der folgenden Beschreibung einer bevorzugten Ausführungsform ersichtlich. Diese erfolgt unter Bezugnahme auf die begleitende Zeichnung.
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Die Zeichnung zeigt in
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1 eine erfindungsgemäße Batterie in einem Teilschnitt.
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In 1 sind nur zwei der mehreren Batteriezellen 10 schematisch dargestellt. Diese sind in einem ebenfalls nur teilweise dargestellten Gehäuse 20 bzw. dessen Innenraum 1 hermetisch eingeschlossen. Die einzige Fluidkommunikation erfolgt über die im Folgenden näher beschriebene Entgasungsöffnung 25. Die Batteriezellen 10 können auch zu mehreren Batteriezellenmodulen zusammengefasst sein.
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Bei der dargestellten Ausführungsform sitzt die erwähnte Entgasungsöffnung 25 im Boden des Gehäuses 20 und damit im eingebauten Zustand der Batterie an einem tiefsten Punkt des Gehäuses. An die Entgasungsöffnung 25 schließt sich ein Entgasungsanschluss 21 an. Dieser ist mit einer Einführöffnung an der Entgasungsöffnung 25 im Gehäuse angeschlossen und weist eine Abführöffnung 34 auf. Dabei ist der Entgasungsausschluss als Rohrstutzen 22, insbesondere als gewinkelter Rohrstutzen ausgestaltet. Dadurch verlaufen die Mittelachse M1 der Einführöffnung bzw. der Entgasungsöffnung 25 in einem Winkel (hier einem rechten Winkel) zur Mittelachse M2 der Abführöffnung 34. Im Bereich der Entgasungsöffnung 25 ist ein Rückschlagventil 23 angeordnet.
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Das Rückschlagventil 23 weist einen Ventilsitz 24 auf, der im Bereich der Entgasungsöffnung 25 bzw. Einführöffnung mit der Innenwand des Rohrstutzens 22 verbunden ist. Ferner ist ein Ventilglied 26 vorgesehen. Dieses setzt sich aus einem zylindrischen Führungsabschnitt 31 sowie einem pilzförmigen Kopfabschnitt 32 zusammen. Integral, das heißt einstückig, mit dem Rohrstutzen 22 ist ferner ein zylindrischer Ansatz 29 vorgesehen, der eine Führungsöffnung 30 aufweist. In dieser Führungsöffnung 30 ist translatorisch parallel zur Mittelachse M1 der Entgasungsöffnung 25 bzw. Einführöffnung der zylindrische Abschnitt 31 des Ventilglieds 26 aufgenommen. Zwischen dem pilzförmigen Abschnitt 32 und einer Schulter 35 des Ansatzes 29 ist ein elastisches Element, hier eine Druckfeder 28, angeordnet. Diese beaufschlagt das Ventilglied 26 und insbesondere deren Kopfabschnitt 32 in Richtung des Ventilsitzes 24 mit einer Kraft. Dadurch kommt die Kante des Ventilsitzes 24 in Kontakt mit einer Kante des Ventilglieds 26, insbesondere dessen Kopfabschnitt 32.
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Über die Kombination der Parameter Federkraft, Shorehärte und Oberflächenrauhigkeit des Ventilsitzes (insbesondere der Dichtkante) und Oberflächengüte des Ventilglieds wird eine ”Leckrate” erzielt, die in der Lage ist, Unterdruck innerhalb des Gehäuses auszuschließen. Ebenso soll ein Auslaufen von Kondenswasser durch den Dichtsitz 27 gewährleistet sein.
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Vor diesem Hintergrund öffnet das Rückschlagventil 23 bereits bei sehr geringen Überdrücken, die vorzugsweise zwischen 0,005 bar und 0,10 bar, bevorzugt 0,007 bar und 0,02 bar, am bei der bevorzugten Ausführungsform 0,01 bar liegen.
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Ferner weist der Rohrstutzen 22 an seiner Abführöffnung 34 eine Anschlussmöglichkeit 33 zum Anschließen einer Entgasungsleitung auf. Diese führt vorzugsweise gegebenenfalls über eine Tülle durch die Karosserie des Fahrzeugs nach außen, um ein Abführen der in dem Gehäuse 1 entstehenden Gase an die Umgebung und damit aus dem Gefahrenbereich von Fahrzeug und Fahrzeuginsassen ableiten zu können.
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Die Batteriezellen 10 weisen jeweils bekannte Entgasungseinrichtungen mit Rückschlagventil oder Sollbruchstelle oder anderen geeigneten Möglichkeiten auf, um bei einem thermischen Durchgehen eine Explosion der Batteriezellen 10 zu verhindern. Dadurch kann Gas aus dem Batteriezellengehäuse in das Innere 1 des Gehäuses 20 ausströmen. Ferner sind elektrische Anschlüsse zum Verbinden der Batteriezellen miteinander vorgesehen.
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Bei einem thermischen Durchgehen wird damit die Entgasungseinrichtung der jeweiligen Batteriezelle 10 geöffnet und Gas kann in das Innere 1 des Gehäuses 20 strömen. Steigt der Druck innerhalb des Gehäuses an, so öffnet bei der beispielhaften Ausführungsform ab einem Druck von 0,01 bar das Rückschlagventil 23, in dem das Ventilglied 26 entgegen der Federkraft der Feder 28 in 1 nach außen gedrückt wird und sich vom Ventilsitz 24 an der Stelle 27 abhebt. Dadurch kann Gas aus dem Gehäuse 1 über den Rohrstutzen 22 und die Abführöffnung 34 in die nicht dargestellte Entgasungsleitung abgeführt und nach außen geleitet werden.
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Ferner ermöglicht das nicht dichtschließende Rückschlagventil 23 einen Luftaustausch zwischen dem Gehäuseinneren 1 und der Umgebung, in dem bei einem Unterdruck im Inneren 1 des Gehäuses 20 Luft von außen über den Ventilsitz 27 nach innen strömen kann, während bei geringen Überdrücken Luft auch von innerhalb des Gehäuses 1 entlang des Ventils 27 nach außen strömbar ist bzw. das Ventilglied geringfügig abhebt, um Ausströmen zu können, wenn die Überdrücke ausreichen. Des Weiteren ist es möglich über das Rückschlagventil Kondenswasser abzuführen, in dem das Kondenswasser durch den nicht dichtenden Sitz zwischen Ventilglied 26 und Ventilsitz 24 hindurchfließen kann.
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Andererseits verändert das Rückschlagventil ein Eintreten von Fremdstoffen, insbesondere Schwallwasser und Insekten in das Innere des Gehäuses 1.
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Dadurch können viele üblicherweise separat eingesetzte Teile eingespart werden bzw. werden sie in einem Teil, der Entgasungsöffnung mit dem Entgasungsanschluss und dem darin angeordneten Rückschlagventil vereint.
