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Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Herstellung einer Anbindung einer Entgasungseinrichtung an wenigstens eine Batteriezelle, wobei die wenigstens eine Batteriezelle von einem Zellgehäuse umgeben ist und ein Sicherheitsventil zum Schutz der Batteriezelle vor schädigendem Überdruck aufweist. Insbesondere betrifft die Erfindung ein Verfahren zur Herstellung einer Anbindung einer Entgasungseinrichtung an eine Mehrzahl von Batteriezellen.
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Des Weiteren betrifft die Erfindung ein Batteriesystem mit wenigstens einer Batteriezelle und einer an die wenigstens eine Batteriezelle angebundenen Entgasungseinrichtung, wobei die wenigstens eine Batteriezelle von einem Zellgehäuse umgeben ist und ein Sicherheitsventil aufweist.
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Stand der Technik
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Batteriezellen, wie insbesondere nachladbare Lithium-Ionen-Zellen, sind als Energiespeicher von großer Bedeutung, beispielsweise um elektrische Energie für den Betrieb von Hybrid-, Plug-In-Hybrid- oder Elektrofahrzeugen bereitzustellen. Die Batteriezellen sind dabei in der Regel zu Batteriemodulen elektrisch verschaltet und Bestandteil von Batteriesystemen.
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Insbesondere aufgrund von Störungen, wie einem Überladen der Batteriezellen, einem Tiefenentladen der Batteriezellen, einem Kurzschluss der Batteriezellen oder hohen Umgebungstemperaturen, kann es zu einer derart starken Erwärmung der betroffenen Batteriezelle kommen, dass der Elektrolyt dieser
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Batteriezelle in einen gasförmigen Zustand übergeht, wodurch sich innerhalb kurzer Zeit der Druck innerhalb der Batteriezelle stark erhöht. Um ein Platzen der betroffenen Batteriezelle zu verhindern, ist es bekannt, Batteriezellen mit einem Sicherheitsventil auszustatten, welches bei einem vorbestimmten Zellinnendruck öffnet und ein Entweichen des verdampften Elektrolyten sowie gegebenenfalls weiterer gebildeter Zersetzungsprodukte ermöglicht. Ein solches Sicherheitsventil kann insbesondere als eine in eine Ventilöffnung eingesetzte Berstscheibe ausgebildet sein, welche bei einem definierten Berstdruck zerbirst und somit die Ventilöffnung freigibt. Eine Lithium-Ionen-Zelle mit einem solchen Sicherheitsventil ist beispielsweise aus der Druckschrift
DE 103 28 862 B4 bekannt.
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Öffnet das Sicherheitsventil einer Batteriezelle infolge eines solchen Druckanstiegs, so tritt der verdampfte Elektrolyt gegebenenfalls zusammen mit weiteren Zersetzungsprodukten als Aerosol mit hoher Geschwindigkeit druckstoßartig aus der betroffenen Batteriezelle aus. Das austretende Aerosol kann dabei insbesondere Bestandteile wie Kohlenmonoxid (CO), Wasserstoff (H
2), Fluorwasserstoff (HF) und/oder weitere Bestandteile umfassen, die mit einem Druck von bis zu 10 bar und einer Temperatur von unter Umständen mehr als 500°C aus dem Sicherheitsventil entweichen. Hierbei kann eine Aerosolmenge von beispielsweise 200 Litern freigesetzt werden. Damit sich ein von einer Batteriezelle freigesetztes Aerosol nicht unkontrolliert ausbreitet, und bei Einsatz von Batteriezellen in einem Fahrzeug ein von einer Batteriezelle freigesetztes Aerosol insbesondere nicht in den Fahrgastraum gelangt, ist es bekannt, das freigesetzte Aerosol mittels eines Entgasungssystems kontrolliert abzuleiten. In der Druckschrift
DE 10 2011 002 631 A1 wird hierzu ein Deckel mit einem Gasaufnahmeraum als Entgasungssystem offenbart.
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Problematisch ist dabei die Anbindung einer solchen Entgasungseinrichtung an die Batteriezellen eines Batteriesystems. Einerseits können sich die Zellgehäuse der Batteriezellen im Laufe der Zeit aufgrund von in den Batteriezellen ablaufenden chemischen Prozessen verformen, wodurch die Anbindung mechanisch belastet wird und eine Dichtigkeit der Anbindung schwer sicherzustellen ist. Zudem wird die Anbindung der Entgasungseinrichtung an die Batteriezellen aufgrund der hohen Temperatur eines von einer Batteriezelle bei einer Entgasung freigesetzten Gases beziehungsweise Aerosols und des bei einer Entgasung auftretenden Druckstoßes mechanisch stark beansprucht. Daher müssen bislang für eine dauerhaft dichte Anbindung einer Entgasungseinrichtung an wenigstens eine Batteriezelle hohe Kontaktkräfte aufgebracht und aufwendige Dichtungen vorgesehen werden.
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Vor diesem Hintergrund ist es eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung die Anbindung einer Entgasungseinrichtung an wenigstens eine Batteriezelle zu verbessern, insbesondere dahingehend, dass die Anbindung vereinfacht wird und vorteilhafterweise dennoch eine äußerst dichte Anbindung bereitgestellt ist.
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Offenbarung der Erfindung
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Zur Lösung der Aufgabe wird ein Verfahren zur Herstellung einer Anbindung einer Entgasungseinrichtung an wenigstens eine Batteriezelle, wobei die wenigstens eine Batteriezelle von einem Zellgehäuse umgeben ist und ein Sicherheitsventil zum Schutz der Batteriezelle vor schädigendem Überdruck aufweist, vorgeschlagen. Dabei wird in einem Verfahrensschritt das Zellgehäuse der wenigstens einen Batteriezelle derart ausgebildet, dass das Zellgehäuse einen das Sicherheitsventil umgebenden hülsenartigen Anschlussstutzen mit einem freien Ende aufweist. In einem weiteren Verfahrensschritt wird die Entgasungseinrichtung derart ausgebildet, dass die Entgasungseinrichtung jeweils korrespondierend zu dem Anschlussstutzen der wenigstens einen Batteriezelle eine Öffnung aufweist, wobei die Öffnung von einem Rand eingefasst ist. In einem weiteren Verfahrensschritt wird die Entgasungseinrichtung derart angeordnet, dass der Anschlussstutzen der wenigstens einen Batteriezelle jeweils durch die korrespondierend ausgebildete Öffnung der Entgasungseinrichtung ragt. In einem weiteren Verfahrensschritt wird das freie Ende des Anschlussstutzens der wenigstens einen Batteriezelle und/oder der die Öffnung einfassende Rand derart umgeformt, dass das umgeformte freie Ende und der die Öffnung einfassende Rand einander hintergreifen. Vorzugsweise wird das freie Ende des Anschlussstutzens und/oder der die Öffnung einfassende Rand derart umgeformt, dass das freie Ende parallel zu dem Rand der Öffnung, durch die der Anschlussstutzen ragt, ausgerichtet ist. Insbesondere ist gemäß einer vorteilhaften Ausgestaltung vorgesehen, dass der freie Rand des Anschlussstutzens nach außen umgeformt wird.
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Durch das Umformen des freien Endes des Anschlussstutzens ist ein Lösen der Entgasungseinrichtung von dem Anschlussstutzen der wenigstens einen Batteriezelle vorteilhafterweise verhindert. Insbesondere ist vorgesehen, dass eine Entgasungseinrichtung an eine Mehrzahl von Batteriezellen angebunden wird, wobei jede der Batteriezellen einen um das jeweilige Sicherheitsventil der Batteriezelle angeordneten Anschlussstutzen aufweist. Die Entgasungseinrichtung wird vorteilhafterweise derart ausgebildet, dass diese so viele Öffnungen wie Anschlussstutzen aufweist. Insbesondere wird die Entgasungseinrichtung derart ausgebildet, dass bei einer üblichen Anordnung von Batteriezellen, insbesondere einer Verschaltung von mehreren Batteriezellen zu einem Batteriemodul, die Entgasungseinrichtung derart an den Batteriezellen angeordnet werden kann, dass ein Anschlussstutzen einer Batteriezelle jeweils durch eine korrespondierend ausgebildete Öffnung der Entgasungseinrichtung ragt. Vorteilhafterweise ist die Entgasungseinrichtung derart ausgebildet, dass diese einen im Wesentlichen geschlossenen Raum zur Aufnahme von von einer oder mehreren Batteriezellen freigesetztem Gas beziehungsweise Aerosol aufweist. Insbesondere ist vorgesehen, dass die Entgasungseinrichtung mehrteilig ausgebildet ist, wobei die Entgasungseinrichtung vorzugsweise einen ersten halbschalenartig ausgebildeten Teil und einen zweiten halbschalenartig ausgebildeten Teil, die aneinander anordbar sind, umfasst. Als Batteriezellen sind insbesondere nachladbare Lithium-Ionen-Zellen vorgesehen, vorzugsweise prismatisch ausgebildete Lithium-Ionen-Zellen.
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Die Anbindung einer Entgasungseinrichtung an wenigstens eine Batteriezelle gemäß dem erfindungsgemäßen Verfahren, kann insbesondere derart erfolgen, dass die Entgasungseinrichtung in Ausrichtung des Anschlussstutzens der wenigstens einen Batteriezelle bewegbar ist. Diese Bewegbarkeit ist dabei einerseits durch das Zellgehäuse der wenigstens einen Batteriezelle und andererseits durch das umgeformte freie Ende des Anschlussstutzens der wenigstens einen Batteriezelle eingeschränkt. Da insbesondere vorgesehen ist, dass die Entgasungseinrichtung auf der wenigstens einen Batteriezelle angeordnet ist, wird die Entgasungseinrichtung bei Normalbetrieb der wenigstens einen Batteriezelle, das heißt, wenn keine Entgasung der wenigstens einen Batteriezelle erfolgt, vorteilhafterweise auf dem Zellgehäuse der wenigstens einen Batteriezelle beziehungsweise einer gesondert vorgesehenen Auflage, aufliegen. Eine vollkommen dichte Verbindung zwischen dem Anschlussstutzen der wenigstens einen Batteriezelle und der Öffnung der Entgasungseinrichtung, durch welche der Anschlussstutzen ragt, ist dabei bei Normalbetrieb nicht unbedingt erforderlich.
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Vielmehr liegt der Erfindung die Erkenntnis zugrunde, dass die Anbindung einer Entgasungseinrichtung an wenigstens eine Batteriezelle üblicherweise nur im Fall einer Entgasung einer oder mehrerer Batteriezellen dicht sein muss. Das heißt, dass die Anbindung der Entgasungseinrichtung an die wenigstens eine Batteriezelle vor einem Entgasungsereignis und/oder nach dem Ende eines Entgasungsereignisses nicht beziehungsweise nicht mehr gasdicht ausgebildet sein muss. Entscheidend ist, dass die Anbindung der Entgasungseinrichtung an die wenigstens eine Batteriezelle bei und insbesondere während einer Entgasung der wenigstens einen Batteriezelle dicht ist.
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Der vorliegenden Erfindung liegt daher der Gedanke zugrunde, den mit einem Entgasungsereignis verbundenen hohen Druck des mit hoher Geschwindigkeit aus dem geöffneten Sicherheitsventil einer Batteriezelle druckstoßartig entweichenden Gases beziehungsweise Aerosols zur Herstellung der Dichtigkeit der Anbindung der Entgasungseinrichtung an die wenigstens eine Batteriezelle zu nutzen. So ist vorteilhafterweise vorgesehen, dass im Fall einer Entgasung einer oder mehrerer Batteriezellen die Entgasungseinrichtung durch das mit hoher Geschwindigkeit druckstoßartig entweichende Gas beziehungsweise Aerosol entlang der Anschlussstutzen der Batteriezellen bewegt wird, bei einer bevorzugten Anordnung der Entgasungseinrichtung am oberen Ende der wenigstens einen Batteriezelle nach oben bewegt wird. Die Entgasungseinrichtung wird dann vorteilhafterweise durch die umgeformten freien Ende der Anschlussstutzen und/oder die die Öffnungen der Entgasungseinrichtung einfassenden, umgeformten Ränder in der Bewegung gestoppt. Durch den dabei hergestellten Schluss zwischen den umgeformten freien Enden der Anschlussstutzen und der Entgasungseinrichtung beziehungsweise dem Schluss zwischen den umgeformten freien Enden der Anschlussstutzen und den die Öffnungen der Entgasungseinrichtung einfassenden Rändern ist die Entgasungseinrichtung vorteilhafterweise gasdicht an den Batteriezellen angebunden.
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Da es in der Regel mit Beginn einer Entgasung einer oder mehrerer Batteriezellen zu einem mit Überschallgeschwindigkeit auftretenden Druckstoß kommt und der Entgasungsdruck auch nach erfolgter Entgasung mehrere Minuten größer als zwei bar ist, verbleibt die Entgasungseinrichtung zumindest über diesen Zeitraum dicht an die wenigstens eine Batteriezelle angebunden, sodass das freigesetzte Gas beziehungsweise Aerosol nicht entweichen kann, sondern kontrolliert von der entgasenden Batteriezelle über das Sicherheitsventil und den Anschlussstutzen in die Entgasungseinrichtung geleitet wird und vorzugsweise von dieser über eine Abführleitung abgeleitet wird.
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Zur weiter verbesserten Abdichtung der Anbindung der Entgasungseinrichtung an die wenigstens eine Batteriezelle ist insbesondere vorgesehen, dass ein Dichtelement die Öffnung der Entgasungseinrichtung umgebend an dem die Öffnung einfassenden Rand und/oder an dem umgeformten freien Ende des Anschlussstutzens der wenigstens einen Batteriezelle angeordnet ist. Vorteilhafterweise ist das Dichtelement derart ausgebildet und derart angeordnet, dass auch bei Normalbetrieb der wenigstens einen Batteriezelle die Entgasungseinrichtung dicht an die wenigstens eine Batteriezelle angebunden ist.
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Gemäß einer vorteilhaften Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Verfahrens ist vorgesehen, dass an dem Zellgehäuse der wenigstens einen Batteriezelle der Anschlussstutzen das Sicherheitsventil umgebend angeschweißt wird, sodass das Zellgehäuse einen das Sicherheitsventil umgebenden hülsenartigen Anschlussstutzen mit einem freien Ende aufweist. Insbesondere ist vorgesehen, dass das Zellgehäuse einen Zellgehäusedeckel aufweist, wobei der Anschlussstutzen an dem Zellgehäusedeckel des Zellgehäuses angeschweißt ist. Insbesondere ist vorgesehen, dass der wenigstens eine Anschlussstutzen aus Aluminium oder einer Aluminiumlegierung ist. Gemäß einer vorteilhaften Ausgestaltungsvariante des Verfahrens ist vorgesehen, dass das Zellgehäuse einen Zellgehäusedeckel aufweist, wobei der Zellgehäusedeckel mit dem Anschlussstutzen einteilig ausgebildet wird, insbesondere mittels eines Gießverfahrens.
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Ferner ist insbesondere vorgesehen, dass die Entgasungseinrichtung derart ausgebildet wird, dass die Entgasungseinrichtung jeweils korrespondierend zu dem Anschlussstutzen der wenigstens einen Batteriezelle einen ebenfalls hülsenförmig ausgebildeten Anschlussstutzen beziehungsweise Fortsatz aufweist, wobei dieser Fortsatz eine Öffnung mit einem die Öffnung einfassenden Rand aufweist. Der die Öffnung einfassende Rand dieses Fortsatzes der Entgasungseinrichtung kann insbesondere durch ein nach innen gerichtetes Umformen des freien Endes des Fortsatzes gebildet werden. Eine von einem Rand eingefasste Öffnung der Entgasungseinrichtung ist vorzugsweise gerade so groß, dass ein Anschlussstutzen einer Batteriezelle mit wenig Spiel durch diese hindurch passt, das heißt, der Öffnungsquerschnitt entspricht im Wesentlichen der Querschnittsfläche eines Anschlussstutzens.
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Gemäß einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltungsvariante des erfindungsgemäßen Verfahrens ist vorgesehen, dass zur Anbindung einer Mehrzahl von Batteriezellen an eine Entgasungseinrichtung wenigstens eine Platte mit einer Mehrzahl von Anschlussstutzen, wobei die Anzahl von Anschlussstutzen der Anzahl von Batteriezellen entspricht, auf den Zellgehäusen der Batteriezellen derart angeordnet wird, dass jedes der Zellgehäuse einen das Sicherheitsventil einer jeweiligen Batteriezelle umgebenden hülsenartigen Anschlussstutzen mit einem freien Ende aufweist. Insbesondere ist vorgesehen, dass die Platte als Lochblech ausgebildet ist, vorzugsweise als Lochblech aus einem nicht rostenden Stahl.
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Gemäß einer vorteilhaften Weiterbildung dieser erfindungsgemäßen Ausgestaltungsvariante des Verfahrens wird zwischen den Zellgehäusen der Batteriezellen und der wenigstens einen Platte mit der Mehrzahl von Anschlussstutzen wenigstens ein Dichtelement angeordnet. Das Dichtelement ist dabei vorzugsweise temperaturbeständig ausgebildet. Das Dichtelement dient vorteilhafterweise einerseits der verbesserten Abdichtung beim Anbinden der Platte an die Zellgehäuse der Batteriezellen und darüber hinaus vorteilhafterweise dem Ausgleich von Höhenunterschieden der Batteriezellen, da diese nicht immer die gleiche Höhe aufweisen und sich infolge der in den Batteriezellen ablaufenden chemischen Prozesse mit der Zeit verformen können. Das Dichtelement wird vorzugsweise mit den Zellgehäusen fest verbunden. Die Platte wird vorzugsweise mit dem Dichtelement fest verbunden. Gemäß einer vorteilhaften Ausgestaltung ist vorgesehen, dass das Dichtelement eine Gummischicht, insbesondere eine Gummimatte, mit einer Mehrzahl von durchgängigen Öffnungen ist, wobei die Gummischicht mit den Öffnungen die Sicherheitsventile umgebend auf den Zellgehäusen der Batteriezellen angeordnet wird. Besonders bevorzugt ist die Gummischicht ein temperaturbeständiges Gummilochvlies.
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Gemäß einer weiteren besonders vorteilhaften Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Verfahrens ist vorgesehen, dass die Entgasungseinrichtung wenigstens zweiteilig ausgebildet ist, wobei ein erster Teil der Entgasungseinrichtung die um den Anschlussstutzen der wenigstens einen Batteriezelle anzuordnende Öffnung aufweist und zumindest teilweise geöffnet ist, sodass die um den Anschlussstutzen der wenigstens einen Batteriezelle anzuordnende Öffnung frei zugänglich ist. Der erste Teil der Entgasungseinrichtung wird dabei derart angeordnet, dass der Anschlussstutzen der wenigstens einen Batteriezelle jeweils durch die korrespondierend ausgebildete Öffnung des ersten Teils der Entgasungseinrichtung ragt. In einem weiteren Verfahrensschritt wird dann das freie Ende des Anschlussstutzens der wenigstens einen Batteriezelle nach außen umgeformt, derart, dass das umgeformte freie Ende den die Öffnung einfassenden Rand hintergreift, vorzugsweise derart, dass das umgeformte freie Ende parallel zu dem Rand der Öffnung, durch die der Anschlussstutzen ragt, ausgerichtet ist. Da der erste Teil der Entgasungseinrichtung zumindest teilweise geöffnet ist, ist das freie Ende des Anschlussstutzens der wenigstens einen Batteriezelle vorteilhafterweise frei zugänglich. Nach dem Umformen des freien Endes des Anschlussstutzens wird dann der wenigstens eine zweite Teil der Entgasungseinrichtung mit dem ersten Teil der Entgasungseinrichtung verbunden, sodass die aus den wenigstens zwei Teilen gebildete Entgasungseinrichtung im Wesentlichen geschlossen ist. Insbesondere können der erste Teil der Entgasungseinrichtung und der zweite Teil der Entgasungseinrichtung halbschalenförmig ausgebildet sein. Der erste Teil der Entgasungseinrichtung und der zweite Teil der Entgasungseinrichtung können insbesondere mittels eines Laserschweißverfahrens dicht verbunden werden.
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Gemäß einer weiteren besonders bevorzugten Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Verfahrens wird zwischen dem umgeformten freien Ende des Anschlussstutzens der wenigstens einen Batteriezelle und dem die Öffnung der Entgasungseinrichtung einfassenden Rand ein Dichtelement angeordnet. Insbesondere kann das Dichtelement an dem die Öffnung einfassenden Rand oder an dem umgeformten freien Ende des Anschlussstutzens angeordnet werden. Vorteilhafterweise ist das Dichtelement ein selbstversiegelndes Dichtelement, besonders bevorzugt ein selbstversiegelnder Dichtungsring. Das Dichtelement ist vorteilhafterweise derart ausgelegt, dass es temperaturstabil ist, vorzugsweise bis zu Temperaturen zwischen 600°C und 700°C, und somit auch bei starker Erwärmung die Anbindung der Entgasungseinrichtung an die wenigstens eine Batteriezelle abdichtet.
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Zur Lösung der eingangs genannten Aufgabe wird ferner ein Batteriesystem mit wenigstens einer Batteriezelle und einer an die wenigstens eine Batteriezelle angebundenen Entgasungseinrichtung, wobei die wenigstens eine Batteriezelle von einem Zellgehäuse umgeben ist und ein Sicherheitsventil aufweist, vorgeschlagen, wobei die Entgasungseinrichtung mittels eines erfindungsgemäßen Verfahrens zur Herstellung einer Anbindung einer Entgasungseinrichtung an wenigstens eine Batteriezelle an die wenigstens eine Batteriezelle angebunden ist.
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Das Batteriesystem ist vorteilhafterweise als Energiespeicher zur Bereitstellung elektrischer Energie für den Betrieb von Hybrid-, Plug-In-Hybrid- oder Elektrofahrzeugen ausgebildet.
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Die wenigstens eine Batteriezelle des Batteriesystems weist einen hülsenförmigen Anschlussstutzen auf, welcher das Sicherheitsventil der wenigstens einen Batteriezelle umgebend an dem Zellgehäuse der Batteriezelle angeordnet ist. Die Entgasungseinrichtung weist korrespondierend zu dem Anschlussstutzen der wenigstens einen Batteriezelle, insbesondere korrespondierend zu den Anschlussstutzen einer Vielzahl von Batteriezellen, jeweils eine Öffnung auf, wobei die Entgasungseinrichtung mit einer Öffnung einen Anschlussstutzen umgebend an dem Zellgehäuse der jeweiligen Batteriezelle angeordnet ist. Das freie Ende des Anschlussstutzens und/oder ein die Öffnung einfassender Rand, ist dabei derart umgeformt, dass die Entgasungseinrichtung nicht von den Batteriezellen beziehungsweise deren Anschlussstutzen gelöst werden kann. Insbesondere ist vorgesehen, dass der freie Rand des Anschlussstutzens nach außen umgeformt ist, vorzugsweise ausgebördelt, und der eine Öffnung der Entgasungseinrichtung einfassende Rand nach innen umgeformt ist, vorzugsweise eingebördelt. Vorteilhafterweise ist zwischen dem umgeformten freien Ende eines Anschlussstutzens und einem die den Anschlussstutzen umgebenden Öffnung einfassenden Rand ein Dichtelement angeordnet. Das Dichtelement dichtet die Anbindung zwischen der Entgasungseinrichtung und der wenigstens einen Batteriezelle zumindest während eines Entgasungsereignisses ab, vorzugsweise auch bei Normalbetrieb der wenigstens einen Batteriezelle. Entlang der Anschlussstutzen ist die Entgasungseinrichtung vorteilhafterweise beweglich an die wenigstens eine Batteriezelle angebunden, wobei bei einer Bewegung der Entgasungseinrichtung weg von den Batteriezellen, also insbesondere im Fall einer Entgasung einer oder mehrerer Batteriezellen, das Dichtelement gestaucht wird und die Dichtigkeit somit weiter verbessert wird.
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Weitere vorteilhafte Einzelheiten, Merkmale und Ausgestaltungsdetails der Erfindung werden im Zusammenhang mit den in den Figuren dargestellten Ausführungsbeispielen näher erläutert. Dabei zeigt:
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1 in einer schematischen Darstellung eine Draufsicht auf eine Batteriezelle eines erfindungsgemäßen Batteriesystems;
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2 in einer schematischen Darstellung eine Seitenansicht der in 1 dargestellten Batteriezelle;
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3 in einer schematischen Darstellung als Schnittansicht einen die Anordnung einer Entgasungseinrichtung an eine Batteriezelle darstellenden Ausschnitt;
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4 in einer schematischen Darstellung als Schnittansicht einen die Umformung des freien Endes des Anschlussstutzens einer Batteriezelle darstellenden Ausschnitt;
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5 in einer schematischen Darstellung als Schnittansicht einen Ausschnitt eines Ausführungsbeispiels für ein erfindungsgemäßes Batteriesystem;
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6 in einer schematischen Darstellung als Schnittansicht den in 5 dargestellten Ausschnitt eines Batteriesystems im Fall einer Zellentgasung;
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7 in einer schematischen Darstellung eine Seitenansicht einer Mehrzahl von Batteriezellen, deren Zellgehäuse die Sicherheitsventile umgebende Anschlussstutzen aufweisen;
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8 in einer schematischen Darstellung eine Draufsicht auf eine Platte mit einer Mehrzahl von Anschlussstutzen, welche zur Anordnung auf einer Mehrzahl von Batteriezellen ausgebildet ist;
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9 in einer schematischen Darstellung als Schnittansicht einen weiteren Ausschnitt eines Ausführungsbeispiels für ein erfindungsgemäßes Batteriesystem; und
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10 in einer schematischen Darstellung als Schnittansicht einen weiteren Ausschnitt eines Ausführungsbeispiels für ein erfindungsgemäßes Batteriesystem.
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Im Zusammenhang mit 1 bis 6 wird ein Verfahren zur Herstellung einer Anbindung einer Entgasungseinrichtung 6 an wenigstens eine Batteriezelle 1 näher erläutert. Dabei zeigt 1 in einer Draufsicht ein Ausführungsbeispiel für eine Batteriezelle 1, insbesondere eine nachladbare Lithium-Ionen-Zelle, welche von einem Zellgehäuse 2 umgeben ist. Die Batteriezelle 1 weist an deren oberen Ende ein Sicherheitsventil 3 auf, welches bei einem Überschreiten eines vorbestimmten Drucks innerhalb des Zellgehäuses 2 öffnet und somit insbesondere ein Entweichen eines innerhalb der Batteriezelle 1 gebildeten Gases beziehungsweise Aerosols ermöglicht. Insbesondere kann das Sicherheitsventil 3 als eine in eine Ventilöffnung eingesetzte Berstscheibe ausgebildet sein, welche bei einem vorbestimmten Druck zerbirst. In einem Verfahrensschritt des erfindungsgemäßen Verfahrens wird ein hülsenförmiger Anschlussstutzen 4 das Sicherheitsventil 3 umgebend an dem Zellgehäuse der Batteriezelle 1 angeordnet, vorzugsweise indem der Anschlussstutzen 4 an das Zellgehäuse 2 angeschweißt wird. Der Anschlussstutzen 4 weist dabei in dem in 1 dargestellten Ausführungsbeispiel einen kreisförmigen Querschnitt auf. Der Anschlussstutzen 4 ist vorzugsweise aus Aluminium. Eine Seitenansicht der Batteriezelle 1 ist in 2 dargestellt. Der Anschlussstutzen 4 der Batteriezelle 1 ist derart an dem Zellgehäuse 2 angeordnet, dass ein über das Sicherheitsventil 3 entweichendes Gas beziehungsweise Aerosol durch den Anschlussstutzen 4 strömt.
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In 3 ist schematisch dargestellt, wie ein erster Teil einer Entgasungseinrichtung 6 im Rahmen der Anbindung der Entgasungseinrichtung 6 an die wenigstens eine Batteriezelle an einer Batteriezelle 1 angeordnet wird. Dazu wird der erste Teil der Entgasungseinrichtung 6 in dem dargestellten Ausführungsbeispiel derart ausgebildet, dass dieser korrespondierend zu dem Anschlussstutzen 4 einer Batteriezelle 1 jeweils einen rohrartigen Fortsatz 7 aufweist. Der rohrartige Fortsatz 7 weist dabei eine Öffnung 8 auf, welche von einem umlaufenden Rand 9 eingefasst ist. Dieser Rand 9 ist dabei zum Inneren des rohrartigen Fortsatzes 7 hin gebogen, sodass die Öffnung 8 den Anschlussstutzen 4 ohne großes Spiel aufnehmen kann. Der erste Teil der Entgasungseinrichtung 6 wird dann, wie in 3 dargestellt, mit der Öffnung 8 den Anschlussstutzen 4 umgebend an der Batteriezelle 1 angeordnet. Der dargestellte Teil der Entgasungseinrichtung 6 ist in dem Ausführungsbeispiel nach oben geöffnet, sodass der rohrartige Fortsatz 7 von oben frei zugänglich ist. Somit ist es möglich, ein Werkzeug in diesen ersten Teil der Entgasungseinrichtung 6 einzubringen, um das freie Ende 5 des Anschlussstutzens 4 nach außen umzuformen.
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Das Einbringen eines Werkzeugs 11, welches einen kegelförmigen Arbeitskopf aufweist, in den ersten Teil der Entgasungseinrichtung 6 ist dabei in 4 schematisch dargestellt. Mittels des Werkzeugs 11 wird dabei das freie Ende 5 des Anschlussstutzens 4 nach außen umgeformt, derart, dass das umgeformte freie Ende 5’ des Anschlussstutzens 4 den die Öffnung 8 einfassenden Rand 9 hintergreift. Das umgeformte freie Ende 5’ des Anschlussstutzens 4 ist dabei im Wesentlichen parallel zu dem die Öffnung 8 einfassenden Rand 9 ausgerichtet. Durch das Umformen des freien Endes 5 des Anschlussstutzens 4 ist es nicht mehr möglich, den ersten Teil der Entgasungseinrichtung 6 von dem Anschlussstutzen 4 zu lösen.
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Vorteilhafterweise wird vor dem Umformen des freien Endes 5 des Anschlussstutzens 4 der Batteriezelle 1 ein Dichtelement 12 an dem die Öffnung 8 einfassenden Rand 9 und/oder dem freien Ende 5 des Anschlussstutzens 4 angeordnet. Das zwischen dem umgeformten freien Ende 5’ des Anschlussstutzen 4 und dem die Öffnung 8 einfassenden Rand 9 angeordnete Dichtelement 12 ist in 5 beispielhaft dargestellt. Insbesondere ist vorgesehen, dass das Dichtelement 12 ein selbstversiegelnder Dichtungsring ist. Durch das Dichtungselement 12 ist im Fall einer Entgasung der Batteriezelle 1 der Übergang von Anschlussstutzen 4 zu der Entgasungseinrichtung 6 vorteilhafterweise dicht verschlossen.
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Nachdem für sämtliche Batteriezellen 1 eines Batteriesystems die freien Enden 5 der Anschlussstutzen 4 wie erläutert umgeformt sind, sodass jeweils das freie Ende 5 eines Anschlussstutzens 4 und der die Öffnung 8 einfassende Rand 9 einander hintergreifen, kann der erste Teil der Entgasungseinrichtung 6 mittels des wenigstens eines zweiten Teils geschlossen werden, vorzugsweise indem der zweite Teil mit dem ersten Teil der Entgasungseinrichtung 6 verschweißt wird, vorzugsweise mittels eines Laserschweißverfahrens. Die dann vollständige Herstellung einer Anbindung der Entgasungseinrichtung 6 an eine Mehrzahl von Batteriezellen 1 ermöglicht dann im Fall einer Entgasung einer Batteriezelle 1 ein sicheres und kontrolliertes Abführen von von der betroffenen Batteriezelle freigesetztem Gas beziehungsweise Aerosol.
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In 6 ist schematisch die Freisetzung eines Aerosols 10 von einer Batteriezelle 1 dargestellt. Das Aerosol 10 entweicht dabei über das geöffnete Sicherheitsventil 3’ aus einer Batteriezelle 1 und strömt über den an dem Zellgehäuse 2 der Batteriezelle 1 angeordneten Anschlussstutzen 4 in die Entgasungseinrichtung 6. Die Entgasungseinrichtung 6 ist dabei in 6 ein geschlossenes System, d. h. die Entgasungseinrichtung 6 ist nach oben nicht geöffnet. Wie bereits erwähnt, wurde hierzu der wenigstens eine zweite Teil der Entgasungseinrichtung 6 dicht an dem ersten Teil der Entgasungseinrichtung 6 angeordnet. Da das Aerosol 10 mit hoher Geschwindigkeit druckstoßartig über das geöffnete Sicherheitsventil 3’ aus der Batteriezelle 1 entweicht, wird unter Einwirkung des Drucks die Entgasungseinrichtung 6 nach oben gedrückt, sodass das zwischen dem umgeformten freien Ende 5’ des Anschlussstutzens 4 und dem die Öffnung 8 einfassenden Rand 9 angeordnete Dichtelement 12 zusammengestaucht wird und das umgeformte freie Ende 5’ des Anschlussstutzens 4 und der die Öffnung 8 einfassende Rand 9 nahezu direkt aneinander anliegen und somit eine dichte Anbindung der Entgasungseinrichtung 6 mit der Batteriezelle 1 bei einem Entgasungsereignis geschaffen ist. Durch das Hintergreifen des umgeformten freien Endes 5’ des Anschlussstutzens 4 mit dem die Öffnung 8 einfassenden Rand 9, wird vorteilhafterweise ein Ablösen der Entgasungseinrichtung 6 von dem Anschlussstutzen 4 wirksam verhindert.
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Im Zusammenhang mit 7 und 8 wird beispielhaft erläutert, wie gemäß einer vorteilhaften Ausführungsvariante des erfindungsgemäßen Verfahrens eine Mehrzahl von Batteriezellen 1 mit Anschlussstutzen 4 versehen wird. Dazu werden die Batteriezellen 1 zunächst nebeneinander angeordnet, wie in 7 dargestellt. An deren oberen Enden weisen die Batteriezellen 1 jeweils ein Sicherheitsventil 3 auf, wie im Zusammenhang mit 1 und 2 bereits erläutert. Auf die nebeneinander angeordneten Batteriezellen 1 wird dann eine thermisch stabile Gummimatte 14 angeordnet und befestigt, beispielsweise durch Verkleben. Diese Gummimatte 14 weist dabei Öffnungen auf (in 7 nicht explizit dargestellt), wobei die Öffnungen der Gummimatte 14 die Sicherheitsventile 3 der Batteriezellen 1 umgeben. An der Gummimatte 14 wird eine Blechplatte 13 aus rostfreiem Stahl befestigt, wobei die Blechplatte 13 eine Mehrzahl von Anschlussstutzen 4 aufweist. Die Blechplatte 13 wird dabei derart an der Gummimatte befestigt, dass die Anschlussstutzen 4 jeweils über den Sicherheitsventilen 3 der Batteriezellen 1 angeordnet sind. Die Gummimatte 14 dichtet vorteilhafterweise den Übergang zwischen den Batteriezellen 1 und der Blechplatte 13 ab. Darüber hinaus gleicht die Gummimatte 14 vorteilhafterweise Höhendifferenzen 15 zwischen den einzelnen Batteriezellen 1 aus. Hierzu ist die Gummimatte 14 vorteilhafterweise verformbar ausgebildet. Weisen die Batteriezellen 1, wie in 7 dargestellt, Höhendifferenzen 15 auf, so ist die zwischen den Batteriezellen 1 und der Blechplatte 13 angeordnete Gummimatte 14 derart verformt, dass die Höhendifferenzen 15 ausgeglichen sind und die Anschlussstutzen 4 der Blechplatte 13 dicht an den Sicherheitsventilen 3 der Batteriezellen 1 anliegen.
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8 zeigt eine Draufsicht auf eine mögliche Ausgestaltung einer Blechplatte 13 mit einer Mehrzahl von Anschlussstutzen 4. Die dargestellten Blechplatte 13 ist dabei insbesondere ausgebildet, an zu einem Batteriemodul verschalteten Batteriezellen angeordnet zu werden, wobei in zwei Reihen jeweils sechs Batteriezellen nebeneinander angeordnet werden.
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9 zeigt eine weitere Ausgestaltungsvariante betreffend die Umformung der freien Enden 5 eines Anschlussstutzens 4 sowie die Umformung des die Öffnung 8 des rohrartigen Fortsatzes 7 einer Entgasungseinrichtung 6 einfassenden Randes 9. Auch bei diesem Ausführungsbeispiel führt die Umformung des freien Endes 5 eines Anschlussstutzens 4 und des Randes 9 dazu, dass das umgeformte freie Ende 5 und der umgeformte Rand 9 einander hintergreifen, sodass ein Ablösen der Entgasungseinrichtung 6 von dem Anschlussstutzen 4 verhindert wird. Der die Öffnung 8 einfassende Rand 9 beziehungsweise das umgeformte freie Enden 5’ des Anschlussstutzens 4 kann dabei grundsätzlich einen Winkel zwischen 0° und 180° bezüglich der nicht verformten Fläche des Anschlussstutzens 4 aufweisen, sodass ein Hintergreifen ermöglicht ist. Vorzugsweise beträgt der Winkel einen Wert zwischen 30° und 150°, da hierdurch die Stabilität der Verbindung erhöht und ein Ablösen der Entgasungseinrichtung 6 von dem Anschlussstutzen 4 vorteilhafterweise weiter verbessert verhindert wird. Nach erfolgter Umformung sind das umgeformte freie Ende 5’ des Anschlussstutzens 4 und der umgeformte Rand 9 vorzugsweise im Wesentlichen parallel zueinander ausgerichtet. Bei einer vorteilhaften Ausgestaltungsvariante, wie in 9 dargestellt, kann vorteilhafterweise auch das freie Ende 5 des Anschlussstutzens 4 zunächst umgeformt werden, dann in einen rohrartigen Fortsatz 7 einer Entgasungseinrichtung 6 eingebracht werden. Erst danach wird dann das freie Ende des rohrartigen Fortsatzes 7 beziehungsweise der die Öffnung 8 einfassende Rand 9 derart umgeformt, dass das umgeformte freie Ende 5’ des Anschlussstutzens 4 und der umgeformte Rand 9 einander hintergreifen, vorzugsweise so, dass der umgeformte Rand 9 im Wesentlichen parallel zu dem umgeformten freien Ende 5’ des Anschlussstutzen 4 ausgerichtet ist. Ein Ablösen des Fortsatzes 7 von dem Anschlussstutzen 4 ist dann nicht mehr möglich. Vorteilhafterweise kann bei dieser Ausgestaltungsvariante die Entgasungseinrichtung 6 einteilig ausgebildet sein. Das heißt, dass bei dieser Ausgestaltung die Entgasungseinrichtung 6, anders als im Zusammenhang mit 4 erläutert, insbesondere ohne einen ersten Teil, der nach der Anordnung an den Anschlussstutzen 4 einen Zugang zu den freien Enden 5 der Anschlussstutzen 4 ermöglicht, ausgebildet sein kann.
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In 10 ist ein weiteres Ausführungsbeispiel für ein erfindungsgemäßes Batteriesystem gezeigt. Hier sind mehrere Batteriezellen 1 nebeneinander angeordnet. Die Entgasungseinrichtung 6 weist einen ersten Teil 6’ und einen zweiten Teil 6’’ auf, wobei der erste Teil 6’ nach oben hin geöffnet ist. Erst durch ein Verbinden des zweiten Teils 6’’ mit dem ersten Teil 6’, insbesondere durch Verschweißen, wird eine im Wesentlichen geschlossene Entgasungseinrichtung 6 gebildet. In 10 ist schematisch eine Schweißnaht 16 dargestellt. Im Wesentlichen geschlossen bedeutet dabei, dass die Entgasungseinrichtung 6 Öffnungen zum Anschließen von Abführleitungen und/oder Abführschläuchen aufweisen kann (in 10 nicht dargestellt), aber ansonsten gasdicht ausgebildet ist.
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Zum Anordnen der Entgasungseinrichtung 6 an den Batteriezellen 1 wird bei dem in 10 dargestellten Ausführungsbeispiel zunächst der erste Teil 6’ der Entgasungseinrichtung 6 mit den korrespondierend zu den Anschlussstutzen 4 der Batteriezellen 1 ausgebildeten Öffnungen 8 auf die Zellgehäuse 2 der Batteriezellen 1 aufgesetzt. Die Öffnungen 8 sind dabei im Wesentlichen so bemessen, dass ein Anschlussstutzen 4 gerade durch eine Öffnung 8 hindurch passt. Nach dem Anordnen des ersten Teils 6’ der Entgasungseinrichtung 6 an den Batteriezellen 1 wird jeweils das freie Ende 5 eines Anschlussstutzens 4, wie im Zusammenhang mit dem in 4 dargestellten Ausführungsbeispiel erläutert, unter Nutzung eines Werkzeugs umgeformt, vorzugsweise durch Ausbördeln. Durch die gestrichelten Linien ist dabei in 10 dargestellt, wie das umgeformte freie Ende 5’ eines Anschlussstutzen 4 und der die jeweilige Öffnung 8 der Entgasungseinrichtung 6 einfassende Rand 9 einander hintergreifen. Der erste Teil 6’ der Entgasungseinrichtung 6 kann aufgrund der umgeformten freien Enden 5’ der Anschlussstutzen 4 dann vorteilhafterweise nicht mehr von den Batteriezellen 1 gelöst werden. Zur Verbesserung der Dichtigkeit ist jeweils zwischen dem eine Öffnung 8 der Entgasungseinrichtung 6 einfassenden Rand 9 und dem umgeformten freien Ende 5’ eines Anschlussstutzens 4 ein Dichtelement 12 angeordnet, insbesondere ein thermisch stabiler Gummidichtring. Erst im Anschluss daran wird der zweite Teil 6’’ der Entgasungseinrichtung 6 mit dem ersten Teil 6’ der Entgasungseinrichtung verbunden.
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Erfolgt bei einem Batteriesystem mit einer erfindungsgemäßen Anbindung einer Entgasungseinrichtung 6 an die Batteriezellen 1 eine Zellentgasung einer oder mehrerer Batteriezellen 1, so wird die Entgasungseinrichtung 6 durch das mit hoher Geschwindigkeit druckstoßartig über die Anschlussstutzen 4 in die Entgasungseinrichtung 6 einströmende Gas beziehungsweise Aerosol angehoben, wobei die Entgasungseinrichtung 6 an den die Öffnungen 8 einfassenden Rändern 9 durch die umgeformten freien Enden 5’ der Anschlussstutzen 4, gehalten wird. Durch die Dichtelemente 12 erfolgt dabei ein dichter Schluss zwischen den Rändern 9 und den umgeformten freien Enden 5’ der Anschlussstutzen 4 sodass zumindest für die Zeit der Zellentgasung eine dichte Anbindung der Entgasungseinrichtung 6 an die Batteriezellen 1 realisiert ist.
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Die in den Figuren dargestellten und im Zusammenhang mit diesen erläuterten Ausführungsbeispiele dienen der Erläuterung der Erfindung und sind für diese nicht beschränkend.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- DE 10328862 B4 [0005]
- DE 102011002631 A1 [0006]
