-
Die vorliegende Erfindung betrifft eine Entgasungseinrichtung zur Ableitung eines Fluids aus einer Batteriezelle sowie eine Batteriezelle mit solch einer Entgasungseinrichtung und ein Batteriezellenmodul. Weiter betrifft die vorliegende Erfindung ein Kraftfahrzeug.
-
Stand der Technik
-
Es besteht weltweit ein erheblicher Bedarf an Batterien für breite Anwendungsbereiche, einerseits etwa für stationäre Anlagen, wie zum Beispiel Windkraftanlagen oder Solarkraftanlagen, andererseits aber auch für mobile Elektronikgeräte, wie zum Beispiel Laptops und Kommunikationsgeräte. Nicht zuletzt ist es auch abzusehen, dass der Bedarf an Batterien für Fahrzeuge, wie zum Beispiel für Hybrid- und Elektrofahrzeugen, in den nächsten Jahren steigen wird. An all diese Batterien werden sehr hohe Anforderungen hinsichtlich Zuverlässigkeit, Lebensdauer und Leistungsfähigkeit gestellt.
-
Es ist jedoch bekannt, dass Batteriezellen, beispielsweise Lithium-Ionen Zellen, bei elektrischer, mechanischer und/oder thermischer unsachgemäßer Behandlung, die zum Beispiel bei Überladung der Batteriezellen oder mechanischer Beschädigung des Gehäuses auftreten können, einen internen oder externen Kurzschluss aufweisen können, so dass sie sich innerhalb kürzester Zeit unzulässig erwärmen. Diese Erwärmung führt zu einem Druckanstieg in der Batteriezelle.
-
Auch kann es dabei zu einer Kathodenzersetzung unter Freisetzung von starken Oxidationsmitteln kommen. Das kann zu einer starken exothermen Reaktion im Elektrolyten führen. Dabei werden heiße Gase entwickelt, die den Druck im Batteriezelleninnenraum erhöhen.
-
Dieser Druck kann eine unkontrollierbare Temperaturerhöhung in der Zelle (thermisches Durchgehen, sogenannter "thermal runaway") bewirken, sowie eine druckbedingte Öffnung einer Sicherheitseinrichtung der Zelle wie z. B. eines sogenannten "safety vent". Würde keine Öffnung der Zelle erfolgen, besteht die Gefahr einer Explosion der Zelle. Daher ist es notwendig, aus der Batteriezelle bzw. aus dem Gehäuseinnenraum der Batteriezelle austretende Medien gezielt und kontrolliert abzuführen.
-
Die aus dem Gehäuseinnenraum entweichenden Medien können dabei Flüssigkeiten und/oder Gase und/oder Partikel sein (Aerosol); sie werden in der vorliegenden Schrift auch zusammenfassend als „Fluid“ bzw. „Fluide“ bezeichnet. Insofern wird auch unter dem Begriff „Entgasung“ in der vorliegenden Schrift nicht nur das Austreten von Gasen, sondern auch das Austreten von Flüssigkeiten und/oder Partikeln verstanden. Die Fluide können unzersetzte Elektrolytkomponenten wie zum Beispiel Dimethylcarbonat oder Ethylencarbonat aufweisen oder auch brennbare Zersetzungsprodukte wie Kohlenmonoxid, Wasserstoff oder Methan. Als Zersetzungsprodukt des Leitsalzes können sie Fluorwasserstoff oder phosphorhaltige Verbindungen wie zum Beispiel Phosphoroxytrifluorid (POF3) aufweisen.
-
Oft ist zur gezielten Abführung von Fluiden an einer geeigneten Stelle des Batteriezellengehäuses wenigstens eine Sicherheitseinrichtung angeordnet. Sie ist beispielsweise in Form einer Entgasungseinrichtung realisiert, die bei Überhitzung der Zelle eine Entgasungsöffnung bildet und so die Zelle vor einer Explosion schützt.
-
So ist aus
DE 10 2009 046 385 A1 eine Batterie mit einem Entgasungssystem bekannt, wobei die Batterie wenigstens eine Batteriezelle auf einer Grundplatte umfasst. Die Batteriezelle weist dabei eine mit zumindest einer Entgasungsöffnung versehene Unterseite auf. Zur Abdichtung ist ein O-Ring zwischen der Batteriezelle und der Grundplatte angeordnet. In die Grundplatte ist ein Sammelbecken als Auffangbereich integriert, so dass die Grundplatte nicht nur als mechanische Stütze für die Batteriezellen dient, sondern gleichzeitig die Funktion als Gassammler (d.h. Entgasungskollektor) hat.
-
Mit dem technischen Fortschritt der Batteriezellen steigen auch ihre Leistungsfähigkeit und ihre Lebensdauer, d.h. die Betriebsdauer, stetig. Entsprechend nimmt auch die technische Anforderung an einer Abdichtung einer Entgasungsstelle zu. Die Abdichtung muss auch bei einer sehr langen Betriebsdauer gewährleistet sein.
-
Es besteht daher der Bedarf an einer zuverlässigen, beständigen Abdichtung der Entgasungsstelle einer Batteriezelle.
-
Offenbarung der Erfindung
-
Erfindungsgemäß wird eine Entgasungseinrichtung zur Ableitung eines Fluids aus einer Batteriezelle bereitgestellt, wobei die Entgasungseinrichtung eine Entgasungsstelle umfasst, welche innerhalb einer ersten, die Entgasungsstelle umschließenden Dichtung angeordnet ist. Zusätzlich ist die erste Dichtung innerhalb einer die erste Dichtung umschließenden zweiten Dichtung angeordnet.
-
Somit ist die Entgasungsstelle zweifach – durch eine erste, innere und eine zweite, äußere Dichtung – umschlossen. Eine insgesamt undichte Entgasungsstelle kann daher nur dann vorliegen, wenn sowohl die innere als auch die äußere Dichtung einer Entgasungsstelle undicht werden bzw. sind. Durch diese doppelte Sicherung an Dichtungen sinkt die Wahrscheinlichkeit einer undichten Entgasungsstelle erheblich: Solange die innere Dichtung keine Risse oder undichte Stellen hat, ist nur sie selbst den austretenden Fluiden ausgesetzt – nicht jedoch die äußere Dichtung, sie bleibt völlig verschont von jeglichen chemischen oder physikalischen Angriffen der austretenden Fluiden. Die äußere Dichtung wird insofern geschützt durch die innere Dichtung als eine Art „Opfer“-Dichtung, soweit diese intakt ist. Während oder nach der Entgasung kann dann die erste Dichtung beschädigt werden, ohne dass die Entgasungsstelle insgesamt undicht wird dank der zweiten Dichtung.
-
Bei Batterien kann es sich übrigens auch um aufladbare Batterien bzw. Akkumulatoren bzw. grundsätzlich um galvanische Zellen handeln. Auch sind alle verschiedenen Typen von Batterien möglich, die sich insbesondere in der Verwendung der Materialien und damit in ihren chemischen Prozessen unterscheiden können. Sie alle werden hier zusammenfassend als Batterien bezeichnet.
-
Vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung sind in den Unteransprüchen angegeben und in der Beschreibung beschrieben.
-
Zeichnung
-
Ausführungsbeispiele der Erfindung werden anhand der Zeichnung und der nachfolgenden Beschreibung näher erläutert. Es zeigt:
-
Die einzige Figur in einer Draufsicht eine erfindungsgemäße Entgasungseinrichtung zur Ableitung eines Fluids aus einer Batteriezelle sowie erfindungsgemäße Batteriezellen mit solch einer Entgasungseinrichtung und ein erfindungsgemäßes Batteriezellenmodul.
-
Beschreibung der Ausführungsbeispiele
-
Die Figur zeigt eine erfindungsgemäße Entgasungseinrichtung 10; 11, 12, 14, 16 zur Ableitung eines Fluids aus einer Batteriezelle 20. Die Entgasungseinrichtung 10; 11, 12, 14, 16 umfasst dabei eine Entgasungsstelle 11. Die Entgasungsstelle 11 ist erfindungsgemäß die Stelle an einer Entgasungseinrichtung 10; 11, 12, 14, 16, an der beim Vorliegen eines Bedarfsfalls das Austreten des Fluids aus einer Batteriezelle 20 vorgesehen ist. Die Entgasungsstelle 11 ist innerhalb einer ersten, die Entgasungsstelle 11 umschließenden Dichtung 14 angeordnet. Zusätzlich ist die erste Dichtung 14 innerhalb einer die erste Dichtung 14 umschließenden zweiten Dichtung 16 angeordnet. Die erste, innere Dichtung 14 bildet so eine Abschirmung für die zweite, äußere Dichtung 16.
-
Neben den bereits oben beschriebenen Vorteilen ergeben sich hieraus folgende weitere Vorteile: Die Anordnung einer zweiten Dichtung 16 zusätzlich zu einer ersten Dichtung 14 ist weit vorteilhafter als etwa eine bloße Verdickung der ersten Dichtung 14, und zwar selbst dann, wenn die verstärkte Dicke der ersten Dichtung 14 gleich oder größer als die Gesamtdicke der Dichtungen 14, 16 beträgt. Unter Dicke einer Dichtung wird in dieser Schrift die radiale Ausdehnung des Dichtungsmaterials verstanden, d.h. die Differenz zwischen dem Außendurchmesser und dem Innendurchmesser der Dichtung.
-
Ist nämlich die erste Dichtung 14 erst einmal angegriffen und weist einen kleinen Riss auf, so ist es nur eine Frage der Dauer, bis der Riss mit der Zeit sich vergrößert und seinen Weg durch die gesamte Dicke der Dichtung 14 findet. Damit wird die gesamte Entgasungsstelle 11 endgültig undicht. Ist aber erfindungsgemäß zusätzlich eine zweite Dichtung 16 angeordnet, so muss sich erst einmal ein neuer Riss an der zweiten Dichtung 16 bilden. Die Bildung eines Risses an einer neuen Dichtung 16 ist jedoch viel schwieriger als die bloße Ausbreitung eines bereits gebildeten Risses. Im Ergebnis ist daher eine erfindungsgemäße Anordnung mit zwei voneinander unabhängigen Dichtungen 14, 16 viel widerstandsfähiger als eine einzige Dichtung 14, deren Dicke genauso groß oder ggf. sogar größer als die Gesamtdicke der beiden Dichtungen 14, 16 ist.
-
Die Entgasungsstelle 11 selbst kann in verschiedenen Formen ausgestaltet sein. Eine Möglichkeit besteht darin, dass sie durch eine Entgasungsöffnung ausgebildet ist. In solch einer Ausführung ist eine Öffnung, aus der das Fluid austreten kann, permanent vorhanden, d.h. sie wird nicht erst im Bedarfsfall gebildet. Hierdurch wird erreicht, dass die Entgasungsstelle 11 bereits vor dem Eintreten einer bestimmten Bedarfssituation eine Entgasungsöffnung aufweist. Eine Ableitung eines Fluids kann somit bei einer Bedarfssituation sofort und ohne jede Verzögerung eingeleitet werden. Eine Entgasungsöffnung kann dann mit einem Ventil ausgestattet sein. Das Ventil ermöglicht vorteilhafterweise ein kontrolliertes und geregeltes Ableiten des Fluids aus der Batteriezelle 20.
-
Alternativ kann die Entgasungsstelle 11, wie in der Figur mit dem Bezugszeichen 12 dargestellt, durch eine Sollbruchstelle 12, welche im Fall eines Bruchs eine Entgasungsöffnung erzeugt, ausgebildet sein. Vorteilhaft wird in dieser Ausführungsform eine Entgasungsöffnung erst und nur dann gebildet, wenn tatsächlich ein Ableiten des Fluids notwendig wird. Die Sollbruchstelle 12 kann durch eine perforierte Fläche oder auch durch eine Berstmembran ausgebildet sein. In beiden Fällen erzeugt die Sollbruchstelle 12 vorteilhaft nur dann eine Entgasungsöffnung, wenn eine vorbestimmte Bedingung, etwa ein bestimmter Druck, eintritt oder überschritten wird. So wird nur im Falle einer tatsächlichen Bedarfssituation die perforierte Fläche oder die Berstmembran über einen Bruch in eine Entgasungsöffnung überführt.
-
Es wird weiter vorgeschlagen, dass die erste Dichtung 14 aus einem ersten Material gebildet ist, während die zweite Dichtung 16 aus einem zweiten, von erstem Material verschiedenen Material gebildet ist. Durch die unterschiedlichen Materialien wird es ermöglicht, auf die unterschiedlichen Eigenschaften eines Fluids oder Fluide besser abgestimmt zu sein. Es sei hier auf die eingangs erwähnte Erläuterung hingewiesen, wonach in dieser Schrift unter „Fluid“ bzw. „Fluide“ Flüssigkeiten und/oder Gase mit/oder Partikeln, d.h. Aerosole, verstanden werden. Viele typische Dichtwerkstoffe können nämlich entweder die hohe Temperatur des entweichenden Fluids (z.B. 700 °C) oder aber die darin enthaltenen Chemikalien oder die hohe Druckdifferenz nicht verkraften, insbesondere auch deren Kombinationen nicht. Durch die unterschiedliche Materialienauswahl für die erste, innere Dichtung 14 und die zweite, äußere Dichtung 16 können die beiden Dichtungen 14, 16 auf unterschiedliche Funktionen abgezielt sein. Bei Bedarf können sich auch die äußere Formen der beiden Dichtungen 14, 16 voneinander unterscheiden. Während die eine Dichtung 14, 16 beispielsweise durch einen kreisrunden O-Ring ausgebildet ist, kann die andere Dichtung 14, 16 eine ovale Form aufweisen.
-
In einer weiteren Ausführungsform ist das erste Material der ersten Dichtung 14 alternativ oder zusätzlich zur Verschiedenheit zum zweiten Material schwammartig ausgebildet zur zumindest teilweisen Aufnahme des Fluids und/oder Wärme des Fluids. So kann die als Schwamm ausgeführte erste Dichtung 14 zumindest einen Großteil der chemisch reaktiven Substanzen, z.B. die Elektrolyten und auch Partikeln wie glimmenden Graphitstaub, aufnehmen und/oder von der zweiten Dichtung 16 fernhalten. Dabei kann sie auch einen Teil der Wärme des sog. Leckagestromes aufnehmen und so heiße Fluide von der zweiten Dichtung 16 abhalten. Im Ergebnis senkt hierdurch die erste Dichtung 14 den Wärmeeintrag in die zweite Dichtung 16 und somit die Temperatur der zweiten Dichtung 16. Die zweite Dichtung 16 ist bzw. bleibt so in der Lage, die schnelle und sichere Abdichtung der Entgasungsstelle 11 weiter zu gewährleisten. Insbesondere wird die zweite Dichtung 16 dabei nicht zu weich bzw. spröde und behält so ihre Dichtwirkung.
-
In einer besonders vorteilhaften Ausführungsform ist das Material der einen Dichtung 14, 16 weicher als das zweite Material der anderen Dichtung 14, 16. Je nach konkretem Bedarf kann das Material der ersten Dichtung 14 weicher ausgestaltet sein als das Material der zweiten Dichtung 16, und umgekehrt. Wie weich oder spröde die jeweiligen Dichtungen 14, 16 sein sollen, kann auch abhängig von den zu erwartenden, entweichenden Fluiden gewählt werden.
-
Die bisher beschriebene Entgasungseinrichtung 10; 11, 12, 14, 16 ist vorteilhaft grundsätzlich geeignet, auf verschiedenen Bauteilen angeordnet zu werden. Insbesondere stellt die Entgasungseinrichtung 10; 11, 12, 14, 16 keine besonderen technischen Anforderungen an die mit der Entgasungseinrichtung 10; 11, 12, 14, 16 auszustattenden Bauteilen an. Eine geeignete Ausführungsform kann die Anordnung der Entgasungseinrichtung 10; 11, 12, 14, 16 auf einem Batteriezelldeckel 22 sein. Die Entgasungseinrichtung 10; 11, 12, 14, 16 kann, wie in der Figur beispielhaft gezeigt, mittig zwischen den beiden Zellterminals 18 einer jeden Batteriezelle 20 angeordnet sein. Ein Elektrolyt-Befüllloch 19 wird dann zwischen der Entgasungseinrichtung 10; 11, 12, 14, 16 und einem der beiden Zellterminals 18 angeordnet. Je nach Bedarf kann die Entgasungseinrichtung 10; 11, 12, 14, 16 aber auch nicht auf einem Batteriezelldeckel 22, sondern auf einer Unterseite der Batteriezelle 20, etwa auf einer Grundplatte, oder eventuell an anderer Stelle, z.B. Seitenplatte oder Stirnplatte, angeordnet sein.
-
Mit der vorliegenden Erfindung wird auch eine Batteriezelle 20, insbesondere eine Lithium-Ionen-Batteriezelle oder eine Lithium-Polymer-Batteriezelle, mit einer erfindungsgemäßen Entgasungseinrichtung 10; 11, 12, 14, 16 bereitgestellt. Die Batteriezelle 20, ausgestattet mit der oben beschriebenen Entgasungseinrichtung 10; 11, 12, 14, 16, weist somit alle Vorzüge und Vorteile auf, die für die Entgasungseinrichtung 10; 11, 12, 14, 16 diskutiert wurden. So ist die erfindungsgemäße Batteriezelle 20 nunmehr selbst bezüglich Dichtheit bei austretenden Fluiden viel sicherer im Vergleich mit Batteriezellen ohne die erfindungsgemäße Entgasungseinrichtung 10; 11, 12, 14, 16.
-
In der Ausführungsform gemäß Figur ist die Batteriezelle 20 darüber hinaus über die Entgasungseinrichtung 10; 11, 12, 14, 16 gasdicht an einem Entgasungskollektor 35 angeschlossen. Durch die erfindungsgemäße Ausgestaltung der Batteriezelle 20, d.h. einer Batteriezelle 20 mit einer Doppeldichtung an der Entgasungsstelle 11, wird eine sichere, gasdichte Anbindung des Entgasungskollektors 35, der hier als Gassammler dient, an die Entgasungsstelle 11 der Batteriezelle 20 gewährleistet. Solch eine Anbindung ist, im Vergleich mit einer Anbindung an eine Entgasungsstelle 11 mit lediglich einer Dichtung um die Entgasungsstelle 11, viel beständiger bezüglich starker Temperatur-, Chemikalien- und Druckstoßeinwirkungen. Insbesondere ist eine sichere und zuverlässige Anbindung über die gesamte Dauer des Entgasungsvorgangs gewährleistet.
-
Werden mindestens zwei solcher Batteriezellen 20 bereitgestellt, so bilden sie ein Batteriezellenmodul 30. Die mindestens zwei Batteriezellen 20 können dabei gasdicht jeweils an einem eigenen Entgasungskollektor 35 angeschlossen sein. Bevorzugt sind die mindestens zwei Batteriezellen 20 jedoch an einem gemeinsamen Entgasungskollektor 35 des Batteriezellenmoduls 30 angeschlossen. Wie in der Figur dargestellt, kann der gemeinsame Entgasungskollektor 35 so mittig über den Batteriezelldeckeln 22 der Batteriezellen 20 angeordnet werden, dass der Entgasungskollektor 35 entlang der Entgasungseinrichtungen 10; 11, 12, 14, 16 aller Batteriezellen 20 des Batteriezellenmoduls 30 verläuft. Die gasdichte Anbindung aller Entgasungseinrichtungen 10; 11, 12, 14, 16 des Batteriezellenmoduls 30 an den gemeinsamen Entgasungskollektor 35 ist somit möglich.
-
Das erfindungsgemäße Batteriezellenmodul 30 kann zu vielfältigen Zwecken eingesetzt bzw. eingebaut werden. Es wird beispielhaft vorgeschlagen, ein Kraftfahrzeug, insbesondere elektromotorisch antreibbares Kraftfahrzeug, mit einem erfindungsgemäßen Batteriezellenmodul 30 zu versehen, wobei das Batteriezellenmodul 30 mit einem Antriebssystem des Kraftfahrzeugs verbunden ist. So wird weiter die Sicherheit verbessert, dass das in einem Störungsfall aus den Batteriezellen 20 austretende, schädliche ungewünschte Gas nicht in den Fahrgastraum des Kraftfahrzeugs gelangt, sondern über die Entgasungseinrichtung 10; 11, 12, 14, 16 und Entgasungskollektor 35 sicher nach außen in die Umgebung weggeleitet wird. Im Ergebnis wird durch die verringerte Gefahr einer Undichtigkeit der Batteriezellen 20 und des Batteriezellenmoduls 30 vorteilhaft eine bessere Betriebssicherheit des gesamten Fahrzeugs erreicht, in dem ein erfindungsgemäßes Batteriezellenmodul 30 verbaut ist.
-
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 102009046385 A1 [0008]
