DE19519883C1 - Batteriezelle und diese verwendendes Batteriesystem - Google Patents

Description

Die Erfindung bezieht sich auf eine Batteriezelle nach dem Ober­ begriff des Anspruchs 1 sowie auf ein Batteriesystem, bei dem eine oder mehrere derartige Batteriezellen in einem Batterietrog angeordnet sind. Einen Anwendungsfall der Erfindung stellen Elektrofahrzeug-Traktionsbatterien dar, die bei Überladung Knallgas oder andere gasförmige, gefahrbildende Chemikalien er­ zeugen.

Bei bestimmten Batterietypen, z. B. NiCd- oder Ni-Metallhydrid- Batterien, können sich bei elektrischer Überladung, z. B. infolge eines defekten Ladegerätes, explosionsfähige Gase entwickeln, die in der Batterie nicht mehr chemisch reduziert werden können und demzufolge eine Drucksteigerung in der Batteriezelle verur­ sachen. Es ist bereits bekannt, einen in der Batteriezelle ent­ stehenden Überdruck mittels eines an der Oberseite des Zellenge­ häuses mit dem Zellengehäuseinnenraum in Verbindung stehenden Überdruckventils abzubauen, durch das die entstehenden Gase ent­ weichen können, siehe beispielsweise das Gebrauchsmuster DE 74 41 994 und die Offenlegungsschrift DE 37 22 002 AI. Je nach Bat­ terietyp gefährden die entweichenden Gase jedoch die Umgebung, so daß eventuell sogar auf das Laden entsprechender Batterien in oder nahe von Gebäuden untersagt werden muß.

In der Offenlegungsschrift JP 4-174961 (A) ist eine abgedichtete Batterie offenbart, bei der zur Erhöhung der Luftdichtigkeit ei­ ne Gasauslaßöffnung in einem Batteriebehälter vorgesehen ist, die von einem dünnen Metallfilm abgedeckt und damit vom Innen­ raum isoliert ist, wobei der Metallfilm reißt, wenn der innere Druck im Behälter ansteigt.

Der Erfindung liegt als technisches Problem die Bereitstellung einer Batteriezelle und eines diese verwendenden Batteriesystems zugrunde, bei denen eine übermäßige Gasentwicklung, beispiels­ weise beim Überladen, nicht zu sicherheitsgefährdenden Zuständen und insbesondere auch nicht zur Abgabe sicherheitskritischer Mengen von sich entwickelnden Gasen an die Umgebung führt.

Dieses Problem wird durch eine Batteriezelle mit den Merkmalen des Anspruchs 1 sowie durch ein Batteriesystem mit den Merkmalen des Anspruchs 3 gelöst. Bei dieser Batteriezelle ist ein Über­ druckventil vorgesehen, das in Gebrauchslage der Batteriezelle auf einer unterhalb des normalen Elektrolytpegels liegenden Höhe mit dem Gehäuseinnenraum in Verbindung steht. Dies hat zur Folge, daß bei einem entstehenden Überdruck in der Zelle wegen der erwähnten Gasentwicklung, z. B. beim Überladen, nicht wie bei den oben erwähnten bekannten Batterien, bei denen das Überdruck­ ventil an der Oberseite des Zellengehäuses mit dem Gehäuseinnen­ raum in Verbindung steht, das sich entwickelnde Gas, sondern vielmehr der Elektrolyt durch das Überdruckventil hindurch aus­ tritt. Indem das sich entwickelnde Gas Elektrolyt aus dem Zel­ lengehäuse herausdrückt, werden die Elektroden immer weniger vom Elektrolyt benetzt und die Zelle wird im allgemeinen immer inak­ tiver, bis eine weitere Gasentwicklung unterbleibt. Das sich entwickelnde Gas sammelt sich seinerseits im oberen Bereich des Zellengehäuses, ohne aus letzterem auszutreten, so daß keine Kontamination der Umgebung mit dem in der Zelle entstandenen Gas auftreten kann.

In Anspruch 2 ist eine besonders vorteilhafte Weiterbildung der Erfindung angegeben, nach welcher das Überdruckventil an der Ge­ häuseunterseite, und zwar bevorzugt am tiefsten Punkt des Zel­ lengehäuses, mit dem Gehäuseinnenraum in Verbindung steht. Dies gewährleistet, daß immer so viel Elektrolyt aus der Zelle her­ ausgedrückt werden kann, daß die Zelle inaktiv wird oder jeden­ falls der Druck im Zellengehäuse unter einem durch die Dimensio­ nierung des Überdruckventils vorgebbaren Maximalwert bleibt. Bei dem erfindungsgemäßen Batteriesystem sind eine oder mehrere sol­ che Batteriezellen in einem Batterietrog angeordnet, so daß der im Überdruckfall aus einer jeweiligen Batteriezelle herausge­ drückte Elektrolyt problemlos im Trog aufgefangen werden kann, ohne in die Umgebung zu gelangen.

Bei dem nach Anspruch 4 weitergebildeten Batteriesystem liegen die Batteriezellen mit Abstand über dem Trogboden, so daß jegli­ cher Kontakt zwischen aus den Zellen herausgedrücktem, sich am Trogboden sammelndem Elektrolyt und den im Trog befindlichen Batteriezellen verhindert wird. Dies kann besonders bei Verwen­ dung einer bevorzugten Ausführung der Batteriezellen mit in Ge­ brauchslage unterseitig angeordneten Polen zweckmäßig sein, da diese sonst in den auf dem Trogboden gesammelten Elektrolyt ein­ tauchen und auf diese Weise zu Zellenkurzschlüssen Anlaß geben könnten. Dies gilt gleichermaßen auch für Zellen, deren Gehäuse galvanisch an einen Pol gekoppelt sind. Besonders für bewegte Batteriesysteme, z. B. in Elektrofahrzeuge als Traktionsbatterien eingebaute Systeme, ist eine weitere Ausgestaltung nach Anspruch 5 günstig. In diesem Fall ist für jede Batteriezelle ein abge­ teiltes Elektrolytauffangbecken gebildet, wodurch ein Schwappen und lokales Anhäufen von Elektrolyt über dem Trogboden verhin­ dert wird, was ansonsten bei gleichzeitigem Austritt von Elek­ trolyt aus einer merklichen Anzahl von Zellen beispielsweise wiederum zu Zellenkurzschlüssen führen könnte.

Eine bevorzugte Ausführungsform der Erfindung ist in den Zeich­ nungen dargestellt und wird nachfolgend beschrieben. Hierbei zeigen:

Fig. 1 einen schematischen Längsschnitt durch eine Batteriezelle mit unterseitigem Überdruckventil und

Fig. 2 einen schematischen Längsschnitt durch ein Batteriesystem mit einem Batterietrog, der mehrere Batteriezellen gemäß Fig. 1 enthält.

Die in Fig. 1 gezeigte Batteriezelle enthält in üblicher Weise innerhalb eines Zellengehäuses (1) mehrere Elektrodenplatten (2) und einen Elektrolyt (3), z. B. Kalilauge, wobei der Gehäuse­ innenraum (9) bis auf ein an der Oberseite verbleibendes Deh­ nungsvolumen (4) mit dem Elektrolyt (3) gefüllt ist. Die mit ih­ rer jeweils zugehörigen Elektrodenplatte (2) kontaktierten Zel­ lenanschlußpole (5) sind an der Gehäuseunterseite (10) unter Einbringen einer jeweiligen Dichtung (6), die gleichzeitig als Isolator wirkt, in Fig. 1 nach unten herausgeführt. Die in Fig. 1 gezeigte Lage der Batteriezelle bildet gleichzeitig deren Gebrauchslage, d. h. sie wird in dieser Lage betrieben, wobei zur Orientierung die geodätisch nach unten weisende Richtung mit ei­ nem Pfeil (8) angegeben ist. Mitten zwischen den beiden An­ schlußpolen (5) ist gleichfalls an der Gehäuseunterseite (10) an einem tiefsten Punkt des Gehäuseinnenraums (9) ein Überdruckven­ til (7) eingesetzt, durch das Elektrolyt (3) aus dem Gehäusein­ nenraum (9) herausgedrückt wird, sobald der Druck im Gehäusein­ nenraum (9) einen vorgegebenen Maximalwert übersteigt.

Wenn folglich beim Laden dieser Batteriezelle in der gezeigten Gebrauchslage durch elektrisches Überladen explosionsfähige oder in sonstiger Weise schädliche Gase entstehen, wandern diese im Gehäuseinnenraum (9) nach oben, verbinden sich mit dem normalen Dehnungsvolumen (4) und drücken, sobald der vorgegebene Maximal­ wert im Gehäuseinnenraum (9) überschritten wird, Elektrolyt (3) über das Überdruckventil (7) aus dem Gehäuseinnenraum (9) her­ aus. Dadurch sinkt der Elektrolytpegel allmählich ab, bis er bei anhaltendem Überdruck unter die Oberkante der Elektrodenplatten (2) abfällt. Der vom Elektrolyt (3) benetzte Flächenanteil der Elektrodenplatten (2) geht anschließend immer weiter zurück, wo­ durch letztlich auch die Gasentwicklung aufhört, spätestens dann, wenn der Elektrolytpegel unter die Unterkante der Elektro­ denplatten (2) abgesunken ist. Falls schon vorher die Gasent­ wicklung so weit nachgelassen hat, daß der Druckmaximalwert wie­ der unterschritten wird, bleibt der Elektrolytpegel auf einer gewissen Höhe zwischen Unterkante und Oberkante der Elektroden­ platten (2) stehen. Das sich durch das Überladen entwickelnde Gas sammelt sich im Gasvolumen über dem Elektrolyt (3) und bleibt folglich im Gehäuseinnenraum (9) eingeschlossen, ohne in die Umgebung zu entweichen, so daß diesbezügliche Sicherheitsge­ fährdungen ausgeschlossen sind.

Alternativ zum gezeigten Beispiel ist es je nach sonstiger Aus­ legung der Batteriezelle auch möglich, das Überdruckventil an einer Seitenwand des Zellengehäuses auf einer geeigneten Höhe über dem tiefsten Punkt des Gehäuseinnenraums anzuordnen oder an einem beliebigen anderen Ort, wenn das Überdruckventil z. B. über eine Rohrleitung mit der tiefsten Stelle im Zellgehäuse verbun­ den ist. Bei Sonderbauformen von Batteriezellen, in denen der Elektrolyt so gespeichert ist, daß er sich nicht in größerer Menge aus den Zwischenräumen zwischen den Elektrodenplatten her­ auspressen läßt, kann vorgesehen sein, die Batteriezelle so aus­ zulegen, daß unterhalb der Elektrodenplatten eine ausreichende Elektrolytmenge gespeichert ist. Wenn eine derartige Batterie­ zelle ansonsten analog zu derjenigen von Fig. 1 aufgebaut ist, kann die im Gehäuseinnenraum unten gespeicherte Elektrolytmenge bei übermäßiger Gasentwicklung und folglich übermäßig hohem Ge­ häuseinnenraumdruck durch das im tiefsten Gehäuseinnenraumpunkt angebrachte Überdruckventil als Signalflüssigkeit nach unten austreten und eine außerhalb der Batteriezelle angeordnete Si­ cherheitsabschaltvorrichtung auslösen. Eine solche Sicherheits­ abschaltvorrichtung kann beispielsweise aus Sensoren besteht, die unter der Zelle angeordnet sind und direkt oder über einen Verstärker ein Abschaltrelais aktivieren, das in den Ladestrom­ kreis eingeschleift ist. Wenn dann beim Überladen der Zelle die gespeicherte Elektrolytmenge als Signalflüssigkeit austritt, wird dies von den Sensoren erfaßt, indem z. B. die Sensoren durch den ausgetretenen Elektrolyt kurzgeschlossen werden, wonach das Abschaltrelais aktiviert und somit der Ladestromkreis unterbro­ chen wird.

Das in Fig. 2 gezeigte Batteriesystem beinhaltet einen Batte­ rietrog (19), in welchem vier Batteriezellen gemäß Fig. 1, schematisch repräsentiert durch deren Gehäuse (1), in einer ho­ rizontalen Reihe nebeneinanderliegend in der Gebrauchslage, d. h. mit ihren Anschlußpolen (5) und ihrem jeweiligen Überdruckventil (7) nach unten weisend aufgenommen sind, wobei zur Orientierung wiederum der geodätisch nach unten weisende Richtungspfeil (8) angegeben ist. Die Batteriezellen (1) sind mit Abstand über dem Trogboden (18) angeordnet, wobei sie in hier nicht weiter inter­ essierender, herkömmlicher Weise von Halterungselementen gehal­ ten sind, die ihrerseits am Batterietrog (19) abgestützt sind. Es versteht sich, daß neben der gezeigten eindimensionalen An­ ordnung auch eine zweidimensionale, matrixförmige Anordnung von Batteriezellen in einer Ebene oder auch eine dreidimensionale Zellenanordnung mit mehreren, übereinanderliegenden Zellen-ma­ trixebenen in einem passenden Batterietrog aufgenommen sein kann. Oben ist der Trog (19) mit einem Trogdeckel (13) abge­ deckt. Das Batteriesystem kann beispielsweise als Traktionsbat­ terie für ein Elektrofahrzeug verwendet werden, wobei dann der Trogboden (19) ein integrales Karosserieteil bildet oder an der Fahrzeugkarosserie angebracht ist. Zur elektrischen Serienver­ schaltung der vier Zellen (1) sind je zwei benachbarte Zellen (1) mit ihren ungleichnamigen Polen über einen jeweiligen Pol­ verbinder (11) elektrisch verbunden. Von den äußeren Polen der außenliegenden Batteriezellen führen Anschlußleitungen ab, die durch die jeweils zugewandten Trogseitenwandbereiche aus dem Trog (19) herausgeführt sind.

Wenn nun während eines Ladevorgangs des Batteriesystems eine oder mehrere der Batteriezellen (1) überladen werden, drückt ggf. das sich entwickelnde Gas, wie oben beschrieben, Elektrolyt durch das Überdruckventil (7) nach unten aus dem entsprechenden Zellengehäuse (1) heraus. Dieser sammelt sich dann auf dem Trog­ boden (18). Eine unerwünschte Abgabe von Elektrolyt an die Umge­ bung wird damit ebenso verhindert wie ein Entweichen der sich beim elektrischen Überladen der Zellen (1) entwickelnden Gase, die im jeweiligen Zellengehäuse (1) eingeschlossen bleiben. Da die Batteriezellen (1) mit Abstand über dem Trogboden (18) ge­ halten sind, kommen diese mit dem ausgelaufenen Elektrolyt nicht in Kontakt, wozu der Abstand der Zellen (1) vom Trogboden (18) geeignet gewählt wird. Dies vermeidet insbesondere, daß die an der Zellenunterseite angeordneten Anschlußpole (5) mit ausgelau­ fenem Elektrolyt in Kontakt kommen, was Zellenkurzschlüsse zur Folge haben könnte.

Für nichtstationäre, mobile Anwendungsfälle des Batteriesystems, z. B. einem Einsatz in Elektrofahrzeugen, ist es zweckmäßig, ei­ nem Schwappen und lokalen Anhäufen von ausgelaufenem, auf dem Trogboden (18) befindlichem Elektrolyt vorzubeugen. Denn auf diese Weise könnte es zu Kontakten von ausgelaufenem Elektrolyt mit Zellenanschlußpolen (5) oder anderen, im Trog befindlichen Teilen selbst dann kommen, wenn diese Teile im stationären Sy­ stemzustand noch oberhalb des Pegels der ausgelaufenen Elek­ trolytmenge liegen. Um dem Rechnung zu tragen, ist die Oberseite des Trogbodens (18) in einzelne Elektrolytauffangbecken (12) durch Bildung entsprechender Ausnehmungen unterteilt, wobei je­ der Batteriezelle (1) ein Auffangbecken (12) zugeordnet sein kann. Benachbarte Auffangbecken (12) sind folglich durch verti­ kale Trennwände (14) voneinander separiert, deren Höhe so groß gewählt ist, daß ein Überschwappen von Elektrolyt von einem in das nächste Auffangbecken (12) selbst dann unschädlich ist, wenn die Zellen (1) maximal ausgelaufen sind. Diese Höhe ist in Fig. 2 der Deutlichkeit halber übertrieben dargestellt. In Wirklich­ keit reicht eine viel geringere, durch diese Trennwandhöhe defi­ nierte Tiefe der Auffangbecken (12) aus, da die Elektrolytmenge, die pro Zelle (1) maximal auslaufen kann, nicht sehr groß ist.

Claims (7)

1. Batteriezelle mit

• - einem Gehäuse (1), in dessen Innenraum (9) Elektroden (2) und ein Elektrolyt (3) aufgenommen sind, und
• - einem mit dem Gehäuseinnenraum (9) in Verbindung stehenden Überdruckventil (7),

dadurch gekennzeichnet, daß

• - das Überdruckventil (7) in Gebrauchslage der Batteriezelle auf einer unterhalb des normalen Elektrolytpegels liegenden Höhe mit dem Gehäuseinnenraum (9) in Verbindung steht.

2. Batteriezelle nach Anspruch 1, weiter dadurch gekennzeichnet, daß das Überdruckventil (7) an der Gehäuseunterseite (10) mit dem Gehäuseinnenraum (9) in Verbindung steht.

3. Batteriesystem mit

• - einem Batterietrog (19), in dem eine oder mehrere Batteriezel­ len angeordnet sind,

dadurch gekennzeichnet, daß

• - in dem Batterietrog (19) eine oder mehrere Batteriezellen (1) nach Anspruch 1 oder 2 angeordnet sind.

4. Batteriesystem nach Anspruch 3, weiter dadurch gekennzeichnet, daß die Batteriezellen (1) mit Abstand über dem Trogboden (18) ange­ ordnet sind.

5. Batteriesystem nach Anspruch 4, weiter dadurch gekennzeichnet, daß an der Oberseite des Trogbodens (18) für jede Batteriezelle (1) ein separates Elektrolytauffangbecken (12) gebildet ist.