DE102023100558A1 - High-voltage battery with a sealing element arranged in a degassing opening - Google Patents
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Abstract
Die Erfindung betrifft eine Hochvoltbatterie für ein elektrisch oder zumindest teilelektrisch angetriebenes Fahrzeug, wobei die Hochvoltbatterie zumindest eine Batteriezelle (1) aufweist, wobei die Batteriezelle (1) ein Zellgehäuse mit einem Sicherheitsventil (3) zum Entgasen der Batteriezelle (1) aufweist, wobei die Batteriezelle (3) in einem die Batteriezelle (1) umschließenden Gehäuse angeordnet ist, wobei eine Gehäusewand (2) des Gehäuses eine dem Sicherheitsventil (3) gegenüberliegende Entgasungsöffnung (4) aufweist, wobei in der Entgasungsöffnung (4) ein Dichtelement (5) angeordnet ist, wobei das Dichtelement (5) einen Durchgangskanal (6) zum Ausleiten von aus dem Sicherheitsventil (3) der Batteriezelle (1) austretenden Gasen aus dem Gehäuse aufweist, wobei das Dichtelement (5) einen den Durchgangskanal umlaufend umschließenden Schaft (8) und einen an den Schaft (8) angrenzenden Flansch (9) aufweist, wobei der Schaft (8) dichtend an dem Zellgehäuse der Batteriezelle (1) anliegt, wobei der Schaft (8) das Sicherheitsventil (3) der Batteriezelle (1) dichtend umschließt, wobei der Flansch (9) die Gehäusewand (2) auf einer der Batteriezelle (1) abgewandten Außenseite hintergreift, wobei der Flansch (9) stoffschlüssig mit der Gehäusewand (2) verbunden ist und/oder wobei zwischen dem Flansch (9) und der Gehäusewand (2) eine ringförmige, die Entgasungsöffnung (4) umschließende Feststoff-Elastomerdichtung angeordnet ist, die dichtend an dem Flansch (9) und an der Gehäusewand (2) anliegt.The invention relates to a high-voltage battery for an electrically or at least partially electrically driven vehicle, wherein the high-voltage battery has at least one battery cell (1), wherein the battery cell (1) has a cell housing with a safety valve (3) for degassing the battery cell (1), wherein the battery cell (3) is arranged in a housing enclosing the battery cell (1), wherein a housing wall (2) of the housing has a degassing opening (4) opposite the safety valve (3), wherein a sealing element (5) is arranged in the degassing opening (4), wherein the sealing element (5) has a through-channel (6) for discharging gases escaping from the safety valve (3) of the battery cell (1) from the housing, wherein the sealing element (5) has a shaft (8) circumferentially enclosing the through-channel and a flange (9) adjacent to the shaft (8), wherein the shaft (8) rests sealingly against the cell housing of the battery cell (1), wherein the shaft (8) Safety valve (3) of the battery cell (1) sealingly encloses, wherein the flange (9) engages behind the housing wall (2) on an outer side facing away from the battery cell (1), wherein the flange (9) is materially connected to the housing wall (2) and/or wherein an annular solid elastomer seal enclosing the degassing opening (4) is arranged between the flange (9) and the housing wall (2), which seals against the flange (9) and the housing wall (2).
Description
Die Erfindung betrifft eine Hochvoltbatterie für ein elektrisch oder teilelektrisch angetriebenes Fahrzeug, insbesondere für einen elektrisch oder teilelektrisch angetriebenen Personenkraftwagen.The invention relates to a high-voltage battery for an electrically or partially electrically powered vehicle, in particular for an electrically or partially electrically powered passenger car.
Bei elektrisch oder teilelektrisch angetriebenen Fahrzeugen werden zahlreiche Batteriezellen zu einer Hochvoltbatterie, auch als Traktionsbatterie bezeichnet, zusammengeschaltet. Eine solche Hochvoltbatterie besteht in der Regel aus mehreren hundert, teilweise bis zu mehreren tausend Batteriezellen. Die Batteriezellen der Hochvoltbatterie werden in der Regel zu Batteriemodulen, somit zu Untergruppen, zusammengeschaltet, wobei diese Batteriemodule typischerweise eine identische Anzahl von Batteriezellen aufweisen. In der Regel werden die Batteriezellen in einer Stapelrichtung gestapelt und auf diese Art ein Batteriezellenstapel, auch Zellstack genannt, gebildet, der dann in ein Batteriemodulgehäuse eingeschoben wird.In electrically or partially electrically powered vehicles, numerous battery cells are connected together to form a high-voltage battery, also known as a traction battery. Such a high-voltage battery usually consists of several hundred, sometimes up to several thousand battery cells. The battery cells of the high-voltage battery are usually connected together to form battery modules, i.e. subgroups, whereby these battery modules typically have an identical number of battery cells. The battery cells are usually stacked in one stacking direction, thus forming a battery cell stack, also known as a cell stack, which is then inserted into a battery module housing.
Aufgrund von Störungen kann es zu einem starken Erwärmen einer Batteriezelle kommen, so dass der Elektrolyt dieser Batteriezelle in einen gasförmigen Zustand übergeht, wodurch sich innerhalb kurzer Zeit der Druck innerhalb der Batteriezelle stark erhöht. Um ein unkontrolliertes Aufreißen eines Zellgehäuses oder einer Hülle 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 solcher Vorgang wird auch als Entgasen bezeichnet. Das Sicherheitsventil kann durch eine Öffnung in einem Zellgehäuse gebildet sein, die mit einer Berstscheibe verschlossen ist, die bei einem definierten Berstdruck zerbirst und somit die Ventilöffnung freigibt.Due to malfunctions, a battery cell can heat up considerably, causing the electrolyte of this battery cell to change into a gaseous state, which causes the pressure inside the battery cell to increase significantly within a short period of time. In order to prevent uncontrolled rupture of a cell casing or a shell of the affected battery cell, it is known to equip battery cells with a safety valve that opens at a predetermined internal cell pressure and allows the evaporated electrolyte and any other decomposition products that may have formed to escape. Such a process is also known as degassing. The safety valve can be formed by an opening in a cell casing that is closed with a rupture disk that bursts at a defined bursting pressure and thus releases the valve opening.
Die beim Entgasen austretenden Gase haben meist hohe Temperaturen. Die Gase müssen so aus dem Batteriesystem bzw. der Hochvoltbatterie abgeführt werden, dass Insassen und empfindliche Bauteile, wie zum Beispiel andere, intakte Zellen, keinen Schaden nehmen.The gases released during degassing usually have high temperatures. The gases must be removed from the battery system or the high-voltage battery in such a way that passengers and sensitive components, such as other intact cells, are not damaged.
Häufig werden die Batteriezellen zum Schutz gegen äußere Einflüsse und/oder zwecks direkter Kühlung der Batteriezellen in einem die Batteriezellen umschließenden Gehäuse, beispielsweise einem Batteriemodulgehäuse, angeordnet. Bei einer Gestaltung mit einem die Batteriezellen umschließenden Gehäuse ist es notwendig, die aus einem Sicherheitsventil einer Batteriezelle austretenden Gase kontrolliert aus diesem Gehäuse auszuleiten, insbesondere um eine Beschädigung der weiteren in dem Gehäuse angeordneten Batteriezellen durch die austretenden heißen Gase zu vermeiden. In der Regel weist ein solches Gehäuse zu diesem Zweck eine oder mehrere Entgasungsöffnungen auf. Problematisch ist dabei die dauerhaft sichere Anbindung einer solchen Entgasungsöffnung an das Sicherheitsventil der jeweiligen Batteriezelle. Zum einen besteht die Problematik, dass Batteriezellen, beispielsweise prismatische Batteriezellen oder Pouch-Zellen, einer Änderung in ihrer Dicke beim Laden und Entladen, auch als Atmen bezeichnet, unterliegen. Ferner kann bei Batteriezellen ein alterungsbedingtes Swelling auftreten. Darunter wird verstanden, dass sich die Batteriezellen mit zunehmendem Betriebsalter ausdehnen. Derartige Veränderungen der Batteriezellen führen dazu, dass sich ein Abstand der Batteriezelle von der Entgasungsöffnung verändern kann. Auch sollten zu starke mechanische Einwirkungen auf das Zellgehäuse, wie sie beispielsweise bei einer steifen Anbindung der Sicherheitsventile an die Entgasungsöffnung auftreten könnten, vermieden werden. Zudem sollte bei direkt gekühlten Batteriezellen ein Kontakt von heißem Gas mit dem Kühlmedium vermieden werden.The battery cells are often arranged in a housing that encloses the battery cells, for example a battery module housing, to protect them against external influences and/or to directly cool the battery cells. In a design with a housing that encloses the battery cells, it is necessary to discharge the gases escaping from a safety valve of a battery cell from this housing in a controlled manner, in particular to avoid damage to the other battery cells arranged in the housing by the escaping hot gases. As a rule, such a housing has one or more venting openings for this purpose. The problem here is the permanent, secure connection of such a venting opening to the safety valve of the respective battery cell. On the one hand, there is the problem that battery cells, for example prismatic battery cells or pouch cells, are subject to a change in their thickness when charging and discharging, also known as breathing. In addition, age-related swelling can occur in battery cells. This means that the battery cells expand as they age. Such changes to the battery cells can result in the distance between the battery cell and the vent opening changing. Excessive mechanical impacts on the cell housing, such as those that could occur if the safety valves were rigidly connected to the vent opening, should also be avoided. In addition, contact between hot gas and the cooling medium should be avoided in the case of directly cooled battery cells.
Die
Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, eine Hochvoltbatterie zu schaffen, die bei einfacher Gestaltung ein besonders sicheres Ausleiten der aus einer Batteriezelle austretenden Gase beim Entgasen gewährleistet.The object of the present invention is to provide a high-voltage battery which, with a simple design, ensures particularly safe discharge of the gases escaping from a battery cell during degassing.
Gelöst wird diese Aufgabe durch eine Hochvoltbatterie, die die Merkmale des Patentanspruchs 1 aufweist, sowie durch ein Verfahren, dass die Merkmale des Patentanspruchs 10 aufweist. Bei der erfindungsgemäßen Hochvoltbatterie handelt es sich um eine Hochvoltbatterie für ein elektrisch oder zumindest teilelektrisch angetriebenes Fahrzeug, wobei die Hochvoltbatterie zumindest eine Batteriezelle aufweist, wobei die Batteriezelle ein Zellgehäuse mit einem Sicherheitsventil zum Entgasen der Batteriezelle, zum Schutz der Batteriezelle vor schädigendem Überdruck, aufweist, wobei die Batteriezelle in einem die Batteriezelle umschließenden Gehäuse angeordnet ist, wobei eine Gehäusewand des Gehäuses eine dem Sicherheitsventil gegenüberliegende Entgasungsöffnung aufweist, wobei in der Entgasungsöffnung ein Dichtelement angeordnet ist, wobei das Dichtelement einen Durchgangskanal zum Ausleiten von aus dem Sicherheitsventil der Batteriezelle austretenden Gasen aus dem Gehäuse aufweist, wobei das Dichtelement einen den Durchgangskanal umlaufend umschließenden Schaft und einen an den Schaft angrenzenden Flansch aufweist, wobei der Schaft dichtend an dem Zellgehäuse der Batteriezelle anliegt, wobei der Schaft das Sicherheitsventil der Batteriezelle dichtend umschließt, wobei der Flansch die Gehäusewand auf einer der Batteriezelle abgewandten Außenseite hintergreift, wobei der Flansch stoffschlüssig mit der Gehäusewand verbunden, vorzugweise verschweißt oder verklebt, ist und/oder wobei zwischen dem Flansch und der Gehäusewand eine ringförmige, die Entgasungsöffnung umschließende Feststoff-Elastomerdichtung angeordnet ist, die dichtend an dem Flansch und an der Gehäusewand anliegt. Durch die umlaufend dichtende Anlage des Schafts an dem Zellgehäuse ist der Durchgangskanal gegenüber einem Innenraum des die Batteriezelle umschließenden Gehäuses abgedichtet, sodass ein gegenüber dem Innenraum des Gehäuses abgedichteter Strömungskanal für das aus der Batteriezelle, genauer gesagt dem Sicherheitsventil der Batteriezelle, austretende heiße Gas gebildet ist, über den dann das aus dem Sicherheitsventil austretende Gas kontrolliert aus dem Gehäuse ausgeleitet wird.This object is achieved by a high-voltage battery having the features of
Die erfindungsgemäße Lösung bietet insbesondere Vorteile bei direktgekühlten Batteriezellen, somit Hochvoltbatterien, bei denen in dem Gehäuse ein dielektrisches Kühlmedium, beispielsweise ein Kühlöl, die Batteriezelle, insbesondere einen Zellstapel, und gegebenenfalls weitere Komponenten, wie Kontaktschienen und Hochvoltanschlüsse, direkt umströmt. Durch das erfindungsgemäße Dichtelement wird eine Vermischung des im Fall eines Entgasens austretenden Gases mit dem Kühlmedium vermieden oder zumindest reduziert. Dadurch wird ein Kontakt zwischen dem ausströmenden Gas und dem Kühlmedium vermieden, wodurch verhindert wird, dass sich das Kühlmedium bei Kontakt mit dem heißen Gas entzündet. Zudem wird durch das erfindungsgemäße Dichtelement vermieden, dass das Sicherheitsventil mit einem Innendruck des Kühlmediums beaufschlagt wird, was sich vorteilhaft auf die Lebensdauer der Batteriezelle auswirkt.The solution according to the invention offers particular advantages for directly cooled battery cells, i.e. high-voltage batteries in which a dielectric cooling medium, for example a cooling oil, flows directly around the battery cell, in particular a cell stack, and possibly other components such as contact rails and high-voltage connections in the housing. The sealing element according to the invention prevents or at least reduces mixing of the gas escaping in the event of degassing with the cooling medium. This prevents contact between the escaping gas and the cooling medium, which prevents the cooling medium from igniting on contact with the hot gas. In addition, the sealing element according to the invention prevents the safety valve from being subjected to internal pressure from the cooling medium, which has a beneficial effect on the service life of the battery cell.
Der Schaft muss nicht notwendigerweise kreisringförmig ausgebildet sein. Es ist durchaus denkbar, dass der Schaft einen rechteckförmigen Querschnitt oder einen rechteckförmigen Querschnitt mit abgerundeten Ecken aufweist.The shaft does not necessarily have to be circular. It is entirely conceivable that the shaft has a rectangular cross-section or a rectangular cross-section with rounded corners.
In einer besonders bevorzugten Ausführungsform ist vorgesehen, dass der Schaft an seinem dem Zellgehäuse anliegenden Ende eine Weichkomponente aufweist, insofern eine Komponente, die weicher ist als der daran angrenzende Abschnitt des Schafts. Als besonders vorteilhaft wird es angesehen, wenn der Schaft an seinem dem Zellgehäuse anliegenden Ende eine ringförmige Schaum- oder Elastomerdichtung aufweist. Durch die Verformbarkeit bzw. Komprimierbarkeit der ringförmigen Schaum- oder Elastomerdichtung kann sich das Schaftende besonders gut an die Form des Zellgehäuses um das Sicherheitsventil herum anschmiegen und dadurch dichtend verschließen. Zudem hat eine Weichkomponente bzw. eine ringförmige Schaum- oder Elastomerdichtung den Vorteil, dass in der axialen Richtung große Toleranzen, beispielsweise von bis zu mehreren Millimetern, durch elastisches Verformen der Weichkomponente ausgeglichen werden können, ohne dass sich dies negativ auf die Dichtheit der Anlage des Schafts an dem Zellgehäuse auswirkt. Dadurch kann ein Breathing und Swelling der Batteriezelle kompensiert werden.In a particularly preferred embodiment, the shaft has a soft component at its end adjacent to the cell housing, in that it is a component that is softer than the section of the shaft adjacent to it. It is considered particularly advantageous if the shaft has an annular foam or elastomer seal at its end adjacent to the cell housing. Due to the deformability or compressibility of the annular foam or elastomer seal, the shaft end can conform particularly well to the shape of the cell housing around the safety valve and thus seal it off. In addition, a soft component or an annular foam or elastomer seal has the advantage that large tolerances in the axial direction, for example of up to several millimeters, can be compensated for by elastic deformation of the soft component, without this having a negative effect on the tightness of the shaft's connection to the cell housing. This can compensate for breathing and swelling of the battery cell.
Als besonders vorteilhaft wird es angesehen, wenn der Flansch der Flansch stoffschlüssig mit der Gehäusewand verbunden, nämlich axial mit der Gehäusewand verklebt ist. Insofern wird es als besonders vorteilhaft angesehen, wenn auf einer der Außenseite der Gehäusewand zugewandten Unterseite des Flanschs eine Klebstoffschicht aufgebracht ist. Bei dem Klebestoff handelt es sich vorzugsweise um einen PU-Klebstoff, einen Epoxidharz-Klebstoff oder einen Acrylat-Klebstoff.It is considered particularly advantageous if the flange is firmly bonded to the housing wall, i.e. is glued axially to the housing wall. In this respect, it is considered particularly advantageous if an adhesive layer is applied to the underside of the flange facing the outside of the housing wall. The adhesive is preferably a PU adhesive, an epoxy resin adhesive or an acrylate adhesive.
Als besonders vorteilhaft wird es angesehen, wenn das Dichtelement hülsenartig ausgebildet ist.It is considered particularly advantageous if the sealing element is designed like a sleeve.
In einer besonders bevorzugten Ausführungsform wirkt das Dichtelement dichtend mit dem die Batteriezelle umschließenden Gehäuse zusammen und dichtet einen die Batteriezelle aufnehmenden Innenraum des Gehäuses nach außen ab. Dadurch wird der Gehäuseinnenraum gegen Umgebungsluft, Schmutz und Feuchtigkeit abgedichtet. Bei einer direkt gekühlten Batteriezelle, in denen im dem Gehäuseinnenraum ein dielektrisches Kühlmedium, wie beispielsweise ein Kühlöl, strömt, wird durch das Dichtelement eine Leckage nach außen vermieden. Bei einer stoffschlüssigen Verbindung zwischen Flansch und Gehäusewand erfolgt die Abdichtung vorzugsweise durch die stoffschlüssige Verbindung zwischen Flansch und Gehäusewand. Beispielsweise kann eine die Entgasungsöffnung umschließende Klebeverbindung oder Schweißverbindung vorgesehen sein.In a particularly preferred embodiment, the sealing element works together to seal the housing enclosing the battery cell and seals off an interior of the housing that accommodates the battery cell from the outside. This seals off the interior of the housing from ambient air, dirt and moisture. In the case of a directly cooled battery cell in which a dielectric cooling medium, such as cooling oil, flows in the interior of the housing, the sealing element prevents leakage to the outside. In the case of a material-fit connection between the flange and the housing wall, the seal is preferably achieved by the material-fit connection between the flange and the housing wall. For example, an adhesive connection or welded connection that encloses the degassing opening can be provided.
Vor dem Hintergrund einer guten und einfachen Abdichtung ist eine Ausführungsform mit der zwischen dem Flansch und der Gehäusewand angeordneten, ringförmigen, die Entgasungsöffnung umschließenden Feststoff-Elastomerdichtung, die dichtend an dem Flansch und der Gehäusewand anliegt, als vorteilhaft anzusehen.In view of the need for good and simple sealing, an embodiment with an annular solid elastomer seal arranged between the flange and the housing wall, enclosing the degassing opening and sealingly abutting the flange and the housing wall, is considered to be advantageous.
Als besonders vorteilhaft wird es angesehen, wenn das Dichtelement eine den Durchgangskanal verschließende Berstmembran aufweist. Durch diese Berstmembran wird der Durchgangskanal des Dichtelements verschlossen, sodass das Sicherheitsventil gegen Umgebungsluft, Schmutz und Feuchtigkeit abgedichtet ist. Die Berstmembran des Dichtelements ist dabei derart ausgeführt, dass diese Berstmembran zerbirst, sobald Gas aus dem Sicherheitsventil der entsprechenden Batteriezelle austritt und sich dadurch der Druck im Durchgangskanal erhöht. Dabei ist beispielsweise vorgesehen, dass die Berstmembran des Dichtelements bei Innendrücken öffnet, die kleiner oder gleich einem Innendruck zum Öffnen des Sicherheitsventils der entsprechenden Batteriezelle ist.It is considered particularly advantageous if the sealing element has a through-channel closing bursting membrane. This bursting membrane closes the passageway of the sealing element so that the safety valve is sealed against ambient air, dirt and moisture. The bursting membrane of the sealing element is designed in such a way that this bursting membrane bursts as soon as gas escapes from the safety valve of the corresponding battery cell and the pressure in the passageway increases as a result. For example, it is intended that the bursting membrane of the sealing element opens at internal pressures that are less than or equal to an internal pressure for opening the safety valve of the corresponding battery cell.
Es ist aber auch durchaus denkbar, dass nicht das Dichtelement als solches eine den Durchgangskanal verschließende Berstmembran aufweist, sondern mit dem Gehäuse eine den Durchgangskanal verschließende Berstmembran verbunden ist.However, it is also quite conceivable that the sealing element as such does not have a bursting membrane closing the passage channel, but that a bursting membrane closing the passage channel is connected to the housing.
In einer bevorzugten Ausführungsform sind in dem Gehäuse mehrere Batteriezellen angeordnet sind, wobei die Gehäusewand des Gehäuses eine dem jeweiligen Sicherheitsventil der Batteriezelle gegenüberliegende Entgasungsöffnung aufweist, wobei in den Entgasungsöffnungen jeweils ein Dichtelement angeordnet ist.In a preferred embodiment, a plurality of battery cells are arranged in the housing, wherein the housing wall of the housing has a degassing opening opposite the respective safety valve of the battery cell, wherein a sealing element is arranged in each of the degassing openings.
Vorzugsweise sind die Batteriezellen in einer Stapelrichtung gestapelt und auf diese Art ein Batteriezellenstapel, auch Zellstack genannt, gebildet, wobei das Gehäuse durch ein Batteriemodulgehäuse gebildet ist.Preferably, the battery cells are stacked in a stacking direction and in this way a battery cell stack, also called a cell stack, is formed, wherein the housing is formed by a battery module housing.
In einer besonders bevorzugten Ausführungsform ist vorgesehen, dass der Schaft ein oder mehrere Rastelemente aufweist, wobei das eine oder die mehreren Rastelemente die Gehäusewand auf einer der Batteriezelle zugewandten Innenseite hintergreifen. Insofern umfasst das Dichtelement eine clipsartige Hinterrastung am Gehäuse auf dessen Innenseite. Diese Rastelemente haben den Vorteil, dass die Rastelemente einen Formschluss mit der Gehäusewand bilden, wodurch sich das Dichtelement über die Rastelemente mechanisch an der Gehäusewand abstützt. Dadurch wird bei Vorsehen der stoffschlüssigen Verbindung die stoffschlüssige Verbindung im Bereich des Flanschs entlastet wird und dadurch ein Lösen des Dichtelements verhindert wird. Auch wird dadurch bei Vorsehen der ringförmigen Feststoff-Elastomerdichtung zwischen dem Flansch und der Gehäusewand vermieden, dass die Feststoff-Elastomerdichtung nicht mehr ausreichend an die Gehäusewand und den Flansch angepresst ist, was zu einer Leckage führen kann.In a particularly preferred embodiment, the shaft has one or more locking elements, wherein the one or more locking elements engage behind the housing wall on an inner side facing the battery cell. In this respect, the sealing element comprises a clip-like locking mechanism on the housing on its inner side. These locking elements have the advantage that the locking elements form a positive connection with the housing wall, whereby the sealing element is mechanically supported on the housing wall via the locking elements. As a result, when the material-locking connection is provided, the material-locking connection in the area of the flange is relieved and the sealing element is prevented from coming loose. When the ring-shaped solid elastomer seal is provided between the flange and the housing wall, this also prevents the solid elastomer seal from no longer being sufficiently pressed against the housing wall and the flange, which can lead to leakage.
In einer besonders bevorzugten Ausführungsform ist vorgesehen, dass das eine oder die mehreren Rastelemente mit der Innenseite der Gehäusewand derart zusammenwirken, dass das an der Batteriezelle anliegenden Ende des Schafts an das Zellgehäuse gepresst wird. Dadurch wird eine besonders hohe Dichtheit in diesem Kontaktbereich erreicht, sodass auch Volumenänderungen der entsprechenden Batteriezelle im Betrieb bzw. über die Lebenszeit und/oder Toleranzen bei der Fertigung und der Montage ausgeglichen werden. Auch etwaige Verformungen des Zellgehäuses und/oder des Dichtelements beim Entgasen können dadurch kompensiert werden.In a particularly preferred embodiment, it is provided that the one or more locking elements interact with the inside of the housing wall in such a way that the end of the shaft that is adjacent to the battery cell is pressed against the cell housing. This achieves a particularly high level of tightness in this contact area, so that volume changes of the corresponding battery cell during operation or over its lifetime and/or tolerances during production and assembly are compensated. Any deformation of the cell housing and/or the sealing element during degassing can also be compensated for in this way.
Als besonders vorteilhaft wird es angesehen, wenn das eine oder die mehreren Rastelemente mit der Innenseite der Gehäusewand derart zusammenwirken, dass der Flansch an die Außenseite des Gehäuses gezogen wird. Durch diese Gestaltung wird erreicht, dass, bei Vorsehen einer stoffschlüssigen Verbindung, die stoffschlüssige Verbindung, insbesondere in Form einer axialen Verklebung, zwischen dem Flansch und der Außenseite des Gehäuses vom Anlagedruck des Dichtelements an der Zelle mechanisch entlastet wird. Dadurch wird auch eine sichere und schnelle Montage des Dichtelements ermöglicht, da beispielsweise im Fall einer Verklebung ggf. notwendige Anpresskräfte bis zum Aushärten der Verklebung durch die Rastelemente aufgebracht werden. Es ist dann nicht notwendig, derartige Haltekräfte von außen auf das Dichtelement aufzubringen.It is considered particularly advantageous if the one or more locking elements interact with the inside of the housing wall in such a way that the flange is pulled to the outside of the housing. This design ensures that, when a material-to-material connection is provided, the material-to-material connection, in particular in the form of an axial bond, between the flange and the outside of the housing is mechanically relieved of the contact pressure of the sealing element on the cell. This also enables safe and quick assembly of the sealing element since, for example, in the case of bonding, any necessary contact forces are applied by the locking elements until the bond hardens. It is then not necessary to apply such holding forces to the sealing element from the outside.
Als besonders vorteilhaft wird es angesehen, wenn das Gehäuse im Bereich zwischen den Rastelementen und dem Flansch in Art einer Presspassung gehalten ist. Dadurch wird eine besonders gute Entlastung der stoffschlüssigen Verbindung zwischen dem Flansch und der Außenseite des Gehäuses bzw. ein zuverlässiges Anpressen der Feststoff-Elastomerdichtung erreicht.It is considered particularly advantageous if the housing is held in the area between the locking elements and the flange in the form of a press fit. This provides particularly good relief for the material connection between the flange and the outside of the housing and ensures that the solid elastomer seal is pressed on reliably.
In einer bevorzugten Ausführungsform des Dichtelements handelt es sich bei dem Dichtelement um ein Kunststoff-Teil.In a preferred embodiment of the sealing element, the sealing element is a plastic part.
In einer besonders bevorzugten Ausführungsform ist vorgesehen, dass das Dichtelement einen Grundkörper aus einem ersten Material und einen Dichtkörper aus einem zweiten Material aufweist, wobei der Dichtkörper den an dem Zellgehäuse anliegende Teilbereich des Schafts bildet, wobei der Grundkörper den übrigen Schaft, insbesondere die Rastelemente, und den Flansch bildet, wobei das erste Material steifer ist als das zweite Material. Vorzugsweise ist der Dichtkörper an den Grundkörper angespritzt.In a particularly preferred embodiment, the sealing element has a base body made of a first material and a sealing body made of a second material, the sealing body forming the part of the shaft that rests against the cell housing, the base body forming the rest of the shaft, in particular the locking elements, and the flange, the first material being stiffer than the second material. The sealing body is preferably molded onto the base body.
Bei dem Material des Grundkörpers handelt es sich vorzugsweise um einen temperaturbeständigen thermoplastischen Kunststoff, wie beispielsweise Polyamid (PA) oder Polyphthalamid (PPA) Polyetheretherketon (PEEK), oder einem duroplastischem Kunststoff, z.B. Phenolharz, der mit temperaturbeständigen Füllstoffen wie Keramikpartikeln oder Aluminiumoxid oder Glasfasern verstärkt ist. Bei dem zweiten Material handelt es sich vorzugsweise um Silikon oder um Ethylen-Propylen-Dien-Kautschuk (EPDM) oder einem temperaturbeständigen Schaum.The material of the base body is preferably a temperature-resistant thermoplastic, such as polyamide (PA) or polyphthalamide (PPA) Polyetheretherketone (PEEK), or a thermosetting plastic, eg phenolic resin, which is reinforced with temperature-resistant fillers such as ceramic particles or aluminum oxide or glass fibers. The second material is preferably silicone or ethylene-propylene-diene rubber (EPDM) or a temperature-resistant foam.
Als besonders vorteilhaft wird es angesehen, wenn das Dichtelement im ZweiKomponenten-Spritzgussverfahren gefertigt ist, wobei eine Weichkomponente des Spritzguss das an dem Zellgehäuse anliegende Schaftende bildet und eine steifere Hartkomponente des Spritzguss den Flansch und den übrigen Schaft, insbesondere Rastelemente, bildet.It is considered particularly advantageous if the sealing element is manufactured using a two-component injection molding process, whereby a soft component of the injection molding forms the shaft end adjacent to the cell housing and a stiffer hard component of the injection molding forms the flange and the remaining shaft, in particular locking elements.
Bei der oder den Batteriezellen handelt es sich insbesondere um Hardcase-Zellen, wie beispielsweise prismatische Zellen oder Rundzellen.The battery cell(s) are in particular hardcase cells, such as prismatic cells or round cells.
Vorzugsweise weist das Zellgehäuse der Batteriezelle eine Stärke von 0,6 mm bis 1 mm auf.Preferably, the cell housing of the battery cell has a thickness of 0.6 mm to 1 mm.
Als besonders vorteilhaft wird es angesehen, wenn die Gehäusewand des umschließenden Gehäuses eine Stärke von 3 mm bis 5 mm aufweist.It is considered particularly advantageous if the housing wall of the enclosing housing has a thickness of 3 mm to 5 mm.
In einer bevorzugten Ausführungsform ist das Gehäuse in Form eines Strangpressprofils mit einer oder mehreren Hohlkammern ausgeführt, in denen eine Mehrzahl von Batteriezellen angeordnet, elektrisch verschaltet und gegen Swelling verspannt sind.In a preferred embodiment, the housing is designed in the form of an extruded profile with one or more hollow chambers in which a plurality of battery cells are arranged, electrically connected and braced against swelling.
In einer besonders bevorzugten Ausführungsform ist die jeweilige Entgasungsöffnung in dem Gehäuse länglich ausgeführt, vorzugsweise in einer ersten Erstreckungsrichtung zumindest doppelt so lang wie in einer zweiten Erstreckungsrichtung.In a particularly preferred embodiment, the respective degassing opening in the housing is elongated, preferably at least twice as long in a first extension direction as in a second extension direction.
Vorzugsweise weisen das Sicherheitsventil und die Entgasungsöffnung des Gehäuses in einem in dem Fahrzeug montierten Zustand der Hochvoltbatterie nach unten.Preferably, the safety valve and the vent opening of the housing point downwards when the high-voltage battery is mounted in the vehicle.
Es wird als besonders vorteilhaft angesehen, wenn die Entgasungsöffnung des Gehäuses durch eine Bearbeitung des Gehäuses durch Wasserstrahlschneiden, Laserstrahlschneiden oder Fräsen oder einer Kombination der vorgenannten Verfahren eingebracht ist.It is considered particularly advantageous if the degassing opening of the housing is introduced by machining the housing by water jet cutting, laser beam cutting or milling or a combination of the aforementioned methods.
Vorzugsweise ist das Dichtelement von der Außenseite des Gehäuses aus in die Entgasungsöffnung eingesteckt.Preferably, the sealing element is inserted into the degassing opening from the outside of the housing.
Vorzugsweise weist die Gehäusewand 2 einen Rücksprung auf, wobei in diesem Rücksprung der Flansch teilweise oder vollständig aufgenommen ist, sodass das Dichtelement gegenüber der übrigen an den Rücksprung angrenzenden Gehäusewand nicht oder nur geringfügig nach außen hervorsteht.Preferably, the
Bei einem vorteilhaften Verfahren zum Herstellen der erfindungsgemäßen Hochvoltbatterie oder einer der vorgenannten vorteilhaften Ausführungsformen der Hochvoltbatterie ist vorgesehen, dass zunächst die eine oder mehreren Batteriezellen, beispielsweise in Form eines Zellstacks, in einer Einschieberichtung in das Gehäuse eingeschoben werden, derart, dass die eine oder mehreren Entgasungsöffnungen des Gehäuses mit dem Sicherheitsventil der jeweiligen Batteriezelle fluchten, wobei nach dem Einschieben der einen oder mehreren Batteriezellen jeweils ein Dichtelement orthogonal zu der Einschieberichtung in die jeweilige Entgasungsöffnung eingesteckt und mit dem Gehäuse stoffschlüssig verbunden, beispielsweise axial verklebt, wird.In an advantageous method for producing the high-voltage battery according to the invention or one of the aforementioned advantageous embodiments of the high-voltage battery, it is provided that firstly the one or more battery cells, for example in the form of a cell stack, are inserted into the housing in an insertion direction such that the one or more degassing openings of the housing are aligned with the safety valve of the respective battery cell, wherein after the insertion of the one or more battery cells, a sealing element is inserted orthogonally to the insertion direction into the respective degassing opening and is materially connected to the housing, for example axially glued.
In den nachfolgenden Figuren wird die Erfindung anhand von zwei Ausführungsbeispielen näher erläutert, ohne auf diese beschränkt zu sein. Es zeigen:
-
1 einen Teilbereich einer ersten Ausführungsform einer Hochvoltbatterie in einer Schnittansicht, -
2 einen Teilbereich einer zweite Ausführungsform der Hochvoltbatterie in einer Schnittansicht.
-
1 a partial area of a first embodiment of a high-voltage battery in a sectional view, -
2 a partial area of a second embodiment of the high-voltage battery in a sectional view.
Die
Das Dichtelement 5 weist einen ringförmigen, den Durchgangskanal 6 umlaufend umschließenden Schaft 8 und einen in der axialen Richtung Z an den Schaft 8 angrenzenden Flansch 9 auf. Der Schaft 8 liegt mit seinem dem Flansch 9 abgewandten Ende dichtend an dem Zellgehäuse der Batteriezelle 1 an, wobei der Schaft 8 das Sicherheitsventil 3 der Batteriezelle 1 umlaufend umschließt. Dadurch wird der Durchgangskanal 6 gegenüber dem Gehäuseinnenraum, in dem vorliegend ein Kühlöl strömt, abgedichtet. Um eine gute Abdichtung an dem Zellgehäuse zu erreichen, weist der Schaft 8 an seinem an dem Zellgehäuse anliegenden Ende eine ringförmig ausgebildete, verformbare Elastomerdichtung 10 auf. Durch die Verformbarkeit der Elastomerdichtung 10 wird eine gute Abdichtung und ein Toleranzausgleich erreicht. Durch die dichte Anlage des Schafts 8 an dem Zellgehäuse kann das in dem Gehäuseinnenraum strömende Kühlöl nicht in den Bereich des Sicherheitsventils 3 bzw. in den Durchgangskanal 6 gelangen.The sealing
Um das Dichtelement 5 sicher in der Gehäusewand 2 zu halten, steht der Flansch 9 des Dichtelements 5 nach radial außen gegenüber dem Schaft 8 hervor und weist eine größere Erstreckung als die Entgasungsöffnung 4 auf. Dementsprechend hintergreift der Flansch 9 die Gehäusewand 2 auf einer der Batteriezelle 1 abgewandten Außenseite. Der Flansch 9 ist durch eine auf einer der Gehäusewand 2 zugewandten Unterseite des Flansches 9 aufgebrachten Klebeschicht 11 mit der Gehäusewand 2 axial verklebt. Durch die Verklebung des Flansches 9 mit der Gehäusewand 2 wird der Gehäuseinnenraum gegen Umgebungsluft, Schmutz und Feuchtigkeit abgedichtet. In einer alternativen Ausführungsform, kann anstatt oder zusätzlich zu der Klebeschicht 11 zwischen dem Flansch 9 und der Gehäusewand 2 auch eine ringförmige, die Entgasungsöffnung 4 umschließende Feststoff-Elastomerdichtung angeordnet sein, die dichtend an dem Flansch 9 und der Gehäusewand 2 anliegt und über den Flansch 9 dichtend an die Gehäusewand 2 angedrückt wird bzw. zwischen dem Flansch 9 und der Gehäusewand 2 klemmend gehalten ist. Dabei ist es durchaus denkbar, dass der Flansch und/oder die Gehäusewand eine Nut zur Aufnahme der Feststoff-Elastomerdichtung aufweist.In order to hold the sealing
Um einen besonders guten und stabilen Halt des Dichtelements 5 in der Gehäusewand 2 zu gewährleisten und die Verklebung zu entlasten, weist der Schaft 8 mehrere nach radial außen hervorstehende Rastelemente 12 auf. Diese Rastelemente 12 sind derart ausgebildet, dass diese jeweils eine schräge Führungsfläche aufweisen, die sich in Richtung der Batteriezelle 1 verjüngt, um das Einstecken des Dichtelements 5 in die Öffnung 4 der Gehäusewand 2 unter Verformung der Rastelemente 12 nach radial innen zu erleichtern. Sobald die Rastelemente 12 in ihre Rastpositionen gelangen, die in der
Das Dichtelement 5 ist vorliegend einteilig ausgebildet, wobei das Dichtelement 5 eine Hartkomponente und eine Weichkomponente aufweist, wobei die Hartkomponente den Flansch 9, die Berstmembran 7 und einen Teilbereich des Schafts 8 einschließlich der Rastelemente 12 bildet, und wobei die Weichkomponente des Dichtelements 5 das an dem Zellgehäuse der Batteriezelle 1 anliegende Schaftende, nämlich die Elastomerdichtung 10, bildet. Ein derartiges Dichtelement 5 kann beispielsweise durch ein Zwei-Komponenten-Spritzgussverfahren hergestellt werden.The sealing
Die in der
BezugszeichenlisteList of reference symbols
- 11
- BatteriezelleBattery cell
- 22
- GehäusewandHousing wall
- 33
- SicherheitsventilSafety valve
- 44
- EntgasungsöffnungDegassing opening
- 55
- DichtelementSealing element
- 66
- DurchgangskanalThrough channel
- 77
- BerstmembranBursting membrane
- 88th
- Schaftshaft
- 99
- Flanschflange
- 1010
- ElastomerdichtungElastomer seal
- 1111
- KlebeschichtAdhesive layer
- 1212
- RastelementLocking element
- 1313
- RücksprungReturn
- 1414
- BerstmembranBursting membrane
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNGQUOTES INCLUDED IN THE DESCRIPTION
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Zitierte PatentliteraturCited patent literature
- DE 102013213776 A1 [0006]DE 102013213776 A1 [0006]
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DE102023100558.8A DE102023100558A1 (en) | 2023-01-12 | 2023-01-12 | High-voltage battery with a sealing element arranged in a degassing opening |
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DE102013213776A1 (en) | 2013-07-15 | 2015-01-15 | Robert Bosch Gmbh | Method for producing a connection of a degassing device to at least one battery cell and battery system |
WO2018183804A1 (en) | 2017-03-30 | 2018-10-04 | Donaldson Company, Inc. | Vent with relief valve |
EP3739667A1 (en) | 2019-05-14 | 2020-11-18 | Nitto Belgium NV | Safety valve for electrochemical device casings |
-
2023
- 2023-01-12 DE DE102023100558.8A patent/DE102023100558A1/en active Pending
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