Entlüftung von Batteriegasen

Die Erfindung betrifft eine Batterie, insbesondere eine Lithium- Ionen-Batterie oder Nickel-Metallhydrid-Batterie, mit einem doppelwandig ausgebildeten Gehäuse, das ein Innengehäuse, ein Außengehäuse und einen zwischen Innengehäuse und Außengehäuse ausgebildeten Spalträum umfasst, und mit in dem Gehäuse angeordneten Zellen, insbesondere eine Fahrzeugbatterie, insbesondere eine Batterie für ein Fahrzeug mit Hybridantrieb oder ein Brennstoffzellen-Fahrzeug .

Bei Fehlbenutzung, Fehlbedienung, Beschädigung oder überlastung von Batteriezellen mit einem überdruckschutz bzw. einem überdruckventil, z.B. bei Batterien in Lithium- Ionenoder Nickel-Metallhydrid-Technologie, kann eine überhitzung der Zelle eintreten, wobei sich ein Sicherheitsventil öffnen und Abgase in die Umwelt abblasen kann. Bei einer hochkompakten und Bauraum sparenden Bauweise einer Batterie, wie sie insbesondere in Fahrzeugen erforderlich ist, ist die Führung und Ableitung dieser Abgase mangels zur Verfügung stehenden Bauraums ein schwieriges Problem. Weiterhin sollen Zellen möglichst vor Einflüssen von anderen Zellen möglichst verschont werden.

Das Abblasen der heißen oder sehr reaktiven bzw. sogar explosiven Abgase beim öffnen des überdruckschutzes von

Batteriezellen in Batteriesystemen erfolgt direkt in die Umwelt oder beim Einsatz von Modulen in ein Batteriegehäuse, das dann über einen Auslass verfügt. Dabei werden nach dem Stand der Technik die Zellen komplett von den Abgasen überspült, was zu elektrischen Kurzschlüssen und chemischen sowie thermischen Zerstörungen von Bauteilen führen kann. Bei Batterien in Nickel-Metallhydrid-Technologie sind auch Lösungen bekannt, bei denen Kanäle die überdruckventile direkt verbinden und das Abgas, z.B. Wasserstoff, über eine Rohr- oder Schlauchleitung an die Außenluft abführen. Diese Bauweise ist sehr aufwendig. Ferner ist nicht erkennbar, was im Falle eines öffnens der Zelle im Fehlbedienungsfall weiterhin geschieht. Tendenziell erfolgt eine Beeinflussung vieler Zellen mit Abgasen.

Nachteilig bei den bekannten Batterien ist somit der trotz einer aufwendigen Bauweise geringe Schutz der Batterie bzw. von Zellen der Batterie gegen Schädigungen durch aus einer Zelle austretenden Abgase.

Aus der DE 196 48 353 Al ist eine elektrochemische Speicherbatterie mit einem doppelwandigen evakuierten Gehäuse bekannt, wobei der Innenraum des Gehäuses an eine Vakuumpumpe anschließbar ist.

Die DE 103 50 559 Al beschreibt eine Belüftungseinrichtung für einen Behälter mit einem Belüftungsraum und einem Entlüftungsraum.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Batterie zu schaffen, die eine verbesserte Abgasführung aufweist.

Die Aufgabe wird erfindungsgemäß durch eine Batterie mit den Merkmalen des Anspruchs 1 gelöst . Bevorzugte Ausgestaltungen

und Weiterbildungen der Erfindung ergeben sich aus den abhängigen Ansprüchen und der nachfolgenden Beschreibung mit zugehörigen Zeichnungen.

Eine erfindungsgemäße Batterie, insbesondere eine Lithium- Ionen-Batterie oder Nickel-Metallhydrid-Batterie, mit einem doppelwandig ausgebildeten Gehäuse, das ein Innengehäuse, ein Außengehäuse und einen zwischen Innengehäuse und Außengehäuse ausgebildeten Spaltraum umfasst, und mit in dem Gehäuse angeordneten Zellen, weist also die Besonderheit auf, dass der Spaltraum zum Ableiten von Abgasen der Zellen an die Umgebung ausgebildet ist.

Durch die Erfindung bzw. ihre weitere Ausgestaltung werden folgende Vorteile erzielt:

- Eine Erhöhung der Batteriesicherheit durch geringe Kontaktflächen bei Austritt von Zellgasen und drastische Reduzierung verfügbarer Luft (Entzündungsgefahr), evtl. durch Einlage von Isolationsmatten.

- Eine Mehrfachnutzung von Bauraum (thermische Isolation, elektrische Isolation, Abgasführung, mechanische Stabilität durch Schalenkonzept) und Bauraum sparende Abgasleitung.

- Eine Reduzierung des Bauteilgewichts und der Teilevielfalt (Entfall von Abgasleitungen)

- Schutz der Zellverbindungs- und überwachungsplatine sowie der elektrischen Anschlüsse und Kühlanschlüsse, also eine Erhöhung der elektrischen Sicherheit des Bauteils und allgemein eine Verringerung von Umweltgefährdüngen.

Die Erfindung wird nachfolgend anhand eines in den Figuren dargestellten Ausführungsbeispiels näher erläutert. Die darin beschriebenen Besonderheiten können einzeln oder in Kombination miteinander eingesetzt werden, um bevorzugte Ausgestaltungen der Erfindung zu schaffen.

Dabei zeigen:

Fig. 1 eine Schnitt durch eine Batteriezelle nach dem

Stand der Technik. Fig. 2 eine Ansicht von unten einer erfindungsgemäßen

Batterie . Fig. 3 einen vertikalen Schnitt zu Figur 2.

Die Fig. 1 zeigt eine Zelle 2 einer Batterie 1 nach dem Stand der Technik. Sie umfasst einen Zellkopf mit einem elektrischen Anschlussbereich 3, eine Zellwand 4 und im Inneren der Zelle 2 einen Folienwickel 5. Am Boden der Zelle 2 befindet sich eine Bodenplatte 6 mit einem überdruckventil 7.

Die Fig. 2 zeigt eine Ansicht von unten einer erfindungsgemäßen Batterie 1 mit Zellen 2. Sie umfasst ein doppelwandig ausgebildetes Gehäuse mit einem Innengehäuse 8 und einem Außengehäuse 9, zwischen denen ein Spaltraum 10 ausgebildet ist. Erfindungsgemäß ist der Spaltraum 10 zum Ableiten von Abgasen der Zellen 2 an die Umgebung ausgebildet .

Die Zellen 2 sind im Inneren des Innengehäuses 8 angeordnet, vorzugsweise in einer kompakten regelmäßigen Anordnung nebeneinander, wobei bevorzugt ein Abstand zwischen den Zellen 2 eingehalten wird. Bevorzugt umfasst die Batterie 1 eine Mehrzahl von Zellen 2, beispielsweise mit einer rundzylindrischen Außenkontur, die mit den Längsachsen parallel zueinander in einem Zellverbund angeordnet sind. Die Zellen sind gegeneinander isoliert und mittels einer Vergussmasse 11 in einem Zellverbund angeordnet. Der Zellverbund ist mit der Vergussmasse 11 ausgegossen und die

Vergussmasse 11 ist bevorzugt wärmeleitfähig und/oder elektrisch isolierend.

Die Batterie 1 umfasst Zellen 2, die mindestens eine Austrittsöffnung 12, nämlich die überdruckventile 7, zum Ableiten von Abgas aus den Zellen 2 in dem Spaltraum 10 aufweisen, wobei die Austrittsöffnungen 12 im Boden der Zellen 2 angeordnet und bevorzugt als überdruck-öffnung ausgebildet sind. Um eine platzsparende Bauweise zu erzielen, sind mindestens mehrere oder alle Zellen 2 derart ausgerichtet, dass ihre Austrittsöffnungen 12 nebeneinander angeordnet sind. Dabei ist in weiterer bevorzugter Ausgestaltung vorgesehen, dass die Austrittsöffnungen 12, die bevorzugt im Boden der Zellen 2 angeordnet sind, in eine mindestens mehreren oder bevorzugten allen Zellen 2 gemeinsame Bodenplatte 13 münden, die Durchgangsöffnungen zum Durchleiten der Abgase aus den Austrittsöffnungen 12 der Zellen 2 in den Spaltraum 10 aufweist. Die Batterie 1 kann eine Kühlplatte aufweisen, auf welche die Zellen 2 aufgesetzt sind. In diesem Fall kann die Bodenplatte 13 auch als Kühlplatte ausgebildet sein.

Die Fig. 3 zeigt einen vertikalen Schnitt durch die Batterie 1 von Fig. 2. Die Batterie 1 umfasst Zellen 2, bei denen der elektrische Anschlussbereich 3 einer Zelle 2 an einem Ende der jeweiligen Zelle 2, nämlich am oberen Ende, angeordnet ist, und die Zellen 2 sind derart gleichgerichtet nebeneinander liegend ausgerichtet, dass die elektrischen Anschlussbereiche 3 mehrerer oder aller Zellen 2 nebeneinander liegen. Die Zellen 2 sind gegeneinander abgedichtet. Auch der Spaltraum 10 zwischen Innengehäuse 8 und Außengehäuse 9 ist mit einer Abdichtung 14 versehen, die den Spalt zwischen Innengehäuse 8 und Außengehäuse 9 umlaufend abdichtet. Die Abdichtung 14 ist im Bereich der

Seitenwand 15 des Gehäuses angeordnet und sorgt dafür, dass aus den Zellen 2 in den zur Führung der Abgase ausgebildeten Spaltraum 10 austretendes Abgas nicht im Spaltraum 10 zu den elektrischen Anschlussbereichen 3 der Zellen 2 gelangen kann.

Um die Gefahr der Entzündung bzw. Verbrennung der Abgase in dem Spaltraum 2 zu reduzieren, kann der Spaltraum 10 zwischen Innengehäuse 8 und Außengehäuse 9 zumindest zu einem Teil mit einem Füllmaterial gefüllt sein, durch das die Luft bzw. der Sauerstoff verdrängt wird. Das Füllmaterial kann gleichzeitig auch ein thermisches und/oder elektrisches Isolationsmaterial sein. Das Füllmaterial kann als eine oder mehrere Matten ausgebildet sein. Zum Durchleiten der Abgase durch das Füllmaterial ist es vorteilhaft, wenn es Durchströmungskanäle aufweist oder eine grobporöse, für Abgase durchlässige Beschaffenheit hat oder durch Druck durchströmender Abgase zusammendrückbar ist. Bevorzugt ist das Füllmaterial unter der Bodenplatte 6 angeordnet, an der die Abgase in den Zwischenraum 10 eintreten.

Das Außengehäuse 9 umfasst mindestens eine zentrale Auslassöffnung 16 oder ggf. auch mehrere Auslassöffnungen, durch die Abgase aus dem Spalträum 10 in die Umgebung austreten können. Bevorzugt ist die Auslassöffnung 16 an einer von den elektrischen Anschlussbereichen 3 der Zellen 2 abgewandten Seite des Gehäuses angeordnet. Die Auslassöffnung 16 kann gegen das Eindringen von Staub aus der Umgebungen in den Spaltraum 10 geschützt sein, sie kann gegen das Eindringen von Feuchte oder Wasser aus der Umgebung in den Spaltraum 10 geschützt sein, sie kann gegen mechanische Eingriffe aus der Umgebung in den Spaltraum 10 geschützt sein, sie kann ein Labyrinth aufweisen und sie kann ein Ventil 17 aufweisen, das ab einem vorgegebenen überdruck in dem Spaltraum 10 öffnet, um das Austreten von Abgas aus dem

Spaltraum 10 in die Umgebung zu ermöglichen und somit als überdrucksicherung dient. Das Ventil 17 kann beispielsweise eine Druckausgleichsmembran aufweisen.

Das Füllmaterial, das in den Spaltraum 10 eingelegt ist, ist bevorzugt in dem Bereich zwischen der Bodenplatte 13 und der Auslassöffnung 16 angeordnet.

Das dargestellte Ausführungsbeispiel veranschaulicht mehrere Merkmale. Die Batterie 1 hat ein multifunktionales doppelwandiges Gehäuse (thermische Isolation, elektrische Isolation, Abgasführung, mechanische Stabilität durch Schalenkonzept) mit Bauraum sparender Abgasleitung. Die Reaktionsluft in dem Spaltraum 10 wird durch das Einlegen von Isolationsmatten reduziert. Das Verschmutzen von Zellen 2 mit Venting-Gasen bzw. Venting-Stoffen wird durch eine Abdichtung von Innen- und Außengehäuse sowie von Zellen gegeneinander durch Vergussmasse 11 vermieden. Die Zellen 2 sind als Verbund vergossen, an deren Boden sich z.B. eine Kühlplatte mit Durchbrüchen für das öffnen der Zellböden befindet. Das Batteriegehäuse ist doppelwandig ausgeführt und der Spaltraum 10 zwischen den Wandungen dient als Leitsystem für die Abgase hin zu einer zentralen Auslassöffnung 16. Das Innengehäuse 8 ist an geeigneter Stelle, z.B. im Bereich der Seitenwand 15, zum Außengehäuse 9 hin abgedichtet. Der Spaltraum 10 zwischen Kühlplatte und Außengehäuse 9 kann zusätzlich thermisches und/oder elektrisches Isolationsmaterial enthalten, in das beispielsweise Kanäle eingeprägt sind, das durch den Austrittsdruck zusammengedrückt wird oder porös ist. Der notwendige Bauraum für die thermische Isolation wird mit einer Zusatzfunktion zur Leitung versehen. Benachbarte Zellen 2 werden nur noch am Zellboden berührt oder umspült und der kritische Bereich zwischen den Zellwänden bzw. an den Zellköpfen mit den elektrischen Anschlüssen wird geschützt.

Der zwischen Außenwand 9 und dem Zellverbund verfügbare Spalt wird als Leitraum für die Abgase genutzt. Optional eingelegte Isolationsmatten (Wärmedämmung, Kunststoff, Keramik etc.) können mit Leitkanälen versehen sein oder durch den Druck der austretenden Gase zusammengedrückt werden oder durch eine sehr grobe oder poröse Struktur die Gasleitung übernehmen. Die Gasführung endet an einem zentralen Auslass, optional mehreren dezentralen Auslässen. Dieser Auslass ist zum Schutz gesichert, beispielsweise gegen Eindringen von Staub, Feuchte, Wasser oder mechanischen Eingriff, beispielsweise mit einem Labyrinth oder einer Druckausgleichsmembran. Bei einem Verschluss mit einer Membran (Kunststoff, Gewebe, Metall) sollte sichergestellt werden, dass diese ab einem bestimmten überdruck öffnet, um das Abströmen der Gase zu sichern. Dabei ist auf die Weiterleitung der Gase an Bereiche zu achten, die keine Gefährdung von Personen bzw. der Umwelt in unzulässigem Maß erlaubt.

Durch Einsatz metallischer Werkstoffe kann eine hohe mechanische und thermische Stabilität im Fall der öffnung der Zellen 2 erzielt werden.

Bezugszeichenliste

Batterie Zelle Elektrischer Anschlussteil Zellwand Folienwickel Bodenplatte überdruckventil Innengehäuse Außengehäuse Spaltraum Vergussmasse Austrittsöffnung Bodenplatte Abdichtung Seitenwand Auslassöffnung Ventil