EP4430700A1 - Schutzvorrichtung für batteriezellen - Google Patents

Schutzvorrichtung für batteriezellen

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Publication number
EP4430700A1
EP4430700A1 EP22786266.1A EP22786266A EP4430700A1 EP 4430700 A1 EP4430700 A1 EP 4430700A1 EP 22786266 A EP22786266 A EP 22786266A EP 4430700 A1 EP4430700 A1 EP 4430700A1
Authority
EP
European Patent Office
Prior art keywords
protective
receptacle
hazard
protective element
main direction
Prior art date
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Pending
Application number
EP22786266.1A
Other languages
English (en)
French (fr)
Inventor
Helmut Kastler
Manuel RIEGLER
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
John Deere Electric Powertrain LLC
Original Assignee
John Deere Electric Powertrain LLC
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by John Deere Electric Powertrain LLC filed Critical John Deere Electric Powertrain LLC
Publication of EP4430700A1 publication Critical patent/EP4430700A1/de
Pending legal-status Critical Current

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    • H01M50/30—Arrangements for facilitating escape of gases
    • H01M50/308—Detachable arrangements, e.g. detachable vent plugs or plug systems
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F15—FLUID-PRESSURE ACTUATORS; HYDRAULICS OR PNEUMATICS IN GENERAL
    • F15B—SYSTEMS ACTING BY MEANS OF FLUIDS IN GENERAL; FLUID-PRESSURE ACTUATORS, e.g. SERVOMOTORS; DETAILS OF FLUID-PRESSURE SYSTEMS, NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • F15B21/00—Common features of fluid actuator systems; Fluid-pressure actuator systems or details thereof, not covered by any other group of this subclass
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Definitions

  • the invention relates to a protective device for battery cells with a hazard receptacle for the outgassing area of a battery cell and a protective receptacle opposite the hazard receptacle in a main direction, with a venting channel running transversely to the main direction being provided between the hazard receptacle and the protective receptacle for discharging hot gas.
  • outgassing battery cells have an outgassing area, for example the area of the positive pole, in which a predetermined breaking point is provided as an outgassing valve, through which hot gases occurring in the event of a fault can escape from the interior of the battery cell. Since these hot gases can damage adjacent components in the vicinity of the outgassing battery cell, for example other battery cells, outgassing channels can be provided, for example as shown in AT521257A4, which divert the hot gases in a targeted manner.
  • the outgassing channels of the AT521257A4 are formed by a device for contacting two battery cells and are designed in such a way that the hot gases are deflected into an outgassing channel running transversely to the direction in which the battery cells are joined, which reduces the heat transfer from the hot gases to neighboring battery cells.
  • the disadvantage of the prior art is that not only large amounts of thermal energy are released during outgassing, but also large amounts of kinetic energy. causing the battery cell or other components to be pushed out of position or damaged. If the degassing channel were simply enlarged in order to thereby reduce the pressure and consequently the kinetic energy of the hot gases, the hot gases would remain longer in the degassing channel after the pressure reduction and could more easily transfer their thermal energy to adjacent components. In addition, the distance between the hot gases and the adjacent components is reduced for a given component spacing and larger outgassing channel, which further promotes an undesirable heat transfer.
  • the invention is therefore based on the object, especially when battery cells and/or other sensitive components are packed tightly, to derive the hot gases from a battery cell in the event of a fault in such a way that damage or displacement of the components due to the kinetic and thermal energy of the hot gases is avoided as far as possible.
  • the invention achieves the stated object in that a protective element covering the hazard receptacle in a rest position can be displaced by escaping hot gas along a guide into a triggering position covering the protective receptacle.
  • the outgassing area of the battery cell in the hazard receptacle is covered by the protective element opposite the outgassing channel, which prevents damage to the outgassing area of the battery cell, in particular the predetermined breaking point forming the outgassing valve, by hot gas flowing in the outgassing channel.
  • the outgassing hot gases and/or electrically conductive particles transfer their kinetic energy at least partially in the sense of an elastic impact to the protective element, which is thereby displaced along the guide in the direction of the protective receptacle.
  • the protective element not only extracts kinetic energy from the gas, but also allows the hot gas to enter the space between the The outgassing channel running transversely to the main direction. In order to allow this entry, the protective element does not have to move into the tripping position in which it covers the protective receptacle, but only leave the rest position along the guide.
  • the protective element forms a physical barrier to the protective receptacle by covering it.
  • This physical barrier which is preferably designed to be electrically insulating, acts not only against escaping hot gases, but also against other electrically conductive solid residues caused by accidents, which can lead to short-circuit reactions.
  • An adjacent component for example a further battery cell, can be arranged in the protective receptacle. Due to the fact that the protective element is displaced ever further along the guide away from the rest position in the direction of the release position in proportion to the transmitted kinetic energy, the opening to the outgassing channel also increases with increasing kinetic energy of the gas.
  • the shape and mass of the protective element can be adapted to the expected kinetic energy of the gas to be released, so that it absorbs more or less kinetic energy of the gas without allowing displacement or further damage to the battery cell as a result of the resulting counterforce.
  • the guide can have a guide web which is arranged on the edge of the protective element and runs in the main direction.
  • the area between the outgassing area of the battery cell and the protective receptacle can be kept largely free of installation, apart from the required protective element, so that the hot gas cannot attack any other components.
  • guide webs can be configured in a geometrically simple manner and do not include any moving parts in order to fulfill their function, they are also less susceptible to wear and are easy to produce, for example by injection molding.
  • a guide groove can be provided in the protective element, in which the guide bar engages as a spring.
  • the guide has a plurality of guide webs distributed evenly around the circumference of the protective element.
  • the guide webs there is a form fit between the guide webs and the protective element transverse to the main direction, whereby the protective element itself is held in position by high kinetic energy transfer from the hot gas and can only be displaced along the guide from the rest position to the release position without additional bearing elements.
  • the evenly distributed arrangement of the guide webs prevents the protective element from jamming on a guide web, since the resistance between the protective element and the guide that occurs during displacement is inevitably distributed evenly over the edge and the protective element is accelerated evenly over its entire surface.
  • the protective element can have a cutout for a connecting conductor to pass through, which can be offset transversely to the main direction to the outgassing area of the battery cell. This is based on the consideration that the escaping hot gases do not escape over the entire end section of the battery cell accommodated in the hazard compartment, but rather over a preferred predetermined breaking point, which can be formed, for example, by an outgassing valve as an outgassing area.
  • a connecting conductor can be routed through the cutout to another battery cell or a consumer, for example, without the hot gases also being routed directly through this cutout.
  • the hot gases can still transfer their kinetic energy to the surface above the Degassing area not broken through protective element and be directed by this into the outgassing channel.
  • the recess can be provided in the center of the protective element.
  • the connection conductor can be connected to the protective element with high tensile strength.
  • the connecting conductor can also be a connecting pin, on which the protective element is slidably mounted and which is preferably connected via a fuse to a contact point arranged in the protective receptacle.
  • the contact point can be a contact spring for contacting a battery cell accommodated in the protective receptacle on the casing side.
  • the safety fuse can be covered with a heat shield towards the outgassing channel and thus also towards the protective element on the one hand and towards the protective receptacle on the other.
  • This heat shield can, for example, consist of a mineral, in particular from the mica group.
  • the hazard receptacle, the protective element and the protective receptacle be arranged concentrically with one another in the main direction.
  • This arrangement enables a dense packing of several groups of battery cells and thus facilitates in particular the interconnection of battery cells arranged one behind the other in the main direction.
  • the path to be bridged by the protective element from the rest position to the released position can be minimized, as a result of which less kinetic energy has to be transferred from the escaping hot gases to the protective element for shifting into the released position.
  • the protective element can prevent displacement from the be secured under a release acceleration of less than 100g.
  • a release acceleration of less than 100g.
  • the protective element can be held in the rest position in a non-positive manner, for example by a spring.
  • the protective element can also be fixed in the rest position with a form fit or material connection, in which case a predetermined breaking point can be provided which breaks when a force corresponding to an acceleration of 100 g is exceeded.
  • the force proportional to the trip acceleration can be calculated by multiplying the trip acceleration by the mass of the protection element.
  • the protective element can have retaining tabs that break when the force proportional to the triggering acceleration is exceeded.
  • the mechanical stability and reliability of the protective device during operation can be increased, particularly when arranging several battery cells, if the protective receptacle is formed by a cylindrical recess in a base whose outside facing the outgassing channel forms a stop for the protective element in the tripped position.
  • a strong kinetic energy transfer to the protective element does not cause a shift beyond the stop, which means that the trigger position can be spatially defined and the protective element not only cover the protective receptacle in the trigger position, but can even rest against the protective receptacle.
  • the cylindrical recess of the base can also accommodate a further battery cell on the shell side and thus store it stably.
  • the guide for the protective element can be attached to the base, whereby the relative positions of the guide, the protective element and the protective receptacle can be fixed so that there is no relative displacement of these components to one another, for example in the event of operational vibrations.
  • the hazard recording include several locking arms for fixing the battery cell.
  • the protective device can be arranged on a battery cell via a positive and/or non-positive fit.
  • the locking arms can engage in a groove running around the battery cell or simply clamp it.
  • the latching arms are formed by the guide webs, with an area lying between the protective receptacle and the hazard receptacle remaining free as an outgassing channel.
  • the protective element has at least one retaining tab, which engages behind the end section of a latching arm or guide bar facing away from the outgassing channel, so that the end section forms a limit stop for the retaining tab in the main direction.
  • the retaining tab can protrude from the protective element against the main direction.
  • the retaining tab breaks at a predetermined breaking point due to the kinetic energy transmitted by escaping hot gases, which allows the protective element to be displaced from the rest position.
  • the protective element can be guided along the guide webs via the broken holding tab.
  • the protective element has a plurality of retaining tabs distributed around the circumference, it being possible in particular for a retaining tab to be provided for each latching arm.
  • the protective device can have a base with a cylindrical recess forming the protective receptacle, on which a plurality of guide webs are attached on the side opposite the cylindrical recess, which form the hazard receptacle between them.
  • These guide webs run through the outgassing channel in an area adjacent to the base.
  • the guide webs can form latching arms for fixing the battery cell in the hazard receptacle.
  • the Base just like the protective element have a passage opening for a connecting conductor for electrical contacting of the two battery cells.
  • the battery cells can preferably be cylindrical battery cells with a circular base area, which are serially contacted with one another through the protective device.
  • the invention also relates to a battery system with a plurality of protective devices according to the invention adjoining one another transversely to the main direction.
  • a battery system with a plurality of protective devices according to the invention adjoining one another transversely to the main direction.
  • the end sections of battery cells of a first group are inserted into the hazard receptacles of the protective devices, and the end sections of battery cells of a second group are inserted into the protective receptacles of the protective devices.
  • a continuous outgassing channel is formed between the two groups by the protective devices.
  • the protective element of the protective device placed on this battery cell is shifted from the rest position to the trigger position, whereby the escaping hot gas not only is prevented from reaching the battery cell adjacent in the main direction, but is also diverted into the continuous outgassing channel. Since the diverted flow of hot gas in the immediate vicinity of the outgassing battery cell also has a directional component directed against the main direction due to the rebound on the protective element, the battery cells lying transversely to the main direction become electrically conductive due to the protective elements of the adjacent protective devices that are in the rest position Protected against solid residues. In particular, this keeps the flow of hot gas away from the outgassing areas of the surrounding battery cells, so that a chain reaction of several incidents can be effectively avoided.
  • the protective devices can also be arranged in a common carrier.
  • the protective devices can be stored with play in the carrier or the protective devices are rigidly connected to the carrier and the hazard and possibly also protective receptacles allow end sections of the battery cells inserted therein to be stored with play.
  • the common carrier can be a spacer for two battery modules, each comprising a group of battery cells.
  • FIG. 1 shows an exploded view of a protective device according to the invention and a battery cell
  • FIG. 2 shows a larger-scale section through the protective device in the rest position along the line II-II of FIG.
  • FIG. 3 shows a section corresponding to FIG. 2 of the protective device in the tripped position
  • FIG. 4 shows a section on a smaller scale through a battery system with several protective devices according to the invention arranged in a common carrier.
  • a protective device comprises a hazard receptacle 1 for the outgassing area 2 of a battery cell 3 and a protective receptacle 5 opposite the hazard receptacle 1 in a main direction 4.
  • An outgassing channel 6 runs between the hazard receptacle 1 and the protective receptacle 5, into which hot gases escaping from the battery cell 3 are routed in the event of a fault .
  • a Protective element 7 can be displaced along a guide between a rest position and a release position.
  • the protective element 7 covers the hazard receptacle 1 in relation to the outgassing channel 6, as shown in FIG. If, due to a malfunction in the battery cell 3, hot gases escape from the outgassing area 2 of the battery cell 3, they collide with the protective element 7 and transfer part of their kinetic energy to it, as a result of which the protective element 7 is displaced along the guide from the rest position and the access of the hot gases to the outgassing channel 6 is made possible. If sufficient kinetic energy is transferred to the protective element 7 as a result of strong outgassing, this is displaced along the guide into the release position, in which the protective element 7 covers the protective receptacle, as shown in FIG. 3 .
  • the guide can be easily implemented via one or, as shown in the drawing, several guide webs 8, with several guide webs 8 also enabling a form-fitting mounting of the protective element 7 transversely to the main direction 4 and the probability that the protective element 7 tilts during a displacement, reduce. Since the hot gases emerge from the outgassing area 2 in a locally concentrated manner, a gap can be formed
  • connection conductor 10 may be provided for the implementation of a connection conductor 10 without significantly impairing the functioning of the protective device. It is important that the recess 9 is arranged offset to the outgassing area 2 transversely to the main direction 4 in order to prevent appreciable amounts of hot gas escaping through the recess 9 without transferring its kinetic energy to the protective element 7 .
  • the cross section of the connection conductor 10 can essentially correspond to the cross section of the cutout 9, as a result of which the cutout 9 extends through the connection conductor
  • the outgassing area 2 in Figs. 1 to 3 extends radially outwards from the edge of the pole cap connected to the connection conductor 10 .
  • the hot gas thus does not flow in the direction of the connection conductor 10, but radially outward away from it.
  • the protective element 7 does not come loose from the rest position unintentionally during operation, for example due to vibrations, it can be secured against unintentional displacement. Tests have shown that securing against a triggering acceleration of at least 100 g prevents unintentional displacement, but is nevertheless sensitive enough to allow displacement induced by escaping hot gases and/or electrically conductive particles. As shown in the drawing, this fuse can be implemented by a predetermined breaking point 11.
  • the protective device is locked via latching arms 12 to a groove 13 running around the casing of the battery cell 3 .
  • the protective element 7 has one or more retaining tabs 14 which comprise a tab leg 15 running transversely to the main direction 4 .
  • the latching arms 12 form a stop in the main direction 4 for the tab leg 15 of the retaining tab 14 in the rest position. If, during outgassing, the energy transfer from the hot gas to the protective element 7 is so high that the predetermined breaking point 11 breaks, the tab leg 15 breaks from the retaining tab 14, as a result of which the stop in the main direction 4 is eliminated and the protective element is displaced in the main direction 4 by the energy transfer from the hot gas (see FIG. 3).
  • the hazard receptacle 1, protective element 7 and protective receptacle 5 are arranged concentrically to one another in the main direction 4, since as many battery cells 3 as possible can be packed tightly in three spatial directions and thus a high energy density in the Battery system is made possible.
  • the protective receptacle 5 is formed by the cylindrical recess 16 of a base 17, since this recess 16 enables a further battery cell 3 to be positioned spatially close and to be electrically contacted easily via its end section 18 in the main direction 4.
  • FIG. 4 shows such a battery system with a number of protective devices according to the invention, which are arranged in a common carrier 19 .
  • the carrier 19 forms recordings in which the individual protective devices can be used.
  • the course of the hot gases is shown schematically by the arrows 20 in FIG.
  • the protective element 7 located in the area of the outgassing battery cell 3 in the trigger position shields the protective receptacle 5 downstream in the main direction 4 from the hot gases, which bounce off this protective element 7 in the trigger position and are deflected in the direction of the neighboring protective elements. There they meet the protective elements 7 that are in the rest position, where they are deflected again and discharged via the continuous outgassing channel 6 .

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Abstract

Es wird eine Schutzvorrichtung für Batteriezellen mit einer Gefahrenaufnahme (1) für den Ausgasungsbereich (2) einer Batteriezelle (3) und einer der Gefahrenaufnahme (1) in einer Hauptrichtung (4) gegenüberliegenden Schutzaufnahme (5) beschrieben, wobei zwischen der Gefahrenaufnahme (1) und der Schutzaufnahme (5) ein quer zur Hauptrichtung (4) verlaufender Ausgasungskanal (6) zum Ableiten von Heißgas vorgesehen ist. Um eine Schutzvorrichtung der eingangs geschilderten Art so auszugestalten, dass insbesondere bei dichter Packung von Batteriezellen und/oder anderen empfindlichen Bauteilen die Heißgase einer Batteriezelle im Störfall so abgeleitet werden, dass die Beschädigung oder Verschiebung der Bauteile durch die kinetische und die thermische Energie der Heißgase möglichst vermieden wird, wird vorgeschlagen, dass ein die Gefahrenaufnahme (1) in einer Ruhestellung abdeckendes Schutzelement (7) durch austretendes Heißgas entlang einer Führung in eine die Schutzaufnahme (5) abdeckende Auslösestellung verlagerbar ist.

Description

Schutzvorrichtung für Batteriezellen
Technisches Gebiet
Die Erfindung bezieht sich auf eine Schutzvorrichtung für Batteriezellen mit einer Gefahrenaufnahme für den Ausgasungsbereich einer Batteriezelle und einer der Gefahrenaufnahme in einer Hauptrichtung gegenüberliegenden Schutzaufnahme, wobei zwischen der Gefahrenaufnahme und der Schutzaufnahme ein quer zur Hauptrichtung verlaufender Ausgasungskanal zum Ableiten von Heißgas vorgesehen ist.
Stand der Technik
Aus dem Stand der Technik sind Schutzvorrichtungen für ausgasende Batteriezellen bekannt. Diese Batteriezellen verfügen über einen Ausgasungsbereich, beispielsweise der Bereich des Pluspols, in dem eine dafür vorgesehene Sollbruchstelle als Ausgasungsventil vorgesehen ist, über die im Störfall auftretende Heißgase aus dem Inneren der Batteriezelle austreten können. Da diese Heißgase benachbarte Bauteile in der Umgebung der ausgasenden Batteriezelle, beispielsweise andere Batteriezellen, beschädigen können, können wie beispielsweise in der AT521257A4 gezeigte Ausgasungskanäle vorgesehen sein, die die Heißgase gezielt ableiten. Die Ausgasungskanäle der AT521257A4 werden von einer Vorrichtung zum Kontaktieren zweier Batteriezellen ausgebildet und sind so ausgestaltet, dass die Heißgase in einen quer zur Fügerichtung der Batteriezellen verlaufenden Ausgasungskanal umgelenkt werden, wodurch der Wärmeübertrag von den Heißgasen auf benachbarte Batteriezellen verringert wird.
Nachteilig am Stand der Technik ist allerdings, dass beim Ausgasen nicht nur hohe Mengen an thermischer, sondern auch an kinetischer Energie frei werden, die bewirken, dass die Batteriezelle oder andere Bauteile aus ihrer Position gedrückt oder beschädigt werden. Würde der Entgasungskanal einfach vergrößert werden, um dadurch den Druck und folglich die kinetische Energie der Heißgase abzubauen, würden die Heißgase nach dem Druckabbau länger im Ausgasungskanal verweilen und könnten ihre thermische Energie leichter an benachbarte Bauteile übertragen. Zusätzlich verringert sich bei gegebenem Bauteilabstand und größerem Ausgasungskanal die Distanz zwischen den Heißgasen und den benachbarten Bauteilen, was einen unerwünschten Wärmeübertrag weiter begünstigt.
Darstellung der Erfindung
Der Erfindung liegt somit die Aufgabe zugrunde, insbesondere bei dichter Packung von Batteriezellen und/oder anderen empfindlichen Bauteilen die Heißgase einer Batteriezelle im Störfall so abzuleiten, dass die Beschädigung oder Verschiebung der Bauteile durch die kinetische und die thermische Energie der Heißgase möglichst vermieden wird.
Die Erfindung löst die gestellte Aufgabe dadurch, dass ein die Gefahrenaufnahme in einer Ruhestellung abdeckendes Schutzelement durch austretendes Heißgas entlang einer Führung in eine die Schutzaufnahme abdeckende Auslösestellung verlagerbar ist. Im Normalbetrieb der Batteriezelle ist der in der Gefahrenaufnahme liegende Ausgasungsbereich der Batteriezelle durch das Schutzelement gegenüber dem Ausgasungskanal abgedeckt, wodurch eine Beschädigung des Ausgasungsbereichs der Batteriezelle, insbesondere der das Ausgasungsventil bildenden Sollbruchstelle durch im Ausgasungskanal strömendes Heißgas vermieden wird. Tritt demgegenüber ein Störfall bei der in der Gefahrenaufnahme liegenden Batteriezelle auf, übertragen die ausgasenden Heißgase und / oder elektrisch leitfähige Partikel ihre kinetische Energie wenigstens teilweise im Sinne eines elastischen Stoßes auf das Schutzelement, welches sich dadurch entlang der Führung in Richtung der Schutzaufnahme verlagert. Das Schutzelement entzieht dem Gas dadurch nicht nur kinetische Energie, sondern ermöglicht auch den Eintritt des Heißgases in den zwischen der Gefahrenaufnahme und der Schutzaufnahme quer zur Hauptrichtung verlaufenden Ausgasungskanal. Um diesen Eintritt zu ermöglichen, muss sich das Schutzelement nicht in die Auslösestellung, in der es die Schutzaufnahme abdeckt, verlagern, sondern nur entlang der Führung die Ruhestellung verlassen. Sind die austretenden Heißgase so energiereich, dass das Schutzelement so viel kinetische Energie aufnimmt, dass es nicht nur die Ruhestellung verlässt, sondern in Auslösestellung verlagert wird, bildet das Schutzelement eine physische Barriere gegenüber der Schutzaufnahme, indem es diese abdeckt. Diese vorzugsweise elektrisch isolierend ausgebildete physische Barriere wirkt nicht nur gegen austretende Heißgase, sondern auch gegen andere störfallbedingte elektrisch leitende Feststoffreste, die zu Kurzschlussreaktionen führen können. In der Schutzaufnahme kann ein benachbartes Bauteil, beispielsweise eine weitere Batteriezelle, angeordnet sein. Dadurch, dass das Schutzelement proportional zur übertragenen kinetischen Energie immer weiter entlang der Führung weg von der Ruhestellung in Richtung der Auslösestellung verlagert wird, vergrößert sich mit zunehmender kinetischer Energie des Gases auch die Öffnung zum Ausgasungskanal. Das Schutzelement kann in seiner Form und seiner Masse an die zu erwartende freiwerdende kinetische Energie des Gases angepasst sein, sodass es mehr oder weniger kinetische Energie des Gases aufnimmt, ohne durch die resultierende Gegenkraft ein Verlagern oder eine weitere Beschädigung der Batteriezelle zu ermöglichen.
Um zu vermeiden, dass austretende Heißgase weitere Teile der Schutzvorrichtung beschädigen und gleichzeitig vorteilhafte Konstruktionsbedingungen zu ermöglichen, kann die Führung einen am Rand des Schutzelements angeordneten und in Hauptrichtung verlaufenden Führungssteg aufweisen. Zufolge dieser Maßnahmen kann der Bereich zwischen dem Ausgasungsbereich der Batteriezelle und der Schutzaufnahme abgesehen vom erforderlichen Schutzelement weitgehend einbaufrei gehalten werden, sodass das Heißgas keine weiteren Bauteile angreifen kann. Da Führungsstege geometrisch einfach ausgestaltet werden können und zur Erfüllung ihrer Funktion keine beweglichen Teile umfassen, sind sie weiters weniger verschleißanfällig und einfach, beispielsweise durch Spritzguss, herzustellen. Um eine unerwünschte Verlagerung des Schutzelements beim Übergang in die Auslösestellung zu vermeiden, kann im Schutzelement eine Führungsnut vorgesehen sein, in die der Führungssteg als Feder eingreift.
Damit mit konstruktiv einfachen Mitteln eine verkantungsfreie, gleichmäßige Verlagerung des Schutzelements in die Auslösestellung ermöglicht wird, wird vorgeschlagen, dass die Führung mehrere am Schutzelement umfangseitig gleich verteilte Führungsstege aufweist. Zufolge dieser Maßnahmen entsteht ein Formschluss zwischen den Führungsstegen und dem Schutzelement quer zur Hauptrichtung, wodurch das Schutzelement selbst durch hohen kinetischen Energieübertrag vom Heißgas in Position gehalten und ohne weitere Lagerelemente nur entlang der Führung aus der Ruhestellung in die Auslösestellung verlagerbar ist. Weiters wird durch die gleich verteilte Anordnung der Führungsstege vermieden, dass das Schutzelement an einem Führungssteg verkantet, da der bei der Verlagerung auftretende Widerstand zwischen Schutzelement und Führung so zwangsläufig gleichmäßig über den Rand verteilt auftritt und dadurch das Schutzelement über seine gesamte Oberfläche gleichmäßig beschleunigt wird.
Damit die Batteriezelle trotz der vorgesehenen Schutzvorrichtung einfach elektrisch kontaktiert werden kann, ohne die Schutzfunktion der Schutzvorrichtung zu beeinträchtigen, kann das Schutzelement eine Aussparung zur Durchführung eines Anschlussleiters aufweisen, die quer zur Hauptrichtung versetzt zum Ausgasungsbereich der Batteriezelle angeordnet sein. Dem liegt die Überlegung zugrunde, dass die austretenden Heißgase nicht über den gesamten in der Gefahrenaufnahme aufgenommenen Endabschnitt der Batteriezelle, sondern über eine bevorzugte Sollbruchstelle, die beispielsweise von einem Ausgasungsventil als Ausgasungsbereich gebildet sein kann, konzentriert lokal austreten. Durch die quer zur Hauptrichtung versetzte Anordnung der Aussparung zum Ausgasungsbereich kann beispielsweise ein Anschlussleiter durch die Aussparung zu einer weiteren Batteriezelle oder einem Verbraucher geführt werden, ohne dass die Heißgase ebenso unmittelbar durch diese Aussparung geleitet werden. So können die Heißgase nach wie vor ihre kinetische Energie an das oberhalb des Ausgasungsbereichs nicht durchbrochene Schutzelement abgeben und von diesem in den Ausgasungskanal gelenkt werden. Da der Ausgasungsbereich einer zylindrischen Batteriezelle üblicherweise radial versetzt zum Pluspol angeordnet ist, kann in einer bevorzugten Ausführungsform die Aussparung mittig im Schutzelement vorgesehen sein. In einer weiteren Ausführungsform kann der Anschlussleiter zugfest mit dem Schutzelement verbunden sein. So kann bei einer durch einen Störfall verursachten Verlagerung des Schutzelements auch die elektrische Verbindung der Batteriezelle getrennt werden. In einer alternativen Ausführungsform kann der Anschlussleiter auch ein Anschlussstift sein, auf dem das Schutzelement verschiebbar gelagert ist und der vorzugsweise über eine Schmelzsicherung mit einer in der Schutzaufnahme angeordneten Kontaktstelle verbunden ist. Die Kontaktstelle kann eine Kontaktfeder zum mantelseitigen Kontaktieren einer in der Schutzaufnahme aufgenommenen Batteriezelle sein. Die Schmelzsicherung kann zum Ausgasungskanal und damit auch zum Schutzelement hin einerseits und zur Schutzaufnahme hin andererseits mit einem Hitzeschild abgedeckt sein. Dieses Hitzeschild kann beispielsweise aus einem Mineral, insbesondere aus der Glimmergruppe, bestehen.
Um trotz der Verwendung der Schutzvorrichtung insbesondere bei der Verschaltung mehrerer Batteriezellen eine hohe Energiedichte zu erzielen, wird vorgeschlagen, dass die Gefahrenaufnahme, das Schutzelement und die Schutzaufnahme in Hauptrichtung konzentrisch zueinander angeordnet sind. Diese Anordnung ermöglicht eine dichte Packung mehrerer Gruppen von Batteriezellen und erleichtert so insbesondere die Verschaltung von in Hauptrichtung hintereinander angeordneten Batteriezellen. Weiters kann dadurch der vom Schutzelement zu überbrückende Weg von der Ruhestellung in die Auslösestellung minimiert werden, wodurch von den austretenden Heißgasen weniger kinetische Energie auf das Schutzelement zur Verlagerung in die Auslösestellung übertragen werden muss.
Um eine unerwünschte Verlagerung des Schutzelements unabhängig von der räumlichen Ausrichtung der Schutzvorrichtung oder etwaigen Vibrationen, zu vermeiden, kann das Schutzelement gegen eine Verlagerung aus der Ruhestellung unter einer Auslösebeschleunigung von weniger als 100g gesichert sein. Versuche haben gezeigt, dass bei dieser Auslösebeschleunigung eine unerwünschte Verlagerung vermieden werden kann, die austretenden Heißgase die zu dieser Auslösebeschleunigung proportionale Kraft aber aufbringen, um eine Verlagerung des Schutzelements in die Auslösestellung zu bewirken. Das Schutzelement kann dabei kraftschlüssig, beispielsweise durch eine Feder, in der Ruhestellung gehalten werden. Alternativ oder ergänzend kann das Schutzelement auch form- oder stoffschlüssig in der Ruhestellung festgelegt werden, wobei eine Sollbruchstelle vorgesehen sein kann, die beim Überschreiten einer einer Beschleunigung von 100g entsprechenden Kraft bricht. Die zur Auslösebeschleunigung proportionale Kraft kann berechnet werden, indem die Auslösebeschleunigung mit der Masse des Schutzelements multipliziert wird. Beispielsweise kann das Schutzelement Haltelaschen aufweisen, die beim Überschreiten der zur Auslösebeschleunigung proportionalen Kraft brechen.
Die mechanische Stabilität und Zuverlässigkeit der Schutzvorrichtung im Betrieb kann insbesondere bei der Anordnung mehrerer Batteriezellen erhöht werden, wenn die Schutzaufnahme durch eine zylindrische Ausnehmung eines Sockels gebildet wird, dessen dem Ausgasungskanal zugewandte Außenseite einen Anschlag für das Schutzelement in Auslösestellung bildet. Zufolge dieser Maßnahmen bewirkt ein starker kinetischer Energieübertrag auf das Schutzelement keine Verlagerung über den Anschlag hinaus, wodurch die Auslösestellung räumlich festgelegt werden kann und das Schutzelement in Auslösestellung die Schutzaufnahme nicht nur abdecken, sondern sogar an der Schutzaufnahme anliegen kann. Die zylindrische Ausnehmung des Sockels kann darüber hinaus eine weitere Batteriezelle mantelseitig aufnehmen und dadurch stabil lagern. Weiters kann die Führung für das Schutzelement am Sockel angesetzt sein, wodurch die Relativpositionen der Führung, des Schutzelements und der Schutzaufnahme festgelegt werden können, sodass es beispielsweise bei betriebsbedingten Vibrationen zu keiner relativen Verlagerung dieser Komponenten zueinander kommt. Um zu verhindern, dass sich die Schutzvorrichtung im Störfall durch die ausgasenden Heißgase von der Batteriezelle löst und die Heißgase nicht mehr zuverlässig in den Ausgasungskanal geleitet werden können, wird vorgeschlagen, dass die Gefahrenaufnahme mehrere Rastarme zum Festlegen der Batteriezelle umfasst. Zufolge dieser Maßnahmen kann die Schutzvorrichtung über einen Form- und /oder Kraftschluss auf einer Batteriezelle angeordnet werden. Dazu können die Rastarme in eine um laufende Nut der Batteriezelle eingreifen oder diese einfach nur festklemmen. In einer bevorzugten Ausführungsform werden die Rastarme von den Führungsstegen ausgebildet., wobei ein zwischen der Schutzaufnahme und der Gefahrenaufnahme liegender Bereich als Ausgasungskanal frei bleibt. In einer bevorzugten Ausführungsform weist das Schutzelement wenigstens eine Haltelasche auf, die den dem Ausgasungskanal abgewandten Endabschnitt eines Rastarms oder Führungsstegs hintergreift, sodass der Endabschnitt in Hauptrichtung eine Anschlagsbegrenzung für die Haltelasche bildet. Die Haltelasche kann zu diesem Zweck vom Schutzelement gegen die Hauptrichtung abstehen. Durch die von austretenden Heißgasen übertragene kinetische Energie bricht die Haltelasche an einer Sollbruchstelle, was eine Verlagerung des Schutzelements aus der Ruhestellung ermöglicht. Werden die Rastarme von den Führungsstegen ausgebildet, kann das Schutzelement über die gebrochene Haltelasche entlang der Führungsstege geführt werden. In einer bevorzugten Ausführungsform weist das Schutzelement mehrere umfangsseitig verteilte Haltelaschen auf, wobei insbesondere für jeden Rastarm eine Haltelasche vorgesehen sein kann.
Beispielsweise kann die Schutzvorrichtung einen Sockel mit einer die Schutzaufnahme bildenden zylindrischen Ausnehmung aufweisen, an den auf der der zylindrischen Ausnehmung gegenüberliegenden Seite mehrere Führungsstege angesetzt sind, die zwischen sich die Gefahrenaufnahme ausbilden. Diese Führungsstege verlaufen in einem an den Sockel angrenzenden Bereich durch den Ausgasungskanal. In einem an den Ausgangskanal angrenzenden Bereich können die Führungsstege Rastarme zum Festlegen der Batteriezelle in der Gefahrenaufnahme bilden. Insbesondere für den Fall, dass auch in der Schutzaufnahme der Endabschnitte eine Batteriezelle gelagert ist, kann der Sockel genauso wie das Schutzelement eine Durchtrittsöffnung für einen Anschlussleiter zur elektrischen Kontaktierung der beiden Batteriezellen aufweisen. Bei den Batteriezellen kann es sich in bevorzugter Weise um zylindrische Batteriezellen mit kreisförmiger Grundfläche handeln, die durch die Schutzvorrichtung hindurch seriell miteinander kontaktiert werden.
Die Erfindung bezieht sich auch auf ein Batteriesystem mit mehreren quer zur Hauptrichtung aneinander angrenzenden erfindungsgemäßen Schutzvorrichtungen. Bei einem solchen Batteriesystem sind in die Gefahrenaufnahmen der Schutzvorrichtungen die Endabschnitte von Batteriezellen einer ersten Gruppe und in die Schutzaufnahmen der Schutzvorrichtungen die Endabschnitte von Batteriezellen einer zweiten Gruppe eingesetzt. Durch die Schutzvorrichtungen wird zwischen den beiden Gruppen ein durchgehender Ausgasungskanal gebildet. Tritt dabei bei einer Batteriezelle in einer Gefahrenaufnahme ein Störfall auf, der zu einem Austreten von Heißgas und/oder elektrisch leitenden Partikeln führt, so wird das Schutzelement der auf diese Batteriezelle aufgesetzten Schutzvorrichtung aus der Ruhestellung in die Auslösestellung verlagert, wodurch das austretende Heißgas nicht nur daran gehindert wird, zur in Hauptrichtung angrenzenden Batteriezelle zu gelangen, sondern auch in den durchgehenden Ausgasungskanal umgeleitet wird. Da der umgeleitete Heißgasstrom in unmittelbarer Umgebung der ausgasenden Batteriezelle durch das Abprallen am Schutzelement auch eine gegen die Hauptrichtung gerichtete Richtungskomponente aufweist, werden die quer zur Hauptrichtung umliegenden Batteriezellen durch die in Ruhestellung befindlichen Schutzelemente der benachbarten Schutzvorrichtungen vor dem Heißgas, aber auch vor störfallbedingten elektrisch leitenden Feststoffresten geschützt. Insbesondere wird der Heißgasstrom dadurch von den Ausgasungsbereichen der umliegenden Batteriezellen ferngehalten, sodass eine Kettenreaktion mehrerer Störfälle wirksam vermieden werden kann.
Das Vorsehen mehrerer Schutzvorrichtungen zur mechanischen und gegebenenfalls auch elektrischen Verbindung zweier Gruppen von Batteriezellen hat den Vorteil, dass eine Kräfteüberbestimmung innerhalb des Batteriesystems vermieden wird. Gerade in Verbindung mit einem Kühlsystem kann auf diese Weise Leckagen vorgebeugt werden. Die Schutzvorrichtungen können aber auch in einem gemeinsamen Träger angeordnet sein. In diesem Fall können entweder die Schutzvorrichtungen mit Spiel im Träger gelagert werden oder aber die Schutzvorrichtungen sind starr mit dem Träger verbunden und die Gefahren- und gegebenenfalls auch Schutzaufnahmen ermöglichen eine Lagerung von Endabschnitten der darin eingesetzten Batteriezellen mit Spiel. Beispielsweise kann der gemeinsame Träger ein Abstandhalter für zwei Batteriemodule sein, die jeweils eine Gruppe von Batteriezellen umfassen.
Kurze Beschreibung der Erfindung
In der Zeichnung ist der Erfindungsgegenstand beispielsweise dargestellt. Es zeigen
Fig. 1 eine Explosionsansicht einer erfindungsgemäßen Schutzvorrichtung und eine Batteriezelle,
Fig. 2 einen Schnitt durch die Schutzvorrichtung in Ruhestellung entlang der Linie ll-ll der Fig. 1 mit in der Gefahrenaufnahme eingesetzter Batteriezelle in einem größeren Maßstab,
Fig. 3 einen der Fig. 2 entsprechenden Schnitt der Schutzvorrichtung in Auslösestellung und
Fig. 4 einen Schnitt durch ein Batteriesystem mit mehreren, in einem gemeinsamen Träger angeordneten erfindungsgemäßen Schutzvorrichtungen in einem kleineren Maßstab.
Wege zur Ausführung der Erfindung
Eine erfindungsgemäße Schutzvorrichtung umfasst eine Gefahrenaufnahme 1 für den Ausgasungsbereich 2 einer Batteriezelle 3 und eine der Gefahrenaufnahme 1 in einer Hauptrichtung 4 gegenüberliegende Schutzaufnahme 5. Zwischen Gefahrenaufnahme 1 und Schutzaufnahme 5 verläuft ein Ausgasungskanal 6, in den im Störfall aus der Batteriezelle 3 austretende Heißgase geleitet werden. Ein Schutzelement 7 ist entlang einer Führung zwischen einer Ruhestellung und einer Auslösestellung verlagerbar.
Das Schutzelement 7 deckt in Ruhestellung die Gefahrenaufnahme 1 gegenüber dem Ausgasungskanal 6 ab, wie dies in Fig. 2 gezeigt ist. Treten aufgrund eines Störfalls in der Batteriezelle 3 Heißgase aus dem Ausgasungsbereich 2 der Batteriezelle 3 aus, prallen diese auf das Schutzelement 7 und übertragen einen Teil ihrer kinetischen Energie auf dieses, wodurch das Schutzelement 7 entlang der Führung aus der Ruhestellung verlagert und der Zugang der Heißgase zum Ausgasungskanal 6 ermöglicht wird. Wird infolge starker Ausgasung ausreichend kinetische Energie auf das Schutzelement 7 übertragen, wird dieses entlang der Führung bis in die Auslösestellung verlagert, in der das Schutzelement 7 die Schutzaufnahme abdeckt, wie in der Fig. 3 gezeigt.
Die Führung kann fertigungstechnisch einfach über einen oder, wie in der Zeichnung gezeigt, mehrere Führungsstege 8 realisiert werden, wobei mehrere Führungsstege 8 auch eine formschlüssige Lagerung des Schutzelements 7 quer zur Hauptrichtung 4 ermöglichen und die Wahrscheinlichkeit, dass das Schutzelement 7 bei einer Verlagerung verkantet, verringern. Da die Heißgase lokal konzentriert aus dem Ausgasungsbereich 2 austreten, kann eine Aussparung
9 zur Durchführung eines Anschlussleiters 10 vorgesehen sein, ohne die Funktionsweise der Schutzvorrichtung wesentlich zu beeinträchtigen. Wichtig ist dabei, dass die Aussparung 9 quer zur Hauptrichtung 4 versetzt zum Ausgasungsbereich 2 angeordnet ist, um zu verhindern, dass nennenswerte Mengen an Heißgas durch die Aussparung 9 entweichen, ohne ihre kinetische Energie auf das Schutzelement 7 zu übertragen. Ergänzend dazu kann der Querschnitt des Anschlussleiters 10 im Wesentlichen dem Querschnitt der Aussparung 9 entsprechen, wodurch die Aussparung 9 durch den Anschlussleiter
10 verschlossen wird. Erläuternd sei dazu angemerkt, dass sich der Ausgasungsbereich 2 in den Figs. 1 bis 3 vom Rand der mit dem Anschlussleiter 10 verbundenen Polkappe radial nach außen erstreckt. Das Heißgas strömt somit nicht in Richtung des Anschlussleiters 10, sondern radial nach außen von diesem weg. Damit sich das Schutzelement 7 nicht unbeabsichtigt im Betrieb, beispielsweise durch Vibrationen, aus der Ruhestellung löst, kann es gegen unbeabsichtigte Verlagerung gesichert sein. Versuche haben gezeigt, dass eine Sicherung gegen eine Auslösebeschleunigung von wenigstens 100g unbeabsichtigtes Verlagern verhindert, aber dennoch empfindlich genug ist, um eine durch ausströmende Heißgase und/oder durch elektrisch leitfähige Partikel induzierte Verlagerung zu ermöglichen. Wie in der Zeichnung gezeigt, kann diese Sicherung durch eine Sollbruchstelle 11 realisiert werden. In der gezeigten Ausführungsform ist die Schutzvorrichtung über Rastarme 12 an einer um den Mantel der Batteriezelle 3 umlaufenden Nut 13 verrstet. Das Schutzelement 7 weist eine oder mehrere Haltelaschen 14 auf, die einen quer zur Hauptrichtung 4 verlaufenden Laschenschenkel 15 umfassen. Wie in Fig. 2 gezeigt, bilden die Rastarme 12 in Ruhestellung einen Anschlag in Hauptrichtung 4 für den Laschenschenkel 15 der Haltelasche 14. Ist beim Ausgasen der Energieübertrog vom Heißgas auf das Schutzelement 7 so hoch, dass die Sollbruchstelle 11 bricht, bricht der Laschenschenkel 15 von der Haltelasche 14, wodurch der Anschlag in Hauptrichtung 4 wegfällt und das Schutzelement durch den Energieübertrog vom Heißgas in Hauptrichtung 4 verlagert wird (siehe Fig. 3).
Bei der Anordnung mehrerer Batteriezellen 3 zu einem Batteriesystem ergeben sich weitere Vorteile, wenn Gefahrenaufnahme 1 , Schutzelement 7 und Schutzaufnahme 5 in Hauptrichtung 4 konzentrisch zueinander angeordnet sind, da so möglichst viele Batteriezellen 3 in drei Raumrichtungen dicht gepackt werden können und so eine hohe Energiedichte im Batteriesystem ermöglicht wird. Weitere Vorteile ergeben sich für ein Batteriemodul, wenn die Schutzaufnahme 5 durch die zylindrische Ausnehmung 16 eines Sockels 17 gebildet wird, da über diese Ausnehmung 16 die räumlich nahe Lagerung und einfache elektrische Kontaktierung einer weiteren Batteriezelle 3 über deren Endabschnitt 18 in Hauptrichtung 4 ermöglicht wird. Weiters kann der Sockel 17 einen Anschlag für das Schutzelement 7 in Auslösestellung bilden, wodurch die maximale Höhe des Ausgasungskanals 6 in Hauptrichtung 4 festgelegt werden kann. Fig. 4 zeigt ein solches Batteriesystem mit mehreren erfindungsgemäßen Schutzvorrichtungen, die in einem gemeinsamen Träger 19 angeordnet sind. Der Träger 19 bildet dabei Aufnahmen aus, in die die einzelnen Schutzvorrichtungen eingesetzt werden können. Zufolge dieser Maßnahmen ergibt sich ein durchgehender, die einzelnen Schutzvorrichtungen miteinander verbindender Ausgasungskanal 6, über den im Fehlerfall aus einer Batteriezelle 3 austretende Heißgase abgeleitet werden können. In der Fig. 4 ist der Verlauf der Heißgase durch die Pfeile 20 schematisch dargestellt. Durch das im Bereich der ausgasenden Batteriezelle 3 in Auslösestellung befindliche Schutzelement 7 wir die in Hauptrichtung 4 nachgelagerte Schutzaufnahme 5 gegenüber den Heißgasen abgeschirmt, die an diesem Schutzelement 7 in Auslösestellung abprallen und in Richtung der benachbarten Schutzelemente abgelenkt werden. Dort treffen sie auf die in Ruhestellung befindlichen Schutzelemente 7, werden dort abermals umgelenkt und über den durchgehenden Ausgasungskanal 6 abgeleitet.

Claims

Patentansprüche
1 . Schutzvorrichtung für Batteriezellen mit einer Gefahrenaufnahme (1 ) für den Ausgasungsbereich (2) einer Batteriezelle (3) und einer der Gefahrenaufnahme (1 ) in einer Hauptrichtung (4) gegenüberliegenden Schutzaufnahme (5), wobei zwischen der Gefahrenaufnahme (1 ) und der Schutzaufnahme (5) ein quer zur Hauptrichtung (4) verlaufender Ausgasungskanal (6) zum Ableiten von Heißgas vorgesehen ist, dadurch gekennzeichnet, dass ein die Gefahrenaufnahme (1 ) in einer Ruhestellung abdeckendes Schutzelement (7) durch austretendes Heißgas entlang einer Führung in eine die Schutzaufnahme (5) abdeckende Auslösestellung verlagerbar ist.
2. Schutzvorrichtung nach Anspruch 1 , dadurch gekennzeichnet, dass die Führung einen am Rand des Schutzelements (7) angeordneten und in Hauptrichtung (4) verlaufenden Führungssteg (8) aufweist.
3. Schutzvorrichtung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Führung mehrere am Schutzelement (7) umfangseitig gleich verteilte Führungsstege (8) aufweist.
4. Schutzvorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass das Schutzelement (7) eine Aussparung (9) zur Durchführung eines Anschlussleiters (10) aufweist, die quer zur Hauptrichtung (4) versetzt zum Ausgasungsbereich (2) der Batteriezelle (3) angeordnet ist.
5. Schutzvorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass die Gefahrenaufnahme (1 ), das Schutzelement (7) und die Schutzaufnahme (5) in Hauptrichtung (4) konzentrisch zueinander angeordnet sind.
6. Schutzvorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass das Schutzelement (7) gegen eine Verlagerung aus der Ruhestellung unter einer Auslösebeschleunigung von weniger als 100g gesichert ist.
7. Schutzvorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass die Schutzaufnahme (5) durch eine zylindrische Ausnehmung (16) eines Sockels (17) gebildet wird, dessen dem Ausgasungskanal (6) zugewandte Außenseite einen Anschlag für das Schutzelement (7) in Auslösestellung bildet.
8. Schutzvorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass die Gefahrenaufnahme (1) mehrere Rastarme (12) zum Festlegen der Batteriezelle (3) umfasst.
9. Batteriesystem mit mehreren quer zur Hauptrichtung aneinander angrenzenden Schutzvorrichtungen nach einem der vorangegangenen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass in die Gefahrenaufnahmen (1) der Schutzvorrichtungen die Endabschnitte (18) von Batteriezellen (3) einer ersten Gruppe und in die Schutzaufnahmen (5) der Schutzvorrichtungen die Endabschnitte (18) von Batteriezellen (3) einer zweiten Gruppe eingesetzt sind.
10. Batteriesystem nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, dass die Schutzvorrichtungen in einem gemeinsamen Träger (19) angeordnet sind.
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