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Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zur Verringerung des Innendrucks in einem Batteriegehäuse nach der im Oberbegriff von Anspruch 1 näher definierten Art.
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Aus der
DE 10 2007 063 191 A1 ist eine Batterie mit einer gattungsgemäßen Vorrichtung zur Verringerung des Innendrucks in dem Batteriegehäuse bekannt. Der Aufbau der hierfür verwendeten Einrichtung in der gattungsgemäßen Schrift ist dabei so realisiert, dass ein blattfederbelastetes Ventil realisiert worden ist, welches bei einem Überdruck eine Öffnung freigibt und diese nach erreichtem Druckabfall in dem Batteriegehäuse auch wieder verschließt, um Sicherheitsanforderungen an die Batterie beziehungsweise das Batteriegehäuse erfüllen zu können. Der in der gattungsgemäßen Schrift beschriebene Aufbau hat dabei den Nachteil, dass er durch die Verwendung eines flächigen Federelements prinzipbedingt keine einheitliche Flächenpressung über den gesamten Dichtspalt hinweg erlaubt. Damit kommt es zu einer schwierigen Einstellbarkeit des Auslösedrucks und bei der Montage häufig zu Problemen hinsichtlich der Dichtwirkung. Dies ist insbesondere im Hinblick auf die Einhaltung von Sicherheitsanforderungen schwierig und aufwändig. Durch die funktionelle Integration der Teilfunktionen „Feder” und „Klappe” in einem Bauteil kommt es außerdem zu einer vergleichsweise geringen mechanischen Robustheit der Klappe beziehungsweise des Ventilkörpers, als welchen man die Klappe auch bezeichnen könnte.
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Die Aufgabe der hier vorliegenden Erfindung besteht nun darin, eine Vorrichtung zur Verringerung des Innendrucks in einem Batteriegehäuse anzugeben, welche bei vergleichbarer Funktionalität die oben beschriebenen Nachteile vermeidet.
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Erfindungsgemäß wird dies durch eine Vorrichtung mit den Merkmalen im kennzeichnenden Teil des Anspruchs 1 gelöst.
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Bei der erfindungsgemäßen Vorrichtung ist es vorgesehen, dass der Ventilkörper und das Federelement unabhängig voneinander ausgebildet und miteinander verbunden sind. Dieser Aufbau mit einer Trennung der Teilfunktionen Klappe beziehungsweise Ventilkörper und Federelement erlaubt es eine mechanisch sehr robuste Lösung darzustellen, in dem beispielsweise ein entsprechend dicker Ventilkörper eingesetzt wird. Dennoch ist das Öffnungsverhalten frei einstellbar, weil dieser beispielsweise mit einer weichen und dünnen Feder kombiniert werden kann. Der Ventilkörper kann dabei insbesondere von außen die Öffnung in dem Batteriegehäuse verschließen und sich über das Federelement innen an dem Batteriegehäuse abstützen. Er wird so durch die voreingestellte Federkraft mit dem Batteriegehäuse verspannt und hält die Öffnung dicht geschlossen. Bei einem Druckanstieg im Inneren des Batteriegehäuses öffnet sich die Öffnung durch ein Abheben des Ventilkörpers in Abhängigkeit der Federsteife des Federelements. Beim erneuten Druckabfall zieht das Federelement den Ventilkörper wieder zurück und verschließt so die Öffnung erneut.
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Die vergleichsweise freie Einstellbarkeit der Federsteife und der Geometrie der Federn ermöglicht zusammen mit der in sich sehr stabilen Klappe als Ventilkörper einen in sich sehr stabilen Aufbau, welcher vergleichsweise exakt auf einen bestimmten Öffnungsdruck eingestellt werden kann. Das Batteriegehäuse ist dann bis zu diesem Druck sicher und zuverlässig abgedichtet und öffnet bei vergleichsweise exakt diesem vorgegebenen Druck. Im Gegensatz zu den Aufbauten gemäß dem Stand der Technik, welche über einen größeren Druckbereich hinweg von einer minimalen Öffnung am einen Ende bis zur Öffnung in der gesamten Fläche variieren, lässt sich somit ein sehr viel besserer und gezielter steuerbarer Aufbau erzielen. Dieser kann insbesondere sehr gut bei einer Dichtheitsprüfung unter Druck gesetzt werden, um die Dichtheit des Batteriegehäuses zu prüfen. Solange dieser Druck unterhalb des Auslösedrucks liegt, wird es, anders als beim Aufbau gemäß dem Stand der Technik, hier nicht zu Undichtheiten aufgrund einer sich in einem Flächenbereich bereits leicht abhebenden Ventilklappe kommen.
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In sinnvoller Weiterbildung weist das Federelement mindestens zwei im wesentlichen quer zu einer Mittelachse der Öffnung des Batteriegehäuses (Ventilöffnung) stehende Federarme auf, welche bei insbesondere vollständig geöffnetem Ventilkörper innerhalb des Batteriegehäuses an dessen Wandung anliegen. Zweckmäßigerweise sind die Federarme gewölbt bzw. wellig ausgebildet, wodurch sie sich über die innere Wandungsoberfläche des Batteriegehäuses erheben. Durch die genannten bevorzugten Ausbildungen der Federarme kann eine – in Richtungsöffnung des Ventils betrachtet – kleine Bauform des Ventils raliseirt werden. Dies ist bedingt durch einen geringen Frei- bzw. Bauraum im Inneren eines Batteriegehäuses einer Batterie von besonderem Vorteil.
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In einer sehr günstigen und vorteilhaften Weiterbildung der erfindungsgemäßen Vorrichtung kann es ferner vorgesehen sein, dass Anschlagelemente vorgesehen sind, welche den Öffnungsweg des Ventilkörpers begrenzen. Solche Anschlagelemente können den Öffnungsweg des Ventilkörpers begrenzen. Dies verhindert ein Ablösen des Ventilkörpers von dem Batteriegehäuse auch bei sehr hohen Drücken. Dies gewährleistet dann in jedem Fall, dass mit einem Absinken des Innendrucks die Öffnung wieder sicher und zuverlässig verschlossen werden kann. Außerdem erlaubt die Verwendung solcher Anschläge, welche den Öffnungsweg des Ventilkörpers begrenzen, einen sehr sicheren Aufbau. Durch die Anschläge wird immer nur ein definierter Spalt der Öffnung zwischen der Öffnung beziehungsweise dem Batteriegehäuse und dem Ventilkörper freigegeben. Ein solcher Spalt kann beispielsweise so eingestellt werden, dass eine Manipulation der Batterie durch diesen Spalt hindurch nicht oder nur extrem schwer möglich ist. Dies erhöht die Sicherheit weiter.
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In einer weiteren sehr günstigen und vorteilhaften Ausgestaltung der erfindungsgemäßen Vorrichtung ist es ferner vorgesehen, dass die Anschlagelemente und die Federelemente einstückig ausgebildet sind. Solche integrierten Anschlagelemente und Federelemente in einem Bauteil ergeben einen sehr einfachen und kompakten Aufbau, da insbesondere das mit den Anschlagelementen integrierte Federelement und der Ventilkörper als einzige Bauteile ausreichen, um die erfindungsgemäße Vorrichtung zu realisieren. Dabei lassen sich durch Geometrie und Material die Federsteife und die Position der Anschläge und damit der Öffnungsweg und der Öffnungsdruck der Vorrichtung entsprechend einstellen.
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In einer sehr günstigen Weiterbildung hiervon ist es vorgesehen, dass die einstückig miteinander ausgebildeten Anschlagelemente und Federelemente aus Metall ausgebildet sind. Dies ermöglicht einen vergleichsweise stabilen und insbesondere temperaturstabilen Aufbau, sodass auch bei erhöhten Temperaturen in dem Batteriegehäuse oder in der Umgebung des Batteriegehäuses die sicherheitsrelevante Funktionalität der Vorrichtung zur Verringerung des Innendrucks in dem Batteriegehäuse weiterhin sicher und zuverlässig funktioniert.
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In einer weiteren sehr günstigen Ausgestaltung der erfindungsgemäßen Vorrichtung ist es ferner vorgesehen, dass der Ventilkörper einen scheiben- oder plattenförmigen Grundkörper aufweist, welcher mit wenigstens einem Dorn versehen ist, wobei das Federelement mit dem Dorn verbunden ist. Dieser Aufbau ermöglicht einen sehr einfachen und effizienten Aufbau der zweiteiligen Vorrichtung zum Verschließen einer Öffnung in dem Batteriegehäuse und zur Verringerung des Innendrucks bei einem entsprechenden Überdruck in dem Batteriegehäuse. Der scheibenförmige oder plattenförmige Grundkörper kann entsprechend stabil ausgebildet werden und wird dann mit einem Dorn, welcher beispielsweise mittig oder bei mehreren Dornen über die Fläche verteilt senkrecht von der scheibenförmigen beziehungsweise flächenförmigen Ausbildung absteht, versehen. Dieser Dorn kann dann formschlüssig oder kraftschlüssig mit dem Federelement verbunden werde.
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In einer besonders günstigen und vorteilhaften Weiterbildung hiervon ist es vorgesehen, dass das Federelement wenigstens eine Bohrung für den wenigstens einen Dorn aufweist, wobei der Dorn über in das Federelement integrierte Schneidkrallen in der Bohrung gehalten ist. Dieser Aufbau, bei dem entweder eine zentrale oder mehrere über das Federelement verteilt angeordnete Bohrungen vorgesehen sind, ist besonders einfach und effizient. Jede der Bohrungen ist beispielsweise als eingestanzte Öffnung so ausgebildet, dass diese in eine Richtung über die Hauptebene der Öffnung hinausgebogene Schneidkrallen aufweist. Wird nun der Dorn beziehungsweise werden nun die Dornen in die einzelnen Bohrungen eingesteckt, dann können diese in einer Richtung sehr einfach und effizient eingesteckt werden, sodass eine einfache und effiziente Montage möglich ist. Die Schneidkrallen des Federelements verkrallen sich dann in dem Dorn und halten so den Ventilkörper bei einer Belastung durch Innendruck sicher und zuverlässig an dem Federelement. Der Aufbau ist besonders einfach und effizient, insbesondere dann, wenn das Federelement und die Anschlagelemente einstückig miteinander ausgebildet sind und der Ventilkörper einen zentralen Dorn aufweist. Bei der Montage kann dann das Federelement einfach im Inneren des Batteriegehäuses positioniert werden, der Ventilkörper wird von außen entsprechend positioniert und der Dorn dabei in die Bohrung eingedrückt. Durch die Schneidkrallen wird er dort fixiert, sodass eine sehr einfache, effiziente und schnelle Montage der Vorrichtung in dem Batteriegehäuse möglich ist.
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Zwischen dem Ventilkörper in der die Öffnung verschließenden Stellung und dem mit dem Ventilkörper korrespondierenden Teil des Batteriegehäuses um die Öffnung, welches auch als Ventilsitz bezeichnet werden könnte, kann ferner eine Dichtung vorgesehen sein. Eine solche Dichtung erlaubt eine sehr gute Abdichtung gegenüber Umwelteinflüssen wie beispielsweise Feuchtigkeit, Wasser und Staub, sodass neben der reinen Sicherheitsfunktionalität ferner eine sehr gute Abdichtung des Batteriegehäuses bei regulären Innendrücken durch die erfindungsgemäße Vorrichtung möglich ist.
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Die Vorrichtung erlaubt eine einfache, sichere und zuverlässige Innendrucküberwachung eines Batteriegehäuses und kann dieses außerdem gut gegenüber Umgebungseinflüsse wie Wasser und Staub abdichten. Sie ist daher insbesondere dazu geeignet, die Innendrucküberwachung in einem Batteriegehäuse zu realisieren, welches eine Vielzahl von Batterieeinzelzellen aufweist, welche eine Traktionsbatterie eines zumindest teilweise elektrisch angetriebenen Fahrzeugs bilden. Eine solche Traktionsbatterie eines Hybrid- oder Elektrofahrzeugs muss auch unter widrigen Bedingungen, bei Vibrationen, Staub, Wasser und anderen Umwelteinflüssen sicher und zuverlässig funktionieren. Als häufig eingesetzte Batterietechnologie ist dabei die Lithium-Ionen-Technologie zu nennen, welche entsprechend hohe Sicherheitsanforderungen hat und damit eine Vorrichtung zur Überwachung des Innendrucks erforderlich macht, welche sicher und zuverlässig funktioniert und im Schadensfall nach dem Abbauen des Innendrucks das Batteriegehäuse auch wieder sicher und zuverlässig verschließt, um eine Manipulation und/oder eine ungewollte Berührung von Personen, Unfallhelfern oder dergleichen mit Teilen innerhalb des Batteriegehäuses zu verhindern. Die erfindungsgemäße Vorrichtung ist für diesen Einsatzzweck besonders gut geeignet.
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Weitere vorteilhafte Ausgestaltungen der erfindungsgemäßen Vorrichtung ergeben sich aus den restlichen abhängigen Ansprüchen und werden anhand des Ausführungsbeispiels deutlich, welches unter Bezugnahme auf die Figuren näher beschrieben wird.
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Dabei zeigen:
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1 eine Prinzipdarstellung eines möglichen Aufbaus einer Batterie in einem Fahrzeug;
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2 einen Ventilkörper in einer möglichen Ausführungsform gemäß der Erfindung;
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3 ein Federelement in einer möglichen Ausführungsform gemäß der Erfindung;
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4 eine Schnittdarstellung durch eine Vorrichtung zur Verringerung des Innendrucks in einem Batteriegehäuse gemäß der Erfindung in einer ersten Schnittebene im geschlossenen Zustand;
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5 eine Schnittdarstellung durch eine Vorrichtung zur Verringerung des Innendrucks in einem Batteriegehäuse gemäß der Erfindung in einer Schnittebene senkrecht zur Schnittebene in 4 im geschlossenen Zustand;
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6 eine Darstellung analog 4 im geöffneten Zustand; und
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7 eine Darstellung analog 5 im geöffneten Zustand.
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In der Darstellung der 1 ist rein beispielhaft ein sehr stark schematisiert angedeutetes Fahrzeug 1 zu erkennen. Dieses soll als Elektrofahrzeug oder Hybridfahrzeug ausgebildet sein. Es weist eine Batterie 2 auf, welche beispielhaft als Stapel von Batterieeinzelzellen 3 aufgebaut ist. Diese Batterie 2, welche insbesondere als Lithium-Ionen-Batterie beziehungsweise Lithium-Polymer-Batterie realisiert sein soll, befindet sich in einem Batteriegehäuse 4. Das Batteriegehäuse 4 weist in an sich bekannter Art und Weise eine Vorrichtung 5 zur Verringerung des Innendrucks in dem Batteriegehäuse 4 für den Fall eines ungewollten Druckanstiegs auf.
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Der hier gezeigte neue Aufbau der Vorrichtung 5 besteht im Wesentlichen aus zwei Teilelementen, nämlich einem Ventilkörper 6 sowie einem Federelement 7. Diese beiden Elemente sind in den 2 und 3 in dreidimensionaler Darstellung in einer möglichen Ausführungsform gemäß der Erfindung zu erkennen. In 4 ist ein schematischer Querschnitt der Vorrichtung 5 in dem Batteriegehäuse 4 zu erkennen. Die Vorrichtung 5 ist durch einen Schutzrand 8 auf dem Batteriegehäuse 4 gegen mechanische Beschädigung oder ein Abreißen des Ventilkörpers 6 geschützt. Die Vorrichtung 5 beziehungsweise der Ventilkörper 6 der Vorrichtung 5 verschließt eine Öffnung 9 in dem Batteriegehäuse 4, indem der Ventilkörper 6 auf der umlaufenden Kante der Öffnung, welche auch als Ventilsitz 10 bezeichnet werden könnte, anliegt. Zwischen diesem Ventilsitz 10 und dem Ventilkörper 6 ist ein Dichtmaterial 11 angeordnet, welches dafür sorgt, dass der Ventilkörper 6 die Öffnung 9 dicht gegen Gase, Staub und Feuchtigkeit verschließen kann. Der Ventilkörper 6 selbst besteht aus einem scheibenförmigen Grundkörper 12 sowie einem Dorn 13. Der Dorn 13 ist in dem hier dargestellten Ausführungsbeispiel des runden scheibenförmigen Grundkörpers 12 idealerweise mittig angeordnet. Er ist dazu ausgebildet, mit einer Bohrung 14 des Federelements 7, welche in der Darstellung der 3 sehr gut zu erkennen ist, zu korrespondieren. Die Bohrung 14 ist dabei als ausgestanzte Öffnung ausgebildet, welche von Schneidkrallen 15 umgeben ist. Wird nun der Dorn 13 des Ventilkörpers 6 in die Öffnung 14 eingedrückt, und zwar in der Darstellung der 3 von oben, dann verhaken sich die Schneidkrallen 15 im Material des Dorns 13, sodass eine sichere und zuverlässige Verbindung zwischen dem Ventilkörper 6 und dem Federelement 7 erzielt wird. Diese wird insbesondere bei der Montage der Vorrichtung 5 so erzielt, dass das Federelement 7 oder der Ventilkörper 6 im Bereich der Öffnung positioniert werden, wobei der Dorn 13 und die Bohrung 14 ineinander gedrückt werden und die Schneidkrallen 15 sich mit dem Material des Dorns 13 verklemmen beziehungsweise verkanten.
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In der Darstellung der 4 ist dabei die geschlossene Stellung der Vorrichtung 5 dargestellt. Federarme 16 des Federelements 7 halten den Ventilkörper 6 vorgespannt auf den Ventilsitz 10 gepresst, um das Batteriegehäuse 4 dicht zu verschließen. In der Darstellung der 6 ist dieser Aufbau in geöffneter Stellung des Ventilkörpers 6 nochmals gezeigt. Aufgrund eines Innendrucks in dem Batteriegehäuse 4, welcher so hoch ist, dass er eine Kraft auf den Ventilkörper 6 ausübt, welche die von den Federarmen 16 aufgebrachten Kräfte übersteigt, wird der Ventilkörper 6 in die in 6 dargestellte geöffnete Stellung geschoben und es wird ein Spalt frei, durch welchen, wie durch die Pfeile angedeutet, Überdruck aus dem Inneren des Batteriegehäuses 4 abgebaut werden kann.
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In der Darstellung der 5 ist ein Schnitt, wie in der Darstellung der 4, im geschlossenen Zustand des Ventilkörpers 16 nochmals zu erkennen. Die Schnittebene ist jedoch um 90 Grad gedreht, sodass die auch in 3 zu erkennenden Anschlagarme 17 des Federelements 7 besser zu erkennen sind. Diese Anschlagarme 17 stehen insbesondere senkrecht auf den Federarmen 13 und zusammen mit diesen im Wesentlichen senkrecht auf einer Mittelachse der Öffnung 9. Kommt es nun zu einem Öffnen des Ventilkörpers 6, so wird durch die Anschlagarme 17 erreicht, dass der Öffnungsweg des Ventilkörpers 6 entsprechend begrenzt wird. Dies ist in der Darstellung der 7 zu erkennen.
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Das Federelement 7 selbst kann dabei insbesondere aus einem metallischen Material ausgebildet sein. Durch die Geometrie und die Federsteife des Materials kann einerseits eine Begrenzung des Öffnungswegs durch die geometrische Ausgestaltung der Anschlagarme 17 erzielt werden, welche nach dem Erreichen des maximalen gewünschten Öffnungswegs an dem Material des Batteriegehäuses 4, welches die Öffnung 9 umgibt, anschlagen. Andererseits kann durch geometrische Ausgestaltung und Federsteife des Materials die Charakteristik der Federarme 16 über weite Strecken beeinflusst werden. Damit lässt sich ein vergleichsweise exaktes Ansprechverhalten der Vorrichtung 5 realisieren, sodass diese bei einem entsprechenden Innendruck sicher und zuverlässig auslöst, bei Drücken unterhalb dieses Innendrucks jedoch sicher und zuverlässig die Öffnung 9 verschließt. Der Aufbau mit getrenntem Ventilkörper 6 und getrennt hiervon ausgebildetem Federelement 7, welches insbesondere einstückig die Federarme 16 und die Anschlagarme 17 aufweisen kann, wird eine hohe Sicherheit und Variabilität erzielt, da eine vergleichsweise weiche Feder mit einem vergleichsweise stabilen Ventilkörper 6 kombiniert werden kann.
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Wie insbesondere in 6 dargestellt, weist das Federelement 7 zwei von der Mittelachse der Öffnung 9 des Batteriegehäuses 4 stehende Federarme 16 auf, welche bei auch noch bei vollständig geöffnetem Ventilkörper 6 mit ihrem zumindest ihren radial außenliegenden Bereichen auf der inneren Wandung des Batteriegehäuses 4 aufliegen. Die Federarme 16 sind nach oben, d. h. in Richtung des Inneren des Batteriegehäuses 4 gewölbt bzw. wellig ausgebildet und erheben sich über die innere Wandungsoberfläche des Batteriegehäuses. Durch diese bevorzugten Bauformen der Federarme 16 kann bei möglichst großer axialer Öffnungsweite des Ventilskörpers 6 eine möglichst kleine axiale Bauform des gesamten Ventils realisiert werden. Aufgrund eines angestrebten möglichst kleinen Bauraums einer Batterie ist dies von besonderem Vorteil.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- DE 102007063191 A1 [0002]