具有压力补偿功能的阀,具有这种阀的电池和具有这种电池的机动车的制作方法
【专利摘要】本发明涉及一种阀（1），其具有阀体（2），以及布置在阀体（2）的通道（23）中的、具有阀针（31）和阀脚（32）的第一阀元件（3），它的运动至少在第一方向（41）上被第一阀座（26）限制，至少一个布置在阀体（2）中的第二阀元件（5），它的运动在第一方向（41）上被第二阀座（27）限制，和至少一个布置在阀体（2）中的第三阀元件（6），它的运动在第二方向（42）上被第三阀座（28）限制，其中，所述通道（23）具有第一开口（231）和与该第一开口（231）相反地布置的第二开口（232），和其中，所述第一方向（41）和所述第二方向（42）基本上是相互反向的。本发明此外涉及一种具有这种阀（1）的电池（9）和一种具有这种电池（9）的机动车。
【专利说明】具有压力补偿功能的阀，具有这种阀的电池和具有这种电池的机动车
【技术领域】
[0001]本发明涉及一种阀，尤其是一种具有压力补偿(平衡)功能的阀，其中，该阀最好在用于至少部分地用电驱动的机动车的电池中使用。此外本发明涉及一种具有这种阀的电池，尤其是锂离子电池，以及一种装备了具有这种阀的相应的电池的机动车。
【背景技术】
[0002]近来在不同的【技术领域】中应用越来越尖端的可再充电的电池或电池组，即多个单独的电池单体组合成一个块或结构组，例如在机动车领域中用于驱动电动机或辅助电动机，该辅助电动机针对常规内燃机被附加地设置，例如混合动力机动车或类似物中。特别地，在此情况下使用锂离子蓄电池结构组件，即所谓的锂离子电池组，它们的操作和功能由于高反应性的锂而要求非常不同的安全预防措施。由于一个电池组仅仅涉及到多个单独电池的组合连接，因此在下面术语“电池”和“电池组”在相同的意义上被使用。这种电池组，也称为电池系统，的安全性是其在世界市场上的工业化中的关键因素之一。除了其它方面以外，如果能够在电池组外壳和环境之间进行压力补偿，以便避免由于可能出现的压力差对电池组外壳的损坏，这种锂离子电池组是有利的。这种压力差例如可以通过在飞机上运输锂离子电池组、在装备了锂离子电池组的机动车在山区行驶时、通过空气压力的自然波动或者也通过简单的温度波动形成。在电池组内部和它的环境之间产生压差的情况下，此时电池组的外壳可能受到强烈的机械负载，这可能导致电池组外壳的轻微的或者在一些情况下甚至严重的损坏。除了在此情况下电池组的内容可能以不希望的方式向外泄漏以外，在电池组外壳的这种“破裂”情况下也可以想到，环境空气中含有的湿气(水份)可以渗入电池组内部中并且在那里例如在单独的电池单体的冷却系统处冷凝，由此可以通过腐蚀或通过短路导致对电池组的极大的损坏。
[0003]为了解决该问题，已知的电池组具有相应的安全预防措施，例如具有阀和装入的干燥机构的压力补偿元件，例如在DE102010063423A1中描述的那样。通过在其中描述的安全机构，可以导致在被电池组外壳包封的内室和环境之间的可能必需的压力补偿，其中，通过设置的干燥机构防止湿气渗入电池组中。在此情况下，由于通过弹簧对相应的部件的预张紧自在电池组内部和环境之间的预先规定的差压起才进行压力补偿，通过该压差克服弹簧提供的预张紧力并且阀打开。用于电池的压力补偿阀的现有技术的另一个实例可以从EP0504573A1中获知，其中，铅蓄电池配有二通卸压阀，即配有一种阀，该阀不仅在电池单格中的一个预先确定的超压下实现放气而且在一个预先确定的低压(负压)下能够通风换气，其中，为了在一个或另一个方向上打开该阀，必须分别克服一个弹簧力，该弹簧力可以按照预先确定的响应压力进行调整。
[0004]在使用锂离子电池组中的一个附加的问题在于，在电池组存在缺陷或者在不正确地操作电池组的情况下在它们的锂离子电池单体中可能导致气体的形成，由此在被电池组外壳包封的内室和环境之间也可能产生压差，即在单格电池内部可能产生过压。在已知的电池组中，该问题除了其它的情况外是如此处理的，即在一定的电池组内压下一个专门为此设置的电池组的保险膜片打开或者说破裂并且形成的气体可以从其中排出，以便由此防止它的热透过。但是，由于其化学组成，排出的气体对任何环境都是一个很大的危险。在已知的电池组中使用相应的合适的系统，用于将在损害情况下的气体定向地从电池组中引导出来并且对其进行中和处理。但是，为了使该气体交换仅仅经由设置的电池组的开口来实现并且在受损情况下有毒气体不会非控制地逸出，电池组外壳必须气密地封闭。因此，最迟在电池组制造完工时起要求有对电池组的气密性进行检测的可能性，但是该检测最好可以在不破坏电池组外壳的气密性下实施。
【发明内容】
[0005]为了解决上面讨论的问题，本发明提供一种具有权利要求1的特征的、最好用于锂离子电池的阀。此外本发明提供一种具有按照本发明的阀的电池和一种具有这种电池的机动车，最好是电动机动车或者混合动力机动车。
[0006]更确切地说，按照本发明的阀具有作为主要组成部件的阀体，该阀体具有通道或者说贯通的孔，以及布置在通道中的第一阀元件，该阀元件配设有阀针和固定在其上的或者与其一体地构造成的阀脚。阀脚的运动并且由此阀针或整个第一阀元件的运动至少在一个方向上被第一阀座限制，因此阀脚的第一方向上的运动被第一阀座阻挡。此外，该阀具有至少一个也布置在阀体中的第二阀元件，它在第一方向上的运动也被一个阀座，即所谓的第二阀座限制，因此最好具有盘形形状的第二阀元件在第一方向上的运动通过第二阀座阻挡。最后，按照本发明的阀此外具有至少一个也布置在阀体中的第三阀元件，它在第二方向上的运动被第三阀座限制，因此最好具有盘形形状的第三阀元件在第二方向上的运动通过第三阀座阻挡。设置在阀体中的通道，它最好是中心的、沿着阀体的纵轴线延伸的通道，在此具有第一开口和第二开口，该第二开口与第一开口相反地布置，因此按此这两个开口是相互相反地布置的。此外，上面限定的第一方向基本上与第二方向相反地定向。因此，在第一方向上延伸的流体流例如空气流或类似流流入到阀体的通道中是通过第一开口进行的，并且对于第一阀元件允许通过通道的无阻碍的流动的情况，该流的流出通过第二开口进行。在第二方向上行进的流进入阀体的通道是通过第二开口进行的。但是由于第一阀元件的运动被第一阀座阻止，因此从第二开口朝着第一开口的方向上不能够进行无阻碍的流动。第一阀座由此最好这样地在通道构造，即通过第一开口流入阀体的流动被中断。
[0007]第一阀元件的阀脚最好通过弹簧元件，例如螺旋弹簧(盘簧)或钢板弹簧形式的简单弹簧，被预张紧在第一阀座上。第一阀元件与阀体和它的通道以及与所属的弹簧元件一起形成所谓的“Schrader阀”(施克拉德阀或称为美式气嘴)，也称为汽车(轮胎)阀。第二阀元件最好通过弹簧元件，例如螺旋弹簧(盘簧)或钢板弹簧，被预张紧在第二阀座上，以及第三阀元件最好通过弹簧元件，例如螺旋弹簧(盘簧)或钢板弹簧，被预张紧在第三阀座上。第二阀元件与阀体中的第二阀座和所属的弹簧元件一起，以及第三阀元件与阀体中的第三阀座和所属的弹簧元件一起各形成一个所谓的单向阀(单通阀)。因此，在按照本发明的阀中，Schrader阀作为压力检测阀以及两个相反接通的单向阀作为压力补偿阀装置或者作为压力补偿元件被在一个单独的阀中组合成一个单元。该单元不仅能够对装备了按照本发明的阀的电池组的密封性进行检测，而且能够进行在电池组和环境之间的压力补偿并且在一个合适的位置上被安装到电池组的外壳中。
[0008]本发明的有利的扩展方案可以通过从属权利要求的特征实现。
[0009]按照本发明的阀的一个优选扩展方案，通道的第二开口利用可透气的膜封闭，最好是疏油的膜，它防止湿气(水分)浸入电池组中。此外，第二阀元件最好布置在阀体中的一个槽道中，并且第三阀元件同样布置在阀体中的另一个槽道中，其中，这些槽道最好从通道中分支出来，尤其是在一个关于第一方向位于通道的上游的位置上，该位置在第一方向上位于第一阀座的上游。用于该最好两个单向阀的这些槽道或者说空气道由此从用于Schrader阀的开口分支出来。此外优选的是，阀体在第二开口的一侧上至少在一个部段上缩小(变细)，也就是说，该部段的外径减小或者在该部段中的外径小于阀体其余部分的外径，其中，最好阀针至少部分地布置在通道的一个部分中，该部分在该缩小的部段中延伸。缩小的部段此时可以至少部分地配设有外螺纹，通过该外螺纹例如可以将密封性检测装置连接到阀上。这意味着在电池组中使用按照本发明的阀的情况下该Schrader阀用于检测检查电池组外壳的密封性。为了进行检测，在按照本发明的阀的该部分上，也就是说在阀体的缩小的部段上连接仪器，该仪器对电池组充入一种检测气体，一般是压力空气，直到一个限定的压力为止。在达到检测压力之后，确定在电池组外壳的内部在一定的时间段上可能出现的压力降。基于该测量可以确定电池组外壳的密封性或密封度。
[0010]按照本发明的另一个着眼点，提供一种电池或一种电池组，尤其是锂离子电池或类似物，其配有上面描述的按照本发明的阀，其中，该阀是电池的外壳的一部分，用于在打开的阀的情况下在电池的内部和电池的环境之间的连接。在一个优选的实施例中该阀可分开地与外壳连接，例如借助于螺纹连接或类似连接，但是也可以备选地与电池外壳或电池组外壳一体地连接。此外按照本发明的另一个方面，提供一种具有这种电池或这种电池组的机动车。
[0011]本发明的优点
按照本发明的阀的单向阀，其也可称为压力补偿元件，在密封性检测期间被“跨接”，由此对于该检测，对单向阀的开口的气密的封闭不是必需的。这些单向阀与Schrader阀的连接不仅实现了对电池组的密封性检测而且实现在电池组和环境之间的压力补偿并且仅仅在一个合适的位置上被安装到电池组的外壳中。因此通过按照本发明的阀可以实现各种功能所要求的结果空间最小化。此外由此可以以简单的并且有效的方式和方法解决前面讨论的问题。
【专利附图】
【附图说明】
[0012]图1是按照本发明的阀在电池中的安装状态下的一个优选实施方式的剖视图；
图2是按照本发明的阀在电池中的安装状态下的该优选实施方式的剖视图，其中密封检测装置被连接到阀上并且检测密封性；
图3是按照本发明的阀在电池中的安装状态下的该优选实施方式的剖视图，其中电池的外部压力超过电池的内部压力；和图4是按照本发明的阀在电池中的安装状态下的该优选实施方式的剖视图，其中电池的内部压力超过电池的外部压力。
【具体实施方式】
[0013]图1至4示出了在不同的操作状态下的按照本发明的一个优选实施方式的阀I。图1示出了按照本发明的阀I在静止状态下，被安装在电池9中，更确切地说安装在电池外壳中，它的外壁91在图1至4中通过双点划线示出。阀I原则上是圆柱形部件并且主要具有阀体2，该阀体在该实施方式中又由一个具有小的外径的部段21，即所谓的缩小(变细)的部段21，以及一个具有大的外径的部段22组成，该部段22形成阀体2的其余部分。在该实施方式中，缩小的部段21具有圆柱形的形状，但是备选地也可以实施成截锥形状或类似形状。
[0014]阀体2在它的内部具有沿着阀体2的纵轴线延伸的中心通孔23，也称为通道23，该通道从缩小的部段21的一个端面朝着具有大的外径的部段22的一个端面的方向上延伸。在此，通道23在具有大的外径的部段22的端面处形成一个最好圆形的第一开口 231以及在缩小的部段21的端面处形成一个最好圆形的第二开口 232。第一开口 232在阀I正常运行下通过可透气的膜7，最好是一种薄的、疏油的膜7来封闭，该膜施加在缩小的部段21的端面处，例如通过粘接或类似方式。在具有大的外径的部段22中延伸的通道23的区域中，更确切地说，在缩小的部段21和具有大的外径的部段22之间，在通道下面的一个位置233处，从通道23向具有大的外径的部段22的周围的区域中分支出两个槽道，即第一槽道24和第二槽道25。该两个槽道24，25在它们分支后短暂地基本上垂直于通道23或阀体2的纵轴线延伸并且接着以直角弯折到具有大的外径的部段22的端面的方向上并且一直延伸到该端面，即基本上在弯折后平行于通道23延伸并且最后在具有大的外径的部段22的端面处通入电池9的内部中。
[0015]在通道23中布置第一阀元件3，它由阀针31或阀销31以及阀脚32，也称为阀针底脚32，组成。阀针31以及阀脚32在此最好是旋转对称的部件。阀针31至少部分地布置在通道23的、在缩小的部段21中延伸的部分中，并且具有小于通道23的内径的外径。阀脚32，其最好设计成盘形状，被完全地布置在具有大的外径的部段22中，更确切地说布置在第一阀室234中，该阀室在通道23中构造在具有大的外径的部段22中。第一阀室234具有比通道23大的直径，并且阀脚32也具有比通道23大的直径，但是具有比阀室234小的直径，因此阀脚32布置在第一阀室234中。阀脚32通过弹簧33预张紧在第一阀座26上，该阀座通过在朝着第二开口 232方向上指向的一侧上的第一阀室234的一个内壁形成，因此第一阀元件3在静止状态下，即在阀I的两侧之间没有大的压差的状态下，位于一个关闭的位置上，其中，阀脚32在第二开口 232的方向上或者在朝着缩小的部段21的方向上被预张紧并且由此封闭通道23。在与第一阀座26相对置的阀室侧处设置凸起2341，该凸起不是在第一阀室234的整个内圆周上延伸，而是仅仅在阀室内侧面的一定的圆周角度范围上延伸，最好是在45°至180°之间，更优选地是在90°上延伸。如在图2中除了其它方面以外也示出的那样，阀脚32被放置在凸起2341上，由此只有一定的圆周角度范围被阀脚32封闭而其余的圆周角度范围形成一个贯通的(连续的)开口，因此第一阀元件处于一种基本上打开的状态下，而阀脚32可以不放置在第一阀室234的与第一阀座26相对置的阀室侧面上和不完全封闭第一阀室234和由此不完全封闭通道23。在图1中示出的正常运行期间，即在电池9的外侧和内侧之间没有大的压差下的阀运行期间，第一阀元件3，所谓的Schrader阀,借助于安装的弹簧33完全地封闭通道23。
[0016]如在图2中可以看见的，在第一槽道24中设置第二阀室241，在该第二阀室中布置第二阀元件5，它的直径大于槽道24的直径但是小于第二阀室241的直径。第二阀元件5与阀脚32类似地通过弹簧51预张紧在第二阀座27上，该阀座通过在第二阀室241的朝着第二开口 232方向上定向的一侧上的第二阀室241的一个内壁形成，因此第二阀元件5在静止状态下位于关闭位置上，其中，第二阀元件5在第二开口 232方向上或者说在朝着缩小的部段21的方向上被预张紧并且由此在静止状态下封闭槽道24。如此外可以从图2中看见的，在第二槽道25中设置第三阀室251，在该第三阀室中布置第三阀元件6，它的直径大于槽道25的直径但是小于第三阀室251的直径。与第二阀元件5不同或者与第二阀元件5相反，第三阀元件6通过弹簧61预张紧在第三阀座28上，该阀座通过在第三阀室251的朝着第一开口 231方向上定向的一侧上的第三阀室251的一个内壁形成，因此第三阀元件6在静止状态下位于关闭位置上，其中，第三阀元件6在第一开口 231方向上被预张紧并且由此在静止状态下封闭槽道25。
[0017]在图2中此外示出了连接到阀I上的密封性检测装置8，它经由连接部件81与缩小的部段21连接，例如通过螺纹件连接，其中，连接部件81可以具有内螺纹而缩小的部段21可以具有匹配的外螺纹。在连接部件81和阀I的阀体2的缩小的部段21之间的任何类型的固定连接也是可能的，例如夹持连接或类似连接。连接部件81具有位于内部的螺栓82，它在拧上的状态下操作阀针31，也就是说，克服弹簧33的预张紧力将阀针向下压，使阀脚32从阀座26抬起起并且因此释放通道23，从而在电池9的内部和密封性检测装置8之间形成连续的流体连接。现在为了检测电池外壳91的密封性，可以通过检测装置8使检测气体，例如压力空气、氦气、六氟化硫或氢气，流入外壳91或电池9的内部。由于在密封性检测期间检测装置8被连接到阀I上并且因此阀针31被保持压下，因此实现在阀I的两侧具有相同的压力。第二阀元件5和第三阀元件6，两个都形成单向阀，因此保持在它们的对应的静止位置上。借助于检测装置8，该装置在达到预先规定的最大压力时结束检测气体的流入，现在可以在一定的时间段上测量电池9内的压力并且因此在该时间段上通过可能出现的压力降确定存在的不密封性。
[0018]在图3中示出阀I的一种状态，其中电池9的环境压力高于电池9的内压。在此情况下，通过环境压力导致第二阀元件5克服弹簧51的预张紧力而发生运动，因此第二阀元件5从第二阀座27抬起起并且该具有阀元件5的单向阀释放在环境、通道23、第一槽道
24、第二阀室241和电池9的内部之间的流动路径。因此在环境和电池9的内部之间可以进行压力补偿。在这种情况下，第一阀元件3不打开，因为弹簧33的弹簧力大于弹簧51的弹簧力，并且由于该原因，环境压力不能够克服弹簧33的弹簧力并且因此阀元件3不运动。在此，如果环境的空气压力高于电池9内部的压力，该电池在此处可以代表一个电池组，那么在超过公差阈值之后第二阀元件5打开并且空气可以流入电池9中。压差可以以这种方式被补偿。
[0019]在图4中示出阀I的一种状态，其中电池9的内压高于电池9的环境压力。在此情况下，通过内部超压导致第三阀元件6克服弹簧61的预张紧力而发生运动，因此第三阀元件6从第三阀座28抬起起并且该具有阀元件6的单向阀释放在电池9的内部、第三阀室251、第二槽道25和环境之间的流动路径。因此在电池9的内部和环境之间可以进行压力补偿。因此，在超过公差阈值之后阀元件6打开并且空气向外流出。压差可以以这种方式被补偿。
【权利要求】
1.阀(1)，具有 阀体(2)， 布置在阀体(2)的通道(23)中的、具有阀针(31)和阀脚(32)的第一阀元件(3)，它的运动至少在第一方向(41)上被第一阀座(26)限制， 至少一个布置在阀体(2 )中的第二阀元件(5 )，它的运动在第一方向(41)上被第二阀座(27)限制，和 至少一个布置在阀体(2)中的第三阀元件(6)，它的运动在第二方向(42)上被第三阀座(28)限制，其中，所述通道(23)具有第一开口(231)和与该第一开口(231)相反地布置的第二开口(232)，和其中，所述第一方向(41)和所述第二方向(42)基本上是相互反向的。
2.根据权利要求1所述的阀(I)，其中，第一阀座(26)在通道(23)中如此地构造，即如果阀脚(32)与第一阀座(28)贴合在一起，则通过第一开口(231)流入阀体(2)中的流动被中断。
3.根据权利要求1或2所述的阀(1)，其中，通道(23)的第一开口(232)被用一种可透气的膜(7)封闭，最好是一种疏油的膜(7)。
4.根据前述权利要求中任一项所述的阀(1)，其中，第二阀元件(5)被布置在阀体(2)中的一个槽道(24)中，并且最好第三阀元件(6)被布置在阀体(2)中的另一个槽道(25)中。
5.根据权利要求4所述的阀(1)，其中，槽道(24，25)从通道(23)中分支出来，最好在通道(23)的一个关于第一方向(41)处于上游的位置(233)上分支出来。
6.根据前述权利要求中任一项所述的阀(1)，其中，阀体(2)在第二开口(232)的一侧上至少在一个部段(21)上缩小，其中，最好阀针(31)至少部分地布置在通道(23)的一个部分中，该部分在所述缩小的部段(21)中延伸。
7.根据权利要求6所述的阀(1)，其中，所述缩小的部段(21)至少部分地设有外螺纹，通过该外螺纹能够将一个密封性检测装置连接到该阀(I)上。
8.根据前述权利要求中任一项所述的阀(1)，其中，具有阀脚(32)的阀针(3)通过一个弹簧元件(33)被预张紧在第一阀座(26)上和/或第一阀元件(5)通过一个弹簧元件(51)被预张紧在第二阀座(27)上，和/或第二阀元件(6)通过一个弹簧元件(61)被预张紧在第三阀座(28)上。
9.电池(9)，尤其是锂离子电池，具有根据前述权利要求中任一项所述的阀(1)，其中，阀(I)是电池(9)的外壳(91)的一部分，用于在打开的阀(I)期间在电池(9)的内部和电池(9)的环境之间进行连接，其中，最好该阀(I)可分开地与外壳(91)连接。
10.机动车，其具有根据权利要求9所述的电池(9)。
【文档编号】H01M2/12GK104455616SQ201410480448
【公开日】2015年3月25日 申请日期:2014年9月19日 优先权日:2013年9月20日
【发明者】H.格拉特沃尔, D.利波尔德, A.莱姆克 申请人:罗伯特·博世有限公司