压力平衡装置、用于压力平衡的方法和壳体、尤其是电池壳体与流程

本发明涉及一种压力平衡装置，用于壳体、尤其是用于电池壳体，具有可穿流的基体和关闭元件。本发明还涉及一种用于壳体、尤其是电池壳体的内室与环境之间的压力平衡的方法，以及壳体本身。

背景技术：

1、壳体、例如电池壳体经常设有压力平衡装置，以便能够在壳体内室与环境之间实现压力平衡。当壳体气密关闭时，在壳体或者说布置在壳体中的装置、例如电化学能量存储装置运行中可能在内室与环境之间构成压力差。通过压力平衡装置实现压力平衡来避免壳体在运行中力学失效，例如其方式是壳体向内或向外鼓起或最终爆裂。

2、在电池或者说蓄电器中，尤其是如使用作为电动车牵引电池的高压存储器中，可能出现电池单元失效，该失效导致壳体内室中压力和温度大大升高。为了避免壳体破裂，必须将处于高压下的热气体快速从壳体内室引出到环境中。

3、由de 10 2017 003 360 b3已知一种用于壳体的压力平衡设备，其包括具有气体贯穿开口的格栅形笼架，气体贯穿开口由气体渗透膜遮盖。在流体上平行于气体贯穿开口地设置形式为屏蔽件的超压阀作为防裂装置。

4、在wo2020/141044 a1中描述了一种用于电子装置壳体的排气单元，其具有与电子装置壳体的压力平衡开口的边缘流体密封地可连接的基体，该基体具有至少一个气体贯穿开口，该气体贯穿开口在排气单元的正常运行状态下由膜覆盖。该膜流体密封地被紧固在可相对于基体移位的膜载体上，该膜载体在正常运行状态下通过轴向力密封地压靠到基体的气体贯穿开口的边缘上，使得在内室与环境之间的预定压差被超过时在释放围住膜的紧急排气开口的情况下膜载体可从基体上抬起。

5、两个前面提到的压力平衡装置或者说排气单元在紧急排气过程之后又转变到正常运行状态中，其方式是，超压阀关闭或膜载体挤压所述边缘。环境与内室之间的气体交换因此能继续通过气体贯穿开口进行。当基于电池单元故障而进行了紧急排气过程时，来自环境的氧气可以因此到达壳体的内室中。这点可能促使故障电池失火的产生或扩散。

6、由us 10,128,476 b2已知一种具有阀的密封的电池壳体。当电池壳体中的内压小于第一压力时，阀处于闭合状态，当内压至少像第一压力那么大且小于第二压力时，阀处于打开状态，且当内压至少像第二压力那么大时，阀处于闭合状态。针对内压超过第三压力的情况，在阳极和阴极上设置附加的电流中断阀。

7、本发明的任务是改善通风壳体中的电池的运行安全性。

技术实现思路

1、该任务通过一种具有权利要求1中记载的特征的压力平衡装置和一种根据权利要求15的方法来解决。优选的实施方式和变型方案记载在对应的从属权利要求和说明书中。

2、根据本发明的压力平衡装置

3、根据本发明，设置一种用于壳体、尤其是用于电池壳体的压力平衡装置。该压力平衡装置典型地被构造用于插入到壳体的壳体壁中。压力平衡装置具有可穿流的基体和关闭元件。基体可以是一件式或多件式的。优选地，基体构造有螺纹或卡口，用于拧入到壳体壁中。

4、根据本发明，在正常运行状态中打开基体和关闭元件之间的流动路径。换句话说，关闭元件在正常运行状态下非密封地关闭本身可穿流的基体。典型地，基体中的处于流动路径中的流动开口由膜跨越张紧该膜优选是选择性可渗透的。原则上，该膜对于气体可穿透。对于液体和固体，该膜优选不可穿透。通过该膜可以在正常运行状态中阻止水注入到壳体中。沿着流动路径可以在正常运行状态中进行穿过基体的(气体)流动。

5、进一步根据本发明，压力平衡装置被设置用于在紧急放气过程之后转变到紧急运行状态中，在该紧急运行状态中关闭元件气密地关闭基体。换句话说，在紧急运行状态中，关闭元件阻止穿流基体和因此压力平衡装置。通过关闭元件不可穿流或者说密封地关闭基体，在结束紧急放气过程之后尤其是阻止了贯穿压力平衡装置的氧-其形式为来自环境空气的分子氧或形式为气态或液态水-进入。正在产生或已经产生的壳体内失火由此由对于燃烧所需的氧化剂的供给而被切断。由此可以避免失火的产生或者说已产生的失火可以被停顿下来。

6、根据本发明的压力平衡装置换句话说具有与流动开口串联联接的阀组件，该阀组件形成具有关闭元件。在正常运行状态中，阀组件被打开，也就是说可穿流。即使在紧急放气过程期间，该阀组件也打开。在紧急运行状态中，阀组件不可穿流，该紧急运行状态在紧急放气过程结束之后由于根据本发明的压力平衡装置被自行设置。在紧急运行状态中，基体由关闭元件密封地关闭。

7、紧急放气过程的特征可以是流出气体的大的体积流、高压和/或高温。在紧急放气过程中可以破坏膜。因为在结束紧急放气过程之后关闭元件密封地关闭基体，所以仍然不产生气体、液体或固体能够到达壳体中的危险。

8、根据本发明的压力平衡装置能够实现下面描述的根据本发明的用于压力平衡的方法的执行。

9、优选地，关闭元件相对基体被预紧。由此可以通过关闭元件特别可靠地保证基体在紧急运行状态中的密封。为了将关闭元件相对基体预紧，可以设置弹簧元件。弹簧元件可以是优选柱体形的螺旋弹簧。弹簧元件可以被支撑在压力平衡装置的盖子上。盖子典型地被保持在基体上。盖子具有至少一个通风开口。当压力平衡装置不具有弹簧元件时，也可以设置这种盖子。

10、优选地，关闭元件在正常运行状态下贴靠在突出部上，流动路径在这些突出部之间走向。在这些突出部之间构造的撤回部能够因此实现经过关闭元件旁边的气体流动。尤其地，这些突出部存在于基体上，并以至少一个轴向分量从基体的面对关闭元件的一侧延伸。

11、在压力平衡装置的一种优选实施方式中，在正常运行状态中，关闭元件至少以区域方式通过间距保持件与基体间隔开。前面提到的突出部和撤回部可以构造在间距保持件上。间距保持件可以这样构造或布置在基体上，即，该间距保持件在紧急放气过程中丧失其作用，使得关闭元件在紧急运行状态中可以密封地贴靠在基体上。

12、在同样优选的实施方式中，间距保持件一端保持在盖子上且另一端保持在关闭元件上。这里尤其考虑粘接、等离子处理下的焊接、喷注以及拧接和/或铆接。

13、在一种有利实施方式中，将间距保持件这样保持在盖子上，即，在正常运行中保证可靠的连接并因此良好的可穿流性，其中，关闭元件可以沿远离膜的方向在轴向上移位，这导致流动间隙的扩大。间距保持件以如下方式与关闭元件连接，即，该间距保持件在正常运行状态下随着低于100℃的温度被牢固固定，但是在紧急打开情况中出现的温度、例如大于200℃的温度下丧失其附着。这点可通过适当选择合成物质和/或粘接物质实现，其在相应高的温度下丧失其功能。

14、此外，间距保持件能够在压力平衡装置转移到紧急运行状态中的情况下与关闭元件一起沿轴向移位。

15、替换地，间距保持件可以具有在其处于关闭元件附近的关闭元件端部与其处于盖子附近的端部之间的力传导结构，该力传导结构具有至少一个额定断裂部位，其被构造用于在预定的压力负载下失效。尤其地，力传导结构具有至少一个径向凸缘，其被构造为轴向止挡，该轴向止挡可以在紧急运行状态下贴靠在盖子的内表面上。

16、额定断裂部位可以利用强度模拟的常见手段可靠地设计到预定的失效按压力。

17、该实施方式具有下列优点，即，间距保持件存在于关闭元件(关于预定的装配方向)之外，使得间距保持件的单个组成部件(单个组成部件由于对其的不可逆破坏而产生)不会到达壳体的、尤其是电池壳体的在紧急排气事件之后基于膜破坏而自由可接近的内室，压力平衡装置被装配到该内室上。

18、在还进一步的实施方式中，间距保持件可以具有套筒形状，且优选在其周边上分布地具有多个额定断裂部位。

19、特别优选地，间距保持件具有下列材料，所述材料在最高250℃、优选最高200℃、特别优选最高150℃的温度下丧失其形状稳定性。优选地，间距保持件由这种材料制成。前面提到的温度尤其可以表征软化温度或熔融温度。由此可以以简单的方式实现，在紧急放气过程中(在紧急放气过程中，热气体从壳体内室流出)间距保持件至少如下程度地丧失其强度或者说如此强地变形，使得该间距保持件不再能够使关闭元件与基体间隔开。

20、在压力平衡装置的另一有利实施方式中，关闭元件构造有双稳态弹簧体。在正常运行状态下，关闭元件处于正常运行配置中。在正常运行配置中，关闭元件被成形和取向为，使得其不能密封地关闭基体。而是在正常运行配置中保持流动路径打开。双稳态关闭元件被构造用于，在紧急放气过程中在流出壳体内室的气体的压力和/或温度作用下转变到紧急运行配置中。在紧急运行配置中，关闭元件被成形和取向为，使得其-在紧急放气过程结束之后-能够密封地关闭基体。

21、特别优选地，关闭元件在正常运行配置中朝向流动开口拱曲。在紧急运行配置中，关闭元件可以远离流动开口拱曲。关闭元件可以为此碟形地构造。正常运行配置和紧急运行配置之间的转变可以在该改进方案中以简单的方式通过关闭元件在流出气体的压力作用下的翻转(umstülpen)来进行。配置改变可以通过关闭元件的材料在流出气体温度作用下的软化而变得容易。

22、在紧急运行状态中，根据本发明的压力平衡装置的关闭元件可以连续环绕地贴靠在基体上，以便密封地关闭该基体。为此，基体可以具有密封元件，该密封元件例如可以被保持在槽中。通过密封元件可以将基体在紧急运行状态中特别可靠地密封。密封元件优选布置在保持结构、例如槽壁的流动阴影中。可以由此避免密封元件由于在紧急放气过程中穿流压力平衡装置的热气体所造成的损坏。

23、压力平衡装置具有紧急排气心轴。紧急排气心轴从关闭元件朝向膜伸出。在紧急放气过程中，膜由于壳体内室中强且快速的压力升高而朝向紧急排气心轴偏转，紧急排气心轴破坏该膜。通过破坏膜减少了压力平衡装置的流动阻力，使得紧急放气过程可以特别快速地走完。

24、根据本发明的壳体

25、在本发明的范畴内还涉及一种壳体、尤其是电池壳体，其具有根据本发明的压力平衡装置。压力平衡装置典型地被布置在壳体的壳体壁上。基体典型地被保持在壳体壁上。壳体壁可以具有贯穿凹陷，基体可以插入到贯通凹陷中。尤其可以设置，基体贯穿伸出壳体壁。优选地，在电池壳体中布置电化学能量存储单元。就此而言，本发明还涉及一种电池。能量存储单元可以是锂离子单元。

26、根据本发明的压力平衡方法

27、本发明范畴内还涉及一种用于壳体、尤其是电池壳体的内室与壳体的环境之间的压力平衡的方法。壳体具有上述的、根据本发明的压力平衡装置。壳体因此是上述的、根据本发明的壳体。

28、在本方法的第一步骤中执行壳体内室与环境之间的气体交换。气体交换通过膜并在关闭元件和基体之间贯穿进行。换句话说，气体为了压力平衡而沿着流动路径流动，该流动路径在压力平衡装置的正常运行状态中在关闭元件和基体之间被打开。

29、在第二步骤中执行紧急放气过程。在紧急放气过程中，尤其可以使热气体在高压下以大的体积流从壳体内室出来排出到环境中。在紧急放气过程中，膜被从压力平衡装置的关闭元件伸出的紧急排气心轴破坏。由此可以使得气体从内室排出变得容易。

30、在第三步骤中，基体通过关闭元件被关闭。换句话说，压力平衡装置转变成紧急运行状态。通过密封地关闭基体可以阻止气体和/或液体、尤其是含氧气体或液体流入到壳体中。当紧急放气过程由于布置在壳体中的电化学能量存储单元的故障而被触发时，可以通过密封壳体来抑制失火的产生或使已经产生的失火熄灭。

31、当关闭元件相对基体被预紧时，关闭元件可以在紧急放气过程中从基体抬起。这点可以逆着用于预紧关闭元件的弹簧元件的作用发生。通过将关闭元件从基体进一步抬起，可以释放特别大的可穿流的横截面，以使得紧急放气过程变得容易。

32、当关闭元件在正常运行状态中通过间距保持件与基体间隔开时，间距保持件或者说间距保持件与关闭元件的连接可以在紧急放气过程期间被破坏。间距保持件由此丧失其作用，使得关闭元件可以在结束紧急放气过程之后密封地贴靠在基体上。在破坏间距保持件或者说间距保持件与关闭元件之间的连接的情况下，就此而言尤其可理解的是，该连接(该间距保持件)至少如下程度地丧失其形状和/或强度，即，间距保持件不再能够将关闭元件保持与基体间隔开。优选地，间距保持件在紧急放气过程中被熔融。间距保持件的被熔融的材料可以利用流出的气体从压力平衡装置中被吹出。

33、当关闭元件是双稳态弹簧体时，关闭元件可以在执行紧急放气过程期间从正常运行配置转移到紧急运行配置。为此，关闭元件可以在流动气体的作用下被翻转。该翻转可以特别可靠地进行，如果关闭元件在正常运行配置中朝向流动开口拱曲并在紧急运行配置中远离流动开口拱曲的话。通过该翻转，给排出流动开口的气体提供了更多空间。通过翻转关闭元件因此可以减少紧急放气过程中的压力峰值。同时，在紧急放气过程中出现的压力峰值可以造成关闭元件的配置改变。在正常运行配置中，关闭元件被成形和取向为，使得其不能密封地关闭基体。而是在正常运行配置中保持流动路径打开。在紧急运行配置中，关闭元件被成形和取向为，使得其-在紧急排气过程结束之后-在紧急运行状态中密封地关闭基体。