RZECZPOSPOLITA POLSKA (12) TŁUMACZENIE PATENTU EUROPEJSKIEGO (19) PL (11) PL/EP 2248205 Urząd Patentowy Rzeczypospolitej Polskiej (96) Data i numer zgłoszenia patentu europejskiego: 02.03.2009 09717138.3 (97) O udzieleniu patentu europejskiego ogłoszono: 22.05.2013 Europejski Biuletyn Patentowy 2013/21 EP 2248205 B1 (13) (51) T3 Int.Cl. H01M 2/02 (2006.01) H01M 2/12 (2006.01) H01M 10/50 (2006.01) B60K 1/04 (2006.01) H01M 2/04 (2006.01) (54) Tytuł wynalazku: Akumulator elektrochemiczny i pojazd z akumulatorem elektrochemicznym (30) Pierwszeństwo: 07.03.2008 DE 102008013188 (43) Zgłoszenie ogłoszono: 10.11.2010 w Europejskim Biuletynie Patentowym nr 2010/45 (45) O złożeniu tłumaczenia patentu ogłoszono: 29.11.2013 Wiadomości Urzędu Patentowego 2013/11 (73) Uprawniony z patentu: Johnson Controls Hybrid and Recycling GmbH, Hannover, DE (72) Twórca(y) wynalazku: PL/EP 2248205 T3 MARTIN WIEGMANN, Borstel, DE MARKUS HOH, Garbsen, DE JÖRG BIRKHOLZ, Sarstedt, DE (74) Pełnomocnik: rzecz. pat. Zbigniew Kamiński KANCELARIA PATENTOWA Al. Jerozolimskie 101/18 02-011 Warszawa Uwaga: W ciągu dziewięciu miesięcy od publikacji informacji o udzieleniu patentu europejskiego, każda osoba może wnieść do Europejskiego Urzędu Patentowego sprzeciw dotyczący udzielonego patentu europejskiego. Sprzeciw wnosi się w formie uzasadnionego na piśmie oświadczenia. Uważa się go za wniesiony dopiero z chwilą wniesienia opłaty za sprzeciw (Art. 99 (1) Konwencji o udzielaniu patentów europejskich).
U-4295n/13 EP 2 248 205 AKUMULATOR ELEKTROCHEMICZNY I POJAZD Z AKUMULATOREM ELEKTROCHEMICZNYM Opis [0001] Wynalazek dotyczy akumulatora elektrochemicznego o cechach według części przedznamiennej zastrzeżenia 1. Wynalazek dotyczy dalej pojazdu z tym akumulatorem elektrochemicznym. [0002] Wysoko wydajne akumulatory o wysokich gęstościach energii w ogniwach galwanicznych stosuje się zwłaszcza w pojazdach hybrydowych (np. pojazd z akumulatorem i ogniwem paliwowym) i w pojazdach elektrycznych (np. elektrycznych pojazdach drogowych). [0003] Wysokie gęstości energii prowadzą do wysokiego wydzielania ciepła. Aby uzyskać wydajność akumulatorów i móc pracować w szerokim zakresie roboczym (który jest dany przez temperatury zewnętrzne), konieczne jest skuteczne chłodzenie akumulatorów. [0004] Skuteczne, a ponadto tanie chłodzenie akumulatorów uzyskuje się drogą chłodzenia powietrznego. W przypadku chłodzenia powietrznego przewiduje się pomiędzy poszczególnymi ogniwami akumulatorowymi powietrzne kanały chłodzące, przez które za pomocą wentylatora prowadzi się powietrze chłodzące. [0005] Wiadomo, że powietrze chłodzące dostępne do chłodzenia akumulatora należy pobrać z klimatyzowanej gazowej przestrzeni pojazdu i zwłaszcza w 1
krajach o wysokich przeciętnych temperaturach rocznych stosowanie zewnętrznego powietrza jest nieskuteczne. Ponadto w przypadku stosowania zewnętrznego powietrza konieczne są układy filtracyjne, aby uwolnić powietrze chłodzące od zanieczyszczeń (np. piasku), zanim powietrze chłodzące będzie prowadzić się przez akumulator, przez co wzrastają koszty tych układów chłodzących. [0006] Wysoko wydajne akumulatory o wysokich gęstościach energii wymagają obok skutecznego chłodzenia układu bezpieczeństwa w celu ochrony akumulatora przed naciśnieniem gazu w ogniwach akumulatorowych. Nadciśnienie gazu w ogniwach akumulatorowych może prowadzić do gwałtownych reakcji i do zapłonów w ogniwach akumulatorowych, przez co ludzie i środowisko mogą ponieść szkodę. [0007] Jako układ bezpieczeństwa przed nadciśnieniem gazu w ogniwach akumulatorowych ze ściankami ogniw akumulatorowych łączy się np. pękające otwory (żądane miejsca osłabienia). Te żądane miejsca osłabienia mogą w przypadku uszkodzenia (np. zwarcia, przeładowania, złego obchodzenia się), które jest związane z nadciśnieniem gazu w ogniwach akumulatorowych, zapobiegać wybuchowi ogniw akumulatorowych. W określonych warunkach ogniwa akumulatorowe otwierają się i zmniejszają przy tym nadciśnienie gazu powstałe wewnątrz ogniw akumulatorowych. Gaz ulatniający się przez otwarte żądane miejsca osłabienia opuszcza przy tym akumulator przez kanały powietrza chłodzącego. Gazy wychodzące z ogniw akumulatorowych są szkodliwe dla zdrowia. [0008] Zadaniem niniejszego wynalazku jest opracowanie skutecznie chłodzonego, wydajnego i bezpiecznego akumulatora elektrochemicznego, który można stosować zwłaszcza w pojazdach hybrydowych i pojazdach 2
elektrycznych. Zadaniem niniejszego wynalazku jest dalej opracowanie pojazdu z tym wysoko wydajnym i bezpiecznym dla użytkownika akumulatorem. [0009] To zadanie rozwiązuje się za pomocą elektrochemicznego akumulatora (nazywanego dalej w skrócie akumulatorem) o cechach według zastrzeżenia 1 oraz pojazdu o cechach według zastrzeżenia 9. [0010] W akumulatorze według wynalazku unika się niebezpieczeństwa, że gaz wychodzący z ogniw akumulatorowych dostanie się poprzez przestrzeń powietrza chłodzącego do gazowej przestrzeni pojazdu i będzie zagrażać znajdującym się tam osobom, gdy przestrzeń gazu chłodzącego i przestrzeń odgazowania są prowadzone z obudowy niezależnie od siebie. [0011] Dzięki takiej konstrukcji jest wykluczone, aby gaz z ogniw akumulatorowych dostał się do obiegu chłodzącego, a stąd do gazowej przestrzeni pojazdu. [0012] Dzięki dokładnemu przestrzennemu oddzieleniu układu chłodzącego i układu odgazowania unika się koniecznych i kosztownych mechanizmów zaworowych i klapowych w znanych, chłodzonych powietrzem akumulatorach, za pomocą których układ chłodzący oddziela się od gazowej przestrzeni pojazdu. Dzięki odpadnięciu mechanizmów zaworowych i klapowych wzrasta ponadto skuteczność chłodzenia powietrzem, ponieważ z mechanizmami zaworowymi i klapowymi odpadają opory powietrza chłodzącego. W akumulatorze według wynalazku unika się ponadto oddzielnego od układu odgazowania układu chłodzącego z własnymi wymiennikami ciepła, które doprowadzają powietrze chłodzące do wymaganej temperatury wejściowej. Na skutek wysokich kosztów wytwarzania tego rodzaju oddzielnego układu chłodzącego akumulator według wynalazku stanowi korzystną kosztowo alternatywę. [0013] Ogniwa akumulatorowe w akumulatorze według wynalazku są wykonane 3
korzystnie w kształcie cylindra. W przypadku cylindrycznego wykonania ogniw akumulatorowych stosuje się celowo elektrody cienkowarstwowe, które początkowo układa się w stos, a następnie zwinięte wprowadza do cylindrycznego ogniwa akumulatorowego. Taka konstrukcja umożliwia umieszczenie wielkich aktywnych powierzchni elektrod na małej przestrzeni, przez co zwiększa się pojemność akumulatora. [0014] Przestrzeń powietrza chłodzącego w akumulatorze według wynalazku zawiera kanały, które są prowadzone na zewnątrz ogniw akumulatorowych na płaszczach cylindrycznych ogniw akumulatorowych. Taka postać wykonania umożliwia bezpośredni kontakt pomiędzy układem chłodzącym i ogniwami akumulatorowymi, przez co uzyskuje się skuteczne chłodzenie. Poza tym dookoła każdego pojedyńczego ogniwa akumulatorowego można prowadzić wielką liczbę kanałów prowadzących powietrze chłodzące. [0015] W jednej z postaci wykonania przestrzeń odgazowania zawiera cylindryczne przestrzenie, które są rozmieszczone poza ogniwami akumulatorowymi na podstawowych powierzchniach lub narożnych powierzchniach ogniw akumulatorowych. Dzięki takiej konstrukcji jest możliwe przewidywanie otworów pękających na powierzchniach podstawowych względnie pokrywających powierzchniach ogniw akumulatorowych. Przy cylindrycznie wykonanych ogniwach akumulatorowych taki układ przestrzeni odgazowania umożliwia ponadto proste oddzielenie od siebie przestrzeni powietrza chłodzącego i przestrzeni odgazowania. [0016] Zgodnie z wynalazkiem przewiduje się, że ogniwa akumulatorowe będą wykazywać otwory pękające, poprzez które wewnętrzne przestrzenie ogniw akumulatorowych są tak połączone z przestrzenią odgazowania, że gaz może ulatniać się z wewnętrznych przestrzeni ogniw akumulatorowych do przestrzeni 4
odgazowania. Otwory pękające służą jako zawór nadciśnieniowy i odprowadzają gaz celowo z wewnętrznych przestrzeni ogniw akumulatorowych do przestrzeni odgazowania. [0017] W szczególnej postaci wykonania otwory pękające są zamknięte membranami pękającymi, które przy określonym nadciśnieniu w wewnętrznych przestrzeniach ogniw akumulatorowych umożliwiają wypuszczanie gazu z wewnętrznych przestrzeni ogniw akumulatorowych. Membrany pękające mogą być tak wykonane, że pękają przy określonym nadciśnieniu, przy czym jest jednak do pomyślenia, aby działały one jako zawór nadciśnieniowy, który zamyka się ponownie samoczynnie, gdy ciśnienie w wewnętrznej przestrzeni ogniwa akumulatorowego obniża się poniżej z góry określonej wartości. [0018] W szczególnej postaci wykonania w obudowie przewiduje się nośnik, w którym ogniwa akumulatorowe są umocowane w stanie złożonym. [0019] Bardzo wydajny akumulator otrzymuje się wtedy, gdy ogniwa akumulatorowe są wykonane jako ogniwa litowe. [0020] Zgodnie z wynalazkiem przewiduje się pojazd, który jest wyposażony w akumulator według wynalazku. [0021] Powietrze chłodzące z gazowej przestrzeni pojazdu doprowadza się celowo za pomocą wentylatora do akumulatora. Wentylator może być tak umieszczony pomiędzy akumulatorem i gazową przestrzenią pojazdu, że powietrze chłodzące z gazowej przestrzeni pojazdu jest tłoczone przez akumulator, przy czym jest jednak także do pomyślenia, aby wentylator był tak umieszczony za akumulatorem, że powietrze chłodzące z gazowej przestrzeni pojazdu jest wyciągane z akumulatora. Przez pojęcie za rozumie się, że akumulator jest umieszczony pomiędzy wentylatorem i gazową przestrzenią pojazdu. Wentylator wytwarza ssanie zarówno przez akumulator, jak i przez 5
gazową przestrzeń pojazdu, tak że przyciąga się powietrze chłodzące. [0022] Pojazd według wynalazku jest szczególnie korzystny wtedy, gdy jest on wykonany jako pojazd hybrydowy lub jako pojazd elektryczny, ponieważ w takich pojazdach potrzebne są wydajne akumulatory. W przypadku pojazdu według wynalazku może chodzić o pojazdy lądowe, wodne lub powietrzne. [0023] Wynalazek będzie bliżej wyjaśniony za pomocą przedstawionego na następujących figurach przykładu wykonania. Na rysunku Fig. 1 i 2 przedstawiają w dwóch widokach perspektywicznych moduł z wielką liczbą galwanicznych ogniw akumulatorowych, a Fig. 3, 4 i 5 przedstawiają w trzech widokach perspektywwicznych galwaniczne ogniowo akumulatorowe modułu z Fig. 1 i 2. [0024] Na Fig. 1 przedstawiono moduł wielkiej liczby galwanicznych ogniw akumulatorowych (nazywanych w dalszym tekście w skrócie ogniwami akumulatorowymi). [0025] W przypadku ogniw akumulatorowych 2 chodzi o cylindrycznie zwinięte okrągłe ogniwa akumulatorowe. Zwinięty układ zawiera elektrodę dodatnią (nie pokazaną) i elektrodę ujemną (nie pokazaną) z leżącym pomiędzy nimi separatorem i niewodnym elektrolitem. W przypadku ogniw akumulatorowych 2 chodzi litowe ogniwa akumulatorowe. [0026] Ogniwa akumulatorowe są umocowane w nośniku 3, który jest wykonany z tworzywa sztucznego. [0027] Nośnik 3 wykazuje pojedyńcze dno 4 i podwójne dno 5. Dno pojedyńcze 4 i dno podwójne 5 są tak ze sobą połączone poprzez mostki 6, że leżą one w 6
pewnym odstępie i równolegle względem siebie. Pomiędzy dwoma mostkami 6 jest wykonany kanał 7. Kanały 7 tworzą przestrzeń gazu chłodzącego akumulatora według wynalazku. Przez kanały 7 można prowadzić powietrze chłodzące do chłodzenia ogniw akumulatorowych 2, np. za pomocą wentylatora. [0028] Podwójne dno 5 zawiera dwie równoległe i rozmieszczone w pewnym odstępie względem siebie płyty 8. [0029] Pomiędzy płytami 8 są rozmieszczone cylindryczne płaszcze 9, które tworzą cylindryczne przestrzenie. Dla każdego ogniwa akumulatorowego 2 przewiduje się jeden płaszcz 9. [0030] W podwójnym dnie 5 przewiduje się boczne wpusty powietrza 10 do doprowadzania powietrza chłodzącego. [0031] Wpusty powietrza 10 na brzegu modułu 1 są szersze niż wpusty powietrza 10, które nie są rozmieszczone na brzegu modułu. [0032] Na Fig. 2 w pojedynczym dnie 4 można rozpoznać szczeliny wypustowe 11. Przez szczeliny wypustowe 11 może ponownie wychodzić powietrze chłodzące, które wchodzi przez wpusty powietrza 10 i może płynąć przez kanały 7. Kanał 7 kończy się każdorazowo w szczelinie wypustowej 11. W niniejszym przypadku dookoła każdego ogniwa akumulatorowego 6 przewiduje się kanały 7, każdorazowo z sześcioma szczelinami wypustowymi 11. Szczeliny wypustowe 11 są rozmieszczone cylindrycznie dookoła ogniw akumulatorowych 2 i mają każdorazowo taką samą długość. Szczeliny wypustowe 11 i kanały 7 mogą wykazywać oczywiście także różne długości. [0033] Za pomocą mostków 6 oddziela się od siebie poszczególne kanały, a z drugiej strony służą one umocowaniu poszczególnych ogniw akumulatorowych 2. [0034] Na Fig. 3 przedstawiono w powiększeniu pojedyńcze ogniwo akumulatorowe 2. 7
[0035] Ogniwo akumulatorowe 2 wykazuje biegun dodatni 12 i biegun ujemny 13. Biegun ujemny 13 jest połączony elektrycznie z płaszczem 14 ogniwa akumulatorowego 2. Biegun dodatni 12 jest izolowany elektrycznie od płaszcza 14 za pomocą izolacji 15. Biegun dodatni 12 jest połączony elektrycznie w ogniwie akumulatorowym 2 z elektrodą dodatnią. [0036] Część nośnika 3, która biegnie dookoła ogniwa akumulatorowego przedstawionego na Fig. 3, jest w celu lepszego przeglądu przedstawiona mniej więcej tylko w połowie, przy czym w widoku na Fig. 3 została opuszczona przednia część nośnika. [0037] Ogniwo akumulatorowe 2 jest tak umocowane w nośniku pomiędzy pojedynczym dnem 4 i górną płytą 8 podwójnego dna 5, że nie może się ono poruszać w kierunku pionowym V względem nośnika 3. [0038] W kierunku poziomym H ogniwo akumulatorowe 2 mocuje się za pomocą mostka 6. [0039] Strzałką 16 zaznaczono powietrze chłodzące, które wpływa do wpustu powietrza 10. Powietrze chłodzące płynie wzdłuż kanałów 7 śrubowo względem szczelin wypustowych 11. W szczelinach wypustowych 11 powietrze chłodzące opuszcza nośnik 3 i jest to zaznaczone strzałką 17. [0040] Na Fig. 3 można rozpoznać mniej więcej połowę cylindrycznego płaszcza 9. [0041] Na Fig. 4 można rozpoznać, że dzięki cylindrycznemu płaszczowi 9, dnu 18 ogniwa akumulatorowego 2 i dolnej płycie 8 oddziela się gazoszczelnie wpust. Dno 18 jest wykonane w postaci membrany pękającej. Membrana pękająca działa po pierwsze jako zawór spustowy gazu, gdy wewnętrzne ciśnienie gazu w ogniwie akumulatorowym 2 wzrasta powyżej z góry określonej wartości, a poza tym membrana pękająca przerywa przewód elektryczny pomiędzy ujemną 8
elektrodą przewidzianą w ogniwie akumulatorowym 2 i płaszczem 14 względnie ujemnym biegunem 13. [0042] Na Fig. 5 przedstawiono ogniwo akumulatorowe 2 z Fig. 3 i 4 w widoku zespołu rozebranego, aby uwidocznić układ uszczelki 19. Dno 18 ogniwa akumulatorowego 2, które jest wykonane w postaci membrany pękającej, rozciąga się o mały kawałek aż do poniżej brzegu płaszcza 14. Przez to zwiększa się obszar przylegania uszczelki 19 do ogniwa akumulatorowego 2, a przez to zwiększa się skuteczność uszczelki. Średnica uszczelki 19 jest tak dostosowana do dna 18, że uszczelka 19 przylega dokładnie do dna 18. [0044] Przyleganie uszczelki 19 do cylindrycznego płaszcza 9 zwiększa się przez to, że górna krawędź cylindrycznego płaszcza 19 wykazuje wybranie materiału 21, w którym uszczelka 19 dokładnie przylega (Fig. 4). 9
Zastrzeżenia patentowe 1. Akumulator elektrochemiczny z a) wielką liczbą galwanicznych ogniw akumulatorowych (2), b) pokrywką, c) obudową zamkniętą pokrywką, d) co najmniej jednym biegunem przyłączeniowym do elektrycznego stykania akumulatora (1), który jest połączony elektrycznie z grupą galwanicznych ogniw akumulatorowych (2), e) elektrolitem w obudowie, f) przestrzenią powietrza chłodzącego do przyjmowania powietrza chłodzącego do chłodzenia ogniw akumulatorowych (2), g) przestrzenią odgazowania do przyjmowania gazu wychodzącego w przypadku zakłócenia z ogniw akumulatorowych, przy czym h) przestrzeń powietrza chłodzącego i przestrzeń odgazowania są wykonane gazoszczelnie, oddzielnie względem siebie, i) przestrzeń powietrza chłodzącego i przestrzeń odgazowania są prowadzone niezależnie od siebie z obudowy, znamienny tym, że j) przestrzeń gazu chłodzącego zawiera kanały (7), które są prowadzone na zewnątrz ogniw akumulatorowych (2) na płaszczach (14) ogniw akumulatorowych (2). 2. Akumulator elektrochemiczny według zastrz. 1, znamienny tym, że ogniwa akumulatorowe (2) są wykonane cylindrycznie. 3. Akumulator elektrochemiczny według zastrz. 1 lub 2, znamienny tym, że 10
przestrzeń odgazowania obejmuje przestrzenie cylindryczne, które są rozmieszczone poza ogniwami akumulatorowymi (2) na powierzchniach podstawowych lub powierzchniach pokrywających ogniw akumulatorowych (2). 4. Akumulator elektrochemiczny według jednego z poprzedzających zastrzeżeń, znamienny tym, że ogniwa akumulatorowe (2) wykazują otwory pękające, poprzez które wewnętrzne przestrzenie ogniw akumulatorowych (2) są połączone w taki sposób z przestrzenią odgazowania, że gaz może ulatniać się z wewnętrznych przestrzeni ogniw akumulatorowych (2) do przestrzeni odgazowania. 5. Akumulator elektrochemiczny według zastrz. 4, znamienny tym, że otwory pękające są zamknięte membranami pękającymi. 6. Akumulator elektrochemiczny według jednego z poprzedzających zastrzeżeń, znamienny tym, że w obudowie przewiduje się nośnik (3), w którym ogniwa akumulatorowe (2) znajdują się w zabudowanym stanie. 7. Akumulator elektrochemiczny według jednego z poprzedzających zastrzeżeń, znamienny tym, że ogniwa akumulatorowe (2) są ogniwami litowymi. 8. Pojazd z a) akumulatorem elektrochemicznym według jednego z poprzedzających zastrzeżeń, b) gazową przestrzenią pojazdu i c) wentylatorem, który jest wykonany do prowadzenia powietrza chłodzącego (16, 17) z gazowej przestrzeni pojazdu do akumulatora. 9. Pojazd według zastrz. 8, znamienny tym, że wentylator jest tak umieszczony 11
pomiędzy akumulatorem i gazową przestrzenią pojazdu, że powietrze chłodzące (16, 17) z gazowej przestrzeni pojazdu jest tłoczone przez akumulator. 10. Pojazd według zastrz. 8, znamienny tym, że wentylator jest tak umieszczony za akumulatorem, że powietrze chłodzące (16, 17) jest wyciągane z gazowej przestrzeni pojazdu przez akumulator. 11. Pojazd według jednego z zastrz. 8-10, znamienny tym, że pojazd jest wykonany jako pojazd hybrydowy lub jako pojazd elektryczny. 12
EP 2 248 205 B1 8
EP 2 248 205 B1 9
EP 2 248 205 B1 10
EP 2 248 205 B1 11
EP 2 248 205 B1 12