AT521705B1 - Batteriemodul - Google Patents

Abstract

Es wird ein Batteriemodul mit einem Grundkörper (1) zur Aufnahme einzelner, bezüglich einer Fügeachse (2) parallel angeordneter Batteriezellen (4), der einen quer zur Fügeachse (2) verlaufenden Strömungskanal (6) für ein die Zellenmäntel der Batteriezellen (4) direkt anströmendes Temperierfluid bildet, beschrieben. Um nicht nur die Gefahr thermischer Beschädigung einzelner Batteriezellen (4) bei Spitzenbelastungen zu verringern, sondern auch die Ausbreitung einer Kettenreaktion im Fehlerfall eines thermal runaway zu vermeiden, wird vorgeschlagen, dass dem Strömungskanal (6) in Richtung der Fügeachse (2) je Batteriezelle (4) jeweils eine die Batteriezelle (4) umfangseitig mit Spiel unter Ausbildung eines Luftspaltes (10) umschließende Berstschutzhülse (7, 8) vor- und nachgelagert ist, wobei sich der Strömungskanal (6) über eine Höhe von 28 – 60% der Batteriezelle (4) und jede Berstschutzhülse (7, 8) für sich über eine Höhe von 20 – 36% der Batteriezelle (4) erstrecken.

Description

Beschreibung [0001] Die Erfindung bezieht sich auf ein Batteriemodul mit einem Grundkörper zur Aufnahme einzelner, bezüglich einer Fügeachse parallel angeordneter Batteriezellen, der einen quer zur Fügeachse verlaufenden Strömungskanal für ein die Zellenmäntel der Batteriezellen direkt anströmendes Temperierfluid bildet.

[0002] Aus dem Stand der Technik sind Batteriemodule bekannt, bei denen die einzelnen Batteriezellen direkt von einem Temperierfluid angeströmt werden (WO2017067923). Im Falle der Beschädigung einzelner Batteriezellen, insbesondere im Falle eines thermal runaway besteht allerdings das Problem, dass die Batteriezellen entlang ihres Mantels bersten. Aufgrund der direkten Anströmung durch ein Temperierfluid und der unmittelbar benachbarten Batteriezellen innerhalb des Fluidströmungskanales wird dabei die Gefahr einer Kettenreaktion noch verstärkt.

[0003] Zur Vermeidung von Kettenreaktionen bei nicht direkt angeströmten Batteriezellen wurde bereits vorgeschlagen (CN108574073A), die einzelnen Zellen mit druckfesten Hülsen zu umgeben, um ein Bersten im Bereich der Zellenpole zu erzwingen. Nachteilig ist daran allerdings, dass sich durch die Hülsen eine trägere Temperaturregelung der Batteriezellen ergibt, sodass auf kurzfristige Belastungsspitzen oder thermische Ungleichgewichte im Batteriemodul nicht oder nur zeitverzögert reagiert werden kann, was die Gefahr einer Beschädigung der Batteriezellen entgegen der Aufgabenstellung erhöht.

[0004] Ausgehend von einem Batteriemodul der eingangs beschriebenen Art liegt die Aufgabe der Erfindung somit darin, nicht nur die Gefahr thermische Beschädigung einzelner Batteriezellen bei Spitzenbelastungen zu verringern, sondern auch die Ausbreitung einer Kettenreaktion im Fehlerfall eines thermal runaway zu vermeiden.

[0005] Die Erfindung löst die gestellte Aufgabe dadurch, dass dem Strömungskanal in Richtung der Fügeachse je Batteriezelle jeweils eine die Batteriezelle umfangseitig mit Spiel umschließende Berstschutzhülse vor- und nachgelagert ist, wobei sich der Strömungskanal über eine Höhe von 28 - 60% der Batteriezelle und jede Berstschutzhülse für sich über eine Höhe von 20 - 36% der Batteriezelle erstrecken. Überraschenderweise hat sich gezeigt, dass das Bersten von zylinderförmigen Batteriezellen im Bereich des Zellenmantels nicht nur bei einer sich über die gesamte Zellenmantelhöhe erstreckenden Hülse zugunsten einer Ausgasung über die hierfür vorgesehenen polseitigen Ventile verhindert werden kann, sondern auch dann, wenn zwei polseitige Abschnitte von jeweils 20 - 36% der Höhe der Batteriezelle von einer Berstschutzhülse umschlossen werden. In einer besonders bevorzugten Ausführungsform können die Berstschutzhülsen jeweils einen Abschnitt von 28-30% der Höhe der Batteriezelle umschließen. Es ist dabei nicht erforderlich, dass die Berstschutzhülsen unmittelbar an die Zellenpole anschließen. Obwohl sich zufolge dieser Maßnahme der für einen Strömungskanal eines Temperierfluides nutzbare Bereich auf eine Höhe von 28 - 60%, vorzugsweise 40 - 44% der Batteriezelle verringert, kann die verkleinerte direkte Kontaktfläche zwischen dem Temperierfluid, bei dem es sich beispielsweise um Luft oder eine Flüssigkeit handeln kann, durch einen höheren Volumenstrom ausgeglichen werden. Darüber hinaus wird das dynamische Regelverhalten verbessert, weil das zu durchströmende Gesamtvolumen verringert wird. Um eine mechanische Überbestimmung und somit einen Bruch der Abdichtung des Strömungskanals nicht nur in Anbetracht der Fertigungstoleranzen von Batteriezellen, sondern auch im Fehlerfall zu vermeiden, wird erfindungsgemäß vorgeschlagen, dass die Berstschutzhülsen die Batteriezellen mit Spiel umschließen, also derart, dass zwischen der Berstschutzhülse und dem Mantel der umschlossenen Batteriezelle ein Luftspalt verbleibt. Die mögliche Ausdehnung der Batteriezelle im Bereich dieses Luftspaltes begünstigt das mechanische Verhalten im Falle eines thermal runaway, weil unkritische Dehnungen der Batterie möglich bleiben und nicht bereits zu einer Beschädigung der Berstschutzhülsen und in weiterer Folge des gesamten Batteriemodules führen.

[0006] Um die Fertigung der erfindungsgemäßen Vorrichtung zu erleichtern und eine Abdichtung des Strömungskanales zu verbessern, wird vorgeschlagen, dass eine Gruppe von Berstschutzhülsen einen vom Grundkörper getrennten Berstschutz bildet. Die Berstschutzhülsen /7

AT 521 705 B1 2020-04-15 österreichisches patentamt können dabei über eine Stützkonstruktion zu einem Berstschutz verbunden sein oder aber der Berstschutz kann beispielsweise in Form von Durchtrittsöffnungen, die einzelnen Berstschutzhülsen ausbilden, ausgeformt sein. Diese Maßnahmen haben den Vorteil, dass die einzelnen Batteriezellen zunächst in den Grundkörper eingesetzt werden können, wobei die Abdichtung des Strömungskanales weder durch eine mechanische Überbelastung noch durch eine Beschädigung von Dichtungen zufolge der Berstschutzhülsen behindert wird. Erst in einem nachfolgenden Schritt können die Berstschutzhülsen als vom Grundkörper getrennter Berstschutz auf die aus dem Grundkörper vorragenden Endabschnitte der Batteriezellen aufgeschoben werden.

[0007] Damit die erfindungsgemäß vorgesehenen Luftspalte zwischen den Berstschutzhülsen und den Batteriezellen gleichmäßig ausgebildet werden und im Falle eines vom Grundkörper getrennten Berstschutzes die relative Lage von Grundkörper und Berstschutz zueinander vorgegeben werden kann, können in einer Berstschutzhülse zwei, vorzugsweise drei Zentriernasen zur Ausrichtung der Batteriezelle innerhalb der Berstschutzhülse vorgesehen sein. Solche Zentriernasen bieten darüber hinaus den Vorteil, dass mechanische Belastungen des Batteriemodules bzw. der einzelnen Batteriezellen nicht über etwaige an den Batteriezellen anliegenden Dichtungen des Grundkörpers, sondern über die mechanisch stabileren Zentriernasen aufgenommen werden können. Dies ist insbesondere dann der Fall, wenn die Berstschutzhülsen einstückig mit dem Grundkörper ausgebildet sind oder, wenn der Berstschutz und der Grundkörper in ihrer relativen Lage zueinander festgelegt sind.

[0008] Eine platzsparende Parallelschaltung der einzelnen Batteriezellen unabhängig von ihrer Polkontaktierung kann auf einfache Weise ermöglicht werden, wenn zwischen dem Grundkörper und den bezüglich der Fügeachse auf einer Seite des Grundkörpers liegenden Berstschutzhülsen ein elektrisch leitendes Parallelblech zum Parallelschalten der Batteriezellen vorgesehen ist. Ein solches Parallelblech, dessen exakte Positionierung entlang der Fügeachse der Batteriezellen je nach Ausführungsform der Erfindung unterschiedlich sein kann, stellt nicht nur den elektrischen Kontakt zur Parallelschaltung der einzelnen Batteriezellen her, sondern erfüllt darüber hinaus noch eine mechanisch stabilisierende Aufgabe. Dennoch bleiben zufolge der Luftspalte in den Berstschutzhülsen die einzelnen Batteriezellen im Bereich ihrer Pole quer zur Fügeachse in einem beschränkten Umfang frei beweglich, sodass die Kontaktierung und mechanische Verbindung mehrerer Batteriemodule erleichtert werden kann.

[0009] Obwohl die elektrische Kontaktierung der einzelnen Batteriezellen auf unterschiedliche Art erfolgen kann, ergeben sich besonders vorteilhafte Bedingungen, wenn das Parallelblech in den Luftspalt wenigstens einer Berstschutzhülse ragende Kontaktzungen zur kraftschlüssigen Kontaktierung der von der Berstschutzhülse umschlossenen Batteriezelle aufweist. Die in den Luftspalt ragenden, federnd ausgebildeten Kontaktzungen werden dabei nicht nur unter Verbesserung der Anpresskraft und damit der elektrischen Kontaktierung gegen die Berstschutzhülsen abgestützt, sondern ermöglichen gleichzeitig auch eine Ausrichtung der Batteriezellen innerhalb der Berstschutzhülsen, sodass zumindest auf der Seite der Parallelbleches etwaige Zentriernasen in den Berstschutzhülsen entfallen können.

[0010] Eine mechanisch flexible Kontaktierung der Batteriezellen, die gleichzeitig eine Ausbreitung eines Einzelbatteriezellenfehlers durch Entgasung verhindert, erhält man, indem man Polaufsätze zur elektrischen Kontaktierung einzelner Batteriezellen vorsieht, die jeweils einen in den Bereich des Batteriezellenpoles einmündenden Heißgaskanal zur Ableitung von aus der Batteriezelle austretendem Heißgas aufweisen. Durch das erfindungsgemäße Zusammenspiel der Berstschutzhülsen und der Polaufsätze wird im Falle eines thermal runaway oder ähnlicher Effekte austretendes Heißgas polseitig, also im Bereich des hierfür vorgesehenen Entgasungsventiles von der beschädigten Batteriezelle so abgeführt, dass umliegende Batteriezellen im Bereich des Zellenmantels nicht beschädigt werden. Ein Einströmen von Heißgas in den Strömungskanal wird nämlich nicht nur durch eine etwaige Abdichtung zwischen dem Strömungskanal und den Berstschutzhülsen verhindert, sondern auch dadurch, dass die sich vor dem Entgasen mantelseitig ausdehnende Batteriezelle den Luftspalt zur umliegenden Berstschutzhülse ausfüllt und damit abdichtet. Um ein Anströmen von dem Pol der ausgasenden Batterie2/7

AT 521 705 B1 2020-04-15 österreichisches patentamt zelle gegenüberliegenden anschließenden Batteriezellen zu verhindern, kann der Heißgaskanal um etwa 90° gekrümmt ausgebildet sein, dass das Heißgas lateral, das bedeutet quer zur Fügerichtung der Batteriezelle umgelenkt und abgeleitet wird.

[0011] Neben einer Ableitung der großen Heißgasmengen von der beschädigten Batteriezelle weg ist auch ein Abführen dieser Heißgasmengen aus dem Batteriemodul sicherheitsrelevant, zumal etwaige Druckspitzen auch zu einer strukturellen Beschädigung des Batteriemodules führen können. Es wird daher vorgeschlagen, dass die einzelnen Polaufsätze einen gemeinsamen Ableitungskanal bilden, in den die Heißgaskanäle mit ihren den Batteriezellenpolen gegenüberliegenden Endabschnitten einmünden. Zufolge dieser Maßnahmen kann ein sich über alle Polaufsätze erstreckender Ableitungskanal mit vergleichsweise großem Querschnitt das Auftreten lokaler Druckspitzen verhindern, wobei die einzelnen, in den Ableitungskanal einmündenden Heißgaskanäle geringeren Querschnittes die Gefahr eines Anströmens von unbeschädigten Batteriezellen reduzieren. Um diese Gefahr weiter zu reduzieren, können die einzelnen Heißgaskanäle gegenüber dem Ableitungskanal mit einem Feuerschutz abgedichtet werden, der im Fehlerfall nur bei einer ausgasenden Batteriezelle druckbedingt durchbrochen wird.

[0012] Die Lagerung der Batteriezellen im Batteriemodul unterliegt aufgrund der Fertigungstoleranzen und Ausführungen der Batteriezellen gewissen Variationen, welche durch die Umfassung der Batteriezellen mit Spiel ausgeglichen wird. Dies macht jedoch bei der Polkontaktierung eine mechanisch flexible Verbindung seriell geschalteter Batteriezellen notwendig. Diese kann realisiert werden, indem die Polaufsätze je zwei Ausnehmungen zur Aufnahme zweier seriell zu kontaktierender Batteriezellen aufweisen. Hierbei kann, selbst wenn es zu Relativbewegungen der Batteriezellen relativ zum Batteriemodul und zum Stack kommt, eine konstante elektrische Verbindung gewährleistet bleiben, da bei einer Neigung der Batteriezellen im Luftspalt der Berstschutzhülse der Kontakt durch die Polaufsätze erhalten bleibt.

[0013] Das Zusammenfügen der Berstschutzhülsen mit den Polaufsätzen lässt sich zuverlässiger ausführen, wenn die Berstschutzhülsen Ausnehmungen zur Aufnahme der Polaufsätze ausbilden. Hierdurch wird nicht nur die mechanische Stabilität des Batteriemoduls erhöht, sondern einer Lösung der elektrischen Verbindung zwischen zwei seriell geschalteten Batteriezellen, hervorgerufen durch Relativbewegungen, vorgebeugt.

[0014] In der Zeichnung ist der Erfindungsgegenstand beispielsweise dargestellt. Es zeigen [0015] Fig. 1 eine perspektivische Darstellung eines erfindungsgemäßen Batteriemoduls und [0016] Fig. 2 einen Schnitt entlang der Linie ll-ll der Fig. 1 in einem größeren Maßstab, wobei eine Batteriezelle zur besseren Veranschaulichung entfernt wurde.

[0017] Ein erfindungsgemäßes Batteriemodul umfasst einen Grundkörper 1, der bezüglich je einer Fügeachse 2 gegenüberliegende Durchtrittsöffnungen 3 aufweist, die von einzelnen, bezüglich der Fügeachse 2 parallel angeordneten Batteriezellen 4 durchsetzt werden. Der Grundkörper 1 ist im Bereich der Durchtrittsöffnungen 3 gegenüber den Batteriezellen 4 über O - Ringe 5 abgedichtet, sodass sich ein geschlossener Strömungskanal 6 ausbildet, innerhalb dessen die Zellenmäntel der Batteriezellen 4 direkt, d.h. unmittelbar von einem Temperierfluid angeströmt werden können.

[0018] Bezüglich der Fügeachse 2 schließen an den Grundkörper 1, dessen Strömungskanal 6 sich über eine Höhe von 28 - 60% der Höhe der Batteriezellen 4, vorzugsweise und wie in der Fig. 2 dargestellt über eine Höhe von 40 - 44% der der Höhe der Batteriezellen 4 erstreckt, beidseits Berstschutzhülsen 7, 8 an. Diese Berstschutzhülsen 7, 8 erstrecken sich über eine Höhe von 20 - 36% der Höhe der Batteriezellen 4, vorzugsweise über eine Höhe von 28-30% der Höhe der Batteriezellen 4. Obwohl dies nicht zwingend erforderlich ist, erstrecken sich die Berstschutzhülsen 7 bezüglich der Fügeachse 2 vom Grundkörper 1 bis zu den Zellenpolen 9. Zwischen den Berstschutzhülsen 7, 8 und den Batteriezellen 4 bildet sich in einem normalen Betriebszustand je ein Luftspalt 10 aus, der eine geringfügige Ausdehnung der Batteriezellen 4 im normalen Betrieb ermöglicht.

3/7

AT 521 705 B1 2020-04-15 österreichisches patentamt [0019] Um die Batteriezellen 4 trotz dieses Luftspaltes 10 gegenüber den Berstschutzhülsen 7, in einer definierten Lage ausrichten zu können, können je Berstschutzhülse 7, 8 zwei, vorzugsweise drei Zentriernasen 11 vorgesehen sein.

[0020] Besonders günstige Konstruktionsbedingungen ergeben sich, wenn wenigstens eine Gruppe der Berstschutzhülsen 7, 8 einen gemeinsamen Berstschutz 12 bilden, der gegenüber dem Grundkörper 1 als getrenntes Bauelement ausgeführt ist.

[0021] Um bei der dargestellten Ausführungsform eine besonders platzsparende parallele Kontaktierung der Batteriezellen vornehmen zu können, kann ein Parallelblech 13 vorgesehen sein, das zwischen dem Grundkörper 1 und wenigstens einer der Berstschutze 12 vorgesehen ist. Zur elektrischen Kontaktierung der Batteriezellen 4 mit dem Parallelblech 13 und zur Zentrierung der Batteriezellen 4 innerhalb der Berstschutzhülsen 8 kann das Parallelblech 13 Kontaktzungen 14 zur kraftschlüssigen Kontaktierung aufweisen. Dadurch können die Zentriernasen 11 bei den Berstschutzhülsen 8 wie oben erläutert entfallen.

[0022] Die sich zufolge der erfindungsgemäßen Ausgestaltung ergebende Lagerung der Batteriezellen 4 ermöglicht eine quer zur Fügeachse 2 beschränkt freie Beweglichkeit der Zellenpole 9. Um diesen Vorteil im Rahmen mehrerer, in Serie geschalteter Batteriemodule nützen zu können, werden Polaufsätze 15 vorgeschlagen, die jeweils zwei Ausnehmungen 16 zur Aufnahme zweier seriell zu kontaktierender Batteriezellen 4 aufweisen.

[0023] Diese Polausätze 15 können zur Ableitung von aus einem im Bereich der Zellenpole 9 liegenden Ausgasungsventil austretenden Heißgas Heißgaskanäle 17 aufweisen, die in einer besonders bevorzugten Ausführungsform in einen gemeinsamen Ableitungskanal 18 münden.

[0024] Um eine Vorausrichtung der Polaufsätze 15 gegenüber den Berstschutzhülsen 7, 8 vornehmen zu können, können die Berstschutzhülsen 7, 8 Ausnehmungen 19 zur Aufnahme der Polaufsätze 15 aufweisen.

Claims (9)

1. Patentansprüche

   1. Batteriemodul mit einem Grundkörper (1) zur Aufnahme einzelner, bezüglich einer Fügeachse (2) parallel angeordneter Batteriezellen (4), der einen quer zur Fügeachse (2) verlaufenden Strömungskanal (6) für ein die Zellenmäntel der Batteriezellen (4) direkt anströmendes Temperierfluid bildet, dadurch gekennzeichnet, dass dem Strömungskanal (6) in Richtung der Fügeachse (2) je Batteriezelle (4) jeweils eine die Batteriezelle (4) umfangseitig mit Spiel unter Ausbildung eines Luftspaltes (10) umschließende Berstschutzhülse (7, 8) vor- und nachgelagert ist, wobei sich der Strömungskanal (6) über eine Höhe von 28 - 60% der Batteriezelle (4) und jede Berstschutzhülse (7, 8) für sich über eine Höhe von 20 - 36% der Batteriezelle (4) erstrecken.
2. 2. Batteriemodul nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass eine Gruppe von Berstschutzhülsen (7, 8) einen vom Grundkörper (1) getrennten Berstschutz (12) bildet.
3. 3. Batteriemodul nach einem der Ansprüche 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass in einer Berstschutzhülse (7, 8) zwei Zentriernasen (11) zur Ausrichtung der Batteriezelle (4) innerhalb der Berstschutzhülse (7, 8) vorgesehen ist.
4. 4. Batteriemodul nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass zwischen dem Grundkörper (1) und den bezüglich der Fügeachse (2) auf einer Seite des Grundkörpers (1) liegenden Berstschutzhülsen (7, 8) ein elektrisch leitendes Parallelblech (13) zum Parallelschalten der Batteriezellen (4) vorgesehen ist.
5. 5. Batteriemodul nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass das Parallelblech (13) in den Luftspalt (10) wenigstens einer Berstschutzhülse (7, 8) ragende Kontaktzungen (14) zur kraftschlüssigen Kontaktierung der von der Berstschutzhülse (7, 8) umschlossenen Batteriezelle (4) aufweist.
6. 6. Batteriemodul nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass Polaufsätze (15) zur elektrischen Kontaktierung einzelner Batteriezellen (4) vorgesehen sind, die jeweils einen in den Bereich des Batteriezellenpoles (9) einmündenden Heißgaskanal (17) zur Ableitung von aus der Batteriezelle (4) austretendem Heißgas aufweisen.
7. 7. Batteriemodul nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass die einzelnen Polaufsätze (15) einen gemeinsamen Ableitungskanal (18) bilden, in den die Heißgaskanäle (17) mit ihren den Batteriezellenpolen (9) gegenüberliegenden Endabschnitten einmünden.
8. 8. Batteriemodul nach Anspruch 6 oder 7, dadurch gekennzeichnet, dass die Polaufsätze (15) je zwei Ausnehmungen zur Aufnahme zweier seriell zu kontaktierender Batteriezellen (14) aufweisen.
9. 9. Batteriemodul nach einem der Ansprüche 6 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass die Berstschutzhülsen (7, 8) Ausnehmungen (19) zur Aufnahme der Polaufsätze besitzen.