AT527499A4 - Vorrichtung zum Ableiten von Heißgas einer Batteriezelle - Google Patents

Vorrichtung zum Ableiten von Heißgas einer Batteriezelle Download PDF

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Abstract

Es wird eine Vorrichtung zum Ableiten von Heißgas einer Batteriezelle (1) in einem Ausgasungszustand beschrieben, wobei wenigstens ein Ausgasungskanal (2) mit einem Einlass (3) an eine Ausgasungsöffnung (4) der Batteriezelle (1) angeschlossen ist. Um eine derartige Vorrichtung so auszugestalten, dass auch bei kompakt dimensionierten Ausgasungskanälen, insbesondere mit kleinerem Kanalquerschnitt, austretendes Heißgas zuverlässig abgeführt werden kann, wird vorgeschlagen, dass im Einlass (3) ein mit einem Schmierstoff zur Vermeidung des Anhaftens von Zellpartikeln versehener Schmierstoffkörper vorgesehen ist.

Description

Die Erfindung bezieht sich auf eine Vorrichtung zum Ableiten von HeiRgas einer Batteriezelle in einem Ausgasungszustand, wobei wenigstens ein Ausgasungskanal
mit einem Einlass an eine Ausgasungsöffnung der Batteriezelle angeschlossen ist.
Bei Batteriezellen, wie diese insbesondere in Batteriemodulen bei Hochvoltanwendungen eingesetzt werden, kann es im Falle eines Zelldefektes zu Ausgasen der Batteriezelle kommen. Damit in weiterer Folge ein Thermal Runaway verhindert werden kann, wird in der Regel das aus der Batteriezelle austretende HeiRgas über einen Ausgasungskanal abgeführt, der einen an eine Ausgasungsöffnung der Batteriezelle angeschlossenen Einlass aufweist. Um dabei dem Umstand einer möglichst kompakten Modulgestaltung Rechnung zu tragen, ist es zweckmäßig, derartige Ausgasungskanäle entsprechend klein, d.h. insbesondere
mit kleinem Kanalquerschnitt, zu dimensionieren.
Dabei hat sich in der Praxis allerdings gezeigt, dass die im HeiRgas enthaltenen Zellpartikel insbesondere am Einlass des Ausgasungskanals anhaften, sodass die dabei entstehende Partikelagglomeration zu einer Verstopfung des Ausgasungskanals führen kann. Folglich wird ein Abführen des HeiRgases dadurch
erschwert oder ist schlimmstenfalls nicht möglich.
Der Erfindung liegt somit die Aufgabe zugrunde, eine Vorrichtung der eingangs geschilderten Art so auszugestalten, dass auch bei kompakt dimensionierten Ausgasungskanälen, insbesondere mit kleinerem Kanalquerschnitt, austretendes
HeißRgas zuverlässig abgeführt werden kann.
Schmierstoffkörper vorgesehen ist.
Zufolge dieser Merkmale wird dem Ausgasungskanal im Einlass Schmierstoff durch den Schmierstoffkörper aufgegeben, sodass im Wesentlichen die adhäsive Wechselwirkung zwischen Zellpartikel und Kanalwand unterbunden bzw. der Reibungskoeffizient zwischen Zellpartikel und Kanalwand so weit verringert wird, dass ein Anhaften der Zellpartikel und somit eine zu einer Verstopfung des Ausgasungskanals führende Partikelagglomeration vermieden wird. Grundsätzlich ist es für die erfindungsgemäße Wirkung unerheblich, ob der Schmierstoff erst im Ausgasungszustand der Batteriezelle freigegeben wird, oder ob der Schmierstoff vom Schmierkörper auch bereits im Normalzustand der Batteriezelle dem Einlass des Ausgasungskanals aufgegeben ist und beispielsweise als Schmierung für die Kanalwand wirkt. Im Ausgasungskanal ist der Schmierstoffkörper vorzugsweise so angeordnet, dass sich dieser im Ausgasungszustand der Batteriezelle im sich dabei bildenden HeiRgasstrom befindet. Besonders vorteilhaft ist es beispielsweise, wenn der Schmierstoffkörper der Ausgasungsöffnung der Batteriezelle bezüglich einer Ausgasungsrichtung gegenüberliegt. In Bezug auf einfache Konstruktions- und Fertigungsbedingungen empfiehlt es sich darüber hinaus, wenn der Schmierstoffkörper aus einem polymeren Werkstoff gefertigt ist, der im Ausgasungsfall vom Heißgas der defekten Batteriezelle angeströmt wird und infolgedessen abschmilzt bzw. abbrennt, sowie gegebenenfalls als Schmiermittel wirkende Füllstoffe freigibt. Ein heiRgasbedingt abschmelzbarer Schmierstoffkörper kann beispielsweise aus einer thermoplastischen Kunststoffmatrix, vorzugsweise auf Polyamidbasis, und / oder aus einer thermoplastisch-elastomeren Kunststoffmatrix gefertigt sein. Die diesbezüglichen Kunststoffmatrizen können grundsätzlich füllstofffrei sein, sodass sich die Schmierwirkung allein durch die polymeren Gleiteigenschaften der im Schmelzezustand vorliegenden Kunststoffmatrix ergibt. Für eine verbesserte Schmierwirkung kann die thermoplastische bzw. thermoplastisch-elastomere Kunststoffmatrix aber auch mit
als Schmiermittel wirkenden Füllstoffen versehen sein. Im Falle einer
des Volumens der Batteriezelle betragen.
Bildet der Schmierstoffkörper eine vorzugsweise polymere Beschichtung des Ausgasungskanals, ist eine Schichtdicke im Bereich von 0,5 bis 10 mm empfehlenswert. Die Schichtdicke ergibt sich aus der Schmelzenthalpie, der Abrasionsbeständigkeit des Beschichtungsmaterials, dem Strömungsverhalten im Ausgasungskanal, der HeiRgastemperatur, aus dem Wärmeübergang Gas/Schmierstoffkörperschicht sowie aus der Entgasungsdauer der sich im
Ausgasungszustand befindlichen Batteriezelle.
Um zusätzlich zur erfindungsgemäßen Wirkung die Sicherheitsbedingungen im Falle einer ausgasenden Batteriezelle weiter zu verbessern, kann auch vorgesehen sein, dass der Schmierstoffkörper ein die Ausgasungs6öffnung gegenüber dem Ausgasungskanal wenigstens teilweise abdeckendes Schutzelement bildet. Im Ausgasungsfall erfolgt somit nicht nur ein heiRgasbedingtes Abschmelzen bzw. Zersetzen des Schutzelementes, sondern zufolge des sich durch das Schutzelement ergebenden Strömungswiderstandes werden auch etwaige Druckspitzen des Heißgases so weit abgebaut, dass die Gefahr eines druckbedingtes Berstens der umliegenden Bauteile oder des Ausgasungskanals selbst reduziert wird. Im Falle einer der ausgasenden Batteriezelle in Ausgasungsrichtung gegenüberliegenden Batteriezelle bildet das Schutzelement somit auch einen Schutz der gegenüberliegenden Batteriezelle vor dem ausströmenden Heißgas. Es empfiehlt sich, wenn die mittlere Schutzelementdicke im Bereich von 0,5 bis 10 mm liegt. Als mittlere Schutzelementdicke wird jene Dicke
bzw. Höhe des Schutzelementes entlang einer von der Schutzelementbasis
Höhenrichtung erstreckende Schutzelementbreite gemittelt wird.
In diesem Zusammenhang ergeben sich besonders vorteilhafte konstruktive Bedingungen, wenn das Schutzelement an einer einen Durchbruch für die Batteriezelle aufweisenden Trägerplatte angeordnet ist, die mit der Batteriezelle entlang ihrer Längsachse schub- und zugfest verbunden ist. Somit kann eine Relativbewegung zwischen der Batteriezelle, der Trägerplatte und einem entsprechenden, mit der Batteriezelle verbundenen elektrischen Leiter unter Berücksichtigung eines Toleranzbereichs verhindert werden, da die Trägerplatte mit der Batteriezelle entlang deren Längsachse schub- und zugfest verbunden ist und der elektrische Leiter vorzugsweise selbst ortsfest mit der Trägerplatte verbunden, insbesondere auf der Trägerplatte fixiert ist. Auf diese Weise kann die Trägerplatte gemeinsam mit dem elektrischen Leiter etwaigen Bewegungen der Batteriezelle entlang der Längsachse durch Biegung und/oder Verwindung folgen, wodurch die Schutzelemente sowie vorzugsweise auch der elektrische Leiter mechanisch entlastet wird und somit gegen in Zug- und Schubrichtung wirkende Kräfte geschützt ist. Vorzugsweise ist die Trägerplatte dergestalt, dass diese eine Kanalwand eines Kanalabschnittes des Ausgasungskanals, insbesondere in dessen Einlass, bildet. Um darüber hinaus den Montage- bzw. Assembliervorgang zu vereinfachen, kann das Schutzelement an seiner der Trägerplatte zugewandten Seite wenigstens eine Rastnase aufweisen, die in eine Rastaufnahme der
Trägerplatte eingreift.
Alternativ kann auch eine Isolierplatte vorgesehen sein, die das den Schmierstoffkörper bildende Schutzelement umfangsseitig begrenzende Sollbruchstellen aufweist. Zufolge dieser Merkmale brechen die Sollbruchstellen im Ausgasungszustand einer Batteriezelle unter Abbau der gasbedingten Druckenergie, wobei das Schutzelement abschmilzt und die Schmierwirkung eintreten kann. Darüber hinaus bleiben etwaige benachbarte Batteriezellen durch die Isolierplatte vom ausströmenden HeiRgas weitgehend geschützt. Um diesen
Effekt auf einfache Weise zu erreichen, kann die Isolierplatte den
einer Isolierplatte im einfachsten Fall auch eine Isolierfolie verstanden werden kann.
Damit im Ausgasungszustand einer Batteriezelle etwaige umliegende Batteriezellen vor dem austretenden Heißgas besser geschützt werden, kann das Schutzelement umfangsseitig einen wenigstens abschnittsweise umlaufenden Gasleitwall aufweisen, der in Einbaulage in Richtung Ausgasungsöffnung vorragt. Dadurch kann dem austretenden HeiRßgas eine gerichtete Strömungsführung weg von den umliegenden Batteriezellen vorgegeben werden. Der Gasleitwall kann abschnittsweise so unterbrochen sein, dass durch die Unterbrechungen ein elektrischer Leiter für die Batteriezellen bzw. dessen Leiterendabschnitte geführt sind. Für eine noch bessere Schutzwirkung kann zusätzlich auch der Durchbruch auf der der Batteriezelle gegenüberliegenden Seite der Trägerplatte wenigstens abschnittsweise von einem Gasleitwall umgeben sein, der vorzugsweise über den
Durchbruch vorragt.
Insbesondere im Fall von mehreren Batteriezellen ist ein im Ausgasungsfall einer defekten Batteriezelle erfolgendes Abschmelzen, Zersetzen bzw. Ablösen des Schutzelementes nicht nur mit der Gefahr einer HeiRgasbeaufschlagung umliegender Batteriezellen, sondern in der Regel auch mit einem Verlust der mechanischen Integrität der die Batteriezellen aufnehmenden Struktur verbunden. Um vor diesem Hintergrund sowohl eine möglichst robuste Bauweise zu ermöglichen, als auch den Schutz umliegender Batteriezellen vor austretendem HeiRgas zu verbessern, kann das Schutzelement eine ein regelmäßiges Sechseck bildende Grundfläche aufweisen. Folglich können bei hexagonal dicht gepackten Batteriezellen Zwischenräume zwischen benachbarten Schutzelementen vermieden werden, was nicht nur günstige Isoliereigenschaften, sondern darüber hinaus auch
die Voraussetzung für eine strukturell integre Struktur schafft.
zeigen
Fig. 1 eine im Schrägriss dargestellte schematische Explosionsansicht einer erfindungsgemäß en Vorrichtung bei mehreren Batteriezellen und einem exemplarisch dargestellten, als Schutzelement ausgebildeten Schmierstoffkörper,
Fig. 2 einen Schnitt entlang der Linie II - Il in einem größeren Maßstab und
Fig. 3 einen die Unterseite eines Schutzelements zeigenden Schrägriss, ebenfalls
in einem größeren Maßstab.
Eine Vorrichtung zum Ableiten von Heißgas einer Batteriezelle 1 in einem Ausgasungszustand umfasst einen strichpunktiert angedeuteten Ausgasungskanal 2 mit einem Einlass 3, der an einer Ausgasungsöffnung 4 der Batteriezelle 1 angeschlossen ist. In Fig. 1 ist ein Verbund aus mehreren Batteriezellen 1 schematisch angedeutet, wobei der Verbund eine Trägerplatte 5, eine Leiterplatte 6
sowie eine Isolierplatte 7 aufweist.
Im Einlass 3 ist ein als Schutzelement 8 ausgebildeter Schmierstoffkörper vorgesehen, welcher der Ausgasungsöffnung 4 der Batteriezelle 1 bezüglich einer Ausgasungsrichtung A gegenüberliegt, wie dies insbesondere in der Schnittansicht gemäß Fig. 2 gezeigt wird. Um im Ausgasungszustand einer defekten Batteriezelle 1 ein Verstopfen des Ausgasungskanals 2 durch die freiwerdenden Zellpartikel zu verhindern, schmilzt das Schutzelement 8 in Folge einer HeiRgasbeaufschlagung ab und wirkt dabei als Schmiermittel. Dadurch wird ein Anhaften von Zellpartikeln an der Kanalwand vermieden. Das Schutzelement ist beispielsweise aus Polyamid
gefertigt.
Das Schutzelement 8 ist an der einen Durchbruch 9 für die Batteriezellen 1 aufweisenden Trägerplatte 5 angeordnet, welche mit den jeweiligen Batteriezellen 1 entlang ihrer Längsachse 10 schub- und zugfest verbunden ist. Die Durchbrüche 9 sind auf der der Batteriezelle 1 gegenüberliegenden Seite der Trägerplatte 5
wenigstens abschnittsweise von einem Gasleitwall 11 umgeben, der über den
7713
Kanalabschnitts des Ausgasungskanals 2 in dessen Einlass 3.
Wie dies in Fig. 3 dargestellt ist, kann das Schutzelement 8 eine ein regelmäRiges Sechseck bildende Grundfläche umfassen. Das Schutzelement 8 weist an seiner der Trägerplatte 5 zugewandten Unterseite umfangseitig einen abschnittsweise umlaufenden Gasleitwall 12 auf. Für einfache Assemblierbedingungen umfasst das Schutzelement 8 ebenfalls an seiner der Trägerplatte 5 zugewandten Unterseite Rastnasen 13, die in Rastaufnahmen 14 der Trägerplatte 5 eingreifen. Dabei können die Rastaufnahmen 14 der Trägerplatte 5 durch den Gasleitwall 11 der
Trägerplatte 5 gebildet sein.

Claims (1)

  1. (345491.4) KA
    Patentansprüche
    1. Vorrichtung zum Ableiten von Heißgas einer Batteriezelle (1) in einem Ausgasungszustand, wobei wenigstens ein Ausgasungskanal (2) mit einem Einlass (3) an eine Ausgasungsöffnung (4) der Batteriezelle (1) angeschlossen ist, dadurch gekennzeichnet, dass im Einlass (3) ein mit einem Schmierstoff zur Vermeidung des
    Anhaftens von Zellpartikeln versehener Schmierstoffkörper vorgesehen ist.
    2. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der
    Schmierstoffkörper eine Beschichtung des Ausgasungskanals (2) bildet.
    3. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Schmierstoffkörper ein die Ausgasungsöffnung (4) gegenüber dem
    Ausgasungskanal (2) wenigstens teilweise abdeckendes Schutzelement (8) bildet.
    4. Vorrichtung nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass das Schutzelement (8) an einer einen Durchbruch (9) für die Batteriezelle (1) aufweisenden Trägerplatte (5) angeordnet ist, die mit der Batteriezelle (1) entlang
    ihrer Längsachse schub- und zugfest verbunden ist.
    5. Vorrichtung nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass das Schutzelement (8) an seiner der Trägerplatte (5) zugewandten Seite wenigstens eine Rastnase (13) aufweist, die in eine Rastaufnahmen (14) der Trägerplatte (5)
    eingreift.
    6. Vorrichtung nach Anspruch 3, gekennzeichnet durch eine Isolierplatte (7), die
    das Schutzelement (8) umfangsseitig begrenzende Sollbruchstellen aufweist.
    aufweist, der in Einbaulage in Richtung Ausgasungsöffnung (4) vorragt.
    8. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 3 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass das Schutzelement (8) eine ein regelmäßiges Sechseck bildende Grundfläche
    aufweist.
    9. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass der heiRgasbedingt abschmelzbare Schmierstoffkörper aus einer thermoplastischen und / oder thermoplastisch-elastomeren Kunststoffmatrix
    gefertigt ist.
    10. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass der Schmierstoffkörper aus einer duroplastischen Kunststoffmatrix gefertigt ist, in welche Füllstoffe so eingebettet sind, dass diese bei Abbrand der
    Kunststoffmatrix freigelegt werden und als Schmiermittel wirken.
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