CN110088933B - 用于牵引电池的电池单元和牵引电池 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种用于车辆牵引电池(1)的电池单元(2)，包括至少两个彼此相邻设置的电池单体(3)，所述电池单体分别具有至少一个用于使其单体壳体(7)排气的排气单元(8)，该排气单元(8)设置在电池单体(3)的相互面对侧上，还包括至少两个屏蔽单元(9、10)，它们设置在电池单体(3)的相互面对侧之间并且彼此间隔开，每个屏蔽单元(9、10)具有一个屏蔽壁(11)，该屏蔽壁包括至少一个通口(12)和至少一个封闭元件(13)，相应屏蔽壁(11)的通口(12)与相应最靠近该屏蔽壁(11)设置的电池单体(3)的排气单元(8)对齐设置，封闭元件(13)在封闭位置中完全设置在屏蔽壁(11)上并且在释放位置中至少部分地与屏蔽壁(11)分离，在封闭位置中封闭元件(13)封闭通口(12)，在释放位置中封闭元件(13)至少部分地释放通口(12)，并且封闭元件(13)可通过被加载朝向相应另一屏蔽单元(9、10)方向定向的力从封闭位置进入到释放位置中。

Description

用于牵引电池的电池单元和牵引电池
技术领域
本发明涉及一种用于车辆牵引电池的电池单元，包括至少两个彼此相邻设置的电池单体，所述电池单体分别具有至少一个用于使其单体壳体排气的排气单元，所述排气单元设置在电池单体的相互面对侧上。
本发明还涉及一种用于车辆的牵引电池。
背景技术
对于电动车目前在可电驱动的车辆中主要使用具有高电压水平的牵引电池。这种高压蓄能器(HVS)的基础是锂离子技术。存在用于构造这种高压蓄能器的锂离子电池单体的许多不同的可能性。在技术环境中存在开发每单位体积具有更高能量(能量密度)的锂离子电池单体的趋势。
许多锂离子电池单体的热稳定性与每单位体积的储存能量成反比。许多现有的高压蓄能器仍未配备安全元件用以防止热事件的故障传播。在高压蓄能器中，发生单体内部短路的电池单体可指数性地释放热量(热事件)并将该热量传递给相邻单体。
在未来的蓄能器中，蓄能器单体的能量密度将增加到200Wh/kg和更高。这种蓄能器单体内的热事件的热量足以传递到相邻单体。为了避免这种情况，必须在蓄能器内设置附加措施，以确保蓄能器即使在这种危急情况下的安全性。
因此，未来的、具有更高能量密度的高压蓄能器需要安全预防措施。
发明内容
本发明的任务在于提高用于车辆牵引电池的电池单元的安全性。
所述任务通过一种用于车辆牵引电池的电池单元解决。在下述说明和附图中给出有利的实施方式，这些实施方式可单独或以这些实施方式中的至少两种的不同组合构成本发明的扩展的、尤其是优选的或有利的方面。电池单元的实施方式在此可相应于牵引电池的实施方式，反之亦然，即使下面在具体情况中没有明确指出这点。
根据本发明的用于车辆牵引电池的电池单元包括至少两个彼此相邻设置的电池单体，所述电池单体分别具有至少一个用于使其单体壳体排气的排气单元，所述排气单元设置在电池单体的相互面对侧上，还包括至少两个屏蔽单元，它们设置在电池单体的相互面对侧之间并且彼此间隔开。每个屏蔽单元具有一个屏蔽壁，该屏蔽壁包括至少一个通口和至少一个封闭元件。相应屏蔽壁的通口与相应最靠近该屏蔽壁设置的电池单体的排气单元对齐设置。相应屏蔽壁的封闭元件在封闭位置中——在其中封闭元件封闭该屏蔽壁的通口——完全设置在该屏蔽壁上并且在释放位置中——在其中封闭元件至少部分地释放该通口——至少部分地与该屏蔽壁分离。相应屏蔽壁的封闭元件可通过被加载朝向相应另一屏蔽单元定向的力从封闭位置进入到释放位置中。
当在电池单元的电池单体内发生内部短路时，电池单体可热失控或不可逆地热逸溃(“thermal runaway”)。由此在电池单体内产生热气体。从电池单体的单体壳体内达到一定内压起，电池单体的排气单元突然打开。从单体壳体经由排气单元排出的热气体突然撞击到最靠近电池单体设置的屏蔽单元的最靠近该打开的排气单元设置的封闭元件上。由此封闭元件被加载朝向另一屏蔽单元定向的力并因此从其封闭位置进入到其所示的释放位置。因而从电池单体排出的热气体可穿过最靠近该电池单体设置的屏蔽单元排出，而与该电池单体设置在一个单体排中并且与该电池单体串联连接的其它电池单体都不被热气体加载。这防止了该单体排的其它电池单体的热逸溃。由于更靠近另一电池单体或其它电池单体设置的屏蔽单元的一个或多个封闭元件位于其封闭位置中并且不通过热气体被加载沿着可使这些封闭元件从其封闭位置进入其释放位置方向的力，因此这些设置在另一相邻单体排中的电池单体也不被热气体加载。这防止了所述相邻单体排的其它电池单体的热逸溃。取而代之，热气体可通过形成于两个屏蔽单元之间的通道流出并且由此从电池单元排出，而不引起电池单元的其它电池单体的热逸溃。由此提高了电池单元的安全性。
电池单元也可包括两个或更多个电池单体，在此至少两个电池单体可分别组合成一个单体排。电池单元可包括两个具有串联连接的电池单体的单体排，其中一个单体排的电池单体与另一单体排的电池单体相邻设置。屏蔽单元于是在所述单体排之间延伸。电池单体尤其是可构造为具有高能量密度的锂离子电池单体。
在电池单体发生热逸溃时，该电池单体的单体壳体可通过排气单元排气，以防止电池单体爆炸。相应排气单元可构造成阀状的并且可在其开口处基于电池单体的单体壳体内的内部压力可逆地被操作或破坏。由于排气单元设置在电池单体或由其组成的单体排的相互面对侧上，因此从热逸溃的电池单体经由其排气单元流出的热气体流向相邻设置的一个或多个电池单体。
屏蔽单元可彼此平行地延伸。相应屏蔽单元的屏蔽壁用作热屏，以保护最靠近相应屏蔽单元设置的一个或多个电池单体免受从热逸溃的相邻电池单体排出的热气体的热量的影响。由于相应屏蔽单元的通口与相应最靠近该屏蔽单元设置的电池单体的排气单元对齐设置，因此从排气单元排出的热气体在最短的路径上撞击到通口和设置于其上的封闭元件上。当该封闭元件处于其释放位置时，热气体几乎完全穿过开放的通口。优选屏蔽单元的通口和封闭元件的数量相应于最靠近该屏蔽单元设置的电池单体的数量。
“封闭元件在其释放位置中——在其中封闭元件部分或完全释放配置给其的通口——至少部分地与该屏蔽壁分离”表示：封闭元件在其释放位置中仍可以任何方式与屏蔽壁连接或完全与屏蔽壁分离。由于相应屏蔽壁的封闭元件可通过被加载朝向相应另一屏蔽单元定向的力从封闭位置进入到释放位置中，因此封闭元件不会因从热逸溃的相邻电池单体流出的热气体而从其封闭位置进入其释放位置中。由此所述至少一个最靠近该屏蔽单元设置的电池单体可靠地被保护免受热气体的影响。
相应屏蔽壁和相应封闭元件优选由不易燃且耐热的材料制成，该材料优选具有尽可能低的比重以便减轻重量。相应封闭元件可在不同的尺寸和几何形状中以不同方式与相应屏蔽壁连接。在此也可设置具有至少一个弹簧元件的结构，其将封闭元件朝向其封闭位置预张紧。
车辆可以是陆地车辆、船只或飞机形式的电动车辆或混合动力电动车辆。
借助本发明可保护相同或相邻电池模块中的相邻电池单体，这些电池单体否则将被热逸溃的电池单体本身激发产生热逸溃。在未来的技术安全要求中希望在发生单体内部故障时并且在向人发出至少五分钟的警报信号之后不会由高压蓄能器向外引起火灾或爆炸。这可借助本发明可靠地实现。
根据一种有利实施方式，至少一个屏蔽壁至少部分由云母板构成。云母板不易燃且耐热并且具有非常低的比重，因此为屏蔽壁使用云母板进一步提高了电池单元的安全性，且不显著增加电池单元的重量。两个屏蔽壁也可分别部分或完全由一个云母板或由两个或更多个云母板构成。
根据另一种有利实施方式，至少一个封闭元件至少部分由云母板构成。云母板不易燃且耐热并且具有非常低的比重，因此为封闭元件使用云母板进一步提高了电池单元的安全性，且不显著增加电池单元的重量。两个或更个多、尤其是所有封闭元件也可部分或完全由一个云母板或由两个或更多云母板构成。
根据另一种有利实施方式，至少一个封闭元件构造为活门。据此封闭元件与相应屏蔽壁铰接连接，从而封闭元件可从其封闭位置转动到其释放位置中，反之亦然。由此相应屏蔽壁可在通口打开之后重复使用。两个或更个多、尤其是所有封闭元件也可分别构造为活门。
根据另一种有利实施方式，至少一个封闭元件在其封闭位置中通过至少一个夹紧机构与相应屏蔽壁连接。由此可锁止封闭元件的封闭位置，以防相应配置给封闭元件的通口意外打开。夹紧机构例如可构造为卡锁机构、插接机构或类似机构或构造为压紧件(Verpressung)。两个或更个多、尤其是所有封闭元件也可分别通过一个夹紧机构与相应屏蔽壁连接。
根据另一种有利实施方式，至少一个封闭元件在其封闭位置中与相应屏蔽壁胶合。由此可锁止封闭元件的封闭位置，以防相应配置给封闭元件的通口意外打开。两个或更个多、尤其是所有封闭元件也可分别与相应屏蔽壁胶合。
根据另一种有利实施方式，至少一个封闭元件通过至少一个铰链与相应屏蔽壁连接。由此封闭元件可构造为活门，其借助铰链可枢转地支承在相应屏蔽壁上。两个或更个多、尤其是所有封闭元件也可分别通过一个或多个铰链与相应屏蔽壁连接。
根据另一种有利实施方式，所述铰链构造为薄膜铰链或由胶带构成。这些是铰链的简单、低成本且重量轻的实施方式。
根据另一种有利实施方式，至少一个排气单元具有至少一个爆裂膜。爆裂膜优选包括至少一个定义的预定断裂点或预定断裂线，当超过机械负荷极限值时，爆裂膜在该预定断裂点或预定断裂线处断开，从而爆裂膜破裂。借助爆裂膜可低成本且重量轻地实现排气单元。两个或更多个、尤其是所有排气单元也可分别具有至少一个爆裂膜。
根据本发明的、用于车辆的牵引电池包括至少一个根据前述实施方式之一或这些实施方式中的至少两种的任意组合的电池单元。
上面关于电池单元提到的优点也相应地与牵引电池有关。借助牵引电池可为车辆的至少一个电驱动单元供应电能。牵引电池也可包括两个或更多电池单元。
附图说明
下面参考附图借助优选实施例示例性阐述本发明，下面提到的特征可单独和彼此以不同的组合构成本发明的扩展方面。在附图中：
图1示出根据本发明的牵引电池的一种实施例的示意图；
图2示出根据本发明的牵引电池的另一种实施例的示意图。
具体实施方式
在附图中相同或功能相同的构件设有同一附图标记。
图1示出用于未示出车辆的、根据本发明的牵引电池1的一种实施例的示意图。该牵引电池1包括一个电池单元2。作为替代方案，牵引电池1可包括两个或更多个电池单元2，但这并未示出。
电池单元2包括多个电池单体3，在此每七个电池单体3组合成一个单体排4或5。在每个单体排4或5中各电池单体3通过间隔元件6彼此间隔开设置。单体排4的电池单体3与单体排5的电池单体3相邻设置。
每个电池单体3包括单体壳体7和设置在单体壳体7上的、用于使单体壳体7排气的排气单元8。至少一个排气单元8可具有至少一个未示出的爆裂膜。单体排4的电池单体3的排气单元8设置在这些电池单体3的朝向单体排5的电池单体3的一侧上，在此单体排4的电池单体3与单体排5的电池单体3相邻设置。单体排5的电池单体3的排气单元8设置在这些电池单体3的朝向单体排4的电池单体3的一侧上，在此单体排5的电池单体3与单体排4的电池单体3相邻设置。相应单体排4或5内的电池单体3串联连接，这未详细示出。
此外，电池单元2包括两个屏蔽单元9和10，它们设置在单体排4和5的电池单体3的相互面对侧之间或者说单体排4和5之间并且彼此间隔开。每个屏蔽单元9或10包括一个屏蔽壁11，该屏蔽壁具有与每个单体排4或5的电池单体3数量相应的数量的通口12以及相应数量的封闭元件13。至少一个屏蔽壁11可部分或完全由云母板(Glimmerplatte)构成。
相应屏蔽壁11的相应通口12与相应最靠近该屏蔽壁11和该通口12设置的电池单体3的排气单元8对齐设置。
相应封闭元件13在封闭位置中——在其中封闭元件13封闭相应通口12——设置在相应屏蔽壁11上，例如这针对屏蔽单元9的所有封闭元件13和屏蔽单元10的一些封闭元件13所示出。相应封闭元件13在释放位置中——在其中封闭元件13至少部分地释放相应通口12——部分地与相应屏蔽壁11分离，例如这针对屏蔽单元10的中间的封闭元件13所示出。每个封闭元件13可通过被加载朝向相应另一屏蔽单元9或10方向定向的力从封闭位置进入到释放位置中。
每个封闭元件13构造为活门。至少一个封闭元件13可部分或完全由云母板制成。至少一个封闭元件13可在其封闭位置中通过至少一个未示出的夹紧机构与相应屏蔽壁11连接。替代或附加地，至少一个封闭元件13可在其封闭位置中与相应屏蔽壁11胶合。在所示实施例中，每个封闭元件13通过至少一个未示出的铰链与相应屏蔽壁11连接，该铰链可构造为薄膜铰链或由未示出的胶带构成。
在所示实施例中，在单体排5的中间的电池单体3中发生内部短路16，由此电池单体3热逸溃。由此在电池单体3中产生热气体。从电池单体3的单体壳体7内达到一定内压起，排气单元8突然打开或者说电池单体3的该排气单元8的未示出的爆裂膜破裂。从单体壳体7经由排气单元8排出的气体14突然撞击到最靠近该打开的排气单元8设置的封闭元件13上。由此封闭元件13被加载朝向另一屏蔽单元9方向定向的力并且由此从其封闭位置进入到其所示的释放位置。因此从电池单体3排出的气体14可穿过屏蔽单元10，而单体排5的其它电池单体3都不被热气体14加载。由于屏蔽单元9的封闭元件13位于其封闭位置中，因此单体排4的电池单体3也不被热气体14加载。取而代之，热气体14仅根据箭头15流入屏蔽单元9和10之间的通道16中并且由此从电池单元2排出，而不引起电池单元2的其它电池单体3的热逸溃。
图2示出用于未示出车辆的、根据本发明的牵引电池17的另一种实施例的示意图。该牵引电池17包括一个电池单元18。作为替代方案，牵引电池17可包括两个或更多个电池单元18，但这并未示出。
电池单元18包括多个电池单体3，在此每五个电池单体3组合成一个单体排4，在图2中仅示出一个单体排4。另一未示出的单体排根据图1相对于单体排4设置。在每个单体排4内电池单体3通过间隔元件6彼此间隔开设置。单体排4的电池单体3与未示出的单体排的未示出的电池单体相邻设置。
每个电池单体3包括单体壳体7和设置在单体壳体7上的、用于使单体壳体7排气的排气单元8。每个排气单元8具有爆裂膜24。单体排4的电池单体3的排气单元8设置在这些电池单体3的朝向未示出的单体排的电池单体3的一侧上，在此单体排4的电池单体3与未示出的单体排的未示出的电池单体相邻设置。未示出的单体排的未示出的电池单体的排气单元8设置在这些电池单体的朝向单体排4电池单体3的一侧上，在此未示出的单体排的未示出的电池单体与单体排4的电池单体3相邻设置。相应单体排4内的电池单体3通过单体连接器19串联连接。
此外，电池单元18还包括两个屏蔽单元20，它们设置在单体排4的电池单体3的相互面对侧之间或者说单体排4之间并且彼此间隔开。在图2中仅示出一个屏蔽单元20。屏蔽单元20可根据图1相对于彼此设置。每个屏蔽单元20包括一个屏蔽壁21，该屏蔽壁在图2中为说明电池单元18的结构被透明示出，具有与每个单体排4的电池单体3数量相应的数量的通口22以及相应数量的封闭元件23。至少一个屏蔽壁21可部分或完全由云母板构成。
相应屏蔽壁21的相应通口22与相应最靠近该屏蔽壁21和该通口22设置的电池单体3的排气单元8对齐设置。
相应封闭元件23在封闭位置中——在其中封闭元件23封闭相应通口22——设置在相应屏蔽壁21上，例如这针对屏蔽单元20的四个外侧封闭元件23所示出。相应封闭元件23在释放位置中——在其中封闭元件23至少部分地释放相应通口22——完全与相应屏蔽壁21分离，例如这针对屏蔽单元20的中间封闭元件23所示出。每个封闭元件23可通过被加载朝向相应另一屏蔽单元20方向定向的力从封闭位置进入到释放位置中。
每个封闭元件23可构造为盖或活门。至少一个封闭元件23可部分或完全由云母板制成。至少一个封闭元件23可在其封闭位置中通过至少一个未示出的夹紧机构与相应屏蔽壁21连接。替代或附加地，至少一个封闭元件23可在其封闭位置中与相应屏蔽壁21胶合。替代或附加地，至少一个封闭元件23可通过至少一个未示出的铰链与相应屏蔽壁21连接，该铰链构造为未示出的薄膜铰链或由未示出的胶带构成。
附图标记列表
1 牵引电池
2 电池单元
3 电池单体
4 单体排
5 单体排
6 间隔元件
7 单体壳体
8 排气单元
9 屏蔽单元
10 屏蔽单元
11 屏蔽壁
12 通口
13 封闭元件
14 排出的气体
15 箭头(排出的气体的流动方向)
16 电池单体中的短路
17 牵引电池
18 电池单元
19 单体连接器
20 屏蔽单元
21 屏蔽壁
22 通口
23 封闭元件
24 爆裂膜

Claims (9)

1.用于车辆牵引电池(1、17)的电池单元(2、18)，所述电池单元包括至少两个彼此相邻设置的电池单体(3)，这些电池单体分别具有用于使其单体壳体(7)排气的至少一个排气单元(8)，所述排气单元(8)设置在电池单体(3)的相互面对侧上，其特征在于，设置有至少两个屏蔽单元(9、10、20)，这些屏蔽单元设置在电池单体(3)的相互面对侧之间并且彼此间隔开，每个屏蔽单元(9、10、20)具有一个屏蔽壁(11、21)，该屏蔽壁包括至少一个通口(12、22)和至少一个封闭元件(13、23)，相应的屏蔽壁(11、21)的通口(12、22)与相应最靠近该屏蔽壁(11、21)设置的电池单体(3)的排气单元(8)对齐设置，封闭元件(13、23)在封闭位置中完全设置在屏蔽壁(11、21)上且与屏蔽壁平行，并且封闭元件在释放位置中至少部分地与屏蔽壁(11、21)分离，在所述封闭位置中封闭元件(13、23)封闭通口(12、22)，在所述释放位置中封闭元件(13、23)至少部分地释放通口(12、22)，并且封闭元件(13、23)能通过被加载朝向相应另一屏蔽单元(9、10、20)定向的力而从封闭位置进入到释放位置中，其中，至少一个封闭元件(13、23)在其封闭位置中通过至少一个夹紧机构与相应的屏蔽壁(11、21)连接。
2.根据权利要求1所述的电池单元(2、18)，其特征在于，至少一个屏蔽壁(11、21)至少部分由云母板构成。
3.根据权利要求1所述的电池单元(2、18)，其特征在于，至少一个封闭元件(13、23)至少部分由云母板构成。
4.根据权利要求1所述的电池单元(2、18)，其特征在于，至少一个封闭元件(13、23)构造为活门。
5.根据权利要求1至4中任一项所述的电池单元(2、18)，其特征在于，至少一个封闭元件(13、23)在其封闭位置中与相应的屏蔽壁(11、21)胶合。
6.根据权利要求1至4中任一项所述的电池单元(2、18)，其特征在于，至少一个封闭元件(13、23)通过至少一个铰链与相应的屏蔽壁(11、21)连接。
7.根据权利要求6所述的电池单元(2、18)，其特征在于，所述铰链构造为薄膜铰链或由胶带制成。
8.根据权利要求1至4中任一项所述的电池单元(2、18)，其特征在于，至少一个排气单元(8)具有至少一个爆裂膜(24)。
9.用于车辆的牵引电池(1、17)，其特征在于，所述牵引电池包括至少一个根据权利要求1至8中任一项所述的电池单元(2、18)。
CN201780077409.5A 2016-12-15 2017-10-26 用于牵引电池的电池单元和牵引电池 Active CN110088933B (zh)

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