CN114069149A - 电池系统和具有电池系统的机动车 - Google Patents

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Abstract

一种电池系统(10)，具有多个布置在电池壳体(16)中的电池单体(12)，每个电池单体(12)的单体壳体(18)和/或电池壳体(16)具有至少一个排气开口(20)，气流可以沿着预定的排气路径(26)通过该排气开口释放到电池单体(12)和/或电池系统(10)的周围环境中。火花阻挡装置(24)防止火花和/或颗粒随着气流流到周围环境中并在环境中点燃气流。火花阻挡装置(24)在此还额外起到用于气流的热交换器的作用。火花阻挡装置被设计成使气流减速并沿着火花阻挡装置(24)的表面引导气流，从而气流至少在预定的持续时间内沿着表面流动。由此使从气流中提取热输出能量以使气流在释放到周围环境中时的温度值下降到比预定的温度限值低。

Description

电池系统和具有电池系统的机动车
技术领域
本发明涉及一种电池系统以及一种具有电池系统的机动车。
背景技术
在本发明的意义上，电池系统包括多个单独的电池单体，这些电池单体布置在电池系统的电池壳体中。各个电池单体可以构造为软包单体、棱柱形单体或圆形单体。上述类型的已知电池单体包括伽伐尼单体，其中，伽伐尼单体具有阳极和阴极，该阳极和阴极通过分隔件或分隔膜彼此电绝缘，并可以布置形成单体卷。所述单体卷被相应电池单体的单体壳体包围并且被埋入到电解质或电解质溶液中。这种电池单体可以提供在3伏特至5伏特之间、尤其3.5伏特至4.5伏特之间的电压。这种电池系统的多个电池单体可以串联和/或并联的方式电连接，以提供适合于为至少部分电驱动的机动车提供动力电能的电压和电流。
已知的是，伽伐尼单体内的单体故障或伽伐尼单体内的老化过程导致在相应的单体壳体的内部空间中产生气体。为了降低由于气体产生而提高的单体压力，已知的单体壳体和/或电池壳体具有排气开口或破裂开口，通过该排气开口和/或破裂开口，气体可以排放到电池单体和/或电池系统的周围环境中。根据所涉及的伽伐尼单体中主要存在的单体化学成分，气体在面对环境空气时的可燃性会增加。此外，单体化学性质会影响气体的温度。根据单体化学成分，气体温度可高达1500摄氏度。
为了防止由从外部进入单体壳体和/或电池壳体中的火焰点燃这种气体，文献GB1355831和文献WO 2013/128226 A1分别提出了火花阻挡装置/安全塞(Flammensperren)。
然而，从外面进入单体壳体的火焰点燃气体并不是唯一的问题。众所周知，在形成的气体中可能夹带颗粒和/或火花。如果这种带有颗粒和/或火花的气流与相对于电池环境或电池内部环境富含氧气的环境空气接触，则气流可能被夹带的火花点燃。作为这个问题的解决方案，文献EP 2 849 257A1提供了一种布置在排气开口处的火花阻挡装置，用于过滤气流中的火花。这里的缺点是，尽管气流在通过火花阻挡装置后可能被清除了火花和/或颗粒，但气流通常仍具有可能足以导致气流在与富含氧气的环境空气接触时突发自燃的温度。
发明内容
本发明的目的是，进一步提高开头所述类型的电池系统在气体逸出的情况下的运行安全性。
上述目的通过独立权利要求的主题实现。本发明的有利的改进方案通过从属权利要求、以下的说明以及附图来阐述。
通过本发明提供一种电池系统，该电池系统具有多个布置在电池壳体中的电池单体。每个电池单体具有至少部分地包围伽伐尼单体的单体壳体。换言之，每个电池单体包括至少一个伽伐尼单体，其中，该至少一个伽伐尼单体被单体壳体至少部分包围。电池单体可以是软包单体、棱柱形单体或圆形单体。电池系统的单体壳体和/或电池壳体具有至少一个排气开口，该排气开口被设计成，使气流沿着预定的排气路径从单体壳体和/或电池壳体的内部空间释放到电池单体的周围环境中和/或释放到电池系统的周围环境中。换言之，相应的电池单体的单体壳体和/或电池系统的电池壳体提供了机械上的和/或结构上的和/或材料上的薄弱部位，该薄弱部位在开头所述的产生气体的情况下使气体按照规定或预定的方式流出。对于排气开口布置在单体壳体的壳体壁中的情况，气流首先从电池单体释放到电池壳体的内部空间中。如果电池壳体也具有至少一个这种排气开口，则在电池壳体内部空间中的、从电池单体中逸出的气体也可以——特别是沿着预定的排气路径——被导引至电池壳体的该至少一个排气开口，并通过该排气开口释放到电池壳体的周围环境中。沿着排气路径布置有火花阻挡装置，该火花阻挡装置被设计成从气流中滤除或阻留火花和/或颗粒。
根据本发明，火花阻挡装置被设计成，除了承担所述过滤功能外，还承担热交换功能。换言之，火花阻挡装置被设计成以热交换器的方式起作用。为此，火花阻挡装置被如此设计，即火花阻挡装置使气流的流动速度相比于初始速度降低并因此使气流减速。附加地，火花阻挡装置还沿着火花阻挡装置的表面引导气流。这可以通过通道沿着表面实现，该通道一方面增大了表面，另一方面还向气流施加转向或引导作用。通过减速，使气流在预定的持续时间内被阻留在火花阻挡装置内部，从而在气流与火花阻挡装置的材料之间发生热交换。换言之，火法阻挡装置被设计成，降低气流的流动速度并沿着火花阻挡装置的表面引导气流，使得气流沿着表面流动至少达预定的持续时间。
根据本发明，持续时间、表面和降低的流动速度以如下方式彼此相协调，使得从气流中提取热输出能量以使气流在释放到周围环境中时的温度值下降到比预定的温度限值低。在此，特别是在火花阻挡装置的表面设计方面存在自由设计余地。表面对气流热能的热提取功率根据表面的几何形状和/或材料的选择而变化。例如，如果为表面选择高导热性的材料，则可以降低气流必须沿着表面流动的持续时间。由此，在尽可能好地利用现有的构造空间方面得到高度灵活性。
根据本发明，在火花阻挡装置的表面上和/或通过在火花阻挡装置内部的流动路径的长度进行热交换。由此有利地实现了，气流在与环境空气接触时温度降低到能防止气体自燃。由于与可能逸出的气体的自燃温度相关地确定火花阻挡装置的尺寸，因此不需要主动地调节热交换。即，可以取消在释放到周围环境中之前对气体的温度测量，这是因为通过火花阻挡装置的设计确保了气体在逸出到周围环境中时被冷却到或已经被冷却到比气体的相应的自燃温度低的值。由此得到的优点是，可以特别低磨损地并可靠地运行整个热交换系统。
本发明还包括产生附加优点的实施方式。
一个实施方式提出，伽伐尼单体包括具有预定的化学成分的电解质，其中，预定的温度限值是根据化学成分中的至少一个单体化学参数来确定的。例如，化学组成可以描述镍:锰:钴的比例。例如，该比例可以是8:1:1。根据所述各元素含量彼此间的比例，从这种伽伐尼单体中排放的气流可能会得出不同的自燃温度。因此，根据所使用的电解质，可能会出现不同的温度限值，其中，通过具有热交换功能的火花阻挡装置的设计，确保了气流在释放到电池系统的周围环境中时低于各自的温度限值。
另一实施方式提出，火花阻挡装置至少局部地具有带有开放的孔隙的海绵结构，其中，所述开放的孔隙被设计用于使气流从孔隙中流过。因此，所述火花阻挡装置能够至少局部地由发泡的材料、例如发泡的玻璃来形成。特别是陶瓷和/或玻璃陶瓷的材料可以这样发泡，使得该材料提供可由气流流过的开放的孔隙。由此产生火花阻挡装置的特别简单制造的优点。
根据另一实施方式，火花阻挡装置至少局部地具有由基于玻璃纤维的和/或陶瓷材料制成的织物。
另选地或附加地，火花阻挡装置可以至少局部地具有定向的和/或非定向的纤维，例如玻璃纤维。这种类型的纤维可以编织形成框架，从而可以提供有序的织物或至少局部无序的无纺布。
根据一个特别有利的实施方案，火花阻挡装置至少局部地由金属丝编织而成。金属丝与其周围的材料相比可以具有更高的导热性，通过该金属丝可以将气流的热能以有针对性的方式或在空间上受限制的方式沿火花阻挡装置导出。附加地，金属丝为火花阻挡装置给予了更大的机械强度，从而可以有利的方式特别有效地吸收气流中的颗粒和/或火花的动能。例如，可以提供由金属丝制成的网状织物，其中在织网内可以布置例如上述发泡材料和/或至少局部地布置由玻璃纤维制成的无纺布。
另一实施方式提出，火花阻挡装置布置在单体壳体和/或电池壳体的背离环境的一侧和/或面向环境的一侧上。换言之，火花阻挡装置可以布置在相应的壳体内部或壳体外部，或者关于相应的壳体壁布置在两侧。由此产生的优点是，火花阻挡装置可以根据现有的结构空间灵活地布置。
优选至少一个排气开口能够通过破裂元件被封闭，其中破裂元件例如可以被设计为破裂膜或破裂片。由此得到的优点是，在气流撞到火花阻挡装置上之前，通过破裂元件可以至少部分地拦截动能。
此外，本发明涉及一种具有根据本发明的电池系统的机动车。
本发明还包括根据本发明的机动车的改进方案，所述改进方案具有如已经结合根据本发明的电池系统的改进方案描述的特征。出于这个原因，在此不再描述根据本发明的机动车的相应的改进方案。
根据本发明的机动车优选设计为汽车，尤其是轿车或载重汽车，或设计为乘用巴士或摩托车。
本发明还包括所描述的实施方式的特征的组合。
附图说明
下面描述本发明的实施例。为此示出：
图1示出电池单体的根据本发明的实施方式的示意图，该电池单体具有在电池壳体内部的火花阻挡装置和排气开口；
图2示出在电池系统壳体内部的电池单体布置结构的根据本发明的实施方式的示意图，该电池系统壳体具有彼此相对地布置的排气开口。
具体实施方式
下面说明的实施方案是本发明的优选实施方式。在实施例中，所描述的实施例的各部分分别是本发明的可以彼此独立地考虑的特征，这些特征也彼此独立地改进本发明。因此，本公开还应包括实施方式的特征的除所示组合以外的组合。此外，所述实施方式也可以通过本发明的其他已描述的特征来补充。
在附图中，相同的附图标记表示具有相同功能的元件。
图1示出电池系统10的局部的示意性横剖面图。电池系统10的所示局部示出了电池单体12，该电池单体布置在电池系统10的电池壳体16的内部空间14中。电池单体12具有单体壳体18，其中在单体壳体18中提供了排气开口20。在排气开口20与侧门槛/侧界壁(Seitenschweller)22之间布置有火花阻挡装置24。
如果电池单体12的未详细示出的伽伐尼单体出现漏气或排气，则气流可以沿着在图1中通过箭头26示出排气路径分散。如果由于排气导致单体内压升高，则气体可以通过排气开口20排出，其中，气体在排出后在进入电池壳体16的内部空间14之前流过火花阻挡装置24。以所述方式不仅可以在火花阻挡装置24中从气流过滤火花和/或颗粒，而且可以进行热交换，该热交换导致气流温度在进入内部空间14中时低于预定的温度限值。
参照结合图1示出和描述的部件，图2示出了具有电池系统10的机动车28。在图2中示出了多个电池单体12，这些电池单体布置在电池系统10的电池壳体16内。为了清楚起见，仅在右外侧的电池单体12设有附图标记。此外，在图2中示意性地借助于箭头示出了排气路径26。在气体从电池单体12中的一个或多个中排出的情况下，排出的气体可以沿着排气路径26在该电池系统10的电池壳体16内散布或分散或被引导。在图2中示出电池壳体16的两个位于边缘地并且彼此对置地布置的排气开口20。在每个排气开口20处都可以设有火花阻挡装置24。火花阻挡装置24能够以如上述的方式一方面从气流中阻留颗粒和/或火花，另一方面可以用作热交换器，以便在气流从电池外壳16排出之前将气流的温度降低至预定的温度限值以下。
在电池系统中会由于在一个单体中的故障情况而导致该单体排气。如果该气体混合物是可燃的，则存在在环境空气中自燃的可能性。原则上，根据“燃烧三要素(Branddreieck)”，气体混合物能够燃烧，必须存在三个主要条件：足量的燃料(还原剂)、足量的氧气(氧化剂)、足够的点火能量。由于气体排放，可能导致炽热的颗粒和/或火花从电池单体中喷出，所述颗粒和/或火花可能足以作为点火能量。
本发明的构思的一部分是，在气体混合物与电池外部的空气氧气混合之前，使点火源(炽热的颗粒和/或火花)与气体混合物分离。如果气体混合物由于其温度而不能自燃，那么由此根据燃烧三要素，由于不存在点火源，所以已经不能实现点火。
所述颗粒/火花阻挡装置可以至少局部地包括网状的、透气的支架。支架具有两个主要的作用：必须能够吸收颗粒和/或火花的动能(机械减速)并且必须能够吸收颗粒和/或火花的热能(热屏障)。相应地，根据火花和/或颗粒的动力学和/或热学特性，支架材料必须是机械上耐受的和/或耐热的。陶瓷和/或玻璃陶瓷材料特别适合于此。支架可以选择性地由玻璃纤维编织而成，玻璃纤维形成有序的织物和/或至少局部地形成无序的无纺布。
所介绍的排气方案包括4个层面：
-在单体层面上的排气，
-在混合单体层面(也称为双单体模块或单体组)上的排气，
-在电池系统层面上的排气，以及
-从电池系统向周围环境的排气。
在单体层面上的排气：
如果在软包单体内部出现故障，该故障导致在该单体中产生气体，则因此可导致气体从该电池单体中流出。单体故障理论上可以出现在(伽伐尼)单体内的单体卷内的任何位置上。在软包单体中，这种排气通常在焊缝的区域中在任意部位上进行。根据在电池系统中在单体组内的机械支承，可以向单体上施加压力，该压力影响单体的气体开口。
在混合单体层面上的排气：
在混合单体中软包单体的排气可以沿着焊缝进行。从单体的侧面区域开始，单体气体可以在混合单体的钢壳体中一直沿着流动到破裂区域。在破裂开口触发或打开之后，单体气体能够以限定方式从混合单体的壳体中流出。
在电池系统层面上的排气：
在电池系统内部，气体从混合单体经由支撑元件(例如I型支撑件)流入气体通道中，该气体通道可以至少局部地由钢制成。在气体通道内可以存在如下材料(优选由玻璃纤维制成的织物)，该材料可以吸收在单体排气时可能产生的火花和/或颗粒。这种火花阻挡装置可以防止单体气体在电池系统外部的可能的燃烧。该气体空间与电池系统中的电结构空间分离。
从电池系统向周围环境的排气：
气体通道可以在电池系统壳体上具有破裂元件，当通过流入的单体气体的压力足够高时，破裂元件触发。在单体气体流入到排气通道中之后，单体气体可以被转向并且因此朝破裂元件的方向流动。单体气体可以穿过破裂元件到达周围环境。
总之，该想法是以防止点火能量为基础。为了实现这一点，气体温度不能太高以至于尽管滤掉了火花和/或颗粒仍会在与环境空气混合期间自燃。这可以通过选择单体化学成分或者也可以通过在进入环境空气之前有针对性地散热来调整。
总之所述示例表明如何能够为高压电池系统提供具有热交换功能的火花阻挡装置。

Claims (10)

1.一种电池系统(10)，具有多个布置在电池壳体(16)中的电池单体(12)，其中，每个电池单体(12)具有至少部分地包围伽伐尼单体的单体壳体(18)，其中，单体壳体(18)和/或电池壳体(16)具有至少一个排气开口(20)，该排气开口被设计成，使气流沿着预定的排气路径(26)从单体壳体(18)和/或电池壳体(16)的内部空间(14)排放到电池单体(12)和/或电池系统(10)的周围环境中，其中，火花阻挡装置(24)沿着预定的排气路径(26)布置并被设计成，从气流中滤除火花和/或颗粒，
其特征在于，
火花阻挡装置(24)被设计成，使气流的流动速度相比于初始速度降低并沿着火花阻挡装置(24)的表面引导气流，从而气流至少在预定的持续时间内沿着表面流动，其中，持续时间、表面和降低的流动速度以如下方式彼此相协调，使得从气流中提取热输出能量以使气流在释放到周围环境中时的温度值下降到比预定的温度限值低。
2.根据权利要求1所述的电池系统(10)，其特征在于，伽伐尼单体包括具有预定的化学成分的电解质，其中，预定的温度限值是根据化学成分中的至少一个单体化学参数来确定的。
3.根据前述权利要求中任一项所述的电池系统(10)，其特征在于，火花阻挡装置(24)至少局部地具有带有开放的孔隙的海绵结构，其中，所述开放的孔隙被设计用于使气流从孔隙中流过。
4.根据前述权利要求中任一项所述的电池系统(10)，其特征在于，火花阻挡装置(24)至少局部地具有由基于玻璃纤维的材料和/或陶瓷材料制成的织物。
5.根据前述权利要求中任一项所述的电池系统(10)，其特征在于，火花阻挡装置(24)至少局部地具有定向的和/或非定向的纤维。
6.根据前述权利要求中任一项所述的电池系统(10)，其特征在于，火花阻挡装置(24)至少局部地由金属丝编织而成。
7.根据前述权利要求中任一项所述的电池系统(10)，其特征在于，火花阻挡装置(24)布置在单体壳体(18)和/或电池壳体(16)的背离环境的一侧上和/或面向环境的一侧上。
8.根据前述权利要求中任一项所述的电池系统(10)，其特征在于，排气开口(20)能够通过破裂元件被封闭。
9.根据权利要求8所述的电池系统(10)，其特征在于，破裂元件被设计为破裂膜或破裂片。
10.一种具有根据权利要求1至9中任一项所述的电池系统(10)的机动车(28)。
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