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HINTERGRUND DER ERFINDUNG
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(a) Gebiet der Technik
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Die vorliegende Erfindung betrifft eine Technik zum Schützen eines Batteriepacks, bei welcher ein Isolierfolienelement und ein Lagerelement in einem Gehäuse installiert sind, welches den Batteriepack umgibt, und das Isolierfolienelement dazu konstruiert ist, um das Lagerelement herumgewickelt zu werden, welches in dem Gehäuse fest eingebaut ist, so dass es von dem Lagerelement abgewickelt werden kann.
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(b) Beschreibung der zugehörigen Technik
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Das Hochvoltsystem eines hybridelektrischen Fahrzeugs (HEF), eines elektrischen Plug-In Hybrid-Elektrofahrzeugs (PHEF) oder eines Elektrofahrzeugs (EF) besteht aus einer Hochvolt-Batterie, einem Inverter, einem DC/DC-Wandler für Niederspannung (LDC), einem elektromotorischen Kompressor und einem Hochspannungsmotor (1). Um typische elektrische und elektronische Komponenten außer diesen Hochspannungskomponenten anzutreiben, wird eine Zusatzbatterie (zum Beispiel eine 12 V Blei-Säure-batterie) verwendet.
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Um die energetischen und kapazitiven Anforderungen zu erfüllen, sind ein Batteriezellenstapel und ein Modul auf einem eingeschränkten Raum des HEF, PHEF oder EF vorgesehen. Es gibt jedoch keinen räumlichen Spielraum zwischen den Batteriezellen, mit Ausnahme von einem Kühlungskanal, es gibt auch keinen Spielraum zwischen den Batterien, ungeachtet ihrer seriellen oder parallelen Verbindung miteinander.
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Mit der elektrischen Motorisierung des HEF, PHEF oder EF wird der Raum zum Montieren der Batterie begrenzt. Somit wurde das Montieren der Batterie in einer Reserveradmulde überlegt, einem toten Raum, welcher für gewöhnlich zum Lager eines Reifens und von Werkzeugen verwendet wird. Wenn die Batterie in der Reserveradmulde installiert ist, dann besteht jedoch die Möglichkeit, dass die Batterie von einem scharfen Gegenstand oder einem Träger bei einem Heckaufprall durchstochen wird. Auf diese Art und Weise gibt es bei dieser Unterbringung Sicherheitsfragen (2). Im Detail, wenn ein Gegenstand, zum Beispiel ein Nagel, einen Batteriepack durchstößt, dann werden die Batteriezellen durchstoßen und verursachen auf diese Art und Weise einen Kurzschluss.
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Die in diesem Abschnitt zur Beschreibung des Hintergrunds offenbarten obigen Informationen dienen nur zur Erleichterung des Verständnisses des Hintergrunds der Erfindung und können deshalb Informationen enthalten, die keinen Stand der Technik bilden, welche dem Fachmann in diesem Land bereits bekannt sind.
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ZUSAMMENFASSUNG DER ERFINDUNG
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Die vorliegende Erfindung verhindert einen Kurzschluss zwischen Zellen eines Batteriepacks, wenn der Batteriepack von einem scharfen Gegenstand, zum Beispiel einem Nagel, aufgrund von einem Heckaufprall durchstoßen wird. Insbesondere ist eine Vorrichtung mit einem Isolierfolienelement und einem Lagerelement in einem Gehäuse installiert, welches den Batteriepack umgibt und mit einem Isolierfolienelement konfiguriert ist, welches um das Lagerelement herumgewickelt ist, welches in dem Gehäuse fest eingebaut ist, so dass es von diesem abgewickelt werden kann, falls notwendig, um einen Kurzschluss zu verhindern, welcher von einem leitenden Gegenstand verursacht wird, welcher in den Batteriepack eindringt. Somit stellt die beispielhafte Ausführungsform der vorliegenden Erfindung die Sicherheit des Batteriepacks sicher.
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Gemäß einem Aspekt der vorliegenden Erfindung wird eine Vorrichtung für das Schützen eines Batteriepacks zur Verfügung gestellt, welche aufweist: ein Gehäuse, welches den Batteriepack umgibt; und ein Isolierfolienelement und ein Lagerelement, welche in dem Gehäuse installiert sind. Das Isolierfolienelement ist um das Lagerelement herumgewickelt, welches in dem Gehäuse fest eingebaut ist, so dass es von diesem abgewickelt werden kann.
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Die vorliegende Erfindung verhindert einen Kurzschluss zwischen Zellen eines Batteriepacks, wenn ein scharfer Gegenstand den Batteriepack durchstößt und penetriert, als ein Ergebnis des Fahrzeugs, welches sich in einem Unfall befindet.
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Gemäß beispielhafter Ausführungsformen können das Isolierfolienelement und das Lagerelement in dem Gehäuse installiert sein, und das Isolierfolienelement kann um das Lagerelement herumgewickelt werden, welches in dem Gehäuse fest eingebaut ist, so dass es abgewickelt werden kann. Das Isolierfolienelement kann aus einem Fasermaterial oder einem Kunstharzmaterial von einem elastischen Isolator ausgebildet sein und kann herumgewickelt oder gefaltet an dem Lagerelement sein, welches in dem Gehäuse fest eingebaut ist, so dass es abgewickelt werden kann.
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Gemäß beispielhafter Ausführungsformen kann das Isolierfolienelement dazu eingerichtet sein, um in eine Vielzahl von Komponenten geteilt zu werden und kann auf allen Flächen installiert sein, das heißt, den Vorderseiten und den Rückseiten, den Oberseiten und den Unterseiten, den linken Flächen und den rechten Flächen, von dem Inneren des Gehäuses.
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Gemäß beispielhafter Ausführungsformen kann der Batteriepack ein Batteriepack eines hybridelektrischen Fahrzeugs (HEF), eines elektrischen Plug-In Hybrid-Elektrofahrzeugs (PHEF) oder eines Elektrofahrzeugs (EF) sein.
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Die Merkmale und Vorteile der vorliegenden Erfindung werden wie folgt zusammengefasst.
- (1) Die Vorrichtung zum Schützen eines Batteriepacks ist dadurch gekennzeichnet, dass ein Isolierfolienelement und ein Lagerelement in einem Gehäuse installiert sind, welches den Batteriepack umgibt, und dass das Isolierfolienelement um das Lagerelement herumgewickelt ist, welches in dem Gehäuse fest eingebaut ist, so dass es abgewickelt werden kann.
- (2) Die Vorrichtung zum Schützen eines Batteriepacks verhindert einen Kurzschluss, welcher von einem leitenden Gegenstand verursacht wird, welcher in eine in einem HEF, PHEF oder EF verwendete Hochleistungsbatterie eindringt, so dass es Entzünden und Rauch daran hindern kann, von der Batterie erzeugt zu werden.
- (3) Die Vorrichtung zum Schützen eines Batteriepacks ist dazu eingerichtet, um eingebaut zu werden, ohne dabei ein großes Volumen eines Batteriefachs des HEF, PHEF oder EF in einer Reserveradmulde einzunehmen, so dass die Batterie innerhalb einer räumlichen Begrenzung montiert werden kann und im Falle einer Kollision für Sicherheit sorgt.
- (4) Die Vorrichtung zum Schützen eines Batteriepacks kann auf alle Fahrzeuge zusätzlich zu dem HEF, PHEF oder EF angewandt werden, welche einen Batteriepack verwenden.
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KURZBESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGEN
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Die obigen und andere Aufgaben, Merkmale und Vorteile der vorliegenden Erfindung werden deutlicher aus der folgenden detaillierten Beschreibung verstanden, wenn sie in Verbindung mit den beigefügten Zeichnungen gesehen werden, bei denen:
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1 die herkömmliche Konfiguration eines Hochvoltsystems für ein HEF, ein PHEF oder ein EF zeigt;
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2 zeigt schematisch, wie ein physikalischer Stoß auf ein Batteriesystem aufgebracht wird;
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3 ist eine perspektivische Ansicht, welche eine Batterie zeigt, die eine Vorrichtung zum Schützen eines Batteriepacks gemäß einer beispielhaften Ausführungsform der vorliegenden Erfindung besitzt;
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4 ist eine Draufsicht, welche die Batterie zeigt, welche die Vorrichtung zum Schützen eines Batteriepacks gemäß der beispielhaften Ausführungsform der vorliegenden Erfindung besitzt;
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5 zeigt wie die Batterie, welche die Vorrichtung zum Schützen eines Batteriepacks gemäß der beispielhaften Ausführungsform der vorliegenden Erfindung besitzt, Schutz gegen das Eindringen eines Nagels bietet;
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6 ist ein Bild, welches einen Nageltest zeigt;
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7 zeigt schematisch einen Prozess des Eindringens eines Nagels einer Zelle eines Batteriemoduls und das Anpassen der Zelle daran; und
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8 ist ein Bild, welches eine Batterie zeigt, welche von einem Batteriepack entzündet wurde, der von einem Nagel penetriert wurde.
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AUSFÜHRLICHE BESCHREIBUNG VON AUSFÜHRUNGSFORMEN
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Nachstehend wird nun detaillierter auf beispielhafte Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung Bezug genommen, mit Bezugnahme auf die beigefügten Zeichnungen. Diese Ausführungsformen sind lediglich dazu vorgesehen, um als Veranschaulichungen zu dienen, welche die vorliegende Erfindung an Hand eines Beispiels erläutern. Aus diesem Grund wird es für den Fachmann offensichtlich sein, dass der Schutzumfang der vorliegenden Erfindung nicht von diesen Ausführungsformen beschränkt ist.
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Es versteht sich, dass der Ausdruck ”Fahrzeug” oder „Fahrzeug ...” oder andere ähnliche Ausdrücke, wie sie hierin verwendet werden, Kraftfahrzeuge im Allgemeinen mit einschließt, wie zum Beispiel Personenkraftwagen einschließlich allradangetriebene Offroader (SUV), Busse, Lastwagen, unterschiedliche Nutzfahrzeuge, Wasserfahrzeuge einschließlich eine Vielzahl von Booten und Schiffen, Flugzeuge und dergleichen, und dieser schließt Hybridfahrzeuge, Elektrofahrzeuge, Plug-in Hybrid Elektrofahrzeuge, wasserstoffangetriebene Fahrzeuge und andere Fahrzeuge mit alternativem Kraftstoff (zum Beispiel Kraftstoffe, die aus Ressourcen mit Ausnahme von Erdöl erzeugt wurden) ein. Wie hierin Bezug genommen, ist ein Hybridfahrzeug ein Fahrzeug, das zwei oder mehrere Kraftquellen besitzt, zum Beispiel sowohl mit Benzin angetriebene als auch elektrisch angetriebene Fahrzeuge.
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Eine Vorrichtung zum Schützen eines Batteriepacks gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung wird unten stehend im Detail mit Bezugnahme auf die beigefügten Zeichnungen beschrieben werden.
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Die Vorrichtung zum Schützen eines Batteriepacks 50 ist derart konfiguriert, so dass ein Isolierfolienelement 30 und ein Lagerelement 40 in einem Gehäuse 20 installiert sind, welches einen Batteriepack 10 umgibt, und dass das Isolierfolienelement 30 um das Lagerelement 40 herumgewickelt ist, welches in dem Gehäuse 20 fest eingebaut ist, so dass es von dem Lagerelement 40 abgewickelt werden kann.
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Wie aus 3 ersichtlich, sind in Übereinstimmung mit einer beispielhaften Ausführungsform das Isolierfolienelement 30 und das Lagerelement 40 der Vorrichtung zum Schützen eines Batteriepacks 50 in dem Gehäuse 20 installiert, und das Isolierfolienelement 30 ist um das Lagerelement 40 herumgewickelt, welches fest in dem Gehäuse 20 eingebaut ist, so dass es von diesem abgewickelt werden kann.
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Wenn ein physikalischer Stoß auf den Batteriepack aufgebracht wird (zum Beispiel weil ein Elektrofahrzeug, welches den Batteriepack 10 besitzt, in eine Kollision verwickelt war), und insbesondere wenn ein leitender Gegenstand 60, wie zum Beispiel ein Nagel, ein Batteriegehäuse oder eine Leitung penetriert, dann gibt es die Möglichkeit, dass die Batteriezellen stetig miteinander verbunden werden, und dabei einen externen Kurzschluss bilden. Auf diese Art und Weise hindert die Vorrichtung zum Schützen eines Batteriepacks 50 grundsätzlich den externen Kurzschluss daran, zu einem Entzünden zu führen.
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Das Isolierfolienelement 30, welches in dem Gehäuse 20 installiert ist, welches den Batteriepack 10 umgibt, weist eine Elastizität auf, welche Stöße von außen absorbieren kann, und sollte elektrisch nicht leitend sein und deren Gestalt sollte verbiegbar verformt werden können. Vorzugsweise ist das Isolierfolienelement 30 aus einem Faser- oder einem Kunstharzmaterial gebildet, welches als ein elastischer Isolator wirkt.
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Als eine weitere beispielhafte Ausführungsform kann das Fasermaterial des elastischen Isolators ein Gewebe sein, welches zumindest aus einem aus einer Gruppe ausgewählt wird, welche aus Karbonfasern, Glasfasern und langen Aramid-Fasern besteht. Das Gewebe ist dadurch gekennzeichnet, dass es in einem zickzackförmigen Muster gewebt ist. Der Ausdruck Aramid ist ein generischer Name von aromatischen Polyamid Geweben und wird in zwei Arten eingeteilt. Eine von zwei Arten ist ein Typ meta und der andere ist ein Typ para. Der Type meta besitzt einen Schmelzpunkt von 320 Grad Celsius, eine ausgezeichnete Widerstandsfähigkeit gegen Wärme, Feuerbeständigkeit, und eine Schwerentflammbarkeit, und wird somit in Flugzeugen, bei Sicherheitsbekleidung, Filter für die Industrie und so weiter eingesetzt. Der Typ para weist eine hohe Festigkeit auf, einen hohen Schmelzpunkt von 570 Grad Celsius und mehr, und einen hohen E-Modul, und wird somit für leichte Verbundwerkstoffe für ein Flugzeug, industrielle Werkstoffe, wie zum Beispiel Reifencords, und so weiter eingesetzt. Die Aramid-Faser ist stärker als eine Stahlfaser und ist ausgezeichnet bezüglich der Biegebeständigkeit und Temperaturbeständigkeit. Somit ist es bei der vorliegenden Erfindung bevorzugt, die Art von Aramid-Faser in Übereinstimmung mit der Verwendung einer Struktur auszuwählen, auf welche diese angewandt wird.
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Die Aramid-Fasern sind fünfmal so stark wie Stahl mit demselben Gewicht, und sie brennen bei 500 Grad Celsius nicht. Die Aramid-Fasern werden in unterschiedlichen industriellen Gebieten eingesetzt, wie zum Beispiel hoch-funktionellen Werkstoffen, die eine hohe Chemikalienbeständigkeit zeigen, Hochleistungsreifen, Schläuche, Verstärkungen für optische Kabel, kugelsichere Materialien, etc., aufgrund ihrer hohen Verschleißfestigkeit, geringem Gewicht und einfachen Verarbeitung. Es wird erwartet, dass die Aramid-Fasern erheblich zu einer Verringerung des Materialgewichts anstelle von Stahl beitragen sollen, und es wird erwartet, dass sie industrielle Werkstoffe wirksam ersetzen sollen, die eine Verschmutzung verursachen, wie zum Beispiel Asbest, Glasfaser, etc., welche schrittweise auf der ganzen Welt reguliert sind.
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Als eine weitere beispielhafte Ausführungsform ist das Kunstharzmaterial des elastischen Isolators ein elastischer Polymer, welcher auf einem oder beiden von Thermoplasten und Duroplasten basiert. Hier weist das Duroplast zumindest einen ausgewählt aus Epoxidharz, Phenolharz, Polyimid-Harz und Polyesterharz auf. Des Weiteren weist der Thermoplast zumindest einen ausgewählt aus Polyolefin, Polyester, Polyamid, Polyacryl, Polycarbonat, Polysulfon, Polyamidimid, Polyetherimid, Polyetherketone, Polyethersulfone und Polyphenylsulfid auf.
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Der Ausdruck „elastisches Polymer” wie hierin verwendet, bezieht sich auf einen polymeren Werkstoff, welcher in der Länge zunehmen kann, wenn er von einer externen Kraft gedrückt oder gezogen wird, und wieder auf die ursprüngliche Länge zurückkehren kann, wenn die externe Kraft weggenommen wird. Die Arten von Werkstoffen werden für gewöhnlich ein Elastomer genannt. Ein repräsentatives Beispiel für ein elastisches Polymer ist vulkanisierter Kautschuk, welcher ein elastischer Gummi genannt wird. Der Grund dafür, dass ein elastisches Polymer durch die Anwendung einer Kraft gelängt wird, liegt darin, dass lange lineare Polymerketten gleiten, um die gesamte Länge zu vergrößern. Da jedoch Brücken (zum Beispiel bei dem vulkanisierten Kautschuk, -S-S-Brücken) vernetzt sind, kehren verformte Brücken in ihren ursprünglichen stabilen Zustand durch eine molekulare Bewegung zurück, wenn die aufgebrachte Kraft weggenommen wird.
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Als noch eine weitere Ausführungsform kann das Isolierfolienelement 30 alternativ an dem Lagerelement 40 gefaltet sein, welches fest in dem Gehäuse eingebaut ist, so dass es abgewickelt werden kann.
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Wenn das Isolierfolienelement 30 um das Lagerelement 40 herumgewickelt ist, so dass es abgewickelt werden kann, dann bezieht es sich auf eine Ausführungsform vom Typ des Aufrollens. Die Ausführungsform vom Typ des Aufrollen bedeutet, dass wenn das Isolierfolienelement 30 um eine Rolle herumgewickelt ist und einem externen Stoß ausgesetzt ist, zum Beispiel in dem es von einem Gegenstand 60 penetriert wird, wie zum Beispiel einem Nagel, dann wird das Isolierfolienelement 30 von der Rolle in Übereinstimmung mit der aufgebrachten Kraft des eingeschlossenen Gegenstands 60 abgewickelt, und schützt auf diese Art und Weise die Zellen des Batteriepacks 10 davor, dass sie mit dem Gegenstand 60 in Kontakt kommen.
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Wenn das Isolierfolienelement 30 an dem Lagerelement 40 gefaltet ist, dann ist das Isolierfolienelement 30 in einer gewellten Gestalt gefaltet. Diese Struktur bedeutet, dass wenn das Isolierfolienelement 30 einem externen Stoß ausgesetzt ist, zum Beispiel in dem es von einem Gegenstand 60 in einem gefalteten Zustand penetriert wird, wie zum Beispiel einem Nagel, dann entfaltet sich das Isolierfolienelement 30 und wird zusammen mit dem eingeschlossenen Nagel 60 gedehnt, und schützt auf diese Art und Weise die Zellen in dem Batteriepack 10.
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Als noch eine weitere Ausführungsform kann das Isolierfolienelement 30 dazu eingerichtet sein, um in eine Vielzahl von Komponenten geteilt zu sein. Das heißt, das Lagerelement 40, welches das Isolierfolienelement 30 festhält und lagert, kann dazu eingerichtet sein, in eine Vielzahl von Komponenten in Übereinstimmung mit einer Struktur des Gehäuses 20 geteilt zu sein. Zum Beispiel, wenn das Gehäuse 20 eine sechsflächige Gestalt aufweist, dann sind die Lagerelemente 40 paarweise für gegenüber liegende Enden von einer Fläche des Gehäuses installiert. Auf diese Weise sind die Lagerelemente 40 angrenzend an die gegenüber liegenden Enden von vier Flächen des sechsflächigen Gehäuses 20 installiert, so dass das Isolierfolienelement 30 dazu eingerichtet sein kann, um dementsprechend geteilt zu sein. Je enger der Abstand zwischen den Lagerelementen 40, welche an jeder Ecke des Gehäuses eingebaut sind, wird, desto größer wird das geschützte Gebiet des Batteriepacks 10, welcher von einem Gegenstand 60 geschützt ist.
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Das Isolierfolienelement 30 kann an Vorder- und Rückseiten, Ober- und Unterseiten, und linken und rechten Seiten der Innenseite des Gehäuses 20 installiert sein. Dies stellt sicher, dass der Batteriepack in allen Richtungen geschützt ist. Des Weiteren ist die vorliegende Erfindung durch das Installieren des Isolierfolienelements 30 auf diese Art und Weise in der Lage, den Batteriepack 10 vor einem externen physikalischen Stoß zu schützen, sogar wenn die Gestalt des Batteriegehäuses 20 variiert. Aufgrund der Installation von diesem Isolierfolienelement 30 ist es somit möglich, den Batteriepack 10 vor einer vertikalen und horizontalen Durchdringung des Gegenstands 60 zu schützen.
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4 ist eine Draufsicht, welche eine Batterie zeigt, bei welcher die Vorrichtung zum Schützen eines Batteriepacks 50 eingebaut ist. 5 zeigt, wie die Vorrichtung zum Schützen eines Batteriepacks 50 arbeitet, wenn ein Gegenstand 60, wie zum Beispiel ein Nagel, eine Batterie penetriert. Bezugnehmend auf 5, wenn ein physikalischer Stoß von einem Gegenstand 60, wie zum Beispiel einem Nagel, aufgebracht wird, dann wird das Isolierfolienelement 30, welches aus einem Isolator ausgebildet ist, welcher Elastizität und Biegsamkeit besitzt, von dem Lagerelement 40 mit dem eingeschlossenen Gegenstand 60 abgewickelt, und schützt auf diese Art und Weise die Batteriezellen und verhindert einen Kurzschluss durch das Verformen zwischen den Zellen.
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Der Batteriepack 10 bezieht sich auf Batteriepacks 10 von sämtlichen Fahrzeugen, welche Elektrizität als eine Antriebsquelle zu verwenden, und vorzugsweise auf einen Batteriepack 10 eines hybridelektrischen Fahrzeugs (HEF), eines elektrischen Plug-In Hybrid-Elektrofahrzeugs (PHEF) oder eines Elektrofahrzeugs (EF). Das heißt, die Vorrichtung zum Schützen eines Batteriepacks 50 kann auf sämtliche Fahrzeuge angewandt werden, welche den Batteriepack 10 besitzen, aber vorzugsweise zumindest auf das HEF, PHEF oder EF. Die Batterie, welche die Vorrichtung zum Schützen eines Batteriepacks 50 besitzt, ist in einer Reserveradmulde des HEF, PHEF oder EF, etc. montiert, so dass die Batterie innerhalb einer speziellen räumlichen Begrenzung montiert sein kann und im Falle einer Kollision sicher ist.
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6 ist ein Bild, welches einen Nageltest zeigt, der bei der Durchdringung eines Nagels in eine Batterie durchgeführt wird. Der Nageltest durchdringt eine Batterie mit einer vorbestimmten Geschwindigkeit unter Verwendung eines spitzen Gegenstands, verursacht vorsätzlich einen internen Kurzschluss, bei welchem positive und negative Elektroden miteinander verbunden sind, und beobachtet die Entzündung und die Explosion der Batterie.
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Bezugnehmend auf 7, ist dargestellt, dass der Gegenstand 60 (in diesem Fall ein Nagel) die sechsten und siebten Zellen eines Moduls durchdringt. In dem Fall, bei dem die Vorrichtung zum Schützen eines Batteriepacks 50 nicht vorgesehen ist, durchdringt der Nagel 60 ein oberes Ende der sechsten Zelle, und fährt dann in einem verschiedenen Winkel zu der siebten Zelle fort. Somit beschränkt die vorliegende Erfindung ebenfalls die Durchdringung des Gegenstands in dem Batteriepack auch.
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Bezugnehmend auf 8, ist dargestellt, dass Nebenstromrauch von einer Entzündung aufgrund eines externen Kurzschluss gefolgt wird, welcher von der elektrischen Verbindung zwischen zwei in Reihe miteinander verbundener Zellen und dem Gegenstand 60 verursacht wurde.
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Obwohl die beispielhaften Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung zu veranschaulichenden Zwecken beschrieben wurden, wird der Fachmann erkennen, dass vielfältige Änderungen, Hinzufügungen und Ersetzungen möglich sind, ohne dabei von dem Schutzumfang und denn Erfindungsgedanken abzuweichen, wie in den beigefügten Patentansprüchen offenbart.
