DE102014213920A1

DE102014213920A1 - Batteriesystem

Info

Publication number: DE102014213920A1
Application number: DE102014213920.1A
Authority: DE
Inventors: Volkher Hofmann; Mario Montemitro
Original assignee: Robert Bosch GmbH
Current assignee: Robert Bosch GmbH
Priority date: 2014-07-17
Filing date: 2014-07-17
Publication date: 2016-01-21

Abstract

Die vorliegende Erfindung betrifft ein Batteriesystem (20), aufweisend ein Systemgehäuse (22), in dem wenigstens ein Batteriemodul (21) mit wenigstens einer elektrochemischen Batteriezelle (10) angeordnet ist, wobei die wenigstens eine Batteriezelle (10) ein Zellgehäuse (12) mit einem Entgasungsventil (18) aufweist, wobei das Systemgehäuse (22) mit einer Eingangsleitung (24) zum Führen von Gas in das Systemgehäuse (22) verbunden ist und wobei das Systemgehäuse (22) mit einer Ausgangsleitung (26) zum Führen von Gas aus dem Systemgehäuse (22) verbunden ist, und wobei in der Ausgangsleitung (26) ein Lüfter (28) zum Führen von Gas durch das Systemgehäuse (22) angeordnet ist, wobei in der Ausgangsleitung (26) eine expandierbare Gasaufnahme (38) angeordnet ist, welche durch aus einer Batteriezelle (10) austretendes Gas expandierbar ist. Zusammenfassend ermöglicht das vorbeschriebene Batteriesystem (20) somit eine verbesserte Entlüftung zusammen mit einer besonders vorteilhaften Kühlung der Batteriezellen (10) und damit einen signifikanten Sicherheitsgewinn. Es wird somit ein Batteriesystem (20) vorschlagen, welches die Sicherheit im Schadensfall von Batteriezellen (10), beispielsweise von Lithium-Ionen-Zellen, weiter verbessert.

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft ein Batteriesystem. Die vorliegende Erfindung betrifft insbesondere ein Batteriesystem, aufweisend ein Systemgehäuse, in dem wenigstens ein Batteriemodul mit wenigstens einer elektrochemischen Batteriezelle angeordnet ist, wobei das Batteriesystem eine verbesserte Entgasung in einem Fehlerfall einer Batteriezelle aufweist.
Stand der Technik
Elektrochemische Energiespeicher, wie beispielsweise Lithium-Ionen-Batterien, sind in vielen täglichen Anwendungen weit verbreitet. Sie werden beispielsweise in Computern, wie etwa Laptops, Mobiltelefonen, Smartphones und bei anderen Anwendungen, wie etwa in Windkraftanlagen, eingesetzt. Auch bei der zur Zeit stark vorangetriebenen Elektrifizierung von Fahrzeugen, wie etwa Kraftfahrzeugen, bieten derartige Batterien Vorteile.
Der Betrieb von den vorgenannten Batterien kann insbesondere in einem definierten Temperaturfenster besonders effizient sein. Ab Betriebstemperaturen von beispielhaft und nicht beschränkend 40 °C kann die Batterielebensdauer reduziert werden. Bei Temperaturen unterhalb von beispielsweise 0 °C kann der Innenwiderstand der Batterie stark ansteigen und die Leistungsfähigkeit mit weiter fallenden Temperaturen kontinuierlich abnehmen. Der Temperaturgradient in einer Batteriezelle und innerhalb eines Batteriemoduls zwischen den Batteriezellen sollte dabei bestenfalls innerhalb eines definierten Temperaturfensters, wie beispielsweise 5–10° Kelvin liegen.
Bei Batterien ist es ferner bekannt, dass, beispielsweise bei einer Überladung, einer Tiefentladung, einer Überlastung, einer Überhitzung oder auch bei einem internen Zelldefekt, wie beispielsweise bei Dendritenbildung oder bei losen Metallteilen in der Zelle, innerhalb weniger Sekunden zum Teil starke Reaktionen ausgelöst werden können. Dies kann unter Umständen mit dem Ausbilden eines Überdrucks und daher mit der Erfordernis einer Entgasung einhergehen. Insbesondere kann durch das kontrollierte Bersten eines Berstventils ein innerhalb der Zelle sich bildender Überdruck abgelassen werden.
Aus dem Dokument US 2006/0172188 A1 ist eine Kühleinrichtung für eine Batterie bekannt. Eine derartige Kühleinrichtung umfasst eine Eingangsleitung, die mit einem Fahrzeuginnenraum und dem Inneren eines Batteriegehäuses verbunden ist. Weiterhin ist ein Gebläse vorgesehen, um Luft aus dem Innenraum des Fahrzeugs in das Innere des Batteriegehäuses zu fördern und so die Batterie zu kühlen.
Das Dokument US 2001/0026887 A1 beschreibt weiterhin ein Batteriesystem für ein Kraftfahrzeug. Ein derartiges Batteriesystem soll insbesondere während eines Fehlerfalls ein Austreten von Elektrolyt aus dem System verhindern. Dazu ist ein Gebläse vorgesehen, welches in einem Ausgang eines Batteriegehäuses angeordnet ist und mit welchem in dem Fehlerfall austretende Elektrolytpartikel kollidieren sollen.
Offenbarung der Erfindung
Gegenstand der vorliegenden Erfindung ist ein Batteriesystem, aufweisend ein Systemgehäuse, in dem wenigstens ein Batteriemodul mit wenigstens einer elektrochemischen Batteriezelle angeordnet ist, wobei die wenigstens eine Batteriezelle ein Zellgehäuse mit einem Entgasungsventil aufweist, wobei das Systemgehäuse mit einer Eingangsleitung zum Führen von Gas in das Systemgehäuse verbunden ist und wobei das Systemgehäuse mit einer Ausgangsleitung zum Führen von Gas aus dem Systemgehäuse verbunden ist, und wobei in der Ausgangsleitung ein Lüfter zum Führen von Gas durch das Systemgehäuse angeordnet ist, wobei in der Ausgangsleitung eine expandierbare Gasaufnahme angeordnet ist, welche durch aus einer Batteriezelle austretendes Gas expandierbar ist.
Durch ein vorbeschriebenes Batteriesystem kann eine Entgasung in einem Fehlerfall besonders sicher und definiert und damit mit einem geringeren Gefährdungspotential für benachbarte Bauteile oder Lebewesen ablaufen.
Das vorbeschriebene Batteriesystem weist ein Systemgehäuse auf, in dem wenigstens ein Batteriemodul mit wenigstens einer elektrochemischen Batteriezelle angeordnet ist. Insbesondere weist das Batteriesystem eine Mehrzahl beziehungsweise eine Vielzahl an in dem Systemgehäuse angeordneten Batteriemodulen auf, wobei die Module jeweils ein Modulgehäuse aufweisen können oder die Batteriezelle oder die Batteriezellen der Batteriemodule in dem Systemgehäuse freiliegen können. Ferner kann nur ein Batteriemodul in dem Systemgehäuse angeordnet sein, so dass das Systemgehäuse in diesem Fall ein Modulgehäuse sein kann. Ferner weist ein oder weisen die Batteriemodule wenigstens eine oder eine Mehrzahl an elektrochemischen Batteriezellen auf, die, wie es für den Fachmann an sich bekannt ist, in Reihe oder parallel geschaltet sein können.
Jede der elektrochemischen Zellen oder eine Mehrzahl an elektrochemischen Zellen kann dabei beispielsweise ein Zellgehäuse, wie etwa ein Kunststoffgehäuse oder ein Metallgehäuse, aufweisen. Dabei kann dieses Zellgehäuse ein Entgasungsventil umfassen. Dieses Entgasungsventil kann insbesondere dazu dienen, durch sein kontrolliertes Öffnen, wie etwa durch das Bersten einer Berstscheibe, einen innerhalb der Zelle potentiell sich ausbildenden Überdruck abzulassen. Der Überdruck kann dabei beispielsweise hervorgerufen werden durch zellinterne Vorgänge, die ablaufen können bei einer Überladung, einer Tiefentladung, einer Überlastung, einem internen Zelldefekt oder auch bei einer Überhitzung.
Eine Kühlung, beispielsweise, kann somit notwendig sein, um eine Überhitzung zu verhindern und einen geeigneten Temperaturbereich einstellen zu können. Lithium-Ionen-Hochleistungsbatterien etwa, die beispielsweise in hybriden Antriebssträngen angeordnet sind, werden mit einer sehr hohen Dynamik betrieben. Während kurzzeitiger Spitzenbelastungen, beispielsweise beim Bremsen, also einer Rekuperation der Bremsenergie, oder beim Beschleunigen (Boostunterstützung) erbringen die Batterien in sehr kurzer Zeit eine hohe Leistung. Derartige kurze Spitzenleistungen können aufgrund des Innenwiderstands zu einer signifikanten Erwärmung der Batteriezellen führen. Der Lade- und Entladewirkungsgrad ist mit ca. 95 % sehr hoch, dennoch ist die entstehende Abwärme nicht vernachlässigbar. Hinzu kommt, dass bei Sommermonaten Außentemperaturen von über 40 °C herrschen können und damit der Betrieb von Batteriezellen ohne Kühlung neben der geringeren erwartbaren Lebensdauer unter Umständen auch ein Sicherheitsrisiko darstellen kann. Eine Lebensdaueranforderung von zehn Jahren ist ohne hinreichende thermische Konditionierung der Batterie somit schwer realisierbar, was ein leistungsfähiges Thermomanagement erfordert.
Um beispielsweise eine Überhitzung zu verhindern beziehungsweise die Batteriezellen zu kühlen, ist es bei einem vorbeschriebenen Batteriesystem vorgesehen, dass das Systemgehäuse mit einer Eingangsleitung zum Führen von Gas in das Systemgehäuse verbunden ist und dass das Systemgehäuse mit einer Ausgangsleitung zum Führen von Gas aus dem Systemgehäuse verbunden ist, wobei ferner in der Ausgangsleitung ein Lüfter zum Führen von Gas durch das Systemgehäuse angeordnet ist. In dieser Ausgestaltung lässt sich eine effektive Kühlung der Batteriezellen ermöglichen und dadurch die Gefahr einer Beschädigung beziehungsweise einer Zerstörung der Batteriezellen signifikant reduzieren.
Dabei kann es somit vorgesehen sein, dass eine Ansaugseite einer insbesondere fremdangetriebenen Strömungsmaschine beziehungsweise eines Lüfters, wie beispielsweise eines Axialventilators oder eines Zentrifugalventilators, mit dem Innenraum des Batteriesystems verbunden ist. Der Lüfter fördert das Gasgemisch aus dem Innenraum des Batteriesystems beziehungsweise von dem Batteriemodul mittels eines insbesondere in einem Gehäuse rotierenden Laufrad aus dem Systemgehäuse. Auf der Druckseite des Lüfters kann das Gasgemisch daraufhin durch die Ausgangsleitung aus dem System entfernt werden. Dabei kann der Lüfter beispielsweise direkt durch die Batterie betrieben werden oder durch weitere Energiequellen der durch die Batterie zu versorgenden Vorrichtung, wie beispielsweise eines elektrisch angetriebenen Fahrzeugs.
Durch den Einsatz eines Lüfters wie vorstehend beschrieben kann ein einfaches passives Luftkühlungssystem für die Batteriezellen realisiert werden. Die Kühlluft kann dabei durch den Lüfter und somit durch geringen technischen Aufwand in die Eingangsleitung durch das Systemgehäuse und durch die Ausgangsleitung geführt werden und stellt somit eine effektive, einfache und preiswerte Alternative zu flüssigen Kühlmedien dar.
Durch die einfach mögliche Umströmung aller Module beziehungsweise insbesondere sämtlicher frei zugänglicher Batteriezellen kann ferner eine wesentlich homogenere Temperaturverteilung innerhalb jedes Batteriemoduls ermöglicht werden. Somit kann die Temperaturverteilung innerhalb der einzelnen Zellen, aber auch zwischen den Zellen in dem Batteriemodul besonders homogen sein. Somit kann es von Vorteil sein, dass die Batteriemodule nicht mit einem in dem Systemgehäuse angeordneten Modulgehäuse umschlossen sind.
Darüber hinaus können besonders große Batteriezelloberflächen erreicht werden, was ein besonders effektives Kühlen ermöglicht. Letzteres kann insbesondere dann besonders effektiv ermöglicht werden, wenn die einzelnen Batteriezellen in einem Modul, etwa durch Abstandshalter, baulich voneinander getrennt sind und somit eine gewisse Beanstandung von einander aufweisen.
Die vorbeschriebene Ausgestaltung bietet dabei insbesondere Vorteile gegenüber dem aktuellen Stand der Technik, bei welchem eine Kühlung der Batteriezellen oftmals durch Kühlplatten realisiert wird, auf denen die Zellen montiert sind. Gemäß dem Stand der Technik nimmt entweder Kühlwasser oder ein verdampfendes Kältemittel die Wärme auf und führt sie über das Kühl- oder Kältesystem des Fahrzeugs an die Umgebung ab. Es ergeben sich hier jedoch neue Herausforderungen bei der Gestaltung der thermischen Konzeption, weil in vielen Fällen eine elektrische Isolation gegenüber dem Zellegehäuse erforderlich ist. Diese erhöht deutlich den Wärmeübergangswiderstand und mit dem Zellboden als kleinste Fläche der Zelle ist die Kühlungseffizienz nur gering. Darüber hinaus ist die Temperaturverteilung innerhalb der Zellen verglichen mit der erfindungsgemäßen Lösung inhomogener, was auf die einseitige Wärmeabfuhr zurückzuführen ist.
Erfindungsgemäß kann ferner der Einsatz von glykolhaltigen Kühlmitteln vermieden werden, welche im Betrieb oftmals nicht problemlos sind.
Dadurch, dass das Systemgehäuse mit einer Eingangsleitung zum Führen von Gas in das Systemgehäuse verbunden ist und dass das Systemgehäuse mit einer Ausgangsleitung zum Führen von Gas aus dem Systemgehäuse verbunden ist, wobei ferner in der Ausgangsleitung ein Lüfter zum Führen von Gas durch das Systemgehäuse angeordnet ist, kann weiterhin neben einer besonders einfachen und effektiven Kühlung ein verbessertes Entgasungsverhalten in einem Fehlerfall einer Batteriezelle realisiert werden.
Dies kann, wie dies vorstehend bereits angedeutet ist, besonders deshalb von Vorteil sein, da Batteriezellen, wie beispielsweise Lithium-Ionen-Zellen, bei elektrischer Überbeanspruchung, beispielsweise in Folge von Überladung, mechanischer Überbeanspruchung, beispielsweise durch die Beschädigung der Zellgehäuse, unbeabsichtigten Kurzschlüssen, beispielsweise durch den Kontakt mit metallischen Gegenständen, sehr stark erhitzen. Dies kann die isolierenden Folien der beispielsweise als Zellwickel ausgestalteten Zelleinheit schmelzen lassen. Es kann ein zelleinterner Kurzschluss mit einer gegebenenfalls explosionsartigen Druckentwicklung innerhalb einer oder mehrere Zellen folgen, der auch als thermisches Durchgehen beziehungsweise Thermal Runaway bezeichnet wird. Dieser Druck öffnet zur Verhinderung von größeren Beschädigungen das Berstventil beziehungsweise das Entgasungsventil an dem Zellgehäuse. Entstandene Gase können gemäß der Erfindung besonders problemlos entweichen und ein weiterer Druckanstieg innerhalb der Zelle so effektiv verhindert werden.
Bei dem so genannten Entgasen der Batteriezelle emittierte Gase werden üblicherweise mit einem Gassammler beziehungsweise Kollektor von der Batterie emittiert und weggeleitet. Eine Ausgangsöffnung am Batteriemodul leitet das Gasgemisch daraufhin durch ein Rohrsystem aus dem Batteriemodul und gegebenenfalls aus dem Fahrzeug hinaus. Ein derartiges System gemäß dem Stand der Technik umfasst in der Regel Kunststoffrohre oder Kunststoffschläuche und kann mit weiteren Batteriemodulen verzweigt sein. Ein derartiges Rohrsystem birgt jedoch die Gefahr, den hohen Druck- und Temperaturbeanspruchungen im Entgasungsfall über mehrere Sekunden oftmals nicht vollständig standhalten zu können. Die Schnelligkeit des Gasaustritts aus der Zelle erreicht in der Regel Schallgeschwindigkeit, so dass das Rohrsystem den raschen Volumenanstieg nur schwer kompensieren kann. Infolgedessen besteht die Gefahr, dass das giftige Gasgemisch ungehindert nach außen tritt und die Umgebung negativ beeinträchtigt. Dabei können beispielsweise Gase mit Drücken von bis zu 10 bar und Temperaturen von bis zu ungefähr 600 °C als Entgasungsemission aus dem Entgasungsventil beziehungsweise Berstventil austreten.
Durch den vorbeschriebenen Einsatz eines Lüfters kann das entstehende Gasgemisch während eines Entlüftungszustands einer oder mehrerer Zellen effektiv und schnell aus dem Batteriemodul gefördert werden. Aufwändige Rohr- und Verzweigungssysteme wie auch undichte Sammelkollektoren über den Batteriezellen können somit vollständig entfallen beziehungsweise verhindert werden, was einerseits eine signifikante Kostenreduzierung und andererseits einen enormen Bauraumvorteil mit sich bringen kann.
Darüber hinaus ermöglicht die direkte Entgasung in das Systemgehäuse zudem eine Präventionsmaßnahme. Denn überhöhte Drücke oder Druckspitzen, die durch ein Thermisches Durchgehen einer oder mehrere Zellen verursacht werden, können effektiv reduziert werden. Dabei hat das größere Volumen des Systemgehäuses gegenüber dem Entgasungskollektor gemäß dem Stand der Technik einen sofortigen Effekt auf die Druckentwicklung im Batterieinneren und kann dadurch einen effizienten Schutz bieten. Die Betriebssicherheit von Batteriezellen, wie beispielsweise Lithium-Ionen-Zellen, kann dadurch ebenfalls verbessert werden.
Durch die vorbeschriebene Ausgestaltung wird es somit ermöglicht, dass bei einer Entgasung von einer oder einer Mehrzahl an Batteriezellen die Entgasungsemission in das Systemgehäuse entgast wird, von wo aus das Gasgemisch mithilfe des Lüfters abgesaugt wird. Hierdurch können bereits Druckspitzen des ausströmenden Gasgemisches durch das größere Volumen effektiv und effizient reduziert werden. Gleichzeitig werden auch die hohen Austrittstemperaturen von teilweise 450 °C reduziert.
Um noch eine weitere Reduktion der entstehenden Drücke und Temperaturen zu ermöglichen, um so das Gasgemisch sicher in die Umgebung ablassen zu können, ist bei dem vorbeschriebenen Batteriesystem weiterhin vorgesehen, dass in der Ausgangsleitung eine expandierbare Gasaufnahme angeordnet ist, welche durch aus einer Batteriezelle austretendes Gas expandierbar ist.
Eine expandierbare Gasaufnahme kann dabei insbesondere ein Bereich in der Ausgangsleitung oder ein mit der Ausgangsleitung verbundenes Bauteil sein, welches eine flexible Hülle aufweist, die beispielsweise durch aus einer Batteriezelle austretende Entgasungsemission expandierbar ist, so dass das von der Gasaufnahme zumindest teilweise umschlossene Volumen vergrößerbar ist. Eine derartige beispielsweise als insbesondere flexibler Auffangbehälter ausgestaltete Gasaufnahme kann dem Gasgemisch thermische Energie, potentielle Energie (hydrostatischer Druckanteil), und kinetische Energie (hydrodynamischer Druckanteil) weiter entziehen.
Insbesondere die vorbeschriebene Ausgestaltung einer expandierbaren Gasaufnahme ermöglicht somit eine weitere Reduktion der auftretenden Drücke und Temperaturen des in einem Entgasungsfall austretenden Gasgemisches, wodurch das Gas, etwa mit einem Transportmedium, kontrolliert in die Umgebung abgegeben werden kann. Somit kann das Gefahrenpotential für in der Nähe befindliche Lebewesen als auch für umgebene Bauteile beim Austritt des Gasgemisches aus dem System nochmals deutlich reduziert werden.
Eine derartige Gasaufnahme kann beispielsweise als flexibler und gasdichter Auffangbehälter ausgestaltet sein. Ein derartiger Behälter kann beispielsweise eine Hülle aus einem flexiblen Material, beispielsweise aus einem elastischen Material, wie etwa einen Elastomer oder einem anderen Kunststoff, aufweisen. Dabei kann die Glasübergangstemperatur sich insbesondere unterhalb der Einsatztemperatur der Gasaufnahme befinden, also insbesondere unterhalb der Temperatur des potentiell austretenden Gasgemisches, wodurch sich der Behälter nach einer Belastung wieder relaxieren kann. Weiterhin ist die Verwendung eines textilen Behältnisses, wie etwa eines textilen Beutels, oder eines entsprechenden Faserverbundwerkstoffs denkbar.
Die Gasaufnahme kann dabei derart ausgelegt sein, dass sie ein zuvor definiertes kritisches Gasvolumen aufnehmen kann, das bei vollständiger Ausdehnung der Gasaufnahme beziehungsweise einer Hülle derselben nicht zurückströmt und nur einen geringen Druck auf das Gasgemisch ausübt. Hierdurch kann dem Gasgemisch ein Teil seiner potentiellen Energie bzw. des hydrostatischen Druckanteils entzogen werden, die sich auf die große Oberfläche der Hülle verteilt. Infolge der Expansion der Gasaufnahme wird kinetische Energie bzw. der hydrodynamischen Druckanteil des Gasgemisches reduziert. Weiterhin kann außerdem dem Gasgemisch thermische Energie entzogen werden, was zu einer Temperaturabsenkung führt, beispielsweise für den Fall, dass das Material der flexiblen Hülle über einen großen Wärmeleitkoeffizienten verfügt. Hierzu können beispielsweise spezielle Fasern Anwendung finden oder Additive, beispielsweise auf ein mineralischer Basis, welche dem Material der Hülle zugesetzt sein können. Hierzu kann es ferner vorgesehen sein, dass die Gasaufnahme neben einer flexiblen, beispielsweise elastischen, Hülle ein beispielsweise starres Grundgerüst aufweist, welches die vollständig expandierte Hülle umgibt und durch zusätzliche Materialien, wie beispielsweise Kupfer, Beschichtungen, wie etwa Metallbeschichtungen, oder Kühlsysteme, wie etwa eine Konventionskühlung, die Wärmereduktion verbessert.
Insbesondere kann die Gasaufnahme stromabwärts des Lüfters angeordnet sein. Am Eingang der expandierbaren Gasaufnahme kann ein Rückschlagventil, wie beispielsweise eine Rückschlagklappe oder ein Kugelrückschlagventil, vorgesehen sein, welches ein Zurückströmen des Gasgemisches beispielsweise in den Bereich des Lüfters verhindern kann.
Weiterhin kann an dem Ausgang der expandierbaren Gasaufnahme ein Ventil vorgesehen sein, wie beispielsweise ein Druckregelventil oder ein fremdgeschaltetes Ventil. Dieses Ventil kann ab einem bestimmten Innendruck in der expandierbaren Gasaufnahme schalten und somit dafür sorgen, dass ein definiertes kritisches Gasvolumen nicht überschritten werden kann. Dadurch kann jederzeit ein kontinuierlich geförderter Gasvolumenstrom, wie beispielsweise die Be- und Entlüftung des Batteriemoduls, sichergestellt werden. Dabei kann ein Ausströmen des Gasgemisches aus der expandierbaren Gasaufnahme besonders vorteilhaft möglich sein für den Fall, dass diese elastisch expandierbar ist. Auch sind mehrere Öffnungen der expandierbaren Gasaufnahme möglich.
Weiterhin kann ein Drosselelement am Ausgang der expandierbaren Gasaufnahme, wahlweise innerhalb des vorbeschriebenen Ventils oder diesem vor- beziehungsweise nachgeschaltet oder unabhängig davon, vorgesehen sein, welches den Druck des ausströmenden Gasgemisches adäquat reduzieren kann.
Es ist ferner möglich, die expandierbare Gasaufnahme bei der nichtbeschränkenden Verwendung in einem elektrisch angetriebenen Fahrzeug in dem Kofferraum des Fahrzeugs anzuordnen. Durch diese Anordnung kann sichergestellt werden, dass das entsprechende Volumen selbst während eines sehr kritischen Batteriebetriebszustandes, genügend Platz zur Expansion hat. Sollte der Stauraum des Kofferraums nicht ausreichen, bietet diese Variante die Option, durch eine automatische Öffnung der Kofferraumklappe weiteren Raum zugänglich zu machen.
Zusammenfassend ermöglicht das vorbeschriebene Batteriesystem somit eine verbesserte Entlüftung zusammen mit einer besonders vorteilhaften Kühlung der Batteriezellen und damit einen signifikanten Sicherheitsgewinn. Es wird somit ein Batteriesystem vorschlagen, welches die Sicherheit im Schadensfall von Batteriezellen, beispielsweise von Lithium-Ionen-Zellen, weiter verbessert.
Im Rahmen einer Ausgestaltung kann das Batteriesystem eine Steuereinheit aufweisen, die mit wenigstens einem Sensor für die Erkennung eines Entgasungszustands wenigstens einer Batteriezelle verbunden ist, wobei die Steuereinheit bei dem Vorliegen eines Entgasungszustands die Leistung des Lüfters, insbesondere sein Förderleistung, erhöht. In dieser Ausgestaltung kann der Lüfter somit in unterschiedlichen Leistungsstufen betrieben werden. Beispielsweise kann der Lüfter bei Normalbetrieb mit einer Grundlast betrieben wird, die eine passive Luftkühlung des Batteriemoduls ermöglicht und einen vergleichsweise geringen Energiebedarf benötigt. Dabei kann die Grundlast wiederum anpassbar sein an die gewünschte Kühlleistung und somit in Abhängigkeit von Sensordaten einstellbar sein. In einer weiteren Leistungsstufe kann der Lüfter beispielsweise in Volllast betrieben werden, welche die maximale Leistung des Lüfters darstellen kann. Damit wird zwar der höchste Energiebedarf benötigt, jedoch braucht diese Leistungsstufe lediglich in einem Entgasungsfall eingesetzt zu werden. Somit kann in dieser Ausgestaltung ein besonders energiearmes Betreiben des Lüfters ermöglicht werden in Kombination mit einer besonders effektiven Kühlung und einem besonders effektiven Entfernen von Entgasungsemmissionen aus einer oder mehrerer Batteriezellen.
Ein Entgasungszustand kann somit insbesondere ein solcher Zustand sein, bei dem eine Entgasung stattfindet oder bei dem eine Entgasung unmittelbar bevorstehen kann. Ein derartiger Zustand kann beispielsweise ermittelbar sein durch geeignete Sensoren, wie beispielsweise Drucksensoren, Rauchsensoren, oder Temperatursensoren, die in geeigneter Position, wie beispielsweise im Zellgehäuse oder Modulgehäuse, eingesetzt sind. Es ist ferner vorstellbar, diese Auswertung über das meist ohnehin vorhandene Batterie-Management-System zu erfassen, beispielsweise durch einen ermittelten Spannungsabfall, eine kritische Spannungs- oder Temperaturerhöhung, die beispielsweise der sogenannte Cell-Supervision-Circuit detektieren kann. Unabhängig von der eingesetzten Detektion kann ein elektronisches oder wahlweise softwaretechnisches Signal an den Lüfter übermittelt werden, damit dieser gegebenenfalls seine Leistung erhöhen beziehungsweise in eine geeignete Leistungsstufe schalten kann.
Im Rahmen einer weiteren Ausgestaltung kann das Batteriesystem Bestandteil eines elektrisch angetriebenen Fahrzeugs sein und kann die Eingangsleitung mit der Belüftung des Fahrzeugs verbunden sein. Somit kann der Lüfter in dieser Ausgestaltung die Luft beispielsweise aus dem Innenraum eines Fahrzeugs oder aus einem anderen Abschnitt der Fahrzeugbelüftung entnehmen, was bezüglich der Entgasung oder einer Kühlung der Batteriezellen aufgrund der oftmals kühlen Lufttemperaturen von Vorteil sein kann.
Unabhängig von dem Lufteingang kann es weiterhin von Vorteil sein, dass durch die Eingangsleitung gefördertes Gas gekühlt wird beziehungsweise kühlbar ist und dass insbesondere ein Mittel geeignet zur Kühlung des Gases vorgesehen ist. Dies kann beispielsweise realisierbar sein, indem die Eingangsleitung beispielsweise über einen Wärmetauscher mit einem Klimakreislauf verbunden ist, oder dass das Gas beispielsweise vor dem Eintritt in die Eingangsleitung gekühlt wird, etwa wenn das Gas einem mit einer Klimaanlage gekühlten Passagierraum eines Fahrzeugs entnommen wird. Insbesondere in dieser Ausgestaltung kann die von dem Lüfter angesaugte Luft eine niedrige Temperatur aufweisen, was für ein Kühlen der Batteriezellen wie auch für eine Entlüftung in einem Fehlerfall von Vorteil sein kann. Somit kann in dieser Ausgestaltung eine besonders effektive Kühlung ermöglicht werden mit in einem Fahrzeug oftmals ohnehin vorgesehenen Komponenten.
Im Rahmen einer weiteren Ausgestaltung kann in der Eingangsleitung ein Filterelement angeordnet sein. In dieser Ausgestaltung kann es somit vorgesehen sein, dass die von dem Lüfter angesaugte Luft bereits vorbehandelt sein kann, um gegebenenfalls störende Bestandteile aus der Luft beziehungsweise aus dem angesaugten Gasgemisch zu entfernen. Beispielsweise kann das Filterelement dazu ausgestaltet sein, die Kondensatbildung im Modulvolumen zu vermeiden, indem feuchte Luft getrocknet wird. Darüber hinaus kann ein derartiges Filterelement eine gewisse Partikelfreiheit in dem Systemgehäuse erlauben, indem Feststoffe herausgefiltert werden. Diese Ausgestaltung kann insbesondere deshalb von Vorteil sein, um zu verhindern, dass die Batteriezellen durch das verwendete Gas negativ beeinflusst werden.
Im Rahmen einer weiteren Ausgestaltung kann in der Ausgangsleitung ein Filterelement, wie beispielsweise einen Aktivkohlefilter, angeordnet sein. Dadurch können teilweise giftige Bestandteile des Gasgemisches im Falle eines Entlüftung einer oder mehrerer Batteriezellen gebunden, reduziert, eliminiert und/oder neutralisiert werden. Dies kann insbesondere vorteilhaft sein, da die Entgasungsemission beispielsweise gesundheitsgefährdende, giftige oder ätzende Bestandteile, wie beispielsweise Kohlenmonoxid (CO), Kohlendioxid (CO₂), Wasserstoff (H₂), Fluorwasserstoff (HF), Dämpfe und Flüssigkeiten beziehungsweise Partikel, wie etwa Graphit oder andere brennbare Bestandteile aufweisen kann. Im Anschluss daran kann das Gasgemisch etwa zusammen mit einem Transportmittel, wie insbesondere der angesaugten Luft, aus dem System und dabei beispielsweise aus einem Kraftfahrzeug geleitet werden. Dabei kann es grundsätzlich wählbar sein, ob das Filterelement zwischen dem Batteriemodul und dem Lüfter vorgesehen wird, oder stromabwärts des Lüfters, also zwischen dem Lüfter und einem Systemausgang. Aufgrund von Reibungswiderständen ist bei einer Anordnung zwischen dem Batteriemodul und dem Lüfter jedoch zu beachten, dass der Lüfter unter Umständen stärker ausgelegt werden sollte, um einen zu einer Anordnung des Filterelements stromabwärts des Lüfters vergleichbaren Volumenstrom erzielen zu können.
Darüber hinaus kann das Filterelement in der Ausgangsleitung des Systems insbesondere stromabwärts der expandierbaren Gasaufnahme durch die verminderten Temperaturen und Drücke stabil bleiben beziehungsweise nicht beschädigt werden, was eine Funktionalität auch im Entgasungsfall garantiert, und wodurch ferner das Filterelement nach einer Entgasung der Batterie wieder verwendet werden kann.
Im Rahmen einer weiteren Ausgestaltung kann der Lüfter mit einer von der wenigstens einen Batteriezelle unabhängigen Energiequelle verbunden sein. Insbesondere in dieser Ausgestaltung, in welcher der Lüfter mit einer insbesondere nur dem Lüfter zugeordneten Energiequelle beziehungsweise Energiespeichervorrichtung, beispielsweise einem internen Kondensator, ausgestattet ist, kann dieser Energiespeicher erlauben, dass der Lüfter zumindest kurzfristig auch ohne externe Stromquelle voll arbeitsfähig ist. Dies kann insbesondere bei einem Fehlerfall, wie beispielsweise einem Unfall eines elektrisch angetriebenen Fahrzeugs, von Vorteil sein, da selbst dann noch die volle Funktionalität gewährleistet wird, wenn es aufgrund des Fehlerfalls bereits zu einer Trennung beziehungsweise Abschaltung der Batteriezellen gekommen sein kann. Somit kann insbesondere in einem Fall, wo eine Entlüftung und eine Kühlung der Batterie gegebenenfalls von großer Wichtigkeit sind, diese Schritte sichergestellt werden, was die von der Batterie ausgehende Gefährdung in einem Fehlerfall weiter signifikant reduziert.
Im Rahmen einer weiteren Ausgestaltung können wenigstens zwei Batteriezellen in dem Systemgehäuse angeordnet sein und können die Entgasungsventile ein in Richtung des Systemgehäuses öffenbares Rückschlagventil aufweisen. In dieser Ausgestaltung kann somit vorgesehen sein, dass die entsprechenden Batteriezellen lediglich durch das Entgasungsventil entgasen können, das Entgasungsventil jedoch einen Gaseintritt in das Zellgehäuse verhindert. Insbesondere in dieser Ausgestaltung kann somit sichergestellt werden, dass selbst für den Fall, dass eine oder eine Mehrzahl an Batteriezellen einen fehlerhaften Zustand aufweisen und dieser mit einer Entgasung einhergeht, die unbeschädigten Batteriezellen nicht von der Entgasungsemission negativ beeinträchtigt werden. Dies kann insbesondere von Vorteil sein, da bei einer Entgasung Druckstöße mit kurzfristig sehr hohen Druckbereichen entstehen können, welche auf benachbarte Zellgehäuse wirken beziehungsweise die Entgasungsventile dieser öffnen könnten, wodurch Gas in die entsprechenden Zellgehäuse eintreten könnte. Dies kann in dieser Ausgestaltung jedoch gerade verhindert werden.
Im Rahmen einer weiteren Ausgestaltung kann in der Eingangsleitung ein in Richtung des Systemgehäuses öffenbares Rückschlagventil vorgesehen sein. In dieser Ausgestaltung kann somit sichergestellt sein, dass ein Gas, wie beispielsweise Luft, problemlos in das Systemgehäuse gefördert werden kann, jedoch eine umgekehrte Flussrichtung des Gases verhindert wird. Somit kann in dieser Ausgestaltung verhindert werden, dass Entgasungsemission nicht wie gewünscht durch den Austritt aus dem System entfernt wird, sondern unerwünschter Weise durch die Eingangsleitung zurück strömt. Dies kann insbesondere von Vorteil sein, wenn die Belüftung eines Kraftfahrzeugs mit dem Systemgehäuse beziehungsweise mit der Eingangsleitung verbunden ist, da in diesem Fall ein Eintritt der teilweise giftigen Gasemission in das Innere eines Kraftfahrzeugs sicher verhindert werden kann. Dabei kann das Rückschlagventil beispielsweise zwischen der Batteriemodul und dem Filterelement angeordnet sein.
Beispiele und Zeichnungen
Weitere Vorteile und vorteilhafte Ausgestaltungen der erfindungsgemäßen Gegenstände werden durch die Zeichnungen veranschaulicht und in der nachfolgenden Beschreibung erläutert. Dabei ist zu beachten, dass die Zeichnungen nur beschreibenden Charakter haben und nicht dazu gedacht sind, die Erfindung in irgendeiner Form einzuschränken. Ferner können die im Folgenden beschriebenen Merkmale einzeln oder in einer beliebigen Kombination einen Gegenstand der Erfindung darstellen, wenn sich aus dem Kontext nicht explizit das Gegenteil ergibt. Es zeigen:
1 eine schematische Darstellung einer Batteriezelle für ein erfindungsgemäßes Batteriesystem; und
2 eine schematische Darstellung eines erfindungsgemäßen Batteriesystems.
In der 1 ist rein schematisch eine Batteriezelle 10 gezeigt. Eine derartige Batteriezelle 10 kann insbesondere eine Lithium-Ionen-Zelle sein und ausgestaltet sein, wie es für derartige Batteriezellen 10 grundsätzlich bekannt ist.
Für den beispielhaften Fall einer Lithium-Ionen Batterie kann eine Anode der Batteriezelle 10 beispielsweise umfassen oder ausgestaltet sein aus metallischem Lithium oder aus einem Material, welches Lithiumionen interkallieren kann. Ein derartiges Anodenmaterial kann beispielsweise auf einen Stromableiter aufgebracht, wie etwa aufgerakelt, sein. Beispielhafte Anodenmaterialien umfassen Graphit oder Lithiumtitanat. Eine Kathode der Batteriezelle 10 kann entsprechend, ebenfalls für den rein beispielhaften Fall einer Lithium-Ionen Batterie, beispielhaft Nickel-Mangan-Kobalt-Oxid (NMC) oder Lithium-Cobalt-Oxid (LiCoO₂) aufweisen oder daraus ausgestaltet sein und ebenfalls auf einen Stromableiter aufgebracht sein. Dabei kann das Kathodenmaterial wie auch das Anodenmaterial gegebenenfalls in einem Binder, wie beispielsweise Polyvinylidenfluorid (PVDF) etwa zusammen mit einem Leitzusatz, wie etwa einer elektrisch leitfähigen Kohlenstoffverbindung, beispielsweise Graphit, vorliegen.
Ein Elektrolyt kann ebenfalls in an sich bekannter Weise beispielsweise ein Festkörperelektrolyt sein oder ein Lösungsmittel umfassen, in dem ein oder mehrere elektrisch leitfähige Salze gelöst sind. Beispielsweise können aprotische Lösungsmittel, wie etwa Ethylencarbonat, Propylencarbonat, Dimethylcarbonat oder Diethylcarbonat Verwendung finden. Weiterhin kann als elektrisch leitfähiges Salz Lithiumhexafluorophosphat (LiPF₆) verwendet werden. Beispielsweise kann der Elektrolyt sich in dem fertigen Energiespeicher beziehungsweise in der fertigen Zelle in Poren eines Separators befinden. Der Separator kann beispielsweise eine insbesondere poröse Kunststofffolie sein, etwa gebildet aus Polypropylen.
Die Batteriezelle 10 weist dabei ein Zellgehäuse 12 auf, in welchem die Anode und die Kathode angeordnet sind. Dabei kann die Kathode durch einen als Kupferfolie ausgestalteten Stromkollektor mit einem Kathoden-Kontakt 14 und kann die Anode durch einen etwa als Aluminiumfolie ausgestalteten Stromkollektor mit einem Anoden-Kontakt 16 verbunden sein. Ferner ist ein Überdruckventil 18 vorgesehen, durch welches bei einem Fehlerfall der Batteriezelle 10, beispielsweise bei einem thermischen Durchgehen, die Batteriezelle 10 entgasen kann.
Eine Anordnung eines Batteriesystems 20 aufweisend eine Vielzahl derartiger Batteriezellen 10, von welchen eine definierte Anzahl jeweils ein Batteriemodul 21 ausbildet, ist in der 2 gezeigt. Dabei ist insbesondere in beispielhafter und nicht beschränkender Weise gezeigt, dass die Batteriezellen 10 insgesamt vier Batteriemodule 21 ausbilden, die in einem Systemgehäuse 22 angeordnet sind. Das Systemgehäuse 22 ist dabei mit einer Eingangsleitung 24 zum Führen von Gas in das Systemgehäuse 22 verbunden und das Systemgehäuse 22 ist ferner mit einer Ausgangsleitung 26 zum Führen von Gas aus dem Systemgehäuse 22 verbunden. 2 zeigt weiterhin, dass in der Ausgangsleitung 26 ein Lüfter 28 zum Führen von Gas durch das Systemgehäuse 22 angeordnet ist.
Ein Lufteinlass 27 kann beispielsweise derart angeordnet sein, dass Frischluft aus der unmittelbaren Umgebung des Systems, beispielsweise von dem Unterboden eines mit dem Batteriesystem 20 ausgestatteten Fahrzeugs, angesaugt wird (Strang b)). Andererseits kann die Luft auch durch einen Lufteinlass 30 aus dem Passagierraum des Fahrzeugs bezogen werden (Strang c)), wo sie gegebenenfalls bereits temperiert ist und somit für den gewünschten Temperaturbereich der Batterie ausgelegt ist. Eine weitere Möglichkeit besteht in der Kombination dieser beiden Varianten (Strang a)), indem aus der Umgebung angesaugte Luft durch den Lufteinlass 29 in thermischem Energieaustausch mit dem Kältekreislauf des Fahrzeugs steht, beispielsweise mittels eines Wärmetauschers 32. Insbesondere eine Anbindung der angesaugten Luft an eine Temperierung, wie beispielsweise an den Wärmetauscher 32, kann den Vorteil aufweisen, dass größere Temperaturschwankungen der Luft vermieden beziehungsweise ausgeglichen werden können. Diese können insbesondere dann entstehen, wenn die Luft direkt aus der unmittelbaren Umgebung des Fahrzeugs entnommen wird.
Unabhängig von der Position des Lufteinlasses 27, 29, 30 kann vorgesehen sein, dass in der Eingangsleitung 24 ein Filterelement 34 angeordnet ist. Weiterhin kann auch in der Ausgangsleitung 26 ein Filterelement 36 angeordnet sein.
Weiterhin ist in der 2 gezeigt, dass in der Eingangsleitung 24 ein in Richtung des Systemgehäuses öffenbares Rückschlagventil 25 vorgesehen ist.
Die 2 zeigt weiterhin, dass in der Ausgangsleitung 26 eine insbesondere elastisch expandierbares Gasaufnahme 38 angeordnet ist, welche durch aus einer Batteriezelle 10 austretendes Gas expandierbar ist. Dabei ist in 2 rein beispielhaft durch die durchgezogene Linie das Grundvolumen gezeigt und durch die gestrichene Linie ein beispielhaftes expandiertes Volumen. Die Gasaufnahme 38 kann dabei stromabwärts des Lüfters 28 angeordnet sein.
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

US 2006/0172188 A1 [0005]
US 2001/0026887 A1 [0006]

Claims

Batteriesystem (20), aufweisend ein Systemgehäuse (22), in dem wenigstens ein Batteriemodul (21) mit wenigstens einer elektrochemischen Batteriezelle (10) angeordnet ist, wobei die wenigstens eine Batteriezelle (10) ein Zellgehäuse (12) mit einem Entgasungsventil (18) aufweist, wobei das Systemgehäuse (22) mit einer Eingangsleitung (24) zum Führen von Gas in das Systemgehäuse (22) verbunden ist und wobei das Systemgehäuse (22) mit einer Ausgangsleitung (26) zum Führen von Gas aus dem Systemgehäuse (22) verbunden ist, und wobei in der Ausgangsleitung (26) ein Lüfter (28) zum Führen von Gas durch das Systemgehäuse (22) angeordnet ist, dadurch gekennzeichnet, dass in der Ausgangsleitung (26) eine expandierbare Gasaufnahme (38) angeordnet ist, welche durch aus einer Batteriezelle (10) austretendes Gas expandierbar ist.
Batteriesystem (20) nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Gasaufnahme (38) elastisch expandierbar ist.
Batteriesystem (20) nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass das Batteriesystem (20) eine Steuereinheit aufweist, die mit wenigstens einem Sensor für die Erkennung eines Entgasungszustands wenigstens einer Batteriezelle (10) verbunden ist, wobei die Steuereinheit bei dem Vorliegen eines Entgasungszustands die Leistung des Lüfters (28) erhöht.
Batteriesystem (20) nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass das Batteriesystem (20) Bestandteil eines elektrisch angetriebenen Fahrzeugs ist und dass die Eingangsleitung (24) mit der Belüftung des Fahrzeugs verbunden ist.
Batteriesystem (20) nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass in der Eingangsleitung (24) ein Filterelement (34) angeordnet ist.
Batteriesystem (20) nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass in der Ausgangsleitung (26) ein Filterelement (36) angeordnet ist.
Batteriesystem (20) nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass ein Mittel geeignet zur Kühlung des durch die Eingangsleitung (24) geförderten Gases vorgesehen ist.
Batteriesystem (20) nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass der Lüfter (28) mit einer von der wenigstens einen Batteriezelle (10) unabhängigen Energiequelle verbunden ist.
Batteriesystem (20) nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass wenigstens zwei Batteriezellen (10) in dem Systemgehäuse (22) angeordnet sind und dass die Entgasungsventile (18) ein in Richtung des Systemgehäuses (22) öffenbares Rückschlagventil aufweisen.
Batteriesystem (20) nach einem der Ansprüche 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet, dass in der Eingangsleitung (24) ein in Richtung des Systemgehäuses (22) öffenbares Rückschlagventil (25) vorgesehen ist.