DE102017221622A1

DE102017221622A1 - Speichergehäuse für einen Hochvoltspeicher eines Kraftfahrzeugs, Hochvoltspeicher sowie Kraftfahrzeug

Info

Publication number: DE102017221622A1
Application number: DE102017221622.0A
Authority: DE
Inventors: Sonia Dandl; Michael Huber; Christoph Riether; Sebastian Scharner; Florian Schöwel
Original assignee: Bayerische Motoren Werke AG
Current assignee: Bayerische Motoren Werke AG
Priority date: 2017-12-01
Filing date: 2017-12-01
Publication date: 2019-06-06
Also published as: WO2019105674A1

Abstract

Die Erfindung betrifft ein Speichergehäuse (4) für einen Hochvoltspeicher (2) eines Kraftfahrzeugs (1) mit einem Gehäuseinnenraum (5) zum Aufnehmen von Speicherzellen (6) des Hochvoltspeichers (2), einem Druckausgleichselement (10) zum Druckausgleich zwischen dem Gehäuseinnenraum (5) und einer Umgebung (12), und einem Sicherheitsventil (13), welches dazu ausgelegt ist, einen durch eine Notentgasung zumindest einer der Speicherzellen (6) in dem Gehäuseinnenraum (5) entstehenden Überdruck abzulassen, wobei das Druckausgleichselement (10) als ein Belüftungselement (11) zum permanenten und bidirektionalen Druckausgleich durch Stoffaustausch zwischen dem Gehäuseinnenraum (5) und der Umgebung (12) ausgebildet ist, und das Sicherheitsventil (13) dazu ausgebildet ist, das Belüftungselement (11) vor dem für das Belüftungselement (11) schädlichen Überdruck zu schützen und ein bei der Notentgasung aus den Speicherzellen (6) austretendes Heißgas an dem Belüftungselement (11) vorbei in die Umgebung (12) zu leiten. Die Erfindung betrifft außerdem einen Hochvoltspeicher (2) sowie ein Kraftfahrzeug (1).

Description

Die Erfindung betrifft ein Speichergehäuse für einen Hochvoltspeicher eines Kraftfahrzeugs mit einem Gehäuseinnenraum zum Aufnehmen von Speicherzellen des Hochvoltspeichers, einem Druckausgleichselement zum Druckausgleich zwischen dem Gehäuseinnenraum und einer Umgebung, und einem Sicherheitsventil, welches dazu ausgelegt ist, einen durch eine Notentgasung zumindest einer der Speicherzellen in dem Gehäuseinnenraum entstehenden Überdruck abzulassen. Die Erfindung betrifft außerdem einen Hochvoltspeicher sowie ein Kraftfahrzeug.
Vorliegend richtet sich das Interesse auf Hochvoltspeicher bzw. Hochvoltbatterien für elektrisch antreibbare Kraftfahrzeuge, beispielsweise Elektrofahrzeuge oder Hybridfahrzeuge. Solche Kraftfahrzeuge weisen im Antriebsstrang üblicherweise eine elektrische Maschine bzw. einen Elektromotor zum Antreiben des Kraftfahrzeugs sowie den Hochvoltspeicher auf, welcher elektrische Energie für die elektrische Maschine bereitstellt. Hochvoltspeicher umfassen üblicherweise eine Vielzahl von Speicherzellen, welche gemeinsam in einem Gehäuseinnenraum eines Speichergehäuses angeordnet sind. Dieses Speichergehäuse dient insbesondere zum Schutz der Speicherzellen vor Umwelteinflüssen, beispielsweise Feuchtigkeit oder Schmutz, sowie von Personen vor im Schadensfall aus den Speicherzellen austretenden Schadstoffen.
Dabei kann es vorkommen, dass der Hochvoltspeicher Druckschwankungen, welche beispielsweise durch Temperaturschwankungen in der Umgebung hervorgerufen werden, ausgesetzt ist. Diese Druckschwankungen können zu einem Überdruck oder einem Unterdruck in dem Gehäuseinnenraum des Speichergehäuses führen und eine Lebensdauer des Hochvoltspeichers negativ beeinflussen. Daher ist es aus dem Stand der Technik bekannt, einen Druck zwischen dem Gehäuseinnenraum und der Umgebung des Hochvoltspeichers auszugleichen.
Für diesen Druckausgleich schlägt die EP 2 290 729 A1 ein Speichergehäuse mit einer Volumenkompensationseinrichtung vor, welche Druckdifferenzen zwischen einem Inneren des Speichergehäuses und der Umgebung ausgleicht, ohne dass ein stofflicher Austausch zwischen der Umgebung und dem Inneren des Speichergehäuses stattfindet. Der ohne den Stoffaustausch stattfindende Druckausgleich kann beispielsweise durch ein ausdehnungsfähiges Element, beispielsweise durch einen Ballon oder einen Faltenbalg, erfolgen, welcher beispielsweise in dem Inneren des Speichergehäuses angeordnet ist. Die Volumenkompensationseinrichtung weist außerdem ein Ventil auf, welches im Störfall freiwerdende gasförmige Substanzen ableiten kann. Um den Hochvoltspeicher mit einer solchen Volumenkompensationseinrichtung auszustatten, muss entweder Bauraum außerhalb oder innerhalb des Speichergehäuses vorgehalten werden. Der Hochvoltspeicher weist dadurch einen hohen Platzbedarf in dem Kraftfahrzeug auf.
Es ist Aufgabe der vorliegenden Erfindung, eine Lösung bereitzustellen, wie ein Hochvoltspeicher für ein Kraftfahrzeug auf besonders einfache Weise zuverlässig und sicher ausgebildet werden kann.
Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß durch ein Speichergehäuse, einen Hochvoltspeicher sowie ein Kraftfahrzeug mit den Merkmalen gemäß den jeweiligen unabhängigen Patentansprüchen gelöst. Vorteilhafte Ausführungen der Erfindung sind Gegenstand der abhängigen Patentansprüche, der Beschreibung sowie der Figuren.
Ein erfindungsgemäßes Speichergehäuse für einen Hochvoltspeicher eines Kraftfahrzeugs weist einen Gehäuseinnenraum zum Aufnehmen von Speicherzellen des Hochvoltspeichers, ein Druckausgleichselement zum Druckausgleich zwischen dem Gehäuseinnenraum und einer Umgebung, und ein Sicherheitsventil, welches dazu ausgelegt ist, einen durch eine Notentgasung zumindest einer der Speicherzellen in dem Gehäuseinnenraum entstehenden Überdruck abzulassen, auf. Darüber hinaus ist das Druckausgleichselement als ein Belüftungselement zum permanenten und bidirektionalen Druckausgleich durch Stoffaustausch zwischen dem Gehäuseinnenraum und der Umgebung ausgebildet. Das Sicherheitsventil ist dazu ausgebildet, das Belüftungselement vor dem für das Belüftungselement schädlichen Überdruck zu schützen und ein bei der Notentgasung aus den Speicherzellen austretendes Heißgas an dem Belüftungselement vorbei in die Umgebung zu leiten.
Der Hochvoltspeicher kann beispielsweise eine Traktionsbatterie für das als Elektro- oder Hybridfahrzeug ausgebildete Kraftfahrzeug sein. Der Hochvoltspeicher weist insbesondere Speicherzellen in Form von Lithium-Ionen-Zellen auf, welche in dem Gehäuseinnenraum des Speichergehäuses angeordnet und miteinander verschaltet werden können. Ein solches Speichergehäuse kann beispielsweise quaderförmig sein und einen Gehäuseboden, einen Gehäusemantel und einen Gehäusedeckel aufweisen. Durch den Gehäuseboden, den Gehäusemantel und den Gehäusedeckel wird eine Gehäusewand gebildet, durch welche der Gehäuseinnenraum hin begrenzt wird. Das Speichergehäuse weist dabei das Druckausgleichselement sowie das zu dem Druckausgleichselement separate Sicherheitsventil auf.
Das Druckausgleichselement ist als das Belüftungselement ausgebildet, welches zum Druckausgleich einen Sauerstoffaustausch bzw. Luftaustausch zwischen dem Gehäuseinnenraum und der Umgebung zulässt. Das Belüftungselement ist also atmungsaktiv ausgebildet. Dieses Belüftungselement kann den Druck bidirektional, also sowohl einen Unterdruck als auch einen Überdruck im Gehäuseinnenraum, ausgleichen. Außerdem ist das Belüftungselement dazu ausgebildet, den Druckausgleich permanent durchzuführen. Das Belüftungselement ist beispielsweise zum atmosphärischen Druckausgleich ausgebildet. Insbesondere ist das Belüftungselement dazu ausgebildet, ein Eindringen von Verunreinigung, beispielsweise von Schmutz und Wasser, in den Gehäuseinnenraum zu verhindern.
Das Sicherheitsventil bzw. Überdruckventil ist dazu ausgelegt, ein bei einem thermischen Ereignis in zumindest einer der Batteriezellen das von der betroffenen Batteriezelle in den Gehäuseinnenraum abgegebene Heißgas abzuführen und dadurch den Überdruck aus dem Gehäuseinnenraum abzulassen. Ein solches thermisches Ereignis kann beispielsweise aus einem zellinternen Kurzschluss resultieren, wodurch die betroffene Speicherzelle eine Notentgasung durchführt und das Heißgas entlässt. Bei der Notentgasung handelt es sich insbesondere um einen selbstverstärkenden, wärmeproduzierenden Prozess. Bei steigender Anzahl an Speicherzellen in dem Gehäuseinnenraum, also bei höherer Packungsdichte, wächst die Gefahr, dass aufgrund der Wärmeentwicklung benachbarte Speicherzellen ebenfalls eine Notentgasung durchführen. Dies kann zur Zerstörung des Speichergehäuses sowie zu einer Gefährdung von Fahrzeuginsassen führen. Wäre das Speichergehäuse nur mit dem zum atmosphärischen Druckausgleich vorgesehenen Belüftungselement ausgestattet, so würde dies bei dem durch die Notentgasung entstehenden Überdruck zerstört und Luftsauerstoff könnte nach der Notentgasung ungehindert in den Gehäuseinnenraum eindringen. Dieser Luftsauerstoff führt zur Bildung brenn- bzw. explosionsfähiger Gasgemische im Gehäuseinnenraum, wodurch das thermische Ereignis weiter beschleunigt wird und die Gefahr für die Fahrzeuginsassen weiter gesteigert wird.
Um dies zu verhindern, öffnet das Sicherheitsventil bei dem durch die Notentgasung in dem Gehäuseinnenraum entstehenden Überdruck. Das Sicherheitsventil lässt im geöffneten bzw. aktivierten Zustand das Heißgas insbesondere so lange in die Umgebung ab, bis ein Druckausgleich erreicht ist. Sobald der Druckausgleich erfolgt ist, schließt sich das Sicherheitsventil wieder bzw. wird deaktiviert. Das Sicherheitsventil ist also rückstellbar bzw. wiederverschließbar ausgebildet. Beispielsweise kann das Sicherheitsventil als eine Rückschlagarmatur ausgebildet sein. Das Sicherheitsventil ist dabei zur Druckentlastung des Belüftungselementes ausgelegt. Dies bedeutet, dass das Sicherheitsventil dazu ausgelegt ist, den Überdruck auszugleichen, bevor das Belüftungselement durch das Heißgas bzw. den entstehenden Überdruck in dem Gehäuseinnenraum zerstört wird. Das Sicherheitsventil weist also ein Ansprechverhalten mit eine Reaktionszeit auf, welche geringer ist als eine Reaktionszeit des Belüftungselementes. Beispielsweise kann das Sicherheitsventil als ein Vollhubsicherheitsventil ausgestaltet sein, welches bei einem starken Druckanstieg zur Notentgasung schlagartig öffnet. Gleichzeitig kann das Belüftungselement besonders stabil ausgestaltet werden, sodass es den bei der Notentgasung zumindest einer der Speicherzellen entstehenden Überdruck so lange aushält, bis dieser durch das Sicherheitsventil abgelassen wurde. Beispielsweise kann das Sicherheitsventil im Strömungspfad des Heißgases angeordnet sein. Dazu können beispielsweise Leitelemente in dem Gehäuseinnenraum vorgesehen sein, welche das aus zumindest einer Speicherzelle austretende Heißgas vorbei an dem Belüftungselement zu dem Sicherheitsventil leiten.
Bei dem erfindungsgemäßen Speichergehäuse werden also der atmosphärische Druckausgleich sowie die Notentgasung funktionell voneinander getrennt. Anders ausgedrückt weist das Speichergehäuse ein System zur Notentgasung und ein dazu separates System zum atmosphärischen Druckausgleich auf. Dadurch, dass das Sicherheitsventil eine Zerstörung des Belüftungselementes bei der Notentgasung verhindert und gleichzeitig nach dem Druckausgleich wieder geschlossen wird, kann verhindert werden, dass unkontrolliert Sauerstoff in den Gehäuseinnenraum des Speichergehäuses eindringen kann. Dadurch werden die Knallgasentwicklung und die Überhitzung in dem Gehäuseinnenraum sowie eine Gefährdung der Fahrzeuginsassen verhindert. Somit kann mittels des Speichergehäuses ein besonders sicherer und zuverlässiger Hochvoltspeicher bereitgestellt werden.
Dabei kann vorgesehen sein, dass das Sicherheitsventil und/oder das Belüftungselement in einer den Gehäuseinnenraum umgebenden Gehäusewand des Speichergehäuses angeordnet sind. Beispielsweise können das Sicherheitsventil und/oder das Belüftungselement in dem Gehäusedeckel oder dem Gehäusemantel angeordnet sein. Das Belüftungselement sowie das Sicherheitsventil sind dabei zwei zueinander separate Elemente, welche beispielsweise räumlich beabstandet in der Gehäusewand angeordnet sein können. Durch das Integrieren des Belüftungselements und/oder des Sicherheitsventils in die Gehäusewand kann das Speichergehäuse außerdem besonders kompakt und mit geringen Abmessungen ausgebildet werden, sodass der Hochvoltspeicher einen geringen Platzbedarf im Kraftfahrzeug aufweist.
In einer Weiterbildung der Erfindung ist das Belüftungselement als eine atmungsaktive Belüftungsmembran ausgebildet, welche zusätzlich dazu ausgelegt ist, ein Eindringen von Verunreinigungen von der Umgebung in den Gehäuseinnenraum zu verhindern. Eine solche Membran ist besonders einfach gestaltet und kann durch Integrieren in die Gehäusewand besonders platzsparend in dem Speichergehäuse angeordnet werden. Durch die Membran wird der Gehäuseinnenraum derart abgedichtet, dass kein Schmutz oder Wasser in den Gehäuseinnenraum eindringen können. Gleichzeitig kann der Druckausgleich durch den bidirektionalen Luftaustausch bzw. Sauerstoffaustausch zwischen dem Gehäuseinnenraum und der Umgebung erfolgen. Die Membran kann dazu aus einem Polymer gefertigt sein, welches die bereits genannten Eigenschaften aufweist.
Es erweist sich als vorteilhaft, wenn das Speichergehäuse zumindest eine Trockeneinheit mit einem Trockenmittel zum Verhindern von Kondenswasser in dem Gehäuseinnenraum aufweist. Das Trockenmittel kann der durch die Belüftungsmembran austauschbaren Luft in dem Gehäuseinnenraum Feuchtigkeit entziehen, falls die Belüftungsmembran beispielsweise durchlässig bzw. permeabel für gasförmiges Wasser ist. Das stark hygroskopische Trockenmittel, beispielsweise Silicagel, kann die Luftfeuchtigkeit in sich aufnehmen und somit Kondenswasser vermeiden. Das Druckausgleichselement kann beispielsweise in die Trockeneinheit integriert sein. Die Trockeneinheit kann beispielsweise eine Trockenkammer mit dem Trockenmittel sowie eine Heizung zum Regenerieren der Trockenkammer durch Ausheizen des Trockenmittels aufweisen. Die Trockenkammer kann außerdem zwei Klappen aufweisen. Die eine Klappe dient zum Austausch zwischen dem Gehäuseinnenraum des Speichergehäuses und der Trockenkammer, sodass das Trockenmittel die Feuchtigkeit aus dem Gehäuseinnenraum aufnehmen kann. Die andere Klappe dient zum Austausch zwischen der Trockenkammer und der Umgebung, sodass der zum Regenerieren der Trockenkammer mittels der Heizung aus dem Trockenmittel ausgeheizte Wasserdampf in die Umgebung entweichen kann. Auch kann vorgesehen sein, dass die Trockeneinheit mehrere Trockenkammern aufweist, sodass stets eine Trockenkammer zum Feuchtigkeitsentzug bereitsteht, während die andere Trockenkammer regeneriert wird. Zusätzlich kann eine Vorkammer vorgesehen sein, welche den ausgeheizten Wasserdampf aufnimmt, mittels einer Kühlschlange kondensiert und das Kondensat über ein Kondensatventil in die Umgebung entlässt.
Besonders bevorzugt ist das Sicherheitsventil als ein federbelastetes Sicherheitsventil ausgebildet. Das federbelastete Sicherheitsventil weist eine Feder und ein mit der Feder verbundenes Verschlusselement auf. Im geschlossenen Zustand des Sicherheitsventils ist die Feder insbesondere entspannt und das mit der Feder gekoppelte Verschlusselement verschließt eine Auslassöffnung, welche beispielsweise in der Gehäusewand angeordnet sein kann. Das Öffnen des Sicherheitsventils erfolgt über das Stauchen oder Dehnen der Feder. Zum Öffnen des Sicherheitsventils wird die Feder durch den Überdruck gedehnt oder gestaucht, sodass das Verschlusselement von der Auslassöffnung wegbewegt wird und dadurch die Auslassöffnung freigegeben wird. Durch die freigegebene Auslassöffnung kann dann das Heißgas in die Umgebung ausströmen. Sobald der Überdruck abgelassen ist und der Druckausgleich beispielsweise erfolgt ist, wird die Feder wieder entspannt, sodass das Verschlusselement die Auslassöffnung wieder bedeckt und damit verschließt. Durch das Entspannen der Feder wird das Sicherheitsventil also wieder rückgestellt. Somit kann verhindert werden, dass Luftsauerstoff aus der Umgebung durch die Auslassöffnung in den Gehäuseinnenraum strömt.
Beispielsweise kann vorgesehen sein, dass das federbelastete Sicherheitsventil eine mit einer Feder gekoppelte Rückschlagklappe aufweist. Das Verschlusselement ist also als die Rückschlagkappe ausgebildet, welche beispielsweise über die Feder in Form von einer Spiralfeder mit der Gehäusewand verbunden ist. Die Spiralfeder bildet insbesondere ein Scharnier, über welche die klappbare Rückschlagkappe mit dem Speichergehäuse verbunden ist. Im geschlossenen Zustand des Sicherheitsventils bedeckt die Rückschlagkappe die Auslassöffnung und dichtet die Auslassöffnung gegenüber der Umgebung ab. Bei dem durch die Notentgasung entstehenden Überdruck drückt das Heißgas von innen (von dem Gehäuseinnenraum) gegen die Rückschlagkappe, sodass diese nach außen (in die Umgebung) ausschwenkt und dadurch die Auslassöffnung freigegeben wird. Sobald genug Heißgas ausgeströmt ist und kein schädlicher Überdruck im Gehäuseinnenraum mehr herrscht, schlägt die Rückschlagkappe wieder zu und bedeckt die Auslassöffnung wieder.
Auch kann vorgesehen sein, dass das federbelastete Sicherheitsventil einen mit einer Feder gekoppelten, verschiebbaren Kolben aufweist. Das Verschlusselement ist also in diesem Fall der Kolben, welcher beispielsweise parallel zur Gehäusewand verschiebbar ist. Im entspannten Zustand der Feder dichtet der Kolben die Auslassöffnung ab. Das Sicherheitsventil ist also geschlossen. Der Kolben kann beispielsweise im Gehäuseinnenraum angeordnet sein. Zum Öffnen des Sicherheitsventils kann der Überdruck beispielsweise den Kolben von der Auslassöffnung in der Gehäusewand wegschieben. Beispielsweise kann der Kolben in Richtung der Feder geschoben werden, sodass diese gestaucht wird. Sobald das Heißgas ausgeströmt ist, entspannt sich die Feder wieder und bewegt bzw. schiebt den Kolben dadurch wieder vor die Auslassöffnung.
Es erweist sich als vorteilhaft, wenn das Sicherheitsventil einen Emissionsfilter zum Filtern von Schadstoffen aus dem Heißgas und zum Entlassen eines gefilterten Heißgases in die Umgebung aufweist. Bei der Notentgasung emittiert die entgasende Speicherzelle Stoffe, welche Umwelt und Personen schädigen können. Solche Stoffe sind beispielsweise Feinstaub, Elektrolytlösungsmittel oder teiloxidierte Elektrolytlösungsmittel, Kohlenstoffmonoxid, Wasserstoff, Kohlenwasserstoff, Fluorwasserstoff, etc. Durch den Emissionsfilter bzw. Schadstofffilter des Sicherheitsventils kann gewährleistet werden, dass eine Emission dieser Schadstoffe in die Umgebung weitestgehend verhindert wird. Der Emissionsfilter kann beispielsweise in der Auslassöffnung angeordnet sein. Der Filter kann beispielsweise ein basisches Material aufweisen, welches saure Zersetzungsprodukte neutralisiert. Außerdem kann der Feinstaub gefiltert werden. Ein Absorptionsmittel des Filters, beispielsweise Aktivkohle, kann zur Aufnahme bzw. Entfernung brennbarer Bestandteile, wie Elektrolytlösungsmittel oder dessen Zersetzungsprodukte, aus den austretenden Gasen dienen. Ein mit einem solchen Emissionsfilter ausgestatteter Hochvoltspeicher ist besonders sicher und schonend für Mensch und Umwelt.
Die Erfindung betrifft außerdem einen Hochvoltspeicher für ein Kraftfahrzeug mit einem erfindungsgemäßen Speichergehäuse oder einer vorteilhaften Ausführungsform davon sowie mit Speicherzellen, welche in dem Gehäuseinnenraum des Speichergehäuses angeordnet sind. Der Hochvoltspeicher ist insbesondere eine Traktionsbatterie, welche elektrische Energie für einen Antrieb des Kraftfahrzeugs bereitstellen kann. Die Speicherzellen sind insbesondere Lithium-Ionen-Zellen.
Vorzugsweise weist jede Speicherzelle ein Entgasungselement zum Entlassen des Heißgases auf. Ein solches Entgasungselement bzw. Entlüftungselement ist insbesondere in einem abgedichteten Zellgehäuse der jeweiligen Speicherzelle angeordnet und dient dazu, das im Schadensfall entstehende Heißgas aus dem Zellgehäuse zu entlassen. Ein solches Entgasungselement kann beispielsweise eine Berst-Membran sein, welche ab einem bestimmten Innendruck in dem Zellgehäuse bricht und dadurch das Heißgas aus dem Zellgehäuse in den Gehäuseinnenraum des Speichergehäuses entweichen lässt. Dort wird das Heißgas durch das Sicherheitsventil, vorbei an dem Belüftungselement, abgeführt.
Ein erfindungsgemäßes Kraftfahrzeug umfasst einen erfindungsgemäßen Hochvoltspeicher. Das Kraftfahrzeug ist insbesondere als ein Elektrofahrzeug oder Hybridfahrzeug ausgebildet.
Die mit Bezug auf das erfindungsgemäße Speichergehäuse vorgestellten Ausführungsformen und deren Vorteile gelten entsprechend für den erfindungsgemäßen Hochvoltspeicher sowie für das erfindungsgemäße Kraftfahrzeug.
Weitere Merkmale der Erfindung ergeben sich aus den Ansprüchen, den Figuren und der Figurenbeschreibung. Die vorstehend in der Beschreibung genannten Merkmale und Merkmalskombinationen sowie die nachfolgend in der Figurenbeschreibung genannten und/oder in den Figuren alleine gezeigten Merkmale und Merkmalskombinationen sind nicht nur in der jeweils angegebenen Kombination, sondern auch in anderen Kombinationen oder in Alleinstellung verwendbar.
Die Erfindung wird nun anhand eines bevorzugten Ausführungsbeispiels sowie unter Bezugnahme auf die Zeichnungen näher erläutert.
Es zeigen:

1 eine schematische Darstellung einer Ausführungsform eines erfindungsgemäßen Kraftfahrzeugs;
2 eine schematische Darstellung einer ersten Ausführungsform eines erfindungsgemäßen Hochvoltspeichers;
3 eine schematische Darstellung einer zweiten Ausführungsform eines erfindungsgemäßen Hochvoltspeichers; und
4 eine schematische Darstellung einer dritten Ausführungsform eines erfindungsgemäßen Hochvoltspeichers.

In den Figuren sind gleiche sowie funktionsgleiche Elemente mit den gleichen Bezugszeichen versehen.
1 zeigt ein Kraftfahrzeug 1 gemäß der vorliegenden Erfindung. Das Kraftfahrzeug 1 ist insbesondere als ein Hybridfahrzeug oder Elektrofahrzeug ausgebildet. Das Kraftfahrzeug 1 weist einen Hochvoltspeicher 2 auf, welcher dazu ausgelegt ist, elektrische Energie für eine elektrische Antriebsmaschine 3 des Kraftfahrzeugs 1 bereitzustellen. Der Hochvoltspeicher 2 weist ein Speichergehäuse 4 auf, in dessen Gehäuseinnenraum 5 mehrere Speicherzellen 6 angeordnet sind.
In 2 und 3 ist der Hochvoltspeicher 2 mit unterschiedlichen Ausführungsformen des Speichergehäuses 4 gezeigt. Das Speichergehäuse 4 ist im vorliegenden Fall quaderförmig ausgebildet und weist einen Gehäuseboden 7, einen Gehäusemantel 8 sowie einen Gehäusedeckel 9 auf. Der Gehäuseboden 7, der Gehäusemantel 8 sowie der Gehäusedeckel bilden eine Gehäusewand des Speichergehäuses 4, welche den Gehäuseinnenraum 5 umgibt. Das Speichergehäuse 4 des Hochvoltspeichers 2 weist ein Druckausgleichselement 10 auf, welches als ein Belüftungselement 11 ausgebildet ist. Das Belüftungselement 11 ist atmungsaktiv und lässt somit einen Sauerstoffaustausch zwischen dem Gehäuseinnenraum 5 und einer Umgebung 12, also einem Außenraum des Speichergehäuses 4, zu. Dadurch kann das Belüftungselement 11 Druckunterschiede zwischen dem Gehäuseinnenraum 5 und der Umgebung 12 ausgleichen, welche beispielsweise durch Temperaturschwankungen sowie ortsabhängige Luftdrücke in der Umgebung 12 entstehen.
Außerdem verhindert das Belüftungselement 11, dass Verunreinigungen aus der Umgebung 12 in den Gehäuseinnenraum 5 eintreten können. Solche Verunreinigungen können beispielsweise Schmutzpartikel sowie Wasser sein. Das Belüftungselement 11 ist dabei permanent aktiv und lässt somit ständig einen Luftaustausch zwischen dem Gehäuseinnenraum 5 und der Umgebung 12 zum Druckausgleich zu. Das Belüftungselement 11 ist hier in dem Gehäusedeckel 9 des Speichergehäuses 4 angeordnet. Das Belüftungselement 11 kann beispielsweise als eine atmungsaktive Membran ausgebildet sein.
Darüber hinaus weist das Speichergehäuse 4 des Hochvoltspeichers 2 ein Sicherheitsventil 13 bzw. Überdruckventil auf, welches dazu ausgelegt ist, einen durch eine Notentgasung der Speicherzellen 6 in dem Gehäuseinnenraum 5 schlagartig entstehenden Überdruck in die Umgebung 12 abzuleiten bzw. abzulassen. Die Speicherzellen 6 weisen hier Entgasungselemente 14 auf, welche beispielsweise als Berst-Membranen ausgebildet sein können. Im Schadensfall einer Speicherzelle 6, beispielsweise bei einem zellinternen Kurzschluss, wird das Entgasungselement 14 der geschädigten Speicherzelle 6 aktiviert bzw. geöffnet, sodass ein in der Speicherzelle 6 entstehendes Heißgas aus der Speicherzelle 6 in den Gehäuseinnenraum 5 abgeführt werden kann. Dieses Heißgas führt zu dem schlagartigen Überdruck, welcher das rückstellbare Sicherheitsventil 13, beispielsweise ein Rückschlagventil, aktiviert bzw. öffnet. Das Sicherheitsventil 13 dient dabei zur Druckentlastung des Belüftungselementes 11 und wird derart schnell aktiviert, dass das Heißgas über das Sicherheitsventil 13 in die Umgebung 12 entweichen kann, bevor das Belüftungselement 11 zerstört wird. Nach dem Überdruckablass schließt das Sicherheitsventil 13 wieder, sodass kein Luftsauerstoff bzw. keine Umgebungsluft aus der Umgebung 12 in den Gehäuseinnenraum 5 eindringen kann und eine Knallgasreaktion sowie eine starke Hitzeentwicklung herbeiführen kann.
Das Sicherheitsventil 13 ist als ein federbelastetes Sicherheitsventil ausgebildet, welches eine Feder 15 sowie ein mit der Feder 15 verbundenes Verschlusselement 16 aufweist. Im geschlossenen Zustand des Sicherheitsventils 13 verdeckt das Verschlusselement 16 eine Auslassöffnung 17 des Speichergehäuses 4, welche im vorliegenden Fall in dem Gehäusedeckel 9 angeordnet ist. Im geöffneten Zustand des Sicherheitsventils 13 gibt das Verschlusselement 16 die Auslassöffnung 17 frei, sodass das Heißgas aus dem Gehäuseinnenraum 5 in die Umgebung 12 entweichen kann. In der Auslassöffnung 17 kann außerdem ein Emissionsfilter 21 (siehe 2) angeordnet sein, welcher das Heißgas beim Austreten filtert und dazu Schadstoffe in dem Heißgas zurückhält oder neutralisiert.
Gemäß 2 ist das Verschlusselement 16 als ein Kolben 18 ausgebildet, welcher entlang einer horizontalen Richtung H in einer Führungsschiene 19 verschiebbar ist. Bei dem durch die Notentgasung in dem Gehäuseinnenraum 5 entstehenden Überdruck wird der Kolben 18 in Richtung der Feder 15 gedrückt bzw. geschoben, sodass die Feder 15 gestaucht wird. Dadurch wird der Kolben 18 von der Auslassöffnung 17 wegbewegt und das aus der defekten Speicherzelle 6 austretende Heißgas kann über die Auslassöffnung 17 in die Umgebung 12 entweichen. Sobald der Überdruck abgelassen wurde, entspannt sich die Feder 15 wieder und der Kolben 18 schiebt sich wieder vor die Auslassöffnung 17. Somit kann kein Sauerstoff aus der Umgebung 12 in den Gehäuseinnenraum 5 eintreten.
Gemäß 3 ist das Verschlusselement 16 als eine Rückschlagkappe 20 ausgebildet, welche über die Feder 15 einseitig an dem Gehäusedeckel 9 befestigt ist und in vertikaler Richtung V geöffnet werden kann. Die Feder 15 ist hier als eine Spiralfeder ausgebildet. Wenn das Entgasungselement 14 einer der Speicherzellen 6 das im Schadensfall entstehende Heißgas freigibt, so wird die Rückschlagkappe 20 in vertikaler Richtung V nach oben hin geöffnet bzw. aufgedrückt und das Heißgas kann in die Umgebung 12 ausströmen. Sobald der Überdruck in den Gehäuseinnenraum 5 abgebaut wurde, fällt die Rückschlagklappe 20 wieder zu und verschließt die Auslassöffnung 17 wieder.
In 4 ist eine weitere Ausführungsform des Speichergehäuses 4 gezeigt. Die Speicherzellen 6 sind hier zur besseren Übersichtlichkeit nicht dargestellt. Das Speichergehäuse 4 weist hier das Sicherheitsventil 13 gemäß der in 2 beschriebenen Ausführungsform auf. Das Sicherheitsventil 13 kann aber auch gemäß der in 3 beschriebenen Ausführungsform ausgebildet sein. Das Speichergehäuse 4 weist hier eine Trockeneinheit 22 auf, welche zum Verhindern von Kondenswasser in dem Gehäuseinnenraum 5 ausgebildet ist. Die Trockeneinheit 22 weist hier eine Vorkammer 23, eine erste Trockenkammer 24 und eine zweite Trockenkammer 25 auf. Die Trockenkammern 24, 25 weisen dabei jeweils eine Trockenpatrone 26 mit Trockenmittel 27 auf. Das Trockenmittel 27 kann der Luft in dem Gehäuseinnenraum 5 Feuchtigkeit entziehen, falls die Belüftungsmembran 11 beispielsweise durchlässig bzw. permeabel für gasförmiges Wasser ist. Das stark hygroskopische Trockenmittel, beispielsweise Silicagel, kann die Luftfeuchtigkeit in sich aufnehmen und somit Kondenswasser vermeiden.
Durch die zwei Trockenkammern 24, 25 kann eine der Trockenkammern 24, 25 der Luft in dem Gehäuseinnenraum 5 Feuchtigkeit entziehen, während die andere Trockenkammer 24, 25 regeneriert wird. Anschließend kann die regenerierte Trockenkammer 24, 25 in Betrieb genommen und die andere Trockenkammer 24, 25 regeneriert werden. Zum Regenerieren weist hier jede Trockenkammer 24, 25 eine Heizung 28, 29 auf, über welche die Feuchtigkeit aus dem Trockenmittel 27 wieder ausgeheizt werden kann. Außerdem weist die Trockeneinheit 22 ein Gebläse 30 zwischen der ersten und der zweiten Trockenkammer 24, 25 auf, welches dazu ausgelegt ist, den bei der Regenerierung ausgeheizten Wasserdampf schneller aus der jeweiligen Trockenkammer 24, 25, beispielsweise in die Vorkammer 23, zu treiben. Der Wasserdampf wird über eine hier in der Vorkammer 23 angeordnete Kühlschlange 31 kondensiert. Das Kondensat kann über ein in der Wand des Speichergehäuses 4 im Bereich der Vorkammer 23 angeordnetes Kondensatventil 32 die Vorkammer 23 und damit den Gehäuseinnenraum 5 verlassen.
Die Vorkammer 23, die erste Trockenkammer 24 und die zweite Trockenkammer 25 weisen hier Klappen K1, K2, K3, K4, K5, K6 auf, über welche der Luft- bzw. Feuchtigkeitsstrom je nach Betriebszustand gelenkt werden kann. Über die erste Klappe K1 kann ein Austausch zwischen der Vorkammer 23 und der ersten Trockenkammer 24 stattfinden, über die zweite Klappe K2 kann ein Austausch zwischen der ersten Trockenkammer 24 und dem Gehäuseinnenraum 5 stattfinden, über die dritte Klappe K3 kann ein Austausch zwischen der zweiten Trockenkammer 25 und dem Gehäuseinnenraum 5 stattfinden und über die vierte Klappe K4 kann ein Austausch zwischen der zweiten Trockenkammer 25 und der Vorkammer 23 stattfinden. Über die fünfte Klappe K5 kann ein Austausch zwischen der ersten Trockenkammer 24 und dem Gebläse 30 stattfinden und über die sechste Klappe K6 kann ein Austausch zwischen der zweiten Trockenkammer 25 und dem Gebläse 30 stattfinden.
Eine Wandung der Vorkammer wird hier teilweise durch einen Bereich 8a des Gehäusemantels 8 des Speichergehäuses 4 gebildet. Das Druckausgleichselement 10 in Form von der Belüftungsmembran 11 kann beispielsweise an einer ersten Position P1 in dem Bereich 8a angeordnet sein, um somit einen Luftaustausch zwischen Umgebung 12 und Vorkammer 23 zulassen. Alternativ dazu ist das Druckausgleichselement 10 außerhalb des Bereiches 8a, beispielsweise an einer zweiten Position P2 in einem zweiten Bereich 8b des Gehäusemantels 8 angeordnet.
Im Falle, dass das Druckausgleichselement 10 an der ersten Position P1 angeordnet ist, der Trockenbetrieb durch die erste Trockenkammer 24 erfolgen soll und die Regeneration der zweiten Trockenkammer 25 erfolgen soll, weisen die Klappen K1 bis K6 folgende Zustände auf:

Klappe 1: zu
Klappe 2: offen
Klappe 3: zu
Klappe 4: offen
Klappe 5: zu
Klappe 6: offen.

Hier erfolgt kein Druckausgleich während der Regeneration.
Im Falle, dass das Druckausgleichselement 10 an der ersten Position P1 angeordnet ist, der Trockenbetrieb durch die zweite Trockenkammer 25 erfolgen soll und sich die erste Trockenkammer 24, beispielsweise nach erfolgter Regeneration, in einem inaktiven Modus bzw. Standby-Modus befindet, weisen die Klappen K1 bis K6 folgende Zustände auf:

Klappe 1: zu
Klappe 2: zu
Klappe 3: offen (für Druckausgleich über die Belüftungsmembran 11 an der ersten Position P1)
Klappe 4: offen (für Druckausgleich über die Belüftungsmembran 11 an der ersten Position P1)
Klappe 5: zu
Klappe 6: zu.

Im Falle, dass das Druckausgleichselement 10 an der zweiten Position P2 angeordnet ist, der Trockenbetrieb durch die erste Trockenkammer 24 erfolgen soll und die Regeneration der zweiten Trockenkammer 25 erfolgen soll, weisen die Klappen K1 bis K6 folgende Zustände auf:

Im Falle, dass das Druckausgleichselement 10 an der zweiten Position P2 angeordnet ist, der Trockenbetrieb durch die zweite Trockenkammer 25 erfolgen soll und sich die erste Trockenkammer 24, beispielsweise nach erfolgter Regeneration in einem inaktiven Modus bzw. Standby-Modus befindet, weisen die Klappen K1 bis K6 folgende Zustände auf:

Klappe 1: zu
Klappe 2: zu
Klappe 3: offen
Klappe 4: zu
Klappe 5: zu
Klappe 6: zu.

Durch das Anordnen des Druckausgleichselementes 10 an der zweiten Position P2 außerhalb der Vorkammer 23 ergibt sich der Vorteil, dass stets ein Druckausgleich zwischen Gehäuseinnenraum 5 und Umgebung 12 bereitgestellt werden kann.
Die gezeigte Trockeneinheit 22 kann auch vereinfacht werden, indem die Trockeneinheit 22 beispielsweise lediglich eine der Trockenkammern 24, 25 mit zwei Klappen K1, K2; K3, K4 sowie die zugehörige Heizung 28, 29 aufweist.
Bezugszeichenliste

1: Kraftfahrzeug
2: Hochvoltspeicher
3: elektrische Antriebsmaschine
4: Speichergehäuse
5: Gehäuseinnenraum
6: Speicherzelle
7: Gehäuseboden
8: Gehäusemantel
9: Gehäusedeckel
10: Druckausgleichselement
11: Belüftungselement
12: Umgebung
13: Sicherheitsventil
14: Entgasungselement
15: Feder
16: Verschlusselement
17: Auslassöffnung
18: Kolben
19: Führungsschiene
20: Rückschlag kappe
21: Emissionsfilter
22: Trockeneinheit
23: Vorkammer
24: erste Trockenkammer
25: zweite Trockenkammer
26: Trockenpatrone
27: Trockenmittel
28, 29: Heizungen
30: Gebläse
31: Kühlschlange
32: Kondensatventil
K1, K2, K3, K4, K5, K6: Klappen
P1, P2: Positionen
8a, 8b: Bereiche
H: horizontale Richtung
V: vertikale Richtung

ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

EP 2290729 A1 [0004]

Claims

Speichergehäuse (4) für einen Hochvoltspeicher (2) eines Kraftfahrzeugs (1) mit - einem Gehäuseinnenraum (5) zum Aufnehmen von Speicherzellen (6) des Hochvoltspeichers (2), - einem Druckausgleichselement (10) zum Druckausgleich zwischen dem Gehäuseinnenraum (5) und einer Umgebung (12), und - einem Sicherheitsventil (13), welches dazu ausgelegt ist, einen durch eine Notentgasung zumindest einer der Speicherzellen (6) in dem Gehäuseinnenraum (5) entstehenden Überdruck abzulassen, dadurch gekennzeichnet, dass das Druckausgleichselement (10) als ein Belüftungselement (11) zum permanenten und bidirektionalen Druckausgleich durch Stoffaustausch zwischen dem Gehäuseinnenraum (5) und der Umgebung (12) ausgebildet ist, und das Sicherheitsventil (13) dazu ausgebildet ist, das Belüftungselement (11) vor dem für das Belüftungselement (11) schädlichen Überdruck zu schützen und ein bei der Notentgasung aus den Speicherzellen (6) austretendes Heißgas an dem Belüftungselement (11) vorbei in die Umgebung (12) zu leiten.
Speichergehäuse (4) nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das Sicherheitsventil (13) und/oder das Belüftungselement (11) in einer den Gehäuseinnenraum (5) umgebenden Gehäusewand des Speichergehäuses (4) angeordnet sind.
Speichergehäuse (4) nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass das Belüftungselement (11) als eine atmungsaktive Belüftungsmembran ausgebildet ist, welche zusätzlich dazu ausgelegt ist, ein Eindringen von Verunreinigungen aus der Umgebung (12) in den Gehäuseinnenraum (5) zu verhindern.
Speichergehäuse (4) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Speichergehäuse (4) zumindest eine Trockeneinheit (22) mit einem Trockenmittel (27) zum Verhindern von Kondenswasser in dem Gehäuseinnenraum (5) aufweist.
Speichergehäuse (4) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Sicherheitsventil (13) als ein federbelastetes Sicherheitsventil ausgebildet ist.
Speichergehäuse (4) nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass das federbelastete Sicherheitsventil (13) eine mit einer Feder (15) gekoppelte Rückschlagklappe (20) aufweist.
Speichergehäuse (4) nach Anspruch 5 oder 6, dadurch gekennzeichnet, dass das federbelastete Sicherheitsventil (13) einen mit einer Feder (15) gekoppelten, verschiebbaren Kolben (18) aufweist.
Speichergehäuse (4) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Sicherheitsventil (13) einen Emissionsfilter (21) zum Filtern von Schadstoffen aus dem Heißgas und zum Entlassen eines gefilterten Heißgases in die Umgebung (12) aufweist.
Hochvoltspeicher (2) für ein Kraftfahrzeug (1) mit einem Speichergehäuse (4) nach einem der vorhergehenden Ansprüche und mit Speicherzellen (6), welche in dem Gehäuseinnenraum (5) des Speichergehäuses (4) angeordnet sind.
Kraftfahrzeug (1) mit einem Hochvoltspeicher (2) nach Anspruch 9.