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Die Erfindung betrifft eine Batterie nach den Merkmalen des Oberbegriffs des Anspruchs 1.
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Aus dem Stand der Technik ist, wie in der
EP 3 211 691 A1 beschrieben, ein Batteriegehäuse bekannt. Das Gehäuse enthält ein oder mehrere Komponenten. Mindestens eine der Komponenten ist eine elektrische Komponente. Die Komponenten füllen das Gehäuse nicht vollständig aus und innerhalb des Gehäuses verbleibt ein Hohlraum. In dem Hohlraum sind ein oder mehrere Füllelemente vorgesehen, welche bei Kontakt mit Wasser den Hohlraum zu mehr als der Hälfte ausfüllen.
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In der
DE 10 2008 037 039 A1 werden ein Verfahren zum Festsetzen von Batteriezellen und ein Festsetzungsmittel beschrieben. In dem Verfahren zum Festsetzen von Batteriezellen in einer Wanne und zum Festsetzen von Elektrolytplatten in einer Batteriezelle unter Nutzung eines einzubringenden Festsetzmittels wird die Festsetzung unter Nutzung eines in einen Verspannzustand überführbaren, gesondert zu aktivierenden, Verspannmittels durchgeführt.
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Der Erfindung liegt die Aufgabe zu Grunde, eine gegenüber dem Stand der Technik verbesserte Batterie anzugeben.
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Die Aufgabe wird erfindungsgemäß gelöst durch eine Batterie mit den Merkmalen des Anspruchs 1.
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Vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung sind Gegenstand der Unteransprüche.
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Eine Batterie, insbesondere Hochvoltbatterie, umfasst ein Batteriegehäuse und mindestens ein darin angeordnetes Batteriemodul oder mehrere solche im Batteriegehäuse angeordnete Batteriemodule. Im Batteriegehäuse, beispielsweise zwischen Batteriegehäuse und jeweiligem Batteriemodul und/oder zwischen den Batteriemodulen, ist mindestens ein Hohlraum oder sind mehrere Hohlräume vorhanden, welcher/welche zumindest teilweise mit mindestens einem, insbesondere hohlen, Füllelement oder mit mehreren solchen Füllelementen ausgefüllt ist/sind. Das mindestens eine Füllelement oder das jeweilige Füllelement ist mit einem Gas gefüllt.
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Erfindungsgemäß ist das Gas ein Inertgas und/oder Schutzgas. Bei diesem Gas kann es sich auch um ein Gasgemisch handeln.
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Das mindestens eine Füllelement oder das jeweilige Füllelement ist beispielsweise als eine hohle und mit dem Inertgas und/oder Schutzgas gefüllte Kugel, insbesondere kleine Kugel, ausgebildet. Vorteilhafterweise werden mehrere, insbesondere kleine, Kugeln verwendet, um den mindestens einen Hohlraum oder den jeweiligen Hohlraum besser ausfüllen zu können.
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In einer anderen Ausführungsform ist das mindestens eine Füllelement oder das jeweilige Füllelement beispielsweise als ein mit dem Inertgas und/oder Schutzgas gefüllter Ballon oder als eine andere mit dem Inertgas und/oder Schutzgas gefüllte Gaszelle oder als ein mit dem Inertgas und/oder Schutzgas gefüllter Gassack ausgebildet, wodurch insbesondere ein formflexibles und somit dem mindestens einen Hohlraum oder dem jeweiligen Hohlraum anpassbares Polster ermöglicht wird.
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Bei mehreren Füllelementen ist auch eine Kombination dieser Ausbildungsvarianten der Füllelemente und/oder verschiedener Größen der Füllelemente möglich, d. h. es können dann beispielsweise auch unterschiedlich ausgebildete Füllelemente verwendet werden, zum Beispiel für verschiedene Hohlräume und/oder zum Ausfüllen verschiedener Stellen des jeweiligen Hohlraums.
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Beispielsweise ist das mindestens eine Füllelement oder das jeweilige Füllelement derart ausgebildet, dass es sich bei Feuer oder hohen Temperaturen öffnet, beispielsweise bricht und/oder aufreißt und/oder platzt und/oder schmilzt, und das Inertgas und/oder Schutzgas freisetzt.
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Durch die erfindungsgemäße Lösung wird mittels eines oder mehrerer solcher mit Inertgas und/oder Schutzgas gefüllten Füllelemente, d. h. mit derartigen gasgefüllten Objekten, ein Luftvolumen in der Batterie verringert. Dadurch werden insbesondere eine Korrosion innerhalb der Batterie und ein Risiko von Kurzschlüssen reduziert.
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Durch die Befüllung des mindestens einen Füllelementes oder des jeweiligen Füllelementes mit Inertgas und/oder Schutzgas wird zudem eine Brandbekämpfung ermöglicht, indem in einem Brandfall dann das Inertgas und/oder Schutzgas abgelassen wird und den für den Brand erforderlichen Sauerstoff verdrängt.
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Des Weiteren kann das mindestens eine Füllelement oder das jeweilige Füllelement wieder aus der Batterie entnommen werden, ohne dabei andere Komponenten der Batterie zu beschädigen, so dass eine Reparatur der Batterie und/oder eine Wiederverwendung von Batteriekomponenten ermöglicht werden.
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Ausführungsbeispiele der Erfindung werden im Folgenden anhand von Zeichnungen näher erläutert.
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Dabei zeigen:
- 1 schematisch eine aus dem Stand der Technik bekannte Batterie,
- 2 schematisch eine Ausführungsform einer verbesserten Batterie, und
- 3 schematisch eine weitere Ausführungsform einer verbesserten Batterie
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Einander entsprechende Teile sind in allen Figuren mit den gleichen Bezugszeichen versehen.
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Die 1 bis 3 zeigen schematische Darstellungen von Ausführungsformen einer Batterie 1, d. h. eines elektrochemischen Energiespeichers, insbesondere einer Hochvoltbatterie. Derartige Batterien 1 sind beispielsweise als Traktionsbatterie zur Verwendung in einem Fahrzeug, insbesondere in einem Elektrofahrzeug, Hybridfahrzeug oder Brennstoffzellenfahrzeug, vorgesehen, um mindestens einen elektrischen Antriebsmotor zum Antrieb des Fahrzeugs mit elektrischer Energie zu versorgen.
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1 zeigt ein aus dem Stand der Technik bekanntes Ausführungsbeispiel einer solchen Batterie 1. Die 2 und 3 zeigen jeweils ein demgegenüber verbessertes Ausführungsbeispiel einer solchen Batterie 1.
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Die Batterien 1 weisen in allen dargestellten Ausführungsbeispielen ein Batteriegehäuse 2 und mindestens ein in dem Batteriegehäuse 2 angeordnetes Batteriemodul 3 auf, beispielsweise umfassend mindestens eine elektrochemische Einzelzelle 4 oder vorteilhafterweise eine Mehrzahl insbesondere elektrisch seriell und/oder parallel miteinander verschalteter elektrochemischer Einzelzellen 4. In den Beispielen gemäß 1 und 2 ist nur ein solches Batteriemodul 3 im Batteriegehäuse 2 dargestellt. Im Beispiel gemäß 3 sind mehrere Batteriemodule 3 im Batteriegehäuse 2 dargestellt.
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Das eine Batteriemodul 3 oder die mehreren Batteriemodule 3 füllt/füllen das Batteriegehäuse 2 nicht vollständig aus, so dass im Batteriegehäuse 2 mindestens ein Hohlraum 5 vorhanden ist oder eine Mehrzahl solcher Hohlräume 5 vorhanden sind, beispielsweise zwischen dem jeweiligen Batteriemodul 3 und dem Batteriegehäuse 2 und/oder zwischen den einzelnen Batteriemodulen 3. Das Batteriegehäuse 2 kann beispielsweise auch Teile, beispielsweise Seitenwände, eines Modulgehäuses 6 des jeweiligen Batteriemoduls 3 umfassen, welche zum Beispiel Trennwände innerhalb des Batteriegehäuses 2 bilden. Dadurch können beispielsweise mehrere teilweise oder vollständig voneinander getrennte Hohlräume innerhalb des Batteriegehäuses 2 ausgebildet sein.
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Die derzeit beispielsweise bei Elektroautos verwendeten Batterien 1 beruhen meist auf der Lithium-Ionen-Technologie. Eine der Herausforderungen dieser Technologie ist der Umgang mit Wasser oder Feuchtigkeit aus einer Umgebung der Batterie 1. Die elektrochemischen Einzelzellen 4 solcher Batterien 1 weisen ein Elektrolyt auf, in welchem meist LiFP6 verwendet wird, das mit Wasser zu hochreaktiver und für Menschen sehr gefährlicher Flusssäure HF reagiert. Daher ist es dringend geboten, die Einzelzellen 4 vor dem Kontakt mit Wasser zu schützen.
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Des Weiteren führt Kondenswasser in der Batterie 1 zu Korrosion von Bauteilen der Batterie 1 und/oder kann zu Kurzschlüssen, insbesondere bei Hochvoltkomponenten, führen. Aus diesen Gründen wird beispielsweise versucht, das Batteriegehäuse 2 wasserdicht zu gestalten. Die Batterie 1 auch gasdicht zu gestalten, wird aufgrund hoher Kosten nicht realisiert.
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Bei einem Luftdruckwechsel, zum Beispiel bei einer Bergfahrt, führt ein daraus resultierender Druckunterschied zu einem Eindringen von Umgebungsluft in die Batterie 1 oder zu einer Abgabe der in der Batterie 1 enthaltenen Luft an die Umgebung. Dadurch dringt Feuchtigkeit in die Batterie 1 ein. Um die Auswirkungen dieses Umstands gering zu halten, werden die Batterien 1 bisher beispielsweise konstruktiv so gestaltet, dass möglichst wenig Luftvolumen im Batteriegehäuse 2 vorhanden ist und somit nur wenig Austausch stattfindet. Dies führt aber zu einem konstruktiven Konflikt mit Anforderungen der elektrischen Komponenten, bei denen wegen einer erforderlichen elektrischen Isolation Mindestabstände eingehalten werden müssen. Daher kann das Luftvolumen nicht beliebig verringert werden.
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Darüber hinaus werden beispielsweise Trockenpatronen verbaut, die die Luftfeuchtigkeit in der Batterie 1 gering halten.
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Eine andere bereits verwendete Möglichkeit ist der Einsatz einer Vergussmasse. Eine solche Vergussmasse füllt zwar das Luftvolumen in der Batterie 1 komplett aus, jedoch werden durch die Vergussmasse Reparaturen und eine teilweise Wiederverwendung, das so genannte Remanufacturing, erschwert oder ausgeschlossen.
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Eine andere Herausforderung der derzeitig verwendeten Lithium-Ionen-Technik ist ein so genanntes Venting-Ereignis. Werden die Einzelzellen 4 beispielsweise durch ein Feuer unter dem Fahrzeug stark erhitzt, wird der flüssige Elektrolyt in den Einzelzellen 4 gasförmig. Eine resultierende Druckzunahme in den Einzelzellen 4 führt zu einer Öffnung der Einzelzellen 4 und einem Austreten eines flüssig/gasförmigen Elektrolytgemisches in den Batterieraum, d. h. insbesondere in das Batteriegehäuse 2.
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Damit die Batterie 1 nicht unkontrolliert platzt, werden beispielsweise kleine Berstscheiben als Notauslassöffnungen in das Batteriegehäuse 2 integriert. Das austretende Elektrolytgemisch ist zusammen mit Luftsauerstoff hochentzündlich und kann einen Brand außerhalb oder auch innerhalb der Batterie 1 auslösen. Dies wiederum führt durch die zusätzliche Erwärmung der Batterie 1 zu einem noch stärkeren Elektrolytaustritt, auch als positive Rückkopplung bezeichnet.
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Um diese Nachteile und Risiken zu vermeiden oder zumindest zu reduzieren, ist daher vorgesehen, dass der mindestens eine Hohlraum 5 oder der jeweilige Hohlraum 5 zumindest teilweise, insbesondere zumindest großteils, vorteilhafterweise vollständig oder zumindest nahezu vollständig, mit mindestens einem Füllelement 7 ausgefüllt ist, in den hier dargestellten Beispielen mit mehreren solchen Füllelementen 7, wie in 2 und 3 gezeigt. Dabei ist das jeweilige Füllelement 7 mit einem Gas gefüllt, welches vorteilhafterweise als ein Inertgas und/oder Schutzgas ausgebildet ist, beispielsweise Stickstoff.
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Im Ausführungsbeispiel gemäß 2 ist das jeweilige Füllelement 7 als ein mit dem Gas, vorteilhafterweise Schutzgas und/oder Inertgas, gefülltes Gaspolster, insbesondere als ein Ballon, ausgebildet. Beispielsweise wird das jeweilige Füllelement 7, insbesondere der Ballon, zunächst im ungefüllten Zustand in den jeweiligen Hohlraum 5 im Batteriegehäuse 2 eingebracht, beispielsweise nach oder bereits vor dem Einbau des Batteriemoduls 3 oder der Batteriemodule 3, und erst danach, beispielsweise erst nach dem Einbau des Batteriemoduls 3 oder der Batteriemodule 3, mit dem Schutzgas und/oder Inertgas gefüllt, d. h. aufgeblasen. Dadurch kann sich das jeweilige Füllelement 7, welches insbesondere elastisch ausgebildet ist, d. h. insbesondere eine elastische Oberfläche bzw. Hüllenwandung aufweist, optimal an eine Form des auszufüllenden Hohlraums 5 anpassen und die Luft wird aus dem Hohlraum 5 verdrängt. Durch die elastische Ausbildung des jeweiligen Füllelements 7 können beispielsweise auch enge Zwischenräume, Ecken und Nischen insbesondere verwinkelter Hohlräume 5 ausgefüllt werden.
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Im Ausführungsbeispiel gemäß 3 ist das jeweilige Füllelement 7 als eine hohle Kugel ausgebildet, welche mit dem Gas, vorteilhafterweise mit dem Schutzgas und/oder Inertgas, gefüllt ist, insbesondere als eine kleine Kugel. Der jeweilige Hohlraum 5 ist im Ausführungsbeispiel gemäß 3 durch eine Mehrzahl derart ausgebildeter Füllelemente 7 zumindest teilweise gefüllt.
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Die Ausbildung des jeweiligen Füllelements 7 als kleine Kugel hat den Vorteil, dass diese Füllelemente 7 auch in kleine Ecken, Nischen und Zwischenräume insbesondere verwinkelter Hohlräume 5 vordringen können. Je kleiner diese kugelförmigen Füllelemente 7 sind, desto besser kann somit der jeweilige Hohlraum 5 mittels derartiger Füllelemente 7 ausgefüllt werden.
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Eine Mindestgröße dieser kugelförmigen Füllelemente 7 hängt beispielsweise von einer technischen und wirtschaftlich sinnvollen Realisierbarkeit der Füllung dieser Füllelemente 7 mit dem Gas, insbesondere mit dem Inertgas und/oder Schutzgas, ab. Um eine noch bessere Füllung auch kleiner Nischen, Ecken und Zwischenräume insbesondere verwinkelter Hohlräume 5 zu ermöglichen, können auch diese als Kugeln ausgebildeten Füllelemente 7 elastisch ausgebildet sein, d. h. insbesondere eine elastische Hüllenwandung aufweisen.
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Zum Beispiel ist auch eine Kombination verschieden ausgebildeter Füllelemente 7 möglich, d. h. beispielsweise eine Kombination der als Ballon ausgebildeten und der als Kugel ausgebildeten Füllelemente 7 und/oder, wie in 3 gezeigt, eine Kombination unterschiedlich großer Füllelemente 7, hier unterschiedlich großer Kugeln. Dadurch kann insbesondere eine optimierte Füllung des jeweiligen Hohlraums 5 und somit eine optimierte Verringerung des Luftvolumens in der Batterie 1 erreicht werden. Beispielsweise können in verschiedenen Hohlräumen 5 verschieden ausgebildete Füllelemente 7 eingesetzt werden und/oder in verschiedenen Bereichen des jeweiligen Hohlraums 5 verschieden ausgebildete Füllelemente 7 eingesetzt werden.
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Alternativ zur Füllung des jeweiligen Füllelementes 7 mit Inertgas und/oder Schutzgas wäre beispielsweise auch eine Füllung mit Luft möglich. Die Füllung mit dem Inertgas und/oder Schutzgas hat jedoch wesentliche Vorteile. Insbesondere in einem Brandfall kann das Inertgas und/oder Schutzgas aus dem jeweiligen Füllelement 7 austreten und dadurch Sauerstoff verdrängen und das Feuer löschen oder zumindest eindämmen.
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Das jeweilige Füllelement 7 ist vorteilhafterweise aus einem elektrisch isolierenden Material ausgebildet. Dadurch kann das jeweilige Füllelement 7 mit stromführenden Teilen der Batterie 1 in Kontakt kommen, ohne einen Kurzschluss zu verursachen. Zusätzliche elektrische Isolierungen solcher stromführenden Teile sind somit nicht erforderlich.
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Durch das mindestens eine Füllelement 7 oder die mehreren Füllelemente 7 werden das Luftvolumen in der Batterie 1 und somit der Luftaustausch mit der Umgebung und eindringende Feuchtigkeit reduziert. Dadurch werden eine Korrosion innerhalb der Batterie 1 und ein Risiko von Kurzschlüssen reduziert.
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Die als Kugeln ausgebildeten Füllelemente 7 können bei einer Öffnung der Batterie 1, beispielsweise um eine Reparatur oder ein Remanufacturing vorzunehmen, leicht entfernt werden, beispielsweise durch Ausschütten oder durch Absaugen mittels eines Staubsaugers. Beispielsweise können diese Füllelemente 7 dann auch erneut wieder verwendet werden.
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Insbesondere bei den als Ballon ausgebildeten Füllelementen 7 kann vorteilhafterweise das Gas, insbesondere das Inertgas und/oder Schutzgas, wieder entnommen werden, vorteilhafterweise zerstörungsfrei, d. h. ohne eine Zerstörung des Füllelementes 7. Beispielsweise kann es abgelassen oder abgesaugt werden. Dadurch können auch diese Füllelemente 7 auf einfache Weise wieder aus der Batterie 1 entfernt werden, beispielsweise für eine Reparatur der Batterie 1 oder ein Remanufacturing, und bei einer zerstörungsfreien Entnahme des Gases, insbesondere des Inertgases und/oder Schutzgases, können auch diese Füllelemente 7 wieder verwendet werden, indem sie erneut in ein Batteriegehäuse 2 eingesetzt und wieder mit dem Gas, insbesondere Inertgas und/oder Schutzgas, befüllt werden.
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Vorteilhafterweise ist das jeweilige Füllelement 7, d. h. das als Kugel und/oder das als Ballon ausgebildete Füllelement 7, mit Überdruck mit dem Inertgas und/oder Schutzgas befüllt, d. h. das Inertgas und/oder Schutzgas im jeweiligen Füllelement 7 ist komprimiert.
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Vorteilhafterweise ist das jeweilige Füllelement 7 derart ausgebildet ist, dass es sich bei Feuer, d. h. insbesondere bei hoher Temperatur, welche beispielsweise einen vorgegebenen Temperaturgrenzwert überschreitet, öffnet, beispielsweise bricht und/oder aufreißt und/oder platzt und/oder schmilzt, und das Inertgas und/oder Schutzgas freisetzt. Somit können die Füllelemente 7 bei einem Brand, insbesondere in der Batterie 1 das, insbesondere mit Überdruck, enthaltene Inertgas und/oder Schutzgas freisetzen, so dass der restliche Sauerstoff in der Batterie 1 verdrängt wird. Zusätzlich entsteht ein Überdruck in der Batterie 1, so dass von außen nur schwer neuer Sauerstoff eindringen kann. Dies kann den Brand löschen oder zumindest verlangsamen.
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Vorteile bestehen durch die beschriebene Lösung auch bei Auftreten eines Venting-Ereignis. Da aufgrund der zumindest teilweisen Füllung des jeweiligen Hohlraums 5 mit einem oder mehreren mit Gas, insbesondere mit Inertgas und/oder Schutzgas, gefüllten Füllelementen 7 nur wenig Sauerstoff in der Batterie 1 vorhanden ist, kann bei einem solchen Venting-Ereignis ein Brand verhindert oder zumindest verringert und/oder verzögert werden. Zudem kann das jeweilige Füllelement 7 beispielsweise auch derart ausgebildet sein, dass es nicht erst bei einem in der Batterie 1 ausgebrochenen Feuer, sondern auch bereits bei hoher Temperatur, welche beispielsweise den vorgegebenen Temperaturgrenzwert überschreitet, öffnet, beispielsweise bricht und/oder aufreißt und/oder platzt und/oder schmilzt, und das Inertgas und/oder Schutzgas freisetzt. Dadurch wird auch bei einem Brand außerhalb der Batterie 1, welcher die Batterie 1 entsprechend stark erwärmt und beispielsweise das Venting-Ereignis auslöst, das Inertgas und/oder Schutzgas freigesetzt und somit eine Brandentstehung innerhalb der Batterie 1 verhindert oder zumindest verzögert.
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Bezugszeichenliste
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- 1
- Batterie
- 2
- Batteriegehäuse
- 3
- Batteriemodul
- 4
- Einzelzelle
- 5
- Hohlraum
- 6
- Modulgehäuse
- 7
- Füllelement
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- EP 3211691 A1 [0002]
- DE 102008037039 A1 [0003]
