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Die Erfindung betrifft eine Schutzvorrichtung für ein Kraftfahrzeug-Batteriegehäuse gemäß dem Oberbegriff des Patentanspruchs 1. Ferner betrifft die Erfindung eine Traktionsbatterie für ein Kraftfahrzeug mit einem Batteriegehäuse gemäß dem Oberbegriff des Patentanspruchs 9, sowie ein Kraftfahrzeug mit der erfindungsgemäßen Traktionsbatterie gemäß dem Patentanspruch 10.
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Die Tauglichkeit von Hybrid- und Elektrofahrzeugen hängt maßgeblich von ihren Batterien, insbesondere Traktionsbatterien, ab. Die Batterie muss nicht nur eine hohe Energiedichte, eine hohe Leistung und eine lange Lebensdauer aufweisen, sondern sollte auch strenge Sicherheitsstandards erfüllen. Als Traktionsbatterien in Elektro- und Hybridfahrzeugen kommen derzeit vorwiegend, als sogenannte Hochvoltspeicher ausgebildete, Lithium-Ionen-Akkus zum Einsatz. Um die genannten und geforderten hohen Kapazitäten und Spannungen zu erreichen, werden in der Traktionsbatterie üblicherweise zahlreiche, insbesondere Lithium-Ionen-, Zellen zusammengeschaltet.
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Bei solch einer Zelle, welches auch als Batteriezelle bezeichnet wird, kann es zu einem zellinternen Kurzschluss kommen, welcher einen thermischen Event zur Folge haben kann. Dabei handelt es sich um einen sich selbst verstärkenden, wärmeproduzierenden Prozess. Durch die immer höher werdenden Anforderungen wächst die Energiedichte der Batterien immer weiter, was eine höher werdende Packungsdichte der Batteriezellen, in einem jeweiligen Batteriemodul beziehungsweise in der Batterie zu Folge hat. Kommt es nun in einer Batteriezelle zu einem Ereignis, wie beispielsweise dem Kurzschluss, welcher den thermischen Event auslöst, wächst die Gefahr, dass durch die hohe Wärmeentwicklung bei benachbarte Zellen ebenfalls ein thermischer Event ausgelöst wird. Dadurch kann die Wärmeentwicklung in dem Batteriemodul deutlich steigen. Dies kann einen sogenannten Dominoeffekt beziehungsweise eine Kettenreaktion auslösen, was zu einer vollständigen Zerstörung der gesamten Traktionsbatterie führen kann.
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Eine Batterie für ein elektrisch angetriebenes Kraftfahrzeug, insbesondere ein Elektrofahrzeug, kann bis zu mehrere 100 Kilogramm wiegen und fällt somit entsprechende großvolumig aus. Daher wird solch eine Batterie in der Regel häufig an beziehungsweise in einem Unterboden des Kraftfahrzeugs, beispielsweise unter den Sitzen, eingebaut.
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Die Batterien müssen möglichst gut vor Umwelteinflüssen geschützt werden, um beispielswiese das Risiko eines Kurzschlusses besonders gering zu halten. Insbesondere bei einer Montage am Unterboden müssen die Zellen des Hochvoltspeichers wirksam vor eindringendem Wasser, wenn das Kraftfahrzeug beispielsweise durch eine Pfütze oder in die Waschanlage fährt, geschützt werden, da Feuchtigkeit besonders einfach Kurzschlüsse in einer jeweiligen Zelle auslösen kann.
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Solch ein Batteriegehäuse darf aber nicht hermetisch abgedichtet werden, da in der Traktionsbatterie beispielsweise infolge von Temperaturveränderungen und/oder Höhenunterschiede, welchen das Kraftfahrzeug durchlebt, erhebliche Schwankungen des Innendrucks innerhalb des Batteriegehäuses auftreten können. Daher ist in heutigen Batteriegehäusen für Traktionsbatterien wenigstens eine Druckentlastungsöffnung vorgesehen, mittels welcher beispielsweise Deformationen der Traktionsbatterie aufgrund eines zu großen Druckanstiegs verhindert werden können.
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Kommt es nun zu dem erwähnten, thermischen Event in einer der Batteriezellen der Traktionsbatterie und in Folge dessen beispielsweise zu dem genannten Dominoeffekt, kommt die Batterie in einen Zustand, in dem sie Rauch und Flammen entwickeln kann. Dadurch kann das Kraftfahrzeug, in Brand geraten und es können Insassen, insbesondere bei einem Personenkraftfahrzeug, und/oder Passanten verletzt werden.
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Die Gefahr eines Brandes kann dadurch begünstigt werden, dass aus einer jeweiligen Zelle, während sie verbrennt beziehungsweise abrennt und/oder durchschmort, hohe Anteile an Wasserstoff und Kohlenmonoxid entweichen können. In der jeweiligen Zelle und/oder im Inneren des Batteriegehäuses sind diese Gase in der Regel aufgrund fehlender Luft und dadurch fehlenden Sauerstoffes in der Regel nicht entflammbar. Bildet sich daraus jedoch ein Gas-Luft-Gemisch, durch entweichen des Gases aus der Zelle beziehungsweise der Batterie in eine mit Luft befüllte Umgebung, ist dieses entweichenden Gas ab zirka 400 Grad entzündlich. Funken, welche während des thermischen Events innerhalb der jeweiligen Batteriezelle entstehen können, haben in der Regel eine Oberflächentemperatur, welche größer als die Entzündungstemperatur der produzierten Gase ist, wodurch möglichst gewährleistet werden sollte, dass keine Funken das Gas-Luft-Gemisch erreichen, das heißt Funken sollten die Batterie nicht verlassen. So sind im Stand der Technik Flammschutzgitter auf Zellebene bekannt, die den Funkenflug nach innen in das Batteriegehäuse unterbinden sollen, um das thermische Event einer Zelle zu verhindern.
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Ferner zeigt die
US 4 219 612 einen belüfteten Einfüllstopfen für elektrische Speicherzellen. Da beim Entladen von elektrischen Zellen, insbesondere bei Bleiakkumulatoren, häufig ein explosionsfähiges Gasgemisch freigesetzt werden kann, weist der belüftete Einfüllstopfen einen Entlüftungspfad auf, welcher eine Flammenfalle einschließt, durch die Gas in die Zelle eindringen oder aus ihr austreten kann, wobei die Flammenfalle so angeordnet ist, dass sie im Gebrauch mit dem Zellinneren an einem Punkt oberhalb des normalen Elektrolytspiegels angeordnet ist. Der Einfüllstopfen weist eine Flüssigkeitsfalle auf, welche durch einen Druck und eine rohrförmige Brennwand definiert ist und weist ferner eine keramische Trennwand auf.
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Mithin ist es Aufgabe der vorliegenden Erfindung, eine Schutzvorrichtung für ein Kraftfahrzeug-Batteriegehäuse bereitzustellen, durch welche ein Ausbrechen von Funken aus dem Inneren des Batteriegehäuses in eine Umgebung besonders vorteilhaft vermieden beziehungsweise zumindest gehemmt werden kann. Ferner ist es Aufgabe der Erfindung, eine entsprechende Traktionsbatterie sowie ein die Traktionsbatterie umfassenden Kraftfahrzeug bereitzustellen.
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Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß durch eine Schutzvorrichtung gemäß dem Patentanspruch 1 gelöst. Ferner lösen die Traktionsbatterie gemäß Patentanspruch 9 sowie das Kraftfahrzeug gemäß Patentanspruch 10 die Aufgabe. Vorteilhafte Ausführungen der Erfindung sind Gegenstand der abhängigen Patentansprüche und der Beschreibung.
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Ein erster Aspekt der Erfindung betrifft eine erfindungsgemäße Schutzvorrichtung für ein Kraftfahrzeug-Batteriegehäuse, insbesondere einer Traktionsbatterie für ein Kraftfahrzeug, welches als Elektrofahrzeug oder Hybridfahrzeug ausgebildete sein kann. In dem Batteriegehäuse, insbesondere in dessen Inneren, ist eine Mehrzahl von Batteriemodulen aufnehmbar, wobei das jeweilige Batteriemodul Batteriezellen umfasst. Das heißt, in dem jeweiligen Batteriemodul ist eine Mehrzahl von Batteriezellen angeordnet beziehungsweise zusammengefasst. Ferner weist das Kraftfahrzeug-Batteriegehäuse wenigstens eine Druckentlastungsöffnung auf, über welche ein Fluid aus dem Inneren des Batteriegehäuses entweichbar ist. Es wird angemerkt, dass der Begriff Mehrzahl im Zusammenhang mit dem Patentanspruch 1 dieser Anmeldung als Synonym für den Begriff Vielzahl zu verstehen ist und jeweils eine Gesamtheit bezeichnet. Es ist nicht im Sinne einer Auswahl oder einer Majorität einer Menge zu verstehen. Die Mehrzahl von Batteriemodulen ist eine feste Menge von Batteriemodulen, die mindestens zwei Batteriemodule umfasst. Dabei umfasst das jeweilige Batteriemodul mehrere, das heißt wenigstens zwei, Batteriezellen.
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Um beispielsweise aufgrund von Temperaturveränderungen und/oder Höhenunterschieden auftretende Druckschwankungen im Inneren des Batteriegehäuses ausgleichen zu können, und so einer etwaigen Deformation oder Zerstörung des Batteriegehäuses entgegenzuwirken, ist die wenigstens eine Druckentlastungsöffnung vorgesehen. Die Druckentlastungsöffnung kann auch als Gasaustrittsöffnung bezeichnet werden.
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Um nun ein Ausbrechen von Funken aus dem Inneren des Batteriegehäuses in eine Umgebung besonders vorteilhaft durch die erfindungsgemäße Schutzvorrichtung zu verhindern beziehungsweise einzuschränken, ist es erfindungsgemäß vorgesehen, dass die Schutzvorrichtung wenigstens ein Funkenschutzelement aufweist, mittels welchem ein Entweichen von Funken aus dem Inneren des Batteriegehäuses durch die Druckentlastungsöffnung zu hemmen ist. Mit anderen Worten ist das Funkenschutzelement derart ausgebildet, den Funkenflug nach außen, das heißt aus dem Inneren des Batteriegehäuses in eine Umgebung, insbesondere des Kraftfahrzeugs, zu reduzieren, wobei der Funkenflug beispielsweise aufgrund eines thermischen Events beispielsweise bei einem zellinternen Kurzschluss und/oder einem Durchbrennen wenigstens einer der Batteriezellen entstehen kann.
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Der Erfindung liegt die Erkenntnis zugrunde, dass es bei dem thermischen Event einer Batteriezelle beziehungsweise bei einem Brand oder einem Verbrennen der Batteriezelle Gas entstehen kann, welches beispielsweise hohe Anteile an Wasserstoff und Kohlenmonoxid aufweist. Das Gas beziehungsweise die Gase und somit ein Gasgemisch können aus der jeweiligen Batteriezelle entweichen. Aufgrund fehlenden Sauerstoffes im Inneren eines jeweiligen Batteriemoduls und somit in der Batteriezelle beziehungsweise im Inneren des Batteriegehäuses insgesamt, können dort in der Regel jeweils keine offenen Flammen entstehen. Das Gas, welches im Falle des thermischen Events über die Druckentlastungsöffnung entweichen kann, ist jedoch ab zirka 400 Grad entzündlich. Unabhängig davon können sich bei dem thermischen Event Funken innerhalb des Batteriegehäuses bilden. Das Gas beziehungsweise das Gasgemisch, welches aus dem Batteriegehäuse in die Umgebung entweicht, bildet dort in Kombination beziehungsweise durch Vermischen mit dem in der Luft der Umgebung enthaltenem Sauerstoff ein brennbares Gas-Luft-Gemisch. Dieses kann durch einen Funken, welcher in der Regel eine Oberflächentemperatur größer der Flammtemperatur des Gasgemisches aufweist, entzündet werden. Durch die erfindungsgemäße Schutzvorrichtung kann ein Austreten von sich im Inneren des Batteriegehäuses befindenden Funken vermieden werden, wodurch die Wahrscheinlichkeit einer Entzündung des Gas-Luft-Gemisches verringert werden kann beziehungsweise verringert wird. Dadurch wird die Gefahr beziehungsweise die Wahrscheinlichkeit eines Brandes des Kraftfahrzeugs reduziert, womit das Kraftfahrzeug besonders sicher betrieben werden kann.
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Ferner können insbesondere im Vergleich zum Stand der Technik, wo Schutzgitter auf Zellebene eingesetzt werden, Kosten gespart werden, da eine Stückzahl der Flammschutzgitter durch das erfindungsgemäße Funkenschutzelement reduziert werden kann. Darüber hinaus kann eine Reduktion der Flammschutzgitter auf Zellebene aufgrund des, insbesondere zentrale, Funkenschutzelements der erfindungsgemäßen Schutzvorrichtung zu einem besseres Ausgasen der jeweiligen Batteriezelle führen. Dadurch kann beispielsweise ein Druck innerhalb der Batteriezelle besonders schnell abgebaut werden. Zudem kann das Funkenschutzelement ein Eindringen von Funken in das Innere des Batteriegehäuses ebenfalls hemmen.
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In vorteilhafter Ausgestaltung der Erfindung ist das Funkenschutzelement der Schutzvorrichtung zumindest teilweise als Funkenschutzgitter ausgebildet. Mit anderen Worten ist zumindest ein Teil des Funkenschutzelements, welches insbesondere für Gas durchlässig ist, sodass Gas durch die Druckentlastungsöffnung entweichen kann, als ein Gitter ausgebildet. Das Gitter kann beispielsweise Maschen aufweisen, deren Größe derart gewählt ist, dass Funken dieses Funkenschutzgitter nicht beziehungsweise nur erschwert passieren können. Vorteil bei der Verwendung eines Funkenschutzgitters als Funkenschutzelement ist, dass das Funkenschutzgitter einen besonders einfachen Aufbau aufweisen kann, wodurch es besonders robust und somit ausfallsicher ausgebildet werden kann. Ferner können durch einen einfachen Aufbau Kosten eingespart werden. Es können mehrere Funkenschutzgitter aufeinanderfolgend angeordnet sein, insbesondere derart, dass die Maschen jeweils zumindest zweier aufeinanderfolgender Funkenschutzgitter versetzt zueinander angeordnet sind. Durch die zueinander versetzten Maschen wenigstens zwei aufeinanderfolgender Funkenschutzgitter kann ein Hindurchkommen von Funken durch die Schutzvorrichtung besonders effizient gehemmt werden, da kein geradliniger Weg eines Funken durch die Funkenschutzgitter führt.
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In vorteilhafter Ausgestaltung der Erfindung ist das Funkenschutzelement der erfindungsgemäßen Schutzvorrichtung zumindest teilweise als offenporiger Metallschaum ausgebildet. Mit anderen Worten ist zumindest ein Teil des Funkenschutzelements aus einem metallischen Werkstoff gebildet, welcher eine schwammartige Struktur, insbesondere eine Labyrinthstruktur, aufweist. Durch die insbesondere labyrinthartige Ausbildung der Verbindungen der offenporigen Hohlräume des Metallschaums kann ein besonders effizienter Funkenschutz gewährleistet werden, da aufgrund der Materialeigenschaft kein, insbesondere geradliniges, Durchkommen von Funken durch den Metallschaum wahrscheinlich ist. Zudem ergibt sich der Vorteil, dass der Metallschaum, insbesondere in seinem Inneren, eine besonders große Oberfläche aufweist, welche einen über die Druckentlastungsöffnung entweichenden Gasstrom des Gasgemisches aus dem Inneren des Batteriegehäuses besonders effizient abkühlen kann, wodurch das Risiko einer Entzündung des Gasgemisches außerhalb der Batterie weiter reduziert werden kann.
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Als Materialien für das Funkenschutzgitter und/oder den Metallschaum des Funkenschutzelements eignen sich beispielsweise besonders hitzeresistente und/oder gut wärmeleitende Metalle, wie beispielsweise Nickel und/oder Kupfer, und/oder Legierungen. Ferner sind grundsätzlich edlere Metalle beziehungsweise Elemente besonders gut für die Verwendung als Funkenschutzelement geeignet, wobei durchaus auch beschichtete Materialien beziehungsweise Metalle zum Einsatz kommen können.
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In vorteilhafter Ausgestaltung der erfindungsgemäßen Schutzvorrichtung ist wenigstens ein einerseits an der Druckentlastungsöffnung mündender Kanal im Inneren des Batteriegehäuses ausgebildet, welcher andererseits an wenigstens einem Batteriemodul und/oder wenigstens einer Batteriezelle anschließt. Mit anderen Worten ist zumindest eines der Batteriemodule beziehungsweise zumindest eine der Batteriezellen über einen Kanal, welcher insbesondere zum Leiten eines Fluids, insbesondere eines Gases, ausgebildet ist, mit der Druckentlastungsöffnung des Batteriegehäuses verbunden. Über diese wenigstens eine fluidisch leitende Verbindung zwischen der jeweiligen Batteriezelle beziehungsweise dem Batteriemodul und der wenigstens einen Druckausgleichsöffnung kann der Gasstrom von aus dem Batteriemodul beziehungsweise aus der Batteriezelle entweichendem Gas besonders vorteilhaft zur Druckentlastungsöffnung geleitet werden, sodass ein besonders vorteilhaftes Ausgasen der jeweiligen Batteriezelle beziehungsweise des jeweiligen Batteriemoduls möglich ist. Hierdurch kann beispielsweise die Temperatur innerhalb des Batteriegehäuses gesenkt werden. Das Batteriegehäuse kann mehrere Druckentlastungsöffnungen aufweisen und der wenigstens eine Kanal derart ausgebildet sein, dass Austrittswege für das Gas besonders kurz ausgebildet werden, sodass ein Entweichen des Gases beispielsweise besonders schnell möglich ist.
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In vorteilhafter Ausgestaltung der Erfindung ist das Funkenschutzelement in dem wenigstens einen Kanal entfernt von der wenigstens einen Druckentlastungsöffnung und/oder in der Nachbarschaft von wenigstens einer Batteriezelle angeordnet. Mit anderen Worten ist das Funkenschutzelement in einem Abstand von der Druckentlastungsöffnung im Inneren des Batteriegehäuses in dem Kanal angeordnet. Alternativ oder zusätzlich ist das Funkenschutzelement in der Nachbarschaft von wenigstens einem jeweilige Batteriezellen umfassenden Batteriemodul angeordnet. Da durch die wenigstens eine Druckentlastungsöffnung beziehungsweise Gasaustrittsöffnung auch Gas, insbesondere Luft, in Abhängigkeit eines Druckverhältnisses aus der Umgebung in das Innere des Batteriegehäuses eindringen kann, ergibt sich im Inneren beziehungsweise im Innenraum des Batteriegehäuses eine Luftkonzentration, die größer werden beziehungsweise steigen kann, je geringer der Abstand im Inneren des Batteriegehäuses zu der Druckentlastungsöffnung ist. Je höher der Luftanteil in dem Gas-Luft-Gemisch ist, desto höher ist dessen Entflammbarkeit. Das heißt, je weiter weg von der Druckentlastungsöffnung das Flammenschutzelement hin zum Inneren des Batteriegehäuses angeordnet ist, desto besser kann dessen Wirkung bei der Vermeidung von Flammen sein.
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In vorteilhafter Ausgestaltung der Erfindung ist ein Membranelement in der Druckausgleichsöffnung beziehungsweise Druckentlastungsöffnung angeordnet, welches bei einem abrupten Druckanstieg im Batteriegehäuse birst. Durch eine Möglichkeit der Platzierung der durch das Batteriegehäuse umschlossenen Batterie an einem Unterboden des Kraftfahrzeugs kann beispielsweise durch Pfützen Feuchtigkeit beziehungsweise Wasser auf das Batteriegehäuse treffen. Um nun Kurzschlüsse, insbesondere der Batteriezellen, besonders vorteilhaft zu verhindern, kann eine Membran des Membranelements in der Druckentlastungsöffnung angeordnet werden. Dabei hindert die Membran vorteilhafterweise Wasser und/oder Staub und/oder Schmutz und/oder Öle am Eindringen in das Innere des Batteriegehäuses und erlaubt zudem jedoch einen Austausch von Gas sowohl aus dem Inneren des Batteriegehäuses und/oder in das Innere des Batteriegehäuses. Kommt es nun zu einem oben beschriebenen thermischen Event beispielsweise einer Batteriezelle, kann innerhalb kürzester Zeit ein besonders großer Druckanstieg im Inneren des Batteriegehäuses stattfinden. Die Membran ist nun so ausgebildet, dass sie bei dem genannten Druckanstieg brechen beziehungsweise platzen beziehungsweise bersten kann, sodass Gas wesentlich schneller aus dem Inneren des Batteriegehäuses entweichen kann als dies über eine intakte Membran selbst möglich wäre. Somit kann in besonders vorteilhafter Weise ein Überdruckschutz, welcher beispielsweise das Bersten des Batteriegehäuses verhindern kann, realisiert werden.
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In vorteilhafter Ausgestaltung der Erfindung ist das Membranelement derart ausgebildet, dass es bei dem Druckanstieg an zumindest einer vorgebbaren Stelle birst. Mit anderen Worten weist das Membranelement eine Sollbruchstelle auf, welche beispielsweise mittels einer Perforation des Membranelements, insbesondere in dessen Membran, realisiert werden kann. Somit kann im Falle des Berstens der Membran, insbesondere durch den Druckanstieg, die Art, wie das Membranelement birst, bestimmt werden. Somit ergibt sich der Vorteil, dass das Membranelement beziehungsweise zumindest Teile des Membranelements, im geborstenen Zustand nicht die Funktion des Funkenschutzelements beeinträchtigen beziehungsweise eine unerwünschte Wechselwirkung zwischen Membranelement und Funkenschutzelement unterbleibt beziehungsweise unterbleiben kann.
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In vorteilhafter Ausgestaltung der Erfindung ist das Membranelement in Bezug zum Inneren des Batteriegehäuses weiter außenliegend als das Funkenschutzelement angeordnet. Mit anderen Worten ist, in Gasstromrichtung des möglicherweise aus dem Inneren der Batteriezelle austretenden Gases gesehen, das Funkenschutzelement vor dem Membranelement angeordnet, sodass beispielsweise Funken von dem Membranelement abgehalten werden können. Ferner kann das geborstene Membranelement das Funkenschutzelement nicht negativ beeinflussen, da lose Teile beim Bersten des Membranelements durch den Gasstrom von dem Funkenschutzelement weg getragen werden.
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Ein zweiter Aspekt der Erfindung betrifft eine Traktionsbatterie für ein Kraftfahrzeug, wobei die Traktionsbatterie ein Batteriegehäuse aufweist, welches mit einer erfindungsgemäßen Schutzvorrichtung ausgebildet ist. Vorteile und vorteilhafte Ausgestaltungen des zweiten Aspekts der Erfindung sind als Vorteile und vorteilhafte Ausgestaltungen des ersten Aspekts der Erfindung anzusehen und umgekehrt.
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Ein dritter Aspekt der Erfindung betrifft ein Kraftfahrzeug, welches eine erfindungsgemäße Traktionsbatterie aufweist. Vorteile und vorteilhafte Ausgestaltungen des dritten Aspekts der Erfindung sind als Vorteile und vorteilhafte Ausgestaltungen des ersten beziehungsweise zweiten Aspekts der Erfindung anzusehen und umgekehrt.
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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 der Figur alleine gezeigten Merkmale und Merkmalskombinationen sind nicht nur in der jeweils angegebenen Kombination, sondern auch in anderen Kombinationen oder in Alleinstellung verwendbar.
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Die Erfindung wird nun anhand eines bevorzugten Ausführungsbeispiels sowie unter Bezugnahme auf die Zeichnung näher erläutert.
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Es zeigt die einzige Figur eine schematische Darstellung einer Traktionsbatterie aufweisend ein Batteriegehäuse mit einer erfindungsgemäßen Schutzvorrichtung.
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Die einzige Fig. zeigt eine Schutzvorrichtung 10 für ein Kraftfahrzeugbatteriegehäuse 12 einer Traktionsbatterie 14. In dem Batteriegehäuse 12 ist eine Mehrzahl von Batteriemodulen 18 aufnehmbar, welche jeweils, insbesondere mehrere, Batteriezellen 16 umfassen. Ferner weist das Batteriegehäuse 12 wenigstens eine Druckentlastungsöffnung 20 auf, über welche ein Fluid aus dem Inneren 22 des Batteriegehäuses 12 entweichbar ist.
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Die gezeigte Traktionsbatterie 14 kann beispielsweise als Stromversorgung einer elektrischen Maschine eines Kraftfahrzeugs, insbesondere eines Hybridfahrzeugs oder eines Elektrofahrzeugs, dienen. Das Batteriegehäuse 12 dient zum Schutz der Batteriezellen 14 beziehungsweise der Batteriemodule 18 vor äußeren Einflüssen, insbesondere falls die Traktionsbatterie 14 an einem Unterboden des Kraftfahrzeugs montiert ist. Die jeweilige Batteriezelle 16 ist beispielsweise eine Lithium-Ionen-Zelle. Die Traktionsbatterie 14 kann als Hochvoltspeicher ausgebildet. Bei Hochvoltspeichern können beispielsweise infolge von Temperaturunterschieden oder Höhenveränderungen erhebliche Schwankungen des Innendrucks im Inneren 22 des Batteriegehäuses auftreten, deshalb ist die Druckentlastungsöffnung 20 vorgesehen.
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Im Falle eines Auftretens eines technischen Defekts wenigstens einer der, insbesondere Lithium-Ionen-, Batteriezellen 16, kann ein sogenannter thermischen Event auftreten. Der technische Defekt ist beispielsweise ein zellinterner Kurzschluss. Bei dem thermischen Event kann es sich um einen sich selbst verstärkenden, wärmeproduzierenden Prozess handeln. Aufgrund der zum Antreiben eines Kraftfahrzeugs geforderten hohen elektrischen Kapazitäten ist eine Packungsdichte der jeweiligen Batteriezellen 16 im jeweiligen Batteriemodul 18 sowie der Batteriemodule 18 im Inneren 22 des Batteriegehäuses groß. Durch die hohe Packungsdichte wächst die Gefahr, dass infolge des thermischen Effekts einer Batteriezelle 16 benachbarte Batteriezellen 16 aufgrund der möglichen hohen Wärmeentwicklung bei Kurzschluss der einen Batteriezelle 16 ebenfalls durchgehen beziehungsweise ebenfalls einen thermischen Effekt erleiden. Der thermische Effekt kann beispielsweise als Brand, insbesondere Schwelbrand, beziehungsweise Schmoren auftreten. Die dabei entstehenden Gase, insbesondere Wasserstoff und Kohlenmonoxid, können beim Austreten aus dem Batteriegehäuse 12 an Luft ein zündfähiges und brennbares Gas-Luft-Gemisch ausbilden. Um zu verhindern, dass sich dieses Gas-Luft-Gemisch durch Funken, welche insbesondere aufgrund des thermischen Effekts im Inneren 22 des Batteriegehäuses 12 entstehen, entzündet, weist die Schutzvorrichtung 10 wenigstens ein Funkenschutzelement 24 auf, mittels welchem ein Entweichen von Funken aus dem Inneren 22 des Batteriegehäuses 12 durch die Druckentlastungsöffnung 20 zu hemmen ist. Durch das Funkenschutzelement 24 kann somit beispielsweise die Wahrscheinlichkeit eines Brandes des Kraftfahrzeugs verringert werden. Im Inneren 22 befindet sich in der Regel keine Luft und somit kein Sauerstoff, womit die Wahrscheinlichkeit eines direkten Brandes beziehungsweise offener Flammen im Inneren 22 des Batteriegehäuses 12 in der Regel gering ist.
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Um im Normalbetrieb des Hochvoltspeichers die Schwankungen des Innendrucks auszugleichen und die Traktionsbatterie 14 dennoch vor Umwelteinflüssen wie beispielsweise Eindringen von Wasser zu schützen und somit Kurzschlüsse und dadurch verursachte thermische Events zu reduzieren beziehungsweise die Wahrscheinlichkeit für thermische Events herabzusetzen, ist eine Membran beziehungsweise ein die Membran aufweisendes Membranelement 26 in der Druckausgleichsöffnung 20 angeordnet. Das Membranelement 26 ist dabei vorteilhafterweise so ausgeführt, dass es für Flüssigkeiten und/oder Staub und/oder Schmutz undurchlässig ist, jedoch für Gas durchlässig.
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Kommt es nun beispielsweise zu dem oben beschriebenen thermischen Event, kann dies zu einem schlagartigen Entweichen von Gas aus zumindest einer Batteriezelle 16 beziehungsweise einem Batteriemodul 18 in das Innere 22 der Batteriezelle führen. Um nun einen Schaden der Traktionsbatterie 14 besonders gering zu halten, sollte das Gas das Batteriegehäuse 12 möglichst schnell verlassen können. Beispielsweise könnte das Batteriegehäuse 12 aufgrund eines Überdrucks bersten. Daher ist das Membranelement 26 so ausgebildet, dass es bei einem abrupten Druckanstieg im Inneren 22 des Batteriegehäuses 12 birst, wodurch das entstandene Gas das Batteriegehäuse 12 schlagartig beziehungsweise besonders schnell verlassen kann. Damit das Gas an seinem Entstehungsort an einer Batteriezelle 16 beziehungsweise einem der Batteriemodule 18 zur Druckentlastungsöffnung 22, welche auch als Gasaustrittsöffnung bezeichnet werden kann, strömen kann, ist ein einerseits an der Druckentlastungsöffnung 20 mündender Kanal 28 im Inneren 22 des Batteriegehäuses 12 ausgebildet, welcher andererseits an wenigstens einem Batteriemodul 18 und/oder wenigstens einer Batteriezelle 16 anschließt. Durch den wenigstens einen Kanal 28 kann somit wenigstens ein durch einen der Pfeile angedeuteter Gasstrom 30, insbesondere in Richtung der Druckentlastungsöffnung 20 fließen. Das Funkenschutzelement 24 hindert in dem Gasstrom 30 enthaltene Funken am Verlassen des Batteriegehäuses 12. Ebenso kann das Funkenschutzelement 24 Funken am Eindringen in das Batteriegehäuse 12 beziehungsweise am Eindringen in den hinter dem Funkenschutzelement 24 im Inneren 22 des Batteriegehäuses 12 liegenden wenigstens einen Kanal 28 hindern beziehungsweise hemmen. Das Funkenschutzelement 24 ist zumindest teilweise als Funkenschutzgitter 32 ausgebildet, wodurch sich auf besonders einfache Weise Funken aufhalten lassen beziehungsweise ein Passieren der Funken durch das Funkenschutzelement 24 verringert werden kann. Es können mehrere Funkenschutzgitter 32 aufeinanderfolgend angeordnet sein. Das gezeigte Ausführungsbeispiel umfasst zwei Funkenschutzgitter 32. Dabei sind Maschen des ersten Funkenschutzgitters 32 versetzt zu Maschen des zweiten Funkenschutzgitters 32 angeordnet. Durch die zueinander versetzten Maschen der zwei aufeinanderfolgenden Funkenschutzgitter 32 kann ein Hindurchkommen von Funken durch die Schutzvorrichtung besonders effizient gehemmt werden. Alternativ oder zusätzlich dazu kann das Funkenschutzelement 24 zumindest teilweise als offenporiger Metallschaum 34 ausgebildet sein.
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Der Metallschaum 34 bietet den Vorteil, dass er eine labyrinthartig beziehungsweise schwammartige Struktur aufweist, wodurch ein Entweichen von Funken besonders gut hemmbar ist. Ferner bietet die schwammartige Struktur des Metallschaums 34 eine große Oberfläche, wodurch beispielsweise das Gas beim Entweichen aus dem Inneren 22 in seiner Temperatur herabgesetzt werden kann. Sowohl das Funkenschutzgitter 32 als auch der Metallschaum 34 sind vorzugsweise aus einer Legierung und/oder einem Metall, insbesondere einem edleren Metall beziehungsweise Element ausgebildet, welches beispielsweise zusätzlich eine Beschichtung aufweisen kann. Um einen besonders großen Kühleffekt des Metallschaums 34 zu realisieren, kann beispielsweise Kupfer, welches eine besonders hohe Wärmeleitfähigkeit aufweist, verwendet werden. Dazu könnte zusätzlich ein Kühlelement mit dem Funkenschutzelement 24, insbesondere mit dessen Metallschaum 34, in Kontakt sein, welches Wärme beispielsweise besonders gut abtransportieren kann.
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Wie der Fig. zu entnehmen ist, ist das Membranelement 26 in Bezug zum Inneren 22 des Batteriegehäuses 12 weiter außenliegend als das Funkenschutzelement 24 angeordnet, dadurch kann bei einem Bersten des Membranelements 26 das Funkenschutzelement 24 nicht durch Teile des geborstenen Membranelements 26 blockiert werden, sodass die Funktionalität des Funkenschutzelements 24 gewährt wird.
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Alternativ oder zusätzlich dazu kann das Membranelement 26 derart ausgebildet sein, dass es bei dem Druckanstieg an zumindest einer vorgebbaren Stelle birst, das heißt das Membranelement 26 ist beispielsweise teilweise perforiert, sodass es bei dem Druckanstieg nicht unkontrolliert zerreißt beziehungsweise birst, sondern an einer definierten Stelle. So können beispielsweise beim Bersten entstehenden Stücke noch zumindest an einer Stelle an dem Rest des Membranelements 26 festgehalten werden, wodurch ebenfalls eine negative Beeinflussung des Funkenschutzelements 24 unterbleibt.
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Eine Luftkonzentration des Gas-Luft-Gemisches steigt im Inneren 22, insbesondere in dem wenigstens einen Kanal 28, mit kürzer werdendem Abstand zu der Druckentlastungsöffnung 20. Dies rührt daher, da immer ein bisschen Luft aus einer Umgebung der Traktionsbatterie 14 beziehungsweise des Kraftfahrzeugs durch die wenigstens eine Druckentlastungsöffnung 20, insbesondere nach dem Bersten der Membran 26 und einem dadurch erfolgten Druckausgleich in das Innere 22 eindringen beziehungsweise einströmen kann. Daher kann es möglich sein, dass sich im Inneren 22 der Batterie ein entzündliches Gas-Luft-Gemisch, zumindest in der Nähe der Druckentlastungsöffnung 20, bildet. Um dem entgegenzuwirken, kann das Funkenschutzelement 24 in dem wenigstens einen Kanal 28 entfernt von der wenigstens einen Druckentlastungsöffnung 20, das heißt in einem, insbesondere realisierbaren, großen Abstand zueinander, und/oder in der Nachbarschaft von wenigstens einer Batteriezelle 16 angeordnet sein. Dadurch kann die Ausbreitung von Funken bereits früh im Gasstrom gehemmt beziehungsweise unterbunden oder verringert werden, sodass diese idealerweise kurz nach ihrem Entstehungsort beziehungsweise nahe ihres Entstehungsortes, insbesondere der Batteriezelle 16, gestoppt werden. Dadurch ist es besonders unwahrscheinlich, dass die Funken ein entflammbares Gas-Luft-Gemisch erreichen.
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Durch das zentrale Funkenschutzelement 24 können die jeweiligen Batteriezelle 16 besonders vorteilhaft ausgasen und es können einzelne Funkengitter an der jeweiligen Batteriezelle 16 beziehungsweise dem jeweiligen Batteriemodul 18 eingespart werden, wodurch die Schutzvorrichtung 10 eine Wahrscheinlichkeit des Entweichens von Funken aus dem Inneren 22 des Batteriegehäuses 12, die Kosten und/oder das Gewicht besonders gering halten kann.
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Bezugszeichenliste
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- 10
- Schutzvorrichtung
- 12
- Batteriegehäuse
- 14
- Traktionsbatterie
- 16
- Batteriezelle
- 18
- Batteriemodul
- 20
- Druckentlastungsöffnung
- 22
- Inneres
- 24
- Funkenschutzelement
- 26
- Membranelement
- 28
- Kanal
- 30
- Gasstrom
- 32
- Funkenschutzgitter
- 34
- Metallschaum
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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