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Die Erfindung betrifft ein Batteriemodul für eine Traktionsbatterie eines elektrisch antreibbaren Kraftfahrzeugs. Das Batteriemodul weist einen Zellverbund mit einer Vielzahl von Batteriezellen auf, wobei die Batteriezellen jeweils ein Zellgehäuse mit einem Entgasungselement zum Auslassen eines im Zellgehäuse entstehenden Heißgases aufweisen. Außerdem weist das Batteriemodul einen Modulrahmen zum Aufnehmen des Zellverbunds und zum Verpressen der Batteriezellen auf. Die Erfindung betrifft außerdem eine Traktionsbatterie sowie ein elektrisch antreibbares Kraftfahrzeug.
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Vorliegend richtet sich das Interesse auf wiederaufladbare Traktionsbatterien bzw. Traktionsakkumulatoren elektrisch antreibbarer Kraftfahrzeuge. Solche Traktionsbatterien weisen üblicherweise eine Verschaltung mehrere Batteriemodule auf, welche wiederum aus einer Verschaltung mehrerer Batteriezellen gebildet sein können. Die Batteriezellen sind üblicherweise in zumindest einem Zellverbund angeordnet und mittels eines Modulrahmens verpresst. Außerdem weisen die Batteriezellen üblicherweise in ihren Zellgehäusen jeweils ein Entgasungselement, beispielsweise eine Berstmembran, auf, über welches bei einem thermischen Ereignis, beispielsweise bei einem zellinternen Kurzschluss einer fehlerhaften Batteriezelle, ein in dem Zellgehäuse entstehendes Heißgas entweichen kann. Da die Batteriezellen durch die Verpressung über den Modulrahmen auch in einem thermischen Kontakt stehen, kann es vorkommen, dass bei einem thermischen Ereignis einer fehlerhaften Batteriezelle ein Wärmeübertrag auf weitere Batteriezellen des Batteriemoduls erfolgt. Dies kann zu einer Kettenreaktion an thermischen Ereignissen der Batteriezellen, zu einem sogenannten thermischen Durchgehen bzw. Thermal Runaway der Traktionsbatterie, führen. Dies wiederum kann einen Brand der Traktionsbatterie zur Folge haben.
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Es ist Aufgabe der vorliegenden Erfindung, eine Lösung bereitzustellen, wie eine Traktionsbatterie eines elektrisch antreibbaren Kraftfahrzeugs im Hinblick auf thermische Ereignisse auf einfache Weise besonders sicher gestaltet werden kann.
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Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß durch ein Batteriemodul, eine Traktionsbatterie 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.
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Ein erfindungsgemäßes Batteriemodul für eine Traktionsbatterie eines elektrisch antreibbaren Kraftfahrzeugs weist einen Zellverbund mit einer Vielzahl von Batteriezellen auf, wobei die Batteriezellen jeweils ein Zellgehäuse mit einem Entgasungselement zum Auslassen eines im Zellgehäuse entstehenden Heißgases aufweisen. Außerdem weist das Batteriemodul einen Modulrahmen zum Aufnehmen des Zellverbunds und zum Verpressen der Batteriezellen auf. Der Modulrahmen ist durch die Beaufschlagung mit dem ausgelassenen Heißgas zumindest einer entgasenden Batteriezelle zum Lösen der Verpressung der Batteriezellen durchtrennbar. Anders ausgedrückt ist der Modulrahmen dazu ausgelegt, bei Beaufschlagung mit dem Heißgas zumindest einer entgasenden Batteriezelle die Verpressung der Batteriezellen zu lösen.
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Die Batteriezellen des Batteriemoduls können Rundzellen mit einem zylinderförmigen Zellgehäuse oder Pouchzellen mit einem Zellgehäuse in Form von einer Folie sein. Bevorzugt sind die Batteriezellen prismatische Batteriezellen mit einem quaderförmigen Zellgehäuse in Flachbauweise. Ein solches flachquaderförmiges Zellgehäuse weist jeweils einen Gehäusedeckel, einen Gehäuseboden, eine Frontwand, eine Rückwand und Seitenwände auf. In dem Zellgehäuse ist ein galvanisches Element der Batteriezelle angeordnet. Das Zellgehäuse weist ein Entgasungselement auf, welches beispielsweise eine Berstmembran sein kann. Im Normalfall, also ohne Vorliegen eines Fehlerfalls bzw. eines thermischen Ereignisses, bedeckt diese Berstmembran eine Entgasungsöffnung in dem Zellgehäuse. Im Fehlerfall, beispielsweise bei einem zellinternen Kurzschluss der Batteriezelle, steigt ein Innendruck in dem Zellgehäuse, welcher dazu führt, dass die Berstmembran berstet und die Entgasungsöffnung freigibt. So kann das Heißgas zum Abbau des Innendrucks der Batteriezelle aus dem Zellgehäuse entweichen. Im Falle der prismatischen Batteriezelle ist das Entgasungselement insbesondere am Gehäusedeckel angeordnet.
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Die Batteriezellen werden unter Ausbildung des Zellverbunds paketiert. Bei Rundzellen werden diese beispielsweise stehend nebeneinander mit der größtmöglichen Packungsdichte angeordnet. Bei Pouchzellen und prismatischen Batteriezellen wird der Zellverbund insbesondere als ein Zellstapel ausgebildet, indem die Batteriezellen entlang einer Stapelrichtung hintereinander angeordnet bzw. aufgereiht werden. Bei prismatischen Batteriezellen wird eine Frontseite des quaderförmigen Zellstapels durch eine Frontwand des Zellgehäuses einer ersten Batteriezelle in dem Zellstapel und eine Rückseite des Zellstapels durch eine Rückwand des Zellgehäuses einer letzten Batteriezelle in dem Zellstapel gebildet. Die Seitenwände der Zellgehäuse der gestapelten prismatischen Batteriezellen bilden einander gegenüberliegende Längsseiten des Zellstapels aus. Die Gehäusedeckel der Zellgehäuse der aneinander gestapelten prismatischen Batteriezellen bilden eine Oberseite des Zellstapels aus und die Gehäuseböden der Zellgehäuse der aneinander gestapelten prismatischen Batteriezellen bilden eine Unterseite des Zellstapels aus.
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Der Zellverbund wird in dem Modulrahmen angeordnet, welcher dazu ausgelegt ist, den Zellverbund zu halten und dabei die Batteriezellen zu verpressen. Bei einem Zellverbund in Form von einem Zellstapel aus prismatischen Batteriezellen oder Pouchzellen weist dieser zwei Druckplatten, zwischen welchen der Zellstapel angeordnet ist, und zumindest zwei Zuganker auf, welche entlang von gegenüberliegenden Seiten des Zellstapels geführt sind und welche mit den Druckplatten unter Verpressung der Batteriezellen des Zellstapels verbunden sind. Beispielsweise wird eine erste Druckplatte an der Frontseite des Zellstapels und eine zweite Druckplatte wird an der gegenüberliegenden Rückseite des Zellstapels angeordnet. Die Druckplatten werden zusammengepresst, sodass die Batteriezellen aneinander gepresst werden. Die die Batteriezellen zusammenpressenden Druckplatten werden über die jeweiligen Zuganker miteinander verbunden, sodass die Batteriezellen in dem verpressten Zustand verbleiben bzw. gehalten werden.
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Durch die Verpressung der Batteriezellen mittels des Modulrahmens stehen diese miteinander in thermischem Kontakt. Insbesondere die Zellgehäuse prismatischer Batteriezellen und Rundzellen sind aus einem gut thermisch leitfähigen Material, beispielsweise Aluminium, gebildet, wodurch der thermische Kontakt besonders gut ist. Um nun zu verhindern, dass das thermische Ereignis einer Batteriezelle, welches zum Entgasen dieser Batteriezelle führt, aufgrund des thermischen Kontaktes auf andere Batteriezellen überspringt und damit durch den Zellverbund propagiert, ist der Modulrahmen durch das Heißgas durchtrennbar ausgebildet. Durch das Durchtrennen des Modulrahmens bei Kontakt mit dem Heißgas wird die Verpressung gelöst, indem der Zellverbund „zerfällt“. Dadurch wird auch der thermische Kontakt zwischen den Batteriezellen unterbrochen. So kann in vorteilhafter Weise verhindert werden, dass sich die Batteriemodule entzünden und einen Brand der Traktionsbatterie verursachen.
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Dabei ist vorgesehen, dass der Modulrahmen bereichsweise über eine die Entgasungselemente aufweisende Seite des Zellverbunds verlaufend ausgebildet ist und der über die Seite des Zellverbunds mit den Entgasungselementen verlaufende Bereich des Modulrahmens bei Beaufschlagung mit dem Heißgas schmelzbar ist. Beispielsweise ist der Modulrahmen zumindest in dem Bereich, welcher über die Seite des Zellverbunds mit den Entgasungselementen verlaufend ausgebildet ist, aus einem Material gebildet ist, dessen Schmelzpunkt an die Temperatur des Heißgases angepasst ist. Insbesondere ist der Modulrahmen zumindest in diesem Bereich aus Aluminium gebildet. Beispielsweise ist bei einem Zellstapel mit prismatischen Batteriezellen zumindest ein erster Zuganker über die Oberseite des Zellstapels verlaufend angeordnet und zumindest ein zweiter Zuganker über die Unterseite des Zellstapels verlaufen angeordnet. An der Oberseite des Zellstapels befinden sich auch die Entgasungselemente, sodass insbesondere der zumindest eine erste Zuganker schmelzbar ausgebildet ist.
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Es erweist sich als vorteilhaft, wenn der über die Seite des Zellverbunds mit den Entgasungselementen verlaufende Bereich des Modulrahmens überlappend zu den Entgasungselementen und damit in einem Strömungspfad des aus dem Zellgehäuse der zumindest einen entgasenden Batteriezelle entweichenden Heißgases angeordnet ist. Der über die Entgasungselemente verlaufende, schmelzbare Bereich des Modulrahmens ist also direkt dem ausströmenden Heißgas ausgesetzt und kann somit schmelzen. Dadurch kippen bei einem Zellstapel nach Schmelzen des oberhalb der Entgasungselemente verlaufenden Zugankers die prismatischen Batteriezellen entlang der Stapelrichtung auseinander, wodurch die Verpressung der Batteriezellen gelöst wird.
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Bevorzugt ist der über die Seite des Zellverbunds mit den Entgasungselementen verlaufende Bereich des Modulrahmens beabstandet zu der die Entgasungselemente aufweisenden Seite des Zellstapels und damit beabstandet zu den Entgasungselementen angeordnet. Der schmelzbare Bereich des Modulrahmens verschließt also die Entgasungsöffnungen nicht. So kann gewährleistet werden, dass das Heißgas zum Innendruckabbau der zumindest einen entgasenden Batteriezelle sicher entweichen kann und dabei gleichzeitig die Verpressung der Batteriezellen gelöst werden kann.
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Zur Erfindung gehört außerdem eine Traktionsbatterie für ein elektrisch antreibbares Kraftfahrzeug aufweisend zumindest ein erfindungsgemäßes Batteriemodul. Die Traktionsbatterie ist insbesondere eine Hochvoltbatterie mit einer Spannungslage von zumindest 100 V.
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Ein erfindungsgemäßes Kraftfahrzeug umfasst eine erfindungsgemäße Traktionsbatterie. Das als Elektro- oder Hybridfahrzeug ausgebildet Kraftfahrzeug ist insbesondere ein Personenkraftwagen.
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Die mit Bezug auf das erfindungsgemäße Batteriemodul vorgestellten Ausführungsformen und deren Vorteile gelten entsprechend für die erfindungsgemäße Traktionsbatterie sowie für das erfindungsgemäße Kraftfahrzeug.
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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 den Figuren 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 Zeichnungen näher erläutert. Es zeigen:
- 1 eine schematische Schnittdarstellung einer Ausführungsform eines Batteriemoduls in einem Normalfall; und
- 2 eine schematische Schnittdarstellung des Batteriemoduls in einem Fehlerfall.
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In den Figuren sind gleiche sowie funktionsgleiche Elemente mit den gleichen Bezugszeichen versehen.
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1 zeigt ein Batteriemodul 1, welches mit weiteren Batteriemodulen 1 zu einer Traktionsbatterie für ein elektrisch antreibbares Kraftfahrzeug verschaltet werden kann. Das Batteriemodul 1 weist hier einen Zellverbund 2 mit einer Vielzahl von Batteriezelle 3 auf. Die Batteriezellen 3 sind hier prismatische Batteriezellen, welche entlang einer Stapelrichtung S zu einem Zellverbund 2 in Form von einem Zellstapel gestapelt sind. Die Batteriezellen 3 können aber auch als Rundzellen oder Pouchzellen ausgebildet sein. Die Batteriezellen 3 weisen ein Zellgehäuse 4 auf, welches hier aus einem gut thermisch leitfähigen Material gebildet ist. Die Zellgehäuse 4 weisen außerdem jeweils ein Entgasungselement 5 auf, über welches ein bei einem thermischen Ereignis in dem Zellgehäuse 4 entstehendes Heißgas H (siehe 2) aus dem Zellgehäuse 4 entweichen kann. Die Entgasungselemente 5 sind hier an einer Oberseite 6 des Zellverbunds 2 angeordnet.
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Außerdem weist das Batteriemodul 1 einen Modulrahmen 7 auf, welcher dazu ausgelegt ist, die Batteriezellen 3 zu verpressen. Hier weist der Modulrahmen 7 zwei Druckplatten 8 auf, welche entlang der Stapelrichtung S beabstandet zueinander angeordnet sind und zwischen welchen der Zellverbund 2 angeordnet ist. Die Druckplatten 8 sind zum Verpressen der Batteriezellen 3 zusammengepresst und werden von Zugankern 9, 10 in dem zusammengepressten Zustand gehalten. Hier verläuft ein erster Zuganker 9 über die Oberseite 6 des Zellverbunds 2 und ein zweiter Zuganker 10 über eine Unterseite 11 des Zellverbunds 2. Der erste Zuganker 9 bildet hier einen Bereich 12 des Modulrahmens 7 aus, welcher über die Seite 6 des Zellverbunds 2 mit den Entgasungselementen 5 verläuft. Dieser Bereich 12 ist derart ausgebildet, dass er durchtrennt wird, wenn er in Kontakt mit dem Heißgas einer Batteriezelle 3 kommt. Dazu ist der Bereich 12 in einem gewissen Abstand oberhalb der Entgasungselemente 5 angeordnet und verläuft in Stapelrichtung S überlappend mit den Entgasungselementen 5. Der Bereich 12 befindet sich somit direkt in einem Strömungspfad des Heißgases H der Batteriezellen 3. Der Bereich 12 ist insbesondere durch das Heißgas H schmelzbar ausgebildet. Dabei kann der Bereich 12 beispielsweise zumindest teilweise aus einem durch das Heißgas schmelzbaren Material, beispielsweise Aluminium, ausgebildet sein. Auch kann der Bereich 12 zumindest in Abschnitten, welche mit den Entgasungselementen 5 überlappen, verringerte geometrische Abmessungen, beispielsweise Einschnürungen aufweisen, um das Schmelzen bei Beaufschlagung mit dem Heißgas und damit das Lösen der Verpressung der Batteriezellen 3 zu beschleunigen.
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In 2 ist das Batteriemodul 1 nach Entgasung zumindest einer Batteriezelle 3 gezeigt. Das Heißgas H der entgasenden Batteriezelle 3 hat den Bereich 12, also hier den ersten Zuganker 9, durchtrennt bzw. zum Schmelzen gebracht, wodurch der Modulrahmen 7 den verpressten Zustand der Batteriezellen 3 nicht mehr aufrechterhalten kann. Die Batteriezellen 3 sind entlang der Stapelrichtung 3 auseinandergefallen und stehen somit nicht mehr in gutem thermischem Kontakt.
