DE102019126327A1 - Batteriegehäuse mit einer Wärmeverteilungsschicht, Traktionsbatterie sowie Kraftfahrzeug - Google Patents

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Abstract

Die Erfindung betrifft ein Batteriegehäuse (5) für eine Traktionsbatterie (1) eines elektrisch antreibbaren Kraftfahrzeugs, mit einer Vielzahl von einen Innenraum (4) zum Aufnehmen zumindest eines Batteriemoduls (2) der Traktionsbatterie (1) umschließenden Gehäusewänden (9, 10, 11), wobei- zumindest eine der Gehäusewände (11), welche bei einem thermischen Ereignis (8) einem Heißgas zumindest einer in dem Innenraum (4) des Batteriegehäuses (5) angeordneten Batteriezelle (3) des zumindest eines Batteriemoduls (2) ausgesetzt ist, zumindest bereichsweise aus einem Schichtstapel (12) gebildet ist,- der Schichtstapel (12) zumindest eine Stabilisierungsschicht (13) mit einer ersten thermischen Leitfähigkeit und zumindest eine Wärmeverteilungsschicht (14) mit einer im Vergleich zur ersten thermischen Leitfähigkeit größeren zweiten thermischen Leitfähigkeit aufweist, und- die zumindest eine Wärmeverteilungsschicht (14) zum Verteilen einer durch das Heißgas transportierten Wärme über die zumindest eine Gehäusewand (11) ausgelegt ist.Die Erfindung betrifft außerdem eine Traktionsbatterie (1) sowie ein Kraftfahrzeug.

Description

  • Die Erfindung betrifft ein Batteriegehäuse für eine Traktionsbatterie eines elektrisch antreibbaren Kraftfahrzeugs, mit einer Vielzahl von einen Innenraum zum Aufnehmen zumindest eines Batteriemoduls der Traktionsbatterie umschließenden Gehäusewänden. Die Erfindung betrifft außerdem eine Traktionsbatterie sowie ein elektrisch antreibbares Kraftfahrzeug.
  • Vorliegend richtet sich das Interesse auf Traktionsbatterien für elektrisch antreibbare Kraftfahrzeuge, also Hybrid- oder Elektrofahrzeuge. Solche Traktionsbatterien weisen üblicherweise eine Vielzahl von miteinander verschalteten Batteriemodulen auf, welche in einem Innenraum eines Batteriegehäuses angeordnet sind. Batteriezellen der Batteriemodule weisen üblicherweise ein Entgasungselement auf, um ein bei einem thermischen Ereignis, beispielsweise bei einem zellinternen Kurzschluss, in einem Zellgehäuse der Batteriezelle entstehendes Heißgas aus dem Zellgehäuse entweichen zu lassen. Zumindest eine Gehäusewand des Batteriegehäuses, welche beispielsweise überlappend mit den Entgasungselementen der Batteriezellen angeordnet ist, ist diesem Heißgas unmittelbar ausgesetzt. Im Falle der Entgasung einer Batteriezelle erfolgt ein lokaler Eintrag von Wärme, welche durch das Heißgas transportiert wird, in die Gehäusewand. Dieser lokale Wärmeeintrag kann zu einem lokalen Hotspot führen, durch welche ab einer bestimmten Grenztemperatur, beispielsweise 200°C, die Gehäusewand mechanisch versagt.
  • Es ist Aufgabe der vorliegenden Erfindung, eine Traktionsbatterie für ein elektrisch antreibbares Kraftfahrzeug besonders sicher und robust gegenüber thermischen Ereignissen von Batteriezellen der Traktionsbatterie zu gestalten.
  • Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß durch ein Batteriegehäuse, 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 Figur.
  • Ein erfindungsgemäßes Batteriegehäuse für eine Traktionsbatterie eines elektrisch antreibbaren Kraftfahrzeugs weist ein Vielzahl von einen Innenraum zum Aufnehmen zumindest eines Batteriemoduls der Traktionsbatterie umschließenden Gehäusewänden auf. Zumindest eine der Gehäusewände, welche bei einem thermischen Ereignis einem Heißgas von zumindest einer in dem Innenraum des Batteriegehäuses angeordnete Batteriezelle des zumindest eines Batteriemoduls ausgesetzt ist, ist zumindest bereichsweise aus einem Schichtstapel gebildet. Der Schichtstapel weist zumindest eine Stabilisierungsschicht mit einer ersten thermischen Leitfähigkeit und zumindest eine Wärmeverteilungsschicht mit einer im Vergleich zur ersten thermischen Leitfähigkeit größeren zweiten thermischen Leitfähigkeit auf. Die zumindest eine Wärmeverteilungsschicht ist zum Verteilen einer durch das Heißgas transportierten Wärme über die Gehäusewand ausgelegt.
  • Zur Erfindung gehört außerdem eine Traktionsbatterie für ein elektrisch antreibbares Kraftfahrzeug aufweisend zumindest ein Batteriemodul mit einer Mehrzahl von Batteriezellen und ein erfindungsgemäßes Batteriegehäuse. Die Batteriezellen weisen Entgasungselemente zum Auslassen eines Heißgases im Fehlerfall auf. Das zumindest eine Batteriemodul ist in dem Innenraum des Batteriegehäuses derart angeordnet, dass die Entgasungselemente der Batteriezellen der zumindest einen Gehäusewand mit dem Schichtstapel zugewandt sind.
  • Die wiederaufladbare Traktionsbatterie bzw. der Traktionsakkumulator ist insbesondere ein Hochvoltspeicher mit einer Spannungslage von zumindest 100 V und dient zum Versorgen einer elektrischen Antriebsmaschine des Kraftfahrzeugs mit elektrischer Energie. Die Batteriezellen können beispielsweise Rundzellen, Pouchzellen oder prismatische Zellen sein. Die Batteriezellen eines Batteriemoduls sind miteinander verschaltet, wobei die Traktionsbatterie insbesondere mehrere miteinander verschaltete Batteriemodule aufweist. Die Batteriemodule sind in dem Innenraum des Batteriegehäuses angeordnet. Zellgehäuse der Batteriezellen weisen jeweils ein Entgasungselement, beispielsweise eine Berstmembran, auf, welches dazu ausgelegt ist, bei einem thermischen Ereignis ein in dem Zellgehäuse entstehendes Heißgas zum Innendruckabbau in den Innenraum des Batteriegehäuses entweichen zu lassen. Ein solches thermisches Ereignis kann beispielsweise ein zellinterner Kurzschluss sein.
  • Das Batteriegehäuse weist mehrere Gehäusewände auf. Gehäusewände in Form von einem Gehäuseboden und Gehäuseseitenwänden können ein wannenartiges Gehäuseunterteil bilden, welches von einer Gehäusewand in Form von einem Gehäusedeckel abgedeckt werden kann. Dabei ist, je nach Anordnung der Batteriezellen in dem Batteriegehäuse, zumindest eine Gehäusewand überlappend mit den Entgasungselementen der Batteriezellen angeordnet und liegt daher in einem Strömungspfad des Heißgases einer oder mehrerer entgasender Batteriezellen. Insbesondere ist diese den Entgasungselementen zugewandte Gehäusewand der Gehäusedeckel des Batteriegehäuses. Diese zumindest eine Gehäusewand ist also dem Heißgas ausgesetzt und wird daher bei einem thermischen Ereignis bzw. im Fehlerfall zumindest einer Batteriezelle lokal mit Wärme bzw. thermischer Energie beaufschlagt.
  • Um nun zu verhindern, dass die zumindest eine dem Heißgas im Fehlerfall ausgesetzte Gehäusewand durch den lokalen Wärmeeintrag mechanisch versagt und somit zerstört wird, weist die Gehäusewand zusätzlich zur Stabilisierungsschicht zumindest bereichsweise eine Wärmeverteilungsschicht auf. Die Schichten des Schichtstapels sind dabei flächige Lagen, welche übereinander gestapelt sind. Insbesondere ist die zumindest eine den Schichtstapel aufweisende Gehäusewand der Gehäusedeckel des Batteriegehäuses. Die Stabilisierungsschicht ist insbesondere aus einem Material gebildet, aus welchem auch die restlichen Gehäusewände des Batteriegehäuses gebildet sind. Beispielsweise kann die zumindest eine Stabilisierungsschicht aus Aluminium oder aus Sheet Molding Compound (SMC) gebildet sein. Die zumindest eine Stabilisierungsschicht ist somit insbesondere eine plattenartige Schicht, welche aus einem starren Material gebildet ist. Die Wärmeverteilungsschicht, welche angrenzend an die zumindest eine Stabilisierungsschicht ausgebildet ist, kann sich dabei nur teilweise über eine Fläche der Gehäusewand erstrecken, sodass durch die Wärmeverteilungsschicht über die Gehäusewand verlaufende bahnenartige, beispielsweise streifenförmige, Wärmeverteilungspfade gebildet sind. Auch kann sich die Wärmeverteilungsschicht vollständig über die Fläche der Gehäusewand erstrecken, sodass die zumindest eine, den Schichtstapel aufweisende Gehäusewand vollständig aus dem Schichtstapel gebildet ist.
  • Die zumindest eine Wärmeverteilungsschicht weist dabei eine höhere thermische Leitfähigkeit auf als die zumindest eine Stabilisierungsschicht. Vorzugsweise ist die zumindest eine Wärmeverteilungsschicht aus Graphit gebildet. Die Wärmeverteilungsschicht kann dabei eine plattenartige oder eine membranartige Schicht sein, da sie keine Stabilisierungsaufgaben übernehmen muss. Durch die zumindest eine Wärmeverteilungsschicht kann der lokale, durch das Heißgas zumindest einer Batteriezelle verursachte Wärmeeintrag flächig auf die zumindest eine Gehäusewand verteilt werden. So kann erreicht werden, dass eine Temperatur des Gehäusedeckels an jeder Stelle unterhalb einer vorbestimmten Grenztemperatur, ab welcher der Gehäusedeckel zerstört wird, bleibt. Durch die zumindest eine Wärmeverteilungsschicht kann also das Ausbilden lokaler Hotspots, welche zur Zerstörung der zumindest einen Gehäusewand führen können, verhindert werden.
  • Dabei kann vorgesehen sein, dass die zumindest eine, den Schichtstapel aufweisende Gehäusewand zumindest drei Schichten aufweist, wobei die zwei äußeren Schichten als die Stabilisierungsschichten ausgebildet sind und die erste thermische Leitfähigkeit aufweisen und die mittlere Schicht zwischen den zwei Stabilisierungsschichten als die Wärmeverteilungsschicht ausgebildet ist und die zweite thermische Leitfähigkeit aufweist. Die zumindest eine Wärmeverteilungsschicht ist also zwischen den Stabilisierungsschichten angeordnet, beispielweise eingepresst. Durch die Wärmeverteilungsschicht, welche für eine Verteilung der durch das Heißgas eingebrachten Wärme über die Fläche der Gehäusewand sorgt, ist die Gehäusewand deutlich robuster gegenüber thermischen Ereignissen der Batteriezellen und kann somit auch dünner, also mit weniger Materialaufwand, ausgeführt werden als eine herkömmliche Gehäusewand, welche beispielsweise nur aus dem Material der Stabilisierungsschicht besteht.
  • Zur Erfindung gehört außerdem ein elektrisch antreibbares Kraftfahrzeug mit einer erfindungsgemäßen Traktionsbatterie oder einer Ausführungsform davon. Das Kraftfahrzeug ist insbesondere ein Personenkraftwagen.
  • Die mit Bezug auf das erfindungsgemäße Batteriegehäuse vorgestellten Ausführungsformen und deren Vorteile gelten entsprechend für die erfindungsgemäße Traktionsbatterie sowie für das erfindungsgemäße Kraftfahrzeug.
  • Weitere Merkmale der Erfindung ergeben sich aus den Ansprüchen, der Figur 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.
  • Die Erfindung wird nun anhand eines bevorzugten Ausführungsbeispiels sowie unter Bezugnahme auf die Zeichnung näher erläutert. Es zeigt die einzige Figur 1 eine schematische Darstellung einer Ausführungsform einer Traktionsbatterie.
  • 1 zeigt eine Traktionsbatterie 1 für ein elektrisch antreibbares Kraftfahrzeug. Die Traktionsbatterie 1 weist mehrere Batteriemodule 2 auf, von welchen hier ein Batteriemodul 2 gezeigt ist. Die Batteriemodule 2 weisen mehrere Batteriezellen 3 auf, welche hier als prismatische Zellen ausgebildet sind. Das Batteriemodul 2 ist in einem Innenraum 4 eines Batteriegehäuses 5 der Traktionsbatterie 1 angeordnet. Jede Batteriezelle 3 weist hier ein Zellgehäuse 6 mit einem Entgasungselement 7 auf, über welches bei einem thermischen Ereignis 8 ein Heißgas aus dem Zellgehäuse 6 in den Innenraum 4 des Batteriegehäuses 5 entweichen kann.
  • Das Batteriegehäuse 5 weist mehrere Gehäusewände auf, welche hier als ein Gehäuseboden 9, Gehäuseseitenwände 10 und ein Gehäusedeckel 11 ausgebildet sind. Der Gehäuseboden 9 und die Gehäuseseitenwände 10 bilden hier ein enteiliges Gehäuseunterteil, welches von dem Gehäusedeckel 11 zum Abschließen des Gehäuseinnenraums 4 abgedeckt wird. Die Batteriezellen 3 sind hier derart in dem Innenraum 4 angeordnet, dass die Entgasungselemente 7 dem Gehäusedeckel 11 zugewandt sind. Das Heißgas zumindest einer Batteriezelle 3 transportiert Wärme und bringt diese lokal in den Gehäusedeckel 11 ein. Um zu verhindern, dass die Temperatur des Gehäusedeckels 11 lokal steigt und sich lokale Hotspots, welche zur Zerstörung des Gehäusedeckels 11 führen können, bilden, ist der Gehäusedeckel 11 zumindest teilweise, hier vollständig, aus einem Schichtstapel 12 gebildet. Der Schichtstapel 12 weist hier zwei Stabilisierungsschichten 13 und eine Wärmeverteilungsschicht 14 auf. Die Stabilisierungsschichten 13 sind insbesondere aus demselben Material gebildet wie der Gehäuseboden 9 und die Gehäusewände 10 und sind mit der Wärmeverteilungsschicht 14 verpresst. Die Wärmeverteilungsschicht 14, welche beispielsweise Graphit aufweisen kann und welche hier zwischen den Stabilisierungsschichten 13 angeordnet ist, weist eine höhere thermische Leitfähigkeit bzw. Wärmeleitfähigkeit auf als die Stabilisierungsschichten 13. Dadurch kann sie die lokal eingebrachte Wärme des Heißgases großflächig über den Gehäusedeckel 11 verteilen und eine Bildung lokaler Hotspots in dem Gehäusedeckel 11 vermeiden.

Claims (8)

  1. Batteriegehäuse (5) für eine Traktionsbatterie (1) eines elektrisch antreibbaren Kraftfahrzeugs, mit einer Vielzahl von einen Innenraum (4) zum Aufnehmen zumindest eines Batteriemoduls (2) der Traktionsbatterie (1) umschließenden Gehäusewänden (9, 10, 11), wobei - zumindest eine der Gehäusewände (11), welche bei einem thermischen Ereignis (8) einem Heißgas zumindest einer in dem Innenraum (4) des Batteriegehäuses (5) angeordneten Batteriezelle (3) des zumindest eines Batteriemoduls (2) ausgesetzt ist, zumindest bereichsweise aus einem Schichtstapel (12) gebildet ist, - der Schichtstapel (12) zumindest eine Stabilisierungsschicht (13) mit einer ersten thermischen Leitfähigkeit und zumindest eine Wärmeverteilungsschicht (14) mit einer im Vergleich zur ersten thermischen Leitfähigkeit größeren zweiten thermischen Leitfähigkeit aufweist, und - die zumindest eine Wärmeverteilungsschicht (14) zum Verteilen einer durch das Heißgas transportierten Wärme über die zumindest eine Gehäusewand (11) ausgelegt ist.
  2. Batteriegehäuse (5) nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die zumindest eine, den Schichtstapel (12) aufweisende Gehäusewand (11) ein Gehäusedeckel des Batteriegehäuses (5) ist.
  3. Batteriegehäuse (5) nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die zumindest eine, den Schichtstapel (12) aufweisende Gehäusewand (5) vollständig aus dem Schichtstapel (12) gebildet ist.
  4. Batteriegehäuse (5) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die zumindest eine, den Schichtstapel (12) aufweisende Gehäusewand (11) zumindest drei Schichten aufweist, wobei die zwei äußeren Schichten als die Stabilisierungsschichten (13) ausgebildet sind und die mittlere, sich zwischen den zwei Stabilisierungsschichten (13) befindliche Schicht als die Wärmeverteilungsschicht (14) ausgebildet ist.
  5. Batteriegehäuse (5) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die zumindest eine Wärmeverteilungsschicht (14) aus Graphit gebildet ist.
  6. Batteriegehäuse (5) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die zumindest eine Stabilisierungsschicht (13) aus Sheet Molding Compound (SMC) gebildet ist.
  7. Traktionsbatterie (1) aufweisend zumindest ein Batteriemodul (2) mit einer Mehrzahl von Batteriezellen (3) und ein Batteriegehäuse (5) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die Batteriezellen (3) Entgasungselemente (7) zum Auslassen eines Heißgases aufweisen und das zumindest eine Batteriemodul (2) in dem Innenraum (4) des Batteriegehäuses (5) derart angeordnet ist, dass die Entgasungselemente (7) der Batteriezellen (3) der zumindest einen Gehäusewand (11) mit dem Schichtstapel (12) zugewandt sind.
  8. Kraftfahrzeug mit einer Traktionsbatterie (1) nach Anspruch 7.
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