-
Die Erfindung betrifft ein Batteriemodul mit mindestens einer Batteriezelle, wobei die Batteriezelle ein Zellgehäuse aufweist, welches eine Unterseite und eine der Unterseite in einer ersten Richtung gegenüberliegende Oberseite aufweist. Dabei ist in der Oberseite eine bei einem Überdruck in der Batteriezelle freigebbare Öffnung angeordnet. Zur Erfindung gehören auch eine Hochvoltbatterie mit einem solchen Batteriemodul, sowie ein Kraftfahrzeug mit einem solchen Batteriemodul oder mit einer solchen Hochvoltbatterie.
-
Aus dem Stand der Technik bekannte Batteriezellen für Batteriemodule, insbesondere im Kraftfahrzeugbereich, weisen üblicherweise zur Notentgasung oben im Zelldeckel, durch welchen in der Regel auch die Pole der jeweiligen Batteriezellen bereitgestellt sind, eine bei einem Überdruck in der Batteriezelle freigebbare Öffnung auf, zum Beispiel eine Berstmembran, die sich bei zu hohem Innendruck öffnet. Kommt es in einem Fehlerfall beispielsweise zu einem Überdruck in der Batteriezelle, zum Beispiel aufgrund einer zu starken Erhitzung der Batteriezelle, so kommt es infolgedessen auch zu einem Bersten dieser Membran. Dabei tritt meistens auch eine starke Flamme aus dieser dann freigegebenen Öffnung der Batteriezelle aus.
-
In diesem Zusammenhang beschreibt die
DE 10 2013 223 361 A1 eine Batteriezelle mit einem Zellgehäuse und einem Sicherheitsventil, welches in eine Öffnung des Zellgehäuses eingesetzt ist und ausgebildet ist, bei einem Anstieg eines innerhalb des Zellgehäuses herrschenden Zellinnendrucks über einen Schwellwert hinaus zu öffnen und somit ein Ausströmen eines Mediums aus dem Zellgehäuse zu ermöglichen.
-
Weiterhin sind die Batteriezellen in einem Batteriemodul meist nur mit einer dünnen Kunststoffhaube abgedeckt. Daher schlägt eine aus dem Zellgehäuse austretende Flamme sehr schnell ins Batterieinnere gegen den Batteriedeckel durch, das heißt den Deckel des Gesamtbatteriegehäuses, in welchem mehrere solche Batteriemodule aufgenommen sein können. Da die Batteriedeckel zudem meistens aus Aluminium gefertigt sind, durchschlägt die Flamme auch einen solchen Deckel in kürzester Zeit. Damit besteht die Gefahr, dass Fahrzeugteile außerhalb des Batteriegehäuses in Brand gesteckt werden. Eine robustere Ausbildung eines solchen Gehäusedeckels, zum Beispiel aus einem anderen Material wie zum Beispiel Eisen oder Stahl würde jedoch das Gewicht einer solchen Hochvoltbatterie dramatisch erhöhen, was es wünschenswerterweise somit zu vermeiden gilt.
-
In diesem Zusammenhang beschreibt die
DE 10 2014 012 568 A1 eine Akkumulatorvorrichtung, insbesondere eine stationäre Akkumulatorvorrichtung, zur Verwendung als Notstromversorgung, die eine Durchschlagsperre aufweist, die verhindern soll, dass die bei einer thermischen Kettenreaktion nach außen tretenden Gase sich entzünden und so die Umgebung der Akkumulatorvorrichtung gefährden. Eine solche Durchschlagsperre soll dabei durch ein Vlies und/oder poriges Material bereitgestellt sein, welches in der galvanischen Zelle entstehende Gase durchlässt, nicht aber glühende Partikel und Flammen.
-
Eine solche Durchschlagsperre, die so ausgebildet ist, dass sie keine glühenden Partikel und Flammen durchlässt, eignet sich jedoch nicht für typische in Kraftfahrzeugen verwendete Batteriemodule, da eine derart ausgebildete Durchschlagsperre keinen hinreichend schnellen Druckausgleich im Falle eines thermischen Events beziehungsweise einer Überhitzung einer Batteriezelle ermöglichen würde. Dies könnte zu einem unzulässig hohen Druckaufbau innerhalb der Batteriezelle und entsprechend zu einer unkontrollierten Explosion dieser Batteriezelle führen.
-
Weiterhin beschreibt die
EP 3 053 206 B1 ein Batteriemodul mit einem Sicherheitsabschnitt im Modulgehäuse, der so ausgebildet ist, dass dieser besonders schnell durchbrennen kann, um ein schnelles Austreten von Flammen und Gasen zu ermöglichen.
-
Dies resultiert wiederum in oben beschriebener Problematik, nämlich dass so eine durchschlagende Flamme auch in kürzester Zeit den Gehäusedeckel des Gesamtbatteriegehäuses durchschlagen kann und damit die Gefahr besteht, dass Fahrzeugteile außerhalb des Batteriegehäuses in Brand gesteckt werden.
-
Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es daher, ein Batteriemodul, ein Hochvoltbatterie und ein Kraftfahrzeug bereitzustellen, die es ermöglichen, im Fehlerfall einer Batteriezelle, in welchem die freigebbare Öffnung im Zellgehäuse der Batteriezelle aufgrund eines Überdrucks innerhalb der Batteriezelle freigegeben wird, das Risiko, dass Fahrzeugteile außerhalb des Batteriemoduls, insbesondere außerhalb der gesamten Hochvoltbatterie, in Brand gesteckt werden, reduziert wird oder ein solches Inbrandstecken zumindest auf möglichst effiziente Weise zeitlich hinausgezögert wird.
-
Diese Aufgabe wird gelöst durch ein Batteriemodul, durch eine Hochvoltbatterie und durch ein Kraftfahrzeug mit den Merkmalen gemäß den jeweiligen unabhängigen Patentansprüchen. Vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung sind Gegenstand der abhängigen Patentansprüche, der Beschreibung sowie der Figuren.
-
Ein erfindungsgemäßes Batteriemodul weist mindestens eine Batteriezelle auf, wobei die Batteriezelle ein Zellgehäuse aufweist, welches eine Unterseite und eine der Unterseite in einer ersten Richtung gegenüberliegende Oberseite aufweist. Dabei ist in der Oberseite eine bei einem Überdruck in der Batteriezelle freigebbare Öffnung angeordnet. Weiterhin weist das Batteriemodul eine Zerstäubungseinrichtung auf, welche in der ersten Richtung oberhalb der freigebbaren Öffnung der mindestens einen Batteriezelle angeordnet ist und welche mindestens eine Flammen-Durchtrittsöffnung aufweist, durch welche aus der freigebbaren Öffnung der Batteriezelle austretende Flammen durchtretbar sind, d.h. durch welche Flammen durchtreten können, und welche eine Durchtrittsfläche aufweist, die kleiner ist als eine Fläche der freigebbaren Öffnung der mindestens einen Batteriezelle.
-
Da durch die Zerstäubungseinrichtung vorteilhafterweise ein Durchtreten einer Flamme nicht vollständig verhindert wird, ermöglicht die Zerstäubungseinrichtung vorteilhafterweise im Falle eines Fehlers einer Batteriezelle und einer daraus folgenden starken Gasentwicklung immer noch einen hinreichend schnellen Druckausgleich, während es die Zerstäubungseinrichtung durch die mindestens eine Flammen-Durchtrittsöffnung vorteilhafterweise ermöglicht, die durchtretende Flamme zu zerstäuben, wodurch zumindest ein direktes Durchschlagen einer solchen abrasiven Flamme auf zum Beispiel über dem Batteriemodul befindlichen Batteriedeckel verhindert werden kann. Durch eine oder mehrere solcher Flammen-Durchtrittsöffnungen können durchtretende Flammen vorteilhafterweise verteilt werden beziehungsweise zerstreut werden, was vorteilhafterweise das zerstörerische Ausmaß einer solchen Flamme deutlich reduziert. Zudem lässt sich diese Maßnahme auf besonders effiziente Weise umsetzen, da hierfür keine Ausbildung des Batteriedeckels selbst aus einem feuerbeständigen und entsprechend schweren Material erforderlich ist. Durch das durch die mindestens eine Flammen-Durchtrittsöffnung ermöglichte Zerstäuben und Verteilen der durchtretenden Flamme kann somit das Risiko eines Durchbrennes eines über dem Batteriemodul befindlichen Batteriedeckels deutlich reduziert oder sogar ganz verhindert werden, und trotzdem wird gewährleistet, dass der Druckaufbau in der Batteriezelle und im Batteriemodul in einem zulässigen Bereich bleibt.
-
Die mindestens eine Batteriezelle kann beispielsweise als Lithium-Ionen-Batteriezelle ausgebildet sein. Weiterhin kann das Batteriemodul auch mehrere solcher Batteriezellen aufweisen, die zum Beispiel in einem Zellpack angeordnet sind. Zudem können mehrere solcher Batteriemodule zur Bildung einer Hochvoltbatterie in einem gemeinsamen Batteriegehäuse aufgenommen sein. Die Batteriezellen sind weiterhin vorzugsweise als prismatische Zellen ausgebildet und weisen daher ein im Wesentlichen quaderförmiges Zellgehäuse auf. Weiterhin sind die Begriffe „Unterseite“ und „Oberseite“ des Zellgehäuses in Bezug auf die bestimmungsgemäße Einbaulage des Batteriemoduls im Kraftfahrzeug zu verstehen. Grundsätzlich könnten aber auch die Unterseite und die Oberseite allgemein als erste und zweite Seite des Zellgehäuses bezeichnet werden. Die Oberseite des Zellgehäuses stellt weiterhin vorzugsweise auch die beiden Pole der mindestens einen Batteriezelle bereit. Die bei Überdruck freigebbare Öffnung in der Oberseite des Zellgehäuses befindet sich dann vorzugsweise mittig zwischen diesen beiden Polen, kann aber im Prinzip an jeder beliebigen anderen Stelle der Oberseite angeordnet sein.
-
Weiterhin kann diese freigebbare Öffnung, wie eingangs beschrieben, zum Beispiel als Berstmembran ausgebildet sein, die sich selbstständig bei zu hohem Innendruck innerhalb der mindestens einen Batteriezelle öffnet, indem diese Berstmembran bedingt durch diesen Innendruck zerreißt. Im Allgemeinen kann die freigebbare Öffnung auch als ein Überdruckventil ausgebildet sein. Diese Berstmembran oder im Allgemeinen die freigebbare Öffnung kann so ausgebildet sein, dass ein Öffnen dann erfolgt, wenn ein Überdruck in der Batteriezelle einen vorgebbaren Schwellwert überschreitet, die Öffnung jedoch verschlossen bleibt, wenn dieser Schwellwert nicht überschritten ist oder zumindest ein zweiter Schwellwert unterhalb dieses ersten Schwellwerts nicht überschritten ist.
-
Weiterhin ist es bevorzugt, dass die Zerstäubungseinrichtung aus einem feuerbeständigen Material gebildet ist. Ein solches Material kann zum Beispiel eine Keramik und/oder ein feuerbeständiges Metall oder eine Legierung umfassen. Beispielsweise kann das Material Eisen, Stahl oder auch gehärteten Stahl, oder ein anderes feuerbeständiges Metall, zum Beispiel Wolfram, umfassen. Gerade Stahl zeichnet sich dabei durch seine hohe Feuerbeständigkeit aus und ist zudem besonders kostengünstig, sodass es bevorzugt ist, dass die Bestäubungseinrichtung zumindest zum Großteil aus Stahl gebildet ist. Weiterhin kann die Zerstäubungseinrichtung in Form eines Blechs oder Einlegers bereitgestellt sein, in welchem die mindestens eine Flammen-Durchtrittsöffnung angeordnet ist. Dieser Einleger kann dann auf einfache Weise oberhalb der Batteriezelle, insbesondere oberhalb der freigebbaren Öffnung in der Oberseite des Zellgehäuses, angeordnet sein.
-
Bei einer vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung weist das Batteriemodul mehrere Batteriezellen auf, die nebeneinander in einer senkrecht zur ersten Richtung verlaufenden Längserstreckungsrichtung angeordnet sind, wobei die Zerstäubungseinrichtung in der Längserstreckungsrichtung verlaufend in der ersten Richtung oberhalb einer jeweiligen freigebbaren Öffnung einer jeweiligen der Batteriezellen angeordnet ist. Dies hat den Vorteil, dass nicht für eine jeweilige Batteriezelle separat eine solche Zerstäubungseinrichtung vorgesehen werden muss, sondern die Zerstäubungseinrichtung für alle vom Batteriemodul umfassten Batteriezellen genutzt werden kann und entsprechend zum Beispiel einstückig ausgebildet sein kann. Auch dies ermöglicht wiederum eine besonders einfache, effiziente und kostengünstige Bereitstellung dieser Zerstäubungseinrichtung.
-
In einem solchen Fall sind die Batteriezellen vorzugsweise auch gleichartig ausgebildet, zumindest was die Position ihrer jeweiligen freigebbaren Öffnungen im Zellgehäuse betrifft, sodass sich diese freigebbaren Öffnungen ebenfalls entlang einer Linie, welche in Richtung der Längserstreckungsrichtung verläuft, angeordnet sind. Dann kann die Zerstäubungseinrichtung auf besonders einfache Weise als ebenfalls entlang der Längserstreckungsrichtung und entsprechend oberhalb von den jeweiligen freigebbaren Öffnungen verlaufender Einleger ausgebildet sein. Weiterhin umfasst dann die Zerstäubungseinrichtung mindestens eine oben beschriebene Flammen-Durchtrittsöffnung pro Batteriezelle. Die den jeweiligen Batteriezellen zugeordneten Flammen-Durchtrittsöffnungen sind dann entsprechend ebenfalls vorzugsweise in einem Bereich oberhalb der jeweiligen freigebbaren Öffnungen in den Zellgehäusen der Batteriezellen positioniert. So können vorteilhafterweise die durch die jeweiligen freigebbaren Öffnungen aus den Zellgehäusen austretenden Flammen durch die darüber befindlichen Flammen-Durchtrittsöffnungen zerstäubt werden.
-
Besonders vorteilhaft ist es, wenn die Zerstäubungseinrichtung pro vom Batteriemodul umfasste Batteriezelle mehrere, zum Beispiel zwei, voneinander beabstandete Flammen-Durchtrittsöffnungen aufweist. Durch das Vorsehen mehrerer solcher Flammen-Durchtrittsöffnungen lassen sich aus der freigebbaren Öffnung im Zellgehäuse durchtretende Flammen noch effizienter zerstäuben.
-
Bei einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung ist eine Flächennormale der Durchtrittsfläche der mindestens einen Flammen-Durchtrittsöffnung in einem von Null verschiedenen Winkel bezüglich der ersten Richtung geneigt. Die Flächennormale steht dabei senkrecht auf der Durchtrittsfläche. Mit anderen Worten ist die Durchtrittsfläche der mindestens einen Flammen-Durchtrittsöffnung nicht parallel zur Oberseite der betreffenden Batteriezelle ausgerichtet, sondern beispielsweise in einem Winkel gegenüber dieser Oberseite der Batteriezelle geneigt.
-
Durch eine solche Neigung der Flammen-Durchtrittsöffnung lässt es sich vorteilhafterweise bewerkstelligen, dass eine durch die freigebbare Öffnung im Zellgehäuse durchtretende Flamme nicht auch weiter in der ersten Richtung durch diese Flammen-Durchtrittsöffnung direkt hindurchtritt, sondern zum Beispiel zur Seite hin abgelenkt wird. Dieser Effekt kann beispielsweise auch weiterhin dadurch verstärkt werden, dass, so wie dies gemäß einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung vorgesehen ist, die mindestens eine Flammen-Durchtrittsöffnung in einer zweiten Richtung senkrecht zur ersten Richtung, und insbesondere auch senkrecht zur Längserstreckungsrichtung, bezüglich einer Mitte der freigebbaren Öffnung der mindestens einen Batteriezelle seitlich versetzt angeordnet ist. Um also durch die Zerstäubungseinrichtung durchtreten zu können, muss die aus der freigebbaren Öffnung der Batteriezelle austretende Flamme also einen Umweg nehmen und wird dadurch automatisch seitlich abgelenkt, was ein direktes Auftreffen der letztendlich so zerstäubten Flamme auf den über dem Batteriemodul befindlichen Gehäusedeckel verhindert oder zumindest den Einfluss, den eine solche letztendlich umgelenkte und zerstäubte Flamme noch auf diesen Batteriedeckel hat, reduziert.
-
Weiterhin ist es auch vorteilhaft, dass, wenn die Zerstäubungseinrichtung beispielsweise pro Batteriezelle mehrere solcher Flammen-Durchtrittsöffnungen aufweist, zum Beispiel zwei solcher Flammen-Durchtrittsöffnungen aufweist, diese entsprechend bezüglich der ersten Richtung entgegengesetzt geneigt sind. Dadurch kann der Zerstäubungseffekt zusätzlich noch verstärkt werden und das zerstörerische Ausmaß der Flammen weiter reduziert werden.
-
Bei einer weiteren besonders vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung weist die Zerstäubungseinrichtung eine der mindestens einen Flammen-Durchtrittsöffnung zugeordnete, sich an einen Randbereich der Flammen-Durchtrittsöffnung anschließende, in Richtung eines gegenüberliegenden Randbereichs der mindestens einen Flammen-Durchtrittsöffnung ragende und dadurch die mindestens eine Flammen-Durchtrittsöffnung zum Teil überdeckende Nase, zum Beispiel eine Art Vorsprung, auf, die gegenüber der Durchtrittsfläche der mindestens einen Flammen-Durchtrittsöffnung um einen von Null verschiedenen Winkel geneigt ist.
-
Durch eine solche die Durchtrittsöffnung zumindest zum Teil überdeckende Nase kann der oben beschriebene Umlenkeffekt vorteilhafterweise noch zusätzlich verstärkt werden. Eine solche Nase kann zum Beispiel als Plättchen, wie zum Beispiel Metallplättchen, welches zum Teil die Durchtrittsöffnung überragt, ausgebildet sein.
-
Eine solche Nase kann, wie dies gemäß einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung vorgesehen ist, parallel zur Oberseite der mindestens einen Batteriezelle ausgerichtet sein. Durch eine solche Nase kann die durch die Flammen-Durchtrittsöffnung durchtretende Flamme vorteilhafterweise davon abgehalten werden, sich auf direktem Wege nach oben hin weiter zu erstrecken, sondern wird durch eine solche Nase, die insbesondere aus dem gleichen Material wie die übrige Zerstäubungseinrichtung ausgebildet ist, seitlich aus der Flammen-Durchtrittsöffnung hinausgeführt, da die Nase von der Flamme selbst nicht durchdrungen werden kann. Mit anderen Worten ist auch diese Nase aus einem feuerbeständigen Material gebildet. Insbesondere kann diese Nase auch mit der übrigen Zerstäubungseinrichtung einstückig ausgebildet sein.
-
Bei einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung weist die Zerstäubungseinrichtung einen streifenförmigen, insbesondere in der Längserstreckungsrichtung verlaufenden, parallel zur Oberseite der mindestens einen Batteriezelle ausgerichteten Mittenbereich auf, der zentral oberhalb der freigebbaren Öffnung der mindestens einen Batteriezelle angeordnet ist, und welcher insbesondere keinerlei Öffnungen aufweist, wobei die Zerstäubungseinrichtung in der zweiten Richtung beidseitig an den Mittenbereich anschließende Seitenstreifen aufweist, die in der zweiten Richtung gegenüber dem Mittenbereich in Richtung der Oberseite des mindestens einen Batteriemoduls geneigt sind, wobei die mindestens eine Flammen-Durchtrittsöffnung in zumindest einem der Seitenstreifen angeordnet ist.
-
Dadurch, dass diese Seitenstreifen gegenüber dem Mittenbereich geneigt sind und die Flammen-Durchtrittsöffnung ebenfalls in einem solchen Seitenstreifen angeordnet ist, ist die Durchtrittsfläche ebenfalls gegenüber diesem parallel zur Oberseite der Batteriezelle verlaufenden Mittenbereich geneigt, was oben beschriebene Umlenkfunktion durch eine besonders einfache und kostengünstige Ausbildung der Zerstäubungseinrichtung erlaubt. Die Seitenstreifen müssen dabei nicht notwendigerweise eben ausgebildet sein, sondern können zum Beispiel auch gekrümmt geformt sein. In einem solchen Fall ist die genannte Neigung dieser Seitenstreifen in Richtung der Oberseite als mittlere Neigung dieser jeweiligen Seitenstreifen zu verstehen. Die Zerstäubungseinrichtung kann zum Beispiel als in der Längserstreckungsrichtung verlaufendes dünnes Blech ausgebildet sein, welches von den jeweiligen Batteriezellen weg gekrümmt ist, wobei dann die Flammen-Durchtrittsöffnung nicht im zentralen, direkt oberhalb der freigebbaren Öffnungen der jeweiligen Batteriezellen befindlichen Bereich der Zerstäubungseinrichtung angeordnet sind, sondern senkrecht zur ersten Richtung und zur Längserstreckungsrichtung verlaufenden zweiten Richtung seitlich davon. Die Zerstäubungseinrichtung kann aber auch als Blech bereitgestellt sein, welches nicht, wie beschrieben, konvex gekrümmt ist, sondern beispielsweise trapezförmig ausgebildet ist, wobei dann die Trapezschenkel durch die beiden sich an den Mittenbereich anschließenden Seitenstreifen, wie beschrieben, bereitgestellt sein können. Natürlich sind auch beliebig weitere andere geometrische Ausgestaltungsmöglichkeiten der Zerstäubungseinrichtung möglich. Durch die oben beschriebenen Varianten lassen sich eine besonders effiziente Zerstäubung austretender Flammen und zugleich eine besonders effiziente Umlenkung dieser bereitstellen.
-
Dabei ist es weiterhin vorteilhaft, wenn die Zerstäubungseinrichtung je zwei einer jeweiligen Batteriezelle zugeordnete Flammen-Durchtrittsöffnungen umfasst, wobei in einem jeweiligen der beiden Seitenstreifen auf gegenüberliegenden Seiten des Mittenbereichs eine der zwei einer jeweiligen Batteriezelle zugeordneten Flammen-Durchtrittsöffnungen angeordnet ist, insbesondere wobei sich die einer jeweiligen Flammen-Durchtrittsöffnung zugeordneten Nasen an den Mittenbereich in Richtung eines jeweiligen Seitenstreifens anschließen. Der oben genannte Randbereich der Flammen-Durchtrittsöffnungen kann damit einen Grenzbereich beziehungsweise eine Grenzlinie zwischen dem Mittenbereich und einem jeweiligen betreffenden Seitenstreifen darstellen. Dies stellt eine besonders effiziente und einfache Ausbildung der Zerstäubungseinrichtung mit Bezug auf sowohl die Zerstäubungs- als auch die Umlenkfunktion dar, um aus den freigebbaren Öffnungen der Zellgehäuse der Batteriezellen austretende Flammen möglichst effizient zu zerstäuben und deren zerstörerisches Ausmaß zu minimieren.
-
Des Weiteren betrifft die Erfindung auch eine Hochvoltbatterie mit mindestens einem erfindungsgemäßen Batteriemodul oder einer seiner Ausgestaltungen. Zudem betrifft die Erfindung auch ein Kraftfahrzeug mit einem erfindungsgemäßen Batteriemodul oder einer seiner Ausgestaltungen oder mit einer erfindungsgemäßen Hochvoltbatterie. Die für das erfindungsgemäße Batteriemodul und seine Ausgestaltungen genannten Vorteile gelten damit in gleicher Weise für die erfindungsgemäße Hochvoltbatterie und das erfindungsgemäße Kraftfahrzeug.
-
Das erfindungsgemäße Kraftfahrzeug ist bevorzugt als Kraftwagen, insbesondere Personenkraftwagen oder Lastkraftwagen, oder als Personenbus oder Motorrad ausgestaltet. Darüber hinaus kann das erfindungsgemäße Kraftfahrzeug beispielsweise ein Elektrofahrzeug oder ein Hybridfahrzeug mit Elektroantrieb darstellen.
-
Die Erfindung umfasst auch die Kombinationen der Merkmale der beschriebenen Ausführungsformen.
-
Im Folgenden sind Ausführungsbeispiele der Erfindung beschrieben. Hierzu zeigt:
- 1 eine schematische und perspektivische Darstellung eines Batteriemoduls mit mehreren Batteriezellen und einer Zerstäubungseinrichtung gemäß einem Ausführungsbeispiel der Erfindung;
- 2 eine schematische und perspektivische Darstellung einer Batteriezelle mit einer in der Oberseite bei einem Überdruck in der Batteriezelle freigebbaren Öffnung für ein Batteriemodul gemäß einem Ausführungsbeispiel der Erfindung;
- 3 eine schematische und perspektivische Darstellung einer Zerstäubungseinrichtung für ein Batteriemodul gemäß einem Ausführungsbeispiel der Erfindung;
- 4 eine schematische und perspektivische Darstellung eines Teils des Batteriemoduls aus 1 gemäß einem Ausführungsbeispiel der Erfindung; und
- 5 eine schematische Querschnittsdarstellung eines Querschnitts durch das in 1 dargestellte Batteriemodul in einem Bereich der Zerstäubungseinrichtung zur Veranschaulichung der Zerstäubung von aus einer Batteriezelle austretenden Flammen durch die Zerstäubungseinrichtung gemäß einem Ausführungsbeispiel der Erfindung.
-
Bei den im Folgenden erläuterten Ausführungsbeispielen handelt es sich um bevorzugte Ausführungsformen der Erfindung. Bei den Ausführungsbeispielen stellen die beschriebenen Komponenten der Ausführungsformen jeweils einzelne, unabhängig voneinander zu betrachtende Merkmale der Erfindung dar, welche die Erfindung jeweils auch unabhängig voneinander weiterbilden. Daher soll die Offenbarung auch andere als die dargestellten Kombinationen der Merkmale der Ausführungsformen umfassen. Des Weiteren sind die beschriebenen Ausführungsformen auch durch weitere der bereits beschriebenen Merkmale der Erfindung ergänzbar.
-
In den Figuren bezeichnen gleiche Bezugszeichen jeweils funktionsgleiche Elemente.
-
1 zeigt eine schematische und perspektivische Darstellung eines Batteriemoduls 10 mit mehreren Batteriezellen 12 und einer Zerstäubungseinrichtung 14 gemäß einem Ausführungsbeispiel der Erfindung. Von den Batteriezellen 12 sind dabei nur exemplarisch zwei aus Gründen der Übersichtlichkeit mit einem Bezugszeichen versehen. Eine solche Batteriezelle 12 ist im Detail nochmals schematisch und perspektivisch in 2 dargestellt. Die vom Batteriemodul 10 umfassten Batteriezellen 12 sind weiterhin in einer Längserstreckungsrichtung, die zur x-Richtung des dargestellten Koordinatensystems korrespondiert, nebeneinander angeordnet. Weiterhin sind diese Batteriezellen 12 als prismatische Batteriezellen 12 ausgeführt. Eine jeweilige solche Batteriezelle 12, wie diese in Detail in 2 zu erkennen ist, weist dabei ein Zellgehäuse 16 auf, welches eine Unterseite 16a und eine der Unterseite 16a in einer ersten Richtung, die zur z-Richtung des dargestellten Koordinatensystems korrespondiert, gegenüberliegende Oberseite 16b auf. An der Oberseite 16b der Batteriezelle 12 sind weiterhin die Pole 12a, 12b der Batteriezelle 12 angeordnet. Weiterhin umfasst die Batteriezelle 12, insbesondere in der Oberseite 16b ihres Gehäuses 16, eine bei Überdruck in der Batteriezelle 12 freigebbare Öffnung 18, die in diesem Beispiel in der Mitte zwischen den Zellpolen 12a, 12b angeordnet ist. Diese freigebbare Öffnung kann beispielsweise als Überdruckventil ausgeführt sein, insbesondere als Berstmembran, die sich bei zu hohem Druck innerhalb des Zellgehäuses 16, welches ansonsten keine Öffnungen aufweist, öffnet. Dadurch kann im Fehlerfall, zum Beispiel bei einer starken Überhitzung einer solchen Batteriezelle 12, infolge welcher sich Gase innerhalb des Zellgehäuses 16 bilden, eine Druckausgleichsmöglichkeit bereitgestellt werden, die eine Explosion der Batteriezelle 12 verhindert. Öffnet sich dabei die freigebbare Öffnung 18, so kommt es in einem solchen Fehlerfall häufig auch zu einem Austritt einer starken Flamme. Eine solche Flamme enthält üblicherweise viele Partikel aus dem Abbrand des Elektrolytmaterials der Batteriezelle 12 und der Elektroden, die eine starke abrasive Wirkung haben. Da die Zellmodule, wie zum Beispiel das in 1 dargestellte Batteriemodul 10, meist nur mit einer dünnen Kunststoffhaube 20 abgedeckt sind, wie diese ebenfalls exemplarisch in 1 transparent dargestellt ist, schlägt eine solche Flamme bei herkömmlichen Batteriemodulen sehr schnell ins Batterieinnere gegen einen hier nicht dargestellten Batteriedeckel durch. Da solche Batteriedeckel meist aus Aluminium gefertigt sind, durchschlägt eine solche Flamme auch diesen Deckel in kürzester Zeit. Damit besteht die Gefahr, dass Fahrzeugteile außerhalb des Batteriegehäuses in Brand gesteckt werden.
-
Diese Gefahr kann nun vorteilhafterweise reduziert werden, indem oberhalb dieser freigebbaren Öffnungen 18 eine Zerstäubungseinrichtung 14 angeordnet ist. Diese Zerstäubungseinrichtung 14 ist im Detail nochmal in 3 in einer schematischen und perspektivischen Darstellung alleine gezeigt. Diese Zerstäubungseinrichtung 14 ist in diesem Beispiel als Einleger ausgebildet und besteht aus einem feuerbeständigen Material, vornehmlich aus Stahl, und weist zudem im Bereich der Notentgasungsöffnungen, das heißt der freigebbaren Öffnungen 18 der Batteriezellen 12, eine oder mehrere Flammen-Durchtrittsöffnungen 22 auf. In diesem Beispiel weist dieser Einleger 14 pro Batteriezelle 12 zwei solcher Flammen-Durchtrittsöffnungen 22 auf. Auch hierbei sind in 1 und 3 aus Gründen der Übersichtlichkeit jeweils nur zwei solcher Flammen-Durchtrittsöffnungen 22 mit einem Bezugszeichen versehen. Diese Flammen-Durchtrittsöffnungen 22 weisen dabei eine Durchtrittsfläche auf, die jeweils kleiner ist als eine Fläche der freigebbaren Öffnung einer jeweiligen Batteriezelle 12. Dadurch kann vorteilhafterweise eine aus einer solchen freigebbaren Öffnung 18 der Batteriezelle 12 austretende Flamme durch diese deutlich kleineren Flammen-Durchtrittsöffnungen 22 im darüber befindlichen Zerstäubungseinleger 14 zerstäubt werden. Dadurch wird die zerstörerische Wirkung dieser Flamme deutlich reduziert. Dieses Zerstäuben einer solchen Flamme 24 ist in 5 schematisch illustriert. 5 zeigt dabei eine schematische Querschnittsdarstellung durch einen Teil des Batteriemoduls 10 aus 1, insbesondere im Bereich der Zerstäubungseinrichtung 14 und der darunterliegenden freigebbaren Öffnung 18 einer Batteriezelle 12. Wie zu erkennen ist, tritt hierbei eine Flamme 24 aus der Batteriezelle 12 durch die freigebbare Öffnung 18, die in diesem Beispiel aufgrund des in der Batteriezelle 12 entstandenen Überdrucks geöffnet ist, aus. Die ursprüngliche Austrittsrichtung ist dabei durch den Pfeil 26 veranschaulicht, der im Wesentlichen parallel zur dargestellten z-Richtung verläuft, das heißt in der ersten Richtung von unten nach oben. Dieser Austrittsbereich ist jedoch durch die Zerstäubungseinrichtung 14 zum Großteil verschlossen, sodass diese Flamme 24 nur noch durch die deutlich kleineren Flammen-Durchtrittsöffnungen 22 in der Zerstäubungseinrichtung 14 austreten können, wodurch sich diese Flamme 24 in zwei Teilflammen 24a, 24b aufteilt und auf diese Weise deutlich geschwächt wird.
-
Durch die Zerstäubungseinrichtung 14 lässt sich jedoch nicht nur ein solches Zerteilen beziehungsweise Zerstäuben einer Flamme 24 und dadurch ein Abschwächen einer solchen Flamme 24 bewerkstelligen, sondern gleichzeitig auch ein Umlenken der Teilflammen 24a, wie dies ebenfalls in 5 deutlich zu erkennen ist. Dies lässt sich durch mehrere Ausbildungseigenschaften der Zerstäubungseinrichtung 14, wie diese nun anhand von 3 näher erläutert werden, vorteilhafterweise bewerkstelligen. Zum einen ist es vorteilhaft, wenn die Flammen-Durchtrittsöffnungen 22 nicht parallel zur Oberseite 16b der jeweiligen Batteriezellen 12 orientiert sind, sondern etwas gegenüber der dargestellten x-y-Ebene geneigt sind. Durch eine solche Neigung wird auch eine Flamme 24 beim Hindurchtreten durch eine solche Öffnung 22 seitlich abgelenkt. Dieser Ablenkungseffekt wird zusätzlich noch dadurch verstärkt, dass sich die betreffenden Flammen-Durchtrittsöffnungen 22 zudem nicht zentral oberhalb der freigebbaren Öffnung an der betreffenden Batteriezelle 12 befinden, sondern ebenfalls, in diese Beispiel beidseitig, seitlich von dieser angeordnet sind, wobei sich seitlich in diesem Beispiel auf die dargestellte y-Richtung bezieht, das heißt senkrecht zur Längserstreckungsrichtung x des Batteriemoduls 10, in welcher die Batteriezellen 12 nebeneinander angeordnet sind, sowie auch senkrecht zur ersten Richtung z, die eine Richtung von der Unterseite 16a zur Oberseite 16b an der jeweiligen Batteriezelle 12 definiert. Die Flammen-Durchtrittsöffnungen 22, die einer jeweiligen Batteriezelle 12 zugeordnet sind, sind also in der y-Richtung voneinander beabstandet und seitlich in Bezug auf die freigebbare Öffnung 18 einer jeweiligen Batteriezelle 12 angeordnet. Durch diese seitliche Anordnung wird ebenfalls ein Umlenken einer aus einer solchen Batteriezelle 12 austretenden Flamme bewirkt, wenn diese in Form der beschriebenen Teilflammen 24a, 24b durch diese Flammen-Durchtrittsöffnungen 22 hindurchtritt.
-
Zusätzlich weist die Zerstäubungseinrichtung 14 pro Flammen-Durchtrittsöffnung 22 auch eine zugeordnete Nase 28 auf, von denen in 3 ebenfalls aus Gründen der Übersichtlichkeit nur zwei mit einem Bezugszeichen versehen sind. 4 zeigt dabei nochmal eine schematische und perspektivische Detailansicht eines Bereichs des Batteriemoduls 10 mit dem Zerstäubungseinleger 14, in welcher die Flammen-Durchtrittsöffnungen 22 sowie die zugeordneten Nasen 28 in einer vergrößerten Darstellung deutlicher zu erkennen sind. Diese Nasen 28 überdecken die zugeordnete Flammen-Durchtrittsöffnung 22 zum Teil und ragen jeweils ausgehend von einem Randbereich der zugeordneten Flammen-Durchtrittsöffnung 22 in Richtung eines gegenüberliegenden Randbereichs der Flammen-Durchtrittsöffnung 22. Zudem sind diese Nasen 28 gegenüber der Durchtrittsfläche der zugeordneten Flammen-Durchtrittsöffnung 22 ebenfalls um einen kleinen Winkel geneigt. Mit anderen Worten verlaufen diese Nasen 28 vorzugsweise im Wesentlichen parallel zur Oberseite 16b der Zellgehäuse 16 der jeweiligen Batteriezellen 12, während die Durchtrittsflächen der Flammen-Durchtrittsöffnungen 22 gegenüber dieser Oberseite 16b geneigt sind.
-
Durch diese Nasen 28 kann zusätzlich verhindert werden, dass die Teilflammen 24a, 24b einer aus der Batteriezelle 12 austretenden Flamme 24 senkrecht nach oben aus den Flammen-Durchtrittsöffnungen 22, das heißt in z-Richtung, hindurchtreten. Durch diese Nasen 28 wird damit vorteilhafterweise ebenfalls eine seitliche Ablenkung dieser Teilflammen 24a, 24b, das heißt in und entgegen der dargestellten y-Richtung, erzwungen.
-
Um diese Nasen 28 sowie die Flammen-Durchtrittsöffnungen 22 in der beschriebenen Weise bereitzustellen, kann die Zerstäubungseinrichtung 14 beispielsweise einen streifenförmigen, zum Beispiel in der Längserstreckungsrichtung x verlaufenden und parallel zur Oberseite 16b der jeweiligen Batteriezellen 12 ausgerichteten Mittenbereich 14a aufweisen, welcher zentral oberhalb der jeweiligen freigebbaren Öffnungen 18 der jeweiligen Batteriezellen 12 angeordnet ist, sowie weiterhin in der zweiten Richtung y sich beidseitig an diesen Mittenbereich 14a anschließende Seitenstreifen 14b, die in der zweiten Richtung y gegenüber dem Mittenbereich 14a in Richtung der Oberseite 16b der Batteriezellen 12 geneigt sind, insbesondere entgegengesetzt zueinander geneigt sind, wobei die jeweiligen Flammen-Durchtrittsöffnungen 22 in diesem jeweiligen Seitenstreifen 14b angeordnet sind. Die Nasen 28 können dann entsprechend als Verlängerungen des Mittenbereichs 14a in der zweiten Richtung y ausgebildet sein. Dieser Einleger 14 kann dann auf einfache Weise zum Beispiel auf die Oberseite des Batteriemoduls 10 einfach aufgeklippst werden, wodurch sich dieser Einleger 14 auf besonders einfache Weise an der Oberseite des Batteriemoduls 10, insbesondere unterhalb der oben genannten Kunststoffhaube 20, anordnen lässt.
-
Insgesamt zeigen die Beispiele, wie durch die Erfindung eine Verbesserung des Brandschutzes einer Lithium-Ionen-Batterie mit prismatischen Zellen bereitgestellt werden kann, indem eine Zerstäubungseinrichtung in Form eines feuerbeständigen Einlegers im Bereich der Notentgasungsöffnungen der Batteriezellen vorgesehen ist, der ein direktes Durchschlagen der abrasiven Flamme auf einen über dem Batteriemodul angeordneten Batteriedeckel verhindert. Da ein bloßes Verschließen der Öffnungen zu unzulässig hohem Druckaufbau führen würde, kann dagegen durch definierte Öffnungen in diesem Einleger die Flamme zerstreut werden. Dabei wird die Flamme durch eine oder mehrere Öffnungen verteilt. Die Öffnungen sind dabei vorteilhafterweise so gewählt, dass ein Durchbrennen durch den Deckel nach Möglichkeit verhindert wird, und trotzdem der Druckaufbau in der Batterie in einem zulässigen Bereich bleibt.
-
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
-
Diese Liste der vom Anmelder aufgeführten Dokumente wurde automatisiert erzeugt und ist ausschließlich zur besseren Information des Lesers aufgenommen. Die Liste ist nicht Bestandteil der deutschen Patent- bzw. Gebrauchsmusteranmeldung. Das DPMA übernimmt keinerlei Haftung für etwaige Fehler oder Auslassungen.
-
Zitierte Patentliteratur
-
- DE 102013223361 A1 [0003]
- DE 102014012568 A1 [0005]
- EP 3053206 B1 [0007]
