DE102020102387A1

DE102020102387A1 - Batteriemodul für eine Traktionsbatterie, Traktionsbatterie sowie Kraftfahrzeug

Info

Publication number: DE102020102387A1
Application number: DE102020102387.1A
Authority: DE
Inventors: Matthias Wagner
Original assignee: Bayerische Motoren Werke AG
Current assignee: Bayerische Motoren Werke AG
Priority date: 2020-01-31
Filing date: 2020-01-31
Publication date: 2021-08-05
Also published as: WO2021151576A1

Abstract

Die Erfindung betrifft ein Batteriemodul (1) für eine Traktionsbatterie eines elektrisch antreibbaren Kraftfahrzeugs, mit- einem Zellverbund (3) aus Rundzellen (2), wobei eine Außenseite (5) des Zellverbunds (3) durch Zellgehäusebereiche (4) von randseitig in dem Zellverbund (3) angeordneten Rundzellen (2) gebildet ist, und- einer Schutzeinrichtung (8), welche dazu ausgelegt ist, zumindest zwei in dem Zellverbund (3) benachbart zueinander angeordnete Rundzellen (3) vor einer unfallbedingten Krafteinwirkung (6) zu schützen sowie eine thermische Propagation zwischen den zumindest zwei benachbarten Rundzellen (2) zu verhindern, wobei die Schutzeinrichtung (8) dazu zumindest einen Krafteinwirkungsschutzbereich (10), welcher zumindest teilweise überlappend mit der Außenseite (5) des Zellverbunds (3) an den zumindest zwei benachbarten Rundzellen (2) angeordnet ist, und zumindest einen mit dem Krafteinwirkungsschutzbereich (10) mechanisch verbundenen Hitzeschutzbereich (11) aufweist, welcher zur thermischen Isolation der zwei benachbarten Rundzellen (2) zwischen den zwei benachbarten Rundzellen (2) angeordnet ist.

Description

Die Erfindung betrifft ein Batteriemodul für eine Traktionsbatterie eines elektrisch antreibbaren Kraftfahrzeugs mit einem Zellverbund aus Rundzellen. Die Erfindung betrifft außerdem eine Traktionsbatterie sowie ein Kraftfahrzeug.
Vorliegend richtet sich das Interesse auf Traktionsbatterien elektrisch antreibbarer Kraftfahrzeuge, also Hybrid- oder Elektrofahrzeuge. Solche Traktionsbatterien weisen üblicherweise eine Vielzahl von miteinander verschalteten Batteriezellen, beispielsweise Rundzellen, auf. Rundzellen werden üblicherweise mittels Halter in einem Gehäuse der Traktionsbatterie befestigt. Um eine Deformation der Rundzellen zu verhindern, werden größtenteils gehäuseseitig Maßnahmen ergriffen, indem gefährdete Bauräume im Gehäuse nicht mit Batteriezellen befüllt werden. Solche gefährdeten Bauräume sind beispielsweise bei einem Unfall des Kraftfahrzeugs einer Krafteinwirkung ausgesetzt, welche die Batteriezellen zerstören kann. Dadurch, dass diese Bauräume nicht mit Batteriezellen befüllt werden, weist das Kraftfahrzeug eine reduzierte elektrische Reichweite auf. Eine weitere Herausforderung beim Herstellen von Batteriemodulen besteht darin, bei einer Notentgasung, bei welcher eine Batteriezelle im Fehlerfall ein Heißgas ausströmen lässt, eine Propagation auf benachbart angeordnete Batteriezellen zu verhindern.
Es ist Aufgabe der vorliegenden Erfindung, ein Batteriemodul für eine Traktionsbatterie eines Kraftfahrzeugs besonders robust gegenüber mechanischer und thermischer Einwirkung zu gestalten.
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.
Ein erfindungsgemäßes Batteriemodul für eine Traktionsbatterie eines elektrisch antreibbaren Kraftfahrzeugs weist einen Zellverbund aus Rundzellen auf, wobei eine Außenseite des Zellverbunds durch Zellgehäusebereiche von randseitig in dem Zellverbund angeordneten Rundzellen gebildet ist. Außerdem weist das Batteriemodul eine Schutzeinrichtung auf, welche dazu ausgelegt ist, zumindest zwei in dem Zellverbund benachbart zueinander angeordnete Rundzellen vor einer unfallbedingten Krafteinwirkung zu schützen und eine thermische Propagation zwischen den zumindest zwei benachbarten Rundzellen zu verhindern. Dazu weist die Schutzeinrichtung zumindest einen Krafteinwirkungsschutzbereich, welcher zumindest teilweise überlappend mit der Außenseite des Zellverbunds an den zumindest zwei benachbarten Rundzellen angeordnet ist, und zumindest einen mit dem Krafteinwirkungsschutzbereich mechanisch verbundenen Hitzeschutzbereich auf, welcher zur thermischen Isolation der zwei benachbarten Rundzellen zwischen den zwei benachbarten Rundzellen angeordnet ist.
Das Batteriemodul kann beispielsweise in einem Gehäuse der Traktionsbatterie angeordnet werden und mit anderen Batteriemodulen verschaltet werden. Das Batteriemodul weist den Zellverbund aus Rundzellen auf. Der Zellverbund kann beispielsweise in einem Zellmodulrahmen angeordnet sein. Die wiederaufladbaren Rundzellen weisen ein zylinderförmiges Zellgehäuse auf und sind insbesondere in mehreren Reihen nebeneinander angeordnet. Die Reihen können dabei zur optimalen Raumnutzung bzw. zum Erreichen einer hohen Packungsdichte versetzt zueinander angeordnet sein. Der Zellverbund kann eine beliebige Anzahl an Reihen aus Rundzellen aufweisen, wobei die äußersten Reihen die randseitig angeordneten Rundzellen aufweisen. Im Falle eines Zellverbunds mit nur zwei Reihen besteht das Batteriemodul nur aus randseitig angeordneten Rundzellen. Die Außenseite des Zellverbunds wird dabei durch die außen liegenden Zellgehäusebereiche der Rundzellen in den äußersten Reihen gebildet. Die Außenseite ist im angeordneten Zustand der Traktionsbatterie im Kraftfahrzeug einer unfallbedingten Kraftbeaufschlagung, beispielsweise einer Intrusion mit Gegenständen, ausgesetzt. Außerdem kann es sein, dass zumindest eine Rundzelle im Fehlerfall bzw. bei einem thermischen Ereignis, beispielsweise bei einem zellinternen Kurzschluss, eine Notentgasung durchführt. Dabei lässt sie zum Innendruckabbau ein Heißgas aus dem Zellgehäuse in die Umgebung ab. Da das Heißgas eine enorme Hitze transportiert, kann es sein, dass benachbarte Rundzellen überhitzen und ebenfalls eine Notentgasung durchführen. Die Notentgasung kann also durch den Zellverbund propagieren.
Um zu verhindern, dass einerseits die Rundzellen durch die unfallbedingte Kraftbeaufschlagung zerstört werden und andererseits die Notentgasung einer Rundzelle auf benachbarte Rundzellen überspringt, ist die Schutzeinrichtung vorgesehen. Die Schutzeinrichtung kann sich beispielsweise an dem Zellmodulrahmen abstützen. Die Schutzeinrichtung weist den zumindest einen Krafteinwirkungsschutzbereich und den zumindest einen Hitzeschutzbereich auf. Der zumindest eine Krafteinwirkungsschutzbereich und der zumindest eine Hitzeschutzbereich sind mechanisch miteinander verbunden, insbesondere einstückig bzw. einteilig ausgebildet. Der zumindest eine Krafteinwirkungsschutzbereich und der zumindest eine Hitzeschutzbereich bilden ein mechanisch und thermisch wirkendes Schott. Dazu wird die Schutzeinrichtung derart positioniert, dass der zumindest eine Krafteinwirkungsschutzbereich zumindest bereichsweise an der Außenseite des Zellverbunds an den Zellgehäusebereichen von zumindest zwei benachbarten Rundzelle positioniert ist, während der zumindest eine Hitzeschutzbereich in einen Zwischenraum zwischen den zumindest zwei benachbarten Rundzellen hineinragt.
Der zumindest eine Krafteinwirkungsschutzbereich schirmt die beiden Rundzellen mechanisch von einer Umgebung ab, indem er die unfallbedingte Krafteinwirkung aufnehmen kann und von den Rundzellen fernhält. Der zumindest eine Hitzeschutzbereich schirmt die beiden Rundzellen thermisch voneinander ab, indem er die durch das Heißgas transportierte Hitze einer Rundzelle von der benachbarten anderen Rundzelle fernhält. Dazu ist die Schutzeinrichtung aus einem mechanisch stabilen und thermisch schlecht leitfähigen oder thermisch isolierenden Material ausgebildet. Die Schutzeinrichtung weist also einen hohen thermischen Widerstand auf. Beispielsweise weist die Schutzeinrichtung einen Kunststoff und/oder Glasfaser und/oder ein umspritztes Stahlblech auf. Die Schutzeinrichtung kann beispielsweise durch Spritzgießen oder Strangziehen hergestellt sein.
Eine solche multifunktionale Schutzeinrichtung weist den Vorteil auf, dass sie kostengünstig herstellbar ist und einen geringen Bauraumbedarf aufweist.
Es erweist sich als vorteilhaft, wenn der zumindest eine Krafteinwirkungsschutzbereich und der zumindest eine Hitzeschutzbereich einstückig mit einem T-förmigen Profil ausgebildet sind. Beispielsweise kann es vorgesehen sein, dass die Schutzeinrichtung mehrere T-förmige Profile jeweils bestehend aus einem Krafteinwirkungsschutzbereich und einem Hitzeschutzbereich aufweist. Diese T-Profile können dann jeweils zwei benachbarte, randseitige Rundzellen vor mechanischer und thermischer Einwirkung schützen.
Auch kann vorgesehen sein, dass die Schutzeinrichtung mehrere Krafteinwirkungsschutzbereiche und Hitzeschutzbereiche aufweist, welche zumindest eine Kammstruktur ausbilden, wobei Kammzinken der zumindest einen Kammstruktur die Hitzeschutzbereiche ausbilden. Es sind also mehrere T-förmige Profile zu einer Kammstruktur zusammengefasst. Die Krafteinwirkungsschutzbereiche bilden dabei einen durchgängigen Gesamtkrafteinwirkungsschutzbereich, welcher sich entlang bzw. parallel zu der Reihe erstreckt und an den Zellgehäusebereichen mehrerer nebeneinander angeordneter Rundzellen angeordnet ist. Die Hitzeschutzbereiche stehen kammzinkenartig von dem Gesamteinwirkungsschutzbereich ab und ragen in die Zwischenräume zwischen jeweils zwei benachbarten Rundzellen. Beispielweise kann für jede äußere Reihe eine solche Kammstruktur bereitgestellt werden. Auch können mehrere Kammstrukturen einen Rahmen bilden, innerhalb welchem der Zellverbund angeordnet ist.
Insbesondere erstrecken sich der zumindest eine Krafteinwirkungsschutzbereich und der zumindest eine Hitzeschutzbereich entlang einer Längsrichtung der Rundzellen. Der Krafteinwirkungsschutzbereich und der Hitzeschutzbereich werden also seitlich an den Rundzellen angeordnet und erstrecken sich dabei parallel zu einem zylinderförmigen Mantelbereich der Rundzellen. Insbesondere erstrecken sich der Krafteinwirkungsschutzbereich und der Hitzeschutzbereich über eine gesamte Höhe der Rundzellen, sodass auch eine Krafteinwirkung von oben in Richtung eines runden Gehäusedeckels der Rundzellen oder von unten in Richtung eines runden Gehäusebodens der Rundzellen von dem zumindest einen Krafteinwirkungsbereich der Schutzeinrichtung aufgenommen werden kann.
In einer Weiterbildung sind der zumindest eine Hitzeschutzbereich und der zumindest eine Krafteinwirkungsschutzbereich zum Erhöhen einer Steifigkeit der Schutzeinrichtung zusätzlich über Versteifungselemente mechanisch verbunden. Der zumindest eine Hitzeschutzbereich und der zumindest eine Krafteinwirkungsschutzbereich sind miteinander verbunden, insbesondere einteilig ausgebildet, damit der Hitzeschutzbereich die Steifigkeit der Schutzeinrichtung für den Krafteinwirkungsschutzbereich erhöht. Zusätzlich können die weiteren Versteifungselemente angebracht werden. Die Versteifungselemente können beispielsweise als bogenförmige Elemente ausgebildet sein, welche den zumindest einen Krafteinwirkungsschutzbereich des T-förmigen Profils gegenüber dem senkrecht dazu angeordneten Hitzeschutzbereich abstützen. Die Versteifungselemente, der zumindest eine Krafteinwirkungsschutzbereich und der zumindest eine Hitzeschutzbereich sind vorzugsweise einstückig ausgebildet.
Zur Erfindung gehört außerdem eine Traktionsbatterie für ein elektrisch antreibbares Kraftfahrzeug, welche zumindest ein erfindungsgemäßes Batteriemodul aufweist. Die wiederaufladbare Traktionsbatterie bzw. der Traktionsakkumulator kann beispielsweise als ein Hochvoltspeicher ausgebildet sein.
Die Erfindung betrifft ferner ein elektrisch antreibbares Kraftfahrzeug mit einer erfindungsgemäßen Traktionsbatterie. Das Kraftfahrzeug ist insbesondere als ein Personenkraftwagen ausgebildet.
Die mit Bezug auf das erfindungsgemäße Batteriemodul 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, 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.
Die Erfindung wird nun anhand eines bevorzugten Ausführungsbeispiels sowie unter Bezugnahme auf die Zeichnungen näher erläutert. Es zeigen:

1 eine schematische Darstellung einer ersten Ausführungsform eines Batteriemoduls; und
2 eine schematische Darstellung einer zweiten Ausführungsform des Batteriemoduls.

In den Figuren sind gleiche sowie funktionsgleiche Elemente mit den gleichen Bezugszeichen versehen.
1 zeigt ein Batteriemodul 1 für eine Traktionsbatterie eines Kraftfahrzeugs. Das Batteriemodul 1 weist hier zwei Reihen R1, R2 mit Rundzellen 2 auf, welche einen Zellverbund 3 ausbilden. Die Rundzellen 2 sind in der jeweiligen Reihe R1, R2 nebeneinander angeordnet. Da das Batteriemodul 1 hier nur zwei Reihen R1, R2 mit Rundzellen 2 aufweist, sind alle hier gezeigten Rundzellen 2 randseitig angeordnete Rundzellen 2. Dies bedeutet, dass jede der Rundzellen 2 einen Zellgehäusebereich 4 aufweist, welcher zu einer Außenseite 5 des Zellverbunds 3 beiträgt und welcher einer unfallbedingten Krafteinwirkung 6 ausgesetzt ist. Außerdem kann es sein, dass eine Rundzelle 2 eine Notentgasung durchführt, was eine Hitzeeinwirkung 7 in Richtung einer benachbarten Rundzelle 2 zur Folge hat.
Um zu verhindern, dass die mechanische Krafteinwirkung 6 die Rundzellen 2 zerstört und die Hitzeeinwirkung 7 benachbarte Rundzellen 2 überhitzt, weist das Batteriemodul 1 eine Schutzeinrichtung 8 auf. Die Schutzeinrichtung 8 weist hier zwei einstückige Kammstrukturen 9 auf, welche aus Krafteinwirkungsschutzbereichen 10 und Hitzeschutzbereichen 11 gebildet ist. Die Krafteinwirkungsschutzbereiche 10 und die Hitzeschutzbereiche 11 erstrecken sich in Längsrichtung (in die Zeichenebene hinein) parallel zu den Rundzellen 2. Die Krafteinwirkungsschutzbereiche 10 sind an der Außenseite 5 des Zellverbunds 3 angeordnet und dazu ausgelegt, die hier seitlich wirkende Krafteinwirkung 6 aufzunehmen. Auch können die Krafteinwirkungsschutzbereiche 10 Kräfte von oben aufnehmen, wenn sich beispielsweise bei einem Unfall ein Gehäusedeckel der Traktionsbatterie und/oder die Fahrzeugstruktur absenken. So kann der Bauraum direkt unter dem Gehäusedeckel auch mit Rundzellen 2 befüllt werden und es kann durch die Traktionsbatterie mehr elektrische Energie zur Reichweitenerhöhung bereitgestellt werden.
Jeweils ein Hitzeschutzbereich 11 ist zwischen zwei benachbarten Rundzellen 2 angeordnet und dient dazu, die Hitzeeinwirkung 7 einer Rundzelle 2 von der benachbarten Rundzelle 2 fernzuhalten. Die Schutzeinrichtung 8 ist dazu insbesondere teilweise aus einem thermisch isolierenden Material, beispielsweise Kunststoff, ausgebildet. Jeweils ein Hitzeschutzbereich 11 und ein Krafteinwirkungsschutzbereich 10 bilden dabei ein T-förmiges, einteiliges Profil, welches gleichzeitig die Funktion der mechanische Kraftaufnahme und der thermischen Isolation erfüllt. Dies führt zu Kosten- und Gewichtsreduktion der Traktionsbatterie. In 2 ist gezeigt, dass der Hitzeschutzbereich 11 und der Krafteinwirkungsschutzbereich 10 zusätzlich über Versteifungselemente 12, welche hier bogenförmig ausgebildet sind, verbunden sind.

Claims

Batteriemodul (1) für eine Traktionsbatterie eines elektrisch antreibbaren Kraftfahrzeugs, mit - einem Zellverbund (3) aus Rundzellen (2), wobei eine Außenseite (5) des Zellverbunds (3) durch Zellgehäusebereiche (4) von randseitig in dem Zellverbund (3) angeordneten Rundzellen (2) gebildet ist, und - einer Schutzeinrichtung (8), welche dazu ausgelegt ist, zumindest zwei in dem Zellverbund (3) benachbart zueinander angeordnete Rundzellen (3) vor einer unfallbedingten Krafteinwirkung (6) zu schützen sowie eine thermische Propagation zwischen den zumindest zwei benachbarten Rundzellen (2) zu verhindern, wobei die Schutzeinrichtung (8) dazu zumindest einen Krafteinwirkungsschutzbereich (10), welcher zumindest teilweise überlappend mit der Außenseite (5) des Zellverbunds (3) an den zumindest zwei benachbarten Rundzellen (2) angeordnet ist, und zumindest einen mit dem Krafteinwirkungsschutzbereich (10) mechanisch verbundenen Hitzeschutzbereich (11) aufweist, welcher zur thermischen Isolation der zwei benachbarten Rundzellen (2) zwischen den zwei benachbarten Rundzellen (2) angeordnet ist.
Batteriemodul (1) für nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der zumindest eine Krafteinwirkungsschutzbereich (10) und der zumindest eine Hitzeschutzbereich (11) einstückig ausgebildet sind und ein T-förmiges Profil ausbilden.
Batteriemodul (1) für nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Schutzeinrichtung (8) mehrere Krafteinwirkungsschutzbereiche (10) und Hitzeschutzbereiche (11) aufweist, welche zumindest eine Kammstruktur (9) ausbilden, wobei Kammzinken der Kammstruktur (9) die Hitzeschutzbereiche (11) ausbilden.
Batteriemodul (1) für nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass sich der zumindest eine Krafteinwirkungsschutzbereich (10) und der zumindest eine Hitzeschutzbereich (11) entlang einer Längsrichtung der Rundzellen (2) erstrecken.
Batteriemodul (1) für nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der zumindest eine Hitzeschutzbereich (11) und der zumindest eine Krafteinwirkungsschutzbereich (10) zum Erhöhen einer Steifigkeit der Schutzeinrichtung zusätzlich über Versteifungselemente (12) mechanisch verbunden sind.
Batteriemodul (1) für nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Schutzeinrichtung einen Kunststoff und/oder Glasfaser und/oder ein umspritztes Stahlblech aufweist.
Traktionsbatterie für ein elektrisch antreibbares Kraftfahrzeug mit zumindest einem Batteriemodul (1) für nach einem der vorhergehenden Ansprüche.
Kraftfahrzeug aufweisend eine Traktionsbatterie nach Anspruch 7.