DE102020104501A1

DE102020104501A1 - Luftverdränger, Traktionsbatterie, Herstellungsverfahren sowie Kraftfahrzeug

Info

Publication number: DE102020104501A1
Application number: DE102020104501.8A
Authority: DE
Inventors: Florian Landerer
Original assignee: Bayerische Motoren Werke AG
Current assignee: Bayerische Motoren Werke AG
Priority date: 2020-02-20
Filing date: 2020-02-20
Publication date: 2021-08-26
Also published as: WO2021164984A1; CN114730959A; US20230014625A1; CN114730959B

Abstract

Die Erfindung betrifft einen Luftverdränger (5) für eine Traktionsbatterie (1) eines Kraftfahrzeugs, welcher im eingebauten Zustand in einem Batteriegehäuse (2) der Traktionsbatterie (1) dazu ausgelegt ist, ein freies Volumen (4) in dem Batteriegehäuse (2) zumindest teilweise auszufüllen und somit eine Luft in dem Batteriegehäuse (2) für den Fall einer gehäuseinternen Hitzeentwicklung zumindest teilweise zu verdrängen, aufweisend:- einen Vakuumbeutel (6),- einen durch Luft expandierbaren Schaum (7), welcher in dem Vakuumbeutel (6) angeordnet ist, und- eine manuell zu öffnende Lufteinlassstelle (8), wobei der Luftverdränger (5) von einem Initialzustand, in welchem der Vakuumbeutel (6) im geschlossenen Zustand der Lufteinlassstelle (8) evakuiert ist und der sich in dem Vakuumbeutel (6) befindliche Schaum (7) komprimiert ist, in einen für den eingebauten Zustand vorgesehenen Endzustand überführbar ist, in welchem der Vakuumbeutel (6) durch manuelles Öffnen der Lufteinlassstelle (8) mit Luft durchflutet ist und dadurch der Schaum (7) expandiert ist.

Description

Die Erfindung betrifft einen Luftverdränger für eine Traktionsbatterie eines Kraftfahrzeugs. Die Erfindung betrifft außerdem eine Traktionsbatterie, ein Verfahren zum Herstellen einer Traktionsbatterie sowie ein Kraftfahrzeug.
Vorliegend richtet sich das Interesse auf Traktionsbatterien für elektrisch antreibbare Kraftfahrzeuge. Solche Traktionsbatterien weisen üblicherweise ein Batteriegehäuse auf, in welchem mehrere, miteinander verschaltete Batteriemodule, Batteriezellen oder elektrisch oder geometrisch zusammenhängende Zellpakete angeordnet sind. Dabei ist es üblich, beim Anordnen der Batteriemodule in dem Batteriegehäuse vorbestimmte Abstände zwischen den Batteriemodule und Gehäusewänden des Batteriegehäuses einzuhalten, welche beispielsweise als Pufferzonen im Falle einer unfallbedingten Kraftbeaufschlagung auf das Batteriegehäuse dienen. Auch können diese Abstände aus konstruktiven, montagetechnischen, elektrischen, elektromagnetischen oder anderen Anforderungen resultieren. Diese Abstände bilden jedoch freies, mit Luft gefülltes Volumen, wobei die Luft im Fehlerfall, beispielsweise bei einem thermischen Ereignis einer Batteriezelle des Batteriemoduls, durch Bereitstellung des enthaltenen Sauerstoffs eine Hitzeentwicklung bzw. einen Brand in dem Batteriegehäuse in unerwünschter Weise fördern kann.
Um einen Brand zu verhindern, ist es beispielsweise aus der DE 10 2015 220 601 A1 bekannt, für eine Batterie eines Kraftfahrzeugs eine Vorrichtung zum Einleiten eines Kühl- oder Löschmittels bereitzustellen. Die Vorrichtung weist ein Anschlusselement, das fluidtechnisch mit einem Kühl- oder Löschmittelspeicher verbindbar ist, und eine mit dem Anschlusselement fluidtechnisch verbindbare Leitung auf, die zu der Batterie führbar ist. Das Löschmittel kann beispielsweise ein Löschschaum sein, welcher einen Brand der Batterie ersticken kann. Eine solche Vorrichtung weist jedoch einen hohen Bauraumbedarf im Kraftfahrzeug auf.
Es ist Aufgabe der vorliegenden Erfindung, eine alternative Lösung bereitzustellen, wie eine Überhitzung einer Traktionsbatterie eines Kraftfahrzeugs auf einfache und bauraumsparende Weise verhindert werden kann.
Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß durch einen Luftverdränger, eine Traktionsbatterie, ein Verfahren zum Herstellen einer 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 erfindungsgemäßer Luftverdränger für eine Traktionsbatterie eines Kraftfahrzeugs ist in einem eingebauten Zustand in einem Batteriegehäuse der Traktionsbatterie dazu ausgelegt, ein freies Volumen in dem Batteriegehäuse zumindest teilweise auszufüllen und somit eine Luft in dem Batteriegehäuse für den Fall einer gehäuseinternen Hitzeentwicklung zumindest teilweise zu verdrängen. Der Luftverdränger weist einen Vakuumbeutel, einen durch Luft expandierbaren Schaum, welcher in dem Vakuumbeutel angeordnet ist, und eine manuell zu öffnende Lufteinlassstelle auf, über welches der Vakuumbeutel evakuierbar und mit Luft durchflutbar ist. Der Luftverdränger ist von einem Initialzustand, in welchem der Vakuumbeutel im geschlossenen Zustand der Lufteinlassstelle zumindest teilweise evakuiert ist und der sich in dem Vakuumbeutel befindliche Schaum einen komprimierten Zustand aufweist, in einen für den eingebauten Zustand vorgesehenen Endzustand überführbar, in welchem der Vakuumbeutel durch manuelle Öffnung der Lufteinlassstelle mit Luft durchflutet ist und dadurch der Schaum einen expandierten Zustand aufweist.
Die Erfindung betrifft außerdem eine Traktionsbatterie für ein Kraftfahrzeug mit einem Batteriegehäuse, mehreren Komponenten, welche in dem Batteriegehäuse angeordnet sind, und zumindest einem erfindungsgemäßen Luftverdränger, wobei der Luftverdränger in einem freien, von den Komponenten nicht benötigten Volumen in dem Batteriegehäuse angeordnet ist und dabei den Endzustand aufweist. Die Komponenten können beispielsweise als Batteriemodule ausgebildet sein, welche jeweils eine Verschaltung mehrerer Batteriezellen aufweisen.
Bei einem erfindungsgemäßen Verfahren zum Herstellen einer erfindungsgemäßen Traktionsbatterie wird der Luftverdränger, vor oder nach Auslieferung an einen Montageort der Traktionsbatterie, in dem Initialzustand bereitgestellt. Die Komponenten werden in dem Batteriegehäuse angeordnet. Der Luftverdränger wird in das Batteriegehäuse eingebracht bzw. eingebaut. Vor oder nach Einbau des Luftverdrängers in das Batteriegehäuse wird die Lufteinlassstelle manuell geöffnet, um den Endzustand des Luftverdrängers durch Fluten des Vakuumbeutels zum Expandieren des Schaums bereitzustellen, wobei der Luftverdränger im Endzustand und im eingebauten Zustand ein freies Volumen in dem Batteriegehäuse zumindest teilweise ausfüllt.
Der Luftverdränger ist selbstaufblasend ausgebildet. Der Initialzustand des Luftverdrängers ist insbesondere ein Vormontagezustand, in welchem der Luftverdränger beispielsweise platzsparend gelagert und zum Einbau in das Batteriegehäuse der Traktionsbatterie transportiert wird. In diesem Initialzustand weist der Luftverdränger ein erstes Packmaß auf. Der Endzustand des Luftverdrängers ist ein Endmontagezustand, welchen der Luftverdränger beispielsweise kurz vor dem Einbau in das Batteriegehäuse oder spätestens nach dem Einbau in das Batteriegehäuse aufweist und welcher aktiv, beispielsweise von einem Montagepersonal, herbeigeführt wird. In diesem Endzustand weist der Luftverdränger ein im Vergleich zum ersten Packmaß größeres zweites Packmaß auf. Im Endzustand kann der Luftverdränger eine Geometrie aufweisen, welche an eine Form des freien Volumens in dem Batteriegehäuse angepasst ist. Die Form des freien Volumens wird dabei durch Zwischenräume bzw. Freiräume zwischen den Komponenten sowie zwischen den Komponenten und Gehäusewänden des Batteriegehäuses definiert.
Der Luftverdränger weist den Vakuumbeutel auf. Der Vakuumbeutel ist insbesondere eine flexible, luftdichte Umhüllung, in welcher der Schaum angeordnet ist. Der Vakuumbeutel kann beispielsweise aus einer Kunststofffolie oder Metallfolie gebildet sein. Der Schaum, welcher sich in einem Innenraum des Vakuumbeutels befindet, kann durch Luftzufuhr bzw. Sauerstoffzufuhr expandiert werden. Im zumindest teilweise evakuierten Zustand des Vakuumbeutels befindet sich möglichst wenig Luft in dem Vakuumbeutel, sodass der Schaum den komprimierten, unexpandierten Zustand aufweist. Bei verschlossener Lufteinlassstelle verbleibt der Schaum in dem komprimierten Zustand innerhalb des Vakuumbeutels. Beispielsweise kann der Schaum vorkomprimiert sein und in den Vakuumbeutel einlaminiert werden, wodurch er an der freien Atmosphäre so komprimiert bleibt, dass sich das erste Packmaß ergibt. Alternativ dazu kann der expandierte Schaum in den Vakuumbeutel eingeführt werden. Danach kann der Vakuumbeutel evakuiert bzw. ausgesaugt werden, wodurch sich der Luftverdränger auf das erste Packmaß komprimiert.
Vor oder nach dem Anordnen des Luftverdränger in dem freien, durch die Komponenten nicht belegten Volumen des Batteriegehäuses wird die Lufteinlassstelle manuell, beispielweise durch das Montagepersonal, geöffnet, um Luft aus der Umgebung in den Innenraum des Vakuumbeutels einlassen zu können. Unter der manuellen Öffnung ist hierzu verstehen, dass das Einlassen der Luft in den Vakuumbeutel aktiv, beispielsweise durch das Montagepersonal, initiiert wird. Die in den Vakuumbeutel eingesaugte Luft lässt den Schaum expandieren, bis der Luftverdränger auf den Endzustand aufgeblasen ist und damit das zweite Packmaß aufweist. Falls der Luftverdränger in Bereich zwischen den Gehäusewänden des Batteriegehäuses und den Komponenten angeordnet wird, ist der Schaum vorzugsweise ein sehr weicher und grobporiger Schaum, sodass dieser im Falle einer unfallbedingten Kraftbeaufschlagung auf das Batteriegehäuse ausweichen bzw. nachgeben kann und keinen schädlichen Druck auf die Komponenten ausübt. Beispielsweise kann der Schaum ein Polyurethanschaum sein. Der Vakuumbeutel kann aus mehreren, zusammenhängenden Vakuumkammern ausgebildet sein, welche insbesondere über dieselbe Lufteinlassstelle mit Luft geflutet werden können. So kann die flexible Geometrie des Luftverdrängers im Endzustand bereitgestellt werden.
Ein solcher Luftverdränger weist den Vorteil auf, dass er vor der Montage ein besonders geringes Packmaß aufweist und einfach in der Handhabung ist. Zudem weist der Luftverdränger wenige, kostengünstige Komponenten auf.
Vorzugweise ist der Vakuumbeutel zum Verhindern einer Luftfreisetzung aus dem Vakuumbeutel im Fall der Hitzeentwicklung aus einem hitzeresistenten Material ausgebildet. So soll verhindert werden, dass der Vakuumbeutel schmilzt und die sich in dem Schaum befindliche Luft wieder freigesetzt wird. Auch ist es vorteilhaft, wenn der Schaum aus einem nicht oder nur schlecht brennbaren Material ausgebildet ist. Auch kann der Schaum teil- oder vollverhautet sein, sodass im Falle eines Schmelzens des Vakuumbeutels möglichst wenig Sauerstoff aus dem Schaum austritt und zur Hitzeentwicklung beiträgt.
Besonders bevorzugt ist die Lufteinlassstelle als ein manuell aktivierbares Ventil ausgebildet. Insbesondere weist das Ventil einen Ventilkörper und einen an dem Vakuumbeutel angeordneten Ventilsitz auf, wobei der Ventilkörper und der Ventilsitz über einen Bajonettverschluss verbunden sind. Das Ventil ist dabei derart gestaltet, dass im geöffneten Zustand des Ventils zwar Luft in den Vakuumbeutel eingesaugt werden kann, jedoch nicht oder nur kaum wieder austreten kann. Dazu kann das Ventil beispielweise nach Öffnen zum Lufteinlass wieder verschließbar ausgebildet sein, um ein Ausdiffundieren von Luft zu verhindern. Ein mit einem Bajonettverschluss, also einem Dreh-Steck-Verschluss, ausgebildetes Ventil ist außerdem besonders einfach in der Handhabung.
Alternativ dazu kann die Lufteinlassstelle auch als ein Bereich des Vakuumbeutels ausgebildet sein, welcher aktiv durch das Montagepersonal beschädigt wird. Beispielsweise kann der Vakuumbeutel in diesem Bereich, z.B. mit einem Werkzeug, angerissen oder angestochen werden. Auch kann die Lufteinlassstelle mittels einer Sollbruchstelle an dem Vakuumbeutel geöffnet werden. Eine solche Sollbruchstelle kann beispielsweise ein perforierter Bereich des Vakuumbeutels sein, an welchem der Vakuumbeutel aufreißbar bzw. ein Teil des Vakuumbeutels abreißbar gestaltet ist. Darüber hinaus kann die Lufteinlassstelle beispielsweise an einer Art Andockstation in einem Transportbehälter für den Luftverdränger angeordnet sein, welche als Verschluss der Lufteinlassstelle fungiert. Wenn der Luftverdränger aus dem Transportbehälter genommen wird, wird der Verschluss der Lufteinlassstelle entfernt und der Luftverdränger kann sich aufblasen.
Die Erfindung betrifft außerdem ein Kraftfahrzeug mit einer erfindungsgemäßen Traktionsbatterie. Das Kraftfahrzeug ist als ein elektrisch antreibbares Kraftfahrzeug ausgebildet.
Die mit Bezug auf den erfindungsgemäßen Luftverdränger vorgestellten Ausführungsformen und deren Vorteile gelten entsprechend für die erfindungsgemäße Traktionsbatterie, für das erfindungsgemäße Verfahren 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. Dabei zeigen:

1 eine schematische Darstellung einer Ausführungsform einer Traktionsbatterie eines Kraftfahrzeugs; und
2 eine schematische Darstellung einer Ausführungsform einer Luftverdrängers für die Traktionsbatterie.

In den Figuren sind gleiche sowie funktionsgleiche Elemente mit den gleichen Bezugszeichen versehen.
1 zeigt eine Traktionsbatterie 1 für ein elektrisch antreibbares Kraftfahrzeug. Die Traktionsbatterie 1 weist ein Batteriegehäuse 2 auf, in welchem mehrere Komponenten 3, beispielsweise Batteriemodule, angeordnet sind. Um ein freies Volumen 4, welches durch Freiräume zwischen den Komponenten 3 sowie zwischen den Komponenten 3 und dem Batteriegehäuse 2 definiert wird, auszufüllen und dadurch die sich in dem Volumen 4 befindliche Luft verdrängen zu können, weist die Traktionsbatterie 1 einen Luftverdränger 5 auf, welcher auch in 2 gezeigt ist. Der Luftverdränger 5 weist einen Vakuumbeutel 6 sowie einen Schaum 7 auf, welcher in dem Vakuumbeutel 6 angeordnet ist. In 2 ist der Luftverdränger 5 in einem Endzustand gezeigt, in welchem ein Innenraum des Vakuumbeutels 6 mit Luft gefüllt ist und dadurch der Schaum expandiert ist. Der Luftverdränger 5 kann außerdem einen Initialzustand aufweisen, in welchem der Innenraum des Vakuumbeutels 6 zumindest teilweise evakuiert ist und der Schaum 7 dadurch komprimiert ist. Da der Luftverdränger 5 im Initialzustand ein geringeres Packmaß aufweist als im Endzustand kann er besonders platzsparend gelagert und transportiert werden.
Den Endzustand nimmt der Luftverdränger 5 im eingebauten Zustand im Batteriegehäuse 4 ein. Im Endzustand bzw. aufgeblasenen Zustand kann der Luftverdränger 5 eine beliebige Geometrie aufweisen, um möglichst vollständig das freie Volumen 4 in dem Batteriegehäuse 2 ausfüllen zu können. Um den Luftverdränger 5 von dem Initialzustand in den Endzustand überführen zu können, weist der Vakuumbeutel 6 eine Lufteinlassstelle 8 auf, über welche der Innenraum des Vakuumbeutels 6 mit Luft geflutet werden kann. Die Lufteinlassstelle 8 ist derart gestaltet, dass sie manuell, beispielsweise durch einen Monteur, zu öffnen ist. Beispielsweise kann die Lufteinlassstelle 8 durch bewusstes Zerstören eines Bereichs des Vakuumbeutels 6 geöffnet werden. Alternativ dazu ist die Lufteinlassstelle 8 als ein Ventil 9 ausgebildet, welches manuell zu öffnen ist. Beispielsweise kann das Ventil 9 einen Bajonettverschluss aufweisen. Über das manuell geöffnete Ventil 9 kann Luft in den Vakuumbeutel 6 strömen, sodass sich der Luftverdränger 5 aufblasen kann. Der Luftverdränger 5 ist insbesondere so gestaltet, dass im aufgeblasenen Zustand keine oder nur wenig Luft aus dem Innenraum des Vakuumbeutels 6 gelangen kann, um einen sich in dem Batteriegehäuse 2 entwickelnde Brand nicht mit Sauerstoff zu versorgen. Dazu sind der Vakuumbeutel 6, das Ventil 9 und der Schaum 7 insbesondere aus feuerfesten Materialien ausgebildet.
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

DE 102015220601 A1 [0003]

Claims

Luftverdränger (5) für eine Traktionsbatterie (1) eines Kraftfahrzeugs, welcher im eingebauten Zustand in einem Batteriegehäuse (2) der Traktionsbatterie (1) dazu ausgelegt ist, ein freies Volumen (4) in dem Batteriegehäuse (2) zumindest teilweise auszufüllen und somit eine Luft in dem Batteriegehäuse (2) für den Fall einer gehäuseinternen Hitzeentwicklung zumindest teilweise zu verdrängen, aufweisend: - einen Vakuumbeutel (6), - einen durch Luft expandierbaren Schaum (7), welcher in dem Vakuumbeutel (6) angeordnet ist, und - eine manuell zu öffnende Lufteinlassstelle (8), über welche der Vakuumbeutel (6) zumindest teilweise evakuierbar und mit Luft durchflutbar ist, wobei der Luftverdränger (5) von einem Initialzustand, in welchem der Vakuumbeutel (6) im geschlossenen Zustand der Lufteinlassstelle (8) evakuiert ist und der sich in dem Vakuumbeutel (6) befindliche Schaum (7) komprimiert ist, in einen für den eingebauten Zustand vorgesehenen Endzustand überführbar ist, in welchem der Vakuumbeutel (6) durch manuelles Öffnen der Lufteinlassstelle (8) mit Luft durchflutet ist und dadurch der Schaum (7) expandiert ist.
Luftverdränger (5) nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Vakuumbeutel (6) aus einer Kunststofffolie gebildet ist.
Luftverdränger (5) nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass der Vakuumbeutel (6) zum Verhindern einer Luftfreisetzung aus dem Vakuumbeutel (6) im Fall der Hitzeentwicklung aus einem hitzeresistenten Material ausgebildet ist.
Luftverdränger (5) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Schaum (7) zum Verhindern eines Entweichens von Luft im expandierten Zustand des Schaums (7) zumindest teilverhautet ausgebildet ist.
Luftverdränger (5) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Lufteinlassstelle (8) als ein manuell aktivierbares Ventil (9) ausgebildet ist.
Luftverdränger (5) nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass das Ventil (9) einen Ventilkörper und einen an dem Vakuumbeutel (6) angeordneten Ventilsitz aufweist, wobei der Ventilkörper und der Ventilsitz über einen Bajonettverschluss verbunden sind.
Traktionsbatterie (1) für ein Kraftfahrzeug mit einem Batteriegehäuse (2), mehreren Komponenten (3), welche in dem Batteriegehäuse (2) angeordnet sind, und zumindest einem Luftverdränger (5) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei der Luftverdränger (5) in einem freien, von den Komponenten (3) nicht benötigten Volumen (4) in dem Batteriegehäuse (2) angeordnet ist und dabei den Endzustand aufweist.
Verfahren zum Herstellen einer Traktionsbatterie (1) nach Anspruch 7, mit den Schritten - Bereitstellen des Luftverdrängers (5) in dem Initialzustand, - Anordnen der Komponenten (3) in dem Batteriegehäuse (2), - Einbringen des Luftverdrängers (5) in das Batteriegehäuse (2), - vor oder nach Einbringen des Luftverdrängers (5), manuelles Öffnen der Lufteinlassstelle (8) zum Bereitstellen des Endzustands des Luftverdrängers (5) durch Fluten des Vakuumbeutels (6) mit Luft zum Expandieren des Schaums, wobei der Luftverdränger (5) im Endzustand und im eingebauten Zustand ein freies Volumen (4) in dem Batteriegehäuse (2) zumindest teilweise ausfüllt.
Kraftfahrzeug mit einer Traktionsbatterie (1) nach Anspruch 7.