DE102020112426A1 - Hochvoltbatterie für ein elektrisch betriebenes Fahrzeug - Google Patents

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Abstract

Die Erfindung betrifft eine Hochvoltbatterie für ein elektrisch betriebenes Fahrzeug, deren Batteriegehäuse (3) einen Gehäusedeckel (11) und ein Gehäuseunterteil (5) aufweist, die einen Gehäuseinnenraum (15) begrenzen, der aufgeteilt ist in zumindest einen mit Batteriezellen bestückten Batteriezellen-Teilraum (19) und in zumindest einen Komponenten-Teilraum (21) für elektronische Komponenten (23), wobei zwischen einer Zellen-Oberseite (29) der Batteriezellen (27) und dem Gehäusedeckel (11) ein Entgasungsraum (17) ausgebildet ist, in den bei einem thermischen Event (T) in einer der Batteriezellen (27) heißes Abgas aus einem Abgas-Auslass (33) der havarierten Batteriezelle (27) einströmt. Erfindungsgemäß weist die Hochvoltbatterie (1) eine Trennwand (35) auf, die den Entgasungsraum (17) vom Komponenten-Teilraum (21) abtrennt.

Description

  • Die Erfindung betrifft eine Hochvoltbatterie für ein elektrisch betriebenes Fahrzeug gemäß dem Oberbegriff des Anspruches 1 sowie ein Verfahren gemäß dem Anspruch 10 zur Montage der Hochvoltbatterie.
  • Eine gattungsgemäße Hochvoltbatterie für ein elektrisch betriebenes Fahrzeug weist einen Gehäusedeckel und ein Gehäuseunterteil auf, die zusammen einen Gehäuseinnenraum begrenzen. Der Gehäuseinnenraum ist in einen Batteriezellen-Teilraum und in einen Komponenten-Teilraum aufgeteilt. In dem Batteriezellen-Teilraum sind Batteriezellen und in dem Komponenten-Teilraum ist zumindest eine elektronische Komponente angeordnet. Zwischen einer Zellen-Oberseite der Batteriezellen und dem Gehäusedeckel erstreckt sich ein Entgasungsraum, in den bei einem thermischen Event in einer der Batteriezellen heißes Abgas aus einem Abgas-Auslass der havarierten Batteriezelle einströmt. Außerdem wird bei Auftreten des thermischen Events auch die elektronische Komponente mit dem heißen Abgas beaufschlagt. Die Beaufschlagung mit dem heißen Abgas kann in nachteiliger Weise dazu führen, dass die Funktionsfähigkeit der elektronischen Komponente zeitweise oder dauerhaft herabgesetzt ist.
  • Aus der WO 2016/ 053 404 A1 ist ein Entgasungssystem für ein Batteriemodul bekannt. Die EP 2 581 960 A1 offenbart ein Batteriepack. Aus der EP 2 445 032 A1 ist ein Batteriemodul bekannt.
  • Die Aufgabe der Erfindung besteht darin, eine Hochvoltbatterie bereitzustellen, bei der bei Auftreten eines thermischen Events die Funktionsfähigkeit der elektronischen Komponente uneingeschränkt sichergestellt ist.
  • Die Aufgabe ist durch die Merkmale des Anspruches 1 oder 10 gelöst. Bevorzugte Weiterbildungen der Erfindung sind in den Unteransprüchen offenbart.
  • Gemäß dem kennzeichnenden Teil des Anspruches 1 weist die Hochvoltbatterie eine Trennwand auf, die den Entgasungsraum vom Komponenten-Teilraum abtrennt. Durch die Trennwand ist in vorteilhafter Weise sichergestellt, dass das heiße Abgas nicht mit der elektronische Komponente in Wechselwirkung tritt. Folglich kann das heiße Abgas die Funktionsfähigkeit der elektronischen Komponente nicht beeinträchtigen.
  • In einer bevorzugten Ausführungsform kann die Trennwand ein Zwischenboden sein, der sich in einer horizontalen Geräte-Ebene zwischen dem Gehäusedeckel und der Zellen-Oberseite der Batteriezellen erstrecken kann. Dies hat den Vorteil, dass Hochvoltbatterien mit stehend angeordneten Batteriezellen auf einfache Weise mit dem Zwischenboden nachgerüstet werden können.
  • Bevorzugt kann der Zwischenboden zumindest einen Abgas-Durchlass aufweisen, dessen Öffnungsrand auf der Zellen-Oberseite abgestützt sein kann. Zusätzlich kann der Öffnungsrand zumindest einen zellenseitigen Abgas-Auslass umziehen. Durch den definierten Abgas-Durchlass und die Abstützung des Öffnungsrandes auf der Zellen-Oberseite wird auf konstruktiv einfache Weise eine Abdichtung zwischen dem Entgasungsraum und dem Komponenten-Teilraum erreicht. Dies hat den Vorteil, dass das heiße Abgas direkt, das heißt ohne in den Komponenten-Teilraum einzuströmen, in den Entgasungsraum geleitet und von dort aus an die Batterie-Umgebung abgegeben wird.
  • Besonders bevorzugt kann der Öffnungsrand des Abgas-Durchlasses unter Zwischenlage eines Dichtelements auf der Zellen-Oberseite abgestützt sein, mittels dem die Dichtwirkung zwischen dem Entgasungsraum und dem Komponenten-Teilraum gesteigert werden kann. Das Vorsehen des Dichtelementes hat den Vorteil, dass die Dichtwirkung zwischen dem Entgasungsraum und dem Komponenten-Teilraum verstärkt ist.
  • In einer Ausführungsform kann bei einer Batterie-Montage zur Vorbereitung eines Setzprozesses das Gehäuseunterteil in einem Leerzustand, das heißt noch unbestückt sowie in der Gehäusehochrichtung nach oben offen, bereitstellbar sein. Zusätzlich können im Setzprozess die elektrischen Komponenten und die Batteriezellen in einer Setzrichtung entlang der Batteriehochrichtung in den Komponenten-Teilraum und in den Batteriezellen-Teilraum einsetzbar sein. Außerdem kann nach dem Setzprozess die Trennwand in das Gehäuseunterteil einlegbar sein und das nach oben offene Gehäuseunterteil kann anschließend mittels des Gehäusedeckels schließbar sein. Mit diesem Aufbau und dieser Montage lässt sich die Hochvoltbatterie in wenigen Montageschritten und somit auf effiziente Weise montieren.
  • Bevorzugt können der Komponenten-Teilraum und der Batteriezellen-Teilraum in einer Batterie-Querrichtung seitlich nebeneinander im Gehäuseunterteil positioniert sein, und insbesondere kann der Entgasungsraum in der Gehäusehochrichtung zwischen dem Gehäusedeckel und der Batteriezellen-Oberseite angeordnet sein, wobei insbesondere die Trennwand den Komponenten-Teilraum überdecken kann. Durch die Anordnung des Entgasungsraumes in der Gehäusehochrichtung oberhalb der Batteriezellen ist das Überströmen des heißen Abgases in den Entgasungsraum in vorteilhafter Weise begünstigt. Die Positionierung des Komponenten-Teilraumes zwischen dem Batteriezellen-Teilraum und der Gehäuseseitenwand hat den Vorteil, dass die Batteriezellen störkonturfrei in den Batteriezellen-Teilraum einsetzbar sind, da der Komponenten-Teilraum einen umlaufenden Bauraum für die Montage der Batteriezellen bereitstellt. Dies ist insbesondere dann von Vorteil, wenn die Batteriezellen in Moduleinheiten paketiert sind und bei der Montage der Hochvoltbatterie in Batteriehochrichtung von oben in das Gehäuseunterteil eingesetzt werden.
  • Darüber hinaus können die Zellen je nach Konzept auch direkt an der Gehäuseseitenwand positioniert sein. Insbesondere hängt die Positionierung der Batteriezellen in der Hochvoltbatterie von Montagebedingungen, der Modularisierung, den Bauteiltoleranzen, der eingesetzten Verbindungstechnik und der Lagerung der Batteriezellen ab. Die Positionierung der Batteriezellen kann außerdem von der Bereitstellung von funktionalen Bauräumen, dem Gehäusekonzept, der Vorspannung und den Betriebslasten der Zellen sowie dem thermischen Konzept der Batteriezellen abhängig gemacht werden. Im Hinblick auf die Montagebedingungen können insbesondere die Einbaulage und die Einbautoleranzen Auswirkungen auf die Wahl der Positionierung haben. Mit Verweis auf die Modularisierung können die Gruppierung der Batteriezellen sowie die daraus resultierenden Toleranzen und die sich ergebenden Lagerungskonzepte die Positionierung der Batteriezellen beeinflussen. Als funktionale Bauräume können beispielsweise Deformationszonen dienen, die im Crashfall eine Blockbildung vermeiden. Auch das Gehäusekonzept hat Einfluss auf die Positionierung. In diesem Zusammenhang kann die Positionierung der Batteriezellen davon abhängig gemacht werden, ob das Gehäuse aus Einzelteilen oder mehrteilig aufgebaut ist. Außerdem können im Hinblick auf das Gehäusekonzept Trennebenen von Bedeutung sein.
  • In einer Ausführungsform kann das Gehäuseunterteil einen Gehäuseboden und eine davon seitlich hochgezogene Gehäuseseitenwand aufweisen. Außerdem kann der Komponenten-Teilraum, in der Batterie-Querrichtung betrachtet, seitlich außen von der Gehäuse-Seitenwand begrenzt sein und kann seitlich innen vom Batteriezellen-Teilraum begrenzt sein. Zusätzlich oder alternativ dazu kann der Zwischenboden randseitig auf der Gehäuse-Seitenwand abgestützt sein, und zwar insbesondere unter Zwischenlage eines äußeren Dichtelements. Dies hat den Vorteil, dass auch im randseitigen Bereich des Zwischenbodens kein heißes Abgas aus dem Entgasungsraum in den Komponenten-Teilraum überströmen kann.
  • Bevorzugt kann der Entgasungsraum über zumindest eine gehäuseseitige Entgasungsöffnung mit der Batterie-Umgebung strömungstechnisch verbindbar sein. Dadurch ist auf einfache Weise gewährleistet, dass das heiße Abgas von dem Entgasungsraum in die Batterie-Umgebung hinausströmen kann.
  • Besonders bevorzugt können die Batteriezellen als prismatische Batteriezellen ausgebildet sein, die in einer Stapelrichtung hintereinander angeordnet sind. Alternativ oder zusätzlich kann sich der Abgas-Auslass an der Zellen-Oberseite befinden, und der Abgas-Auslass kann mit einer Berstscheibe versehen sein. Außerdem kann die gehäuseseitige Entgasungsöffnung am Gehäusedeckel vorgesehen sein. Die Anordnung des Abgas-Auslasses an der Zellen-Oberseite hat den Vorteil, dass das heiße Abgas, dass im Vergleich zur Luft eine geringe Dichte aufweisen kann, in Batteriehochrichtung und entgegen der Schwerkraftrichtung zuverlässig aus der Batteriezelle ausströmt.
  • In einer technischen Ausführungsform kann die Stapelrichtung rechtwinklig zur Batteriehochrichtung und in Batterie-Querrichtung verlaufen. Außerdem kann sowohl am Entgasungsraum als auch am Komponenten-Teilraum jeweils ein Druckausgleichselement vorgesehen sein, dass einen Druckausgleich zwischen der Batterie-Umgebung einerseits und dem Entgasungsraum oder dem Komponenten-Teilraum andererseits ermöglicht. Außerdem können das Dichtelement und das äußere Dichtelement jeweils ein Dichtelement aus Moosgummi sein. Der Abgas-Auslass kann mit zumindest einer Berstscheibe versehen sein. Außerdem kann am Abgas-Auslass ein Funkenschutz in Form eines Glasfaservlieses vorgesehen sein, der in vorteilhafter Weise verhindert, dass Funken vom Batteriezellen-Teilraum in den Entgasungsraum gelangen. Die Trennwand kann eine Trennwand aus elektrisch isolierendem Material sein und kann optional randseitig zusammen mit dem Gehäusedeckel und dem Gehäuseunterteil eine Doppelflanschverbindung bilden, über die die Trennwand mit dem Gehäusedeckel und dem Gehäuseunterteil verspannbar sein kann. In einer bevorzugten Ausführungsform kann der Entgasungsraum durch einen Fahrzeugschweller gebildet sein.
  • Erfindungsgemäß ist außerdem ein Verfahren zur Montage einer erfindungsgemäßen Hochvoltbatterie.
  • Nachfolgend ist ein Ausführungsbeispiel der Erfindung anhand der beigefügten Figur beschrieben.
  • Es zeigt:
    • 1 in einer Schnittansicht eine erfindungsgemäße Hochvoltbatterie.
  • In der 1 ist eine Hochvoltbatterie 1 mit einem Batteriegehäuse 3 dargestellt. Das Batteriegehäuse 3 weist ein Gehäuseunterteil 5 bestehend aus einem Gehäuseboden 7 und seitlich davon hochgezogenen Gehäuseseitenwänden 9 auf. Auf dem Gehäuseunterteil 5 ist ein Gehäusedeckel 11 aufgesetzt, der an Schraubstellen 13 mit dem Gehäuseunterteil 5 verspannt ist. Das Gehäuseunterteil 5 umschließt zusammen mit dem Gehäusedeckel 11 einen Gehäuseinnenraum 15.
  • Der Gehäuseinnenraum 15 ist unterteilt in einen Entgasungsraum 17, einen Batteriezellen-Teilraum 19 und einen Komponenten-Teilraum 21, in dem elektronische Komponenten 23 angeordnet sind. Der Entgasungsraum 17 ist über eine gehäuseseitige Entgasungsöffnung 25 mit der Batterie-Umgebung strömungstechnisch verbunden und ist, bezogen auf eine Batteriehochrichtung z, über dem Batteriezellen-Teilraum 19 und über dem Komponenten-Teilraum 21 angeordnet. Im Batteriezellen-Teilraum 19 sind prismatische Batteriezellen 27 (exemplarisch sind drei solcher Batteriezellen 27 dargestellt) angeordnet, die in einer Stapelrichtung S hintereinander angeordnet sind. Der Komponenten-Teilraum 21 und der Batteriezellen-Teilraum 19 sind in einer Batterie-Querrichtung y seitlich nebeneinander im Gehäuseunterteil 5 positioniert, so dass die Batteriezellen 27 den Komponenten-Teilraum 21 nach seitlich innen begrenzen. Nach seitlich außen ist der Komponenten-Teilraum 21 durch die Gehäuseseitenwände 9 begrenzt. Die Batteriezellen 27 weisen eine Zellen-Oberseite 29 auf, an der jede der Batteriezellen 27 mit einer Abgasöffnung 31 versehen ist, die zusammen einen zellenseitigen Abgas-Auslass 33 bilden.
  • In dem Gehäuseinnenraum 15 ist ein in einer horizontalen Geräte-Ebene E verlaufender, plattenförmiger Zwischenboden 35 vorgesehen, der sich zwischen dem Gehäusedeckel 11 und der Zellen-Oberseite 29 erstreckt und den Komponenten-Teilraum 21 überdeckt, so dass der Entgasungsraum 17 in Gehäusehochrichtung z zwischen dem Gehäusedeckel 11 und der Zellen-Oberseite 29 angeordnet ist. Der Zwischenboden 35 weist mehrere Durchbrüche 37 auf, die zusammen einen Abgas-Durchlass 39 bilden. Zusätzlich weist der Zwischenboden 35 einen den Abgas-Auslass 33 vollständig umziehenden Öffnungsrand 41 auf, der unter Zwischenlage eines geschlossen ringförmigen Dichtelementes 43 auf der Zellen-Oberseite 29 abgestützt ist. Der Entgasungsraum 17 ist somit gegenüber dem Komponenten-Teilraum 21 gas- oder strömungsdicht abgedichtet. Darüber hinaus ist der Zwischenboden 35 randseitig und unter Zwischenlage eines äußeren und geschlossen ringförmigen Dichtelementes 45 auf den Gehäuseseitenwänden 9 abgestützt.
  • In der 1 ist exemplarisch die rechts gezeigte Batteriezelle 27 als havarierte Batteriezelle 27 dargestellt, in der sich in Folge eines thermischen Events T heißes Abgas bildet, das entlang eines Abgas-Strömungsweges 47 aus dem Batteriegehäuse 3 in die Batterie-Umgebung herausgeleitet wird. Das heiße Abgas tritt dafür zunächst an einer zu der Batteriezelle 27 zugehörigen Abgasöffnung 31 aus der Batteriezelle 27 aus und strömt über den Abgas-Durchlass 39, ohne dass das heiße Abgas dabei in den Komponenten-Teilraum 21 einströmt, in den Entgasungsraum 17 ein. Aus dem Entgasungsraum 17 wird das heiße Abgas über die gehäuseseitige Entgasungsöffnung 19 an die Batterie-Umgebung abgeführt.
  • Bezugszeichenliste
    • 1
    Hochvoltbatterie
    3
    Batteriegehäuse
    5
    Gehäuseunterteil
    7
    Gehäuseboden
    9
    Gehäuseseitenwand
    11
    Gehäusedeckel
    13
    Schraubstelle
    15
    Gehäuseinnenraum
    17
    Entgasungsraum
    19
    Batteriezellen-Teilraum
    21
    Komponenten-Teilraum
    23
    elektronische Komponente
    25
    Entgasungsöffnung
    27
    Batteriezelle
    29
    Zellen-Oberseite
    31
    Abgasöffnung
    33
    Abgas-Auslass
    35
    Zwischenboden
    37
    Durchbruch
    39
    Abgas-Durchlass
    41
    Öffnungsrand
    43
    Dichtelement
    45
    äußeres Dichtelement
    47
    Abgas-Strömungsweg
    E
    Ebene
    S
    Stapelrichtung
    T
    thermisches Event
    y
    Batterie-Querrichtung
    z
    Batteriehochrichtung
  • 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
    • EP 2581960 A1 [0003]
    • EP 2445032 A1 [0003]

Claims (10)

  1. Hochvoltbatterie für ein elektrisch betriebenes Fahrzeug, deren Batteriegehäuse (3) einen Gehäusedeckel (11) und ein Gehäuseunterteil (5) aufweist, die einen Gehäuseinnenraum (15) begrenzen, der aufgeteilt ist in zumindest einen mit Batteriezellen bestückten Batteriezellen-Teilraum (19) und in zumindest einen Komponenten-Teilraum (21) für elektronische Komponenten (23), wobei zwischen einer Batteriezellen-Oberseite (29) der Batteriezellen (27) und dem Gehäusedeckel (11) ein Entgasungsraum (17) ausgebildet ist, in den bei einem thermischen Event (T) in einer der Batteriezellen (27) heißes Abgas aus einem Abgas-Auslass (33) der havarierten Batteriezelle (27) einströmt, dadurch gekennzeichnet, dass die Hochvoltbatterie (1) eine Trennwand (35) aufweist, die den Entgasungsraum (17) vom Komponenten-Teilraum (21) abtrennt.
  2. Hochvoltbatterie nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Trennwand (35) ein Zwischenboden ist, der sich in einer horizontalen Geräte-Ebene (E) zwischen dem Gehäusedeckel (11) und der Zellen-Oberseite (29) der Batteriezellen (27) erstreckt.
  3. Hochvoltbatterie nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass der Zwischenboden (35) zumindest einen Abgas-Durchlass (39) aufweist, dessen Öffnungsrand (41) auf der Zellen-Oberseite (29) abgestützt ist, und dass der Öffnungsrand (41) zumindest einen zellenseitigen Abgas-Auslass (33) umzieht.
  4. Hochvoltbatterie nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet dass der Öffnungsrand (41) des Abgas-Durchlasses (39) unter Zwischenlage eines Dichtelements (43) auf der Zellen-Oberseite (29) abgestützt ist, mittels dem die Dichtwirkung zwischen dem Entgasungsraum (17) und dem Komponenten-Teilraum (21) gesteigert ist.
  5. Hochvoltbatterie nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass bei einer Batterie-Montage zur Vorbereitung eines Setzprozesses das Gehäuseunterteil (5) in einem Leerzustand, das heißt noch unbestückt sowie in der Gehäusehochrichtung (z) nach oben offen, bereitstellbar ist, und dass im Setzprozess die elektrischen Komponenten (23) und die Batteriezellen (27) in einer Setzrichtung entlang der Batteriehochrichtung (z) in den Komponenten-Teilraum (21) und in den Batteriezellen-Teilraum (19) einsetzbar sind, und dass nach dem Setzprozess die Trennwand (35) in das Gehäuseunterteil (5) einlegbar ist, und dass das nach oben offene Gehäuseunterteil (5) anschließend mittels des Gehäusedeckels (11) schließbar ist.
  6. Hochvoltbatterie nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Komponenten-Teilraum (21) und der Batteriezellen-Teilraum (19) in einer Batterie-Querrichtung (y) seitlich nebeneinander im Gehäuseunterteil (5) positioniert sind, und dass insbesondere der Entgasungsraum (17) in der Gehäusehochrichtung (z) zwischen dem Gehäusedeckel (11) und der Batteriezellen-Oberseite (29) angeordnet ist, und dass insbesondere die Trennwand (35) den Komponenten-Teilraum (21) überdeckt.
  7. Hochvoltbatterie nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Gehäuseunterteil (5) einen Gehäuseboden 7) und eine davon seitlich hochgezogene Gehäuseseitenwand (9) aufweist, und dass der Komponenten-Teilraum (21), in der Batterie-Querrichtung (y) betrachtet, seitlich außen von der Gehäuse-Seitenwand (9) begrenzt ist und seitlich innen vom Batteriezellen-Teilraum (19) begrenzt ist, und/oder dass der Zwischenboden (35) randseitig auf der Gehäuse-Seitenwand (9) abgestützt ist, insbesondere unter Zwischenlage eines äußeren Dichtelements (45).
  8. Hochvoltbatterie nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Entgasungsraum (17) über zumindest eine gehäuseseitige Entgasungsöffnung (25) mit der Batterie-Umgebung strömungstechnisch verbindbar ist.
  9. Hochvoltbatterie nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Batteriezellen (27) als prismatische Batteriezellen ausgebildet sind, die in einer Stapelrichtung (S) hintereinander angeordnet sind und/oder dass sich der Abgas-Auslass (33) an der Zellen-Oberseite (29) befindet, und dass insbesondere der Abgas-Auslass (33) mit einer Berstscheibe versehen ist, und dass insbesondere die gehäuseseitige Entgasungsöffnung (25) am Gehäusedeckel (11) vorgesehen ist.
  10. Verfahren zur Montage einer Hochvoltbatterie nach einem der vorhergehenden Ansprüche.
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