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Die Erfindung betrifft eine Baugruppe für eine Traktionsbatterie eines Kraftfahrzeugs. Die Baugruppe weist zumindest ein Batteriemodul mit einem Zellverbund aus einer Vielzahl von Batteriezellen auf, wobei sich an einer Oberseite des Zellverbunds Entgasungsbereiche der Batteriezellen zum Auslassen eines Heißgases aus einem Zellgehäuse der Batteriezellen befinden. Außerdem weist die Baugruppe zumindest eine Batteriekomponente auf, welche in einer Hochrichtung über dem zumindest einen Batteriemodul angeordnet ist, sodass die Oberseite des Zellverbunds einer Unterseite der zumindest einen Batteriekomponente zugewandt ist. Die Erfindung betrifft außerdem eine Traktionsbatterie sowie ein Kraftfahrzeug.
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Vorliegend richtet sich das Interesse auf wiederaufladbare Traktionsbatterie für elektrisch antreibbare Kraftfahrzeuge, welche beispielsweise als Hochvoltenergiespeicher ausgebildet sein können. Solche Traktionsbatterien weisen üblicherweise eine Vielzahl von Batteriekomponenten, beispielsweise Batteriemodule und Steuereinrichtungen, auf, welche in einem Batteriegehäuse der Traktionsbatterie angeordnet sind. Die Batteriemodule weisen Zellverbunde aus Batteriezellen auf, welche wiederum Entgasungsbereiche zum Auslassen eines fehlerbedingten Heißgases aus einem Zellgehäuse der Batteriezellen aufweisen. Die Entgasungsbereiche können beispielsweise an Zelldeckeln der Zellgehäuse angeordnet sein, welche eine Oberseite des Zellverbunds ausbilden. Wenn über einem Batteriemodul eine weitere Batteriekomponente angeordnet ist, so wird diese Batteriekomponente im Fehlerfall zumindest einer Batteriezelle des darunter angeordneten Batteriemoduls mit deren Heißgas beaufschlagt. Dies führt zu einer hohen thermischen Belastung der Batteriekomponente. Ferner kann ein Partikelstrom, welcher durch das Heißgas transportiert wird, zu einer mechanischen Belastung der Batteriekomponente führen. Ansammlungen dieser Partikel können zusätzlich Luft- und Kriechstrecken reduzieren und damit das Risiko für Kurzschlüsse in der Batteriekomponente erhöhen.
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Es ist Aufgabe der vorliegenden Erfindung, Batteriekomponenten einer Traktionsbatterie eines Kraftfahrzeugs auf einfache und zuverlässige Weise vor negativen Auswirkungen eines Heißgasauslasses zu schützen.
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Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß durch eine Baugruppe, 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.
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Eine erfindungsgemäße Baugruppe für eine Traktionsbatterie eines Kraftfahrzeugs weist zumindest ein Batteriemodul mit einem Zellverbund aus einer Vielzahl von Batteriezellen auf, wobei sich an einer Oberseite des Zellverbunds Entgasungsbereiche der Batteriezellen zum Auslassen eines Heißgases aus einem Zellgehäuse der Batteriezellen befinden. Die Baugruppe weist außerdem zumindest eine Batteriekomponente auf, welche in einer Hochrichtung über dem zumindest einen Batteriemodul angeordnet ist, sodass die Oberseite des Zellverbunds einer Unterseite der zumindest einen Batteriekomponente zugewandt ist. Darüber hinaus weist die Baugruppe eine Schutzeinheit aufweisend einen blechförmigen Schutzbereich zum Schutz der zumindest einen Batteriekomponente vor dem Heißgas des zumindest einen Batteriemoduls und einen mit dem Schutzbereich verbundenen, rahmenartigen Tragbereich auf. Die zumindest eine Batteriekomponente ist an dem Tragbereich befestigt und dabei ist der Schutzbereich zwischen der Unterseite der zumindest einen Batteriekomponente und der Oberseite des Zellverbunds angeordnet.
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Die Erfindung betrifft außerdem eine Traktionsbatterie für ein Kraftfahrzeug mit zumindest einer erfindungsgemäßen Baugruppe und mit einem Batteriegehäuse, in welchem die zumindest eine Baugruppe angeordnet ist. Die wiederaufladbare Traktionsbatterie bzw. der Traktionsakkumulator ist insbesondere als ein Hochvoltenergiespeicher ausgebildet und stellt elektrische Antriebsenergie für eine elektrische Antriebsmaschine des Kraftfahrzeugs bereit. Die Traktionsbatterie weist das Batteriegehäuse auf, in dessen Innenraum die zumindest eine Baugruppe angeordnet ist.
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Das zumindest eine Batteriemodul der Baugruppe weist den Zellverbund auf, welcher durch die Batteriezellen ausgebildet ist. Die Batteriezellen können beispielsweise prismatische Zellen, Rundzellen oder Pouchzellen sein. Im Falle von prismatischen Zellen oder Pouchzellen sind diese entlang einer Stapelrichtung zu einem Zellverbund in Form von einem Zellstapel bzw. Zellblock gestapelt. Die Batteriezellen weisen Entgasungsbereiche bzw. Entgasungselemente, beispielsweise Berstmembranen oder Ventile, auf, welche an der Oberseite des Zellverbunds und damit an einer Oberseite des Batteriemoduls angeordnet sind. Durch die Entgasungsbereiche kann im Fehlerfall einer Batteriezelle, beispielsweise bei einem zellinternen Kurzschluss der Batteriezelle, ein in dem Zellgehäuse entstehendes Heißgas in den Innenraum des Batteriegehäuses entweichen. Durch das Heißgas werden dabei Hitze und Partikel transportiert, was zu einer thermischen und mechanischen Belastung der zumindest einen sich im Strömungspfad des Heißgas befindliche Batteriekomponente führen kann. Die zumindest eine Batteriekomponente kann beispielsweise als ein weiteres Batteriemodul oder als eine Steuereinrichtung bzw. ein Steuergerät der Traktionsbatterie ausgebildet sein. Die zumindest eine Batteriekomponente ist oberhalb des zumindest einen Batteriemoduls angeordnet. Das zumindest eine Batteriemodul und die zumindest eine Batteriekomponente sind also entlang der Hochrichtung übereinander gestapelt. Dadurch, dass die Unterseite der zumindest einen Batteriekomponente der Oberseite des Zellverbunds und damit den Entgasungsbereichen zugewandt ist, befindet sie sich im Strömungspfad des Heißgases.
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Außerdem weist die Baugruppe die Schutzeinheit auf. Die Schutzeinheit ist dazu ausgelegt, zu verhindern, dass das Heißgas des Batteriemoduls die darüber liegende Batteriekomponente thermisch und mechanisch belastet sowie partikelbedingte Kurzschlüsse verursacht. Dazu weist die Schutzeinheit den blechförmigen Schutzbereich bzw. das Schutzblech auf. Unter einem blechförmigen Schutzbereich ist ein Bereich aus einem beliebigen Material zu verstehen, dessen Breite und Länge sehr viel größer sind als seine Dicke. Der Schutzbereich wird dabei von dem Tragbereich der Schutzeinheit gehalten, an welchem auch die zumindest eine Batteriekomponente befestigt ist. Dazu können der Schutzbereich und der Tragbereich einteilig ausgebildet sein, beispielsweise indem sie zerstörungsfrei unlösbar miteinander verbunden, beispielsweise verschweißt, sind. Beispielsweise kann der Tragbereich aus Stahl oder Aluminium gebildet sein und mit dem metallischen Schutzblech, beispielsweise einem Stahlblech oder einem Aluminiumblech, verschweißt sein. Auch kann die Schutzeinheit als ein Modulbauteil ausgebildet sein, bei welchem der Schutzbereich und der Tragbereich zerstörungsfrei lösbar verbunden, beispielsweise verschraubt, sind. Dazu kann der Tragbereich beispielsweise ein Gussteil sein.
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Die zumindest eine Batteriekomponente ist mit der Schutzeinheit mechanisch verbunden, indem die zumindest eine Batteriekomponente an dem rahmenartigen Tragbereich bzw. der rahmenartigen Tragstruktur befestigt ist. Der Tragbereich kann beispielsweise an einem Rand des Schutzbereiches in Hochrichtung abstehend ausgebildet sein, sodass die Schutzeinheit im Wesentlichen wannenförmig ausgebildet ist. Die zumindest eine Batteriekomponente kann somit von der Schutzeinheit aufgenommen werden, wobei der Schutzbereich die Unterseite der zumindest einen Batteriekomponente überdeckt und der Tragbereich zumindest teilweise mit sich in Hochrichtung erstreckenden Bereichen der zumindest einen Batteriekomponente überlappt. Die Schutzeinheit umgibt also die zumindest eine Batteriekomponente bereichsweise.
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Der Schutzbereich ist im angeordneten Zustand der zumindest einen Batteriekomponente über dem zumindest einen Batteriemodul zwischen dem zumindest einen Batteriemodul und der zumindest einen Batteriekomponente angeordnet. Der Schutzbereich bildet insbesondere eine geschlossene Fläche gegenüber dem zumindest einen Batteriemodul der unteren Ebene. Somit schützt der Schutzbereich die Unterseite der zumindest einen Batteriekomponente vor einer unmittelbaren Beaufschlagung mit dem Heißgas, insbesondere vor einer Ansammlung von elektrisch leitfähigen Partikeln an der zumindest einen Batteriekomponente der oberen Ebene, und damit vor einer thermischen und mechanischen Belastung. Insbesondere weist zumindest der Schutzbereich ein hitzeresistentes und/oder elektrisch isolierendes Material auf. Insbesondere weist der Schutzbereich ein metallisches Schutzblech, beispielsweise aus Stahl oder Aluminium auf, welches mit einem hitzeresistenten und/oder elektrisch isolierenden Material, beispielsweise MICA oder einem speziellen Kunststoff oder einer Keramik, beschichtet , beispielsweise verklebt oder heißverstemmt, ist. Auch kann vorgesehen sein, dass der Schutzbereich aus dem hitzeresistenten Material, beispielsweise MICA, ausgebildet ist. Durch das hitzeresistente Material kann ein heißgasbedingter Wärmeeintrag in die zumindest eine Batteriekomponente zumindest reduziert werden. Durch das elektrisch isolierende Material können Kurzschlüsse, welche durch Ansammlungen von Partikeln des Heißgases verursacht werden, verhindert werden.
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Durch eine solche Schutzeinheit kann die zumindest eine Batteriekomponente auf einfache und platzsparende Weise vor dem Heißgas des zumindest einen Batteriemoduls geschützt werden. Die Schutzeinheit kann in vorteilhafter Weise eine Robustheit der Traktionsbatterie erhöhen.
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In einer Weiterbildung der Erfindung weist der Schutzbereich an einer der Oberseite des Zellverbunds zugewandten Seite eine nutartige Führungsstruktur auf, welche dazu ausgelegt ist, das Heißgas aufzunehmen und abzuleiten. Die Führungsstruktur leitet das Heißgas insbesondere seitlich, senkrecht zur Hochrichtung ab. Beispielsweise kann die Führungsstruktur das Heißgas in Richtung einer Entgasungseinheit des Batteriegehäuses ableiten, über welche das Heißgas aus dem Innenraum des Batteriegehäuses in eine Umgebung des Batteriegehäuses abgeführt werden kann.
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Auch kann vorgesehen sein, dass der Schutzbereich eine Versteifungsstruktur zum Erhöhen einer Steifigkeit der Schutzeinheit aufweist. Die Versteifungsstruktur kann beispielsweise Versteifungssicken aufweisen, welche in das Schutzblech eingeprägt sind. Durch die Versteifungsstruktur ist der Schutzbereich besonders resistent gegen mechanische Belastungen durch das Heißgas ausgebildet.
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Es erweist sich als vorteilhaft, wenn der Schutzbereich zum Reduzieren einer Wärmeübertragung zwischen dem Batteriemodul und der Batteriekomponente unter Ausbildung eines ersten Luftspaltes beabstandet zu der Oberseite des Zellverbunds angeordnet ist und/oder unter Ausbildung eines zweiten Luftspaltes beabstandet zu der Unterseite der zumindest einen Batteriekomponente angeordnet ist. Der Schutzbereich ist also beabstandet zu dem Batteriemodul und/oder der Batteriekomponente angeordnet und liegt hierdurch nicht unmittelbar an dem Batteriemodul und/oder der Batteriekomponente an. Durch den zumindest einen Luftspalt kann ein thermischer Übergangswiderstand zwischen dem Batteriemodul und der Batteriekomponente erhöht werden und damit ein heißgasbedingter Wärmeeintrag in die Batteriekomponente reduziert werden. Der Luftspalt kann beispielsweise eine Höhe von 20 mm aufweisen.
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In einer Ausführungsform der Erfindung ist die zumindest eine Batteriekomponente zum Ausbilden des zweiten Luftspaltes hängend an dem Tragbereich befestigt. Durch die hängende Anordnung ist die Batteriekomponente beabstandet zu dem Schutzbereich angeordnet. Dabei kann vorgesehen sein, dass die Batteriekomponente als zumindest ein weiteres Batteriemodul mit einen Zellmodulrahmen zum Halten eines Zellverbunds des weiteren Batteriemoduls ausgebildet ist, wobei sich der Tragebereich zumindest entlang von Zugankern des Zellmodulrahmens erstreckt und wobei an den Zugankern Halteelemente angeordnet sind, über welche das zumindest eine weitere Batteriemodul an dem Tragbereich befestigt ist. Der Zellmodulrahmen weist beispielsweise zwei Druckplatten, welche an einer Vorderseite und einer Rückseite des Zellverbunds des weiteren Batteriemoduls angeordnet sind, und zwei Zuganker auf, welche zum Verspannen von Batteriezellen des weiteren Batteriemoduls mit den Druckplatten verbunden sind und an zwei gegenüberliegenden Seitenbereichen des Zellverbunds angeordnet sind. Die Zuganker können beispielsweise flügelartige Halteelemente aufweisen, über welche die Zuganker an dem Tragbereich befestigt, beispielsweise festgeschraubt, werden können.
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Zur Erfindung gehört außerdem ein Kraftfahrzeug mit einer erfindungsgemäßen Traktionsbatterie. Das Kraftfahrzeug ist als ein Elektro- oder Hybridfahrzeug ausgebildet.
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Die mit Bezug auf die erfindungsgemäße Baugruppe vorgestellten Ausführungsformen und deren Vorteile gelten entsprechend für die erfindungsgemäße Traktionsbatterie sowie für das erfindungsgemäße Kraftfahrzeug.
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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.
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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 einer Baugruppe für eine Traktionsbatterie eines Kraftfahrzeugs in einer Draufsicht;
- 2 eine schematische Darstellung einer zweiten Ausführungsform der Baugruppe in einer Draufsicht;
- 3 eine schematische Darstellung einer dritten Ausführungsform der Baugruppe in einer Frontansicht;
- 4 eine schematische Darstellung einer ersten Ausführungsform einer Schutzeinheit der Baugruppe;
- 5 eine schematische Darstellung einer zweiten Ausführungsform der Schutzeinheit;
- 6 eine schematische Darstellung einer dritten Ausführungsform der Schutzeinheit; und
- 7 eine schematische Darstellung einer vierten Ausführungsform der Schutzeinheit.
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In den Figuren sind gleiche sowie funktionsgleiche Elemente mit den gleichen Bezugszeichen versehen.
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1 und 2 zeigen unterschiedliche Ausführungsformen einer Baugruppe 1 für eine Traktionsbatterie eines Kraftfahrzeugs in einer Draufsicht. Die Baugruppe 1 ist in einem Innenraum eines Batteriegehäuses der Traktionsbatterie angeordnet und weist zumindest ein erstes Batteriemodul 2 auf, welches einen Zellverbund 3 aus Batteriezellen 4 aufweist. Die Batteriezellen 4 sind hier prismatische Zellen, welche entlang einer Stapelrichtung S zu dem Zellverbund 3 gestapelt sind. Die Stapelrichtung S entspricht hier auch einer Längsrichtung, entlang welcher sich das Batteriemodul 2 erstreckt. Gemäß 1 weist die Baugruppe zwei Batteriemodule 2 auf, welche in einer Querrichtung Q senkrecht zur Stapelrichtung S nebeneinander angeordnet sind. Die Baugruppe weist außerdem eine Batteriekomponente 5 auf, welche in einer Hochrichtung H (senkrecht zur Zeichenebene) über dem zumindest einen Batteriemodul 2 angeordnet ist. Gemäß 1 erstreckt sich die Batteriekomponente 5 entlang der Querrichtung Q und überlappt dabei teilweise mit beiden darunter liegenden Batteriemodulen 2. Gemäß 2 erstreckt sich die Batteriekomponente 5 entlang der Stapelrichtung S und überlappt dabei teilweise mit dem darunter liegenden Batteriemodul 2.
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3 zeigt eine Baugruppe 1 in einer Frontansicht. Die Batteriekomponente 5 ist hier als ein zweites Batteriemodul 6 ausgebildet, welches einen Zellverbund 7 aus Batteriezellen 8 aufweist. An einer Oberseite 9 des Zellverbunds 3 des ersten Batteriemoduls 2 befinden sich Entgasungsbereiche 10 der Batteriezellen 4, über welche im Fehlerfall ein Heißgas 11 aus den Batteriezellen 4 entweichen kann. Da die Batteriekomponente 5 in Hochrichtung H über dem ersten Batteriemodul 2 angeordnet ist, befindet sich eine Unterseite 12 der Batteriekomponente 5 in einem Strömungspfad des Heißgases 11. Um zu verhindern, dass das Heißgas 11 zu einer thermischen oder mechanischen Überbeanspruchung der Batteriekomponente 5 führt, weist die Baugruppe 1 außerdem eine Schutzeinheit 14 auf. Die Schutzeinheit 14 weist einen blechförmigen Schutzbereich 15 auf, welcher hier ein metallisches Schutzblech 16, beispielsweise ein Aluminiumblech oder ein Stahlblech, aufweist. Der Schutzbereich 15 ist zwischen der Oberseite 9 des Zellverbunds 3 und der Unterseite 12 der Batteriekomponente 5 angeordnet und bildet eine Barriere für das Heißgas 11 aus. Anstelle der Unterseite 12 der Batteriekomponente 5 wird nun im Fehlerfall der Schutzbereich 15 mit dem Heißgas beaufschlagt. Hier ist das Schutzblech 16 an einer der Oberseite 9 zugewandten Seite mit einem hitzeresistenten und/oder elektrisch isolierenden Material 17, beispielsweise MICA, beschichtet. Um einen Wärmeeintrag von dem ersten Batteriemodul 2 in die Batteriekomponente 5 zu reduzieren, ist der Schutzbereich 15 hier unter Ausbildung eines ersten Luftspaltes L1 beabstandet zu der Oberseite 9 des Zellverbunds 3 angeordnet.
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Die Schutzeinheit 14 weist außerdem einen rahmenartigen Tragbereich 18 auf, welcher hier entlang der Hochrichtung H orientiert ist und von dem Schutzbereich 15 nach oben hin absteht. An dem Tragbereich 18 ist die Batteriekomponente 5 befestigt. Hier weist das zweite Batteriemodul 6 einen Zellmodulrahmen 19 zum Verspannen der Batteriezellen 8 auf. Der Zellmodulrahmen 19 weist Zuganker 20 auf, welche sich entlang der Stapelrichtung S über Seitenbereiche des Zellverbunds 7 erstrecken. An den Zugankern 20 abstehend sind flügelartige Halteelemente 21 angeordnet, über welche das zweite Batteriemodul 6 an dem Tragbereich 18 befestigt werden kann. Beispielsweise können die Halteelemente 21 auf den Tragbereich 18 aufgelegt und dort festgeschraubt werden, sodass das Batteriemodul 6 hängend an der Schutzeinheit 14 befestigt werden kann. Dadurch ist auch die Unterseite 12 unter Ausbildung eines zweiten Luftspaltes L2 beabstandet zu dem Schutzbereich 15 angeordnet. Hier stehen also weder das erste Batteriemodul 2 noch das zweite Batteriemodul 6 in direktem Kontakt zu dem Schutzbereich 15, sodass ein thermischer Widerstand des Wärmeübergangspfad zwischen dem ersten Batteriemodul 2 und dem zweiten Batteriemodul 6 vergrößert wird.
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In 4 bis 7 sind unterschiedliche Ausführungsformen der Schutzeinheit 14 gezeigt. Gemäß 4 ist die Schutzeinheit 14 beispielsweise als ein einteiliges Stahlbauteil ausgebildet. Dazu ist der Tragbereich 18 eine Stahlstruktur und der Schutzbereich 15 weist ein Schutzblech 16 aus Stahl auf, wobei der Tragbereich 18 und der Schutzbereich 15 verschweißt sind. Außerdem weist der Schutzbereich 15 hier eine Struktur 22 auf, welche beispielsweise als eine Versteifungsstruktur und/oder eine Führungsstruktur ausgebildet sein kann. Die Führungsstruktur bildet beispielsweise nutartige Vertiefungen in einer der Oberseite 9 des ersten Batteriemoduls 2 zugewandten Seite des Schutzbereiches 15 aus, welche das Heißgas 11 aufnehmen und seitlich ableiten können. Der Tragbereich 18 weist hier zwei Führungsschienen 23 auf, an welchen mehrere zweite Batteriemodule 6 befestigt werden können. Die Führungsschienen 23 erstrecken sich entlang der Zuganker 20 erstrecken können und können zum Halten der zweiten Batteriemodule an der Schutzeinheit 14 mit den Halteelementen 21 der Zellmodulrahmen 19 mechanisch verbunden werden. Dadurch, dass der Tragbereich 18 hier aus Stahl ausgebildet ist, ist er besonders stabil und kann zur Gewichtsreduzierung der Schutzeinheit 14 Aussparungen 24 aufweisen, welche beispielsweise im Bereich der Führungsschienen 23 angeordnet sind.
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Gemäß 5 ist die Schutzeinheit 14 ebenfalls einteilig ausgebildet, wobei der Tragbereich 18 beispielsweise aus Aluminium gebildet ist und der Schutzbereich 15 ein mit dem Tragbereich 18 verschweißtes Schutzblech 16 aus Stahl ist. Der Schutzbereich 15 weist hier eine Struktur 22 mit Versteifungssicken 25 zum Erhöhen einer mechanischen Stabilität der Schutzeinheit 14 auf. Gemäß 6 ist die Schutzeinheit 14 mehrteilig ausgebildet, wobei der Tragbereich 18 mit dem Schutzbereich 15 verschraubt ist. Der Tragbereich 18 kann beispielsweise ein Gussteil sein. Hier weist der Schutzbereich 15 Vertiefungen 26 auf, in welchen die Batteriekomponenten 5 angeordnet werden können. 7 zeigt eine Schutzeinheit 14 von unten. Es ist also die der Oberseite 12 des ersten Batteriemoduls 2 zugewandte Seite gezeigt, welche hier das hitzeresistente und/oder elektrisch isolierende Material 17 aufweist.
