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Die vorliegende Erfindung betrifft eine Batterie mit mehreren Batteriezellen sowie ein damit ausgestattetes Kraftfahrzeug.
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Batterien werden heutzutage in vielfältigen technischen Gebieten und Anwendungen eingesetzt, beispielsweise in zunehmendem Maße im Fahrzeugbereich als Traktionsbatterien. Dabei werden stetig zunehmende Anforderungen gestellt, beispielsweise hinsichtlich einer Energie- und Leistungsdichte. Damit kann jedoch auch ein Gefahrenpotenzial entsprechend ansteigen. Gerade bei heutzutage verbreitet verwendeten Batterien bzw. Zellchemien auf Lithiumbasis kann es bekannterweise im Fehler- oder Beschädigungsfall zu explosiven exothermen Reaktionen - einem sogenannten thermischen Durchgehen - einer Batteriezelle kommen. Dies kann weitere Batteriezellen ebenfalls zum thermischen Durchgehen anregen, sodass es zu einer Kettenreaktion kommen kann, welche die gesamte Batterie sowie umgebende Bauteile oder Einrichtungen beschädigen kann. Aber auch bereits das thermische Durchgehen einer einzigen Batteriezelle kann zu erheblichen Folgeschäden führen, wodurch nicht nur zusätzliches Gefahrenpotenzial erzeugt, sondern auch Reparaturkosten und -aufwand gesteigert werden können.
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Beispielsweise können in einer havarierenden Batterie, wenn also wenigstens eine Batteriezelle der Batterie thermisch durchgeht, nicht nur heiße Gase, sondern auch elektrisch leitfähige Partikel ausgestoßen und innerhalb der Batterie verteilt werden. Diese elektrisch leitfähigen Partikel können elektrische Isolationselemente innerhalb der Batterie besetzen und unwirksam machen, sich auf elektrischen Anschlüssen oder Komponenten bzw. zwischen diesen niederschlagen und somit Kurzschlüsse zwischen einzelnen Batteriezellen oder Zellmodulen auslösen. Derartige Kurzschlüsse können beispielsweise zu unkontrollierten hohen Stromflüssen innerhalb der Batterie führen und damit direkt oder indirekt zu weiteren Beschädigungen führen, beispielsweise durch weitere Erwärmung der Batteriezellen. Dies kann das thermische Durchgehen weiterer Batteriezellen und somit letztlich einen Brand der Batterie hervorrufen oder beschleunigen.
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Nicht nur vor diesem Hintergrund ist man daher bestrebt, die Sicherheit von Batterien, insbesondere Hochvoltbatterien, weiter zu verbessern. So ist beispielsweise in der
DE 10 2013 223 361 A1 eine Batteriezelle mit einem Sicherheitsventil und einem semipermeablen Verschlusselement beschrieben. Die Batteriezelle umfasst dort ein umgebendes Zellgehäuse und das Sicherheitsventil, welches in eine Öffnung des Zellgehäuses eingesetzt ist. Das Sicherheitsventil ist dazu ausgebildet, bei einem Anstieg eines innerhalb des Zellgehäuse herrschenden Zellinnendrucks über einen Schwellenwert hinaus zu öffnen und somit ein Ausströmen eines Mediums aus dem Zellgehäuse zu ermöglichen. Das semipermeable Verschlusselement verschließt zusätzlich zu dem Sicherheitsventil die Öffnung. Dabei ist das Verschlusselement dazu ausgebildet, ein aus dem Zellgehäuse ausströmendes gasförmiges Medium passieren zu lassen. Damit kann bei einer Zellentgasung freigesetztes Gas durch das Verschlusselement aus dem Zellgehäuse entweichen, während insbesondere Feuchtigkeit nicht von der äußeren Umgebung der Batteriezelle durch das Verschlusselement in das Innere des Zellgehäuse gelangen kann. Damit soll der Problematik begegnet werden, dass Batteriezellkomponenten, insbesondere ein Elektrolyt, mit der Umgebungsluft und insbesondere mit der darin enthaltenen Feuchtigkeit in Kontakt kommen können, wodurch chemische Reaktionen innerhalb des Zellgehäuses, die ursprünglich zum Öffnen des Sicherheitsventil geführt haben, weiter vorangetrieben werden und weiteres Gas und/oder Dämpfe gebildet werden können.
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Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, Folgeschäden aus einem thermischen Durchgehen oder Ausgasen einer von mehreren Batteriezellen einer Batterie zu limitieren.
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Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß durch die Gegenstände der unabhängigen Patentansprüche gelöst. Mögliche Ausgestaltungen und Weiterbildungen der vorliegenden Erfindung sind in den abhängigen Patentansprüchen, in der Beschreibung und in der Zeichnung angegeben.
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Die erfindungsgemäße Batterie umfasst ein Batteriegehäuse und mehrere darin nebeneinander angeordnete Batteriezellen. Das Batteriegehäuse kann hier insbesondere ein Außengehäuse darstellen, das also die Batterie insgesamt nach außen hin abschließt oder kapselt. Die Batteriezellen weisen jeweils auf einer Seite wenigstens einen elektrischen Kontakt, also eine Anschlussstelle oder einen Pol, und eine Entgasungsstelle auf. Die Entgasungsstelle ist im vorliegenden Sinne eine Stelle, an welcher bei einem innerhalb der jeweiligen Batteriezelle herrschenden Überdruck Gas aus der Batteriezelle austreten kann bzw. bestimmungsgemäß austreten soll. Beispielsweise kann die Entgasungsstelle als Überdruckventil oder Sollbruchstelle ausgebildet sein, im Allgemeinen also einen geringeren Widerstand für im Inneren der Batteriezelle unter Überdruck stehendes Gas bilden oder darstellen als übrige Stellen oder Bereiche der Batteriezelle.
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Die erfindungsgemäße Batterie umfasst weiter ein elektrisch isolierendes, also elektrisch nichtleitendes bzw. elektrisch nicht leitfähiges flächig erstrecktes, also platten- oder schichtförmiges, Schutzelement. Das Schutzelement kann also in seiner Haupterstreckungsebene eine signifikant größere Ausdehnung aufweisen als senkrecht dazu, also als in Dickenrichtung. Dementsprechend kann das Schutzelement hier auch als Schutzplatte oder Schutzmatte oder Schutzschicht bezeichnet werden. Das Schutzelement ist innerhalb der Batterie zwischen einer Außenwand des Batteriegehäuses, der die Entgasungsstellen zugewandt sind, und den Batteriezellen angeordnet, sodass das Schutzelement die Entgasungsstellen und die elektrischen Kontakte der Batteriezellen überdeckt. Das Schutzelement ist dabei über einen Großteil seiner Fläche hinweg beständig gegen im thermischen Fehlerfall einer der Batteriezellen aus dieser austretendes Material, also beispielsweise einen entsprechend heißen Gas- und/oder Partikelstrom, ausgebildet. Dazu kann das Schutzelement insbesondere aus einem hitzebeständigen, beispielsweise aus einem mineralischen oder keramischen Material, aus einem Fasermaterial oder einem Verbundwerkstoff oder einem Silikonmaterial gebildet sein. Ebenso kann das Schutzelement als Beschichtung, beispielsweise aus einem Lack oder dergleichen, oder einer Schichtanordnung mit oder aus einer oder mehrere Schichten oder Lagen ausgebildet sein und/oder eine solche Beschichtung aufweisen. In jedem Fall kann das Schutzelement eine materialabhängige, für den beschriebenen Anwendungszweck, beispielsweise die nachfolgend beschriebene Temperaturbeständigkeit, ausreichende Materialstärke, also Dicke, aufweisen.
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Die Materialwahl und Materialstärke des Schutzelements kann Auslegungssache im jeweiligen Einzelfall oder Anwendungsfall sein, beispielsweise je nach Größe, Inhalt und Zellchemie der Batteriezellen. Bevorzugt kann das Schutzelement dazu ausgebildet bzw. ausgelegt sein, Temperaturen bis 1000 °C oder bis 1200 °C über wenigstens einige Minuten hinweg zu widerstehen, ohne dabei seine Isolationswirkung zu verlieren. Erfindungsgemäß weist das Schutzelement an den, also im Bereich der Entgasungsstellen Sollbruchstellen auf, die in dem thermischen Fehlerfall einer der Batteriezellen durch das aus der jeweiligen Batteriezelle austretende Material durchbrochen werden.
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Das Schutzelement ist also in den Sollbruchstellen weniger beständig gegen den beim thermischen Durchgehen einer der Batteriezellen zu erwartenden Gas- und/oder Partikelstrom, nachfolgend auch als Auswurfstrom bezeichnet, ausgebildet als in den übrigen, die Sollbruchstellen umgebenden Bereichen. Bevorzugt können die Sollbruchstellen im Normalbetrieb, also bevor es zu dem thermischen Fehlerfall gekommen ist und während die Batterie bestimmungsgemäß funktioniert, luft- und/oder feuchtigkeitsdicht sein. Dadurch kann eine Beeinflussung oder Schädigung der innen liegenden Bereiche oder Komponenten der Batteriezellen durch äußere Einflüsse vermieden oder minimiert werden.
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Durch die vorliegende Erfindung kann erreicht werden, dass beim thermischen Durchgehen einer der Batteriezellen der Auswurfstrom aus der Entgasungsstelle der beschädigten Batteriezelle austritt, das Schutzelement im Bereich der jeweiligen, über dieser Entgasungsstelle angeordneten bzw. dieser nächstliegenden Sollbruchstelle aufbrechen und durchtreten kann und auf der von den Batteriezellen abgewandten Seite des Schutzelements auf dieses zurückfallendes Material des Auswurfstroms, insbesondere leitfähige Partikel, auf dem Schutzelement zu liegen kommen bzw. abgelagert werden. Da das Schutzelement entsprechend beständig ausgebildet ist, kann das auf der von den Batteriezellen abgewandten Seite des Schutzelements abgelagerte Material des Auswurfstroms das Schutzelement nicht durchdringen, zumindest aber ohne direkten Kontakt zu den übrigen Batteriezellen zunächst abkühlen. Dieses Material des Auswurfstroms gelangt somit nicht zu den übrigen Batteriezellen und wird insbesondere nicht auf deren elektrischen Kontakten, zwischen diesen oder auf entsprechenden Isolationselementen oder -bereichen abgelagert. Durch das erfindungsgemäß vorgesehene Schutzelement bzw. dessen Anordnung und Ausgestaltung können also beispielsweise Kurzschlüsse der Batteriezellen durch das aus der thermisch durchgehenden Batteriezelle ausgeworfene Material vermieden werden. Zudem wird auch eine direkte Erwärmung der übrigen Batteriezellen durch das Material des Auswurfstroms vermieden. Dies kann die Gefahr, dass weitere der Batteriezellen zum thermischen Durchgehen angeregt werden, zumindest reduzieren. Insgesamt können durch die vorliegende Erfindung also auf besonders einfache und zuverlässige Weise Folgeschäden aus dem thermischen Durchgehen einer der Batteriezellen der erfindungsgemäßen Batterie vermieden oder begrenzt werden, was letztlich zu einer verbesserten Sicherheit der Batterie insgesamt führt. Insbesondere müssten dazu die einzelnen Batteriezellen selbst nicht besonders widerstandsfähig ausgebildet oder individuell gekapselt sein. Somit wird durch die vorliegende Erfindung eine verbesserte Sicherheit bei gleichzeitig besonders geringem Material-, Gewichts- und Bauraumaufwand ermöglicht.
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Das Batteriegehäuse kann seinerseits eine eigene Entgasungsstelle, beispielsweise ein Überdruckventil, zum Abbauen eines gegebenenfalls in dem Batteriegehäuse herrschenden Überdrucks gegenüber einer Umgebung der Batterie aufweisen.
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Wie eingangs bereits angedeutet, können die Batteriezellen bzw. deren Zellchemie insbesondere auf Lithium bzw. einer Lithium-Technologie basieren. Die vorliegende Erfindung kann aber ebenso für andere Batterie- oder Zellarten verwendet werden.
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In einer möglichen Ausgestaltung der vorliegenden Erfindung ist das Schutzelement biegesteif, also als Schutzplatte ausgebildet. Mit anderen Worten ist in die Schutzplatte dann also zumindest unter ihrem Eigengewicht mechanisch stabil, also nicht etwa als Folie oder dergleichen ausgebildet. Dadurch kann auch im thermischen Fehlerfall ein definierter Abstand der Schutzplatte von der benachbarten Außenwand des Batteriegehäuses besonders zuverlässig aufrechterhalten werden. Somit wird durch die Schutzplatte und die auf deren von den Batteriezellen abgewandter Seite nächstliegende Außenwand des Batteriegehäuses in dem Abstand oder Zwischenraum zwischen dieser Außenwand des Batteriegehäuses und der Schutzplatte ein Aufnahme- und Strömungsführungsraum oder -kanal gebildet. Darin kann sich der Auswurfstrom in bestimmungsgemäßer Art und Weise zuverlässig ausbreiten oder verteilen bzw. geführt oder gelenkt werden kann. Durch die Außenwand des Batteriegehäuses und die Schutzplatte wird also ein definierter und stabiler Strömungs- oder Führungskanal für den Auswurfstrom bzw. dessen Ausbreitung oder Verteilung gebildet. Damit kann besonders zuverlässig sichergestellt werden, dass im thermischen Fehlerfall die Batterie insgesamt sich in vorgegebener bzw. planmäßiger Weise verhält, was letztlich ebenfalls der Sicherheit der Batterie zugutekommt.
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In einer weiteren möglichen Ausgestaltung der vorliegenden Erfindung ist das Schutzelement zumindest größtenteils aus einem Schichtmaterial, insbesondere aus der Glimmergruppe, gebildet. Durch diese Ausgestaltung des Schutzelements kann besonders einfach und zuverlässig die vorgesehene Beständigkeit des Schutzelements gegen den Auswurfstrom erreicht oder realisiert werden. Durch eine - zumindest abgesehen von den Sollbruchstellen - monolithische Ausgestaltung des Schutzelements aus einem einheitlichen Material kann deren Komplexität minimiert und somit eine besonders einfache und kostengünstige Fertigung erreicht werden. Ebenso kann das Schutzelement aber beispielsweise aus mehreren Schichten aufgebaut sein, von denen wenigstens eine beständig gegen den Auswurfstrom ist. Beispielsweise kann das Schutzelement zumindest auf der von den Batteriezellen abgewandten Seite, bevorzugt aber auch auf der den Batteriezellen zugewandten Seite eine entsprechend beständige Schicht oder Beschichtung aufweisen. Dadurch kann ein übriger Teil des Schutzelements, beispielsweise eine innere oder zentrale Schicht oder ein in das Schutzelement eingebettetes Element, für andere Anforderungen ausgelegt werden, beispielsweise um eine besonders hohe mechanische Stabilität, eine besonders gute elektrisch und/oder thermisch isolierende Wirkung und/oder ein besonders geringes Gewicht des Schutzelement zu realisieren. Beispielsweise kann eine metallische Schicht, beispielsweise ein Blech, oder ein metallischer Träger oder dergleichen in das Schutzelement integriert sein, der dann von zumindest einer elektrisch isolierenden, bevorzugt auch wie beschrieben hitzebeständigen Schicht oder Masse belegt oder ummantelt sein kann. Durch eine hitzebeständige Schicht oder Beschichtung auf der von den Batteriezellen abgewandten Seite kann verhindert werden, dass der nach dem Durchtreten der Sollbruchstelle auf die von den Batteriezellen abgewandten Seite der Schutzplatte zurückfallende Auswurfstrom das Schutzelement beschädigen oder durchdringen kann. Durch die entsprechend beständige Schicht oder Beschichtung auf der den Batteriezellen zugewandten Seite kann verhindert werden, dass der Auswurfstrom die Schutzplatte vor dem Durchtreten der jeweiligen Sollbruchstelle beschädigt oder schwächt.
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In einer weiteren möglichen Ausgestaltung der vorliegenden Erfindung sind die Sollbruchstellen als Bereiche des Schutzelements mit im Vergleich zu umgebenden Bereichen des Schutzelement reduzierter Materiastärke, also reduzierter Dicke senkrecht zu einer Haupterstreckungsebene des Schutzelements, und/oder aus einem mechanisch weniger beständigen, also einem weniger stabilen oder mechanisch weniger belastbaren, Material ausgebildet. In der ersten Variante kann das Schutzelement kontinuierlich, also in den Sollbruchstellen und den umgebenden oder übrigen Bereichen aus dem gleichen Material gefertigt sein. Dies kann eine besonders einfache Fertigung sowie eine zuverlässige Luft- und Feuchtigkeitsdichtheit des Schutzelements auch im Bereich der Sollbruchstellen ermöglichen. Durch die geringere Materialstärke bzw. die geringere mechanische Beständigkeit oder Belastbarkeit in den Sollbruchstellen kann dort das Schutzelement trotz Verwendung eines an sich hitzebeständigen Materials ausreichend geschwächt oder instabil sein, um ein Durchbrechen und Durchtreten des Schutzelement durch den Auswurfstrom zu ermöglichen. Dazu kann die Materialstärke des Schutzelement in den Sollbruchstellen beispielsweise bis auf weniger als 2 mm, bevorzugt weniger als 1 mm, beispielsweise bis auf weniger als 0,5 mm reduziert sein. In den übrigen, die Sollbruchstellen umgebenden Bereichen kann das Schutzelement hingegen beispielsweise eine Materialstärke von mehr als 0,5 mm bzw. mehr als 2 mm, beispielsweise wenigstens 5 mm aufweisen und dadurch eine ausreichende Stabilität und Beständigkeit gegen den Auswurfstrom bieten. Dies ist insbesondere vor dem Hintergrund zu sehen, dass der Auswurfstrom nur für eine begrenzte Zeitdauer auf das Schutzelement einwirkt, da ein entsprechender Inhalt der Batteriezellen begrenzt ist.
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In einer weiteren möglichen Ausgestaltung der vorliegenden Erfindung sind die Sollbruchstellen gebildet durch Ausnehmungen im Material des Schutzelements, die durch ein anderes, ebenfalls elektrisch isolierendes aber weniger hitzebeständiges Material ausgefüllt oder überspannt sind. Dieses andere Material, dass die Ausnehmungen verschließt, kann die gleiche oder eine geringere Materialstärke senkrecht zur Haupterstreckungsebene des Schutzelements aufweisen wie das Material des Schutzelements in den die Sollbruchstellen umgebenden Bereichen. Durch die hier vorgeschlagene Ausgestaltung der Sollbruchstellen kann zum einen im Normalbetrieb, also vor dem thermischen Fehlerfall, ein Eindringen von Feuchtigkeit oder Partikeln aus der Umgebung vermieden sowie ein elektrischer Berührschutz für die Batteriezellen realisiert werden. Durch die Verwendung verschiedener Materialien für die Sollbruchstellen und die umgebenden bzw. übrigen Bereiche des Schutzelements können die unterschiedlichen Anforderungen an diese übrigen Bereiche und die Sollbruchstellen besonders einfach und effektiv realisiert werden. So kann durch die geringere Hitzebeständigkeit des Materials der Sollbruchstellen besonders einfach und zuverlässig erreicht werden, dass im thermischen Fehlerfall der Auswurfstrom die jeweilige Sollbruchstelle besonders einfach und schnell durchtreten kann, wodurch beispielsweise eine Ausbreitung des Auswurfstroms unterhalb des Schutzelement also auf deren den Batteriezellen zugewandten Seite bis zum Durchbrechen der Sollbruchstelle vermieden oder reduziert werden kann. Beispielsweise können zum Ausbilden der Sollbruchstellen die Ausnehmungen durch eine Kunststofffolie oder dergleichen ausgefüllt oder überspannt sein.
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In einer weiteren möglichen Ausgestaltung der vorliegenden Erfindung sind die Batteriezellen zu mehreren Zellmodulen gruppiert, die in dem Batteriegehäuse der Batterie aufgenommen sind. Die Zellmodule umfassen jeweils ein Modulgehäuse mit mehreren darin angeordneten Batteriezellen. Für jedes Zellmodul ist ein eigenes Schutzelement als Teil, insbesondere als Deckel, des jeweiligen Modulgehäuses vorgesehen. Mit anderen Worten ist das Schutzelement also als Bestandteil der Modulgehäuse ausgebildet. Dadurch kann Komplexität und Bauteilaufwand sowie Bauraumbedarf und Gewicht eingespart werden, da eine Funktionsintegrierung eines einzigen Bauteils als Schutzelement und als Modulgehäusewand oder Modulgehäusedeckel erreicht wird. Das jeweilige Schutzelement kann hier also eine Außenwand des Modulgehäuses bilden, sodass kein zusätzlicher Deckel für das Modulgehäuse vorgesehen werden muss.
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In einer alternativen möglichen Ausgestaltung der vorliegenden Erfindung ist das Schutzelement als Zwischendecke des Batteriegehäuses ausgebildet, die innenseitig - und insbesondere zumindest im Wesentlichen parallel zu - der genannten Außenwand des Batteriegehäuses angeordnet ist. Das Schutzelement ist hier also Bestandteil des Batteriegehäuses und nicht Teil eines gegebenenfalls vorgesehenen Modulgehäuses eines individuellen Zellmoduls oder dergleichen. Das Schutzelement ist hier also an dem als Außengehäuse fungierenden Batteriegehäuse befestigt bzw. in dieses integriert. Das Batteriegehäuse weist somit an zumindest einer Seite effektiv eine durch das Schutzelement und die entsprechende Außenwand gebildete Doppelwandung mit einem dazwischenliegenden Abstand oder Zwischenraum auf. Die hier vorgeschlagene Ausgestaltung kann eine besonders kostengünstige oder besonders flexible Fertigung der Batterie ermöglichen, da keine besonderen Anforderungen an die einzelnen Batteriezellen oder Zellmodule gestellt werden müssen. Damit können also einfacher oder günstiger gestaltete Zellmodule oder verschiedene Zellmodule für die Batterie verwendet werden.
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In einer weiteren möglichen Ausgestaltung der vorliegenden Erfindung ist zwischen den Entgasungsstellen der Batteriezellen und dem Schutzelement ein jeweiliges hohles, insbesondere rohr- oder trichterförmiges, Führungselement angeordnet. Durch dieses Führungselement kann in dem thermischen Fehlerfall aus der jeweiligen Batteriezelle austretendes Material, also der genannte Auswurfstrom, zumindest im Wesentlichen senkrecht zur Haupterstreckungsebene des Schutzelements von der jeweiligen Batteriezelle zu der jeweiligen Sollbruchstelle geführt, also geleitet oder gelenkt werden. Durch das hier vorgesehene Führungselement kann also eine seitliche Ausbreitung des Auswurfstroms unterhalb des Schutzelements also auf deren den Batteriezellen zugewandten Seite vor dem Durchtreten der jeweiligen Sollbruchstelle vermieden oder reduziert werden. Dadurch kann besonders effektiv und zuverlässig vermieden werden, dass die der thermisch durchgehenden Batteriezelle benachbarten Batteriezellen durch den Auswurfstrom beaufschlagt oder beschädigt werden. Die Führungselemente können dabei separate Bauteile sein. Diese können beispielsweise mit den Batteriezellen und/oder dem Schutzelement verbunden sein. Ebenso können die Führungselemente beispielsweise ein zwischen den Batteriezellen und dem Schutzelement angeordnetes Zellkontaktierungselement durchgreifen bzw. durch dieses gehalten oder fixiert sein. Ebenso können die Führungselemente aber beispielsweise durch Ausformungen des Schutzelements in Richtung der Batteriezellen bzw. der Entgasungsstellen gebildet sein. Für die Führungselemente kann beispielsweise ein runder, ovaler, sich - insbesondere von der jeweiligen Batteriezelle in Richtung des Schutzelements - aufweitender, rechteckiger oder sonstiger Querschnitt vorgesehen sein. Dies kann beispielsweise abhängig sein von einer jeweiligen Gestaltung der Entgasungsstellen und/oder der Sollbruchstellen, um eine besonders effektive und zuverlässige Aufnahme und Führung des jeweiligen Auswurfstroms zu erreichen. Die Führungselemente können bevorzugt aus einem ebenfalls hitzebeständigen und elektrisch isolierenden bzw. nichtleitenden Material gebildet sein.
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In einer weiteren möglichen Ausgestaltung der vorliegenden Erfindung sind in dem Batteriegehäuse mehrere Batteriezellen, insbesondere mehrere Zellmodule, übereinander angeordnet, sodass die Entgasungsstelle einer unteren Batteriezelle einer Unterseite einer oberen Batteriezelle zugewandt ist. Die Unterseite der oberen Batteriezelle liegt dabei der Entgasungsstelle der oberen Batteriezelle gegenüber. Zwischen dem Schutzelement, welches die unteren Batteriezellen abdeckt, und der darüberliegenden Unterseite der wenigstens einen oberen Batteriezelle ist ein durchgängiges hitzebeständiges Schutzbauteil angeordnet. Die übereinander angeordneten Batteriezellen bzw. Zellmodule sind hier also in einer senkrecht zur Haupterstreckungsebene des wenigstens einen Schutzbauteils und des wenigstens einen Schutzbauteils übereinander angeordnet. Über den oberen Batteriezellen kann in der beschriebenen Art und Weise ebenso ein Schutzelement mit Sollbruchstellen angeordnet sein. Das jeweils zwischen dem Schutzelement der unteren Batteriezellen und den darüber angeordneten oberen Batteriezellen angeordnete Schutzbauteil weist hingegen keine Sollbruchstellen oder Ausnehmungen auf. Vielmehr bildet das Schutzbauteil eine Barriere, die verhindert, dass die Unterseite der oberen Batteriezellen direkt durch den im thermischen Fehlerfall einer der unteren Batteriezellen aus dieser austretenden Auswurfstrom beaufschlagt wird. Um eine besonders einfache und kostengünstige Fertigung zu ermöglichen, können das Schutzelemente bzw. die Schutzelemente und das wenigstens eine Schutzbauteil aus zumindest im Wesentlichen dem gleichen hitzebeständigen elektrisch isolierenden Material gefertigt sein. Im thermischen Fehlerfall einer der unteren Batteriezellen kann sich der entsprechende Auswurfstrom dann also zwischen dem die unteren Batteriezellen abdeckenden Schutzelement und dem darüber angeordneten Schutzbauteil ausbreiten, ohne zu Kurzschlüssen, einem Aufschmelzen der benachbarten und/oder oberen Batteriezellen und/oder anderen Folgeschäden zu führen. Damit kann eine entsprechend erhöhte Sicherheit auch für Batterien mit in mehreren Ebenen angeordneten Batteriezellen oder Zellmodulen erreicht werden.
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Ein weiterer Aspekt der vorliegenden Erfindung ist ein Kraftfahrzeug, das wenigstens eine erfindungsgemäße Batterie aufweist, insbesondere als Traktionsbatterie.
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Weitere Merkmale der Erfindung können sich aus den Ansprüchen, den Figuren und der Figurenbeschreibung ergeben. Die vorstehend in der Beschreibung genannten Merkmale und Merkmalskombinationen sowie die nachfolgend in der Figurenbeschreibung 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, ohne den Rahmen der Erfindung zu verlassen.
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Die Zeichnung zeigt in:
- 1 eine schematische teilweise explodierte Perspektivansicht eines Zellmoduls für eine Batterie; und
- 2 eine schematische ausschnittweise Darstellung einer Batterie mit einem Zellmodul mit einer Schutzeinrichtung.
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In den Figuren sind gleiche und funktionsgleiche Elemente mit den gleichen Bezugszeichen versehen.
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1 zeigt eine schematische teilweise explodierte Perspektivansicht eines Zellmoduls 10, das mehrere nebeneinander angeordnete Batteriezellen 12 umfasst. Die Batteriezellen 12 weisen jeweilige Pole oder Kontakte 14 auf, die hier durch ein Zellkontaktierungselement 16 kontaktiert, also elektrisch angebunden werden. Das Zellkontaktierungselement 16 kann beispielsweise als Trägerplatte oder Trägerstruktur mit darin angeordneten oder gehaltenen Anschluss- oder Kontaktierungselementen sowie weiteren Komponenten, beispielsweise eines Batteriemanagementsystems oder einer Ansteuerung, einer Sensorik und/oder dergleichen mehr, ausgebildet sein. Die Batteriezellen 12 sowie das Zellkontaktierungselement 16 werden vorliegend durch einen Moduldeckel 18 abgedeckt. Auf einer dem Moduldeckel 18 gegenüberliegenden Unterseite des Zellmoduls 10 bzw. der Batteriezellen 12 ist vorliegend ein Kühler 20 zum Entwärmen der Batteriezellen 12 im Betrieb angeordnet. Der Kühler 20 kann beispielsweise eine Bodenplatte eines die Batteriezellen 12 aufnehmenden Modulgehäuses bilden, das nach oben hin durch den Moduldeckel 18 abgeschlossen wird.
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Die Batteriezellen 12 weisen vorliegend jeweils eine Entgasungsstelle 22 auf. Der Übersichtlichkeit halber sind hier nur einige der Batteriezellen12 und der Entgasungsstellen 22 explizit gekennzeichnet. Beim thermischen Durchgehen einer der Batteriezellen 12 kann ein Auswurfstrom, also ein erhitzter Gas- und/oder Partikelstrom, aus der Entgasungsstelle 22 der entsprechenden Batteriezelle 12 in Richtung des Moduldeckels 18 austreten. Um eine Beschädigung des Zellkontaktierungselements 16 bzw. durch eine Ablagerung elektrisch leitfähiger Partikel aus dem Auswurfstrom erzeugbare elektrische Kurzschlüsse innerhalb des Zellmoduls 10 zu vermeiden, weist das Zellkontaktierungselement 16 Durchlässe 24 auf, die jeweils oberhalb einer der Entgasungsstellen 22 angeordnet sind. Der Auswurfstrom kann also den jeweiligen Durchlass 24 durchtreten, ohne das Zellkontaktierungselement 16 direkt zu beaufschlagen.
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Der Moduldeckel 18 ist zur Verbesserung der Sicherheit des Zellmoduls 10 bzw. einer dieses umfassenden Hochvoltbatterie hier als Schutzelement, im Folgenden als Schutzplatte 26 bezeichnet, ausgebildet. Diese Schutzplatte 26 ist größtenteils aus einem hitzebeständigen Material in einer entsprechenden Materialstärke gebildet, sodass es dem Auswurfstrom widerstehen kann. De Schutzplatte 26 weist allerdings eine Reihe von Sollbruchstellen 28 auf, von denen hier der Übersichtlichkeit halber ebenfalls nur einige gekennzeichnet sind. Die Sollbruchstellen 28 sind im Vergleich zu den umgebenden Bereichen, also dem Rest der Schutzplatte 26 weniger beständig gegen den Auswurfstrom, können also von diesem ohne Weiteres durchbrochen werden. Dazu sind die Sollbruchstellen 28 jeweils oberhalb der Durchlässe 24 und der Entgasungsstellen 22 angeordnet.
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Damit kann im thermischen Fehlerfall der Auswurfstrom aus einer der Batteriezellen 12 den jeweiligen Durchlass 24 und die darüber angeordnete Sollbruchstelle 28 durchtreten und sich oberhalb der Schutzplatte 26, also des Moduldeckels 18 quer zu deren bzw. dessen Haupterstreckungsebene ausbreiten. Dabei können sich Material oder Partikel des Auswurfstroms auf der von den Batteriezellen 12 abgewandten Oberseite der Schutzplatte 26 absetzen oder niederschlagen. Dadurch wird also verhindert, dass dieses Material bzw. diese - insbesondere elektrisch leitfähigen - Partikel zu dem Zellkontaktierungselement 16 bzw. den Kontakten 14 gelangen und dort beispielsweise Kurzschlüsse oder Beschädigungen auslösen.
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Dies ist weiter in 2 veranschaulicht, in der eine schematische ausschnittweise Perspektivdarstellung einer Batterie 30 gezeigt ist. Die Batterie 30 umfasst hier ein äußeres Batteriegehäuse 32, das nach oben hin durch einen Batteriedeckel 34 verschlossen ist. Auch hier ist eine Schutzplatte 26 vorgesehen, die hier jedoch beispielhaft alternativ als Zwischendecke 36 des Batteriegehäuses 32 ausgebildet ist. Diese Zwischendecke 36 ist hier innenseitig des Batteriedeckels 34 angeordnet. Die Zwischendecke 36 begrenzt damit ein auf ihrer von dem Batteriedeckel 34 abgewandten Seite angeordnetes Hauptinnenvolumen des Batteriegehäuses 32. In diesem Hauptinnenvolumen sind vorliegend mehrere schematisch angedeutete Batteriezellen 12 angeordnet, wobei dort ebenso mehrere Module aus jeweils mehreren Batteriezellen 12 angeordnet sein können. Auf der dem Batteriedeckel 34 zugewandten Seite der Zwischendecke 36 ist hingegen zwischen dieser und dem Batteriedeckel 34 ein - vergleichsweise flacher - Aufnahmeraum 38 ausgebildet.
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Wie im Zusammenhang mit 1 beschrieben, ist auch bei der in 2 dargestellten Variante vorgesehen, dass die Schutzplatte 26, hier also die Zwischendecke 36, wenigstens eine, insbesondere pro Batteriezelle 12 jeweils eine, Sollbruchstelle 28 aufweist.
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Vorliegend ist ein thermischer Fehlerfall illustriert, in dem eine der Batteriezellen 12, die hier als Fehlerzelle 40 bezeichnet wird, thermisch durchgeht und dabei aus ihrer Entgasungsstelle 22 den genannten Auswurfstrom auswirft. Der Auswurfstrom ist hier schematisch durch einzelne Partikel oder Ansammlungen eines entsprechenden Auswurfmaterials 42 repräsentiert.
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Zwischen der Fehlerzelle 40 und der Zwischendecke 36 ist vorliegend ein Führungselement 44 angeordnet. Dieses Führungselement 44 kann beispielsweise ein rohr- oder trichterförmiges Bauteil oder eine entsprechende Ausformung der Zwischendecke 36 sein. Durch das Führungselement 44 wird das aus der Entgasungsstelle 22 der Fehlerzelle 40 austretende Auswurfmaterial 42 zu der darüber angeordneten Sollbruchstelle 28 und durch diese in den Aufnahmeraum 38 geführt oder geleitet. Wie hier schematisch angedeutet ist, wird damit das Auswurfmaterial 42 in dem Aufnahmeraum 38 auch auf der von den Batteriezellen 12 abgewandten Oberseite der Zwischendecke 36 abgelagert, ohne zu den der Fehlerzelle 40 benachbarten Batteriezellen 12 zu gelangen.
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Der Übersichtlichkeit halber ist hier nur für die Fehlerzelle 40 das Führungselement 44 dargestellt. In der Praxis kann ein solches Führungselement 44 oberhalb jeder der Batteriezellen 12 angeordnet sein und von deren jeweiliger Entgasungsstelle 22 zu einer jeweils zugeordneten Sollbruchstelle 28 der Zwischendecke 36 führen.
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Je nach Ausgestaltung, beispielsweise abhängig von einer Größe der Batteriezellen 12 und einem für die Batterie 30 insgesamt zur Verfügung stehenden Bauraum, kann der Abstand der Zwischendecke 36 von dem Batteriedeckel 34, also eine Höhe des Aufnahmeraum 38, beispielsweise im Bereich einiger Millimeter bis hin zu einigen Zentimetern betragen, beispielsweise zwischen 5 mm und 2 cm.
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Durch die hier beschriebenen Ausgestaltungen mit der Schutzplatte 26 können im Falle einer havarierenden Batteriezelle 12 die weiteren Batteriezellen 12 sowie andere Batterieteile, wie etwa das Zellkontaktierungselement 16, vor leitfähigen oder heißen Partikeln geschützt werden. Damit kann also insgesamt eine Schutzvorrichtung bzw. ein Schutz vor leitfähigem und/oder heißem Zellauswurf im Falle havarierender Zellen realisiert werden, um eine verbesserte Sicherheit eines mehrzelligen elektrischen Hochwertspeichers auch im thermischen Fehlerfall zu erreichen.
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Bezugszeichenliste
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- 10
- Zellmodul
- 12
- Batteriezellen
- 14
- Kontakte
- 16
- Zellkontaktierungselement
- 18
- Moduldeckel
- 20
- Kühler
- 22
- Entgasungsstellen
- 24
- Durchlässe
- 26
- Schutzplatte
- 28
- Sollbruchstellen
- 30
- Batterie
- 32
- Batteriegehäuse
- 34
- Batteriedeckel
- 36
- Zwischendecke
- 38
- Aufnahmeraum
- 40
- Fehlerzelle
- 42
- Auswurfmaterial
- 44
- Führungselement
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- DE 102013223361 A1 [0004]
