DE102020201410A1 - Elektrisch betriebenes Fahrzeug - Google Patents

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Christoph Hagedorn
Jonathan Häde
Martin Edler
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Volkswagen AG
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Abstract

Die Erfindung betrifft ein elektrisch betriebenes Fahrzeug, mit Elektrisch betriebenes Fahrzeug, mit einem in der Fahrzeughochrichtung (z) nach fahrzeugunten offenen Montageraum für eine Hochvoltbatterie (5), der in der Fahrzeughochrichtung (z) nach fahrzeugoben durch einen Fahrzeugboden (3) begrenzt ist, und in der Fahrzeugquerrichtung (y) durch seitliche, in der Fahrzeuglängsrichtung (x) verlaufende Schweller (1) begrenzt ist, wobei ein dem Fahrzeugboden (3) zugewandter Batteriedeckel (9) und ein Gehäuseunterteil (7) der Hochvoltbatterie (5) einen Gehäuseinnenraum begrenzen, in dem Batteriezellen (13) angeordnet sind. Erfindungsgemäß ist dem Batteriedeckel (9) eine batterieäußere Brandschutzlage (23) zugeordnet. Die batterieäußere Brandschutzlage (23) bildet zusammen mit dem Batteriedeckel (9) zumindest einen Flammentunnel (25), durch den aus einer havarierten Batteriezelle (13) austretendes Abgas (A) und/oder Reaktionsprodukte abführbar sind.

Description

  • Die Erfindung betrifft ein elektrisch betriebenes Fahrzeug nach dem Oberbegriff des Anspruches 1 sowie eine Hochvoltbatterie nach Anspruch 7.
  • Ein gattungsgemäßes elektrisch betriebenes, zweispuriges Fahrzeug weist einen, in der Fahrzeughochrichtung nach fahrzeugunten offenen Montageraum für eine Hochvoltbatterie auf. Der Montageraum ist nach fahrzeugoben von einem Fahrzeugboden begrenzt. Zudem ist der Montageraum für die Hochvoltbatterie in der Fahrzeugquerrichtung beidseitig durch, in der Fahrzeuglängsrichtung verlaufende seitliche Schweller begrenzt. Diese definieren zudem einen unten Rand eines Seitentür-Ausschnitts des Fahrzeugs. Ein solches Fahrzeug ist beispielhaft aus der DE 10 2017 205 447 A1 bekannt. Den seitlichen Schwellern ist jeweils zumindest ein Türeinstiegsbereich zugeordnet, über den ein Fahrzeuginsasse aus dem Fahrzeug aussteigen bzw. in das Fahrzeug einsteigen kann.
  • Bei einem Batteriebrand können heiße Abgase bzw. Reaktionsprodukte von der Hochvoltbatterie entlang der Fahrzeugunterseite in der Fahrzeugquerrichtung bis seitlich über die Schweller hinaus in den Türeinstiegsbereich vordringen. In diesem Fall kann das Aussteigen des Fahrzeuginsassen am Türeinstiegsbereich des Fahrzeugs beeinträchtigt sein.
  • Aus der EP 2 244 318 A2 ist eine Hochvoltbatterie bekannt, deren Gehäuseunterteil und deren Batteriedeckel einen Gehäuseinnenraum begrenzen, in dem Batteriezellen angeordnet sind.
  • Die Aufgabe der Erfindung besteht darin, ein elektrisch betriebenes Fahrzeug bereitzustellen, bei dem Havariefall der Hochvoltbatterie das Aussteigen eines Fahrzeuginsassen aus dem Fahrzeug ohne Beeinträchtigung erfolgen kann.
  • Die Aufgabe ist durch die Merkmale des Anspruches 1 oder 7 gelöst. Bevorzugte Weiterbildungen der Erfindung sind in den Unteransprüchen offenbart.
  • Gemäß dem kennzeichnenden Teil des Anspruches 1 ist dem Batteriedeckel eine batterieäußere Brandschutzlage zugeordnet. Die batterieäußere Brandschutzlage bildet zusammen mit dem Batteriedeckel zumindest einen Flammentunnel. Durch den Flammentunnel können aus einer havarierten Batteriezelle der Hochvoltbatterie austretende heiße Abgase sowie Reaktionsprodukte davon zielgerichtet abgeführt werden. Der Flammentunnel weist in der Fahrzeuglängsrichtung ausgerichtete Tunnel-Auslässe auf und ist in der Fahrzeugquerrichtung durch Tunnel-Seitenwände begrenzt. Auf diese Weise wird verhindert, dass im Bereich des Schwellers heiße Abgase und Flammen, die eine Gefahr für den Insassen darstellen, austreten können.
  • Im Falle einer Batteriehavarie bzw. eines thermischen Events wird der zum aus Aluminium gefertigte Batteriedeckel gezielt durchgebrannt, um zu verhindern, dass sich zu viel Wärme im Batteriesystem sammelt, was zu einer explosionsartigen Zerstörung des Batteriedeckels führen würde. Die gewollt aus dem Batteriesystem austretenden Flammen und Abgase werden durch ein in der äußeren Brandschutzlage integriertes Kanalsystem zum vorderen und/oder zum hinteren Ende des Fahrzeugs gezielt abgeleitet. Das Brandschutzmaterial der äußeren Brandschutzlage kann dabei von Abstandshaltern in einer definierten Distanz zum Batteriedeckel gehalten sein, um den Gasfluss möglichst möglichst wenig zu behindern.
  • In einer technischen Umsetzung können die materialstarken Tunnel-Seitenwände und eine dem Fahrzeugboden zugewandte materialreduzierte Tunnel-Deckwand materialeinheitlich und/oder einstückig in der Brandschutzlage ausgebildet sein. Die äußere Brandschutzlage kann horizontal verlaufend in einem Montagespalt zwischen dem Batteriedeckel und dem Fahrzeugboden angeordnet sein. Die jeweilige materialstarke Tunnel-Seitenwand kann zwischen dem Fahrzeugboden und dem Batteriedeckel bzw. den Fahrzeugboden und dem Gehäuseunterteil der Hochvoltbatterie eingepresst sein. Im Hinblick auf eine gesteigerte Schutzwirkung auf den, im Batterie-Havariefall aus dem Fahrzeug tretenden Fahrzeuginsassen ist es bevorzugt, wenn die Tunnel-Seitenwand als eine Doppelwand realisiert ist. Die Doppelwand kann eine innere Teilwand und eine äußere Teilwand aufweisen, die mit Abstand zueinander sich in der Fahrzeuglängsrichtung erstrecken und über einen materialdünnen Brandschutzlagen-Materialsteg miteinander verbunden sind.
  • In gängiger Praxis können die Batteriezellen als prismatische Batteriezellen ausgebildet sein. Diese sind in an sich bekannter Weise in einer Stapelrichtung in Reihe hintereinander angeordnet. Die Batteriezellen weisen jeweils an ihren Zellengehäuse-Oberseiten einen Abgas-Auslass auf, der im Normalbetrieb mittels einer Berstscheibe geschlossen ist. Für eine gesteigerte Brandschutzwirkung kann die Hochvoltbatterie zusätzlich zur batterieäußeren Brandschutzlage eine batterieinnere Brandschutzlage aufweisen. Diese kann in einem batterieinneren Montagespalt zwischen den Zellengehäuse-Oberseite und dem Batteriedeckel angeordnet sein. Um im Havariefall ein gezieltes Durchschmelzen des Batteriedeckels zu gewährleisten, muss die batterieinnere Brandschutzlage zumindest eine Durchtrittsöffnung aufweisen, die in Flucht oberhalb der Abgas-Auslässe der Batteriezellen angeordnet ist.
  • Auf diese Weise ergibt sich bei einem thermischen Event in einer Batteriezelle der folgende Ablauf: So trifft das von der havarierten Batteriezelle ausströmende heiße Abgas gegen den Gehäusedeckel. Der geschlossene Gehäusedeckel fängt noch einen ersten abrasiven Partikelauswurf ab. Anschließend schmilzt der Gehäusedeckel lokal begrenzt durch. Auf diese Weise wird ein Abgas-Zugang vom Gehäuseinnenraum zum Flammentunnel freigelegt. Das aus der havarierten Batteriezelle austretende heiße Abgas wird daher vom Gehäuseinnenraum über den Flammentunnel nach batterieaußen abgeführt. Ein Übergreifen des thermischen Events auf benachbarte, funktionsfähige Batteriezellen kann dadurch verhindert werden.
  • Die Tunnel-Deckwand der batterieäußeren Brandschutzlage ist im Normalbetrieb um eine freie Tunnelhöhe vom Batteriedeckel beabstandet. Zur Aufrechterhalten der freien Tunnelhöhe kann die Tunnel-Deckwand über zumindest einen Abstandhalter auf dem Batteriedeckel abgestützt sein. Der Abstandhalter kann mit Abstand zwischen den beiden Tunnel-Seitenwänden positioniert sein.
  • Nachfolgend sind Ausführungsbeispiele der Erfindung anhand der beigefügten Figuren beschrieben.
  • Es zeigen:
    • 1 in einer Teilschnittdarstellung eine Karosserie-Bodengruppe eines elektrisch betriebenen Fahrzeugs;
    • 2 eine vergrößerte Teilschnittdarstellung der Fahrzeug-Bodengruppe;
    • 3 und 4 jeweils Ansichten, anhand derer ein Schichtaufbau der äußeren und inneren Brandschutzlagen dargestellt ist;
    • 5 in einer Ansicht entsprechend der 2 eine Abgas-Ableitung bei einem thermischen Event in einer Batteriezelle in den Flammen-Tunnel;
    • 6 bis 10 jeweils Ansichten unterschiedlicher Ausführungsvarianten.
  • In der 1 ist eine bodenseitige Karosseriestruktur eines zweispurigen Fahrzeugs gezeigt, die nachfolgend insoweit beschrieben ist, als es für das Verständnis der Erfindung erforderlich ist. Demzufolge weist die bodenseitige Karosseriestruktur zwei seitliche, in der Fahrzeuglängsrichtung x verlaufende Schweller 1 auf, von denen in der 1 lediglich einer gezeigt ist. Die in der 1 nicht gezeigte Fahrzeughälfte ist mit Bezug auf die Fahrzeuglängsebene E im Wesentlichen spiegelbildlich aufgebaut. Der Schweller 1 erstreckt sich in der Fahrzeuglängsrichtung x zwischen einer vorderen A-Säule und einer hinteren Fahrzeug-Säule und bildet einen bodenseitigen Türeinstiegsbereich 2 für Fahrzeuginsassen. In einem Fahrzeugboden 3 der Karosseriestruktur ist an deren Unterseite eine Hochvoltbatterie 5 verbaut. Diese ist unterhalb des Fahrzeugbodens 3 positioniert und erstreckt sich in einem Montageraum in der Fahrzeugquerrichtung y zwischen den beiden Schwellern 1. Die Hochvoltbatterie 5 ist in der 1 in etwa auf gleicher Höhe wie die Schweller 1 positioniert. In der 1 weist die Hochvoltbatterie 5 ein Batteriegehäuse auf, das aus einem Gehäuseunterteil 7 und einem Gehäusedeckel 9 aufgebaut ist, der über einen Montagespalt 11 von dem darüber angeordneten Fahrzeugboden 3 beabstandet ist.
  • In einem Gehäuseinnenraum der Hochvoltbatterie 5 sind prismatische Batteriezellen 13 in einer Stapelrichtung hintereinander gestapelt. Die Zellengehäuse-Oberseiten der Batteriezellen 13 weisen in der 2 jeweils einen Abgas-Auslass 15, der im Normalbetrieb (2) von einer Berstscheibe geschlossen ist. Die Abgas-Auslässe 15 der Batteriezellen 13 sind in der 2 in der Stapelrichtung y in Flucht hintereinander ausgerichtet.
  • Die Hochvoltbatterie 5 weist in der 1 oder 2 eine batterieinnere Brandschutzlage 17 auf, die in einem Montagespalt 19 zwischen den Zellengehäuse-Oberseiten und dem Batteriedeckel 9 (zum Beispiel aus Aluminium gefertigt) angeordnet ist. Wie aus der 2 hervorgeht, ist die batterieinnere Brandschutzlage 17 mit Durchtrittsöffnungen 21 ausgebildet, die in Flucht oberhalb der Abgas-Auslässe 15 der Batteriezellen 13 positioniert sind.
  • In dem batterieäußeren Montagespalt 11 zwischen dem Gehäusedeckel 9 und dem Fahrzeugboden 3 ist eine batterieäußere Brandschutzlage 23 positioniert, die zusammen mit dem Batteriedeckel 9 zumindest einen Flammentunnel 25 bilden. Der Flammentunnel 25 ist in der Fahrzeugquerrichtung y durch Tunnel-Seitenwände 27 begrenzt. In der Fahrzeugquerrichtung y mittig zwischen den beiden Tunnel-Seitenwänden 27 verläuft eine Tunnel-Mittelwand 28 (1), die den Flammentunnel in der Fahrzeugquerrichtung y teilt. Der Flammentunnel 25 ist in der Fahrzeuglängsrichtung x nach fahrzeugvorne und nach fahrzeughinten mit nicht gezeigten Tunnel-Auslässen ausgebildet.
  • In der 1 oder 2 sind die Tunnel-Seitenwände 27 sowie eine, dem Fahrzeugboden 3 zugewandte Tunnel-Deckwand 29 materialeinheitlich und/oder einstückig in der batterieäußeren, komprimierbaren Brandschutzlage 23 integriert. Gemäß der 3 ist die batterieäußere Brandschutzlage 23 aus einer oberen Isolierschicht 31 sowie einer unteren Mineralwolle-Schicht 33 aufgebaut. Der Zweischichtaufbau ist von einer Verbundfolie 35 umhüllt. In der 4 ist der Materialaufbau der batterieinneren Brandschutzlage 17 gezeigt. Demnach weist die batterieinnere Brandschutzlage ebenfalls eine obere Isolierschicht 31 sowie eine untere Mineralwolle-Schicht 33 auf, wobei die Doppelschichtstruktur ebenfalls mit einer Verbundfolie 35 umhüllt ist.
  • In der 1 oder 2 ist die Tunnel-Seitenwand 27 als eine Doppelwand realisiert, und zwar mit einer fahrzeuginneren Teilwand 37 und einer fahrzeugäußeren Teilwand 39. Die beiden Teilwände 37, 39 sind über einen materialdünnen Brandschutzlagen-Materialsteg 41 verbunden. Die fahrzeuginnere Teilwand 37 ist in der 2 auf dem Batteriedeckel 9 abgestützt, während die fahrzeugäußere Teilwand 39 unter Zwischenlage eines Batteriedeckel-Rands auf dem Gehäuseunterteil 7 der Hochvoltbatterie 5 abgestützt ist. Die beiden Teilwände 37, 39 der Tunnel-Seitenwand 27 sind in den 1 und 2 zwischen dem Fahrzeugboden 10 und dem Batteriedeckel 9 bzw. dem Gehäuseunterteil 7 eingepresst.
  • Anhand der 5 ist ein Abgas-Ableitung bei einem thermischen Event T in einer Batteriezelle 13 beschrieben: Demnach wird die Berstscheibe des Abgas-Auslasses 15 der havarierten Batteriezelle 13 durch die sich bildenden heißen Brandgase sowie Reaktionsprodukte zerstört. Die Brandgase sowie die Reaktionsprodukte kommen somit durch die Durchtrittsöffnung 21 der batterieinneren Brandschutzlage 17 bis in Kontakt mit dem Gehäusedeckel 9. Dessen Material schmilzt durch, so dass ein Abgas-Zugang 43 (5) entsteht, über den die Brandgase in den Flammentunnel 25 einströmen und in der Fahrzeuglängsrichtung x nach fahrzeugvorne und nach fahrzeughinten abgeführt werden. Ein seitliches Austreten von Brandgasen sowie von Flammen am Türeinstiegsbereich 2 ist dadurch verhindert. Der Brandgas-Strömungsweg ist in der 5 durch einen Pfeil A angedeutet.
  • In der 1 ist die Tunnel-Deckwand 29 der batterieäußeren Brandschutzlage 23 um eine freie Tunnelhöhe t vom Batteriedeckel 9 beabstandet. Zur Aufrechterhaltung der Tunnelhöhe t ist die Tunnel-Deckwand 29 über Abstandhalter 45 auf dem Batteriedeckel 9 abgestützt. Die Abstandhalter 45 können unterschiedlich ausgeprägt sein: Demzufolge sind die Abstandhalter 45 in den 1 und 2 als separate Bauteile zwischen der Tunnel-Deckwand 29 und dem Batteriedeckel 9 positioniert. Alternativ dazu sind in den 6 und 7 die Abstandhalter 45 materialeinheitliche Bestandteile der batterieäußeren Brandschutzlage 23 und entweder noppenförmig (6) oder zahnstangenförmig (7) ausgeführt.
  • In den 8, 9 und 10 sind die Abstandhalter 45 in unterschiedlicher Geometrie dargestellt: In der 8 sind die Abstandhalter 45 als geradlinige Strömungsleisten in der Fahrzeuglängsrichtung ausgerichtet. Alternativ dazu sind die Abstandhalter 45 in der 9 eine Vielzahl von im Querschnitt kreisflächenförmiger Bauteile. In der 10 sind die Abstandhalter ebenfalls leistenförmig realisiert und in der Fahrzeugquerrichtung y ausgerichtet sowie in der Fahrzeugquerrichtung y voneinander unterbrochen.
  • Bezugszeichenliste
    • 1
    Schweller
    2
    Türeinstiegsbereich
    3
    Fahrzeugboden
    5
    Hochvoltbatterie
    7
    Gehäuseunterteil
    9
    Gehäusedeckel
    11
    batterieäußerer Montagespalt
    13
    Batteriezellen
    15
    Abgas-Auslass
    17
    batterieinnere Brandschutzlage
    19
    batterieinnerer Montagespalt
    21
    Durchtrittsöffnung
    23
    batterieäußere Brandschutzlage
    25
    Flammentunnel
    27
    Tunnel-Seitenwände
    28
    Tunnel-Mittelwand
    29
    Tunnel-Deckwand
    31
    obere Isolierschicht
    33
    Mineralwolle-Schicht
    35
    Verbundfolie
    37
    fahrzeuginnere Teilwand
    39
    fahrzeugäußere Teilwand
    41
    Materialsteg
    43
    Abgas-Zugang
    45
    Abstandhalter
    T
    thermisches Event
    E
    Fahrzeugmittellängsebene
    t
    Tunnelhöhe
    A
    Brandgas-Strömungsweg
  • ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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  • Zitierte Patentliteratur
    • DE 102017205447 A1 [0002]
    • EP 2244318 A2 [0004]

Claims (7)

  1. Elektrisch betriebenes Fahrzeug, mit einem in der Fahrzeughochrichtung (z) nach fahrzeugunten offenen Montageraum für eine Hochvoltbatterie (5), der in der Fahrzeughochrichtung (z) nach fahrzeugoben durch einen Fahrzeugboden (3) begrenzt ist, und in der Fahrzeugquerrichtung (y) durch seitliche, in der Fahrzeuglängsrichtung (x) verlaufende Schweller (1) begrenzt ist, wobei ein dem Fahrzeugboden (3) zugewandter Batteriedeckel (9) und ein Gehäuseunterteil (7) der Hochvoltbatterie (5) einen Gehäuseinnenraum begrenzen, in dem Batteriezellen (13) angeordnet sind, dadurch gekennzeichnet, dass dem Batteriedeckel (9) eine batterieäußere Brandschutzlage (23) zugeordnet ist, und dass die batterieäußere Brandschutzlage (23) zusammen mit dem Batteriedeckel (9) zumindest einen Flammentunnel (25) bildet, durch den aus einer havarierten Batteriezelle (13) austretendes Abgas (A) und/oder Reaktionsprodukte abführbar sind, und dass insbesondere der Flammentunnel (25) in der Fahrzeuglängsrichtung (x) ausgerichtete Tunnelauslässe aufweist sowie in der Fahrzeugquerrichtung (y) durch Tunnel-Seitenwände (27) begrenzt ist.
  2. Fahrzeug nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Tunnel-Seitenwände (27) und eine dem Fahrzeugboden (3) zugewandte Tunnel-Deckwand (29) materialeinheitlich und/oder einstückig in der batterieäußeren Brandschutzlage (23) ausgebildet sind, und dass die batterieäußere Brandschutzlage (23) in einem Montagespalt (11) zwischen dem Batteriedeckel (9) und dem Fahrzeugboden (3) angeordnet ist, und dass insbesondere die jeweilige Tunnel-Seitenwand (27) zwischen dem Fahrzeugboden (3) und dem Batteriedeckel (9) bzw. dem Gehäuseunterteil (7) eingepresst ist, und/oder dass die Tunnel-Seitenwand (27) als Doppelwand realisiert ist, und zwar mit einer inneren Teilwand (37) und einer äußeren Teilwand (39), die über einen materialdünnen Brandschutzlagen-Materialsteg (41) verbunden sind.
  3. Fahrzeug nach Anspruch 1 oder Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Batteriezellen (13) als prismatische Batteriezellen ausgebildet sind, die in einer Stapelrichtung in Reihe hintereinander angeordnet sind, und dass die Batteriezellen (13) jeweils an ihren Zellengehäuse-Oberseiten einen Abgas-Auslass (15), insbesondere mit Berstscheibe, aufweisen, und dass insbesondere die Hochvoltbatterie (5) eine batterieinnere Brandschutzlage (17) aufweist, die in einem Montagespalt (19) zwischen den Zellengehäuse-Oberseiten und dem Batteriedeckel (9) angeordnet ist.
  4. Fahrzeug nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass die batterieinnere Brandschutzlage (17) zumindest eine Durchtrittsöffnung (21) aufweist, die in Flucht oberhalb der Abgas-Auslässe (15) der Batteriezellen (13) angeordnet ist.
  5. Fahrzeug nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass im Havariefall das von der havarierten Batteriezellen (13) ausströmende heiße Abgas (A) gegen den Gehäusedeckel (9) trifft und diesen durchschmilzt, so dass ein Abgas-Zugang (43) vom Gehäuseinnenraum zum Flammentunnel (25) freigelegt ist, wodurch das heiße Abgas (A) vom Gehäuseinnenraum über den Flammentunnel (25) nach batterieaußen abführbar ist.
  6. Fahrzeug nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Tunnel-Deckwand (29) der batterieäußeren Brandschutzlage (23) um eine freie Tunnelhöhe (t) vom Batteriedeckel (9) beabstandet ist, und dass zur Aufrechterhaltung der Tunnelhöhe (t) die Tunnel-Deckwand (29) über zumindest einen Abstandhalter (45) auf dem Batteriedeckel (9) abstützbar ist, der mit Abstand zwischen den Tunnel-Seitenwänden (27) positioniert ist.
  7. Hochvoltbatterie für ein elektrisch betriebenes Fahrzeug nach einem der vorhergehenden Ansprüche.
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