DE102020212684B4 - Hochvoltbatterie für ein elektrisch betriebenes Fahrzeug - Google Patents

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Abstract

Die Erfindung betrifft eine Hochvoltbatterie für ein elektrisch betriebenes Fahrzeug mit einem Batteriegehäuse (13) aus einem, in Batterie-Einbaulage oberen Gehäusedeckel (15) und einem Gehäuseunterteil (18), die einen Gehäuse-Innenraum begrenzen, in dem zumindest ein Batteriemodul (23) angeordnet ist, wobei der Hochvoltbatterie (9) ein Druckausgleichelement zugeordnet ist, das für eine Notentgasung in einem Batteriebrandfall nach außen öffnet, sobald ein Innendruck im Gehäuse-Innenraum einen vordefinierten Überdruck-Grenzwert erreicht. Erfindungsgemäß ist das Druckausgleichelement aus einem Faserverbundkunststoff mit einem in einer Kunststoffmatrix (37) eingebetteten Faserhalbzeug (35) gefertigt. Im Batteriebrandfall wird unter thermischer Zerstörung der Kunststoffmatrix (37) ein Faserhalbzeug-Bereich (36) freigelegt. Ab Erreichen des Überdruck-Grenzwerts öffnen sich im freigelegten Faserhalbzeug-Bereich (36) Faser-Zwischenräume für die Notentgasung.

Description

  • Die Erfindung betrifft eine Hochvoltbatterie für ein elektrisch betriebenes Fahrzeug nach dem Oberbegriff des Anspruches 1, ein elektrisch betriebenes Fahrzeug gemäß Anspruch 11 sowie ein Batteriemodul nach Anspruch 12.
  • Die Hochvoltbatterie eines elektrisch betriebenen Fahrzeugs kann ein lasttragendes Batteriegehäuse aufweisen, in dem eine Anzahl von Batteriemodulen angeordnet ist. Jedes der Batteriemodule kann einen Zellenverbund aus Batteriezellen umfassen, die in Reihe hintereinander jeweils in einem Modulgehäuse des Batteriemoduls angeordnet sind.
  • In einer beispielhaften Hochvoltbatterie weist das Batteriegehäuse in der Batterie-Einbaulage einen oberen Gehäusedeckel und ein Gehäuseunterteil auf, die einen Gehäuse-Innenraum begrenzen, in dem das zumindest eine Batteriemodul angeordnet ist. Der Hochvoltbatterie ist ein Druckausgleichelement zugeordnet. In einem Batteriebrandfall öffnet dieser für eine Notentgasung nach außen, und zwar sobald ein Innendruck im Gehäuse-Innenraum einen vordefinierten Überdruck-Grenzwert erreicht.
  • Im beispielhaften Batteriesystem ist beispielhaft ein Druckausgleichelement in einer Steckerleiste integriert, die an einer dem Fahrzeugheck zugewandten Seite im Batteriegehäuse eingebaut ist. An der Steckerleiste sind Versorgungsleitungen eines heckseitigen Antriebsaggregats mit dem Batteriesystem in elektrische Steckverbindung bringbar.
  • Der Verbau eines solchen herkömmlichen Druckausgleichelements ist aus folgenden Gründen problematisch: Zum einen ist das Druckausgleichelement konstruktiv aufwendig aufgebaut, damit es die Anforderungen an eine Notentgasung erfüllen kann. Zum anderen sitzt ein einzelnes Druckausgleichsventil nur lokal an einer Stelle des Batteriesystems. Folglich kann nicht für jede Zelle eine gute Gasabführung gewährleistet werden. Mehrere Druckausgleichsventile sind kostenintensiv und schwächen die Rahmenstruktur, welche zumeist crashrelevant ist. Zudem ist der Bauraum innerhalb eines Batteriesystems knapp und wird meist zu Gunsten der Reichweite an den Energiespeicher abgegeben.
  • Aus der DE 10 2013 220 778 A1 ist ein Batteriegehäuse für eine Traktionsbatterie eines Fahrzeugs bekannt. Das Batteriegehäuse ist aus einem Faserverbundkunststoff hergestellt. Die US 2012 / 0 064 381 A1 offenbart eine gattungsgemäße, filmbeschichtete, elektrische Vorrichtung und ein Verfahren zur Herstellung derselben.
  • Die Aufgabe der Erfindung besteht darin, eine Hochvoltbatterie für ein elektrisch betriebenes Fahrzeug bereitzustellen, das ein im Vergleich zum Stand der Technik einfach ausgeführtes Druckausgleichelement aufweist und/oder im Brandfall eine verbesserte Druckableitung an mehreren Stellen ermöglicht.
  • Die Aufgabe ist durch die Merkmale des Anspruches 1,11 oder 12 gelöst. Bevorzugte Weiterbildungen der Erfindung sind in den Unteransprüchen offenbart.
  • In einer konkreten Ausführungsvariante der Erfindung ist der komplette Gehäusedeckel aus einem Organoblech gefertigt. Erfindungsgemäß wird mit dem Organoblech einerseits ein Flammendurchschlag vermieden. Andererseits wird das Organoblech gezielt zur Begrenzung eines Maximal-Drucks genutzt. Im Falle einer thermischen Reaktion einer Zelle schmilzt das Matrixmaterial (Thermoplast) des darüberliegenden Organoblech-Deckels. Das Fasergewebe (z.B. Glasfaser) kann den hohen Temperaturen standhalten, was ein Durchschlagen der Flammen verhindert. Zwischen den einzelnen freigelegten Fasern kann Gas entweichen. Dies begünstigt das Ausströmen heißer Gase und verhindert somit weitere Reaktionen innerhalb des Batteriesystems.
  • Ein wesentlicher Unterschied zum Stand der Technik besteht darin, dass der Deckel eine dezentrale Druckausgleichsmöglichkeitdarstellt. Der Ausströmmechanismus kann also nahe der betroffenen Zelle(n) erfolgen. Der Faserabstand und die Anzahl der Fasermatten muss so gewählt werden, dass im Falle einer thermischen Reaktion ein „Schaltdruck“ (nachfolgend als Überdruck-Grenzwert bezeichnet) von ca. 0,05 bar gewährleistet wird. Der erzeugte Volumenstrom ist abhängig von der vom Matrixmaterial frei gebrannten Fläche (nachfolgend als freigelegter Faserhalbzeug-Bereich bezeichnet). Bei einer freiliegenden Fläche von 500 mm2 sollen 20 I/s Notentgasungsvolumenstrom gewährleistet sein. Weiterhin ist der Organoblechdeckel durch das Matrixmaterial im normalen Fahrzeugbetrieb dicht gegenüber Feuchtigkeit, Schmutz und Gas.
  • Statt einer durchgängigen Gewebematte aus Glas- oder Kohlefaser ist es möglich, gezielt einzelne Thermoplast-Fasern einzuweben. Im Fall von Hitze und Gasentwicklung im Batteriesystem verbrennen die Thermoplast-Fasern und es entstehen Freistellen, an denen das Gas entweichen kann.
  • Ein entscheidender Vorteil gegenüber heutigen Druckausgleichsventilen ist es, dass das Gas direkt an der betroffenen Zelle entweichen kann, da der Deckel über jeder Zelle liegt. Weiterhin ist kein zusätzliches Bauteil erforderlich: Der Deckel bringt im Fahrzeugbetrieb eine ausreichende Dichtigkeit mit sich (gute Funktionsintegration, Kosteneinsparung). Die Steifigkeit eines Organoblechdeckels liegt bei niedrigerem Gewicht über der des heutigen Blech-Deckels.
  • Nachfolgend werden Aspekte der Erfindung im Einzelnen hervorgehoben: So ist gemäß dem Anspruch 1 das Druckausgleichelement nicht mehr mehrteilig aus Einzelkomponenten aufgebaut, sondern vielmehr aus einem Faserverbundkunststoff gefertigt, und zwar mit einem in einer Kunststoffmatrix eingebetteten Faserhalbzeug. Im Batteriebrandfall wird unter thermischer Zerstörung der Kunststoffmatrix ein Faserhalbzeug-Bereich freigelegt. Der freigelegte Faserhalbzeug-Bereich ist so ausgelegt, dass sich ab Erreichen des Überdruck-Grenzwerts Faser-Zwischenräume für die Notentgasung öffnen.
  • In einer technischen Umsetzung ist das erfindungsgemäße Druckausgleichselement im Gehäusedeckel integriert. Besonders bevorzugt ist es, wenn der komplette Gehäusedeckel aus dem Faserverbundkunststoff gefertigt ist, um - in Abgrenzung zu aus dem Stand der Technik bekannten lokalen Druckausgleichelementen - eine dezentrale Druckausgleichfunktion im Batteriebrandfall bereitzustellen.
  • Alternativ oder zusätzlich kann das erfindungsgemäße Druckausgleichelement auch in einem Gehäusedeckel eines Modulgehäuses des Batteriemoduls integriert sein. Bevorzugt kann auch der Gehäusedeckel des Modulgehäuses komplett aus dem Faserverbundkunststoff gefertigt sein. In dem Modulgehäuse sind eine Vielzahl von Batteriezellen gestapelt. Das Modulgehäuse weist analog zum Batteriegehäuse, den oberen Gehäusedeckel sowie ein Gehäuseunterteil auf, die einen Modul-Innenraum begrenzen, in dem die Batteriezellen positioniert sind.
  • In einer technischen Umsetzung ist der Faserabstand und/oder die Materialdicke des Faserhalbzeugs derart bemessen, dass im freigelegten Faserhalbzeug-Bereich Gasdichtheit gewährleistet ist, bis der Innendruck im Batteriegehäuse den Überdruck-Grenzwert erreicht. Bei Übersteigen des Überdruck-Grenzwerts öffnen sich die Faser-Zwischenräume im freigelegten Faserhalbzeug-Bereich, wodurch das im Batteriebrandfall gebildete Abgas austreten kann.
  • In einer technischen Realisierung sind die Fasern des Faserhalbzeugs so ausgelegt, dass sie im Batteriebrandfall thermisch stabil bleiben, das heißt den hohen Temperaturen zerstörungsfrei standhalten können. Bevorzugt können hierzu Glasfasern oder Kohlenstofffasern verwendet werden. Die Kunststoffmatrix kann beispielhaft aus Polyamid oder Polypropylen bestehen, die sich bei den im Brandfall vorherrschenden Temperaturen thermisch zersetzen. In einer bevorzugten Ausführungsvariante ist der Gehäusedeckel ein Organoblechteil aus einem endlosfaserverstärkten thermoplastischen Faserverbundkunststoff. Organobleche sind Kunststoffe, die mit einem meist mehrlagigem Gewebe verstärkt sind.
  • Erfindungsgemäß ist das in der Kunststoffmatrix eingebettete Faserhalbzeug ein ein- oder mehrlagig aufgebauter Fasergewebe-Zuschnitt, insbesondere aus einer Fasergewebe-Endlosbahn. Diese kann ein in der Fertigungsrichtung ausgerichtetes Kettfadensystem aus thermisch stabilen Fasern und ein rechtwinklig dazu verkreuztes Schussfadensystem aus ebenfalls thermisch stabilen Fasern aufweisen.
  • In einer bevorzugten Ausführungsvariante kann das Faserhalbzeug zusätzlich zu den thermisch stabilen Fasern Druckausgleich-Fasern aufweisen. Im Gegensatz zu den thermisch stabilen Fasern sind die Druckausgleich-Fasern thermisch im Batteriebrandfall zerstörbar. In diesem Fall werden im Batteriebrandfall nicht nur die Kunststoffmatrix thermisch zerstört, sondern zusätzlich auch die Druckausgleich-Fasern, und zwar unter Bildung eines Abgas-Auslasses im freigelegten Faserhalbzeug-Bereich.
  • Nachfolgend sind Ausführungsbeispiele der Erfindung anhand der beigefügten Figuren beschrieben.
  • Es zeigen:
    • 1 in einer Seitenschnittdarstellung eine in einer Karosseriebodenstruktur des Fahrzeugs verbaute Hochvoltbatterie;
    • 2 in einer perspektivischen Ansicht die Hochvoltbatterie in Alleinstellung;
    • 3 ein in der Hochvoltbatterie verbautes Batteriemodul mit teilweisem Aufriss sowie in Alleinstellung;
    • 4 eine Detailansicht auf ein Faserhalbzeug des Gehäusedeckels;
    • 5 in Detailansicht den Gehäusedeckel mit im Batteriebrandfall freigelegtem Faserhalbzeug-Bereich; und
    • 6 und 7 jeweils Ansichten entsprechend 4 und 5.
  • In der 1 ist eine Karosseriebodenstruktur eines zweispurigen Fahrzeugs gezeigt, die nachfolgend insoweit beschrieben ist, als es für das Verständnis der Erfindung erforderlich ist. Demzufolge weist die Karosseriebodenstruktur zwei seitliche, in der Fahrzeuglängsrichtung x verlaufende Schweller 1 auf, von denen in der 1 lediglich einer gezeigt ist. Der Schweller 1 erstreckt sich in der Fahrzeuglängsrichtung x zwischen einer vorderen A-Säule sowie einer hinteren C-Säule und begrenzt bodenseitig Seitentüröffnungen. Im Fahrzeugboden 10 der Karosseriebodenstruktur ist an dessen Unterseite eine crashsensible Hochvoltbatterie 9 verbaut. Diese ist unterhalb des Fahrzeugbodens 10 positioniert und erstreckt sich in der Fahrzeugquerrichtung y zwischen den beiden Schwellern 1.
  • Wie aus der 1 hervorgeht, ist die Hochvoltbatterie 9 in der Fahrzeughochrichtung z betrachtet in etwa auf gleicher Höhe wie der Schweller 1 positioniert. Die Hochvoltbatterie 9 weist in der 1 oder 2 ein Batteriegehäuse 13 auf, und zwar mit einem Gehäusedeckel 15 sowie einem Gehäuseunterteil 18 (2), bestehend aus Gehäuseseitenwand 16 und Bodenwand 17. Die Gehäuse-Seitenwand 16 ist mit einem seitlich abragenden, umlaufenden Gehäuseflansch 19 ausgebildet, der den Schweller 1 untergreift und mit diesem in einer Schraubverbindung 21 ist. Beim Zusammenbauvorgang wird die Hochvoltbatterie 9 in einer Fügerichtung von fahrzeugunten in einen Montageraum 8 eingesetzt, der nach fahrzeugoben von dem Fahrzeugboden 10 begrenzt ist. Anschließend wird der Gehäuseflansch 19 der Hochvoltbatterie 9 mit der Fahrzeugkarosserie verschraubt.
  • Innerhalb des Batteriegehäuses 13 der Hochvoltbatterie 9 sind unter anderem Batteriezellenmodule 23 angeordnet. Zudem ist in der 2 an der, einem Fahrzeugheck zugewandten Gehäuseseitenwand 16 eine Steckerleiste 25 positioniert, an der Versorgungsleitungen eines nicht gezeigten heckseitigen Antriebsaggregats in elektrische Steckverbindung mit dem Batteriesystem bringbar sind.
  • In der 3 ist eines der Batteriemodule 23 in Alleinstellung gezeigt. Demzufolge weist das Batteriemodul 23 ein Batteriemodul-Gehäuse 27 auf, in dem ein Zellenverbund aus in Reihe hintereinander angeordneter, prismatischer Batteriezellen 29 angeordnet ist. Das Modulgehäuse 27 ist in der 3 aus umlaufenden Gehäuse-Seitenwänden 31, die den Zellenverbund umfassen, aus einer nicht gezeigten Bodenwand sowie aus einem Gehäusedeckel 33 ausgebildet, der die Modul-Oberseite überdeckt. Der Gehäusedeckel 33 des Modulgehäuses 27 wirkt bei der Batterie-Montage als Berührschutz für einen Werker, um eine Hochvolt-Sicherung zu realisieren, bei der die auf der Batteriezellen-Oberseite angeordneten Elektronikkomponenten, etwa Zellen-Pole und/oder Polverbinder, mit Bezug auf den Werker berührsicher angeordnet sind.
  • Anhand der 4 und 5 ist in Detailansicht der Materialaufbau des Gehäusedeckels 15 des Batteriegehäuses 13 beschrieben. Demnach ist der komplette Gehäusedeckel 15 aus einem Faserverbundkunststoff gefertigt, bei dem ein Faserhalbzeug 35 (4) in einer Kunststoffmatrix 37 (5) eingebettet ist. In der 4 ist das Faserhalbzeug 35 in Alleinstellung gezeigt. Das Faserhalbzeug 35 ist ein ein- oder mehrlagig aufgebauter Fasergewebe-Zuschnitt aus einer Fasergewebe-Endlosbahn, die ein in der Fertigungsrichtung F ausgerichtetes Kettfadensystem 39 aus thermisch stabilen Fasern 41 und ein rechtwinklig verkreuztes Schussfadensystem 43 aus ebenfalls stabilen Fasern 41 aufweist. Die Fasern 41 können beispielhaft Glasfasern oder Kohlenstofffasern sein. Der komplette Gehäusedeckel 15 ist als ein Organoblechteil aus einem endlosfaserverstärkten thermoplastischen Faserverbundkunststoff gefertigt, bei dem die Kunststoffmatrix 37 beispielhaft ein Polyamid oder ein Polypropylen ist.
  • Der Kern der Erfindung besteht darin, dass der Gehäusedeckel 15 des Batteriegehäuses 13 in Zusatzfunktion auch als ein Druckausgleichelement arbeitet. In einem solchen Batteriebrandfall wird unter thermischer Zerstörung der Kunststoffmatrix 37 ein Faserhalbzeug-Bereich 36 ( 5) freigelegt. Die Faserstruktur (d.h. Faserdichte, Faserabstände, Schichtdicke des Faserhalbzeugs) ist dabei im freigelegten Faserhalbzeug-Bereich 36 so ausgelegt, dass sich Faser-Zwischenräume öffnen, sobald ein Innendruck im Batteriegehäuse 13 einen Überdruck-Grenzwert erreicht. Erfindungsgemäß ist somit der Faserabstand und die Materialdicke des Faserhalbzeugs 35 derart bemessen, dass bei freigelegtem Faserhalbzeug-Bereich 36 so lange Gasdichtheit gewährleistet ist, bis der Innendruck den vordefinierten Überdruck-Grenzwert erreicht hat.
  • In der 6 ist ein Faserhalbzeug 35 gemäß einem weiteren Ausführungsbeispiel gezeigt. In dem Faserhalbzeug 35 sind zusätzlich zu den thermisch stabilen Fasern 41 weitere Druckausgleich-Fasern integriert. Diese sind beispielhaft Thermoplastfasern, die im Batteriebrandfall thermisch nicht stabil sind. Im Batteriebrandfall werden daher nicht nur die Kunststoffmatrix 37 thermisch zerstört, sondern auch die Druckausgleich-Fasern, wodurch sich im freigelegten Faserhalbzeug-Bereich 36 ein Abgas-Auslass 47 (7) ergibt, durch den im Brandfall erzeugtes Abgas nach außen abgeführt werden kann.
  • Bezugszeichenliste
    • 1
    Schweller
    8
    Montageraum
    9
    Hochvoltbatterie
    10
    Fahrzeugboden
    13
    Batteriegehäuse
    15
    Gehäusedeckel
    16
    Gehäuseseitenwand
    17
    Bodenwand
    19
    Gehäuseflansch
    21
    Schraubstelle
    23
    Batteriemodul
    25
    Steckerleiste
    27
    Modulgehäuse
    29
    Batteriezellen
    31
    umlaufende Gehäuseseitenwand
    33
    Gehäusedeckel
    35
    Faserhalbzeug
    36
    freigelegter Faserhalbzeug-Bereich
    37
    Kunststoffmatrix
    39
    Kettfadensystem
    41
    thermisch stabile Fasern
    43
    Schussfadensystem

Claims (12)

  1. Hochvoltbatterie für ein elektrisch betriebenes Fahrzeug mit einem Batteriegehäuse (13) aus einem, in Batterie-Einbaulage oberen Gehäusedeckel (15) und einem Gehäuseunterteil (18), die einen Gehäuse-Innenraum begrenzen, in dem zumindest ein Batteriemodul (23) angeordnet ist, wobei der Hochvoltbatterie (9) ein Druckausgleichelement zugeordnet ist, das für eine Notentgasung in einem Batteriebrandfall nach außen öffnet, sobald ein Innendruck im Gehäuse-Innenraum einen vordefinierten Überdruck-Grenzwert erreicht, wobei das Druckausgleichelement aus einem Faserverbundkunststoff gefertigt ist mit einem in einer Kunststoffmatrix (37) eingebetteten Faserhalbzeug (35), wobei im Batteriebrandfall unter thermischer Zerstörung der Kunststoffmatrix (37) ein Faserhalbzeug-Bereich (36) freigelegt ist, und wobei ab Erreichen des Überdruck-Grenzwerts sich im freigelegten Faserhalbzeug-Bereich (36) Faser-Zwischenräume für die Notentgasung öffnen, dadurch gekennzeichnet, dass das in der Kunststoffmatrix (37) eingebettete Faserhalbzeug (35) ein ein- oder mehrlagig aufgebauter Fasergewebe-Zuschnitt ist.
  2. Hochvoltbatterie nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das Druckausgleichselement im Gehäusedeckel (15) des Batteriegehäuses (13) integriert ist, und/oder dass das Druckausgleichselement in einem Gehäusedeckel (33) eines Modulgehäuses (27) des Batteriemoduls (23) integriert ist, und dass im Modulgehäuse (27) Batteriezellen (29) gestapelt sind.
  3. Hochvoltbatterie nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass der komplette Gehäusedeckel (15, 33) aus dem Faserverbundkunststoff oder einer Metall-Kunststoff-Hybridstruktur gefertigt ist.
  4. Hochvoltbatterie nach Anspruch 1, 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, dass der Faserabstand und/oder die Materialdicke des Faserhalbzeugs (35) derart bemessen ist, dass im Batteriebrandfall im freigelegtem Faserhalbzeug-Bereich (36) Gasdichtheit bis zum Erreichen des Überdruck-Grenzwerts gewährleistet ist.
  5. Hochvoltbatterie nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass sich im freigelegten Faserhalbzeug-Bereich (36) erstreckende Fasern (41) im Batteriebrandfall thermisch stabil bleiben, das heißt den hohen Temperaturen zerstörungsfrei standhalten.
  6. Hochvoltbatterie nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Fasern (41) des Faserhalbzeugs (35) Glasfasern oder Kohlenstofffasern sind, und/oder dass die Kunststoffmatrix (37) aus Polyamid oder Polypropylen besteht.
  7. Hochvoltbatterie nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Gehäusedeckel (15, 33) ein Organoblechteil aus einem endlosfaserverstärkten thermoplastischen Faserverbundkunststoff ist.
  8. Hochvoltbatterie nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Faserhalbzeug (35) ein ein- oder mehrlagig aufgebauter Fasergewebe-Zuschnitt aus einer Fasergewebe-Endlosbahn ist, die ein Kettfadensystem (39) aus thermisch stabilen Fasern (41) und ein rechtwinklig dazu verkreuztes Schussfadensystem (43) aus thermisch stabilen Fasern (41) aufweist.
  9. Hochvoltbatterie nach einem der Ansprüche 4 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass im Faserhalbzeug (35) zusätzlich zu den thermisch stabilen Fasern (41) DruckausgleichFasern integriert sind, und dass im Batteriebrandfall nicht nur die Kunststoffmatrix (37), sondern auch die Druckausgleich-Fasern thermisch zerstört werden, und zwar unter Bildung eines Abgas-Auslasses (47) im freigelegten Faserhalbzeug-Bereich (36).
  10. Hochvoltbatterie nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Gehäuseunterteil (18) aus Metall oder aus einem Faserverbundkunststoff gefertigt ist.
  11. Fahrzeug mit einer Hochvoltbatterie (9) nach einem der vorhergehenden Ansprüche.
  12. Batteriemodul für eine Hochvoltbatterie nach einem der Ansprüche 1 bis 10.
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