DE102020213987B3

DE102020213987B3 - Zellmodul für eine Hochvoltbatterie

Info

Publication number: DE102020213987B3
Application number: DE102020213987.3A
Authority: DE
Inventors: Udo Schriever; Jonathan Häde; Christoph Hagedorn; Marwin Lüke
Original assignee: Volkswagen AG
Current assignee: Volkswagen AG
Priority date: 2020-11-06
Filing date: 2020-11-06
Publication date: 2021-12-30
Anticipated expiration: 2040-11-07

Abstract

Die Erfindung betrifft ein Zellmodul für eine Hochvoltbatterie, mit einem Modulgehäuse (3), dessen umlaufende Seitenwände (5, 7) einen Zellstapel einfassen und dessen Gehäusedeckel (9) eine Zellstapel-Oberseite (11) überdeckt, wobei der Gehäusedeckel (9) über einen Montageraum (10) von der Zellstapel-Oberseite (11) beabstandet ist, in dem Zellmodul-Komponenten, etwa Polverbinder (13), angeordnet sind. Erfindungsgemäß weist das Modulgehäuse (3) zumindest einen seitlichen Gasauslass (19) auf. Bei einem thermischen Batteriezellen-Event (T) ist das sich im Montageraum (10) sammelnde Abgas durch den seitlichen Gasauslass (19) aus dem Modulgehäuse (3) führbar.

Description

Die Erfindung betrifft ein Zellmodul für eine Hochvoltbatterie nach dem Oberbegriff des Anspruches 1.
Ein in einem elektrisch betriebenen Fahrzeug verbautes Hochvolt-Batteriesystem muss einer homologationsrelevanten, gesetzlichen Anforderung zum Verhalten bei einem thermischen Event einer in dem Hochvolt-Batteriesystem verbauten Lithium-Ionen-Zelle entsprechen. Das Hochvolt-Batteriesystem muss über dessen Steuergerät fünf Minuten vor einer Gefahr für den Fahrzeuginsassen eine Warnung ausgeben, damit das Fahrzeug rechtzeitig evakuiert werden kann. Da die Erkennung eines thermischen Batteriezellen-Events mit der Steuergeräte-Software in einigen Fällen nicht schnell genug erfolgen kann, muss das Hochvolt-Batteriesystem thermisch robuster ausgeführt werden.
Eine beispielhafte Hochvoltbatterie weist ein Batteriegehäuse auf, in dem eine Anzahl von Zellmodulen angeordnet ist. Jedes der Zellmodule kann einen Zellenverbund bzw. Zellstapel aus Batteriezellen aufweisen, die zum Beispiel in Reihe hintereinander jeweils in einem Modulgehäuse angeordnet sind. Das Modulgehäuse weist umlaufende Seitenwände auf, die den Zellenverbund/Zellstapel einfassen. Der Gehäusedeckel des Modulgehäuses überdeckt eine Oberseite des Zellstapels/Zellenverbunds, wobei der Gehäusedeckel über einen freien Montageraum von der Zellstapel-Oberseite beabstandet ist. In dem Montageraum können Zellmodul-Komponenten, etwa Polverbinder, angeordnet sein.
Im Stand der Technik ist der Gehäusedeckel aus Kunststoff gefertigt und wirkt dieser ausschließlich als ein Berührschutz, um für einen Werker eine Hochvolt-Gefährdung bei der Handhabung des Zellmoduls zu minimieren. Bei einem thermischen Batteriezellen-Event brennt der Kunststoffdeckel des Zellmoduls durch. Das aus der havarierten Batteriezelle ausströmende, heiße Abgas beaufschlagt daher den Gehäusedeckel des Batteriegehäuses. Um ein frühzeitiges Durchbrennen/Aufschmelzen des Batterie-Gehäusedeckels zu vermeiden, kann diesem eine Hitze-/Brandschutzlage zugeordnet sein.
Aus der DE 10 2017 218 752 A1 ist eine Abdeckeinrichtung für ein Batteriegehäuse einer Traktionsbatterie eines Kraftfahrzeugs bekannt. Aus der DE 10 2016 009 930 A1 ist eine Kraftfahrzeugbatterie mit mindestens einem Zellblock und zumindest einer Querverstrebung bekannt.
Aus der DE 10 2014 215 032 A1 ist ein gattungsgemäßes Batteriemodul bekannt. Die WO 2020/ 221 808 A1 offenbart ein Hitzeschild.
Die Aufgabe der Erfindung besteht darin, ein Zellmodul für eine Hochvoltbatterie bereitzustellen, das im Vergleich zum Stand der Technik im Hinblick auf ein thermisches Batteriezellen-Event thermisch robuster ausgeführt ist, um ein frühzeitiges Durchbrennen des Zellmodul-Gehäusedeckels zu vermeiden.
Die Aufgabe ist durch die Merkmale des Anspruches 1 gelöst. Bevorzugte Weiterbildungen der Erfindung sind in den Unteransprüchen offenbart.
Die Erfindung betrifft ein Modulgehäuse, das einen Zellstapel einfasst. Das Modulgehäuse weist einen Gehäusedeckel auf, der die Zellstapel-Oberseite überdeckt und über einen Montageraum von der Zellstapel-Oberseite beabstandet ist. Im Montageraum können Zellmodul-Komponenten, etwa Polverbinder, angeordnet sein. Gemäß dem Anspruch 1 weist das Modulgehäuse einen seitlichen Gasauslass auf. Bei einem thermischen Batteriezellen-Event wird das sich im Montageraum sammelnde Abgas durch den seitlichen Gasauslass aus dem Modulgehäuse geführt. Auf diese Weise kann das Durchbrennen des Zellmodul-Gehäusedeckels zeitlich verzögert werden. Zudem können auf der Zellstapel-Oberseite angeordnete, hitzeempfindliche Zellmodul-Komponenten geschützt werden.
Erfindungsgemäß ist der seitliche Gasauslass wie folgt realisiert: So überragt der Gehäusedeckel eine Seitenwand-Oberkante mit einem Deckel-Überstand in der Gehäusequerrichtung seitlich nach außen und ist mit einem Höhenversatz von der Seitenwand-Oberkante beabstandet. Auf diese Weise ergibt sich ein Ausströmspalt zwischen der Seitenwand-Oberkante und dem Gehäusedeckel, durch den bei einem thermischen Event Abgase nach außen abströmen können.
In einer bevorzugten Ausführungsvariante kann der randseitige Deckel-Überstand an einer Übergangskante in einen, in der Gehäusehochrichtung nach gehäuseunten abgewinkelten Randsteg übergehen. Der Randsteg bildet zusammen mit der Außenseite der LängsSeitenwand eine Strömungsführung mit nach unten offenem Gasaustritt. Im thermischen Event bildet sich somit ein Gasweg, bei dem das Abgas vom Montageraum über den Ausströmspalt sowie über die Strömungsführung aus dem nach unten offenen Gasaustritt führbar ist. Auf diese Weise kann das heiße Abgas in einer Ausströmrichtung vertikal nach unten abströmen, wodurch ein frühzeitiges Durchbrennen/Aufschmelzen des Zellmodul-Gehäusedeckels verhindert ist.
In einer technischen Umsetzung können die Batteriezellen in der Stapelrichtung hintereinander zwischen Stirn-Seitenwänden des Modulgehäuses gestapelt sein. Die beiden Stirn-Seitenwände des Modulgehäuses können über Längs-Seitenwände miteinander verbunden sein. Bevorzugt können die Längs-Seitenwände des Zellmoduls als Zugelemente wirken, mit deren Hilfe der Zellstapel zwischen den beiden Stirn-Seitenwänden verspannt werden kann. Der seitliche Gasauslass kann sich entlang der Längs-Seitenwände im Wesentlichen durchgängig zwischen den beiden Stirn-Seitenwänden sowie beidseitig des Modulgehäuses erstrecken. Im Unterschied dazu kann der Gehäusedeckel im Wesentlichen gasdicht in Anlage sein mit den beiden stirnseitigen Stützelementen.
Im Hinblick auf eine einwandfreie Abgas-Ableitung aus dem Zellmodul-Gehäuse ist es bevorzugt, wenn an den beiden Stirn-Seitenwänden Stützelemente vorgesehen sind. Diese können als Abstützbasis für den Gehäusedeckel wirken. Der Gehäusedeckel kann sich zwischen den beiden stirnseitigen Stützelementen berührungsfrei, das heißt mit freiem Abstand zur Zellstapel-Oberseite und zu den Längs-Seitenwänden erstrecken.
In einer fertigungstechnisch einfach aufgebauten Ausführungsvariante kann in Stapelrichtung zwischen der jeweiligen Stirn-Seitenwand und dem Zellstapel-Ende ein solches Stützelement positioniert sein. Auf den beiden stirnseitig angeordneten Stützelementen kann der Gehäusedeckel abstützbar sein und dort zum Beispiel über eine Clip-Verbindung oder eine sonstige Fügeverbindung festgelegt sein.
Im Hinblick auf eine einwandfreie Gehäusedeckel-Funktion bei einem thermischen Event ist es von Vorteil, wenn der Gehäusedeckel sowie die beiden Stützelemente aus einem Hitzeschutzmaterial hergestellt sind. Beispielhaft kann hierfür ein Glimmermaterial-Zuschnitt verwendet werden, der eine Schichtdicke von zum Beispiel 1,5mm aufweisen kann.
Nachfolgend ist ein Ausführungsbeispiel der Erfindung anhand der beigefügten Figuren beschrieben.
Es zeigen:

1 bis 4 jeweils ein Zellmodul in unterschiedlichen Ansichten.

In der 1 ist in perspektivischer Darstellung ein Zellmodul im Zusammenbauzustand sowie in Konstruktionslage gezeigt. Das Zellmodul weist gemäß der 2 einen Zellstapel mit in einer Stapelrichtung hintereinander gestapelten prismatischen Batteriezellen 1 (4) auf. Der Zellstapel ist in einem Modulgehäuse 3 angeordnet. Dessen umlaufende Seitenwände sind unterteilt in zwei Stirn-Seitenwände 5, zwischen denen die Batteriezellen 1 in der Stapelrichtung hintereinander gestapelt sind, und in Längs-Seitenwände 7, die die beiden Stirn-Seitenwände 5 miteinander verbinden. Die Längs-Seitenwände 7 wirken als Zugelemente, mit deren Hilfe die beiden Stirn-Seitenwände 5 den Zellstapel mit einer Vorspannkraft verspannen. Ein Gehäusedeckel 9 des Modulgehäuses 3 überdeckt eine Zellstapel-Oberseite 11 (2). Auf der Zellstapel-Oberseite 11 befinden sich in der 2 und 4 unter anderem Zell-Pole 12 sowie Polverbinder 13 auf. Zudem weisen die Batteriezellen 1 auf ihrer Oberseite Berstscheiben 15 auf, die Gas-Austrittsöffnungen schließen. Die Berstscheiben 15 sind in der Stapelrichtung in Flucht hintereinander sowie mittig auf der Zellstapel-Oberseite 11 angeordnet.
Wie aus den 1 bis 3 hervorgeht, ist in der Stapelrichtung zwischen der jeweiligen Stirn-Seitenwand 5 und dem zugewandten Zellstapel-Ende ein Stützelement 17 positioniert. Die beiden stirnseitigen Stützelemente 17 wirken als Abstützbasis für den Gehäusedeckel 9. Der Gehäusedeckel 9 kann zum Beispiel durch eine nicht dargestellte Clipverbindung oder eine sonstige Fügeverbindung auf den Oberkanten der beiden Stützelemente 17 festgelegt sein.
Im Zusammenbauzustand ist der Gehäusedeckel 9 lediglich auf den beiden stirnseitigen Stützelementen 17 abgestützt. Demgegenüber erstreckt sich der Gehäusedeckel 9 zwischen den beiden stirnseitigen Stützelementen 17 berührungsfrei, das heißt mit freiem Abstand zur Zellstapel-Oberseite 11 und zu den Längs-Seitenwänden 7.
Auf diese Weise ist an beiden Längs-Seitenwänden 7 ein seitlicher Gasauslass 19 (1 und 4) bereitgestellt. Im Falle eines thermischen Batteriezellen-Events T (4) wird die Zellen-Berstscheibe 15 aufgrund von Gasentwicklung im Zellen-Inneren zerstört und tritt Abgas aus der havarierten Batteriezelle 1 aus. Das Abgas sammelt sich im Montageraum und wird durch die seitlichen Gasauslässe 19 aus dem Modulgehäuse 3 geführt.
Nachfolgend wird die Geometrie eines der seitlichen Gasauslasses 19 beschrieben: Demzufolge ist der Gehäusedeckel 9 mit einem Höhenversatz Δz von der Seitenwand-Oberkante 21 beabstandet. Zudem überragt der Gehäusedeckel 9 die Seitenwand-Oberkante 21 mit einem Deckel-Überstand Δy in der Gehäusequerrichtung y nach seitlich außen. Auf diese Weise ergibt sich ein Ausströmspalt 23 zwischen der Seitenwand-Oberkante 21 und dem Gehäusedeckel 9. Der randseitige Deckel-Überstand Δy geht an einer Übergangskante 25 in einen, in der Gehäusehochrichtung z nach gehäuseunten abgewinkelten Randsteg 27 über, und zwar unter Bildung einer Strömungsführung 29 mit nach gehäuseunten offenem Gasaustritt 31. Im, in der 4 angedeuteten thermischen Batteriezellen-Event T wird daher das sich im Montageraum 10 sammelnde Abgas über den Ausströmspalt 23 und über die Strömungsführung 29 aus dem nach unten offenen Gasaustritt 31 geführt.
Im Hinblick auf eine einwandfreie Gas-Ableitung ist ein möglichst großer Strömungsquerschnitt der beidseitig des Modulgehäuses 3 ausgebildeten seitlichen Gasauslässe 19 von Relevanz: Vor diesem Hintergrund erstrecken sich die Randstege 27 des Gehäusedeckels 9 über im Wesentlichen die gesamte Zellmodul-Länge. Der seitliche Gasauslass 19 verläuft daher entlang der Stapelrichtung (d.h. entlang der Zellmodul-Längsseite) zwischen den beiden Stirn-Seitenwänden 5 komplett durchgängig ist.
Zudem weist der Gehäusedeckel 9 an seinen Stirnseiten abgebogene Fügelaschen 33 (2) auf. In gleicher Weise sind auch die beiden Stützelemente 17 mit Fügelaschen 33 ausgebildet, um eine Fügeverbindung zwischen dem Gehäusedeckel 9 und den beiden Stützelementen 17 bereitzustellen.
Sowohl der Gehäusedeckel 9 als auch die beiden Stützelemente 17 sind aus einem Hitzeschutzmaterial hergestellt, zum Beispiel Glimmermaterial, das eine Schichtdicke von beispielhaft 1,5mm aufweisen kann.
Bezugszeichenliste

1: Batteriezellen
3: Modulgehäuse
5: Stirn-Seitenwände
7: Längs-Seitenwände
9: Gehäusedeckel
10: Montageraum
11: Zellstapel-Oberseite
12: Zell-Pole
13: Zellpol-Verbinder
15: Berstscheiben
17: Stützelemente
19: seitlicher Gasauslass
21: Seitenwand-Oberkante
23: Ausströmspalt
25: Übergangskante
27: Randsteg
29: Strömungsführung
31: Gasaustritt
Δz: Höhenversatz
Δy: Deckel-Überstand
T: thermisches Batteriezellen-Event

Claims

Zellmodul für eine Hochvoltbatterie, mit einem Modulgehäuse (3), dessen umlaufende Seitenwände (5, 7) einen Zellstapel einfassen und dessen Gehäusedeckel (9) eine Zellstapel-Oberseite (11) überdeckt, wobei der Gehäusedeckel (9) über einen Montageraum (10) von der Zellstapel-Oberseite (11) beabstandet ist, in dem Zellmodul-Komponenten angeordnet sind, wobei das Modulgehäuse (3) zumindest einen seitlichen Gasauslass (19) aufweist, und wobei bei einem thermischen Batteriezellen-Event (T) das sich im Montageraum (10) sammelnde Abgas durch den seitlichen Gasauslass (19) aus dem Modulgehäuse (3) führbar ist, dadurch gekennzeichnet, dass zur Bildung des seitlichen Gasauslasses (19) der Gehäusedeckel (9) eine Seitenwand-Oberkante (21) mit einem Deckel-Überstand (Δy) in der Gehäusequerrichtung (y) seitlich nach außen überragt und mit einem Höhenversatz (Δz) von der Seitenwand-Oberkante (21) beabstandet ist, und zwar unter Bildung eines Ausströmspalts (23) zwischen der Seitenwand-Oberkante (21) und dem Gehäusedeckel.
Zellmodul nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der randseitige Deckel-Überstand (Δy) des Gehäusedeckels (9) an einer Übergangskante (25) in einen in der Gehäusehochrichtung (z) nach gehäuseunten abgewinkelten Randsteg (27) übergeht, und zwar unter Bildung einer Strömungsführung (29) mit nach gehäuseunten offenem Gasaustritt (31), so dass ein Gasweg gebildet ist, bei dem Abgas vom Montageraum (10) über den Ausströmspalt (23) und über die Strömungsführung (29) aus dem nach gehäuseunten offenen Gasaustritt (31) führbar ist.
Zellmodul nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Batteriezellen (1) in der Stapelrichtung hintereinander zwischen Stirn-Seitenwänden (5) des Modulgehäuses (3) gestapelt sind, die über Längs-Seitenwände (7) miteinander verbunden sind, und dass die Längs-Seitenwände (7) als Zugelemente wirken, mittels denen die Stirn-Seitenwände (5) als Druckplatten eine Vorspannkraft auf den Zellstapel ausüben.
Zellmodul nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass in Stapelrichtung zwischen der jeweiligen Stirn-Seitenwand (5) und dem Zellstapel-Ende ein Stützelement (17) positioniert ist, und dass auf den beiden stirnseitig angeordneten Stützelementen (17) der Gehäusedeckel (9) abstützbar ist, und zwar durch eine Clip-Verbindung oder eine sonstige Fügeverbindung festlegbar ist.
Zellmodul nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Gehäusedeckel (9) und/oder die Stützelemente (17) aus Hitzeschutzmaterial hergestellt sind.
Zellmodul nach Anspruch 4 oder 5, dadurch gekennzeichnet, dass sich der seitliche Gasauslass (19) entlang der Stapelrichtung oder der Zellmodul-Längsrichtung erstreckt, und zwar durchgängig zwischen den beiden Stirn-Seitenwänden (5) und/oder beidseitig des Modulgehäuses (3).
Zellmodul nach einem der Ansprüche 4, 5 oder 6, dadurch gekennzeichnet, dass der Gehäusedeckel (9) gasdicht auf den stirnseitigen Stützelementen (17) aufliegt.
Zellmodul nach einem der Ansprüche 3 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass der Gehäusedeckel (9) zusammen mit den beiden stirnseitigen Stützelementen (17) ein materialeinheitliches und einstückiges Bauteil bilden.
Zellmodul nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass an den beiden Stirn-Seitenwänden (5) Stützelemente (17) vorgesehen sind, die als Abstützbasis für den Gehäusedeckel (9) wirken, und dass der Gehäusedeckel (9) sich zwischen den beiden stirnseitigen Stützelementen (17) berührungsfrei, das heißt mit freiem Abstand (Δz) zur Zellstapel-Oberseite (11) und zu den Längs-Seitenwänden (7) erstreckt.