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Die Erfindung betrifft Gehäuse für ein Batteriesystem mit wenigstens zwei Gehäuseteilen nach der im Oberbegriff von Anspruch 1 näher definierten Art.
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Batterien, welche insbesondere als Traktionsbatterien zum Antrieb von zumindest teilweise elektrisch angetriebenen Fahrzeugen eingesetzt werden, werden typischerweise in Gehäusen innerhalb des Fahrzeugs untergebracht. An diese Gehäuse sind besondere Anforderungen für den Fall eines thermischen Durchgehens des Batteriesystems, einem sogenannten Thermal Runaway bzw. einer Thermal Propagation vorzusehen. Die entsprechenden Vorschriften besagen, dass trotz der im Inneren des Batteriegehäuses auftretenden Temperaturen von bis zu 1000° C Feuer erst nach einer vorgegebenen Zeitspanne von 5 Minuten aus dem Batteriegehäuse austreten darf. Aus diesem Grund werden in aktuellen Batteriegehäusen häufig sogenannte Abblaskanäle oder Ventingkanäle vorgesehen, über welche beispielsweise bei einem Überdruck von Einzelzellen entstehende häufig heiße und glühende Partikel mitführende Gase gezielt in einen Bereich außerhalb des Batteriegehäuses abgelassen werden können. Solche Ventingkanäle, das Eindüsen des Gases in ein Kühlmedium oder das Herunterkühlen des Gases über ein Kühlmedium einer Kühlanlage der Batterieeinzelzelle sind soweit aus dem Stand der Technik bekannt. In diesem Zusammenhang kann beispielhaft auf die
DE 10 2014 203 133 A1 oder die beiden Anmeldungen
DE 10 2015 007 411 A1 oder
DE 10 2015 005 592 A1 der Anmelderin hingewiesen werden.
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Ungeachtet dieses gezielten Abblasens von kritischem Überdruck aus dem Inneren des Gehäuses des Batteriesystems kann es dennoch zu einem Brand in dem Gehäuse kommen. Um eine ausreichende Standzeit des Gehäuses für das Batteriesystem unter solchen Bedingungen zu gewährleisten, muss ein geeignetes Gehäusekonzept mit geeigneten Materialien eingesetzt werden. Dies gelingt in der Praxis jedoch nicht immer in ausreichendem Maß.
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Die Aufgabe der hier vorliegenden Erfindung besteht deshalb darin, ein verbessertes Gehäuse für ein Batteriesystem nach der im Oberbegriff von Anspruch 1 näher definierten Art anzugeben, welches einerseits eine gute Zugänglichkeit zum Gehäuseinneren, beispielsweise für Wartungszwecke oder dergleichen, gewährleistet, und welches andererseits eine hohe Standzeit gegenüber im Inneren des Gehäuses auftretendem Feuer ermöglicht.
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Erfindungsgemäß wird diese Aufgabe durch ein Gehäuse mit den Merkmalen im Anspruch, und hier insbesondere im kennzeichnenden Teil des Anspruchs 1, gelöst. Vorteilhafte Ausgestaltungen und Weiterbildungen des erfindungsgemäßen Gehäuses ergeben sich dabei aus den hiervon abhängigen Unteransprüchen.
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Bei dem erfindungsgemäßen Gehäuse ist es so, dass, wie häufig bei derartigen Batteriegehäusen, mindestens zwei Gehäuseteile, beispielsweise ein Gehäuseunterteil und ein Gehäusedeckel, vorgesehen sind, welche im Bereich einer Fuge zusammengefügt sind. Dieser Aufbau ist allgemein üblich und gewährleistet, dass im Wartungsfall der Deckel geöffnet werden kann, um das Batteriesystem zugänglich zu machen. Die Gehäuseteile sind dabei typischerweise mit einer Dicht- und/oder Klebemasse im Bereich der Fuge versehen. Sie können beispielsweise aus verklebten Gehäuseteilen bestehen oder aus miteinander verschraubten oder ähnlich mechanisch verbundenen Gehäuseteilen, wobei dann die Dichtheit des Gehäuses über eine Dichtmasse im Bereich der Fuge, welche beispielsweise beim Verschrauben zwischen zwei flanschartigen Elementen eingequetscht wird, gewährleistet wird.
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Die Erfinder haben nun erkannt, dass die Fuge bzw. vor allem das im Bereich der Fuge eingesetzte Material zum Abdichten oder Verkleben der Gehäuseteile gegeneinander eine kritische Stelle bezüglich der Standzeit gegenüber Feuer im Inneren des Gehäuses ist. Die eingesetzten Dicht- und Klebemassen wie beispielsweise EPDM, FKM, PU-Schaum, Butyl, Silikone oder dergleichen sind typischerweise nur bis zu wenigen 100° C stabil. Bei im Innern des Gehäuses für das Batteriesystem entstehenden Temperaturen bis zu 1000° C reicht dies typischerweise nicht aus, um in einem solchen Fall die vorgegebenen 5 Minuten standzuhalten. In der Praxis kommt es also immer wieder vor, dass das Feuer sich im Bereich der Fugen vorzeitig in die Umgebung fortpflanzt. Die erfindungsgemäße Lösung sieht basierend auf den Erkenntnissen des Erfinders ein Schutzelement zwischen der Fuge und dem Gehäuseinnern vor. Die Fuge und damit das im Bereich der Fuge angeordnete Material zur Abdichtung und/oder zum Verkleben wird über dieses Schutzelement gegenüber dem Inneren des Gehäuses des Batteriesystems abgeschirmt. Eine direkte Einwirkung der im Gehäuseinneren entstehenden Temperaturen auf die Dicht- und/oder Klebemasse im Bereich der Fuge lässt sich so verhindern, wodurch eine längere Standzeit des Gehäuses, insbesondere im Bereich der Fugen, für den Fall eines thermischen Durchgehens des Batteriesystems erzielt wird. Dabei ist der Aufbau außerordentlich einfach und effizient, da lediglich ein zusätzliches Schutzelement als Abschirmelement im Bereich der Fuge vorgesehen werden muss.
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Das Schutzelement kann dabei gemäß einer außerordentlich günstigen Weiterbildung als streifenförmiges Element ausgebildet sein, welches in der direkten Linie zwischen der Fuge und dem Gehäuseinneren angeordnet ist. Ein solches streifenförmiges Schutzelement kann den Bereich der Fuge und den Bereich der darin angeordneten Dicht- und/oder Klebemassen ideal abschirmen, da die Fugen typischerweise in weitgehend gerader Linie verlaufen. Tun sie dies nicht, lässt sich das streifenförmige Element entsprechend dem Verlauf der Fuge anpassen.
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Prinzipiell lässt sich ein solches streifenförmiges Element später einbringen, beispielsweise als T-förmiges Element in der Fuge verklemmen oder dergleichen. Besonders bevorzugt ist es, wenn das streifenförmige Element mit einem Einbauteil im Gehäuseinneren oder mit einem der Gehäuseteile selbst einteilig ausgebildet ist. Dieser Aufbau ist hinsichtlich der Herstellung und der Montage entsprechend einfach. Das Schutzelement kann dabei Teil eines der Gehäuseteile oder eines Einbauteils sein.
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Gemäß einer besonders günstigen Weiterbildung dieser Variante des erfindungsgemäßen Gehäuses kann das Schutzelement als Teil eines im Gehäuseinneren liegenden Abblaskanals für Gase aus dem Batteriesystem ausgebildet sein. Wie eingangs bereits im Stand der Technik erwähnt, sind derartige Abblasskanäle, welche häufig im Inneren des Gehäuses angeordnet werden, sinnvoll und werden häufig eingesetzt. Wird ein solcher Abblaskanal nun beispielsweise entlang einer Seite des Gehäusedeckels oder des Gehäuseunterteils angeordnet, dann reicht es häufig aus, eine der Wände dieses Elements, welches den Abblaskanal, insbesondere zusammen mit einem Teil des jeweiligen Gehäuseteils ausbildet, entsprechend zu verlängern. Der Abblaskanal wird dann an dem Gehäuseteil befestigt und der verlängerte Bereich ragt so über die Abmessungen des Gehäuseteils hinaus, dass der verlängerte Teil vor der Trennfuge zwischen den beiden Gehäuseteilen zu liegen kommt, wenn diese miteinander verbunden werden. Dadurch kann in außerordentlich einfacher und effizienter Weise das Schutzelement zwischen die Fuge und das Innere des Gehäuses gebracht werden, ohne dass hierfür eine eigene Montage oder dergleichen notwendig ist.
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Das Schutzelement selbst kann dabei aus Metall, insbesondere aus einem Metallblech, ausgebildet sein. Es weist dann eine entsprechend hohe Temperaturbeständigkeit auf. Zumindest eines Gehäuseteile kann gemäß einer sehr vorteilhaften Weiterbildung des erfindungsgemäßen Gehäuses ebenfalls aus einem Metall ausgebildet sein. Auch der innenliegende Abblaskanal kann vorzugsweise aus Metall ausgebildet sein, um so beispielsweise mit dem ebenfalls aus Metall hergestellten Gehäusedeckel einfach und effizient verbunden werden zu können, beispielsweise durch Verkrimpen, Verschweißen oder dergleichen. In diesem Fall kann dann das Schutzelement bevorzugt aus einem Teil des Abblaskanals bestehen und ist damit ebenfalls aus Metall ausgebildet, sodass eine gute thermische Abschirmung der in der Fuge angeordneten Dicht- und/oder Klebemasse gewährleistet ist.
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Alternativ zur Ausgestaltung des Gehäuses aus Metall kann zumindest eines der Gehäuseteile aus einem faserverstärkten Kunststoff ausgebildet sein. Dafür eignet sich insbesondere ein sogenanntes Shield Molding Compound SMC, welches typischerweise auf der Basis von duroplastischen Reaktionsharzen und Fasern, insbesondere thermisch beständigen Glasfasern, hergestellt wird. Auch ein solcher Aufbau ist, insbesondere durch die thermisch beständigen Glasfasern in der Lage, einerseits ein ausreichend sicheres Gehäuse und andererseits ein die Dicht- und/oder Klebemasse ausreichend abschirmendes Schutzelement auszubilden.
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Weitere vorteilhafte Ausgestaltungen des erfindungsgemäßen Gehäuses ergeben sich auch aus den Ausführungsbeispielen, welche nachfolgend unter Bezugnahme auf die Figuren näher beschrieben sind.
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Dabei zeigen:
- 1 eine schematische Darstellung eines Gehäuses für ein Batteriesystem in einer Ausführungsvariante gemäß dem Stand der Technik;
- 2 ein Ausschnitt aus dem Gehäuse gemäß Fig, 1 in einer ersten Ausführungsvariante gemäß der Erfindung;
- 3 ein Ausschnitt aus dem Gehäuse gemäß Fig, 1 in einer zweiten Ausführungsvariante gemäß der Erfindung;
- 4 ein Ausschnitt aus dem Gehäuse gemäß Fig, 1 in einer dritten Ausführungsvariante gemäß der Erfindung;
- 5 eine alternative Ausgestaltung des Ausschnitts gemäß der 3 bis 4 mit einem Abblaskanal in einer Ausführungsvariante gemäß dem Stand der Technik; und
- 6 eine Darstellung analog zur der in 5 in einer Ausgestaltungsvariante gemäß der Erfindung.
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In der Darstellung der 1 ist schematisch ein Gehäuse 1 für ein im Inneren des Gehäuses 1 angeordnetes Batteriesystems 2 dargestellt. Dieses Batteriesystem 2 umfasst in dem hier dargestellten vereinfachten Ausführungsbeispiel ein Batteriemodul 3, eine Kühleinrichtung 4 sowie ein Batteriemanagementsystem 5. Das Gehäuse 1 kann beispielsweise aus tiefgezogenen Blechteilen und/oder aus faserverstärkten Kunststoffmaterialien bestehen. Um das Batteriesystem 2, beispielsweise für eine Wartung oder dergleichen, zugänglich zu halten, sind typischerweise mehrere Gehäuseteile, hier ein Gehäuseunterteil 1.1 und Gehäusedeckel 1.2, vorgesehen. Im Verbindungsbereich bilden sie eine umlaufende Fuge 6 aus, in deren Bereich die beiden Gehäuseteile 1.1 und 1.2 des Gehäuses 1 miteinander verbunden werden. Sie können dabei, wie es später noch dargestellt ist, beispielsweise verklebt oder verschraubt oder andersartig mechanisch lösbar miteinander verbunden werden.
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In der Darstellung der 2 ist nun ein Ausschnitt aus dem Bereich dieser Fuge 6 gezeigt. Das Gehäuseunterteil 1.1 und der Gehäusedeckel 1.2 als die beiden Gehäuseteile 1.1 und 1.2 weisen dabei mit 7 bezeichnete Flansche auf, zwischen welchen in dem Ausführungsbeispiel der 2 eine Klebemasse 8 zum Abdichten und Verbinden der Gehäuseteile 1.1 und 1.2 angeordnet ist. Um für den Fall eines thermischen Durchgehens des Batteriesystems 2 im Gehäuseinneren des Gehäuses 1 diese Klebemasse 8 vor einer direkten thermischen Belastung abzuschirmen, ist nun ein Schutzelement 9 vorgesehen, welches beispielsweise als Blechstreifen ausgebildet ist, und welches zwischen der Fuge 6 mit der Klebemasse 8 und dem hier links des Schutzelements 9 über das Bezugszeichen 10 symbolisierten Gehäuseinneren angeordnet ist. Bei hohen auftretenden Temperaturen im Gehäuseinnern, welche im Falle eines thermischen Durchgehens des Batteriesystems 2, beispielsweise beim Einsatz von Lithium-Ionen-Batterien bis zu 1000° C betragen können, hilft dieses Schutzelement 9, welches beispielsweise als Blechstreifen ausgebildet sein kann, die nur wenige 100° C aushaltende Klebemasse 8 entsprechend abzuschirmen, sodass eine längere Zeitspanne bis zum Austritt des Feuers aus dem Gehäuse 1 erreicht wird.
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In der Darstellung der 3 ist im Wesentlichen derselbe Aufbau nochmals aufgegriffen. Anstelle des reinen Verklebens der beiden Flansche 7 der Gehäuseteile 1.1 und 1.2 sind diese mit einer zwischengelegten Dichtmasse 11 zusammengefügt und beispielsweise durch Schrauben 12, von denen eine der Schrauben 12 durch die strichpunktierte Linie angedeutet ist, miteinander verbunden. Auch hier findet sich das Schutzelement 9 zwischen dem Gehäuseinneren 10 und der Fuge 6 mit der Dichtmasse 11, um diese thermisch abzuschirmen. Zur Anbindung des Schutzelements 10 an das Gehäuse 1 ist dieses in dem hier dargestellten Ausführungsbeispiel im Wesentlichen T-förmig ausgebildet und zwischen den beiden Gehäuseteilen 1.1 und 1.2 im Bereich der Fuge 6 eingeklemmt.
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Um die Montage des Schutzelements 9 weiter zu erleichtern, kann dieses auch mit einem der Gehäuseteile 1.1 oder 1.2 einteilig ausgeführt sein. In der Darstellung der 4 wird die Darstellung der 3 nochmals aufgegriffen, wobei hier das Schutzelement 9 einteilig mit dem Gehäusedeckel 1.2 ausgebildet ist. Die beiden Flansche 7 sind auch hier wieder durch eine Schraube 12 und die Dichtmasse 11 miteinander verbunden, sie könnten jedoch auch bei dieser Ausgestaltung genauso gut über eine Klebemasse 8 miteinander verklebt sein. Ergänzend zur reinen Klebemasse 8 und/oder zur Dichtmasse 11, welche prinzipiell auch miteinander kombiniert oder in Form einer einzigen beide Wirkungen aufweisenden Masse eingesetzt werden könnten, sodass also auch ein Verkleben und Verschrauben denkbar ist, kann die Dichtung im Bereich der Fuge außerdem eine EMV-Abschirmung, also eine elektrisch leitende Abschirmung gegen elektromagnetische Wellen, mit umfassen, welche bei der erfindungsgemäßen Ausgestaltung gegebenenfalls auch durch das Schutzelement 9 mit übernommen werden kann, insbesondere wenn die Gehäuseteile 1.1 und 1.2 aus elektrisch leitfähigen Blechen ausgestaltet sind und beispielsweise in der in der Darstellung der 4 beschriebenen Art ausgestaltet sind, da dann die Spaltmaße, durch welche elektromagnetische Wellen austreten könnten, sehr stark reduziert werden, was in vielen Fällen bereits ausreicht.
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In der Darstellung der 5 wird nochmals ein Aufbau aufgegriffen, wie er aus dem Stand der Technik prinzipiell bekannt ist. Mit dem Gehäusedeckel, also dem Gehäuseteil 1.2, verbunden ist hier ein mit 13 bezeichnetes Blechelement, welches beispielsweise in den beiden mit 14 bezeichneten Bereichen mit dem Material des Gehäuseteils 1.2 entsprechend verschweißt ist. Dieses Blechelement 13 bildet dann einen in das Gehäuseinnere 10 integrierten Abblaskanal 15 bzw. Ventingkanal 15 aus, welcher so aus dem Stand der Technik an sich bekannt ist.
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Dieser Aufbau in der 5, welcher wiederum rein beispielhaft mit einer Verbindung der Gehäuseteile 1.1 und 1.2 durch eine Klebemasse 8 angedeutet ist, kann nun entsprechend der Erfindung erweitert werden. Diese Variante ist in der Darstellung der 6 zu erkennen. Das Blechelement 13 des Aufbaus, welches zusammen mit einem Teil des Gehäuseteils 1.2 den Ventingkanal 15 ausbildet, ist in dem in der Darstellung der 5 und 6 unteren Abschnitt entsprechend verlängert. Diese Verlängerung, welche in 6 im Gegensatz zur Darstellung in 5 gemäß dem Stand der Technik, zu erkennen ist, bildet nun das Schutzelement 9, welches wiederum die Fuge 6 und in diesem Fall die Klebemasse 8 gegenüber dem Gehäuseinneren 10 abschirmt. Auch dieser Aufbau wäre selbstverständlich auch mit der Dichtmasse 11 und der Verschraubung 12 oder einer Kombination aus Dichtmasse 11, Klebemasse 8 und gegebenenfalls einer zusätzlichen Verschraubung denkbar.
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Alles in allem lässt sich so über das Schutzelement 9 in einer der beschriebenen Ausführungsvarianten oder auch in alternativen Ausführungsvarianten, in denen dieses nachträglich montiert oder einteilig mit einem der Gehäuseteile 1.1, 1.2 oder einem Einbauteil, wie beispielsweise das den Ventingkanal 15 ausbildende Blechelement 13 oder auch einem Gehäuseteil der Kühlung 4 oder des Batteriemanagementsystems 5 oder dergleichen ausbildet, die Fuge 6 entsprechend schützen, um so im Falle eines thermischen Durchgehens des Batteriesystems 2 eine möglichst lange Standzeit gegenüber aus dem Gehäuse 1 austretendem Feuer zu gewährleisten.
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Wie oben bereits erwähnt muss das Gehäuse 1 bzw. das Schutzelement 9 nicht unbedingt aus einem metallischen Material ausgebildet sein. Vielmehr sind auch faserverstärkte Kunststoffmaterialien, insbesondere auf der Basis von thermisch beständigen Glasfasern, denkbar. In diesem Fall kann häufig sehr einfach und effizient bei einer entsprechenden Ausgestaltung des Aufbaus der Teile 1.1 und 1.2 des Gehäuses 1 durch vorstehende Rippen oder dergleichen ein entsprechendes Schutzelement einteilig mit einem oder beiden Teilen des Gehäuses 1 ermöglicht werden, welches Dicht- und/oder Klebemassen im Bereich der Fuge 6 ausreichend abschirmt.
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Dabei ist es selbstverständlich auch denkbar, zwei der Schutzelemente 9 hintereinander anzuordnen, beispielsweise eines, welches einteilig mit dem einen Gehäuseteil 1.1, und eines, welches einteilig mit dem anderen Gehäuseteil 1.2 ausgebildet ist. Durch ein solches Schutzelement 9 entsteht dann in jedem Fall eine abschirmende Wirkung gegenüber einer direkten Hitzeeinwirkung auf den Bereich der Fuge 6, bei mehreren hintereinander angeordneten Teiles des Schutzelements 9 kann über eine Art Labyrinthdichtung das Vordringen beispielsweise von Flammen bis in den Bereich der Fuge 6 und der hier angeordneten thermisch vergleichsweise unbeständigen Materialien einer Klebemasse 8 und/oder einer Dichtmasse 11 relativ lang hinausgezögert werden. Damit sind auch bei sehr hohen Temperaturen im Inneren des Gehäuses 1 Standzeiten von einigen Minuten bis zu einem Austreten des Feuers aus dem Gehäuse 1 möglich.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- DE 102014203133 A1 [0002]
- DE 102015007411 A1 [0002]
- DE 102015005592 A1 [0002]
