-
Die Erfindung betrifft einen Entgasungskanal für eine Batterie eines Kraftfahrzeugs, wobei der Entgasungskanal zur Anordnung an einem Zellpack der Batterie, der mindestens eine Batteriezelle umfasst, ausgelegt ist, die eine freigebbare Zellentgasungsöffnung umfasst. Die Erfindung betrifft auch eine Batterieanordnung und ein Kraftfahrzeug.
-
Batteriezellen für Kraftfahrzeugbatterien, insbesondere Hochvoltbatterien, weisen oft vorgebbare Entgasungsöffnungen auf, um im Falle eines Überdrucks innerhalb einer solchen Batteriezelle, zum Beispiel bedingt durch eine starke Gasentwicklung innerhalb der Batteriezelle im Rahmen eines thermischen Events, ein Entweichen solcher Gase aus der Batteriezelle zu ermöglichen, ohne dass die Batteriezelle unkontrolliert explodiert. Eine Batteriezelle mit einer solchen freigebbaren Entgasungsöffnung, die mit einem Berstelement ausgebildet ist, ist beispielsweise in der
DE 10 2016 212 450 A1 beschrieben.
-
Weiterhin beschreibt auch die
DE 10 2017 218 752 A1 eine Traktionsbatterie eines Kraftfahrzeugs mit mehreren Batteriezellen, die in dem Batteriegehäuse aufgenommen sind. Weiterhin ist eine Abdeckplatte zum Abdecken des Batteriegehäuses vorgesehen, welches den Aufnahmeraum des Batteriegehäuses gegenüber dem Umgebungsbereich abschließt. Die Batteriezellen weisen weiterhin der Abdeckeinrichtung zugewandte Deckseiten mit jeweiligen Entgasungselementen auf, aus welchen in den Batteriezellen entstehende Heißgase aus den betreffenden Batteriezellen in den Aufnahmeraum des Batteriegehäuses entweichen können. Diese Entgasungsöffnungen sind dabei einem Bereich der Abdeckeinrichtung zugewandt, die dort eine höhere Hitzebeständigkeit als in anderen Bereichen aufweist.
-
Solche aus Batteriezellen austretende Heißgase werden dabei also in der Regel in den Aufnahmebereich des Batteriegehäuses gelenkt. Um ein Entweichen aus einem solchen Batteriegehäuse zu ermöglichen, kann dieses ein entsprechendes Ventil oder eine sonstige freigebbare Öffnung aufweisen, wie dies zum Beispiel in der
EP 2 244 318 B1 beschrieben ist.
-
Als Entgasungskanal zur Führung solcher Heißgase aus der Batterie wird entsprechend der Freiraum im Inneren eines Batteriegehäuses genutzt. Dadurch können sich nachteiligerweise noch intakte Batteriezellen auch übermäßig erhitzen und dann ebenfalls thermisch Durchgehen, wodurch sich auch die Gefahr eines Batteriebrandes erhöht.
-
Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, einen Entgasungskanal, eine Batterieanordnung und ein Kraftfahrzeug bereitzustellen, welche eine möglichst effiziente und möglichst sichere Ableitung eines aus einer Batteriezelle einer Hochvoltbatterie austretenden Heißgases, insbesondere im Falle eines thermischen Durchgehens dieser Batteriezelle, ermöglichen.
-
Diese Aufgabe wird gelöst durch einen Entgasungskanal, eine Batterieanordnung und ein Kraftfahrzeug mit den Merkmalen gemäß den jeweiligen unabhängigen Patentansprüchen. Vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung sind Gegenstand der abhängigen Patentansprüche, der Beschreibung sowie der Figuren.
-
Ein erfindungsgemäßer Entgasungskanal für eine Batteriezelle eines Kraftfahrzeugs ist dabei zur Anordnung an einem Zellpack der Batterie ausgelegt, der mindestens eine Batteriezelle umfasst, die eine freigebbare Zellentgasungsöffnung umfasst. Dabei weist der Entgasungskanal eine erste Kanalwand mit einer nur der Zellentgasungsöffnung zugeordneten freigebbaren Wandöffnung auf, welche durch einen Gasdruck eines aus der zugeordneten Entgasungsöffnung austretenden Gases, wenn der Entgasungskanal an dem Zellpack angeordnet ist, freigebbar ist, sodass das austretende Gas durch die freigebbare Wandöffnung in ein Inneres des Entgasungskanals einführbar ist.
-
Das aus einer Batteriezelle austretende Gas durchdringt also erst die freigebbare Wandöffnung des Entgasungskanals, um in ein Inneres des Entgasungskanals zu gelangen. Entsprechend kann also das Innere des Entgasungskanals vorteilhafterweise vom übrigen Innenraum zum Beispiel eines Batteriegehäuses der Batterie, in welchem der mindestens eine Zellpack mit der mindestens einen Batteriezelle aufgenommen ist, separiert werden. Dies ermöglicht es vorteilhafterweise, aus Batteriezellen austretende Heißgase deutlich effizienter von anderen Batteriezellen fernzuhalten und damit eine deutlich bessere thermische Entkopplung bereitzustellen. Diese thermische Entkopplung wird vor allem aber noch dadurch enorm gefördert, dass die der betreffenden Zellentgasungsöffnung zugeordnete Wandöffnung in der ersten Kanalwand im normalen, bestimmungsgemäßen Betriebszustand der mindestens einen Batteriezelle, das heißt ohne dass diese Batteriezelle ausgast, deren freigebbare Entgasungsöffnung der freigebbaren Wandöffnung zugeordnet ist, verschlossen ist und insbesondere erst dann freigegeben wird, wenn diese Batteriezelle, ausgast. Unter einem Ausgasen einer Batteriezelle im Rahmen der vorliegenden Erfindung soll insbesondere das Austreten von Heißgasen aus einer Batteriezelle, insbesondere im Rahmen eines thermischen Ereignisses, das heißt einem thermischen Durchgehen einer solchen Batteriezelle, verstanden werden. Dabei kann unter einem Ausgasen auch nur ein solches Austreten von Heißgasen im Rahmen eines thermischen Durchgehens einer Batteriezelle verstanden werden. Im Falle eines thermischen Events ist in der Regel zunächst nur eine einzelne Batteriezelle in einer Hochvoltbatterie betroffen. Im Laufe der Zeit breitet sich ohne Gegenmaßnahme das thermische Event ausgehend von dieser Batteriezelle bedingt durch die von dieser Batteriezelle ausgehenden Hitzeentwicklung aus, wodurch nach und nach auch benachbarte Batteriezellen thermisch durchgehen. Dieses Ausbreiten wird bei herkömmlichen Batteriesystemen vor allem durch die aus den betroffenen Batteriezellen austretenden Heißgase beschleunigt. Durch die vorliegende Erfindung kann es nun vorteilhafterweise bewerkstelligt werden, dass zum Beispiel diejenige freigebbare Wandöffnung, welche einer nicht ausgasenden und noch intakten Batteriezelle beziehungsweise deren Zellentgasungsöffnung zugeordnet ist, auch nicht freigegeben wird, wenn beispielsweise eine andere Batteriezelle der Batterie bereits ausgast. Das durch den Entgasungskanal strömende Gas anderer Batteriezellen kann dadurch deutlich effizienter von noch intakten Batteriezellen ferngehalten werden, da dieses Gas nicht durch die betreffenden freigebbaren Wandöffnungen noch intakter Batteriezellen gelangen kann, da diese noch verschlossen sind. Die thermische Propagation der Batterie lässt sich dadurch deutlich effizienter hinauszögern. Zudem lässt sich durch den Entgasungskanal eine deutlich effizientere und gezielte Gaslenkung bereitstellen.
-
Unter einer freigebbaren Wandöffnung ist also insbesondere vorliegend eine Wandöffnung zu verstehen, die nicht permanent offen ist, sondern im Normalfall verschlossen ist. Diese kann zum Beispiel ausgestaltet sein, sich ab einem vorbestimmten Mindestdruck zu öffnen. Dabei ist es bevorzugt, dass die freigebbare Wandöffnung derart der Zellentgasungsöffnung zugeordnet ist, dass diese nur unter dem Gasdruck des aus der zugeordneten Zellentgasungsöffnung austretenden Gases freigebbar ist. Eine solche freigebbare Wandöffnung, die später näher erläutert wird, kann also beispielsweise ebenfalls, wie auch die Zellentgasungsöffnungen mit einer Berstmembran oder ähnlichem ausgebildet sein.
-
Bei einer sehr vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung stellt die erste Kanalwand einen Batteriegehäuseboden, vorzugsweise einen Kühlboden zum Kühlen des Zellpacks, dar. Mit anderen Worten ist die erste Kanalwand Teil des Batteriegehäuses und stellt insbesondere den Gehäuseboden bereit, über welchen vorzugsweise zudem eine Kühlanbindung an dem mindestens einen Zellpack der Batterie erfolgt. Der Kühlboden kann zum Beispiel einen oder mehrere Kühlkanäle aufweisen, die von einem Kühlmittel, zum Beispiel einem Wasser-Glykol-Gemisch, durchströmbar sind. Die freigebbare Wandöffnung kann entsprechend in einem Bereich dieses Kühlbodens angeordnet sein, in welchem sich beispielsweise kein Kühlkanal befindet. Aus Batteriezellen austretende Heißgase können somit besonders effizient aus der Batterie abgeleitet werden und direkt durch den Kühlboden zwischen den Kühlkanälen hindurch geleitet werden. Weiterhin ist es bevorzugt, dass der Kühlboden in Bezug auf eine bestimmungsgemäße Einbaulage des Entgasungskanals und insbesondere der Batterie im Kraftfahrzeug unter dem mindestens einen Zellpack der Batterie angeordnet ist. Der Kühlboden definiert damit also eine Gehäuseunterseite für ein Batteriegehäuse der Batterie. Die Ableitung von Heißgasen aus der Batterie nach unten hat dabei den großen Vorteil, dass so Heißgase gezielt vom Passagierraum des Kraftfahrzeugs weggeleitet werden können. Dies hat den Hintergrund, dass eine Hochvoltbatterie in einem Kraftfahrzeug typischerweise im Unterbodenbereich angeordnet ist, das heißt unterhalb eines Passagierraums des Kraftfahrzeugs. Zudem kann durch die Führung der Heißgase nach unten eine besonders schnelle und effiziente Ableitung aus dem Gesamtkraftfahrzeug heraus bereitgestellt werden. Eine Erhitzung anderer Kraftfahrzeugkomponenten, insbesondere wie dem Fahrzeugboden, kann so auf besonders effiziente Weise vermieden werden oder zumindest die Erhitzung hinausgezögert oder in ihrem Ausmaß sehr stark reduziert werden.
-
Bei einer weiteren sehr vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung weist der Entgasungskanal eine zweite der ersten gegenüberliegende Kanalwand auf, die durch einen Unterfahrschutz bereitgestellt ist. Der Entgasungskanal kann also zum Beispiel in Bezug auf seine bestimmungsgemäße Einbaulage im Kraftfahrzeug nach oben hin durch den Kühlboden der Batterie und nach unten hin durch den Unterfahrschutz des Kraftfahrzeugs begrenzt sein. In diesem Zwischenraum ist ausreichend Platz, um Heißgase effizient nach außen zu leiten, insbesondere aus dem Kraftfahrzeug heraus. Eine entsprechende Ableitungsstelle kann geeignet gewählt werden, zum Beispiel seitlich des Kraftfahrzeugs, nach vorne oder nach hinten. Die Heißgase können aber auch nach Durchlaufen zumindest eines Teilabschnitts dieses Zwischenraums zwischen dem Unterfahrschutz und dem Kühlboden in einen weiteren Abgaskanal geleitet und durch diesen an beliebiger Stelle aus dem Kraftfahrzeug herausgeführt werden. Dadurch, dass die Heißgase nicht direkt auf dem kürzesten Weg aus dem Kraftfahrzeug herausgeleitet werden, sondern beispielsweise zunächst noch einen Teil des Zwischenraums zwischen Unterfahrschutz und Kühlboden sowie einem optionalen Abgaskanal durchlaufen, hat den Vorteil, dass hierdurch eine weitere Abbremsung der Gase und eine Partikelabscheidung erreicht werden kann, die letztendlich dazu führt, dass das letztendlich aus dem Fahrzeug austretende Gas deutlich kühler ist und die Wahrscheinlichkeit für eine Selbstentzündung verringert ist. Dadurch kann die Sicherheit weiter gesteigert werden.
-
Nichtsdestoweniger ist es auch denkbar, dass der Entgasungskanal nicht durch den Kühlboden und den Unterfahrschutz einerseits bereitgestellt ist, sondern beispielsweise oberhalb des Zellpacks angeordnet ist, und zum Beispiel durch einen oberseitig auf der Batterie angeordneten Gehäusedeckel und dem oberhalb der Batterie positionierten Fahrzeugboden bereitgestellt ist. Auch hierdurch ist ein geeigneter Zwischenraum bereitgestellt, um eine Ableitung der Heißgase aus dem Fahrzeug zu ermöglichen. Aufgrund der größeren Distanz zum Passagierraum ist es jedoch bevorzugt, eine Ableitung der Heißgase nach unten, das heißt durch den Kühlboden und in den Zwischenraum zwischen Kühlboden und Unterfahrschutz, bereitzustellen.
-
Weiterhin ist es bevorzugt, dass die erste Kanalwand mehrere freigebbare Wandöffnungen aufweist, wobei eine jeweilige freigebbare Wandöffnung genau einer freigebbaren Zellentgasungsöffnung von mehreren jeweiligen Batteriezellen der Batterie zugeordnet ist. Typischerweise weist eine Hochvoltbatterie vielzählige Batteriezellen auf. Der Entgasungskanal soll nun vorzugsweise so gestaltet sein, dass dieser pro Zellentgasungsöffnung einer jeweiligen Batteriezelle auch eine zugeordnete freigebbare Wandöffnung aufweist. Die Zuordnung besteht insbesondere darin, dass das aus der betreffenden zugeordneten Zellentgasungsöffnung austretende Heißgas das Freigeben der zugeordneten Wandöffnung bewirkt und diese letztendlich freigegebene Wandöffnung durchdringt. Die freigebbare Wandöffnung lässt sich also vorzugsweise nur unter dem Gasdruck des aus der zugeordneten Zellentgasungsöffnung austretenden Gases freigeben und nicht durch den Gasdruck anderer Gase, welche eventuell aus anderen Batteriezellen und deren Zellentgasungsöffnungen austreten. So kann ein besonders vorteilhaftes stufenweises, gelenktes Öffnen bereitgestellt werden.
-
Bei einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung weist die erste Kanalwand im Bereich der freigebbaren Wandöffnung eine Materialschwächung zur Bereitstellung einer Sollbruchstelle zum Freigeben der Wandöffnung auf, die insbesondere als Gravur auf einer der zweiten Kanalwand zugewandten oder abgewandten Seite der ersten Kanalwand ausgebildet ist, und die insbesondere entlang einer vollständig geschlossenen oder nicht geschlossenen Linie bereitgestellt ist, die zumindest zum Teil eckig und/oder rund und/oder elliptisch verläuft. Die Ausbildung der Kanalwand mit einer Materialschwächung im Bereich der freigebbaren Wandöffnung, insbesondere in Form einer Gravur, die eine beliebige Form haben kann, ist besonders einfach und kostengünstig, um eine Sollbruchstelle bereitzustellen, die sich erst zum Beispiel ab einem bestimmten Mindestdruck öffnet, der erreicht ist, wenn die Zelle der zugeordneten Zellentgasungsöffnung entgast.
-
Eine Materialschwächung in Form einer Gravur lässt sich zum Beispiel auf einfache Weise mittels eines Lasers einbringen. Eine solche Gravur kann darüber hinaus sowohl auf der dem Zellpack zugewandten als auch der dem Zellpack abgewandten Seite und entsprechend auf der der zweiten Kanalwand, wie zum Beispiel dem Unterfahrschutz, zugewandten oder abgewandten Seite angeordnet sein. Auch eine beidseitige Gravur ist denkbar. Die den Kühlboden bereitstellenden Bleche weisen typischerweise eine Dicke von 0,8 Millimetern bis 1,6 Millimetern auf. Eine Materialschwächung, das heißt eine Vertiefung, in Form einer Gravur mit einer Tiefe zwischen 0,1 Millimetern und 0,3 Millimetern hat sich dabei als ausreichend erwiesen, um im Falle eines thermischen Durchgehens einer Batteriezelle und eines daraus resultierenden Gasaustritts ein automatisches Freigeben der betreffenden Wandöffnung zu gewährleisten. Anstelle, eine solche Gravur direkt in den Kühlboden einzubringen beziehungsweise in die erste Kanalwand, kann es auch vorgesehen sein, zur Bereitstellung einer solchen freigebbaren Wandöffnung zunächst ein entsprechendes Loch in die erste Kanalwand zu schneiden und dieses mit einer Metallfolie, zum Beispiel durch Auflaminieren, zu verschließen. Die erste Kanalwand kann beispielsweise durch eine Aluplatte bereitgestellt sein und die Metallfolie als Alufolie ausgebildet sein. Die Ausbildung der Materialschwächung als Gravur hat jedoch den Vorteil, dass hierdurch auch eine bestimmte Art der Öffnung beziehungsweise des Freigebens bereitgestellt werden kann. Zum Beispiel kann die Gravur entlang einer nicht geschlossenen Linie bereitgestellt werden, die zum Beispiel U-förmig verläuft. Im Falle eines Freigebens der Öffnung würde die Kanalwand entsprechend entlang dieser Linie U-förmig aufreißen. Dabei würde sich der aufgerissene Teil der Kanalwand jedoch nicht vollständig vom übrigen Bereich der Kanalwand lösen, sondern an dieser befestigt bleiben, da das Aufreißen nicht entlang einer geschlossenen Linie erfolgt. Durch diesen abstehenden Wandteil kann entsprechend eine gezielte Gaslenkung bereitgestellt werden beziehungsweise auch eine gewisse Abschirmung zum Beispiel in eine bestimmte Strömungsrichtung. Beim Aufreißen der freigebbaren Wandöffnung kann der abstehende Teil beispielsweise auch mit einem offenen, abstehenden Ende am Unterfahrschutz zum Anliegen kommen und sich zum Beispiel dadurch gebogen bzw.mit einer Krümmung ausformen und damit eine gezielte Gaslenkung des in diesen Zwischenbereich eintretenden Gases ermöglichen. Dadurch sind zahlreiche weitere Möglichkeiten zur Gaslenkung bereitgestellt. Insbesondere ist es auch denkbar, dass zum Beispiel eine gezielte Gasstromlenkung bereitgestellt werden kann, je nach Position der Zellen im Batteriegehäuse beziehungsweise der Position der Zellen in Bezug auf das Gesamtfahrzeug.
-
Daher stellt es eine weitere vorteilhafte Ausgestaltung der Erfindung dar, wenn die erste Kanalwand eine erste freigebbare Wandöffnung aufweist, die einer ersten Zellentgasungsöffnung einer ersten Batteriezelle zugeordnet ist, und eine zweite freigebbare Wandöffnung aufweist, die einer zweiten Zellentgasungsöffnung einer zweiten Batteriezelle zugeordnet ist, wobei die Materialschwächung im Bereich der ersten freigebbaren Wandöffnung anders ausgebildet ist als die Materialschwächung im Bereich der zweiten freigebbaren Wandöffnung, sodass im Falle eines Freigebens der ersten Wandöffnung durch die freigegebene erste Wandöffnung eine zugeordnete erste Gaslenkeigenschaft bereitgestellt wird, die von einer zweiten Gaslenkeigenschaft verschieden ist, die von der zweiten Wandöffnung im Falle eines Freigebens der zweiten Wandöffnung bereitgestellt wird. Wie oben bereits beschrieben, kann sich zum Beispiel durch die Art der Ausbildung der Gravur gezielt eine bestimmte Art und Weise des Freigebens der freigebbaren Wandöffnung bereitgestellt werden und damit einhergehend auch eine bestimmte Gaslenkeigenschaft, insbesondere in Bezug auf die Richtung der Gaslenkung. Die Gravur sitzt also vorzugsweise am Batteriegehäuseboden und kann in jeglicher Form ausgestaltet sein, zum Beispiel rund, eckig, elliptisch oder partiell, um ein gesteuertes Öffnen zu ermöglichen und den Gasstrom gezielt zu lenken, zum Beispiel je nach Position der Zelle im Batteriegehäuse. Mit anderen Worten kann also je nach Position der Zelle im Fahrzeug die Struktur im Berstfall anders geöffnet werden und der Gasstrom wird separat gelenkt. Auf diese Weise kann für jede Batteriezelle abhängig von ihrer Position innerhalb der Batterie und/oder des Kraftfahrzeugs eine entsprechende Gaslenkung bereitgestellt werden. Beispielsweise können Gase, die aus Batteriezellen einer ersten, zum Beispiel linken, Hälfte der Batterie austreten, zu einem auf einer erstes, zum Beispiel linken, Seite befindlichen Gaskanal durch den Zwischenraum zwischen Kühlkanal und Unterfahrschutz gelenkt werden und die aus Batteriezellen auf einer zweiten, zum Beispiel rechten, Seite der Batterie austretenden Gase können gezielt zu einem auf einer zweiten, zum Beispiel rechten, Seite angeordneten Gaskanal geführt werden. Links und rechts können sich hierbei zum Beispiel auf eine Fahrzeuglängsrichtung des Kraftfahrzeugs beziehen, in welchem der Entgasungskanal bzw. die nachfolgend beschriebene Batterieanordnung Anwendung findet.
-
Des Weiteren betrifft die Erfindung auch eine Batterieanordnung mit einem erfindungsgemäßen Entgasungskanal oder einer seiner Ausgestaltungen. Des Weiteren weist die Batterieanordnung eine Batterie mit mindestens einem Zellpack auf, der mindestens eine Batteriezelle umfasst, die eine freigebbare Zellentgasungsöffnung aufweist, wobei der Entgasungskanal derart an dem Zellpack angeordnet ist, dass die freigebbare Wandöffnung der ersten Kanalwand der zugeordneten Zellentgasungsöffnung gegenüberliegend angeordnet ist.
-
Die Batterie kann dabei insbesondere als eine Hochvoltbatterie für ein Elektro- oder Hybridfahrzeug ausgebildet sein. Ein Zellpack kann dabei im Allgemeinen eine Zellgruppe definieren, die mindestens eine Batteriezelle umfasst. Vorzugsweise umfasst eine solche Zellgruppe jedoch mehrere Batteriezellen. Ein solcher Zellpack kann auch in Form eines Zellmoduls mit mehreren Batteriezellen bereitgestellt sein, die über eine Haltestruktur miteinander verbunden sind. Die Batteriezellen eines Batteriemoduls können beispielsweise auch in einem Batteriemodulgehäuse angeordnet sein. Dabei ist es bevorzugt, dass die Batterie mehrere Batteriezellen, insbesondere vielzählige Batteriezellen, umfasst. Diese können zum Beispiel als prismatische Batteriezellen, Rundzellen oder Pouchzellen ausgebildet sein. Im Rahmen der vorliegenden Erfindung sind die Batteriezellen jedoch vorzugsweise als prismatische Batteriezellen ausgebildet. Weiterhin können die Batteriezellen zum Beispiel als Lithium-Ionen-Zellen ausgebildet sein. Die Zellentgasungsöffnung einer solchen Batteriezelle ist dabei im Normalbetrieb der Batteriezelle geschlossen. Beispielsweise kann die freigebbare Zellentgasungsöffnung ebenfalls mit einer Berstmembran ausgebildet sein. Eine solche Berstmembran kann zum Beispiel als dünne Metallfolie, zum Beispiel Alufolie, bereitgestellt sein, die eine Öffnung im Zellgehäuse verschließt. Bei entsprechendem Druck innerhalb der Batteriezelle wird die Metallfolie zerstört beziehungsweise zerrissen und gibt dadurch die Öffnung im Zellgehäuse frei. Weiterhin ist es vorteilhaft, wenn die einer jeweiligen Zellentgasungsöffnung zugeordnete freigebbare Wandöffnung hinsichtlich ihrer Dimensionen auf die Zellentgasungsöffnung abgestimmt ist und kann zum Beispiel genauso groß oder etwas größer als die zugeordnete Zellentgasungsöffnung ausgebildet sein. Vorzugsweise ist eine jeweilige Wandöffnung maximal so breit wie die Dicke einer korrespondierenden Batteriezelle. Mit anderen Worten sollen die jeweiligen Randöffnungen nicht unmittelbar aneinander angrenzen, sondern sollen voneinander beabstandet sein. Dies ist für die thermische Entkopplung förderlich.
-
Bei einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung weist die Batteriezelle eine erste Seite mit zwei Zellpolanschlüssen auf, und eine der ersten Seite gegenüberliegende zweite Seite, an welcher die Zellentgasungsöffnung angeordnet ist. Mit anderen Worten ist die Zellentgasungsöffnung einer jeweiligen Batteriezelle vorzugsweise an einer Unterseite der betreffenden Batteriezelle angeordnet, während die Zellpolanschlüsse dagegen auf einer gegenüberliegenden Oberseite der Batteriezelle angeordnet sind. Dies hat ebenso gleich mehrere Vorteile. Zum einen ist es hierdurch möglich, aus der Batteriezelle austretende Gase nach unten durch einen Kühlboden hindurch in das Innere des Entgasungskanals zu lenken. Der Kühlboden ist besonders einfach an einer Seite der Batteriezellen anzubringen, an welchen keine Zellpole angeordnet sind. Üblicherweise stellen diese die Unterseite der Batteriezellen dar. Gleichzeitig ist es hierdurch vorteilhafterweise auch möglich, den aus einer Batteriezelle austretenden Heißgasstrom möglichst weit von den Zellpolen beziehungsweise Zellpolabgriffen entfernt zu halten und von diesen zu separieren. Da gerade aus Batteriezellen austretende Heißgase elektrisch leitfähige Partikel umfassen, kann hierdurch die Gefahr eines Spannungsdurchschlags beziehungsweise einer Lichtbogenbildung und einer daraus folgenden Gasentzündung reduziert werden. Dadurch lässt sich die Gasabführung noch sicherer gestalten.
-
Bei einer weiteren sehr vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung ist der Entgasungskanal derart an dem Zellpack angeordnet, dass die freigebbare Wandöffnung der ersten Kanalwand einen vorbestimmten Abstand zur zugeordneten Zellentgasungsöffnung zur Bereitstellung eines Freibereichs zwischen der freigebbaren Zellentgasungsöffnung und der freigebbaren Wandöffnung aufweist. Dies ist besonders vorteilhaft, gerade wenn die freigebbare Zellentgasungsöffnung zum Beispiel als Berstmembran, die sich auf einen vorbestimmten Druck öffnet, ausgebildet ist. Das Öffnen erfolgt dabei kraftbedingt nach außen gerichtet, das heißt aus dem Inneren der Batteriezelle nach außen gerichtet. Durch den vorbestimmten Abstand und den dadurch bereitgestellten Freiraum zwischen dieser freigebbaren Zellentgasungsöffnung und der freigebbaren Wandöffnung kann eine Verblockung verhindert werden. Mit anderen Worten wird so gewährleistet, dass die erste Kanalwand ein Öffnen der Zellentgasungsöffnung nicht beeinträchtigt. Dabei ist bereits ein kleiner Abstand ausreichend, um eine solche Verblockung zu verhindern, zum Beispiel im Bereich zwischen 1 und 5 Millimetern, vorzugsweise zwischen 1,5 Millimetern und 2,5 Millimetern, zum Beispiel 2 Millimetern.
-
Bei einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung ist zwischen der freigebbaren Wandöffnung und der zugeordneten Zellentgasungsöffnung eine die Wandöffnung und die zugeordnete Zellentgasungsöffnung umlaufende Trennwand, insbesondere ein O-Ring, angeordnet, welcher einen freien Innenbereich zwischen der Zellentgasungsöffnung und der Wandöffnung von einem Außenbereich zwischen dem Zellpack und dem Entgasungskanal separiert, der zumindest zum Teil mit einer Wärmeleitmasse ausgefüllt ist. Eine solche Wärmeleitmasse dient der thermischen Anbindung der Batteriezellen an den Kühlboden. Bei der Herstellung der Batterie wird diese in einem fließfähigen Zustand zwischen den Kühlboden und den Batteriezellen eingebracht, zum Beispiel in den betreffenden Zwischenraum zwischen Batteriezellen und Kühlboden eingespritzt beziehungsweise injiziert oder auf den Kühlboden aufgebracht und anschließend die Zellpacks auf die Wärmeleitmasse aufgesetzt und in der Fläche verpresst. Unabhängig von der Einbringungsvariante kann es nun vorteilhafterweise durch eine solche Trennwand, wie beispielsweise in Form eines O-Rings, erreicht werden, dass gerade dieser Bereich zwischen den Zellentgasungsöffnungen und den zugeordneten freigebbaren Wandöffnungen freigehalten wird und damit keine solche Wärmeleitmasse in diesen Bereich eindringen kann. Ein solcher O-Ring kann zum Beispiel in Form eines Schaumbands, Gummirings oder eines ähnlichen Elements bereitgestellt sein, das verhindert, dass eine solche Wärmeleitmasse, auch Gapfiller genannt, am Eindringen in diesen freizuhaltenden Freibereich hindert. Somit kann vorteilhafterweise erreicht werden, dass der Gapfiller diesen Hohlraum beziehungsweise Freiraum zwischen der freigebbaren Wandöffnung und der freigebbaren Zellentgasungsöffnung nicht ausfüllt, wodurch wiederum eine Blockwirkung beim stufenweisen Öffnen der freigebbaren Öffnungen verhindert werden kann.
-
Wird zwischen der ersten Kanalwand und dem Zellpack beispielsweise keine Wärmeleitmasse verwendet oder eingebracht, so kann entsprechend auch auf eine solche Trennwand verzichtet werden. Dies gilt insbesondere auch, wenn zur thermischen Anbindung ein zumindest initial nicht fließfähiges Wärmeleitmaterial, zum Beispiel eine Wärmeleitmatte oder ähnliches, verwendet wird.
-
Des Weiteren betrifft die Erfindung auch ein Kraftfahrzeug mit einer erfindungsgemäßen Batterieanordnung oder einer ihrer Ausgestaltungen.
-
Das erfindungsgemäße Kraftfahrzeug ist bevorzugt als Kraftwagen, insbesondere als Personenkraftwagen oder Lastkraftwagen, oder als Personenbus oder Motorrad ausgestaltet.
-
Die Erfindung umfasst auch die Kombinationen der Merkmale der beschriebenen Ausführungsformen. Die Erfindung umfasst also auch Realisierungen, die jeweils eine Kombination der Merkmale mehrerer der beschriebenen Ausführungsformen aufweisen, sofern die Ausführungsformen nicht als sich gegenseitig ausschließend beschrieben wurden.
-
Im Folgenden sind Ausführungsbeispiele der Erfindung beschrieben. Hierzu zeigt:
- 1 eine schematische Darstellung einer Batteriezelle für eine Batterieanordnung gemäß einem Ausführungsbeispiel der Erfindung;
- 2 eine schematische Darstellung einer Batterieanordnung mit mehreren Batteriezellen und einer Kanalwand eines Entgasungskanals gemäß einem Ausführungsbeispiel der Erfindung;
- 3 eine schematische Querschnittsdarstellung einer Batterieanordnung mit einer am Entgasungskanal angeordneten Batteriezelle gemäß einem Ausführungsbeispiel der Erfindung;
- 4 eine schematische Querschnittsdarstellung einer Detailansicht der Anbindungsstelle zwischen Zellentgasungsöffnung und freigebbarer Wandöffnung gemäß einem Ausführungsbeispiel der Erfindung; und
- 5 eine schematische Darstellung des zeitlichen Ablaufs beim Entgasen einer Batteriezelle gemäß einem Ausführungsbeispiel der Erfindung.
-
Bei den im Folgenden erläuterten Ausführungsbeispielen handelt es sich um bevorzugte Ausführungsformen der Erfindung. Bei den Ausführungsbeispielen stellen die beschriebenen Komponenten der Ausführungsformen jeweils einzelne, unabhängig voneinander zu betrachtende Merkmale der Erfindung dar, welche die Erfindung jeweils auch unabhängig voneinander weiterbilden. Daher soll die Offenbarung auch andere als die dargestellten Kombinationen der Merkmale der Ausführungsformen umfassen. Des Weiteren sind die beschriebenen Ausführungsformen auch durch weitere der bereits beschriebenen Merkmale der Erfindung ergänzbar.
-
In den Figuren bezeichnen gleiche Bezugszeichen jeweils funktionsgleiche Elemente.
-
1 zeigt eine schematische und perspektivische Darstellung einer Batteriezelle 10 für eine Batterieanordnung 12 gemäß einem Ausführungsbeispiel der Erfindung. Eine solche beispielhafte Batterieanordnung 12 ist zum Beispiel in 2 dargestellt. Die in 1 exemplarisch dargestellte Batteriezelle 10 ist als eine prismatische Batteriezelle ausgebildet und weist ein Zellgehäuse 14 auf, welches eine Oberseite 14a und eine Unterseite 14b der Batteriezelle 10 bereitstellt. An der Oberseite sind zwei Zellpolanschlüsse 16, 18 der Batteriezelle 10 angeordnet. Einer dieser beiden Zellpolanschlüsse 16, 18 ist als Pluspol und der andere als Minuspol ausgebildet. An der Oberseite 14a der Batteriezelle 10 können darüber hinaus noch weitere Komponenten angeordnet sein, wie zum Beispiel eine Einfüllöffnung 20 zum Befüllen des Zellgehäuses 14 mit einem Elektrolyt bei der Herstellung der Batteriezelle 10, ein Datenmatrixcode 22, der zum Beispiel als QR-Code bereitgestellt sein kann, und ein thermochromatischer Aufkleber 24. Weiterhin weist eine solche Batteriezelle 10 eine freigebbare Entgasungsöffnung 26 auf. Diese kann, wie in 1 dargestellt, ebenfalls auf der Oberseite 14a der Batteriezelle 10 angeordnet sein, ist jedoch in den nachfolgend beschriebenen Ausführungsbeispielen stattdessen auf der Unterseite 14b des Zellgehäuses 14 angeordnet. Eine solche Entgasungsöffnung 26 kann zum Beispiel mit einer bei Überdruck zerreißenden Berstmembran bereitgestellt sein, die zum Beispiel durch eine dünne Metallfolie bereitgestellt ist, die eine Öffnung im Zellgehäuse 14 verschließt.
-
Bei herkömmlichen Batterien, insbesondere Hochvoltbatterien für Elektro- oder Hybridfahrzeuge, ist keine direkte Heißgaslenkung pro Zelle, insbesondere nicht nach unten, möglich. Stattdessen werden üblicherweise zusätzliche Brandschutzplatten im Deckel des Batteriegehäuses eingesetzt, welche jedoch sehr teuer sind und viel Gewicht mit sich bringen, um das Durchgehen einer Zelle in den Innenraum des Kraftfahrzeugs zu unterbinden. Durch die Erfindung und ihre Ausgestaltungen lässt sich jedoch nunmehr eine deutlich effizientere Gaslenkung bereitstellen.
-
2 zeigt hierzu eine schematische Darstellung einer Batterieanordnung 12 mit mehreren Batteriezellen 10. Diese Batteriezellen 10 können insbesondere, wie zu 1 beschrieben, ausgebildet sein mit dem Unterschied, dass nunmehr die oben genannten Zellentgasungsöffnungen 26 nicht auf der Oberseite 14a eines betreffenden Zellgehäuses 14 angeordnet sind, sondern stattdessen auf der gegenüberliegenden Unterseite 14b. Entsprechend sind diese freigebbaren Zellentgasungsöffnungen 26 in der Darstellung wie in 2 nicht sichtbar. Weiterhin umfasst die Batterieanordnung 12 einen Entgasungskanal 28, von welchem in diesem Beispiel nur ein Teil dargestellt ist, nämlich eine erste Kanalwand 30, welche dem durch die mehreren Batteriezellen 10 bereitgestellten Zellpack 32 zugewandt ist. Der Entgasungskanal 28 kann auf eine dieser ersten Kanalwand 30 gegenüberliegenden Seite durch eine zweite Kanalwand 34 begrenzt sein, welche vorliegend lediglich gestrichelt angedeutet ist. Dabei ist es besonders vorteilhaft, wenn die erste Kanalwand 30 zum Beispiel durch einen Kühlboden 36 des Batteriegehäuses der Batterie, welche den Zellpack 32 umfasst, bereitgestellt ist, und die zweite Kanalwand 34 durch einen Unterfahrschutz des Kraftfahrzeugs. Der Entgasungskanal 28 kann nun vorteilhafterweise an der ersten Kanalwand 30 mehrere freigebbare Wandöffnungen 38 aufweisen. Dabei ist jede Wandöffnung 38 genau einer Zellentgasungsöffnung 26 zugeordnet. In 2 befindet sich also weiterhin unterhalb einer jeweiligen Batteriezelle 10 ebenfalls eine solche freigebbare Wandöffnung 38 in der ersten Kanalwand 30. Weiterhin ist es vorgesehen, dass weitere Batteriezellen 10 oberhalb dieser jeweiligen in 2 dargestellten freigebbaren Wandöffnungen 38 angeordnet sind, die zur besseren Veranschaulichung der freigebbaren Wandöffnungen 38 in 2 jedoch lediglich nicht dargestellt sind. Diese freigebbaren Wandöffnungen 38 sind im Normalfall verschlossen und öffnen sich nur dann, wenn die betreffende Batteriezelle mit der zugeordneten Zellentgasungsöffnung 26 ausgast. Die Gasableitung erfolgt dann durch ein stufenweises, gelenktes Öffnen dieser durch die freigebbaren Wandöffnungen 38 bereitgestellten Gaslenkstrukturen im Batteriegehäuseboden 36, die vorzugsweise so ausgestaltet ist, dass keine Verblockung bezüglich des Verbunds Zelle 10 und Gehäuseboden 36 und des dazwischen befindlichen Freiraums stattfinden kann. Die jeweiligen freigebbaren Wandöffnungen 38 können dabei ebenfalls als Berstöffnungen, zum Beispiel wie zu den Batteriezelle 10 in Bezug auf deren Zellentgasungsöffnungen 26 beschrieben, bereitgestellt sein oder durch eine anders ausgebildete Materialschwächung in der ersten Kanalwand 30, zum Beispiel in Form einer Gravur. Entsteht in einer bestimmten Zelle 10 also ein Überdruck, so öffnet sich zunächst deren unterseitige Zellentgasungsöffnung 26, wodurch das in der Zelle 10 entstandene Gas aus dieser austreten kann unmittelbar auf die zugeordnete freigebbare Wandöffnung 38 der ersten Kanalwand 30 trifft, die sich infolgedessen ebenfalls öffnet und dadurch das austretende Gas in das Innere 40 des Entgasungskanals 28 leitet.
-
Zur besseren thermischen Entkopplung ist es dabei sehr vorteilhaft, dass für jede Zelle 10 ihre eigene zugeordnete freigebbaren Wandöffnung 38 vorgesehen ist. Die Wandöffnungen 38 weisen entsprechend vorzugsweise eine Abstand, insbesondere in y-Richtung, auf und eine Breite, die in y-Richtung maximal so groß ist wie eine Dicke der zugeordneten Zelle 10 in y-Richtung, zum Beispiel maximal 30 mm. Die Dicke der Zellen 10 in y-Richtung ist dabei kleiner als eine Breite der Zellen 10 in y-Richtung und Höhe der Zellen 10 in z-Richtung. Mehrere Zellen 10 Zellpacks sind in y-Richtung nebeneinander angeordnet.
-
3 zeigt eine schematische Querschnittsdarstellung durch eine Batterieanordnung 12 gemäß einem Ausführungsbeispiel der Erfindung. Diese Zellanordnung 12 umfasst dabei wiederum eine Batteriezelle 10, die wie zuvor beschrieben ausgebildet sein kann, sowie einen Entgasungskanal 28, der ebenfalls wie zuvor beschrieben ausgebildet sein kann. 4 zeigt dabei nochmals eine Detaildarstellung eines Ausschnitts aus 3 im Anbindungsbereich zur Anbindung der freigebbaren Zellentgasungsöffnung 26 an die freigebbare Wandöffnung 38. Auch in 3 ist die erste Kanalwand 30 vorzugsweise als Kühlboden 36 ausgebildet. Mit anderen Worten stellt die erste Kanalwand 30 vorzugsweise einen Boden des Batteriegehäuses bereit, auf welchem die Batteriezellen 10 angeordnet sind, und welcher gleichzeitig Kühlkanäle 42 bereitstellt, die von einem Kühlmedium durchströmbar sind. Weiterhin ist im vorliegenden Fall eine jeweilige Batteriezelle 10 über eine Wärmeleitmasse 44, auch Gapfiller genannt, an den Kühlboden 36 angebunden. Durch eine solche Wärmeleitmasse 44 kann die Wärmeabfuhr von der Batteriezelle 10 an den Kühlboden 36 im normalen Betrieb effizienter gestaltet werden. Die freigebbare Wandöffnung 38 ist der zugeordneten freigebbaren Zellentgasungsöffnung 26 der Batteriezelle 10 direkt gegenüberliegend angeordnet, wie dies im Detail vor allem in 4 gut zu erkennen ist. Dabei ist es weiterhin vorteilhaft, wenn die freigebbare Wandöffnung 38 einen vorgebbaren Mindestabstand d zur freigebbaren Zellentgasungsöffnung 26 aufweist, der vorzugsweise zwischen 1 und 3 Millimetern liegt, zum Beispiel bei 2 Millimetern. Dadurch lässt es sich bewerkstelligen, dass es nicht zu einer Verblockung im Falle des sukzessiven Öffnens der Zellentgasungsöffnung 26 und darauf der freigebbaren Wandöffnung 38 kommt. Weiterhin ist in diesem Beispiel im Bereich zwischen der Zellentgasungsöffnung 26 und der freigebbaren Wandöffnung 38 eine Trennwand, in diesem Beispiel in Form eines O-Rings 46, angeordnet. Dieser O-Ring 46 ist korrespondierend zu den freigebbaren Wandöffnungen 38 in diese Beispiel rund ausgebildet und um die freigebbare Wandöffnung 38 sowie die zugeordnete Zellentgasungsöffnung 26, sodass zwischen der freigebbaren Wandöffnung 38 und der zugeordneten freigebbaren Zellentgasungsöffnung 26 ein Freiraum 48 entsteht. Durch den O-Ring 46 wird dieser Freiraum 48 bei der Fertigung der Batterie während des Einfüllens des Gapfillers 44 freigehalten. Dies gewährleistet also, dass während der Fertigung keine Gapfillermasse 44 in diesen Freiraumbereich 48 gelangen kann.
-
Der Kühlboden 36 kann sich zum Beispiel aus einer Kühlplatte 36a und einer Grundplatte 36b zusammensetzen, zwischen denen die Kühlkanäle 42 gebildet sind und welche zum Beispiel jeweils in Form von Blechen ausgebildet sein können. Die freigebbare Wandöffnung 38 kann dann entsprechend in einem dieser Bleche 36a, 36b, wie zum Beispiel in diesem Fall in der Grundplatte 36b, ausgebildet sein.
-
Dabei ist es beispielsweise besonders vorteilhaft, wenn diese freigebbare Wandöffnung 38 zum Beispiel durch eine Gravur im Boden 36 für eine jeweilige zugeordnete Zellentgasungsöffnung 26 bereitgestellt wird. Diese Gravur klappt bei erhöhtem Entgasungsdruck der Zellen 10 auf und leitet den Gasstrom zwischen Bodenblech 36 und Unterfahrschutz 34 gezielt nach außen. Dadurch kann das Anstecken weiterer Zellen 10 durch die verbesserte thermische Entkopplung verhindert werden oder zumindest zeitlich hinausgezögert werden. Dieses stufenweise gelenkte Öffnen wird nun detaillierter anhand von 5 beschrieben.
-
5 zeigt hierzu eine zeitliche Abfolge eines solchen Öffnungsvorgangs im Falle eines Ausgasens einer Batteriezelle 10. Dabei zeigt 5 für vier verschiedene Zeitpunkte t1, t2, t3, t4 jeweils die Batterieanordnung 12 beziehungsweise den Teil davon, welcher auch zu 4 illustriert ist. Die Batterieanordnung 12 kann also wiederum wie zuvor beschrieben ausgebildet sein.
-
Zum ersten Zeitpunkt t1 befindet sich sowohl die Zellentgasungsöffnung 26 als auch die freigebbare Wandöffnung 38 noch im intakten Zustand. Dies bedeutet, sowohl die Zellentgasungsöffnung 26 als auch die zugeordnete freigebbare Wandöffnung 38 sind in dieser Situation noch verschlossen. Aufgrund eines thermischen Events der Zelle 10 entsteht ein Gas 52 im Inneren 50 der Batteriezelle 10, welches zu einem erhöhten Gasdruck im Inneren dieser Batteriezelle 10 führt. Dieser erhöhte Gasdruck wirkt, wie zum Zeitpunkt t1 dargestellt, auf die freigebbare Zellentgasungsöffnung 26 und führt bei Überschreiten eines bestimmten Schwellwerts dazu, dass sich diese Zellentgasungsöffnung 26 öffnet, wie dies zum Zeitpunkt t2 der Fall ist. Der infolgedessen aus der Zelle 10 ausströmende Gasstrom 52 ist dann entsprechend direkt auf die zugeordnete freigebbare Wandöffnung 38 gerichtet, die sich infolgedessen ebenfalls öffnet, wie dies in 5 zum Zeitpunkt t3 illustriert ist. Durch den anhaltenden Gasstrom 52 formen sich sowohl Teile des Zellgehäuses 14 als auch der Kanalwand 30 im Bereich der jeweiligen Zellentgasungsöffnung 26 und Wandöffnung 38 nach außen, das heißt in Richtung des Inneren 40 des Entgasungskanals 28. Dieser Endzustand ist zum Zeitpunkt t4 in 5 gezeigt. Damit gelangt der Gasstrom 52 in das Innere 40 des Entgasungskanals, welches durch den Zwischenraum zwischen dem Unterfahrschutz 34 und dem Kühlboden 36 der Batterie beziehungsweise des Fahrzeugs bereitgestellt ist. In diesem Zwischenraum kann das ausströmende Gas 52 zudem gezielt zu einem Abgasrohr oder auch direkt aus dem Fahrzeug herausgeleitet werden.
-
Insgesamt zeigen die Beispiele, wie durch die Erfindung ein aktiv steuerbares Entgasungssystem bereitgestellt werden kann, gemäß welchem vorzugsweise ein Gasöffnungssystem direkt im Boden integriert ist. Der Boden kann partiell unter den Zellen mit einer Gravur versehen sein. Diese Gravur klappt bei erhöhtem Entgasungsdruck der Zellen auf und leitet den Gasstrom zwischen Bodenblech und Unterfahrschutz gezielt nach außen, um das Anstecken weiterer Zellen zu verhindern. Dies ermöglicht eine schnelle Ableitung des Heißgases und einen Schutz von Insassen des Kraftfahrzeugs für eine längere Zeit. Zusätzlich können Kosten- und Gewichteinsparungen durch den Verzicht von Zusatzmaßnahmen erzielt werden.
-
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
-
Diese Liste der vom Anmelder aufgeführten Dokumente wurde automatisiert erzeugt und ist ausschließlich zur besseren Information des Lesers aufgenommen. Die Liste ist nicht Bestandteil der deutschen Patent- bzw. Gebrauchsmusteranmeldung. Das DPMA übernimmt keinerlei Haftung für etwaige Fehler oder Auslassungen.
-
Zitierte Patentliteratur
-
- DE 102016212450 A1 [0002]
- DE 102017218752 A1 [0003]
- EP 2244318 B1 [0004]
