DE102021124832A1

DE102021124832A1 - Batterieanordnung einer Antriebsbatterie für ein Kraftfahrzeug sowie Kraftfahrzeug mit einer Batterieanordnung

Info

Publication number: DE102021124832A1
Application number: DE102021124832.9A
Authority: DE
Inventors: Johannes Kessler; Eduard Main
Original assignee: Audi AG
Current assignee: Audi AG
Priority date: 2021-09-27
Filing date: 2021-09-27
Publication date: 2023-04-13

Abstract

Die Erfindung betrifft eine Batterieanordnung (1) einer Antriebsbatterie (10) für ein Kraftfahrzeug mit einem Batteriegehäuse (11), wenigstens einem in dem Batteriegehäuse angeordneten Batterieelement (12) und einem Kühlsystem (20) für die Antriebsbatterie (10). Mit dem Kühlsystem (20) soll ein Ausgasmedium (13), das sich bei einer vorgegebenen Betriebsbedingung (B) beim Ausgasen (1) der Batterieelemente (12) in dem Batteriegehäuse (11) ansammelt, abgekühlt werden. So kann ein Defekt der Batterieanordnung (1) vermieden werden. Dazu ist in eine Gehäusewand (11a, 11b, 11c, 11d) des Batteriegehäuses (11), die eine Ansammlungsfläche (F) für das Ausgasmedium (13) bildet, eine Kühlstruktur (21) eingearbeitet.

Description

Die Erfindung betrifft eine Batterieanordnung einer Antriebsbatterie für ein Kraftfahrzeug, mit einem Batteriegehäuse, wenigstens einem in dem Batteriegehäuse angeordneten Batterieelement und einem Kühlsystem für die Antriebsbatterie. Die Erfindung betrifft auch ein Kraftfahrzeug mit einer entsprechenden Batterieanordnung.
In einem Hybrid- oder Elektrofahrzeug kann eine Antriebsbatterie oder Hochvoltbatterie als ein elektrischer Energiespeicher zum Betreiben eines elektrischen Antriebs eines Kraftfahrzeugs eingesetzt werden. Eine solche Antriebsbatterie kann als Sekundärbatterie, also als Akkumulator, ausgebildet sein und ist somit wieder aufladbar. Eine solche Antriebsbatterie ist zum Beispiel aus einem oder mehreren Batterieelementen zusammengesetzt oder aufgebaut. Ein Batterieelement kann zum Beispiel eine Batteriezelle oder ein Batteriemodul sein. Die Batterieelemente können zum Bereitstellen der gewünschten elektrischen Energie oder Leistung in geeigneter Weise elektrisch miteinander verschaltet sein. Mehrere solche Batterieelemente können einen Stapelverbund oder Zellstapel bilden, bei dem die Batterieelemente in einer vorgegebenen Stapelrichtung benachbart oder nebeneinander angeordnet sind. Das oder die Batterieelemente, die zum Bilden der Antriebsbatterie verwendet werden, können gemeinsam in einem Batteriegehäuse angeordnet sein. Das heißt, die Batterieelemente können in einem Innenraum oder einem Volumen, das von dem Gehäuse begrenzt ist, aufgenommen sein.
Im Betrieb der Antriebsbatterie, also zum Beispiel beim Nutzen einer bereitgestellten elektrischen Energie für den Betrieb des Kraftfahrzeugs (Entladen) oder beim Wiederaufladen der Antriebsbatterie (Laden), kann es zum Erwärmen der Antriebsbatterie kommen. Diese Erwärmung kann zum Beispiel auf elektrochemische Reaktionen eines aktiven Materials der Batteriezellen zurückzuführen sein oder aufgrund eines Stromflusses über Anschlusskontakte oder Anschlusspole der Antriebsbatterie entstehen. Überschreitet eines der Batterieelemente bei der Erwärmung einen kritischen Temperaturwert, zum Beispiel von 80 Grad Celsius, kann es zu einem sogenannten thermischen Durchgehen (Thermal Runaway) kommen. Mit thermischem Durchgehen ist gemeint, dass sich das Batterieelement immer weiter erhitzt und dadurch zerstört wird. Durch die Überhitzung können auch andere Batterieelemente in dem Batteriegehäuse in einer Kettenreaktion mitreagieren. Im schlimmsten Fall kommt es zu einem Brand der Antriebsbatterie.
Zum Vermeiden des Überhitzens und um für die Antriebsbatterie optimale Betriebsbedingungen schaffen zu können, kann die Batterieanordnung ein Kühlsystem für das Batteriegehäuse umfassen.
Ein Beispiel für ein Kühlsystem einer Antriebsbatterie ist aus der DE 10 2018 129 653 A1 bekannt. Dabei ist in einem Gehäusedeckel des Batteriegehäuses ein Kühlkanal zum Leiten eines Kühlmediums innerhalb des Gehäusedeckels offenbart. Der Kühlkanal ist dabei so angeordnet, dass ein Modulverbindungselement, das ebenfalls in den Gehäusedeckel integriert ist, zum elektrischen Verbinden von zwei Batterieelementen dient, gekühlt wird.
Aus der DE 10 2019 119 869 A1 ist ein Batteriemodulgehäuse offenbart, das einen als Stangenpressprofil ausgebildeten Hauptabschnitt umfasst, wodurch ein Kühlkanal zum Aufnehmen eines Kühlmediums ausgebildet ist. Der Kühlkanal mündet in einen Anschlussstutzen, an den ein Kühlkreislauf zum Bereitstellen des Kühlmediums angeschlossen werden kann. Dadurch soll der Anschluss einer Kühlleitung außerhalb des Batteriemoduls ermöglicht werden.
Die US 2021/0066770 A1 offenbart zudem ein Kanalsystem, das zum Beispiel in einen Boden des Batteriegehäuses eingearbeitet sein kann. Beim Durchströmen des Kühlkanalsystems mit einem flüssigen Kühlmittel können so die Batterieelemente gekühlt werden.
Neben dem zuvor beschriebenen betriebsbedingten Erwärmen der Antriebsbatterie ist noch ein weiterer betriebsbedingter Erwärmungsmechanismus bekannt. Dabei geht es darum, dass bei bestimmten Betriebsbedingungen eine elektrochemische Reaktion des aktiven Materials der Batteriezellen ablaufen kann, die zu einer Gasbildung im Inneren der einzelnen Batteriezelle führen kann. Eine solche Betriebsbedingung kann zum Beispiel eine Beschädigung oder eine Überbeanspruchung, wie zum Beispiel eine Überladung des Batterieelements, sein. Bei der elektrochemischen Reaktion kann es sich zum Beispiel die sogenannte Elektrolyse handeln, bei der als Gas ein Ausgasmedium entstehen kann, das Wasserstoff und Sauerstoff enthält oder umfasst. Das entstehende Ausgasmedium weist dabei eine hohe Temperatur von etwa 100 bis 1.000 Grad auf. Um beim Ansammeln des Ausgasmediums in der Batteriezelle einen Überhitzung und einen Überdruck und somit eine Beschädigung der Batteriezelle zu vermeiden, wird ein kontrollierter Druckabbau ermöglicht. Dazu kann das Ausgasmedium zum Beispiel über eine Sollbruchstelle im Zellbecher oder Zellgehäuse des Batterieelements abgeführt oder ausgeführt werden. Dadurch kann das Ausgasmedium beim Ausgasen in einer vorgegebenen Einbaulage der Antriebsbatterie entgegen der Schwerkraft aus der Batteriezelle austreten und sich an einer der Gehäusewände des Batteriegehäuses ansammeln. Diese Gehäusewand bildet somit eine Ansammlungsfläche für das heiße Ausgasmedium.
Dadurch können eine hohe Temperatur und ein hoher Druck in dem Batteriegehäuse entstehen. Das heiße Gas kann sich zudem in dem Batteriegehäuse ausbreiten und alle innenliegenden Bauteile, also die Gehäusewände und die Batterieelemente, mit der entsprechenden Temperatur beaufschlagen. Übersteigt die Temperatur in dem Batteriegehäuse den vorgenannten kritischen Temperaturwert, kann es zum Durchgehen der Batterieelemente kommen. Zudem kann das Ausgasmedium entzündliche Materialien oder Stoffe umfassen, sodass es beim Übersteigen eines vorgegebenen Temperatur- oder Druckgrenzwerts zur Selbstentzündung des Ausgasmediums führen kann.
Ein Abführen des heißen Ausgasmediums aus dem Batteriegehäuse kann zu einer Beschädigung oder Beeinträchtigung der umliegenden Komponenten des Kraftfahrzeugs führen. Deshalb kann es vorteilhaft sein, die Wärmeenergie des Ausgasmediums durch das Batteriegehäuse aufnehmen zu lassen. Dazu kann zum Beispiel die als Ansammlungsfläche dienende Gehäusewand aus einem massiven Material gebildet sein. Zusätzlich oder alternativ kann für die Gehäusewand ein besonders temperaturbeständiges Material gewählt werden oder die Gehäusewand mit einem eine Schutzschicht bildenden Material beschichtet werden. Hierbei ergibt sich jedoch der Nachteil, dass zum Beispiel ein hoher Materialaufwand und zusätzliches Gewicht für die Antriebsbatterie anfallen. Zudem kann der Produktionsprozess aufwendig sein und die Kosten für die Fertigung der Antriebsbatterie können erhöht sein.
Es ist die Aufgabe der vorliegenden Erfindung, schädigende Auswirkungen eines Ausgasmediums, das unter vorgegebenen Betriebsbedingungen aus einem Batterieelement einer Antriebsbatterie austreten kann, auf die Antriebsbatterie zu vermeiden.
Diese Aufgabe wird durch die Gegenstände der unabhängigen Patentansprüche gelöst. Vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung sind in den abhängigen Ansprüchen, der Beschreibung und den Figuren offenbart.
Um eine Beschädigung der Antriebsbatterie beim Ausgasen eines Batterieelements zu vermeiden, ist in der Erfindung eine Batterieanordnung einer Antriebsbatterie für ein Kraftfahrzeug offenbart. Die Batterieanordnung umfasst ein Batteriegehäuse und wenigstens ein in dem Batteriegehäuse angeordnetes Batterieelement. Das Batterieelement kann zum Beispiel eine Batteriezelle oder ein Batteriemodul sein. Mehrere Batterieelemente können zum Beispiel in einem Stapelverbund, also in einer vorgegebenen Stapelrichtung, gestapelt oder nebeneinander in dem Batteriegehäuse angeordnet sein.
In dem Batteriegehäuse bildet zumindest eine Gehäusewand des Batteriegehäuses in einer vorgegebenen Einbaulage der Batterieanordnung eine Ansammlungsfläche für ein Ausgasmedium des Batterieelements. Das Ausgasmedium tritt dabei bei einer vorgegebenen Betriebsbedingung entgegen der Schwerkraft aus dem Batterieelement aus. Anders ausgedrückt kann das Ausgasmedium in dem Batteriegehäuse entgegen einer Wirkrichtung der Schwerkraft aufsteigen und sich so an der oder den entsprechenden Gehäusewänden ansammeln. Das Ausgasmedium kann, wie zuvor beschrieben, zum Beispiel ein Gas sein, welches zum Beispiel Wasserstoff und/oder Sauerstoff umfasst. Die Betriebsbedingung, die zum Entstehen des Ausgasmediums führen kann, kann zum Beispiel eine Beschädigung oder eine Überbeanspruchung des Batterieelements, zum Beispiel beim Überladen, sein. Das Ausgasmedium kann dabei eine Temperatur in einem ersten Temperaturwertebereich aufweisen. Der erste Temperaturwertebereich kann potentiell beschädigend für die Batterieanordnung wirken. Zum Beispiel kann der erste Temperaturwertebereich bei oder zwischen 80°C bis 1200°C liegen.
Um die potentiell beschädigenden Auswirkungen des Ausgasmediums für die Antriebsbatterie zu vermeiden, umfasst die Batterieanordnung zudem ein Kühlsystem für die Antriebsbatterie. Das Kühlsystem weist eine Kühlstruktur auf, die von der wenigstens einen als Ansammlungsfläche dienenden Gehäusewand umfasst ist. Die Kühlstruktur ist somit zusätzlich zu der wenigstens einen Gehäusewand vorgesehen. Dabei kann die Kühlstruktur zum Beispiel in die Gehäusewand integriert oder eingearbeitet sein. Die Kühlstruktur kann somit integraler Bestandteil der Gehäusewand sein. Alternativ kann die Kühlstruktur als separates Bauteil mit der Gehäusewand zu einem Formteil verbunden sein. Die Kühlstruktur kann zum Beispiel über eine gesamte Fläche der jeweiligen Gehäusewand aufgebracht oder integriert sein. Alternativ kann die Kühlstruktur zum Beispiel nur in einem vorgegebenen Teilabschnitt, also bereichsweise, an der jeweiligen Gehäusewand angebracht oder eingearbeitet sein.
Die Kühlstruktur ist nun ausgebildet, bei Bereitstellen eines vorgegebenen Kühlmediums das Ausgasmedium abzukühlen. Zum Erzielen der Kühlwirkung kann die Kühlstruktur das Kühlmedium aufnehmen oder in thermisch leitenden Kontakt mit dem Kühlmedium treten. Das Kühlmedium kann die Kühlstruktur beispielsweise beströmen oder durchströmen. Dadurch kann eine thermische Energie oder Wärmeenergie des Ausgasmediums zumindest teilweise aufgenommen werden und mittels des Kühlmediums über die Kühlstruktur abgeführt werden. Das Abkühlen erfolgt zum Beispiel auf einen Temperaturbereich, durch den die potentiell beschädigende Auswirkung auf die Antriebsbatterie oder Batterieanordnung nicht mehr gegeben ist. Anders ausgedrückt, kann die Kühlstruktur das Ausgasmedium zum Beispiel auf einen vorgegebenen zweiten Temperaturwertebereich abkühlen. Von dem zweiten Temperaturwertebereich können zum Beispiel Temperaturwerte umfasst sein, bei denen die potentiell beschädigende Auswirkung des Ausgasmediums auf die Batterieanordnung vermieden wird. Der zweite Temperaturwertebereich kann zum Beispiel in einem Bereich kleiner als 80°C, beispielweise kleiner als 60°C liegen.
Indem für das Einbringen oder Bestücken der Kühlstruktur die Einbaulage der Batterieanordnung in dem Kraftfahrzeug berücksichtigt wird, kann somit immer die passende Gehäusewand gewählt werden. Die Gehäusewand kann zum Beispiel ein Gehäusedeckel oder eine Seitenwand oder ein Gehäuseboden sein.
Das vorliegende Kühlsystem hat den Vorteil, dass eine Temperatur des Ausgasmediums mittels der Kühlstruktur schnell und effektiv gesenkt werden kann. Das Ausgasmedium wird somit in einen Temperaturbereich gebracht, der harmlos oder unbeschädigend für die Batterieanordnung ist. Dadurch kann eine Kettenreaktion oder eine Selbstentzündung des Ausgasmediums und somit eine Beschädigung der Batterieanordnung vermieden werden. Indem die Kühlstruktur mit der Gehäusewand verbaut wird, ergibt sich zudem der Vorteil, dass die Gehäusewand kostengünstig gefertigt werden kann und zum Beispiel Gewicht eingespart werden kann. Auch kann sich durch die effektive Kühlung zum Beispiel eine Temperatur an einer Außenwand des Batteriegehäuses, also an einem zur Umgebung gerichteten Teil der Gehäusewand, in einem Temperaturbereich gehalten werden, durch den benachbarte Bauteile der Batterieanordnung unbelastet oder unbeschädigt bleiben.
Zu der Erfindung gehören auch Ausführungsformen, durch die sich zusätzliche Vorteile ergeben.
In einer Ausführungsform umfasst das Kühlsystem eine Detektionseinheit, die ausgebildet ist, die vorgegebene Betriebsbedingung des Batterieelements zu detektieren. Falls die Betriebsbedingung vorliegt, ist das Kühlsystem ausgebildet, das Kühlmedium zum Bereitstellen an die Kühlstruktur anzufordern, um das Ausgasmedium abzukühlen. Hierdurch ergibt sich der Vorteil, dass das Kühlmedium nur bei Bedarf oder auf Abruf an die Kühlstruktur bereitgestellt werden braucht.
Zum Detektieren der Betriebsbedingung kann die Detektionseinheit zum Beispiel eine Kraft oder einen Druck erfassen, die oder der vorliegen kann, wenn sich das jeweilige Batterieelement beim Bilden des Ausgasmediums aufbläht. Das Batterieelement erfährt somit beim Bilden des Ausgasmediums eine Volumenvergrößerung. Zusätzlich oder alternativ kann die Detektionseinheit zum Beispiel das Vorhandensein des Ausgasmediums in dem Batteriegehäuse detektieren. Dazu kann zum Beispiel die Stoffkonzentration von vorbestimmten Materialien oder Molekülen im Gehäuse erfasst werden. Zum Messen einer Zustandsgröße oder eines Parameters, der auf die Betriebsbedingung zurückzuführen ist, kann die Detektionseinheit zum Beispiel wenigstens ein entsprechendes Sensorelement aufweisen. Jedem Batterieelement in dem Batteriegehäuse kann zum Beispiel ein eigenes oder separates Sensorelement zugeordnet sein. Zum Beispiel kann das jeweilige Sensorelement als Parameter oder Detektionswert einen Kraftwert oder einen Druckwert oder einen Stoffmengenkonzentrationswert erfassen.
Um zu bestimmen, ob in Abhängigkeit von dem erfassten Parameter das Kühlmedium angefordert werden soll, kann die Detektionseinheit eine Auswerteelektronik oder Steuerelektronik aufweisen. Die Steuerelektronik kann den erfassten Detektionswert mit einem vorgegebenen Grenzwert vergleichen. Überschreitet der Detektionswert zum Beispiel den Grenzwert, kann die Steuerelektronik ein Steuersignal zum Anfordern des Kühlmediums bereitstellen. Als Grenzwert kann zum Beispiel ein Wert gewählt werden, bei dem die potentielle Beschädigung der Batterieanordnung bevorsteht oder wahrscheinlich ist.
In einer weiteren Ausführungsform umfasst das Kühlsystem eine Kühleinrichtung, die zum Bereitstellen des Kühlmediums fluidisch mit der Kühlstruktur gekoppelt ist, wobei die Kühleinrichtung auf einem fahrzeugseitig vorhandenen Kühlmechanismus basiert. Anders ausgedrückt, kann zum Bereitstellen des Kühlmediums eine fahrzeuginterne Kühleinrichtung, die bereits in dem Fahrzeug vorhanden ist, genutzt werden. Die Batterieanordnung kann sich die Kühleinrichtung somit mit einer weiteren Fahrzeugkomponente teilen. Hierdurch ergibt sich der Vorteil, dass für das Kühlsystem keine separate Kühleinrichtung zum Beispiel mit einem Reservoir oder Tank zum Lagern des Kühlmediums und einem Bereitstellmechanismus zum Bereitstellen des Kühlmediums eingebaut werden braucht. Es kann stattdessen auf vorhandene Kühlgeräte oder Kühlkreisläufe im Kraftfahrzeug zurückgegriffen werden. Somit kann ein Bauraumbedarf für die Batterieanordnung und ein Gewicht gering gehalten werden.
In den folgenden Ausführungsformen geht es nun darum, wie die fahrzeuginterne Kühleinrichtung ausgebildet sein kann.
Gemäß einer Ausführungsform ist die Kühleinrichtung eine Klimaanlage für das Kraftfahrzeug, die ausgebildet ist, einen erzeugten Luftstrom als das Kühlmedium an die Kühlstruktur bereitzustellen. Dabei soll der Luftstrom natürlich von einem kühlenden Teil der Klimaanlage bereitgestellt werden. Als Kühlmedium kann somit Luft oder Umgebungsluft bereitgestellt werden. Zum Bereitstellen des Kühlmediums kann zum Beispiel ein Stellglied eines Gebläses der Klimaanlage angesteuert werden, sodass der bereitgestellte Luftstrom vollständig oder teilweise auf die Kühlstruktur umgelenkt wird. Die Luft von der Klimaanlage kann zum Beispiel über ein entsprechendes Leitungselement, das von der Luft durchströmt werden kann, an die Kühlstruktur bereitgestellt werden. Um die an der Kühlstruktur erwärmte Luft wieder abtransportieren zu können und somit einen stetigen Luftstromfluss von der Klimaanlage über die Kühlstruktur zu ermöglichen, kann in eine umgebende Struktur der Batterieanordnung, also zum Beispiel eine Karosserie des Fahrzeugs, zumindest eine entsprechende Auslassöffnung eingebracht sein.
Für das Nutzen der Klimaanlage als Kühleinrichtung ist in einer weiteren Ausführungsform vorgesehen, dass die Kühlstruktur mittels Kühlrippen realisiert ist, welche an einer zu einer Umgebung der Batterieanordnung ausgerichteten Außenseite der wenigstens einen Gehäusewand angeordnet oder eingearbeitet sind. Hierdurch ergibt sich der Vorteil, dass die Oberfläche einer Außenseite, also der der Umgebung der Batterieanordnung zugewandten Seite der jeweiligen Gehäusewand, vergrößert werden kann, um den Abtransport von Wärme zu begünstigen. Die Kühlrippen können beispielweise als Kühlfinnen bezeichnet werden.
Die Kühlrippen können zum Beispiel einstückig mit der jeweiligen Gehäusewand ausgebildet sein. Das heißt, die Kühlrippen können einfach in die Außenseite der jeweiligen Gehäusewand eingearbeitet werden. Alternativ können die Kühlrippen in einem separaten Bauteil ausgebildet sein und thermisch leitend an die Gehäusewand angebracht werden. Eine Anzahl und Ausrichtung der Kühlrippen kann zum Beispiel an den bereitgestellten Luftstrom angepasst sein. Das heißt, es kann zum Beispiel eine Ausrichtung der Kühlrippen parallel zu einer Anströmrichtung des Luftstroms erfolgen. Somit kann die Luft immer zwischen zwei benachbarte Kühlrippen hindurchströmen.
In einer weiteren Ausführungsform ist die Kühleinrichtung ein Batteriekühlkreislauf für das Kraftfahrzeug, der ausgebildet ist, ein vorbestimmtes Kühlmittel als das Kühlmedium an die Kühlstruktur bereitzustellen. Das Kühlmedium kann zum Beispiel ein flüssiges Kühlmittel, wie zum Beispiel Wasser oder ein Wassergemisch, sein. Der Batteriekühlkreislauf kann zum Beispiel, wie eingangs beschrieben, ein bekannter Kühlkreislauf zum Kühlen der einzelnen Batterieelemente sein, und zum Beispiel an einen Gehäuseboden angeordnet sein kann. Alternativ oder zusätzlich dazu kann zum Beispiel ein Ölkühlkreislauf für ein Getriebe des Kraftfahrzeugs als Kühleinrichtung genutzt werden. Es ist alternativ oder zusätzlich denkbar zum Beispiel die zuvor beschriebenen Klimaanlage oder eine Kältemittelkühlung als die Kühleinrichtung in der vorliegenden Ausführungsform zu nutzen. Dabei kann zum Beispiel deren jeweiliges Kältemittel als Kühlmedium eingesetzt werden.
Zum Koppeln des Batteriekühlkreislaufs mit der Kühlstruktur, ist in einer weiteren Ausführungsform vorgesehen, dass der Batteriekühlkreis über eine Kühlkreislaufanschlusseinheit an die Kühlstruktur angeschlossen ist. Die Kühlkreislaufanschlusseinheit weist wenigstens ein Ventilelement auf, mittels welchem ein Massestrom des an die Kühlstruktur bereitzustellenden Kühlmediums einstellbar ist. Die Kühlkreislaufanschlusseinheit kann zum Beispiel ein Leitungselement oder eine Fluidleitung aufweisen, die von dem Kühlmittel durchströmbar ist. Über die Kühlkreislaufanschlusseinheit ist die Kühlstruktur mit dem Batteriekühlkreislauf somit fluidisch verbunden.
Mit dem Ventilelement kann der Kühlmediumfluss von dem Batteriekühlkreislauf an die Kühlstruktur versperrt oder freigegeben werden. Dazu kann das Ventilelement zwischen wenigstens zwei Stellungen verstellbar oder bewegbar sein. In einer ersten Stellung ist das Leitungselement zum Beispiel von dem Kühlmittel durchströmbar. Hingegen ist in einer zweiten Stellung das Durchströmen unterbrochen oder unterbleibt. Um die jeweilige Stellung des Ventilelements einzustellen, kann zum Beispiel mittels eines Steuersignals ein Stellglied des Ventilelements angesteuert werden. Das Steuersignal kann zum Beispiel von der zuvor beschriebenen Detektionseinheit bei Detektion der vorgegebenen Betriebsbedingung bereitgestellt werden. Auf das Bereitstellen des Steuersignal kann das Stellglied geöffnet und somit das Ventilelement in die erste Stellung gebracht werden. Das Kühlmittel wird bereitgestellt.
Wenn als Kühlmittel eine Flüssigkeit bereitgestellt wird, also zum Beispiel dann, wenn die Kühleinrichtung als der vorgenannte Batteriekühlkreislauf oder der Ölkühlkreislauf ausgebildet ist, ist in einer weiteren Ausführungsform vorgesehen, dass die Kühlstruktur mittels wenigstens eines Kanals realisiert ist. Der wenigstens eine Kanal ist dabei in die wenigstens eine Gehäusewand eingearbeitet. Das heißt, der jeweilige Kanal kann zwischen der vorgenannten Außenseite und einer Innenseite der Gehäusewand angeordnet sein. Die Außenseite ist dabei der Umgebung der Batterieanordnung und die Innenseite ist dem Innenraum des Batteriegehäuses zugewandt. Mit Kanal ist vorliegend somit zum Beispiel ein Hohlraum oder ein Rohr oder eine Leitung in der Gehäusewand gemeint, durch die das Kühlmedium fließen oder strömen kann. Der jeweilige Kanal kann mit der Kühleinrichtung zu einem Kühlkreislauf verbunden sein.
Die Kühlstruktur kann zum Beispiel mehrere solcher Kanäle umfassen, die separat an die Kühleinrichtung angeschlossen sind. Die Kanäle können zum Beispiel separat entlang einer Flächenebene, in der sich die wenigstens eine Gehäusewand erstreckt, nebeneinander oder benachbart ausgebildet sein. Jeder der Kanäle kann dabei separat an die Kühleinrichtung, also die Kühlmediumversorgung, angeschlossen sein. Dazu kann für jeden Kanal zum Beispiel ein eigener Einlass und Auslass vorgesehen sein, über den das Kühlmedium, also die Flüssigkeit, in den jeweiligen Kanal einströmen und aus dem jeweiligen Kanal wieder zurück an die Kühleinrichtung ausströmen kann. Über den jeweiligen Einlass kann das Kühlmedium im gekühlten Zustand an den jeweiligen Kanal bereitgestellt werden. Über den Auslass kann das mit thermischer Energie versorgte, also erwärmte, Kühlmedium wieder an den Kühlkreislauf, also die Kühleinrichtung, bereitgestellt werden.
Alternativ kann zum Beispiel genau ein Kanal vorgesehen sein. Dieser kann sich zum Beispiel mäanderförmig entlang der Flächenebene der wenigstens einen Gehäusewand erstrecken. Dabei können der Einlass zum Beispiel an einem ersten Ende des Kanals und der Auslass an einem gegenüberliegenden zweiten Ende des Kanals angeordnet sein.
Um den jeweiligen Kanal als Kühlstruktur zu bilden, kann die wenigstens eine Gehäusewand zum Beispiel zweischalig ausgebildet sein. Das heißt, die Gehäusewand kann aus zwei Bauteilen oder Gehäuseteilen zusammengesetzt sein. Ein erstes Bauteil kann zum Beispiel die vorgenannte Außenseite als eine Seite oder Oberfläche umfassen. Ein zweites Bauteil kann zum Beispiel die vorgenannte Innenseite der Gehäusewand als eine Seite oder Oberfläche umfassen. Zum Bilden der Gehäusewand können die beiden Gehäuseteile mit einer jeweiligen Kontaktfläche, die jeweils eine gegenüberliegende Fläche der Außenseite oder der Innenseite bildet, aneinander befestigt werden. Die beiden Gehäuseteile können zum Beispiel miteinander verschweißt, verklebt oder verschraubt werden. Zum Bilden des jeweiligen Kühlkanals kann in die jeweilige Kontaktfläche zum Beispiel jeweils eine Teilstruktur des Kühlkanals eingearbeitet werden. So können in die Kontaktflächen zum Beispiel Vertiefungen eingearbeitet werden. Im zusammengesetzten Zustand der beiden Gehäuseteile ergibt sich dann aus beiden Teilstrukturen der jeweilige Kühlkanal. Um ein Auslaufen des Kühlmittels zu vermeiden, kann zum Beispiel ein Dichtungselement zwischen den beiden Gehäuseteilen eingebracht werden.
Insgesamt kann die jeweilige Kühlstruktur zum Beispiel als ein sogenanntes Stangenpressprofil ausgebildet sein. Das heißt, der Kanal oder die Kühlrippen können zum Beispiel in einem Stangenpressprofilverfahren als integraler Bestandteil der jeweiligen Gehäusewand realisiert werden.
Gemäß einer weiteren Ausführungsform weist das Batteriegehäuse wenigstens eine Ausgaseinheit auf, wobei die Ausgaseinheit ausgebildet ist, in Abhängigkeit von einer Zustandsgröße des Ausgasmediums einen Massestrom des Ausgasmediums aus dem Batteriegehäuse an eine Umgebung einzustellen. Mit der Ausgaseinheit kann somit sichergestellt werden, dass ein dauerhaftes Ansammeln des Ausgasmediums in dem Batteriegehäuse vermieden wird. Somit kann ein Druck in dem Batteriegehäuse reguliert werden.
Die Zustandsgröße kann zum Beispiel ein Druck des Ausgasmediums in dem Batteriegehäuse sein. Das heißt, das Ausgasmedium kann mittels der Ausgaseinheit zum Beispiel erst dann aus dem Batteriegehäuse herausgeführt werden, wenn zum Beispiel ein Druck des Ausgasmediums einen vorgegebenen Druckgrenzwert überschreitet. Der Druckgrenzwert kann zum Beispiel an eine mechanische Stabilität des Batteriegehäuses angepasst sein. Somit kann sichergestellt werden, dass das Ausgasmedium aus dem Batteriegehäuse austreten kann, bevor sich zum Beispiel eine mechanische Verformung des Batteriegehäuses ausbildet.
Für das Ausleiten des Gases aus dem Gehäuse kann natürlich darauf geachtet werden, dass eine Temperatur des Ausgasmediums einen vorgegebenen Temperaturgrenzwert unterschreitet. Der Temperaturgrenzwert kann zum Beispiel an eine thermische Stabilität der das Batteriegehäuse umgebenden Komponenten angepasst sein. Somit kann sichergestellt werden, dass das Ausgasmedium nur dann aus dem Batteriegehäuse herausgeführt wird, wenn die Temperatur unschädlich für die umgebenden Komponenten der Batterieanordnung ist. Das kann durch Nutzen der Kühlstruktur gewährleistet werden, indem das Ausgasmedium vor dem Ausgasen bereits auf den zweiten Temperaturwertebereich, also eine unschädliche Temperatur abgekühlt wird.
Zum Ausführen oder Auslassen des Ausgasmediums aus dem Batteriegehäuse kann die Ausgaseinheit zum Beispiel ein Ventilelement aufweisen. Das Ventilelement kann zum Beispiel ein Druckausgleichsventil sein. Das heißt, das Ventilelement kann automatisch in einen geöffneten Zustand wechseln, wenn ein Druck auf einen Ventilkörper des Ventilelements größer ist als der vorgegebene Druckgrenzwert. In dem geöffneten Zustand ist das Ventilelement somit von dem Ausgasmedium durchströmbar. Liegt der Druck unterhalb des vorgegebenen Grenzwerts, befindet sich das Ventilelement in einem geschlossenen Zustand. Das Ausgasmedium wird im Batteriegehäuse gehalten.
Alternativ oder zusätzlich kann das Ventilelement elektronisch steuerbar ausgebildet sein. Das heißt, ein Stellglied des Ventilelements kann zum Beispiel mit einem Steuersignal angesteuert werden, um das Ventilelement von dem geöffneten in den geschlossenen Zustand oder umgekehrt zu versetzen. Zum Bereitstellen des Steuersignals kann zum Beispiel eine Überwachungs- oder Steuerelektronik vorgesehen sein. Sie kann zum Beispiel von der zuvor genannten Detektionseinheit umfasst sein. Mittels der Überwachungselektronik kann zum Beispiel mit einem zugeordneten Sensorelement die Zustandsgröße des Ausgasmediums gemessen werden. Ist für die jeweilige die Zustandsgröße ein Grenzwert, wie er zuvor beschrieben wurde, vor, das Steuersignal zum Ansteuern des Stellventils bereitgestellt werden. Das Ventilelement kann in den geöffneten Zustand versetzt werden. Liegt die Bedingung nicht oder nicht mehr vor, kann mit einem weiteren entsprechenden Steuersignal das Ventilelement hingegen in den geschlossenen Zustand versetzt werden.
Die Erfindung betrifft auch ein Kraftfahrzeug mit einer Batterieanordnung, wie sie zuvor beschrieben wurde. Dabei kann die Batterieanordnung als elektrischer Antrieb für das Kraftfahrzeug dienen. Dazu kann die Batterieanordnung zum Beispiel mit einem Bordnetz des Kraftfahrzeugs gekoppelt oder verbunden sein. Das Kraftfahrzeug kann zum Beispiel als Kraftwagen, insbesondere als Personenkraftwagen oder Lastkraftwagen, oder als Personenbus oder Motorrad ausgestaltet sein.
Zu der Erfindung gehören auch Weiterbildungen des erfindungsgemäßen Kraftfahrzeugs, die Merkmale aufweisen, wie sie bereits im Zusammenhang mit den Weiterbildungen der erfindungsgemäßen Batterieanordnung beschrieben worden sind. Aus diesem Grund sind die entsprechenden Weiterbildungen des erfindungsgemäßen Kraftfahrzeugs hier nicht noch einmal beschrieben.
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. Hierbei zeigt die einzige Figur eine schematische Darstellung einer Batterieanordnung mit einem Kühlsystem zum Kühlen eines Ausgasmediums, das beim Ausgasen eines Batterieelements der Batterieanordnung entstehen kann.
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 der Figur bezeichnen gleiche Bezugszeichen jeweils funktionsgleiche Elemente.
Die Figur zeigt schematisch eine Batterieanordnung 1 aus einer Seitenansicht in einer Schnittdarstellung. Die Batterieanordnung 1 umfasst eine Antriebsbatterie 10 mit einem Batteriegehäuse 11. Die Antriebsbatterie ist zum Beispiel als Akkumulator oder Sekundärbatterie für ein Kraftfahrzeug als elektrischer Antrieb ausgebildet. Dazu kann die Antriebsbatterie 10 in einer Karosserie des Kraftfahrzeugs in einer vorbestimmten oder vorgegebenen Einbaulage L, wie sie in der Figur gezeigt ist, verbaut sein.
Das Batteriegehäuse 11 ist vorliegend prismatisch oder quaderförmig ausgebildet. In der Schnittansicht sind vier Gehäusewände des Batteriegehäuses 11 zu sehen. Eine erste der Gehäusewände ist ein Deckel oder Gehäusedeckel 11a. In der Einbaulage L gemäß der Figur ist der Deckel 11a oben angeordnet. Eine zweite der Gehäusewände, nämlich eine dem Deckel 11a gegenüberliegende Gehäusewand, ist ein Boden 11b. In der Einbaulage L gemäß der Figur ist der Boden 11b unten angeordnet. Die übrigen beiden dargestellten Gehäusewände sind die Seitenwände 11c und 11d. Diese sind jeweils an gegenüberliegenden Enden des Deckel 11a und an gegenüberliegenden Enden des Bodens 11b angeordnet und stützen den Deckel 11a und Boden 11b gegeneinander ab. In der Einbaulage L gemäß der Figur ist sind die Seitenwände 11c und 11d rechts und links angeordnet.
Von dem Batteriegehäuse 11 ist somit ein Volumen oder Innenraum abgegrenzt. In dem Innenraum kann ein jeweiliges Batterieelement 12 der Antriebsbatterie 10 angeordnet sein. In der vorliegenden Figur sind beispielhaft drei solcher Batterieelemente 12 dargestellt. Natürlich können auch mehr oder weniger Batterieelemente 12 zum Bilden der Antriebsbatterie 10 genutzt werden. Die Batterieelemente 12 weisen dabei ebenfalls eine prismatische oder rechteckige Form auf und bilden einen Stapelverbund. Mit Stapelverbund ist gemeint, dass die Batterieelemente 12 entlang einer Fläche, die durch den Boden 11b bereitgestellt ist, nebeneinander oder gestapelt benachbart angeordnet sind. Zum Halten der Batterieelemente 12 in dem Batteriegehäuse 11 können die Batterieelemente 12 zum Beispiel an dem Boden 11b mechanisch befestigt sein.
Ein Batterieelement 12 kann zum Beispiel eine Batteriezelle oder ein Batteriemodul sein. Dabei dient jedes der Batterieelemente 12 als elektrochemischer Energiespeicher der Antriebsbatterie 10. Um elektrische Energie bereitstellen zu können, kann in einem aktiven Material des Batterieelements eine chemische Reaktion ablaufen, durch die an zwei Anschlusskontakten (in der Figur nicht dargestellt) elektrische Energie oder eine elektrische Leistung in Form von einer elektrischen Spannung oder einem elektrischen Strom abgreifbar ist. Die Art der chemischen Reaktion und die Menge an bereitstellbarer elektrischer Energie hängen insbesondere von einer Technologie des Batterieelements beziehungsweise des aktiven Materials ab.
Als Batterietechnologie ist zum Beispiel eine Lithium-Ionen- oder Lithium-Eisenphosphat-Technologie bekannt. Hierbei umfasst das aktive Material einen flüssigen Elektrolyten, über den eine Anode und eine Kathode als Elektroden, die elektrisch mit den Anschlusskontakten des Batterieelements verbunden sind, zur chemischen Reaktion in Verbindung stehen. Solche Batterieelemente werden auch als Flüssigbatterie bezeichnet. Zum Bilden der Antriebsbatterie 10 können nun mehrere solche Batterieelemente 12 elektrisch leitend in geeigneter Weise miteinander verschaltet oder verbunden sein.
Bei solchen Flüssigbatterien kann es unter bestimmten Betriebsbedingungen B zur Gasbildung im Inneren des Batterieelements 12 kommen. Eine solche Betriebsbedingung B ist zum Beispiel eine Beschädigung oder eine Überbeanspruchung des Batterieelements 12. Eine Überbeanspruchung kann zum Beispiel einer Überladung, das heißt, ein Laden über eine vorgegebenen Batteriekapazität hinaus, sein. Dabei kann es in dem Batterieelement 12 zu einer elektrochemischen Reaktion kommen, bei der ein Gas entsteht. Das entstandene Gas kann neben weiteren Komponenten oder Stoffen zum Beispiel auch Wasserstoff und Sauerstoff umfassen. Das heißt, beim Vorliegen der Betriebsbedingung B kann zum Beispiel ein Gas entstehen, welches Wasserstoff und/oder Sauerstoff umfasst. Dieses Gas ist in der Regel sehr heiß kann zum Beispiel in einem ersten Temperaturwertebereich von 100 bis 1.000 Grad Celsius liegen. Wie in der Figur gezeigt, liegt vorliegend zum Beispiel für das mittlere Batterieelement 12 die Betriebsbedingung B vor.
Um das Batterieelement 12 nicht zu beschädigen, kann zum Beispiel eine Sollbruchstelle in einem Zellbecher, also in einem Gehäuse des Batterieelements 12, vorgesehen sein. Dadurch kann das Gas als Ausgasmedium 13 aus dem Batterieelement 12 austreten und in das Batteriegehäuse 11 einströmen. Beim Austreten aus dem Batterieelement 12 tritt das Ausgasmedium 13 aus dem Batterieelement 12 aus und steigt entgegen der Schwerkraft G gemäß der Einbaulage L nach oben. Dabei sammelt sich das Ausgasmedium 13 in dem Batteriegehäuse 11 an einer Ansammlungsfläche F, die vorliegend durch den Gehäusedeckel 11a bereitgestellt ist. Das austretende Ausgasmedium 13 kann thermisch mit dem Batteriegehäuse 11 und den übrigen Komponenten im Batteriegehäuse 11 reagieren. Das heißt, das Ausgasmedium 13 kann beim Ansammeln in dem Batteriegehäuse 11 seine thermische Energie an die Komponenten der Antriebsbatterie 10 abgeben und somit die Komponenten 10 mit einer Temperatur entsprechend dem ersten Temperaturwertebereich beaufschlagen. Zudem kann durch das Ansammeln im Batteriegehäuse 11 ein Druck oder Innendruck ansteigen. Je mehr von dem Ausgasmedium 13 in das Batteriegehäuse 11 strömt, desto höher können eine Temperatur und ein Druck in dem Batteriegehäuse 11 werden. Da das Ausgasmedium 13 zum Beispiel selbstentzündende Stoffe wie Wasserstoff und enthalten kann, kann es bei steigender Temperatur oder steigendem Druck zu einer Selbstentzündung kommen. Zudem kann es zum Beispiel passieren, dass die übrigen Batterieelemente 12 durch den Temperaturanstieg oder den Druckanstieg beeinflusst werden und zum Beispiel thermisch durchgehen. Vom thermischen Durchgehen wird zum Beispiel gesprochen, wenn sich ein Batterieelement beim Erreichen einer vorgegebenen Grenztemperatur innerhalb von wenigen Sekunden selbstständig immer weiter erwärmt und dadurch zerstört wird. Die Grenztemperatur kann zum Beispiel 80 Grad betragen. Neben den innenliegenden Komponenten, also den Batterieelementen 12, kann sich auch das Batteriegehäuse 11 erhitzen und dadurch zum Beispiel nebenliegenden Komponenten in dem Kraftfahrzeug beeinflussen.
Daher kann es von Vorteil sein, das Ausgasmedium 13 beim Austreten aus dem Batterieelement 12 auf eine unschädliche Temperatur in einen zweiten Temperaturwertebereich abzukühlen. Der zweite Temperaturwertebereich kann zum Beispiel unter 80°C liegen. Dazu umfasst die Batterieanordnung 1 gemäß der Figur ein Kühlsystem 20. Das Kühlsystem 20 weist eine Kühlstruktur auf, die von dem Batteriegehäuse 11 umfasst ist. Zum Kühlen des Ausgasmediums 13 ist es vorteilhaft, die Kühlstruktur 21 in diejenigen der Gehäusewände 11a, 11b, 11c, 11d zu integrieren, die in der jeweiligen Einbaulage L als Ansammlungsfläche F als Ausgasmedium dient oder dienen. Vorliegend ist die Kühlstruktur 21 deshalb zum Beispiel in den Deckel 11a integriert. Mit integriert ist dabei gemeint, dass die Kühlstruktur 21 in den Deckel 11a oder ein Volumen des Deckels eingearbeitet ist. Der Gehäusedeckel 11a ist somit thermisch leitend mit der Kühlstruktur verbunden. Vorliegend ist die Kühlstruktur 21 zum Beispiel in Form mehrerer Kühlkanäle, die sich entlang der Flächenebene des Deckels 11a erstrecken, ausgebildet. In der Figur weisen die Kühlkanäle beispielhaft einen rechteckigen Querschnitt auf. Natürlich ist zum Beispiel ein runder Querschnitt oder eine andere beilege geometrische Form für den Querschnitt denkbar. Die Kühlkanäle bilden jeweils einen Hohlraum in dem Deckel 11 a.
Alternativ zu dem dargestellten Ausführungsbeispiel kann die Kühlstruktur 21 durch einen durchgängigen oder zusammenhängenden Kühlkanal realisiert sein, der sich entlang der Ansammlungsfläche des Gehäusedeckels 11a von der Seitenwand 11c zur Seitenwand 11d mäanderförmig, also in Schlangenlinien, erstreckt.
Zum Bilden der Kühlstruktur 21 in dem Deckel 11 a kann der Deckel 11 a zum Beispiel zweischalig ausgeführt sein. Die Kühlstruktur 21 ist dann zum Beispiel durch Hohlräume zwischen den zwei Schalen ausgebildet, die dann jeweils zur Kühlmittelführung verwendet werden können. Die Kühlstruktur 21 kann zum Beispiel als Stangenpressprofil hergestellt sein.
Die Kühlstruktur 21 ist ausgebildet, beim Bereitstellen eines jeweiligen Kühlmediums K das Ausgasmedium 13 auf den zweiten vorgegebenen Temperaturwertebereich abzukühlen. Das heißt, die Kühlstruktur 21 kann das Kühlmedium K aufnehmen und vorliegend zum Beispiel von dem Kühlmedium K durchströmt werden. Dadurch kann die Kühlstruktur 21 eine Wärmeenergie des Ausgasmediums 13 zumindest teilweise aufnehmen und diese an das Kühlmedium abgeben, wobei die Wärmeenergie über das Kühlmedium K abgeführt werden kann. Dazu kann das Kühlmedium K zum Beispiel in einem Kühlkreislauf bereitgestellt werden von dem die Kühlstruktur 21 umfasst ist. Der Kühlkreislauf kann zum Beispiel von einer Kühleinrichtung 22 des Kühlsystems 20 komplettiert werden.
Wie in der Figur gezeigt, handelt es sich bei der Kühleinrichtung 22 vorliegend zum Beispiel um einen vorhandenen Batteriekühlkreislauf des Kraftfahrzeugs. Ein solcher Batteriekühlkreislauf dient zum Beispiel dazu, eine im Normalbetrieb anfallende Erwärmung der Batterieelemente 12, wie sie zum Beispiel beim Laden oder Entladen auftritt, abzuführen. Dazu umfasst die Kühleinrichtung 22 vorliegend zum Beispiel eine Kühlplatte 23, die mit dem Boden 11b des Batteriegehäuses 11 thermisch leitend verbunden ist. Über ein Kühlgerät, zum Beispiel mit einem Kompressor und einem Drosselorgan, kann von der Kühleinrichtung 22 im Normalbetrieb das Kühlmedium K an die Kühlplatte 23 bereitgestellt werden. Das Kühlmedium K kann zum Beispiel eine Flüssigkeit, wie zum Beispiel Wasser, sein. Um das Kühlmedium K der Kühleinrichtung 22 auch für die Kühlung des Ausgasmediums 13 nutzen zu können, ist die Kühleinrichtung 22 über eine Kühlkreislaufanschlusseinheit 24 zusätzlich noch an die Kühlstruktur 21 im Gehäusedeckel 11a fluidisch angeschlossen. Zum Bereitstellen des Kühlmediums K kann die Kühlkreislaufanschlusseinheit 24 zum Beispiel um ein Leitungselement aufweisen, das von dem Kühlmedium K durchströmbar ist.
In der Figur ist beispielhaft nur ein solches Leitungselement dargestellt. Natürlich kann für den Fall, dass zum Beispiel mehrere separate Kühlstrukturen 21 vorgesehen sind, für jede Kühlstruktur 21 ein eigenes oder separates Leitungselement vorgesehen sein. Um einen Kühlmittelfluss oder Kühlmittelstrom, also einen Massenstrom entlang der jeweiligen Kühlstruktur 21, zu ermöglichen und so einen Kühlkreislauf bereitzustellen, kann das jeweilige Leitungselement zum Beispiel eine Einlass- und eine Auslassleitung aufweisen. Über die Einlassleitung kann das Kühlmedium K von der Kühleinrichtung 22 der Kühlstruktur 21 zugeführt und über die Auslassleitung das durch die thermische Energie des Ausgasmediums 13 erwärmte Kühlmedium zum erneuten Abkühlen aus der Kühlstruktur 21 an die Kühleinrichtung 22 zurückgeführt werden.
Das Kühlmedium K soll nur im Bedarfsfall, also wenn zum Beispiel die vorgegebene Betriebsbedingung B vorliegt und das Ausgasmedium 13 im Batteriegehäuse 11 vorhanden ist, an die Kühlstruktur 21 bereitgestellt werden. Dazu umfasst die Kühlkreislaufanschlusseinheit 24 ein Ventilelement, das vorliegend als Einlassventil 25 ausgestaltet ist. Das Einlassventil 25 ist zwischen wenigstens zwei Stellungen verstellbar oder bewegbar. In einer geöffneten Stellung kann zum Beispiel ein Massestrom oder Volumenstrom des Kühlmediums K über das Einlassventil 25 an die Kühlstruktur 21 freigegeben werden. In einer geschlossenen Stellung kann der Kühlmediumfluss hingegen versperrt sein. Zum Verstellen zwischen den Stellungen kann das Einlassventil 25 ein Stellglied aufweisen. Das Stellglied kann mit einem Steuersignal S angesteuert werden.
Um mit dem Steuersignal S die jeweilige Stellung des Einlassventils 25 vorzugeben, umfasst das Kühlsystem 20 eine Detektionseinheit 30. Mit der Detektionseinheit 30 kann beim Vorliegen der Betriebsbedingung B das Kühlmedium K zum Bereitstellen an die Kühlstruktur 21 angefordert werden. Dazu umfasst die Detektionseinheit 30 wenigstens ein Sensorelement 31 und ein Steuergerät 32. Vorliegend ist für jedes Batterieelement 12 genau ein Sensorelement 31 und somit insgesamt drei Sensorelemente 31 vorgesehen. Mit dem Sensorelement 31 kann überprüft oder überwacht werden, ob zumindest eine Zustandsgröße der Antriebsbatterie 10 vorliegt, die das Vorhandensein der Betriebsbedingung B angibt. Eine solche Zustandsgröße kann zum Beispiel ein Druck in dem jeweiligen Batterieelement 12 oder dem Batteriegehäuse 11 oder eine Temperatur sein. Das jeweilige Sensorelement 31 kann somit zum Beispiel als Temperatursensor oder Drucksensor ausgebildet sein. Der mit dem jeweiligen Sensorelement erfasste Zustandswert der Zustandsgröße kann dann zum Auswerten an das Steuergerät 32 bereitgestellt werden. Das Steuergerät 32 kann den Zustandswert mit einem vorgegebenen Grenzwert vergleichen und in Abhängigkeit von dem Vergleich ein entsprechendes Steuersignal S an die Kühleinrichtung 22 bereitstellen.
Überschreitet die Temperatur eines Batterieelements 12 somit zum Beispiel einen vorgegebenen Temperaturgrenzwert, kann das Steuergerät 32 ein Steuersignal S zum Öffnen des Einlassventils 25 zum Bereitstellen des Kühlmediums K aussenden. Sobald die Temperatur gemäß dem gemessenen Temperaturwert durch das Sensorelement 31 den Grenzwert danach wieder unterschreitet, kann ein Steuersignal S zum Schließen des Einlassventils 25 von dem Steuergerät 32 bereitgestellt werden. Entsprechend kann diese Steuerung zum Beispiel angepasst für den Druck als Zustandsgröße umgesetzt sein. Somit kann sichergestellt werden, dass im Bedarfsfall das Kühlmedium K zum Kühlen des Ausgasmediums 13 genutzt werden kann.
Alternativ kann die Kühlung natürlich auch dauerhaft aktiv sein, sodass das Einlassventil 25 entweder nicht vorhanden oder dauerhaft in der geöffneten Stellung eingestellt ist.
Zusätzlich zu dem Kühlsystem 20 kann, wie in der Figur gezeigt, noch eine Ausgaseinheit 40 für das Batteriegehäuse 11 vorgesehen sein. Diese Ausgaseinheit 40 kann eingesetzt werden, um das Ausgasmedium 13 aus dem Batteriegehäuse 11 in die Umgebung ausströmen zu lassen. Dadurch kann vermieden werden, dass zum Beispiel ein zu hoher Druck im Batteriegehäuse 11 entsteht. Dazu umfasst die Ausgaseinheit 40 ein Ventilelement, das vorliegend als Druckausgleichselement 41 ausgebildet ist. Das Druckausgleichselement 41 kann dabei zumindest zwischen einer geöffneten und einer geschlossenen Stellung wechseln. Das Wechseln erfolgt in Abhängigkeit von einem Druck als Zustandsgröße, den das Ausgasmedium 13 auf einen Ventilkörper des Druckausgleichsventils 41 ausübt. Das Druckausgleichsventil 41 öffnet somit automatisch, wenn der Druck des Ausgasmediums 13 auf den Ventilkörper einen vorgegebenen Druckgrenzwert überschreitet. Im geöffneten Zustand ist ein Massestrom des Ausgasmediums 13 an die Umgebung der Antriebsbatterie 10 möglich. Im Gegensatz dazu ist im geschlossenen Zustand der Massestrom verhindert.
Alternativ zu dem in der Figur gezeigten Ausführungsbeispiel kann die Kühlstruktur beispielsweise in Form von Kühlrippen auf einer zur Umgebung des Deckels 11a gewandten Außenseite ausgebildet sein. Als Kühlmedium K kann zum Beispiel Luft als Luftstrom von einer Klimaanlage des Kraftfahrzeugs als Kühleinrichtung 22 bereitgestellt werden.
Insgesamt zeigen die vorliegenden Ausführungsbeispiele, wie eine Deckelkühlung zur Aufnahme thermischer Energie im Fall des Ausgasens einer Lithium-Ionen-Zelle in einem Batteriesystem oder einer Batterieanordnung bereitgestellt werden kann.
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 102018129653 A1 [0005]
DE 102019119869 A1 [0006]
US 20210066770 A1 [0007]

Claims

Batterieanordnung (1) einer Antriebsbatterie (10) für ein Kraftfahrzeug, mit einem Batteriegehäuse (11), wenigstens einem in dem Batteriegehäuse (11) angeordneten Batterieelement (12), und einem Kühlsystem (20) für die Antriebsbatterie (10), wobei in einer vorgegebenen Einbaulage (L) der Batterieanordnung (1) wenigstens eine Gehäusewand (11a, 11b, 11c, 11 d), des Batteriegehäuses eine Ansammlungsfläche (F) für ein Ausgasmedium (13) des Batterieelements (12) bildet, wobei das Ausgasmedium (13) bei einer vorgegebenen Betriebsbedingung (B) entgegen der Schwerkraft (G) aus dem Batterieelement (12) austritt, dadurch gekennzeichnet, dass das Kühlsystem (20) eine Kühlstruktur (21) aufweist, die von der wenigstens einen Gehäusewand (11a, 11b, 11c, 11d) umfasst ist, und die ausgebildet ist, bei Bereitstellen eines vorgegebenen Kühlmediums (K) das Ausgasmedium (13) abzukühlen.
Batterieanordnung (1) nach Anspruch 1, wobei das Kühlsystem (20) eine Detektionseinheit (30) umfasst, die ausgebildet ist, die vorgegebene Betriebsbedingung (B) des Batterieelements (12) zu detektieren, und falls die Betriebsbedingung (B) vorliegt, das Kühlsystem (20) ausgebildet ist, das Kühlmedium (K) zum Bereitstellen an die Kühlstruktur (21) anzufordern, um das Ausgasmedium (13) abzukühlen.
Batterieanordnung (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei das Kühlsystem (20) eine Kühleinrichtung (22) umfasst, die zum Bereitstellen des Kühlmediums (K) fluidisch mit der Kühlstruktur (21) gekoppelt ist und die Kühleinrichtung (22) auf einem fahrzeugseitig vorhandenen Kühlmechanismus basiert.
Batterieanordnung (1) nach Anspruch 3, wobei die Kühleinrichtung (22) eine Klimaanlage für ein Kraftfahrzeug ist, die ausgebildet ist, einen erzeugten Luftstrom als das Kühlmedium (K) an die Kühlstruktur (21) bereitzustellen.
Batterieanordnung (1) nach Anspruch 4, wobei die Kühlstruktur (21) mittels Kühlrippen realisiert ist, welche in eine zu einer Umgebung der Batterieanordnung (1) ausgerichteten Außenseite der wenigstens einen Gehäusewand (11a, 11b, 11c, 11d) angeordnet sind.
Batterieanordnung (1) nach Anspruch 3, wobei die Kühleinrichtung (22) ein Batteriekühlkreislauf für ein Kraftfahrzeug ist, der ausgebildet ist, ein vorbestimmtes Kühlmittel als das Kühlmedium (K) an die Kühlstruktur (21) bereitzustellen.
Batterieanordnung (1) nach Anspruch 6, wobei der Batteriekühlkreislauf über eine Kühlkreislaufanschlusseinheit (24) an die Kühlstruktur (21) angeschlossen ist und die Kühlkreislaufanschlusseinheit (24) wenigstens ein Ventilelement (25) aufweist, mittels welchem ein Massenstrom des an die Kühlstruktur (21) bereitzustellenden Kühlmediums (K) einstellbar ist.
Batterieanordnung (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche 6 oder 7, wobei die Kühlstruktur (21) mittels wenigstens eines Kanals, der in die wenigstens eine Gehäusewand (11a, 11b, 11c, 11d) eingearbeitet ist, realisiert ist.
Batterieanordnung (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei das Batteriegehäuse (11) wenigstens eine Ausgaseinheit (40) aufweist, wobei die Ausgaseinheit (40) ausgebildet ist, in Abhängigkeit von einer Zustandsgröße des Ausgasmediums (13), einen Massestrom des Ausgasmediums (13) aus dem Batteriegehäuse (11) in eine Umgebung einzustellen.
Kraftfahrzeug mit einer Batterieanordnung (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche.