DE102021131912A1

DE102021131912A1 - Batteriemodul einer Hochvolt-Batterie für ein elektrisch oder teilelektrisch angetriebenes Fahrzeug

Info

Publication number: DE102021131912A1
Application number: DE102021131912.9A
Authority: DE
Inventors: Philipp Kellner; Christopher Volkmer; Marco Augustdörfer; Sascha Mostofi; Immanuel Vogel
Original assignee: Dr Ing HCF Porsche AG
Current assignee: Dr Ing HCF Porsche AG
Priority date: 2021-12-03
Filing date: 2021-12-03
Publication date: 2023-06-07

Abstract

Die Erfindung betrifft ein Batteriemodul einer Hochvolt-Batterie für ein elektrisch oder teilelektrisch angetriebenes Fahrzeug. Die Erfindung sieht einen Hohlraum (5) vor, der durch eine Seitenfläche des Batteriezellenpakets (17), eine Gehäusewand eines Batteriemodulgehäuses und eine zwischen der Seitenfläche des Batteriezellenpakets (17) und der Gehäusewand eingebrachten Dichtung (7) und/oder eingebrachte Wärmeleitpaste (8) begrenzt ist, wobei die Dichtung (7) und/oder die Wärmeleitpaste (8) dichtend mit der Seitenfläche des Batteriezellenpakets (17) und der Gehäusewand zusammenwirkt.

Description

Die Erfindung betrifft ein Batteriemodul einer Hochvolt-Batterie für ein elektrisch oder teilelektrisch angetriebenes Fahrzeug, insbesondere für einen elektrisch oder teilelektrisch angetriebenen Personenkraftwagen.
Bei elektrisch oder teilelektrisch angetriebenen Fahrzeugen werden zahlreiche Batteriezellen zu einer Traktionsbatterie zusammengeschaltet. Eine solche Hochvolt-Batterie besteht in der Regel aus mehreren hundert, teilweise bis zu mehreren tausend Batteriezellen. Die Batteriezellen der Traktionsbatterie werden zu Batteriemodulen, somit zu Untergruppen, zusammengeschaltet, wobei diese Batteriemodule in der Regel jeweils eine identische Anzahl von Batteriezellen aufweisen.
Für den Fall, dass eine oder mehrere Batteriezellen entgasen, beispielsweise durch ein thermisches Event, ist es notwendig, diese Gase kontrolliert aus der Traktionsbatterie abzuführen. Die hierbei entstehenden Gase erreichen hohe Temperaturen. Die Gase müssen so aus dem Batteriesystem bzw. der Traktionsbatterie abgeführt werden, dass Insassen und empfindliche Bauteile, wie zum Beispiel andere, intakte Zellen, keinen Schaden nehmen.
Die Ausleitung der Gase aus einer Traktionsbatterie erfolgt in der Regel mittels Berstelementen. Berstelemente sind eine mit einer Membran verschlossene Öffnung, welche bei einem definierten Druck nachgibt und dadurch die Öffnung freigibt. In der Regel sind mehrere Batteriemodule in einem Batteriekasten angeordnet und in dem Batteriekasten ist zumindest ein Berstelement angebracht, welches den Druckabbau bei plötzlichem Entgasen von Batteriezellen dient.
Problematisch beim Entgasen einer Batteriezelle ist zudem, dass heißes Gas an weiteren Batteriezellen vorbeiströmt und diese ggf. erhitzt. Außerdem können Kurzschlüsse und Lichtbögen entstehen, da das heiße Gas elektrisch leitend ist und ggf. bestehende Isolierungen von Hochvolt-Stromschienen, die dem elektrischen Verbinden von Batteriezellen untereinander und Batteriemodulen untereinander dienen, durch die hohen Temperaturen wegschmelzen.
Aus der EP 1 775 784 B1 ist ein Batteriemodul mit mehreren gestapelten Batteriezellen bekannt, welche jeweils ein Batteriezellgehäuse aufweisen, wobei an einer gemeinsamen Seite der Batteriezellen die Batteriezellgehäuse jeweils ein Entgasungsventil aufweisen, wobei eine Wand eines Batteriemodulgehäuses und die Batteriezellen ein Gaskanal begrenzen.
Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, ein Batteriemodul für eine Hochvolt-Batterie für ein elektrisch oder teilelektrisch angetriebenes Fahrzeug bereitzustellen, das beim thermischen Durchgehen (thermal runaway) einer Batteriezelle zuverlässig eine thermische Propagation, somit ein Übergreifen auf weitere Batteriezellen, stark reduziert oder sogar vollständig verhindert. Zudem soll durch die vorliegende Erfindung die Zeit, die Fahrzeuginsassen bei einem thermischen Durchbrennen der Batterie zur Verfügung steht, um das Fahrzeug zu verlassen, signifikant erhöht werden.
Diese Aufgaben werden durch ein Batteriemodul, das die Merkmale des Patentanspruchs 1 aufweist, gelöst.
Das erfindungsgemäße Batteriemodul einer Hochvolt-Batterie für ein elektrisch oder teilelektrisch angetriebenes Fahrzeug sieht vor, dass das Batteriemodul ein Batteriemodulgehäuse, vorzugsweise aus Metall, aufweist, wobei in dem Batteriemodulgehäuse zumindest ein Batteriezellenpaket, auch als Zellstack bezeichnet, angeordnet ist, wobei das Batteriezellenpaket zumindest zwei hintereinander gestapelte Batteriezellen aufweist, wobei die Batteriezellen jeweils eine Zellentgasungseinrichtung zum Entgasen der Batteriezelle aufweisen, wobei die Zellentgasungseinrichtungen auf derselben Seitenfläche des Batteriezellenpakets ausgebildet sind. Angrenzend an die Zellentgasungseinrichtungen ist ein Hohlraum gebildet, zur Aufnahme von aus den Zellentgasungseinrichtungen austretenden Gasen. Der Hohlraum ist durch die die Zellentgasungseinrichtungen aufweisende Seitenfläche des Batteriezellenpakets, eine beabstandet zu dieser Seitenfläche des Batteriezellenpakets angeordnete Gehäusewand des Batteriemodulgehäuses und ferner durch eine zwischen der Seitenfläche des Batteriezellenpakets und der Gehäusewand eingebrachte Dichtung und/oder Wärmeleitpaste begrenzt, wobei die Dichtung und/oder die Wärmeleitpaste dichtend mit der Seitenfläche des Batteriezellenpakets und der Gehäusewand zusammenwirkt. Durch die eingebrachte Dichtung und/oder Wärmeleitpaste wird somit verhindert, dass aus den Zellentgasungseinrichtungen austretendes Gas, das in den Hohlraum einströmt, in dem Batteriemodulgehäuse ungehindert propagieren kann. Insofern wird durch die erfindungsgemäße Gestaltung des Batteriemoduls sichergestellt, dass für das Batteriezellenpaket ein eigener Entgasungsweg vorliegt, wodurch eine thermische Propagation auf weitere Batteriezellenpakete stark reduziert wird und zudem Kurzschlüsse oder Lichtbögen nicht auftreten können. Dabei wird es als vorteilhaft angesehen, wenn stromführende Stromschienen außerhalb des Hohlraums verlaufen. Zudem ist kein separates Bauteil zur Bildung des Hohlraums notwendig, da die Gehäusewand des Batteriemodulgehäuses und eine in der Regel notwendige Dichtung, die zwischen dem Batteriezellenpaket und dem Batteriemodulgehäuse angeordnet wird, verwendet werden kann. Dadurch kann eine Synergieeffekt erzielt werden, da sowieso vorhandene Bauteile eine weitere Funktion übernehmen. Dadurch können zusätzlichen Bauteile oder Montageschritte eingespart werden.
Der Hohlraum bildet quasi einen Entgasungsweg oder Entgasungskanal für das jeweilige Batteriezellenpaket. Dadurch ist es möglich, bei entsprechender Gestaltung, die aus den Zellentgasungseinrichtungen austretenden Gase des jeweiligen Batteriezellenpakets in bestimmte Bereiche des Batteriemodulgehäuses zu leiten und von dort aus dem Batteriemodulgehäuse auszuleiten. Dabei wird es als besonders vorteilhaft angesehen, wenn die Gestaltung und Anordnung der Hohlräume derart ist, dass stromführende Stromschienen außerhalb der Hohlräume verlaufen, insofern die Hohlräume nicht an stromführende Stromschienen angrenzen, sodass kein Gas in Kontakt mit den Stromschienen kommt.
Als besonders vorteilhaft wird es angesehen, wenn die den Hohlraum begrenzende Gehäusewand angrenzend an den Hohlraum eine Modulentgasungsöffnung aufweist, um das in dem Hohlraum einströmende Gas beim Entgasen der Batteriezellen gezielt aus dem Batteriemodulgehäuse abzuleiten. Die Modulentgasungsöffnung kann beispielsweise ein Berstelement, beispielsweise ein Berstfenster aufweisen. Dabei ist es durchaus denkbar, dass das Berstelement in der Gehäusewand des Batteriemodulgehäuses versenkt und bevorzugt mit dieser verklebt ist.
Die Zellentgasungseinrichtungen können durch eine mit einem Berstelement verschlossene Öffnung gebildet sein.
Vorzugsweise weist das Batteriemodul mehrere Batteriezellenpakete auf, wobei dem jeweiligen Batteriezellenpaket ein eigener Hohlraum zugeordnet ist, wobei der Hohlraum jeweils in der vorgenannten Form ausgebildet ist. Somit liegt für jedes Batteriezellenpaket zumindest ein eigener Entgasungsweg vor, wodurch die Gefahr einer thermische Propagation auf weitere Batteriezellenpakete stark reduziert wird. Dabei ist es durchaus denkbar, dass nicht jedem Batteriezellenpaket eine eigene Dichtung zugeordnet ist, sondern die Dichtung derart ausgebildet ist, dass diese mehrere Batteriezellenpakete überspannt.
Bei den Batteriezellen handelt es sich insbesondere um prismatische Batteriezellen.
Vorzugsweise sind die Batteriezellen derart gestaltet, dass die elektrischen Anschlüsse der jeweiligen Batteriezelle und die jeweiligen Zellentgasungseinrichtung an unterschiedlichen Seitenflächen der Batteriezellen ausgebildet sind.
In einer bevorzugten Ausführungsform ist vorgesehen, dass die Seitenflächen der Batteriezellen, die die Zellentgasungseinrichtungen aufweisen, in derselben Ebene angeordnet sind und die Gehäusewand parallel zu dieser Ebene angeordnet ist. Dadurch ist auch der Hohlraum im Wesentlichen eben ausgebildet.
Vorzugsweise aber nicht notwendigerweise ist die Seitenfläche des Batteriezellenpakets im Wesentlichen eben oder eben ausgebildet. Vorzugweise ist die Gehäusewand innenseitig eben oder im Wesentlichen eben ausgebildet. Vorzugsweise verlaufen die Seitenfläche des Batteriezellenpakets und die Gehäusewand zueinander parallel.
In einer bevorzugten Ausführungsform ist vorgesehen, dass die Wärmeleitpaste in den Bereich zwischen der Seitenfläche des Batteriezellenpakets und der Gehäusewand eingebracht, beispielsweise eingespritzt, ist. Dabei ist vorgesehen, dass die zwischen der Seitenfläche des Batteriezellenpakets und der Gehäusewand befindliche Dichtung ein Eindringen von Wärmeleitpaste in den Bereich der Zellentgasungseinrichtung beim Vorgang des Einbringens der Wärmeleitpaste verhindert. Es ist denkbar, dass die Dichtung derart gestaltet ist, dass Wärmeleitpaste teilweise in den Bereich Dichtung und der Seitenfläche des Batteriezellenpakets bzw. der Gehäusewand eindringt. Ein derartiges Eindringen ist unschädlich, da die Eindringtiefe relativ gering ist, da die Wärmeleitpaste typischerweise derart viskos ist, dass ein Eindringen in den Bereich, in dem der Hohlraum gebildet werden soll bzw. gebildet ist, nicht auftritt, da es vorher zu einem ausreichendem Aushärten der Wärmeleitpaste kommt.
Als besonders vorteilhaft wird es angesehen, wenn an einer dem Zellpaket abgewandten Außenseite der Gehäusewand eine Kühlplatte angebracht, vorzugsweise angeklebt, ist. Dadurch kann der Hohlraum besonders effizient gekühlt werden, sodass bei einem Entgasen bzw. einem thermischen Durchgehen einer Batteriezelle des Batteriezellenpakets aufgrund der Kühlung ggf. eine thermische Propagation, somit ein Übergreifen auf die intakten Batteriezellen vermieden werden kann. Als besonders vorteilhaft wird es angesehen, wenn sich die Kühlplatte bis in den Bereich der Gehäusewand erstreckt, der den Hohlraum begrenzt, wodurch die Kühlung der Gehäusewand im Bereich des Hohlraums verbessert ist.
Als besonders vorteilhaft wird es angesehen, wenn die Modulentgasungsöffnung mit einem Verschlussteil und/oder einer Membran und/oder einer Berstscheibe dicht verschlossen ist, wobei das Verschlussteil bzw. die Berstscheibe im Fall eines thermischen Events und somit bei Anstieg eines Innendrucks in dem Hohlraum öffnet. Vor dem Öffnen des Verschlussteils bzw. dem Brechen der Berstscheibe ist somit der Hohlraum hermetisch gegenüber der Umgebung abgedichtet, wodurch ein Eindringen von in der Umgebung befindlichen Gasen in den Bereich des Hohlraums und somit zu den Batteriezellen vermieden wird.
Das Batteriemodulgehäuse ist vorzugsweise als Strangpressprofil oder Fließpressprofil ausgebildet. Das vorliegende Batteriemodul eignet sich insbesondere für die Verwendung eines als Strangpressprofil oder Fließpressprofil ausgebildeten Batteriemodulgehäuses, da die weiteren Komponenten des Batteriemoduls, nämlich die Batteriezellenpakete, bei der Montage über eine Einschuböffnung des Batteriemodulgehäuses in das Batteriemodulgehäuse eingeschoben werden können. Gegebenenfalls wird zusammen mit dem Batteriezellenpaket oder im Anschluss an das Einschieben des Batteriezellenpakets die Dichtung eingeschoben. Durch das Einschieben der Dichtung werden das Batteriezellenpaket und die Gehäusewand auf Abstand gehalten und bei entsprechender Gestaltung der Dichtung, beispielweise mit einem ringförmig geschlossenen Abschnitt, ist bereits der Hohlraum definiert bzw. begrenzt. Bei einem ringförmigen Abschnitt kommen oben und unten die Seitenfläche des Batteriezellenpakets und die Gehäusewand an diesem dichtend zur Anlage, wodurch der Hohlraum oben und unten durch die Seitenfläche des Batteriezellenpakets und die Gehäusewand und seitlich umlaufend durch den ringförmigen Abschnitt der Dichtung begrenzt ist. In die Zwischenbereiche zwischen der Seitenfläche des Batteriezellenpakets und die Gehäusewand kann dann die Wärmeleitpaste eingespritzt werden, wobei durch den den Hohlraum umlaufend umschließenden Abschnitt der Dichtung ein Eindringen von Wärmeleitpaste in den Bereich der Zellentgasungseinrichtung beim Vorgang des Einspritzens der Wärmeleitpaste verhindert wird. Es ist auch durchaus denkbar, dass die Dichtung vor dem Einschieben des Batteriezellenpakets an das Batteriezellenpaket angebracht wird. Dadurch sind die Aufnahmebereiche für Wärmeleitpaste bereits durch die Dichtung begrenzt und in diese Aufnahmebereiche kann dann Wärmeleitpaste vor dem Einschieben des Batteriezellenpakets in das Gehäuse eingebracht werden. Der den Hohlraum begrenzende Abschnitt verhindert, dass Wärmeleitpaste beim Vorgang des Einbringens der Wärmeleitpaste und beim Vorgang des Einschiebens des Batteriezellpakets in den Bereich der Zellentgasungseinrichtung gelangt. Daher wird es als besonders vorteilhaft angesehen, wenn die Dichtung derart ausgebildet ist, dass die Dichtung einen den Hohlraum umlaufend umschließenden Ringabschnitt aufweist. Ferner wird es in diesem Zusammenhang als besonders vorteilhaft angesehen, wenn der jeweilige Aufnahmebereich für Wärmeleitpaste ebenfalls von einem weiteren Ringabschnitt der Dichtung umlaufend umschlossen ist.
Um das Einschieben der Dichtung zu erleichtern kann die Dichtung an einer an dem Batteriezellpaket oder der Gehäusewand anliegenden Kante eine Fase aufweisen.
Vorzugsweise ist die Dichtung an dem Batteriezellenpaket befestigt, wodurch die Handhabung, insbesondere beim Einschieben, erleichtert wird.
Vorzugsweise beträgt ein Abstand zwischen der Seitenfläche und der Gehäusewand 1 mm bis 5 mm. Vorzugsweise weist die Dichtung eine Dicke von 1 mm bis 6 mm auf. Vorzugsweise ist die Dichtung im zwischen der Seitenfläche und der Gehäusewand eingebrachten Zustand gegenüber einem Grundzustand der Dichtung komprimiert.
Vorzugsweise ist die Dichtung derart gestaltet, dass die Dichtung äußere Abschnitte aufweist, die in Randbereichen des Batteriezellenpakets dichtend an der Gehäusewandung anliegen. Vorzugsweise bilden die äußeren Abschnitte einen umlaufenden geschlossenen Ring. Der Ring kann durchaus rechteckförmig oder im Wesentlichen rechteckförmig ausgebildet sein. Hinsichtlich der Begrenzung des Hohlraums mit der Dichtung wird es in diesem Zusammenhang als vorteilhaft angesehen, wenn die Dichtung zwei beabstandet angeordnete Zwischenstege aufweist, die sich in Zellstapelrichtung zwischen gegenüberliegenden äußeren Abschnitten erstrecken, wobei im Bereich zwischen den beiden Stegen die Zellentgasungseinrichtungen angeordnet und somit der Hohlraum ausgebildet ist.
Als besonders vorteilhaft wird es angesehen, wenn in einem in das Fahrzeug eingebauten Zustand des Batteriemoduls die Zellentgasungseinrichtungen und/oder die Modulentgasungsöffnung an einer Unterseite des Batteriemoduls ausgebildet sind.
Als besonders vorteilhaft wird es angesehen, wenn das Batteriemodulgehäuse das äußerste Gehäuse der Traktionsbatterie bildet, insofern kein Batteriekasten bzw. kein weiteres, die Batteriemodule umschließendes Batteriegehäuse vorgesehen ist.
Vorzugsweise weist der Hohlraum angrenzend an die Modulentgasungsöffnung einen erweiterten Querschnitt auf. Dadurch wird ein Aufstauen von Gas beim Entgasen einer Batteriezelle und eine damit einhergehender lokaler Druckanstieg verhindert.
Vorzugsweise ist die Modulentgasungsöffnung im mittleren Bereich des Hohlraums ausgebildet.
Vorzugsweise ist die Gehäusewand plattenförmig oder im wesentlichen plattenförmig ausgebildet.
Es wird als vorteilhaft angesehen, wenn zumindest die Batteriezellen, vorzugsweise die Seitenfläche des Batteriezellenpakets, in einem den Hohlraum begrenzenden Bereich mit einer hitzebeständigen, wärmeisolierenden Schicht versehen sind, wobei die Schicht im Bereich der Zellentgasungseinrichtungen Aussparungen aufweist. Dies wird als besonders vorteilhaft angesehen, da bei der vorliegenden Erfindung lediglich diese Bereiche mit etwaigem heißem Gas einer entgasenden Batteriezelle in Kontakt kommen. Durch das Vorsehen der hitzebeständigen, wärmeisolierenden Schicht werden die dem Gas ausgesetzten Bereiche der übrigen Batteriezellen besonders gut geschützt, sodass eine thermische Propagation vermieden oder zumindest verlangsamt werden kann. Da lediglich diese Bereiche mit einer hitzebeständigen, wärmeisolierenden Schicht versehen sind, wirkt sich diese Beschichtung nicht oder zumindest nur geringfügig auf die notwendige Kühlung der Batteriezellen aus, da nur ein relativ geringer Bereich der Oberfläche der Batteriezellen thermisch isoliert sind von einer etwaigen Batteriezellenkühlung und die übrigen Bereiche der Batteriezelle, beispielsweise aufgrund der Wärmeleitpaste, thermisch gut an eine etwaige Kühlung angebunden sind. Die Schicht kann sich durchgängig über mehrere Batteriezellen erstrecken oder jede einzelne Batteriezelle kann eine solche Schicht aufweisen.
Es wird als besonders vorteilhaft angesehen, wenn die Dichtung aus einem thermisch isolierenden oder zumindest schlecht wärmeleitenden und hitzebeständigen Material gefertigt ist. Dadurch wird eine Beschädigung der Dichtung bei Kontakt mit austretenden Gasen und ein Wärmeübertrag über die Dichtung vermieden.
Es ist durchaus denkbar, dass zwischen den Batteriezellen des Batteriezellenpakets ein Kompressionselemente angeordnet ist. Das jeweilige Kompressionselement kann beispielsweise als Kompressionsmatte ausgebildet sein. Eine solche Kompressionsmatte kann auch als Kompressionspad bezeichnet werden. Das Kompressionselement ist vorzugsweise zwischen aneinander angrenzenden Hauptausdehnungsflächen von zwei benachbarten Batteriezellen angeordnet. Ferner kann zusätzlich ein Kompressionselement zwischen einer äußeren Hauptausdehnungsfläche einer äußeren Batteriezelle und dem Batteriemodulgehäuse angeordnet sein. Dabei ist es durchaus denkbar, dass das Kompressionselement sich bis an den Hohlraum heran erstreckt, insofern zur Begrenzung des Hohlraums beiträgt. Vorzugsweise dichtet das jeweilige Kompressionselement den Bereich zwischen den Batteriezellen ab, sodass in den Hohlraum strömendes Gas nicht in die Bereiche zwischen den an den Hohlraum angrenzenden Batteriezellen eindringen kann.
Vorzugsweise weist das jeweilige Batteriezellenpaket mehr als drei Batteriezellen, insbesondere vier bis sechs Batteriezellen auf.
In den nachfolgenden Figuren wird die Erfindung anhand von Ausführungsbeispielen näher erläutert, ohne auf diese beschränkt zu sein. Es zeigen:

1 eine erste Ausführungsform des Batteriemoduls in einer Ansicht von unten,
2 einen Teilbereich des Batteriemoduls gemäß 1 in einer Ansicht von unten,
3 einen Teilbereich des Batteriemoduls gemäß 1 in einer Schnittansicht gemäß der Linie III-III in 2,
4 einen Teilbereich des Batteriemoduls gemäß 1 in einer Schnittansicht gemäß der Linie IV-IV in 2,
5 eine weitere Ausführungsform des Batteriemoduls in einer Ansicht von unten,
6 einen Teilbereich des Batteriemoduls gemäß 5 in einer Ansicht von schräg unten,
7 eine weitere Ausführungsform des Batteriemoduls in einer Ansicht wie in 4,
8 eine weitere Ausführungsform des Batteriemoduls in einer Ansicht wie in 3 in einer schematischen Darstellung.

Die 1 bis 4 veranschaulichen eine Ausführungsform eines Batteriemoduls 1 für eine Hochvolt-Batterie eines elektrisch oder teilelektrisch angetriebenen Fahrzeugs. Die in den Figuren gezeigte X-Richtung entspricht einer Fahrzeuglängsrichtung, die in den Figuren gezeigte Y-Richtung entspricht einer Fahrzeugquerrichtung und die in den Figuren gezeigte Z-Richtung entspricht einer Fahrzeughochrichtung.
Das in den Figuren gezeigte Batteriemodul 1 weist ein im Querschnitt rechteckförmiges Batteriemodulgehäuse 2 auf, wobei in dem Batteriemodulgehäuse 2 acht Batteriezellenpakete 17₁ bis 17₈ angeordnet sind. Die Batteriezellenpakete 17₁ bis 17₄ weisen jeweils vier hintereinander gestapelte Batteriezellen 3 auf und die Batteriezellenpakete 17₅ bis 17₈ weisen jeweils fünf hintereinander gestapelte Batteriezellen 3 auf, wobei vorliegend die Batteriezellen 3 in X-Richtung gestapelt sind, wobei die X-Richtung vorliegend der Dickenrichtung der Batteriezellen 3 entspricht. Vorliegend weisen die Batteriezellen 3 in Längsrichtung, die zu der Y-Richtung korrespondiert, und in der Querrichtung, die vorliegend zu der Z-Richtung korrespondiert, eine sehr viel größere Erstreckung auf als in der Dickenrichtung, die vorliegend zu der X-Richtung korrespondiert. Zwischen den einzelnen Batteriezellen 3 eines Batteriezellenpakets 17 sind vorliegend Kompressionselemente 10 angeordnet.
Wie den Figuren zu entnehmen ist, weist die jeweilige Batteriezelle 3 eine Zellentgasungseinrichtung 4 zum Entgasen der Batteriezelle 3 auf. Diese Zellentgasungseinrichtungen 4 sind vorliegend auf derselben Seitenfläche 16 des jeweiligen Batteriezellenpakets 17 ausgebildet.
Bei den Batteriezellen 3 handelt es sich vorliegend um prismatische Zellen, wobei die Seitenflächen der Batteriezellen 3, die die Zellentgasungseinrichtung 4 aufweisen, in derselben Ebene angeordnet sind. Wie insbesondere den 2 und 3 zu entnehmen ist, sind die Zellentgasungseinrichtungen 4 der Batteriezellen 3 des jeweiligen Batteriezellenpakets 17 geradlinig in X-Richtung hintereinander angeordnet.
Angrenzend an die Zellentgasungseinrichtungen 4 ist ein Hohlraum 5 gebildet, der einen Entgasungsbereich bildet und zur Aufnahme von aus den Zellentgasungseinrichtungen 4 austretenden Gasen dient. Der Hohlraum 5 ist durch die die Zellentgasungseinrichtungen 4 aufweisende Seitenfläche 16 des Batteriezellenpakets 17 und eine beabstandet zu dieser Seitenfläche 16 des Batteriezellenpakets 17 angeordnete Gehäusewand 6 des Batteriemodulgehäuses 2 begrenzt. Die den Hohlraum 5 begrenzende Gehäusewand 6 weist angrenzend an den Hohlraum 5 eine Modulentgasungsöffnung 9 auf, die dazu dient, in dem Hohlraum 5 befindliches Gas, welches beim Entgasen einer Batteriezelle 3 in den Hohlraum 5 eindringt, gezielt aus dem Hohlraum 5 in die Umgebung abzuleiten. Dabei ist es durchaus denkbar, dass die Modulentgasungsöffnung 9 mit einem Verschlussteil und/oder einer Membran und/oder einer Berstscheibe 18 dicht verschlossen ist, wobei das Verschlussteil und/oder die Membran und/oder die Berstscheibe 18 im Fall eines thermischen Events und damit einhergehendem gesteigertem Druck in dem Hohlraum 5 öffnet und dann ein Ausströmen von Gas aus dem Hohlraum 5 durch die Modulentgasungsöffnung 9 ermöglicht. Zwischen der Seitenfläche 16 des Batteriezellenpakets 17 und die Gehäusewand 6 ist eine Dichtung 7 angeordnet, wobei die Dichtung 7 dichtend an der Seitenfläche 16 und der Gehäusewand 6 anliegt. Der Hohlraum 5 wird lateral durch einen den Hohlraum 5 umlaufend umschließenden Abschnitt der Dichtung 7 begrenzt. Der den Hohlraum 5 umlaufend umschließenden Abschnitt der Dichtung 7 ist durch in X-Richtung gegenüberliegende Abschnitte eines äußeren umlaufenden rechteckförmigen Rings 20 und sich zwischen diesen Abschnitten erstreckende Stege 19 gebildet.
In Aufnahmebereichen 14 zwischen der Seitenfläche 16 des Batteriezellenpakets 17 und der Gehäusewand 6 des Batteriemodulgehäuses 2, die wiederum durch Abschnitte der Dichtung 7 umlaufend umschlossen werden, ist Wärmeleitpaste 8 eingebracht, um eine gute thermische Verbindung zwischen der mit einem Kühlkörper 11 gekühlten Gehäusewand 6 und dem Batteriezellenpaket 17 in diesen Bereichen zu erzielen. Aus Gründen der Übersicht ist in der 2 und in der 5 lediglich einer der beiden an den Hohlraum 5 angrenzenden Aufnahmebereich 14 mit Wärmeleitpaste 8 gefüllt dargestellt.
Die Dichtung 7 dient als Abstandshalter zwischen der Seitenfläche 16 des Batteriezellenpakets 17 und der angrenzenden Gehäusewand 6, wodurch der an die Zellentgasungseinrichtungen 4 angrenzende Hohlraum 5 und von dem Hohlraum 5 getrennten Aufnahmebereiche 14 für Wärmeleitpaste 8 gebildet sind, wobei sowohl der Hohlraum 5 als auch die Aufnahmebereiche 14 seitlich bzw. orthogonal zu der Seitenfläche 16 und der Gehäusewand 6 durch die Dichtung 7 begrenzt sind.
Die den Hohlraum 5 umlaufend umschließende Dichtung 7 bzw. der entsprechende Abschnitt der Dichtung 7 verhindert, dass beim Einspritzen oder Einbringen der Wärmeleitpaste 8 in die Aufnahmebereiche 14 Wärmeleitpaste 8 in den Bereich des Hohlraums 5 bzw. in den Bereich der Zellentgasungseinrichtungen 4 gelangt. Die eingebrachte Wärmeleitpaste 8 hat zudem den Vorteil, dass diese in die ggf. noch vorhandene Lücken zwischen der Dichtung 7 und der Gehäusewand 6 und den Batteriezellen 3 eindringt, sodass eine hermetische Abdichtung des Hohlraums 5 im Bereich der Dichtung 7 erreicht werden kann.
Die prismatischen Batteriezellen 3 weisen im Bereich einer in Y-Richtung weisenden Seitenwand Anschlüsse 12 zum Anbringen von Stromschienen 15 und/oder zum Verbinden der jeweiligen Batteriezelle 3 mit einer angrenzenden Batteriezelle 3 auf. So sind beispielsweise Batteriezellen 3 des Batteriezellenpakets 17₃ mit den Y-Richtung angrenzenden Batteriezellen 3 des Batteriezellenpakets 17₄ elektrisch verbunden.
An den Anschlüssen 12 der Batteriezellen 3 der Batteriezellenpakete 17₂,17₃,17₆,17₇ sind Stromschienen 15 angebracht, wobei die Stromschienen 15 derart gestaltet und angeordnet sind, dass die Stromschienen 15 außerhalb der Hohlräume 5 verlaufen, die der Aufnahme von Gas beim Entgasen einer der Batteriezellen 3 dienen.
Mit dem erfindungsgemäßen Batteriemodul 1 kann eine Verzögerung der Propagation von Batteriezelle 3 zu Batteriezelle 3 oder sogar vollständiges Verhindern der Propagation von Batteriezelle 3 zu Batteriezelle 3 von unterschiedlichen Batteriezellenpaketen 17 effektiv verhindert werden, da die unterschiedlichen Batteriezellenpakete 17 jeweils einen separaten Hohlraum 5 und somit separaten Entgasungsweg aufweisen. Zudem besteht eine besonders hohe Betriebssicherheit durch eine Verkürzung von Entgasungswegen, da bei Vorsehen von einem Hohlraum 5 je Batteriezellenpaket 17, die mittlere Wegstrecke von einer Batteriezelle 3 zu der dem entsprechenden Hohlraum 5 zugeordneten Modulentgasungsöffnung 9 geringer ist als die mittlere Wegstrecke bei einer einzigen Modulentgasungsöffnung für alle Batteriezellen 3 eines Batteriemoduls 1. Durch das gezielte Ableiten von Gas in ungefährliche Bereiche des Fahrzeugs, vorliegend nach unten weg, ist zudem die Betriebssicherheit des Batteriemoduls 1 erhöht. Durch die in dem Ausführungsbeispiel vorgesehene Kühlung, die an der Gehäusewand 6 angebracht ist, die auch den Hohlraum 5 begrenzt, und sich dort bis in den Bereich der Gehäusewand 6, die den Hohlraum 5 begrenzt, erstreckt, kann eine thermische Propagation von Zelle 3 zu Zelle 3 desselben Batteriezellenpakets 17 vermieden oder zumindest verlangsamt werden, da auch im Bereich des Hohlraums 5 eine besonders gute Kühlung erreicht wird.
Wie insbesondere der 1 zu entnehmen ist, überspannt eine Dichtung 7 in Y-Richtung jeweils zwei Batteriezellenpakete 17. Somit sind vier Dichtungen 7 vorgesehen. Die jeweilige Dichtung 7 weist einen im Wesentlichen rechteckförmigen umlaufenden äußeren Ring 20 auf und vier Zwischenstege 19 auf, die die beiden Hohlräume 5 von den drei Aufnahmebereichen 14 trennt. Der mittlere Aufnahmebereich 14 zwischen den beiden Hohlräume 5 erstreckt sich über beide Batteriezellenpakete 17.
Die 5 und 6 zeigen eine weitere Ausführungsform des Batteriemoduls 1, wobei sich dieses von dem Ausführungsbeispiel der 1 bis 4 im Wesentlichen dadurch unterscheidet, dass der Hohlraum 5 angrenzend an die Modulentgasungsöffnung 9 einen in Y-Richtung erweiterten Querschnitt aufweist. Dadurch wird ein Aufstauen von Gas beim Entgasen einer Batteriezelle 3 und ein damit einhergehender lokaler Druckanstieg verhindert.
Die 7 zeigt eine weitere Ausführungsform des Batteriemoduls 1, wobei sich dieses von dem Ausführungsbeispiel der 1 bis 4 im Wesentlichen dadurch unterscheidet, dass die Dichtung 7 nur ein Batteriezellenpaket 17 überspannt.
Die 7 zeigt eine weitere Ausführungsform des Batteriemoduls 1 in einer schematischen Darstellung. Die Batteriezellen 3 sind in einem den Hohlraum 5 begrenzenden Bereich mit einer hitzebeständigen, wärmeisolierenden Schicht 13 versehen, wobei die Schicht 13 im Bereich der Zellentgasungseinrichtungen 4 Aussparungen aufweist. Bei der wärmeisolierenden Schicht 13 kann es sich beispielsweise um eine aufgeklebte Folie handeln. Als Material für die wärmeisolierende Schicht 13 ist beispielsweise ein Glasfaserkunststoff bzw. glasfaserverstärkter Kunststoff (GFK) denkbar.
Bezugszeichenliste

1: Batteriemodul
2: Batteriemodulgehäuse
3: Batteriezelle
4: Zellentgasungseinrichtung
5: Hohlraum
6: Gehäusewand
7: Dichtung
8: Wärmeleitpaste
9: Modulentgasungsöffnung
10: Kompressionselement
11: Kühlkörper
12: Anschluss
13: Schicht
14: Aufnahmebereich
15: Stromschiene
16: Seitenfläche
17: Batteriezellenpaket
18: Berstscheibe
19: Steg
20: Ring

ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

EP 1775784 B1 [0006]

Claims

Batteriemodul (1) einer Hochvolt-Batterie für ein elektrisch oder teilelektrisch angetriebenes Fahrzeug, wobei das Batteriemodul (1) ein Batteriemodulgehäuse (2) aufweist, wobei in dem Batteriemodulgehäuse (2) zumindest ein Batteriezellenpaket (17) angeordnet ist, wobei das Batteriezellenpaket (17) zumindest zwei hintereinander gestapelte Batteriezellen (3) aufweist, wobei die Batteriezellen (3) jeweils eine Zellentgasungseinrichtung (4) zum Entgasen der Batteriezelle (3) aufweisen, wobei die Zellentgasungseinrichtungen (4) auf derselben Seitenfläche (16) des Batteriezellenpakets (17) ausgebildet sind, wobei angrenzend an die Zellentgasungseinrichtungen (4) ein Hohlraum (5) gebildet ist, zur Aufnahme von aus den Zellentgasungseinrichtungen (4) austretenden Gasen, wobei der Hohlraum (5) durch die die Zellentgasungseinrichtungen (4) aufweisende Seitenfläche (16) des Batteriezellenpakets (17), durch eine beabstandet zu der Seitenfläche (16) des Batteriezellenpakets (17) angeordnete Gehäusewand (6) des Batteriemodulgehäuses (2) und durch eine zwischen der Seitenfläche (16) des Batteriezellenpakets und der Gehäusewand (6) eingebrachte Dichtung (7) und/oder eingebrachte Wärmeleitpaste (8) begrenzt ist, wobei die Dichtung (7) und/oder die Wärmeleitpaste (8) dichtend mit der Seitenfläche (16) des Batteriezellenpakets (17) und der Gehäusewand (6) zusammenwirkt.
Batteriemodul (1) nach Anspruch 1, wobei die Batteriezellen (3) in Dickenrichtung (X) der Batteriezellen (3) hintereinander gestapelt sind.
Batteriemodul (1) nach Anspruch 1 oder 2, wobei die den Hohlraum (5) begrenzende Gehäusewand (6) angrenzend an den Hohlraum (5) eine Modulentgasungsöffnung (9) aufweist.
Batteriemodul (1) nach einem der Ansprüche 1 bis 3, wobei die Batteriezellen (3) als prismatische Zellen ausgebildet sind.
Batteriemodul (1) nach einem der Ansprüche 1 bis 4, wobei das Batteriemodul (1) stromführende Stromschienen (15) aufweist, wobei die Stromschienen (15) außerhalb des Hohlraums (5) verlaufen.
Batteriemodul (1) nach einem der Ansprüche 1 bis 5, wobei Seitenflächen der Batteriezellen (3), die die Zellentgasungseinrichtungen (4) aufweisen, in derselben Ebene angeordnet sind und die Gehäusewand (6) parallel zu dieser Ebene angeordnet ist.
Batteriemodul (1) nach einem der Ansprüche 1 bis 6, wobei in einem in das Fahrzeug eingebauten Zustand die Zellentgasungseinrichtungen (4) an einer Unterseite des Batteriezellenpakets (17) und/oder die Modulentgasungsöffnung (9) an einer Unterseite des Batteriemodulgehäuses (2) ausgebildet sind.
Batteriemodul (1) nach einem der Ansprüche 1 bis 7, wobei die Batteriezellen (3) in einem den Hohlraum (5) begrenzenden Bereich mit einer hitzebeständigen, wärmeisolierenden Schicht (13) versehen sind, wobei die Schicht (13) im Bereich der Zellentgasungseinrichtungen (3) Aussparungen aufweist.
Batteriemodul (1) nach einem der Ansprüche 1 bis 8, wobei das Batteriemodul (2) ein weiteres Batteriezellenpaket (17) sowie einen diesem weiteren Batteriezellenpaket (17) zugeordneten weiteren Hohlraum (5) aufweist, zur Aufnahme von aus den Zellentgasungseinrichtungen (4) des weiteren Batteriezellenpakets (17) austretenden Gasen.
Batteriemodul (1) nach einem der Ansprüche 1 bis 9, wobei zwischen der Seitenfläche (16) des Batteriezellenpakets (17) und der Gehäusewand (6) Aufnahmebereiche (14) für Wärmeleitpaste (8) gebildet sind, wobei die Dichtung (7) die Aufnahmebereiche (14) begrenzt, vorzugsweise umlaufend umschließt, wobei ein Abschnitt der Dichtung (7) den Hohlraum (5) von den Aufnahmebereichen (14) trennt und wobei die Aufnahmebereiche (14) mit Wärmeleitpaste (8) ausgefüllt sind.