DE102021132479A1

DE102021132479A1 - Batterieanordnung und Verfahren zum Abführen eines Gases aus einer Batteriezelle

Info

Publication number: DE102021132479A1
Application number: DE102021132479.3A
Authority: DE
Inventors: Tamas GYULAI
Original assignee: Audi AG
Current assignee: Audi AG
Priority date: 2021-12-09
Filing date: 2021-12-09
Publication date: 2023-06-15
Also published as: CN116259917A; US20230187771A1

Abstract

Die Erfindung betrifft eine Batterieanordnung (10) mit einer Kühlwandanordnung (18), die eine Kühlwand (20) umfasst, und mit einer an der Kühlwandanordnung (18) angeordneten und bezüglich einer ersten Richtung (z) über der Kühlwandanordnung (18) angeordneten Batterieeinheit (14), die eine Batteriezelle (16) umfasst, die eine erste Seite (16a) mit einer freigebbaren Entgasungsöffnung (16b) aufweist, die der Kühlwand (20) zugewandt ist, wobei die Batterieanordnung (10) einen Entgasungskanal (26) aufweist, in welchen aus der Entgasungsöffnung (16b) austretendes Gas (28a, 28b). Dabei ist der Entgasungskanal (26) bezüglich der ersten Richtung (z) unterhalb der freigebbaren Entgasungsöffnung (16b) und oberhalb der Kühlwand (20) angeordnet und derart ausgebildet, dass im Falle des Gasaustritts des Gases (28a, 28b) aus der Entgasungsöffnung (16b) ein zeitlich zuerst aus der Entgasungsöffnung (16b) austretender erster Teil (28a) des Gases (28a, 28b) in den Entgasungskanal (26) einführbar ist.

Description

Die Erfindung betrifft eine Batterieanordnung für ein Kraftfahrzeug, die eine Kühlwandanordnung aufweist, die eine Kühlwand umfasst, und mindestens eine an der Kühlwandanordnung angeordnete und bezüglich einer ersten Richtung über der Kühlwandanordnung angeordnete Batterieeinheit, die mindestens eine Batteriezelle umfasst. Dabei weist die mindestens eine Batteriezelle eine erste Seite mit einer freigebbaren Entgasungsöffnung auf, die zum Abführen eines Gases aus der mindestens einen Batteriezelle freigebbar ist, wobei die Batterieanordnung einen Entgasungskanal aufweist, in welchem im Falle eines Gasaustritts eines Gases aus der Entgasungsöffnung der mindestens einen Batteriezelle das austretende Gas zumindest zum Teil einführbar ist. Dabei ist die Batterieeinheit derart an der Kühlwandanordnung angeordnet, dass die erste Seite der mindestens einen Batteriezelle der Kühlwandanordnung zugewandt ist. Des Weiteren betrifft die Erfindung auch ein Verfahren zum Abführen eines aus einer Entgasungsöffnung mindestens einer Batteriezelle einer Batterieanordnung austretenden Gases.
Bei herkömmlichen Batterien, insbesondere Hochvoltbatterien, für Kraftfahrzeuge, bei denen gängige prismatische Batteriezellen zum Einsatz kommen, deren Zellpole an einer Oberseite der Zellen angeordnet sind, sind die Entgasungsöffnungen solcher Zellen typischerweise ebenfalls oberseitig angeordnet. Weiterhin ist oft ein Entgasungskanal bereitgestellt, der ebenfalls oberhalb der Zellen angeordnet ist, und in welchem das aus einer ausgasenden Zelle austretende Gas eingeführt wird. Dabei ist ein solcher Entgasungskanal oftmals Teil eines Zellmoduls beziehungsweise Batteriemoduls, welches mehrere in einem Modulgehäuse angeordnete Batteriezellen aufweist. Er kann aber auch als zusätzliche separate Komponente bereitgestellt sein.
Beispielsweise beschreibt die DE 10 2013 216 071 A1 ein galvanisches System mit mehreren galvanischen Zellen und einer Entgasungseinrichtung zum Abführen eines von einer oder mehreren der galvanischen Zellen entweichenden Fluids. Die Entgasungseinrichtung weist dabei für jede Zelle eine Eintrittsöffnung auf, welcher jeweils ein Verschlusselement zugeordnet ist, das ein Ausströmen eines Fluids aus der Entgasungseinrichtung über die mit dem Verschlusselement verschlossene Eintrittsöffnung verhindert. Dabei können die jeweiligen Eintrittsöffnungen der Entgasungseinrichtung mit ihren zugehörigen Verschlusselementen in einem Moduldeckel eines Batteriemoduls integriert sein. Tritt also ein Gas aus einer Zelle aus und durch die Eintrittsöffnung in die Entgasungseinrichtung ein, so tritt dieses Gas entsprechend durch den Moduldeckel hindurch.
Weiterhin sind auch Batteriezellen aus dem Stand der Technik bekannt, die eine freigebbare Zellentgasungsöffnung auf einer Seite aufweisen, die nicht die Seite darstellt, an denen die Zellterminals angeordnet sind. Die Seite der Batteriezelle, an welcher dann die freigebbare Zellentgasungsöffnung angeordnet ist, kann in diesem Fall diejenige Seite darstellen, die einer Kühleinrichtung oder Kühlplatte zugewandt ist und insbesondere an einer solchen Kühlplatte angeordnet ist.
Beispielsweise beschreibt die DE 10 2017 212 223 A1 eine Batterie mit mehreren Energiespeicherzellen, die jeweils eine Gehäuseöffnung aufweisen, die mit einer Berstmembran verschlossen ist, wobei zwischen dem Zellengehäuse einer solchen Zelle und einem Zellentgasungsraum eine Kühlplatte mit einer Durchführung angeordnet ist, die mit der Gehäuseöffnung der Zellen fluchtet. Im Zellentgasungsfall kann das aus der Zelle austretende Gas durch die Kühlplatte in den Zellentgasungsraum durchgeführt werden. Gleichzeitig kann Kühlmittel aus der Kühlplatte in das Zellgehäuse eintreten.
Weiterhin beschreibt die DE 10 2019 118 905 A1 ein Kühlsystem für einen Energiespeicher, welches ein Kühlelement aufweist, das eine Wandung und ein von der Wandung begrenztes und mit einem Kühlmittel durchströmbares Volumen aufweist, wobei in das Kühlelement ein Durchlass eingebracht ist, welcher durch die Wandung von dem Volumen zumindest teilweise getrennt ist, wobei dem Durchlass eine Notöffnungsvorrichtung zugeordnet ist, welche sich bei Einwirkung von Wärme und/oder Druck öffnet und dadurch eine strömungsleitende Verbindung zwischen dem Volumen und dem Durchlass herstellt. Auch hierbei kann das aus einer Batteriezelle ausströmende Gas durch den Durchlass durch das Kühlelement hindurch geführt werden und abgeleitet werden. Zudem kann auch hier wiederum Kühlmittel aus dem Kühlelement der betroffenen Energiespeicherzelle zugeleitet werden.
Weiterhin beschreibt die DE 10 2009 046 385 A1 eine Batterie mit einem Entgasungssystem, das eine Grundplatte aufweist und zumindest ein auf der Grundplatte angeordnetes Zellmodul mit wenigstens einer Batteriezelle, die eine Unterseite mit einer Entgasungsöffnung aufweist. Die Grundplatte weist dabei an der Stelle der Entgasungsöffnung wenigstens einen Durchlass zu einem Auffangbereich auf, der unterseitig von einer Gehäusewand begrenzt sein kann. Die Grundplatte kann beispielsweise auch als Kühlplatte ausgestaltet sein. Auch hier wird also das aus den Batteriezellen austretende Gas durch eine Kühlplatte hindurch in einen Auffangbereich geleitet. Dabei kann der Auffangbereich zum Teil auf einer der Batteriezellen gegenüberliegenden Seite der Kühlplatte in diese als Vertiefung integriert sein.
Eine Kühlplatte, wie zum Beispiel ein Kühlboden, stellt oftmals gleichzeitig Teil eines Batteriegehäuses, zum Beispiel den Boden eines Batteriegehäuses, dar. Da das Batteriegehäuse die aufgenommenen Zellen möglichst gut vor Umwelteinflüssen, wie das Eindringen von Feuchtigkeit oder Schmutz, schützen sollte, muss das Batteriegehäuse geschlossen ausgeführt sein. Soll nun das aus einer Batteriezelle austretende Gas durch eine Kühlplatte hindurch abgeführt werden, so muss für den Fall, dass dies durch eine permanente Öffnung in der Kühlplatte erfolgt, eine zusätzliche, schützende Gehäusewand vorgesehen werden, oder die Durchtrittsöffnung durch die Kühlplatte muss mit einem sehr aufwendigen Verschluss ausgestaltet sein, der jedoch ein zuverlässiges Öffnen im Entgasungsfall sicherstellen muss, um ein unkontrolliertes Explodieren der Anordnung zu verhindern. Entsprechend gestaltet sich die Abführung der Gase durch eine Kühleinrichtung hindurch sehr aufwendig.
Wünschenswert wäre es daher, eine effizientere, einfachere und dennoch zuverlässige Gasabführmöglichkeit bereitstellen zu können. Ein weiterer wichtiger Gesichtspunkt im Zusammenhang mit dem thermischen Durchgehen einer Batteriezelle stellt darüber hinaus die Detektion eines solchen thermischen Events dar, um zum Beispiel den Fahrer eines Fahrzeugs möglichst frühzeitig und auch zuverlässig warnen zu können, und Fehlwarnungen zu vermeiden. Zudem ist es also auch wünschenswert, einen Gasaustritt aus einer Zelle möglichst einfach und zuverlässig, und vor allem frühzeitig, detektieren zu können.
Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es daher, eine Batterieanordnung und ein Verfahren bereitzustellen, die es ermöglichen, Gas, welches aus einer Entgasungsöffnung einer Zelle austritt, die einer Kühlwand zugewandt ist, möglichst einfach, effizient und sicher abzuführen, und insbesondere die es ermöglichen, einen solchen Gasaustritt auch möglichst zuverlässig und frühzeitig zu detektieren.
Diese Aufgabe wird gelöst durch eine Batterieanordnung und ein Verfahren mit den Merkmalen gemäß den jeweiligen unabhängigen Patentansprüchen. Vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung sind Gegenstand der abhängigen Patentansprüche, der Beschreibung sowie der Figuren.
Eine erfindungsgemäße Batterieanordnung für ein Kraftfahrzeug weist eine Kühlwandanordnung auf, die eine Kühlwand umfasst, und mindestens eine an der Kühlwandanordnung angeordnete und bezüglich einer ersten Richtung über der Kühlwandanordnung angeordnete Batterieeinheit, die mindestens eine Batteriezelle umfasst. Dabei weist die mindestens eine Batteriezelle eine erste Seite mit einer freigebbaren Entgasungsöffnung auf, die zum Abführen eines Gases aus der mindestens einen Batteriezelle freigebbar ist, wobei die Batterieanordnung einen Entgasungskanal aufweist, in welchem im Falle eines Gasaustritts eines Gases aus der Entgasungsöffnung der mindestens einen Batteriezelle das austretende Gas zumindest zum Teil einführbar ist. Weiterhin ist die Batterieeinheit derart an der Kühlwandanordnung angeordnet, dass die erste Seite der mindestens einen Batteriezelle der Kühlwandanordnung zugewandt ist. Dabei ist der Entgasungskanal bezüglich der ersten Richtung unterhalb der freigebbaren Entgasungsöffnung und oberhalb der Kühlwand angeordnet und derart ausgebildet, dass im Falle des Gasaustritts des Gases aus der Entgasungsöffnung ein zeitlich zuerst aus der Entgasungsöffnung austretender erster Teil des Gases in den Entgasungskanal einführbar ist.
Der zeitlich zuerst austretende Teil des Gases wird also folglich nicht unmittelbar durch die Kühlwand hindurch geleitet auf eine der Batterieeinheit gegenüberliegende Seite der Kühlwand, sondern zumindest zunächst in einen Entgasungskanal eingeführt, der zwischen der Batterieeinheit und der Kühlwand angeordnet ist, das heißt also in einen Kanal, der auf der gleichen Seite der Kühlwand angeordnet ist, wie die Batterieeinheit mit der ausgasenden Batteriezelle. Die Erfindung beruht dabei auf mehreren Erkenntnissen: Zum einen nutzt die Erfindung die Erkenntnis, dass sich das typische Gasaustrittsverhalten von Batteriezellen in zwei Austrittsphasen gliedern lässt, die sich hinsichtlich der Art des Gasaustritts signifikant unterscheiden. Die zeitlich erste, sehr kurze Phase bezieht sich dabei vor allem auf die erste Sekunde des Gasaustritts, insbesondere auf die ersten Millisekunden des Gasaustritts. In dieser ersten Phase des Gasaustritts tritt dabei typischerweise nur sehr wenig Gas mit einer relativ geringen Gasaustrittsgeschwindigkeit aus, während in der restlichen zweiten Austrittsphase eine extrem große Gasmenge, insbesondere in Form eines Gaspartikelstroms, mit sehr hoher Strömungsgeschwindigkeit und hohem Gasdruck aus der Entgasungsöffnung austritt. Diese beiden Gasaustrittsphasen können nun vorteilhafterweise genutzt werden, um einen neuartigen, zweistufigen Gasabführprozess zu realisieren, der vielzählige Vorteile mit sich bringt. Das in der ersten Austrittsphase austretende Gas kann vorteilhafterweise aufgrund seiner geringen Menge und seines geringen Drucks in den Entgasungskanal zwischen der Batterieeinheit und der Kühlwand eingeführt werden. Hier steht zwar typischerweise kein sonderlich großes Volumen zur Verfügung, zur Aufnahme des Gases, welches in der ersten Austrittsphase aus einer Batteriezelle austritt, ist dieses Volumen jedoch vollkommen ausreichend. Das in dieser ersten Austrittsphase aus einer Zelle austretende Gas wird vorliegend auch als erster Teil des Gases bezeichnet. Dieser erste Teil des Gases kann wiederum vorteilhafterweise genutzt werden, um zum Beispiel mittels eines geeigneten Sensors im Entgasungskanal äußerst frühzeitig den Gasaustritt zu detektieren. Zudem lässt sich dies auf besonders einfache Weise bewerkstelligen, da sich der erste Teil des Gases im Entgasungskanal verteilen kann, so dass ein entsprechender Sensor einfach irgendwo im Entgasungskanal angeordnet werden kann. Der Gasaustritt lässt sich dann auch im Falle mehrere Zellen durch z.B. nur einen solchen Sensor detektieren, unabhängig davon, aus welcher Zelle das Gas austritt. Die Bereitstellung des Entgasungskanals, der somit zu einer besonders frühzeitigen Detektion eines Gasaustritts genutzt werden kann, lässt sich zudem auf äußerst kostengünstige Weise bereitstellen, da hierfür keinerlei Zusatzkomponenten erforderlich sind. Lediglich die Kühlwand kann zum Beispiel hinsichtlich ihrer Formgebung etwas modifiziert werden, um zur Bereitstellung des Entgasungskanals zum Beispiel mit einer rinnenförmigen Vertiefung ausgebildet zu werden. Die in der zweiten Austrittsphase aus einer Batteriezelle austretende Gasmenge weist dabei typischerweise einen so hohen Gasdruck auf und ist dabei so heiß, dass dieser die der Entgasungsöffnung gegenüberliegende Kühlwand ähnlich einem Gasbrenner automatisch durchschneiden kann und dadurch abgeführt werden kann, ohne dass hierfür eine extra Öffnung mit Verschluss in der Kühlwand vorgesehen werden muss. Das in der zweiten Austrittsphase austretende Gas, welches nachfolgend auch als zweiter Teil des Gases bezeichnet wird, kann sich somit automatisch seinen Weg in ein deutlich größeres Gasaufnahmevolumen, zum Beispiel zwischen der Kühlwandanordnung und einem Unterfahrschutz des Kraftfahrzeugs, bahnen. Auch hierfür bedarf es keiner besonderen Ausbildung der Kühlwandanordnung und es kann auf die aufwendige Integration von mit Verschlüssen versehenen Öffnungen verzichtet werden. Wäre jedoch dagegen kein Entgasungskanal zwischen der Batterieeinheit und der Kühlwand bereitgestellt, so wäre die Entgasungsöffnung der Batteriezelle durch die Kühlwandanordnung verblockt und es bestünde die Gefahr, dass das in der ersten Austrittsphase in der Zelle entstehende Gas nicht ausreichend ist, um sich seinen Weg durch die Kühlwandanordnung zu bahnen, was dann zu einem Überdruck in der Zelle und zu einem unkontrollierten Bersten der Zelle führen könnte. Durch das Vorsehen des Entgasungskanals, also eines Freiraums, der direkt unterhalb der Entgasungsöffnung angeordnet ist und bezüglich der ersten Richtung unterseitig durch die Kühlwand begrenzt wird, lässt sich dies vorteilhafterweise vermeiden. Somit lässt sich durch die Erfindung ein besonders vorteilhaftes und vor allem einfach und kostengünstig umzusetzendes Gasabführmanagement bereitstellen.
Die Kühlwand stellt vorzugsweise gleichzeitig auch eine Gehäusewand eines Batteriegehäuses dar, in welchem die Batterieeinheit aufgenommen ist. Durch die Batterieanordnung ist vorzugsweise eine Batterie, insbesondere eine Kraftfahrzeugbatterie, bereitgestellt, die bevorzugt als eine Hochvoltbatterie ausgebildet ist. Die Batterieanordnung kann also zum Beispiel als Traktionsbatterie für das Kraftfahrzeug fungieren. Die Kühlwandanordnung kann neben der Kühlwand auch noch weitere Elemente aufweisen, insbesondere weitere Schichten, wie zum Beispiel ein Gappad oder einen Gapfiller, d.h. eine Wärmeleitmasse, beziehungsweise im Allgemeinen eine thermische Interfaceschicht, durch welche sich zum Beispiel eine gute thermische Anbindung der Batterieeinheit an die Kühlwand bereitstellen lässt, indem durch eine solche Schicht eventuelle Lücken oder Lufteinschlüsse zwischen der Batterieeinheit und der Kühlwand geschlossen bzw. vermieden werden. Im Bereich des Entgasungskanals kann eine solche thermische Interfaceschicht unterbrochen sein beziehungsweise auf diese verzichtet werden. Somit kann eine solche thermische Interfaceschicht beispielsweise lediglich in Bereichen zwischen der Batterieeinheit und dem Kühlboden angeordnet sein, in welchem der Entgasungskanal nicht angeordnet ist. Vorzugsweise verbindet eine solche thermische Interfaceschicht die entsprechenden Bereiche der Batterieeinheit mit der Kühlwand. Die Batterieeinheit ist also über diese thermische Interfaceschicht bereichsweise direkt an die Kühlwand angebunden. Eine Batterieeinheit kann beispielsweise nur die mindestens eine Batteriezelle umfassen, das heißt die mindestens eine Batteriezelle darstellen. Vorzugsweise stellt die Batterieeinheit jedoch ein Batteriemodul mit mehreren Batteriezellen dar, welches auch als Zellmodul bezeichnet werden kann und welches beispielsweise ein zusätzliches Modulgehäuse aufweisen kann, in welchem die Batteriezellen des Batteriemoduls angeordnet sind. In diesem Fall weist das Modulgehäuse im Bereich der Entgasungsöffnung der mindestens einen Batteriezelle ebenfalls eine Öffnung auf. Im Bereich der Entgasungsöffnung ist also zwischen der Entgasungsöffnung und der Kühlwand ein durch den Entgasungskanal bereitgestellter Freibereich bereitgestellt, in welchem weder eine thermische Interfaceschicht oder ein Teil des Modulgehäuses angeordnet ist. Weiterhin ist die Batterieeinheit bezüglich der ersten Richtung oberhalb der Kühlwandanordnung angeordnet. Dies bedeutet, dass vorliegende Begriffe „oben“ und „unten“ und davon abgeleitete Richtungsangaben sich immer auf die erste Richtung beziehen. Ist die erste Richtung beispielsweise in Richtung einer Fahrzeughochachse gerichtet, wenn die Batterieanordnung bestimmungsgemäß im Kraftfahrzeug angeordnet ist, so befindet sich die Batterieeinheit auch tatsächlich über der Kühlwandanordnung und ist die erste Richtung beispielsweise entgegen der Kraftfahrzeughochachse ausgerichtet, so befindet sich tatsächlich die Kühlwandanordnung über der Batterieeinheit. Mit anderen Worten kann die Kühlwand beispielsweise einen Kühlboden oder aber auch einen Kühldeckel darstellen. Grundsätzlich ist die Orientierung der Batterieanordnung im Raum für ihre Funktionsweise unerheblich. Besonders vorteilhaft ist es jedoch, wenn die Kühlwandanordnung bezüglich der bestimmungsgemäßen Einbaulage der Batterieanordnung im Kraftfahrzeug unterhalb der Batterieeinheit angeordnet ist und eine Gasabführung entsprechend nach unten, zum Beispiel in Richtung eines Unterfahrschutzes, bereitgestellt werden kann. Damit erfolgt die Gasabführung in eine Richtung weg von der Fahrgastzelle, wodurch die Sicherheit zusätzlich gesteigert werden kann. Eine Erhitzung der Fahrgastzelle kann hierdurch auch deutlich effizienter entgegengewirkt werden. Die Batteriezelle kann zum Beispiel als Lithium-Ionen-Zelle ausgebildet sein. Weiterhin kann die Batteriezelle grundsätzlich jede beliebige Geometrie aufweisen und beispielsweise als prismatische Zelle oder Rundzelle oder Pouchzelle ausgebildet sein. Besonders vorteilhaft hat sich in diesem Zusammenhang vor allem die Ausbildung der Batteriezelle als prismatische Zelle erwiesen. Die Zellpole einer solchen Batteriezelle sind dann vorzugsweise auf einer von der ersten Seite verschiedenen Seite der Batteriezelle angeordnet. Bevorzugt sind die Zellpole, auch Zellterminals genannt, auf zwei verschiedenen, einander gegenüberliegenden Seiten der Batteriezelle angeordnet, die die Batteriezelle senkrecht zur ersten Richtung begrenzen. Beispielsweise können die Zellpole auf zwei zueinander in Bezug auf eine zweite Richtung gegenüberliegenden Seiten der Batteriezelle angeordnet sein. Die zweite Richtung steht dann vorzugsweise senkrecht zur ersten Richtung. Dadurch, dass also die Zellpole auf den Seiten des Zellgehäuses der Batteriezelle angeordnet sind und nicht auf der Ober- und/oder Unterseite der Zell, und insbesondere nicht auf der ersten Seite, auf welcher die Entgasungsöffnung angeordnet ist, lässt sich auch eine deutlich einfachere Entkopplung des HV(Hochvolt)-Pfads von dem ausströmenden Gas bereitstellen. Umfasst die Batterieeinheit mehrere Batteriezellen in Form eines Zellstapels, so sind diese mehreren Batteriezellen vorzugsweise in einer dritten Richtung nebeneinander angeordnet, wobei diese dritte Richtung wiederum senkrecht zur ersten und zweiten Richtung ist. In diesem Fall erstreckt sich der Entgasungskanal ebenfalls vorzugsweise in die dritte Richtung. Dieser kann so vorteilhafterweise entlang der Entgasungsöffnungen der jeweiligen Batteriezellen des Batteriemoduls entlanggeführt sein.
Entsprechend stellt es eine vorteilhafte Ausgestaltung der Erfindung dar, wenn die Batterieeinheit mehrere Batteriezellen aufweist, die jeweils eine erste Seite mit einer freigebbaren Entgasungsöffnung aufweisen, wobei der Entgasungskanal an jeder der Entgasungsöffnungen vorbeigeführt ist. Somit kann das aus einer jeweiligen Zelle austretende Gas in den gleichen Entgasungskanal eingeführt werden, insbesondere wiederum zumindest ein erster Teil des aus einer betreffenden Zelle austretenden Gases. Im Übrigen können die Batteriezellen identisch ausgebildet sein. Die im Folgenden noch näher erläuterten Beispiele, die auf die mindestens eine Batteriezelle Bezug nehmen, gelten damit in gleicher Weise auch für mehrere Batteriezellen ganz analog. Der Entgasungskanal stellt somit also einen Hohlraum dar, der sich über die jeweiligen Entgasungsöffnungen mehrerer Batteriezellen der Batterieeinheit hinweg erstreckt. Der Entgasungskanal kann sich sogar über die Entgasungsöffnungen von Zellen verschiedener Batterieeinheiten hinweg erstrecken. Die Batterieanordnung kann also entsprechend auch mehrere Batterieeinheiten mit jeweils mehreren Batteriezellen aufweisen. Der Entgasungskanal kann dabei grundsätzlich geradlinig verlaufen oder aber auch gekrümmt. Zudem können auch mehrere Entgasungskanäle vorgesehen sein, die untereinander fluidisch separiert oder auch fluidisch miteinander gekoppelt sein können. Im letzten Fall kann der Entgasungskanal also auch als verzweigtes Entgasungskanalsystem bereitgestellt sein. Auch hier sollen die im Folgenden noch näher ausgeführten Beispiele mit Bezug auf den Entgasungskanal für weitere optionale Entgasungskanäle ganz analog gelten.
Beispielsweise lässt sich ein solcher Entgasungskanal auf einfache Weise bereitstellen, indem in eine flache Kühlplatte, die die Kühlwand bereitstellt, der Entgasungskanal eingeprägt wird. Dadurch wird unterhalb der Entgasungsöffnung der mindestens einen Zelle eine rillenförmige Vertiefung in der Kühlwand bereitgestellt. Entsprechend stellt es also eine weitere sehr vorteilhafte Ausgestaltung der Erfindung dar, wenn die Kühlwand zur Bereitstellung des Entgasungskanals mit einer rillenförmigen Vertiefung bezüglich der ersten Richtung ausgebildet ist, wobei der die Vertiefung aufweisende Teil der Kühlwand eine den Entgasungskanal begrenzende Kanalwand darstellt. Dadurch lässt sich ein solcher Entgasungskanal sehr einfach fertigen und es werden keine zusätzlichen Bauteile benötigt. Dieser kann also einfach in eine bereitgestellte Kühlplatte eingeprägt werden. Dadurch wird zusätzlich Raum geschaffen, der vorliegend als der Entgasungskanal genutzt wird. Die Vertiefung kann dabei langgestreckt in eine Richtung senkrecht zur ersten Richtung verlaufen. Dies hat den Vorteil, dass der Entgasungskanal so auf einfache Weise auch unter weiteren Entgasungsöffnungen weiterer Zellen vorbeigeführt sein kann. Der Entgasungskanal kann somit für mehrere Zellen gemeinsam genutzt werden.
Im Folgenden soll sich im Übrigen die Bezugnahme auf das aus der Zelle beziehungsweise deren Entgasungsöffnung austretenden Gases dabei immer auf den Fall eines Gasaustritts der Zelle, der im Folgenden auch als Entgasungsfall der Zelle bezeichnet wird, beziehen.
Bei einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung ist die Kühlwand als eine mit einem Kühlmittel durchströmbare Kühlplatte ausgebildet. Durch eine solche Kühlplatte lässt sich im normalen Betrieb eine besonders effiziente Kühlung der Batterieeinheit bereitstellen. In der Kühlplatte können also Kühlkanäle verlaufen, durch welche das Kühlmittel, zum Beispiel ein Wasser-Glykol-Gemisch, geführt werden kann. Bevorzugt befindet sich im Teil der Kühlwand, der sich direkt unterhalb der Entgasungsöffnung befindet und somit einen Teil einer Kanalwand des Entgasungskanals darstellt, kein Kühlkanal.
Bei einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung weist die Kühlwand einen Bereich auf, der einen Teil einer Kanalwand des Entgasungskanals bereitstellt, wobei die Batterieanordnung eine elektrisch isolierende Schutzschicht aufweist, die zumindest auf dem einen Bereich der Kühlwand angeordnet ist, die insbesondere von einer Kunststofffolie verschieden ist. Durch eine solche Schutzschicht kann vorteilhafterweise die Temperaturbeständigkeit des Bereichs der Kühlwand, auf welchem diese Schutzschicht angeordnet ist, erhöht werden. Dies hat den großen Vorteil, dass sich durch eine solche Schutzschicht steuern lässt, wann die Kühlwand durch den aus der Zelle austretenden Gasstrom durchbrennt, um insbesondere ein Abführen des zweiten Teils des aus der Zelle austretenden Gases zu ermöglichen, wie dies oben bereits beschrieben wurde. Gerade eine solche Schutzschicht, z.B. eine Beschichtung oder ein Gewebematerial, auf der Kühlplatte bzw. der Kühlwand im Allgemeinen ermöglicht ein vollkommen neuartiges Entgasungsmanagement. Wann also die Kühlwand durch das aus der Zelle austretende Gas durchbrennt, lässt sich zum Beispiel gezielt mit den Materialeigenschaften dieser Schutzschicht sowie durch die Schichtdicke dieser Schutzschicht einstellen und gezielt dimensionieren. Dabei soll unter einer solchen Schutzschicht eine Schicht verstanden werden, die von einer Kunststofffolie verschieden ist. Dies hat den Hintergrund, dass oftmals auf Kühlplatten zur elektrischen Isolierung eine Kunststofffolie angeordnet ist, um eine sichere elektrische Trennung zu den Batteriemodulen beziehungsweise Batteriezellen zu gewährleisten. Eine solche Kunststofffolie erhöht dabei die Temperaturbeständigkeit der Kühlwand nicht merklich. Unter einer elektrisch isolierenden Schutzschicht soll also eine Schicht verstanden werden, die dem Bereich, auf welchem sie angeordnet ist, deutlich mehr Widerstandsfähigkeit verleiht gegenüber dem aus der Zelle austretenden Gasstrom als eine dünne Kunststofffolie.
Dabei muss nicht notwendigerweise die komplette durch die Kühlwand bereitgestellte Wandung des Entgasungskanals mit einer solchen Schutzschicht versehen sein, was aber dennoch möglich ist. Denkbar wäre auch lediglich ein bereichsweises Vorsehen einer solchen Schutzschicht, beispielsweise in Bereichen der Wand des Entgasungskanals, die den Entgasungsöffnungen der Zellen direkt gegenüberliegen. Dort ist die Temperatureinwirkung durch den aus den Zellen austretenden Gasstrom am größten. Eine solche Schutzschicht hat also den großen Vorteil, dass das Durchbrennen der Kühlwand in dem Bereich, in welchem die Schutzschicht angeordnet ist, zeitlich hinausgezögert werden kann. Dadurch lässt es sich deutlich einfacher und zuverlässiger bewerkstelligen, dass ausreichend viel Gas zunächst in den Entgasungskanal gelangen kann, um zum Beispiel zu einer geeigneten Sammelstelle geführt zu werden, an welcher ein Brandsensor angeordnet ist, um den Gasaustritt frühzeitig und zuverlässig zu detektieren.
Dabei ist es weiterhin besonders vorteilhaft, wenn die Schutzschicht als eine Beschichtung des Bereichs ausgebildet ist oder als eine Gewebeschicht ausgebildet ist. Insbesondere ist es besonders vorteilhaft, wenn die Schutzschicht eine KTL-Beschichtung, das heißt eine kathodische Tauchlackierung als Beschichtung, und/oder eine keramische Schicht umfasst. Gerade durch eine keramische Schicht lässt sich eine sehr hohe Temperaturbeständigkeit des Bereichs, auf welchem sie angeordnet ist, erreichen. Aber auch eine KTL-Beschichtung eignet sich sehr gut, um das Durchbrennverhalten des Bereichs gezielt steuern zu können. Zudem lässt sich dies durch eine KTL-Beschichtung auf deutlich kostengünstigere Weise erreichen als durch eine keramische Schicht. Als Schutzschicht kommen darüber hinaus auch diverse Gewebeschichten infrage, insbesondere aus temperaturbeständigen Fasern, zum Beispiel Kevlar oder Glasfasern. Bevorzugt ist die Schutzschicht jedoch als Beschichtung ausgebildet, da sich hierdurch eine Schutzschicht deutlich dünner bereitstellen lässt und entsprechend weniger Bauraum erfordert.
Bei einer weiteren sehr vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung weist die Kühlwand einen Versagensbereich auf, der einen Teil einer Kanalwand des Entgasungskanals bereitstellt, der bezüglich der ersten Richtung direkt unterhalb der Entgasungsöffnung angeordnet ist und der derart ausgebildet ist, dass er im Falle eines Gasaustritts aus der Entgasungsöffnung in Abhängigkeit von dem Austreten eines vom ersten verschiedenen zweiten Teils des Gases, insbesondere in Abhängigkeit von einem Auftreffen des zweiten Teils des Gases auf den Versagensbereich, durch Versagen eine die Kühlwand bezüglich der ersten Richtung durchdringende Öffnung freigibt. Bei dem zweiten Teil des Gases handelt es sich also um einen Teil des aus der Entgasungsöffnung austretenden Gases, der zeitlich nach dem ersten Teil des Gases aus dieser Entgasungsöffnung austritt. Wie eingangs beschrieben, tritt ein solcher zweiter Teil des Gases mit deutlich höherem Druck aus und stellt zudem ein deutlich größeres Volumen bereit als der erste Teil des Gases. Dadurch kann es erreicht werden, insbesondere bei entsprechender Ausbildung des Versagensbereichs, dass dieser beim Auftreffen dieses zweiten Teils des Gases versagt und dabei automatisch eine Öffnung freigibt, durch welche das austretende Gas die Kühlwand durchdringen kann und somit aus dem Batteriegehäuse abgeleitet werden kann.
Damit muss also die Kühlwand nicht mit einer separat vorgesehenen Öffnung, die mit einem Verschluss verschlossen ist, ausgebildet sein oder einer andersartig ausgebildeten komplexen Ventileinrichtung. Die Kanalwand kann im Versagensbereich einfach mit einem entsprechenden Material und/oder Dicke ausgebildet sein, sodass diese ohne Weiteres bei Auftreffen des zweiten Teils des Gases von diesem durchschnitten werden kann. Vorzugsweise ist die Kühlwand aus Aluminium, insbesondere als Aluminiumblech, ausgebildet und weist zum Beispiel eine Wandstärke von wenigen Millimetern zum Beispiel zwischen 1,2 Millimetern und 1,5 Millimetern auf. Im Bereich der Kühlkanäle kann die Kühlwand zum Beispiel eine Dicke von 10 bis 15 Millimetern aufweisen. Die Kühlwand kann dabei auch mehrere solcher Aluminiumblechschichten aufweisen.
Dabei muss der Versagensbereich nicht notwendigerweise sofort versagen, sobald das aus der Zelle austretende Gas auf diesen auftrifft. Dies kann wiederum gezielt durch das Vorsehen der oben beschriebenen Schutzschicht gesteuert werden.
Entsprechend stellt es eine weitere sehr vorteilhafte Ausgestaltung der Erfindung dar, wenn der Bereich, in dem die Schutzschicht angeordnet ist, zumindest den Versagensbereich umfasst. Mit anderen Worten soll zumindest der Versagensbereich mit einer solchen Schutzschicht versehen sein. Es kann aber auch die gesamte durch die Kühlwand bereitgestellte Kanalwand des Entgasungskanals mit einer solchen Schutzschicht versehen sein. In beiden Fällen lässt sich damit das Durchbrennverhalten der Kanalwand des Entgasungskanals, die durch die Kühlwand bereitgestellt ist, gezielt durch die Schutzschicht einstellen und dimensionieren.
Bei einer weiteren sehr vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung ist der Entgasungskanal derart ausgestaltet, dass der erste Teil des Gases zu einem Sammelbereich des Entgasungskanals leitbar ist, an welchem ein Brandsensor angeordnet ist, und/oder an welchem in einem den Entgasungskanal begrenzenden Teil der Kühlwand eine freigebbare Öffnung zur Abführung des ersten Teils des Gases aus dem Entgasungskanal angeordnet ist, insbesondere wobei die Öffnung druckabhängig freigebbar ist.
Durch einen Brandsensor lässt sich vorteilhafterweise der erste Teil des aus der Zelle austretenden Gases detektieren. Zur Detektion können hierzu verschiedene physikalische Detektionsprinzipien genutzt werden, zum Beispiel die Erfassung von Temperatur, Druck und/oder der Gaszusammensetzung als solches. Auch eine Kombination hiervon ist denkbar. Wird durch den Brandsensor entsprechend der erste Teil des aus der Zelle austretenden Gases detektiert, kann beispielsweise bei Anwendung in einem Kraftfahrzeug sofort eine Warnmeldung an einen Fahrer ausgegeben werden und/oder das Batteriesystem abgeschaltet werden. Dies erlaubt, besonders frühzeitig entsprechende Maßnahmen einzuleiten. Die Detektion des austretenden Gases hat dabei den großen Vorteil, dass diese im Gegensatz zum Beispiel der Erfassung eines Spannungseinbruchs einer Batteriezelle eindeutig auf einen extrem kritischen Zustand der Zelle und auch ein thermisches Durchgehen der Zelle schließen lässt. Ein Spannungseinbruch einer Zelle dagegen kann mehrere Ursachen haben und muss nicht notwendigerweise auf ein thermisches Durchgehen einer Zelle zurückzuführen sein. Die Führung des Gases an diese Sammelstelle lässt sich zum Beispiel automatisch dadurch bewerkstelligen, indem der Entgasungskanal abgeschlossen ausgeführt ist. Das Gas verteilt sich dann entsprechend im Entgasungskanal und gelangt dadurch automatisch auch zum Sammelbereich.
Überschneidet dadurch der Innendruck im Entgasungskanal einen vorgebbaren Grenzwert, so kann sich die freigebbare Öffnung im Entgasungskanal automatisch öffnen, wodurch das sich im Entgasungskanal befindliche Gas abgeleitet werden kann. Durch die freigebbare Öffnung im Entgasungskanal kann dann entsprechend für den nötigen Druckausgleich gesorgt werden. Eine solche freigebbare Öffnung im Entgasungskanal, die insbesondere in einem Teil der Kühlwand vorgesehen ist, kann zum Beispiel einfach als Berstmembran oder anders ausgeführte Sollbruchstelle in der Kühlwand ausgebildet sein oder auch als Überdruckventil oder Ähnliches. Dabei ist es beispielsweise auch ausreichend, nur einen solchen Sammelbereich beziehungsweise nur eine solche freigebbare Öffnung in der Kühlwand vorzusehen. Die oben beschriebenen Versagensbereiche dagegen können verteilt über den ganzen Entgasungskanal angeordnet sein beziehungsweise sich automatisch dort ergeben, wo eine entsprechende Zelle ausgast, da sie die den Entgasungsöffnungen direkt gegenüberliegenden Bereiche der Kühlwand darstellen.
Somit kann also vorteilhafterweise ein Entgasungskanal in die Kühlplatte integriert werden, insbesondere in einen Zwischenraum zwischen Kühlplatte und der Batterieeinheit selbst, der gerade zur Aufnahme und messtechnischen Erfassung des zeitlich ersten Teils des aus der Zelle austretenden Gases genutzt werden kann. Durch den Entgasungskanal ist also ein freier Raum für das ausströmende Gas unter dem Vent-Element, das heißt der Entgasungsöffnung, bereitgestellt. Abhängig vom Entgasungsmanagement kann der Kühlplattenbereich des Entgasungskanals mit einer Beschichtung oder einem Gewebematerial versehen werden. Hierdurch kann gesteuert werden, wann die Kühlplatte durch den Gasstrom der Zelle durchbrennt. Dies ermöglicht beispielsweise ein Entgasungsmanagement, in dem in den ersten Millisekunden des Ausgasens durch die Beschichtung oder das Gewebematerial die anfängliche Gasmenge über den Entgasungskanal zu einer Sammelstelle geleitet wird, die dann dort einen Brandsensor aktivieren kann. Das restliche Gas, welches vorliegend als zweiter Teil des Gases bezeichnet wird und welches in den nächsten Sekunden aus der Zelle ausströmt, brennt dann entsprechend die Kühlplatte durch, und das Gas kann den Raum zwischen Kühlplatte und zum Beispiel dem darunter befindlichen Unterfahrschutz ausfüllen. Gerade in diesem Bereich zwischen der Kühlplatte und dem Unterfahrschutz ist ein besonders großes Volumen bereitgestellt, das dazu genutzt werden kann, die Gefahr eines Gasstaus zu reduzieren, den Druck im Batteriesystem dadurch zu reduzieren, das Gas großflächig unter der Batterie zu verteilen und die Temperatur des Gases dadurch zu erniedrigen. Dadurch sinkt die Wahrscheinlichkeit, dass dieses Gas entzündet wird. Letztendlich kann das Gas aus diesem Volumen zwischen Kühlplatte beziehungsweise Kühlwand und Unterfahrschutz an einer geeigneten Austrittsstelle aus dem Fahrzeug abgeführt werden.
Darüber hinaus soll auch ein Kraftfahrzeug mit einer erfindungsgemäßen Batterieanordnung oder einer ihrer Ausgestaltungen als zur Erfindung gehörend angesehen werden.
Das erfindungsgemäße Kraftfahrzeug ist bevorzugt als Kraftwagen, insbesondere als Personenkraftwagen oder Lastkraftwagen, oder als Personenbus oder Motorrad ausgestaltet.
Des Weiteren betrifft die Erfindung auch ein Verfahren zum Abführen eines aus einer freigebbaren Entgasungsöffnung mindestens einer Batteriezelle einer Batterieanordnung austretenden Gases, wobei die Batterieanordnung eine Batterieeinheit umfasst, die die mindestens eine Batteriezelle aufweist, und wobei die Batterieeinheit auf einer Kühlwandanordnung mit einer Kühlwand angeordnet ist und bezüglich einer ersten Richtung oberhalb der Kühlwandanordnung angeordnet ist, sodass eine erste Seite der Batteriezelle, die die freigebbare Entgasungsöffnung aufweist, der Kühlwandanordnung zugewandt ist. Dabei wird ein seitlich zuerst aus der Entgasungsöffnung austretender erster Teil des Gases in einem Entgasungskanal eingeführt, der bezüglich der ersten Richtung unterhalb der freigebbaren Entgasungsöffnung und oberhalb der Kühlwand angeordnet ist.
Die für die erfindungsgemäße Batterieanordnung und ihre Ausgestaltungen beschriebenen Vorteile gelten in gleicher Weise für das erfindungsgemäße Verfahren.
Zu der Erfindung gehören auch Weiterbildungen des erfindungsgemäßen Verfahrens, 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 Verfahrens 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. Hierzu zeigt:

1 eine schematische Querschnittsdarstellung einer Batterieanordnung gemäß einem Ausführungsbeispiel der Erfindung während einer ersten Phase eines Gasaustritts aus einer Zelle; und
2 eine schematische Darstellung der Batterieanordnung aus 1 während einer zweiten Phase des Gasaustritts.

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 Darstellung einer Batterieanordnung 10 gemäß einem Ausführungsbeispiel der Erfindung. Die Batterieanordnung 10 weist dabei eine Batterieeinheit in Form eines Batteriemoduls 12 auf. Dieses Batteriemodul 12, auch Zellmodul 12 genannt, umfasst dabei ein Modulgehäuse 14, in welchem mehrere Batteriezellen 16 angeordnet sind. Diese Batteriezellen 16 sind dabei in Bezug auf die hier dargestellte y-Richtung nebeneinander angeordnet, sodass vorliegend im Querschnitt lediglich eine solche Batteriezelle 16 zu sehen ist. In diesem Beispiel sind die Batteriezellen 16 als prismatische Zellen 16 ausgebildet. Eine solche Batteriezelle 16 umfasst dabei eine erste Seite 16a, die in Bezug auf die dargestellte z-Richtung eine Unterseite 16a der Zelle 16 darstellt. Weiterhin umfasst die Zelle 16 eine freigebbare Entgasungsöffnung 16b, die an der Unterseite 16a der Zelle 16 angeordnet ist. Vorzugsweise ist die Batterieanordnung 10 für eine Anordnung an einem Kraftfahrzeug vorgesehen, gemäß welcher die Batterieanordnung 10 mit der hier dargestellten z-Richtung in Richtung einer Fahrzeughochachse orientiert angeordnet ist. Denkbar ist es jedoch auch, dass die Batterieanordnung 10 im Kraftfahrzeug derart angeordnet ist, dass die hier dargestellte z-Richtung entgegen einer Fahrzeughochrichtung orientiert ist. Weiterhin umfasst die Zelle 16 zwei Zellpole 16c, 16d, die an gegenüberliegenden Seiten der Zelle 16, insbesondere an einer zweiten Seite 16e und an einer dritten Seite 16f der Batteriezelle 16 angeordnet sind. Dadurch ist es vorteilhafterweise möglich, den Hochvoltpfad von dem im Entgasungsfall der Zelle 16 aus der Zelle 16 austretenden Gas einfacher zu entkoppeln. Zudem lässt sich auf diese Weise die Zelle 16 beziehungsweise das Batteriemodul 12 als Ganzes beidseitig, und zwar von oben sowie auch von unten durch eine entsprechende Kühleinrichtung kühlen. Im vorliegenden Beispiel ist eine unterseitige Kühlung des Batteriemoduls 12 durch eine Kühlwandanordnung 18 als Teil der Batterieanordnung 10 vorgesehen. Diese Kühlwandanordnung 18, genauer gesagt diese Kühlwandanordnung 18, weist in diesem Beispiel eine Kühlwand 20 auf, die als eine Kühlplatte 20 ausgebildet ist, die von einem Kühlmittel durchströmbare und vorliegend nicht dargestellte Kühlkanäle aufweisen kann. Diese Kühlwand 20 kann zum Beispiel einen Kühlboden eines Batteriegehäuses der Batterieanordnung 10 bereitstellen. Mit anderen Worten stellt diese Kühlwand 20 gleichzeitig eine Außenwand, insbesondere einen Boden, eines Batteriegehäuses dar, in welchem das Batteriemodul 12, vorzugsweise mehrere solcher Batteriemodule 12, aufgenommen sind. Alternativ oder zusätzlich kann diese Kühlwand 20 beispielsweise auch oberhalb des Batteriemoduls 12 angeordnet sein. Das Batteriemodul 12 ist weiterhin thermisch über eine thermische Interfaceschicht 22 als Teil der Kühlwandanordnung 18 an die Kühlwand 20 angebunden. Diese thermische Interfaceschicht 22 kann zum Beispiel in Form eines Gapfillers, das heißt eines spaltfüllenden, thermisch gut leitfähigen Materials, bereitgestellt sein oder in Form eines sogenannten Gappads. Unterhalb dieser Kühlwand 20 ist vorliegend ein Unterfahrschutz 24 des Kraftfahrzeugs angeordnet, in welchem die Batterieanordnung 10 Anwendung findet. Im Bereich der Entgasungsöffnung 16b, die vorzugsweise als eine Öffnung im Zellgehäuse der Zelle 16 ausgebildet ist, die mit einer Bassmembran verschlossen ist, weist das Modulgehäuse 14 ebenfalls eine Öffnung 14a auf.
Die Kühlung 20 ist nun vorteilhafterweise so ausgebildet, dass direkt unterhalb der Entgasungsöffnung 16b ein Freiraum 26 bereitgestellt wird, der als Entgasungskanal 26 fungiert. Dieser befindet sich also zwischen der Kühlwand 20 und der Batterieeinheit beziehungsweise dem Batteriemodul 12. Dieser Entgasungskanal 26 kann eine Breite in x-Richtung aufweisen, die zur Breite der Öffnung 14a im Modulgehäuse 12 korrespondiert. Entsprechend wird dieser Entgasungskanal 26 in z-Richtung durch die Entgasungsöffnung 16b begrenzt sowie gegebenenfalls einem Teil der ersten Seite 16a der Batteriezelle. Entgegen z-Richtung wird der Entgasungskanal 26 durch die Kühlwand 20 begrenzt. In und entgegen x-Richtung wird der Entgasungskanal 26 vorliegend durch die Stirnseiten des die Modulgehäuseöffnung 14a begrenzenden Modulgehäuses 14, der thermischen Interfaceschicht 22, sowie wiederum Teilen der Kühlwand 20 begrenzt. Ein solcher Entgasungskanal 26 kann zum Beispiel auf einfache Weise dadurch bereitgestellt werden, indem dieser während der Fertigung der Kühlplatte 20 in die Blechteile dieser Kühlplatte 20 eingeprägt wird. Die Kühlplatte 20 ist dabei im Übrigen vorzugsweise aus Aluminium gefertigt. Grundsätzlich kommen aber auch andere, vorzugsweise metallische, Werkstoffe infrage. Beispielsweise wird die Form des Entgasungskanals 26 während der Fertigung der Kühlplatte 20 in die Blechteile dieser eingeprägt. So entsteht also ein freier Raum 26 für das ausströmende Gas unter dem Vent-Element, das heißt der freigebbaren Entgasungsöffnung 16b der Zelle 16.
Das ausströmende Gas ist in 1 vorliegend durch die Pfeile 28a veranschaulicht. 1 zeigt dabei insbesondere die Batterieanordnung 10 während einer ersten Austrittsphase des Gasaustritts aus der Zelle 16 im Falle eines thermischen Events dieser Zelle 16. Während dieser ersten Gasaustrittsphase tritt typischerweise nur wenig Gas mit einem typischerweise nur geringen Gasdruck aus der Zelle 16 aus. Diese erste Gasaustrittsphase beschränkt sich dabei in der Regel auf die erste Sekunde des Gasaustritts und dauert für gewöhnlich nur wenige Millisekunden an. Darauf folgt für gewöhnlich eine zweite Gasaustrittsphase, in welcher eine enorm große Gasmenge innerhalb kürzester Zeit unter extrem hohem Gasdruck und mit sehr hoher Temperatur aus der Entgasungsöffnung 16b austritt, wie dies später im Zusammenhang mit 2 näher erläutert wird. Die Erfindung nutzt nun diese Erkenntnis, um sozusagen ein zweistufiges Gasabführmanagement beziehungsweise Entgasungsmanagement bereitzustellen. Dieser zeitlich erste Teil 28a des austretenden Gases kann nun vorteilhafterweise genutzt werden, um zum Beispiel eine besonders frühzeitige Detektion dieses Gasaustritts bereitzustellen. Dieses in der ersten Austrittsphase austretende Gas 28a kann somit über den Entgasungskanal 26 beispielsweise zu einem Sammelbereich 30 geführt werden, in welchem zum Beispiel ein Brandsensor 32 angeordnet ist. Weiterhin kann in diesem Bereich 30 oder grundsätzlich auch an jeder beliebigen anderen Stelle des Entgasungskanals 26, eine freigebbare Öffnung 34, zum Beispiel ebenfalls in Form eines Bestelements oder ähnliches, bereitgestellt sein, insbesondere durch einen Bereich der Kühlwand 20, der gleichzeitig einen Teil der Kanalwand des Entgasungskanals 26 darstellt. Dieses kann zum Beispiel passiv geöffnet werden, wenn der Druck innerhalb des Entgasungskanals 26 einen bestimmten Wert übersteigt, und so für einen Druckausgleich sorgen. Im vorliegenden Beispiel sind der Brandsensor 32, der Sendebereich 30 sowie diese freigebbare Öffnung 34 unterhalb der Entgasungsöffnung 16b der Zelle 16 angeordnet, was jedoch nicht notwendigerweise der Fall sein muss. Diese Elemente können sich prinzipiell an jeder beliebigen anderen Stelle des Entgasungskanals 26, insbesondere bezüglich der hier dargestellten y-Richtung, befinden.
Da wie beschrieben die Kühlwand 20 vorzugsweise lediglich durch dünne Aluminiumblechteile bereitgestellt ist, ist es, um zu gewährleisten, dass diese Kühlwand 20 im Bereich des Entgasungskanals 26 bei Austritt des Gases 28a nicht zu frühzeitig nach unten durchbrennt, vorteilhaft, wenn zumindest einen Bereich 20a der Kühlwand 20 eine Schutzschicht 36 aufweist, die als Beschichtung oder als Schicht mit einem Gewebematerial ausgebildet sein kann. Durch diese Schutzschicht 36 lässt sich die Temperaturbeständigkeit des Bereichs 20a des Kühlbodens beziehungsweise der Kühlwand 20 erhöhen und dadurch steuern, wann die Kühlplatte 30 durchbrennen kann. Ein Durchbrennen der Kühlwand 20 in diesem Bereich 20a erfolgt damit vorzugsweise erst dann, wenn das austretende Gas 28a bereits erfolgreich vom Brandsensor 32 detektiert wurde. Dieser Bereich 20a umfasst dabei zumindest den direkt unterhalb einer jeweiligen Entgasungsöffnung 16b angeordneten Bereich der Kühlwand 20. Das aus der Entgasungsöffnung 16b austretende Gas 28a trifft somit auf diese Beschichtung beziehungsweise Schutzschicht 36 auf. Die Schutzschicht 36 kann sich aber auch über den kompletten den Entgasungskanal 26 begrenzenden Wandbereich der Kühlwand 20 erstrecken. Das Durchbrennverhalten kann dabei sowohl durch die Materialwahl für die Schutzschicht 36 als auch durch deren Dicke bestimmt werden, insbesondere deren Dicke in z-Richtung.
2 zeigt eine schematische Darstellung der Batterieanordnung 10 aus 1 während der zweiten Gasaustrittsphase. Während dieser zweiten Gasaustrittsphase tritt, wie beschrieben, eine deutlich größere Gasmenge mit deutlich höherem Gasdruck aus der Entgasungsöffnung 16b aus. Der austretende Gasstrom 28b, der im Rahmen der vorliegenden Erfindung auch als zweiter Teil 28b des aus der Zelle 16 austretenden Gases bezeichnet wurde, brennt nun vorliegend die Kühlwand 20 durch, insbesondere in einem Versagensbereich 38, der sich direkt unterhalb der Entgasungsöffnung 16b befindet. Dieser Versagensbereich 38 stellt gleichzeitig den Bereich dar, in welchem auch die Schutzschicht 36 angeordnet ist, wobei sich die Schutzschicht 36 wie beschrieben auch über weitere Bereiche der Kühlwand 20 erstrecken kann, die gleichzeitig auch einen Teil der Kanalwand des Entgasungskanals 26 bereitstellen. Um also ein Durchbrennen des Kühlbodens beziehungsweise der Kühlwand 20 durch diesen Gasstrom 28b zu ermöglichen, ist ebenfalls keine spezielle Ausbildung dieses Kühlbodens 20 erforderlich. Vorteilhaft ist jedoch die Beschichtung 36 des Bereichs 20a der Kühlwand 20 beziehungsweise die Bereitstellung der Schutzschicht 36 in diesem Bereich 20a, da sich hierdurch steuern und bestimmen lässt, wann ein solches Durchbrennen der Kühlwand 20 und eines damit einhergehenden Freigebens einer Öffnung 40 im Kühlboden beziehungsweise der Kühlwand 20 erfolgen soll.
Das Modulgehäuse 14, sowie auch die Zellgehäuse der Zellen 16 sind vorzugsweise aus Aluminium gefertigt. Die Schutzschicht 36 ist aus einem elektrisch isolierenden Material. Vorzugsweise ist die Schutzschicht 36 durch eine KTL-Beschichtung oder eine Keramikbeschichtung bereitgestellt.
Hierdurch lässt sich vorteilhafterweise die Funktion der Kühlplatte 20 durch einen Entgasungskanal 26 erweitern. Dadurch, dass mehrere Funktionen in einem Bauteil, vorliegend der Kühlplatte 20, integriert werden, wird die Anzahl der Batteriekomponenten reduziert, und somit sinkt das Gewicht der Batterie. Das Vorsehen der Beschichtung oder das Nutzen eines Gewebematerials auf der Kühlplatte 20 ermöglicht dabei ein neuartiges Entgasungsmanagement. Das in den ersten Millisekunden aus der Zelle 16 austretende Gas 28a kann in diesen Entgasungskanal 26 eingeleitet und zu einem Sammelbereich 30 geleitet werden, in welchem ein Brandsensor 32 vorgesehen werden kann, um den Gasaustritt der Zelle 16 zu detektieren. Dort kann sich auch eine Berstmembran 34 oder ein Überdruckventil oder ähnliches befinden, um bei Überdruck im Entgasungskanal 26 eine Druckausgleichsmöglichkeit bereitzustellen. In der zweiten Phase des Gasaustritts brennt das austretende Gas 28b dann entsprechend den Kühlboden 20 durch und entweicht somit in den Zwischenbereich 42 zwischen dem Unterfahrschutz 24 und dem Kühlboden 20. Aus diesem Bereich 42 kann das Gas 28b, beispielsweise nach Durchführung durch diverse Gasumlenkstrukturen, aus dem Fahrzeug herausgeführt werden. Die Verwendung des Raums 42 zwischen der Kühlplatte 20 und dem Unterfahrschutz 24 hilft dabei, dass kein Gasstau nach dem Ausgasen der Zelle 16 entsteht. Bei großen Zellen 16 ist diese Gasmenge entsprechend höher und somit wird die Gefahr eines Gasstaus höher, dem nun vorliegend aktiv entgegengewirkt werden kann. Somit kann ein Gasstau verhindert werden und das Gas kann großflächig unter der Batterie, die durch die Batterieanordnung 10 bereitgestellt ist, verteilt werden, wodurch der Druck im Batteriesystem sinkt und die Temperatur des Gases 28b ebenfalls sinkt. Hierdurch sinkt auch die Wahrscheinlichkeit, dass sich dieses Gas 28a bei Austritt aus dem Fahrzeug entzündet.
Insgesamt zeigen die Beispiele, wie durch die Erfindung ein Entgasungskanal mit Beschichtung bereitgestellt werden kann, der in die Kühlplatte zur Bereitstellung eines neuartigen Entgasungsmanagements integriert ist.
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

DE 102013216071 A1 [0003]
DE 102017212223 A1 [0005]
DE 102019118905 A1 [0006]
DE 102009046385 A1 [0007]

Claims

Batterieanordnung (10) für ein Kraftfahrzeug, - wobei die Batterieanordnung (10) eine Kühlwandanordnung (18), die eine Kühlwand (20) umfasst, und - mindestens eine an der Kühlwandanordnung (18) angeordnete und bezüglich einer ersten Richtung (z) über der Kühlwandanordnung (18) angeordnete Batterieeinheit (14) aufweist, die mindestens eine Batteriezelle (16) umfasst, - wobei die mindestens eine Batteriezelle (16) eine erste Seite (16a) mit einer freigebbaren Entgasungsöffnung (16b) aufweist, die zum Abführen eines Gases (28a, 28b) aus der mindestens einen Batteriezelle (16) freigebbar ist, - wobei die Batterieanordnung (10) einen Entgasungskanal (26) aufweist, in welchen im Falle eines Gasaustritts eines Gases (28a, 28b) aus der Entgasungsöffnung (16b) der mindestens einen Batteriezelle (16) das austretende Gas (28a, 28b) zumindest zum Teil einführbar ist, - wobei die Batterieeinheit (14) derart an der Kühlwandanordnung (18) angeordnet ist, dass die erste Seite (16a) der mindestens einen Batteriezelle (16) der Kühlwandanordnung (18) zugewandt ist, dadurch gekennzeichnet, dass der Entgasungskanal (26) bezüglich der ersten Richtung (z) unterhalb der freigebbaren Entgasungsöffnung (16b) und oberhalb der Kühlwand (20) angeordnet ist und derart ausgebildet ist, dass im Falle des Gasaustritts des Gases (28a, 28b) aus der Entgasungsöffnung (16b) ein zeitlich zuerst aus der Entgasungsöffnung (16b) austretender erster Teil (28a) des Gases (28a, 28b) in den Entgasungskanal (26) einführbar ist.
Batterieanordnung (10) nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Kühlwand (20) als eine mit einem Kühlmittel durchströmbare Kühlplatte (20) ausgebildet ist.
Batterieanordnung (10) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Kühlwand (20) einen Bereich (20a) aufweist, der einen Teil einer Kanalwand des Entgasungskanals (26) bereitstellt, wobei die Batterieanordnung (10) eine elektrisch isolierende Schutzschicht aufweist, die zumindest auf dem einen Bereich der Kühlwand (20) angeordnet ist, die insbesondere von einer Kunststofffolie verschieden ist.
Batterieanordnung (10) nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Schutzschicht (36) als eine Beschichtung des Bereichs (20a) ausgebildet ist, oder als eine Gewebeschicht ausgebildet ist, insbesondere wobei die Schutzschicht (36) eine KTL-Beschichtung und/oder eine keramische Schicht umfasst.
Batterieanordnung (10) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Kühlwand (20) einen Versagensbereich (38) aufweist, - der einen Teil einer Kanalwand des Entgasungskanals (26) bereitstellt, - der bezüglich der ersten Richtung (z) direkt unterhalb der Entgasungsöffnung (16b) angeordnet ist, - der derart ausgebildet ist, dass er im Falle eines Gasaustritts aus der Entgasungsöffnung (16b) in Abhängigkeit von dem Austreten eines vom ersten Teil (28a) verschiedenen zweiten Teils (28b) des Gases (28a, 28b), insbesondere in Abhängigkeit von einem Auftreffen des zweiten Teils (28b) des Gases (28a, 28b) auf dem Versagensbereich, durch Versagen eine die Kühlwand (20) bezüglich der ersten Richtung (z) durchdringende Öffnung (40) freigibt.
Batterieanordnung (10) nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass der Bereich (36), in dem die Schutzschicht (36) angeordnet ist, zumindest den Versagensbereich (38) umfasst.
Batterieanordnung (10) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Entgasungskanal (26) derart ausgestaltet ist, dass der erste Teil des Gases (28a, 28b) zu einem Sammelbereich (30) des Entgasungskanals (26) leitbar ist, - an welchem ein Brandsensor (32) angeordnet ist; und/oder - an welchem in einem den Entgasungskanal (26) begrenzenden Teil der Kühlwand (20) eine freigebbare Öffnung (34) zur Abführung des ersten Teils des Gases (28a, 28b) aus dem Entgasungskanal (26) angeordnet ist, insbesondere wobei die Öffnung (34) druckabhängig freigebbar ist.
Batterieanordnung (10) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Batterieeinheit (14) mehrere Batteriezellen (16) aufweist, die jeweils eine erste Seite (16a) mit einer freigebbaren Entgasungsöffnung (16b) aufweisen, wobei der Entgasungskanal (26) an jeder der Entgasungsöffnungen (16b) vorbeigeführt ist.
Batterieanordnung (10) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Kühlwand (20) zur Bereitstellung des Entgasungskanals (26) mit einer rillenförmigen Vertiefung bezüglich der ersten Richtung (z) ausgebildet ist, wobei der die Vertiefung aufweisende Teil der Kühlwand (20) eine den Entgasungskanal (26) begrenzende Kanalwand darstellt.
Verfahren zum Abführen eines aus einer freigebbaren Entgasungsöffnung (16b) mindestens einer Batteriezelle (16) einer Batterieanordnung (10) austretenden Gases (28a, 28b), wobei die Batterieanordnung (10) eine Batterieeinheit (14) umfasst, die die mindestens eine Batteriezelle (16) aufweist, wobei die Batterieeinheit (14) auf einer Kühlwandanordnung (18) mit einer Kühlwand (20) angeordnet ist und bezüglich einer ersten Richtung (z) oberhalb der Kühlwandanordnung (18) angeordnet ist, so dass eine erste Seite (16a) der Batteriezelle (16), die die freigebbare Entgasungsöffnung (16b) aufweist, der Kühlwandanordnung (18) zugewandt ist, dadurch gekennzeichnet, dass ein zeitlich zuerst aus der Entgasungsöffnung (16b) austretender erster Teil (28a) des Gases (28a, 28b) in einen Entgasungskanal (26) eingeführt wird, der bezüglich der ersten Richtung (z) unterhalb der freigebbaren Entgasungsöffnung (16b) und oberhalb der Kühlwand (20) angeordnet ist.