DE102021132480A1

DE102021132480A1 - Batterieanordnung und Verfahren zum Ableiten eines Gases aus einer Batterieanordnung

Info

Publication number: DE102021132480A1
Application number: DE102021132480.7A
Authority: DE
Inventors: Tobias Benker; Lukas Döbbelin; Marc Gormanns; Ruben Heid; Victor Schmadalla; Martin Simon; Matthias Wimmi; Michael Schüssler
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: US20230187767A1; CN116259918A

Abstract

Die Erfindung betrifft eine Batterieanordnung (10) mit einer Gehäusebodenanordnung (12) und mindestens einer auf der Gehäusebodenanordnung (12) angeordneten und bezüglich einer ersten Richtung (z) über der Gehäusebodenanordnung (12) angeordneten Batterieeinheit (14), die mindestens eine Batteriezelle (16) umfasst, wobei die mindestens eine Batteriezelle (16) eine erste Seite (16a) mit einer freigebbaren Entgasungsöffnung (18) aufweist, die zum Abführen eines Gases (20) aus der mindestens einen Batteriezelle (16) freigebbar ist. Dabei umfasst die Gehäusebodenanordnung (12) mindestens eine Sollbruchstelle (30), die dazu ausgelegt ist, in Abhängigkeit von einem Gasaustritt eines Gases (20) aus der Entgasungsöffnung (18) der mindestens einen Batteriezelle (16) eine die Gehäusebodenanordnung (12) bezüglich der ersten Richtung (z) durchdringende Öffnung (32) freizugeben, um das aus der Entgasungsöffnung (18) der mindestens eine Batteriezelle (16) austretende Gas (20) durch die freigegebene Öffnung (32) abzuführen.

Description

Die Erfindung betrifft eine Batterieanordnung mit einer Gehäusebodenanordnung und mindestens einer auf der Gehäusebodenanordnung angeordneten und bezüglich einer ersten Richtung über der Gehäusebodenanordnung angeordneten Batterieeinheit, die mindestens eine Batteriezelle umfasst, wobei die mindestens eine Batteriezelle eine erste Seite mit einer freigebbaren Entgasungsöffnung aufweist, die zum Abführen eines Gases aus der mindestens einen Batteriezelle freigebbar ist. Des Weiteren betrifft die Erfindung auch ein Verfahren zum Abführen eines Gases aus einer Batterieanordnung.
In Elektrofahrzeugen werden die Batterien, insbesondere Hochvoltbatterien, üblicherweise in einer sogenannten Batteriewanne eingebaut. Eine solche Batteriewanne hat die Funktionen des Schutzes vor Crashlasten und des Schutzes vor Umwelteinflüssen, wie Schmutz und Feuchtigkeit. Die Batteriewanne ist daraus folgend als versiegeltes Volumen ausgeführt, das möglichst keinen Stoffaustausch mit der Umgebung zulässt. Im Falle einer Fehlfunktion oder im Falle eines Unfalls kann es unter Umständen zu einer sogenannten Thermal Propagation, d.h. einem thermischen Durchgehen, einer oder mehrerer Zellen der Batterie kommen. Die Zelle überhitzt hierbei stark und schnell und entwickelt chemische Reaktionsprodukte unter großer Gasexpansion. Zu diesem Zweck weisen Batteriezelle üblicherweise freigebbare Entgasungsöffnungen auf, damit das Gas kontrolliert aus einer solchen Zelle austreten kann. Findet eine solche Gasexpansion in der abgeschlossenen Batteriewanne statt, bildet sich ein starker Überdruck, der im schlimmsten Fall zu einem explosionsartigen Entweichen der Gase aus der Batteriewanne führt. Die freigebbaren Entgasungsöffnungen von Batteriezellen sind üblicherweise als Berstmembranen ausgestaltet.
Beispielsweise beschreibt die DE 10 2020 102 221 A1 eine Batteriezelle mit einem Zellengehäuse mit einer vorbestimmten Durchbruchsstelle, wobei die Durchbruchsstelle dazu ausgelegt ist, bei Überschreiten eines vorbestimmten Grenzdrucks in einem Innenraum des Zellengehäuses durchzubrechen und ein Austreten eines Gases und/oder Brandstrahls aus dem Innenraum des Zellengehäuses zu ermöglichen.
Weiterhin beschreibt die DE 10 2011 078 301 A1 eine Batteriezelle, die ein Gehäuse umfasst, welches eine Gasauslassöffnung aufweist, wobei die Batteriezelle ein Rückschlagventil umfasst, mit welchem eine Gasströmung vom Gehäuseinnenraum an die Umgebung des Gehäuses durch die Gasauslassöffnung ermöglicht wird und eine Gasströmung von der Umgebung des Gehäuses in den Gehäuseinnenraum durch die Gasauslassöffnung im Wesentlichen verhinderbar ist.
Hierdurch lassen sich zwar in einer Batteriezelle entstehende Gase aus dieser gezielt ableiten, eine definierte Abführung von Gasen aus dem Batteriegehäuse selbst, wie der oben beschriebenen Batteriewanne, in welchem die Batteriezellen angeordnet sind, wird hierdurch jedoch nicht ermöglicht.
Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es daher, eine Batterieanordnung und ein Verfahren bereitzustellen, die es ermöglichen, aus einer Batteriezelle austretende Gase auf möglichst sichere und effiziente Weise abzuleiten.
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 weist eine Gehäusebodenanordnung und mindestens eine auf der Gehäusebodenanordnung angeordnete und bezüglich einer ersten Richtung über der Gehäusebodenanordnung angeordnete Batterieeinheit auf, die mindestens eine Batteriezelle umfasst, wobei die mindestens eine Batteriezelle eine erste Seite mit einer freigebbaren Entgasungsöffnung aufweist, die zum Abführen eines Gases aus der mindestens einen Batteriezelle freigebbar ist. Darüber hinaus weist die Gehäusebodenanordnung mindestens eine Sollbruchstelle auf, die dazu ausgelegt ist, in Abhängigkeit von einem Gasaustritt eines Gases aus der Entgasungsöffnung der mindestens einen Batteriezelle eine die Gehäusebodenanordnung bezüglich der ersten Richtung durchdringende Öffnung freizugeben, um das aus der Entgasungsöffnung der mindestens einen Batteriezelle austretende Gas durch die freigegebene Öffnung abzuführen.
Die freizugebende Öffnung zum Abführen der Gase entsteht dabei folglich erst dann, wenn die Sollbruchstelle bricht. Die Erfindung beruht dabei gleichzeitig auf mehreren Erkenntnissen: Zum einen wäre es denkbar, der Explosionsgefahr eines Batteriegehäuses, wie der eingangs beschriebenen Batteriewanne, dadurch entgegenzuwirken, indem in der Batteriewanne sogenannte Überdruckventile beziehungsweise Entlastungsventile, auch Vents genannt, verbaut werden, die ab einem bestimmten Überdruck den Gasstrom nach außen ableiten. Solche Vents müssen dann jedoch in einem separaten Montageprozess verbaut werden und können nur an bestimmten Bereichen der Batteriewanne angebracht werden, vor allem nicht an einer Unterseite der Batteriewanne, die sozusagen den Gehäuseboden bereitstellt. Dies ist wiederum dadurch bedingt, dass der Gehäuseboden üblicherweise als Kühlboden ausgeführt ist, und die Zellen beziehungsweise Zellmodule thermisch möglichst gut an diesen angebunden sein sollten. Dazu sollte der Boden möglichst eben ausgestaltet sein und die Zellen beziehungsweise Zellmodule können über ein spaltfüllendes thermisches Interface-Material an diesen angebunden werden. Die Integration von Vents in diesen Boden würde zu lokalen Unebenheiten führen, und vor allem zu einer Erhöhung der Spalthöhe zwischen dem Boden und den Batteriemodulen beziehungsweise Zellen, was einer effizienten Wärmeabfuhr und einer guten thermischen Anbindung entgegenstehen würde. Zudem ist das Vorsehen von separat ausgebildeten Vents mit zusätzlichen Kosten verbunden. All diese Probleme lassen sich nun vorteilhafterweise durch die Erfindung lösen, indem zur Gasabführung keine separat ausgebildeten Ventile verwendet werden, sondern stattdessen mindestens eine Sollbruchstelle vorgesehen ist, die in Abhängigkeit von einem Gasaustritt eines Gases aus der Entgasungsöffnung der mindestens einen Batteriezelle eine Öffnung freigibt, durch welche das aus der Entgasungsöffnung der mindestens einen Batteriezelle austretende Gas abgeführt werden kann. Eine solche Sollbruchstelle lässt sich deutlich einfacher und kostengünstiger bereitstellen, da hierfür kein extra Bauteil benötigt wird, was in einem separaten Montageprozess eingebracht werden muss. Zudem erfordert eine solche Sollbruchstelle auch keinen zusätzlichen Bauraum. Im Gegenteil, eine solche Sollbruchstelle lässt sich zum Beispiel einfach als Materialschwächung bereitstellen, was die Bauhöhe im entsprechenden Bereich, in welchem die Sollbruchstelle vorgesehen ist, nicht erhöht, sondern, wenn diese sich überhaupt ändert, dann verringert. Dies wiederum ermöglicht es vorteilhafterweise, eine solche Sollbruchstelle an der Unterseite eines Batteriegehäuses bereitzustellen, welche vorliegend durch die Gehäusebodenanordnung bereitgestellt ist. Die Gehäusebodenanordnung kann also Teil eines Batteriegehäuses sein und insbesondere die Gehäuseunterseite eines solchen Batteriegehäuses bereitstellen. Die Gehäusebodenanordnung kann also beispielsweise einen Gehäuseboden umfassen, der einen Aufnahmebereich eines Batteriegehäuses bezüglich der ersten Richtung nach unten begrenzt. Die Gehäusebodenanordnung besteht aber vorzugsweise nicht nur aus einem solchen Gehäuseboden, sondern kann auch aus mehreren Schichten aufgebaut sein, wie dies später näher erläutert wird. Das Vorsehen einer Sollbruchstelle in der Gehäusebodenanordnung, das heißt also unterseitig am Batteriegehäuse, hat wiederum den großen Vorteil, dass sich hierdurch gerade der Gasstrom in eine Richtung mit der geringsten Schadwirkung auf Insassen eines Fahrzeugs bereitstellen lässt, in welchem die Batterieanordnung Anwendung findet. Dabei wird die Batterieanordnung vorzugsweise derart in einem Kraftfahrzeug angeordnet, dass die oben genannte erste Richtung parallel zu einer Fahrzeughochachse ausgerichtet ist und insbesondere nach oben zeigt, und die Batterieanordnung zudem in einem Unterbodenbereich des Kraftfahrzeugs angeordnet ist, insbesondere unterhalb einer Fahrgastzelle. Damit stellt die Gehäusebodenanordnung der Batterieanordnung die der Fahrgastzelle abgewandte Seite der Batterieanordnung dar. Ein über die Sollbruchstelle entweichendes Gas wird also in Richtung eines Unterfahrschutzes des Kraftfahrzeugs gelenkt und kann zum Beispiel über den Zwischenraum zwischen der Gehäusebodenanordnung und dem Unterfahrschutz gezielt abgeleitet werden. Dadurch lässt sich die Sicherheit gegenüber bisherigen Konzepten deutlich steigern, und dies lässt sich zudem auf besonders einfache und kostengünstige Weise umsetzen. Die Explosionsgefahr eines Batteriegehäuses wird hierdurch minimiert beziehungsweise eliminiert und zudem wird ein besonders sicherer Gasabführpfad nach unten ermöglicht.
Durch die Batterieanordnung kann zum Beispiel eine Kraftfahrzeugbatterie, insbesondere eine Hochvoltbatterie für ein Kraftfahrzeug, bereitgestellt sein. Eine solche Batterie kann nicht nur eine Batteriezelle, sondern vorzugsweise mehrere Batteriezellen aufweisen. Diese können zum Beispiel als Lithium-Ionen-Zellen ausgebildet sein. Die Batteriezellen können dabei optional zu Batteriemodulen zusammengefasst sein. Ein solches Batteriemodul kann zum Beispiel mehrere in einem Modulgehäuse angeordnete Batteriezellen umfassen. Bei der von der Batterieanordnung umfassten mindestens einen Batterieeinheit, die die mindestens eine Batteriezelle umfasst, kann es sich zum Beispiel um ein solches Batteriemodul handeln. Weist ein solches Batteriemodul ein separates Modulgehäuse auf, so ist es bevorzugt, dass dieses im Bereich der freigebbaren Entgasungsöffnung der Batteriezelle ebenfalls eine zumindest freigebbare oder permanente Öffnung aufweist. Die Batteriezellen müssen aber nicht notwendigerweise in Batteriemodulen angeordnet sein. Beispielsweise können die Batteriezellen der Batterie auch ohne zusätzliches separates Modulgehäuse im Batteriegehäuse, zum Beispiel der eingangs beschriebenen Batteriewanne, angeordnet sein. Bei der von der Batterieanordnung umfassten Batterieeinheit kann es sich also beispielsweise auch um die mindestens eine Batteriezelle selbst handeln. Mit anderen Worten umfasst die Batterieeinheit in diesem Fall außer der mindestens einen Batteriezelle kein weiteres Bauteil. Die Batterieanordnung kann also beispielsweise ein Batteriegehäuse aufweisen, in welchem die Batterieeinheit mit der mindestens einen Batteriezelle angeordnet ist. Die Gehäusebodenanordnung kann wiederum einen Gehäuseboden aufweisen, der dann gleichzeitig den Boden des Batteriegehäuses darstellen kann.
Weiterhin ist die Sollbruchstelle vorzugsweise so ausgebildet, dass die Gehäusebodenanordnung in einem normalen Betriebszustand, in welchem also kein Gas aus der mindestens einen Batteriezelle, insbesondere aus keiner der Batteriezellen der Batterieanordnung, austritt, keine Öffnung aufweist, insbesondere auch keine die Gehäusebodenanordnung vollständig durchdringende Perforationsöffnung oder ähnliches. Dies hat den Vorteil, dass hierdurch der Schutz vor Umwelteinflüssen wie Schmutz und Feuchtigkeit durch die Gehäusebodenanordnung maximiert werden kann. Nichtsdestoweniger kann die Sollbruchstelle dennoch Perforationsöffnungen umfassen, die dann jedoch vorzugsweise nur manche der Schichten der Gehäusebodenanordnung durchdringen, und zudem vorzugsweise auch deutlich kleiner ausgestaltet sind, als die letztendlich durch die Sollbruchstelle beim Brechen freizugebende Öffnung.
Weiterhin kann die Gehäusebodenanordnung nicht nur eine solche Sollbruchstelle aufweisen, sondern auch mehrere. Die Anzahl an solchen Sollbruchstellen kann je nach Anforderung gewählt werden.
Bei einer besonders vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung ist die Batterieeinheit derart auf der Gehäusebodenanordnung angeordnet, dass die erste Seite der mindestens einen Batteriezelle der Gehäusebodenanordnung zugewandt ist. Dadurch gelangt das aus der Batteriezelle austretende Gas deutlich schneller in den Bereich der Sollbruchstelle und kann damit auf deutlich direkterem Weg abgeführt werden. Zudem hat dies den großen Vorteil, dass der aus der Batteriezelle austretende Gasstrom, der im Falle einer thermischen Propagation der Batteriezelle teilweise als extrem heißer Gas-Partikel-Strom die Zelle verlässt, nach unten gerichtet ist und damit wiederum weg von der Fahrgastzelle bezogen auf die bestimmungsgemäße Anordnung der Batterieanordnung in einem Kraftfahrzeug. Das Gefahrenpotential für Insassen kann hierdurch wiederum deutlich reduziert werden. Verstärkungs- und Schutzmaßnahmen im Bodenbereich der Fahrgastzelle können auch entsprechend weniger aufwendig ausgeführt sein oder entfallen.
Bei einer weiteren sehr vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung weist die Gehäusebodenanordnung einen Gehäuseboden auf, der als ein von einem Kühlmittel durchströmbarer Kühlboden ausgebildet ist. Dadurch kann vorteilhafterweise gleichzeitig eine unterseitige Kühlung für die Batteriezellen beziehungsweise im Allgemeinen für die mindestens eine Batteriezelle der Batterieanordnung im normalen Betrieb bereitgestellt werden. Die mindestens eine Batteriezelle kann dabei zudem so ausgebildet sein, dass ihre Zellpole nicht an der ersten Seite der Batteriezelle, an welcher auch die freigebbare Entgasungsöffnung angeordnet ist, angeordnet sind. Dadurch vereinfacht sich die thermische Anbindung der mindestens einen Batteriezelle an den Kühlboden.
Bei einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung weist die Gehäusebodenanordnung einen Gehäuseboden, insbesondere den oben bereits genannten Gehäuseboden, und eine elektrisch isolierende Schicht, insbesondere eine Kunststofffolie, auf, die zwischen der Batterieeinheit und dem Gehäuseboden angeordnet ist, und/oder eine zwischen der Batterieeinheit und dem Gehäuseboden angeordnete thermische Interface-Schicht zur thermischen Kopplung des Gehäusebodens und der Batterieeinheit.
Die elektrisch isolierende Schicht dient dabei dem elektrischen Schutz, da vorzugsweise sowohl die Gehäuse der Batteriezellen beziehungsweise der Batterieeinheit als auch der Gehäuseboden selbst aus metallischem Material, zum Beispiel Aluminium, gebildet sind. Bevorzugt ist es dabei, dass sich eine solche isolierende Schicht, wie zum Beispiel eine Kunststofffolie, direkt auf der Oberseite des Gehäusebodens bezüglich der ersten Richtung befindet, das heißt auf der der Batterieeinheit zugewandten Seite des Gehäusebodens. Gerade wenn der Gehäuseboden gleichzeitig als Kühlboden ausgebildet ist, ist es zudem besonders vorteilhaft, wenn die Gehäusebodenanordnung eine thermische Interface-Schicht aufweist, die dann zwischen dem Gehäuseboden und der Batterieeinheit zur besseren thermischen Kopplung des Gehäusebodens und der Batterieeinheit vorgesehen ist. Eine solche thermische Interface-Schicht kann zum Beispiel durch einen Gapfiller bereitgestellt sein, der eine Wärmeleitmasse darstellt, die zum Beispiel bei der Herstellung der Batterieanordnung im viskosen oder pastösen Zustand zwischen der Batterieeinheit und dem Gehäuseboden eingebracht wird und anschließend aushärtet. Die thermische Interface-Schicht kann aber auch als sogenanntes Gappad bereitgestellt werden, das eine Art sehr dünnes Wärmeleitkissen darstellt. Dieses ist dann weder während des Herstellungsprozesses noch danach pastös oder viskos, sondern befindet sich permanent in einem festen, aber flexiblen Zustand. Ein solches Gappad kann unter Umständen auch die elektrisch isolierende Funktion übernehmen, sodass dann keine zusätzliche elektrisch isolierende Schicht, zum Beispiel in Form einer zusätzlichen Kunststofffolie, erforderlich ist. Nichtsdestoweniger kann eine solche Folie dennoch vorgesehen sein. Weist die Gehäusebodenanordnung sowohl eine elektrisch isolierende Schicht als auch eine thermische Interface-Schicht auf, so ist die elektrisch isolierende Schicht vorzugsweise zwischen dem Gehäuseboden und der thermischen Interface-Schicht angeordnet. Die elektrisch isolierende Schicht bietet dann beispielsweise auch Schutz in Bereichen, in welchen keine thermische Interface-Schicht vorhanden ist.
Die thermische Interface-Schicht kontaktiert dann vorzugsweise die Batteriezelle und/oder die mindestens eine Batterieeinheit zumindest bereichsweise direkt. Die thermische Interface-Schicht kann sich dabei auch über die freigebbare Entgasungsöffnung der Batteriezelle hinweg erstrecken und diese direkt kontaktieren oder benetzen, oder diese auch freilassen, wie dies später näher erläutert ist.
Um nun die Sollbruchstelle in der Gehäusebodenanordnung bereitzustellen, gibt es vielzählige verschiedene Möglichkeiten. Insbesondere kann eine solche Sollbruchstelle durch eine gezielte Schwächung einer oder mehrerer der oben genannten Schichten der Gehäusebodenanordnung bereitgestellt werden.
Gemäß einer vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung ist die Sollbruchstelle als eine lokale Schwächung des Gehäusebodens ausgebildet, insbesondere wobei die lokale Schwächung bereitgestellt ist durch eine Materialschwächung und/oder eine Verbindungsstelle, insbesondere eine geschwächte Verbindungsstelle, an welcher ein erster Teil des Gehäusebodens mit einem zweiten Teil des Gehäusebodens verbunden ist. Ist also der Gehäuseboden aus mehreren separaten Teilen, insbesondere in einer Richtung senkrecht zur ersten Richtung, zusammengefügt, so können solche Fügungsstellen, die vorliegend als Verbindungsstellen bezeichnet sind, selbst als Sollbruchstelle fungieren und/oder diese Verbindungsstellen können zumindest bereichsweise zusätzlich geschwächt ausgeführt sein, um eine solche Sollbruchstelle bereitzustellen. Eine solche Verbindungsstelle beziehungsweise Fügungsstelle kann im Allgemeinen zum Beispiel durch ein Lot, ein Rollbond, eine Schweißnaht, eine Klebung oder ähnliches bereitgestellt sein. Diese Verbindungsstelle kann dann zur Bereitstellung der Sollbruchstelle lokal zum Beispiel weniger breit oder weniger stabil ausgeführt sein oder bereichsweise unterbrochen sein oder ähnliches. Die Sollbruchstelle kann zusätzlich oder alternativ aber auch in einem anderen Bereich des Gehäusebodens als Materialschwächung vorgesehen sein, das heißt in einem Bereich des Gehäusebodens, in welchem keine Verbindungsstelle vorhanden ist.
Die Bereitstellung der Sollbruchstelle zumindest als lokale Schwächung des Gehäusebodens hat dabei den großen Vorteil, dass hierdurch ein sicheres Öffnen der freizugebenden Öffnung im Entgasungsfall der Zelle auf besonders sichere Weise bereitgestellt werden kann, da typischerweise der Gehäuseboden die robusteste Schicht der oben genannten optionalen Schichten der Gehäusebodenanordnung darstellt. Damit ist das Vorsehen einer lokalen Schwächung im Gehäuseboden besonders vorteilhaft, um ein sicheres Öffnen der Sollbruchstelle zu gewährleisten. Die lokale Schwächung im Gehäuseboden kann dabei zusätzlich mit einer lokalen Schwächung in einer oder mehreren der optionalen weiteren Schichten der Gehäusebodenanordnung kombiniert sein oder sich nur auf den Gehäuseboden beschränken.
Bei einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung ist die Sollbruchstelle als eine lokale Schwächung eines vom Gehäuseboden verschiedenen Elements der Gehäusebodenanordnung ausgebildet, insbesondere als eine Materialschwächung des vom Gehäuseboden verschiedenen Elements. Auch hier kann aber zusätzlich optional noch eine lokale Schwächung des Gehäusebodens selbst vorgesehen sein, wie dies oben beschrieben wurde. Die Sollbruchstelle kann also zusätzlich oder alternativ auch als lokale Schwächung zum Beispiel der elektrisch isolierenden Schicht und/oder der thermischen Interface-Schicht bereitgestellt sein. Dabei ist die Ausbildung einer lokalen Schwächung in der elektrischen Isolationsschicht weniger bevorzugt, da diese ohnehin sehr dünn ausgebildet ist, insbesondere wenn diese als Kunststofffolie bereitgestellt ist. Die lokale Schwächung kann zudem auch einfach durch das lokale Weglassen einer der beschriebenen Schichten zur Bereitstellung der Sollbruchstelle ausgeführt sein, zum Beispiel in Form eines Lochs oder einer Aussparung in dieser betreffenden Schicht.
Gemäß einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung kann die Materialschwächung, insbesondere sowohl die im Gehäuseboden als auch alternativ oder zusätzlich die in der elektrisch isolierenden Schicht und/oder der thermischen Interface-Schicht, bereitgestellt sein durch: Mindestens eine Perforationslinie, die geradlinig oder gekrümmt verläuft, und die insbesondere als offene oder als geschlossene Perforationslinie ausgebildet ist, und/oder eine Materialverjüngung entlang mindestens einer Linie, wie beispielsweise eine Kerbe oder Nut oder Ritzspur oder Sicke oder Verprägung, die wiederum geradlinig oder gekrümmt verläuft, und die insbesondere ebenfalls als offene Linie oder als geschlossene Linie ausgebildet sein kann, und/oder ein zur Größe der freizugebenden Öffnung korrespondierendes Loch in einem Element der Gehäusebodenanordnung, das von einem weiteren Element der Gehäusebodenanordnung überdeckt ist, wenn kein Gas aus der mindestens einen Zelle austritt, und/oder mindestens ein Sackloch, das zur Größe der vorzugebenden Öffnung korrespondiert, und/oder mehrere entlang mindestens einer Linie verlaufende Sacklöcher. Auch hier kann diese Linie wiederum geradlinig verlaufen oder gekrümmt sein, und als geschlossene Linie ausgeführt sein oder auch als offene Linie. Dadurch sind also vielzählige Möglichkeiten bereitgestellt, um eine Sollbruchstelle zu realisieren. Unter einem Element der Gehäusebodenanordnung soll dabei insbesondere eine der genannten Schichten, nämlich der Gehäuseboden, die elektrisch isolierende Schicht und die thermische Interface-Schicht, verstanden werden. Ist die Sollbruchstelle zum Beispiel als durch ein zur Größe der freizugebenden Öffnung korrespondierendes Loch in einem Element der Gehäusebodenanordnung ausgebildet, zum Beispiel als korrespondierendes Loch im Gehäuseboden selbst, so kann dieses Loch durch zumindest ein weiteres der Elemente der Gehäusebodenanordnung, zum Beispiel der Kunststofffolie, überdeckt sein, wenn kein Gas aus der mindestens einen Zelle austritt. Insbesondere kann im Bereich der Sollbruchstelle auch ein Loch in zwei der Elemente der Gehäusebodenanordnung vorgesehen sein, zum Beispiel sowohl in der thermischen Interface-Schicht als auch im Gehäuseboden selbst, sodass sich an der Sollbruchstelle zum Beispiel nur noch die diese Löcher überdeckende Kunststofffolie befindet, die dann als Berstmembran fungiert.
Zur Realisierung der Sollbruchstelle als Versagensbereich gibt es also zahlreiche vorteilhafte Möglichkeiten. Neben dem Versagen des Gehäusebodens selbst kann die Sollbruchstelle auch durch Versagen eines zusätzlichen Bauteils realisiert sein, zum Beispiel einer Membran, z.B. der Kunststofffolie, und/oder dem Gapfiller oder Gappad. Der gezielte Versagensbereich kann von einem Wärmeleitmaterial überdeckt sein, das im Falle eines Versagens mitversagt, insbesondere aufgrund der geringen mechanischen Eigenschaften des Materials, wie in diesem Beispiel der Gapfiller. Der gezielte Versagensbereich kann zusätzlich durch eine Membran oder Folie, insbesondere die Kunststofffolie, abgedeckt sein, die im Falle eines Versagens mitversagt. Ebenso denkbar ist es, dass der Versagensbereich so ausgestaltet ist, dass das Material bereits perforiert ist und zum Beispiel nur durch die Folie, dem Wärmeleitpad, Gapfiller zur Umgebung abgedichtet ist.
Um solche Materialschwächungen bereitzustellen, kommen verschiedene Fertigungsverfahren, wie zum Beispiel Lasersublimation, Laserlochen, allgemein Lochen, Bohren, Fräsen und so weiter infrage. Insbesondere kann die Sollbruchstelle durch ein sogenanntes Tailored Blank bereitgestellt sein, bei welchem verschiedene Werkstoffe zum Einsatz kommen können, sowie eine Wärmebehandlung, und/oder verschiedene Querschnitte über zum Beispiel einen Werksprozess bereitgestellt werden können. Die Sollbruchstelle kann geradlinig oder gekrümmt verlaufen, insbesondere gemäß einer Freiform bereitgestellt sein, die durch Sacklöcher, Löcher, Ritzungen oder Sicken bereitgestellt sind, wobei generell Linienmuster oder Lochmuster, insbesondere durchgängige Versagenslinien oder unterbrochene oder gelochte Versagenslinien, bereitgestellt sind. Die beschriebenen Materialschwächungen können zur Bereitstellung einer Sollbruchstelle auch beliebig miteinander kombiniert sein. Zudem kann die Batterieanordnung auch mehrere unterschiedlich ausgebildete Sollbruchstellen in unterschiedlichen Elementen der Gehäusebodenanordnung aufweisen.
Bei einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung grenzt an die freigebbare Entgasungsöffnung der mindestens einen Batteriezelle ein Hohlraum an, der einen Gasabführkanal bereitstellt, und welcher bezüglich der ersten Richtung von zumindest einem Teil der Gehäusebodenanordnung, insbesondere zumindest dem Gehäuseboden und der auf dem Gehäuseboden befindlichen elektrisch isolierenden Schicht, begrenzt wird. Im Bereich dieses Hohlraums kann also beispielsweise auf die thermische Interface-Schicht, zumindest lokal, verzichtet werden. Durch einen solchen Entgasungskanal ist es vorteilhafterweise auch möglich, mehrere freigebbare Entgasungsöffnungen von Batteriezellen miteinander zu koppeln beziehungsweise mehrere solcher Entgasungsöffnungen an diesen Entgasungskanal anzubinden. In diesem Entgasungskanal, insbesondere in dem Teil der Gehäusebodenanordnung, der diesen Entgasungskanal nach unten begrenzt, können dann eine oder mehrere Sollbruchstellen vorgegeben sein, die von ihrer Anzahl her unabhängig von der Anzahl an mit dem Entgasungskanal gekoppelten Entgasungsöffnungen der Batteriezellen gewählt sein können. Mit anderen Worten können z.B. deutlich weniger Sollbruchstellen als Entgasungsöffnungen, die mit dem Entgasungskanal gekoppelt sind, vorgesehen sein, oder bei Bedarf auch mehr. Beispielsweise kann im Entgasungskanal auch nur eine solche Sollbruchstelle vorgesehen sein. Seitlich, das heißt senkrecht zur ersten Richtung, kann dieser Entgasungskanal beispielsweise durch eine separate Wandung begrenzt sein oder durch die genannte Gapfillerschicht beziehungsweise das Gappad oder auch von Teilen anderer Elemente der Gehäusebodenanordnung.
Bei einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung grenzt die freigebbare Entgasungsöffnung der mindestens einen Batteriezelle direkt an die Gehäusebodenanordnung an, wobei die Sollbruchstelle der Entgasungsöffnung eindeutig zugeordnet ist, indem die Sollbruchstelle bezüglich der ersten Richtung direkt unterhalb der Entgasungsöffnung angeordnet ist. In diesem Beispiel kann die Entgasungsöffnung der Batteriezelle zum Beispiel auch direkt die thermische Interface-Schicht kontaktieren beziehungsweise von dieser benetzt sein. In diesem Fall ist also kein Entgasungskanal bereitgestellt, der mehrere Entgasungsöffnungen fluidisch miteinander koppeln kann. Dies hat zum Beispiel den Vorteil, dass im Falle eines thermischen Events keine thermische Kopplung der Zellen über diesen Entgasungskanal erfolgt. Mit anderen Worten lässt sich hierdurch im Falle eines thermischen Events eine deutlich bessere thermische Entkopplung zu Nachbarzellen bereitstellen. Allerdings ist dann in diesem Fall jeder Entgasungsöffnung einer Zelle mindestens eine solche Sollbruchstelle in der Gehäusebodenanordnung eindeutig zugeordnet. Diese kann zum Beispiel entsprechend als Loch im Gehäuseboden ausgestaltet sein, welches direkt unterhalb der Entgasungsöffnung der Zelle angeordnet ist, sodass die Entgasungsöffnung vom Loch durch die funktionale Isolationsfolie und die thermische Interface-Schicht, die in der Regel nur sehr dünn ausgestaltet ist und wenige Millimeter, zum Beispiel ein bis zwei Millimeter beträgt, getrennt ist. Aber auch hier sind wiederum andere Ausgestaltungen denkbar.
Dass also die Sollbruchstelle einer Entgasungsöffnung einer Zelle genau zugeordnet ist, lässt sich einfach dadurch bewerkstelligen, dass sich die Sollbruchstelle bezüglich der ersten Richtung direkt unterhalb der Entgasungsöffnung befindet. Dann ist die Sollbruchstelle entsprechend dazu ausgelegt, die Öffnung in der Gehäusebodenanordnung nur dann freizugeben, wenn ein Gasaustritt eines Gases aus der zugeordneten Entgasungsöffnung der zugeordneten Zelle erfolgt.
Die erfindungsgemäße Batterieanordnung oder ihre Ausführungsformen sind vorzugsweise als eine Hochvoltbatterie für ein Kraftfahrzeug ausgebildet. Dabei soll auch ein Kraftfahrzeug mit einer erfindungsgemäßen Batterieanordnung oder einer ihrer Ausgestaltungen als zur Erfindung gehörend angesehen werden. Die Batterieanordnung kann dabei wie oben bereits beschrieben im Kraftfahrzeug angeordnet sein.
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 Ableiten eines Gases aus einer Batterieanordnung mit einer Gehäusebodenanordnung und mindestens einer auf der Gehäusebodenanordnung angeordneten und bezüglich einer ersten Richtung über die Gehäusebodenanordnung angeordneten Batterieeinheit, die mindestens eine Batteriezelle umfasst, wobei die mindestens eine Batteriezelle eine erste Seite mit einer freigebbaren Entgasungsöffnung aufweist, die zum Abführen eines Gases aus der mindestens einen Batteriezelle freigegeben wird. Dabei weist die Gehäusebodenanordnung mindestens eine Sollbruchstelle auf, die in Abhängigkeit von einem Gasaustritt des Gases aus der Entgasungsöffnung der mindestens einen Batteriezelle eine die Gehäusebodenanordnung bezüglich der ersten Richtung durchdringende Öffnung freigibt, um das aus der Entgasungsöffnung der mindestens einen Batteriezelle austretende Gas durch die freigegebene Öffnung abzuführen.
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;
2 eine schematische Darstellung eines Gehäusebodens mit einer Sollbruchstelle für eine Batterieanordnung in einer Draufsicht gemäß einem Ausführungsbeispiel der Erfindung;
3 eine schematische Darstellung des Gehäusebodens für die Batterieanordnung mit einer Sollbruchstelle in einer Draufsicht gemäß einem weiteren Ausführungsbeispiel der Erfindung;
4 eine schematische Darstellung eines Gehäusebodens in einer Draufsicht mit einer Sollbruchstelle gemäß einem weiteren Ausführungsbeispiel der Erfindung;
5 eine schematische Darstellung des Gehäusebodens in einer Draufsicht mit einer Sollbruchstelle für eine Batterieanordnung gemäß einem weiteren Ausführungsbeispiel der Erfindung; und
6 eine schematische Querschnittsdarstellung einer Batterieanordnung gemäß einem weiteren Ausführungsbeispiel der Erfindung.

Bei den im Folgenden erläuterten Ausführungsbeispielen handelt es sich um bevorzugte Ausführungsformen der Erfindung. Bei den Ausführungsbeispielen stellen die beschriebenen Komponenten der Ausführungsformen jeweils einzelne, unabhängig voneinander zu betrachtende Merkmale der Erfindung dar, welche die Erfindung jeweils auch unabhängig voneinander weiterbilden. Daher soll die Offenbarung auch andere als die dargestellten Kombinationen der Merkmale der Ausführungsformen umfassen. Des Weiteren sind die beschriebenen Ausführungsformen auch durch weitere der bereits beschriebenen Merkmale der Erfindung ergänzbar.
In den Figuren bezeichnen gleiche Bezugszeichen jeweils funktionsgleiche Elemente.
1 zeigt eine schematische Darstellung einer Batterieanordnung 10 gemäß einem Ausführungsbeispiel der Erfindung. Die Batterieanordnung 10 weist dabei eine Gehäusebodenanordnung 12 und eine auf dem Gehäuseboden 12 angeordnete Batterieeinheit 14 auf, die mindestens eine Batteriezelle 16 umfasst, wobei in diesem Beispiel die Batterieeinheit 14 die Batteriezelle 16 darstellt. In diesem Beispiel ist eine prismatische Batteriezelle 16 illustriert, diese kann jedoch auch beliebig anders ausgebildet sein. Bei der Batteriezelle 16 kann es sich zum Beispiel um eine Lithium-Ionen-Zelle handeln. Die Batteriezelle 16 weist dabei eine erste Seite 16a auf, die in diesem Beispiel eine Unterseite 16a der Batteriezelle 16 definiert. An dieser ersten Seite 16a weist die Batteriezelle 16 zudem eine freigebbare Entgasungsöffnung 18 auf, die zum Beispiel mit einer Berstmembran ausgebildet sein kann. Im Falle eines thermischen Events kann das in der Zelle 16 entstehende Gas aus dieser freigebbaren Entgasungsöffnung 18 gezielt abgeleitet werden. Das aus der Zelle 16 austretende Gas ist in 1 exemplarisch durch den Pfeil 20 veranschaulicht. Die Batteriezelle 16 ist weiterhin in einem Batteriegehäuse 22 angeordnet, von welchem exemplarisch in 1 lediglich der Gehäuseboden 24 dargestellt ist. Im vorliegenden Beispiel ist die Batteriezelle 16 beziehungsweise die Batterieeinheit 14 im Allgemeinen nicht direkt auf dem Gehäuseboden 24 angeordnet, sondern auf dem Gehäuseboden 24 ist zunächst noch eine elektrische Isolationsschicht in Form einer Kunststofffolie 26 angeordnet und zwischen dieser Kunststofffolie 26 und der Batteriezelle 16 beziehungsweise der Batterieeinheit 14 ist zudem eine thermische Interface-Schicht 28 angeordnet, die zum Beispiel als Gapfiller oder Gappad ausgebildet sein kann. Diese beiden Schichten, nämlich die Kunststofffolie 26 sowie die thermische Interface-Schicht 28, sind dabei ebenfalls Teil der Gehäusebodenanordnung 12.
Um nun zu vermeiden, dass das aus der Zelle 16 austretende Gas 20 zu einem unkontrollierten Explodieren des Batteriegehäuses 22 führt weist die Gehäusebodenanordnung 12 vorteilhafterweise eine Sollbruchstelle 30 auf, die im vorliegenden Beispiel durch eine Öffnung bzw. ein Loch 31 im Gehäuseboden 24 bereitgestellt ist. Diese Sollbruchstelle 30 stellt damit einen Versagensbereich dar, der dazu ausgelegt, im Entgasungsfall der Zelle 16 eine die Gehäusebodenanordnung 12 in der dargestellten z-Richtung durchdringende Öffnung 32 freizugeben, sodass das aus der Zelle 16 austretende Gas 20 durch diese Öffnung 32, welche in 1 im noch geschlossenen Zustand dargestellt ist, abgeleitet werden kann, insbesondere aus dem Batteriegehäuse 22 abgeleitet werden kann. Dadurch lassen sich gleich mehrere große Vorteile erzielen: Zum einen kann eine kontrollierte Gasableitung ermöglicht werden, die ein unkontrolliertes Explodieren des Batteriegehäuses 22 verhindert. Durch die Ausführung dieser Gasableitungsmöglichkeit nicht als separates Ventil oder Bauteil, sondern als Sollbruchstelle 30 in der Gehäusebodenanordnung 12 selbst, ist es zudem möglich, einerseits enorm Kosten einzusparen und andererseits diese Ableitungsmöglichkeit in der Bauhöhe deutlich geringer auszubilden. Insbesondere erhöht sich dadurch der erforderliche Bauraum für die Gehäusebodenanordnung 12 in z-Richtung nicht. Dies ermöglicht es erst, dass eine solche Ableitungsmöglichkeit überhaupt erst in den Boden des Batteriegehäuses 22 integriert werden kann. Der Gehäuseboden 24 ist zudem vorzugsweise als Kühlboden ausgestaltet. Dieser kann zum Beispiel auch hier nicht dargestellte mit einem Kühlmittel durchströmbare Kühlkanäle aufweisen. Durch die Integration der Sollbruchstelle 30 in die Gehäusebodenanordnung 12 ist es vorteilhafterweise möglich, das aus der Batteriezelle 16 austretende Gas 20 gezielt von einem Passagierraum des Kraftfahrzeugs, in welchem die Batterieanordnung 10 Anwendung findet, wegzuleiten. Dabei ist die Batterieanordnung 10 vorzugsweise derart in einem Kraftfahrzeug angeordnet, dass die hier dargestellte Z-Achse in Richtung einer Fahrzeughochachse ausgerichtet ist. Somit kann das Gas gezielt in einen ungefährlichen Bereich, zum Beispiel zwischen den Gehäuseboden 24 und einen Unterfahrschutz des Kraftfahrzeugs eingeleitet werden. Von dort aus kann das Gas 20 gezielt abgeführt werden, zum Beispiel in Richtung eines Fahrzeughecks.
Im vorliegenden Beispiel ist die Sollbruchstelle 30 bezogen auf die dargestellte y-Richtung direkt unterhalb der freigebbaren Entgasungsöffnung 18 der Zelle 16 dargestellt. Diese kann jedoch auch in Bezug auf die Entgasungsöffnung 18 in y-Richtung versetzt angeordnet sein. Tritt Gas 20 aus der Zelle 16 aus, so wird dieses zunächst in einen Entgasungskanal beziehungsweise Gasabführkanal 34 eingeleitet, der durch einen an die Entgasungsöffnung 18 angrenzenden Hohlraum ausgeführt ist. Beispielsweise können auch mehrere Zellen 16 oder Batterieeinheiten 14 in y-Richtung nebeneinander angeordnet sein, sodass unterhalb einer jeweiligen Entgasungsöffnung 18 einer solchen Zelle 16 dieser Hohlraum 34 als gemeinsamer Gasabführkanal 34 angeordnet ist. Für diesen gesamten Entgasungskanal 34 kann dann zum Beispiel nur eine Sollbruchstelle 30 oder auch nur einige wenige Sollbruchstellen 30 in der Gehäusebodenanordnung 12 vorgesehen sein, die insbesondere in ihrer Anzahl deutlich geringer sind als die mit dem Entgasungskanal 34 gekoppelten oder koppelbaren Entgasungsöffnungen 18. Hierbei kann sich also der Gasabführkanal 34 über mehrere Zellen hinweg in y-Richtung erstrecken, und auch die Folie 26 kann in y-Richtung durchgängig ausgebildet sein, während jedoch das Loch 31 in y-Richtung lokal beschränkt ist, vorzugsweise auf einen nur kleinen Bereich. Das Loch 31 kann zum Beispiel kreisförmig ausgebildet sein. Dadurch verliert die Gehäusebodenanordnung 12 nicht ihre Stabilität.
In diesem Beispiel ist die Sollbruchstelle 30 in der Gehäusebodenanordnung 12 dadurch bereitgestellt, dass dort sowohl das Loch im Gehäuseboden 24, sowie insbesondere auch in der thermischen Interface-Schicht 28 zur Bereitstellung des Hohlraums 34 für den Gasabführkanal 34 vorgesehen ist. Die Gehäusebodenanordnung 12 besteht im Bereich der Sollbruchstelle 30 also nur noch aus der Kunststofffolie 26. Es sind aber auch zahlreiche andere Ausbildungsmöglichkeiten zur Bereitstellung einer Sollbruchstelle 30 denkbar. Insbesondere muss an dieser Stelle nicht notwendigerweise ein Loch im Gehäuseboden 24 vorgesehen sein. Dieser kann auch lediglich an dieser Stelle geschwächt sein. Um eine solche lokale Schwächung bereitzustellen, gibt es verschiedene Möglichkeiten, die im Folgenden näher erläutert werden.
2 zeigt hierzu eine schematische Darstellung des Gehäusebodens 24 für eine Batterieanordnung 10, wie sie beispielsweise zu 1 beschrieben wurde, in einer Draufsicht, wobei der Gehäuseboden 24, wie zuvor beschrieben, bis auf die nachfolgend beschriebenen Unterschiede ausgebildet sein kann. Der Gehäuseboden 24 weist in diesem Beispiel eine Sollbruchstelle 30 auf, die als eine Materialverjüngung 36 entlang einer Linie, insbesondere in diesem Beispiel einer geschlossenen Linie, ausgebildet ist. In diesem Beispiel ist die Sollbruchstelle 30 also als geschlossene Ritzspur 36 beziehungsweise Nut bereitgestellt. Sie kann auch in einer Art Kerbe oder Verprägung bereitgestellt sein. Der Gehäuseboden 24 ist in diesem Fall also in z-Richtung nicht vollständig durchbrochen, sondern durch die beschriebene Ausbildung gegenüber den übrigen Bereichen in z-Richtung dünner ausgebildet.
3 zeigt eine schematische Darstellung eines weiteren Beispiels für einen Gehäuseboden 24, wieder in einer Draufsicht. In diesem Beispiel ist die Sollbruchstelle als kreisförmige und geschlossene Perforationslinie 38 bereitgestellt, die mehrere einzelne kreisförmig angeordnete Perforationslöcher 40 aufweist. Diese können also den Gehäuseboden in z-Richtung vollständig durchdringen. Alternativ ist es auch denkbar, dass diese Perforationslinie 38 nicht durch durchgehende Perforationslöcher 40 bereitgestellt ist, sondern durch Sacklöcher 42. Diese durchdringen den Gehäuseboden 24 dann entsprechend nicht vollständig in z-Richtung. In beiden Fällen lässt sich hierdurch eine perforierte oder zumindest teilperforierte Linie 38 als Sollbruchstelle 30 bereitstellen.
4 zeigt ein weiteres Beispiel für einen Gehäuseboden 24 mit einer Sollbruchstelle 30. Diese ist in diesem Beispiel ebenfalls als Materialschwächung ausgebildet, die jedoch nicht entlang einer geschlossenen Linie bereitgestellt ist, sondern entlang mehrerer nicht geschlossener Linien. Entlang dieser Linien 44 kann die Materialschwächung wiederum in Form von Perforationslöchern 40 oder Sacklöchern 42 oder wiederum als durchgängige Nut 36 bereitgestellt sein.
5 zeigt ein weiteres Beispiel für eine Ausbildungsmöglichkeit eines Gehäusebodens 24 mit einer Sollbruchstelle 30. In diesem Beispiel ist der Gehäuseboden 24 wiederum in einer Draufsicht auf die z-Richtung dargestellt. Zudem weist der Gehäuseboden 24 in diesem Beispiel ein erstes Teil 24a und ein zweites Teil 24b auf, die entlang eines Fügebereichs 46 miteinander verbunden sind. Eine Fügeverbindung ist vorliegend mit 48 bezeichnet. Eine solche Fügeverbindung kann zum Beispiel durch Schweißen, Rollboden, Kleben oder ähnliches bereitgestellt sein. In diesem Beispiel ist diese Fügeverbindung 48 in einem Bereich 50 geschwächt oder gar nicht ausgeführt, der entsprechend dann die Sollbruchstelle 30 bereitstellt. Somit lässt sich vorteilhafterweise auch ein Fügebereich 46 zur Bereitstellung einer Sollbruchstelle 30 nutzen.
Die vorliegend beschriebenen Ausbildungsmöglichkeiten der Sollbruchstelle 30 als Materialschwächung im Gehäuseboden 24 können zusätzlich oder alternativ auch in den anderen Schichten der Gehäusebodenanordnung 12 analog umgesetzt sein, um eine solche Sollbruchstelle 30 bereitzustellen. Vorteilhaft ist es dabei jedoch, wenn durch eine solche Sollbruchstelle keine Durchgangsöffnung bereitgestellt ist, die die Gehäusebodenanordnung 12 im normalen Betrieb vollständig in z-Richtung durchdringt. Im Falle des Vorsehens von Perforationslöchern 40 beispielsweise ist es entsprechend vorteilhaft, wenn zum Beispiel eine andere der Schichten der Gehäusebodenanordnung 12 entsprechend diese durchgehenden Perforationslöcher 40 abdeckt.
6 zeigt einen Querschnitt einer Batterieanordnung 10 gemäß einem Ausführungsbeispiel der Erfindung. Auch diese Batterieanordnung kann zum Beispiel wie zu 1 beschrieben ausgebildet sein, bis auf die nachfolgend beschriebenen Unterschiede. In diesem Beispiel ist nun kein Gasabführkanal 34 wie zu 1 beschrieben vorgesehen. Stattdessen kontaktiert in diesem Beispiel auch die thermische Interface-Schicht 28 die erste Seite 16a der Zelle 16 im Bereich der Entgasungsöffnung 18. Mit anderen Worten ist die freigebbare Entgasungsöffnung 18 der Zelle 16 im normalen Betriebszustand von der thermischen Interface-Schicht 28, das heißt also zum Beispiel dem Gappad oder dem Gapfillermaterial, bedeckt. Die Sollbruchstelle 30 ist in diesem Beispiel wiederum als Öffnung 31 im Gehäuseboden 24 ausgebildet. Dadurch ist also die Gehäusebodenanordnung 12 im Bereich der Entgasungsöffnung 18 gegenüber den übrigen Bereichen geschwächt ausgebildet, das heißt in Bereichen, in welchen keine solche Sollbruchstelle 30 vorgesehen ist. In diesem Fall befindet sich dann diese Öffnung 31 zumindest direkt unterhalb der Entgasungsöffnung 18 bezogen auf die z-Richtung und kann also nicht gegenüber dieser in y-Richtung versetzt angeordnet sein, wie dies in 1 der Fall sein kann. Hier kann also im Falle von mehreren Zellen 16 mit jeweiligen Entgasungsöffnungen 18 pro Entgasungsöffnung 18 eine zugeordnete Sollbruchstelle 30 vorgesehen sein. Denkbar wäre es auch, zum Beispiel das Loch 31 im Gehäuseboden 24 langgestreckt auszubilden, sodass eine Sollbruchstelle 30 gleichzeitig für mehrere Entgasungsöffnungen 18 bereitgestellt ist. Dies macht jedoch den Gehäuseboden 24 insgesamt deutlich instabiler.
Dies stellt eine besonders vorteilhafte Ausgestaltung dar, da in diesem Beispiel kein ausgesparter Bereich für das Vorsehen eines Entgasungskanals vorgehalten werden muss, der zum Beispiel nicht mit Gapfillermaterial benetzt wird. Dies ermöglicht eine großflächige Einbringung einer thermischen Interface-Schicht 28, auf die die Zellen 16 beziehungsweise Batterieeinheiten 14 einfach aufgesetzt werden können. Da sowohl die Kunststofffolie 26 als auch diese thermische Interface-Schicht 28 relativ dünn sind, lässt sich auch hierdurch auf vorteilhafte Weise eine Sollbruchstelle 30 bereitstellen.
Insgesamt zeigen die Beispiele, wie durch die Erfindung ein neuartiges Konzept für eine Bottom Venting Batteriewanne bereitgestellt werden kann. Die Erfindung oder ihre Ausführungsformen nutzen dabei die Idee, in einem oder mehreren Bauteilen gezielt Versagensbereiche einzuarbeiten. Die Überdruckregulierung der Batteriewanne findet dann nicht über separat eingebaute Vents statt. Die Batterielüftung ist stattdessen direkt in den Boden, insbesondere den Kühlboden, der Batteriewanne integriert. Hierzu kann der Kühlboden bestehend aus Aluminiumblech gezielt mit Sollbruchstellen versehen werden. Kommt es zu einem übermäßigen Druckanstieg, versagt der Kühlboden an der Sollbruchstelle und entlastet den Gasdruck. Dadurch wird vorteilhafterweise kein Zusatzbauteil im Sinne eines Entlastungsventils benötigt. Das Bauteil als auch der dazugehörige Montageprozess können komplett eingespart werden. Das Belüften kann deutlich großflächiger ausgeführt werden und trägt so zum Insassenschutz bei. Das Belüften kann in einen Bereich erfolgen, und die Gasableitung kann in eine günstige Richtung erfolgen, nämlich nach unten. Die Umsetzung ist zudem konzeptneutral. Wie bei einer Getränkedose, bei welcher eine Trinköffnung rein nur durch Materialeigenschaft des Aluminiums gestaltet ist und dabei durch eine gezielte Vorkerbung bereitgestellt ist, kann der Inhalt definiert gelagert werden, aber ebenso definiert aufbrechen. Auch im vorliegenden Beispiel kann durch gezielte Kerbung eines Wirkstoffs in zahlreichen Variationen eine solche Sollbruchstelle bereitgestellt werden.
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

DE 102020102221 A1 [0003]
DE 102011078301 A1 [0004]

Claims

Batterieanordnung (10) mit einer Gehäusebodenanordnung (12) und mindestens einer auf der Gehäusebodenanordnung (12) angeordneten und bezüglich einer ersten Richtung (z) über der Gehäusebodenanordnung (12) angeordneten Batterieeinheit (14), die mindestens eine Batteriezelle (16) umfasst, wobei die mindestens eine Batteriezelle (16) eine erste Seite (16a) mit einer freigebbaren Entgasungsöffnung (18) aufweist, die zum Abführen eines Gases (20) aus der mindestens einen Batteriezelle (16) freigebbar ist, dadurch gekennzeichnet, dass die Gehäusebodenanordnung (12) mindestens eine Sollbruchstelle (30) aufweist, die dazu ausgelegt ist, in Abhängigkeit von einem Gasaustritt eines Gases (20) aus der Entgasungsöffnung (18) der mindestens einen Batteriezelle (16) eine die Gehäusebodenanordnung (12) bezüglich der ersten Richtung (z) durchdringende Öffnung (32) freizugeben, um das aus der Entgasungsöffnung (18) der mindestens eine Batteriezelle (16) austretende Gas (20) durch die freigegebene Öffnung (32) abzuführen.
Batterieanordnung (10) nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Batterieeinheit (14) derart auf der Gehäusebodenanordnung (12) angeordnet ist, dass die erste Seite (16a) der mindestens einen Batteriezelle (16) der Gehäusebodenanordnung (12) zugewandt ist.
Batterieanordnung (10) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Gehäusebodenanordnung (12) einen Gehäuseboden (24) umfasst, der als ein von einem Kühlmittel durchströmbarer Kühlboden (24) ausgebildet ist.
Batterieanordnung (10) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Gehäusebodenanordnung (12) einen Gehäuseboden (24) und eine elektrisch isolierende Schicht (26), insbesondere eine Kunststofffolie (26), aufweist, die zwischen der Batterieeinheit (14) und dem Gehäuseboden (24) angeordnet ist, und/oder eine zwischen der Batterieeinheit (14) und dem Gehäuseboden (24) angeordnete thermische Interface-Schicht (28) zur thermischen Kopplung des Gehäusebodens (24) und der Batterieeinheit (14).
Batterieanordnung (10) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Sollbruchstelle (30) als eine lokale Schwächung des Gehäusebodens (24) ausgebildet ist, insbesondere wobei die lokale Schwächung bereitgestellt ist durch: - eine Materialschwächung (31, 36, 38, 40, 42); und/oder - eine Verbindungsstelle (48, 50), insbesondere eine geschwächte Verbindungsstelle (50), an welcher ein erster Teil (24a) des Gehäusebodens (24) mit einem zweiten Teil (24b) des Gehäusebodens (24) verbunden ist.
Batterieanordnung (10) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Sollbruchstelle (30) als eine lokale Schwächung (31, 36, 38, 40, 42) eines vom Gehäuseboden (24) verschiedenen Elements (26, 28) der Gehäusebodenanordnung (12) ausgebildet ist, insbesondere als eine Materialschwächung (31, 36, 38, 40, 42) des vom Gehäuseboden (24) verschiedenen Elements (26, 28).
Batterieanordnung (10) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Materialschwächung (31, 36, 38, 40, 42) bereitgestellt ist durch: - mindestens eine Perforationslinie (38), die geradlinig oder gekrümmt verläuft, insbesondere offen oder als geschlossene Linie; und/oder - eine Materialverjüngung (36) entlang mindestens einer Linie, die geradlinig oder gekrümmt verläuft, insbesondere offen oder als geschlossene Linie; und/oder - ein zur Größe der freizugebenden Öffnung (32) korrespondierendes Loch (31) in einem Element (24, 26, 28) der Gehäusebodenanordnung (12), das von einem weiteren Element (24, 26, 28) der Gehäusebodenanordnung (12) überdeckt ist, wenn kein Gas (20) aus der mindestens einen Batteriezelle (16) austritt; und/oder - mindestens ein Sackloch (42), das zur Größe der freizugebenden Öffnung (32) korrespondiert, und/oder mehrere entlang mindestens einer Linie verlaufende Sacklöcher (42).
Batterieanordnung (10) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die freigebbare Entgasungsöffnung (18) der mindestens einen Batteriezelle (16) an einen Hohlraum (34) angrenzt, der einen Gasabführkanal (34) bereitgestellt, und welcher bezüglich der ersten Richtung (z) von zumindest einem Teil (24, 26) der Gehäusebodenanordnung (12), insbesondere zumindest dem Gehäuseboden (24) und der auf dem Gehäuseboden (24) befindlichen elektrisch isolierenden Schicht (26), begrenzt wird.
Batterieanordnung (10) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die freigebbare Entgasungsöffnung (18) der mindestens einen Batteriezelle (16) direkt an die Gehäusebodenanordnung (12) angrenzt, wobei die Sollbruchstelle (30) der Entgasungsöffnung (18) eindeutig zugeordnet ist, indem die Sollbruchstelle (30) bezüglich der ersten Richtung (z) direkt unterhalb der Entgasungsöffnung (18) angeordnet ist.
Verfahren zum Ableiten eines Gases (20) aus einer Batterieanordnung (10) mit einer Gehäusebodenanordnung (12) und mindestens einer auf der Gehäusebodenanordnung (12) angeordneten und bezüglich einer ersten Richtung (z) über der Gehäusebodenanordnung (12) angeordneten Batterieeinheit (14), die mindestens eine Batteriezelle (16) umfasst, wobei die mindestens eine Batteriezelle (16) eine erste Seite (16a) mit einer freigebbaren Entgasungsöffnung (18) aufweist, die zum Abführen eines Gases (20) aus der mindestens einen Batteriezelle (16) freigegeben wird, dadurch gekennzeichnet, dass die Gehäusebodenanordnung (12) mindestens eine Sollbruchstelle (30) aufweist, die in Abhängigkeit von einem Gasaustritt des Gases (20) aus der Entgasungsöffnung (18) der mindestens einen Batteriezelle (16) eine die Gehäusebodenanordnung (12) bezüglich der ersten Richtung (z) durchdringende Öffnung (32) freigibt, um das aus der Entgasungsöffnung (18) der mindestens eine Batteriezelle (16) austretende Gas (20) durch die freigegebene Öffnung (32) abzuführen.