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Die Erfindung betrifft eine Batterie nach dem Oberbegriff des Anspruchs 1 der Erfindung. Gemäß Anspruch 8 der Erfindung betrifft dieselbe ferner ein Fahrzeug mit einer solchen Batterie.
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Aus der Praxis ist es allgemein bekannt, dass Batterien, wie Lithium-Ionen-Batterien für Kraftfahrzeuge, während ihrer Lebensdauer und/oder infolge einer Fehlfunktion Gase und Dämpfe ausbilden, welche zur Vermeidung eines Überdruckes aus dem Batteriegehäuse definiert abgeführt werden müssen.
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Im Hinblick darauf beschreibt die
DE 10 2008 043 808 A1 ein Batteriemodul mit mehreren in einem Gehäuse angeordneten Batterien. Am oberen Ende einer jeden Batterie ist ein Überdruckventil angeordnet. Bei einem Überdruck innerhalb einer Batterie strömt das Gas aus der betreffenden Batterie durch das Überdruckventil in einen Entgasungskanal oder eine Gasauffangkammer für sämtliche Batterien. Die Batterien reichen hierzu in besagten Entgasungskanal bzw. in die Gasauffangkammer hinein. Hierdurch besteht jedoch die Gefahr, dass infolge einer Fehlfunktion einer Batterie, einhergehend mit besonders heißen, in den Entgasungskanal bzw. die Gasauffangkammer eintretenden Gasen und/oder sogar Flammen, die gegebenenfalls noch intakten Batterien in unmittelbare Mitleidenschaft gezogen, insbesondere thermisch belastet werden, da in den Entgasungskanal bzw. die Gasauffangkammer eintretende heiße Gase und/oder Flammen sämtliche Batterien unmittelbar kontaktieren können.
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Aus der
DE 10 2009 020 185 A1 ist des Weiteren ein Energiespeicher mit in Serie geschalteten Batteriezellen bekannt, welche in einem hermetisch abgeschlossenen Batteriegehäuse angeordnet sind. Der Energiespeicher weist eine Sicherheitsvorrichtung auf, die bei Überschreiten eines Druckschwellwertes und/oder Temperaturschwellwertes im Batteriegehäuse einen Verschluss einer Öffnung des Batteriegehäuses freigibt. Dadurch, dass sämtliche Batteriezellen in einem gemeinsamen Batteriegehäuse angeordnet sind, besteht auch hier die Gefahr, dass eine infolge einer Fehlfunktion eine ausgasende Batteriezelle benachbarte intakte Batteriezellen in Mitleidenschaft zieht, insbesondere thermisch belastet, da die gegebenenfalls sehr heißen Gase sich innerhalb des Batteriegehäuses verteilen können.
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Aus der
DE 10 2011 002 631 A1 ist ein Batteriezellenmodul mit einer Mehrzahl Batteriezellen bekannt, wobei letztere jeweils eine Entgasungsöffnung aufweisen. Das Batteriezellenmodul umfasst einen mit jeweils einer Fläche der Batteriezellen im Wesentlichen abdichtend verbundenen Deckel, der einen Gasaufnahmeraum zur zumindest temporären Aufnahme von aus den Batteriezellen entwichenem Gas aufweist. Der Deckel liegt abdichtend an mehreren Batteriezellen an, wobei der Öffnungsbereich des gebildeten Gasaufnahmeraums des Deckels über mehreren Batteriezellen angeordnet ist. Aus den Batteriezellen ausweichendes Gas gelangt demnach durch ein und denselben Öffnungsbereich in den Gasaufnahmeraum. Auch hier besteht die Gefahr, dass infolge einer Fehlfunktion einer Batteriezelle, einhergehend mit besonders heißen, in den Gasaufnahmeraum eintretenden Gasen und/oder Flammen, noch intakte Batteriezellen in unmittelbare Mitleidenschaft gezogen, insbesondere thermisch belastet werden, da in den Gasaufnahmeraum eintretende heiße Gase und/oder Flammen sämtliche Batteriezellen unmittelbar kontaktieren können.
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Aufgabe der Erfindung ist es, eine Batterie mit einem zwei oder mehr Zellmodule aufweisenden Batteriegehäuse derart weiterzubilden, dass eine nachteilige Beeinträchtigung, insbesondere thermische Belastung, intakter Zellmodule durch ein defektes, ausgasendes Zellmodul verhindert, zumindest jedoch wirkungsvoll gemindert ist. Darüber hinaus ist es Aufgabe der Erfindung, ein Fahrzeug mit einer solchen Batterie zur Verfügung zu stellen.
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Gelöst wird die gestellte Aufgabe durch eine Batterie mit den Merkmalen des Anspruchs 1 bzw. durch ein Fahrzeug mit den Merkmalen des Anspruchs 8. Vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung sind Gegenstand der jeweiligen Unteransprüche.
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Ausgehend von einer Batterie mit einem Batteriegehäuse und mit zwei oder mehr in dem Batteriegehäuse angeordneten Zellmodulen mit je einem Zellmodulgehäuse, wobei ein jedes Zellmodulgehäuse eine infolge eines Gasüberdruckes in demselben selbsttätig öffnende Berstöffnung aufweist, wird die gestellte Aufgabe dadurch gelöst, dass ein jedes Zellmodul der Batterie derart im Batteriegehäuse angeordnet ist, dass die Berstöffnung des jeweiligen Zellmodulgehäuses hin zu wenigstens einer unmittelbar der Berstöffnung zugeordneten Entgasungsöffnung in einer Gehäusewandung des Batteriegehäuses gerichtet ist, wobei in einem Freiraum zwischen dem Batteriegehäuse und dem Zellmodulgehäuse ein sowohl die Berstöffnung als auch die wenigstens eine unmittelbar zugeordnete Entgasungsöffnung umschließendes und einen Entgasungskanal zwischen der Berstöffnung und der wenigstens einen unmittelbar zugeordneten Entgasungsöffnung bildende Hutze angeordnet ist.
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Im Rahmen dieser Erfindung wird unter einer Berstöffnung eine Öffnung im Zellmodulgehäuse mit einer dieselbe verschließenden Membran oder einem Ventil verstanden, wobei die Membran bei Überschreiten eines Druck- und/oder Temperaturschwellwertes bricht und die Öffnung freigibt bzw. das Ventil bei Überschreiten eines Druck- und/oder Temperaturschwellwertes öffnet. Ferner wird im Rahmen dieser Erfindung unter einer Hutze eine Gasführungsleitung, insbesondere in einem Fahrzeug verstanden.
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Dadurch, dass einer jeden Berstöffnung der Zellmodule ein eigener, durch die Hutze gebildeter Entgasungskanal zugeordnet ist, welcher einenends an die Berstöffnung und anderenends an die wenigstens eine Entgasungsöffnung vorzugsweise gasdicht angeschlossen ist, ist der Gasaustritt nach Batterie-außen vorteilhaft von den übrigen Zellmodulen separiert, so dass eine unmittelbare Beeinträchtigung intakter Zellmodule durch austretende Gase, insbesondere heiße Gase oder gar Flammen, aus einem defekten Zellmodul verhindert, zumindest jedoch wirkungsvoll gemindert ist.
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In Fortbildung der Erfindung ist vorgesehen, dass der Entgasungskanal über die wenigstens eine Entgasungsöffnung unmittelbar oder über zumindest einen Gasaufnahmeraum des Batteriegehäuses an die Umwelt angeschlossen ist. Letztere Maßnahme hat den Vorteil, dass aus der geöffneten Berstöffnung austretende heiße Gase im Gasaufnahmeraum eine gewisse Abkühlung erfahren, bevor sie in die Umwelt gelangen und ferner deren Austrittsgeschwindigkeit in die Umwelt minimiert ist.
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Vorteilhaft kann im Hinblick auf besagten Gasaufnahmeraum derselbe durch zumindest einen Wandungsabschnitt der Gehäusewandung gebildet sein, wodurch der Herstellungs- und Montageaufwand minimiert ist.
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Weiter kann der Wandungsabschnitt durch ein langgestrecktes Hohlprofil mit geschlossenem Profilquerschnitt gebildet sein. Durch diese Maßnahme ist ohne Mehraufwand die Gasführungsfunktion des Wandungsabschnitts des Batteriegehäuses mit einer hohen Verformungsfestigkeit respektive Crashsicherheit des Batteriegehäuses kombiniert.
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Das langgestreckte Hohlprofil kann durch ein Ein-, Zwei- oder Mehrkammerprofil gebildet sein. gerade das zwei- oder Mehrkammerprofil mit zwei oder mehr ausgebildeten Gasaufnahmeräumen führt vorteilhaft zu einer weiter verbesserten Abkühlung der austretenden heißen Gase und zu einer hohen Verformungsfestigkeit.
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Der Wandungsabschnitt bzw. der durch denselben gebildete Gasaufnahmeraum kann hierzu einen- oder beidenends zumindest eine Gasaustrittsöffnung in die Umwelt aufweisen.
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Was die Hutze anbelangt, ist diese bevorzugt feuerfest ausgebildet, um infolge der heißen Gase ein Durchbrennen der Gehäusewandung des Batteriegehäuses wirkungsvoll zu verhindern. Die Hutze kann beispielsweise aus einem Metall, einer Keramik oder einem feuerfesten Kunststoff bestehen. Sie fungiert demnach zum einen als Gasführungskanal und zum anderen als Verstärkungselement der Gehäusewandung gegen hohe thermische Belastung.
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Die Erfindung betriff auch ein Fahrzeug mit einer Batterie der vorbeschriebenen Art.
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Gemäß einer bevorzugten Ausführung ist die Batterie derart im/am Fahrzeug angeordnet, dass die zumindest eine Gasaustrittsöffnung in Fahrzeuglängsrichtung (x-Richtung) orientiert ist. Hierdurch ist vorteilhaft vermieden, dass beispielsweise aus dem Fahrzeug seitlich aussteigende Passagiere durch in die Umwelt austretende heiße Gase in Mitleidenschaft gezogen werden.
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Nachstehend wird die Erfindung anhand eines in den Zeichnungen schematisch dargestellten Ausführungsbeispiels näher erläutert. Sie ist jedoch nicht auf dieses beschränkt, sondern erfasst alle durch die Patentansprüche definierten Ausgestaltungen. Für die Zwecke der vorliegenden Beschreibung soll die übliche Fahrtrichtung eines Kraftfahrzeugs mit „-x“ („minus x“), die Richtung entgegen seiner üblichen Fahrtrichtung mit „+x“ („plus x“), ausgehend von der üblichen Fahrtrichtung (-x) die Richtung in der Horizontalen quer zur x-Richtung nach rechts gesehen mit „+y“, ausgehend von der üblichen Fahrtrichtung (-x) die Richtung in der Horizontalen quer zur x-Richtung nach links gesehen mit „-y“, die Richtung in der Vertikalen quer zur x-Richtung nach oben gesehen mit „+z“, und die Richtung in der Vertikalen quer zur x-Richtung nach unten gesehen mit „-z“ bezeichnet werden. Diese Bezeichnungsweise der Raumrichtungen in kartesischen Koordinaten entspricht dem in der Kraftfahrzeugindustrie allgemein verwendeten Koordinatensystem. Überdies werden Begriffe wie „vorne“, „hinten“, „oben“ „unten“ sowie Begriffe mit ähnlichem Bedeutungsinhalt einschließlich der Begriffe „rechts“ und „links“ in der Weise verwendet, wie sie zur Richtungsbezeichnung an einem Kraftfahrzeug üblicherweise gebraucht werden. Es zeigen:
- 1 äußerst schematisch ein Fahrzeug mit einer als Traktionsbatterie fungierenden Batterie,
- 2 die Batterie nach 1 in einer perspektivischen Einzeldarstellung,
- 3 einen Vertikalschnitt „I-I“ der Batterie nach 2 (Stand der Technik),
- 4 eine perspektivische Innenansicht des Batteriegehäuses der Batterie nach 3,
- 5 eine Innenansicht des Batteriegehäuses nach 4 mit der Darstellung einer erfindungswesentlichen Hutze,
- 6 eine Schnittdarstellung des Batteriegehäuses nach 5 samt der Darstellung eines Zellmoduls (Vertikalschnitt „II-II“ nach 5),
- 7 eine perspektivische Schnittdarstellung des Batteriegehäuses nach 5 samt der Darstellung eines Zellmoduls (Vertikalschnitt „II'-II''' nach 5), und
- 8 eine weitere perspektivische Schnittdarstellung des Batteriegehäuses nach 5 (Horizontalschnitt „III-III“ nach 5).
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Die 1 zeigt ein Fahrzeug 1 respektive Kraftfahrzeug, welches als Elektro- oder Hybridfahrzeug ausgebildet ist und mittels einer Batterie 2, auch als Traktionsbatterie bezeichnet, angetrieben bzw. antreibbar ist. Die Batterie 2 weist gemäß 2 ein Batteriegehäuse 3 mit einer weitestgehend quaderförmigen Gestalt auf und umfasst im Wesentlichen einen Gehäuseboden 4, eine Gehäusewandung 5 sowie einen Gehäusedeckel 6. Die Batterie 2 bildet eine Mehrzahl Aufnahmeräume 7, vorliegend zwölf Aufnahmeräume 7 auf, in welchen jeweils ein Zellmodul 8 (vgl. 2 bis 8) angeordnet und gelagert ist. Ein jedes Zellmodul 8 weist ein Zellmodulgehäuse 9 sowie zumindest eine, vorzugsweise zwei oder mehr in demselben angeordnete Batteriezellen auf (nicht zeichnerisch dargestellt). Gemäß 4 sind die Aufnahmeräume 7 mittels Trennwänden 10 voneinander separiert, jedoch nicht gasdicht voneinander separiert.
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Wie bereits einleitend ausgeführt, weist herkömmlich ein jedes Zellmodul 8 in seinem Zellmodulgehäuse 9 eine in 3 nicht, jedoch in den 6-8 äußerst schematisch dargestellte Berstöffnung 11 auf. Infolge einer Fehlfunktion oder eines Defektes eines Zellmoduls 8 und/oder einer in demselben gelagerten Batteriezelle können sich Gase 12 respektive Verbrennungsgase ausbilden, welche zu einem Überdruck im Zellmodulgehäuse 9 führen. Zur Vermeidung eines Überdruckes im Zellmodulgehäuse 9 öffnet die Berstöffnung 11 und das Gas 12 kann aus dem Zellmodulgehäuse 9 entweichen. Bei der Berstöffnung 11 kann es sich um eine Öffnung im Zellmodulgehäuse 9 mit einer dieselbe verschließenden Membran oder einem Ventil handeln, wobei bei Überschreiten eines Druck- und/oder Temperaturschwellwertes die Membran bricht und die Öffnung freigibt bzw. das Ventil öffnet und so die Öffnung freigibt.
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Nach dem Stand der Technik werden die aus der Berstöffnung 11 austretenden Gase 12, insbesondere auch heißen Gase 12, über Entgasungsöffnungen 13 beispielsweise in der Gehäusewandung 5, wie es aus 4 ersichtlich ist, nach Batterie-außen in die Umwelt abgeführt. Es besteht das Problem, dass die besagten heißen Gase 12 nicht nur nach außen abgeführt werden, sondern sich auch in Freiräumen 14 (vgl. 3) im Batteriegehäuse 3 verteilen und benachbarte Zellmodule 8 sowie Hochvoltleitungen und weitere im Batteriegehäuse 3 angeordnete Hochvolttechnik thermisch belasten und sogar schädigen können.
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Um diesem nachteiligen Umstand zu begegnen, ist zunächst vorgesehen, dass ein jedes Zellmodul 8 der Batterie 2 derart im Batteriegehäuse 3 angeordnet ist, dass die Berstöffnung 11 des jeweiligen Zellmodulgehäuses 9 hin zu wenigstens einer unmittelbar der Berstöffnung 11 zugeordneten Entgasungsöffnung 13 in der Gehäusewandung 5 des Batteriegehäuses 3 gerichtet ist (vgl. 6-8). Vorliegend sind einer Berstöffnung 11 eine Mehrzahl Entgasungsöffnungen 13 in der Gehäusewandung 5 zugeordnet. Darüber hinaus ist in einem Freiraum 14 zwischen dem Batteriegehäuse 3 und dem Zellmodulgehäuse 9 ein sowohl die Berstöffnung 11 als auch die unmittelbar zugeordneten Entgasungsöffnungen 13 umschließendes und einen Entgasungskanal 15 zwischen der Berstöffnung 11 und den Entgasungsöffnungen 13 bildende Hutze 16 angeordnet (vgl. 5-8).
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Unter einer Hutze 16 wird im Rahmen dieser Erfindung eine Gasführungsleitung verstanden. Die Hutze 16 ist vorliegend durch ein plattenförmiges Element mit einer zentralen Durchbrechung 17 gebildet. Die den Entgasungskanal 15 bildende Durchbrechung 17 der Hutze 16 korrespondiert mit den Entgasungsöffnungen 13 in der Gehäusewandung 5 (vgl. insbes. 5). Die Hutze 16 liegt beidseitig respektive wandungsseitig sowohl an der Gehäusewandung 5 des Batteriegehäuses 3 als auch an der stirnseitigen Wandung des Zellmodulgehäuses 9 eng an, vorzugsweise gasdicht an. Die Gasdichtigkeit kann beispielsweise auch durch einen Klebstoff bewirkt sein.
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Die Hutze 16 ist bevorzugt feuerfest ausgebildet, um ein Durchbrennen der Gehäusewandung 5 des Batteriegehäuses 3 durch die Einwirkung der heißen Gase 12 wirkungsvoll zu verhindern. Die Hutze 16 kann beispielsweise aus einem Metall, einer Keramik oder einem feuerfesten Kunststoff bestehen.
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Hierdurch ist einer jeden Berstöffnung 11 eines Zellmoduls 8 ein eigener, durch die Hutze 16 gebildeter Entgasungskanal 15 zugeordnet, welcher einenends an die Berstöffnung 11 und anderenends an die wenigstens eine Entgasungsöffnung 13, vorliegend beispielgebend an vier Entgasungsöffnungen 13, vorzugsweise gasdicht angeschlossen ist. Hierdurch ist der Gasaustritt vorteilhaft von den übrigen Zellmodulen 8 separiert. Eine unmittelbare Beeinträchtigung intakter Zellmodule 8 durch austretende Gase 12, insbesondere heiße Gase 12 oder gar Flammen, aus einem defekten Zellmodul 8 ist verhindert, zumindest jedoch wirkungsvoll gemindert.
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Der Entgasungskanal 15 kann über die Entgasungsöffnungen 13 unmittelbar an die Umwelt angeschlossen sein (nicht zeichnerisch dargestellt). Alternativ und bevorzugt ist der Entgasungskanal 15 über die Entgasungsöffnungen 13 sowie gemäß diesem Ausführungsbeispiel über vier Gasaufnahmeräume 18 des Batteriegehäuses 3 an die Umwelt angeschlossen (vgl. insbes. 6 und 7). Letztere bevorzugte Maßnahme hat den Vorteil, dass aus der geöffneten Berstöffnung 11 austretende heiße Gase in den Gasaufnahmeräumen 18 eine gewisse Abkühlung erfahren, bevor sie in die Umwelt gelangen, und dass ferner deren Austrittsgeschwindigkeit in die Umwelt minimiert wird.
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Wie insbesondere den 6 und 7 noch zu entnehmen ist, sind die Gasaufnahmeräume 18 in einem Wandungsabschnitt 19 der Gehäusewandung 5 gebildet, welcher Wandungsabschnitt 19 durch ein langgestrecktes Hohlprofil mit geschlossenem Profilquerschnitt gebildet ist. Vorliegend handelt es sich im Querschnitt gesehen um ein Mehrkammerprofil mit zehn Kammern 20, wobei vier Kammern 20 langgestreckte Gasaufnahmeräume 18 ausbilden, die jeweils beidenends je eine Gasaustrittsöffnung 21 (vgl. 4) in die Umwelt aufweisen. Durch diese Maßnahme ist ohne Mehraufwand die Gasführungsfunktion des Wandungsabschnitts 19 des Batteriegehäuses 3 mit einer hohen Verformungsfestigkeit respektive Crashsicherheit des Wandungsabschnitts 19 des Batteriegehäuses 3 kombiniert.
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Gemäß einer bevorzugten Ausführung ist die Batterie 2 derart im/am Fahrzeug 1 angeordnet, dass die Gasaustrittsöffnungen 21 in Fahrzeuglängsrichtung (x-Richtung) orientiert sind. Hierdurch ist vorteilhaft vermieden, dass beispielsweise aus dem Fahrzeug 1 seitlich aussteigende Passagiere nicht durch in die Umwelt austretende heiße Gase 12 in Mitleidenschaft gezogen werden.
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Bezugszeichenliste
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- 1
- Fahrzeug
- 2
- Batterie
- 3
- Batteriegehäuse
- 4
- Gehäuseboden
- 5
- Gehäusewandung
- 6
- Gehäusedeckel
- 7
- Aufnahmeraum
- 8
- Zellmodul
- 9
- Zellmodulgehäuse
- 10
- Trennwand
- 11
- Berstöffnung
- 12
- Gas
- 13
- Entgasungsöffnung
- 14
- Freiraum
- 15
- Entgasungskanal
- 16
- Hutze
- 17
- Durchbrechung
- 18
- Gasaufnahmeraum
- 19
- Wandungsabschnitt
- 20
- Kammer
- 21
- Gasaustrittsöffnung
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- DE 102008043808 A1 [0003]
- DE 102009020185 A1 [0004]
- DE 102011002631 A1 [0005]
