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Die vorliegende Erfindung betrifft eine Modulabdeckhaube für Batteriemodule, die für eine sichere Ableitung eines mit leitfähigen Partikeln angereicherten, heißen Gasstromes sorgt, der im Fall eines thermischen Versagens einer Batteriezelle aus der Zelle freigesetzt wird, um so einen Kurzschluss mit Bildung eines Lichtbogens zwischen Batteriegehäusemasse und stromführenden Bauteilen zu verhindern.
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Für Fahrzeuge, die einen elektrischen Antrieb aufweisen, werden heutzutage wiederaufladbare Batteriesysteme, insbesondere Lithium-lonen-Batteriezellen, eingesetzt. Dabei sind eine Vielzahl von Batteriezellen zu einem Batteriemodul und mehrere Batteriemodule zu einem Batteriepaket zusammengefasst und elektrisch miteinander verschaltet.
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Für den Betrieb von Fahrzeugen müssen diese Batteriesysteme sehr hohe Energiedichten aufweisen, die andererseits aber auch ein hohes Sicherheitsrisiko bergen.
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Ein sicherer Betrieb dieser Batteriesysteme ist nur bis zu einem vergleichsweise niedrigen kritischen Temperaturwert möglich. Bereits bei ca. 80 °C setzen Oxidationsvorgänge zwischen Komponenten des Elektrolyten und Bestandteilen der Elektroden der Batteriezellen ein, die zu einer fortschreitenden Erwärmung der Zelle und schließlich Schädigung der Zelle bis hin zum sogenannten Thermal Runaway führen. Bei einem derartigen Durchgehen kommt es in der Regel zu einem Öffnen der Zelle, bis hin zum Bersten oder einer Explosion.
Dabei tritt mit hohem Druck ein leicht brennbares Gas aus der Zelle aus, das sich bei Kontakt mit Luft in der Regel sofort entzündet und sehr hohe Temperaturen aufweist. Das sehr heiße Gas führt zudem leitfähige Partikel wie graphitischen Kohlenstoff, metallische Teilchen und andere Zersetzungsprodukte des Zellinhalts mit sich.
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Wesentlich für die Betriebssicherheit der Batteriezellen und insbesondere auch von möglichen Fahrzeuginsassen ist die Vermeidung einer Energieübertagung auf benachbarte Zellen und Module, um eine Ausbreitung des thermischen Durchgehens zu unterbinden oder zumindest solange wie möglich zu verhindern.
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Insbesondere muss verhindert werden, dass das mit leitfähigen Partikeln beladene Gas zu einem Kurzschluss zwischen den stromführenden Bauteilen und der Masse des Batteriepakets führt und sich ein Lichtbogen bildet, der Temperaturen bis zu mehreren Tausend Grad Celsius generieren kann. Derartig hohe Temperaturen sind mit zur Zeit verfügbaren Isolationsmaterialien nicht mehr beherrschbar und führen unweigerlich innerhalb kürzester Zeit zu einem thermischen Durchgehen des gesamten Batteriesystems.
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Für die Betriebssicherheit und zum Schutz von Fahrzeuginsassen muss ein geeignetes Schutzkonzept für ein Batteriepaket sicherstellen, dass nach der Detektion eines ersten Anzeichens eines thermal runaways einer Batteriezelle über einen Zeitraum von mehreren Minuten keine Funken oder Flammen außerhalb des Batteriepakets auftreten, d.h. sichtbar werden. Dieser Zeitraum bis zu dem Flammen außerhalb des Batteriepakets sichtbar werden, sollte zur Erfüllung von Sicherheitsstandards vorzugsweise nicht kürzer als 5 Minuten sein.
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Hier setzt die vorliegende Erfindung ein. Die vorliegende Erfindung betrifft eine Modulabdeckhaube mit integrierter Gasableitungsstruktur mit den Merkmalen des Anspruchs 1.
Die Unteransprüche betreffen bevorzugte Ausführungsformen.
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Die erfindungsgemäße Modulabdeckhaube mit integrierter Gasableitung ermöglicht eine schnelle und unmittelbare Ableitung eines aus einer überhitzten Zelle eines Moduls austretenden, mit leitfähigen Partikeln beladenen heißen Gasstroms aus dem Batteriepaket, ohne dass es zu einem Kurzschluss und Lichtbogenbildung zwischen stromführenden Bauteilen und der Masse des Batteriepakets kommt.
Das Auftreten von sichtbaren Flammen außerhalb des Batteriepakets kann damit für einen Zeitraum von mindestens 5 Minuten und insbesondere mindestens 7 Minuten und länger verhindert werden, wie für die Erfüllung von Sicherheitsvorschriften gefordert.
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Darüber hinaus weist die erfindungsgemäße Modulabdeckhaube eine sehr gute dreidimensionale Formbarkeit bei der Herstellung aus mit dem Vorteil, dass präzise ohne großen Aufwand eine gewünschte Form erhalten werden kann.
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Mit der erfindungsgemäßen Modulabdeckhaube kann das mit leitfähigen Partikeln beladene heiße Gas vom Entstehungsort über die Module aus dem Batteriepaket abgeführt werden, ohne dass das leitfähige Gas einen Kontakt und damit Kurzschluss zwischen den stromführenden Bauteilen, wie Busbars, Zellverbindern, Modulverbindern etc. und der Masse des Batteriepakets herstellt. Die Bildung eines Lichtbogens wird hierdurch vermieden, der durch einen Kurzschluss zwischen der Gehäusemasse und den stromführenden Bauteilen über die während eines thermal runaway gebildete elektrische leitfähige Gasphase entsteht.
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Die erfindungsgemäße Modulabdeckhaube ist insbesondere für den Einsatz von Batteriesystemen aus prismatischen Batteriezellen gedacht, wie sie heutzutage vielfach in Elektrofahrzeugen zum Einsatz kommen. Es versteht sich jedoch, dass die Modulabdeckhaube ohne weiteres für andere Batterietypen wie Pouchzellen oder zylindrische Zellen abgewandelt werden kann.
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Prismatische Zellen, Batteriemodule und Batteriepakete hieraus und deren Herstellung sind allgemein bekannt.
Prismatische Zellen weisen ein metallisches Gehäuse, in der Regel aus Aluminium oder auch Edelstahl, auf, mit zwei elektrischen Kontakten auf einer Seitenfläche , wobei zwischen den elektrischen Kontakten ein Sicherheitsventil vorgesehen ist. Das Sicherheitsventil öffnet, sobald der Innendruck der Zelle über einen definierten kritischen Wert steigt, um einen gerichteten Gasaustritt zu ermöglichen. Eine je nach Bedarf variierende Anzahl an prismatischen Batteriezellen ist Hauptfläche an Hauptfläche hintereinander zu einem Batteriemodul zusammengefasst.
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Die erfindungsgemäße Modulabdeckung wird auf der Seite mit dem Sicherheitsventil auf das Modul aufgesetzt. Die Modulabdeckhaube hat eine plane Deckplatte, deren Breite und Länge den Abmessungen des Moduls entsprechen. Bei Bedarf kann die Deckplatte an die dreidimensionale Geometrie der Auflagefläche auf dem Modul angepasst sein, um zum Beispiel Unebenheiten auf der Auflagefläche auf dem Modul auszugleichen.
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In der Deckplatte der Modulabdeckhaube sind Berstausschnitte vorgesehen, die Durchgangsöffnungen in der Modulabdeckhaube sind.
Über diese Berstausschnitte kann Gas von der Fläche des Moduls mit den Sicherheitsventil beziehungsweise Sicherheitsventilen abgeführt werden, das im Falle einer Überhitzung einer Zelle und Öffnen des Sicherheitsventils aus der Zelle austritt.
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Die Anzahl und Lage der Berstausschnitte einer Modulabdeckhaube richtet sich nach Anzahl der Batteriezellen eines Batteriemoduls. Zudem soll eine schnelle Ableitung mit kurzem Ableitungsweg des aus dem Sicherheitsventil der Batteriezelle austretenden Gases möglich sein. Zweckmäßigerweise sollte daher jedem Sicherheitsventil ein Berstausschnitt der Modulabdeckhaube zugeordnet sein, der bei auf das Modul aufgesetzter Modulabdeckhaube oberhalb des Sicherheitsventils bzw. der Sicherheitsventile zu liegen kommt. Umfangsform und Größe des Berstausschnittes sollten den Abmessungen der Sicherheitsventile entsprechen oder vorzugsweise größer sein.
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Die Berstausschnitte sind wie die Sicherheitsventile der Batteriezellen mit einer Berstscheibe verschlossen, die erst bei der Temperatur- und Druckeinwirkung durch das heiße Gas öffnet.
Dadurch kann sichergestellt werden, dass die Gasausleitung unmittelbar über der propagierten Zelle erfolgt. Die Berstausschnitte oberhalb der nicht propagierten Zellen bleiben verschlossen, um in diesen Bereichen eine Kontamination mit den elektrisch leitfähigen Partikeln aus dem heißen Gas zu vermeiden und einen Bypass des aus dem Modul ausgeleiteten heißen Gases durch zusätzlich offene Berstausschnitte zurück in das Modul zu unterbinden.
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Der Berstausschnitt sollte möglichst dicht oberhalb des Sicherheitsventils liegen, um den Austrittsweg des Gases aus der Batteriezelle bis zum Berstausschnitt so kurz wie möglich zu halten. Hierfür kann in dem Bereich der Deckplatte der Modulabdeckungshaube eine Delle oder Absenkung vorgesehen sein, so dass dieser abgesenkte Bereich dicht oberhalb des Sicherheitsventils zu liegen kommt.
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Die Modulabdeckhaube besteht aus einem hochtemperaturbeständigen Material, damit eine sichere Ableitung des heißen Gases stattfinden kann, ohne dass die Modulabdeckhaube selbst Feuer fängt oder sich aufgrund thermischer Einwirkung verformt. Zweckmäßigerweise hat die Modulabdeckhaube eine Temperaturbeständigkeit bis mindestens 1400 °C.
Zudem sollte das Material für die Modulabdeckhaube selbst elektrisch nicht leitend sein.
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Erfindungsgemäß wird die Modulabdeckhaube aus einem Schichtaufbau aus Schichten aus Faserverbundwerkstoff erhalten. Für die Schichten aus Faserverbundwerkstoff werden hochtemperaturbeständige Fasern eingesetzt. Insbesondere können Mineralfasern verwendet werden wie z.B. Basaltfasern, Glasfasern, Silicatfasern und oxidkeramische Fasern.
Die Fasern können in Form eines Flächengebildes wie einem Gewebe oder Gelege vorliegen, wobei die Flächengebilde selbst aus Rovings oder Garnen aus diesen Fasern hergestellt sein können.
Der Faserverlauf ist vorzugsweise bidirektional, z.B. insbesondere 0°/90°, der Faserverlauf kann jedoch je nach Bedarf variieren, z.B. auch multidirektional sein, wie z.B. 0°/90°/45° etc.
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Die als Matrixmaterial verwendeten Kunststoffe weisen gleichermaßen eine hohe Temperaturbeständigkeit auf. Beispiele hierfür sind Siliconharze, insbesondere Silikonharze mit einem hohen SiO-Anteil, insbesondere einem SiO-Anteil von 50 bis 90 %, und besonders bevorzugt von 75 % und höher.
Als besonders geeignet haben sich Siliconharze mit einem SiO-Anteil von mindestens 80 % gezeigt.
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Als Silikonharz können di- und/oder trifunktionelle Polysiloxane verwendet werden, vorzugsweise mit Methyl- und/oder Phenylsubstituenten.
Ein Beispiel für ein geeignetes Silikonharz ist SILRES® MK, eine Handelsmarke, die von der Firma Wacker vertrieben wird.
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Die Gesamtdicke der Modulabdeckhaube sollte im Hinblick auf die gewünschte Raumeinsparung möglichst gering sein, vorzugsweise sollte die Gesamtdicke 1,5 mm nicht übersteigen. Bevorzugt ist eine Dicke von 1 mm oder weniger, um der gewünschten kompakten platzsparenden Bauweise von Batterieanordnungen Rechnung zu tragen.
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Die einzelnen Schichten der Modulabdeckhaube können unterschiedliche Fasern und /oder unterschiedliche Faserorientierungen aufweisen.
Beispielsweise kann ein Schichtaufbau aus ein oder zwei Decklagen aus einem ersten Faserverbundwerkstoff mit - je nach Bedarf - einer oder mehreren Zwischenlagen aus einem zweiten Faserverbundwerkstoff bestehen. Die Schichten aus unterschiedlichen Faserverbundwerkstoffen können alternierend angeordnet sein.
Die Dicke der einzelnen Schichten sollten so dick wie nötig, aber so dünn wie möglich sein.
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Als Material für die Berstscheibe kann gleichfalls ein Faserverbundwerkstoff verwendet werden.
Beispiele für geeignete Fasern sind Glasseide, oder Fasern aus Kunststoffgewebe zum Beispiel aus Aramid, Polyphenylenether (PPE) und Polypropylen (PP), und als Matrix ein Epoxidharz, zum Beispiel auf Basis von Bisphenol A.
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Mit der erfindungsgemäßen Modulabdeckhaube mit integrierter Gasableitung kann im Fall eines thermischen Durchgehens das Auftreten von Flammen und Funken außerhalb eines Batteriemoduls für einen Zeitraum von mindestens 5 Minuten und insbesondere mindestens 7,5 Minuten und länger verzögert werden.
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Darüber hinaus weist die erfindungsgemäße Modulabdeckhaube bei der Herstellung eine ausgezeichnete dreidimensionale Formbarkeit auf, so dass präzise ohne großen Aufwand eine gewünschte Form erhalten werden kann.
Sie kann dreidimensional konturiert sein, um so die Deckplatte und/oder Ränder an die Oberflächenstrukturen der Auflageflächen auf den Batterien anzupassen.
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Die vorliegende Erfindung wird nachstehend anhand von Figuren näher erläutert, die eine Ausgestaltung und Anwendung der erfindungsgemäßen Modulabdeckhaube mit integrierter Gasableitung zeigen.
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Es zeigt
- 1 eine Ausgestaltung für eine erfindungsgemäße Modulabdeckhaube mit integrierter Gasableitung, wobei die Modulabdeckhaube über einem Batteriemodul aus prismatischen Batteriezellen angeordnet ist,
- 2 eine Draufsicht auf eine erfindungsgemäße Modulabdeckhaube, und
- 3 eine Ansicht von unten auf die Modulabdeckhaube gemäß 2.
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In 1 ist die erfindungsgemäße Modulabdeckhaube 1 mit Berstausschnitten 2 auf einem Batteriemodul 3 aus einer Vielzahl von prismatischen Batteriezellen 4 in einer Explosionsdarstellung gezeigt.
Die Modulabdeckhaube 1 liegt auf der Seite des Moduls 3 mit den elektrischen Kontakten 5 auf. Jede Batteriezelle 4 weist zwischen den elektrischen Kontakten 5 ein Sicherheitsventil 6 auf.
In der Modulabdeckhaube 1 ist eine entsprechende Anzahl an Berstausschnitten 2 vorgesehen, wobei die Position der Berstausschnitte 2 in der Modulabdeckhaube 1 so gewählt ist, dass im auf das Batteriemodul 3 aufgelegten Zustand ein Berstausschnitt 2 oberhalb eines Sicherheitsventils 6 zu liegen kommt. Das heißt, in der hier gezeigten Ausführungsform ist jedem Sicherheitsventil 6 ein Berstausschnitt 2 zugeordnet.
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Die Form und Größe der Modulabdeckhaube 1 richtet sich nach den Abmessungen und der Form des Moduls 3. Sie hat hier eine plane rechteckige Deckplatte 8, mit rechteckigen Berstausschnitten 2, die hintereinander entlang der Längsachse der Deckplatte 8 und entsprechend der Position der Sicherheitsventile 6 angeordnet sind.
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Entlang der Längsseiten der Deckplatte 8 ist jeweils ein nach unten weisender Rand 9 vorgesehen, um die Modulabdeckhaube 1 sicher auf dem Modul 3 halten zu können.
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Im zusammengesetzten Zustand liegt die Deckplatte 8 auf den Kontakten 5 als höchste Erhebung auf dieser Seite des Batteriemoduls 3 auf, und die Ränder 9 liegen an den Seitenflächen an.
Gemäß einer Ausgestaltung, kann der Bereich der Deckplatte 8 mit den Berstausschnitten 2 abgesenkt sein, um den Abstand zwischen Berstausschnitt 2 mit Sicherheitsventil 6 möglichst gering und den Austrittsweg des Gases so kurz wie möglich zu halten.
Hierfür kann zum Beispiel der mittlere Bereich der Deckplatte 8 mit den Berstausschnitten 2 im Vergleich zu den angrenzenden Bereichen der Deckplatte 8 abgesenkt sein und eine Rinne bilden, die sich entlang der Längsachse erstreckt.
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In 1 ist die Situation des thermischen Durchgehens der vordersten Batteriezelle 4 des Moduls 3 gezeigt, wobei der aus dem Sicherheitsventil 6 austretende heiße Gasstrom 7 unmittelbar und ungehindert durch den darüber liegenden Berstausschnitt 2 aus dem Bereich des Batteriemoduls 3 abgeleitet wird.
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Hierfür sind die Berstausschnitte 2 ausreichend groß ausgebildet, so dass der aus dem darunterliegenden Sicherheitsventil 6 ausströmende heiße Gasstrom 7 schnell und ungehindert vom Modul 3 abgeleitet werden kann. In der in 1 gezeigten Ausführungsform sind die Berstausschnitte 2 in Länge und Breite in etwa doppelt so groß wie das Sicherheitsventil 6.
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Wesentlich ist, dass der austretende, mit elektrisch leitfähigen Partikeln angereicherte heiße Gasstrom 7 schnell vom Modul 3 abgeleitet wird, um einen Kontakt mit benachbarten elektrisch leitenden Bauteilen und damit einen möglichen Kurzschluss zu vermeiden, der zu einem Übergreifen des thermischen Durchgehens auf benachbarte Zellen führen kann.
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In 2 und 3 ist eine erfindungsgemäße Modulabdeckhaube 1 von oben bzw. von unten gezeigt. Wie in 1 sind auf der Deckplatte der Modulabdeckhaube entlang der Längsachse mittig entsprechend der Lage von Sicherheitsventilen 6 eines Moduls 3 hintereinander eine Reihe von gleichförmigen Berstausschnitten 2 vorgesehen.
Die Berstausschnitte 2 sind auf der Unterseite der Deckplatte 8 mit einer Berstscheibe 10 verschlossen, wobei sich in der hier gezeigten Ausführungsform die Berstscheibe 10 flächig über alle Berstausschnitte 2 erstreckt und diese vollständig abdeckt.
Die Berstscheibe 10 besteht hier aus einem Glasfaserverbundwerkstoff mit Epoxidharzmatrix.
Die Berstscheibe 10 ist ausreichend dünn zu wählen, so dass sie bei Gasbeaufschlagung sicher öffnet, sollte andererseits aber nicht brennbar sein.
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In 1 ist zur Veranschaulichung der vorliegenden erfindungsgemäßen Modulabdeckhaube 1 mit integrierter Gasableitung der Einsatz der Modulabdeckhaube 1 für Batteriemodule 3 aus prismatischen Batteriezellen 4 gezeigt, bei denen das Sicherheitsventil 6 zwischen den elektrischen Kontakten 5 vorgesehen ist.
Es versteht sich aber, dass die erfindungsgemäße Modulabdeckhaube 1 ohne weiteres auch für davon abweichende Batteriezellenkonstruktionen einsetzbar ist, zum Beispiel bei denen das Sicherheitsventil 6 eine andere Lage als zwischen den Kontakten 5 einnimmt, zum Beispiel auf einer anderen Fläche des Batteriegehäuses.
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Auf Grund ihrer guten dreidimensionalen Formbarkeit lässt sich die erfindungsgemäße Modulabdeckhaube 1 ohne weiteres auch an konstruktionsbedingte Unregelmäßigkeiten wie Höhenunterschiede oder dergleichen auf den Auflageflächen auf den Batteriezellen oder Modulen anpassen.
Beispielsweise kann die Modulabdeckhaube so ausgestaltet sein, dass sie auch Modulverbinder abgedeckt oder übergreift, mit denen benachbarte Module zu einem Modulpaket zusammengefasst sind.
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Beispiel
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Es wurde ein Beflammungsversuch mit einer erfindungsgemäßen Modulabdeckhaube durchgeführt.
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Die Modulabdeckhaube bestand aus einem 4-lagigen Faserverbundwerkstoff mit einer oberen und unteren Decklage aus einem Verbund aus einem Basaltgewebe mit einem Flächengewicht von 420 g/m2 und zwei Zwischenlagen aus Silicagewebe mit einem Flächengewicht von 300 g/m2. Das Matrixmaterial war ein Silikonharz, SILRES® MK der Firma Wacker.
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Die Gesamtdicke der Modulabdeckhaube betrug 1,3 mm. Die Dicke der Basaltfaserverbundschichten war jeweils 0.35 mm und die Dicke der Silicatfaserverbundschichten jeweils 0,,3 mm.
Die Abmessungen der Berstausschnitte betrugen 70 mm x 18 mm mit einem Stegabstand von 16 mm.
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Als Berstscheibe kam ein Glasfaserkomposit mit einer Dicke von 0,1 mm aus Glasseide mit einem Flächengewicht von 164 g/m2 und einer Matrix aus einem Epoxidharz, das unter dem Handelsnamen EPIKOTE TM Resin 828 der Firma Hexion vertrieben wird, und aus Bisphenol-A und Epichlorhydrin hergestellt ist, zum Einsatz.
Die Berstscheibe wurde mit einem Kleber DOW Corning RTV 3145 aufgeklebt.
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Der Beflammungsversuch ergab, dass die Berstscheibe mit einer Dicke von 0,1 mm ausreichend schnell bei Flammbeaufschlagung öffnete, ohne dass dabei die Berstscheiben benachbarter Berstausschnitte beschädigt wurden
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Bezugszeichenliste
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- 1
- Modulabdeckhaube
- 2
- Berstausschnitt
- 3
- Batteriemodul
- 4
- Batteriezelle
- 5
- elektrischer Kontakt
- 6
- Sicherheitsventil
- 7
- Gasstrom
- 8
- Deckplatte
- 9
- Rand
- 10
- Berstscheibe