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Die Erfindung betrifft ein Batteriegehäuse für einen Energiespeicher, wobei das Batteriegehäuse einen Aufnahmebereich zur Aufnahme einer Batterieeinheit aufweist. Des Weiteren betrifft die Erfindung auch einen Energiespeicher für ein Kraftfahrzeug sowie ein Verfahren zum Abführen eines aus einer Batterieeinheit austretenden Gas-Partikel-Gemischs aus einem Batteriegehäuse.
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In einer Batterie oder einem Batteriemodul kann ein Defekt einer Batteriezelle zum Thermal Runaway führen. Dabei entweicht eine große Menge von mit sehr heißen Partikeln angereichertem Gas, was auch Venting genannt wird, wobei dieses Gas-Partikel-Gemisch kontrolliert aus der Batterie herausgeführt werden sollte. Das Venting-Gas, welches im Vorliegenden auch als Gas-Partikel-Gemisch bezeichnet wird, besteht überwiegend aus brennbaren Bestandteilen, insbesondere in Kombination mit Sauerstoff brennbaren Bestandteilen.
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Bei Austritt des Venting-Gases aus dem Batterieraum in die Umgebung kann es aufgrund der mitgerissenen, sehr heißen Partikel und der Durchmischung mit dem Luftsauerstoff zur Entzündung des Venting-Gases kommen. Dadurch können weitere, im Bereich des Venting-Gas-Auslasses liegende Bauteile und Komponenten in Brand gesetzt werden.
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Die
DE 10 2013 204 585 A1 beschreibt ein Batteriepack, wobei für einen Entgasungsfall, bei dem eine einzelne Batteriezelle beispielsweise durch Überladung oder thermische Überlastung über einen Überdruckmechanismus Gas aus ihrem Inneren freisetzt, in einem Batteriepack-Gehäuse ein spezieller Freiraum vorgesehen ist, in den hinein sich das freigesetzte Gas entspannen kann und dabei seine Temperatur und seinen Druck reduzieren kann. Anschließend wird das Gas durch eine Überdruckablassvorrichtung aus dem Inneren des Batteriepack-Gehäuses nach außen freigesetzt. Das Gas durchströmt dabei einen in der Überdruckablassvorrichtung vorgesehenen Partikelabscheider, beispielsweise in Form eines Zyklonabscheiders oder eines Oberflächenfilters mit einem Faserverbund oder einer offenporigen, schwammartigen Struktur. In dem Gas enthaltene Partikel wie beispielsweise Graphitstaub können dabei beim Durchströmen des Partikelabscheiders herausgefiltert werden, um z.B. explosionsfähige Konzentrationen innerhalb des austretenden Gases zu vermeiden.
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Diese Maßnahmen sind jedoch relativ bauraumaufwendig.
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Weiterhin beschreibt die
DE 10 2019 114 047 A1 ein Speichermodul zur Speicherung von elektrischer Energie, das ein Gehäuse aufweist, welches eine elektrochemische Speicherzelle umschließt. Dabei umfasst das Speichermodul eine an dem Gehäuse angeordnete und außerhalb des Gehäuses verlaufende Entgasungsleitung, die ausgebildet ist, Abgase aus dem Inneren des Gehäuses in die Umgebung des Speichermoduls abzuführen und dabei abzukühlen. Dabei kann das Speichermodul eine Kühleinheit umfassen, um die Entgasungsleitung aktiv zu kühlen.
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Auch diese Maßnahme erfordert einen großen zusätzlichen Bauraum.
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Weiterhin beschreibt die
EP 0 189 543 B1 einen Akkumulator in einem Blockkasten, dessen einzelne Zellen über einen gemeinsamen, durch den Blockkastendeckel nach außen geführten Gaskanal entgasen, wobei das gesammelte Gas vor seinem Austritt ins Freie durch Einrichtungen zum Flammschutz tritt. Dabei sind insbesondere zwei Innenräume vorgesehen, von denen der erste Mittel zur Säureabscheidung enthält und der letzte eine vom entfeuchteten Gas angeströmte Flammschutzvorrichtung.
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Wünschenswert wäre es dennoch, die Effizienz bei der Unschädlichmachung von Venting-Gasen weiter zu steigern, insbesondere auf möglichst bauraumsparende Weise.
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Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es daher, ein Batteriegehäuse, einen Energiespeicher und ein Verfahren bereitzustellen, die es erlauben, ein aus einer Batterieeinheit austretendes Gas auf möglichst effiziente und sichere Weise aus dem Batteriegehäuse auszuführen, und dies auf möglichst bauraumsparende Weise.
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Diese Aufgabe wird gelöst durch ein Batteriegehäuse, einen Energiespeicher 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.
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Ein erfindungsgemäßes Batteriegehäuse für einen Energiespeicher weist einen Aufnahmebereich zur Aufnahme einer Batterieeinheit auf. Dabei ist in das Batteriegehäuse ein Gasabführkanal integriert, der einen Innenraum aufweist, der von einer Kanalwandung räumlich begrenzt ist. Dabei ist in der Kanalwandung mindestens eine Gaseintrittsöffnung und mindestens eine aus dem Batteriegehäuse herausführende Gasaustrittsöffnung angeordnet, und ein Gasabführpfad ist von der mindestens einen Gaseintrittsöffnung zur mindestens einen Gasaustrittsöffnung bereitgestellt. Weiterhin ist zumindest ein Teil der Kanalwandung als Kühleinrichtung zum Kühlen eines den Gasabführkanal durchströmenden Gas-Partikel-Gemischs ausgebildet und der Gasabführkanal weist mindestens eine Partikelabscheideeinrichtung zum Abscheiden von Partikeln aus dem den Gasabführkanal durchströmenden Gas-Partikel-Gemisch auf.
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Durch die Erfindung wird sozusagen ein aktiv kühlbarer Partikelabscheider bereitgestellt, der in das Batteriegehäuse integriert ist. Gerade durch die Kombination einer aktiven Kühleinrichtung mit der mindestens einen Partikelabscheideeinrichtung ergeben sich zahlreiche große Vorteile. Die Erfindung beruht dabei auf der Erkenntnis, dass eine Partikelabscheidung dazu führt, dass sich das entsprechende Gas-Partikel-Gemisch hinsichtlich seiner Strömungsgeschwindigkeit verlangsamt beziehungsweise dass zur Partikelabscheidung Mechanismen genutzt werden können, die zur einer Verlangsamung der Gas-Partikel-Gemischs führen. Dies wiederum hat zur Folge, dass sich das Gas-Partikel-Gemisch beim Durchströmen des Gasabführkanals länger in diesem aufhält, was wiederum die Kühleffizienz der Kühleinrichtung, die das den Gasabführkanal durchströmende Gas-Partikel-Gemisch kühlt, enorm steigert. Durch das synergetische Zusammenwirken von Kühlung und Partikelabscheidung lässt es sich damit auf besonders effiziente und bauraumsparende Weise ermöglichen, dass das letztendlich aus der mindestens einen Gasaustrittsöffnung austretende Venting-Gas keine oder kaum noch Partikel enthält und zudem enorm abgekühlt ist, so dass die Wahrscheinlichkeit einer Selbstentzündung beim Austritt in die Umgebung auf ein Minimum reduziert ist. Die Effizienz dieser Gasabführung lässt sich zudem noch enorm dadurch steigern, dass der Gasabführkanal in das Batteriegehäuse integriert ist. Auch dies hat wiederum mehrere Gründe: Zum einen können zum Beispiel durch das Batteriegehäuse zur Kühlung einer im Batteriegehäuse aufgenommene Batterieeinheiten zusätzlich auch als Kühleinrichtung für den Gasabführkanal verwendet werden, so dass hierdurch wiederum Bauteile und Bauraum eingespart werden können. Vor allem aber wird es hierdurch möglich, das Venting-Gas kurz nach seinem Austritt aus der Batterieeinheit zu kühlen. Hierdurch können ein Hitzerückstau verhindert werden und zudem auch negative Auswirkungen auf andere noch intakte Batterieeinheiten. Mit anderen Worten lässt sich hierdurch ein thermisches Übergreifen auf andere Batterieeinheiten verhindern oder zumindest deutlich effizienter hinauszögern. Somit lässt sich insgesamt also durch die Erfindung eine besonders effiziente und sichere und gleichzeitig bauraumsparende Gasabführung eines Venting-Gases aus einem Batteriegehäuse bereitstellen.
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Das Batteriegehäuse kann ein Batteriegehäuse für eine Kraftfahrzeugbatterie, vorzugsweise für eine Hochvoltbatterie darstellen. Bei der Batterieeinheit, die in das Batteriegehäuse aufnehmbar ist, kann es sich zum Beispiel um eine einzelne Batteriezelle, zum Beispiel eine Lithium-Ionen-Zelle, handeln oder auch um ein Batteriemodul oder einen Zellstapel mit mehreren solchen Batteriezellen. Das Batteriegehäuse kann dabei auch zur Aufnahme mehrerer solcher Batterieeinheiten, insbesondere mehrerer Batteriezellen bzw. mehrerer Batteriemodule mit jeweils mehreren Batteriezellen, ausgebildet sein. Zu diesem Zweck kann das Batteriegehäuse auch mehrere Aufnahmebereiche zur Aufnahme jeweils einer Batterieeinheit aufweisen. In das Batteriegehäuse können auch mehrerer solcher Gasabführkanäle, beispielsweise auf unterschiedlichen Seiten des einen oder der mehreren Aufnahmebereiche angeordnet sein. Bevorzugt ist dabei zudem der Gasabführkanal in einem Randbereich des Batteriegehäuses angeordnet. Dies erleichtert die Gasabführung nach außen und die räumliche und thermische Separation von den ins Batteriegehäuse aufnehmbaren Batteriezellen im aufgenommenen Zustand. Das Batteriegehäuse kann beispielsweise im Wesentlichen kastenförmig, also quaderförmig, ausgebildet sein. Das Innere des Batteriegehäuses kann zum Beispiel in einen ersten Bereich, in welchem die Aufnahmebereiche für die Batterieeinheiten vorgesehen sind, und einen zweiten Bereich, in welchem der Gasabführkanal angeordnet ist, gegliedert sein. Der zweite Bereich ist vorzusehen deutlich kleiner, insbesondere um Größenordnungen, als der erste Bereich. Die beiden Bereiche können zum Beispiel durch eine Trennwand separiert sein, in welcher die mindestens eine Gaseintrittsöffnung angeordnet ist. Zudem kann das Batteriegehäuse, wenn dieses mehrere Aufnahmebereiche aufweist, auch mehrere solcher Trennwände aufweisen, die die einzelnen Aufnahmebereiche voneinander zumindest bereichsweise separieren. Beispielsweise kann das Batteriegehäuse als ein Aluminium-Druckguss-Bauteil ausgebildet sein. Entsprechend ist es bevorzugt, dass also auch die Kanalwandung des Gasabführkanals aus einem metallischen Material, zum Beispiel Aluminium, gebildet ist. Dies hat den großen Vorteil, dass sich die Wärme vom Partikel-Gas-Gemisch sehr schnell aufnehmen und abführen lässt. Dabei kann auch die Partikelabscheideeinrichtung an sich als Teil der Kanalwandung aufgefasst werden. Insbesondere kann jede Oberfläche, mit welcher das Gas-Partikel-Gemisch beim Durchströmen des Gasabführkanals entlang des Gasabführpfads in Kontakt geraten kann, als Kanalwandung aufgefasst werden. Der Teil der Kanalwandung, der als Kühleinrichtung ausgebildet ist, ist also ebenfalls vom Gas-Partikel-Gemisch, welches den Gasabführkanal durchströmt, anströmbar beziehungsweise berührbar. Dadurch lässt sich das Gas-Partikel-Gemisch besonders effizient kühlen. Bevorzugt ist dabei zudem die Kühleinrichtung als eine aktive Kühleinrichtung ausgebildet. Zur Kühlung des zumindest einen Teils der Kanalwandung kann also ein Kühlmittel, z.B. Wasser, verwendet werden.
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Daher stellt es eine weitere sehr vorteilhafte Ausgestaltung der Erfindung dar, wenn der zumindest einen Teil der Kanalwandung von einem Kühlmittel durchströmbar ausgebildet ist. Der zumindest eine Teil der Kanalwandung kann also einen oder mehrere Kühlkanäle aufweisen, die von einem solchen Kühlmittel durchströmbar sind. Das Kühlmittel stellt vorzugsweise ein Kühlmittel auf Wasserbasis dar, wie dies zum Beispiel auch für die Kühlung der Batterieeinheit verwendet werden kann, wenn diese bestimmungsgemäß im Batteriegehäuse aufgenommen ist und der so bereitgestellte Energiespeicher bestimmungsgemäß in einem Kraftfahrzeug betrieben wird. Durch eine solche aktive Kühlung lässt sich deutlich mehr Wärme abführen und dadurch das Gas-Partikel-Gemisch deutlich effizienter kühlen als beispielsweise lediglich durch eine Expansionskühlung oder Ähnliches. Weiterhin ist es denkbar, dass nur ein Teil der Kanalwandung oder manche Teile der Kanalwandung, die das Innere des Gasabführkanals begrenzen, auch von einem Kühlmittel durchströmbar ausgebildet sind. Grundsätzlich ist es aber auch möglich, die gesamte Kanalwandung von einem Kühlmittel durchströmbar auszubilden.
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Die Kühleinrichtung kann beispielsweise erst dann aktiv werden, wenn das Austreten eines Gas-Partikel-Gemischs, welches im Folgenden auch zur Vereinfachung einfach als Gas oder Venting-Gas bezeichnet wird, als eine im Batteriegehäuse aufgenommene Batterieeinheit detektiert wird. Dient die Kühleinrichtung im Normalbetrieb gleichzeitig auch zur Kühlung oder Temperierung einer der Batterieeinheiten, so kann es sein, dass die Kühleinrichtung bereits vor dem Austreten eines Venting-Gases aus der Batterieeinheit aktiv ist und somit nicht mehr extra aktiviert werden muss. Unter einer Aktivierung der Kühleinrichtung soll dabei zumindest die Aktivierung einer Kühlmittelpumpe verstanden werden, die z.B. über ein Niedervoltnetz eines Kraftfahrzeugs, in welchem die Erfindung Anwendung findet, gespeist werden kann. Eine aktive Kühlung des Kühlmittels über einen Kältemittelkreislauf kann dabei ebenfalls der Fall sein, zumindest falls dies in diesem Fall rotz des Defekts des Energiespeichers noch möglich ist.
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Bei einer weiteren sehr vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung weist das Batteriegehäuse eine Trennwand auf, die den Aufnahmebereich vom Inneren des Gasabführkanals separiert, wobei die Trennwand den zumindest einen von einem Kühlmittel durchströmbaren Teil der Kanalwandung bereitstellt. Dies stellt eine besonders vorteilhafte Ausgestaltung der Erfindung dar, da somit die Trennwand, die nunmehr die Kühleinrichtung darstellt, nicht nur zur Kühlung des Gas-Partikel-Gemischs, welches den Gasabführkanal durchströmt, genutzt werden kann, sondern im Normalbetrieb gleichzeitig auch zur Kühlung der im Aufnahmebereich aufgenommenen Batterieeinheit. Im normalen Betrieb bleibt somit also die Kühleinrichtung zum Kühlen des den Gasabführkanal durchströmenden Gas-Partikel-Gemischs nicht ungenutzt. Ein weiterer großer Vorteil besteht zudem darin, dass durch diese aktiv gekühlte Trennwand eine besonders gute thermische Entkopplung des heißen Gas-Partikel-Gemischs vom Aufnahmebereich beziehungsweise den Aufnahmebereichen und damit von den in den Aufnahmebereichen angeordneten Batterieeinheiten bereitgestellt ist. Dies wirkt sich vor allem besonders vorteilhaft auf noch intakte Batterieeinheiten, die in dem Batteriegehäuse aufgenommen sind, aus. Damit kann das thermische Durchgehen einer Batterieeinheit bei einem Übergreifen auf andere Batterieeinheiten verhindert oder zumindest deutlich effizienter hinausgezögert werden.
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Bei einer weiteren sehr vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung ist zumindest ein Teil der Partikelabscheideeinrichtung von dem Kühlmittel durchströmbar ausgebildet, insbesondere wobei der zumindest eine Teil der Partikelabscheideeinrichtung durch den zumindest einen als Kühleinrichtung ausgebildeten Teil der Kanalwandung bereitgestellt ist. Somit ist es also vorteilhafterweise möglich, auch die Partikelabscheideeinrichtung selbst als aktive Kühleinrichtung auszubilden. Dadurch gestaltet sich zudem auch die Partikelabscheidung noch effizienter. Eine Abkühlung des Gas-Partikel-Gemischs entzieht auch den im Gas-Partikel-Gemisch enthaltenen Partikeln Energie und verlangsamt diese, was die Abscheidung vereinfacht.
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Die Partikelabscheideeinrichtung kann im Allgemeinen verschiedene Ausprägungen annehmen. Beispielsweise kann diese als Partikelfilter mit einem Filtermaterial ausgebildet sein und/oder als Zentrifuge bzw. Zyklonabscheider. Der Gasabführkanal kann darüber hinaus auch mehrere verschiedene solcher Partikelabscheideeinrichtungen umfassen. Eine solche Partikelabscheideeinrichtung kann zum Beispiel auch dadurch bereitgestellt sein, dass der Gasabführpfad von der mindestens einen Gaseintrittsöffnung bis zur mindestens einen Gasaustrittsöffnung nicht geradlinig verläuft, sondern vielzählige Windungen und Umlenkungen aufweist.
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Besonders vorteilhaft hat es sich dabei vor allem erwiesen, wie dies gemäß einer weiteren sehr vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung vorgesehen ist, wenn die mindestens eine Partikelabscheideeinrichtung durch die Kanalwandung bereitgestellte, in das Innere des Gasabführkanals ragende Prallplatten aufweist, die das Innere des Gasabführkanals entlang des Gasabführpfads in einzelne Segmente gliedern, wobei je zwei entlang des Gasabführpfads benachbart angeordnete Segmente durch eine Durchgangsöffnung in der jeweiligen Prallplatte fluidisch miteinander gekoppelt sind. Diese Prallplatten bedingen somit eine lokale Querschnittsverringerung des Strömungsquerschnitts des Gasabführkanals. Ein großer Teil des entlang des Gasabführpfads strömenden Gas-Partikel-Gemischs trifft somit auf diese Prallplatten auf und wird dadurch abgebremst und verwirbelt. Diese Verwirbelungen führen zu einer weiteren Abbremsung des Gasstroms. Das Auftreffen auf die Prallplatten sowie die Abbremsung des Gasstroms führt dazu, dass sich im Gasstrom enthaltene Partikel an diesen Prallplatten abscheiden. Bei jedem Durchlaufen einer Durchgangsöffnung einer solchen Prallplatte und eines korrespondierenden Segments werden also weitere Partikel nach und nach abgeschieden und der Gasstrom zunehmend verlangsamt. Durch die Verlangsamung ergibt sich zusätzlich eine Abkühlung des Gasstroms, das heißt auch unabhängig von der zusätzlich bereitgestellten aktiven Kühlung der Kanalwandung. Dadurch lässt sich eine besonders effiziente Abkühlung und Partikelabscheidung des Venting-Gases erreichen.
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Wie oben bereits definiert, stellen auch die Prallplatten einen Teil der Kanalwandung des Abführkanals dar. Entsprechend kann es sich bei dem oben genannten Teil der Kanalwandung, der als Kühleinrichtung ausgebildet ist, eben auch um diese Prallplatten handeln. Dies muss aber nicht notwendigerweise der Fall sein.
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Bei einer weiteren sehr vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung befindet sich eine jeweilige Durchgangsöffnung bezüglich einer ersten Richtung in einer oberen Hälfte einer jeweiligen Prallplatte. Die erste Richtung ist dabei vorzugsweise so definiert, dass diese parallel zu einer Fahrzeughochrichtung ausgerichtet ist, wenn das Batteriegehäuse bestimmungsgemäß in einem Kraftfahrzeug angeordnet ist. Dass dann entsprechend die jeweiligen Durchgangsöffnungen in den jeweiligen Prallplatten in der oberen Hälfte einer jeweiligen Prallplatte angeordnet sind, hat dabei den großen Vorteil, dass an den Prallplatten abgeschiedene Partikel in der Regel schwerkraftbedingt nach unten sinken. Dies hemmt jedoch die Durchströmung der Prallplatten beziehungsweise deren Durchgangsöffnungen nicht, da diese in der oberen Hälfte einer jeweiligen Prallplatte befinden. Mit anderen Worten können die Durchgangsöffnungen dann durch sie sich ablagernden und abgeschiedenen Partikel nicht zugesetzt und blockiert werden.
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Gemäß einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung weist der Gasabführkanal zumindest bereichsweise eine Längserstreckung in eine zweite Richtung auf, die senkrecht zur ersten Richtung ist, und wobei eine dritte Richtung senkrecht zur ersten und zweiten Richtung definiert ist. Dabei sind die Durchgangsöffnungen zweier in der zweiten Richtung benachbarten Prallplatten in der dritten Richtung versetzt zueinander angeordnet. Mit anderen Worten sind die Durchgangsöffnungen zweier in der zweiten Richtung benachbarter Prallplatten nicht konzentrisch zueinander angeordnet, das heißt sie fluchten nicht. Dies hat den Vorteil, dass es nicht möglich ist, dass das Gas-Partikel-Gemisch die Durchgangsöffnungen in der zweiten Richtung geradlinig durchströmt. Der Gasstrom muss zuvor umgelenkt werden, um die in der zweiten Richtung nächstgelegene Durchgangsöffnung durchströmen zu können. Dies wiederum fördert die Partikelabscheidung und Abkühlung des Venting-Gases.
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Der Gasabführkanal an sich kann zudem ebenfalls mehrfach gewunden ausgeführt sein und zum Beispiel in die zweite Richtung verlaufen und dann so umgelenkt werden, dass dieser entgegen der zweiten Richtung weiter verläuft, und so weiter. Der Gasabführkanal kann bezüglich seiner Haupterstreckungsrichtung also schlangenförmig verlaufen, und der Gasabführpfad innerhalb des Gasabführkanals kann z.B. nochmal separat schlangenförmig verlaufen. In den Umlenkbereichen des Gasabführkanals verläuft dann der Gasabführkanal teilweise nicht in der zweiten Richtung, sondern eben zum Teil auch in der dritten Richtung. Im Allgemeinen kann es also vorgesehen sein, dass die Durchgangsöffnungen zweier in der Längserstreckungsrichtung des Gasabführkanals benachbarten Prallplatten in einer Richtung senkrecht zu dieser Längserstreckungsrichtung versetzt zueinander angeordnet sind, unabhängig davon ob die Längserstreckungsrichtung aktuell in die zweite Richtung weist oder nicht oder z. B. in die dritte Richtung.
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Bei einer weiteren sehr vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung sind die Prallplatten zumindest teilweise in einem von 90 Grad verschiedenen Winkel zur zweiten und dritten Richtung angeordnet. Im Allgemeinen muss eine Prallplatte dabei nicht notwendigerweise eben ausgebildet sein, sondern eine Prallplatte kann sich bereits gewinkelt ausgeführt sein. Zumindest ein Teil einer solchen Prallplatte ist also bevorzugt weder senkrecht zur zweiten Richtung noch senkrecht zur dritten Richtung orientiert. Dies bezieht sich insbesondere auf Prallplatten, die in einem Teil des Gasabführkanals angeordnet sind, der in die zweite Richtung verläuft.
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Es hat sich gezeigt, dass sich durch diese angewinkelte Ausbildung und Anordnung der Prallplatten das den das Gasabführkanal durchströmende Venting-Gas besonders stark verwirbeln lässt. Derartige Verwirbelungen haben einen ähnlichen Effekt wie beispielsweise ein Zyklonabscheider. Bedingt durch die entstehenden Zentrifugalkräfte werden im Venting-Gas enthaltene Partikel nach außen geschleudert und abgeschieden. Die Effizienz der Partikelabscheidung kann hierdurch also zusätzlich gesteigert werden.
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Die Ausbildung der mindestens einen Partikelabscheideeinrichtung als solche Prallplatten kann zudem auch mit weiteren Partikelabscheideeinrichtungen kombiniert werden, zum Beispiel mit einem oder mehreren der oben genannten Zyklonabscheidern.
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Des Weiteren betrifft die Erfindung auch einen Energiespeicher für ein Kraftfahrzeug, der ein erfindungsgemäßes Batteriegehäuse oder eine seiner Ausgestaltungen aufweist.
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Der Energiespeicher ist vorzugsweise als eine Hochvoltbatterie ausgebildet. Neben dem Batteriegehäuse umfasst ein solcher Energiespeicher vorzugsweise mindestens eine Batterieeinheit, die im Aufnahmebereich des Batteriegehäuses aufgenommen ist. Bevorzugt umfasst das Batteriegehäuse mehrere Aufnahmebereiche, in denen jeweils eine Batterieeinheit angeordnet sein kann. Mit anderen Worten ist es bevorzugt, dass der Energiespeicher mehrere Energieeinheiten umfasst. Bei den Batterieeinheiten kann es sich um Batteriezellen handeln oder auch um Batteriemodule, die wiederum jeweils mehrere Batteriezellen umfassen. Die Batteriezellen können als prismatische Zellen, Pouchzellen oder Rundzellen ausgebildet sein. Zudem können die Batteriezellen zum Beispiel als Lithium-Ionen-Zellen ausgebildet sein.
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Des Weiteren soll auch ein Kraftfahrzeug mit einem erfindungsgemäßen Energiespeicher oder eine seiner Ausgestaltungen als zur Erfindung gehörend angesehen werden. Das Kraftfahrzeug kann dabei als rein batterieelektrisch betriebenes Elektrofahrzeug ausgebildet sein oder auch als Hybridfahrzeug.
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Das erfindungsgemäße Kraftfahrzeug ist bevorzugt als Kraftwagen, insbesondere als Personenkraftwagen oder Lastkraftwagen, oder als Personenbus oder Motorrad ausgestaltet.
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Des Weiteren betrifft die Erfindung ein Verfahren zum Abführen eines aus einer Batterieeinheit austretenden Gas-Partikel-Gemisches aus einem Batteriegehäuse, das einen Aufnahmebereich aufweist, in welchem die Batterieeinheit aufgenommen ist. Dabei ist in dem Batteriegehäuse ein Gasabführkanal integriert, der einen Innenraum aufweist, der von einer Kanalwandung räumlich begrenzt ist, wobei das aus der Batterieeinheit austretende Gas-Partikel-Gemisch durch mindestens eine Gaseintrittsöffnung in der Kanalwandung dem Gasabführkanal zugeführt wird und entlang eines Gasabführpfads zu mindestens einer aus dem Batteriegehäuse herausführenden Gasaustrittsöffnung geleitet wird, wobei das den Gasabführkanal durchströmende Gas-Partikel-Gemisch durch zumindest einen als Kühleinrichtung ausgebildeten Teil der Kanalwandung gekühlt wird und mittels einer Partikelabscheideeinrichtung des Gasabführkanals Partikel aus dem den Gasabführkanal durchströmenden Gas-Partikel-Gemisch abgeschieden werden.
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Auch hier gelten die im Zusammenhang mit dem erfindungsgemäßen Batteriegehäuse und seinen Ausgestaltungen genannten Vorteile in gleicher Weise für das erfindungsgemäße Verfahren.
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Zu der Erfindung gehören auch Weiterbildungen des erfindungsgemäßen Verfahrens, die Merkmale aufweisen, wie sie bereits im Zusammenhang mit den Weiterbildungen des erfindungsgemäßen Batteriegehäuses beschrieben worden sind. Aus diesem Grund sind die entsprechenden Weiterbildungen des erfindungsgemäßen Verfahrens hier nicht noch einmal beschrieben.
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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.
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Im Folgenden sind Ausführungsbeispiele der Erfindung beschrieben. Hierzu zeigt:
- 1 eine schematische Darstellung eines Teils einer Hochvoltbatterie mit einem Batteriegehäuse in einer Draufsicht gemäß einem Ausführungsbeispiel der Erfindung;
- 2 eine schematische Darstellung einer Prallplatte einer Partikelabscheideeinrichtung für ein Batteriegehäuse gemäß einem Ausführungsbeispiel der Erfindung;
- 3 eine schematische Darstellung eines Teils eines Gasabführkanals eines Batteriegehäuses in einer Draufsicht gemäß einem Ausführungsbeispiel der Erfindung; und
- 4 eine schematische Querschnittsdarstellung der Hochvoltbatterie aus 1 gemäß einem Ausführungsbeispiel der Erfindung.
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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.
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In den Figuren bezeichnen gleiche Bezugszeichen jeweils funktionsgleiche Elemente.
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1 zeigt eine schematische Darstellung eines Teils einer Hochvoltbatterie 10 mit einem Batteriegehäuse 12 gemäß einem Ausführungsbeispiel der Erfindung. Das Batteriegehäuse 12 ist vorliegend als Batteriekasten, zum Beispiel als Aluminium-Druckguss-Gehäuse, gefertigt. Die Hochvoltbatterie 10 umfasst wiederum mehrere Batteriemodule 14, von welchen in 1 nur ein Teil eines solchen Batteriemoduls dargestellt ist. Ein solches Batteriemodul 14 umfasst dabei mehrere Batteriezellen 16, von denen in 1 aus Gründen der Übersichtlichkeit nur einige mit einem Bezugszeichen versehen sind. In diesem Beispiel sind die Batteriezellen 16 als prismatische Batteriezellen ausgeführt. Die Hochvoltbatterie 10 wird dabei vorzugsweise derart in einem Kraftfahrzeug angeordnet, dass die hier dargestellte z-Richtung in Richtung einer Fahrzeughochachse weist. Entsprechend zeigt die Darstellung in 1 einen Blick auf die Oberseite der jeweiligen Batteriezellen 16. An dieser Oberseite weisen die jeweiligen Batteriezellen 16 zudem jeweils eine Entgasungsöffnung 18 auf. Diese ist im Normalfall verschlossen und wird im Entgasungsfall einer Batteriezelle freigegeben. Beispielsweise kann eine solche Entgasungsöffnung 18 als Berstmembran oder Ähnliches ausgebildet sein. Im Falle eines Defekts einer Zelle kann es zu einem thermischen Durchgehen einer solchen Zelle 16, auch Thermal Runaway genannt, kommen. In 1 ist ein solcher Thermal Runaway 20 exemplarisch für eine erste Zelle 16a der Batteriezellen 16 der Hochvoltbatterie 10 dargestellt. Dabei entweicht ein sehr heißes Gas-Partikel-Gemisch 22 aus der Zelle 16a. Dieses Gas-Partikel-Gemisch 22 wird im Folgenden auch als Venting-Gas 22 bezeichnet. Dieses Venting-Gas 22 umfasst also heiße Partikel 24.
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Tritt ein solches Venting-Gas bei herkömmlichen Batterien aus dem Batterieraum in die Umgebung, kann es aufgrund der mitgerissenen, sehr heißen Partikel und der Durchmischung mit dem Luftsauerstoff zur Entzündung des Venting-Gases kommen. Dadurch können weitere, im Bereich des Venting-Gasauslasses liegende Bauteile und Komponenten in Brand gesetzt werden.
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Dies kann nun vorteilhafterweise dadurch verhindert werden oder die Gefahr hierfür zumindest enorm reduziert werden, indem in das Batteriegehäuse 12 ein Gasabführkanal 26 integriert ist, der einerseits eine Partikelabscheideeinrichtung 28 aufweist und der zudem aktiv gekühlt werden kann. Der Gasabführkanal 26 weist dabei ein Inneres 26a auf, welches von einer Kanalwandung 30 räumlich begrenzt wird. Zur Kanalwandung 30 zählt dabei also jegliche Oberfläche des Gasabführkanals 26, die mit dem durch den Gasabführkanal 26 geleiteten Venting-Gas 22 in Berührung kommen kann. Der Gasabführkanal 26 weist dabei zumindest eine Eintrittsöffnung 32 auf, durch welche das aus der defekten Batteriezelle 16a austretende Venting-Gas 22 in den Gasabführkanal 26 eintreten kann. Weiterhin weist der Gasabführkanal 26 auch im vorliegenden Beispiel eine nicht näher dargestellte Austrittsöffnung auf, aus welcher das Venting-Gas 22 nach Durchlaufen des Gasabführkanals 26 aus dem Batteriegehäuse 12 austreten kann. Dabei wird das Venting-Gas 22 beim Durchlaufen des Gasabführkanals 26 entlang eines Gasabführpfads 34 geführt. Die in 1 dargestellten Pfeile veranschaulichen damit in gleicher Weise das Venting-Gas 22 sowie den Gasabführpfad 34. Die Führung des Venting-Gases 22 entlang dieses Gasabführpfads 34 ist durch die geometrische Ausbildung des Gasabführkanals 26 bedingt.
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Mindestens ein Teil der Kanalwandung 30 ist dabei als eine Kühleinrichtung ausgebildet. Insbesondere ist zumindest ein Teil dieser Kanalwandung 30 mit von einem Kühlmittel durchströmbaren Kühlkanälen ausgebildet. Dadurch lässt sich das durch den Gasabführkanal 26 geführte Venting-Gas 22 besonders effizient abkühlen. Zudem umfasst der Gasabführkanal 26, wie bereits erwähnt, eine Partikelabscheideeinrichtung 28. In diesem Beispiel ist diese als mehrere Prallplatten 36 ausgeführt. Diese Prallplatten 36 gliedern dabei den Gasabführkanal 26 in mehrere Segmente 38. Auch hiervon sind aus Gründen der Übersichtlichkeit in 1 nur einige mit einem Bezugszeichen versehen. Eine jeweilige Prallplatte 36 weist dabei eine Durchgangsöffnung auf, durch welche das im Gasabführkanal 26 strömende Venting-Gas 22 hindurchtreten kann. Durch eine solche Öffnung sind also je zwei benachbart angeordnete Segmente 38 des Gasabführkanals 26 fluidisch miteinander verbunden.
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2 zeigt noch einmal eine schematische Darstellung einer solchen Prallplatte 36 in einer Draufsicht, das heißt senkrecht zu der hier dargestellten x-Richtung. Die x-Richtung korrespondiert im vorliegenden Beispiel auch zur Haupterstreckungsrichtung des Gasabführkanals 26, der, wie in 1 dargestellt, in und entgegen der x-Richtung verläuft und dabei zudem mehrfach umgelenkt wird. Wie in 2 zu erkennen ist, weist eine solche Prallplatte 36 also eine Durchgangsöffnung 36a auf, durch welche das Venting-Gas 22 (vergleiche 1) hindurchtreten kann. Die gestrichelten Linien 40 in 2 deuten dabei Begrenzungen der Durchgangsöffnung 36a nach oben und zur Seite hin an, die durch Teile der Wandung 30 des Gasabführkanals 26 bereitgestellt sind, zum Beispiel durch einen oberseitigen Deckel des Batteriegehäuses 12 sowie durch eine seitliche Trennwand 42 (vergleiche 1). Durch solche Trennwände 42 sind einerseits die einzelnen Segmente 38 des Gasabführkanals 26 in y-Richtung voneinander separiert, wie dies ebenfalls in 1 dargestellt ist, sowie auch der Gasabführkanal 26 vom angrenzenden Aufnahmebereich 44, in welchem das Batteriemodul 14 aufgenommen ist. Dies ist beispielsweise auch in 4 zu erkennen.
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4 zeigt dabei eine schematische Querschnittsdarstellung eines Querschnitts des Energiespeichers 10 aus 1 senkrecht zur x-Richtung.
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Diese Trennwand 42 zwischen dem Aufnahmebereich 44, in welchem das Batteriemodul 14 angeordnet ist, und dem Gasabführkanal 26 ist im vorliegenden Beispiel als die Kühleinrichtung 46 ausgebildet und von einem Kühlmittel 48, zum Beispiel Wasser oder einem Wasser-Frostschutzmittel-Gemisch, durchströmbar beziehungsweise durchströmt. Diese Trennwand 42 stellt gleichzeitig auch einen Teil der Wandung 30 des Gasabführkanals 26 dar. Diese aktiv gekühlte Trennwand 42 übernimmt dabei vorteilhafterweise eine Doppelfunktion. Einerseits kann diese zur Kühlung des Venting-Gases 22, welches den Gasabführkanal 26 durchströmt, genutzt werden, gleichzeitig jedoch auch im normalen Betrieb zur Kühlung und Temperierung des Batteriemoduls 14. In 4 ist im Übrigen auch ein Pol 50 beziehungsweise ein Terminal 50 der Batteriezelle 16a zu erkennen. Die Führung des Venting-Gases 22 von der Entgasungsöffnung 18 der Batteriezelle 16a zur Eintrittsöffnung 32 des Gasabführkanals 26 ist dabei so ausgeführt, dass das Venting-Gas von dem Polterminal 50 separiert ist. Dies kann dadurch erfolgen, indem das Venting-Gas 22 nach Austritt aus der Entgasungsöffnung 18 gleich in einen separierten Raumbereich eingeführt ist, der insbesondere von den Zellpolen 50 separiert ist.
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Wie ebenfalls in 2 zu erkennen ist, sind die Durchtrittsöffnungen 36a in den jeweiligen Prallplatten 36 dabei in der oberen Hälfte einer solchen Prallplatte 36 angeordnet. Indem das Venting-Gas 22 auf eine solche Prallplatte 36 auftrifft, wird dieses abgebremst und die im Venting-Gas 22 enthaltenen Partikel 24 (vergleiche 1) werden dadurch abgeschieden. Diese sammeln sich schwerkraftbedingt im Bodenbereich, wie dies ebenfalls in 1 veranschaulicht ist. Durch die Anordnung der Durchtrittsöffnungen 36a der Prallplatten 36, wie in 2 dargestellt, in der oberen Hälfte einer jeweiligen einer solchen Prallplatte 36 kann erreicht werden, dass diese Öffnungen 36a durch die abgeschiedenen Partikel 24 nicht verstopfen beziehungsweise blockiert werden. Weiterhin ist es bevorzugt, dass diese Öffnungen 36a von je zwei benachbarten Prallplatten 36 senkrecht zur Strömungsrichtung zueinander versetzt sind beziehungsweise nicht fluchten. Dadurch wird erreicht, dass sich das Venting-Gas 22 nicht geradlinig ausbreiten kann beziehungsweise diese Öffnungen 36a einfach ohne Ablenkung geradlinig durchströmen kann. Im Gegenteil, durch diese versetzte Anordnung der Öffnungen 36a wird erreicht, dass das Venting-Gas 22 mehrfach umgelenkt wird, wie dies auch in 1 dargestellt ist. Das Venting-Gas 22 nimmt also eine Art wellenförmigen Verlauf. Dabei entstehen zusätzlich noch Verwirbelungen, die zur vermehrten Partikelabscheidung führen.
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3 zeigt nochmal einen Teil eines Gasabführkanals 26 in einer Draufsicht auf die z-Richtung gemäß einem weiteren Ausführungsbeispiel der Erfindung. Auch dieser Gasabführkanal 26 ist mit den beschriebenen Prallplatten 36 ausgebildet. Auch im Übrigen kann der Gasabführkanal 26 wie bereits beschrieben ausgebildet sein. Die Durchgangsöffnungen 36a in einer jeweiligen Prallplatte 36 sind in 3 zudem durch eine gestrichelte Linie illustriert. Die Prallplatten 36 können weiterhin als Ganzes oder nur partiell, wie zum Beispiel im Beispiel in 3 dargestellt, in einem Winkel zur x-Richtung und zur y-Richtung ausgerichtet sein, der von 90 Grad verschieden ist. Durch diese gewinkelte Ausführung wird die Erzeugung von Verwirbelungen noch verstärkt. Diese Verwirbelungen sind exemplarisch ebenfalls in 3 illustriert und mit 52 bezeichnet. Weiterhin ist es möglich, dass zur aktiven Kühlung nicht nur die Trennwände 42 von einem Kühlmittel durchströmt werden, sondern beispielsweise auch die Prallplatten 36 selbst. Dadurch lässt sich die Kühleffizienz noch weiter steigern. Beispielsweise können Bereiche der Trennwände 42 und der Prallplatten 36 auch mäanderförmig vom Kühlmittel 48 (vergleiche 4) durchströmt werden.
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Neben dieser Ausführung des Partikelabscheiders 28 mit solchen Prallplatten 36 kann der Gasabführkanal 26 aber auch zusätzlich oder alternativ mit anderen Abscheidungsmechanismen versehen sein, zum Beispiel einen Zyklonabscheider oder Filtermaterialien oder Ähnliches aufweisen. Auch in diesem Fall können dann zum Beispiel Teile eines solchen Zyklonabscheiders von einem Kühlmittel 48 durchströmbar ausgebildet sein. Mit anderen Worten können auch hier wiederum Wandteile eines solchen Zyklonabscheiders als aktive Kühleinrichtungen 46 ausgebildet sein.
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Insgesamt zeigen die Beispiele, wie durch die Erfindung eine Batterie mit gekühltem Venting-Gas-Partikelabscheider bereitgestellt werden kann. Bevorzugt ist es dabei vorgesehen, dass innerhalb der Batterie ein Abscheideraum integriert ist. Durch diesen wird das Venting-Gas geführt, bevor es mit der Umgebungsluft in Verbindung kommt. Durch vielfache Umlenkungen der Gasströmung werden, kombiniert zum Beispiel mit Prallplatten, Filtermaterialien, Zentrifugen und so weiter, die sehr heißen Partikel vom Gas abgeschieden und gleichzeitig im Abscheideraum zurückgehalten. Zusätzlich wird der aus gut wärmeleitendem Material bestehende Abscheideraum beziehungsweise Bereiche davon mit dem Kühlmittel der Batterie durchströmt. Hierdurch kann die Zündung des Venting-Gases bei Kontakt mit Luftsauerstoff durch sehr heiße Partikel vermieden werden. Weiterhin wird das Venting-Gas abgekühlt, durch die damit einhergehende Volumenreduktion verlangsamt und vor Ausströmen in die Umgebungsluft unterhalb der Selbstentzündungstemperatur gebracht.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- DE 102013204585 A1 [0004]
- DE 102019114047 A1 [0006]
- EP 0189543 B1 [0008]
