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Die Erfindung bezieht sich auf ein Kfz-Traktionsbatteriemodul mit mehreren in einer Reihe angeordneten fluiddichten Batteriezellen, die jeweils eine Entgasungsöffnung aufweisen, beispielsweise eine obenliegende Entgasungsöffnung.
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In einem thermischen Fehlerfall in einer Batteriezelle können heiße Zellengase und -partikel durch die in der Regel mit einer Berstscheibe fluidisch zunächst verschlossene Entgasungsöffnung in den Innenraum des Traktionsbatteriemodul-Gehäuses entweichen. Aus
DE 10 2013 201 365 A1 ist ein Kfz-Traktionsbatteriemodul bekannt, bei dem die Entgasungsöffnungen der Batteriezellen einer Reihe fluidisch parallel in einen einzigen Entgasungskanal münden. Der Entgasungskanal weist an seinen beiden Kanalenden jeweils eine Modul-Entgasungsöffnung auf. Zwischen den Zellen-Entgasungsöffnungen sind in dem Entgasungskanal mehrere Umschaltklappen vorgesehen, wobei alle Umschaltklappen im Falle einer Zellenentgasung abhängig von dem Ort der entgasenden Batteriezelle in eine der beiden möglichen Klapprichtungen umklappen, um auf diese Weise in dem Entgasungskanal in der Regel zwei Entgasungs- Richtungen für die Entgasung freizugeben. Die vollständig umgeklappten Umschaltklappen verschließen hierdurch jeweils eine Zellen-Entgasungsöffnung, so dass die betreffende Berstscheibe vor dem heißen Zellengas geschützt ist.
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Allerdings ist der mechanische Schutz der Berstscheiben der intakten Batteriezellen nur dann gewährt, sobald und wenn überhaupt die Umschaltklappe vollständig umgeklappt ist. Das Entgasungskonzept mit zwei Modul-Entgasungsöffnungen ist konstruktiv aufwendig.
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Aus
DE 10 2013 216 071 A1 ,
GB 2 561 212 A und
DE 10 2013 204 087 A1 sind Traktionsbatteriemodule bekannt, bei denen jeder Batteriezelle jeweils eine Entgasungsleitklappe zugeordnet ist, die am stromaufwärtigen Klappenrand angelenkt ist.
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Aufgabe der Erfindung ist es demgegenüber, ein einfaches Kfz-Traktionsbatteriemodul zu schaffen, das in einem Entgasungsfall einen verbesserten Schutz der intakten Batteriezellen bietet.
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Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß gelöst durch ein Kfz-Traktionsbatteriemodul mit den Merkmalen des Anspruchs 1.
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Das erfindungsgemäße Kfz-Traktionsbatteriemodul weist mehrere in einer Reihe angeordnete fluiddichte Batteriezellen auf, die jeweils eine Entgasungsöffnung aufweisen. Die Entgasungsöffnungen aller Batteriezellen liegen in derselben Ebene, und sind in dieselbe Raumrichtung orientiert, öffnen also beispielsweise alle nach vertikal oben. Die Entgasungsöffnungen öffnen nicht in Richtung einer unmittelbar benachbarten Batteriezelle. Die Zellen-Entgasungsöffnungen einer Reihe münden alle fluidisch parallel in einen einzigen Entgasungskanal, der zu einer einzigen Modul-Entgasungsöffnung führt. Dadurch, dass der Entgasungskanal zu einer einzigen Modul-Entgasungsöffnung führt, ist eine einzige Entgasungskanal-Strömungsrichtung festgelegt. Hierdurch ist der Aufbau des Traktionsbatterie-Moduls vereinfacht.
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Mindestens den meisten Zellen-Entgasungsöffnungen ist jeweils eine in ihre Schließposition vorgespannte Entgasungsleitklappe zugeordnet, die in ihrer Grundposition die Schließposition einnimmt, und die die betreffende Zellen-Entgasungsöffnung fluidisch weitgehend verschließt. Die Entgasungsleitklappe ist jeweils über ein Klappengelenk am stromaufwärtigen Klappenrand angelenkt, so dass die Entgasungsleitklappe im Falle einer Zellenentgasung durch den Gasdruck aufgeschwenkt wird, also geöffnet wird. Der stromaufwärtige Klappenrand ist der Rand der Entgasungsklappe bzw. der Rand der Entgasungsöffnung, der zu der Modul-Entgasungsöffnung des Entgasungskanals fluidisch am weitesten entfernt ist. Mindestens während ihrer Öffnungsbewegung lenkt die Entgasungsleitklappe daher das durch die Zellen-Entgasungsöffnung ausströmende Zellengas stets in Richtung Entgasungskanal-Auslass um, so dass das ausströmende Zellengas einen Strömungsimpuls in Richtung des Entgasungskanal-Auslasses erfährt.
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Da bei allen intakten Batteriezellen durch den kanalseitigen Überdruck die betreffenden Entgasungsleitklappen in ihre Schließposition gedrückt werden, verbleiben diese Entgasungsleitklappen zuverlässig in ihrer jeweiligen Schließposition. Auf diese Weise sind die intakten Batteriemodule zuverlässig geschützt vor dem Eintritt heißer Zellengase einer anderen entgasenden Batteriezelle.
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Auf diese Weise wird ein zuverlässiger Schutz der intakten Batteriezellen im Falle einer Entgasung einer nicht-intakten Batteriezelle sichergestellt.
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Der Kanalquerschnitt des Entgasungskanals vergrößert sich von stromaufwärts nach stromabwärts um vorzugsweise mindestens 30 % zwischen dem stromaufwärtigen Ende und dem stromabwärtigen Ende. Durch die Aufweitung des Entgasungskanals wird der Druck des stromabwärts strömenden Zellgases entsprechend verringert, so dass sich auch die Gastemperatur des Zellengases entsprechend verringert.
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Vorzugsweise ist in dem Entgasungskanal jeweils ein Öffnungsanschlag vorgesehen, der in einem Entgasungsfall einer Batteriezelle die Öffnungsbewegung der Entgasungsleitklappe begrenzt, und vorzugsweise auf einen maximalen Öffnungswinkel a von weniger als 90° begrenzt. Durch den Öffnungsanschlag wird eine unkontrolliert weite Öffnungsbewegung der Entgasungsleitklappe verhindert. Die Entgasungsleitklappe nimmt in einem Entgasungsfall in der Regel die Anschlagposition ein, die durch den Öffnungsanschlag definiert ist, und nimmt hierbei in der Regel eine Orientierung und Neigung ein, in der sie das ausströmende Gas in die Entgasungskanal-Strömungsrichtung umlenkt.
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Besonders bevorzugt sind die Entgasungsleitklappe und der betreffende Bereich des Entgasungskanals derart ausgebildet, dass die Entgasungsleitklappe in ihrer an dem Öffnungsanschlag angeschlagenen Öffnungsposition den stromaufwärtigen Teil des Entgasungskanals fluidisch verschließt und abschirmt gegenüber dem stromabwärtigen Teil des Entgasungskanals, der mit der geöffneten Zellen-Entgasungsöffnung fluidisch verbunden ist. Hierdurch wird ein Einströmen des heißen Zellengases in den stromaufwärtigen Teil des Entgasungskanals praktisch vollständig unterbunden.
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Bei einer derartigen Ausgestaltung ist die stromaufwärtigste Batteriezelle im Entgasungsfall einer der anderen Batteriezellen immer geschützt vor dem Zellengas der anderen Batteriezellen, so dass bei der stromaufwärtigsten Batteriezelle auf eine Entgasungsleitklappe grundsätzlich verzichtet werden kann. Vorzugsweise ist die Zellen-Entgasungsöffnung der stromaufwärtigsten Batteriezelle also klappenfrei ausgebildet.
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Unter einem Klappengelenk ist grundsätzlich jeder Gelenktyp zu verstehen, der ein einmaliges Aufklappen der Entgasungsleitklappe erlaubt. Hierbei muss es sich nicht um einen Drehgelenk im engeren Sinne handeln. Vorzugsweise wird das Klappengelenk von einer knickbaren Materialbrücke gebildet, die plastisch oder elastisch verformbar, also knickbar ist. Die Materialbrücke kann ein sogenanntes Filmgelenk bilden.
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Besonders bevorzugt sind die Entgasungsleitklappen einstückig mit einer Kanalwand des Entgasungskanals ausgebildet. Die Entgasungsleitklappen können beispielsweise dadurch hergestellt sein, dass die Entgasungsleitklappe aus dem Entgasungskanal-Kanalwandkörper ausgestanzt ist. Das knickbare Klappengelenk wird durch eine entsprechende Materialschwächung gebildet, die durch eine Kerbung generiert werden kann. Auf diese Weise lassen sich die Entgasungsleitklappen einfach herstellen.
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Vorzugsweise ist jeder Zellen-Entgasungsöffnung stromaufwärts der Entgasungsleitklappe eine fluiddichte Berstscheibe zugeordnet. Die Entgasungsleitklappe ersetzt also nicht die fluiddichte Berstscheibe, sondern ergänzt diese. Die Entgasungsleitklappe schützt die Berstscheibe vor dem heißen Zellengas einer anderen Batteriezelle.
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Im Folgenden wird ein Ausführungsbeispiel der Erfindung anhand der Zeichnungen näher erläutert. Es zeigen:
- 1 schematisch ein Kfz-Traktionsbatteriemodul mit mehreren in einer Reihe angeordneten fluiddichten Batteriezellen, deren Entgasungsöffnungen in einen Entgasungskanal münden, wobei die meisten Entgasungsöffnungen eine Entgasungsleitklappe aufweisen,
- 2 eine vergrößerte Darstellung einer exemplarischen Batteriezelle mit Entgasungsleitklappe des Kfz-Traktionsbatterie-Moduls der 1, und
- 3 eine vergrößerte Darstellung der in der 2 dargestellten exemplarischen Batteriezelle.
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In der 1 ist schematisch ein Kfz-Traktionsbatteriemodul 10 im Längsschnitt XZ dargestellt, das typischerweise plattenartig ausgebildet ist und mit seiner Plattenebene in einer Horizontalebene XY liegend im Fahrzeugboden eingebaut wird. Das Traktionsbatterie-Modul 10 weist in einem fluiddichten Modulgehäuse 12 mindestens eine Reihe mit fluiddichten gleichartigen Batteriezellen 201 - 206 auf, die elektrisch miteinander verschaltet sind. Vorliegend sind exemplarisch sechs gleichartige Batteriezellen 201-206 dargestellt, wobei eine dieser Batteriezellen 20 exemplarisch in den 2 und 3 detaillierter dargestellt ist.
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Jede Batteriezelle 201 - 206 weist jeweils eine obenliegende Entgasungsöffnung 22 auf, so dass alle Entgasungsöffnungen 22 in einer einzigen Horizontallinie x und in einer einzigen Horizontalebene XY liegen. Oberhalb der Entgasungsöffnungen 22 ist ein horizontal verlaufender linearer Entgasungskanal 40 gebildet, in den die Zellen-Entgasungsöffnungen 22 aller Batteriezellen 201 - 206 fluidisch parallel münden.
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Der Entgasungskanal 40 wird von einer oberen Kanalwand 42 und einer unteren Kanalwand 46 begrenzt, wobei die untere Kanalwand 46 jeweils Kanalwand-Öffnungen 48 aufweist, die mit den zugeordneten Entgasungsöffnungen 22 der Batteriezellen 201 - 206 korrespondieren. An dem stromabwärtigen Ende des Entgasungskanals 40 ist eine Modul-Entgasungsöffnung 49 vorgesehen, durch die Zellengas aus dem Entgasungskanal 40 nach außen austreten kann. Hierdurch ist eine einzige Entgasungskanal-Strömungsrichtung S festgelegt. Der Entgasungskanal 40 weitet sich kontinuierlich und stufenlos von stromaufwärts nach stromabwärts um mehr als 50 % auf, so dass der Kanalquerschnitt A1 am stromaufwärtigen Ende des Entgasungskanals 40 ca. 50 % kleiner ist als der Kanalquerschnitt A6 am stromabwärtigen Ende des Entgasungskanals 40, an dem die Modul-Entgasungsöffnung 49 angeordnet ist.
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In jeder Entgasungsöffnung 22 ist jeweils eine fluiddichte Berstscheibe 24 angeordnet, die die betreffende Zellen-Entgasungsöffnung 22 jeweils fluiddicht verschließt. Die Berstscheiben 24 sind derart ausgebildet, dass sie bei einem definierten Differenzdruck aufbrechen, so dass in einer nicht-intakten Batteriezelle das Zellengas aus dem Zelleninneren durch die Entgasungsöffnung 22 in den Entgasungskanal 40 entweichen kann.
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Die Abdichtung zwischen dem Öffnungsrand einer Zellen-Entgasungsöffnung 22 und dem Öffnungsrand der zugeordneten Kanalwand-Öffnung 48 erfolgt durch eine ringförmige und elektrisch nicht-leitende Dichtung 50, die aus einem Dichtungskörper 52 aus Teflon oder aus einem geeignetem Keramikmaterial besteht, und die eine Dichtungsöffnung 54 definiert.
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Den fünf stromabwärtigen Zellen-Entgasungsöffnungen 22 ist jeweils eine in Schließposition vorgespannte Entgasungsleitklappe 30 zugeordnet, die jeweils über ein Klappengelenk 32 am stromabwärtigen Klappenrand 33 angelenkt ist. Die Zellen-Entgasungsöffnung 22 der einen stromaufwärtigsten Batteriezelle 201 ist dagegen klappenfrei ausgebildet. Die Entgasungsleitklappen 30 werden jeweils von einem Klappenkörper 34 gebildet, der einstückig mit der unteren Metall-Kanalwand 46 ausgebildet ist. Der Klappenkörper 34 wird jeweils durch einen U-förmigen Stanzschlitz 70 gebildet, der in der Kanalwand 46 die entsprechende Kanalwand-Öffnung 48 definiert. Das Klappengelenk 32 wird durch eine knickbare Materialbrücke 32" gebildet, die durch eine von unten eingebrachte Gelenkkerbe 32` hergestellt ist.
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An der oberen Kanalwand 42 ist durch den Wandkörper 44 für jede Entgasungsleitklappe 30 jeweils ein Öffnungsanschlag 36 vorgesehen, der in einem Entgasungsfall einer Batteriezelle 202 - 206 die Öffnungsbewegung der betreffenden Entgasungsleitklappe 30' auf einen Öffnungswinkel a von ca. 60° begrenzt, wie beispielsweise in der 3 angedeutet. Der Öffnungsanschlag 36 kann von der oberen Kanalwand 42 selbst gebildet sein, kann alternativ jedoch von einer entsprechenden Anschlagleiste gebildet sein. Wenn die Entgasungsleitklappe 30' in ihrer in der 3 angedeuteten Öffnungsposition steht, bildet sie eine nahezu fluiddichte Abdichtung zwischen dem gegenüber der Entgasungsleitklappe 30' stromaufwärtigen und dem stromabwärtigen Teil des Entgasungskanals 40.
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In den 2 und 3 ist eine exemplarische Batteriezelle 20 einschließlich einer Entgasungsleitklappe 30 im Detail dargestellt, die einer der fünf stromabwärtigen Batteriezellen 202 - 206 entspricht. Bei einem thermischen Ereignis in einer der letztgenannten fünf Batteriezellen 202 - 206 wird durch den Gasdruck des Zellengases der betreffenden Batteriezelle 20 zunächst die Berstscheibe 24 von innen aufgebrochen und zerstört, so dass das Zellengas durch die zerborstene Berstscheibe 24' nach oben austritt, und durch den Gasdruck des Zellengases die Entgasungsleitklappe 30 in ihre Öffnungsposition verschwenkt wird. Die geöffnete und angeschlagene Entgasungsleitklappe 30' lenkt das heiße Zellengas in die Entgasungskanal-Strömungsrichtung S in Richtung Modul-Entgasungsöffnung 49 um. Durch die stromabwärtige Aufweitung des Entgasungskanals 40 verringert sich der Gasdruck des ausströmenden Zellengases entsprechend, wodurch das Zellengas quasi-adiabatisch abkühlt.
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Durch den Gasdruck des Zellengases in dem betreffenden Abschnitt des Entgasungskanals 40 werden die Entgasungsleitklappen 30 stromabwärts der geöffneten Entgasungsleitklappe 30` in ihre jeweilige Schließposition gedrückt, so dass die betreffenden Berstscheiben 24 sowohl vor dem Überdruck als auch vor dem heißen Zellengas geschützt sind.
