DE102022109888A1

DE102022109888A1 - Energiespeicherzelle mit integriertem Brandschutzelement

Info

Publication number: DE102022109888A1
Application number: DE102022109888.5A
Authority: DE
Inventors: Manuel Schurz; Rudolf Schilling; Oleg Konrad
Original assignee: Bayerische Motoren Werke AG
Current assignee: Bayerische Motoren Werke AG
Priority date: 2022-04-25
Filing date: 2022-04-25
Publication date: 2023-10-26

Abstract

Die Erfindung betrifft eine Energiespeicherzelle (1) für einen elektrischen Energiespeicher (2) eines Kraftfahrzeugs, aufweisend:- ein Zellgehäuse (3) mit einem Zellmantel (5) und zwei Deckflächen (6, 7), wobei der Zellmantel (5) und die Deckflächen (6, 7) einen Aufnahmebereich (10) umschließen,- ein galvanisches Element (4), welches in dem Aufnahmebereich (10) angeordnet ist, und- ein Brandschutzelement (12) aufweist, wobei eine der Deckflächen (7) versetzt zu einer Kante (9) des Zellmantels (5) angeordnet ist und das Zellgehäuse (3) in zwei Zellgehäusebereiche (3a, 3b) unterteilt, von welchen ein erster Zellgehäusebereich (3a) den Aufnahmebereich (10) für das galvanische Element (4) ausbildet und ein angrenzender zweiter Zellgehäusebereich (3b) einen Brandschutzbereich (11) zum Aufnehmen des Brandschutzelementes (12) ausbildet.

Description

Die Erfindung betrifft eine Energiespeicherzelle für einen elektrischen Energiespeicher eines Kraftfahrzeugs. Die Energiespeicherzelle weist ein Zellgehäuse mit einem Zellmantel und zwei Deckflächen auf, wobei der Zellmantel und die Deckflächen einen Aufnahmebereich umschließen. Außerdem weist die Energiespeicherzelle ein galvanisches Element auf, welches in dem Aufnahmebereich angeordnet ist. Die Erfindung betrifft außerdem einen elektrischen Energiespeicher sowie ein Kraftfahrzeug.
Vorliegend richtet sich das Interesse auf elektrische Energiespeicher, welche beispielsweise als Traktionsakkumulatoren für elektrisch antreibbare Kraftfahrzeuge verwendet werden können. Solche elektrischen Energiespeicher weisen üblicherweise ein Speichergehäuse auf, in welchem mehrere Energiespeicherzellen angeordnet und miteinander verschaltet sind. Im Fehlerfall, beispielsweise bei einem thermischen Ereignis einer der Energiespeicherzellen, kann es aufgrund der Hitzeentwicklung in dem Speichergehäuse zu einem Brand des elektrischen Energiespeichers kommen. Zur Brandvermeidung oder Brandhemmung sind aus dem Stand der Technik unterschiedlichste Maßnahmen bekannt.
Beispielsweise beschreibt die DE 10 2020 104 501 A1 einen Luftverdränger für einen elektrischen Energiespeicher, welcher im eingebauten Zustand in dem Speichergehäuse dazu ausgelegt ist, ein freies in Volumen in dem Speichergehäuse zumindest teilweise auszufüllen und somit eine Luft in dem Speichergehäuse für den Fall einer gehäuseinternen Hitzeentwicklung zumindest teilweise zu verdrängen. Die DE 10 2019 111 787 A1 offenbart einen elektrischen Energiespeicher, in dessen Speichergehäuse eine Brandschutzmatte angeordnet ist. Diese weist eine mit Löschmittel gefüllte Hülle auf, welche bei Beaufschlagung mit einem ausgelassenen Heißgas zumindest einer Energiespeicherzelle Löschmittel freigibt.
Es ist Aufgabe der vorliegenden Erfindung, eine alternative Lösung zur Brandhemmung oder Brandvermeidung eines elektrischen Energiespeichers eines Kraftfahrzeugs bereitzustellen.
Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß durch eine Energiespeicherzelle, einen elektrischen Energiespeicher sowie ein Kraftfahrzeug mit den Merkmalen gemäß den jeweiligen unabhängigen Patentansprüchen gelöst. Vorteilhafte Ausführungen der Erfindung sind Gegenstand der abhängigen Patentansprüche, der Beschreibung sowie der Figuren.
Eine erfindungsgemäße Energiespeicherzelle für einen elektrischen Energiespeicher eines Kraftfahrzeugs weist ein Zellgehäuse mit einem Zellmantel und zwei Deckflächen auf, wobei der Zellmantel und die Deckflächen einen Aufnahmebereich umschließen. Außerdem weist die Energiespeicherzelle ein galvanisches Element, welches in dem Aufnahmebereich angeordnet ist, sowie ein Brandschutzelement auf. Eine der Deckflächen des Zellgehäuses ist versetzt zu einer Kante des Zellmantels angeordnet, sodass das Zellgehäuse in zwei Zellgehäusebereiche unterteilt ist. Ein erster der Zellgehäusebereiche bildet den Aufnahmebereich für das galvanische Element aus und ein angrenzender zweiter der Zellgehäusebereiche bildet einen Brandschutzbereich zum Aufnehmen des Brandschutzelementes aus.
Zur Erfindung gehört außerdem ein elektrischer Energiespeicher für ein Kraftfahrzeug aufweisend ein Speichergehäuse sowie mehrere erfindungsgemäße Energiespeicherzellen, welche in dem Speichergehäuse angeordnet sind. Der elektrische Energiespeicher ist insbesondere ein Hochvoltenergiespeicher und bildet eine wiederaufladbare Traktionsbatterie bzw. einen Traktionsakkumulator für das Kraftfahrzeug aus. Die Energiespeicherzellen, welche beispielsweise als prismatische Zellen oder vorzugsweise als Rundzellen ausgebildet sind, sind in dem Speichergehäuse angeordnet und dort miteinander verschaltet.
Die Energiespeicherzellen weisen das starre, beispielsweise metallische, Zellgehäuse auf, welches den Zellmantel und die zwei Deckflächen aufweist. Eine erste der Deckflächen ist dabei als ein Zellgehäusedeckel und eine zweite der Deckflächen als ein Zellgehäuseboden ausgebildet. Im Falle einer Rundzelle ist der Zellgehäusemantel zylindrisch ausgebildet und die Deckflächen sind kreisförmig bzw. rund ausgebildet. Insbesondere befinden sich an einer der Deckflächen, beispielsweise dem Zellgehäusedeckel, Zellpole bzw. Zellterminals der Energiespeicherzelle. Die Zellterminals sind durch das Zellgehäuse hindurch in den Aufnahmebereich zu dem galvanischen Element, welches beispielsweise als ein Zellwickel bzw. eine Jelly Roll ausgebildet sein kann, geführt und mit diesem kontaktiert.
Das Zellgehäuse ist in einer Erstreckungsrichtung, welche im angeordneten Zustand der Energiespeicherzelle im Kraftfahrzeug einer Fahrzeughochrichtung entspricht, in die zwei Zellgehäusebereiche unterteilt. Der erste Zellgehäusebereich bildet den Aufnahmebereich für das galvanische Element, welcher sich somit nicht über eine gesamte Höhe des Zellgehäuses erstreckt. Der angrenzende zweite Zellgehäusebereich bildet den Brandschutzbereich, welcher zum Aufnehmen des Brandschutzelementes ausgelegt ist. Ein Füllgrad des galvanischen Elements ist also kleiner als das Zellgehäuse, sodass der nicht von dem galvanischen Element benötigte Zellgehäusebereich in vorteilhafter Weise zur Brandvermeidung bzw. Brandhemmung genutzt werden kann. Die Energiespeicherzelle weist also einen zellintegrierten Brandschutz auf.
Zur Ausbildung der zwei Zellgehäusebereich ist eine der Deckflächen, beispielweise der Zellgehäuseboden, abgesetzt von einer Kante des Zellmantels angeordnet, sodass der Zellmantel in zwei Zellmantelabschnitte unterteilt wird und die abgesetzte Deckfläche eine Zwischenwand zwischen dem Aufnahmebereich und dem daran angrenzenden Brandschutzbereich ausbildet. Der geschlossen ausgebildete Aufnahmebereich wird somit durch einen ersten Zellmantelabschnitt sowie die zwei Deckflächen begrenzt, während der insbesondere einseitig offen ausgebildete Brandschutzbereich durch einen zweiten Zellmantelabschnitt und die abgesetzte Deckfläche begrenzt wird.
Das Brandschutzelement ist beispielsweise dazu ausgelegt, zur Brandvermeidung ein Gas freizusetzen. Ein solches Gas kann beispielsweise ein sauerstoffverdrängendes Gas, beispielsweise Stickstoff, oder ein reaktionsarmes Edelgas sein. Auch kann das Brandschutzelement ein intumeszentes, bei Hitzeeinwirkung expandierendes Material umfassen. Das Brandschutzelement kann beispielsweise als eine Kapsel, Patrone oder Tablette ausgebildet sein.
Beispielsweise kann der Zellgehäusedeckel angrenzend an eine Oberkante des Zellgehäusemantels angeordnet sein und der Zellgehäuseboden beabstandet zu einer Unterkante des Zellgehäusemantels angeordnet sein, sodass der Aufnahmebereich in Hochrichtung oberhalb des Brandschutzbereiches angeordnet ist. Diese Unterkante des Zellmantels bildet insbesondere eine Stehkante der Energiespeicherzelle aus. Dabei kann vorgesehen sein, dass die Energiespeicherzellen mit der dem Brandschutzbereich zugeordneten Kante des Zellmantels an einer Gehäusewand des Speichergehäuses angeordnet sind, sodass die Gehäusewand des Speichergehäuses die Brandschutzbereiche der Energiespeicherzellen abschließt. Die Energiespeicherzellen werden also derart aufgestellt, dass ein Auflagebereich zwischen dem Zellgehäuse und der Gehäusewand durch die Kante, insbesondere die Unterkante, des Zellmantels gebildet wird. Die versetzt angeordnete Deckfläche ist also beabstandet zu und überlappend mit der Gehäusewand angeordnet, sodass der Brandschutzbereich durch den Zellgehäusemantel, die Deckfläche und die Gehäusewand begrenzt ist. Das galvanische Element ist also bezüglich der Gehäusewand angehoben angeordnet. Beispielsweise können die Energiespeicherzellen mittels eines Klebstoffs an der Gehäusewand befestigt sein.
Die Erfindung betrifft außerdem ein Kraftfahrzeug mit zumindest einem erfindungsgemäßen elektrischen Energiespeicher. Der Energiespeicher dient dabei als Traktionsbatterie, sodass das Kraftfahrzeug als ein elektrifiziertes Kraftfahrzeug ausgebildet ist.
Die mit Bezug auf die erfindungsgemäße Energiespeicherzelle vorgestellten Ausführungsformen und deren Vorteile gelten entsprechend für den erfindungsgemäßen elektrischen Energiespeicher sowie für das erfindungsgemäße Kraftfahrzeug.
Weitere Merkmale der Erfindung ergeben sich aus den Ansprüchen, den Figuren und der Figurenbeschreibung. Die vorstehend in der Beschreibung genannten Merkmale und Merkmalskombinationen sowie die nachfolgend in der Figurenbeschreibung genannten und/oder in den Figuren allein gezeigten Merkmale und Merkmalskombinationen sind nicht nur in der jeweils angegebenen Kombination, sondern auch in anderen Kombinationen oder in Alleinstellung verwendbar.
Die Erfindung wird nun anhand eines bevorzugten Ausführungsbeispiels sowie unter Bezugnahme auf die Zeichnungen näher erläutert.
Es zeigen:

1 eine schematische Darstellung einer Energiespeicherzelle; und;
2 eine schematische Teildarstellung eines elektrischen Energiespeichers.

In den Figuren sind gleiche sowie funktionsgleiche Elemente mit den gleichen Bezugszeichen versehen.
1 zeigt eine Energiespeicherzelle 1 für einen in 2 ausschnittsweise gezeigten elektrischen Energiespeicher 2. Der elektrische Energiespeicher 2 ist insbesondere ein Hochvoltenergiespeicher zur Elektrifizierung eines Kraftfahrzeugs und weist mehrere Energiespeicherzellen 1 auf. Die Energiespeicherzellen 1 umfassen ein Zellgehäuse 3 sowie ein in dem Zellgehäuse 3 angeordnetes galvanisches Element 4. Das Zellgehäuse 3 weist einen Zellmantel 5 auf, welcher bei einer als Rundzelle ausgebildeten Energiespeicherzelle 1 zylindrisch ausgebildet ist. Außerdem weist das Zellgehäuse 3 zwei Deckflächen 6, 7 auf, welche bei der als Rundzelle ausgebildeten Energiespeicherzelle 1 kreisförmig ausgebildet sind.
Eine erste Deckfläche 6 bildet hier einen Zellgehäusedeckel und ist angrenzend an einer ersten Kante 8, hier einer Oberkante, des Zellmantels 5 angeordnet. Eine zweite Deckfläche 7 bildet hier einen Zellgehäuseboden und ist in Hochrichtung H versetzt zu einer zweiten Kante 9, hier einer Unterkante, des Zellmantels 5 angeordnet. Dadurch wird das Zellgehäuse 3 in zwei Zellgehäusebereiche 3a, 3b unterteilt, wobei ein erster Zellgehäusebereich 3a einen Aufnahmebereich 10 für das galvanische Element 4 ausbildet und einer zweiter Zellgehäusebereich 3b einen Brandschutzbereich 11 zum Aufnehmen eines Brandschutzelementes 12 der Energiespeicherzelle 1 ausbildet.
Der erste Zellgehäusebereich 3a wird dabei durch einen ersten Zellmantelabschnitt 5a und die beiden Deckflächen 6, 7 begrenzt und abgeschlossen. Der an den ersten Zellgehäusebereich 3a angrenzende zweite Zellgehäusebereich 3b wird durch einen zweiten Zellmantelabschnitt 5b sowie die Deckfläche 7 begrenzt. Der zweite Zellgehäusebereich 3b ist also einseitig, hier nach unten hin, offen ausgebildet. Das Brandschutzelement 12 kann beispielsweise im Falle einer Hitzeentwicklung ein Gas freisetzen oder einen expandierbaren Werkstoff aufweisen.
Die Energiespeicherzellen 1 werden dabei in einem Speichergehäuse 13 des elektrischen Energiespeichers 2 stehend auf einer Gehäusewand 14 des Speichergehäuses 13 angeordnet und dort mit einem Klebstoff 15 befestigt. Dabei bildet die zweite Kante 9 eine Stehkante für die Energiespeicherzelle 1 und die Gehäusewand 4 schließt die Brandschutzbereiche 11 der Energiespeicherzellen 1 ab.
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

DE 102020104501 A1 [0003]
DE 102019111787 A1 [0003]

Claims

Energiespeicherzelle (1) für einen elektrischen Energiespeicher (2) eines Kraftfahrzeugs, aufweisend: - ein Zellgehäuse (3) mit einem Zellmantel (5) und zwei Deckflächen (6, 7), wobei der Zellmantel (5) und die Deckflächen (6, 7) einen Aufnahmebereich (10) umschließen, - ein galvanisches Element (4), welches in dem Aufnahmebereich (10) angeordnet ist, dadurch gekennzeichnet, dass die Energiespeicherzelle (1) ein Brandschutzelement (12) aufweist, wobei eine der Deckflächen (7) versetzt zu einer Kante (9) des Zellmantels (5) angeordnet ist und das Zellgehäuse (3) in zwei Zellgehäusebereiche (3a, 3b) unterteilt, von welchen ein erster Zellgehäusebereich (3a) den Aufnahmebereich (10) für das galvanische Element (4) ausbildet und ein angrenzender zweiter Zellgehäusebereich (3b) einen Brandschutzbereich (11) zum Aufnehmen des Brandschutzelementes (12) ausbildet.
Energiespeicherzelle (1) nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das Brandschutzelement (12) dazu ausgelegt ist, zur Brandvermeidung oder Brandhemmung ein Gas freizusetzen.
Energiespeicherzelle (1) nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass das Brandschutzelement (12) ein intumeszentes Material umfasst.
Energiespeicherzelle (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Energiespeicherzelle (1) als eine Rundzelle ausgebildet ist und einen zylindrischen Zellmantel (5) und zwei kreisförmige Deckflächen (6, 7) aufweist.
Energiespeicherzelle (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass eine erste der Deckflächen (6) als ein Zellgehäusedeckel und eine zweite der Deckflächen (7) als ein Zellgehäuseboden ausgebildet ist, wobei der Zellgehäusedeckel angrenzend an eine Oberkante (8) des Zellmantels (5) angeordnet ist und der Zellgehäuseboden in Erstreckungsrichtung beabstandet zu einer Unterkante (9) des Zellmantels (5) angeordnet ist, sodass der Aufnahmebereich (3) in einer Hochrichtung (H) oberhalb des Brandschutzbereiches (11) angeordnet ist.
Energiespeicherzelle (1) nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass die Unterkante (9) des Zellmantels (5) eine Stehkante der Energiespeicherzelle (1) ausbildet.
Elektrischer Energiespeicher (2) für ein Kraftfahrzeug aufweisend ein Speichergehäuse (13) sowie mehrere Energiespeicherzellen (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, welche in dem Speichergehäuse (13) angeordnet sind.
Elektrischer Energiespeicher (2) nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass die Energiespeicherzellen (1) mit der dem Brandschutzbereich (11) zugeordneten Kante (9) des Zellmantels (5) an einer Gehäusewand (14) des Speichergehäuses (13) angeordnet sind, sodass die Gehäusewand (14) die Brandschutzbereiche (11) der Energiespeicherzellen (1) abschließt.
Elektrischer Energiespeicher (2) nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass die Energiespeicherzellen (1) mittels eines Klebstoffs (15) an der Gehäusewand (14) befestigt sind.
Kraftfahrzeug mit zumindest einem elektrischen Energiespeicher (2) nach einem der Ansprüche 7 bis 9.