DE102022111089A1 - Schutzvorrichtung für Batteriezellen einer Batterie sowie Batterie mit einer solchen Schutzvorrichtung - Google Patents

Schutzvorrichtung für Batteriezellen einer Batterie sowie Batterie mit einer solchen Schutzvorrichtung Download PDF

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Abstract

Die vorliegende Erfindung betrifft eine Schutzvorrichtung (10, 101, 102, 103) für Batteriezellen (12, 121, 122, 123) einer Batterie, umfassend zumindest eine Batteriezelle (12, 121, 122, 123) mit einem verformbaren Gehäuse (16), welches einen Hohlraum (24) umschließt, in welchem weitere Zellenkomponenten angeordnet sind, und eine Begrenzungseinheit (20) zum Begrenzen der Verformung des Gehäuses (16) auf das maximal zulässige Maß im Falle einer Krafteinwirkung auf das Gehäuse (16). Ferner betrifft die vorliegende Erfindung eine Batterie (14) mit einer solchen Schutzvorrichtung (10, 101, 102, 103).

Description

  • Die vorliegende Erfindung betrifft eine Schutzvorrichtung für Batteriezellen einer Batterie. Ferner betrifft die vorliegende Erfindung eine Batterie mit einer solchen Schutzvorrichtung.
  • STAND DER TECHNIK
  • Im Zuge der Bestrebungen, den Kohlendioxid-Ausstoß in die Atmosphäre zu verringern, werden zunehmend Verbrennungsmotoren, mit denen Fahrzeuge angetrieben werden, durch Elektromotoren ersetzt. Zum Speichern von elektrischer Energie weisen die mit Elektromotoren angetriebenen Fahrzeuge Batterien oder Akkumulatoren auf. Im Folgenden werden die Begriffe Batterien und Akkumulatoren gleichwertig verwendet. Im Falle eines Crashs können die Gehäuse der Batteriezellen so stark verformt werden, dass die Batterien nicht nur ihre Funktionsfähigkeit verlieren, sondern es kann infolge der zu starken Verformung zu einem Durchgehen der Batterie kommen, auch als „Thermal Runaway“ bezeichnet, wodurch sich die Batterie entzündet. Um Schäden am Fahrzeug und in der Umgebung des Fahrzeugs zu vermeiden oder zu begrenzen, muss die Batterie gelöscht werden.
  • Die US 2017/0291502 A1 zeigt einen Batteriehalter, in welchem eine Vielzahl von Batteriezellen aufgenommen werden kann. Dabei ist ein Verformungsabschnitt im Batteriehalter vorgesehen, der in Abhängigkeit von der äußeren Krafteinwirkung verformt werden kann. Hierdurch soll erreicht werden, dass sich der Verformungsabschnitt verformt und nicht das Gehäuse der Batteriezellen. Eine Zerstörung der Gehäuse und ein hierdurch verursachtes Auslaufen der in den Batteriezellen enthaltenen Flüssigkeiten sollen hierdurch verhindert werden.
  • OFFENBARUNG DER ERFINDUNG
  • Aufgabe einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung ist es, eine Schutzvorrichtung für Batteriezellen einer Batterie sowie eine Batterie vorzuschlagen, mit welchen es mit einfachen und kostengünstigen Mitteln möglich ist, eine Abhilfe für die oben genannten Nachteile zu schaffen.
  • Diese Aufgabe wird mit den in den Ansprüchen 1, 4, 5, 6 und 7 angegebenen Merkmalen gelöst. Vorteilhafte Ausführungsformen sind Gegenstand der Unteransprüche.
  • Eine Ausführungsform der Erfindung betrifft eine Schutzvorrichtung für Batteriezellen einer Batterie, umfassend
    • - zumindest eine Batteriezelle mit einem verformbaren Gehäuse, welches einen Hohlraum umschließt, in welchem weitere Zellenkomponenten angeordnet sind, und
    • - eine Begrenzungseinheit zum Begrenzen der Verformung des Gehäuses auf das maximal zulässige Maß im Falle einer Krafteinwirkung auf das Gehäuse.
  • Die Schutzvorrichtung ist derart ausgelegt, dass die Verformung des Gehäuses der Batteriezelle auf das maximal zulässige Maß begrenzt wird. Verformt sich das Gehäuse der Batteriezelle innerhalb des zulässigen Maßes, kann die Batterie ihre Funktionsfähigkeit beibehalten. Jedenfalls wird ein Durchgehen und ein entsprechendes Abbrennen der Batterie vermieden. Die von einem Abbrennen der Batterie entstehenden Gefahren werden mit der vorschlagsgemäßen Schutzvorrichtung gering gehalten oder ganz beseitigt. Bei einer Verformung im maximal zulässigen Maß geht von der Batteriezelle keine Gefahr für die Umwelt aus. Die vorschlagsgemäße Schutzvorrichtung ist nicht auf einen speziellen Batterietyp beschränkt. Folglich kann die Schutzvorrichtung für Batterien mit prismatischen Zellen, Rundzellen oder Pouchzellen verwendet werden, wobei die Aufzählung nicht abschließend ist.
  • Nach Maßgabe einer weiteren Ausführungsform kann die Begrenzungseinheit einen Rahmen umfassen, welcher das Gehäuse umgibt, wobei der Rahmen eine geringere Verformbarkeit aufweist als das Gehäuse.
  • Im Falle eines Crashs nehmen die Rahmen die wirkenden Kräfte auf und nicht das Gehäuse der Batteriezelle. Aufgrund der geringeren Verformbarkeit der Rahmen im Vergleich zur Verformbarkeit des Gehäuses ist die bei den üblicherweise bei Crashs auftretenden Kräften auftretende Verformung des Rahmens geringer als das maximal zulässige Maß, um welches das Gehäuse der Batteriezelle verformt werden darf. Diese Ausführungsform der Schutzvorrichtung lässt sich vergleichsweise einfach fertigen und somit kostengünstig zur Verfügung stellen. Zudem lassen sich die Rahmen relativ einfach auf die gängigen Abmessungen der Batteriezellen anpassen.
  • In einer weitergebildeten Ausführungsform kann
    • - der Rahmen einen Hohlraum umschließen und eine Öffnung aufweisen, durch welche die Batteriezelle in den Hohlraum einbringbar ist, und
    • - die Batteriezelle
      • ◯ in einem unverformten Zustand um eine Distanz über die Öffnung aus dem Hohlraum herausragen und
      • ◯ in einem verformten Zustand bündig mit der Öffnung abschließen, wobei
    • - die Distanz so bemessen sein kann, dass sie dem maximal zulässigen Maß der Verformung entspricht, wenn sich das Gehäuse im verformten Zustand befindet.
  • Im Falle eines Crashs wird die Karosserie des betreffenden Fahrzeugs zusammengeschoben. So wird beispielsweise im Falle eines Frontcrashs ein im vorderen Bereich des Fahrzeugs angeordneter Träger in Vorwärts-Fahrtrichtung gesehen nach hinten verschoben. Im Falle eines Seitencrashs wird ein seitlich angeordneter Träger zur Fahrzeugmitte hin verschoben. Der betreffende Träger kann dabei direkt oder indirekt auf eine Batteriezelle drücken. Dabei wird das Gehäuse der Batteriezelle so weit verformt, bis die Batteriezelle vollständig oder nahezu vollständig in den Hohlraum eingebracht ist. Die Distanz, um welche das Gehäuse der Batteriezelle dabei zusammengeschoben wird, ist so bemessen, dass das Gehäuse nicht über das maximal zulässige Maß hinaus verformt wird. Ist die Batteriezelle vollständig oder nahezu vollständig in die Batteriezelle eingebracht, kommt der Träger mit dem Rahmen in Kontakt. Aufgrund der im Vergleich zum Gehäuse der Batteriezelle geringeren Verformbarkeit des Rahmens wird dann das Gehäuse der Batteriezelle nicht oder nur in einem vernachlässigenden Umfang verformt, wodurch die Batteriezelle geschützt wird.
  • Eine Ausbildung der Erfindung betrifft eine Batterie, umfassend
    • - zwei oder mehrere Batteriezellen sowie
    • - eine Schutzvorrichtung nach einer der zuvor beschriebenen Ausführungsformen, wobei
    • - die Batteriezellen fluchtend entlang einer Verschiebeachse angeordnet sind und der über die Öffnung aus dem Hohlraum herausragende Teil einer Batteriezelle zu einer benachbarten Batteriezelle hinzeigt.
  • Die technischen Effekte und Vorteile, die sich mit der vorliegenden Batterie erreichen lassen, entsprechen denjenigen, die für die vorliegende Schutzvorrichtung erörtert worden sind. Unter einer Batterie soll im Zuge der vorliegenden Beschreibung eine Einheit verstanden werden, welche eine Mehrzahl von Batteriezellen umfasst. Aufgrund der fluchtenden Anordnung zumindest von zwei Batteriezellen entlang der Verschiebeachse tritt folgender Effekt auf: Unter der Verschiebeachse kann die Achse verstanden werden, entlang welcher im Falle eines Crashs das betreffende Fahrzeug zusammengeschoben wird. Hierbei bietet es sich an, die Verschiebeachse parallel zur Längsachse und folglich parallel zur Hauptfahrtrichtung auszurichten. Dies begründet sich im Wesentlichen damit, dass bei einem Frontcrash die höchsten Kräfte und folglich die höchsten Verformungen auftreten, die ganz oder größtenteils entlang der Längsachse des betreffenden Fahrzeugs wirken. Im Falle eines Crashs verformt sich, wie zuvor beschrieben, zunächst das Gehäuse der Batteriezelle, welche dem sich verschiebenden Träger am nächsten angeordnet ist, soweit, bis diese Batteriezelle vollständig in den vom Rahmen umschlossenen Hohlraum eingebracht ist. Anschließend nimmt der Rahmen die wirkenden Kräfte auf und wird infolgedessen zur benachbart angeordneten Batteriezelle hin verschoben. Das Gehäuse dieser benachbart angeordneten Batteriezelle wird ebenfalls so lange verformt, bis das Gehäuse vollständig in den vom Rahmen umschlossenen Hohlraum eingebracht ist. Dieser Prozess setzt sich so lange fort, bis entweder die wirkenden Kräfte vollständig abgebaut sind oder bis die Gehäuse aller Batteriezellen der betreffenden Batterie vollständig in die Hohlräume der ihnen zugeordneten Rahmen eingebracht worden sind. Es kann dabei sichergestellt werden, dass die Gehäuse der Batteriezellen nicht über das maximal zulässige Maß verformt und folglich nicht zerstört werden und keine Gefahr für die Umwelt darstellen.
  • Bei einer weitergebildeten Ausführungsform der Schutzvorrichtung kann
    • - die Begrenzungseinheit einen im Gehäuse angeordneten Verformungsabschnitt umfassen, welcher ausgehend von einem unverformten Zustand in einen maximal verformten Zustand zusammendrückbar ist, wobei
    • - der Verformungsabschnitt bis zum Erreichen des maximal verformten Zustands eine höhere Verformbarkeit aufweist als das übrige Gehäuse.
  • In dieser Ausführungsform umfasst das Gehäuse einen Verformungsabschnitt, in welchem sich die Batteriezelle bei einer entsprechenden Krafteinwirkung verformt. Insofern weist der Verformungsabschnitt Ähnlichkeiten zu einer Sollbruchstelle oder einem Sollbruchbereich auf und kann daher auch als Sollverformungsbereich aufgefasst werden. Dieser Verformungsabschnitt weist eine erhöhte Verformbarkeit auf als die übrige Batteriezelle. Hierzu kann das Gehäuse im Verformungsabschnitt gezielt geschwächt oder das Gehäuse außerhalb des Verformungsabschnitts gezielt verstärkt werden. Die Batteriezelle ist so ausgelegt, dass diese ihre Funktionsfähigkeit im maximal verformten Zustand behalten kann. Im maximal verformten Zustand geht von der betreffenden Batteriezelle keine Gefahr für die Umwelt aus.
  • Eine Ausgestaltung der Erfindung betrifft eine Batterie, umfassend
    • - zwei oder mehrere Batteriezellen sowie
    • - eine Schutzvorrichtung nach der zuvor diskutierten Ausführungsform, wobei
    • - die Batteriezellen fluchtend entlang einer Verschiebeachse angeordnet sind und der Verformungsabschnitt entlang der Verschiebeachse zusammendrückbar oder zusammengedrückt ist.
  • Wie auch bei der bereits beschriebenen Ausbildung der Batterie werden die Batteriezellen bei einer entsprechenden Krafteinwirkung nacheinander in den maximal verformten Zustand zusammengedrückt, in welchem die Batteriezelle noch funktionstüchtig ist, zumindest aber keine Gefahr für die Umwelt darstellt. Dieser Prozess setzt sich so lange fort, bis entweder die wirkenden Kräfte vollständig abgebaut sind oder bis die Gehäuse aller Batteriezellen der betreffenden Batterie in den maximal verformten Zustand zusammengedrückt worden sind.
  • Eine Ausführung der Erfindung betrifft eine Batterie, umfassend
    • - zwei oder mehrere Batteriezellen sowie
    • - eine Schutzvorrichtung nach einer der zuvor diskutierten Ausführungsformen, wobei
    • - die Batteriezellen fluchtend entlang einer Verschiebeachse angeordnet sind, und
    • - die Begrenzungseinheit zumindest einen Verformungsabschnitt umfasst, welcher
    • - zwischen zwei benachbarten Batteriezellen angeordnet ist,
    • - ausgehend von einem unverformten Zustand in einen maximal verformten Zustand entlang der Verschiebeachse zusammendrückbar ist, und
    • - bis zum Erreichen des maximal verformten Zustands eine höhere Verformbarkeit aufweist als die Batteriezellen.
  • In dieser Ausführungsform ist der Verformungsabschnitt außerhalb der Batteriezelle angeordnet. Im Übrigen entsprechen die Funktionsweisen, technischen Effekte und Vorteile, die sich mit der vorschlagsgemäßen Batterie erreichen lassen, denjenigen, die für die bereits diskutierten Ausgestaltungen und Ausführungen der Batterie beschrieben worden sind.
  • Figurenliste
  • Beispielhafte Ausführungsformen der Erfindung werden im Folgenden unter Bezugnahme auf die beigefügten Zeichnungen näher erläutert. Es zeigen
    • 1A ein erstes Ausführungsbeispiel einer erfindungsgemäßen Batteriezelle in einem Ausgangszustand,
    • 1B das in 1A gezeigte Ausführungsbeispiel der Batteriezelle in einem auf das maximal zulässige Maß verformten Zustand,
    • 2A ein zweites Ausführungsbeispiel einer erfindungsgemäßen Batteriezelle in einem Ausgangszustand,
    • 2B das in 2A gezeigte Ausführungsbeispiel der Batteriezelle in einem auf das maximal zulässige Maß verformten Zustand,
    • 3A ein zweites Ausführungsbeispiel einer erfindungsgemäßen Batteriezelle in einem Ausgangszustand,
    • 3B das in 2A gezeigte Ausführungsbeispiel der Batteriezelle in einem auf das maximal zulässige Maß verformten Zustand,
    • 4 eine Batterie nach dem Stand der Technik im Ausgangszustand (links) und im maximal zulässigen Maß verformt (rechts),
    • 5 eine Batterie mit einer Vielzahl von Batteriezellen nach dem ersten Ausführungsbeispiel im Ausgangszustand (links) und in einem auf das maximal zulässige Maß verformten Zustand (rechts),
    • 6 eine Batterie nach dem Stand der Technik im Ausgangszustand (links) und im maximal zulässigen Maß verformt (rechts), und
    • 7 eine Batterie mit einer Vielzahl von Batteriezellen nach dem zweiten Ausführungsbeispiel im Ausgangszustand (links) und in einem auf das maximal zulässige Maß verformten Zustand (rechts).
  • 1A zeigt ein erstes Ausführungsbeispiel einer erfindungsgemäßen Schutzvorrichtung 101 für eine Batteriezelle 12 einer Batterie 14 (siehe 5) in einem Ausgangszustand. Im Rahmen 22 der vorliegenden Beschreibung soll unter einer Batterie 14 eine Einheit verstanden werden, welche eine Vielzahl von Batteriezellen 12 aufweist. Unter einem Ausgangszustand soll der Zustand erstanden werden, in welchem sich die Batteriezelle 12 im bestimmungsgemäßen Gebrauch befindet. Folglich ist die Batteriezelle 12 im Ausgangszustand voll funktionsfähig und in keiner Weise verformt oder beschädigt.
  • Die Batteriezelle 12 umfasst ein verformbares Gehäuse 16, welches einen Zellenraum 18 umschließt. In diesem Zellenraum 18 sind hier nicht dargestellte Zellenkomponenten angeordnet, beispielsweise Elektroden, Separatoren sowie eine Elektrolytflüssigkeit, um nur einige der Zellenkomponenten zu nennen. Darüber hinaus umfasst die Schutzvorrichtung 101 eine Begrenzungseinheit 20, mit welcher die Verformung des Gehäuses 16 auf das maximal zulässige Maß im Falle einer Krafteinwirkung auf das Gehäuse 16 begrenzt werden kann. Im Rahmen 22 der vorliegenden Anmeldung soll unter dem maximal zulässigen Maß eine Verformung verstanden werden, bei welcher die Batteriezelle 12 keine Gefahr für die Umwelt darstellt. Eine derartige Gefahr kann von einem sogenannten Durchgehen der Batteriezelle 12 ausgehen, auch als „Thermal Runaway“ bezeichnet. In diesem Fall kann die Batteriezelle 12 in Brand geraten. Ist die Batteriezelle 12 um das maximal zulässige Maß verformt, kann sie auch noch voll funktionsfähig sein, was aber nicht notwendigerweise gegeben sein muss. Wichtig jedoch ist hierbei, dass bei einer Verformung um das maximal zulässige Maß die oben genannten Gefahren von der Batteriezelle 12 nicht ausgehen können.
  • In dem in der 1A gezeigten Ausführungsform der Schutzvorrichtung 101 umfasst die Begrenzungseinheit 20 einen Rahmen 22, welcher eine geringere Verformbarkeit aufweist als das Gehäuse 16 der Batteriezelle 12. Der Rahmen 22 umschließt einen Hohlraum 24, in welchem die Batteriezelle 12 angeordnet ist. Bezogen auf die in 1A gewählte Darstellung weist der Rahmen 22 eine U-förmige Ausgestaltung auf und bildet eine Öffnung 26, durch welche die Batteriezelle 12 in den Hohlraum 24 eingebracht werden kann. Wie ebenfalls aus der 1A ersichtlich, steht die Batteriezelle 12 um eine Distanz D über die Öffnung 26 aus dem Hohlraum 24 hervor.
  • In der 1B ist die in 1A gezeigte Batteriezelle 12 erneut gezeigt, wobei das Gehäuse 16 der Batteriezelle 12 um das maximal zulässige Maß verformt ist. In diesem Fall ist die Batteriezelle 12 vollständig oder nahezu vollständig in den Hohlraum 24 des Rahmens eingebracht und schließt folglich annäherungsweise bündig mit der Öffnung 26 ab. Die Verformung des Gehäuses 16 wird von einer Krafteinwirkung auf das Gehäuse 16 bewirkt, die beispielsweise im Falle eines Crashs eines Fahrzeugs 40 (vgl. 5) auftreten kann. Hierbei kann beispielsweise ein hier nicht gezeigtes Bauteil des betreffenden Fahrzeugs 40 auf das über die Öffnung 26 überstehende freie Ende des Gehäuses 16 einwirken und das Gehäuse 16 der Batteriezelle 12 wie in 1B gezeigt verformen. Sobald das Gehäuse 16 wie in 1B gezeigt verformt ist, kann das Bauteil das Gehäuse 16 nicht mehr weiter zusammendrücken, da es nun auf den Rahmen 22 drückt, welcher, wie erwähnt, eine geringere Verformbarkeit aufweist als das Gehäuse 16.
  • In den 2A und 2B ist ein zweites Ausführungsbeispiel der erfindungsgemäßen Schutzvorrichtung 102 dargestellt, wobei im Gehäuse 16 ein Verformungsabschnitt 28 angeordnet ist oder dieser vom Gehäuse 16 gebildet wird. Der Verformungsabschnitt 28 kann ausgehend von einem unverformten Zustand, der in 2A gezeigt ist, in einen maximal verformten Zustand (siehe 2B) verformt werden, wobei der Verformungsabschnitt 28 bis zum Erreichen des maximal verformten Zustands eine höhere Verformbarkeit aufweist als das übrige Gehäuse 16. Infolge einer Krafteinwirkung auf das Gehäuse 16 wird der Verformungsabschnitt 28 bis zum maximal verformten Zustand zusammengedrückt, während das übrige Gehäuse 16 unverformt oder nahezu unverformt bleibt. Wenn der Verformungsabschnitt 28 den maximal verformten Zustand erreicht hat, geht von der Batteriezelle 12 keine Gefahr für die Umwelt aus. Insbesondere kann sich im maximal verformten Zustand des Verformungsabschnitts 28 die Batteriezelle 12 nicht entzünden. Es kann dabei sogar so sein, dass die Batteriezelle 12 noch voll funktionsfähig ist. Der Verformungsabschnitt 28 kann dadurch gebildet werden, dass das Gehäuse 16 gezielte Schwächungen wie Kerben aufweist, wodurch die Verformbarkeit erhöht wird.
  • Alternativ oder kumulativ kann der Verformungsabschnitt 28 aus einem anderen Material als das übrige Gehäuse 16 gebildet und anders dimensioniert sein, um die Verformbarkeit gegenüber dem übrigen Gehäuse 16 zu erhöhen.
  • In den 3A und 3B ist ein drittes Ausführungsbeispiel einer Schutzvorrichtung 103 für Batteriezellen 12 dargestellt, wobei in diesem Fall die Schutzvorrichtung 103 ebenfalls den bereits beschriebenen Verformungsabschnitt 28 aufweist. Im Gegensatz zu dem zweiten Ausführungsbeispiel der Schutzvorrichtung 102 ist im dritten Ausführungsbeispiel der Schutzvorrichtung 103 der Verformungsabschnitt 28 nicht im Gehäuse 16 angeordnet, sondern zwischen zwei benachbarten Batteriezellen 12 einer Batterie 14. Im Übrigen gleicht die Wirkungsweise der Schutzvorrichtung 101 derjenigen, wie für das zweite Ausführungsbeispiel beschrieben.
  • In 4 ist ein Abschnitt eines Fahrzeug 30 prinzipiell dargestellt, welches einen ersten Träger 32 und einen zweiten Träger 34 umfasst, in diesem Fall jeweils als Längsträger ausgestaltet, die Teil des Fahrgestells sein können. Dabei soll angenommen werden, dass der erste Träger 32 im Bereich eines in Fahrtrichtung F gesehen linken Endes 36 und der zweite Träger 34 im Bereich eines in Fahrtrichtung F gesehen rechten Endes des Fahrzeugs 30 angeordnet sind. An dieser Stelle sei darauf hingewiesen, dass die Träger 32, 34 nur als beispielhafte Bauteile des Fahrzeugs 30 angeführt sind. Die Träger 32, 34 können für die nachfolgende Beschreibung auch durch andere Bauteile ersetzt sein. Es soll jedoch angenommen werden, dass die Träger 32, 34 die Bauraumgrenzen im gezeigten Abschnitt des Fahrzeugs 30 bilden.
  • Weiterhin weist das Fahrzeug 30 eine Batterie 14P ausgehend vom ersten Träger 32 mit einer ersten Batteriezelle 121, einer zweiten Batteriezelle 122 und einer dritten Batteriezelle 123 nach dem Stand der Technik auf.
  • Die Batteriezellen 12 sind entlang einer Verschiebeachse A angeordnet, welche parallel zu einer Querachse Q des Fahrzeugs 40 verläuft. Die Batteriezellen 12 im intakten, unverformten Zustand sind auf der linken Seite der 4 dargestellt, während die auf das maximal zulässige Maß verformten Batteriezellen 12 auf der rechten Seite der 4 gezeigt sind.
  • Die Batterie 14P liegt bündig am zweiten Träger 34 an, wobei ein gewisser Zwischenraum vorgesehen sein kann. Auch ist denkbar, dass die Batterie 14P bündig am ersten Träger 32 anliegt. Zudem können auch andere, hier nicht dargestellte Bauteile zwischen der Batterie 14P und dem ersten Träger 32 oder dem zweiten Träger 34 angeordnet sein.
  • Im Folgenden soll angenommen werden, dass das Fahrzeug 30 in einen Seitencrash verwickelt ist, bei welchem das Fahrzeug 30 mit seinem linken Ende 36 gegen einen Gegenstand 38, in diesem Fall gegen einen als im Wesentlichen starren Pfosten bewegt wird. Infolge des Seitencrashs wird der erste Träger 32 zum zweiten Träger 34 hin verschoben (nicht dargestellt) und die Gehäuse 16 der Batteriezellen 12 um das maximal zulässige Maß verformt, wie es auf der rechten Seite der 4 dargestellt ist. Dabei verformt sich die Batterie 14P um das Maß VS. Es kann dabei aber nicht ausgeschlossen werden, dass je nach Größe der auf die Batteriezellen 12 einwirkenden Kräfte die Gehäuse 16 der Batteriezellen 12 über das maximal zulässige Maß hinaus verformt werden. Bei einer Verformung der Gehäuse 16 über das maximal zulässige Maß hinaus kann es zu einem bereits erwähnten Durchgehen der Batterie 14 kommen, infolgedessen diese sich entzünden kann, wodurch eine Gefahr für die Umwelt des betreffenden Fahrzeugs 30 ausgeht.
  • In der 5 ist ebenfalls ein Fahrzeug 40 dargestellt, welches genauso aufgebaut ist wie das in 4 dargestellte Fahrzeug 30, allerdings weist das in 5 dargestellte Fahrzeug 40 eine Batterie 14 auf, welche mit einer Schutzvorrichtung 101 gemäß dem in den 1 B und 1B dargestellten Ausführungsbeispiel ausgestattet ist.
  • Im Falle eines Seitencrashs verschiebt sich zunächst die benachbart zum ersten Träger 32 angeordnete erste Batteriezelle 121, zum zweiten Träger 34 hin, bis die erste Batteriezelle 121 am Rahmen 22 der benachbarten zweiten Batteriezelle 122 anliegt. Bei einer entsprechend hohen Krafteinwirkung wird die erste Batteriezelle 121 so lange zusammengedrückt und verformt, bis der Rahmen 22 der ersten Batteriezelle 121 an der zweiten Batteriezelle 122 anliegt. Bei einer weiteren Krafteinwirkung verschieben sich die erste Batteriezelle 121 und die zweite Batteriezelle 122 zusammen zur dritten Batteriezelle 123, bis die zweite Batteriezelle 122 an der dritten Batteriezelle 123 anliegt und wie für die erste Batteriezelle 121 beschrieben verformt wird. Dieser Vorgang setzt sich auch für das Gehäuse 16 der dritten Batteriezelle 123 fort, bis der Zustand erreicht ist, der in 5 rechts dargestellt ist. Dabei verformt sich die Batterie 14 um das Maß VE.
  • Bezugnehmend auf die 1A ist die dort eingezeichnete Distanz D so bemessen, dass bei einem Zusammendrücken des Gehäuses 16 um diese Distanz D das maximal zulässige Maß der Verformung nicht überschreitet. Im Gegensatz zu der in 4 gezeigten Batterie 14P nach dem Stand der Technik nehmen bei der in 5 dargestellten erfindungsgemäßen Batterie 14 die Rahmen 22 diejenigen Kräfte auf, die über die Verformung der Gehäuse 16 der drei Batteriezellen 12 hinaus noch wirken, wodurch die Batterie 14 geschützt und insbesondere ein Entzünden der Batterie 14 vermieden wird.
  • Vergleicht man die Batterie 14P des Fahrzeugs 40 nach dem Stand der Technik mit der vorschlagsgemäßen Batterie 14, so stellt man fest, dass die vorschlagsgemäße Batterie 14 um die Länge ΔL länger baut und entsprechend mehr Bauraum benötigt, gleichzeitig aber eine größere Verformung zulässt, die sich aus der Differenz der Werte VE - VS ergibt.
  • In 6 ist eine Batterie 14P nach dem Stand der Technik anhand einer prinzipiellen Darstellung gezeigt, welche eine Vielzahl von Batteriezellen 12 aufweist, in diesem Fall zehn Batteriezellen 12. Auf der linken Seite der 6 ist die Batterie 14P im intakten, unverformten Zustand dargestellt. Im Falle eines Seitencrashs führt bereits eine Verformung einer einzigen Batteriezelle 12, typischerweise derjenigen, die benachbart zum betreffenden Träger 32, 34, in diesem Fall zum linken Träger 32, angeordnet ist, über das zulässige Maß hinaus zu einem kritischen Zustand. In 6 rechts ist der Fall dargestellt, dass die benachbart zum Träger 32 angeordnete Batteriezelle 12 um das maximal zulässige Maß verformt worden ist. Um eine darüber hinaus gehende Verformung mit einer ausreichend großen Wahrscheinlichkeit zu vermeiden, muss ein entsprechend großer Abstand A zwischen dem betreffenden Träger 32 und der Batterie 14P vorgesehen sein. Der infolge dieses Abstands A entstehende Raum kann nicht genutzt werden.
  • In 7 ist eine vorschlagsgemäße Batterie 14 analog zu der Darstellung nach 6 gezeigt. Die vorschlagsgemäße Batterie 14 weist dabei eine Schutzvorrichtung 102 gemäß dem in den 2B und 2B dargestellten Ausführungsbeispiel auf. Dadurch, dass sich die Verformungen beispielsweise im Falle eines Seitencrashs auf alle Batteriezellen 12 verteilen, ist es möglich, eine zusätzliche Batteriezelle 12, insgesamt also elf Batteriezellen 12 vorzusehen, wobei die Batterie 14 auch direkt mit dem Träger 32 in Kontakt treten kann. Dabei überschreitet die Verformung der Batteriezellen 12 bei einem Seitencrash, der demjenigen entspricht, der in 6 dargestellt ist, das zulässige Maß nicht. Der vorhandene Bauraum kann daher besser genutzt werden, ohne dass Abstriche bei der Sicherheit des betreffenden Fahrzeugs 40 gemacht werden müssen.
  • Es ist ebenfalls denkbar, dass die Batteriezellen 12 auch entlang einer Längsachse des Fahrzeugs 30 angeordnet sind (nicht dargestellt). Im Falle eines Frontcrashs gelten die oben beschriebenen Ausführungen analog. Allerdings ist der Seitencrash insofern kritischer zu sehen, als dass der zur Verfügung stehende Verformungsraum entlang der Querachse üblicherweise deutlich geringer ist als entlang der Längsachse.
  • ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
  • Diese Liste der vom Anmelder aufgeführten Dokumente wurde automatisiert erzeugt und ist ausschließlich zur besseren Information des Lesers aufgenommen. Die Liste ist nicht Bestandteil der deutschen Patent- bzw. Gebrauchsmusteranmeldung. Das DPMA übernimmt keinerlei Haftung für etwaige Fehler oder Auslassungen.
  • Zitierte Patentliteratur
    • US 2017/0291502 A1 [0003]

Claims (7)

  1. Schutzvorrichtung (10, 101, 102, 103) für Batteriezellen (12, 121, 122, 123) einer Batterie (14), umfassend - zumindest eine Batteriezelle (12, 121, 122, 123) mit einem verformbaren Gehäuse (16), welches einen Hohlraum (24) umschließt, in welchem weitere Zellenkomponenten angeordnet sind, und - eine Begrenzungseinheit (20) zum Begrenzen der Verformung des Gehäuses (16) auf das maximal zulässige Maß im Falle einer Krafteinwirkung auf das Gehäuse (16).
  2. Schutzvorrichtung (10, 101, 102, 103) nach Anspruch 1, wobei die Begrenzungseinheit (20) einen Rahmen (22) umfasst, welcher das Gehäuse (16) umgibt, wobei der Rahmen (22) eine geringere Verformbarkeit aufweist als das Gehäuse (16).
  3. Schutzvorrichtung (10, 101, 102, 103) nach Anspruch 2, wobei - der Rahmen (22) einen Hohlraum (24) umschließt und eine Öffnung (26) aufweist, durch welche die Batteriezelle (12, 121, 122, 123) in den Hohlraum (24) einbringbar ist, und - die Batteriezelle (12, 121, 122, 123) o in einem unverformten Zustand um eine Distanz (D) über die Öffnung (26) aus dem Hohlraum (24) herausragt und o in einem verformten Zustand bündig mit der Öffnung (26) abschließt, wobei - die Distanz (D) so bemessen ist, dass sie dem maximal zulässigen Maß der Verformung entspricht, wenn sich das Gehäuse (16) im verformten Zustand befindet.
  4. Batterie (14), umfassend - zwei oder mehrere Batteriezellen (12, 121, 122, 123) sowie - eine Schutzvorrichtung (10, 101, 102, 103) nach Anspruch 3, wobei - die Batteriezellen (12, 121, 122, 123) fluchtend entlang einer Verschiebeachse (A) angeordnet sind und der über die Öffnung (26) aus dem Hohlraum (24) herausragende Teil einer Batteriezelle (12, 121, 122, 123) zu einer benachbarten Batteriezelle (12, 121, 122, 123) hinzeigt.
  5. Schutzvorrichtung (10, 101, 102, 103) nach Anspruch 1, wobei - die Begrenzungseinheit (20) einen im Gehäuse (16) angeordneten Verformungsabschnitt (28) umfasst, welcher ausgehend von einem unverformten Zustand in einen maximal verformten Zustand zusammendrückbar ist, wobei - der Verformungsabschnitt (28) bis zum Erreichen des maximal verformten Zustands eine höhere Verformbarkeit aufweist als das übrige Gehäuse (16).
  6. Batterie (14), umfassend - zwei oder mehrere Batteriezellen (12, 121, 122, 123) sowie - eine Schutzvorrichtung (10, 101, 102, 103) nach Anspruch 5, wobei - die Batteriezellen (12, 121, 122, 123) fluchtend entlang einer Verschiebeachse (A) angeordnet sind und der Verformungsabschnitt (28) entlang der Verschiebeachse (A) zusammendrückbar oder zusammengedrückt ist.
  7. Batterie (14), umfassend - zwei oder mehrere Batteriezellen (12, 121, 122, 123) sowie - eine Schutzvorrichtung (10, 101, 102, 103) nach Anspruch 1, wobei - die Batteriezellen (12, 121, 122, 123) fluchtend entlang einer Verschiebeachse (A) angeordnet sind, und - die Begrenzungseinheit (20) zumindest einen Verformungsabschnitt (28) umfasst, welcher o zwischen zwei benachbarten Batteriezellen (12, 121, 122, 123) angeordnet ist, o ausgehend von einem unverformten Zustand in einen maximal verformten Zustand entlang der Verschiebeachse (A) zusammendrückbar ist, und o bis zum Erreichen des maximal verformten Zustands eine höhere Verformbarkeit aufweist als die Batteriezellen (12, 121, 122, 123).
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* Cited by examiner, † Cited by third party
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