DE102022112014A1

DE102022112014A1 - Fortbewegungsmittel, Anordnung und Strukturbauteil für eine Anordnung zur Speicherung elektrischer Energie

Info

Publication number: DE102022112014A1
Application number: DE102022112014.7A
Authority: DE
Inventors: Alexander Martin
Original assignee: Bayerische Motoren Werke AG
Current assignee: Bayerische Motoren Werke AG
Priority date: 2022-05-13
Filing date: 2022-05-13
Publication date: 2023-11-16

Abstract

Es werden eine Anordnung (2), ein Fortbewegungsmittel sowie ein Strukturbauteil (3) für eine Anordnung (2) zur Speicherung elektrischer Energie vorgeschlagen. Das Strukturbauteil (3) umfasst: eine Vielzahl Kavitäten (4) zur Aufnahme einer jeweiligen elektrochemischen Speicherzelle (5) und ein an jede der Kavitäten (4) grenzendes Ableitvolumen (6), wobei die Kavitäten (4) eine jeweilige Sollbruchstelle (7) zum Ableitvolumen (6) aufweisen, welche eingerichtet ist, im Ansprechen auf ein Bersten einer elektrochemischen Speicherzelle (5) die Kavität (4) mit dem Ableitvolumen (6) zu verbinden.

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft eine Anordnung, ein Fortbewegungsmittel sowie ein Strukturbauteil für eine Anordnung zur Speicherung elektrischer Energie. Insbesondere betrifft die vorliegende Erfindung eine verbesserte Absicherung aus einzelnen Speicherzellen zusammengesetzter Speicheranordnungen gegenüber Singularitäten und thermischer Propagation.
In Elektrofahrzeugen werden Lithium-Ionen-Akkumulatoren in großer Anzahl möglichst in Modulen angeordnet, um eine möglichst große Reichweite anbieten zu können. Bei Lithium-Ionen-Akkumulatoren kann durch Überlastung, Überhitzung, Beschädigung oder Fertigungsfehler die interne Isolation beschädigt werden und die gespeicherte Energie durch eine chemische Reaktion in kürzester Zeit in Wärme umgesetzt werden. Durch den geringen Abstand zu den benachbarten Zellen können diese auch überhitzen oder das ausgeworfene leitfähige Material verursacht Kurzschlüsse, die eine Kettenreaktion in Gang setzen. Lithium-Ionen-Akkumulatoren werden mit einem Überdruckventil (Zellvent) ausgerüstet, um eine Explosion der Zelle zu vermeiden. Das Grundprinzip des Zellvents besteht also in einer kontrollierten Entgasung der einzelnen Zelle. Genau dieses austretende Gas/Material gilt es, nicht zur Gefahr für benachbarte Zellen werden zu lassen.
Der vorstehend genannte Bedarf wird erfindungsgemäß durch ein Strukturbauteil für eine Anordnung zur Speicherung elektrischer Energie gelöst. Das Strukturbauteil kann als „Behälter“ für einzelne elektrochemische Speicherzellen verstanden werden. Hierzu weist das Strukturbauteil eine Vielzahl Kavitäten zur Aufnahme einer jeweiligen elektrochemischen Zelle auf. Die elektrochemischen Zellen können koaxial nebeneinander aufrechtstehend angeordnet werden. In dem Strukturbauteil, insbesondere in einer Bodenbaugruppe des Strukturbauteils, ist ein an jede der Kavitäten angrenzendes Ableitvolumen für das aus der Speicherzelle austretende Gas/Material vorgesehen. Würde das Ableitvolumen die Kavitäten bzw. Speicherzellen miteinander verbinden, würde aus einer ersten (defekten) elektrochemischen Speicherzelle austretendes leitfähiges und heißes Material die ordnungsgemäße Funktion benachbarter elektrochemischer Speicherzellen gefährden. Ein jeweiliges Ableitvolumen für eine jeweilige elektrochemische Speicherzelle würde jedoch im Normalfall ungenutztes Volumen und somit Bauraum im Fahrzeug blockieren. Daher wird erfindungsgemäß ein gemeinsames Ableitvolumen vorgesehen, welches über Sollbruchstellen mit den Kavitäten verbunden werden kann. Im Ansprechen auf ein Bersten einer elektrochemischen Speicherzelle wird die Kavität mit dem Ableitvolumen durch Bersten der Sollbruchstelle verbunden. Lediglich defekte Speicherzellen oder eine einzelne defekte Speicherzelle werden bzw. wird somit bedarfsweise an das Ableitvolumen angebunden, während die übrigen (intakten) elektrochemischen Speicherzellen durch die intakten Sollbruchstellen gegenüber dem heißen Gas/leitfähigen Material geschützt sind. Somit kann platzsparend ein Havariefall durch Propagation von Hitze und Fehlerfällen verhindert werden.
Die Unteransprüche zeigen bevorzugte Weiterbildungen.
Das Überdruckventil (die Sollbruchstelle, die Trennwand) zur Entgasung wird z. B. bei Rundzellen meistens an der Ober-/Unterseite der Zelle angebracht. Das Zellmodul kann an dieser Stelle einen von den Zellen getrennten Raum (Ableitvolumen) für die Entgasung der einzelnen Zelle vorsehen. Die Trennwand wird an der Stelle der Überdruckventile so gestaltet, dass der Überdruck der beschädigten Zelle die Trennwand im Bereich der Sollbruchstelle durchbricht und die Zelle in den separaten Raum entgasen kann. Alle anderen Zellen werden dabei von der Trennwand geschützt. Die Sollbruchstelle bzw. Trennwand im Sollbruchstellenbereich kann durch eine Materialschwächung und/oder einen Einsatz im Strukturbauteil ausgestaltet sein. Die Materialschwächung kann durch Gestaltung der Spritzgussform und/oder durch Fräsungen/Einsätze oder in anderer herkömmlicher Weise realisiert werden.
Um die Wirkungsweise der Sollbruchstelle weiter zu verbessern, kann eine Asymmetrie hinsichtlich ihres Ansprechverhaltens verwirklicht werden. Hierbei kann ein aus den Kavitäten in Richtung des Ableitvolumens wirkender Druck, welcher die Sollbruchstelle ansprechen lässt, geringer dimensioniert sein, als aus dem Ableitvolumen in Richtung der Kavitäten wirkender Druck. Insbesondere kann durch eine geeignete Materialschichtung verhindert werden, dass im Ableitvolumen befindliches Material eine Sollbruchstelle im Bereich einer intakten Speicherzelle ansprechen lässt. Alternativ oder zusätzlich kann eine Geometrie der Sollbruchstelle derart gewählt werden, dass ähnlich einem Kanaldeckel ein Überdruckventil realisiert wird, welches in erster Linie in Richtung des Ableitvolumens öffnen kann, während zum Öffnen in Richtung der Kavitäten Strukturelemente vorgesehen sind, welche ein Öffnen in diese Richtung verhindern. Insbesondere kann eine die Trennwand gegenüber der restlichen Struktur des Strukturbauteils abgrenzende Form einem Kegelstumpf ähnlich ausgestaltet sein bzw. die Trennwand eine Kegelstumpfform aufweisen. Somit kann die Trennwand innerhalb der Sollbruchstelle in Richtung größerer Querschnitte einfacher ansprechen, als bei einer Überdruckrichtung in Richtung engerer Querschnitte.
Die Kavitäten können auf die in ihnen anzuordnenden elektrochemischen Speicherzellen derart abgestimmt sein, dass eine vordefinierte korrespondierende Positionierung der Zellvents bezüglich der Sollbruchstellen bzw. Trennwände sichergestellt ist. Somit kann sichergestellt werden, dass die ansprechenden Zellvents möglichst unmittelbar auch die Sollbruchstelle des Strukturbauteils ansprechen lassen und eine rechtzeitige und vollständige Entgasung der defekten elektrochemischen Speicherzelle erfolgen kann.
Das Strukturbauteil kann insbesondere ein Dichtmittel aufweisen, welches um die Sollbruchstelle des Strukturbauteils herum angeordnet ist. Auf diese Weise kann eine Entgasung einer defekten elektrochemischen Speicherzelle in die Kavität hinein verhindert werden und der volle Überdruck wirkt auf die durch das Dichtmittel zum Gehäuse der defekten elektrochemischen Zelle hin abgedichtete Sollbruchstelle. Somit kann insbesondere verhindert werden, dass leicht- und dünnwandig gebaute Strukturbauteile durch austretende heiße Gase und Materialien im Bereich ihrer Wandungen zwischen zwei benachbarten Kavitäten aufschmelzen und sich thermische Havariefälle von einer elektrochemischen Speicherzelle durch die aufgeschmolzene Wandung zu einer benachbarten elektrochemischen Speicherzelle fortpflanzen können.
Um das Dichtmittel bei seiner Funktion zu unterstützen, kann das Strukturbauteil eine dem Ableitvolumen bezüglich der Kavitäten gegenüberliegende Stützstruktur aufweisen, welche eingerichtet ist, die elektrochemischen Speicherzellen gegenüber dem Dichtmittel vorzuspannen. Beispielsweise kann die Stützstruktur nach einem Befüllen der Kavitäten mit elektrochemischen Speicherzellen eingerastet, eingeschraubt oder anderweitig gegenüber den elektrochemischen Speicherzellen vorgespannt werden. Alternativ oder zusätzlich kann die Stützstruktur auch als Rastnase oder federelastisches Element im Strukturbauteil vorgesehen werden, um jede einzelne Speicherzelle nach dem Einführen gegenüber dem Dichtmittel vorzuspannen.
Das Strukturbauteil kann eine Spritzgussstruktur aufweisen bzw. aus einer solchen bestehen. Insbesondere kann aus Gründen der elektrischen Isolation, der thermischen Isolation und zur Vermeidung unnötiger Masse eine Kunststoffstruktur als Spritzgussbauteil hergestellt werden. Dies schließt nicht aus, dass mehrere, insbesondere unterschiedliche, Kunststoffe in dem Strukturbauteil verbaut sind. Alternativ oder zusätzlich kann insbesondere zur Versteifung einer Bodenbaugruppe auch Metall als Bestandteil des Strukturbauteils oder als Hauptbestandteil des Strukturbauteils verwendet werden. Aus Gründen der elektrischen und thermischen Isolation kann das Metall anschließend mit einem Isolator beschichtet werden, um einer Übertragung elektrischer Energie von einer elektrochemischen Zelle zur Nachbarzelle entgegenzuwirken.
Das Strukturbauteil kann insbesondere durch Versteifungsstrukturen im Ableitvolumen versteift werden, um dem gegebenenfalls im Ableitvolumen im Havariefall bestehenden Überdruck standhalten zu können. Die Strukturen können als Stege auf dem Boden innerhalb oder außerhalb des Ableitvolumens ausgestaltet sein und alternativ oder zusätzlich auch mit einem im Bereich der Trennwände bzw. Sollbruchstellen befindlichen Abschnitt des Strukturbauteils verbunden sein. Wichtig ist eine hinreichend offene Gestaltung des Ableitvolumens, um den Fluss aus den elektrochemischen Speicherzellen austretender Fluide nicht über Gebühr zu hindern.
Gemäß einem zweiten Aspekt der vorliegenden Erfindung wird eine Anordnung umfassend ein Strukturbauteil gemäß dem erstgenannten Erfindungsaspekt und eine Vielzahl in die Kavitäten des Strukturbauteils eingesetzter elektrochemischer Speicherzellen vorgeschlagen. Die Anordnung kann als Bestandteil eines Traktionsenergiespeichers zum Antrieb elektrisch antreibbarer Fortbewegungsmittel ausgeführt werden bzw. verwendet werden. Hierzu können die elektrochemischen Speicherzellen in Kombination miteinander eine Spannungslage von 400 V, 800 V oder höher realisieren. Die Merkmale, Merkmalskombinationen und die sich aus diesen ergebenden Vorteile entsprechen ersichtlich denjenigen des erfindungsgemäßen Strukturbauteils, sodass zur Vermeidung von Wiederholungen auf die obigen Ausführungen verwiesen wird.
Gemäß einem dritten Aspekt der vorliegenden Erfindung wird ein Fortbewegungsmittel vorgeschlagen, welches zumindest anteilig elektrisch antreibbar ist. Das Fortbewegungsmittel umfasst eine Anordnung gemäß dem zweitgenannten Erfindungsaspekt, welche insbesondere in einer Bodenbaugruppe des Fortbewegungsmittels angeordnet ist. Die Bodengruppe kann insbesondere zur Versteifung der Karosserie des Fortbewegungsmittels die Anordnung verwenden. Beispielsweise kann die Anordnung in die Bodenbaugruppe eingegossen, eingeschäumt oder ähnlich dauerhaft in die Bodenbaugruppe integriert sein.
Weitere Einzelheiten, Merkmale und Vorteile der Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung und den Figuren. Es zeigen:

1 eine schematische Darstellung eines Ausführungsbeispiels eines erfindungsgemäßen Fortbewegungsmittels mit einem Ausführungsbeispiel einer erfindungsgemäßen Anordnung;
2 eine geschnittene Seitenansicht einer erfindungsgemäß ausgestalteten Anordnung mit einem Ausführungsbeispiel eines erfindungsgemäß ausgestalteten Strukturbauteils; und
3 eine perspektivische, geschnittene Darstellung eines Zellvents einer elektrochemischen Speicherzelle, welches über Dichtmittel an eine Sollbruchstelle, eine Trennwand und somit an ein Ableitvolumen grenzt.

1 zeigt ein elektrisch antreibbares Fortbewegungsmittel 10 in Form eines Pkws, in dessen Bodenbaugruppe 14 ein Ausführungsbeispiel einer erfindungsgemäßen Anordnung 2 als Traktionsenergiespeicher zur Speisung einer elektrischen Traktionsmaschine 1 vorgesehen ist. Die Anordnung 2 kann in die Bodenbaugruppe 14 eingegossen sein, um zur Versteifung derselben beizutragen.
2 zeigt eine geschnittene Seitenansicht einer Anordnung 2, in welcher elektrochemische Speicherzellen 5 koaxial (achsparallel) in Kavitäten 4 eines Ausführungsbeispiels des Strukturbauteils 3 angeordnet sind. Durch Stützstrukturen 11 werden die elektrochemischen Speicherzellen 5 gegenüber einem Dichtmittel 9 vorgespannt, welches wiederum eine Trennwand mit einer Sollbruchstelle 7 umgibt. Die Zellvents 8 der elektrochemischen Speicherzellen 5 sind somit durch die Dichtmittel 9 und Trennwände mit den Sollbruchstellen 7 fluidisch gekoppelt. Sofern die Sollbruchstellen 7 ansprechen, gelangt aus den elektrochemischen Speicherzellen 5 stammendes Gas/Material in das unterhalb befindliche Ableitvolumen 6, welches nach unten hin durch einen Boden 12 abgeschlossen ist. Das Ableitvolumen 6 und der Boden 12 werden durch Strukturen 13 versteift, um dem gegebenenfalls aufzunehmenden Überdruck Stand zu halten. Aus einer defekten elektrochemischen Speicherzelle 5 austretendes Fluid (siehe Pfeil P) gelangt Fluid nun auch an die Unterseiten der übrigen (intakten) Trennwände und Sollbruchstellen 7. Diese sind jedoch derart dimensioniert, dass sie dem Druck und der Temperatur hinreichend lange standhalten können. Somit sind die übrigen elektrochemischen Speicherzellen 5 wirksam gegen eine Beschädigung durch die defekte Zelle geschützt.
3 zeigt eine perspektivische Darstellung einer elektrochemischen Speicherzelle 5, welche in ihrem Boden ein Zellvent 8 aufweist. Das Strukturbauteil 3 weist eine Ringdichtung als Dichtmittel 9 auf, welches das Zellvent 8 umgibt. In der senkrechten Projektion des Zellvents 8 befindet sich im Strukturbauteil 3 eine Trennwand mit einer Sollbruchstelle 7. Diese schützt intakte Zellen 5 vor im Ableitvolumen 6 befindlichem heißem Material. Für von oben aus Richtung einer defekten Zelle 5 stammenden Druck ist die Sollbruchstelle 7 jedoch vergleichsweise anfällig, sodass im Havariefall eine Entgasung der defekten elektrochemischen Speicherzelle 5 kurzfristig und möglichst unverzögert möglich ist.
Bezugszeichenliste:

1: Elektrische Traktionsmaschine
2: Anordnung
3: Strukturbauteil
4: Kavität
5: elektrochemische Speicherzelle
6: Ableitvolumen
7: Sollbruchstelle
8: Zellvent
9: Dichtmittel
10: Fortbewegungsmittel
11: Stützstruktur
12: Boden
13: Strukturen
14: Bodenbaugruppe
P: Pfeil

Claims

Strukturbauteil (3) für eine Anordnung (2) zur Speicherung elektrischer Energie umfassend • eine Vielzahl Kavitäten (4) zur Aufnahme einer jeweiligen elektrochemischen Speicherzelle (5) und • ein an jede der Kavitäten (4) grenzendes Ableitvolumen (6), • wobei die Kavitäten (4) eine jeweilige Sollbruchstelle (7) zum Ableitvolumen (6) aufweisen, welche eingerichtet ist, im Ansprechen auf ein Bersten einer elektrochemischen Speicherzelle (5) die Kavität (4) mit dem Ableitvolumen (6) zu verbinden.
Strukturbauteil nach Anspruch 1, wobei die Sollbruchstelle (7) durch eine Materialschwächung und/oder einen Einsatz im Strukturbauteil (3) ausgestaltet ist.
Strukturbauteil nach Anspruch 1 oder 2, wobei die Sollbruchstelle (7) eine Asymmetrie hinsichtlich ihres Ansprechverhaltens aufweist, indem aus den Kavitäten (4) wirkender erster Überdruck die Sollbruchstelle (7) ansprechen lässt, während ein aus dem Ableitvolumen (6) wirkender identischer Überdruck die Sollbruchstelle (7) nicht ansprechen lässt.
Strukturbauteil nach einem der vorstehenden Ansprüche, wobei die Kavitäten (4) eingerichtet sind, die elektrochemischen Speicherzellen (5) aufrechtstehend nebeneinander zu arrangieren, so dass Zellvents (8) der elektrochemischen Speicherzellen (5) mit einer jeweiligen Sollbruchstelle (7) korrespondieren.
Strukturbauteil nach einem der vorstehenden Ansprüche, wobei das Strukturbauteil (3) ein Dichtmittel (9) um die Sollbruchstelle (7) des Strukturbauteils (3) aufweist, um im Falle einer Entgasung der elektrochemischen Speicherzelle (5) die Sollbruchstelle (7) unverzüglich ansprechen zu lassen.
Strukturbauteil nach Anspruch 5, wobei das Strukturbauteil (3) eine dem Ableitvolumen (6) bezüglich der Kavitäten (4) gegenüberliegende Stützstruktur (11) aufweist, welche eingerichtet ist, die elektrochemischen Speicherzellen (5) gegenüber dem Dichtmittel (9) vorzuspannen.
Strukturbauteil nach einem der vorstehenden Ansprüche, wobei das Strukturbauteil (3) eine Spritzgussstruktur aufweist, welche Kunststoff und/oder Metall aufweist.
Strukturbauteil nach einem der vorstehenden Ansprüche, wobei das Ableitvolumen (6) an einen den Sollbruchstellen (7) gegenüberliegenden Boden (12) angrenzt, welcher mit mehreren, insbesondere das Ableitvolumen durchsetzenden, Strukturen (13) versteift ist.
Anordnung umfassend das Strukturbauteil (3) und eine Vielzahl elektrochemischer Speicherzellen (5) in der Vielzahl Kavitäten (4).
Fortbewegungsmittel umfassend eine Anordnung nach Anspruch 9, welche insbesondere in einer Bodenbaugruppe (14) des Fortbewegungsmittels (10) angeordnet ist.