DE102022211202A1

DE102022211202A1 - Batteriesystem für ein elektrisch betriebenes Fahrzeug

Info

Publication number: DE102022211202A1
Application number: DE102022211202.4A
Authority: DE
Inventors: Denis Dupper
Original assignee: Volkswagen AG
Current assignee: Volkswagen AG
Priority date: 2022-10-21
Filing date: 2022-10-21
Publication date: 2024-05-02

Abstract

Die Erfindung betrifft ein Batteriesystem für ein elektrisch betriebenes Fahrzeug, mit einem Batteriegehäuse (1), das einen in Einbaulage oberen Gehäusedeckel (5), eine umlaufende Gehäuseseitenwand (7) und eine Gehäusebodengruppe (9) aufweist, die einen Gehäuseinnenraum begrenzen, in dem zumindest eine Batteriezelle (19) angeordnet ist. Erfindungsgemäß weist die Batteriezelle (19) an ihrem Zellgehäuseboden eine Berstöffnung (25) für einen Gasaustritt im Falle eines thermischen Events auf. Die Gehäusebodengruppe (9) stellt einen Gasweg (G) bereit, über den das aus der Berstöffnung (25) der Batteriezelle (19) tretende Gas bis zu einer Notentgasungsöffnung (27) führbar ist und dort austritt.

Description

Die Erfindung betrifft ein Batteriesystem für ein elektrisch betriebenes Fahrzeug nach dem Oberbegriff des Anspruches 1.
Ein gattungsgemäßes Batteriesystem weist ein Batteriegehäuse auf, das einen in Einbaulage oberen Gehäusedeckel, eine umlaufende Gehäuseseitenwand und eine Gehäusebodengruppe aufweist, die gemeinsam einen Gehäuseinnenraum begrenzen. Im Gehäuseinnenraum sind beispielhaft Batteriemodule angeordnet, die jeweils aus hintereinander gestapelten Zellen, insbesondere prismatischen Batteriezellen, aufgebaut sind.
Im Stand der Technik sind die im Batteriemodul gestapelten Batteriezellen jeweils an ihrer Oberseite mit Zellpolen, die über Busbars miteinander elektrisch verschaltet sind, sowie mit Berstöffnungen ausgestattet. Im Falle eines thermischen Events, etwa einem thermischen Durchgehen, gast eine havarierende Batteriezelle durch die obere Berstöffnung heiße Gase in einen Montagespalt zwischen der Batteriezellen-Oberseite und dem oberen Gehäusedeckel aus. Durch Reflektion der heißen Gase beziehungsweise Verteilung dieser Gase innerhalb des Montagespalts werden die benachbarten Zellen/Batteriemodule thermisch überlastet, sodass es zu einer thermischen Propagation kommt. Ab einer bestimmten thermischen Belastung/Druck brennt der obere Gehäusedeckel des Batteriegehäuses durch, sodass Gase/Feuer aus dem Batteriegehäuse austritt. Weiterhin führen die heißen Gase zu einer Ionisierung der umgebenden Luft, sodass diese elektrisch leitend wird. Folglich kommt es im Batteriesystem zu undefinierten Kurzschlüssen.
Aus der DE 10 2020 207 800 B3 ist ein Batteriesystem bekannt, dass einen zu einer Entgasungsöffnung führenden Entgasungskanal aufweist. Aus der US 2013/0059175 A1 ist ein Batteriesystem mit einem Entgasungssystem bekannt. Aus der US 2018/0358593 A1 ist eine Zellmodulanordnung mit einer verbesserten Sicherheitsstruktur bekannt.
Die Aufgabe der Erfindung besteht darin, ein Batteriesystem bereitzustellen, in dem im Falle eines thermischen Events in einer Batteriezelle eine im Vergleich zum Stand der Technik sichere Gas-Ableitung nach fahrzeugaußen erfolgt und insbesondere eine thermische Propagation verhindert wird.
Die Aufgabe ist durch die Merkmale des Anspruches 1 gelöst. Bevorzugte Weiterbildungen der Erfindung sind in den Unteransprüchen offenbart.
Die Erfindung geht von einem Batteriesystem aus, dessen Batteriegehäuse aus einem in Einbaulage oberen Gehäusedeckel, einer umlaufenden Gehäuseseitenwand und einer Gehäusebodengruppe aufgebaut ist, die zusammen einen Gehäuseinnenraum begrenzen, in dem zumindest eine Batteriezelle angeordnet ist. Gemäß dem kennzeichnenden Teil des Anspruches 1 weist die Batteriezelle an ihrem Zellgehäuseboden eine Berstöffnung für einen Gasaustritt im Falle eines thermischen Events auf. Die Gehäusebodengruppe stellt einen Gasweg bereit, über den das aus der Berstöffnung der Batteriezelle tretende Gas bis zu einer Notentgasungsöffnung führbar ist und dort nach fahrzeugaußen austritt.
Im Falle eines Thermal Runaway gast somit die havarierende Zelle durch die untere Berstöffnung die heißen Gase aus. Am Batterieboden ist eine entsprechende Öffnung (nachfolgend auch als Strömungsdurchlass bezeichnet) vorgesehen, die mit einer Berst- oder Schmelzfolie /-blech zum Schutz gegenüber Umwelteinflüssen verschlossen ist. Durch das ausströmende Gas (Temperatur und/oder Druck) öffnet sich die Bruchstelle und das Gas strömt dann in den abgedichteten Raum (nachfolgend auch als Freiraum bezeichnet) zwischen Batterieboden und Unterbodenschutz. Die Berst- oder Schmelzfolie /-blech an benachbarten (noch funktionsfähigen) Zellen schützen diese vor thermischer Belastung und verhindern so die thermische Propagation. Weiterhin wird die Luft innerhalb des Batteriesystems nicht mehr erhitzt und es entstehen keine Kurzschlüsse.
Um die heißen Gase aus dem abgedichteten Raum zu bekommen, sind eine oder mehrere definierte Öffnungen entweder im Unterbodenschutz oder im Gehäuse seitlich vorgesehen. Beim Ausgasen einer Zelle werden auch glühende Partikel ausgestoßen. Um ein Entzünden des Gases beim Austreten in die Umgebung (viel Sauerstoff) zu verhindern, ist je ein Funkenfilter vorzusehen. Weiterhin ist ein Druckausgleichelement zwischen der äußeren Umgebung und dem abgedichtetem Raum erforderlich.
Die Brandschutzbeschichtung oder -matte am Unterbodenschutz ist optional vorgesehen, um das Durchbrennen durch den Unterbodenschutz zu verhindern.
In einer technischen Umsetzung kann die Bodengruppe des Batteriegehäuses zumindest doppelwandig mit einem Zwischenboden, insbesondere einer Bodenplatte mit Kühlsystem, auf dem die Batteriezelle angeordnet ist, und mit einem Unterboden, insbesondere Unterbodenschutz, ausgebildet sein. Der Unterboden ist um einen Freiraum vom Zwischenboden nach fahrzeugunten beabstandet. Bevorzugt kann der Freiraum Bestandteil des Gaswegs sein.
Im Hinblick auf eine störungsfreie Gasabführung ist es bevorzugt, wenn der Zwischenboden einen Strömungsdurchlass aufweist, über den das aus der Berstöffnung der havarierenden Batteriezelle tretende Gas in den Freiraum einströmt. Der im Zwischenboden gebildete Strömungsdurchlass und die Batteriezellen-Berstöffnung können in der Gehäusehochrichtung in Flucht zueinander ausgerichtet sein.
In einer bevorzugten Ausführungsvariante kann der im Zwischenboden ausgebildete Strömungsdurchlass mit einem Berstelement überdeckt sein. Mit Hilfe des Berstelementes ist der im Zwischenboden ausgebildete Strömungsdurchlass vor Umwelteinflüssen geschützt. Zudem schützen Berstelemente benachbarter Batteriezellen diese vor thermischer Belastung und verhindern so die thermische Propagation. Das Berstelement kann bei Überschreiten eines Betriebsparameters, etwa einem Druck oder einer Temperatur, zerstört werden und so den Strömungsdurchlass im Zwischenboden öffnen. Beispielhaft kann das Berstelement aus einer Schmelzfolie oder einem Schmelzblech ausgebildet sein.
In einer technischen Realisierung können im Batteriegehäuseinneren zumindest ein Zellverband, insbesondere ein Batteriemodul, bevorzugt eine Mehrzahl solcher Zellverbände angeordnet sein. Jeder Zellverband weist in Stapelrichtung hintereinander angeordnete Batteriezellen auf. Deren Berstöffnungen an den Unterseiten sind ebenfalls in Stapelrichtung in Reihe hintereinander angeordnet.
In einer ersten Ausführungsvariante kann jeder Berstöffnung jeweils ein Zwischenboden-Strömungsdurchlass zugeordnet sein. Alternativ dazu können mehrere Berstöffnungen einem gemeinsam Zwischenboden-Strömungsdurchlass zugeordnet sein. In einer weiteren Ausführungsvariante kann ein gemeinsames Berstelement mehrere, Zwischenboden-Strömungsdurchlässe überdecken.
Um die Widerstandsfähigkeit des Unterbodens gegenüber austretendes Brandgas im Harrier Fall zu steigern, ist es bevorzugt, wenn der Unterboden auf seiner, dem Zwischenboden zugewandten Seite eine Brandschutzschicht aufweist.
Die Notentgasungsöffnung kann an unterschiedlichen Positionen angeordnet sein. Gemäß einer ersten Ausführungsform kann die Notentgasungsöffnung in der Bodengruppe, insbesondere im Unterboden, ausgebildet sein. In diesem Fall kann das Brandgas zur Fahrzeugunterseite hinaustreten. Alternativ dazu kann die Notentgasungsöffnung seitlich an einer Gehäuseseitenwand des Batteriegehäuses angeordnet sein. In diesem Fall ist es erforderlich, dass die Gehäuseseitenwand ein Hohlprofil mit zumindest einer Hohlkammer aufweist. Der Freiraum zwischen dem Zwischenboden und dem Unterboden kann über einen Strömungsdurchlass mit der Hohlkammer in der Gehäuseseitenwand verbunden sein. In diesem Fall kann die Notentgasungsöffnung außenseitig an der Gehäuseseitenwand ausgebildet sein und in die Hohlkammer der Gehäuseseitenwand münden.
Die im Batteriegehäuse angeordneten Batteriezellen sind beispielhaft prismatische Zellen, deren Zellpole auf der Batteriezellen-Oberseite angeordnet sind. Zwischen der Batteriezellen-Oberseite und dem Gehäusedeckel ist zudem ein Montagespalt bereitgestellt, für zum Beispiel Busbars, die die Batteriezellen elektrisch miteinander verschalten. Beispielhaft kann die Notentgasungsöffnung einen Funkenfilter und/oder ein Druckausgleichselement aufweisen.
Nachfolgend sind Ausführungsbeispiele der Erfindung anhand der beigefügten Figuren beschrieben.
Es zeigen:

1 bis 12 jeweils unterschiedliche Ansichten eines erfindungsgemäßen Batteriesystems.

In der 1 ist ein Batteriegehäuse 1 mit darin angeordneten Batteriemodulen 3 insoweit dargestellt, als es zum Verständnis der Erfindung erforderlich ist. Das Batteriegehäuse 1 weist einen in Einbaulage oberen Gehäusedeckel 5, eine umlaufende Gehäuseseitenwand 7 sowie eine Gehäusebodengruppe 9 auf. Die Gehäusebodengruppe 9 ist in der 1 doppelwandig mit einer Bodenplatte 11 mit Kühlsystem und einem Unterbodenschutz 13 ausgebildet. Die Bodenplatte 11 ist randseitig unten an die Gehäuseseitenwand 7 befestigt. Von der Gehäuseseitenwand 7 ragen in der 4 gezeigter Gehäuseflansch 15 seitlich nach außen ab, der in der Einbaulage an der Unterseite eines Fahrzeugschwellers verschraubt ist. Der Unterbodenschutz 13 ist über einen Freiraum 17 von der Bodenplatte 11 beabstandet und ebenfalls an einer Unterseite der Gehäuseseitenwand 7 befestigt.
In jedem der Batteriemodule 3 sind eine Anzahl von prismatischen Batteriezellen 19 in Stapelrichtung hintereinander angeordnet. Die Batteriezellen 19 weisen in der 1 an ihrer Oberseite Zellpole 21 auf. Diese sind über nur in der 4 angedeutete Busbars 24 zueinander elektrisch verschaltet, die in einem Montagespalt 23 zwischen dem Gehäusedeckel 5 und der Batteriezellen-Oberseite positioniert sind. Die Batteriezellen 19 sind unmittelbar oder gegebenenfalls unter Zwischenlage einer Wärmeleitpaste auf der Bodenplatte 11 positioniert.
In der 1 weisen jede der Batteriezellen 19 an ihrem Zellgehäuseboden eine Berstöffnung 25 auf, durch die im Falle eines thermischen Batteriezellen-Events Gas aus dem Zellgehäuse entweicht.
Die Gehäusebodengruppe 9, bestehend aus der Bodenplatte 11 und dem Unterbodenschutz 13, stellt gemäß der 1 einen Gasweg G bereit, über den das aus der Berstöffnung 25 der havarierenden Batteriezelle 19 tretende Gas bis zu einer Notentgasungsöffnung 27 führbar ist und dort austritt.
Zur Realisierung des Gaswegs G sind in der Bodenplatte 1 für jede der Berstöffnungen 25 der Batteriezellen 19 jeweils ein Strömungsdurchlass 29 ausgebildet, über den das aus der Berstöffnung 25 tretende Gas in den Freiraum 17 der Bodengruppe 9 einströmt. Der jeweilige Strömungsdurchlass 29 ist dabei in der Gehäusehochrichtung in Flucht zur zugeordneten Batteriezellen-Berstöffnung 25 ausgerichtet. Zudem sind die Strömungsdurchlässe 29 - analog zu den Berstöffnungen 25 der Batteriezellen 19 eines Batteriemoduls 3 - fluchtend in Reihe hintereinander in der Bodenplatte 11 ausgebildet, wie es zum Beispiel in der 6 ersichtlich ist.
In der 1 weist der Unterbodenschutz 13 auf seiner, der Bodenplatte 11 zugewandten Seite eine Brandschutzschicht 31 auf. Zudem ist im Unterbodenschutz 13 die Notentgasungsöffnung 27 ausgebildet, in der ein Funkenfilter 33 und ein Druckausgleichselement 35 verbaut sind. Bei einem thermischen Event in einer havarierenden Batteriezelle 19 wird das austretende Gas somit in den Freiraum 17 geführt und von dort weiter über die Notentgasungsöffnung 27 nach fahrzeugaußen in Richtung Fahrzeugunterseite.
In der 1 ist jeder der Strömungsdurchlässe 29 mit einem eigenen Berstelement 30 überdeckt. Das Berstelement 30 kann bei Überschreiten eines Betriebsparameters, etwa einem Druck oder einer Temperatur, zerstört werden und so den Strömungsdurchlass 29 in er Bodenplatte 11 öffnen. Beispielhaft kann das Berstelement 30 aus einer Schmelzfolie oder einem Schmelzblech ausgebildet sein.
In der 2 ist eine zweite Ausführungsvariante gezeigt, die im Wesentlichen baugleich wie die in der 1 gezeigte Ausführungsvariante aufgebaut ist. Von daher wird auf die Vorbeschreibung verwiesen.
Im Unterschied zur 1 ist in der 2 jedem Batteriemodul 3 jeweils genau ein gemeinsames Berstelement 30 zugeordnet. Das gemeinsame Berstelement 30 überdeckt sämtliche Strömungsdurchlässe 29 des jeweiligen Batteriemoduls 3. In der 8 ist ein solches gemeinsames Berstelement 30 in vergrößerter Ansicht gezeigt.
In den 3, 4, 5 oder 11 ist eine weitere Ausführungsvariante gezeigt. Gemäß der 3, 4, 5 oder 11 weist die Gehäuseseitenwand 7 ein Hohlprofil mit einer Hohlkammer 37 auf. Der zwischen der Bodenplatte 11 und dem Unterbodenschutz 13 befindliche Freiraum 17 ist über einen Strömungsdurchlass 39 mit der Hohlkammer 37 verbunden. Zudem ist in der 3 die Notentgasungsöffnung 27 außenseitig an der Gehäuseseitenwand 7 ausgebildet und mündet diese in die Hohlkammer 37 der Gehäuseseitenwand 7. In der Notentgasungsöffnung 27 ist, wie in 1 oder 2, ein Funkenfilter 33 sowie ein Druckausgleichselement 35 eingesetzt.
In den 9 und 10 ist die Bodenplatte 11 in unterschiedlichen Blickrichtungen, das heißt von oben (10) und von unten (9) dargestellt. Demzufolge sind für jedes Batteriemodul 3 die Strömungsdurchlässe 29 - analog zu den Berstöffnungen 25 der in Reihe hintereinander gestapelten Batteriezellen 19 - in einer Reihe hintereinander positioniert. Entsprechend sind in der 10 die Strömungsdurchlässe 29 je Batteriemodul 3 zu einer Strömungsdurchlass-Reihe gruppiert. Die Berstöffnungen 29 sind daher für jedes Batteriemodul 3 gruppiert in der Bodenplatte 11 ausgebildet. Alternativ dazu ist in der 10 auch ein langgestreckter Strömungsdurchlass 29 gezeigt, der sich entlang eines der Batteriemodule 3 erstreckt. In diesem Fall sind die Berstöffnungen 25 der Batteriezellen 19 des Batteriemoduls 3 allesamt mit dem gemeinsamen, in der Bodenplatte 11 ausgebildeten Strömungsdurchlass 29 in Strömungsverbindung.
In der 7 oder 9 ist das an der Unterseite der Bodenplatte 11 angeordnete Kühlsystem gezeigt. Zur Ausbildung des Kühlsystems ist an der Unterseite der Bodenplatte 11 eine Kühlplatte 40 befestigt, die nach Art eines Trapezbleches ausgebildet ist. Zwischen der Bodenplatte 11 und den trapezförmigen Verprägungen 41 (7) der Kühlplatte 40 ergeben sich Kühlmittelkanäle 43. Zwischen jeweils benachbarten Kühlmittelkanälen 43 erstreckt sich parallel dazu ein langgestrecktes Berstelement 30, das sämtliche Strömungsdurchlässe 29 eines Batteriemoduls 3 überdeckt.
In der 12 ist das Druckausgleichselement 35 in einer Explosionsdarstellung gezeigt. Demnach weist das Druckausgleichselement 35 eine Abdeckung 45, ein pilzförmiges Ventilelement 47, ein Gehäuse 49, einen Dichtring 51 sowie den Funkenfilter 33 auf.
Bezugszeichenliste

1: Batteriegehäuse
3: Batteriemodul
5: Gehäusedeckel
7: Gehäuseseitenwand
9: Bodengruppe
11: Bodenplatte
13: Unterbodenschutz
15: Gehäuseflansch
17: Freiraum
19: Batteriezellen
21: Zellpole
23: Montagespalt
24: Busbars
25: Berstöffnung
27: Notentgasungsöffnung
29: Strömungsdurchlass
30: Berstelement
31: Brandschutzschicht
33: Funkenfilter
35: Druckausgleichselement
37: Hohlkammer
39: Strömungsdurchlass
40: Kühlplatte
41: trapezförmige Verprägung
43: Kühlmittelkanal
45: Abdeckung
47: Ventilelement
49: Ventilgehäuse
51: Dichtring
G: Gasweg

ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

DE 102020207800 B3 [0004]
US 20130059175 A1 [0004]
US 20180358593 A1 [0004]

Claims

Batteriesystem für ein elektrisch betriebenes Fahrzeug, mit einem Batteriegehäuse (1), das einen in Einbaulage oberen Gehäusedeckel (5), eine umlaufende Gehäuseseitenwand (7) und eine Gehäusebodengruppe (9) aufweist, die einen Gehäuseinnenraum begrenzen, in dem zumindest eine Batteriezelle (19) angeordnet ist, dadurch gekennzeichnet, dass die Batteriezelle (19) an ihrem Zellgehäuseboden eine Berstöffnung (25) für einen Gasaustritt im Falle eines thermischen Events aufweist, und dass die Gehäusebodengruppe (9) einen Gasweg (G) bereitstellt, über den das aus der Berstöffnung (25) der Batteriezelle (19) tretende Gas bis zu einer Notentgasungsöffnung (27) führbar ist und dort austritt.
Batteriesystem nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Bodengruppe (9) zumindest doppelwandig mit einem Zwischenboden (11), insbesondere Bodenplatte mit Kühlsystem, auf dem die Batteriezelle (19) angeordnet ist, und mit einem Unterboden (13), insbesondere Unterbodenschutz, ausgebildet ist, der um einen Freiraum (17) vom Zwischenboden (11) beabstandet ist, und dass insbesondere der Freiraum (17) Bestandteil des Gaswegs (G) ist.
Batteriesystem nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass der Zwischenboden (11) einen Strömungsdurchlass (29) aufweist, über den das aus der Berstöffnung (25) tretende Gas in den Freiraum (17) einströmt, und dass insbesondere der im Zwischenboden (11) gebildete Strömungsdurchlass (29) und die Batteriezellen-Berstöffnung (25) in der Gehäusehochrichtung in Flucht ausgerichtet sind.
Batteriesystem nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass der Strömungsdurchlass (29) mit einem Berstelement (30) überdeckt ist, das bei Überschreiten eines Betriebsparameters, etwa Druck oder Temperatur, den Strömungsdurchlass öffnet.
Batteriesystem nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, das im Batteriegehäuseinneren zumindest ein Zellverband (3), insbesondere ein Batteriemodul, aus in Stapelrichtung hintereinander angeordneten Batteriezellen (19) angeordnet ist, deren Berstöffnungen (25) ebenfalls in Stapelrichtung in Reihe hintereinander angeordnet sind, und dass insbesondere jeder Berstöffnung (25) jeweils ein eigener Strömungsdurchlass (29) zugeordnet ist, oder dass mehrere Berstöffnungen (25) einem gemeinsamen Strömungsdurchlass (29) zugeordnet sind, und/oder dass ein gemeinsames Berstelement (30) mehrere Strömungsdurchlässe (29) überdeckt.
Batteriesystem nach einem der Ansprüche 2 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass der Unterboden (13) auf seiner, dem Zwischenboden (11) zugewandten Seite eine Brandschutzschicht (31) aufweist.
Batteriesystem nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Notentgasungsöffnung (27) in der Bodengruppe (9), insbesondere im Unterboden (13), ausgebildet ist.
Batteriesystem nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Gehäuseseitenwand (7) ein Hohlprofil mit zumindest einer Hohlkammer (37) ist, und dass insbesondere der zwischen dem Zwischenboden (11) und dem Unterboden (13) angeordnete Freiraum (17) über einen Strömungsdurchlass (39) mit der Hohlkammer (37) verbunden ist, und dass insbesondere die Notentgasungsöffnung (27) außenseitig an der Gehäuseseitenwand (7) ausgebildet ist und in deren Hohlkammer (37) mündet.
Batteriesystem nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass auf der Batteriezellen-Oberseite die Zellpole (21) angeordnet sind, und dass zwischen der Batteriezellen-Oberseite und dem Gehäusedeckel (5) ein Montagespalt (23) für zum Beispiel Busbars (24) bereitgestellt ist, die die Batteriezellen (19) elektrisch miteinander verschalten.
Batteriesystem nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Notentgasungsöffnung (27) einen Funkenfilter (7) und/oder ein Druckausgleichselement (35) aufweisen.