DE102023101634A1

DE102023101634A1 - Immersionsgekühlte Antriebsbatterie und Kraftfahrzeug mit einer solchen

Info

Publication number: DE102023101634A1
Application number: DE102023101634.2A
Authority: DE
Inventors: Manfred Holzmann
Original assignee: Bayerische Motoren Werke AG
Current assignee: Bayerische Motoren Werke AG
Priority date: 2023-01-24
Filing date: 2023-01-24
Publication date: 2024-07-25
Also published as: US20240250342A1; CN118399000A

Abstract

Die Erfindung betrifft eine Antriebsbatterie (1) für ein Kraftfahrzeug, mit einer Vielzahl an Batteriezellen (2), die jeweils eine verschlossene Ausgasungsöffnung (4) aufweisen, die im Fehlerfall öffnet, wobei die Batteriezellen (2) immersionsgekühlt sind; einer Materialschicht (5), die an eine Fläche der Batteriezellen (2) anliegt, in der die Ausgasungsöffnung (4) eingebracht ist, wobei die Materialschicht (5) aus einem ersten Material (6) ausgebildet ist, wobei an den Außenseiten der Ausgasungsöffnungen (4) das erste Material (6) ausgespart und ein zweites Material (8) vorgesehen ist, welches eine geringere Hitzebeständigkeit hat wie das erste Material (6). Darüber hinaus betrifft die Erfindung ein Kraftfahrzeug mit solch einer Antriebsbatterie (1).

Description

Die Erfindung betrifft eine Antriebsbatterie für Kraftfahrzeuge, deren Batteriezellen immersionsgekühlt sind. Darüber hinaus betrifft die Erfindung ein Kraftfahrzeug mit solch einer Antriebsbatterie.
Aus dem Stand der Technik sind Antriebsbatterien mit immersionsgekühlten Batteriezellen bekannt. Solche immersionsgekühlten Antriebsbatterien haben den Vorteil, dass Kühler, wie beispielsweise Kühlplatten, die ansonsten an den Batteriezellen anliegen würden, eingespart werden können. Ebenfalls ist bekannt, dass Batteriezellen in einem Fehlerfall, wie beispielsweise einem zellinternen Kurzschluss, thermisch Durchgehen können, was zu einer Ausgasung der Batteriezelle führt. Für eine solche Ausgasung sind die Batteriezellen mit Ausgasungsöffnungen, beispielweise einer Berstmembrane, versehen.
Es ist eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung eine immersionsgekühlte Antriebsbatterie weiter zu optimieren. Diese Aufgabe wird durch eine Antriebsbatterie gemäß Anspruch 1 sowie ein Kraftfahrzeug gemäß Anspruch 6 gelöst. Vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung sind Gegenstand der abhängigen Ansprüche.
Gemäß einem Ausführungsbeispiel der Erfindung wird eine Antriebsbatterie für ein Kraftfahrzeug, mit einer Vielzahl an Batteriezellen, die jeweils eine verschlossene Ausgasungsöffnung aufweisen, die im Fehlerfall öffnet, wobei die Batteriezellen immersionsgekühlt sind; einer Materialschicht, die an eine Fläche der Batteriezellen anliegt, in der die Ausgasungsöffnung eingebracht ist, wobei die Materialschicht aus einem ersten Material ausgebildet ist, wobei an den Außenseiten der Ausgasungsöffnungen das erste Material ausgespart und ein zweites Material, insbesondere ein anderes, zweites Material, vorgesehen ist, welches eine geringere Hitzebeständigkeit hat wie das erste Material. Durch die geringere Hitzebeständigkeit gibt das zweite Material die Aussparung frei, während das erste Material der bei einer Ausgasung entstehenden Hitze länger standhält. Das erste Material könnte der Hitze auch während der kompletten Ausgasung standhalten. Dadurch ergibt sich der Vorteil, dass der Bereich vor den Ausgasungsöffnungen einerseits gefüllt ist (mit dem zweiten Material), so dass Kühlflüssigkeit bzw. Kühlmittel der Immersionskühlung dadurch weitestgehend verdrängt wird und Kühlflüssigkeit eingespart werden kann und andererseits trotzdem durch die geringere Hitzebeständigkeit des zweiten Materials schnell ein Durchgang für einen Ausgasungsstrahl in einem Fehlerfall durch den Ausgasungsstrahl selbst geschaffen wird.
Gemäß einem weiteren Ausführungsbeispiel der Erfindung ist die Materialschicht in Form einer Matte ausgebildet. Dadurch wird eine leichte Montierbarkeit und gute Serientauglichkeit erreicht.
Gemäß einem weiteren Ausführungsbeispiel der Erfindung ist an den Außenseiten der Ausgasungsöffnungen das erste Material jeweils zylinderförmig mit einem Durchmesser ausgespart, der gleich oder größer als der Durchmesser der zugeordneten Ausgasungsöffnung ist. Dadurch kann der Ausgasungsstrahl ungehindert austreten.
Gemäß einem weiteren Ausführungsbeispiel der Erfindung ist in den Aussparungen des ersten Materials an den Ausgasungsöffnungen jeweils das zweite Material als Stopfen vorgesehen, der an seiner Außenkontur oder innerhalb seiner Außenkontur einem oder mehreren Kanälen versehen ist, über die Kühlflüssigkeit an die Fläche der Batteriezellen führbar ist, in der die Ausgasungsöffnung eingebracht ist. Dadurch wird in diesem Bereich einerseits die Kühlflüssigkeit größtenteils verdrängt und andererseits doch zu Temperierzwecken Kühlflüssigkeit an die vom zweiten Material bedeckte Seite der Batteriezelle geführt.
Gemäß einem weiteren Ausführungsbeispiel der Erfindung ist der Stopfen innen hohl oder weist mehrere Hohlräume auf. Hierdurch kann die Kühlflüssigkeit verdrängt und der Materialeinsatz für das zweite Material gering gehalten werden. Außerdem sind die Stopfen dadurch sehr leicht. Beispielsweise könnte der Stopfen aus Kunststoff sein, insbesondere als dünne Schicht oder als Folie.
Darüber hinaus stellt die vorliegende Erfindung ein Kraftfahrzeug mit solch einer Antriebsbatterie bereit.
Nachfolgend wird ein bevorzugtes Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung unter Bezugnahme auf die beigefügten Zeichnungen beschrieben. In diesen Zeichnungen ist Folgendes dargestellt:

1 zeigt eine dreidimensionale Ansicht einer Antriebsbatterie gemäß einem Ausführungsbeispiel der Erfindung, und
2A zeigt eine Seitenansicht einer Batteriezelle;
2B zeigt eine Ansicht der Batteriezelle aus 2A von unten;
3 zeigt die Batteriezelle mit einer Materialschicht, und
4 zeigt die Batteriezelle mit einer Materialschicht.

1 zeigt eine Antriebsbatterie 1 gemäß einem Ausführungsbeispiel der Erfindung. Diese Antriebsbatterie 1 ist in einem nicht dargestellten Kraftfahrzeug eingebaut. Bei dem Kraftfahrzeug handelt es sich um ein elektrifiziertes Kraftfahrzeug, welches zumindest zeitweise rein batterieelektrisch angetrieben wird. Insbesondere handelt es sich um einen Personenkraftwagen. Die Antriebsbatterie 1 weist eine Vielzahl von Batteriezellen 2 auf, in denen elektrische Energie auf elektrochemischer Basis gespeichert und für einen Antrieb, insbesondere einem oder mehreren Elektromotoren, des Kraftfahrzeugs bereitgestellt wird. Die Batteriezellen 2 sind wiederaufladbar und es handelt sich beispielsweise Lithium-Ionen-Zellen. Darüber hinaus sind die Batteriezellen 2 seriell und/oder parallel miteinander verbunden. Die Batteriezellen 2 sind in einem Batteriegehäuse eingehaust, in dem sie von Kühlflüssigkeit umspült werden, d.h. die Batteriezellen 2 sind immersionsgekühlt. Bei der Immersionskühlung kommen die Außenflächen der Batteriezellen direkt in Kontakt mit einer Kühlflüssigkeit, die dann durch einen Kühlkreislauf zirkulierbar ist. Beispielsweise sind zumindest 50% der Außenflächen der Batteriezellen 2 in direktem Kontakt mit der Kühlflüssigkeit.
2A zeigt eine Seitenansicht einer Batteriezelle 2 und 2B zeigt eine Ansicht der Batteriezelle aus 2A von unten. Es handelt sich dabei um eine zylinderförmige Batteriezelle (auch Rundzelle genannt). In einer Unterseite 3 der Batteriezelle 2 ist eine Ausgasungsöffnung 4 ausgebildet, die in diesem Ausführungsbeispiel kreisrund in die Unterseite 3 eingebracht ist. Diese Ausgasungsöffnung 4 wird beispielsweise mittels einer Berstmembrane ausgebildet. Im Normalbetrieb ist Ausgasungsöffnung 4 fluiddicht verschlossen. Beim Überschreiten eines bestimmten Batteriezelleninnendrucks, welcher nur im Fehlerfall erreicht wird, drückt bzw. sprengt der Innendruck die Ausgasungsöffnung 4 in einen geöffneten Zustand, d.h. eine Berstmembrane platzt auf oder eine Abdeckung wird weggeklappt, geöffnet und/oder aufgesprengt. In 2A ist die Ausgasungsöffnung 4 bereits geöffnet dargestellt, d.h. eine die Ausgasungsöffnung 4 bedeckende Abdeckung ist etwas aufgeklappt.
3 zeigt die Batteriezelle 2 mit einer Materialschicht 5. Anliegend an eine Fläche, in der die Ausgasungsöffnung 4 ausgebildet ist, bzw. die Unterseite 3 im vorliegenden Ausführungsbeispiel, ist eine Materialschicht 5 aus einem ersten Material 6 ausgebildet. Wie in 1 zu erkennen ist, überspannt die Materialschicht 5 die Unterseiten 3 mehrerer Batteriezellen 2 bzw. aller Batteriezellen 2 der Antriebsbatterie 1. Das erste Material 6 der Materialschicht 5 ist einstückig, insbesondere monolithisch, ausgebildet. Insbesondere ist die Materialschicht 5 in Form einer Matte ausgebildet. Der Bereich an den Ausgasungsöffnungen 4 ist jeweils vom ersten Material 6 ausgespart bzw. freigelassen. Mit anderen Worten sind die jeweiligen Außenseiten der Ausgasungsöffnungen 4 vom ersten Material 6 ausgespart bzw. freigelassen. Diese Aussparungen 7 sind im vorliegenden Ausführungsbeispiel zylinderförmig mit einer Zylinderachse, die deckungsgleich mit der Zylinderachse der Batteriezelle 2 ist. Der Durchmesser der Zylinderform der Aussparung 7 ist etwas größer, wie der Durchmesser der Ausgasungsöffnung 4, so dass die Ausgasungsöffnung 4 vom ersten Material ungehindert in die Aussparung 7 hinein öffnen kann.
4 zeigt die Batteriezelle 2 mit einer Materialschicht 5. Die anhand von 3 erläuterte Aussparung 7 wird mit einem zweiten Material 8 aufgefüllt, welches eine geringere Hitzebeständigkeit aufweist wie das erste Material 6. Dabei ist es entweder möglich, in einem ersten Herstellungsschritt die Aussparungen 7 auszubilden bzw. die Materialschicht 5 mit den bestehenden Aussparungen 7 auszubilden und in einem zweiten Herstellungsschritt die Aussparungen 7 mit dem zweiten Material 8 aufzufüllen. Es ist auch möglich die Materialschicht 5 mit dem ersten und zweiten Material 6, 8 in einem Herstellungsschritt auszubilden. Ebenfalls ist es möglich, die Aussparungen 7 mit zweitem Material 8 in Form von Stopfen zu füllen. Die Stopfen können dabei mit Kanälen bzw. Durchgängen für die Kühlflüssigkeit versehen sein, so dass Kühlflüssigkeit an die Unterseite der Batteriezellen 2 geführt wird. Die Kanäle können an der Außenkontur (an der Kontaktstelle zwischen der Innenseite der Aussparung 7 und dem zweiten Material 8) vorgesehen sein, indem die Außenseite beispielsweise zur Batteriezelle 8 hinführende Kanäle aufweist. Die Kanäle können aber auch innerhalb der Außenkontur angeordnet sein. Außerdem können die Stopfen innen hohl ausgebildet sein, wodurch Material und Gewicht eingespart werden können. Es können auch mehrere solcher Hohlräume im Inneren eines Stopfens vorgesehen sein. Dabei ist jeder Hohlraum fluiddicht abgeschlossen, so dass sich dieser Hohlraum nicht mit Kühlflüssigkeit füllen kann.
Die Hitzebeständigkeit des zweiten Material ist dabei im Vergleich zu der des ersten Material so zu wählen, dass das zweite Material unter der Hitze eines Ausgasungsstrahls möglichst schnell versagt und die Aussparung freigibt, so dass der Ausgasungsstrahl ungehindert aus der Batteriezelle 2 austreten kann. Beispielsweise könnte als zweites Material Styropor oder Schaumstoff verwendet werden. Das erste Material ist hingegen so auszuwählen, dass es die Batteriezellen 2 möglichst gut abstützt und vor Beschädigungen aufgrund von mechanischer Krafteinwirkung von unten (Pollerschutz) schützt und der Hitze des Ausgasungsstrahls möglichst lange standhält. Beispielsweise hat das zweite Material einer niedrigere Schmelztemperatur als das erste Material.
Durch den Verschluss der Aussparungen 7 mit dem zweiten Material 8 erreicht man den Vorteil, dass dadurch dieser Hohlraum nicht mit der Kühlflüssigkeit des immersionsgekühlten Antriebsbatterie 1 gefüllt ist, sondern mit dem zweiten Material 8, welches leichter ist.
Während die Erfindung detailliert in den Zeichnungen und der vorangehenden Beschreibung veranschaulicht und beschrieben wurde, ist diese Veranschaulichung und Beschreibung als beispielhaft und nicht als beschränkend zu verstehen und es ist nicht beabsichtigt die Erfindung auf das offenbarte Ausführungsbeispiel zu beschränken. Die bloße Tatsache, dass bestimmte Merkmale in verschiedenen abhängigen Ansprüchen genannt sind, soll nicht andeuten, dass eine Kombination dieser Merkmale nicht auch vorteilhaft genutzt werden könnte.

Claims

Antriebsbatterie (1 ) für ein Kraftfahrzeug, mit einer Vielzahl an Batteriezellen (2), die jeweils eine verschlossene Ausgasungsöffnung (4) aufweisen, die im Fehlerfall öffnet, wobei die Batteriezellen (2) immersionsgekühlt sind; einer Materialschicht (5), die an eine Fläche der Batteriezellen (2) anliegt, in der die Ausgasungsöffnung (4) eingebracht ist, wobei die Materialschicht (5) aus einem ersten Material (6) ausgebildet ist, wobei an den Außenseiten der Ausgasungsöffnungen (4) das erste Material (6) ausgespart und ein zweites Material (8) vorgesehen ist, welches eine geringere Hitzebeständigkeit hat wie das erste Material (6).
Antriebsbatterie (1) gemäß Anspruch 1, wobei die Materialschicht (5) in Form einer Matte ausgebildet ist.
Antriebsbatterie (1) gemäß einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei an den Außenseiten der Ausgasungsöffnungen (4) das erste Material (6) jeweils zylinderförmig mit einem Durchmesser ausgespart ist, der gleich oder größer als der Durchmesser der zugeordneten Ausgasungsöffnung (4) ist.
Antriebsbatterie (1) gemäß einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei in den Aussparungen (7) des ersten Materials (6) an den Ausgasungsöffnungen (4) jeweils das zweite Material (8) als Stopfen vorgesehen ist, der an seiner Außenkontur oder innerhalb seiner Außenkontur mit einem oder mehreren Kanälen versehen ist, über die Kühlflüssigkeit an die Fläche der Batteriezellen (2) führbar ist, in der die Ausgasungsöffnung (4) eingebracht ist.
Antriebsbatterie (1) gemäß Anspruch 4, wobei der Stopfen innen hohl ist oder mehrere Hohlräume aufweist.
Kraftfahrzeug mit einer Antriebsbatterie (1) gemäß einem der Ansprüche 1 bis 5.