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Die vorliegende Erfindung betrifft eine HV-Batterie mit einer Entgasungsvorrichtung mit mindestens einem entfaltbaren und/oder flexiblen Beutel. Ferner betrifft die Erfindung ein damit ausgestattetes Elektrofahrzeug.
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HV-Batterien, insbesondere Traktionsbatterien in einem Elektrofahrzeug, weisen üblicherweise mehrere Batteriemodule auf, in denen wiederum mehrere Batteriezellen angeordnet und elektrisch miteinander verschaltet sind. Als Batteriezellen kommen meist Lithium-Ionen-Zellen zum Einsatz.
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Während des Betriebs einer HV-Batterie können zahlreiche Störereignisse dazu führen, dass sich eine oder mehrere darin befindende Batteriezelle(n) auf eine Temperatur oberhalb ihres spezifizierten Arbeitsbereiches erwärmt (erwärmen) und es infolgedessen zu einer Entgasung der Batteriezelle(n) kommt. Zu solchen Störereignissen zählen beispielsweise ein Kurzschluss zwischen den Elektroden der Batteriezelle, ein mit einem zu hohen Ladestrom erfolgender Ladevorgang oder eine hohe Umgebungstemperatur, womöglich gekoppelt mit einer zugleich auftretenden starken Lade- oder Entladebelastung der Batterie. Durch Überhitzung der Batteriezelle werden ungewollte chemische Reaktionen in der Batteriezelle in Gang gesetzt, die zu einem sogenannten thermischen Durchgehen (thermal runaway) führen können. Dabei kann sich insbesondere das Elektrolyt innerhalb der geschlossenen Batteriezelle zersetzen und in einen gasförmigen Aggregatzustand übergehen, wodurch in relativ kurzer Zeit der Druck innerhalb der hermetisch verschlossenen Batteriezelle stark ansteigen kann. Wenn keine Gegenmaßnahmen getroffen werden, kann es zu einem Bersten der Batteriezelle kommen, wodurch nicht nur die betroffene, sondern auch benachbarte Batteriezellen zerstört werden können.
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Um ein Bersten der Batteriezelle zu verhindern, werden diese üblicherweise mit einem Sicherheitsventil versehen, welches bei Erreichen eines Grenzdrucks innerhalb der Batteriezelle öffnet und so einen kontrollierten Abbau des Drucks innerhalb der Batteriezelle zulässt. Das heiße Gas strömt dann zunächst im Inneren des entsprechenden Batteriemoduls und kann darin zwischengepuffert werden. Bei Überschreiten eines Grenzdrucks innerhalb des Batteriemoduls öffnet ein Sicherheitsventil des Batteriemoduls und das heiße Gas wird mittels einer Entgasungsvorrichtung gezielt an die Außenumgebung abgeleitet, um ein Bersten des Batteriemoduls bzw. der Batterie zu verhindern.
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Aus Druckschrift
DE 10 2021125189 A1 ist eine Entgasungsvorrichtung mit einem Zellentgasungskanal zum Abführen von Gasen aus einer Kraftfahrzeugbatterie bekannt, die mindestens eine Batteriezelle umfasst, wobei mittels der Entgasungsvorrichtung bei einem thermischen Durchgehen einer Batteriezelle austretendes, heißes Gas zu Heckbereich eines Elektrofahrzeugs geleitet wird, um dort an die Außenumgebung ausgeleitet zu werden. Das auszuführende Gas wird damit gemäß der Druckschrift zu einem unkritischen Bereich des Kraftfahrzeugs geleitet, an von Verbrennerfahrzeugen bekannten Bereichen für Schadgase aus dem Fahrzeug an die Außenumgebung zu gelangen.
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Druckschrift
DE 10 2021208376 A1 offenbart ein Batteriesystem und eine Vorrichtung zum Entgasen und/oder Kühlen und/oder Löschen des Batteriesystems des Fahrzeuges mit mindestens einem Leitungselement, wobei das Leitungselement einen Schlauch umfasst, der in einem Transportzustand innerhalb des Fahrzeugs aufgerollt angeordnet ist. Ferner ist mindestens ein Aktivierungsmittel vorgesehen, mittels welchem das Leitungselement bedarfsweise in einen aus dem Fahrzeug herausragenden Nutzzustand gebracht werden kann. Mittels des Leitungselements können heiße Gase an einem vom Fahrzeug beabstandeten Ort ausgeleitet werden und/oder Löschmittel zum Kühlen und/oder Löschen des Batteriesystems kann von einem vom Fahrzeug beabstandeten Ort eingeleitet werden.
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Druckschrift
DE 10 2014 213 920 A1 offenbart ein Batteriesystem, aufweisend ein Systemgehäuse mit mindestens einem darin angeordneten Batteriemodul, welches ein Zellgehäuse mit einem Entgasungsventil aufweist, wobei das Systemgehäuse mit einer Eingangsleitung zum Führen von Gas in das Systemgehäuse und mit einer Ausgangsleitung zum Führen von Gas aus dem Systemgehäuse verbunden ist. In der Ausgangsleitung ist ein Lüfter zum Führen von Gas durch das Systemgehäuse angeordnet ist, wobei in der Ausgangsleitung eine expandierbare Gasaufnahme angeordnet ist, welche durch aus einer Batteriezelle austretendes Gas expandierbar ist.
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Druckschrift
DE 10 2020 101 679 A1 offenbart ein Batteriegehäuse für eine Traktionsbatterie eines elektrisch antreibbaren Kraftfahrzeugs mit einer Vielzahl von Gehäusewänden, welche einen Gehäuseinnenraum zum Aufnehmen von Batteriezellen der Traktionsbatterie umschließen, und mit einer Notentgasungseinrichtung zum Auslassen eines bei einem thermischen Ereignis zumindest einer Batteriezelle auftretenden Heißgases, wobei die Notentgasungseinrichtung in zumindest einer Gehäusewand angeordnet ist, wobei an einer Außenseite des Batteriegehäuses, welche einer Umgebung des Batteriegehäuses zugewandt ist, eine Ableiteinrichtung angeordnet ist, welche mit der Notentgasungseinrichtung zum Aufnehmen und Ableiten des Heißgases in die Umgebung gekoppelt ist und welche durch Aufnehmen des Heißgases expandierbar ist, sodass eine durch die expandierte Ableiteinrichtung bereitgestellte Ableitstrecke für das Heißgas zum Abkühlen des Heißgases vor dem Ablassen in die Umgebung vergrößerbar ist.
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Druckschrift
EP 4 156 365 A1 offenbart ein elektrochemisches Energiespeicherelement, ein Batteriemodul mit einem Gehäuse und einer Mehrzahl von elektrochemischen Energiespeicherzellen, die im Inneren des Gehäuses angeordnet sind, oder ein Batteriespeichersystem mit mindestens zwei Batteriemodulen. Das elektrochemische Energiespeicherelement oder das Batteriemodul oder das Batteriespeichersystem zeichnet sich dadurch aus, dass das elektrochemische Energiespeicherelement oder das Batteriemodul oder das Batteriespeichersystem mindestens ein Auffangmittel für entweichende Rauchgase umfasst. Bei dem Auffangmittel kann es sich insbesondere um einen entfaltbaren Beutel handeln.
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Vor diesem Hintergrund kann als Aufgabe der Erfindung das Bereitstellen einer Traktionsbatterie betrachtet werden, die das Verletzungspotential für Menschen durch heißes Gas reduziert, das beim thermischen Durchgehen aus einem Batteriemodul austritt.
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Diese Aufgabe wird mittels der Gegenstände der unabhängigen Patentansprüche gelöst. Weitere bevorzugte Ausführungsformen finden sich in den abhängigen Patentansprüchen.
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Erfindungsgemäß wird eine HV-Batterie bereitgestellt, welche mindestens ein Batteriemodul mit einem Entgasungsventil oder einer Entgasungsöffnung und eine Entgasungsvorrichtung aufweist, welche mit dem Entgasungsventil oder der Entgasungsöffnung gekoppelt ist und eingerichtet ist, in einem Schadenfall aus dem Batteriemodul austretendes Gas abzuleiten. Die Entgasungsvorrichtung weist mindestens einen entfaltbaren und/oder flexiblen Beutel auf, welcher mit einem Ausgang der Entgasungsvorrichtung gekoppelt ist und ein Überdruckventil aufweist. Das Überdruckventil kann als Sicherheitsventil fungieren, um ein unkontrolliertes Bersten des Beutels zu verhindern. Es kann eingerichtet sein, bei Erreichen eines Grenzdrucks kontrolliert zu öffnen, um den Druck innerhalb des entfalteten und/oder expandierten Beutels zu reduzieren. Bei unterschreiten eines zweiten Grenzdrucks kann das Überdruckventil wieder schließen, um die an die Außenumgebung abgegebene Menge an heißem Gas auf ein möglichst kleines Maß zu begrenzen. Im Rahmen dieser Erfindung kann es sich bei dem Beutel um einen Schlauch handeln.
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Das Überdruckventil ist derart auf dem Beutel angeordnet, dass es im entfalteten und/oder expandierten Zustand des Beutels an dessen Oberseite angeordnet ist. Die Oberseite des Beutels kann einer Oberfläche des Beutels entsprechen, die in einem in ein Elektrofahrzeug eingebauten Zustand der Entgasungsvorrichtung im ausgelösten Fall nach oben, also zum Himmel gerichtet ist bzw. vom Untergrund, auf dem das Fahrzeug steht, abgewendet ist.
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Der entfaltbare und/oder flexible Beutel ist im Normalzustand bzw. im nicht aktivierten Zustand zusammengefaltet und/oder komprimiert. Bei dem entfaltbaren Beutel oder Schlauch kann es sich um einen aufgerollten Beuten oder einen aufgerollten Schlauch handeln (der zugleich noch flexibel sein kann). Bei einem thermischen Durchgehen wird das heiße aus dem Batteriemodul austretende Gas mittels der Entgasungsvorrichtung in den Beutel geleitet. Dadurch steigt der Druck im Innern des Beutels, wodurch er sich entfaltet und/oder expandiert wird. Das aus dem Batteriemodul austretende heiße Gas wird in dem Beutel gesammelt. Der Beutel kann aus einem Material mit einem sehr kleinen Wärmeleitkoeffizienten gefertigt sein, so dass seine Oberfläche sich nur langsam erwärmt. Insgesamt kann durch das kontrollierte Sammeln des heißen Gases in dem entfalteten und/oder expandierten Beutel das Risiko für einen Personenschaden minimiert werden. Das Material des Beutels kann zugleich hitzebeständig sein. Der Beutel kann in einer weiteren Ausführungsform aus einem Material mit einem sehr hohen Wärmeleitkoeffizienten gefertigt sein, um die Wärme des heißen Gases aufzunehmen und effizient an die Umgebung abzugeben, um damit die Reaktionseigenschaft des Gases zu minimieren.
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Unter einer Entfaltung des Beutels kann eine mechanische Entfaltung des Beutels gemeint sein, bei der die zusammengefalteten bzw. zusammengelegten Teile der Oberfläche des Beutels entfaltet werden, wodurch das vom Beutel beschriebenen Innenvolumen vergrößert wird. Unter einer Expansion des Beutels kann eine Vergrößerung seines Innenvolumens gemeint sein, die auf die Elastizität des Materials des Beutels zurückzuführen ist. Eine Expansion des Beutels kann insbesondere dann erfolgen, wenn der Druck innerhalb des Beutels über dem Außendruck des Beutels liegt.
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Die Dimension des Beutels, insbesondere dessen Innenvolumen, kann auf die Batterie bzw. auf die bei einem thermischen Durchgehen einer Batteriezelle erwartete Menge an entweichendem Gas abgestimmt sein. Der mindestens eine Beutel kann in einem inaktivierten und damit kompakten bzw. zusammengelegten Zustand an einer Austrittsöffnung der Entgasungsvorrichtung angeordnet sein. Bei einem thermischen Event wird das heiße Gas dazu verwendet, den Beutel zu entfalten und/oder zu expandieren. Die heißen Gase werden dann in dem mindestens einen Beutel aufbewahrt und können keinen weiteren Sachschaden oder Personenschaden anrichten oder andere Gegenstände anzünden. Die Gase können somit auch nicht in die Umwelt gelangen und können definiert im Beutel abtransportiert und entsorgt werden.
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Gemäß weiteren Ausführungsformen der HV-Batterie kann die Entgasungsvorrichtung ein Rohrsystem aufweisen. Das Rohrsystem kann unterschiedlich ausgeführt sein und an die Auslegung der HV-Batterie angepasst sein. So kann das Rohrsystem eine Kammer aufweisen, welche mit den Entgasungsventilen der Batteriemodule verbunden ist. Die Kammer kann als Puffer fungieren und zunächst ein aus einem Batteriemodul austretendes heißes Gas auffangen. Das Rohrsystem kann, mit oder ohne dazwischengeschaltete Kammer, eine Verbindung zwischen den Entgasungsventilen der Batteriemodule und einem Einlass in den mindestens einen Beutel bereitstellen.
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Gemäß weiteren Ausführungsformen der HV-Batterie kann der Beutel definierte Öffnungen aufweisen.
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Erfindungsgemäß wird ferner ein Elektrofahrzeug bereitgestellt, das eine zuvor beschriebene HV-Batterie aufweist, wobei die Entgasungsvorrichtung mit dem daran gekoppelten entfaltbaren und/oder flexiblen Beutel derart im Elektrofahrzeug angeordnet ist, dass der Beutel im entfalteten und/oder expandierten Zustand aus der Karosserie des Elektrofahrzeugs herausragt. Dazu kann an der Karosserie eine Öffnung vorgesehen sein, durch die hindurch der Beutel nach außen, also aus der Fahrzeugkarosserie heraus entfaltet und/oder expandiert werden kann.
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Gemäß weiteren Ausführungsformen des Elektrofahrzeugs kann der entfaltbare und/oder flexible Beutel derart konfiguriert sein, dass er durch im Schadenfall aus der Entgasungsvorrichtung austretendes Gas derart aus der Karosserie herausragt, dass das Überdruckventil an dessen Oberseite angeordnet ist. Die Oberseite kann der zum Himmel gerichteten bzw. von der Erdoberfläche abgewendeten Oberfläche des Beutels entsprechen. Dadurch kann im Falle, dass eine kontrollierte Ausgasung des Beutels erfolgt, das heiße Gas in eine vom Fahrzeug und möglicherweise von umherstehenden Personen abgewendete Richtung ausströmen.
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Gemäß weiteren Ausführungsformen des Elektrofahrzeugs kann der entfaltbare und/oder expandierbare Beutel eine derartige Form aufweisen, dass seine Oberseite im entfaltenden und/oder expandierten Zustand oberhalb des Fahrzeugdachs angeordnet ist. Beispielsweise kann der Beutel im aktivierten Zustand (d.h. expandierten und/oder entfalteten Zustand) eine quaderförmige oder zylinderförmige Form aufweisen, wobei seine Oberseite höher liegt als das Fahrzeugdach. Die Höhe des Beutels im aktivierten Zustand kann bevorzugt 2 m oder mehr betragen. Alternativ kann die Beutelform so beschaffen sein, dass seine Oberseite auf einer Höhe von mindestens 2 m über der Erdoberfläche liegt. Dieses kann ggfs. in Kombination mit der Lage der Öffnung erreicht werden, durch die sich der Beutel aus der Karosserie heraus erstreckt,
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Es versteht sich, dass die voranstehend genannten und die nachstehend noch zu erläuternden Merkmale nicht nur in der jeweils angegebenen Kombination, sondern auch in anderen Kombinationen oder in Alleinstellung verwendbar sind, ohne den Rahmen der vorliegenden Erfindung zu verlassen.
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Weitere Vorteile und Ausgestaltungen der Erfindung ergeben sich aus der Beschreibung und den beiliegenden Zeichnungen.
- 1 zeigt ein Ausführungsbeispiel der HV-Batterie im eingebauten Zustand, wobei die Beutel in einem nicht aktivierten Zustand vorliegen.
- 2 zeigt das Ausführungsbeispiel der HV-Batterie aus 1, wobei die Beutel in einem aktivierten Zustand vorliegen.
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In 1 ist ein Ausführungsbeispiel einer HV-Batterie 2 gemäß der vorliegenden Erfindung gezeigt, wobei die HV-Batterie 2 in einem Elektrofahrzeug 1 verbaut ist. Die HV-Batterie 2 weist zwei Batteriemodule 3 auf und ist im Unterboden des Elektrofahrzeugs 1 angeordnet. Die Entgasungsventile der Batteriemodule 3 sind mittels der Entgasungsvorrichtung 4, die Rohrleitungen umfasst, mit Ausgängen gekoppelt, über die normalerweise bei einem thermischen Durchgehen einer der Batteriezellen in einem Batteriemodul 3 heiße Gase aus der Batteriezelle und dem Batteriemodul 3 gezielt abgeleitet werden können. Insgesamt schafft die Entgasungsvorrichtung 4 eine gemeinsame fluidmechanische und nach außen dichte Verbindung zwischen den beiden Ausgängen der Entgasungsvorrichtung 4 und den beiden Batteriemodulen 3. Bei der erfindungsgemäßen HV-Batterie 2 ist an jedem der zwei gezeigten Ausgänge (in den Figuren nicht explizit gezeigt) der Entgasungsvorrichtung 4, wovon jeder im Bereich des Radkastens angeordnet ist, jeweils ein entfaltbarer und/oder flexibler Beutel 5 angeordnet. In 1 sind die beiden Beutel 5 nicht aktiviert, d.h. sie liegen in einem zusammengelegten und nicht expandierten Zustand vor.
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In 2 ist das Ausführungsbeispiel der HV-Batterie aus 1 veranschaulicht, jedoch bei einem thermischen Event. Beim thermischen Durchgehen einer (oder mehrerer) Batteriezelle(n) entfalten sich und/oder expandieren die Beutel 5 und liegen somit in ihrem aktivierten Zustand vor. In diesem Zustand sammeln sie die heißen Gase aus der mindestens einen beschädigten Batteriezelle auf, die durch die Pfeile 6 repräsentiert sind. Die heißen Gase gelangen somit nicht unkontrolliert in die Umgebung. Der Entfaltungs- und/oder Expansionsgrad sowie die Größe der beiden Beutel 5 kann, wie in 2 angedeutet, unterschiedlich sein.
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An der Oberseite des aktivierten rechten Beutels 5, welcher im Bereich des Schwellers angeordnet ist, ist ein Überdruckventil 7 vorgesehen. Bei Erreichen eines Grenzdrucks innerhalb des Beutels 5 öffnet das Überdruckventil 7, wodurch der Innendruck kontrollieret reduziert werden kann. Die Form des Beutels 5 ist derart gewählt, dass das Überdruckventil 7 im Auslösefall oberhalb des Daches 8 des Elektrofahrzeugs 1 angeordnet ist. Das Überdruckventil 7 kann vorgesehen sein, um ein Bersten des Beutels 5 im aktivierten Zustand zu vermeiden.
