-
Die vorliegende Erfindung betrifft im Allgemeinen Stromspeicherbatterien für Fahrzeuge und insbesondere den Schutz dieser Batterien vor einem Brand.
-
Fahrzeugstromspeicherbatterien umfassen mehrere im Inneren eines Gehäuses angeordnete Stromspeicherzellen.
-
Bei einem thermischen Durchgehen einer Stromspeicherzelle steigt ihre Temperatur rasch an, und im Inneren der Stromspeicherzelle wird Gas erzeugt. Der Innendruck steigt, bis bei einer prismatischen Zelle eine zu diesem Zweck vorgesehene Sicherheitskapsel birst oder bei einer Pouch-Zelle die Umhüllung reißt.
-
Sobald die Stromspeicherzelle geplatzt ist, treten die Gase mit einer Temperatur von 300 bis 500°C in das Innenvolumen des Gehäuses aus. Einige Sekunden nach diesem Ereignis ist eine zweite Gasabgabe bei einer höheren Temperatur von üblicherweise 500 bis 800°C festzustellen. Dieses Gas, das insbesondere Wasserstoff, Sauerstoff und CO enthält, kann sich möglicherweise entzünden. Es dauert 15 bis 20 Sekunden, bis diese Stufe erreicht ist.
-
Die Menge der bei einem derartigen Ereignis freigesetzten Wärmeenergie beträgt mehr als 1100 kJ für eine Stromspeicherzelle von 60 Ah. Findet eine Verbrennung statt, ist diese Energie noch höher, und die Temperatur kann 1400°C erreichen.
-
Die bei diesem thermischen Durchgehen erzeugte Gasmenge beträgt ohne Verbrennung zwischen 110 Liter und 180 Liter für eine Stromspeicherzelle von 60 Ah.
-
Zur Steuerung des Überdrucks innerhalb des Gehäuses können Lüftungsöffnungen vorgesehen sein, die in der Abdeckung des Gehäuses oder an einer der Seitenflächen dieses Gehäuses liegen. Die Gase mit hoher Temperatur werden dann in direktem Kontakt mit einem Teil des Fahrzeugs freigegeben. Mit einer derartigen Anordnung kann nicht sichergestellt werden, dass die Fahrzeuginsassen sicher den Fahrgastraum verlassen können.
-
In diesem Kontext besteht das Ziel der Erfindung darin, eine Stromspeicherbatterie für ein Fahrzeug vorzuschlagen, deren Sicherheit bei einem Brand verbessert ist.
-
Zu diesem Zweck betrifft die Erfindung einen Stromspeicherbatterieaufbau für ein Fahrzeug, wobei der Aufbau Folgendes aufweist:
- - ein Gehäuse, das innen ein Aufnahmevolumen begrenzt, das zur Aufnahme von Stromspeicherzellen ausgebildet ist, wobei das Gehäuse einen zu einer Rollbahn des Fahrzeugs gerichteten unteren Boden aufweist;
- - ein hohles Gestell, das mit dem Gehäuse fest verbunden und unter dem unteren Boden des Gehäuses angeordnet ist und innen ein Innenvolumen begrenzt, wobei das hohle Gestell im Allgemeinen die Form einer ebenen Platte hat;
- - mindestens eine Lüftungsöffnung, die das Volumen zur Aufnahme der Stromspeicherzellen mit dem Innenvolumen des hohlen Gestells verbindet, so dass Gase abgeführt werden, die bei einem thermischen Durchgehen einer der Stromspeicherzellen erzeugt werden, wobei das Innenvolumen des hohlen Gestells mit einer Öffnung zum Ablassen der Gase außerhalb des Batterieaufbaus verbunden ist.
-
Bei einem thermischen Durchgehen einer Stromspeicherzelle werden somit die erzeugten Gase in das hohle Gestell geleitet. Sie geben einen Teil ihrer Wärmeenergie an dieses hohle Gestell ab, was den Temperaturanstieg verzögert. Darüber hinaus strömen die Gase ausgehend von dem Volumen zur Aufnahme der Stromspeicherzellen längs einer komplizierten Bahn, bevor sie entweichen. Dadurch wird der Zeitpunkt hinausgezögert, zu dem diese heißen Gase zum Außenbereich der Batterie abgegeben werden und sich die Insassen daran verbrennen könnten.
-
Die Batterie kann ferner eines oder mehrere der nachfolgenden Merkmale aufweisen, die einzeln oder in allen technisch möglichen Kombinationen herangezogen werden:
- - Die bzw. jede Lüftungsöffnung weist einen Durchgang auf, der das Volumen zur Aufnahme der Stromspeicherzellen mit dem Innenvolumen des hohlen Gestells in Strömungsverbindung bringt, und ein Ventilelement, das im Ruhezustand eine Position zum Verschließen des Durchgangs und bei einer Druckdifferenz über einem vorbestimmten Wert zwischen dem Volumen zur Aufnahme der Stromspeicherzellen und dem Innenvolumen des hohlen Gestells eine aktive Position einnimmt, in der das Ventilelement den Durchgang freigibt.
- - Das hohle Gestell weist eine obere Platte, die zum unteren Boden gerichtet ist, eine untere Platte, die entgegengesetzt zum unteren Boden gerichtet ist, und eine Zwischenplatte auf, die das Innenvolumen in ein oberes Volumen, das zwischen der oberen Platte und der Zwischenplatte begrenzt ist, und in ein unteres Volumen unterteilt, das zwischen der Zwischenplatte und der unteren Platte begrenzt ist, wobei die Zwischenplatte mit Zwischenöffnungen durchbohrt ist, die das obere Volumen mit dem unteren Volumen in Strömungsverbindung bringen.
- - Das hohle Gestell weist mehrere obere Versteifungsrippen, die im oberen Volumen angeordnet und mit oberen Öffnungen durchbohrt sind, und/oder mehrere untere Versteifungsrippen auf, die im unteren Volumen angeordnet und mit unteren Öffnungen durchbohrt sind.
- - Ein Wärmetauscher ist zwischen dem unteren Boden und dem hohlen Gestell angeordnet.
- - Der Batterieaufbau weist einen Kanal auf, der die Gase ausgehend von dem Innenvolumen bis zur Öffnung zum Ablassen der Gase außerhalb des Batterieaufbaus kanalisiert.
- - Der Kanal ist in einem um das hohle Gestell herum angeordneten Stoßaufnehmer angeordnet.
- - Der Batterieaufbau weist mindestens einen hohlen Träger auf, der in dem Volumen zur Aufnahme der Stromspeicherzellen angeordnet ist und das Volumen zur Aufnahme der Zellen in Fächer zur Aufnahme von Stromspeicherzellen unterteilt, wobei der bzw. jeder Durchgang in den mindestens einen hohlen Träger ausmündet.
- - Der mindestens eine hohle Träger weist mindestens eine Öffnung auf, die einen Innenraum des hohlen Trägers mit dem Volumen zur Aufnahme der Stromspeicherzellen in Strömungsverbindung bringt.
-
Die Erfindung betrifft auch eine Stromspeicherbatterie für ein Fahrzeug, die Folgendes aufweist:
- - einen wie oben definierten Batterieaufbau und
- - mehrere Stromspeicherzellen.
-
Die Erfindung betrifft schließlich ein Kraftfahrzeug mit:
- - einer Karosserie mit Seitentüren;
- - einem Fahrzeugfahrgestell;
- - einem Batterieaufbau mit einer Gasablassöffnung, die bezogen auf die Seitentüren in Längsrichtung nach vorne oder nach hinten versetzt ist und sich vorzugsweise unter dem Fahrzeugfahrgestell befindet.
-
Weitere Merkmale und Vorteile der Erfindung ergeben sich aus der ausführlichen Beschreibung, die nachfolgend beispielhaft und keineswegs einschränkend mit Bezug auf die beigefügten Figuren gegeben ist. Darin zeigen:
- - 1 eine perspektivische Ansicht eines Teils der erfindungsgemäßen Stromspeicherbatterie, wobei nur eine Stromspeicherzelle gezeigt ist und die Abdeckung und die Stoßaufnehmer nicht gezeigt sind;
- - 2 eine vergrößerte perspektivische Ansicht eines Ausschnitts von 1, die eine Lüftungsöffnung zeigt, deren Ventilelement sich im Ruhezustand befindet;
- - 3 eine perspektivische Ansicht der Lüftungsöffnung von 2, wobei das Ventilelement in der aktiven Position dargestellt ist;
- - 4 eine perspektivische Ansicht einer Ecke des hohlen Gestells und der Stoßaufnehmer der Batterie von 1; und
- - 5 eine vereinfachte schematische Darstellung in einer Draufsicht eines mit der Batterie von 1 ausgestatteten Kraftfahrzeugs.
-
Mit der in den 1-4 gezeigten elektrischen Batterie soll ein Fahrzeug, üblicherweise ein Kraftfahrzeug wie ein Auto, ein Bus oder ein Lastwagen ausgestattet werden.
-
Bei dem Fahrzeug handelt es sich z. B. um ein von einem Elektromotor angetriebenes Fahrzeug, wobei der Motor von der elektrischen Batterie elektrisch gespeist wird. Als Variante ist das Fahrzeug ein Hybridfahrzeug und umfasst somit einen Verbrennungsmotor und einen Elektromotor, der von der elektrischen Batterie elektrisch gespeist wird. Gemäß einer weiteren Variante wird das Fahrzeug von einem Verbrennungsmotor angetrieben, wobei die elektrische Batterie zur elektrischen Versorgung weiterer Ausstattung des Fahrzeugs, z. B. des Anlassers, der Lichter usw. vorgesehen ist.
-
Die Batterie umfasst einen Batterieaufbau 1 und mehrere Stromspeicherzellen 3. In 1 ist nur eine Zelle 3 dargestellt worden, die Batterie umfasst jedoch eine große Anzahl von Stromspeicherzellen 3, üblicherweise mehrere Dutzend Stromspeicherzellen 3.
-
Die Stromspeicherzellen 3 sind von jedem geeigneten Typ. Es handelt sich z. B. um Lithium-Zellen vom Typ Lithium-Ionen-Polymer- (Li-Po-), Lithium-Eisen-Phosphat- (LFP-), Lithium-Kobalt- (LCO-), Lithium-Mangan- (LMO-), Nickel-Mangan-Kobalt- (NMC-) Zellen oder um NiMH-Zellen (engl. „Nickel-Metallhydrid“).
-
Wie in 1 veranschaulicht, sind die Stromspeicherzellen 3 quaderförmig. Als Variante handelt es sich bei den Stromspeicherzellen 3 um Pouch-Zellen.
-
Der Batterieaufbau 1 umfasst ein Gehäuse 5, das im Inneren ein Volumen 7 zur Aufnahme der Stromspeicherzellen 3 begrenzt.
-
Das Gehäuse 5 weist einen unteren Boden 9 auf, der zur Rollbahn des Fahrzeugs gerichtet ist.
-
Genauer gesagt umfasst das Gehäuse 5 üblicherweise eine untere Wanne 11, die neben dem unteren Boden 9 einen Seitenrand 13 aufweist. Der Seitenrand 13 steht ausgehend von dem unteren Boden 9 in einer zur Rollbahn des Fahrzeugs entgegengesetzten Richtung hervor. Der untere Boden 9 ist vollständig davon umgeben. Lediglich ein Teil des Seitenrands 13 ist in 1 dargestellt.
-
Die Stromspeicherzellen 3 sind in einem oder in mehreren Modulen, üblicherweise in mehreren Modulen verteilt. Die Anzahl der Module hängt von der gewünschten Kapazität für die Batterie ab.
-
Das Gehäuse 5 weist auch eine nicht gezeigte Abdeckung auf. Die Abdeckung und die untere Wanne 11 sind gas- und flüssigkeitsdicht zusammengefügt und definieren gemeinsam das Volumen 7 zur Aufnahme der Stromspeicherzellen 3.
-
Der Batterieaufbau 1 weist auch ein hohles Gestell 15 auf, das mit dem Gehäuse 5 fest verbunden ist.
-
Das hohle Gestell 15 ist unter dem unteren Boden 9 des Gehäuses 5 angeordnet.
-
Das hohle Gestell 15 hat im Allgemeinen die Form einer ebenen Platte.
-
Es weist eine obere Fläche 17 und eine untere Fläche 19 auf, die zueinander entgegengesetzt sind. Die obere Fläche 17 ist zum unteren Boden 9 und die untere Fläche 19 zur Rollbahn gerichtet.
-
Das hohle Gestell 15 erstreckt sich gegenüber dem unteren Boden 9. Es verläuft im Wesentlichen parallel zum unteren Boden 9.
-
Das hohle Gestell 15 hat Abmessungen, die größer sind als die des unteren Bodens 9, so dass es sich gegenüber der gesamten Fläche des unteren Bodens 9 erstreckt und über die Ränder der Fläche des unteren Bodens 9 hinaussteht.
-
Bei dem dargestellten Beispiel ist der untere Boden 9 rechteckig und das hohle Gestell 15 ist auch rechteckig.
-
Das hohle Gestell 15 hat folgende Funktionen:
- - Aufnahme des Gewichts der Stromspeicherzellen 3 und der Kräfte, denen sie ausgesetzt sind;
- - Gewährleistung der starren Verbindung mit dem Fahrzeugfahrgestell;
- - Gewährleistung des Schutzes vor Angriffen von der Oberseite der Batterie, insbesondere durch Gegenstände, die auf der Rollbahn liegen oder von der Rollbahn nach oben geschleudert werden;
- - Gewährleistung des Schutzes der Batterie vor seitlichen Stößen.
-
Aus diesem Grund hat das hohle Gestell 15 einen besonders starren Aufbau, der unten beschrieben ist.
-
Wie insbesondere in 2 zu sehen ist, ist ein Wärmetauscher 21 zwischen dem unteren Boden 9 und dem hohlen Gestell 15 angeordnet.
-
Zwischen dem unteren Boden 9 und dem hohlen Gestell 15 ist ein Raum 23 für die Zirkulation eines Wärmeträgerfluids begrenzt. Die Batterie weist ferner eine Versorgung auf, die zum Speisen des Raums 23 mit Wärmeträgerfluid ausgebildet ist, und einen Auslass, der zum Auslassen des Wärmeträgerfluids aus dem Raum 23 ausgebildet ist. Die Versorgung und der Auslass sind nicht dargestellt. Die Versorgung und der Auslass sind mit einem nicht gezeigten Kreislauf verbunden, mit dem das Wärmeträgerfluid bis zu einer Kältequelle erneut in Umlauf gebracht werden kann.
-
Üblicherweise sind ein oder mehrere Bleche 25 in dem Raum 23 angeordnet.
-
Die Bleche 25 sind so gebogen, dass Zirkulationskanäle für das Wärmeträgerfluid im Inneren des Raums 23 begrenzt werden. Die Bleche 25 weisen auch massive Kanten 27 auf, die im Wechsel am unteren Boden 9 und am hohlen Gestell 15 anliegen, so dass Kräfte zwischen dem unteren Boden und dem hohlen Gestell 15 übertragen werden.
-
Der untere Boden 9 besteht aus Stahl oder aus Aluminium.
-
Wie in den 1 und 2 zu sehen ist, begrenzt das hohle Gestell 15 innen ein Innenvolumen 29. Genauer gesagt weist das hohle Gestell 15 eine obere Platte 31, die zum unteren Boden 9 gerichtet ist, eine untere Platte 33, die entgegengesetzt zum unteren Boden 9 gerichtet ist, und eine Zwischenplatte 35 auf, die das Innenvolumen 29 in ein oberes Volumen 37 und ein unteres Volumen 39 unterteilt. Das obere Volumen 37 ist zwischen der oberen Platte 31 und der Zwischenplatte 35 begrenzt. Das untere Volumen 39 ist zwischen der Zwischenplatte 35 und der unteren Platte 33 begrenzt. Die Platten 31, 33 und 35 verlaufen im Wesentlichen parallel zueinander. Das obere Volumen 37 und das untere Volumen 39 erstrecken sich im Wesentlichen über die gesamte Fläche des hohlen Gestells 15.
-
Das hohle Gestell 15 weist ferner mehrere obere Versteifungsrippen 41 auf, die im oberen Volumen 37 angeordnet sind.
-
Die oberen Rippen 41 sind durch eine S-förmig gebogene Platte gebildet.
-
Die oberen Rippen 41 sind genauer gesagt alle parallel zueinander. Sie sind durch Abflachungen 43 miteinander verbunden, wobei die Abflachungen 43 im Wechsel an der oberen Platte 31 und an der Zwischenplatte 35 anliegen. Somit definiert die S-förmig gebogene Platte mehrere zueinander parallele Kanäle 45, die im Wechsel entweder zur oberen Platte 31 oder zur Zwischenplatte 35 offen sind.
-
Das hohle Gestell 15 weist ebenso mehrere untere Verstärkungsrippen 47 auf, die im unteren Volumen 39 angeordnet sind. Die unteren Rippen 47 sind durch eine S-förmig gebogene Platte gebildet.
-
Die unteren Rippen 47 verlaufen alle parallel zueinander und sind über Abflachungen 49 verbunden, die im Wechsel an der Zwischenplatte 35 und an der unteren Platte 33 anliegen. Die Platte, die die unteren Rippen 47 bildet, begrenzt somit zueinander parallele Kanäle 51, die im Wechsel entweder zur Zwischenplatte 35 oder zur unteren Platte 33 offen sind.
-
Die obere Platte 31, die untere Platte 33, die Zwischenplatte 35 und die S-förmig gebogenen Platten, die die unteren und oberen Rippen 47 und 41 bilden, bestehen üblicherweise aus einem Metall, z. B. aus Stahl, üblicherweise aus Stahl mit hoher Dehnungsgrenze.
-
Der Batterieaufbau 1 weist auch mindestens einen hohlen Träger 53 auf, der in dem Volumen 7 zur Aufnahme von Stromspeicherzellen 3 angeordnet ist. Üblicherweise weist der Batterieaufbau 1 mehrere hohle Träger 53 auf.
-
Die hohlen Träger 53 verlaufen parallel zueinander. Sie sind starr am Gehäuse 5 und genauer gesagt an der unteren Wanne 11 befestigt. Der bzw. die hohlen Träger 53 unterteilen das Volumen 7 zur Aufnahme der Stromspeicherzellen 3 in mehrere Fächer 55 zur Aufnahme von Stromspeicherzellen.
-
Das Fach 55 hat in Längsrichtung z. B. eine Breite, die der eines Stromspeicherzellenmoduls entspricht.
-
Zwischen den hohlen Trägern 53 sind längsverlaufende Streben 57 angeordnet.
-
Die untere Wanne 11, die hohlen Träger 53 und die Streben 57 bilden zusammen ein Gestell, das dem Batterieaufbau 1 eine große Steifigkeit verleiht.
-
Der Batterieaufbau 1 weist auch vorteilhafterweise mindestens einen seitlichen Stoßaufnehmer 59 auf, der in 4 zu sehen ist. Der Stoßaufnehmer 59 ist um das hohle Gestell 15 herum angeordnet.
-
Der Stoßaufnehmer 59 weist Profile 61 auf, die jeweils an einem Außenrand des hohlen Gestells 15 befestigt sind. Jedes Profil 61 hat einen U-förmigen Querschnitt mit einem mittleren Steg 63, der zwei Flügel 65 miteinander verbindet. Zwischen den Flügeln 65 ist das hohle Gestell 15 geklemmt, wobei einer der Flügel 65 an der oberen Platte 31 und der andere Flügel 65 an der unteren Platte 33 befestigt ist.
-
Erfindungsgemäß weist der Batterieaufbau 1 mindestens eine Lüftungsöffnung 67 auf, die das Volumen 7 zur Aufnahme von Stromspeicherzellen 3 mit dem Innenvolumen 29 des hohlen Gestells 15 verbindet.
-
Es ist somit möglich, die Gase, die bei einem thermischen Durchgehen einer oder mehrerer Stromspeicherzellen 3 erzeugt werden, von dem Volumen 7 zur Aufnahme von Stromspeicherzellen zu dem Innenvolumen 29 des hohlen Gestells abzuführen.
-
Der Batterieaufbau 1 weist üblicherweise mehrere Lüftungsöffnungen 67, z. B. zwei Lüftungsöffnungen oder mehr als zwei Lüftungsöffnungen auf. Die Anzahl der Lüftungsöffnungen ist von der Größe der Batterie und von der Anzahl der Stromspeicherzellen, die sie enthält, abhängig.
-
Die bzw. jede Lüftungsöffnung 67 weist einen Durchgang 69 auf, der das Volumen 7 zur Aufnahme der Stromspeicherzellen mit dem Innenvolumen 29 des hohlen Gestells 15 in Strömungsverbindung bringt, und ein Ventilelement 71, das im Ruhezustand eine Position zum Verschließen des Durchgangs 69 und bei einer Druckdifferenz über einem vorbestimmten Wert (zwischen 10 und 100 mbar, vorzugsweise zwischen 15 und 50 mbar) zwischen dem Volumen 7 zur Aufnahme der Stromspeicherzellen und dem Innenvolumen 29 des hohlen Gestells 15 eine aktive Position einnimmt, in der das Ventilelement 71 den Durchgang 69 freigibt.
-
Das Ventilelement 71 ist in 2 in seiner Schließposition und in 3 in seiner aktiven Position dargestellt.
-
Die Art einer derartigen Lüftungsöffnung 67 ist auf dem Gebiet der Stromspeicherbatterien bekannt. Sie wird üblicherweise dazu verwendet, den Innendruck der Batterie mit dem Außendruck auszugleichen.
-
Wie in 3 veranschaulicht, wird der Durchgang 69 üblicherweise durch eine am unteren Boden 9 ausgebildete Öffnung 73 und eine weitere, in der oberen Platte 31 ausgebildete Öffnung 75 definiert, wobei die beiden Öffnungen 73, 75 zusammenfallen.
-
Die Lüftungsöffnung 67 weist einen Kranz 77 auf, der um die Öffnung 73 herum starr am unteren Boden 9 befestigt ist, sowie eine Membran 79, die für Gase durchlässig und wasserdicht ist. Die Membran 79 ist oberhalb der Öffnung 73 angeordnet und über mehrere gleichmäßig um die Öffnung 73 verteilte Streben 81 am Kranz 77 befestigt. Die Durchlässigkeit der Membran 79 ermöglicht einen Ausgleich der Drücke, die im Volumen 7 zur Aufnahme der Stromspeicherzellen 3 und im Innenvolumen 29 des hohlen Gestells 15 herrschen. Zwischen den Streben 81 sind Durchgangsöffnungen für die Gase begrenzt.
-
Die Lüftungsöffnung 67 weist auch ein trichterförmiges Teil 83 mit einem offenen Endrohr 85 und einem sich ausgehend von dem Endrohr 85 aufweitenden kegelstumpfartigen Abschnitt 87 auf. Die Membran 79 ist an den Rand des kegelstumpfartigen Abschnitts 87 angesetzt und verschließt diesen. Das Endrohr 85 durchquert die Öffnungen 73 und 75 und mündet in das Innenvolumen 29 des hohlen Gestells 15 aus.
-
Das Ventilelement 71 ist starr um das Endrohr 85 herum befestigt.
-
Wenn die Druckdifferenz zwischen dem Volumen 7 zur Aufnahme der Stromspeicherzellen 3 und dem Innenvolumen 29 des hohlen Gestells 15 unter einem vorbestimmten Wert liegt, ist das Ventilelement 71 so gekrümmt, dass der Umfangsrand 89 des Ventilelements 71 mit dem Rand der Öffnung 75 in Kontakt steht (2). Das Ventilelement 71 ist dann zum Volumen 7 zur Aufnahme der Stromspeicherzellen 3 konkav und zum Innenvolumen 29 des hohlen Gestells 15 konvex.
-
Wenn der Druck im Inneren des Volumens 7 zur Aufnahme der Stromspeicherzellen 3 den Druck im Inneren des Innenvolumens 29 um einen vorbestimmten Wert überschreitet, ist die Krümmung des Ventilelements 71 umgekehrt. Der Rand 89 des Ventilelements 71 hebt sich vom Rand der Öffnung 75 ab. Das Ventilelement 71 ist dann zum Innenvolumen 29 konkav und zum Volumen 7 zur Aufnahme der Stromspeicherzellen 3 konvex (3).
-
Es ist anzumerken, dass die Lüftungsöffnung 67 auch einen starr an der oberen Platte 31 befestigten zweiten Kranz 91 und eine mit dem zweiten Kranz 91 fest verbundene Schale 93 aufweist. Der Kranz 91 ist um die Öffnung 75 herum befestigt. Die Schale 93 ist unter dem Ventilelement 71 angeordnet. Streben 95, die um die Öffnung 75 verteilt sind, verbinden die Schale 93 fest mit dem Kranz 91. Zwischen den Streben 95 sind Durchgangsöffnungen für die Gase begrenzt.
-
Vorteilhafterweise mündet der Durchgang 69 im Inneren des bzw. eines der hohlen Träger 53 aus. Wie in den 1 und 2 zu sehen ist, weist der bzw. jeder hohle Träger 53 ein U-förmiges Profil 97 mit einem Boden 99 und zwei Seitenflügeln 101 auf. Der untere Boden 9 weist eine vertiefte Rille 103 auf, in der der hohle Träger 53 aufgenommen ist. Der Boden 99 des hohlen Trägers 53 liegt am Boden der Rille 103 an.
-
In diesem Fall ist die Öffnung 73 am Boden der Rille 103 ausgebildet, und der Boden 99 weist eine Öffnung 105 auf, die so angeordnet ist, dass sie mit der Öffnung 73 zusammenfällt. Der Kranz 77 ist starr am Boden 99 befestigt.
-
Es ist anzumerken, dass ein zweites Profil 107 zwischen den beiden Flügeln 101 in Eingriff ist und den Innenraum des hohlen Trägers 53 entgegengesetzt zum Boden 99 verschließt.
-
Der bzw. jeder hohle Träger 53 weist eine Verbindungsöffnung 109 auf, die den Innenraum des hohlen Trägers 53 mit dem Volumen 7 zur Aufnahme der Stromspeicherzellen 3 verbindet. Bei dem dargestellten Beispiel weist der bzw. jeder hohle Träger 53 mindestens zwei Verbindungsöffnungen 109 auf, die in den beiden Flügeln 101 einander gegenüber ausgebildet sind.
-
Um die Verteilung der Gase im Inneren des Innenvolumens 29 des hohlen Gestells 15 zu ermöglichen, ist die Zwischenplatte 35 mit Zwischenöffnungen 111 durchbohrt, die das obere Volumen 37 mit dem unteren Volumen 39 in Strömungsverbindung bringen.
-
Üblicherweise ist die Zwischenplatte 35 mit einer großen Anzahl von Zwischenöffnungen 111 durchbohrt, wobei diese Anzahl von der Größe der Zwischenplatte 35 und von dem Gasvolumen abhängig ist, das innerhalb des hohlen Gestells 15 strömen soll. Üblicherweise sind die Zwischenöffnungen 111 in einem mittleren Bereich der Zwischenplatte 35 zusammengefasst, wobei ein Umfangsbereich der Zwischenplatte 35, der den mittleren Bereich umgibt, keine Zwischenöffnungen aufweist.
-
Um die Verteilung der Gase im gesamten oberen Volumen 37 zu ermöglichen, sind ebenso die oberen Versteifungsrippen 41 mit mehreren oberen Öffnungen 113 durchbohrt. Wie oben angegeben, sind die oberen Rippen 41 durch eine S-förmig gebogene Platte gebildet, die zueinander parallele Kanäle 45 begrenzt. Aufgrund der oberen Öffnungen 113 kann das Gas von einem Kanal 45 zu einem anderen strömen.
-
Vorteilhafterweise sind nur die Abschnitte der oberen Rippen 41, die in einem mittleren Bereich des oberen Volumens 37 liegen, mit oberen Öffnungen 113 versehen, die Abschnitte der oberen Rippen 41, die sich am Umfang des mittleren Bereichs des oberen Volumens 37 befinden, weisen keine oberen Öffnungen 113 auf.
-
Damit sich die Gase im Inneren des unteren Volumens 39 verteilen können, sind die unteren Rippen 47 in der gleichen Weise mit unteren Öffnungen 115 durchbohrt.
-
Wie oben erläutert, werden die unteren Rippen 47 durch eine S-förmig umgebogene Platte gebildet, die mehrere zueinander parallele Kanäle 51 definiert. Aufgrund der unteren Öffnungen 115 können die Gase von einem Kanal 51 zu einem anderen Kanal strömen.
-
Wie zuvor sind vorteilhafterweise nur die Abschnitte der unteren Rippen 47, die in einem mittleren Bereich des unteren Volumens 39 liegen, mit unteren Öffnungen 115 durchbohrt. Die Abschnitte der unteren Rippen 47, die am Umfang des mittleren Bereichs des unteren Volumens 39 liegen, haben keine unteren Öffnungen 115.
-
Vorteilhafterweise ist das Innenvolumen 29 des hohlen Gestells 15 mit einer Öffnung 119 zum Ablassen der Gase außerhalb des Batterieaufbaus verbunden.
-
Der Batterieaufbau 1 weist einen Kanal 117 auf, der die Gase ausgehend von dem Innenvolumen 29 des hohlen Gestells 15 bis zur Öffnung 119 zum Ablassen der Gase außerhalb der Batterie kanalisiert. Der Kanal 117 ist vorteilhafterweise im Stoßaufnehmer 59 angeordnet. Der Kanal 117 ist z. B. durch die Profile 61 bildet.
-
Wie in 5 veranschaulicht, ist die Öffnung 119 so angeordnet, dass die Fahrzeuginsassen geschützt werden.
-
Diese Figur veranschaulicht ein Fahrzeug 121 in einer Draufsicht. Das Fahrzeug umfasst eine Karosserie 123 mit Seitentüren 125. Die Batterie ist so angeordnet, dass die Gasablassöffnung 119 bezogen auf die Seitentüren 125 in Längsrichtung nach vorne oder nach hinten versetzt ist.
-
Diese Ablassöffnung 119 ist vorzugsweise unter dem Fahrzeugfahrgestell 127 angeordnet. Sie befindet sich z. B. unter dem Fahrzeugkofferraum.
-
Der Betrieb der Batterie wird nun ausführlich erläutert.
-
Wie oben angegeben, steigt bei einem thermischen Durchgehen einer Stromspeicherzelle 3 deren Temperatur rasch a,n und innerhalb der Stromspeicherzelle 3 wird Gas erzeugt. Der Innendruck steigt, bis im Fall einer prismatischen Zelle eine zu diesem Zweck vorgesehene Kapsel birst oder im Fall einer Pouch-Zelle die Umhüllung reißt.
-
Sobald die Zelle geplatzt ist, treten die Gase, die eine Temperatur von 300 bis 500°C haben, innerhalb des Volumens 7 zur Aufnahme der Stromspeicherzellen 3 aus.
-
Kurz danach, üblicherweise einige Sekunden später, tritt eine zweite Gasabgabe bei hoher Temperatur auf (500 bis 800°C). Dieses Gas enthält insbesondere Wasserstoff, Sauerstoff und CO, so dass sich dieses Gas entzünden kann. Bei einer Verbrennung kann die Temperatur etwa 1400°C erreichen. Die Gasmenge, die bei einem Durchgehen erzeugt wird, beträgt zwischen 110 Liter und 180 Liter für eine Stromspeicherzelle 3 von 60 Ah vor der Verbrennung.
-
Die emittierten Gase können nur über die Lüftungsöffnungen 67 austreten. Die Gaserzeugung ist derart, dass das Ventilelement 71 seine aktive Position einnimmt und den Durchgang 69 freigibt.
-
In einigen Fällen ist die Temperatur derart, dass das Ventilelement 71 schmilzt, wobei der Durchgang 69 dann für das Durchströmen der Gase vollständig freigegeben ist.
-
Die im Inneren des Volumens 7 zur Aufnahme der Stromspeicherzellen 3 freigesetzten Gase strömen durch die Verbindungsöffnungen 109 bis in den Innenraum der hohlen Träger 53. Sie strömen dann durch den Durchgang 69 bis in das Innenvolumen 29 des hohlen Gestells 15.
-
Ausgehend von dem Durchgang 69 verteilen sich die Gase durch die oberen Öffnungen 113 im oberen Volumen 37. Sie strömen auch durch die Zwischenöffnungen 111 von dem oberen Volumen 37 zu dem unteren Volumen 39. Sobald sie das untere Volumen 39 erreicht haben, verteilen sie sich durch die unteren Öffnungen 115 im gesamten unteren Volumen 39.
-
Die heißen Gase, die sich im Inneren des hohlen Gestells 15 verteilen, geben beim Kontakt mit dem Material, aus dem dieses hohle Gestell besteht, einen Teil ihrer Wärmeenergie ab.
-
Genauer gesagt geben die Gase einen Teil ihrer Wärmeenergie an die obere Platte, die Zwischenplatte, die untere Platte und an die oberen und unteren Rippen ab. Die Temperatur sinkt daher mit zunehmender Verteilung der Gase.
-
Da die obere Platte 31 mit dem Wärmetauscher 21 in Kontakt steht, geben die Gase einen großen Anteil ihrer Wärmeenergie an das in diesem Wärmetauscher 21 zirkulierende Wärmeträgerfluid ab. Insbesondere verdampft das Wärmeträgerfluid, wobei diese Umwandlung stark endothermisch ist und daher dazu beiträgt, die Gase erheblich zu kühlen.
-
Die untere Platte 33 steht ebenso mit der Atmosphäre außerhalb des Fahrzeugs in Kontakt. Dies ist günstig für das Kühlen der Gase durch die untere Wand 33.
-
Die Gase werden anschließend von dem Kanal 117 gesammelt und bis zur Ablassöffnung 119 geleitet. Diese Ablassöffnung liegt an einer Stelle, die von den Seitentüren 125 des Fahrzeugs, über die die Insassen dieses verlassen, entfernt ist.
-
So treten die Gase zu Beginn des thermischen Durchgehens ausreichend gekühlt aus, so dass sie keine reelle Gefahr für die Fahrzeuginsassen darstellen. Diese haben Zeit, das Fahrzeug zu verlassen, bevor die Temperatur der Gase kritisch wird und diese eine reelle Gefahr darstellen.
-
Mit der Erfindung ist es auch möglich, den Zeitpunkt zu verzögern, zu dem das Risiko, dass sich die Gase entzünden, bedeutsam wird.
