EP4659309A1 - Gasausleitungsplatte für batteriemodule - Google Patents

Abstract

Die vorliegende Erfindung betrifft eine Gasausleitungsplatte (1) mit Gasauslassklappen (3) mit einstellbarer Druckauslösung als Sicherheitsvorrichtung für ein Batteriemodul für den Fall eines thermischen Durchgehens einer Batteriezelle (6) zur Ableitung des heißen Gasstroms aus dem Zellbereich des Moduls, wobei die Gasausleitungsplatte (1) eine Grundplatte (2) aus einem hochtemperaturbeständigen Material aufweist, in die eine Anordnung von einstellbaren Gasauslassklappen (3) eingefügt ist, wobei die Gasauslassklappen (3) einen freien Umfang (4) aufweisen, der den klappbaren Bereich definiert und eine Knickkante (5) über die die Gasauslassklappen (3) mit der Grundplatte (2) verbunden sind und die im Falle des Auftreffens eines heißen Gasstroms öffnen, sowie die Verwendung der Gasausleitungsplatte (1) für die Herstellung eines Batteriemoduls und ein Batteriemodul mit Gasausleitungsplatte (1).

Description

Gasausleitungsplatte für Batteriemodule

Die vorliegende Erfindung betrifft eine Gasausleitungsplatte als Sicherheitsvorrichtung für Batteriemodule, die im Falle eines thermischen Versagens einer Batteriezelle des Moduls für eine sichere Ableitung eines aus der Batteriezelle austretenden heißen Gases sorgt, das zudem mit leitfähigen Partikeln angereichert ist, um ein Übergreifen auf benachbarte Zellen und einen Kurzschluss mit Bildung eines Lichtbogens zwischen Batteriegehäusemasse und stromführenden Bauteilen zu verhindern.

Weiter betrifft die vorliegende Erfindung ein Batteriemodul mit erfindungsgemäßer Gasausleitungsplatte sowie die Verwendung einer erfindungsgemäßen Gasausleitungsplatte für Batteriemodule.

Für Fahrzeuge, die einen elektrischen Antrieb aufweisen, werden wiederaufladbare Batteriesysteme eingesetzt, wobei heutzutage insbesondere Lithium-Ionen-Batteriezellen Anwendung finden. Dabei werden zwei oder mehr Zellen zu einem Modul in einem Batteriezellen- oder Modulgehäuse möglichst dicht aneinandergereiht und elektrisch miteinander verbunden. Mehrere Batteriemodule werden wiederum zu einem Batteriepaket zusammengefasst und gleichfalls elektrisch miteinander verschaltet.

Für den Betrieb in Fahrzeugen müssen diese Batteriesysteme sehr hohe Energiedichten aufweisen, die jedoch auch ein hohes Sicherheitsrisiko bergen.

Ein sicherer Betrieb dieser Batteriesysteme ist nur bis zu einem vergleichsweise niedrigen kritischen Temperaturwert möglich. Bereits bei ca. 80 °C setzen Oxidationsvorgänge zwischen Komponenten des Elektrolyten und Bestandteilen der Elektroden der Batteriezellen ein, die zu einer fortschreitenden Erwärmung der Zelle und schließlich Schädigung der Zelle bis hin zum thermischen Durchgehen der Zelle, dem sogenannten Thermal Runaway, führen.

Durch den fortschreitenden Wärmeanstieg in der Zelle kommt es zu einer Gasbildung, die mit zunehmenden Gasdruck zur Explosion der Zelle führen kann, wobei mit hohem Druck ein leicht brennbares Gas aus der Zelle austritt, das sich bei Kontakt mit Luft in der Regel sofort entzündet und sehr hohe Temperaturen aufweist. Das sehr heiße Gas führt zudem leitfähige Partikel mit sich, wie zum Beispiel graphitischen Kohlenstoff, metallische Teilchen und andere Zersetzungsprodukte des Zellinhalts.

Um einen durch die Gasbildung erhöhten Zellendruck abbauen zu können, ist es bekannt, Batteriezellen mit Entgasungsöffnungen wie einem Sicherheitsventil oder einer Berstmembran auszustatten, durch die das Gas gerichtet in die Umgebung der Batteriezelle entweichen kann.

Allerdings muss auch in diesem Fall für die Betriebssicherheit der Batteriezellen und insbesondere auch von möglichen Fahrzeuginsassen sichergestellt werden, dass eine Energieübertagung auf benachbarte Zellen und Module vermieden wird, um eine Ausbreitung des thermischen Durchgehens zu unterbinden oder zumindest solange wie möglich zu verhindern.

Insbesondere muss verhindert werden, dass das mit leitfähigen Partikeln beladene Gas zu einem Kurzschluss zwischen den stromführenden Bauteilen und der Masse des Batteriepakets führt und sich ein Lichtbogen bildet, der Temperaturen bis zu mehreren Tausend Grad Celsius aufweisen kann.

Für die Betriebssicherheit und zum Schutz von Fahrzeuginsassen muss ein geeignetes Schutzkonzept für ein Batteriepaket sicherstellen, dass nach der Detektion eines ersten Anzeichens eines thermal runaways einer Batteriezelle über einen Zeitraum von mehreren Minuten keine Funken oder Flammen außerhalb des Batteriepakets auftreten, d.h. Sichtbar werden. Dieser Zeitraum bis zu dem Flammen außerhalb des Batteriepakets sichtbar werden, sollte zur Erfüllung von Sicherheitsstandards vorzugsweise nicht kürzer als 5 Minuten sein.

Hier setzt die vorliegende Erfindung ein. Die vorliegende Erfindung betrifft eine Gasausleitungsplatte mit einstellbaren Gasauslassklappen mit den Merkmalen des Anspruchs 1.

Die Unteransprüche betreffen bevorzugte Ausführungsformen.

Weiter betrifft die vorliegende Erfindung einer Batteriezellenmodul mit erfindungsgemäßer Gasausleitungsplatte mit einstellbaren Gasauslassklappen und ein Modulgehäuse mit Gasausleitungsplatte mit einstellbaren Gasauslassklappen, sowie die Verwendung einer erfindungsgemäßen Gasausleitungsplatte mit einstellbaren Gasauslassklappen für ein Batteriemodul beziehungsweise Modulgehäuse.

Die erfindungsgemäße Gasausleitungsplatte mit einstellbaren Gasauslassklappen ist aus einer hochtemperaturbeständigen Grundplatte gebildet, die Gasauslassklappen aufweist, die dazu ausgebildet sind, bei Einwirkung eines vorbestimmten Gasdruckes zu öffnen und Gas aus dem Inneren eines Batteriemoduls abzuleiten.

„Einstellbare Gasauslassklappe“ bedeutet im Sinne der vorliegenden Erfindung, dass die Gasauslassklappe erst bei Einwirkung eines vorbestimmten Druckes auslöst.

Eine thermisch durchgehende Batteriezelle wird auch als propagierende Batteriezelle bezeichnet.

Die Gasauslassklappen sind teilausgeschnittene Bereiche in der Grundplatte, wobei ein Teil des Umfangs des Bereichs von der Grundplatte gelöst ist, dieser Teil wird hier als „freier Umfang“ bezeichnet, und nur noch der restliche Teil des Umfangs mit der Grundplatte verbunden ist, dieser verbundene Teil wird hier als „Knickkante“ bezeichnet.

Der freie Umfang kann durchgängig über die ganze Dicke der Grundplatte von der Grundplatte abgetrennt sein, die Abtrennung kann auch nur teilweise sein, zum Beispiel kann die Durchtrennung der Dicke der Grundplatte nicht vollständig durch die Grundplatte hindurchgehen, oder die Grundplatte kann entlang des freien Umfangs eine Perforation aufweisen.

Die Form der Gasauslassklappen kann je nach Bedarf gewählt werden. Sie kann rund, oval oder eckig sein. Sie ist ausreichend groß zu wählen, so dass der auftreffende Gasstrom sicher und vollständig abgeleitet wird.

Im Normalbetrieb bilden Grundplatte und Gasauslassklappen eine im wesentlichen ebene Fläche. Übersteigt der Druck, der auf eine Gasauslassklappe einwirkt, infolge eines Gasaustritts aus einer Batteriezelle einen vorbestimmten Wert, gibt die Gasauslassklappe dem Druck nach und klappt entlang der Knickkante auf, so dass der Gasstrom von der propagierenden Batteriezelle abgeleitet wird. Die erfindungsgemäße Gasausleitungplatte ermöglicht eine schnelle und unmittelbare Ableitung eines aus einer überhitzten Zelle eines Moduls austretenden, mit leitfähigen Partikeln beladenen heißen Gasstroms aus dem Batteriemodul, ohne dass es zu einem Kurzschluss und Lichtbogenbildung zwischen stromführenden Bauteilen und der Masse des Batterie pakets kommt.

Ein Übergreifen auf benachbarte Batteriezellen und Auftreten von sichtbaren Flammen außerhalb des Batteriepakets kann damit entsprechend den Sicherheitsvorschriften für einen ausreichend langen Zeitraum von mindestens 5 Minuten und insbesondere mindestens 7 Minuten und länger verhindert werden.

Im Hinblick auf die Aufgabenstellung ist die erfindungsgemäße Gasausleitungsplatte mit Gasauslassklappen aus einem hochtemperaturbeständigen Material hergestellt, damit eine sichere Gasausleitung gewährleistet werden kann, ohne dass die Platte selbst Feuer fängt oder sich aufgrund der thermischen Einwirkung verformt.

Vorzugsweise ist die Gasausleitungsplatte aus einem Schichtaufbau aus hochtemperaturbeständigen Faserverbundwerkstoff gebildet, wobei für die Schichten insbesondere hochtemperaturbeständige Fasern eingesetzt werden.

Die erfindungsgemäße Gasausleitungsplatte kann gleichermaßen für Module aus prismatischen Zellen, zylindrischen Zellen (Rundzellen) oder Pouchzellen eingesetzt werden.

Aufgrund ihres Aufbaus kann die erfindungsgemäße Gasausleitungsplatte mechanische Lasten aufnehmen, die beim Zusammenbau der Batteriezellen entstehen, so dass sie zugleich als Strukturbauteil für das Modulgehäuse eingesetzt werden kann.

Beispielsweise kann die erfindungsgemäße Gasausleitungsplatte mit einstellbaren Gasauslassklappen je nach Position der Entgasungsöffnungen an der Außenfläche der Batteriezellen in ein Modulgehäuse integriert werden.

Befinden sich zum Beispiel die Entgasungsöffnungen auf der Oberseite der Batteriezellen einer Batteriezellenanordnung kann die erfindungsgemäße Gasausleitungsplatte als Deckel des Modulgehäuses ausgebildet sein. Befinden sich die Entgasungsöffnungen in der Bodenfläche der Batteriezellen kann die Gasausleitungsplatte die Aufstellfläche oder die Bodenfläche des Modulgehäuses bilden.

Die Gasausleitungsplatte kann auch als Bauteil in das Modul zwischen dem Bereich mit den Entgasungsöffnungen der Batteriezellen und der Modulgehäusewandung angeordnet sein.

Um im Bedarfsfall einen Gasstrom, der aus einer propagierenden Batteriezelle austritt, möglichst schnell aus der Gefahrenzone ableiten zu können, sollten die jeweiligen Gasauslassklappen nahe gegenüber den Entgasungsöffnungen der Batteriezellen positioniert sein, um sicherstellen zu können, das die Gasauslassklappe möglichst schnell bei der kombinierten Temperatur- und Druckbeaufschlagung öffnen kann. Die Gasauslassklappen der nicht propagierten Zellen müssen geschlossen bleiben, um in diesen Bereichen einen Kontakt der nicht propagierten Zellen mit den elektrisch leitfähigen Partikeln im Gas zu vermeiden.

Üblicherweise ist jeder Batteriezelle eines Moduls eine Gasauslassklappe in der Gasausleitungsplatte zugeordnet. Sehr große Batteriezellen mit mehr als einer Entgasungsöffnungen können bei Bedarf zwei oder mehr Gasauslassklappen zugeordnet werden. Abhängig vom konkreten Anwendungsfall können auch weniger Gasauslassklappen als Batteriezellen vorliegen.

Beispielsweise kann gemäß einer Ausführungsform für ein Modul aus Batteriezellen mit Entgasungsöffnungen in der Bodenfläche die Gasausleitungsplatte als Aufstellfläche für die Batteriezellen und zugleich Bodenplatte des Moduls dienen, wobei die Gasausleitungsplatte für jede Batteriezelle eine Gasauslassklappe aufweisen kann. Die Umfangsform der Gasauslassklappen kann zweckmäßigerweise an die Form der Bodenfläche der Batteriezelle angepasst sein, zum Beispiel im Fall einer Rundzelle im Wesentlichen kreisförmig oder im Fall einer prismatischen Zelle rechteckig.

Im Allgemeinen ist die Fläche der Gasauslassklappe kleiner als die Bodenfläche der Batteriezelle, jedoch mindestens ausreichend groß, so dass die Entgasungsöffnung und damit der gegebenenfalls austretende Gasstrom voll erfasst wird. Ein wesentliches Merkmal der vorliegenden Erfindung ist die Bestimmung und Einstellung des Öffnungsdruckes der Gasauslassklappen. Der Öffnungsdruck muss an den Auslösedruck der Entgasungsöffnungen der Batteriezellen angepasst sein. Insbesondere ist er ausreichend niedrig zu wählen, um eine schnelle und sichere Ableitung des Gasstromes aus einer propagierenden Zelle zu gewährleisten.

Ist der Öffnungsdruck zu groß, öffnet die Klappe im Bedarfsfall nur verzögert oder sogar gar nicht. Ist er zu gering, besteht die Gefahr, dass die Gasauslassklappe vorzeitig öffnet, z.B. durch äußere Einwirkung bei der Fertigung des Moduls, oder aber es können im Bedarfsfall durch den Druck des aus einer Zelle ausströmenden Gases auch benachbarte Gasauslassklappen öffnen mit der Gefahr der Kontamination benachbarter Zellen mit elektrisch leitfähigen Partikeln des Gasstromes.

Die Entgasungsöffnungen handelsüblicher Lithium-Ionen-Batteriezellen öffnen typischerweise bei einem Druck zwischen 0,4 und 13 bar. Der Druck, bei denen die Öffnung erfolgt, wird dabei von zahlreichen Faktoren beeinflusst, wie Zellgröße, Zellchemie, Ladezustand, Zellgeometrie, Auslegung der Entgasungsöffnungen der Batteriezelle und dem grundsätzlichen Zelldesign.

Entsprechend diesen Anforderungen erfolgt erfindungsgemäß eine passgenaue Einstellung des Öffnungsdruckes der Gasauslassklappen, wobei der Öffnungsdruck insbesondere von der Länge der Knickkante und der Dicke der Grundplatte sowie der Größe der mit Gas beaufschlagten Fläche der Gasauslassklappe und der Materialzusammensetzung der Grundplatte beeinflusst wird.

Im Falle einer Gasauslassklappe mit kreisförmigen Grundriss ist die Länge der Knickkante der Abstand zwischen den beiden Endpunkten des Kreissegments, das die Klappenfläche darstellt, d.h. der freie Umfang definiert ein Kreisegment, das die Klappenfläche bildet, wie nachstehend z.B. in Figur 1 gezeigt.

Zur Bestimmung und Einstellung eines definierten Öffnungsdruckes einer erfindungsgemäßen Gasausleitungsplatte mit Gasauslassklappen, insbesondere zur Auslegung der Dimensionen einschließlich Geometrie der Knickkante wie der Länge, wurde ein einfacher Versuch mit Hilfe eines Biegestreifens und eines Gewichts entwickelt, wobei der Biegestreifen aus dem Material hergestellt ist wie es für eine Gasausleitungsplatte verwendet wird, und dieselbe Dicke aufweist. Der Versuch wird nachstehend unter Verweis auf Figur 5 am Beispiel einer Gasauslassklappe mit kreisförmiger Grundform erläutert.

Bei einem Kreisdurchmesser von 43,5 mm wirkt ausgehend von einem Auslösedruck einer Entgasungsöffnung von 0,4 bar ein Druck von 0,04 MPa auf die Kreisfläche, dies entspricht einer Kraft von 59,4 N und somit einem Gewicht von 6 kg.

Die Bestimmung des Öffnungsdruckes kann davon ausgehend zum Beispiel mithilfe einer Waage wie einer Federwaage, an entsprechend gefertigten Biegestreifen durchgeführt werden, wobei das Gewicht ermittelt wird, bei dem ein Biegestreifen mit einer vorgegebenen Breite entsprechend einer Knickkante und einer Länge entsprechend der Erstreckung des klappbaren Bereiches der Klappe von der Knickkante zum gegenüberliegenden Ende des freien Umfangs knickt.

Analog kann der Versuch für die Feststellung und Festsetzung des Auslösedruckes für Gasauslassklappen mit einer anderen Grundform als einer Kreisform eingesetzt werden.

Die erfindungsgemäße Gasausleitungsplatte besteht aus einem hochtemperaturbeständigen Material, damit eine sichere Ableitung des heißen Gases stattfinden kann, ohne dass die Gasausleitungsplatte selbst Feuer fängt oder sich aufgrund thermischer Einwirkung verformt. Zweckmäßigerweise hat die Gasausleitungsplatte eine Temperaturbeständigkeit von mindestens 600° C und vorzugsweise höher bis mindestens 1400 °C und ist selbst elektrisch nicht leitend.

Vorzugsweise ist die Gasausleitungsplatte aus einem Schichtaufbau aus Schichten aus Faserverbundwerkstoff gebildet. Für die Schichten aus Faserverbundwerkstoff werden hochtemperaturbeständige Fasern eingesetzt.

Insbesondere können Mineralfasern verwendet werden wie z.B. Basaltfasern, Glasfasern, Silicatfasern und oxidkeramische Fasern. Die Fasern können in Form eines Flächengebildes wie einem Gewebe oder Gelege vorliegen, wobei die Flächengebilde selbst aus Rovings oder Garnen aus diesen Fasern hergestellt sein können.

Gemäß einer Ausgestaltung kann der Faserverlauf bidirektional sein, z.B. insbesondere 0790°. Der Faserverlauf kann jedoch je nach Bedarf variieren, z.B. auch multidirektional sein, wie z.B. 0790745° etc.

Die als Matrixmaterial verwendeten Kunststoffe weisen gleichermaßen eine hohe Temperaturbeständigkeit auf. Beispiele hierfür sind Siliconharze, insbesondere Siliconharze mit einem hohen SiO-Anteil, insbesondere einem SiO-Anteil von 50 bis 90 %, und besonders bevorzugt von 75 % und höher.

Als besonders geeignet haben sich Siliconharze mit einem SiO-Anteil von mindestens 80 % gezeigt. Gemäß einer Ausgestaltung können zur Verbesserung oder Einstellung der Eigenschaften Silicon-/Phenolharzmischungen, Silicon- /Epoxidmischungen oder andere geeignete Harzmischungen zum Einsatz kommen.

Als Siliconharz können di- und/oder trifunktionelle Polysiloxane verwendet werden, vorzugsweise mit Methyl- und/oder Phenylsubstituenten.

Ein Beispiel für ein geeignetes Siliconharz ist ein Methylsiliconharz, das unter der Handelsmarke SILRES® MK, die von der Firma Wacker vertrieben wird.

Die einzelnen Schichten der Gasausleitungsplatte können unterschiedliche Fasern und /oder unterschiedliche Faserorientierungen aufweisen.

Beispielsweise kann ein Schichtaufbau aus ein oder zwei Decklagen aus einem ersten Faserverbundwerkstoff mit - je nach Bedarf - einer oder mehreren Zwischenlagen aus einem zweiten Faserverbundwerkstoff bestehen. Die Schichten aus unterschiedlichen Faserverbundwerkstoffen können alternierend angeordnet sein.

Die Dicke der einzelnen Schichten sollten so dick wie nötig, aber so dünn wie möglich sein.

Die Gesamtdicke der Gasausleitungsplatte sollte im Hinblick auf die gewünschte Raumeinsparung möglichst gering sein, vorzugsweise sollte die Gesamtdicke 1 ,5 mm nicht übersteigen. Bevorzugt ist eine Dicke von 1 mm oder weniger, um der gewünschten kompakten platzsparenden Bauweise von Batterieanordnungen Rechnung zu tragen.

Vorzugsweise ist die Dicke so zu wählen, dass die Gasausleitungsplatte eine ausreichende mechanische Stabilität hat, um zum Beispiel die Batteriezellen tragen zu können, bis die Batterieanordnung zum Beispiel mit einem Dichtschaum umschäumt worden ist. Bei Bedarf kann hier auch eine Stützfolie eingesetzt werden, wie nachstehend näher beschrieben.

Gemäß einer Ausgestaltung kann auf der Seite der Gasausleitungsplatte, die von den Batteriezellen abgewandt ist, eine dünne Folie angebracht sein. Diese Folie dient zur mechanischen Stabilisierung der Gasausleitungsplatte, um ein vorzeitiges Öffnen der Gasauslassklappen durch Krafteinwirkung im Verlauf der Fertigung des Moduls zu verhindern.

Beispielsweise können je nach Anwendung die Zwischenräume zwischen den zusammengefügten Batteriezellen zur Stabilisierung und elektrischen Isolierung mit einer expandierenden Schaummasse aufgefüllt werden. Der entstehende Expansionsdruck kann ausreichen, um die Gasauslassklappen aufzudrücken. Ein unbeabsichtigtes vorzeitiges Öffnen wird gemäß einer Ausgestaltung der Erfindung durch die Folie verhindert.

Zudem dichtet die Folie die Trennlinie entlang des freien Umfangs zwischen Gasauslassklappen und Grundplatte ab, so dass keine Feuchtigkeit eindringen kann.

Geeignete Folien müssen eine niedrige Reißfestigkeit und geringe Reißdehnung aufweisen, damit sichergestellt ist, dass sie im Bedarfsfall unter Druckbelastung schnell versagen, und die Gasauslassklappen sicher öffnen können. Vorteilhaft ist zudem ein niedriger Schmelzpunkt der Folien, wodurch das Öffnen der Gasauslassklappen thermisch durch Schmelzen der Folie unterstützt wird.

Besonders vorteilhaft sind selbstklebende Folien, da diese ohne großen Aufwand aufgebracht werden können.

Beispiele für geeignete selbstklebende Folien sind die Elektroklebebänder der Firma SynFlex, wie sie unter der Produktbezeichnung SynTape ® vertrieben werden. Besonders geeignet im Hinblick auf geringe Dicke, Reißkraft und Reißdehnung ist SynTape ® F/X.50 mit einem Träger aus Aramidpapier und Kleber auf Acrylatbasis und einer Gesamtdicke von 0,05 mm sowie einer Reißkraft von 35 N/10 mm und Reißdehnung von 5 %. Es versteht sich jedoch, dass je nach den Anforderungen der konkreten Anwendung Folien mit anderer Dicke und anderen Werten für die Reißkraft und Reißdehnung verwendet werden können.

Die vorliegende Erfindung wird nachstehend anhand eines Beispiels einer Gasausleitungsplatte für Rundzellen unter Verweis auf die anliegenden Figuren näher erläutert, die eine Ausgestaltung für eine Anwendung der erfindungsgemäßen Gasausleitungsplatte mit einstellbaren Gasauslassklappen zeigen.

Es zeigen

Figur 1 eine Draufsicht auf eine erfindungsgemäße

Gasausleitungsplatte mit einer Anordnung von einstellbaren Gasauslassklappen im Bereich der Aufstellflächen für Batteriezellen,

Figur 2 eine Draufsicht auf eine erfindungsgemäße

Gasausleitungsplatte mit einstellbaren Gasauslassklappen,

Figur 3 einen Längsschnitt entlang Linie A gemäß Figur 2;

Figur 4 einen Längsschnitt entlang Linie A gemäß Figur 2 mit

Rundzellen;

Figuren 5a und 5b eine schematische Darstellung der Bestimmung der Länge einer Knickkante und zum Biegestreifenversuch zur Bestimmung des Auslösedruckes; und

Figur 6 eine Draufsicht auf die Unterseite der Gasausleitungsplatte gemäß Figur 1 mit Abdeckfolie. Figur 1 zeigt eine Draufsicht auf eine erfindungsgemäße Gasausleitungsplatte 1 mit Grundplatte 2 und einer Anordnung von einstellbaren Gasauslassklappen 3 für eine Anordnung von Rundzellen. Die Anordnung erfolgt in einer hexagonalen Symmetrie, um so eine möglichst dichte Packung für die Rundzellen zu erhalten. Es versteht sich, dass im Prinzip auch jede andere geeignete Anordnung möglich ist.

Die Gasauslassklappen 3 haben bei der dargestellten Ausgestaltung im Wesentlichen eine Kreisform mit einem freien Umfang 4, der einen Kreisbogen beschreibt, wobei die Verbindungslinie zwischen den beiden Endpunkten des freien Umfangs 4 die Knickkante 5 der Gasauslassklappe 3 definiert, entlang der die Gasauslassklappe 3 im Bedarfsfall aufklappt.

Die Gasauslassklappen 3 sind in gleicher Ausrichtung orientiert, wobei die Knickkanten 5 parallel zueinander ausgerichtet sind.

Die Ausrichtung der Knickkanten 5 und Orientierung der Gasauslassklappen kann jedoch je nach Anforderung der einzelnen Anwendung ausgewählt werden.

In der Figur entspricht jede Gasauslassklappe 3 einer Aufstellfläche für eine Rundzelle (nicht gezeigt).

Figur 2 zeigt eine Draufsicht auf eine Gasausleitungsplatte analog zu Figur 1 , wobei in der in der Figur unteren Reihe auf den drei rechts liegenden Gasauslassklappen 3 Rundzellen 6 angedeutet sind. Die Bodenfläche der Rundzellen 6 hat einen etwas größeren Durchmesser als die Gasauslassklappen 3, wie in der mittleren Darstellung der Gasauslassklappen 3 mit Rundzelle 6 angedeutet, und deckt die Gasauslassklappen 3 vollständig ab.

Figuren 3 und 4 zeigen einen Längsschnitt durch die untere Reihe der Gasauslassklappen 3 entlang der Linie A in Figur 2. Dabei zeigt Figur 3 den Schnitt ohne Rundzellen 6 und Figur 4 mit Rundzellen 6.

In Figur 3 sind alle Gasauslassklappen 3 der Reihe geschlossen und Grundplatte 2 und Gasauslassklappen 3 bilden eine Ebene. Figur 4 zeigt einen Versagensfall mit einer propagierenden Zelle 7, bei der ein heißer Gasstrom 8 durch eine Entgasungsöffnung im Boden der Rundzelle 7 austritt, und durch den Druck des Gasstroms 8 die darunterliegende Gasauslassklappe 3 geöffnet wird. Der Gasstrom 8 wird durch die geöffnete Gasauslassklappe 3 aus dem Aufstellbereich der Batteriezellen 7, zum Beispiel aus einem Modulgehäuse, abgeleitet. Da die Gasauslassklappen 3 der nicht propagierenden Zellen geschlossen bleiben, findet kein Kontakt zwischen dem Gasstrom 8 und insbesondere den in dem Gasstrom 8 befindlichen elektrisch leitenden Partikeln und den Batteriezellen oder anderen elektrisch leitenden Komponenten statt, so dass ein Übergreifen des thermischen Durchgehens der propagierenden Zelle 7 auf weitere Zellen 6 und insbesondere ein Kurzschluss und Ausbildung eines Lichtbogens sicher verhindert werden.

In Figuren 5a und 5b ist schematisch die Bestimmung und Einstellung des Öffnungsdruckes der erfindungsgemäßen einstellbaren Gasauslassklappen 3 am Beispiel von Gasauslassklappen 3 mit kreisförmiger Grundform dargestellt.

Der klappbare Teil der Gasauslassklappe 3 ist ein Kreissegment oder Kreisabschnitt eines Kreises mit Durchmesser d (in der Figur 43,50 mm). Der freie Umfang 4, d.h. der von der Grundplatte 1 abgetrennte Bereich oder zumindest teilweise abgetrennte Bereich, definiert einen Kreisbogen, wobei die Knickkante 5 die Verbindungslinie zwischen den Endpunkten des Kreisbogens ist, d.h. die Kreissehne.

Anders ausgedrückt und wie in Figur 5a dargestellt, ergibt sich die Länge der Knickkante 5 aus dem Abstand der Endpunkte des durch den freien Umfang 4 definierten Kreisbogens zu der Tangente, die an dem vollständigen Kreisdurchmesser anliegt und der Knickkante am nächsten liegt (in der Figur rechts). Die Länge der Knickkante ist der Abstand der beiden Schnittpunkte mit der Tangente. Die maximale Erstreckung des klappbaren Bereiches ist der Abstand zwischen Knickkante zu der Tangente am vollständigen Durchmesser am freien Umfang 4 (in der Figur links).

In Figur 5b ist die Situation aus Figur 5a auf einen Biegestreifenversuch übertragen, um so bei gegebener Materialzusammensetzung den Druck zu bestimmen, bei dem eine Knickkante mit vorgegebener Länge knickt und damit im Falle einer Gasauslassklappe entsprechend Figur 5a öffnet.

Waagrecht sind in Figur 5b verschiedene Breiten für die Knickkante angezeigt, senkrecht ist der dazugehörige Abstand der Knickkante von der Tangente am freien Umfang 4 dargestellt. Dies ergibt ein Maß für die verbleibende Fläche, hier Kreisfläche, die durch den Gasdruck öffnen kann.

Figur 6 zeigt eine Gasausleitungsplatte 1 mit einstellbaren Gasauslassklappen 3 mit aufgebrachter Folie 9, wobei die Folie 9 auf der Seite der Gasausleitungsplatte 1 aufgebracht ist, die der Seite mit Batteriezellen entgegengesetzt ist. Die Folie 9 dient insbesondere zur Abdichtung und Vermeidung von Eintritt von Feuchtigkeit auf die Batterieseite. Sie kann daher sehr dünn ausgelegt sein. Zudem kann die Folie 9 auch die mechanische Stabilität unterstützen.

Damit die Folie 9 im Bedarfsfall bei Versagen einer Batteriezelle das Öffnen der betroffenen Gasauslassklappen 3 nicht behindert, sollte sie eine geringe Reißdehnung und geringe Reißfestigkeit aufweisen. Vorzugsweise sollte sie mit möglichst wenig Dehnung möglichst schnell bei Druckbeaufschlagung reißen.

Beispiel

Es wurde eine erfindungsgemäße Gasausleitungsplatte mit Gasauslassklappen für Rundzellen hergestellt, wobei die Öffnungsbelastung der Gasauslassklappen auf 6 kg eingestellt wurde.

Die Gasausleitungsplatte bestand aus einem 4-lagigen Faserverbundwerkstoff mit einer oberen und unteren Decklage aus einem Verbund aus einem Basaltgewebe mit einem Flächengewicht von 420 g/m² und zwei Zwischenlagen aus Silicagewebe mit einem Flächengewicht von 300 g/m². Das Matrixmaterial war ein Siliconharz, SILRES® MK der Firma Wacker.

Die Gesamtdicke der Gasausleitungsplatte betrug 1 ,3 mm. Die Dicke der Basaltfaserverbundschichten war jeweils 0,35 mm und die Dicke der Silicatfaserverbundschichten jeweils 0,3 mm.

In die Grundplatte aus Faserverbundwerkstoff waren Gasauslassklappen eingearbeitet, in der Form eines Kreissegments eines Kreises mit einem Durchmesser von 43,5 cm und einer Kreissehne, die die Knickkante bildet, mit einer Länge von 39 mm.

Mit einem Biegestreifenversuch entsprechend Figur 5b wurde festgestellt, dass die so gebildete Gasauslassklappe zuverlässig bei einer Belastung von 6 kg öffnet. Bezugszeichenliste

1 Gasausleitungsplatte 2 Grundplatte

3 Gasauslassklappe

4 freier Umfang

5 Knickkante 6 Rundzelle

7 propagierende Rundzelle

8 Gasstrom

9 Folie

Claims

Ansprüche

1. Gasausleitungsplatte (1) mit einstellbarer Gasauslassklappe (3) für die Ableitung eines heißen Gasstromes (8), der aus einer Entgasungsöffnung einer propagierenden Batteriezelle (7) austritt, aus dem Zellbereich des Batteriemoduls, wobei die Gasausleitungsplatte (1) eine Grundplatte (2) aufweist, in die eine Anordnung von einstellbaren Gasauslassklappen (3) eingefügt ist, wobei die Grundplatte (2) aus einem hochtemperaturbeständigen Material hergestellt ist, das eine Temperaturbeständigkeit von mindestens 600 °C aufweist, wobei die Gasauslassklappen (3) einen freien Umfang (4) aufweisen, der den klappbaren Bereich definiert, und eine Knickkante (5) über die die Gasauslassklappen (3) mit der Grundplatte (2) verbunden sind, wobei die einstellbaren Gasauslassklappen (3) dafür ausgelegt sind, bei der Druckbelastung beim Auftreffen eines Gasstromes (8) zu öffnen und den Gasstrom (8) aus dem Zellbereich des Batteriemoduls abzuleiten.

2. Gasausleitungsplatte (1) mit einstellbaren Gasauslassklappen (3) nach Anspruch 1 , wobei die Grundform der Gasauslassklappen (3) rund, oval oder rechteckig ist.

3. Gasausleitungsplatte (1) nach Anspruchl oder 2, wobei die Gasausleitungsplatte (1) als Aufstellbereich für Batteriezellen mit Entgasungsöffnung in der Bodenfläche für ein Batteriemodul ausgebildet ist.

4. Gasausleitungsplatte (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei jeder Batteriezelle (6) mindestens eine Gasauslassklappe (3) zugeordnet ist.

5. Gasausleitungsplatte (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei auf der Seite der Gasausleitungsplatte (1), die von der Batteriezellenanordnung abgewandt ist, eine Folie (9) aufgebracht ist, die ausgelegt ist, bei Öffnen einer Gasauslassklappe (3) zu reißen.

6. Verwendung einer Gasausleitungsplatte (1) mit einstellbaren Gasauslassklappe (3) nach einem der Ansprüche 1 bis 5, als Sicherheitsvorrichtung für ein Batteriemodul.

7. Verwendung nach Anspruch 6, wobei die Gasausleitungsplatte (1) Bestandteil der Gehäusewandung des Batteriemoduls ist, und auf der Seite des Gehäuses angeordnet ist, die im fertiggestellten Zustand den Entgasungsöffnungen der Batteriezellen gegenüberliegend ist.

8. Batteriemodul mit einer Gasausleitungsplatte (1) mit einstellbaren Gasauslassklappen (3) nach einem der Ansprüche 1 bis 5, wobei das Batteriemodul eine Anordnung aus mindestens zwei Batteriezellen (6) mit Entgasungsöffnungen und ein Gehäuse zur Aufnahme der Batteriezellen (6) umfasst, wobei die Gasausleitungsplatte (1) mit Gasauslassklappen (3) den Entgasungsöffnungen der Batteriezellen (6) gegenüberliegend angeordnet ist.

9. Batteriemodul nach Anspruch 8, wobei die Gasausleitungsplatte (1) die Bodenfläche oder die Deckfläche beziehungsweise den Deckel eines Batteriemoduls bildet.

10. Batteriemodul nach einem der Ansprüche 8 oder 9, mit Batteriezellen (6) die ausgewählt sind unter zylindrischen oder prismatischen Zellen oder Pouchzellen.

11 . Batteriemodul nach einem der Ansprüche 8 bis 10, für Batteriezellen (6) mit Entgasungsöffnungen in der Bodenfläche, wobei die Gasausleitungsplatte (1) die Aufstellfläche für die Batteriezellen (6) bildet.