WO2023139118A2 - Modulabdeckhaube mit integrierter gasableitung für batteriemodule - Google Patents

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Heribert Walter
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    • Y02E60/10—Energy storage using batteries

Definitions

  • the present invention relates to a module cover hood for battery modules, which ensures that a hot gas stream enriched with conductive particles is safely discharged, which is released from the cell in the event of thermal failure of a battery cell, in order to prevent a short circuit with the formation of an arc between the battery housing ground and live components.
  • rechargeable battery systems in particular lithium-ion battery cells
  • a large number of battery cells are combined to form a battery module and a number of battery modules are combined to form a battery pack and are electrically connected to one another.
  • DE 2018 125 618 A1 discloses a protective unit for the safe electrical interconnection of battery cells to form battery modules and battery stacks for a high-voltage battery for motor vehicles, with a cell contacting system being placed on the cell terminal side of the battery cells, which is formed from an electrically insulating frame and electrically conductive cell connectors introduced therein for the desired interconnection. Between the cell contact system and the cell terminal side of the battery cells there is an electrically insulating intermediate layer with cutouts for the cell terminals to pass through and a series of openings for dissipating hot gas that escapes from the safety valve of the battery cell in the event of a thermal failure of a battery cell located below. The hot gas escaping from the damaged battery cell is discharged via the openings in the intermediate layer and corresponding cutouts in the cell contacting system into a receiving space in the battery housing in which the battery module or battery modules are arranged.
  • a strip-shaped, electrically insulating protective mat can extend along and above the openings in the intermediate layer, which protects the current-carrying components of the high-voltage battery from the hot gas and prevents fire or flames from escaping the battery housing.
  • DE 102013220 778 A1 describes a battery housing for a vehicle battery, for example a lithium-ion traction battery, which is formed from a polymer composite material to reduce the weight of known such housings which are made of metal.
  • a battery housing made from a polymer composite material also has the advantage that it is electrically insulating.
  • the battery housing has a battery accommodation space and a cover for placing on the battery accommodation space.
  • the cover can have at least one opening for filling the battery, two electrode feedthrough openings for feeding battery electrodes through and/or a predetermined breaking point for degassing the battery.
  • the very hot gas also carries with it conductive particles such as graphitic carbon, metallic particles and other decomposition products of the cell contents.
  • the avoidance of energy transfer to neighboring cells and modules is essential for the operational safety of the battery cells and in particular also of possible vehicle occupants in order to prevent the thermal runaway from spreading or at least to prevent it for as long as possible.
  • the gas which is loaded with conductive particles, leads to a short circuit between the current-carrying components and the ground of the battery pack and from the formation of an arc that can generate temperatures of up to several thousand degrees Celsius. That high Temperatures can no longer be controlled with the insulation materials currently available and inevitably lead to a thermal runaway of the entire battery system within a very short time.
  • a suitable protection concept for a battery pack must ensure that no sparks or flames occur outside the battery pack for a period of several minutes after the first sign of thermal runaway has been detected, i.e. become visible. This period of time before flames are visible outside the battery pack should preferably be no less than 5 minutes to meet safety standards.
  • the present invention relates to a module cover hood with an integrated gas discharge structure having the features of claim 1.
  • the module cover hood according to the invention with integrated gas discharge allows a hot gas flow, loaded with conductive particles, emerging from an overheated cell of a module to be discharged quickly and directly from the battery pack without causing a short circuit and arcing between current-carrying components and the ground of the battery pack.
  • the occurrence of visible flames outside the battery pack can thus be prevented for a period of at least 5 minutes and in particular at least 7 minutes and longer, as required for compliance with safety regulations.
  • module cover hood according to the invention has very good three-dimensional formability during production, with the advantage that a desired shape can be obtained precisely and without great effort.
  • the hot gas loaded with conductive particles can be discharged from the point of origin via the modules out of the battery pack without the conductive gas making contact with it short circuit between the current-carrying components, such as busbars, cell connectors, module connectors, etc. and the ground of the battery pack. This avoids the formation of an arc caused by a short circuit between the housing ground and the current-carrying components via the electrically conductive gas phase formed during a thermal runaway.
  • the current-carrying components such as busbars, cell connectors, module connectors, etc.
  • the module cover hood according to the invention is intended in particular for the use of battery systems made up of prismatic battery cells, such as are often used in electric vehicles today.
  • the module cover hood can easily be modified for other battery types such as pouch cells or cylindrical cells.
  • Prismatic cells, battery modules and battery packs made from them and their production are generally known.
  • Prismatic cells have a metallic housing, usually made of aluminum or stainless steel, with two electrical contacts on one side surface, with a safety valve being provided between the electrical contacts.
  • the safety valve opens as soon as the internal pressure of the cell rises above a defined critical value in order to allow the gas to escape in a directed manner.
  • a number of prismatic battery cells that varies as required is combined main surface to main surface one behind the other to form a battery module.
  • the module cover according to the invention is placed on the module on the side with the safety valve.
  • the module cover hood has a flat cover plate whose width and length correspond to the dimensions of the module.
  • the cover plate can be adapted to the three-dimensional geometry of the bearing surface on the module, for example to compensate for unevenness on the bearing surface on the module.
  • bursting cutouts are provided, which are through openings in the module cover.
  • Gas can be discharged from the surface of the module with the safety valve or safety valves via these bursting cutouts escapes from the cell in the event of overheating of a cell and opening of the safety valve.
  • the number and position of the bursting cutouts in a module cover depends on the number of battery cells in a battery module. In addition, it should be possible to discharge the gas escaping from the safety valve of the battery cell quickly with a short discharge path.
  • Each safety valve should therefore expediently be assigned a bursting cutout in the module cover hood, which comes to lie above the safety valve or safety valves when the module cover hood is placed on the module.
  • Circumferential shape and size of the bursting section should correspond to the dimensions of the safety valve or, preferably, be larger.
  • the bursting cut-outs are sealed with a bursting disc that only opens when the temperature and pressure of the hot gas affect it.
  • the bursting cutouts above the cells that are not propagated remain closed in order to avoid contamination with the electrically conductive particles from the hot gas in these areas and to prevent the hot gas discharged from the module from bypassing back into the module through additional open bursting cutouts.
  • the bursting cutout should be as close as possible above the safety valve in order to keep the escape path of the gas from the battery cell to the bursting cutout as short as possible.
  • a dent or lowering can be provided in the area of the cover plate of the module cover hood, so that this lowered area comes to lie just above the safety valve.
  • the module cover hood consists of a high-temperature-resistant material so that the hot gas can be safely discharged without the module cover hood itself catching fire or becoming deformed due to thermal effects.
  • the module cover hood expediently has a temperature resistance of up to at least 1400 °C.
  • the material for the module cover itself should not be electrically conductive.
  • the module cover hood is obtained from a layered structure made of layers of fiber composite material. High-temperature-resistant fibers are used for the layers of fiber composite material.
  • mineral fibers can be used, such as basalt fibers, glass fibers, silicate fibers and oxide ceramic fibers.
  • the fibers can be in the form of a fabric such as a woven fabric or scrim, where the fabric itself can be made from rovings or yarns made from these fibers.
  • the fiber flow is preferably bidirectional, e.g. in particular 0790°, but the fiber flow can vary as required, e.g. also be multidirectional, such as 0790745° etc.
  • the plastics used as matrix material also have high temperature resistance.
  • silicone resins in particular silicone resins with a high SiO content, in particular an SiO content of 50 to 90%, and particularly preferably 75% and higher.
  • Silicone resins with an SiO content of at least 80% have proven to be particularly suitable.
  • Difunctional and/or trifunctional polysiloxanes can be used as the silicone resin, preferably with methyl and/or phenyl substituents.
  • SILRES® MK a trademark marketed by Wacker.
  • the total thickness of the module cover hood should be as small as possible with regard to the desired space saving, preferably the total thickness should not exceed 1.5 mm. A thickness of 1 mm or less is preferred in order to take account of the desired compact, space-saving design of battery arrangements.
  • the individual layers of the module cover can have different fibers and/or different fiber orientations.
  • a layered structure can consist of one or two cover layers made of a first fiber composite material with one or more intermediate layers made of a second fiber composite material, depending on requirements.
  • the layers of different fiber composite materials can be arranged alternately.
  • each layer should be as thick as necessary but as thin as possible.
  • a fiber composite material can also be used as the material for the bursting disk.
  • suitable fibers are glass fiber or fibers made of plastic fabric, for example made of aramid, polyphenylene ether (PPE) and polypropylene (PP), and an epoxy resin as a matrix, for example based on bisphenol A.
  • plastic fabric for example made of aramid, polyphenylene ether (PPE) and polypropylene (PP), and an epoxy resin as a matrix, for example based on bisphenol A.
  • the module cover according to the invention with integrated gas discharge can delay the occurrence of flames and sparks outside a battery module for a period of at least 5 minutes and in particular at least 7.5 minutes and longer.
  • the module cover hood according to the invention has excellent three-dimensional formability during production, so that a desired shape can be obtained precisely and without great effort.
  • It can be three-dimensionally contoured in order to adapt the cover plate and/or edges to the surface structures of the bearing surfaces on the batteries.
  • Figure 1 shows an embodiment of a module cover according to the invention with integrated gas discharge, the module cover being arranged over a battery module made of prismatic battery cells,
  • FIG. 2 shows a plan view of a module cover according to the invention
  • Figure 3 is a view from below of the module cover according to Figure 2.
  • FIG. 1 shows the module cover 1 according to the invention with bursting cutouts 2 on a battery module 3 made up of a large number of prismatic battery cells 4 in an exploded view.
  • the module cover 1 rests on the side of the module 3 with the electrical contacts 5 .
  • Each battery cell 4 has between the electrical contacts
  • a corresponding number of bursting cutouts 2 is provided in the module cover hood 1 , the position of the bursting cutouts 2 in the module cover hood 1 being selected such that a bursting cutout 2 comes to lie above a safety valve 6 when it is placed on the battery module 3 .
  • each safety valve 6 is assigned a rupture cutout 2 .
  • the shape and size of the module cover hood 1 depends on the dimensions and shape of the module 3.
  • it has a flat, rectangular cover plate 8 with rectangular bursting cutouts 2, which are arranged one behind the other along the longitudinal axis of the cover plate 8 and according to the position of the safety valves
  • a downward-pointing edge 9 is provided along the longitudinal sides of the cover plate 8 in order to be able to hold the module cover hood 1 securely on the module 3 .
  • the cover plate 8 rests on the contacts 5 as the highest elevation on this side of the battery module 3, and the edges 9 rest on the side surfaces.
  • the area of the cover plate 8 with the bursting cutouts 2 can be lowered in order to keep the distance between the bursting cutout 2 with the safety valve 6 as small as possible and the escape path of the gas as short as possible.
  • the middle area of the cover plate 8 with the bursting cutouts 2 can be lowered in comparison to the adjacent areas of the cover plate 8 and form a channel that extends along the longitudinal axis.
  • FIG. 1 shows the situation of the thermal runaway of the foremost battery cell 4 of the module 3, with the hot gas flow 7 emerging from the safety valve 6 being discharged directly and unhindered through the bursting cutout 2 above it from the area of the battery module 3.
  • the bursting cutouts 2 are sufficiently large, so that the hot gas stream 7 flowing out of the underlying safety valve 6 can be discharged from the module 3 quickly and unhindered.
  • the bursting cutouts 2 are approximately twice as large in length and width as the safety valve 6.
  • exiting hot gas stream 7, enriched with electrically conductive particles is quickly discharged from the module 3 in order to avoid contact with neighboring electrically conductive components and thus a possible short circuit, which can lead to the thermal runaway spreading to neighboring cells.
  • a module cover 1 according to the invention is shown from above and from below. As in Figure 1 are on the cover plate of the module cover along the longitudinal axis in the middle according to the position of Safety valves 6 of a module 3 in a row a number of uniform bursting sections 2 are provided.
  • the bursting cutouts 2 are closed on the underside of the cover plate 8 with a bursting disk 10, with the bursting disk 10 in the embodiment shown here extending flatly over all bursting cutouts 2 and covering them completely.
  • the bursting disc 10 consists here of a glass fiber composite material with an epoxy resin matrix.
  • the bursting disk 10 should be selected to be sufficiently thin so that it opens safely when gas is applied, but it should also not be flammable.
  • FIG. 1 shows the use of the module cover 1 for battery modules 3 made of prismatic battery cells 4 in which the safety valve 6 is provided between the electrical contacts 5 to illustrate the present inventive module cover 1 with integrated gas discharge.
  • module cover hood 1 can also be used without further ado for battery cell designs that deviate from it, for example in which the safety valve 6 is in a different position than between the contacts 5, for example on a different surface of the battery housing.
  • the module cover hood 1 according to the invention can also easily be adapted to construction-related irregularities such as differences in height or the like on the contact surfaces on the battery cells or modules.
  • the module cover hood can be designed in such a way that it also covers or overlaps module connectors with which adjacent modules are combined to form a module package.
  • the module cover hood consisted of a 4-layer fiber composite material with an upper and lower cover layer made of a composite of a basalt fabric with a basis weight of 420 g/m 2 and two intermediate layers of silica fabric with a basis weight of 300 g/m 2 .
  • the matrix material was a silicone resin, SILRES® MK from Wacker.
  • the total thickness of the module cover was 1.3 mm.
  • the thickness of the basalt fiber composite layers was 0.35 mm in each case and the thickness of the silicate fiber composite layers was 0.3 mm in each case.
  • the dimensions of the bursting cutouts were 70 mm x 18 mm with a web spacing of 16 mm.
  • the rupture disc was bonded with DOW Corning RTV 3145 adhesive.
  • the flaming test showed that the bursting disc with a thickness of 0.1 mm opened sufficiently quickly when exposed to flames without damaging the bursting discs of neighboring bursting sections

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Abstract

Die vorliegende Erfindung betrifft eine Modulabdeckhaube (1) mit integrierter Gasableitung für ein Batteriemodul (3) aus Batteriezellen (4), wobei die Modulabdeckhaube (1) eine Deckplatte (8) aufweist, in der Berstausschnitte (2) vorgesehen sind, die Durchgangsöffnungen in der Deckplatte (8) sind, und die Berstausschnitte (2) mit einer Berstscheibe (10) verschlossen sind, die ausgebildet ist, bei Beaufschlagung mit Gas (7), das aus einer Batteriezelle (4) im Falle eines thermischen Versagens austritt, zu öffnen, um das austretende Gas (7) von dem Batteriemodul (3) abzuleiten, wobei die Modulabdeckhaube (1) aus einem hochtemperaturbeständigen Faserverbundwerkstoff hergestellt ist.

Description

Modulabdeckhaube mit integrierter Gasableitung für Batteriemodule
Die vorliegende Erfindung betrifft eine Modulabdeckhaube für Batteriemodule, die für eine sichere Ableitung eines mit leitfähigen Partikeln angereicherten, heißen Gasstromes sorgt, der im Fall eines thermischen Versagens einer Batteriezelle aus der Zelle freigesetzt wird, um so einen Kurzschluss mit Bildung eines Lichtbogens zwischen Batteriegehäusemasse und stromführenden Bauteilen zu verhindern.
Für Fahrzeuge, die einen elektrischen Antrieb aufweisen, werden heutzutage wiederaufladbare Batteriesysteme, insbesondere Lithium-Ionen-Batteriezellen, eingesetzt. Dabei sind eine Vielzahl von Batteriezellen zu einem Batteriemodul und mehrere Batteriemodule zu einem Batteriepaket zusammengefasst und elektrisch miteinander verschaltet.
Für den Betrieb von Fahrzeugen müssen diese Batteriesysteme sehr hohe Energiedichten aufweisen, die andererseits aber auch ein hohes Sicherheitsrisiko bergen.
DE 2018 125 618 A1 offenbart eine Schutzeinheit zum sicheren elektrischen Verschalten von Batteriezellen zur Ausbildung von Batteriemodulen und -stapeln für eine Hochvoltbatterie für Kraftfahrzeuge, wobei auf die Zellterminalseite der Batteriezellen ein Zellkontaktiersystem aufgelegt ist, das aus einem elektrisch isolierenden Rahmen und darin eingebrachten elektrisch leitenden Zellverbindern für die gewünschte Verschaltung gebildet ist. Zwischen Zellkontaktiersystem und Zellterminalseite der Batteriezellen befindet sich eine elektrisch isolierende Zwischenlage mit Ausschnitten zum Durchführen der Zellterminals und einer Reihe von Öffnungen zur Ableitung von Heißgas, das im Falle eines thermischen Versagens einer unterhalb angeordneten Batteriezelle aus dem Sicherheitsventil der Batteriezelle austritt. Das aus der beschädigten Batteriezelle austretende Heißgas wird über die Öffnungen in der Zwischenlage und korrespondierenden Ausschnitten in dem Zellkontaktiersystem in einen Aufnahmeraum des Batteriegehäuses abgeleitet, in dem das Batteriemodul beziehungsweise die Batteriemodule angeordnet sind.
Entlang und oberhalb der Öffnungen in der Zwischenlage kann sich eine streifenförmige elektrisch isolierende Schutzmatte erstrecken, die die stromführenden Komponenten der Hochvoltbatterie vor dem Heißgas schützt und verhindert, dass Feuer beziehungsweise Flammen aus dem Batteriegehäuse austreten.
DE 102013220 778 A1 beschreibt ein Batteriegehäuse für eine Fahrzeugbatterie, zum Beispiel eine Lithium-Ionen-Traktionsbatterie, das zur Reduzierung des Gewichtes bekannter derartiger Gehäuse, die aus Metall hergestellt sind, aus einem Polymerverbundwerkstoff gebildet ist. Ein Batteriegehäuse aus einem Polymerverbundwerkstoff hat zudem den Vorteil, dass es elektrisch isolierend ist. Das Batteriegehäuse weist einen Batterieaufnahmeraum sowie einen Deckel zum Auflegen auf den Batterieaufnahmeraum auf. Der Deckel kann zumindest eine Öffnung zum Befüllen der Batterie, zwei Elektrodendurchführungsöffnungen zum Durchführen von Batterieelektroden und/oder eine Sollbruchstelle zum Entgasen der Batterie aufweisen.
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 sogenannten Thermal Runaway führen. Bei einem derartigen Durchgehen kommt es in der Regel zu einem Öffnen der Zelle, bis hin zum Bersten oder einer Explosion.
Dabei tritt mit hohem Druck ein leicht brennbares Gas aus der Zelle aus, das sich bei Kontakt mit Luft in der Regel sofort entzündet und sehr hohe Temperaturen aufweist. Das sehr heiße Gas führt zudem leitfähige Partikel wie graphitischen Kohlenstoff, metallische Teilchen und andere Zersetzungsprodukte des Zellinhalts mit sich.
Wesentlich für die Betriebssicherheit der Batteriezellen und insbesondere auch von möglichen Fahrzeuginsassen ist die Vermeidung einer Energieübertagung auf benachbarte Zellen und Module, 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 generieren kann. Derartig hohe Temperaturen sind mit zur Zeit verfügbaren Isolationsmaterialien nicht mehr beherrschbar und führen unweigerlich innerhalb kürzester Zeit zu einem thermischen Durchgehen des gesamten Batteriesystems.
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 Modulabdeckhaube mit integrierter Gasableitungsstruktur mit den Merkmalen des Anspruchs 1.
Die Unteransprüche betreffen bevorzugte Ausführungsformen.
Die erfindungsgemäße Modulabdeckhaube mit integrierter Gasableitung ermöglicht eine schnelle und unmittelbare Ableitung eines aus einer überhitzten Zelle eines Moduls austretenden, mit leitfähigen Partikeln beladenen heißen Gasstroms aus dem Batteriepaket, ohne dass es zu einem Kurzschluss und Lichtbogenbildung zwischen stromführenden Bauteilen und der Masse des Batteriepakets kommt.
Das Auftreten von sichtbaren Flammen außerhalb des Batteriepakets kann damit für einen Zeitraum von mindestens 5 Minuten und insbesondere mindestens 7 Minuten und länger verhindert werden, wie für die Erfüllung von Sicherheitsvorschriften gefordert.
Darüber hinaus weist die erfindungsgemäße Modulabdeckhaube eine sehr gute dreidimensionale Formbarkeit bei der Herstellung aus mit dem Vorteil, dass präzise ohne großen Aufwand eine gewünschte Form erhalten werden kann.
Mit der erfindungsgemäßen Modulabdeckhaube kann das mit leitfähigen Partikeln beladene heiße Gas vom Entstehungsort über die Module aus dem Batteriepaket abgeführt werden, ohne dass das leitfähige Gas einen Kontakt und damit Kurzschluss zwischen den stromführenden Bauteilen, wie Busbars, Zellverbindern, Modulverbindern etc. und der Masse des Batteriepakets herstellt. Die Bildung eines Lichtbogens wird hierdurch vermieden, der durch einen Kurzschluss zwischen der Gehäusemasse und den stromführenden Bauteilen über die während eines thermal runaway gebildete elektrische leitfähige Gasphase entsteht.
Die erfindungsgemäße Modulabdeckhaube ist insbesondere für den Einsatz von Batteriesystemen aus prismatischen Batteriezellen gedacht, wie sie heutzutage vielfach in Elektrofahrzeugen zum Einsatz kommen. Es versteht sich jedoch, dass die Modulabdeckhaube ohne weiteres für andere Batterietypen wie Pouchzellen oder zylindrische Zellen abgewandelt werden kann.
Prismatische Zellen, Batteriemodule und Batteriepakete hieraus und deren Herstellung sind allgemein bekannt.
Prismatische Zellen weisen ein metallisches Gehäuse, in der Regel aus Aluminium oder auch Edelstahl, auf, mit zwei elektrischen Kontakten auf einer Seitenfläche , wobei zwischen den elektrischen Kontakten ein Sicherheitsventil vorgesehen ist. Das Sicherheitsventil öffnet, sobald der Innendruck der Zelle über einen definierten kritischen Wert steigt, um einen gerichteten Gasaustritt zu ermöglichen. Eine je nach Bedarf variierende Anzahl an prismatischen Batteriezellen ist Hauptfläche an Hauptfläche hintereinander zu einem Batteriemodul zusammengefasst.
Die erfindungsgemäße Modulabdeckung wird auf der Seite mit dem Sicherheitsventil auf das Modul aufgesetzt. Die Modulabdeckhaube hat eine plane Deckplatte, deren Breite und Länge den Abmessungen des Moduls entsprechen.
Bei Bedarf kann die Deckplatte an die dreidimensionale Geometrie der Auflagefläche auf dem Modul angepasst sein, um zum Beispiel Unebenheiten auf der Auflagefläche auf dem Modul auszugleichen.
In der Deckplatte der Modulabdeckhaube sind Berstausschnitte vorgesehen, die Durchgangsöffnungen in der Modulabdeckhaube sind.
Über diese Berstausschnitte kann Gas von der Fläche des Moduls mit den Sicherheitsventil beziehungsweise Sicherheitsventilen abgeführt werden, das im Falle einer Überhitzung einer Zelle und Öffnen des Sicherheitsventils aus der Zelle austritt.
Die Anzahl und Lage der Berstausschnitte einer Modulabdeckhaube richtet sich nach Anzahl der Batteriezellen eines Batteriemoduls. Zudem soll eine schnelle Ableitung mit kurzem Ableitungsweg des aus dem Sicherheitsventil der Batteriezelle austretenden Gases möglich sein. Zweckmäßigerweise sollte daher jedem Sicherheitsventil ein Berstausschnitt der Modulabdeckhaube zugeordnet sein, der bei auf das Modul aufgesetzter Modulabdeckhaube oberhalb des Sicherheitsventils bzw. der Sicherheitsventile zu liegen kommt. Umfangsform und Größe des Berstausschnittes sollten den Abmessungen der Sicherheitsventile entsprechen oder vorzugsweise größer sein.
Die Berstausschnitte sind wie die Sicherheitsventile der Batteriezellen mit einer Berstscheibe verschlossen, die erst bei der Temperatur- und Druckeinwirkung durch das heiße Gas öffnet.
Dadurch kann sichergestellt werden, dass die Gasausleitung unmittelbar über der propagierten Zelle erfolgt. Die Berstausschnitte oberhalb der nicht propagierten Zellen bleiben verschlossen, um in diesen Bereichen eine Kontamination mit den elektrisch leitfähigen Partikeln aus dem heißen Gas zu vermeiden und einen Bypass des aus dem Modul ausgeleiteten heißen Gases durch zusätzlich offene Berstausschnitte zurück in das Modul zu unterbinden.
Der Berstausschnitt sollte möglichst dicht oberhalb des Sicherheitsventils liegen, um den Austrittsweg des Gases aus der Batteriezelle bis zum Berstausschnitt so kurz wie möglich zu halten. Hierfür kann in dem Bereich der Deckplatte der Modulabdeckungshaube eine Delle oder Absenkung vorgesehen sein, so dass dieser abgesenkte Bereich dicht oberhalb des Sicherheitsventils zu liegen kommt.
Die Modulabdeckhaube besteht aus einem hochtemperaturbeständigen Material, damit eine sichere Ableitung des heißen Gases stattfinden kann, ohne dass die Modulabdeckhaube selbst Feuer fängt oder sich aufgrund thermischer Einwirkung verformt. Zweckmäßigerweise hat die Modulabdeckhaube eine Temperaturbeständigkeit bis mindestens 1400 °C. Zudem sollte das Material für die Modulabdeckhaube selbst elektrisch nicht leitend sein.
Erfindungsgemäß wird die Modulabdeckhaube aus einem Schichtaufbau aus Schichten aus Faserverbundwerkstoff erhalten. 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.
Der Faserverlauf ist vorzugsweise bidirektional, 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 Silikonharze 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.
Als Silikonharz können di- und/oder trifunktionelle Polysiloxane verwendet werden, vorzugsweise mit Methyl- und/oder Phenylsubstituenten.
Ein Beispiel für ein geeignetes Silikonharz ist SILRES® MK, eine Handelsmarke, die von der Firma Wacker vertrieben wird.
Die Gesamtdicke der Modulabdeckhaube 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.
Die einzelnen Schichten der Modulabdeckhaube 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.
Als Material für die Berstscheibe kann gleichfalls ein Faserverbundwerkstoff verwendet werden.
Beispiele für geeignete Fasern sind Glasseide, oder Fasern aus Kunststoffgewebe zum Beispiel aus Aramid, Polyphenylenether (PPE) und Polypropylen (PP), und als Matrix ein Epoxidharz, zum Beispiel auf Basis von Bisphenol A.
Mit der erfindungsgemäßen Modulabdeckhaube mit integrierter Gasableitung kann im Fall eines thermischen Durchgehens das Auftreten von Flammen und Funken außerhalb eines Batteriemoduls für einen Zeitraum von mindestens 5 Minuten und insbesondere mindestens 7,5 Minuten und länger verzögert werden.
Darüber hinaus weist die erfindungsgemäße Modulabdeckhaube bei der Herstellung eine ausgezeichnete dreidimensionale Formbarkeit auf, so dass präzise ohne großen Aufwand eine gewünschte Form erhalten werden kann.
Sie kann dreidimensional konturiert sein, um so die Deckplatte und/oder Ränder an die Oberflächenstrukturen der Auflageflächen auf den Batterien anzupassen.
Die vorliegende Erfindung wird nachstehend anhand von Figuren näher erläutert, die eine Ausgestaltung und Anwendung der erfindungsgemäßen Modulabdeckhaube mit integrierter Gasableitung zeigen.
Es zeigt
Figur 1 eine Ausgestaltung für eine erfindungsgemäße Modulabdeckhaube mit integrierter Gasableitung, wobei die Modulabdeckhaube über einem Batteriemodul aus prismatischen Batteriezellen angeordnet ist,
Figur 2 eine Draufsicht auf eine erfindungsgemäße Modulabdeckhaube, und
Figur 3 eine Ansicht von unten auf die Modulabdeckhaube gemäß Figur 2.
In Figur 1 ist die erfindungsgemäße Modulabdeckhaube 1 mit Berstausschnitten 2 auf einem Batteriemodul 3 aus einer Vielzahl von prismatischen Batteriezellen 4 in einer Explosionsdarstellung gezeigt.
Die Modulabdeckhaube 1 liegt auf der Seite des Moduls 3 mit den elektrischen Kontakten 5 auf. Jede Batteriezelle 4 weist zwischen den elektrischen Kontakten
5 ein Sicherheitsventil 6 auf.
In der Modulabdeckhaube 1 ist eine entsprechende Anzahl an Berstausschnitten 2 vorgesehen, wobei die Position der Berstausschnitte 2 in der Modulabdeckhaube 1 so gewählt ist, dass im auf das Batteriemodul 3 aufgelegten Zustand ein Berstausschnitt 2 oberhalb eines Sicherheitsventils 6 zu liegen kommt. Das heißt, in der hier gezeigten Ausführungsform ist jedem Sicherheitsventil 6 ein Berstausschnitt 2 zugeordnet.
Die Form und Größe der Modulabdeckhaube 1 richtet sich nach den Abmessungen und der Form des Moduls 3. Sie hat hier eine plane rechteckige Deckplatte 8, mit rechteckigen Berstausschnitten 2, die hintereinander entlang der Längsachse der Deckplatte 8 und entsprechend der Position der Sicherheitsventile
6 angeordnet sind. Entlang der Längsseiten der Deckplatte 8 ist jeweils ein nach unten weisender Rand 9 vorgesehen, um die Modulabdeckhaube 1 sicher auf dem Modul 3 halten zu können.
Im zusammengesetzten Zustand liegt die Deckplatte 8 auf den Kontakten 5 als höchste Erhebung auf dieser Seite des Batteriemoduls 3 auf, und die Ränder 9 liegen an den Seitenflächen an.
Gemäß einer Ausgestaltung, kann der Bereich der Deckplatte 8 mit den Berstausschnitten 2 abgesenkt sein, um den Abstand zwischen Berstausschnitt 2 mit Sicherheitsventil 6 möglichst gering und den Austrittsweg des Gases so kurz wie möglich zu halten.
Hierfür kann zum Beispiel der mittlere Bereich der Deckplatte 8 mit den Berstausschnitten 2 im Vergleich zu den angrenzenden Bereichen der Deckplatte 8 abgesenkt sein und eine Rinne bilden, die sich entlang der Längsachse erstreckt.
In Figur 1 ist die Situation des thermischen Durchgehens der vordersten Batteriezelle 4 des Moduls 3 gezeigt, wobei der aus dem Sicherheitsventil 6 austretende heiße Gasstrom 7 unmittelbar und ungehindert durch den darüber liegenden Berstausschnitt 2 aus dem Bereich des Batteriemoduls 3 abgeleitet wird.
Hierfür sind die Berstausschnitte 2 ausreichend groß ausgebildet, so dass der aus dem darunterliegenden Sicherheitsventil 6 ausströmende heiße Gasstrom 7 schnell und ungehindert vom Modul 3 abgeleitet werden kann. In der in Figur 1 gezeigten Ausführungsform sind die Berstausschnitte 2 in Länge und Breite in etwa doppelt so groß wie das Sicherheitsventil 6.
Wesentlich ist, dass der austretende, mit elektrisch leitfähigen Partikeln angereicherte heiße Gasstrom 7 schnell vom Modul 3 abgeleitet wird, um einen Kontakt mit benachbarten elektrisch leitenden Bauteilen und damit einen möglichen Kurzschluss zu vermeiden, der zu einem Übergreifen des thermischen Durchgehens auf benachbarte Zellen führen kann.
In Figuren 2 und 3 ist eine erfindungsgemäße Modulabdeckhaube 1 von oben bzw. von unten gezeigt. Wie in Figur 1 sind auf der Deckplatte der Modulabdeckhaube entlang der Längsachse mittig entsprechend der Lage von Sicherheitsventilen 6 eines Moduls 3 hintereinander eine Reihe von gleichförmigen Berstausschnitten 2 vorgesehen.
Die Berstausschnitte 2 sind auf der Unterseite der Deckplatte 8 mit einer Berstscheibe 10 verschlossen, wobei sich in der hier gezeigten Ausführungsform die Berstscheibe 10 flächig über alle Berstausschnitte 2 erstreckt und diese vollständig abdeckt.
Die Berstscheibe 10 besteht hier aus einem Glasfaserverbundwerkstoff mit Epoxidharzmatrix.
Die Berstscheibe 10 ist ausreichend dünn zu wählen, so dass sie bei Gasbeaufschlagung sicher öffnet, sollte andererseits aber nicht brennbar sein.
In Figur 1 ist zur Veranschaulichung der vorliegenden erfindungsgemäßen Modulabdeckhaube 1 mit integrierter Gasableitung der Einsatz der Modulabdeckhaube 1 für Batteriemodule 3 aus prismatischen Batteriezellen 4 gezeigt, bei denen das Sicherheitsventil 6 zwischen den elektrischen Kontakten 5 vorgesehen ist.
Es versteht sich aber, dass die erfindungsgemäße Modulabdeckhaube 1 ohne weiteres auch für davon abweichende Batteriezellenkonstruktionen einsetzbar ist, zum Beispiel bei denen das Sicherheitsventil 6 eine andere Lage als zwischen den Kontakten 5 einnimmt, zum Beispiel auf einer anderen Fläche des Batteriegehäuses.
Auf Grund ihrer guten dreidimensionalen Formbarkeit lässt sich die erfindungsgemäße Modulabdeckhaube 1 ohne weiteres auch an konstruktionsbedingte Unregelmäßigkeiten wie Höhenunterschiede oder dergleichen auf den Auflageflächen auf den Batteriezellen oder Modulen anpassen.
Beispielsweise kann die Modulabdeckhaube so ausgestaltet sein, dass sie auch Modulverbinder abgedeckt oder übergreift, mit denen benachbarte Module zu einem Modulpaket zusammengefasst sind.
Beispiel
Es wurde ein Beflammungsversuch mit einer erfindungsgemäßen Modulabdeckhaube durchgeführt. Die Modulabdeckhaube 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 Silikonharz, SILRES® MK der Firma Wacker.
Die Gesamtdicke der Modulabdeckhaube betrug 1 ,3 mm. Die Dicke der Basaltfaserverbundschichten war jeweils 0.35 mm und die Dicke der Silicatfaserverbundschichten jeweils 0,,3 mm.
Die Abmessungen der Berstausschnitte betrugen 70 mm x 18 mm mit einem Stegabstand von 16 mm.
Als Berstscheibe kam ein Glasfaserkomposit mit einer Dicke von 0,1 mm aus Glasseide mit einem Flächengewicht von 164 g/m2 und einer Matrix aus einem Epoxidharz, das unter dem Handelsnamen EPI KOTE ™ Resin 828 der Firma Hexion vertrieben wird, und aus Bisphenol-A und Epichlorhydrin hergestellt ist, zum Einsatz.
Die Berstscheibe wurde mit einem Kleber DOW Corning RTV 3145 aufgeklebt.
Der Beflammungsversuch ergab, dass die Berstscheibe mit einer Dicke von 0,1 mm ausreichend schnell bei Flammbeaufschlagung öffnete, ohne dass dabei die Berstscheiben benachbarter Berstausschnitte beschädigt wurden
Bezugszeichenliste
1 Modulabdeckhaube 2 Berstausschnitt
3 Batteriemodul
4 Batteriezelle
5 elektrischer Kontakt
6 Sicherheitsventil
7 Gasstrom
8 Deckplatte
9 Rand
10 Berstscheibe

Claims

Ansprüche Modulabdeckhaube (1) mit integrierter Gasableitung für ein Batteriemodul (3) aus Batteriezellen (4), wobei die Modulabdeckhaube (1) eine Deckplatte (8) aufweist, in der sich Berstausschnitte (2) befinden, die Durchgangsöffnungen in der Deckplatte (8) sind, und die Berstausschnitte (2) mit einer Berstscheibe (10) verschlossen sind, die ausgebildet ist, bei Beaufschlagung mit Gas (7), das aus einer Batteriezelle (4) austritt, zu öffnen, um das Gas (7) von dem Batteriemodul (3) abzuleiten, wobei die Modulabdeckhaube (1) aus einem hochtemperaturbeständigen Faserverbundwerkstoff hergestellt ist. Modulabdeckhaube (1) nach Anspruch 1 , wobei die Berstausschnitte (2) in der Deckplatte (8) derart angeordnet sind, dass sie bei Auflegen auf ein Batteriemodul (3) oberhalb eines Sicherheitsventils (6) der Batteriezellen (4) zum Liegen kommen. Modulabdeckhaube (1) nach Anspruch 1 oder 2, wobei die Berstscheibe (10) auf der Unterseite der Deckplatte (8), die dem Batteriemodul (3) zuzuwenden ist, aufgebracht ist. Modulabdeckhaube (1) nach Anspruch 3, wobei die Berstscheibe (10) sich einstückig über alle Berstausschnitte (2) in der Deckplatte (8) erstreckt und diese verschließt. Modulabdeckhaube (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die Modulabdeckhaube (1) zur Abdeckung für ein Batteriemodul (3) aus prismatischen Batteriezellen (4) ausgebildet ist. Modulabdeckhaube (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei das Fasermaterial für den Faserverbundwerkstoff eine Mineralfaser ausgewählt unter Basaltfasern, Glasfasern, Silicatfasern oder oxidkeramischen Fasern ist.
7. Modulabdeckhaube (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die Modulabdeckhaube (1) aus zwei oder mehreren Schichten eines Faserverbundmaterials hergestellt ist. 8. Modulabdeckhaube (1) nach Anspruch 7, wobei eine oder mehrere Schichten des Schichtaufbaus aus unterschiedlichen Faserverbundmaterialien hergestellt sind.
9. Modulabdeckhaube (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die Matrix des Faserverbundmaterials ein Silikonharz mit einem SiO- Anteil von 50 bis 90 % ist. 0. Modulabdeckhaube (1) nach einem der vorgehenden Ansprüche, wobei die Deckplatte (8) und/oder der Rand (9) dreidimensional konturiert sind. 1. Verwendung einer Modulabdeckhaube (1) nach einem der Ansprüche 1 - 10 für ein Batteriemodul (3) aus prismatischen Batteriezellen (4) für Elektrofahrzeuge.
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