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DE102022112727A1 - Traktionsbatterie für ein Fahrzeug - Google Patents

Traktionsbatterie für ein Fahrzeug Download PDF

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DE102022112727A1
DE102022112727A1 DE102022112727.3A DE102022112727A DE102022112727A1 DE 102022112727 A1 DE102022112727 A1 DE 102022112727A1 DE 102022112727 A DE102022112727 A DE 102022112727A DE 102022112727 A1 DE102022112727 A1 DE 102022112727A1
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battery
chambers
hollow profile
traction battery
vehicle
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English (en)
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Philipp Kellner
Christopher Volkmer
Immanuel Vogel
Marco Augustdörfer
Sascha Mostofi
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Dr Ing HCF Porsche AG
Original Assignee
Dr Ing HCF Porsche AG
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Priority to US18/318,745 priority patent/US20230411776A1/en
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Abstract

Traktionsbatterie eines elektrisch oder teilelektrisch angetriebenen Fahrzeugs, wobei die Batterie aus einem oder mehreren zusammenwirkenden Batteriemodulen aufgebaut ist, in denen jeweils Kammern zur Aufnahme eines oder mehrerer Zellstacks aus jeweils mehreren Batteriezellen vorgesehen sind, dadurch gekennzeichnet, dass das Batteriemodule als Hohlprofil ausgebildet ist, das jeweils mehrere voneinander durch Zwischenwände getrennte und parallel in Längsrichtung des Hohlprofils verlaufende Kammern aufweist, in welche die Zellstacks einsetzbar sind, wobei das Hohlprofil an beiden Enden mit jeweils einem die endseitigen Öffnungsquerschnitte aller Kammern übergreifenden Deckel verschlossen ist und die bis zum Öffnungsquerschnitt reichenden Endabschnitte der Zwischenwände mit einem separaten Dichtungsbauteil zur Innenseite des Deckels hin abgedichtet sind.

Description

  • FELD DER ERFINDUNG
  • Die vorliegende Erfindung betrifft eine Traktionsbatterie für ein elektrisch oder teilelektrisch angetriebenes Fahrzeug, wobei die Batterie aus einem oder mehreren zusammenwirkenden Batteriemodulen aufgebaut ist, in denen jeweils Kammern zur Aufnahme eines oder mehrerer Zellstacks aus jeweils mehreren Batteriezellen vorgesehen sind. Ebenfalls offenbart sind ein Batteriesystem sowie ein Fahrzeug mit einer solchen Traktionsbatterie.
  • STAND DER TECHNIK
  • Traktions- oder Antriebsbatterien elektrisch angetriebener Fahrzeuge bestehen oft aus einem stabilen Batteriegehäuse und mehreren Batteriemodulen, die entweder in dem Gehäuse angeordnet sind oder auch selbst das Gehäuse ausbilden. Die Batteriemodule sind elektrisch miteinander verschaltet.
  • Der Begriff und Gegenstand „Batteriemodul“ wird im Stand der Technik gegenüber der Antriebsbatterie bzw. dem Stromspeicher oder Akkumulator als Ganzes oft unterschiedlich abgegrenzt, beinhaltet aber immer eine Zusammenstellung bzw. eine Anzahl von miteinander verbundenen einzelnen Batteriezellen. Im Weiteren wird hier eine Definition so getroffen, dass eine Traktions- oder Antriebsbatterie aus Batteriemodulen aufgebaut ist, wobei jedes Batteriemodul ein Gehäuse mit Kammern bildet, in denen einzelne Batteriezellen bzw. Zellstacks angeordnet sind. Die Batteriemodule schützen die Batteriezellen bzw. Zellstacks nicht nur vor mechanischen Belastungen, insbesondere bei einem Unfall, sondern außerdem vor Umwelteinflüssen, sollen wasser- und gasdicht und, was besonders wichtig ist, auch brandfest sein.
  • Die Antriebs- oder Traktionsbatterien von elektrisch angetriebenen Fahrzeugen speichern durch die Vielzahl der in Parallel- oder Reihenschaltung angeordneten einzelnen Batteriezellen große Mengen Energie. Bei einer elektrochemischen Energiespeicherung werden durch den Ladestrom in den einzelnen Batteriezellen Elektronen mittels einer chemischen Reaktion gespeichert und durch eine umgekehrte chemische Reaktion beim Entladen Elektronen abgegeben. Die Reaktionspartner sind in der Regel durch eine nur für Elektronen bzw. Ionen durchlässige Schicht voneinander getrennt, so dass sie nicht in unmittelbarem Kontakt miteinander stehen. Moderne Systeme beinhalten als Einzelzellen so genannte Pouch-Zellen, bei denen die elektrochemisch wirksamen Elemente einer Zelle, flächige Elektroden und Elektrolyten, in Form eines Beutels oder Kissens zwischen Folien eingeschweißt sind. Insbesondere solche Pouch-Zellen sind generell empfindlich gegenüber mechanischen Beschädigungen und müssen daher durch stabile Gehäuse geschützt werden.
  • Die Reaktionspartner der Batteriezellen können bei direktem Kontakt miteinander, mit dem Luftsauerstoff der Umgebung, mit Wasser oder anderen Stoffen in einer starken exothermischen Reaktion so große Wärme erzeugen, dass die Batteriezelle oder deren Bestandteile sich entzünden können.
  • Im Falle eines solchen thermischen Events, also einer Überhitzung von Zellen, entsteht eine große Menge heißen Gases, welches aus den Zellen und aus dem Batteriesystem geleitet werden muss. Entscheidend ist darüber hinaus, dass das Gas möglichst wenig mit umliegenden Batteriezellen bzw. mit anderen Kammern mit Batteriezellen in Kontakt kommt, um das Entzünden weiterer Zellen zu verhindern oder jedenfalls zu verzögern. Strömt bei leistungsstarken Traktionsbatterien im Falle eines thermischen Events Gas aus einer Kammer mit Zellstacks in eine andere Kammer mit Zellstacks, so kann das zu einer Entzündung auch der Zellen bzw. der Zellstacks in der anderen Kammer führen.
  • Um das zu verhindern, sind oft brandhemmende Materialien oder Trennwände zwischen den einzelnen Kammern mit Zellstacks vorgesehen. Vorschriften zum Schutz von Insassen von Elektro- und Hybridfahrzeugen sehen vor, dass die Ausbreitung von Bränden in einem Batteriemodulgehäuse oder Batteriesystemgehäuse lokal begrenzt und der Übergang auf benachbarte Zellenstapel verhindert oder zumindest verzögert werden muss.
  • Die DE 10 2016 013 847 A1 offenbart hierzu ein Batteriegehäuse für eine Batterie eines Kraftfahrzeugs, wobei das Gehäuse aus mehreren Gehäuseteilen besteht, die Kammern bilden, welche mit Durchbrüchen zur Durchführung von Verbindungsleitungen versehen sind. Die Gehäuseteile sind mit Dichtungen und einem separaten Dichtflächenträger verschraubt, um die Kammern gegeneinander abzudichten.
  • BESCHREIBUNG DER ERFINDUNG
  • Es ist eine Aufgabe der Erfindung, eine einfach herzustellende Traktionsbatterie bereitzustellen, deren Batteriemodule so ausgebildet sind, dass ein Entzünden von Zellstacks oder Einzelzellen in benachbarten Kammern möglichst verhindert oder verzögert wird.
  • Gelöst wird diese Aufgabe wird durch die Merkmale des Anspruchs 1. Vorteilhafte Ausgestaltungen und Weiterentwicklungen sind in den jeweiligen abhängigen Ansprüchen beschrieben. Ebenfalls beansprucht sind ein Batteriesystem sowie ein elektrisch oder teilelektrisch angetriebenes Fahrzeug mit einer erfindungsgemäßen Traktionsbatterie.
  • Bei der Traktionsbatterie gemäß der Erfindung sind die Batteriemodule als Hohlprofile ausgebildet, die jeweils mehrere voneinander durch Zwischenwände getrennte und parallel in Längsrichtung des Hohlprofils verlaufende Kammern aufweisen, in welche die Zellstacks einsetzbar sind. Die Hohlprofile sind dabei an beiden Enden mit jeweils einem die endseitigen bzw. stirnseitigen Öffnungsquerschnitte aller Kammern übergreifenden Deckel verschlossen und die bis zum Öffnungsquerschnitt reichenden Endabschnitte der Zwischenwände sind mit einem separaten Dichtungsbauteil zur Innenseite des Deckels hin abgedichtet.
  • Durch ein solches auf die Abdichtung des Spalts zwischen Trennwänden und Deckel angepasstes, separates Dichtungsbauteil entsteht ein sichere Abdichtung der Kammern untereinander und somit eine sichere Trennung der Batteriezellen bzw. Zellstacks in den jeweiligen Kammern. Dadurch wird eine Brandausbreitung zwischen den Zellstacks benachbarter Kammern, die so genannte Propagation, verhindert. Dies bewirkt eine deutliche Verbesserung der Fahrzeugsicherheit.
  • Ein vorteilhafter Aspekt der Erfindung besteht dabei darin, dass die in den Kammern des Hohlprofils jeweils zwischen Deckel und Zellstacks bestehenden endseitigen Hohlräume untereinander durch das Dichtungsbauteil und nach außen hin durch eine weitere Abdichtung zwischen Deckel und äußeren Kammerwänden gasdicht abgedichtet ist. Durch eine solche Ausbildung können die Dichtungseigenschaften des Dichtungsbauteils einerseits und der umlaufenden Dichtung zu den äußeren Kammerwänden andererseits speziell auf die jeweilige Anforderung angepasst werden. So kann das Dichtungsbauteil aus einem anderen Material als die umlaufende Dichtungen bestehen und insbesondere so ausgeführt sein, dass eine Kompression des Dichtungsbauteils zwischen Deckel und Trennwand ein Überströmen von Gas in die benachbarte Kammer verhindert.
  • Gemäß einem weiteren Aspekt der Erfindung sind die Hohlprofile als Extrusionsprofile ausgebildet, vorzugsweise als abgetrennte Einzellängen eines in Mehrfachlänge hergestellten Extrusionsprofils. Extrusionsprofile sind einfach herstellbar und können in ihren Querschnitten beliebig ausgebildet sein.
  • Eine Weiterbildung der Erfindung besteht darin, dass die durch Zwischenwände getrennten und parallel in Längsrichtung der Hohlprofile verlaufenden Kammern identische Querschnitte aufweisen. Damit ergibt sich auch die Möglichkeit einer Verwendung gleicher Profile oder Querschnitte für die Zellstacks in allen Kammern.
  • Gemäß einem weiteren Aspekt der Erfindung ist in dem die Kammern übergreifenden Deckel mindestens je eine Entgasungsöffnung oder ein Entgasungselement für jede der durch Zwischenwände getrennten und parallel in Längsrichtung des Hohlprofils verlaufenden Kammern ausgebildet. Durch eine solche Entgasungsöffnung oder ein solches Entgasungselement wird erreicht, dass im Falle einer Gasbildung ein Ausströmen des Gases aus den endseitigen Hohlräumen der Kammern in einer vorgesehenen und möglichst ungefährlichen Weise erfolgt, insbesondere in eine weiteren Ausbildung der Traktionsbatterie, bei der die Entgasungsöffnung oder das Entgasungselement bei Erreichen eines vorbestimmten Drucks im endseitigen Hohlraum öffnet.
  • Für den Fall, dass durch Temperaturveränderungen oder Dehnungen Spalten an den Dichtungen entstehen, ist gemäß einer Weiterbildung der Erfindung vorgesehen, dass der durch die Entgasungsöffnung oder das Entgasungselement freigebbare Strömungsquerschnitt zur Entgasung größer ist als ein etwa zum Dichtungsbauteil verbleibender Spaltquerschnitt zwischen der oder den Endabschnitten der Zwischenwände und der Innenseite des Deckels.
  • Gemäß einem weiteren Aspekt der Erfindung ist das Dichtungsbauteil aus einem elastomeren Material ausgebildet ist, vorzugsweise aus Gummi oder aus einem Silikonkunststoff. Durch eine solche Ausbildung werden einerseits eine hohe Elastizität der Dichtungen und andererseits eine hohe Temperaturbeständigkeit bei Erwärmung bereitgestellt.
  • Eine Traktionsbatterie mit den erfindungsgemäß ausgebildeten Batteriemodulen ist besonders für ein Batteriesystem geeignet, bei dem mehrere einzeln abgedichtete und voneinander beabstandete Batteriemodule vorgesehen sind. Ein solches Batteriesystem kann besonders gut auf die in einem Fahrzeug vorhandenen Hohlräume oder Einbausituationen angepasst werden.
  • Eine Ausbildung eines elektrisch oder teilelektrisch angetriebenen Fahrzeugs mit einer erfindungsgemäßen Traktionsbatterie besteht darin, dass mehrere mit ihrer Längsachse quer zur Fahrzeuglängsachse liegende Batteriemodule in Fahrzeuglängsrichtung hintereinander angeordnet sind.
  • Durch eine solche Anordnung, insbesondere dann, wenn die Länge der Batteriemodule so ausgebildet ist, dass die jeweiligen die Kammern verschließenden Deckel in den Bereich der Karosserie-Schweller reichen, ergibt sich eine ausgesprochen gute Zugänglichkeit der einzelnen Elemente der Traktionsbatterie, ohne dass Abstriche bei der Sicherheit gemacht werden müssten. Die Traktionsbatterie, respektive die einzelnen Batteriemodule, wären dann von der Fahrzeugaußen- und -unterseite zugänglich und könnte z.B. leicht repariert oder mit neuen Zell-Stacks versehen werden. Auch ein Austausch der Batteriemodule ist dann einfach. Bei einer solchen Ausbildung, bei der sich die Module über die Fahrzeugbreite erstrecken, ergibt sich auch eine besonders dichte Packung der Batteriemodule und somit eine Traktionsbatterie, die wenig Raum einnimmt.
  • Im Folgenden wird die Erfindung mit Bezugnahme auf die in den Figuren der Zeichnung gezeigte beispielhafte Ausführung beschrieben. Es zeigen
    • 1 die prinzipielle Ausbildung eines Batteriemoduls in Form einer perspektivischen Skizze,
    • 2 einen Endabschnitt eines Batteriemoduls gemäß 1,
    • 3 eine Schnittdarstellung eines Batteriemoduls gemäß 1,
    • 4 eine Skizze einer Batterie aus mehreren in Fahrzeuglängsrichtung hintereinander angeordnet Batteriemodulen.
  • In den Figuren können gleiche oder ähnliche Elemente mit denselben Bezugszeichen referenziert sein.
  • 1 bis 4 sind in der Zusammenschau zu betrachten, um die erfindungsgemäße Ausbildung der Traktionsbatterie mit ihren Batteriemodule am besten erkennen zu können. 1 zeigt in Form einer perspektivischen Skizze die prinzipielle Ausbildung eines Batteriemoduls 1 mit seinen beiden einseitigen Deckeln 2 und seinen Außenwänden 9. Eine Vielzahl solcher Batteriemodule 1 bildet eine Traktionsbatterie 20 in einem elektrisch oder teilelektrisch angetriebenen Fahrzeug. Eine solche Traktionsbatterie 20 ist prinzipiell in der 4 gezeigt. Das Fahrzeug als solches ist nicht dargestellt.
  • Wie in 4 skizziert, ist die Batterie 20 aus mehreren mit ihrer Längsachse quer zur Fahrzeuglängsrichtung 21 liegenden, zusammenwirkenden Batteriemodulen 1 aufgebaut, wobei die Batteriemodule in Fahrzeuglängsrichtung 21 hintereinander angeordnet sind. Die Länge der Batteriemodule 1 ist jeweils so ausgebildet, dass sie sich etwa über die Fahrzeugbreite 23 erstrecken und dass die die Kammern 3 der Batteriemodule beidseitig verschließenden Deckel 2 bis in den Bereich der Karosserie-Schweller 22 reichen.
  • 2 zeigt, ebenfalls prinzipiell, einen Endabschnitt 4 eines Batteriemoduls 1, dessen Oberseite abgeschnitten ist, um einen Einblick in das Innere des Batteriemoduls zu gewähren. Man erkennt dort die Anordnung der in den Kammern 3 des als Hohlprofil ausgebildeten Batteriemoduls 1 befindlichen Zellstacks 5.
  • Ebenfalls ersichtlich ist die Ausbildung der Deckel 2 und der endseitigen Hohlräume 6. Dargestellt ist weiterhin eine Ausführung des Dichtungsbauteils 7 und der nach außen hin vorgesehenen weiteren Abdichtungen 8 zwischen Deckel 2 und äußeren Kammerwänden 9, d.h. der Abdichtungen 8 zwischen Deckel und Wänden des Batteriemoduls.
  • Das Batteriemodul 1 ist hier als Hohlprofil mit zwei Kammern 3 ausgebildet, welche durch eine Zwischenwand 10 getrennt sind und parallel nebeneinander in Längsrichtung des Hohlprofils verlaufen. In den Kammern 3 sind Zellstacks 5 eingesetzt. Das Hohlprofil bzw. das Batteriemodul 1 ist an beiden Enden mit jeweils einem die endseitigen Öffnungsquerschnitte des Batteriemoduls bzw. der Kammern 3 übergreifenden Deckel 2 verschlossen. Die bis zum Öffnungsquerschnitt reichenden Endabschnitte 11 der Zwischenwände 10 sind mit einem separaten Dichtungsbauteil 7 zur Innenseite des Deckels 2 hin abgedichtet.
  • Wie am besten in der Schnittdarstellung in 3 ersichtlich, besteht das Hohlprofil bzw. Batteriemodul 1 aus einem rechteckigen Hohlprofil mit zwei parallel nebeneinander liegenden Kammern 3, die durch eine rechtwinklige Trennwand 10 voneinander getrennt sind. Das Hohlprofil ist ein extrudiertes Profil, welches ursprünglich als Mehrfachlänge hergestellt und dann in Einzellängen zerteilt wurde, die im Wesentlichen der Länge des Batteriemoduls entsprechen, unter Berücksichtigung der erforderlichen Nacharbeit und ggf. daran montierter Anbauteile. In 3 erkennt man auch die Kontaktfahnen 12, die die einzelnen Batteriezellen der Zellstacks 5 miteinander verbinden.
  • In der Zusammenschau der 1, 2 und 3 erkennt man, dass die zwischen Deckel 2 und Zellstacks 5 bestehenden endseitigen Hohlräume 6 der Kammern 3 des Batteriemoduls 1 untereinander durch das Dichtungsbauteil 7 und nach außen hin durch eine umlaufende Abdichtung 8 zwischen Deckel 2 und den äußeren Kammerwänden 9 gasdicht abgedichtet sind. Das Dichtungsbauteil 7 besteht hierbei aus hoch wärmefestem Silikonkunststoff.
  • In 1 und 2 erkennt man weiterhin, dass in dem die Kammern 3 übergreifenden Deckel 2 je eine Entgasungsöffnung 13 ausgebildet ist, in der ein Entgasungselement 13a, bspw. ein Berstelement, für jede der durch Zwischenwände getrennten Kammern 3 ausgebildet ist. Das Entgasungselement öffnet bei Erreichen eines vorbestimmten Drucks im endseitigen Hohlraum 6.
  • Liste der Bezugszeichen (Teil der Beschreibung)
    • 1
    Batteriemodul
    2
    Deckel
    3
    Kammer in einem Batteriemodul
    4
    Endabschnitt eines Batteriemoduls
    5
    Zellstack
    6
    endseitiger Hohlraum der Kammer
    7
    Dichtungsbauteil
    8
    Abdichtung zwischen Deckel und äußerer Kammerwand
    9
    äußere Kammerwand, Außenwand des Batteriemoduls
    10
    Zwischenwand zwischen den Kammern
    11
    Endabschnitt der Zwischenwand
    12
    Kontaktfahne
    13
    Entgasungsöffnung
    13a
    Entgasungselement
    20
    Traktionsbatterie
    21
    Fahrzeuglängsrichtung
    22
    Karosserie-Schweller
    23
    Fahrzeugbreite
  • ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
  • Diese Liste der vom Anmelder aufgeführten Dokumente wurde automatisiert erzeugt und ist ausschließlich zur besseren Information des Lesers aufgenommen. Die Liste ist nicht Bestandteil der deutschen Patent- bzw. Gebrauchsmusteranmeldung. Das DPMA übernimmt keinerlei Haftung für etwaige Fehler oder Auslassungen.
  • Zitierte Patentliteratur
    • DE 102016013847 A1 [0008]

Claims (11)

  1. Traktionsbatterie (20) eines elektrisch oder teilelektrisch angetriebenen Fahrzeugs, wobei die Batterie aus einem oder mehreren zusammenwirkenden Batteriemodulen (1) aufgebaut ist, in denen jeweils Kammern (3) zur Aufnahme eines oder mehrerer Zellstacks (5) aus jeweils mehreren Batteriezellen vorgesehen sind, dadurch gekennzeichnet, dass das Batteriemodul (1) als Hohlprofil ausgebildet ist, das jeweils mehrere voneinander durch Zwischenwände (10) getrennte und parallel in Längsrichtung des Hohlprofils verlaufende Kammern (3) aufweist, in welche die Zellstacks (5) einsetzbar sind, wobei das Hohlprofil an beiden Enden mit jeweils einem die endseitigen Öffnungsquerschnitte aller Kammern (3) übergreifenden Deckel (2) verschlossen ist und die bis zum Öffnungsquerschnitt reichenden Endabschnitte (11) der Zwischenwände (10) mit einem separaten Dichtungsbauteil (7) zur Innenseite des Deckels (2) hin abgedichtet sind.
  2. Traktionsbatterie (20) nach Anspruch 1, bei der in den Kammern (3) des Hohlprofils jeweils zwischen Deckel (2) und Zellstacks (5) bestehende endseitige Hohlräume (6) untereinander durch das Dichtungsbauteil (7) und nach außen hin durch eine weitere Abdichtung (8) zwischen Deckel (2) und äußeren Kammerwänden (9) gasdicht abgedichtet sind.
  3. Traktionsbatterie (20) nach Anspruch 1 oder 2, bei der das Hohlprofil als Extrusionsprofil ausgebildet ist, vorzugsweise als abgetrennte Einzellänge eines in Mehrfachlängen hergestellten Extrusionsprofils.
  4. Traktionsbatterie (20) nach einem der Ansprüche 1 bis 3, bei der die durch Zwischenwände (10) getrennten und parallel in Längsrichtung des Hohlprofils verlaufenden Kammern (3) identische Querschnitte aufweisen.
  5. Traktionsbatterie (20) nach einem der Ansprüche 1 bis 4, bei der in dem die Kammern (3) übergreifenden Deckel (2) mindestens je eine Entgasungsöffnung (13) und/oder ein Entgasungselement (13a) für jede der durch Zwischenwände (10) getrennten und parallel in Längsrichtung des Hohlprofils verlaufenden Kammern (3) ausgebildet ist.
  6. Traktionsbatterie (20) nach Anspruch 5, bei der die Entgasungsöffnung (13) oder das Entgasungselement (13a) bei Erreichen eines vorbestimmten Drucks im endseitigen Hohlraum (6) öffnet.
  7. Traktionsbatterie (20) nach Anspruch 5 oder 6, bei der der durch die Entgasungsöffnung (13) oder das Entgasungselement (13a) freigebbare Strömungsquerschnitt zur Entgasung größer ist als ein etwa zum Dichtungsbauteil verbleibender Spaltquerschnitt zwischen der oder den Endabschnitten (11) der Zwischenwände (10) und der Innenseite des Deckels.
  8. Traktionsbatterie (20) nach einem der Ansprüche 1 bis 7, bei der das Dichtungsbauteil (7) aus einem elastomeren Material ausgebildet ist, vorzugsweise aus Gummi oder aus einem Silikonkunststoff.
  9. Batteriesystem mit einer Traktionsbatterie (20) nach Anspruch 1 bis 8, bei der mehrere einzeln abgedichtete und voneinander beabstandete Batteriemodule (1) vorgesehen sind.
  10. Elektrisch oder teilelektrisch angetriebenes Fahrzeug mit einer Traktionsbatterie (20) nach einem der Ansprüche 1 bis 8, bei dem mehrere mit ihrer Längsachse quer zur Fahrzeuglängsrichtung (21) liegende Batteriemodule (1) in Fahrzeuglängsrichtung (21) hintereinander angeordnet sind.
  11. Fahrzeug nach Anspruch 10, bei dem die Länge der Batteriemodule (1) so ausgebildet ist, dass die die Kammern (3) beidseitig verschließenden Deckel (2) bis in den Bereich der Karosserie-Schweller (22) reichen.
DE102022112727.3A 2022-05-20 2022-05-20 Traktionsbatterie für ein Fahrzeug Pending DE102022112727A1 (de)

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