Technisches Gebiet

Die Erfindung bezieht sich auf ein Batteriemodul mit einem Grundkörper zur Auf nahme einzelner, bezüglich einer Fügeachse parallel angeordneter Batteriezellen, der einen quer zur Fügeachse verlaufenden Strömungskanal für ein die Zellen mäntel der Batteriezellen direkt anströmendes Temperierfluid bildet.

Stand der Technik

Aus dem Stand der Technik sind Batteriemodule bekannt, bei denen die einzelnen Batteriezellen direkt von einem Temperierfluid angeströmt werden

(WO2017067923). Im Falle der Beschädigung einzelner Batteriezellen, insbeson dere im Falle eines thermal runaway besteht allerdings das Problem, dass die Bat teriezellen entlang Ihres Mantels bersten. Aufgrund der direkten Anströmung durch ein Temperierfluid und der unmittelbar benachbarten Batteriezellen inner halb des Fluidströmungskanales wird dabei die Gefahr einer Kettenreaktion noch verstärkt.

Zur Vermeidung von Kettenreaktionen bei nicht direkt angeströmten Batteriezellen wurde bereits vorgeschlagen (CN108574073A), die einzelnen Zellen mit druckfes ten Flülsen zu umgeben, um ein Bersten im Bereich der Zellenpole zu erzwingen. Nachteilig ist daran allerdings, dass sich durch die Hülsen eine trägere Tempera- turregelung der Batteriezellen ergibt, sodass auf kurzfristige Belastungsspitzen oder thermische Ungleichgewichte im Batteriemodul nicht oder nur zeitverzögert reagiert werden kann, was die Gefahr einer Beschädigung der Batteriezellen ent gegen der Aufgabenstellung erhöht.

Darstellung der Erfindung Ausgehend von einem Batteriemodul der eingangs beschriebenen Art liegt die Aufgabe der Erfindung somit darin, nicht nur die Gefahr thermische Beschädigung einzelner Batteriezellen bei Spitzenbelastungen zu verringern, sondern auch die Ausbreitung einer Kettenreaktion im Fehlerfall eines thermal runaway zu vermei den.

Die Erfindung löst die gestellte Aufgabe dadurch, dass dem Strömungskanal in Richtung der Fügeachse je Batteriezelle jeweils eine die Batteriezelle umfangseitig mit Spiel umschließende Berstschutzhülse vor- und nachgelagert ist, wobei sich der Strömungskanal über eine Flöhe von 28 - 60% der Batteriezelle und jede Berstschutzhülse für sich über eine Flöhe von 20 - 36% der Batteriezelle erstre cken. Überraschenderweise hat sich gezeigt, dass das Bersten von zylinderförmi gen Batteriezellen im Bereich des Zellenmantels nicht nur bei einer sich über die gesamte Zellenmantelhöhe erstreckenden Flülse zugunsten einer Ausgasung über die hierfür vorgesehenen polseitigen Ventile verhindert werden kann, sondern auch dann, wenn zwei polseitige Abschnitte von jeweils 20 - 36% der Flöhe der Batteriezelle von einer Berstschutzhülse umschlossen werden. In einer besonders bevorzugten Ausführungsform können die Berstschutzhülsen jeweils einen Ab schnitt von 28-30% der Flöhe der Batteriezelle umschließen. Es ist dabei nicht er forderlich, dass die Berstschutzhülsen unmittelbar an die Zellenpole anschließen. Obwohl sich zufolge dieser Maßnahme der für einen Strömungskanal eines Tem perierfluides nutzbare Bereich auf eine Flöhe von 28 - 60%, vorzugsweise 40 - 44% der Batteriezelle verringert, kann die verkleinerte direkte Kontaktfläche zwi schen dem Temperierfluid, bei dem es sich beispielsweise um Luft oder eine Flüs sigkeit handeln kann, durch einen höheren Volumenstrom ausgeglichen werden. Darüber hinaus wird das dynamische Regelverhalten verbessert, weil das zu durchströmende Gesamtvolumen verringert wird. Um eine mechanische Überbe stimmung und somit einen Bruch der Abdichtung des Strömungskanals nicht nur in Anbetracht der Fertigungstoleranzen von Batteriezellen, sondern auch im Feh lerfall zu vermeiden, wird erfindungsgemäß vorgeschlagen, dass die Berstschutz hülsen die Batteriezellen mit Spiel umschließen, also derart, dass zwischen der Berstschutzhülse und dem Mantel der umschlossenen Batteriezelle ein Luftspalt verbleibt. Die mögliche Ausdehnung der Batteriezelle im Bereich dieses Luftspal- tes begünstigt das mechanische Verhalten im Falle eines thermal runaway, weil unkritische Dehnungen der Batterie möglich bleiben und nicht bereits zu einer Be schädigung der Berstschutzhülsen und in weiterer Folge des gesamten Batte- riemodules führen.

Um die Fertigung der erfindungsgemäßen Vorrichtung zu erleichtern und eine Ab dichtung des Strömungskanales zu verbessern, wird vorgeschlagen, dass eine Gruppe von Berstschutzhülsen einen vom Grundkörper getrennten Berstschutz bildet. Die Berstschutzhülsen können dabei über eine Stützkonstruktion zu einem Berstschutz verbunden sein oder aber der Berstschutz kann beispielsweise in Form von Durchtrittsöffnungen, die einzelnen Berstschutzhülsen ausbilden, ausge formt sein. Diese Maßnahmen haben den Vorteil, dass die einzelnen Batteriezel len zunächst in den Grundkörper eingesetzt werden können, wobei die Abdichtung des Strömungskanales weder durch eine mechanische Überbelastung noch durch eine Beschädigung von Dichtungen zufolge der Berstschutzhülsen behindert wird. Erst in einem nachfolgenden Schritt können die Berstschutzhülsen als vom

Grundkörper getrennter Berstschutz auf die aus dem Grundkörper vorragenden Endabschnitte der Batteriezellen aufgeschoben werden.

Damit die erfindungsgemäß vorgesehenen Luftspalte zwischen den Berstschutz hülsen und den Batteriezellen gleichmäßig ausgebildet werden und im Falle eines vom Grundkörper getrennten Berstschutzes die relative Lage von Grundkörper und Berstschutz zueinander vorgegeben werden kann, können in einer Berst schutzhülse zwei, vorzugsweise drei Zentriernasen zur Ausrichtung der Batterie zelle innerhalb der Berstschutzhülse vorgesehen sein. Solche Zentriernasen bie ten darüber hinaus den Vorteil, dass mechanische Belastungen des Batteriemo- dules bzw. der einzelnen Batteriezellen nicht über etwaige an den Batteriezellen anliegenden Dichtungen des Grundkörpers, sondern über die mechanisch stabile ren Zentriernasen aufgenommen werden können. Dies ist insbesondere dann der Fall, wenn die Berstschutzhülsen einstückig mit dem Grundkörper ausgebildet sind oder, wenn der Berstschutz und der Grundkörper in ihrer relativen Lage zueinan der festgelegt sind. Eine platzsparende Parallelschaltung der einzelnen Batteriezellen unabhängig von ihrer Polkontaktierung kann auf einfache Weise ermöglicht werden, wenn zwi schen dem Grundkörper und den bezüglich der Fügeachse auf einer Seite des Grundkörpers liegenden Berstschutzhülsen ein elektrisch leitendes Parallelblech zum Parallelschalten der Batteriezellen vorgesehen ist. Ein solches Parallelblech, dessen exakte Positionierung entlang der Fügeachse der Batteriezellen je nach Ausführungsform der Erfindung unterschiedlich sein kann, stellt nicht nur den elektrischen Kontakt zur Parallelschaltung der einzelnen Batteriezellen her, son dern erfüllt darüber hinaus noch eine mechanisch stabilisierende Aufgabe. Den noch bleiben zufolge der Luftspalte in den Berstschutzhülsen die einzelnen Batte riezellen im Bereich ihrer Pole quer zur Fügeachse in einem beschränkten Umfang frei beweglich, sodass die Kontaktierung und mechanische Verbindung mehrerer Batteriemodule erleichtert werden kann.

Obwohl die elektrische Kontaktierung der einzelnen Batteriezellen auf unterschied liche Art erfolgen kann, ergeben sich besonders vorteilhafte Bedingungen, wenn das Parallelblech in den Luftspalt wenigstens einer Berstschutzhülse ragende Kontaktzungen zur kraftschlüssigen Kontaktierung der von der Berstschutzhülse umschlossenen Batteriezelle aufweist. Die in den Luftspalt ragenden, federnd ausgebildeten Kontaktzungen werden dabei nicht nur unter Verbesserung der An presskraft und damit der elektrischen Kontaktierung gegen die Berstschutzhülsen abgestützt, sondern ermöglichen gleichzeitig auch eine Ausrichtung der Batterie zellen innerhalb der Berstschutzhülsen, sodass zumindest auf der Seite der Paral lelbleches etwaige Zentriernasen in den Berstschutzhülsen entfallen können.

Eine mechanisch flexible Kontaktierung der Batteriezellen, die gleichzeitig eine Ausbreitung eines Einzelbatteriezellenfehlers durch Entgasung verhindert, erhält man, indem man Polaufsätze zur elektrischen Kontaktierung einzelner Batteriezel len vorsieht, die jeweils einen in den Bereich des Batteriezellenpoles einmünden den Heißgaskanal zur Ableitung von aus der Batteriezelle austretendem Heißgas aufweisen. Durch das erfindungsgemäße Zusammenspiel der Berstschutzhülsen und der Polaufsätze wird im Falle eines thermal runaway oder ähnlicher Effekte austretendes Heißgas polseitig, also im Bereich des hierfür vorgesehenen Entga- sungsventiles von der beschädigten Batteriezelle so abgeführt, dass umliegende Batteriezellen im Bereich des Zellenmantels nicht beschädigt werden. Ein Ein strömen von Heißgas in den Strömungskanal wird nämlich nicht nur durch eine etwaige Abdichtung zwischen dem Strömungskanal und den Berstschutzhülsen verhindert, sondern auch dadurch, dass die sich vor dem Entgasen mantelseitig ausdehnende Batteriezelle den Luftspalt zur umliegenden Berstschutzhülse aus füllt und damit abdichtet. Um ein Anströmen von dem Pol der ausgasenden Batte riezelle gegenüberliegenden anschließenden Batteriezellen zu verhindern, kann der Heißgaskanal um etwa 90° gekrümmt ausgebildet sein, dass das Heißgas la teral, das bedeutet quer zur Fügerichtung der Batteriezelle umgelenkt und abgelei tet wird.

Neben einer Ableitung der großen Heißgasmengen von der beschädigten Batte riezelle weg ist auch ein Abführen dieser Heißgasmengen aus dem Batteriemodul sicherheitsrelevant, zumal etwaige Druckspitzen auch zu einer strukturellen Be schädigung des Batteriemodules führen können. Es wird daher vorgeschlagen, dass die einzelnen Polaufsätze einen gemeinsamen Ableitungskanal bilden, in den die Heißgaskanäle mit ihren den Batteriezellenpolen gegenüberliegenden Endabschnitten einmünden. Zufolge dieser Maßnahmen kann ein sich über alle Polaufsätze erstreckender Ableitungskanal mit vergleichsweise großem Quer schnitt das Auftreten lokaler Druckspitzen verhindern, wobei die einzelnen, in den Ableitungskanal einmündenden Heißgaskanäle geringeren Querschnittes die Ge fahr eines Anströmens von unbeschädigten Batteriezellen reduzieren. Um diese Gefahr weiter zu reduzieren, können die einzelnen Heißgaskanäle gegenüber dem Ableitungskanal mit einem Feuerschutz abgedichtet werden, der im Fehlerfall nur bei einer ausgasenden Batteriezelle druckbedingt durchbrochen wird.

Die Lagerung der Batteriezellen im Batteriemodul unterliegt aufgrund der Ferti gungstoleranzen und Ausführungen der Batteriezellen gewissen Variationen, wel che durch die Umfassung der Batteriezellen mit Spiel ausgeglichen wird. Dies macht jedoch bei der Polkontaktierung eine mechanisch flexible Verbindung seriell geschalteter Batteriezellen notwendig. Diese kann realisiert werden, indem die Po laufsätze je zwei Ausnehmungen zur Aufnahme zweier seriell zu kontaktierender Batteriezellen aufweisen. Hierbei kann, selbst wenn es zu Relativbewegungen der Batteriezellen relativ zum Batteriemodul und zum Stack kommt, eine konstante elektrische Verbindung gewährleistet bleiben, da bei einer Neigung der Batterie zellen im Luftspalt der Berstschutzhülse der Kontakt durch die Polaufsätze erhal ten bleibt.

Das Zusammenfügen der Berstschutzhülsen mit den Polaufsätzen lässt sich zu verlässiger ausführen, wenn die Berstschutzhülsen Ausnehmungen zur Aufnahme der Polaufsätze ausbilden. Hierdurch wird nicht nur die mechanische Stabilität des Batteriemoduls erhöht, sondern einer Lösung der elektrischen Verbindung zwi schen zwei seriell geschalteten Batteriezellen, hervorgerufen durch Relativbewe gungen, vorgebeugt.

Kurze Beschreibung der Erfindung

In der Zeichnung ist der Erfindungsgegenstand beispielsweise dargestellt. Es zei gen

Fig. 1 eine perspektivische Darstellung eines erfindungsgemäßen Batteriemoduls und

Fig. 2 einen Schnitt entlang der Linie ll-ll der Fig. 1 in einem größeren Maßstab, wobei eine Batteriezelle zur besseren Veranschaulichung entfernt wurde.

Wege zur Ausführung der Erfindung

Ein erfindungsgemäßes Batteriemodul umfasst einen Grundkörper 1 , der bezüg lich je einer Fügeachse 2 gegenüberliegende Durchtrittsöffnungen 3 aufweist, die von einzelnen, bezüglich der Fügeachse 2 parallel angeordneten Batteriezellen 4 durchsetzt werden. Der Grundkörper 1 ist im Bereich der Durchtrittsöffnungen 3 gegenüber den Batteriezellen 4 über 0 - Ringe 5 abgedichtet, sodass sich ein ge schlossener Strömungskanal 6 ausbildet, innerhalb dessen die Zellenmäntel der Batteriezellen 4 direkt, d.h. unmittelbar von einem Temperierfluid angeströmt wer den können.

Bezüglich der Fügeachse 2 schließen an den Grundkörper 1 , dessen Strömungs kanal 6 sich über eine Höhe von 28 - 60% der Höhe der Batteriezellen 4, vor zugsweise und wie in der Fig. 2 dargestellt über eine Höhe von 40 - 44% der der Höhe der Batteriezellen 4 erstreckt, beidseits Berstschutzhülsen 7, 8 an. Diese Berstschutzhülsen 7, 8 erstrecken sich über eine Höhe von 20 - 36% der Höhe der Batteriezellen 4, vorzugsweise über eine Höhe von 28-30% der Höhe der Bat teriezellen 4. Obwohl dies nicht zwingend erforderlich ist, erstrecken sich die Berstschutzhülsen 7 bezüglich der Fügeachse 2 vom Grundkörper 1 bis zu den Zellenpolen 9. Zwischen den Berstschutzhülsen 7, 8 und den Batteriezellen 4 bil det sich in einem normalen Betriebszustand je ein Luftspalt 10 aus, der eine ge ringfügige Ausdehnung der Batteriezellen 4 im normalen Betrieb ermöglicht.

Um die Batteriezellen 4 trotz dieses Luftspaltes 10 gegenüber den Berstschutzhül sen 7, 8 in einer definierten Lage ausrichten zu können, können je Berstschutzhül se 7, 8 zwei, vorzugsweise drei Zentriernasen 1 1 vorgesehen sein.

Besonders günstige Konstruktionsbedingungen ergeben sich, wenn wenigstens eine Gruppe der Berstschutzhülsen 7, 8 einen gemeinsamen Berstschutz 12 bil den, der gegenüber dem Grundkörper 1 als getrenntes Bauelement ausgeführt ist.

Um bei der dargestellten Ausführungsform eine besonders platzsparende parallele Kontaktierung der Batteriezellen vornehmen zu können, kann ein Parallelblech 13 vorgesehen sein, das zwischen dem Grundkörper 1 und wenigstens einer der Berstschutze 12 vorgesehen ist. Zur elektrischen Kontaktierung der Batteriezellen 4 mit dem Parallelblech 13 und zur Zentrierung der Batteriezellen 4 innerhalb der Berstschutzhülsen 8 kann das Parallelblech 13 Kontaktzungen 14 zur kraftschlüs sigen Kontaktierung aufweisen. Dadurch können die Zentriernasen 1 1 bei den Berstschutzhülsen 8 wie oben erläutert entfallen. Die sich zufolge der erfindungsgemäßen Ausgestaltung ergebende Lagerung der Batteriezellen 4 ermöglicht eine quer zur Fügeachse 2 beschränkt freie Beweg lichkeit der Zellenpole 9. Um diesen Vorteil im Rahmen mehrerer, in Serie ge schalteter Batteriemodule nützen zu können, werden Polaufsätze 15 vorgeschla- gen, die jeweils zwei Ausnehmungen 16 zur Aufnahme zweier seriell zu kontaktie render Batteriezellen 4 aufweisen.

Diese Polausätze 15 können zur Ableitung von aus einem im Bereich der Zellen pole 9 liegenden Ausgasungsventil austretenden Heißgas Heißgaskanäle 17 auf weisen, die in einer besonders bevorzugten Ausführungsform in einen gemeinsa- men Ableitungskanal 18 münden.

Um eine Vorausrichtung der Polaufsätze 15 gegenüber den Berstschutzhülsen 7, 8 vornehmen zu können, können die Berstschutzhülsen 7, 8 Ausnehmungen 19 zur Aufnahme der Polaufsätze 15 aufweisen.