DE102019131191A1

DE102019131191A1 - Gehäusedeckel für ein Batteriegehäuse mit Partikelschutz und Hitzeschutz, Batteriegehäuse, Traktionsbatterie sowie Kraftfahrzeug

Info

Publication number: DE102019131191A1
Application number: DE102019131191.8A
Authority: DE
Inventors: Jan Paulus
Original assignee: Bayerische Motoren Werke AG
Current assignee: Bayerische Motoren Werke AG
Priority date: 2019-11-19
Filing date: 2019-11-19
Publication date: 2021-05-20

Abstract

Die Erfindung betrifft einen Gehäusedeckel (4) für ein Batteriegehäuse (2) einer Traktionsbatterie (1) eines elektrisch antreibbaren Kraftfahrzeugs zum Aufsetzen auf ein Gehäuseunterteil (3) des Batteriegehäuses (2), aufweisend- eine Abdeckschicht (10) zum Abschließen eines, zumindest eine Batteriezelle (6) aufnehmenden Gehäuseinnenraums (5) des Batteriegehäuses (2),- eine an der Abdeckschicht (10) angeordnete Hitzeschutzschicht (14) zum Standhalten gegenüber einer thermischen Belastung, verursacht durch eine Hitzebeaufschlagung des Gehäusedeckels (4) bei einer Notentgasung der zumindest einen Batteriezelle (6), wobei die Hitzeschutzschicht (14) eine gegenüber einer ersten Hitzebeständigkeit der Abdeckschicht (10) höhere zweite Hitzebeständigkeit aufweist, und- eine an der Hitzeschutzschicht (14) angeordnete Partikelschutzschicht (15) zum Standhalten gegenüber einer mechanischen Belastung des Gehäusedeckels (4), verursacht durch eine Partikelbeaufschlagung des Gehäusedeckels (4) bei der Notentgasung, wobei die Partikelschutzschicht (15) eine gegenüber einer ersten Abrasionsbeständigkeit der Abdeckschicht (10) höhere zweite Abrasionsbeständigkeit aufweist.

Description

Die Erfindung betrifft einen Gehäusedeckel für ein Batteriegehäuse einer Traktionsbatterie eines elektrisch antreibbaren Kraftfahrzeugs zum Aufsetzen auf ein Gehäuseunterteil des Batteriegehäuses. Der Gehäusedeckel weist eine Abdeckschicht zum Abschließen eines, zumindest eine Batteriezelle aufnehmenden Gehäuseinnenraums des Batteriegehäuses auf. Die Erfindung betrifft außerdem ein Batteriegehäuse, eine Traktionsbatterie sowie ein elektrisch antreibbares Kraftfahrzeug.
Vorliegend richtet sich das Interesse auf Traktionsbatterien für elektrisch antreibbare Kraftfahrzeuge, also Hybrid- oder Elektrofahrzeuge. Solche Traktionsbatterien weisen üblicherweise eine Vielzahl von miteinander verschalteten Batteriemodulen auf, welche in einem Gehäuseinnenraum eines Batteriegehäuses angeordnet sind. Batteriezellen der Batteriemodule weisen üblicherweise jeweils ein Entgasungselement auf, um ein bei einem thermischen Ereignis, beispielsweise bei einem zellinternen Kurzschluss, in einem Zellgehäuse der Batteriezelle entstehendes Heißgas aus dem Zellgehäuse entweichen zu lassen. Dies wird auch als Notentgasung bezeichnet. Ein Gehäusedeckel des Batteriegehäuses, welcher üblicherweise überlappend mit den Entgasungselementen der Batteriezellen angeordnet ist, ist diesem Heißgas unmittelbar ausgesetzt. Da durch dieses Heißgas sowohl Hitze als auch Partikel transportiert werden, ist der Gehäusedeckel sowohl einer thermischen als auch einer mechanischen Belastung ausgesetzt. Um ein Versagen des Gehäusedeckels zu verhindern und damit den Schutz von Fahrzeuginsassen des Kraftfahrzeugs zu gewährleisten, wird der Gehäusedeckel üblicherweise mit einer hohen Materialdicke ausgeführt. Dies hat jedoch ein hohes Gewicht, einen hohen Bauraumbedarf sowie hohe Materialkosten der Traktionsbatterie zur Folge.
Es ist Aufgabe der vorliegenden Erfindung, eine Traktionsbatterie für ein elektrisch antreibbares Kraftfahrzeug besonders sicher und robust gegenüber Notentgasungen von Batteriezellen der Traktionsbatterie zu gestalten.
Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß durch einen Gehäusedeckel, ein Batteriegehäuse, eine Traktionsbatterie sowie ein Kraftfahrzeug mit den Merkmalen gemäß den jeweiligen unabhängigen Patentansprüchen gelöst. Vorteilhafte Ausführungen der Erfindung sind Gegenstand der abhängigen Patentansprüche, der Beschreibung sowie der Figur.
Ein erfindungsgemäßer Gehäusedeckel für ein Batteriegehäuse einer Traktionsbatterie eines elektrisch antreibbaren Kraftfahrzeugs dient zum Aufsetzen auf ein Gehäuseunterteil des Batteriegehäuses. Der Gehäusedeckel weist eine Abdeckschicht zum Abschließen eines Gehäuseinnenraumes des Batteriegehäuses auf. Der Gehäuseinnenraum ist zum Aufnehmen zumindest einer Batteriezelle ausgebildet. Außerdem weist der Gehäusedeckel eine an der Abdeckschicht angeordnete Hitzeschutzschicht zum Standhalten gegenüber einer thermischen Belastung, verursacht durch eine Hitzebeaufschlagung des Gehäusedeckels bei einer Notentgasung der zumindest einen Batteriezelle, auf. Die Hitzeschutzschicht weist dafür eine gegenüber einer ersten Hitzebeständigkeit der Abdeckschicht höhere zweite Hitzebeständigkeit auf. Ferner umfasst der Gehäusedeckel eine an der Hitzeschutzschicht angeordnete Partikelschutzschicht zum Standhalten gegenüber einer mechanischen Belastung des Gehäusedeckels, verursacht durch eine Partikelbeaufschlagung des Gehäusedeckels bei der Notentgasung. Die Partikelschutzschicht weist dafür eine gegenüber einer ersten Abrasionsbeständigkeit der Abdeckschicht höhere zweite Abrasionsbeständigkeit auf.
Die Erfindung betrifft außerdem ein Batteriegehäuse für eine Traktionsbatterie eines elektrisch antreibbaren Kraftfahrzeugs mit einem Gehäuseunterteil und einem erfindungsgemäßen Gehäusedeckel, wobei die Abdeckschicht eine einer Umgebung des Batteriegehäuses zugwandte Oberseite und eine dem Gehäuseinnenraum zugewandte Unterseite aufweist, an welcher die Hitzeschutzschicht und die Partikelschutzschicht angeordnet sind. Eine erfindungsgemäße Traktionsbatterie für ein elektrisch antreibbares Kraftfahrzeug weist eine Vielzahl von Batteriezellen und ein erfindungsgemäßes Batteriegehäuse auf, wobei die Batteriezellen in dem Gehäuseinnenraum des Batteriegehäuses angeordnet sind.
Die wiederaufladbare Traktionsbatterie bzw. der Traktionsakkumulator ist insbesondere ein Hochvoltspeicher mit einer Spannungslage von zumindest 100 V und dient zum Versorgen einer elektrischen Antriebsmaschine des Kraftfahrzeugs mit elektrischer Energie. Die Batteriezellen können beispielsweise Rundzellen, Pouchzellen oder prismatische Zellen sein. Die Batteriezellen sind zu Batteriemodulen verschaltet, wobei die Traktionsbatterie insbesondere mehrere miteinander verschaltete Batteriemodule aufweist. Die Batteriemodule sind in dem Gehäuseinnenraum des Batteriegehäuses angeordnet. Zellgehäuse der Batteriezellen können jeweils ein Entgasungselement, beispielsweise eine Berstmembran, aufweisen, welches dazu ausgelegt ist, eine Notentgasung einer Batteriezelle zuzulassen. Bei der Notentgasung wird ein durch ein thermisches Ereignis der Batteriezelle in dem Zellgehäuse entstehendes Heißgas zum Innendruckabbau aus dem Zellgehäuse ausgelassen. Ein solches thermisches Ereignis kann beispielsweise ein zellinterner Kurzschluss sein. Durch das Heißgas werden dabei sowohl Hitze als auch Partikel aus dem Zellgehäuse in den Gehäuseinnenraum transportiert.
Das Batteriegehäuse weist mehrere Gehäusewände auf. Gehäusewände in Form von einem Gehäuseboden und Gehäuseseitenwänden können ein wannenartiges Gehäuseunterteil bilden, welches von einer Gehäusewand in Form von einem Gehäusedeckel abgedeckt werden kann. Dabei ist der Gehäusedeckel überlappend mit den Entgasungselementen der Batteriezellen angeordnet und liegt daher in einem Strömungspfad des Heißgases von zumindest einer entgasenden Batteriezelle. Der Gehäusedeckel ist also dem Heißgas ausgesetzt und wird daher bei einer Notentgasung zumindest einer Batteriezelle lokal mit Hitze sowie mit Partikeln beaufschlagt.
Um nun zu verhindern, dass der dem Heißgas im Fehlerfall ausgesetzte Gehäusedeckel durch den lokalen Hitze- und Partikeleintrag mechanisch versagt und somit zerstört wird, ist der Gehäusedeckel zumindest bereichsweise mehrschichtig ausgebildet. Der Gehäusedeckel weist die Abdeckschicht auf, welche auf das Gehäuseunterteil aufsetzbar ist und den Gehäuseinnenraum vollständig abdeckt. Die Abdeckschicht ist also über eine gesamte Fläche des Gehäusedeckels vorhanden, wobei die der Umgebung zugewandte Oberseite des Gehäusedeckels und eine der Umgebung zugewandte Außenseite des Gehäuseunterteils eine der Umgebung zugewandte Außenfläche des Batteriegehäuses ausbilden. Die Abdeckschicht ist insbesondere aus einem Material des Gehäuseunterteils gebildet. Vorzugsweise ist der Gehäusedeckel aus einem Kunststoff, beispielweise einem Sheet Molding Compound (SMC), gebildet. Der Gehäusedeckel kann aber auch aus einem Metall, beispielsweise Aluminium, gebildet sein.
An der Unterseite der Abdeckschicht sind zumindest bereichsweise Schutzschichten in Form von der Hitzeschutzschicht sowie der Partikelschutzschicht angeordnet. Dabei ist die Hitzeschutzschicht an der Unterseite der Abdeckschicht angeordnet und die Partikelschutzschicht ist an der Hitzeschutzschicht angeordnet. Der Gehäusedeckel ist also zumindest bereichsweise durch einen Schichtstapel gebildet, welcher ausgehend von dem Gehäuseinnenraum zuerst die Partikelschutzschicht, dann die Hitzeschutzschicht und zuletzt die Abdeckschicht aufweist. Das aus der zumindest einen Batteriezelle austretende Heißgas trifft also zuerst auf die Partikelschutzschicht. Diese Partikelschutzschicht ist beständiger gegenüber einem abrasiven Verschleiß durch die Partikel als die Abdeckschicht. Vorzugsweise weist die Partikelschutzschicht einen mineralischen Werkstoff, beispielsweise Glimmer bzw. MICA, auf. Die Partikelschutzschicht sorgt also dafür, dass die Partikel des Heißgases keinen Materialverlust bzw. Abrieb am Gehäusedeckel verursachen, durch welchen der Gehäusedeckel mechanisch versagen, beispielsweise brechen, kann.
Die Hitzeschutzschicht ist zwischen der Abdeckschicht und der Partikelschutzschicht angeordnet. Die Hitzeschutzschicht ist dabei beständiger gegenüber der Hitze des Heißgases als die Abdeckschicht und verhindert somit ein thermisches Versagen, beispielsweise ein Schmelzen, des Gehäusedeckels. Die Hitzeschutzschicht weist dabei vorzugsweise ein thermisch isolierendes Material bzw. Werkstoff, beispielsweise ein Aerogel und/oder ein anorganisches Material und/oder ein intumeszentes Material, auf. Unter einem thermisch isolierenden Material ist hier ein Material geringer thermischer Leitfähigkeit zu verstehen.
Die an der Abdeckschicht angeordneten Schutzschichten weisen eine im Vergleich zu einem aus Kunststoff gebildeten Gehäusedeckel höhere Schutzwirkung auf. So können die Dicke des mit den Schutzschichten ausgestatteten Gehäusedeckels und damit der insgesamt benötigte Bauraum, der Materialaufwand sowie das Gewicht des Gehäusedeckels in vorteilhafter Weise reduziert werden.
Die Schutzschichten können sich dabei über eine gesamte Fläche der Unterseite der Abdeckschicht erstrecken, sodass der Gehäusedeckel an jeder Stelle mehrschichtig aufgebaut ist. Die Schutzschichten können auch nur bereichsweise an der Unterseite der Abdeckschicht angeordnet sein, sodass der Gehäusedeckel nur lokal mehrschichtig aufgebaut ist. Beispielsweise sind die Hitzeschutzschicht und die Partikelschutzschicht nur bereichsweise an der Abdeckschicht unter Ausbildung zumindest eines streifenförmigen Schichtstapels angeordnet, wobei der zumindest eine streifenförmigen Schichtstapel im aufgesetzten Zustand des Gehäusedeckels auf das Gehäuseunterteil überlappend zu Entgasungselementen der Batteriezellen angeordnet ist. Dieser Ausführungsform liegt die Erkenntnis zugrunde, dass der Hitze- und Partikeleintrag nur lokal am Gehäusedeckel stattfindet, nämlich an den Stellen des Gehäusedeckels, welche überlappend mit den Entgasungselementen der Batteriezellen angeordnet sind. Bei prismatischen Batteriezellen, welche zu Zellstapel gestapelt werden, sind die Entgasungselemente der Batteriezellen dabei in einer Reihe angeordnet. Somit reicht es aus, den Gehäusedeckel nur in zumindest einem streifenförmigen Bereich, welcher mit den aufgereihten Entgasungselementen überlappt, mit den Schutzschichten auszustatten. So kann ein besonders stabiler Gehäusedeckel mit geringem Materialaufwand und geringem Gewicht bereitgestellt werden.
Es erweist sich als vorteilhaft, wenn die Hitzeschutzschicht klebend ausgebildet ist, sodass die Partikelschutzschicht über die Hitzeschutzschicht an der Abdeckschicht befestigt ist. Der zumindest bereichsweise gebildete Schichtstapel besteht also nur aus der Abdeckschicht, der Hitzeschutzschicht und der Partikelschutzschicht. So kann auf eine separate Verbindungsschicht, beispielsweise eine Klebstoffschicht oder ein Klebeband, zwischen der Abdeckschicht und der Hitzeschutzschicht sowie zwischen der Hitzeschutzschicht und der Partikelschutzschicht verzichtet werden.
Zur Erfindung gehört außerdem ein elektrisch antreibbares Kraftfahrzeug mit einer erfindungsgemäßen Traktionsbatterie. Das Kraftfahrzeug ist insbesondere als ein Personenkraftwagen ausgebildet.
Die mit Bezug auf den erfindungsgemäßen Gehäusedeckel vorgestellten Ausführungsformen und deren Vorteile gelten entsprechend für das erfindungsgemäße Batteriegehäuse, für die erfindungsgemäße Traktionsbatterie sowie für das erfindungsgemäße Kraftfahrzeug.
Weitere Merkmale der Erfindung ergeben sich aus den Ansprüchen, der Figur und der Figurenbeschreibung. Die vorstehend in der Beschreibung genannten Merkmale und Merkmalskombinationen sowie die nachfolgend in der Figurenbeschreibung genannten und/oder in der Figur alleine gezeigten Merkmale und Merkmalskombinationen sind nicht nur in der jeweils angegebenen Kombination, sondern auch in anderen Kombinationen oder in Alleinstellung verwendbar.
Die Erfindung wird nun anhand eines bevorzugten Ausführungsbeispiels sowie unter Bezugnahme auf die Zeichnung näher erläutert. Es zeigt die einzige Figur 1 eine schematische Darstellung einer Traktionsbatterie für ein elektrisch antreibbares Kraftfahrzeug.
Die Traktionsbatterie 1 weist ein Batteriegehäuse 2 auf, welches ein Gehäuseunterteil 3 und einen Gehäusedeckel 4 umfasst. Das Gehäuseunterteil 3 und der Gehäusedeckel 4 umschließen einen Gehäuseinnenraum 5, in welchem mehrere Batteriezelle 6 angeordnet sein können. Die Batteriezellen 6 können beispielsweise als prismatische Zellen ausgebildet sein. Beispielsweise kann die hier gezeigte Batteriezelle 6 mit weiteren Batteriezellen 6 entlang einer Stapelrichtung (senkrecht zur Zeichenebene) zu einem Batteriemodul gestapelt und verschaltet werden. Auch können mehrere Batteriemodule in dem Gehäuseinnenraum 5 angeordnet sein. Die Batteriezelle 6 weist ein Zellgehäuse 7 mit einem Entgasungselement 8 auf. Das Entgasungselement 8 kann beispielsweise eine Berstmembran sein. Im Falle von mehreren, zu einem Zellstapel gestapelten Batteriezellen 6 sind die Entgasungselemente 8 in einer Reihe entlang der Stapelrichtung angeordnet. Im Falle einer Notentgasung einer Batteriezelle 6 kann über das Entgasungselement 8 ein Heißgas 9, welches sich in dem Zellgehäuse 7 bildet, aus dem Zellgehäuse 7 in den Gehäuseinnenraum 5 entweichen. Dieses Heißgas 9 transportiert Hitze und Partikel in Richtung des Gehäusedeckels 4, welcher oberhalb der Batteriezellen 6 und damit überlappend mit den Entgasungselementen 8 angeordnet ist.
Um nun zu verhindern, dass der Gehäusedeckel 4 durch das Heißgas 9 zerstört wird, ist der Gehäusedeckel 4 hier bereichsweise mehrschichtig ausgebildet. Der Gehäusedeckel 4 könnte auch vollständig mehrschichtig ausgebildet sein. Der Gehäusedeckel 4 weist eine Abdeckschicht 10 auf, welche eine dem Gehäuseinnenraum 5 zugewandte Unterseite 11 und eine einer Umgebung 12 zugewandte Oberseite 13 aufweist. Die Abdeckschicht 10 ist beispielsweise aus einem Kunststoff gebildet. An der Unterseite 11 sind eine Hitzeschutzschicht 14 und eine Partikelschutzschicht 15 angeordnet. Die Hitzeschutzschicht 14 und die Partikelschutzschicht 15 bilden hier mit der Abdeckschicht 10 einen Schichtstapel, welcher sich hier streifenförmig entlang der Stapelrichtung erstreckt und überlappend mit den Entgasungselementen 8 angeordnet ist. So befinden sich die Hitzeschutzschicht 14 und die Partikelschutzschicht 15 in dem Strömungspfad des aus dem Zellgehäuse 7 austretenden Heißgases 9.
Die Hitzeschutzschicht 14 ist zwischen der Abdeckschicht 10 und der Partikelschutzschicht 15 angeordnet und weist ein anorganisches Material und/oder ein intumeszentes Material und/oder ein Aerogel auf. Die Hitzeschutzschicht 14 weist eine höherer Hitzebeständigkeit auf als die Abdeckschicht 10 und verhindert so einen Hitzeeintrag in die Abdeckschicht 10, durch welchen der Gehäusedeckel 4 mechanisch versagen, beispielsweise bersten, könnte. Die Hitzeschutzschicht 14 ist insbesondere klebend ausgebildet, sodass sie ohne Verwendung einer zusätzlichen Verbindungsschicht an der Unterseite 11 der Abdeckschicht 10 haftet. Außerdem haftet die Partikelschutzschicht 15 an der klebenden Hitzeschutzschicht 14. Die Partikelschutzschicht 15 ist insbesondere aus Glimmer gebildet. Die Partikelschutzschicht 15 weist eine höhere Abrasionsbeständigkeit auf als die Abdeckschicht 10 und verhindert so einen durch die Partikel verursachten Materialabrieb an der Abdeckschicht 10, durch welche der Gehäusedeckel 4 ebenfalls mechanisch versagen könnte.

Claims

Gehäusedeckel (4) für ein Batteriegehäuse (2) einer Traktionsbatterie (1) eines elektrisch antreibbaren Kraftfahrzeugs zum Aufsetzen auf ein Gehäuseunterteil (3) des Batteriegehäuses (2), aufweisend - eine Abdeckschicht (10) zum Abschließen eines, zumindest eine Batteriezelle (6) aufnehmenden Gehäuseinnenraums (5) des Batteriegehäuses (2), gekennzeichnet durch - eine an der Abdeckschicht (10) angeordnete Hitzeschutzschicht (14) zum Standhalten gegenüber einer thermischen Belastung, verursacht durch eine Hitzebeaufschlagung des Gehäusedeckels (4) bei einer Notentgasung der zumindest einen Batteriezelle (6), wobei die Hitzeschutzschicht (14) eine gegenüber einer ersten Hitzebeständigkeit der Abdeckschicht (10) höhere zweite Hitzebeständigkeit aufweist, und - eine an der Hitzeschutzschicht (14) angeordnete Partikelschutzschicht (15) zum Standhalten gegenüber einer mechanischen Belastung des Gehäusedeckels (4), verursacht durch eine Partikelbeaufschlagung des Gehäusedeckels (4) bei der Notentgasung, wobei die Partikelschutzschicht (15) eine gegenüber einer ersten Abrasionsbeständigkeit der Abdeckschicht (10) höhere zweite Abrasionsbeständigkeit aufweist.
Gehäusedeckel (4) nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Hitzeschutzschicht (14) und die Partikelschutzschicht (15) nur bereichsweise an der Abdeckschicht (15) unter Ausbildung zumindest eine streifenförmigen Schichtstapels angeordnet sind, wobei der zumindest eine streifenförmige Schichtstapel im aufgesetzten Zustand des Gehäusedeckels (4) auf das Gehäuseunterteil (3) überlappend zu Entgasungselementen (8) der Batteriezellen (6) angeordnet ist.
Gehäusedeckel (4) nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Partikelschutzschicht (15) einen mineralischen Werkstoff, insbesondere Glimmer, aufweist.
Gehäusedeckel (4) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Hitzeschutzschicht (14) klebend ausgebildet ist, sodass die Partikelschutzschicht (15) mittels der Hitzeschutzschicht (15) an der Abdeckschicht (10) befestigt ist.
Gehäusedeckel (4) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Hitzeschutzschicht (14) einen thermisch isolierenden Werkstoff aufweist.
Gehäusedeckel (4) nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass die Hitzeschutzschicht (14) einen anorganischen Werkstoff und/oder ein Aerogel und/oder einen intumeszenten Werkstoff aufweist.
Gehäusedeckel (4) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Abdeckschicht (10) aus einem Kunststoff gebildet ist.
Batteriegehäuse (2) für eine Traktionsbatterie (1) eines elektrisch antreibbaren Kraftfahrzeugs, mit einem Gehäuseunterteil (3) und einem Gehäusedeckel (4) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die Abdeckschicht (10) eine einer Umgebung (12) zugwandte Oberseite (13) und eine dem Gehäuseinnenraum (5) zugewandte Unterseite (11) aufweist, an welcher die Hitzeschutzschicht (14) und die Partikelschutzschicht (15) angeordnet sind.
Traktionsbatterie (1) für ein elektrisch antreibbares Kraftfahrzeug mit einer Vielzahl von Batteriezellen (6) und einem Batteriegehäuse (2) nach Anspruch 8, wobei die Batteriezellen (6) in dem Gehäuseinnenraum (5) des Batteriegehäuses (2) angeordnet sind.
Elektrisch antreibbares Kraftfahrzeug mit einer Traktionsbatterie (1) nach Anspruch 9.