DE102021111541A1

DE102021111541A1 - Thermomechanische sicherungen zur wärmeausbreitungsminderung bei elektrochemischen vorrichtungen

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Publication number: DE102021111541A1
Application number: DE102021111541.8A
Authority: DE
Inventors: Holly C. Schwarzwalder; Adam J. Tallman; Zachary S. Mendla
Original assignee: GM Global Technology Operations LLC
Current assignee: GM Global Technology Operations LLC
Priority date: 2020-11-18
Filing date: 2021-05-04
Publication date: 2022-05-19
Also published as: US11581618B2; US20220158149A1; CN114520401A; CN114520401B

Abstract

Vorgestellt werden thermomechanische Sicherungen zur Abschwächung der Wärmeausbreitung in elektrochemischen Vorrichtungen, Verfahren zur Herstellung und Verwendung solcher Sicherungen sowie Antriebsbatteriepackungen mit lasttragenden, thermomechanischen Opfersicherungen, um thermische Durchgehzustände zu verhindern. Eine Batteriebaugruppe umfasst ein elektrisch isolierendes Batteriegehäuse mit mehreren Batteriezellen, die innerhalb des Batteriegehäuses angeordnet sind. Diese Batteriezellen sind elektrisch miteinander verbunden, in Reihe oder parallel, und nebeneinander gestapelt, um benachbarte, zueinander parallele Stapel von Batteriezellen zu bilden. Thermomechanische Sicherungen verbinden benachbarte Stapel der Batteriezellen thermisch miteinander. Jede thermomechanische Sicherung ist ganz oder teilweise aus einem dielektrischen Material gebildet, das bei einer vordefinierten kritischen Temperatur verfällt oder sich verformt; dabei trennt die thermomechanische Sicherung einen ersten Stapel von Zellen thermisch von einem benachbarten zweiten Stapel von Zellen.

Description

EINLEITUNG
Die vorliegende Offenbarung bezieht sich allgemein auf elektrochemische Vorrichtungen. Genauer gesagt beziehen sich Aspekte dieser Offenbarung auf Wärmemanagementfunktionen zur Abschwächung einer Wärmeausbreitung bei wiederaufladbaren Antriebsbatteriepackungen.
Aktuelle Serienfahrzeuge, wie z. B. das moderne Automobil, sind ursprünglich mit einem Antriebsstrang ausgestattet, der das Fahrzeug antreibt und die Bordelektronik des Fahrzeugs versorgt. Bei Automobilen beispielsweise besteht der Antriebsstrang in der Regel aus einer Antriebsmaschine, die das Antriebsdrehmoment über ein automatisches oder manuell geschaltetes Getriebe an das Antriebssystem des Fahrzeugs (z. B. Differential, Achswellen, Räder usw.) überträgt. Kraftfahrzeuge wurden in der Vergangenheit durch einen Hubkolben-Verbrennungsmotor (ICE) angetrieben, da dieser leicht verfügbar und relativ kostengünstig ist, ein geringes Gewicht hat und eine hohe Effizienz aufweist. Zu solchen Motoren gehören Dieselmotoren mit Selbstzündung (CI), Ottomotoren mit Fremdzündung (SI), Zwei-, Vier- und Sechstakt-Architekturen und Rotationsmotoren, um nur einige Beispiele zu nennen. Hybridelektrische und vollelektrische Fahrzeuge (zusammenfassend als „Fahrzeuge mit Elektroantrieb“ bezeichnet) hingegen nutzen alternative Energiequellen für den Antrieb des Fahrzeugs und minimieren oder eliminieren so die Abhängigkeit von einem auf fossilen Brennstoffen basierenden Motor für die Antriebskraft.
Ein vollelektrisches Fahrzeug (FEV) - umgangssprachlich auch als „Elektroauto“ bezeichnet - ist eine Fahrzeugkonfiguration mit Elektroantrieb, bei der der Verbrennungsmotor und die zugehörigen peripheren Komponenten des Antriebsstrangs vollständig entfallen und ein wiederaufladbares Energiespeichersystem (RESS) und ein Antriebsmotor für den Fahrzeugantrieb verwendet werden. Die Motorbaugruppe, das Kraftstoffversorgungssystem und das Abgassystem eines verbrennungsmotorbasierten Fahrzeugs werden in einem batteriebasierten FEV durch einen oder mehrere Antriebsmotoren, eine Antriebsbatteriepackung sowie Batteriekühlung und Ladehardware ersetzt. Hybrid-Elektrofahrzeug (HEV) -Antriebsstränge hingegen nutzen mehrere Antriebskraftquellen, um das Fahrzeug anzutreiben, wobei in der Regel ein Verbrennungsmotor in Verbindung mit einem batterie- oder brennstoffzellenbetriebenen Antriebsmotor betrieben wird. Da Hybridfahrzeuge mit Elektroantrieb ihre Leistung aus anderen Quellen als dem Motor beziehen können, können HEV-Motoren ganz oder teilweise abgeschaltet werden, während das Fahrzeug durch den/die Elektromotor(en) angetrieben wird.
Viele kommerziell erhältliche Hybrid- und Vollelektrofahrzeuge verwenden eine wiederaufladbare Antriebsbatteriepackung, um die erforderliche Energie für den Betrieb der Antriebsmotoreinheit(en) des Antriebsstrangs zu speichern und zu liefern. Um Antriebskraft mit ausreichender Fahrzeugreichweite und Geschwindigkeit zu erzeugen, ist eine Antriebsbatteriepackung deutlich größer, leistungsfähiger und hat eine höhere Kapazität (Ampere-Stunden) als eine Standard-12-Volt-Batterie für Start, Beleuchtung und Zündung (SLI). Im Vergleich zur Einzelzelle einer SLI-Batterie werden bei modernen Antriebsbatteriepackungen Stapel von Batteriezellen zu einzelnen Batteriemodulen zusammengefasst, die dann auf dem Fahrzeuggestell montiert werden, z. B. durch ein Batteriepackungsgehäuse oder eine Trägerablage. Gestapelte elektrochemische Batteriezellen können mit Hilfe einer elektrischen Verbindungsplatte (ICB) in Reihe oder parallel geschaltet werden. In diesem Fall ragen die elektrischen Laschen der Batteriezellen aus dem Modulgehäuse heraus, werden gegen gemeinsame Stromschienenplatten gebogen und dann mit diesen verschweißt. Ein spezielles Batteriepackungs-Steuermodul (BPCM) steuert in Zusammenarbeit mit einem Antriebsstrang-Steuermodul (PCM) das Öffnen und Schließen der Kontakte der Batteriepackung, um den Betrieb der Batteriepackung für den Antrieb der Antriebsmotoren des Fahrzeugs zu steuern.
Während des HEV- und FEV-Betriebs - einschließlich des Fahrzeugantriebs und des Fahrzeugladevorgangs - verstärkt sich die Wärmeausbreitung innerhalb des Hochspannungs-Elektrosystems (HV) des Fahrzeugs im Verhältnis zum Anstieg des elektrischen Stroms, der zum oder durch das Fahrzeug übertragen wird. Mit zunehmender Leistungsübertragung steigt die in der Leistungselektronik, den Batteriezellen, den elektrischen Kabeln und den Stromschienen erzeugte Wärmemenge drastisch an. Die Temperatur ist einer der wichtigsten Faktoren, die die Leistung und Lebensdauer einer Batterie beeinflussen. Extreme Umgebungstemperaturen und Hardware-Missbrauchsbedingungen, wie z. B. Herstellungsfehler, Überladung/Überentladung, physische Verformung, Kurzschluss usw., können die Funktionsfähigkeit der Batterie beeinträchtigen und in schweren Fällen die Batterie dauerhaft beschädigen. Es kann ein thermisches Ereignis eintreten, bei dem die Batterie eine kritische Anfangstemperatur überschreitet, bei der eine exotherme Nebenreaktion während der elektrochemischen Energieerzeugung auftritt. Gleichzeitig kann die Batterie die Reaktionswärme beibehalten, die mit der Aufrechterhaltung dieser exothermen Reaktion verbunden ist, was wiederum die Reaktionskinetik beschleunigt und zu einem zyklischen Anstieg der Wärmeabgabe führt. Wenn dieses selbstbeschleunigende thermische Ereignis unkontrolliert bleibt, kann sich die Wärmeentwicklung zu einem Zustand des „Durchgehens“ („Thermal Runaway“) entwickeln; einmal eingeleitet, ist das Kühlsystem der Batterie möglicherweise nicht mehr in der Lage, den Durchgehzustand zu verbessern.
BESCHREIBUNG
Hier werden thermomechanische Sicherungen zur Abschwächung einer Wärmeausbreitung bei elektrochemischen Vorrichtungen, Verfahren zur Herstellung und Verwendung solcher Sicherungen und Antriebsbatteriepackungen mit lasttragenden, thermomechanischen Opfersicherungen vorgestellt, die thermische Durchgehzustände abschwächen. Als Beispiel, und nicht als Einschränkung, werden wärmeleitende, mechanisch verbindende Elemente vorgestellt, die sowohl als Strukturelement als auch als thermisches Element fungieren; bei thermischem Durchgehen lösen sich diese thermomechanischen Elemente auf oder öffnen sich anderweitig, um dadurch einen thermischen Pfad zwischen benachbarten Komponenten zu eliminieren oder „kurzzuschließen“. Unter normalen Betriebsbedingungen kann eine thermomechanische Opfersicherung als Teil der Stützstruktur des Batteriegehäuses fungieren, die eine normale Batterieleistung ermöglicht. Das Sicherungsmaterial kann z. B. in Lüftungsschlitze in der Kühlplatte des Batteriemodulgehäuses eingelegt, auf die Kühlplatte aufgespritzt oder zwischen den Verbindungslaschen zwischen den Modulen und den modulverstrebenden Querträgern des Gehäuses eingefügt werden. Unter thermischen Durchgehzuständen führt die erhöhte Temperatur dazu, dass das Sicherungsmaterial schmilzt, sich auflöst, verformt oder sich öffnet, um eine weitere thermische Ausbreitung zu verhindern. Das Schmelzmaterial kann, wenn es sich auflöst, auch dazu dienen, Entlüftungspfade für die konvektive Wärmeübertragung zu öffnen.
Aspekte dieser Offenbarung sind auf elektrochemische Vorrichtungen mit thermomechanischen Sicherungen zur Abschwächung einer unbeabsichtigten Wärmeausbreitung gerichtet. In einem Beispiel umfasst eine wiederaufladbare Batteriepackungsbaugruppe ein elektrisch isoliertes, schützendes Außengehäuse mit mehreren Batteriezellen, die im Inneren des Batteriegehäuses angeordnet sind. Diese Batteriezellen sind elektrisch miteinander verbunden, in Reihe und/oder parallel, und werden zusammen gestapelt, um mehrere benachbarte Stapel von Batteriezellen zu bilden. Eine oder mehrere thermomechanische Sicherungen verbinden die benachbarten Stapel von Batteriezellen thermisch miteinander und/oder dichten das Gehäuse thermisch ab. Jede thermomechanische Sicherung ist ganz oder teilweise aus einem dielektrischen Material gebildet, das so ausgelegt ist, dass es bei einer vordefinierten kritischen Temperatur verfällt oder sich verformt (z. B. schmilzt, sich zersetzt, sich auflöst, sich ablöst, knickt, sich verbiegt usw.). Dabei trennt die thermomechanische Sicherung ein oder mehrere Paare von benachbarten Stapeln von Zellen thermisch.
Weitere Aspekte dieser Offenbarung beziehen sich auf Fahrzeuge mit Elektroantrieb, die mit wiederaufladbaren Batteriepackungen ausgestattet sind, die lasttragende, thermomechanische Opfersicherungen verwenden, um thermische Durchgehzustände zu verhindern. Wie hierin verwendet, können die Begriffe „Fahrzeug“ und „Kraftfahrzeug“ austauschbar und synonym verwendet werden, um jede relevante Fahrzeugplattform einzuschließen, wie z. B. Personenkraftwagen (ICE, HEV, FEV, Brennstoffzelle, voll- und teilautonome Fahrzeuge usw.), Nutzfahrzeuge, Industriefahrzeuge, Schienenfahrzeuge, Geländewagen und Ganzgelände-Fahrzeuge (ATV), Motorräder, landwirtschaftliche Vorrichtungen, Wasserfahrzeuge, Luftfahrzeuge, E-Bikes, E-Scooter, usw. Für nicht-automobile Anwendungen können die offenbarten Konzepte für jede logisch relevante Verwendung implementiert werden, einschließlich autarker Kraftwerke und tragbarer Netzteile, Photovoltaikanlagen, elektronischer Vorrichtungen, Pumpenanlagen, Werkzeugmaschinen, Vorrichtungen usw. In einem Beispiel umfasst ein Kraftfahrzeug einen Fahrzeugaufbau mit einem Fahrgastraum, mehrere an dem Fahrzeugaufbau montierte Straßenräder und andere Standard-Erstausrüstungen. Für Fahrzeuganwendungen mit Elektroantrieb arbeiten ein oder mehrere elektrische Antriebsmotoren allein (z. B. für FEV-Antriebsstränge) oder in Verbindung mit einer Verbrennungsmotorbaugruppe (z. B. für HEV-Antriebsstränge), um selektiv eines oder mehrere der Straßenräder anzutreiben und dadurch das Fahrzeug anzutreiben.
Um mit der Diskussion des obigen Beispiels fortzufahren, umfasst das elektrisch angetriebene Fahrzeug auch mindestens eine wiederaufladbare Antriebsbatteriepackung, die an dem Fahrzeugaufbau angebracht ist und den/die Antriebsmotor(en) des Fahrzeugantriebsstrangs mit Leistung versorgt. Die Antriebsbatteriepackung umfasst ein elektrisch isoliertes und witterungsbeständiges äußeres Gehäuse und mehrere Batteriezellen, die im Inneren des Batteriegehäuses untergebracht sind. Diese Batteriezellen sind elektrisch miteinander verbunden und gestapelt, z. B. nebeneinanderliegend, um mindestens einen ersten Stapel von Zellen zu bilden, der parallel zu einem zweiten Stapel von Zellen liegt und an diesen angrenzt. Eine thermomechanische Sicherung verbindet den ersten Stapel von Batteriezellen thermisch mit dem zweiten Stapel von Batteriezellen und/oder dichtet thermisch eine oder mehrere Öffnungen im äußeren Schutzgehäuse ab. Diese thermomechanische Sicherung wird ganz oder teilweise aus einem dielektrischen Material gebildet, das bei einer vordefinierten kritischen Temperatur verfällt oder sich verformt, um dadurch den ersten Stapel von Zellen vom zweiten Stapel von Zellen thermisch zu trennen.
Aspekte dieser Offenbarung sind auch auf Verfahren zur Herstellung und Verfahren zur Verwendung der offenbarten thermischen Sicherungen, elektrochemische Vorrichtungen und/oder Kraftfahrzeuge gerichtet. In einem Beispiel wird ein Verfahren zur Herstellung einer Batteriebaugruppe vorgestellt. Dieses repräsentative Verfahren umfasst in beliebiger Reihenfolge und in beliebiger Kombination mit irgendwelchen der oben und unten offenbarten Optionen und Merkmale: Zusammenbauen eines Batteriegehäuses; Stapeln einer Vielzahl von Batteriezellen in erste und zweite Stapel von Zellen; Anordnen der ersten und zweiten Stapel von Zellen innerhalb des Batteriegehäuses; und Anbringen einer thermomechanischen Sicherung an dem Batteriegehäuse, um die ersten und zweiten Stapel von Zellen thermisch zu verbinden und/oder das Batteriegehäuse thermisch abzudichten, wobei die thermomechanische Sicherung ein dielektrisches Material enthält, das so konfiguriert ist, dass es bei einer vordefinierten kritischen Temperatur verfällt und/oder sich verformt, z.B. um die ersten und zweiten Stapel von Zellen thermisch zu trennen und/oder das Batteriegehäuse thermisch zu entsiegeln.
Bei einer der offenbarten Sicherungen, Verfahren, Vorrichtungen und Fahrzeuge umfasst das Batteriegehäuse eine Kühlplatte, auf der die Batteriezellen getragen sind. In diesem Fall ist/sind die thermomechanische(n) Sicherung(en) an der Kühlplatte befestigt. Außerdem kann jede thermomechanische Sicherung zumindest teilweise den ersten und zweiten Stapel von Zellen tragen. Als weitere Option kann die Kühlplatte einen länglichen Schlitz aufweisen, der sich zwischen dem ersten und dem zweiten Stapel von Zellen befindet. In diesem Fall wird die thermomechanische Sicherung innerhalb des länglichen Schlitzes montiert. Die thermomechanische Sicherung kann den länglichen Schlitz im Wesentlichen oder vollständig ausfüllen. Außerdem kann sich die thermomechanische Sicherung durch den länglichen Schlitz hindurch erstrecken und in diesen eingepasst werden. Die thermomechanische Sicherung kann so in den länglichen Schlitz eingelegt werden, dass die Sicherung im Wesentlichen bündig mit den gegenüberliegenden Innen- und Außenflächen der Kühlplatte abschließt.
Bei einer der offenbarten Sicherungen, Verfahren, Vorrichtungen und Fahrzeuge kann die thermomechanische Sicherung auf die Kühlplatte aufgespritzt werden und mindestens eine Außenfläche der Kühlplatte abdecken. In diesem Fall kann die thermomechanische Sicherung auch eine Innenfläche der Kühlplatte gegenüber der Außenfläche abdecken. Als weitere Option kann die Kühlplatte eine Reihe von zueinander parallelen, länglichen Schlitzen durch sie hindurch definieren. In diesem Fall umfasst die thermomechanische Sicherung eine Reihe von zueinander parallelen, länglichen thermomechanischen Sicherungen, von denen jede in einem entsprechenden der länglichen Schlitze montiert ist.
Bei einer der offenbarten Sicherungen, Verfahren, Vorrichtungen und Fahrzeuge befinden sich der erste und der zweite Stapel von Zellen im ersten bzw. zweiten Modulgehäuse. In diesem Fall umfasst das Batteriegehäuse einen Trägerbalken, der an seinem proximalen Ende an einer Trägerablage befestigt ist. Die thermomechanische Sicherung kann an einem distalen Ende des Trägerbalkens montiert werden, das sich zwischen dem Trägerbalken und einer Gehäuselasche befindet, die die benachbarten Modulgehäuse miteinander verbindet. Eine weitere Option ist, dass die vordefinierte kritische Temperatur, die einen Verfall/Verformung der Sicherung verursacht, mindestens etwa 100 Grad Celsius (°C) beträgt. Das dielektrische Material kann ein polymeres Material umfassen, das bei der vordefinierten kritischen Temperatur eine thermische Zersetzung oder einen Zerfall erfährt.
Die obige Zusammenfassung stellt nicht jede Ausführungsform oder jeden Aspekt dieser Offenbarung dar. Vielmehr werden die obigen Merkmale und Vorteile sowie andere Merkmale und damit verbundene Vorteile dieser Offenbarung aus der folgenden detaillierten Beschreibung von anschaulichen Beispielen und Modi zur Ausführung der vorliegenden Offenbarung einfach ersichtlich sein, wenn sie in Verbindung mit den beigefügten Zeichnungen und den beigefügten Ansprüchen betrachtet werden. Darüber hinaus umfasst diese Offenbarung ausdrücklich alle Kombinationen und Unterkombinationen der oben und unten dargestellten Elemente und Merkmale.
Figurenliste

1 ist eine schematische Darstellung eines repräsentativen Fahrzeugs mit einem elektrifizierten Antriebsstrang, der einen elektrischen Antriebsmotor verwendet, der von einer wiederaufladbaren Antriebsbatteriepackung mit thermomechanischen Sicherungen gespeist wird, gemäß Aspekten der vorliegenden Offenbarung.
2 ist eine perspektivische Darstellung eines repräsentativen Batteriemoduls mit intern verpackten Stapeln von Batteriezellen, die thermisch und strukturell über thermomechanische Sicherungen miteinander verbunden sind, gemäß Aspekten der vorliegenden Offenbarung.
3 ist eine perspektivische Darstellung des repräsentativen Batteriemoduls aus 2, bei der die Grundplatte, die Kühlplatte und die Seitenwände des Moduls entfernt wurden, um die intern verpackten Stapel von Batterietaschenzellen besser zu veranschaulichen.
4A bis 4C sind perspektivische Ansichten, Unteransichten bzw. Draufsichtdarstellungen einer repräsentativen Batteriegehäusekühlplatte mit einer Reihe eingelegter thermomechanischer Sicherungen gemäß Aspekten der offenbarten Konzepte.
5A bis 5C sind perspektivische Ansichten, Unteransichten bzw. Draufsichtdarstellungen einer anderen repräsentativen Batteriegehäusekühlplatte mit einer umspritzten thermomechanischen Sicherung gemäß Aspekten der offenbarten Konzepte.
6A und 6B sind schematische Seitenansichten eines repräsentativen Batteriegehäuses mit einer thermomechanischen Sicherung, die zwischen einer Zwischenmodul-Verbindungslasche und einem Gehäusequerträger angeordnet ist, gemäß Aspekten der offenbarten Konzepte.

Repräsentative Ausführungsformen dieser Offenbarung sind als nicht einschränkende Beispiele in den Zeichnungen dargestellt und werden im Folgenden zusätzlich beschrieben. Es sollte jedoch verstanden werden, dass die neuen Aspekte dieser Offenbarung nicht auf die besonderen Formen beschränkt sind, die in den oben aufgezählten Zeichnungen dargestellt sind. Vielmehr soll die Offenbarung alle Modifikationen, Äquivalente, Kombinationen, Unterkombinationen, Permutationen, Gruppierungen und Alternativen umfassen, die in den Umfang dieser Offenbarung fallen, wie sie beispielsweise von den beigefügten Ansprüchen umfasst ist.
DETAILLIERTE BESCHREIBUNG
Diese Offenbarung kann in vielen verschiedenen Formen verwirklicht werden. Repräsentative Beispiele der Offenbarung sind in den Zeichnungen dargestellt und werden hier im Detail beschrieben, wobei diese Ausführungsformen als Beispiel für die offenbarten Prinzipien dienen und nicht als Einschränkungen der allgemeinen Aspekte der Offenbarung. Zu diesem Zweck sollten Elemente und Beschränkungen, die beispielsweise in den Abschnitten „Zusammenfassung“, „Einleitung“, „Beschreibung“, „Beschreibung der Zeichnungen“ und „Detaillierte Beschreibung“ beschrieben, aber nicht explizit in den Ansprüchen dargelegt sind, nicht in die Ansprüche aufgenommen werden, weder einzeln noch insgesamt, weder durch Implikation noch durch Schlussfolgerung oder auf andere Weise. Darüber hinaus sind die hier besprochenen Zeichnungen möglicherweise nicht maßstabsgetreu und dienen lediglich zu Anleitungszwecken. Daher sind die in den Figuren gezeigten spezifischen und relativen Abmessungen nicht als einschränkend zu verstehen.
Für die Zwecke der vorliegenden detaillierten Beschreibung gilt, sofern nicht ausdrücklich ausgeschlossen: Der Singular schließt den Plural ein und umgekehrt; die Wörter „und“ und „oder“ gelten sowohl im Konjunktiv als auch im Disjunktiv; die Wörter „jeder“ und „alle“ bedeuten beide „jeder und alle“; und die Wörter „einschließlich“, „enthaltend“, „umfassend“, „mit“ und Permutationen davon bedeuten jeweils „einschließlich ohne Einschränkung“. Darüber hinaus können Wörter der Annäherung, wie z. B. „ungefähr“, „fast“, „im Wesentlichen“, „im Allgemeinen“, „etwa“ und dergleichen hier jeweils im Sinne von „bei, in der Nähe oder fast bei“ oder „innerhalb von 0-5 % von“ oder „innerhalb akzeptabler Fertigungstoleranzen“ oder jeder logischen Kombination davon verwendet werden. Schließlich können richtungsbezogene Adjektive und Adverbien, wie z. B. vorwärts, rückwärts, innenbords, außenbords, steuerbords, backbords, vertikal, horizontal, aufwärts, abwärts, vorne, hinten, links, rechts usw., in Bezug auf ein Kraftfahrzeug verwendet werden, wie z. B. eine Vorwärtsfahrtrichtung eines Kraftfahrzeugs, wenn das Fahrzeug operativ auf einer horizontalen Fahrfläche ausgerichtet ist.
Unter Bezugnahme auf die Zeichnungen, in denen sich gleiche Bezugsnummern auf gleiche Merkmale in den verschiedenen Ansichten beziehen, ist in 1 eine schematische Darstellung eines repräsentativen Automobils gezeigt, das allgemein mit 10 bezeichnet und hier zu Diskussionszwecken als Personenkraftwagen mit einem parallelen Zwei-Kupplungs (P2)-Hybrid-Elektro-Antriebsstrang dargestellt ist. Das dargestellte Automobil 10 - hier auch kurz als „Kraftfahrzeug“ oder „Fahrzeug“ bezeichnet - ist lediglich eine beispielhafte Anwendung, mit der neue Aspekte dieser Offenbarung praktiziert werden können. In gleicher Weise sollte die Umsetzung der vorliegenden Konzepte in einem Hybrid-Elektro-Antriebsstrang auch als eine repräsentative Umsetzung der hier offenbarten neuartigen Konzepte verstanden werden. Als solches wird es verstanden werden, dass Facetten der vorliegenden Offenbarung auf andere Antriebsstrang-Architekturen angewendet werden können, in jede logisch relevante Art von Kraftfahrzeug eingebaut werden können und sowohl für automobile als auch für nicht-automobile Anwendungen gleichermaßen genutzt werden können. Schließlich sind nur ausgewählte Komponenten gezeigt worden und werden hier im Detail beschrieben. Nichtsdestotrotz können die im Folgenden beschriebenen Fahrzeuge, Vorrichtungen und Sicherungen zahlreiche zusätzliche und alternative Merkmale sowie andere verfügbare periphere Komponenten und Hardware zur Durchführung der verschiedenen Verfahren und Funktionen dieser Offenbarung enthalten.
Das repräsentative Fahrzeug-Antriebsstrangsystem ist in 1 mit einem Antriebsaggregat - hier dargestellt durch eine startfähige Verbrennungsmotor-Baugruppe 12 und eine elektrische Motor/Generator-Einheit (MGU) 14 - dargestellt, das über ein mehrgängiges automatisches Leistungsgetriebe 16 antriebsmäßig mit einer Antriebswelle 15 eines Achsantriebsystems 11 verbunden ist. Der Motor 12 überträgt Leistung, vorzugsweise in Form eines Drehmoments, über eine Motorkurbelwelle 13 (hier auch als „Motorausgangselement“ bezeichnet) auf eine Eingangsseite des Getriebes 16. Das Motordrehmoment wird zunächst über die Kurbelwelle 13 übertragen, um eine motorgetriebene Torsionsdämpferbaugruppe 26 in Drehung zu versetzen, und gleichzeitig über die Torsionsdämpferbaugruppe 26 auf eine Motortrennvorrichtung 28 übertragen. Diese Motortrennvorrichtung 28 überträgt im betriebsbereiten Zustand das von der ICE-Baugruppe 12 empfangene Drehmoment über den Dämpfer 26 auf die Eingangsstruktur der Drehmomentwandlerbaugruppe (TC) 18. Wie der Name schon sagt, kann die Motortrennvorrichtung 28 selektiv ausgekuppelt werden, um den Motor 12 antriebsmäßig vom Motor 14, der TC-Baugruppe 18 und dem Getriebe 16 zu entkoppeln.
Das Getriebe 16 wiederum ist so ausgelegt, dass es die Antriebskraft der Maschine 12 und des Motors 14 aufnimmt, selektiv manipuliert und an das Achsantriebssystem 11 des Fahrzeugs verteilt - hier dargestellt durch eine Antriebswelle 15, ein hinteres Differential 22 und ein Paar hinterer Straßenräder 20 - und dadurch das Hybridfahrzeug 10 antreibt. Die Kraftübertragung 16 und der Drehmomentwandler 18 von 1 können sich eine gemeinsame Getriebeölwanne oder „Sumpf“ 32 für die Versorgung mit Hydraulikflüssigkeit teilen. Eine gemeinsame Getriebepumpe 34 liefert ausreichend Hydraulikdruck für die Flüssigkeit, um selektiv hydraulisch aktivierte Elemente des Getriebes 16, der TC-Baugruppe 18 und, bei einigen Implementierungen, der Motortrennvorrichtung 28 zu betätigen.
Die ICE-Baugruppe 12 treibt das Fahrzeug 10 unabhängig vom elektrischen Antriebsmotor 14 an, z. B. in einer „Nur-Motor“-Betriebsart, oder in Zusammenarbeit mit dem Motor 14, z. B. in „Fahrzeugstart“- oder „Motor-Boost“-Betriebsarten. In dem in 1 dargestellten Beispiel kann die ICE-Baugruppe 12 ein beliebiger verfügbarer oder später entwickelter Motor sein, wie z. B. ein selbstgezündeter Dieselmotor oder ein fremdgezündeter Benzin- oder Flex-Fuel-Motor, der leicht angepasst werden kann, um seine verfügbare Leistungsabgabe typischerweise bei einer Anzahl von Umdrehungen pro Minute (U/min) bereitzustellen. Obwohl in 1 nicht explizit dargestellt, sollte man sich bewusst sein, dass das Achsantriebssystem 11 jede verfügbare Konfiguration annehmen kann, einschließlich Layouts mit Vorderradantrieb (FWD), Hinterradantrieb (RWD), Vierradantrieb (4WD), Allradantrieb (AWD), Sechs-mal-Vier (6X4), usw.
1 zeigt auch eine elektrische Motor-/Generatoreinheit („Motor“) 14, die über eine Motorträgernabe, eine Welle oder einen Riemen 29 (hier auch als „Motorausgangselement“ bezeichnet) mit dem hydrodynamischen Drehmomentwandler 18 verbunden ist. Der Drehmomentwandler 18 wiederum verbindet den Motor 14 antriebsmäßig mit einer Eingangswelle 17 („Getriebeeingangselement“) des Getriebes 16. Die Elektromotor/Generator-Einheit 14 ist aus einer ringförmigen Statorbaugruppe 21, die eine zylindrische Rotorbaugruppe 23 umgibt und konzentrisch zu dieser angeordnet ist, aufgebaut. Der Stator 21 wird über ein elektrisches Hochspannungssystem mit elektrischen Leitern/Kabeln 27 versorgt, die über geeignete Dichtungs- und Isolierdurchführungen (nicht dargestellt) durch das Motorgehäuse geführt werden. Umgekehrt kann die elektrische Energie von der MGU 14 zu einer bordeigenen Antriebsbatteriepackung 30 geleitet werden, z. B. durch regeneratives Bremsen. Der Betrieb aller dargestellten Komponenten des Antriebsstrangs kann von einer fahrzeuginternen oder -externen Steuervorrichtung gesteuert werden, z. B. von einer programmierbaren elektronischen Steuereinheit (ECU) 25. Obwohl als P2-Hybrid-Elektro-Architektur dargestellt, kann das Fahrzeug 10 auch andere HEV-Antriebsstrang-Konfigurationen verwenden, einschließlich P0-, P1-, P2.5-, P3- und P4-Konfigurationen, oder kann für ein BEV, PHEV, Brennstoffzellen-Hybridfahrzeug, FEVs usw. angepasst werden.
Das Leistungsgetriebe 16 kann ein Differentialgetriebe 24 verwenden, um selektiv variable Drehmoment- und Drehzahlverhältnisse zwischen den Getriebeeingangs- und -ausgangswellen 17 bzw. 19 zu erreichen, z. B. indem die gesamte oder ein Teil der Leistung durch die variablen Elemente geschickt wird. Eine Form des Differentialgetriebes ist das epizyklische Planetengetriebe. Das Planetengetriebe bietet den Vorteil der Kompaktheit und der unterschiedlichen Drehmoment- und Drehzahlverhältnisse zwischen allen Gliedern des Planetengetriebe-Teilsatzes. Traditionell werden hydraulisch betätigte Vorrichtungen zum Aufbau des Drehmoments, wie Kupplungen und Bremsen (der Begriff „Kupplung“ bezieht sich sowohl auf Kupplungen als auch auf Bremsen), selektiv in Eingriff gebracht, um die oben genannten Getriebeelemente zu aktivieren und die gewünschten Vorwärts- und Rückwärtsdrehzahlverhältnisse zwischen den Eingangs- und Ausgangswellen 17, 19 des Getriebes herzustellen. Obwohl es als 8-Gang-Automatikgetriebe vorgesehen ist, kann das Leistungsgetriebe 16 optional auch andere funktionell geeignete Konfigurationen annehmen, einschließlich stufenloser Getriebearchitekturen (CVT), automatisiert-manueller Getriebe usw.
Die hydrodynamische Drehmomentwandlerbaugruppe 18 aus 1 arbeitet als Flüssigkeitskupplung, um den Verbrennungsmotor 12 und den Motor 14 mit dem internen Planetengetriebe 24 des Leistungsgetriebes 16 funktionell zu verbinden. In einer internen Fluidkammer der Drehmomentwandlerbaugruppe 18 befindet sich ein beschaufeltes Laufrad 36, dem eine beschaufelte Turbine 38 gegenüberliegt. Das Laufrad 36 befindet sich in gegenüberliegender, serieller Leistungsfluss-Fluidverbindung mit der Turbine 38, wobei ein Stator (nicht dargestellt) zwischen dem Laufrad 36 und der Turbine 38 angeordnet ist, um den Fluidfluss dazwischen selektiv zu verändern. Die Übertragung des Drehmoments von den Motorabtriebselementen 13 und dem Motorabtriebselement 29 auf das Getriebe 16 über die TC-Baugruppe 18 erfolgt durch Rührerregung von Hydraulikflüssigkeit, wie z. B. Getriebeöl, in der internen Flüssigkeitskammer der TC, die durch die Drehung der Schaufeln des Laufrads und der Turbine 36, 38 verursacht wird. Zum Schutz dieser Komponenten ist die TC-Baugruppe 18 mit einem TC-Pumpengehäuse konstruiert, das hauptsächlich durch einen getriebeseitigen Pumpenmantel 40 definiert ist, der fest mit einem motorseitigen Pumpendeckel 42 verbunden ist, so dass dazwischen eine Kammer für hydraulische Arbeitsflüssigkeit gebildet wird.
In Bezug zu 2 ist ein Segment eines wiederaufladbaren Energiespeichersystems (RESS) gezeigt, das zum Speichern und Liefern von elektrischer Energie angepasst ist, die zum Beispiel verwendet wird, um ein elektrisch angetriebenes Fahrzeug anzutreiben, wie das P2 HEV 10 von 1. Bei diesem RESS kann es sich um ein Tiefenzyklus-Fahrzeugbatteriesystem mit hoher Ampere-Kapazität handeln, das beispielsweise für etwa 350 bis 800 VDC oder mehr ausgelegt ist, abhängig von der gewünschten Fahrzeugreichweite, dem Gesamtgewicht des Fahrzeugs und den Leistungswerten der verschiedenen Zubehörlasten, die elektrische Energie aus dem RESS beziehen. Zu diesem Zweck verwendet das RESS ein oder mehrere Hochspannungsbatteriepackungen mit hoher Energiedichte, wie z. B. die Batteriepackung 30 in 1, zur Versorgung einer oder mehrerer mehrphasiger Permanentmagnet-Elektromaschinen (PM), wie z. B. des Antriebsmotors 14. Jede Batteriepackung enthält eine Ansammlung (z. B. 100e oder 1000e) von diskreten elektrochemischen Zellen, die in Reihe und/oder parallel geschaltet sind, um die gewünschten Spannungs- und Stromanforderungen zu erreichen.
Eine Antriebsbatteriepackung ist im Allgemeinen aus einer Reihe von Lithium-Ionen-Batteriemodulen zusammengesetzt, von denen ein Beispiel in den 2 und 3 mit 100 dargestellt ist. Diese Batteriemodule 100 können auf einer Batterieträgerablage oder einem anderen Aufbaufeld abgestützt werden, die während des Fahrzeugbetriebs eine darunter liegende Abstützung für die Batteriepackung bietet. Aspekte der offenbarten Konzepte können in ähnlicher Weise auf andere elektrische Speicherarchitekturen anwendbar sein, einschließlich solcher, die Nickel-Metallhydrid-Batterien (NiMH), Blei-Säure-Batterien, Lithium-Polymer-Batterien oder andere anwendbare Arten von wiederaufladbaren Sekundärbatterien verwenden. Jedes Batteriemodul 100 kann einen Stapel 102S elektrochemischer Batteriezellen enthalten, wie z. B. die Taschen-Typ-Lithium-Ionen- (Li-Ionen) oder Li-Ionen-Polymer- (LiPo) Batterie-Taschen-Zellen 102 von 3. Zur Vereinfachung von Konstruktion und Wartung sowie zur Reduzierung von Kosten und Montagezeit kann jedes Batteriemodul 100 im RESS im Wesentlichen identisch sein.
Ein einzelnes Lithium-Ionen-Batteriemodul 100 kann durch mehrere Batteriezellen 102 (z. B. 20-30) charakterisiert sein, die nebeneinander gestapelt und parallel oder in Reihe geschaltet sind, um elektrische Energie zu speichern und zu liefern. Eine Batteriezelle kann eine mehrschichtige Konstruktion sein, die mit einem äußeren Batteriegehäuse versehen ist, das in den Zeichnungen durch eine hüllenartige Tasche 104 dargestellt ist (3). Die jeweiligen Seiten der Tasche 104 können aus Polymerschaum, isoliertem Aluminiumblech oder einem anderen geeigneten Material gebildet werden. Diese beiden Seiten sind miteinander verbunden, z. B. durch Schweißen oder Quetschen, um darin im Allgemeinen eine Elektrolytzusammensetzung einzuschließen, die positive Lithium-Ionen zwischen Arbeitselektroden leitet. Von gegenüberliegenden Längsenden der Tasche 104 erstrecken sich nach außen positive (Kathode) und negative (Anode) elektrische Anschlüsse („Laschen“) 106 bzw. 108, um elektrische Verbindungen mit positiven und negativen Elektroden (nicht sichtbar) herzustellen, die im Innenvolumen der Tasche 104 verpackt sind. Während als Silizium-basierte, Li-Ionen- „Taschenzellen“ -Batterie gezeigt, können die Batteriezellen 102 auf andere Konstruktionen, einschließlich zylindrischer und prismatischer Konstruktionen angepasst werden.
Mit gemeinsamem Bezug auf die 2 und 3 lagert das Batteriemodul 100 die elektrochemischen Batteriezellen 102 innerhalb eines schützenden, elektrisch isolierenden Batteriemodulgehäuses 110. Das Batteriemodulgehäuse 110 kann eine starre, mehrteilige Konstruktion sein, die aus einem Gehäuseboden 112 und einem Paar von Modulseitenwänden 114 zusammengebaut ist, die orthogonal vom Boden 112 abstehen. Wenn sie richtig angeordnet und montiert sind, werden die gestapelten Batteriezellen 102 auf dem Gehäuseboden 112 abgestützt und zwischen den Modulseitenwänden 114 eingefügt. Zur Vereinfachung der Herstellung und Montage können die Seitenwände 114 im Wesentlichen identisch sein, beide aus einem starren Kunststoffmaterial mit Schnappverschlussvorsprüngen 115 und 117 zur funktionellen Ausrichtung und mechanischen Verbindung der Seitenwände 114 mit komplementären Segmenten des Batteriemoduls 100. Zwei koplanare Montagehalterungen 113 erstrecken sich quer vom Modulgehäuse 110, die jeweils integral mit einer entsprechenden Modulseitenwand 114 ausgebildet sind und rechtwinklig von dieser abstehen.
Unterhalb der gestapelten Batteriezellen 102 ist eine Kühlplatte 116 angebracht, die im Allgemeinen bündig an der Unterseite des Gehäusebodens 112 sitzt, um Wärme selektiv aus dem Batteriemodul 100 abzuführen. Diese Kühlplatte 116 ist mit einem oder mehreren Kühlmittelkanälen (in 2 nicht sichtbar) versehen, durch die ein über Kühlmittelanschlüsse 118 aufgenommenes Kühlmittel strömt. Die Modulseitenwände 114 und die Kühlplatte 116 können mechanisch mit dem Gehäuseboden 112 verbunden und fluidisch abgedichtet werden, z. B. über Schnappbefestigungen und einen dichtungsbildenden Schaum. Es ist vorgesehen, dass das Batteriemodulgehäuse 110 andere Größen und Formen annehmen kann, um alternative Anwendungen mit unterschiedlichen Verpackungs- und Konstruktionseinschränkungen zu ermöglichen. In gleicher Weise kann das Modulgehäuse 110 aus mehr oder weniger Segmenten zusammengesetzt sein, als in den Zeichnungen dargestellt sind; alternativ kann das Gehäuse 110 als einteilige oder zweiteilige, einheitliche Struktur geformt und bearbeitet werden.
Die Batteriezellen 102 werden durch eine integrierte Verbindungsplatinen (ICB) -Baugruppe 120, die oben auf dem Batteriemodulgehäuse 110 montiert ist, ausgerichtet und elektrisch miteinander verbunden. Gemäß dem dargestellten Beispiel bietet die ICB-Baugruppe 120 eine schützende äußere Umhüllung, die im Allgemeinen durch eine zentrale Abdeckung 122 mit einem Paar von geflanschten Endwänden 124 definiert ist, die im Allgemeinen orthogonal von gegenüberliegenden Enden der zentralen Abdeckung 122 vorstehen. Die zentrale Abdeckung 122 ist aus einem starren Polymermaterial mit integrierten seitlichen Flanschen 121 mit länglichen Schnappbefestigungsschlitzen gebildet, die darin Schnappbefestigungsvorsprünge 115 der Gehäuseseitenwände 114 aufnehmen. Von jedem Längsende der Abdeckung 122 ragt ein Paar Schnapphaken 125 heraus, die darin Befestigungsstifte (nicht beschriftet) der ICB-Endwände 124 aufnehmen. Die Endwände 124 der ICB-Baugruppe können strukturell identisch sein und sind beide aus einem starren Polymermaterial gebildet, das dem Polymermaterial, das zur Herstellung der ICB-Abdeckung 122 verwendet wird, ähnlich ist oder sich von diesem unterscheidet. Jede Endwand 124 ist mit integrierten Montageflanschen 129 gefertigt, die Schnappbefestigungslöcher aufweisen, die darin Schnappbefestigungsvorsprünge 117 der Gehäuseseitenwände 114 aufnehmen.
Die unteren Enden jeder Endwand 124 der ICB-Baugruppe sind in eine Reihe von länglichen, zueinander parallelen Endwandplatten 133 unterteilt, die nebeneinander in einer vertikalen, säulenartigen Weise angeordnet sind. Diese Endwandplatten 133 greifen ineinander und sind durch längliche Schlitze 135 voneinander getrennt. Jede Endwandplatte 133 ist integral mit einer Folge von flexiblen Schnappbefestigungslaschen (nicht beschriftet) ausgebildet, die von einer Unterkante der Endwand 124 nach unten ragen. Diese Laschen greifen gleitend in die Kühlplatte 116 ein und werden mit dieser verpresst; auf diese Weise wird die ICB-Baugruppe 120 mechanisch mit dem Rest des Batteriemodulgehäuses 110 verbunden. In der dargestellten Ausführungsform kann die ICB-Baugruppe 120 hermetisch mit dem Modulgehäuse 110 versiegelt sein.
Nach der Montage der integrierten ICB-Baugruppe 120 werden die elektrischen Anschlusslaschen 106, 108 der Batteriezellen 102 elektrisch mit elektrischen Busschienenplatten 134 verbunden, die an den Außenflächen der ICB-Endwände 124 montiert sind. Wie gezeigt, ist jede Busschienenplatte 134 aus einem elektrisch leitfähigen Material (z. B. Aluminium oder Kupfer) hergestellt, das zu einer allgemein rechteckigen Platte geformt ist, die dann an einer Außenfläche einer Endwand 124 montiert wird, z. B. über Montagelaschen, Klebstoffe und/oder Befestigungsmittel. Ebenso werden die Batteriezellenlaschen 106, 108 aus elektrisch leitenden Materialien (z. B. Al und Cu) hergestellt und zu L-förmigen Anschlüssen gebogen, von denen ein äußerer Teil wieder bündig anliegt und mit einer der Busschienenplatten 134 verlötet, verschweißt oder verklammert wird. An den ICB-Endwänden 124 sind L-förmige Zwischenmodul-Bushalterungen (nicht beschriftet) montiert, um das Batteriemodul 100 mit benachbarten Batteriemodulen elektrisch zu verbinden.
Zusätzlich zur Bereitstellung eines Schutzmantels und der elektrischen Verbindung der Batteriezellen 102 bietet die ICB-Baugruppe 120 auch Erfassungs-, Betriebs- und elektrische Isolierungsfunktionen. Eine solche Funktionalität kann durch eine integrierte Schaltkreis-(IC)-Abtastbaugruppe 140 bereitgestellt werden, die auf der zentralen Abdeckung 122 montiert werden kann. Die IC-Abtastbaugruppe 140 ist mit mehreren Abtastvorrichtungen 142, wie z. B. Strom-, Spannungs- und/oder Temperatursensoren, ausgestattet, die die Betriebseigenschaften der Batteriezellen 102 abtasten können. Auf der zentralen Abdeckung 122 ist eine flexible Leiterplatte (PCB) 144 dargestellt, auf der die Abtastvorrichtungen 142 angebracht sind. Eine flexible elektrische Leiterschiene 146 mit mehreren elektrischen Leiterbahnen 148, die von einer elektrisch isolierenden Leiterschienenfolie 150 getragen wird, verbindet die flexible Leiterplatte 144 und damit die Abtastvorrichtungen 142 über die Busschienenplatten 134 elektrisch mit den Batteriezellen 102.
Die Lebensdauer und Leistung eines wiederaufladbaren Energiespeichersystems kann durch die Steuerung der Exposition des Systems gegenüber extremen Temperaturen, sowohl hohen als auch niedrigen, verbessert werden. Während des Betriebs des Fahrzeugs 10 von 1 ist es beispielsweise wünschenswert, Impulse zu minimieren oder zu eliminieren, die ein thermisches Durchgehen in der Antriebsbatteriepackung 30 des Fahrzeugs bewirken. Die hier beschriebenen wiederaufladbaren Energiespeichersysteme umfassen Merkmale, die dazu beitragen, ein thermisches Durchgehen zu reduzieren, während die Kühlleistung des Wärmemanagementsystems des RESS und die Lade-/Entladeleistung des Energiespeichersystems erhalten bleiben. Beispielsweise kann die Verwendung der unten beschriebenen Merkmale das thermische Durchgehen der Antriebsbatteriepackung 30 von 1 oder des Batteriemoduls 100 der 2 und 3 während der folgenden Beispielvorgänge reduzieren, wie z. B. Gleichstrom-Schnellladen (DCFC), kabelloses Laden durch elektromagnetische Induktion, Betreiben eines elektrifizierten Antriebsstrangs nach dem Warmlaufen des Fahrzeugs, versehentliche elektrische Unterbrechung der Batteriepackung usw.
Um den Kreislauf aus thermischer Ausbreitung und beschleunigten exothermen Reaktionsraten zu durchbrechen, der zum thermischen Durchgehen führt, enthält das RESS ein oder mehrere Opferelemente, die sowohl als Strukturelement (z. B. zur physischen Unterstützung von Zellen oder Modulen) als auch als thermisches Element (z. B. zur thermischen Kopplung von Zellen oder Modulen) fungieren. Wenn das RESS eine kritische Temperatur erreicht, die zum thermischen Durchgehen führt, verfällt sich das Opferelement oder verformt sich (z. B. verflüssigt sich, bricht auseinander, zerfällt, öffnet sich usw.), um einen Wärmepfad zwischen den operativ verbundenen Zellen innerhalb eines Moduls und/oder Modulen innerhalb einer Packung zu eliminieren. Ein Zweck dieses Opfermerkmals ist es, die Wärmeübertragung zwischen benachbarten Komponenten zu reduzieren, wenn sie einem thermischen Durchgehereignis ausgesetzt sind. Die 4A-4C, 5A-5C und die 6A und 6B zeigen drei verschiedene Beispiele für lasttragende, thermomechanische Opfersicherungen 212, 312 und 412 zum thermischen Verbinden und, falls gewünscht, Trennen benachbarter Batteriezellenstapel oder benachbarter Batteriemodule. Obwohl sie sich in ihrem Aussehen unterscheiden, ist vorgesehen, dass alle im Folgenden unter Bezugnahme auf die thermomechanischen Sicherungen 212 der 4A-4C beschriebenen Merkmale und Optionen einzeln oder in beliebiger Kombination in die thermomechanischen Sicherungen 312 und 412 der 5A-5C bzw. 6A und 6B integriert werden können und umgekehrt.
Zunächst zu den 4A-4C, ist jede thermomechanische Sicherung 212 ganz oder teilweise aus einem elektrisch isolierenden (dielektrischen) Material gebildet, dessen chemische und/oder strukturelle Zusammensetzung bei einer vordefinierten kritischen Temperatur einen Verfall und/oder Verformung erfährt. Für eine Antriebsbatterieanwendung liegt die vordefinierte kritische Temperatur, die einen Verfall / eine Verformung der Sicherung hervorruft, bei mindestens etwa 100 °C oder insbesondere zwischen etwa 100 und etwa 400 °C. Das dielektrische Material, das zur Herstellung der Sicherung 212 verwendet wird, kann ein polymeres Material umfassen, wie z. B. Polymere auf Wachsbasis, Poly(1-Buten), isotaktische Polyethylen-Co-Methacrylsäuren, Poly(trans-1,4-Butadien), das bei der vordefinierten kritischen Temperatur schmilzt. Als weitere Option kann das dielektrische Material ein polymeres Material, wie z. B. Polypropylen und Polystyrol, umfassen, das sich bei der vordefinierten kritischen Temperatur verformt, oder einen polymeren Schaum, wie z. B. hartes Polyurethan (PU oder Polyol), das sich bei der vordefinierten kritischen Temperatur zersetzt. Eine weitere Option ist Zinn sowie ähnlich verformbare, aber stabile metallische Werkstoffe mit hohem elektrischem Widerstand. Auch andere Werkstoffe mit geringer elektrischer Leitfähigkeit und einer relativ niedrigen Schmelztemperatur und/oder Verfallstemperatur, die mit einer gewünschten kritischen Temperatur übereinstimmt, können verwendet werden.
Während des normalen Betriebs einer Batteriebaugruppe 200, wie z. B. der Batteriepackung 30 oder des Batteriemoduls 100, fließt die Wärmeübertragung im Allgemeinen vom Stapel der Batteriezellen in Richtung einer Kühlplatte 216, die dafür ausgelegt ist, die jeweiligen Zelltemperaturen der einzelnen Batteriezellen auf einer einheitlichen „optimalen“ Temperatur zu halten. Die Kühlplatte 216 der 4A-4C, die strukturell und funktionell identisch mit der Kühlplatte 116 der 2 sein kann, bietet eine darunter liegende Stütze für die intern verpackten Batteriezellen eines Batteriemoduls, wie die Zellen 102 des Moduls 100. Während des Ladens/Entladens der Batterie überträgt die Kühlplatte 216 die Wärme von den gestapelten Zellen durch erzwungene Zirkulation einer Kühlflüssigkeit, z. B. in einem Dampfkompressions-Kühlkreislauf. Die Kühlplatte 216 definiert einen serpentinenförmigen Kühlmittelkanal 224 zum Leiten von Kühlmittelfluid von einer Kühlmitteleinlassöffnung 218A zu einer Kühlmittelauslassöffnung 218B, um Wärme von den Batteriezellen abzuleiten. Im Allgemeinen handelt es sich bei dem durch die Kühlplatte 216 fließenden Fluid um ein flüssiges Kühlmittel, von denen einige nicht einschränkende Beispiele Kältemittel, Öl, Wasser, Ethylenglykol auf Wasserbasis usw. umfassen können.
Zwischen den gestapelten Batteriezellen 102 und dem Kühlmittelkanal 224 befindet sich eine Reihe von wärmeleitenden Sperrplatten 220, die auf der Oberseite der Kühlplatte 216 angebracht sind. Diese Sperrplatten 220 trennen die Batteriezellen strömungstechnisch vom Kühlmittelkanal 224 und ermöglichen dennoch die thermische Übertragung von Wärmeenergie von den Zellen auf das durch den Kanal 224 fließende Kühlmittel. Wie dargestellt, sind die Sperrplatten 220 zueinander parallele, rechteckige Blechlamellen, die sich in Längsrichtung entlang der Kühlplatte 216 erstrecken. Die Sperrplatten 220 sind zwar als einzelne Plattenelemente dargestellt, können aber auch als einteiliges Blech hergestellt werden, das auf die Kühlplatte 216 montiert wird.
Zusätzlich zur aktiven künstlichen Kühlung durch die Verwendung von Kühlflüssigkeit zur Regulierung der Wärmeübertragung kann das Wärmemanagementsystem des Batteriemoduls auch eine Reihe von länglichen Lüftungsschlitzen 222 (4C und 5C) verwenden, um eine passive konvektive Übertragung von Wärmeenergie aus dem Batteriemodulgehäuse zu ermöglichen. Diese Lüftungsschlitze 222 erstrecken sich durch die Kühlplatte 216, damit die Belüftungsluft durch die Kühlplatte 216 und in das Batteriemodul strömen kann, während gleichzeitig die Wärmeenergie durch die Kühlplatte 216 und aus dem Modul heraus abgeführt werden kann. Wie in 4C am besten zu sehen ist, sind die Lüftungsschlitze 222 zueinander parallele, längliche Öffnungen, die sich in Längsrichtung entlang der Kühlplatte 216 erstrecken. Die Lüftungsschlitze 222 sind mit den Sperrplatten 220 verschachtelt, so dass sich ein ungehinderter Weg durch die Lüftungsschlitze 222 zu den Batteriezellen erstreckt. Obwohl als diskrete, quer beabstandete Lüftungsschlitze 222 dargestellt, könnte die Kühlplatte 216 mit einem einzelnen, durchgehenden Lüftungsschlitz hergestellt werden, der ein serpentinenartiges Muster ähnlich dem des Kühlmittelkanals 224 annehmen kann.
Mit weiterem Bezug auf die 4A bis 4C sind die thermomechanischen Sicherungen 212 starr an der Kühlplatte 216 montiert, z. B. an einer Stelle unterhalb der Batteriezellen 102. Wie in der Einsatzansicht von 4A zu sehen ist, trägt beispielsweise eine thermomechanische Sicherung 212 zumindest teilweise einen ersten Stapel 102S1 von Batteriezellen 102 und einen zweiten Stapel 102S2 von Batteriezellen 102, der an den ersten Stapel von Zellen 102S1 angrenzt und parallel zu diesem ausgerichtet ist. In diesem Beispiel ist jede thermomechanische Sicherung 212 innerhalb eines jeweiligen der länglichen Schlitze 222 montiert, die sich durch die Basis der Kühlplatte 216 erstrecken. Wie in 4B am besten zu sehen ist, sind die thermomechanischen Sicherungen 212 zueinander parallele, längliche Streifen, die sich in Längsrichtung entlang der Länge der Kühlplatte 216 erstrecken. Ähnlich wie die Lüftungsschlitze 222 sind die thermomechanischen Sicherungen 212 mit den Sperrplatten 220 verschachtelt. Es ist vorgesehen, dass die thermomechanischen Sicherungen 212 andere Formen, Größen und/oder Positionen als die in den Zeichnungen dargestellten annehmen können. Ähnlich wie die Lüftungsschlitze 222 können die thermomechanischen Sicherungen 212 sowohl mehrteilige als auch einteilige Konstruktionen annehmen.
Jede thermomechanische Sicherung 212 füllt ihren jeweiligen Lüftungsschlitz 222 im Wesentlichen oder vollständig aus, um dadurch die sich durch die Kühlplatte 216 erstreckenden Lüftungsströmungswege zu blockieren. Bei zumindest einigen Ausführungsformen sind die thermomechanischen Sicherungen 212 in die länglichen Lüftungsschlitze 222 eingelegt, so dass sie im Wesentlichen bündig mit einer oder beiden gegenüberliegenden Flächen der Kühlplatte 216 sitzen. Optional kann sich jede thermomechanische Sicherung 212 durch ihren jeweiligen Schlitz 222 erstrecken und sich an ihren gegenüberliegenden Enden auswölben, um in den Schlitz 222 zu passen. Für thermomechanische Sicherungen 212, die ein metallisches Material verwenden, können Metallbearbeitungstechniken, wie z. B. Löten oder Schweißen, verwendet werden, um die Sicherungen 212 am Batteriegehäuse zu befestigen. In jedem der vorgenannten Beispiele kann ein geeigneter Klebstoff oder eine Auflage verwendet werden, um die Sicherung 212 im Schlitz 222 zu befestigen. Während des Betriebs der Batteriebaugruppe können die thermomechanischen Sicherungen 212 eine vordefinierte kritische Temperatur erreichen, z. B. während des Einsetzens eines thermischen Durchgehereignisses. Bei dieser Temperatur verfallen oder verformen sich die Sicherungen 212 in einer Weise, die ausreicht, um die Belüftung durch die Lüftungsschlitze 222 zu öffnen und dadurch die Wärmeübertragung zwischen benachbarten Batteriezellenstapeln 102S1, 102S2 zu reduzieren.
5A bis 5C zeigen eine Konfiguration der Batteriebaugruppe 300, die eine einteilige thermomechanische Sicherung 312 einsetzt, um ein thermisches Durchgehen zu verzögern oder zu verhindern. Ähnlich wie die thermomechanischen Sicherungen 212 der 4A bis 4C befindet sich die thermomechanische Sicherung 312 unterhalb der Batteriezellen 102 und ist starr an der Kühlplatte 216 befestigt. Bei dieser Anordnung stützt sich die thermomechanische Sicherung 312 darauf ab und koppelt die intern verpackten Stapel von Batteriezellen thermisch. In diesem Beispiel ist die thermomechanische Sicherung 312 laminiert, beschichtet, umspritzt oder anderweitig auf die Innen- und Außenflächen der Kühlplatte 216 aufgebracht und bedeckt diese. Dabei füllt die thermomechanische Sicherung 312 die langgestreckten Lüftungsschlitze 222 so aus, dass die sich durch die Kühlplatte 216 erstreckenden Belüftungsströmungswege behindert werden. Die thermomechanische Sicherung 312 ist ganz oder teilweise aus einem dielektrischen Material gebildet, das bei einer vordefinierten kritischen Temperatur schmilzt, sich zersetzt, zerfällt, sich ablöst, knickt, sich verbiegt usw. Dabei trennt die thermomechanische Sicherung 312 die benachbarten Stapel von Zellen thermisch ab und öffnet die Lüftungsschlitze 222.
6A und 6B zeigen eine Batteriebaugruppe 400 mit einem elektrisch isolierten und wetterfesten äußeren Batteriegehäuse, das ein erstes Batteriemodul 402A neben einem zweiten Batteriemodul 402B enthält. Ähnlich wie das Modul 100 der 2 und 3 umfassen die Batteriemodule 402A, 402B der 6A und 6B jeweils ein entsprechendes Modulgehäuse 410A und 410B, in dem ein Stapel oder die Stapel 404A und 404B von intern verpackten Batteriezellen untergebracht sind. Das Batteriegehäuse umfasst einen Trägerbalken 420, der an seinem proximalen (unteren) Ende an einer Trägerablage 422 befestigt ist. Eine thermomechanische Sicherung 412 ist an einem distalen (oberen) Ende des Trägerbalkens 420 angebracht und befindet sich zwischen dem Trägerbalken 420 und einer Gehäuselasche 424, die das erste und zweite Modulgehäuse 410A, 410B verbindet. Bei einer kritischen Temperatur zersetzt sich die thermomechanische Sicherung 412 thermisch, so dass die Gehäuselasche 424 direkt auf der Oberseite des Trägerbalkens 420 und die Modulgehäuse 410A, 410B direkt auf einem Paar von Absatzblöcken 426 sitzen. Auf diese Weise werden die Batteriemodule 402A, 402B thermisch entkoppelt.
Aspekte der vorliegenden Offenbarung wurden detailliert unter Bezugnahme auf die dargestellten Ausführungsformen beschrieben; der Fachmann wird jedoch erkennen, dass viele Modifikationen daran vorgenommen werden können, ohne vom Umfang der vorliegenden Offenbarung abzuweichen. Die vorliegende Offenbarung ist nicht auf die genaue Konstruktion und die hierin offenbarten Zusammensetzungen beschränkt; alle Modifikationen, Änderungen und Variationen, die aus den vorstehenden Beschreibungen ersichtlich sind, liegen im Umfang der Offenbarung, wie sie durch die beigefügten Ansprüche definiert ist. Darüber hinaus schließen die vorliegenden Konzepte ausdrücklich alle Kombinationen und Unterkombinationen der vorangehenden Elemente und Merkmale ein.

Claims

Batteriebaugruppe, umfassend: ein Batteriegehäuse; eine Vielzahl von Batteriezellen, die innerhalb des Batteriegehäuses angeordnet und zusammen gestapelt sind, um einen ersten Stapel von Zellen und einen zweiten Stapel von Zellen zu bilden; und eine thermomechanische Sicherung, die den ersten und den zweiten Stapel von Zellen thermisch verbindet und/oder das Batteriegehäuse thermisch abdichtet, wobei die thermomechanische Sicherung ein dielektrisches Material enthält, das so konfiguriert ist, dass es bei einer vordefinierten kritischen Temperatur einen Verfall und/oder eine Verformung erfährt und dadurch den ersten Stapel von Zellen von dem zweiten Stapel von Zellen thermisch trennt und/oder das Batteriegehäuse thermisch entsiegelt.
Batteriebaugruppe nach Anspruch 1, wobei das Batteriegehäuse eine Kühlplatte aufweist, auf der die Vielzahl von Batteriezellen getragen ist, und wobei die thermomechanische Sicherung an der Kühlplatte angebracht ist.
Batteriebaugruppe nach Anspruch 2, wobei die thermomechanische Sicherung zumindest teilweise darauf den ersten und zweiten Stapel von Zellen trägt.
Batteriebaugruppe nach Anspruch 2, wobei die Kühlplatte durch sie hindurch einen länglichen Schlitz definiert, der sich zwischen dem ersten und dem zweiten Stapel von Zellen befindet, und wobei die thermomechanische Sicherung innerhalb des länglichen Schlitzes angebracht ist.
Batteriebaugruppe nach Anspruch 4, wobei die thermomechanische Sicherung starr an der Kühlplatte befestigt ist und den länglichen Schlitz im Wesentlichen oder vollständig ausfüllt.
Batteriebaugruppe nach Anspruch 5, wobei sich die thermomechanische Sicherung durch den länglichen Schlitz hindurch erstreckt und in diesen eingepasst ist.
Batteriebaugruppe nach Anspruch 5, wobei die thermomechanische Sicherung im Wesentlichen mit einer oder beiden gegenüberliegenden Flächen der Kühlplatte bündig ist.
Batteriebaugruppe nach Anspruch 2, wobei sich die thermomechanische Sicherung über eine Außenfläche der Kühlplatte erstreckt und diese abdeckt.
Batteriebaugruppe nach Anspruch 8, wobei sich die thermomechanische Sicherung über eine Innenfläche der Kühlplatte gegenüber der Außenfläche erstreckt und diese abdeckt.
Batteriebaugruppe nach Anspruch 2, wobei die Kühlplatte durch sie hindurch eine Reihe von zueinander parallelen, länglichen Schlitzen definiert, und wobei die thermomechanische Sicherung eine Reihe von zueinander parallelen, länglichen thermomechanischen Sicherungen umfasst, die jeweils in einem entsprechenden der länglichen Schlitze angebracht sind.