具有安全段的电池组模块、电池包和电动车辆的制作方法
【专利说明】具有安全段的电池组模块、电池包和电动车辆
[0001] 本发明涉及具有电池组模块外壳的电池组模块，其中该电池组模块外壳包围电池 组模块内室且其中该电池组模块外壳在电池组模块内室侧上具有用于给定数量的电池组 电池的容置空间（Aufnahme)。本发明还涉及具有电池包外壳的电池包，其中该电池包外壳 包围电池包内室且其中该电池包外壳在电池包内室侧上具有至少一个用于电池组模块的 容置空间。最后，本发明还涉及电动车辆。
[0002] 上述类型的电池组模块和电池包越来越多地用作电动车辆中的储能器装置。电动 车辆具有单独或-在所谓的混合电动车的情况下-与燃料发动机组合着驱动车辆的电 动机，以及用于储存运行电动机所需的能量的多个电池组电池。为了能在电池组电池必须 再充电之前实现尽可能大的里程(Fahrleistung)，通常将具有高的总容量的大量电池组电 池集成到车辆中。在本情况下，电池组电池尤其被理解为是指可充电电池组电池，即蓄电 池。
[0003] 通常合并给定数量的电池组电池以形成电池组模块，其中电池组电池被电池组模 块外壳包围。通常也合并多个这样的电池组模块以形成电池包，然后将其安装到电动车辆 中。
[0004] 在电动车辆的情况下，为了使电池组电池或电池组模块或电池包的尺寸和重量保 持为尽可能小，表现出对高装载空间和尽可能高的有效荷载和同时低消耗的需要。因此，优 选使用具有高储能密度的电池组电池，特别例如锂离子蓄电池。
[0005] 但是，由于它们的高能量密度，这些电池组电池还对车辆造成潜在危险。在电池组 电池损坏和/或短路(例如由于碰撞）的情况下，可能从电池组电池中窜出热焰。这种火焰会 造成车辆火灾和甚至车辆爆炸。特别地，电池组电池在电池组模块内的紧密堆积会导致来 自一个电池组电池的火焰同样破坏其它电池组电池，由此似乎可导致连锁反应，对车辆和 可能对其乘员带来致命后果。
[0006] 为了防止从受损电池组电池中不受控地窜出火焰，现有技术中已知的电池组电池 部分地具有指定断裂点（Sollbruchstelle)，以致在短路的情况下火焰不以任意方向而是 以该指定断裂点预定的方向从电池组电池中窜出。通常，这样的指定断裂点位于各电池组 电池的底部区域中，以使火焰有目标性地向下从电池组电池中窜出。由此可以例如降低相 邻单电池也被侧向窜出的火焰束破坏和尤其点燃的风险。
[0007] 为了进一步降低来自电池组电池的潜在危险，在现有技术中通常使电池组电池周 围的电池组模块外壳和电池组模块外壳周围的电池包外壳足够刚性和坚固以使电池组电 池在碰撞事故中保持尽可能无损。为此，电池组模块外壳和电池包外壳通常由厚金属板，尤 其是钢板制成，以如同在某种保险柜中那样保护电池组电池免受可能的碰撞。
[0008] 但是，这些钢外壳具有重且昂贵并因此降低电动车辆经济可行性的缺点。此外，某 些钢外壳，尤其是为优化重量而具有较薄设计的钢外壳已被发现不足以在碰撞事故中充分 保护电池组电池。
[0009] 钢外壳的另一缺点在于，在外壳内的电池组电池受损的情况下，从该电池组电池 中窜出的火焰可显著加热电池组模块内室。因此破坏其它电池组电池，以致会造成电池组 电池的可怕的连锁反应。
[0010]由这种现有技术出发，本发明的目的是改进电池组模块，例如电动车辆的电池组 模块的运行安全性并同时降低或避免又重又昂贵的钢外壳的缺点。
[0011]根据本发明，在具有电池组模块外壳的电池组模块中，其中所述电池组模块外壳 包围电池组模块内室且其中所述电池组模块外壳在电池组模块内室侧上具有用于给定数 量的电池组电池的容置空间，所述目的至少部分通过使所述电池组模块外壳在至少一个容 置空间的区域中包含安全壁段得以实现，其材料性质和厚度使得所述安全壁段在根据DIN EN ISO 11925-2的针焰试验中在最多45秒，优选最多20秒，更优选最多10秒，尤其最多5秒 后烧穿。
[0012]安全壁段在针焰试验中在最多45秒，优选最多20秒，更优选最多10秒，尤其最多5 秒后，即在使用特定火焰的最大燃烧时间后烧穿时，在该安全壁段中并因此在电池组模块 外壳中形成开口。
[0013] 在至少一个容置空间的区域中，通过提供这样的安全壁段因此实现：电池组模块 外壳在电池组电池发生故障的情况下经由从该电池组电池中窜出的火焰而足够快速烧穿， 以使由该火焰释放的能量可通过由此在电池组模块外壳中形成的开口逸出该电池组模块。
[0014] 从故障电池组电池，尤其从锂离子电池组电池中窜出的火焰通常具有比根据DIN EN I SO 11925-2的针焰试验中的火焰更高的温度，例如600 °C或更高的温度。已经发现，在 针焰试验中在最多45秒，优选最多20秒，更优选最多10秒，尤其最多5秒后烧穿的安全壁段 在被施以从电池组电池中窜出的典型火焰时实现几秒，尤其最多4秒，尤其最多3秒的烧穿 时间，以在出现火焰后几秒内在安全壁段中并因此在电池组模块外壳中形成开口，以使该 火焰的能量可从电池组模块外壳中逸出。
[0015]以安全壁段的形式，该电池组模块因此有效地具有指定断裂点，火焰的作用在最 多几秒后在此形成开口，火焰可从中窜出电池组模块。火焰的受控转向尤其可降低火焰窜 向相邻电池组电池或由于电池组模块内室过度变热而损坏相邻电池组电池并因此发生其 它电池组电池的连锁故障反应的风险。
[0016] 在本发明中，尤其已经发现，当安全壁段在针焰试验中具有上述最大烧穿时间以 使该电池组模块外壳在出现火焰后最多几秒就在受损电池组电池的区域中具有开口时，可 以可靠防止火焰蔓延或电池组模块内室过度变热。与电池组模块外壳中的永久开口相比， 提供安全壁段的另外优点是仍可靠地保护在正常运行下，即在电池组电池的适当工作下的 电池组电池免受外部影响并能在封闭外壳中冷却电池组电池。
[0017] 优选可以在电池组电池的多个容置空间的区域中，尤其在所有容置空间的区域中 提供相应的安全壁段。为此，可以例如提供多个安全段或一个或多个相联的更大安全壁段， 它们遍及几个容置空间，尤其是遍及电池组模块外壳的所有容置空间。
[0018] 该安全壁段的材料性质和厚度优选使得该安全壁段在施以温度为至少600°C的火 焰时在最多5,优选最多4,尤其最多3秒后烧穿，以在电池组模块外壳中的这一区域中形成 开口。所示的该火焰温度是该火焰在安全壁段表面处的温度。
[0019] 在电池组模块外壳中的这一区域中形成的开口被理解为是指贯穿整个电池组模 块外壳壁的连续开口，以将从设置在相应容置空间中的电池组电池中窜出的火焰的能量导 出电池组模块外壳。
[0020] 在安全壁段中形成的开口优选具有至少5毫米，尤其是至少10毫米的直径。
[0021] 该安全壁段的直径优选最大25毫米。该安全壁段的面积优选为最大800平方毫米 和/或所述电池组模块外壳的总面积的优选小于20%，更优选小于12%制造为安全壁段。
[0022] 在本发明的电池组模块中，电池组模块外壳在电池组模块内室侧上，即在电池组 模块外壳的内侧上具有用于给定数量的电池组电池的容置空间。
[0023] 电池组模块，尤其是电动车辆的电池组模块通常具有集成到该电池组模块中的给 定数量的电池组电池。通常，电池组电池串联在电池组模块中，因此电池组模块的输出电压 是电池组电池电压和串联的电池组电池数的乘积。由于电池组模块必须具有给定的输出电 压，这也预定电池组模块中的电池组电池数。相应地，调节电池组模块的尺寸以使其可容纳 给定数量的电池组电池。典型的电池组模块具有例如8至36,尤其是12至36个电池组电池。
[0024] 尤其设计电池组模块内室中的电池组电池的容置空间以使该容置空间可容置电 池组电池，例如18650型电池组电池。这种类型是具有大约18.6毫米的直径和大约65.2毫米 的高度的基本圆柱形电池组电池。适应这些电池组电池的容置空间可具有例如圆形容置 区，其直径比18.6毫米的电池组电池直径大一定的过盈量。
[0025] 除18650型电池组电池外，该电池组模块也可以设计用于其它类型的电池组电池， 例如符合下列类型之一的电池组电池：10180、10280、10440、14250、14500、14560、15270、 16340、17340、17500、17670、18350、18500、19670、25500、26650 或 32600。为此，该容置空间 可具有例如比相应类型的电池组电池大一定的过盈量的直径。此外，该电池组模块也可以 设计用于所谓的咖啡袋电池组电池，即扁平矩形电池组电池。
[0026] 优选配置容置空间以使电池组电池可通过形状配合和/或力配合方式固定在该容 置空间中，以防止电池组电池在正常运行中滑动或移动。此外，该容置空间可具有用于将电 池组电池电连接，尤其用于将其与其它电池组电池串联的连接件。
[0027] 在该电池组模块的一个实施方案中，在设计成容置电池组电池的底面的容置空间 区域中设置安全壁段。
[0028]电池组电池，尤其是锂离子蓄电池（例如18650型）中的指定断裂点通常设置在电 池组电池的底面上，以在受损时使火焰有目标地从电池组电池底侧窜出。通过在设计成容 置电池组电池的底面的容置空间区域中设置安全壁段，使安全壁段的位置与这些类型的电 池组电池相匹配，以使从该电池组电池中窜出的火焰直接冲击安全壁段，然后在给定时间 内将其烧穿。
[0029] 设计成容置电池组电池的底面的容置空间区域优选具有优选基本圆形横截面的 凹槽或边界以容置电池组电池，尤其是容置常用的圆柱形电池组电池。
[0030] 在该电池组模块的另一实施方案中，将该安全壁段设置在设计成容置电池组电池 的边缘区域的容置空间区域中。这一实施方案尤其适用于所谓的咖啡袋电池组电池，其通 常在边缘区域处具有用于在受损时使火焰窜出的指定断裂点。
[0031] 在该电池组模块的一个实施方案中，至少所述安全壁段，优选整个电池组模块外 壳或基本整个电池组模块外壳包含阻燃材料，尤其是阻燃塑料。
[0032] 阻燃材料，尤其是阻燃塑料在本情况中被理解为是指当火焰作用于其上时虽然可 熔融并任选甚至燃烧但在火焰熄灭时不进一步燃烧的材料。通过使用这种材料，可防止安 全段或电池组模块外壳在从电池组电池中窜出的火焰熄灭后进一步燃烧。这可防止火焰蔓 延。特别地，阻燃材料在本情况中被理解为是指符合UL 94-V(杆)试验的前提条件的材料。 UL 94-V(杆）试验是来自UL 94规程的美国保险商实验室的试验（"Tests for Flammability of Plastic Materials for Parts in Devices and Applications''）。该 阻燃材料优选符合UL 94-V(杆)试验中的V-2等级，优选V-l等级，尤其是V-0等级。
[0033]安全壁段所含的材料，尤其是阻燃材料优选符合UL 94-5VB(板)试验中的5VB等 级，并形成烧蚀孔。
[0034] DIN EN 60695-11-10和DIN EN 60695-11-20也相应地公开上述UL试验。
[0035] 在该电池组模块的另一实施方案中，至少所述安全壁段，优选整个电池组模块外 壳或基本整个电池组模块外壳包含聚碳酸酯材料。
[0036] 聚碳酸酯材料以良好的弹性和高韧度为特征，尤其在用于电动车辆的情况下完全 也可出现的低至_30°C的低温下也如此。此外，可以为聚碳酸酯材料提供良好的阻燃性。
[0037] 本情况中可用的聚碳酸酯材料尤其是包含下列组分的聚碳酸酯组合物 A) 70.0至90.0重量份，优选75.0至88.0重量份，更优选77.0至85.0重量份(基于组分A + B + C的重量份的总和计）的直链和/或支化芳族聚碳酸酯和/或芳族聚酯碳酸酯， B) 6.0至15.0重量份，优选7.0至13.0重量份，更优选9.0至11.0重量份(基于组分A + B + C的重量份的总和计)的至少一种接枝聚合物，其包含 B. 1) 5重量%至40重量％，优选5重量%至30重量％，更优选10重量%至20重量％(在每种情 况下基于接枝聚合物B计)的由至少一种乙烯基单体制成的壳和 B.2) 95重量%至60重量％，优选95重量%至70重量％，更优选80重量%至90重量％(在每种 情况下基于接枝聚合物B计)的一种或多种由娃酮-丙稀酸酯复合橡胶制成的接枝基底， C) 2.0至15.0重量份，优选3.0至13.0重量份，更优选4.0至11.0重量份(基于组分A + B + C的重量份的总和计）的选自单体和低聚磷酸酯和膦酸酯、膦酸酯胺、磷腈和次膦酸盐 的磷化合物，其中也可以使用选自这些类别之一或各类的多种组分的混合物作为阻燃剂， D) 0至3.0重量份，优选0.01至1.00重量份，更优选0.1至0.6重量份(基于组分A + B + C的重量份的总和计）的防滴落剂(Antitropfmitte 1)， E) 0-3.0重量份，优选0至1.0重量份(基于组分A + B + C的重量份的总和计）的热塑 性乙烯基(共）聚合物(E.1)和/或聚对苯二甲酸亚烷基酯(E. 2)，所述组合物特别优选不含 热塑性乙烯基(共)聚合物(E.1)和/或聚对苯二甲酸亚烷基酯(E.2)，和 F) 0至20.0重量份，优选0.1至10.0重量份，更优选0.2至5.0重量份(基于组分A + B + C的重量份的总和计）的其它添加剂， 其中所述组合物优选不含无橡胶的聚(烷基)丙烯酸烷基酯，且其中将本申请中的所有 重量份数据标准化以使所述组合物中的组分A + B + C的重量份的总和合计为100。
[0038] 本情况中此外可用的聚碳酸酯材料尤其是含有下列组分的聚碳酸酯组合物， A) 70.0至90.0重量份，优选75.0至88.0重量份，更优选77.0至85.0重量份(基于组分A + B* + C的重量份的总和计）的直链和/或支化芳族聚碳酸酯和/或芳族聚酯碳酸酯， B) 6.0至15.0重量份，优选7.0至13.0重量份，更优选9.0至11.0重量份(基于组分A + B* + C的重量份的总和计)的至少一种接枝聚合物，其包含 B*. 1) 5至95,优选30至80重量份的下列组分的混合物 B*. 1.1) 50至95重量份的苯乙烯、a-甲基苯乙烯、在环上甲基取代的苯乙烯、甲基丙烯 酸心-至c8-烷基酯，尤其是甲基丙烯酸甲酯，丙烯SCi-至c8-烷基酯，尤其是丙烯酸甲酯或 这些化合物的混合物，和 B*. 1.2) 5至50重量份的丙烯腈、甲基丙烯腈、甲基丙烯酸&-至C8-烷基酯，尤其是甲 基丙烯酸甲酯，丙烯酸心-至C8-烷基酯，尤其是丙烯酸甲酯，马来酸酐、N-Q-至C4-烷基-或 N-苯基-取代的马来酰亚胺或这些化合物的混合物，其接枝到 B*. 2) 5至95，优选20至70重量份的含橡胶的基于丁二烯或丙烯酸酯的接枝基底上