DE102008055161A1

DE102008055161A1 - Batteriemodul

Info

Publication number: DE102008055161A1
Application number: DE200810055161
Authority: DE
Inventors: Niko Dorsch
Original assignee: Robert Bosch GmbH
Current assignee: Robert Bosch GmbH
Priority date: 2008-12-29
Filing date: 2008-12-29
Publication date: 2010-07-01
Also published as: WO2010076053A1

Abstract

Die Erfindung betrifft ein Batteriemodul (10) mit einem Batteriegehäuse (15), in dem mindestens eine Batteriezelle (20) aufgenommen ist, wobei die Batteriezelle (20) mindestens einen Schichtaufbau aus einer Kathode (22), einer Anode (24) und einem Separatorelement aufweist. Es ist vorgesehen, dass der Schichtaufbau der Batteriezelle (20) mindestens ein weiteres deformierbares Schichtelement (30) umfasst.

Description

Die Erfindung betrifft ein Batteriemodul mit einem Batteriegehäuse in dem mindestens eine Batteriezelle aufgenommen ist.
Stand der Technik
Ein derartiges Batteriemodul ist bekannt und wird vermehrt bei Fahrzeugen, insbesondere in Hybrid- und Elektrofahrzeugen, und stationären Anwendungen, wie beispielsweise Windkraftanlagen verwendet. Dabei umfasst der Begriff Batteriemodul auch Akkumulatoren, welche über viele Zyklen elektrisch geladen und wieder entladen werden können, wobei das Batteriemodul aus einzelnen Zellen, den Batteriezellen, die eine für die verwendete Materialkombination der Zelle charakteristische Spannung liefern, besteht. Um aus diesen Batteriezellen ein Batteriemodul aufzubauen, die die geforderten Leistungs- und Energiemengen liefern kann, werden die einzelnen Batteriezellen elektrisch in Serie und/oder parallel geschaltet. Ein Batteriemodul umfasst dabei mehrere miteinander elektrisch verschalteter Batteriezellen. Zwischen den einzelnen Batteriezellen befindet sich in der Regel eine Radiatorplatte, welche einen batterieinternen Wärmetransfer zwischen den Batteriezellen und einer Wärmetransporteinrichtung ermöglicht, wobei die Wärmetransporteinrichtung eine das Batteriemodul als ganzem zugeordnete Einrichtung zur Zufuhr von Wärme zu den Batteriezellen und/oder zur Abfuhr der Wärme von der Batteriezellen ist. Beim Auf- und Entladen der einzelnen Batteriezellen kommt es je nach Ladezustand zu einer Ausdehnung, bzw. zu einer Stauchung der Kathoden- und Anodenmaterialien und damit zu Verspannungen innerhalb des Batteriemoduls. Aufgrund dessen werden bei der Nutzung von Batteriemodulen in stationären Anwendungen, wie beispielsweise Windkraftanlagen, als auch bei deren Verwendung in Fahrzeugen, wie Hybrid- und/oder Elektrofahrzeugen, hohe Anforderungen an die Vorspannung der Batteriezellen innerhalb eines Batteriemoduls gestellt.
Offenbarung der Erfindung
Die Lösung der Aufgabe erfolgt erfindungsgemäß durch ein Batteriemodul mit den Merkmalen des Anspruchs 1. Vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung sind in den Unteransprüchen angegeben.
Das erfindungsgemäße Batteriemodul umfasst ein Batteriegehäuse in dem mindestens eine Batteriezelle aufgenommen ist, wobei die Batteriezelle mindestens einen Schichtaufbau aus einer Kathode, einer Anode und einem Separatorelement aufweist. Dabei ist vorgesehen, dass der Schichtaufbau der Batteriezelle mindestens ein weiteres deformierbares Schichtelement aufweist.
Das Batteriemodul ist vorzugsweise eine wiederaufladbare Batterie (der Akkumulator), wobei diese ein über viele Zyklen elektrisch ladbarer und wieder entladbarer elektrischer Energiespeicher ist, der einzelne galvanische Zellen, die Batteriezellen, aufweist, die eine für die verwendete Materialkombination der jeweiligen Zelle charakteristische Spannung liefern. Um eine geforderte Leistungs- und Energiekapazität der Batterie zu erreichen, werden die einzelnen Batteriezellen elektrisch in Serie und/oder parallel geschaltet. Ein kompaktes Batteriemodul umfasst dabei mehrere miteinander elektrisch verschalteter Batteriezellen, wobei die einzelne Batteriezelle die kleinste Elemente-Einheit der Batterie ist. Das Batteriegehäuse ist insbesondere als eine das Batteriemodul vollumfänglich umgebende Wärmetransferhülse ausgebildet, so dass das Batteriegehäuse eine Art Spannhülse zur Verwirklichung einer als Pressverband ausgebildeten Verbindung zwischen den einzelnen Batteriezellen, den Radiatorplatten und dem Batteriegehäuse ausbildet. Durch das Einbringen eines erfindungsgemäßen deformierbaren Schichtelementes in den Schichtaufbau der Batteriezellen, wird das mechanische Vorspannen der Batteriezellen innerhalb des Batteriemoduls vereinfacht. Die geringe Steifigkeit des Schichtelementes führt dazu, dass die Gesamtsteifigkeit des Batteriemoduls, bzw. der einzelnen Batteriezellen abnimmt und eine eventuell auftretende Dehnung, bzw. Stauchung der Kathoden und Anodenmaterialien durch die Batteriezellen, bzw. das Batteriemodul selbst kom pensiert werden kann. Zusätzliche Spannvorrichtung, bzw. eine aufwendig eingestellt Vorspannung der einzelnen Batteriezellen, bzw. des Batteriemoduls sind somit nicht mehr notwendig. Hinzu kommt, dass durch den beim Einbauen der Batteriezellen entstehenden Grunddruck und den durch das deformierbare Schichtelement entstehenden selbst kompensierenden Druck im Kontaktbereich zwischen dem Batteriezellen und den Radiatorplatten ist der thermische Übergangswiderstand zwischen den Radiatorplatten und den Batteriezellen gering.
Der von dem Schichtelement erzeugte Spanndruck ist dabei bevorzugt so auf die Wärmeausdehnung der Batteriezellen und der Radiatorplatten abgestimmt, dass er im gesamten Temperatur-Arbeitsbereich des Batteriemoduls aufrechterhalten bleibt. Die Radiatorplatten bestehen dabei – zumindest teilweise – aus einem Material mit hoher thermischer Leitfähigkeit, vorzugsweise einem Metall mit geringem elektrischem Widerstand. Dieses Metall ist insbesondere Kupfer oder Aluminium.
Die Batteriezelle weist bevorzugt eine Mantelfolie auf, in welche der Schichtaufbau von Kathode, Anode und Separatorelement verschweißt werden kann. Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung ist dabei vorgesehen, dass der Schichtaufbau der jeweiligen Batteriezelle eine Mehrzahl von Schichten aus Kathode, Anode und Separatorelement aufweist, wobei vorteilhafterweise auch eine Mehrzahl von deformierbaren Schichtenelementen eingefügt werden kann. Alternativ kann vorgesehen sein, dass das deformierbare Schichtenelement direkt in die Mantelfolie integriert oder auf diese aufbringbar ist, so dass sowohl Volumen und/oder Gewicht eingespart werden kann.
Ferner ist denkbar, dass das deformierbare Schichtenelement selber eine deformierbare Folie und/oder ein Schaumstoff und/oder ein Federelement ist, welche in das Batteriemodul eingebracht wird, um Ausdehnungen, bzw. Stauchungen zu kompensieren.
Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung ist vorgesehen, dass das Batteriemodul mehrere prismatisches Batteriezellen aufweist, dabei sind die Batteriezellen vorzugsweise parallel zueinander ausgerichtet und bilden einen Stapel, wobei zwischen jeweils zwei benachbarten Batteriezellen eine Radiatorplatte angeordnet ist. Das Verspannen ist insbesondere ein leichtes Verspannen der Batteriezellen in dem Batteriegehäuse durch ein beidseitiges Druckausüben in Stapelrichtung der Batteriezellen. Das zusätzliche Einbringen der deformierbaren Schichtelemente verleiht den Batteriezellen zusätzliche Spannung, bzw. Entlastung, so dass einer Verschlechterung der Batterieeigenschaften aufgrund des wiederholten Aufladens und Entladens der Batterie, bzw. der Volumenzunahme und Volumenabnahme innerhalb der Batteriezelle entgegengewirkt werden kann.
Die Radiatorplatten ermöglichen einen Batterieinternen Wärmetransfer zwischen den Batteriezellen und der Wärmetransporteinrichtung, wobei die Wärmetransporteinrichtung eine der Batterie als ganze zugeordnete Einrichtung zur Zufuhr von Wärme zu der Batterie und/oder zur Abfuhr der Wärme von der Batterie ist.
Die Struktur des Batteriemoduls, welche insgesamt gesehen die notwendige Vorspannung der einzelnen Batteriezellen innerhalb des Batteriegehäuses vermindert, erlaubt eine zusätzlich Gestaltungsauswahl bei der Wahl des Materials für das Batteriegehäuse. Da diese nicht mehr soviel Vorspanndruck aufbauen müssen und zusätzlich auftretender Druck innerhalb der Batteriezellen durch die deformierbaren Schichtelemente kompensiert werden kann, ist es möglich auch leichtere und dünner Materialien, wie beispielsweise Kunststoffe, zu verwenden. Weitere Materialien für das Batteriemodul können insbesondere Harzmaterialien, Metalle oder Legierungen sein, welche unter Berücksichtigung der auftretenden Kräfte, des Gewichts, des Volumens und/oder der Leistungsfähigkeit individuell auswählbar sind.
Das Batteriemodul ist insbesondere ein Batteriemodul für ein Hybridfahrzeug und/oder ein Elektrofahrzeug, wobei bevorzugt eine Nickel-Metallhydrid-Batterie oder eine Lithium-Ionen-Batterie verwendet wird.
Nachfolgend wird die Erfindung unter Bezugnahme auf die anliegenden Zeichnungen näher erläutert. Dabei ist zu beachten, dass die Figuren nur einen beschreibenden Charakter haben und nicht dazu gedacht sind, die Erfindung in irgendeiner Form einzuschränken.
Es zeigen:
1 ein Batteriemodul mit prismatischen Batteriezellen gemäß einer ersten Ausführungsform der Erfindung;
1a eine Detailansicht des Ausschnittes A aus 1;
2 eine Batteriezelle mit einem Schichtaufbau und einer die Batteriezelle umgebenden Mantelfolie;
Die 1 zeigt ein Batteriemodul 10 mit fünf flach, bzw. prismatisch ausgebildeten Batteriezellen 20, welche von einem Batteriegehäuse 15 umgeben sind. Jedes der Batteriezellen 20 weist einen in 1 nicht im Einzelnen dargestellten Schichtaufbau aus mindestens einer Kathode, einer Anode und einem Separatorelement auf und wird durch eine Radiatorplatte 12 zur Wärmeabfuhr von der jeweils benachbarten Batteriezelle 20 und dem Batteriegehäuse 15 getrennt. Die Radiatorplatten 12 und die flach, bzw. prismatischen Batteriezellen 20 bilden das Batteriemodul 10, wobei zwischen jeweils zwei benachbarten Batteriezellen 20 eine Radiatorplatte 12 angeordnet ist. Das Batteriemodul 10 besteht aus alternierend angeordneten Radiatorplatten 12 und Batteriezellen 20, wobei die Stapelfolge jeweils mit einer Radiatorplatte 12 beginnt und einer Radiatorplatte 12 endet. Dabei ist jede Seitenflächen einer Batteriezelle 20 – zumindest bereichsweise – in thermischem Kontakt mit einer zugeordneten Seitenfläche der als Wärmetransportelement ausgebildeten Radiatorplatten 12. Dieser thermische Kontakt ist ein direkter Kontakt oder ein Kontakt über ein zusätzliches elektrisch isolierendes Wärmeleitelement, welches zwischen den einander gegenüberliegenden Seitenflächen der Batteriezellen 20 und der Radiatorplatte 12 angeordnet ist.
Jede der Radiatorplatten 12 ist an ihrem einen Ende mit einem parallel zur Stapelrichtung verlaufenden Teil einer Wärmetransporteinrichtung (nicht dargestellt) verbunden. Durch diese Verbindungen der Radiatorplatten 12 mit der Wärmetransporteinrichtung sind diese beiden Komponenten thermisch miteinander in Kontakt. Dabei kann die Wärmetransporteinrichtung gleichzeitig ein Batteriesockel ausbilden, bzw. direkt in das Batteriegehäuse 15 integriert sein und bevorzugt eine hohe Wärmekapazität aufweisen. Beim Auf- und Entladen des Batteriemoduls 10 kommt es je nach Ladezustand der einzelnen Batteriezellen 20 zu einer Ausdehnung, bzw. zu einer Stauchung der Kathoden- und Anodenmateria lien der jeweiligen Batteriezellen 20 und damit zu Verspannungen. Erfindungsgemäß ist vorgesehen, dass in den der Schichtaufbau der Batteriezelle 20 mindestens ein weiteres deformierbares Schichtelement 30 eingefügt wird. 1a zeigt eine Detailansicht des Ausschnitts A aus der 1 und veranschaulicht eine möglich Position, in der das deformierbare Schichtelement 30 in die Batteriezelle 20 eingefügt werden kann. Dabei ist das Schichtelement 30 in den Schichtaufbau der Batteriezelle 20 im Wesentlichen benachbart zu einer Radiatorplatten 12 eingebracht. Durch die geringe Steifigkeit des deformierbaren Schichtelementes 30 wird die Gesamtsteifigkeit der einzelnen Batteriezelle 20 reduziert, so dass eine Dehnung, bzw. Stauchung der Kathoden- und Anodenmaterialien durch die Batteriezelle 20 selber kompensiert werden kann.
Wie in 2 dargestellt, ist auch eine Stapelung von mehreren abwechselnden Schichten aus Kathoden 22, Anoden 24 und Separatorelementen (nicht dargestellt) denkbar. Dabei kann das deformierbare Schichtelement 30 zusätzlich auf die Stapelung aufgelegt und zusammen mit diesen in eine Mantelfolie 28 eingeschweißt werden, wobei das Schichtelement 30 vorzugsweise einen geringen E-Modul und eine hohe Kompressibilität aufweist. Insbesondere kann das Schichtelement 30 aus einer deformierbaren Folie oder einem Schaumstoff sein, der nicht mit den Batterieelektrolyten reagieren darf. Auch durch diese Anordnung wird die Gesamtsteifigkeit der einzelnen Batteriezelle 20 reduziert, so dass eine Dehnung der Kathoden- und Anodenmaterialien durch die Batteriezelle 20 selber kompensiert werden kann. Dabei ist unerheblich, ob das deformierbare Schichtelement 30 sich, wie in 2 dargestellt, innerhalb der Batteriezelle 20 befindet oder unmittelbar in die Mantelfolie 28 integriert ist (nicht dargestellt).
Es ergibt sich folgende Funktion: Durch das deformierbare Schichtelement 30 kann die mechanische Vorspannung der Batteriezellen 20 leichter eingestellt werden, so das Dehnungen, bzw. Stauchungen innerhalb einzelner Batteriezellen 20 und innerhalb eines Batteriemoduls 10 ausgeglichen werden können und sich auf diese Weise immer eine gute thermische Anbindung zwischen den Radiatorplatten 12 und den Batteriezellen 20 ergibt. Die im Betrieb des Batteriemoduls 10 entstehende Abwärme der Batteriezellen 20 wird über die Radiatorplatten 12 und deren Verbindung zu der Wärmetransporteinrichtung übertragen. Auf diese Weise sind die Radiatorplatten 12 untereinander thermisch gut leitend verbunden, wodurch erreicht wird, dass alle Batteriezellen 20 des Batteriemoduls 10 nahezu die gleiche Temperatur aufweisen und der Temperaturunterschied zwischen der Batteriezellen 20 und der Wärmetransporteinrichtung und auch der einzelnen Seitenflächen untereinander im gesamten Arbeits-Temperaturbereich des Batteriemoduls 10 nur wenige Kelvin (K) beträgt.

Claims

Batteriemodul (10) umfassend ein Batteriegehäuse (15) in dem mindestens eine Batteriezelle (20) aufgenommen ist, wobei die Batteriezelle (20) mindestens einen Schichtaufbau aus einer Kathode (22), einer Anode (24) und einem Separatorelement aufweist, dadurch gekennzeichnet, dass der Schichtaufbau der Batteriezelle (20) mindestens ein weiteres deformierbares Schichtelement (30) aufweist.
Batteriemodul (10) nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Batteriezelle (20) eine Mantelfolie (28) aufweist.
Batteriemodul (10) nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass der Schichtaufbau der Batteriezelle (20) eine Mehrzahl von Schichten aus einer Kathode (22), einer Anode (24), und einem Separatorelement aufweist.
Batteriemodul (10) nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Batteriezelle (20) eine Mehrzahl von deformierbaren Schichtenelementen (30) aufweist.
Batteriemodul (10) nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass das deformierbare Schichtenelement (30) in die Mantelfolie (28) integriert ist.
Batteriemodul (10) nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass das deformierbare Schichtenelement (30) auf die Mantelfolie (28) aufbringbar ist.
Batteriemodul (10) nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass das deformierbare Schichtenelement (30) eine Folie ist.
Batteriemodul (10) nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass das deformierbare Schichtenelement (30) ein Schaumstoff ist.
Batteriemodul (10) nach einem der vorhergehenden Ansprüchen, dadurch gekennzeichnet, dass das Batteriemodul (10) mehrere prismatische Batteriezellen (20) aufweist.
Batteriemodul (10) nach einem der vorhergehenden Ansprüchen, dadurch gekennzeichnet, dass das Batteriemodul (10) eine Batterie für ein Hybridfahrzeug und/oder ein Elektrofahrzeug ist.
Batteriemodul (10) nach einem der vorhergehenden Ansprüchen, dadurch gekennzeichnet, dass das Batteriemodul (10) eine Nickel-Metallhydrid-Batterie oder eine Lithium-Ionen-Batterie ist.