DE102008057430A1

DE102008057430A1 - Batteriesystem

Info

Publication number: DE102008057430A1
Application number: DE200810057430
Authority: DE
Inventors: Ralf Bauer
Original assignee: Dr Ing HCF Porsche AG
Current assignee: Dr Ing HCF Porsche AG
Priority date: 2008-11-07
Filing date: 2008-11-07
Publication date: 2010-05-12
Also published as: FR2938377A1; FR2938377B1; US8728649B2; US20100119927A1; JP2010114077A

Abstract

Ein Batteriesystem, umfassend wenigstens eine Zelle mit einer benachbarten temperaturausgleichenden Struktur, die abwechselnd mit den Zellen vorgesehen und zum Durchtritt eines wärme- und/oder kältetragenden Mediums ausgebildet ist, ist dadurch gekennzeichnet, dass die Zellen als Einzelzellen (1, 1', 1") und die temperaturausgleichenden Strukturen als herkömmliche Wellpappe (2a, 2b, 2c, 2d, 2e, 2'a, 2'b, 2'c, 2'd, 2'e), mit zwei Deckschichten und wenigstens einer dazwischen angeordneten Welle zum Durchtritt der Luft, ausgebildet sind.

Description

Die Erfindung betrifft ein Batteriesystem nach dem Oberbegriff des Anspruchs 1.
Derartige Batteriesysteme umfassen Einzelzellen, beispielsweise Lithium-Ionen- oder Lithium-Polymer-Akkuzellen, die in eine widerstandsfähige Kunststofffolie gasdicht eingeschweißt sind und elektrische Kontakte aufweisen. Durch Aneinanderreihung mehrerer Einzelzellen mit Reihen- oder Parallelschaltung der elektrischen Kontakte werden aus den Einzelzellen dann ein oder mehrere Zellenstapel gebildet.
Um eine Gasbildung im Innern einer Zelle zu vermeiden, muss auf diese ein bestimmter Mindestdruck einwirken. Zudem ist die beim Laden und Entladen der Zelle entstehende Eigenerwärmung abzuführen, um die empfindliche Zelle vor Beschädigungen durch zu hohe bzw. zu tiefe Temperaturen zu schützen. Da bei tiefen Temperaturen außerdem die Leistung einer derartigen Zelle stark zurückgeht, muss diese möglichst schnell auf Betriebstemperatur gebracht werden. Weiterhin sollte benachbart einer Zelle ein Temperatursensor vorgesehen werden können, zur Überwachung der jeweiligen Temperatur.
Bekannt ist es, zum Temperaturausgleich zwischen Einzelzellen jeweils Aluminiumbleche vorzusehen, zum Abführen der entstehenden Eigenerwärmung über Wärmesenken an einer Stirnseite der Aluminiumbleche. Für einen ausreichenden Wärmetransport sind dabei relativ dicke Aluminiumbleche notwendig, womit Gewicht und Größe des Zellenstapels nachteilig beeinflusst werden. Zudem ergeben sich beim Einsatz derartiger Zellenstapel in einem Kraftfahrzeug, aufgrund der mangelnden Absorbtionsmöglichkeit für Crashenergie, schlechte Crasheigenschaften.
Weiterhin sind zum Temperaturausgleich Abstandshalter bekannt, die zwischen den Einzelzellen vorgesehen sind und eine Durchströmung mit Luft ermöglichen. Derartige Abstandshalter ermöglichen jedoch keine gleichmäßige Einwirkung eines bestimmten Mindestdrucks auf die Einzelzellen. Zudem muss durch eine Abdichtung verhindert werden, dass der Luftstrom zur Seite hin entweicht.
Aus der gattungsbildenden US 7,264,902 ist sodann ein Batteriesystem bekannt, bei dem Zellenstapel aus mehreren Einzelzellen jeweils abwechselnd mit einer temperaturausgleichenden Struktur angeordnet sind, wobei die temperaturausgleichende Struktur von einem wärme- und/oder kältetragenden flüssigen Medium durchflossen wird. Diese Anordnung ermöglicht eine Kühlung der Zellenstapel anstelle der Einzelzellen, ist jedoch relativ aufwendig und teuer in der Herstellung und zudem mit zusätzlichem Gewicht verbunden.
Die Aufgabe der Erfindung besteht darin, das gattungsgemäße Batteriesystem kostengünstig weiterzubilden.
Die Aufgabe wird gelöst durch die Merkmale des Anspruchs 1. Die Unteransprüche betreffen vorteilhafte Aus- und Weiterbildungen der Erfindung.
Erfindungsgemäß sind die temperaturausgleichenden Strukturen als herkömmliche Wellpappe, mit zwei Deckschichten und wenigstens einer dazwischen angeordneten Welle zum Durchtritt eines wärme- und/oder kältetragenden Mediums, ausgebildet und jeweils abwechselnd mit den Einzelzellen angeordnet. Durch die Verwendung einer herkömmlichen Wellpappe als temperaturausgleichende Struktur ergibt sich ein besonders preiswertes Batteriesystem. Zudem bedingt die Verwendung herkömmlicher Wellpappe als temperaturausgleichende Struktur eine sehr geringe Gewichtszunahme bei ebenfalls sehr geringem zusätzlichen Volumen des Batteriesystems. Dennoch ist durch die spezielle Konstruktion von herkömmlicher Wellpappe eine sehr gleichmäßige Verteilung der Flächenpressung auf die Einzelzellen möglich. Weiterhin ergibt sich durch die Welle der herkömmlichen Wellpappe eine sehr gute Isolation der Einzelzellen voneinander, womit eine „thermische Kaskade” vermieden werden kann. Einen weiteren Vorteil stellen die sehr guten mechanischen Dämpfungseigenschaften der herkömmlichen Wellpappe dar, womit sich beispielsweise die Crasheigenschaften eines erfindungsgemäßen Batteriesystems in einem Kraftfahrzeug wesentlich verbessern. Zusammenfassend ergibt sich durch die Verwendung von herkömmlicher Wellpappe als temperaturausgleichender Struktur zwischen den Einzelzellen eines Batteriesystems eine besonders preiswerte Ausführung, die gleichzeitig allen geforderten Eigenschaften Rechnung trägt.
Mit anderen Worten wird als temperaturausgleichende Struktur nicht eine spezielle, teure Konstruktion zwischen den Zellenstapeln des Batteriesystems verwendet, sondern vielmehr ein billig hergestelltes Massenprodukt, in Form von herkömmlicher Wellpappe, zwischen den Einzelzellen des Batteriesystems. Neben einwelligen Ausführungen der herkömmlichen Wellpappe, d. h. einer einzelnen Welle zwischen einer Außen- und einer Innendeckschicht, sind auch mehrwellige herkömmliche Wellpappen möglich. Dabei sollen unter dem Begriff der herkömmlichen Wellpappe auch solche Massenprodukte verstanden werden, bei denen Wellen bzw. Deckschichten aus bearbeitetem, beispielsweise wachsgetränktem oder beschichtetem, Papier und/oder aus Kunststofffolie gefertigt sind. Derartige Ausführungen sind besonders dann geeignet, wenn als wärme- und/oder kältetragendes Medium eine Flüssigkeit, beispielsweise Wasser oder Öl, vorgesehen ist. Bei der Verwendung von Luft als wärme- und/oder kältetragendem Medium ist eine Ausführung der herkömmlichen Wellpappe aus Papier, insbesondere aus wachsgetränktem Papier zur Vermeidung negativer Auswirkungen von feuchter Luft, üblicherweise ausreichend. Es sind jeweils verschiedene Arten von Wellen verwendbar, wie beispielsweise Graphikwelle (Wellenhöhe kleiner 0,6 mm), Feinwelle (2,2 bis 3 mm Wellenhöhe) oder Grobwelle (4 bis 4,9 mm Wellenhöhe).
Die Erfindung wird nun anhand einer Zeichnung näher dargestellt. Dabei zeigt 1 eine erste Variante und 2 eine zweite Variante eines erfindungsgemäßen Batteriesystems, bei dem als wärme- und/oder kältetragendes Medium Luft verwendet wird.
Visualisiert sind jeweils Einzelzellen 1, 1', 1'', ... welche in einem schematisch angedeuteten Gehäuse 4 vorgesehen sind. Die Einzelzellen 1, 1', 1'', ... haben jeweilige Stirnflächen S und Längsflächen L und weisen weiterhin – nicht dargestellte – elektrische Kontakte zur Reihen- oder Parallelschaltung der Einzelzellen 1, 1', 1'', ... auf, zur Darstellung eines Zellenstapels des Batteriesystems. Zwischen den Einzelzellen 1, 1', 1'', ... und dem Gehäuse 4 sind jeweils verschiedene Elemente aus herkömmlicher Wellpappe vorgesehen die nachfolgend näher erläutert werden. Dabei ist eine Welle der herkömmlicher Wellpappe jeweils derart vorgesehen, dass Luft an einer Seite der herkömmlicher Wellpappe eintreten, entlang der Erstreckung einer Einzelzelle strömen und an der anderen Seite der herkömmlichen Wellpappe austreten kann. In den visualisierten ersten und zweiten Varianten ist die Strömungsrichtung der Luft beispielsweise senkrecht zur Zeichnungsebene vorgesehen. Hierfür sind geeignete – nicht dargestellte – Zu- und Abluftführungen beim Gehäuse 4 vorgesehen. Mithin fungieren die Elemente aus herkömmliche Wellpappe gleichzeitig als Abstandshalter zwischen den Einzelzellen 1, 1', 1'', ... sowie zur Übertragung einer geforderten Flächenpressung zur Vermeidung von Gasbildung im Innern einer Einzelzelle und außerdem als Führung für die entlang der Welle strömende Luft. Zudem bewirkt der konstruktive Aufbau von herkömmlicher Wellpappe eine gute Absorbtion von auftretenden Schlägen bzw. Stößen auf das dargestellte Batteriesystem.
Gemäß der in 2 dargestellten ersten Variante sind plattenförmige Elemente 2a, 2b, 2c, ... aus herkömmlicher Wellpappe vorgesehen, welche in etwa die Größe der Stirnfläche S einer benachbarten Einzelzelle 1, 1', 1'', ... aufweisen. Die Einzelzellen 1, 1', 1'', ... sind jeweils abwechselnd mit den plattenförmigen Elementen 2a, 2b, 2c, ... aus herkömmlicher Wellpappe angeordnet, zur Darstellung eines Zellenstapels des Batteriesystems. Zudem ist wenigstens ein weiteres plattenförmiges Element 2d, 2e aus herkömmliche Wellpappe vorgesehen das entlang von Längsflächen L der Einzelzellen läuft und etwa die Größe der Längserstreckung der abwechselnden Anordnung von herkömmlicher Wellpappe und Einzelzellen aufweist. Bevorzugt sind zwei weitere plattenförmige Elemente aus herkömmlicher Wellpappe 2d, 2e, zur Kompensation von Wärmeausdehnungen und Dämpfung von Stößen bzw. Schlägen, entlang beider Längsflächen L der Einzelzellen vorgesehen, also entlang der oberen und entlang der unteren Längsflächen.
Gemäß einer zweiten Variante ist eine mäanderförmige Struktur um die Einzelzellen 1, 1', 1'', ... herum vorgesehen, wobei die herkömmliche Wellpappe zwischen den Stirnflächen S der Einzelzellen 1, 1', 1'', ... geführt und jeweils abwechselnd an einer oberen bzw. unteren Längsfläche L einer Einzelzelle entlang vorgesehen ist. Dabei kann insbesondere die Verwendung einer langen, einstückigen Bahn von herkömmlicher Wellpappe vorgesehen sein. Auch möglich ist es, plattenförmige Elemente 2'a, 2'b, 2'c, ... aus herkömmlicher Wellpappe zwischen den Stirnflächen benachbarter Einzelzellen 1, 1', 1'', ... vorzusehen und dann abwechselnd an den oberen und unteren Längsflächen L von jeweiligen Einzelzellen 1, 1', 1'', ... weitere plattenförmige Elemente 2'd, 2'e, ... aus herkömmlicher Wellpappe. Dabei weisen die weiteren plattenförmigen Elemente 2'd, 2'e, ... in etwa eine Größe entsprechend der Längserstreckung einer jeweiligen Einzelzelle 1, 1', 1'', ... und zusätzlich der doppelten Dicke der verwendeten herkömmlichen Wellpappe auf, zur Umfassung einer jeweiligen Einzelzelle 1, 1', 1'', .... wie in 2 dargestellt. Dabei kann 2 auch entnommen werden, dass die Einzelzellen 1, 1', 1'', ... in dieser zweiten Variante jeweils geringfügig gegeneinander verschoben sind, nämlich um die jeweilige Dicke der weiteren plattenförmigen Elemente 2'd, 2'e, ... aus herkömmlicher Wellpappe.
Zur sicheren Übertragung einer Flächenpressung auf die Einzelzellen 1, 1', 1'', ... ist in beiden Variante jeweils ein elastisches Material 3 an wenigstens einer Stirnseite S einer Einzelzelle bzw. einem plattenförmigen Element aus herkömmlicher Wellpappe vorgesehen. Dieses elastische Material 3, beispielsweise Gummi, Schaumstoff oder ein Federmechanismus, ermöglichen eine zuverlässige Übertragung eines geforderten Mindestdrucks auf die abwechselnde Abfolge von Einzelzellen und herkömmlicher Wellpappe. Dabei sind die beiden dargestellten Variante des erfindungsgemäßen Batteriesystems lediglich beispielhaft zu verstehen, da entsprechende Abwandlungen und Kombinationen, insbesondere bei den dargelegten plattenförmigen Elementen aus herkömmlicher Wellpappe, möglich sind ohne den Rahmen der Erfindung zu verlassen.
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

- US 7264902 [0006]

Claims

Batteriesystem, umfassend wenigstens eine Zelle mit einer benachbarten temperaturausgleichenden Struktur die abwechselnd mit den Zellen vorgesehen und zum Durchtritt eines wärme- und/oder kältetragenden Mediums ausgebildet ist, dadurch gekennzeichnet, dass die Zellen als Einzelzellen (1, 1', 1'') und die temperaturausgleichenden Strukturen als herkömmliche Wellpappe (2a, 2b, 2c, 2d, 2e, 2'a, 2'b, 2'c, 2'd, 2'e), mit zwei Deckschichten und wenigstens einer dazwischen angeordneten Welle zum Durchtritt des Mediums, ausgebildet sind.
Batteriesystem nach Anspruch 1, wobei die herkömmliche Wellpappe (2a, 2b, 2c) plattenförmig mit etwa der Größe der Stirnfläche (S) einer benachbarten Einzelzelle vorgesehen ist.
Batteriesystem nach Anspruch 2, wobei wenigstens eine entlang der Längsflächen (1) der Einzelzellen entlanglaufende weitere plattenförmige herkömmliche Wellpappe (2d, 2e) mit etwa der Größe der Längserstreckung der abwechselnden Anordnung von herkömmlicher Wellpappe und Einzelzellen vorgesehen ist.
Batteriesystem nach Anspruch 1, wobei die herkömmliche Wellpappe mäanderförmig um die Einzelzellen herum vorgesehen und abwechselnd an einer oberen und an einer unteren Längsfläche einer Einzelzelle entlang geführt ist.
Batteriesystem nach Anspruch 4, wobei die mäanderförmig geführte herkömmliche Wellpappe einstückig vorgesehen ist.
Batteriesystem nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei an wenigstens einer Stirnseite einer Einzelzelle bzw. einer plattenförmigen herkömmlichen Wellpappe ein elastisches Material (3), zur Flächenpressung der Abfolge aus Einzelzellen und herkömmlicher Wellpappe, vorgesehen ist.
Batteriesystem nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei wenigstens ein Temperaturfühler im Bereich einer Welle der herkömmlichen Wellpappe vorgesehen ist.