DE102009028962A1 - Thermisch leitendes Einsatzelement - Google Patents

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Abstract

Ein Einsatzelement für ein Akkumulatorzellenpack (2) aus wenigstens zwei Akkumulatorzellen (2) wird offenbart. Das Einsatzelement (4, 16, 22, 26) ist zum thermischen Verbinden und zum elektrischen Isolieren der einzelnen Akkumulatorzellen (8) des Akkumulatorzellenpacks (2) vorgesehen.

Description

  • Stand der Technik
  • Die Erfindung betrifft ein Einsatzelement für ein Akkumulatorzellenpack aus wenigstens zwei Akkumulatorzellen und ein Akkumulatorzellenpack aus wenigstens zwei Akkumulatorzellen.
  • Akkumulatoren werden zur Speicherung elektrischer Energie verwendet. Dabei werden mehrere Akkumulatorzellen zu einem sogenannten Akkumulatorzellenpack verschaltet. Während des Ladens und Entladens von Akkumulatoren heizen sich die einzelnen Akkumulatorzellen teilweise erheblich auf. Dies führt dazu, dass die einzelnen Akkumulatorzellen altern. Heizen sich die einzelnen Akkumulatorzellen unterschiedlich stark auf, so altern sie auch unterschiedlich schnell. Der Akkumulator wird unbrauchbar, wenn die schwächste Akkumulatorzelle versagt, sofern sie nicht über geeignete elektrische Verschaltungen aus dem Zellverbund getrennt werden kann. Dies verschärft die Situation, da sich die schwächste Akkumulatorzelle normalerweise am stärksten aufheizt und so noch früher versagt, was die Lebensdauer des Akkumulators weiter verkürzt. Daher wird nach Lösungen gesucht, die Temperatur in den einzelnen Akkumulatorzellen gleichmäßig zu verteilen, um die Lebensdauer des gesamten Akkumulators zu steigern.
  • Es wurde bereits vorgeschlagen, die einzelnen Akkumulatorzellen in ein Füllmaterial einzubetten, was jedoch nur zu einem sehr unbefriedigenden Wärmeausgleich zwischen den einzelnen Akkumulatorzellen führt. Auch wurden bereits Kühlvorrichtungen zum Kühlen der Akkumulatorzellen vorgeschlagen. Die Druckschrift US 5,866,276 offenbart Luftkanäle zwischen den einzelnen Akkumulatorzellen, in denen die Wärme durch einen erzwungenen Luftstrom abgeführt werden kann. Die Druckschrift US 2005/170241 A1 offenbart dünnwandige Kanäle, die zwischen den einzelnen Akkumulatorzellen eingebettet sind und die von einem Fluid durchströmt werden, so dass die Wärme von den Akkumulatorzellen abgeführt werden kann. Zusätzlich wurde in der Druckschrift US 2005/202310 A1 der Einsatz eines Phase Change Materials in einem Akkumulatorzellenpack vorgeschlagen.
  • Zwar sorgt die Kühlung von Akkumulatorzellen für eine ausreichend geringe und oft auch ausreichend gleich verteilte Temperatur in einem Akkumulator, durch ihre technische Komplexität ist sie jedoch nicht nur teuer sondern auch fehleranfällig. Fällt die Kühlung im Akkumulator aus, heizen sich die einzelnen Akkumulatorzellen auf und altern wie bereits beschrieben ungleichmäßig.
  • Offenbarung der Erfindung
  • Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es daher, ein Einsatzelement für ein Akkumulatorzellenpack aus wenigstens zwei Akkumulatorzellen anzugeben, durch die eine gleichmäßige Alterung der einzelnen Akkumulatorzellen ermöglicht wird.
  • Die Erfindung gibt daher ein Einsatzelement für ein Akkumulatorzellenpack aus wenigstens zwei Akkumulatorzellen an. Erfindungsgemäß ist das Einsatzelement zum thermischen Verbinden und zum elektrischen Isolieren der einzelnen Akkumulatorzellen des Akkumulatorzellenpacks vorgesehen. Da die einzelnen Akkumulatorzellen im Akkumulatorzellenpack im thermischen Kontakt mit dem erfindungsgemäßen Einsatzelement stehen kann somit ein Wärmetransport von einer Akkumulatorzelle zur anderen stattfinden, was einen thermischer Ausgleich ermöglicht. Damit werden die Akkumulatorzellen auf einheitlicher Temperatur betrieben und keine davon kann wesentlich heißer als die andere werden.
  • Die Unteransprüche zeigen bevorzugte Weiterbildungen der Erfindung.
  • In einer besonderen Ausführung kann das Einsatzelement wenigstens teilweise aus wärmeleitender Keramik, insbesondere aus Aluminiumnitrid, bestehen. Durch eine hochwärmeleitende Keramik wie das Aluminiumnitrid wird zwischen den einzelnen Akkumulatorzellen eine Wärmebrücke geschaffen, ohne dass gleichzeitig eine elektrisch leitende Verbindung zwischen den einzelnen Akkumulatorzellen besteht. So kann ein elektrischer Ladungstransport zwischen den einzelnen Akkumulatorzellen vermieden werden, selbst wenn deren Gehäuse auf einem unterschiedlichen elektrischen Potenzial liegen.
  • In einer alternativen oder zusätzlichen Weiterbildung der Erfindung kann das Einsatzelement einen inneren Werkstoff und wenigstens eine Beschichtung aufweisen. Der innere Werkstoff kann von seinen elektrischen und mechanischen Eigenschaften her von der Beschichtung völlig unabhängig gewählt werden. So können die einzelnen Anforderungen an das Einsatzelement wie die thermische Verbindung und die elektrische Isolation der Akkumulatorzellen über den inneren Werkstoff und die verschiedenen Beschichtungen getrennt voneinander realisiert werden, so dass für das Einsatzelement preisgünstigere, leichter zu verarbeitende, beständigere und/oder belastbarere Materialien ausgewählt werden können.
  • Der innere Werkstoff kann dabei ein wärmeleitender Werkstoff sein, so dass für den erfindungsgemäßen thermischen Ausgleich zwischen den einzelnen Akkumulatorzellen ein ausreichend großer Wärmespeicher zu Verfügung steht.
  • Die äußerste Beschichtung kann aus einem elektrisch isolierenden Material bestehen.
  • Dabei kann das elektrisch isolierende Material wenigstens teilweise aus wärmeleitender Keramik bestehen. Auf diese Weise muss nicht das gesamte Einsatzelement aus der vergleichsweise hochpreisigen wärmeleitenden Keramik bestehen, so dass das Einsatzelement preisgünstiger geschaffen werden kann.
  • In einer Weiterbildung der Erfindung kann das an die Akkumulatorzellen angrenzende Material des Einsatzelementes wenigstens teilweise aus einem elastischen Material bestehen. Damit wird erreicht, dass eine Ausdehnung der Akkumulatorzellen im Betrieb, das sogenannte Atmen, den thermischen Kontakt nicht beeinflussen kann.
  • In weiterer Ausführung der Erfindung kann das Einsatzelement Mittel gegen Sprödbruchneigung aufweisen.
  • Die Mittel gegen Sprödbruchneigung können dabei eine faserverstärkte Keramik sein, aus der das Einsatzelement wenigstens teilweise besteht.
  • Die Erfindung gibt auch ein Akkumulatorzellenpack mit wenigstens zwei Akkumulatorzellen zur Abgabe einer Zellenspannung an einen elektrischen Verbraucher an. Erfindungsgemäß sind die Akkumulatorzellen über ein Einsatzelement nach einem der vorstehenden Ansprüche miteinander verbunden.
  • In einer Weiterbildung der Erfindung kann das Akkumulatorzellenpack Mittel zum Kühlen des Einsatzelementes aufweisen, so dass die einzelnen Akkumulatorzellen nicht nur thermisch ausgeglichen sind, sondern auch aktiv gekühlt werden, so dass ihre Lebensdauer weiter gesteigert werden kann.
  • Zeichnungen
  • Nachfolgend werden nicht einschränkende Ausführungsbeispiele der Erfindung unter Bezugnahme auf die begleitenden Zeichnungen im Detail beschrieben. In den Zeichnungen zeigen:
  • 1 ein erstes Ausführungsbeispiel der Erfindung;
  • 2 ein zweites Ausführungsbeispiel der Erfindung;
  • 3 ein drittes Ausführungsbeispiel der Erfindung; und
  • 4 ein viertes Ausführungsbeispiel der Erfindung.
  • Bevorzugte Ausführungsformen der Erfindung
  • Nachfolgend werden unter Bezugnahme auf die Figuren bevorzugte Ausführungsformen der Erfindung im Detail beschrieben.
  • In der Regel sind Materialien mit einer Wärmeleitfähigkeit von λ > 0,5 W / mK, die somit gut Wärme leiten, auch sehr gute elektrische Leiter. Dies trifft beispielsweise auf Aluminium oder Kupfer zu. Demgegenüber sind elektrisch isolierende Materialien, wie beispielsweise die Kunststoffe Polyethylen oder Polyamide, nur sehr schlechte Wärmeleiter.
  • Da in einem Akkumulatorzellenpack üblicherweise die Gehäuse der einzelnen Akkumulatorzellen durch eine elektrische Verschaltung mit dem Plus- oder Minuspol auf einem unterschiedlichem Potential liegen, ist gewöhnlich eine elektrische Isolation der einzelnen Gehäuse der Akkumulatorzellen gegeneinander erforderlich um eine unerwünschte Entladung des Akkumulators zwischen den Gehäusen der einzelnen Akkumulatorzellen zu vermeiden. Diese unerwünschte Entladung trägt nicht nur zur Wärmeentwicklung der einzelnen Akkumulatorzellen bei, sie überlastet auch die beteiligten Akkumulatorzellen und führt zu unerwünschten chemischen Reaktionen in diesen, wodurch diese Akkumulatorzellen beschädigt werden.
  • Das Problem verschärft im Falle eine Verschaltung der einzelnen Akkumulatorzellen in Reihe. In diesem Fall werden die Potentiale der elektrischen Pole der einzelnen Akkumulatorzellen durch die Potentiale der Pole der vorhergehenden Akkumulatorzellen bestimmt. Dies steigert den unerwünschten Entladungsstrom zwischen den einzelnen Akkumulatorzellen weiter, da die Potentiale der einzelnen Gehäuse nun noch weiter auseinander liegen.
  • Eine somit notwendige Isolation der einzelnen Gehäuse der Akkumulatorzellen untereinander geschieht häufig dadurch, dass die Gehäuse der einzelnen Akkumulatorzellen mit einem dünnen Kunststoffüberzug beschichtet werden. Jedoch kann dieser Kunststoffüberzug sehr leicht beschädigen, so dass meist eine elektrische Isolierung der einzelnen Gehäuse der Akkumulatorzellen gegeneinander angestrebt wird. Beispielsweise wird in schnurlosen Elektrowerkzeugen der gesamte Zellhalter aus Kunststoff ausgeführt. In Fahrzeugen hingegen werden manchmal die Gehäuse der Akkumulatorzellen selbst beispielsweise aus Kunststoff gefertigt, so dass ebenfalls eine elektrische Isolierung gewährleistet ist.
  • Demgegenüber stehen nun Ergebnisse aus einschlägigen Versuchen, welche belegen, dass ein thermisch ausgeglichenes Akkumulatorzellenpack, bei dem die einzelnen Akkumulatorzellen auf einheitlicher Temperatur liegen, eine längere Lebensdauer aufweist als ein Akkumulatorzellenpack mit unterschiedlich warmen Akkumulatorzellen. Ist nun das gesamte Gehäuse der Akkumulatorzelle oder der Zellhalter der Akkumulatorzellen aus Kunststoff gefertigt, so sind die einzelnen Akkumulatorzellen untereinander thermisch isoliert, und ein thermischer Ausgleich ist nicht möglich.
  • Erfindungsgemäß werden die einzelnen Akkumulatorzellen beispielsweise über ihre Gehäuse daher durch ein Einsatzelement miteinander thermisch verbunden, jedoch elektrisch voneinander isoliert.
  • Exemplarische Ausführungen eines derartigen Einsatzelementes für runde Akkumulatorzellen sind in den 1 bis 4 dargestellt.
  • In 1 ist Akkumulatorzellenpack 2 mit einem Einsatzelement 4 gemäß einem ersten Ausführungsbeispiel der Erfindung gezeigt. Das Einsatzelement 4 ist Teil eines Klammerelementes 6, das die einzelnen Akkumulatorzellen 8 hält. Der Übersichtlichkeit halber ist von den zehn in 1 gezeigten Akkumulatorzellen 8 nur eines mit einem Bezugszeichen versehen. Das Klammerelement 6 selbst weist die Form eines S-Bogens auf, wobei die Akkumulatorzellen 8 in den beiden Aufnahmeräumen 9, 9' des s-bogenförmigen Klammerelements 6 gehalten werden. Neben dem Einsatzelement 4 weist das Klammerelement 6 einen oberen Schenkel 10 und einen unteren Schenkel 12 auf, die gemeinsam mit dem Einsatzelement 4 die Akkumulatorzellen 8 einklemmen und halten. An der Verbindungsstelle zwischen dem Einsatzelement 4 und den Schenkeln 10, 12 sind jeweils Federelemente 14, 16 angeordnet.
  • Im vorliegenden Ausführungsbeispiel ist das erfindungsgemäße Einsatzelement 4 wellenförmig aufgebaut, wobei die einzelnen Akkumulatorzellen 8 in den Wölbungen der einzelnen Wellen aufgenommen sind. Damit ist ein guter thermischer Kontakt zwischen den Akkumulatorzellen 8 und dem Einsatzelement 4 hergestellt. Das Einsatzelement 4 erstreckt sich nahezu über die gesamte Länge des Akkumulatorzellenpacks 2.
  • In 2 ist ein Einsatzelement 18 gemäß einem zweiten Ausführungsbeispiel der Erfindung gezeigt. Das Einsatzelement 18 ist blockförmig aufgebaut und weist nach innen gerichtete Wölbungen 20 auf, in denen Akkumulatorzellen aufgenommen werden können. Das Einsatzelement 18 erstreckt sich über nahezu die gesamte Länge des späteren Akkumulatorzellenpacks.
  • In 3 ist ein Einsatzelement 22 gemäß einem dritten Ausführungsbeispiel der Erfindung gezeigt. Das Einsatzelement 18 ist aus wenigen schmalen, scheibenförmigen Einzelelementen 23 aufgebaut, die wie das Einsatzelement 18 des zweiten Ausführungsbeispiels, nach innen gerichtete Wölbungen 24 aufweisen, in denen die einzelnen Akkumulatorzellen aufgenommen werden können. Der Übersichtlichkeit halber ist in 3 nur ein einzelnes Einzelelement 23 mit Bezugszeichen versehen. Das Einsatzelement 22 erstreckt sich über nahezu die gesamte Länge des späteren Akkumulatorzellenpacks.
  • Als Material für das erfindungsgemäße Einsatzelement 2, 18, 22 kann eine hoch wärmeleitende Keramik verwendet werden, die eine elektrische Isolation und eine thermische Verbindung der einzelnen Akkumulatorzellen 8 ermöglicht. Eine derartige hoch wärmeleitende Keramik kann beispielsweise Aluminiumnitrid sein. Gemäß den Angaben des Verbands der keramischen Industrie e. V. weist Aluminiumnitrid eine Dichte ρ von
    Figure 00070001
    bis
    Figure 00070002
    auf. Hinsichtlich seiner thermischen Eigenschaften weist Aluminiumnitrid eine spezifische Wärmekapazität cth zwischen 700 kJ / kg·K und 760 kJ / kg·K bei Temperaturen zwischen 30°C und 1000°C und eine Wärmeleitfähigkeit λ zwischen 180 W / mK und 220 W / mK auf. Hinsichtlich seiner elektrischen Eigenschaften weist. Aluminiumnitrid eine Durchschlagfestigkeit Ed von größer 20 kV / mm und einen spezifischen Widerstand ρ20 zwischen 1013 Ωm und 1014 Ωm auf.
  • Eventuell müssen Vorkehrungen gegen Sprödbruchneigung der Keramik getroffen werden, wie beispielsweise die Verwendung von faserverstärkten Keramikvarianten oder konstruktive Lösungen über das Klammerelement 6 als Zellhalter der Akkumulatorzellen.
  • In 4 ist ein Einsatzelement 26 gemäß einem vierten Ausführungsbeispiel der Erfindung gezeigt. Anstatt das Einsatzelement 26 vollständig aus Keramik auszuführen, wird für das Einsatzelement 26 ein Bauteil 28 aus preiswertem Werkstoff verwendet, das über eine gute Wärmeleitfähigkeit von λ > 0,5 W / mK verfügt, jedoch nicht elektrisch isolierend ist. Dies kann beispielsweise Aluminium sein. Dieses Bauteil 28 wird dann mit einem Überzug 30 aus der oben beschriebenen wärmeleitenden Keramik versehen. Somit wird ein Überzug 30 als elektrisch isolierende Schicht auf das Bauteil 28 als inneren Werkstoff aufgebracht.
  • Die in den 2 bis 4 gezeigten Einsatzelement 18, 22, 26 können wie im ersten Ausführungsbeispiel um weitere Elemente zum Klammern und Halten von Akkumulatorzellen erweitert werden, um ein Klammerelement zu schaffen.
  • Nochmals eine weitere Ausführung der Erfindung sieht vor, dass der Überzug 30 des Bauteils 28 aus 4 oder die Einsatzelemente 4, 18, 22 aus den 1 bis 3 aus einem Materialmix hergestellt sind, welcher hoch wärmeleitende Keramikkomponenten und elastische Komponenten enthält. Damit wird erreicht, dass eine Ausdehnung der Akkumulatorzellen 8 im Betrieb, das so genannte Atmen, den thermischen Kontakt nicht beeinflussen kann.
  • Für anders geformte Zellen wie zum Beispiel prismatische Formen können die in den 1 bis 4 gezeigten Einsatzelemente 4, 18, 22, 26 angepasst werden.
  • Falls erforderlich, kann die Maximaltemperatur des Akkumulatorzellenpacks 2 über eine geeignete Kühlmaßnahme, wie beispielsweise im Stand der Technik vorgestellt, abgesenkt werden.
  • Ein erfindungsgemäßes Einsatzelement kann in jeder Art von Akkumulator, insbesondere in Hochleistungsakkumulatoren für Hybridfahrzeuge und Elektrofahrzeugen zur Anwendung kommen. Auch die Anwendung in kompakten Akkumulatoren wie zum Beispiel für schnurlose Elektrowerkzeuge kommt in Frage.
  • Erfindungsgemäß kann durch thermisches Verbinden und elektrisches Isolieren von Akkumulatorzellen in einem Akkumulatorzellenpack die Lebensdauer eines Akkumulators erhöht werden.
  • Neben der obigen Offenbarung wird hier ausdrücklich auf die Offenbarung der Figuren verwiesen.
  • ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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  • Zitierte Patentliteratur
    • US 5866276 [0003]
    • US 2005/170241 A1 [0003]
    • US 2005/202310 A1 [0003]

Claims (11)

  1. Einsatzelement für ein Akkumulatorzellenpack (2) aus wenigstens zwei Akkumulatorzellen (2), dadurch gekennzeichnet, dass das Einsatzelement (4, 16, 22, 26) zum thermischen Verbinden und zum elektrischen Isolieren der einzelnen Akkumulatorzellen (8) des Akkumulatorzellenpacks (2) vorgesehen ist.
  2. Einsatzelement nach Anspruch 1, wobei das Einsatzelement (4, 16, 22, 26) wenigstens teilweise aus wärmeleitender Keramik, insbesondere Aluminiumnitrid, besteht.
  3. Einsatzelement nach einem der Ansprüche 1 oder 2, wobei das Einsatzelement (4, 16, 22, 26) einen inneren Werkstoff (28) und wenigstens eine Beschichtung (30) aufweist.
  4. Einsatzelement nach Anspruch 3, wobei der innere Werkstoff (28) ein wärmeleitender Werkstoff ist.
  5. Einsatzelement nach Anspruch 3 oder 4, wobei die äußerste Beschichtung (30) aus einem elektrisch isolierenden Material besteht.
  6. Einsatzelement nach Anspruch 5, wobei das elektrisch isolierende Material wenigstens teilweise aus wärmeleitender Keramik besteht.
  7. Einsatzelement nach einem der vorstehenden Ansprüche, wobei das an die Akkumulatorzellen (8) angrenzende Material des Einsatzelementes (4, 16, 22, 26) wenigstens teilweise aus einem elastischen Material besteht.
  8. Einsatzelement nach einem der vorstehenden Ansprüche, wobei das Einsatzelement (4, 16, 22, 26) Mittel gegen Sprödbruchneigung aufweist.
  9. Einsatzelement nach Anspruch 8, wobei die Mittel gegen Sprödbruchneigung eine faserverstärkte Keramik sind, aus der das Einsatzelement (4, 16, 22, 26) wenigstens teilweise besteht.
  10. Akkumulatorzellenpack mit wenigstens zwei Akkumulatorzellen (8) zur Abgabe einer Zellenspannung an einen elektrischen Verbraucher, wobei die Akkumulatorzellen (8) über ein Einsatzelement (4, 16, 22, 26) nach einem der vorstehenden Ansprüche miteinander verbunden sind.
  11. Akkumulatorzellenpack nach Anspruch 10 mit Mitteln zum Kühlen des Einsatzelements.
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