DE102010001033A1 - Battery system with heat storage plate - Google Patents
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Abstract
Die vorliegende Erfindung betrifft ein Batteriesystem (1), umfassend eine Mehrzahl von Batterien (10), wobei zwischen wenigstens zwei der Batterien (10) wenigstens eine Wärmespeicherplatte (20) angeordnet ist, deren Material im Wesentlichen Keramik aufweist. Erfindungsgemäß sind die beiden seitlichen Oberflächen (21) der Wärmespeicherplatte (20) im Wesentlichen durch das keramikhaltige Material ausgebildet.The invention relates to a battery system (1) comprising a plurality of batteries (10), at least one heat storage plate (20) being arranged between at least two of the batteries (10), the material of which essentially comprises ceramic. According to the invention, the two lateral surfaces (21) of the heat storage plate (20) are essentially formed by the ceramic-containing material.
Description
Die vorliegende Erfindung betrifft ein Batteriesystem, welches eine Mehrzahl von Batterien umfasst, wobei zwischen wenigstens zwei der Batterien wenigstens eine Wärmespeicherplatte angeordnet ist, deren Material im Wesentlichen Keramik aufweist.The present invention relates to a battery system which comprises a plurality of batteries, wherein between at least two of the batteries at least one heat storage plate is arranged, the material of which essentially comprises ceramic.
Stand der TechnikState of the art
Mit einer Batterie ist in Bezug zur vorliegenden Erfindung nicht nur ein System aus mehreren parallel oder in Reihe geschalteter galvanischen Zellen gemeint, sondern mit einer Batterie kann auch eine einzelne Zelle gemeint sein.By a battery in relation to the present invention is meant not only a system of a plurality of galvanic cells connected in parallel or in series, but with a battery may also mean a single cell.
Diese einzelnen Batterien
Mehrere Batteriesysteme
Aus Batteriezellen zusammengesetzte Batterien sind weitgehend bekannt. Dabei ist unter einer Batteriezelle sowie auch unter einer aus Batteriezellen zusammengesetzten Batterie jeweils ein Akkumulator zu verstehen, der elektrisch ladbar und wieder entladbar ist. Die Batteriezelle ist dabei eine einzelne galvanische Zelle, die je nach Kombination der Materialien der Elektroden der Zelle eine charakteristische Spannung liefert. Zum Aufbau einer Batterie aus mehreren Batteriezellen werden diese elektrisch in Serie oder parallel geschaltet.Battery cells composed of batteries are widely known. In this case, a battery cell as well as a battery composed of battery cells is to be understood in each case as an accumulator which is electrically chargeable and can be discharged again. The battery cell is a single galvanic cell, which provides a characteristic voltage depending on the combination of the materials of the electrodes of the cell. To build a battery of several battery cells they are electrically connected in series or in parallel.
Es sind weiterhin Lithium-Ionen-Batterien bekannt, die als wieder aufladbare Energiespeicher, insbesondere in mobilen Geräten und Einrichtungen, Anwendung finden. Lithium-Ionen-Batterien werden auch im automotiven Bereich eingesetzt, wo sie zum Beispiel in Hybrid- und Elektrofahrzeugen zum Einsatz kommen. Insbesondere in diesem Bereich werden an die Lithium-Ionen-Batterien höchste Anforderungen bezüglich der Sicherheit gestellt.Furthermore, lithium-ion batteries are known which are used as rechargeable energy stores, in particular in mobile devices and devices. Lithium-ion batteries are also used in the automotive sector, where they are used, for example, in hybrid and electric vehicles. Particularly in this area, the highest demands are placed on the safety of lithium-ion batteries.
Lithium-Ionen-Batterien und Lithium-Ionen-Polymer-Batterien können sich bei einem abnormalen Verhalten, wie zum Beispiel bei Ausfall des Ladegerätes und dabei erfolgender Überladung oder bei Missbrauch oder Impulseinwirkung auf Grund eines Unfalls und daraus resultierender Verformung und/oder Eintrag einer mechanischen Spannung, wie bei einem Unfall, sich mehr oder weniger schnell erhitzen. Der Grund dafür sind innere Kurzschlüsse, die zwangsläufig zu Temperaturerhöhungen in der Zelle führen. Diese bewirken gegebenenfalls die Öffnung der Zelle und somit die Emission von giftigen Gasen wie zum Beispiel Fluorwasserstoff (HF). Der dabei temperaturbedingte exotherme Zerfall von Kathodenmaterial, insbesondere im delithiierten Zustand, das heisst im geladenen Zustand der Zelle, der bereits ab 473 K einsetzen kann, generiert exotherm Wärme, die bei Übertragung auf eine benachbarte Batterie gegebenenfalls in dieser und weiteren Batterien eine Kettenreaktion auslösen kann. Außerdem können offene Flammen und Rauchentwicklungen auftreten. Auf der Oberfläche der jeweils beschädigten Zelle können 773 K und mehr auftreten und bei einer Öffnung der Zelle können bei Ausströmung von heißen Gasen Temperaturen von 1273 K und mehr herrschen, siehe
Je nach konstruktiver Ausgestaltung eines Batteriegehäuses sowie der herrschenden Temperatur- und Druckverhältnisse kann es sogar zu einer Zellexplosion kommen. Das heißt, dass insbesondere bei einer Anwendung einer Mehrzahl von Batterien beziehungsweise Batteriezellen in einem Fahrzeug und bei Auftreten der genannten thermischen Kettenreaktion, insbesondere bei einem Unfall, Fahrzeuginsassen und/oder sich in der Nähe des Fahrzeuges aufhaltende Personen Gefahren ausgesetzt sein können. Die genannten Probleme und Gefahren können dabei nicht nur bei einem Unfall auftreten, sondern auch bei der Erprobung der Batterien im Performance- bzw. Sicherheitstest sowie Umwelterprobungen und/oder beim Transport beziehungsweise bei der Lagerung der Batterien.Depending on the design of a battery case and the prevailing temperature and pressure conditions, it may even lead to a cell explosion. This means that in particular when using a plurality of batteries or battery cells in a vehicle and when the said thermal chain reaction occurs, in particular in an accident, vehicle occupants and / or persons in the vicinity of the vehicle may be exposed to dangers. The problems and dangers mentioned can occur not only in an accident, but also in the testing of the batteries in the performance or safety test and environmental testing and / or during transport or storage of the batteries.
Insbesondere im automotiven Bereich werden mehrere Lithium-Ionen-Batterien für gewöhnlich zu einem so genannten Modul assembliert, wie bereits in Bezug zu
Die
Andere üblicherweise eingesetzte Materialien, die bei der Assemblierung von Lithium-Ionen-Modulen oder daraus zusammengesetzten Paketen im Kühlsystem als Wärmeschutzelemente eingesetzt werden, sind in der Regel Kunststoffe und Metallbleche, wie zum Beispiel Aluminium, die zwar die Wärme ausreichend leiten können, dabei aber zumeist weder ausreichend Wärme aufnehmen oder Hitze speichern können und/oder flammfest sind.Other commonly used materials that are used in the cooling system as heat protection elements in the assembly of lithium-ion modules or packages thereof are usually plastics and metal sheets, such as aluminum, although they can conduct the heat sufficiently, but mostly can not absorb enough heat or store heat and / or are flame-resistant.
Offenbarung der ErfindungDisclosure of the invention
Es wird erfindungsgemäß ein Batteriesystem zur Verfügung gestellt, welches eine Mehrzahl von Batterien umfasst, wobei zwischen wenigstens zwei der Batterien wenigstens eine Wärmespeicherplatte angeordnet ist, deren Material im Wesentlichen ein keramisch basiertes Material aufweist.According to the invention, a battery system is provided which comprises a plurality of batteries, wherein between at least two of the batteries at least one heat storage plate is arranged, the material of which essentially comprises a ceramic-based material.
Die einzelnen Batterien des Batteriesystems können dabei jeweils aus nur einer Batteriezelle oder aus mehreren Batteriezellen ausgebildet sein. Insbesondere sind im Sinne der Erfindung die Batteriezellen dabei Lithium-Ionen-Zellen. Es ist dabei erfindungsgemäß vorgesehen, dass die beiden seitlichen Oberflächen der Wärmespeicherplatte im Wesentlichen durch das keramische Material ausgebildet sind.The individual batteries of the battery system can each be formed from only one battery cell or multiple battery cells. In particular, according to the invention, the battery cells are lithium-ion cells. It is inventively provided that the two lateral surfaces of the heat storage plate are formed substantially by the ceramic material.
Keramiken bestehen aus anorganischen Materialien und können in der Regel zunächst unter Wasserzugabe bei Raumtemperatur geformt und anschließend getrocknet und bei einem sich anschließenden Brennprozess oberhalb 1173 K gehärtet bzw. gesintert werden.Ceramics consist of inorganic materials and can generally first be shaped with the addition of water at room temperature and then dried and cured or sintered in a subsequent firing process above 1173 K.
Der Begriff Keramik umfasst auch Werkstoffe auf der Grundlage von Oxiden und somit auch Silizium-Dioxid (SiO2) bzw. Silikate.The term ceramic also includes materials based on oxides and thus also silicon dioxide (SiO 2 ) or silicates.
Die einzelnen Batterien des Batteriesystems beziehungsweise Batteriemoduls sind für gewöhnlich in Reihe oder parallel geschaltet. Die Wärmespeicherplatte kontaktiert bevorzugt die großen Seitenflächen der üblicherweise prismatisch ausgestalteten Batteriekörper. Die Wärmespeicherplatte weist im Wesentlichen die Form einer Platte mit einer einer ebenen Fläche angenäherten Form auf. Das heißt, dass die beiden großen Seitenflächen der Wärmespeicherplatte wesentlich größer sind als die den Umfang der Wärmespeicherplatte bildenden Flächen. Erfindungsgemäß bildet das keramische Material bevorzugt die gesamten Oberflächen der Seitenflächen aus. Die erfindungsgemäße Wärmespeicherplatte funktioniert somit nach dem System der Wärmekacheln. Derartige Wärmekacheln sind aus der Anwendung an Raumfahrzeugen bekannt. Sie weisen den Vorteil auf, dass sie eine extreme Wärme mit einer Temperatur von über 1473 K im Inneren speichern können. Diese Wärme kann demzufolge nicht an in der Nähe befindliche Aggregate übertragen werden. Durch die erfindungsgemäße Anordnung des keramischen Werkstoffes auf beiden Seiten der Wärmespeicherplatte lässt sich der Wärmeeintrag in die Wärmespeicherplatte von beiden Seiten vornehmen. Das heißt, dass der Vorteil der Erfindung insbesondere darin liegt, dass durch die Anordnung der Wärmespeicherplatte auf Grund ihrer großen Wärmespeicherkapazität der Wärmeübertrag von einer Batterie auf eine benachbarte Batterie verhinderbar ist, egal, in welcher Richtung der Wärmestrom verläuft.The individual batteries of the battery system or battery module are usually connected in series or in parallel. The heat storage plate preferably contacts the large side surfaces of the usually prismatically designed battery body. The heat storage plate has substantially the shape of a plate having a shape approximate to a flat surface. That is, the two large side surfaces of the heat storage plate are substantially larger than the surfaces forming the periphery of the heat storage plate. According to the invention, the ceramic material preferably forms the entire surfaces of the side surfaces. The heat storage plate according to the invention thus functions according to the system of heat tiles. Such heat tiles are known from application to spacecraft. They have the advantage that they can store extreme heat with a temperature of over 1473 K inside. Accordingly, this heat can not be transmitted to nearby aggregates. The inventive arrangement of the ceramic material on both sides of the heat storage plate, the heat input can be made in the heat storage plate from both sides. That is, the advantage of the invention is, in particular, that the heat transfer plate can be prevented from transferring heat from one battery to an adjacent battery due to its large heat storage capacity, regardless of the direction in which the heat flow passes.
Vorteilhafterweise ist vorgesehen, dass das keramikhaltige Material eine Silizium-Keramik oder eine Bor-Keramik oder eine Aluminium-Keramik ist.Advantageously, it is provided that the ceramic-containing material is a silicon ceramic or a boron ceramic or an aluminum ceramic.
Der Keramikanteil des Wärmespeicherplattenmaterials sollte dabei mindestens 60% betragen. Ein solcher Massenanteil bewirkt eine ausreichende Wärmespeicherkapazität bei günstigen Material- und Fertigungskosten.The ceramic content of the heat storage plate material should be at least 60%. Such a mass fraction causes a sufficient heat storage capacity at low material and manufacturing costs.
Bei höheren Sicherheitsanforderungen zur Vermeidung einer thermischen Kettenreaktion sollte der Keramikanteil des Wärmespeicherplattenmaterials mindestens 80% betragen.For higher safety requirements to avoid thermal chain reaction, the ceramic content of the heat storage plate material should be at least 80%.
In weiteren bevorzugten Ausführungsformen ist vorgesehen, dass das erfindungsgemäße Material ein keramisches Silikat oder ein Siliziumdioxid ist. Alternativ kann das keramische Material auch ein Aluminium-Oxid wie z. B. Al2O3 sein.In further preferred embodiments it is provided that the material according to the invention is a ceramic silicate or a silicon dioxide. Alternatively, the ceramic material and an aluminum oxide such. B. Al 2 O 3 be.
Derartige Materialien weisen besonders gute Wärmespeicherfähigkeiten auf und sind mit relativ geringen Fertigungskosten zu ausreichend dünnen Wärmespeicherplatten verarbeitbar, so dass ein aus einzelnen Batterien assembliertes Modul mit derartigen Wärmespeicherplatten einen geringen Bauraumbedarf aufweist. Es bietet sich dabei auch an, dass eine aus Keramik ausgeführte Wärmespeicherplatte aus Glaskeramik besteht.Such materials have particularly good heat storage capabilities and can be processed with relatively low production costs to sufficiently thin heat storage plates, so that a module assembled from individual batteries with such heat storage plates has a low space requirement. It also makes sense that a heat storage plate made of ceramic consists of glass ceramic.
In einer weiteren bevorzugten Ausführungsform ist vorgesehen, dass die Wärmespeicherplatte komplett aus dem keramischen Material besteht. Das heißt, dass zum Beispiel keine Zwischenschicht aus einem anderen Material zwischen den äußeren Oberflächen, die das keramikhaltige Material aufweisen, angeordnet ist. Die Wärmespeicherplatte kann somit ausschließlich aus keramikhaltigem Material aufgebaut werden, wobei gegebenenfalls an der Wärmespeicherplatte Halterungen zur mechanischen Befestigung vorgesehen sind, die aus einem anderen Material sein können. Das heißt, dass die statische Festigkeit einer solchen Wärmespeicherplatte alleine durch das keramikhaltige Material aufgebracht werden muss und keine Bewehrungselemente in der Wärmespeicherplatte angeordnet sind. In a further preferred embodiment, it is provided that the heat storage plate is made entirely of the ceramic material. That is, for example, no intermediate layer of another material is disposed between the outer surfaces comprising the ceramic-containing material. The heat storage plate can thus be constructed exclusively of ceramic-containing material, which optionally provided on the heat storage plate brackets for mechanical fastening, which may be made of a different material. This means that the static strength of such a heat storage plate must be applied solely by the ceramic-containing material and no reinforcing elements are arranged in the heat storage plate.
In weiterer vorteilhafter Ausführungsform des erfindungsgemäßen Batteriesystems ist vorgesehen, dass in der Wärmespeicherplatte wenigstens ein Kanal zur Durchströmung mit einem Medium, insbesondere einer Kühlflüssigkeit angeordnet ist. Das heißt, dass die erfindungsgemäßen Wärmespeicherplatten neben ihrer Wärmespeicherfunktion auch als Kühlplatten eines Kühlsystems verwendet werden können, so dass in den Wärmespeicherplatten gespeicherte Wärme mittels des Kühlmediums durch den Kanal beziehungsweise durch mehrere in der Wärmespeicherplatte angeordnete Kanäle abgeleitet werden kann. Eine derartige Wärmespeicherplatte dient somit nicht nur zur Verhinderung einer thermischen Kettenreaktion, sondern auch zur normalen Kühlung der Batterien beim Betrieb.In a further advantageous embodiment of the battery system according to the invention it is provided that in the heat storage plate at least one channel for flow through with a medium, in particular a cooling liquid is arranged. This means that the heat storage plates according to the invention in addition to their heat storage function can be used as cooling plates of a cooling system, so that stored in the heat storage plates heat can be derived by the cooling medium through the channel or through several arranged in the heat storage plate channels. Such a heat storage plate thus serves not only to prevent a thermal chain reaction, but also for normal cooling of the batteries during operation.
Außerdem wird erfindungsgemäß verhindert, dass Wärme und/oder Flammen, die von einer ersten Batterie ausgehen, auf eine benachbarte Batterie weitergeleitet werden und somit in der benachbarten Batterie ebenfalls eine unkontrollierbare Überhitzung provozieren.In addition, the invention prevents heat and / or flames emanating from a first battery, be forwarded to an adjacent battery and thus also provoke an uncontrollable overheating in the adjacent battery.
Das erfindungsgemäße Batteriesystem kann des Weiteren mit wenigstens einem im Wesentlichen als Bodenplatte ausgestalteten Kühlsystem mit Kanälen zur Durchströmung mit einem Medium ausgestattet sein, wobei das Medium insbesondere eine Kühlflüssigkeit sein kann und die Batterien auf dem als Bodenplatte ausgebildeten Kühlsystem aufgestellt sind. Bei Anwendung der flüssigkeitskühlbaren Wärmespeicherplatten sowie der als Kühlsystem ausgestalteten Bodenplatte sind vorteilhafterweise die Kühlkanäle von Wärmespeicherplatte und Bodenplatte in einem Leitungssystem miteinander verbunden. Die Bodenplatte ist dabei bevorzugt aus Aluminium oder einer geeigneten Legierung hergestellt. Insbesondere bei fluid-technischer Verbindung von Wärmespeicherplatten und Bodenplatte sind diese mechanisch aneinander befestigt.The battery system according to the invention may further be equipped with at least one substantially configured as a bottom plate cooling system with channels for flow with a medium, the medium may be in particular a cooling liquid and the batteries are placed on the formed as a bottom plate cooling system. When using the liquid-cooled heat storage plates and designed as a cooling system bottom plate advantageously the cooling channels of heat storage plate and bottom plate are connected together in a line system. The bottom plate is preferably made of aluminum or a suitable alloy. In particular, in fluid-technical connection of heat storage plates and bottom plate they are mechanically attached to each other.
Zur mechanischen Befestigung und zur Erleichterung eines Wärmetransportes von der Wärmespeicherplatte an die Bodenplatte weist die Wärmespeicherplatte an ihrer der Bodenplatte zugewandten Seite einen Fußbereich auf, dessen Grundfläche größer ist als eine Querschnittsfläche der Wärmespeicherplatte in einer über dem Fußbereich parallel zur Oberfläche der Bodenplatte verlaufenden Ebene.For mechanical attachment and to facilitate heat transfer from the heat storage plate to the bottom plate, the heat storage plate on its side facing the bottom plate on a foot area whose base is greater than a cross-sectional area of the heat storage plate in a plane extending over the foot parallel to the surface of the bottom plate level.
Die Erfindung ist insbesondere dann vorteilhaft ausgestaltet, wenn das Batteriesystem ein die Batterien zumindest teilweise umgebendes Gehäuse aufweist, wobei wenigstens eine Wärmespeicherplatte an einer Gehäusewand angeordnet ist oder diese ausbildet. Das heißt, dass die erfindungsgemäße Wärmespeicherplatte nicht nur zur Anordnung zwischen einzelnen Batterien oder Batteriezellen vorgesehen ist, sondern dass sie auch Teile eines Gehäuses oder ein komplettes Gehäuse ausbilden kann, so dass von einem Batteriesystem generierte Wärme in den Wärmespeicherplatten speicherbar ist und nicht zur Erwärmung und/oder Entzündung von benachbarten Batteriesystemen oder Gegenständen führen kann.The invention is particularly advantageous if the battery system has a housing surrounding the batteries at least partially, wherein at least one heat storage plate is arranged on a housing wall or these forms. This means that the heat storage plate according to the invention is not only provided for the arrangement between individual batteries or battery cells, but that they can also form parts of a housing or a complete housing, so that generated by a battery system heat can be stored in the heat storage plates and not for heating and / or ignition of adjacent battery systems or items.
Vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung sind außerdem in der Beschreibung beschrieben. Die Erfindung wird im Folgenden anhand der beiliegenden Zeichnungen erläutert.Advantageous developments of the invention are also described in the description. The invention will be explained below with reference to the accompanying drawings.
Zeichnungendrawings
Ausführungsbeispiele der Erfindung wurden anhand der Zeichnungen und der nachfolgenden Beschreibung näher erläutert: Es zeigen:Embodiments of the invention have been explained in more detail with reference to the drawings and the description below:
Ausführungsformen der Erfindung:Embodiments of the invention:
Ein erfindungsgemäßes Batteriesystem
Zwischen den einzelnen Batterien
Insbesondere aus
Zum Schutz angrenzender Batteriesysteme oder Aggregate kann das Batteriesystem
Die Wärmespeicherplatten
Außerdem können die Batterien
Bei Ausgestaltung der Wärmespeicherplatten
Wie in
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG QUOTES INCLUDE IN THE DESCRIPTION
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