DE102010062868A1 - Battery e.g. lithium ion battery for hybrid vehicle, has plastic material and plastic foam that are filled in cavities of open-pore structure formed in housing - Google Patents
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Abstract
Description
Stand der TechnikState of the art
Die Erfindung geht aus von einer Batterie nach dem Oberbegriff des unabhängigen Anspruchs.The invention relates to a battery according to the preamble of the independent claim.
Eine Batterie (bzw. ein Batteriesystem), wie sie beispielsweise in Hybrid- oder Elektrofahrzeugen zum Einsatz kommt, besteht üblicherweise aus mehreren Batteriemodulen, die wiederum aus einzelnen Batteriezellen (z. B. Lithium-Ionen-Batteriezellen) zusammengesetzt sind. Eine einzelne Batteriezelle weist ein Batteriezellengehäuse und elektrische Speicherelemente (die auch als galvanische Zellen oder vereinfacht als Zellen bezeichnet werden) auf, die im Gehäuse der Batteriezelle angeordnet sind. Die Speicherelemente können insbesondere als Speicherzellen in flacher Bauweise ohne eigensteife Hülle (sogenannte ”Jelly Rolls” oder ”Coffee Bags”) ausgeführt sein. Speicherzellen dieser Bauart weisen eine nur geringe mechanische Festigkeit auf und können Kräfte nur in einem sehr geringen Umfang aufnehmen. Daher werden sie in ein Batteriezellengehäuse verbaut, dessen Gehäusewände üblicherweise massiv sind und beispielsweise aus Aluminium bestehen. Diese sogenannten ”Hardcase Gehäuse” können größeren Kräften, die durch Volumenänderungen bei der Ladung und Entladung der Speicherelemente in allen Raumrichtungen auftreten, widerstehen. Ein Nachteil solcher massiver Gehäuse ist allerdings deren großes Eigengewicht. Eine Möglichkeit, das Eigengewicht der Batteriezellengehäuse zu reduzieren, besteht darin, dass das Zellengehäuse zumindest teilweise eine Schaumstruktur aufweist, dass also in dem Basismaterial des Zellengehäuses gasgefüllte Poren bzw. Hohlräume verteilt sind.A battery (or a battery system), as used for example in hybrid or electric vehicles, usually consists of several battery modules, which in turn are composed of individual battery cells (eg, lithium-ion battery cells). A single battery cell has a battery cell housing and electrical storage elements (which are also referred to as galvanic cells or simply referred to as cells), which are arranged in the housing of the battery cell. The memory elements can be embodied, in particular, as memory cells in a flat design without an inherently rigid shell (so-called "jelly rolls" or "coffee bags"). Memory cells of this type have only low mechanical strength and can absorb forces only to a very small extent. Therefore, they are installed in a battery cell housing, the housing walls are usually solid and, for example, made of aluminum. These so-called "hardcase cases" can withstand greater forces caused by volume changes in charge and discharge of the storage elements in all spatial directions. A disadvantage of such solid housing, however, is their large weight. One way to reduce the weight of the battery cell housing, is that the cell housing at least partially has a foam structure, so that in the base material of the cell housing gas-filled pores or cavities are distributed.
Ein derartiges Batteriezellengehäuse zeigt beispielsweise die
Es ist die Aufgabe der Erfindung, eine Batterie mit einem Gehäuse anzugeben, das gegenüber einem teilweise oder ganz aus einer Schaumstruktur bestehenden Gehäuse eine verbesserte Steifigkeit und Festigkeit besitzt.It is the object of the invention to provide a battery with a housing which has an improved stiffness and strength over a partially or entirely made of a foam structure housing.
Vorteile der ErfindungAdvantages of the invention
Die erfindungsgemäße Batterie mit einem Gehäuse mit dem Kennzeichen des Anspruchs 1 hat den Vorteil, dass die Steifigkeit und Festigkeit des erfindungsgemäßen Gehäuses deutlich erhöht sind.The battery according to the invention with a housing with the characterizing part of claim 1 has the advantage that the rigidity and strength of the housing according to the invention are significantly increased.
Hierzu ist erfindungsgemäß vorgesehen, dass das Gehäuse zumindest bereichsweise eine offenporige Struktur mit Hohlräumen aufweist, wobei die Hohlräume mit einem Kunststoff und/oder Kunststoffschaum gefüllt sind. Während des Lade- und Entladevorgangs der Speicherzellen, die im Gehäuse der Batterie verbaut sind, entsteht hohe Verlustwärme, die zu einer Ausdehnung der Speicherzellen führt. Durch diese Ausdehnung entsteht ein großer Druck innerhalb des Zellengehäuses der Batterie. Sind die Hohlräume der offenporigen Struktur mit Kunststoff und/oder Kunststoffschaum gefüllt, liegt im Vergleich zu ungefüllten Hohlräumen einer offenporigen Struktur vorteilhaft eine erhöhte Steifigkeit und Stabilität der Hohlräume gegen Kompression vor. Aus der erhöhten Kompressionssteifigkeit und der Stabilisierung resultiert eine erhöhte Steifigkeit und Festigkeit des Gehäuses. Die dünnen Wände der Hohlräume werden durch die Befüllung mit Kunststoff und/oder Kunststoffschaum gegen Biegung und Knicken bzw. Beulen stabilisiert.For this purpose, the invention provides that the housing has at least partially an open-pore structure with cavities, wherein the cavities are filled with a plastic and / or plastic foam. During the charging and discharging of the memory cells, which are installed in the housing of the battery, high heat loss results, which leads to an expansion of the memory cells. This expansion creates a large pressure within the cell housing of the battery. If the cavities of the open-pore structure are filled with plastic and / or plastic foam, there is advantageously an increased stiffness and stability of the cavities against compression in comparison to unfilled cavities of an open-pored structure. The increased compression stiffness and stabilization result in increased stiffness and strength of the housing. The thin walls of the cavities are stabilized by the filling with plastic and / or plastic foam against bending and buckling or buckling.
Durch die in den abhängigen Ansprüchen genannten Maßnahmen sind vorteilhafte Weiterbildungen der in dem unabhängigen Anspruch angegebenen Vorrichtung möglich.The measures mentioned in the dependent claims advantageous developments of the device specified in the independent claim are possible.
Vorteilhaft ist die offenporige Struktur mit Hohlräumen eine Schaumstruktur. Die beschriebenen Zellengehäuse haben den Vorteil, dass die Schaumstruktur verhältnismäßig einfach hergestellt werden kann. Beispielsweise können dem Rohmaterial Gasbläschen zugesetzt werden, welche dann im Fertigteil die gewünschte offenporige Schaumstruktur mit Hohlräumen bilden. Alternativ können dem Basismaterial auch chemische Treibmittel zugesetzt werden, welche nach Ausbildung der endgültigen Form im Material verteilte Gasbläschen erzeugen, die wiederum im Fertigteil die gewünschte offenporige Schaumstruktur mit Hohlräumen bilden. Es resultiert weiterhin vorteilhaft eine entsprechende Material- und Gewichtsersparnis. Zusätzlich kühlen die Zellengehäuse bei ihrer Herstellung schneller ab, wodurch sich verkürzte Produktionszeiten und damit geringere Herstellungskosten ergeben.Advantageously, the open-pore structure with cavities is a foam structure. The cell housing described have the advantage that the foam structure can be made relatively easy. For example, gas bubbles can be added to the raw material, which then form the desired open-pored foam structure with cavities in the finished part. Alternatively, chemical blowing agents can also be added to the base material, which after formation of the final shape produce gas bubbles distributed in the material, which in turn form the desired open-pored foam structure with cavities in the finished part. It also results in an advantageous advantageous material and weight savings. In addition, the cell casings cool down faster during their manufacture, resulting in shorter production times and thus lower production costs.
Vorteilhaft wird die offenporige Schaumstruktur mit Hohlräumen als Metallschaum, vorzugsweise als Aluminiumschaum, ausgebildet. Metalle haben gegenüber Kunststoffen den Vorteil, eine verbesserte Wärmeleitfähigkeit aufzuweisen. Die in den Speicherzellen beim Lade- und Entladevorgang entstehende Verlustwärme kann über einen Metallschaum besser als über einen Kunststoffschaum abgeführt werden. Werden die Hohlräume der offenporigen Metallschaumstruktur erfindungsgemäß mit einem Kunststoff und/oder Kunststoffschaum gefüllt, ergibt sich vorteilhaft ein Metallschaum-Kunststoff-Verbundsystem, das beispielsweise verbesserte Elastizitätseigenschaften gegenüber der reinen Metallschaumstruktur aufweist.Advantageously, the open-pored foam structure with cavities is designed as a metal foam, preferably as an aluminum foam. Metals have the advantage over plastics of having improved thermal conductivity. The resulting in the storage cells during charging and discharging loss heat can be dissipated via a metal foam better than a plastic foam. If the cavities of the open-pored metal foam structure according to the invention filled with a plastic and / or plastic foam, advantageously results in a metal foam-plastic composite system, for example, has improved elasticity properties over the pure metal foam structure.
Vorteilhaft wird die offenporige Schaumstruktur mit Hohlräumen als Kunststoffschaum, beispielsweise aus Polyvinylchlorid oder Polypropylen bestehend, ausgebildet. Kunststoffe haben gegenüber Metallen den Vorteil, ein geringeres Gewicht aufzuweisen. Wird die offenporige Schaumstruktur mit Hohlräumen aus einem ersten Kunststoff A_1 als Kunststoffschaum A_2 gefertigt und erfolgt die Füllung der Hohlräume mit einem zweiten Kunststoff B_1 bzw. Kunststoffschaum B_2, ergibt sich vorteilhaft ein Kunststoff-Kunststoff-Verbundsystem, dass sowohl verbesserte Elastizitätseigenschaften gegenüber einer nur aus dem Kunststoff A bestehenden offenporigen Schaumstruktur besitzt als auch leichter als beispielsweise ein Metallschaum-Kunststoff-Verbundsystem ist.Advantageously, the open-pore foam structure is formed with cavities as plastic foam, for example made of polyvinyl chloride or polypropylene. Plastics have the advantage over metals of having a lower weight. If the open-pore foam structure with cavities made of a first plastic A_1 as plastic foam A_2 and the filling of the cavities with a second plastic B_1 or plastic foam B_2, advantageously results in a plastic-plastic composite system that both improved elasticity properties over one only from the Plastic A has an open-pore foam structure as well as lighter than, for example, a metal foam-plastic composite system.
Vorteilhaft weist die offenporige Struktur mit Hohlräumen zumindest bereichsweise eine Wabenstruktur auf. Wabenstrukturen besitzen eine extrem hohe Stabilität mit gleichzeitig äußerst geringem Gewicht, da durch die Hohlräume Ressourcen eingespart werden. Auftretende Belastungen durch äußere Krafteinwirkungen werden vorteilhaft über die Wabenwände auf den gesamten Wabenbau verteilt (sogenannte ”Fernwirkung”) und wirken somit nicht punktuell.Advantageously, the open-pore structure with cavities at least partially on a honeycomb structure. Honeycomb structures have an extremely high stability and at the same time extremely low weight, as resources are saved through the cavities. Occurring loads due to external forces are advantageously distributed over the honeycomb walls to the entire honeycomb structure (so-called "distance effect") and thus do not act punctually.
Vorteilhaft weist die Wabenstruktur Waben auf, deren Grundfläche polygonal (dreieckig, viereckig, fünfeckig, etc.), vorzugsweise sechseckig, ausgebildet ist. Die entstehenden Hohlräume im Fall einer sechseckigen Grundfläche werden üblicherweise als ”Honeycomb-Strukturen” bezeichnet. Von allen möglichen lückenlos aneinander reihbaren Zellformen haben sechseckige Zellen das beste Verhältnis von Wandmaterial zu umschlossenen Volumen. Somit können vorteilhaft die Material- und somit die Herstellungskosten reduziert werden. Weiterhin zeigen Waben mit sechseckigen Zellen eine erhöhte Stabilität, da äußere Krafteinwirkungen besonders effizient auf benachbarte Zellen übertragen werden können.Advantageously, the honeycomb structure has honeycombs whose base is polygonal (triangular, quadrangular, pentagonal, etc.), preferably hexagonal. The resulting cavities in the case of a hexagonal base are commonly referred to as "honeycomb structures". Of all the possible gapless rows of cells, hexagonal cells have the best ratio of wall material to enclosed volume. Thus, advantageously, the material and thus the manufacturing cost can be reduced. Furthermore, honeycombs with hexagonal cells show increased stability, since external forces can be transmitted to neighboring cells in a particularly efficient manner.
Vorteilhaft zeigt eine Längsrichtung der Waben in Richtung einer Flächennormalen der Seitenflächen des Batteriezellengehäuses. Diese Struktur hat den Vorteil, dass die Waben einfach mit Kunststoff und/oder Kunststoffschaum befüllt werden können. Zusätzlich lassen sie sich leicht zwischen zwei Flächen platzieren, so dass eine sogenannte ”Sandwichbauweise” erreicht wird.Advantageously, a longitudinal direction of the honeycombs in the direction of a surface normal of the side surfaces of the battery cell housing. This structure has the advantage that the honeycomb can be easily filled with plastic and / or plastic foam. In addition, they can be easily placed between two surfaces, so that a so-called "sandwich construction" is achieved.
Vorteilhaft zeigt eine Längsrichtung der Waben senkrecht zur Flächennormalen der Seitenflächen des Batteriezellengehäuses. Erstrecken sich die Waben der Wabenstruktur über die gesamte Höhe der Seiten des Batteriezellengehäuses, lässt sich die Wabenstruktur sehr einfach in der gesamten Wabenhöhe mit Kunststoff und/oder Kunststoffschaum füllen. Zudem bilden mehrere dieser Waben nebeneinander angeordnet vorteilhaft die natürliche Begrenzung des Batteriezellengehäuses.Advantageously, a longitudinal direction of the honeycomb perpendicular to the surface normal of the side surfaces of the battery cell housing. If the honeycomb of the honeycomb structure extends over the entire height of the sides of the battery cell housing, the honeycomb structure can very easily be filled with plastic and / or plastic foam in the entire honeycomb height. In addition, several of these honeycomb arranged side by side advantageously the natural boundary of the battery cell housing.
Vorteilhaft wird mindestens eine Innenseite des Gehäuses der Batterie mit Kunststoff und/oder Keramik beschichtet. Die Beschichtung wird zum Zweck der elektrischen Isolierung sowie der Erhöhung der mechanischen Steifigkeit und Festigkeit aufgebracht. Dabei wird die Innenseite mit einem gegen den Elektrolyten der Speicherelemente beständigen und elektrisch isolierenden Kunststoff (zum Beispiel Polypropylen oder aminhärtendes Epoxidharz) beschichtet. Vorteilhaft kann als Beschichtung der Innenseite auch eine gegen den Elektrolyten beständige und elektrisch isolierende Keramik aufgebracht werden, die beispielsweise aus Aluminiumoxid besteht. Es können auch Beschichtungen aus Keramik-Kunststoffgemischen zum Einsatz gebracht werden.Advantageously, at least one inside of the housing of the battery is coated with plastic and / or ceramic. The coating is applied for the purpose of electrical insulation as well as increasing mechanical rigidity and strength. In this case, the inside is coated with a resistant to the electrolyte of the memory elements and electrically insulating plastic (for example, polypropylene or amine-curing epoxy resin). Advantageously, as a coating of the inside, a resistant to the electrolyte and electrically insulating ceramic can be applied, which consists for example of alumina. Coatings made of ceramic-plastic mixtures can also be used.
Vorteilhaft wird mindestens eine Außenseite der Gehäusewände des Batteriezellengehäuses mit Kunststoff und/oder Keramik beschichtet. Die Beschichtung wird analog zur Beschichtung der Innenseite zum Zweck der elektrischen Isolierung sowie der Erhöhung der mechanischen Steifigkeit und Festigkeit aufgebracht. Dabei wird die Außenseite mit einem gegen den Elektrolyten der Speicherelemente beständigen und elektrisch isolierenden durchschlagsfesten Kunststoff (zum Beispiel Polypropylen oder aminhärtendes Epoxidharz) beschichtet. Vorteilhaft kann als Beschichtung der Außenseite auch eine gegen den Elektrolyten beständige und elektrisch isolierende Keramik aufgebracht werden, die beispielsweise aus Aluminiumoxid besteht. Durch die Beschichtung sowohl der Innen- als auch der Außenseite des Batteriezellengehäuses kann auf die aufwändige elektrische Isolierung der elektrischen Speicherelemente sowie auf die zusätzliche elektrische Isolierung der Batteriezellen beim Verbau zu Batteriemodulen verzichtet werden.Advantageously, at least one outer side of the housing walls of the battery cell housing is coated with plastic and / or ceramic. The coating is applied analogously to the coating of the inside for the purpose of electrical insulation and to increase the mechanical rigidity and strength. In this case, the outside is coated with a resistant to the electrolyte of the memory elements and electrically insulating impact-resistant plastic (for example, polypropylene or amine-curing epoxy resin). Advantageously, as a coating of the outside, a resistant to the electrolyte and electrically insulating ceramic can be applied, which consists for example of alumina. By coating both the inside and the outside of the battery cell housing can be dispensed with the complex electrical insulation of the electrical storage elements and on the additional electrical insulation of the battery cells when installing to battery modules.
Vorteilhaft liegt die Wandstärke der Waben im Bereich von 0,05 mm bis 0,8 mm. Diese Wandstärke hat sich als besonders gut bezüglich der Tragfähigkeit der offenporigen Struktur und der Materialeinsparung in Kombination mit Gewichtseinsparung herausgestellt. Advantageously, the wall thickness of the honeycomb in the range of 0.05 mm to 0.8 mm. This wall thickness has proven to be particularly good in terms of the load capacity of the open-pored structure and the material savings in combination with weight savings.
Zeichnungdrawing
Die Erfindung wird nachfolgend in mehreren Ausführungsbeispielen anhand der zugehörigen Zeichnungen näher erläutert.The invention will be explained in more detail in several embodiments with reference to the accompanying drawings.
Ausführungsformen der ErfindungEmbodiments of the invention
In einem weiteren, nicht dargestellten Ausführungsbeispiel des Gehäuses
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Zitierte PatentliteraturCited patent literature
- DE 202005010708 U1 [0003] DE 202005010708 U1 [0003]
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2010
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