DE102011075462A1 - Batteriemodul einen Batteriezellenstapel aus mindestens zwei Batteriezellen aufweisend mit einer passiven Klimatisierung sowie Kraftfahrzeug - Google Patents

Batteriemodul einen Batteriezellenstapel aus mindestens zwei Batteriezellen aufweisend mit einer passiven Klimatisierung sowie Kraftfahrzeug Download PDF

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Abstract

Es wird ein Batteriemodul einen Batteriezellenstapel (10) aus mindestens zwei Batteriezellen (11) aufweisend beschrieben, bei dem jede Batteriezelle (11) von zumindest einer PCM-haltigen Zelle (12) kontaktiert wird, die in den Batteriezellenstapel (10) eingefügt ist. Dadurch ist die thermische Weglänge zwischen jedem PCM-Molekül und der Batterie sehr gering, wodurch eine verbesserte passive Klimatisierung der Batteriezellen erreicht wird. Ferner wird eine Ausgestaltung des Batteriemoduls als Lithium-Ionen-Akkumulator und ein Kraftfahrzeug vorgeschlagen.

Description

  • Die vorliegende Erfindung betrifft ein Batteriemodul einen Batteriezellenstapel aus mindestens zwei Batteriezellen aufweisend sowie ein Kraftfahrzeug.
  • Stand der Technik
  • Batteriemodule und insbesondere Lithium-Ionen-Batterien bzw. -Akkumulatoren dürfen je nach Leistungsanforderung für einen dauerhaft sicheren und schonenden Betrieb nur in einem bestimmten Temperaturbereich betrieben werden. Unter Berücksichtigung der Leistungsfähigkeit und einer möglichst langsamen Alterung ist je nach Zusammensetzung des Lithium-Ionen-Akkumulators eine optimale Betriebstemperatur im Bereich zwischen 30°C und 40°C gegeben.
  • Zur Einstellung der optimalen Betriebstemperatur werden beispielsweise bei der Verwendung von einem Lithium-Ionen-Akkumulator im Kraftfahrzeug üblicherweise Kühl- und Kältekreisläufe eingesetzt, um die im Betrieb erwärmten Akkumulatorzellen zu kühlen. Hierzu werden die Akkumulatorzellen gegen eine Kühl- oder Kälteplatte gepresst, über welche die Wärme abgeführt werden kann. Alternativ erfolgt eine Kühlung bzw. Erwärmung der Zellen über Peltierelemente oder einfach durch einen temperierten oder nicht-temperierten Luftstrom, der über die Oberfläche der Akkumulatorzellen geführt wird.
  • Alternativ zu oben genannten, aktiven Klimatisierungskonzepten besteht die Möglichkeit, die optimierte Temperierung der Batteriezellen über passive Klimatisierungskonzepte darzustellen. Hierbei wird die in den Batterien erzeugte Wärme durch die Umgebung der Zellen aufgenommen und bei Abkühlung des Batteriesystems wieder an die Batterie abgegeben. Zur Darstellung von passiven Klimatisierungskonzepten eignen sich sogenannte „Phase Changing Materials“ (PCM), die oberhalb einer definierten Schmelztemperatur durch Phasenübergang große Wärme-Mengen aufnehmen können und unterhalb der Schmelztemperatur diese Wärme wieder abgeben können. Der Vorteil beim Einsatz von PCM ist, dass die Batterie möglichst lange im Bereich der optimalen Betriebstemperatur gehalten werden kann. Nachteilig beim Einsatz von PCM ist, dass diese beim Phasenübergang zumeist flüssig werden und daher in einem geschlossenen Behältnis positioniert werden müssen, das thermisch an das zu klimatisierende System angekoppelt sein muss.
  • Dabei kann es sich um mikroverkapseltes PCM handeln, das direkt innerhalb der Batterie verteilt eingesetzt wird. Ein derartiges Konzept wird in der US 20060063066 A1 beschrieben. Es ist aus der CN 201378601 Y und der US 5449571 A1 auch bekannt, das PCM in einem makroskopischen Behältnis anzuordnen, worin zudem die Batteriezellen selbst eingebettet werden.
  • Durch geeigneten Einsatz von PCM soll die in der Batterie kurzzeitig entstehende Wärme schnell aufgenommen, die Temperatur der Batterie insgesamt möglichst lange bei der optimalen Betriebstemperatur gehalten und vor Neustart des Fahrzeugs weitestgehend wieder an die Umgebung abgegeben werden. Nachteilig bei der schnellen Aufnahme und Abgabe von Wärme ist hierbei, dass die PCM gewöhnlich eine sehr geringe Wärmeleitfähigkeit besitzen.
  • Offenbarung der Erfindung
  • Erfindungsgemäß wird ein Batteriemodul mit einem prismatischen Batteriezellenstapel zur Verfügung gestellt, der mindestens zwei Batteriezellen aufweist, wobei jede Batteriezelle von zumindest einer Phase Changing Material/PCM-haltigen Zelle kontaktiert wird, die in den Batteriezellenstapel eingefügt ist.
  • Vorteilhafterweise wird durch das erfindungsgemäße Batteriemodul mit einer passiven Klimatisierung der Batteriezellen durch PCM-haltige Zellen ein schneller Wärmeaustausch zwischen dem PCM-Volumen der PCM-haltigen Zellen und den einzelnen Batteriezellen ermöglicht, sodass der optimale Bereich für die Betriebstemperatur der Batteriezellen sicher eingehalten werden kann, da die thermische Weglänge zwischen jedem PCM-Molekül und der Batterie durch die geschichtete Anordnung minimiert ist.
  • Übliche Materialien, die als PCM verwendet werden, sind dem Fachmann aus dem Stand der Technik bekannt. Dies sind Wärmespeichermaterialien mit hoher Enthalpie beim Phasenübergang fest-flüssig und einer im gewünschten Bereich liegenden Schmelztemperatur.
  • Die Menge des benötigten Materials in der PCM-haltigen Zelle ergibt sich aus der zu puffernden Wärmemenge innerhalb des täglichen Betriebs, der idealerweise deutlich kürzer als die täglichen Ruhephasen des Systems ist.
  • Vorzugsweise ist zwischen zwei Batteriezellen jeweils eine PCM-haltige Zelle angeordnet, so dass sich eine alternierende Anordnung von Batteriezellen und PCM-haltigen Zellen ergibt. Dabei ist jede Batteriezelle im Batteriezellenstapel zu zwei PCM-haltigen Zellen benachbart. Nach einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung ist dies auch bei den endständigen Batteriezellen vorgesehen, sodass dann eine PCM-haltige Zelle mehr als Batteriezellen im Batteriezellenstapel vorhanden ist.
  • Um den Wärmeaustausch zwischen den Batteriezellen und dem PCM zu optimieren, weisen die Batteriezellen und die PCM-haltigen Zellen ein wärmeleitfähiges Gehäuse auf, das bevorzugt aus Metall gefertigt ist. Dies erlaubt eine wirtschaftliche und problemlose Fertigung der Gehäuse.
  • Vorzugsweise sind die Gehäuse der Batteriezellen und die der PCM-haltigen Zellen derart dimensioniert, dass sich ein quaderförmiger bzw. prismatischer Batteriezellenstapel ergibt, der problemlos in ein entsprechendes Batteriegehäuse eingebracht und gegebenenfalls verspannt werden kann, d.h. die Kontaktflächen der Batteriezellen und der PCM-haltigen Zellen sind kongruent, wobei die Breite der PCM-haltigen Zellen entsprechend der aufzunehmenden Wärmemenge passend skaliert wird, um eine optimale Temperierung zu gewährleisten.
  • Der Vorteil der Erfindung gegenüber dem Stand der Technik besteht in der geschichteten Anordnung von Batterie- und PCM-haltigen Zellen, wodurch die thermische Kontaktfläche zwischen PCM und der Batteriezelle maximiert wird, ohne dass mikroverkapseltes PCM in die Batterie oder umgekehrt die Batterie in ein PCM-haltiges Behältnis eingebettet wird.
  • Nach einer besonders bevorzugten Ausführungsform weisen die PCM-haltigen Zellen im Inneren eine wärmeleitende Matrix bzw. eine Wärmeleitstruktur – beide Begriffe werden im Rahmen der Beschreibung synonym gebraucht – auf, in die das PCM eingebettet ist und die thermisch an das Gehäuse angekoppelt ist. Dadurch wird der Wärmetransfer von der Wandung der PCM-haltigen Zellen in das PCM-Volumen sicher gewährleistet.
  • Die Einbettung des PCM in eine thermisch leitende Matrix innerhalb des PCM-Behältnisses sorgt für eine Maximierung der Kontaktfläche zwischen PCM und den Batteriezellen und einer weiteren Minimierung der Weglängen geringer thermischer Leitfähigkeit innerhalb des PCM.
  • Diese Wärmeleitstruktur bzw. Matrix kann in Form einer ungeordneten Struktur, einer geordneten Struktur oder einer Kombination daraus vorliegen. Wesentlich ist, dass die Wärmeleitstruktur insgesamt eine hohe spezifischer Oberfläche aufweist, wodurch sich eine große Kontaktfläche zum PCM ergibt.
  • Geeignete Wärmeleitstrukturen sind beispielsweise metallische Fäden, vorzugsweise in gepresster Form, Schäume oder Gitter, die gegebenenfalls mit einer wärmleitenden Metallfolie umwickelt und/oder in Schichten angeordnet sein können. Bevorzugte Materialien sind Stahlwolle, Aluminiumschaum und dergleichen.
  • Nach einer weiteren bevorzugten Ausführungsform des Batteriemoduls weist dieses zumindest eine Kühlplatte oder Verdampferplatte auf, die thermisch leitend mit den PCM-haltigen Zellen verbunden ist, so dass vorteilhafterweise den PCM-haltigen Zellen zum Ausgleich des Wärmehaushalts kontrolliert Wärme entzogen oder zugeführt werden kann.
  • Diese kann an zumindest einer Seite des Batteriezellenstapels angepresst sein und somit die PCM-haltigen Zellen kontaktieren. Natürlich werden dann auch die Batteriezellen kontaktiert, sodass gegebenenfalls diese auch aktiv klimatisiert werden können.
  • Alternativ kann auch zumindest eine Kühl- oder Verdampferplatte in dem Batteriezellenstapel, benachbart zu einer PCM-haltigen Zelle, vorzugsweise zwischen zwei PCM-haltigen Zellen angeordnet sein. Besonders bevorzugt sind mehrere Kühl- oder Verdampferplatten über den Batteriezellenstapel gleichmäßig verteilt, sodass alle PCM-haltigen Zellen kontaktiert werden.
  • So kann vorteilhafterweise die im Betrieb des Batteriemoduls entstehende Wärme aus dem Batteriemodul kontinuierlich abgeführt werden, beispielsweise bei einem externen Laden des Batteriemoduls, bei dem gleichzeitig eine übermäßig vorhandene Wärmemenge über den Kühl- oder Kältekreislauf abgeleitet werden kann.
  • Dies ist besonders bei der Verwendung des Batteriemoduls in Kraftfahrzeugen wünschenswert, da vor einem Neustart des Fahrzeugs die meiste Wärme weitestgehend wieder an die Umgebung abgegeben sein sollte, damit das PCM neu in der Batterie entstehende Wärme aufnehmen kann.
  • Durch geeignete Wahl der Betriebsstrategie der Batterie und gegebenenfalls des Kühl-/Kältekreislaufs kann eine schonende und sichere Temperierung des Batteriemoduls umgesetzt werden.
  • Vorzugsweise weist das Gehäuse der PCM-haltigen Zellen ein wasserundurchlässiges Druckausgleichselement auf, das den Innenraum der Zelle mit der Umgebung verbindet, sodass eine Entlüftung der Zelle bei Temperaturschwankungen gewährleistet ist.
  • Nach einer besonders bevorzugten Ausführungsform des Batteriemoduls ist dieses als Lithium-Ionen-Akkumulator ausgebildet.
  • Gegenstand der Erfindung ist zudem ein Kraftfahrzeug mit einem elektrischen Antriebsmotor zum Antreiben des Kraftfahrzeugs und einem mit dem elektrischen Antriebsmotor verbundenen oder verbindbaren erfindungsgemäßen Akkumulator, vorzugsweise einem Lithium-Ionen-Akkumulator.
  • Vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung sind in den Unteransprüchen angegeben.
  • Zeichnungen
  • Ausführungsbeispiele der Erfindung werden anhand der Zeichnungen und der nachfolgenden Beschreibung näher erläutert. Es zeigen:
  • 1 in einer Seitenansicht einen Batteriezellenstapel des erfindungsgemäßen Batteriemoduls mit Anpressplatten,
  • 2 in einer Seitenansicht einen Batteriezellenstapel des erfindungsgemäßen Batteriemoduls mit verschiedenen Ausführungsformen von PCM-haltigen Zellen,
  • 3 in einer Seitenansicht einen Batteriezellenstapel des erfindungsgemäßen Batteriemoduls mit Anpressplatten und einer Kühl- oder Verdampferplatte, und
  • 4 in einer Seitenansicht zwei Batteriezellen mit einer PCM-haltigen Zelle, die ein Druckausgleichselement aufweist.
  • Ausführungsformen der Erfindung
  • In der 1 ist ein Batteriezellenstapel 10 für ein Batteriemodul dargestellt, das Batteriezellen 11 aufweist, zwischen denen PCM-haltige Zellen 12 angeordnet sind, wobei auch die beiden Enden des Batteriezellenstapels 10 jeweils eine PCM-haltige Zelle 12 aufweisen, sodass jede Batteriezelle 11 auf zwei gegenüberliegenden Seiten von einer PCM-haltigen Zelle 12 kontaktiert wird. An den Enden des Batteriezellenstapels 10 ist zudem jeweils eine Anpressplatte 13 angeordnet, sodass der Batteriezellenstapel 10 durch geeignete Mittel, die hier nicht dargestellt sind, verpresst werden kann, was insbesondere bei der Ausgestaltung als Lithium-Ionen-Akkumulator wesentlich ist. Die Batteriezellen 11 und die PCM-haltigen Zellen 12 weisen jeweils ein Gehäuse 14, 15 aus einem wärmeleitfähigen Material auf. Im Inneren der PCM-haltigen Zellen ist eine Wärmeleitstruktur 16 angeordnet, in die das PCM 17 eingebettet ist.
  • Vier verschiedene Ausführungsformen a, b, c, d der PCM-haltigen Zellen 12 sind im Batteriezellenstapel 10 gemäß 2 gezeigt. So ist die Wärmeleitstruktur 16 der Ausführungsform a eine ungeordnete Struktur in Form von gepresster Stahlwolle. Auch bei der Ausführungsform b wird Stahlwolle als Wärmeleitstruktur 16 verwendet, jedoch ist diese zusätzlich in einer Metallfolie eingewickelt. Eine gewickelte Metallfolie, diesmal ohne Verwendung von Stahlwolle, kommt bei der Ausführungsform c als Wärmeleitstruktur 16 zum Einsatz. Hingegen besteht die Wärmeleitstruktur 16 bei der Ausführungsform d aus einer geordneten Struktur in Form eines Metallgitters.
  • 3 zeigt einen Batteriezellenstapel 10, der dem Batteriezellenstapel 10 gemäß 1 entspricht. Hier ist zusätzlich eine Kühlplatte 18 entlang einer Seite des Batteriezellenstapels 10 angelegt, sodass die Batteriezellen 11 und die PCM-haltigen Zellen 12 zusätzlich einer aktiven Klimatisierung unterzogen werden können.
  • In 4 sind zwei Batteriezellen 11 mit einer dazwischen angeordneten PCM-haltigen Zelle 12 dargestellt, wobei die PCM-haltige Zelle 12 im Gehäuse 15 ein Druckausgleichselement 19 aufweist.
  • ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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  • Zitierte Patentliteratur
    • US 20060063066 A1 [0005]
    • CN 201378601 Y [0005]
    • US 5449571 A1 [0005]

Claims (10)

  1. Ein Batteriemodul einen Batteriezellenstapel (10) aus mindestens zwei Batteriezellen (11) aufweisend, dadurch gekennzeichnet, dass jede Batteriezelle (11) von zumindest einer PCM-haltigen Zelle (12) kontaktiert ist, die in den Batteriezellenstapel (10) eingefügt ist.
  2. Das Batteriemodul nach Anspruch 1, wobei jeweils zwischen zwei Batteriezellen (11) eine PCM-haltigen Zelle (12) angeordnet ist.
  3. Das Batteriemodul nach Anspruch 1 oder 2, wobei jede Batteriezelle (11) zwischen zwei PCM-haltigen Zellen (12) angeordnet ist.
  4. Das Batteriemodul nach einem der Ansprüche 1 bis 3, wobei die Batteriezellen (11) und die PCM-haltigen Zellen (12) jeweils ein wärmeleitfähiges Gehäuse (14, 15) aufweisen.
  5. Das Batteriemodul nach einem der Ansprüche 1 bis 4, wobei das Batteriemodul in einem Batteriegehäuse angeordnet und gegebenenfalls verpresst ist.
  6. Das Batteriemodul nach einem der Ansprüche 1 bis 5, wobei die PCM-haltigen Zellen (12) im Inneren eine wärmeleitende Matrix oder eine Wärmeleitstruktur (16) aufweisen, in die das PCM (17) eingebettet ist und die thermisch an das Gehäuse (15) der jeweiligen PCM-haltigen Zelle (12) angekoppelt ist.
  7. Das Batteriemodul nach einem der Ansprüche 1 bis 6, wobei jede PCM-haltige Zelle (12) mit zumindest einer Kühlplatte (18) oder Verdampferplatte thermisch leitend verbunden ist.
  8. Das Batteriemodul nach einem der Ansprüche 1 bis 7, wobei das Gehäuse (15) der PCM-haltigen Zellen (12) ein Druckausgleichselement (19) aufweist.
  9. Das Batteriemodul nach einem der Ansprüche 1 bis 8, wobei das Batteriemodul als Lithium-Ionen-Akkumulator ausgebildet ist.
  10. Ein Kraftfahrzeug mit einem elektrischen Antriebsmotor zum Antreiben des Kraftfahrzeugs und einem mit dem elektrischen Antriebsmotor verbundenen oder verbindbaren Akkumulator gemäß einem der Ansprüche 1 bis 9.
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