DE102011085965A1 - Battery and motor vehicle - Google Patents

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Abstract

Es wird eine Batterie (14) beschrieben, welche ein Batteriegehäuse (16) und eine Mehrzahl darin angeordneter Batteriezellen (10) umfasst. Kennzeichnend ist das Batteriegehäuse (16) mindestens aus kohlenstofffaserverstärktem Kunststoff (CFK) geformt. Ferner wird eine Batterie (14) und ein Kraftfahrzeug umfassend die Batterie (14) vorgeschlagen.A battery (14) is described which comprises a battery housing (16) and a plurality of battery cells (10) arranged therein. Characteristically, the battery housing (16) is formed at least from carbon fiber reinforced plastic (CFRP). Furthermore, a battery (14) and a motor vehicle comprising the battery (14) are proposed.

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft eine Batterie, welche ein Batteriegehäuse und eine Mehrzahl darin angeordneter Batteriezellen umfasst. Ferner betrifft die Erfindung ein Kraftfahrzeug, welches eine solche Batterie besitzt.The present invention relates to a battery comprising a battery case and a plurality of battery cells disposed therein. Furthermore, the invention relates to a motor vehicle having such a battery.

Stand der TechnikState of the art

Es zeichnet sich ab, dass in Zukunft sowohl bei stationären Anwendungen beispielsweise bei Windkraftanlagen, in Fahrzeugen, beispielsweise in Hybrid- und Elektrofahrzeugen, als auch in elektronischen Geräten, wie beispielsweise in Laptops und Mobiltelefonen, vermehrt neue Batteriesysteme zum Einsatz kommen werden, an die sehr hohe Anforderungen bezüglich Sicherheit, Zuverlässigkeit, Leistungsfähigkeit und Lebensdauer gestellt werden. Vor allem beim Einsatz in Fahrzeugen muss der Energiespeicher höchsten Sicherheitsstandards genügen, um insbesondere im Falle einer Kollision keine Gefährdung darzustellen.It is becoming apparent that in the future, both in stationary applications such as wind turbines, in vehicles, for example in hybrid and electric vehicles, as well as in electronic devices, such as in laptops and mobile phones, more new battery systems will be used, to the very high demands are placed on safety, reliability, performance and service life. Especially when used in vehicles, the energy storage must meet the highest safety standards, especially in the event of a collision pose no threat.

Prädestiniert für Elektrofahrzeuge ist insbesondere die Lithium-Ionen-Technologie. Sie zeichnet sich unter anderem durch hohe Energiedichten und eine äußerst geringe Selbstentladung aus. Lithium-Ionen-Batteriezellen besitzen mindestens eine positive sowie eine negative Elektrode (Kathode bzw. Anode), die Lithium-Ionen (Li+) reversibel ein-(Interkalation) oder wieder auslagern (Deinterkalation). Damit die Interkalation bzw. die Deinterkalation von Lithium-Ionen stattfinden kann, ist die Anwesenheit einer Elektrolytkomponente (ein sogenanntes Lithium-Leitsalz) notwendig. Praktisch bei allen derzeitigen Lithium-Ionen-Zellen, sowohl im Consumer-Bereich (Mobil-Telefone, MP3-Player oder Powertools) als auch im Automotiven Bereich, beispielsweise bei Hybrid-Autos (HEV für Hybrid Electric Vehicle), Plug-in-Hybrid Autos (PHEV für Pluig-in Hybrid Electric Vehicle) und Elektroautos (EV für electric vehicle), wird als Lithium-Leitsalz Lithiumhexafluorophosphat (LiPF6) eingesetzt. Particularly predestined for electric vehicles is lithium-ion technology. It is characterized among other things by high energy densities and extremely low self-discharge. Lithium-ion battery cells have at least one positive and one negative electrode (cathode or anode), the lithium ions (Li +) reversible on (intercalation) or outsource (deintercalation). In order for the intercalation or deintercalation of lithium ions to take place, the presence of an electrolyte component (a so-called lithium conducting salt) is necessary. Practical for all current lithium-ion cells, both in the consumer sector (mobile phones, MP3 players or Powertools) and in the automotive sector, for example in hybrid cars (HEV for Hybrid Electric Vehicle), plug-in hybrid Cars (PHEV for Pluig-in Hybrid Electric Vehicle) and electric cars (EV for electric vehicle), is used as lithium-conductive salt lithium hexafluorophosphate (LiPF 6 ).

Ein zweites praktikables Batterie-System bilden wiederaufladbare metallische Lithium-Systeme. Hier wirkt ein Metall als negative Elektrode und das positive Aktivmaterial basiert zum Beispiel auf einem Übergangsmetalloxid mit Schichtstruktur wie Lithium-Kobalt-Oxid (LiCoO2).A second practical battery system is made up of rechargeable metallic lithium systems. Here, a metal acts as a negative electrode and the positive active material is based, for example, on a transition metal oxide having a layer structure such as lithium cobalt oxide (LiCoO 2 ).

Ebenso finden aber auch Nickel-Metallhydrid und Blei-Säure-Batterien im Fahrzeugbau Verwendung.However, nickel-metal hydride and lead-acid batteries are also used in vehicle construction.

Einzelne Batteriezellen werden zu Modulen und diese wiederum zu Batterien zusammengefasst. 1 zeigt wie einzelne Batteriezellen 10 durch parallele oder serielle Verschaltung zu Batteriemodulen 12 und dann zu Batterien 14 verschaltet werden können. Dabei bestehen per Definition ein Batteriemodul 12 bzw. eine Batterie 14 aus mindestens zwei Batteriezellen 10, wobei die Begriffe Batterie und Batteriemodul oft synonym verwendet werden. Individual battery cells become modules and these in turn are combined into batteries. 1 shows like individual battery cells 10 by parallel or serial connection to battery modules 12 and then to batteries 14 can be interconnected. There are by definition a battery module 12 or a battery 14 from at least two battery cells 10 , where the terms battery and battery module are often used interchangeably.

Gemäß dem Stand der Technik besteht ein Batteriegehäuse aus Metall (z. B. aus Stahl oder einer Aluminiumlegierung) oder aus Kunststoff. Bei starken mechanischen Einwirkungen, wie sie bei einer Kollision eines Fahrzeuges auftreten können, sind diese Batteriegehäuse oftmals zu instabil und werden häufig zerstört. Besonders wenn das Zellen-Gehäuse aus Metall besteht, kommt es bei Unfällen beispielsweise zu internen Kurzschlüssen in der Zelle oder auch zu externen Kurzschlüssen im Batteriesystem. Dies kann zu heftiger Erwärmung, zum Öffnen der Zellen, zur Emission von Zellkomponenten als Rauch, zu Flammenbildung oder sogar zur Explosion führen. Dies wird vor allem beobachtet, wenn sich das Batteriesystem im vollgeladenen Zustand befindet.According to the prior art, a battery case is made of metal (eg, steel or aluminum alloy) or plastic. With strong mechanical effects, such as may occur in a collision of a vehicle, these battery cases are often too unstable and are often destroyed. In particular, if the cell housing is made of metal, it comes in case of accidents, for example, internal short circuits in the cell or external short circuits in the battery system. This can lead to severe heating, opening of cells, emission of cell components as smoke, flame formation or even explosion. This is especially noticeable when the battery system is fully charged.

Die Druckschriften DE 10157272 A1 , WO 2010/135456 A2 , WO 2010/040520 A2 , DE 10 2008 023 571 A1 und DE 10326906 A1 beschreiben Batterien mit unterschiedlichen Batteriegehäusen, welche teilweise auch konstruktive Eigenschaften zur Erhöhung der Unfallsicherheit aufweisen. Diese zielen im Wesentlichen auf eine Zündhemmung austretenden Elektrolyts oder eine Kapselung einzelner oder mehrerer Batteriezellen ab.The pamphlets DE 10157272 A1 . WO 2010/135456 A2 . WO 2010/040520 A2 . DE 10 2008 023 571 A1 and DE 10326906 A1 describe batteries with different battery cases, some of which also have design features to increase accident safety. These aim essentially at an ignition escaping electrolyte or encapsulation of single or multiple battery cells.

Offenbarung der ErfindungDisclosure of the invention

Erfindungsgemäß wird eine Batterie zur Verfügung gestellt. Diese umfasst in einem Batteriegehäuse eine Mehrzahl an Batteriezellen. Kennzeichnend ist das Batteriegehäuse aus kohlenstofffaserverstärktem Kunststoff (Carbon-faserverstärkter Kunststoff; CFK) geformt. Die Abkürzung CFK bezeichnet einen Faser-Kunststoff-Verbundwerkstoff, bei dem Kohlenstofffasern, meist in mehreren Lagen, als Verstärkung in eine Kunststoff-Matrix eingebettet werden.According to the invention, a battery is provided. This comprises a plurality of battery cells in a battery housing. Characteristic is the battery housing made of carbon fiber reinforced plastic (carbon fiber reinforced plastic, carbon fiber) molded. The abbreviation CFK denotes a fiber-plastic composite material in which carbon fibers, usually in several layers, are embedded as reinforcement in a plastic matrix.

Kohlenstofffasern sind industriell hergestellte Fasern. Gerade die anisotropen Fasern besitzen herausragende mechanische Festigkeiten und Steifheiten bei sehr geringer Bruchdehnung. Diese Kohlenstofffasern können auch Kunststoffen beigemischt werden und dementsprechend lassen sich Kunststoff-Verbundbauteile daraus herstellen. Dies entspricht einer erheblichen Verbesserung der mechanischen Eigenschaften gegenüber herkömmlichen Kunststoff-Batteriegehäusen ohne Faserverstärkung.Carbon fibers are industrially produced fibers. Especially the anisotropic fibers have outstanding mechanical strength and stiffness with very low elongation at break. These carbon fibers can also be mixed with plastics and, accordingly, plastic composite components can be produced therefrom. This corresponds to a significant improvement in mechanical properties over conventional plastic battery housings without fiber reinforcement.

Zudem besitzen kohlenstofffaserverstärkte Kunststoffe im Vergleich zu gebräuchlichen metallischen Werkstoffen hervorragende mechanische Eigenschaften bei gleichzeitig sehr geringer Dichte. So entspricht die Dichte der kohlenstofffaserverstärkten Verbundwerkstoffe lediglich etwa 50 % der Dichte von Aluminium und rund 20 % der Dichte von Stahl. Sie werden seit längerem beispielsweise im Rennsport oder auch in der Flugzeugtechnik eingesetzt. In addition, carbon fiber reinforced plastics have compared to common metallic materials have excellent mechanical properties and very low density at the same time. Thus, the density of the carbon fiber reinforced composites is only about 50% of the density of aluminum and about 20% of the density of steel. They have long been used for example in racing or in aircraft technology.

Die vorliegende Erfindung überträgt die bekannten Vorteile dieses Werkstoffes auf Batteriegehäuse und beseitigt so einige, aus dem Stand der Technik bekannte, sicherheitsrelevante Nachteile und zeichnet sich durch eine Reihe von weiteren Vorteilen aus:

  • • geringeres Gewicht des Gehäuses und somit höhere spezifische gravimetrische Energie der Batterie verglichen mit einer Batterie mit einem Batterie-Gehäuse aus Metall
  • • außerordentlich gute Crasheigenschaften
  • • geringe Ermüdungsneigung
  • • äußerst hohe Korrosionsbeständigkeit
  • • schwingungsdämpfendes Verhalten
  • • sehr geringe thermische Ausdehnung
  • • verringerte Gefahr von Eintritt von Metall in die Batteriezelle bei einem Unfall und somit erhöhte Sicherheit im Gefahrenfall
  • • erhöhte Sicherheit im Brandfalle, beispielsweise bei einem Crash, da kohlenstofffaserverstärkter Kunststoff äußerst schwer entflammbar ist
  • • freiere Formgebung bei der Herstellung
  • • verbesserter thermischer Übergang, da kohlenstofffaserverstärkte Kunststoffe thermisch gut leitend sind, wodurch sich eine gleichmäßige Temperaturverteilung und somit längere Lebensdauer der Batterie ergibt
The present invention transfers the known advantages of this material to battery cases and thus eliminates some safety-related disadvantages known from the prior art and is distinguished by a number of further advantages:
  • • Lower weight of the case and thus higher specific gravimetric energy of the battery compared to a battery with a metal battery case
  • • extremely good crash characteristics
  • • low fatigue tendency
  • • extremely high corrosion resistance
  • • vibration damping behavior
  • • very low thermal expansion
  • • reduced risk of metal entering the battery cell in the event of an accident and thus increased safety in case of danger
  • • Increased safety in case of fire, for example in a crash, as carbon fiber reinforced plastic is extremely flame retardant
  • • freer shaping during production
  • • improved thermal transfer, as carbon fiber reinforced plastics are thermally highly conductive, resulting in a uniform temperature distribution and thus longer battery life

Die Kunststoff-Matrix kann dabei mit verschiedenen Materialien gebildet werden. Vorzugsweise ist der Kunststoff ein duroplastischer Kunststoff, wie beispielsweise Epoxidharz (EP), womit sich besonders gute Ergebnisse erzielen lassen.The plastic matrix can be formed with different materials. Preferably, the plastic is a thermosetting plastic, such as epoxy resin (EP), which can achieve particularly good results.

Gemäß einer weiteren Ausgestaltung der Erfindung ist der Kunststoff bevorzugt ein Thermoplast. Besonders bevorzugt ist der Kunststoff ein Polyolefin wie zum Beispiel Polypropylen (PP). Ferner bevorzugt dient Polyphenylensulfid (PPS) als Kunststoff. Die beiden genannten Kunststoffe besitzen ausreichende Temperaturbeständigkeit, gute Chemikalienbeständigkeit und mechanische Stabilität.According to a further embodiment of the invention, the plastic is preferably a thermoplastic. Particularly preferably, the plastic is a polyolefin such as polypropylene (PP). Further preferably, polyphenylene sulfide (PPS) serves as a plastic. The two plastics mentioned have sufficient temperature resistance, good chemical resistance and mechanical stability.

Bevorzugt sind die Kohlenstofffasern in Form eines Gewebes in den Kunststoff eingebracht, wodurch sich unter anderem Vorteile bei der Verarbeitung ergeben.Preferably, the carbon fibers are introduced in the form of a fabric in the plastic, resulting in, inter alia, advantages in processing.

Vorzugsweise sind die Batteriezellen des Batteriemoduls Lithium-Ionen-Sekundärzellen. Durch die Verwendung der Lithium-Ionen-Technologie können besonders hohe Energiespeicherdichten erzielt werden, was besonders im Bereich der Elektromobilität zu weiteren Vorteilen führt.Preferably, the battery cells of the battery module are lithium-ion secondary cells. By using the lithium-ion technology, particularly high energy storage densities can be achieved, which leads to further advantages, especially in the field of electromobility.

Ferner bevorzugt können die Batteriezellen aber auch Lithium-Metall, Nickel-Metallhydrid-Zellen oder Blei-Säure-Zellen sein.Furthermore, however, the battery cells may also be lithium metal, nickel-metal hydride cells or lead-acid cells.

Des Weiteren wird ein Kraftfahrzeug mit der erfindungsgemäßen Batterie zur Verfügung gestellt, wobei die Batterie in der Regel zur Speisung eines elektrischen Antriebssystems des Fahrzeuges vorgesehen ist.Furthermore, a motor vehicle with the battery according to the invention is provided, wherein the battery is usually provided for feeding an electric drive system of the vehicle.

Vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung sind in den Unteransprüchen angegeben und in der Beschreibung beschrieben.Advantageous developments of the invention are specified in the subclaims and described in the description.

Zeichnungendrawings

Ausführungsbeispiele der Erfindung werden anhand der Zeichnungen und der nachfolgenden Beschreibung näher erläutert. Es zeigen:Embodiments of the invention will be explained in more detail with reference to the drawings and the description below. Show it:

1 Verschaltungen von Batteriezellen (Stand der Technik), und 1 Interconnections of battery cells (prior art), and

2 eine schematische Darstellung eines erfindungsgemäßen Batteriegehäuses. 2 a schematic representation of a battery housing according to the invention.

Auf 1 wurde bereits zur Erläuterung des Standes der Technik eingegangen.On 1 has already been discussed to explain the state of the art.

2 zeigt schematisch eine erfindungsgemäße Batterie 14. Diese umfasst neben den Batteriepolen 18 eine Mehrzahl an Batteriezellen 10, welche auf nicht dargestellte Weise seriell und/oder parallel elektrisch miteinander verschaltet sind. Das Batteriezellengehäuse 16 ist aus kohlenfaserverstärktem Kunststoff (CFK) geformt. Selbstverständlich kann das Batteriegehäuse auch einen Deckel umfassen, welcher auf bekannte Art und Weise mit dem Batteriegehäuse 16 verbindbar ist und dieses verschließt. Ebenso kann das Batteriegehäuse 16 Öffnungen für ein Kühlfluid aufweisen. 2 shows schematically a battery according to the invention 14 , This includes besides the battery poles 18 a plurality of battery cells 10 , which are connected in a manner not shown serially and / or in parallel with each other electrically. The battery cell case 16 is molded from carbon fiber reinforced plastic (CFRP). Of course, the battery case may also include a lid, which in a known manner with the battery case 16 is connectable and closes this. Likewise, the battery case 16 Have openings for a cooling fluid.

Zur experimentellen Bestätigung der Crashsicherheit der erfindungsgemäßen Batterie wurden Crash-Versuche durchgeführt. Als Referenz-System wurden 100 Lithium-Ionen Polymer Zellen (mit weichem Pouch-Zellengehäuse) elektrisch verschaltet, in ein Aluminium-Gehäuse konfektioniert und voll geladen, wodurch es eine Spannung von 420 Volt aufwies. Die erfindungsgemäße Batterie erhielt bei ansonsten unveränderten Bauteilen ein Batteriegehäuse aus kohlenstofffaserverstärktem Kunststoff, wobei als Kunststoff Polypropylen (PP) zum Einsatz kam. Der Versuch wurde mit einem Frontalaufprall gemäß dem Euro NCAP-Crashtest durchgeführt, wobei das Versuchsfahrzeug bei einer Geschwindigkeit von 64 km/h und einer Überdeckung von 40 % mit einer deformierbaren Barriere kollidiert. Als Versuchsfahrzeug kam ein typischer Personenwagen zum Einsatz. Das Gehäuse des Referenz-Systems deformierte sich und es traten Kurzschlüsse und Erwärmungen auf. Das kohlenstofffaserverstärkte Gehäuse des erfindungsgemäßen Energiespeichers wurde nicht deformiert und seine Batterie-Funktion nicht beeinträchtigt.For experimental confirmation of the crash safety of the battery according to the invention, crash tests were carried out. As a reference system, 100 lithium-ion polymer cells (with a soft pouch cell housing) were electrically interconnected, assembled into an aluminum housing and fully charged, providing a voltage of 420 volts. The battery according to the invention received in otherwise unchanged components, a battery housing made of carbon fiber reinforced plastic, using as plastic polypropylene (PP) was used. The test was carried out with a front impact according to the Euro NCAP crash test, the test vehicle at a speed of 64 km / h and a coverage of 40% with a deformable barrier collides. The test vehicle used was a typical passenger car. The housing of the reference system deformed and there were short circuits and warming. The carbon fiber reinforced housing of the energy storage device according to the invention has not been deformed and its battery function is not impaired.

ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG QUOTES INCLUDE IN THE DESCRIPTION

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Claims (10)

Batterie (14) umfassend ein Batteriegehäuse (16) und eine Mehrzahl darin angeordneter Batteriezellen (10), dadurch gekennzeichnet, dass das Batteriegehäuse (16) aus kohlenstofffaserverstärktem Kunststoff (CFK) geformt ist.Battery ( 14 ) comprising a battery case ( 16 ) and a plurality of battery cells ( 10 ), characterized in that the battery case ( 16 ) is formed of carbon fiber reinforced plastic (CFRP). Batterie (14) nach Anspruch 1, wobei der Kunststoff ein Duroplast ist.Battery ( 14 ) according to claim 1, wherein the plastic is a thermosetting plastic. Batterie (14) nach Anspruch 2, wobei der Duroplast Epoxidharz (EP) ist.Battery ( 14 ) according to claim 2, wherein the thermosetting epoxy resin (EP). Batterie (14) nach Anspruch 1, wobei der Kunststoff ein Thermoplast ist.Battery ( 14 ) according to claim 1, wherein the plastic is a thermoplastic. Batterie (14) nach Anspruch 4, wobei der Thermoplast Polyolefin ist.Battery ( 14 ) according to claim 4, wherein the thermoplastic is polyolefin. Batterie (14) nach Anspruch 5, wobei das Polyolefin Polypropylen (PP) ist.Battery ( 14 ) according to claim 5, wherein the polyolefin is polypropylene (PP). Batterie (14) nach Anspruch 4, wobei der Thermoplast Polyphenylensulfid (PPS) ist.Battery ( 14 ) according to claim 4, wherein the thermoplastic is polyphenylene sulfide (PPS). Batterie (14) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die Batteriezellen (10) Lithium-Ionen-Zellen sind.Battery ( 14 ) according to one of the preceding claims, wherein the battery cells ( 10 ) Are lithium ion cells. Batterie (14) nach einem der Ansprüche 1 bis 7, wobei die Batteriezellen (10) Nickel-Metallhydrid-Zellen sind.Battery ( 14 ) according to one of claims 1 to 7, wherein the battery cells ( 10 ) Are nickel-metal hydride cells. Kraftfahrzeug mit einer Batterie nach einem der Ansprüche 1 bis 9.Motor vehicle with a battery according to one of claims 1 to 9.
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