DE102011089949A1

DE102011089949A1 - Batteriemodul mit Schrumpfschlauch

Info

Publication number: DE102011089949A1
Application number: DE102011089949A
Authority: DE
Inventors: Andreas Ruehle
Original assignee: Robert Bosch GmbH; Samsung SDI Co Ltd
Current assignee: Robert Bosch GmbH; Samsung SDI Co Ltd
Priority date: 2011-12-27
Filing date: 2011-12-27
Publication date: 2013-06-27
Also published as: WO2013097968A1

Abstract

Die vorliegende Erfindung betrifft ein Batteriemodul, umfassend eine Mehrzahl von Batteriezellen, die zu einer gewünschten Modularchitektur zusammengeschaltet vorliegen, wobei jede Batteriezelle ein separates metallisches Gehäuse aufweist. Das erfindungsgemäße Batteriemodul ist dadurch gekennzeichnet, dass im Wesentlichen das gesamte Batteriemodul von einem luftdichten Schrumpfschlauch gegen die Umwelt abgeschlossen ist.

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft ein Batteriemodul mit einem Schrumpfschlauch sowie eine Batterie und ein Kraftfahrzeug umfassend ein solches Batteriemodul.
Stand der Technik
Es ist davon auszugehen, dass sowohl bei stationären Anwendungen, z. B. bei Windkraftanlagen, in Kraftfahrzeugen wie z. B. in Hybrid- oder Elektrofahrzeugen, als auch im Consumer-Bereich, z. B. in Labtops und Mobiltelefonen, vermehrt neue Batteriesysteme zum Einsatz kommen werden. An diese Batteriesysteme werden sehr hohe Anforderungen bezüglich der Zuverlässigkeit, Sicherheit, Leistungsfähigkeit und Lebensdauer gestellt.
Lithium-Ionen-Zellen besitzen mindestens eine positive und eine negative Elektrode (Kathode bzw. Anode), die Lithium-Ionen (Li+) mittels Interkalation und Deinterkalation reversibel ein- und wieder auslagern können. Damit die Inter- bzw. Deinterkalation von Lithium-Ionen stattfindet, ist die Anwesenheit einer Elektrolytkomponente notwendig, ein sogenanntes Lithium-Leitsalz. Praktisch bei allen derzeit verwendeten Lithium-Ionen-Zellen wird als Lithium-Leitsalz Lithium-Hexa-Fluorophosphat (LiPF₆) eingesetzt. Dieses Leitsalz ist gegenüber Feuchtigkeit äußerst reaktiv und es erfolgt eine Hydrolyse über mehrere Stufen bis hin zu Fluorwasserstoff (HF). Deshalb wird in der Praxis für alle Lithium-Ionen-Zellen ein Gehäuse mit einem metallischen Anteil verwendet, wobei die Metallfolie bzw. das Metallblech die eigentliche Sperre gegen Luftfeuchte darstellt.
Einzelne Lithium-Ionen-Zellen können durch parallele oder serielle Verschaltung zu Batteriemodulen und gegebenenfalls zu Batterien verschaltet werden. Dabei besteht ein Lithium-Ionen-Batteriemodul aus mindestens zwei Lithium-Ionen-Zellen. Die Lithium-Ionen-Zellen selbst sind durch ihr metallisches Gehäuse zwar weitestgehend vor Umwelteinflüssen geschützt, die Batteriemodule und die darin verbauten Lithium-Ionen-Zellen liegen in den fertigen Batterien allerdings offen und direkt zugänglich vor. Feuchtigkeit z. B. durch Kondenswasser in den Batteriekästen oder metallische Splitter im Falle eines Unfalls können somit an die Terminals oder Kontakte geraten und die Batterie, das Batteriemodul oder die Zellen kurzschließen.
Offenbarung der Erfindung
Erfindungsgemäß wird ein Batteriemodul zur Verfügung gestellt, umfassend eine Mehrzahl von Batteriezellen, die zu einer gewünschten Modularchitektur zusammengeschaltet vorliegen, wobei jede Batteriezelle ein separates metallisches Gehäuse aufweist, dadurch gekennzeichnet, dass im Wesentlichen das gesamte Batteriemodul von einem luftdichten Schrumpfschlauch gegen die Umwelt abgeschlossen ist.
Bisher werden Batteriezellen in einem Batteriemodul nur durch ihr Zellgehäuse vor Umwelteinflüssen geschützt. Die elektrischen Anschlüsse der Zellen liegen im Batteriemodul frei, da Batteriemodule selbst nicht zusätzlich vor Umwelteinflüssen abgeschirmt werden. Durch das luftdichte Einschweißen des Batteriemoduls in den Schrumpfschlauch wird eine Isolation des erfindungsgemäßen Batteriemoduls gegen die Umwelt erreicht. Zudem dient der Schrumpfschlauch als Dampfsperre und vermindert so die Gefahr, dass Feuchtigkeit in das Batteriemodul- oder Zellinnere eindringt.
Das erfindungsgemäße Batteriemodul zeichnet sich dadurch aus, dass durch den Schrumpfschlauch die Gefahr eines Kurzschlusses im Schadensfall oder bei Eintritt von Feuchtigkeit in die Batterie verringert wird. Es erfolgt eine effektive elektrische Isolation des Moduls gegenüber der Umwelt. Das Batteriemodul wird sicher vor Umwelteinflüssen geschützt, wie beispielsweise Salznebel oder Kondenswasser. Schließlich stellt sich das Batteriemodul durch den Einschluss in den Schrumpfschlauch als funktionelle und bauliche Einheit dar, die die Montage von erfindungsgemäßen Batteriemodulen zu Batterien erleichtert und gegebenenfalls weniger Arbeitsschritten im Hochvoltbereich (HV-Bereich) erlaubt.
Unter einem Batteriemodul wird für die Zwecke der vorliegenden Erfindung eine funktionale Anordnung verstanden, die eine Mehrzahl von Batteriezellen umfasst. Dabei weist jedes Batteriemodul mehrere Batteriezellen auf, die jeweils zu einer funktionalen Einheit zusammengefasst sind. Die Mehrzahl an Batteriezellen eines Batteriemoduls kann in geeigneter Weise verbunden vorliegen. Dazu können die einzelnen Batteriezellen des Batteriemoduls derart elektrisch leitend miteinander verbunden vorliegen, dass diese zur gewünschten Batteriemodularchitektur arrangiert vorliegen. Dazu können die Batteriezellen eines Batteriemoduls beispielsweise parallel oder in Reihe verschaltet vorliegen. Mehrere Batteriemodule können in geeigneter Art und Weise zu einer Batterie zusammengefasst und verschaltet sein.
Unter einer Batteriezelle wird ein elektrochemischer Energiespeicher verstanden, der eine Energie mittels elektrochemischer Prozesse speichern und bei Bedarf wieder bereitstellen kann. Grundsätzlich können im erfindungsgemäßen Batteriemodul Batteriezellen jedes Akkumulator- oder Batteriezelltyps verwendet werden. Bevorzugt umfasst das Batteriemodul Batteriezellen vom Typ der Lithium-Ionen-Zellen, insbesondere vom Typ Li-Ion-Lithium-Ionen-Akku, LiPo-Lithium-Polymer-Akku, LiFe-Lithium-Metall-Akku, Li-Mn-Lithium-Mangan-Akku, LiFePO₄-Lithium-Eisen-Phosphat-Akkumulator, LiTi-Lithium-Titanat-Akku.
Jede Batteriezelle ist durch ein separates Gehäuse im Wesentlichen vollständig nach außen abgegrenzt. Die Batteriezellen des Batteriemoduls weisen ein metallisches Gehäuse auf, also ein Gehäuse mit einem metallischen Anteil, wobei eine Metallfolie und/oder ein Metallblech des Gehäuses eine Sperre gegen das Eindringen von Umwelteinflüssen, insbesondere von Feuchtigkeit, in das Zellinnere bilden. Bevorzugt weist das Gehäuse Aluminium oder eine Legierung davon auf oder das Gehäuse besteht im Wesentlichen daraus. Das Gehäuse der Batteriezellen kann als solides Gehäuse, als sogenanntes „hard case“, ausgebildet sein oder das Gehäuse kann als flexibles Gehäuse ausgestaltet sein, wie beispielsweise in sogenannten Pouch-Zellen (oder auch Softpack).
Die Batteriezellen des erfindungsgemäßen Batteriemoduls sowie deren Gehäuse können unterschiedlich ausgebildet sein. Die Batteriezellen des Batteriemoduls können z. B. als zylindrische Zellen ausgebildet sein, als Pouch-Zellen (oder auch Softpack genannt) und/oder als prismatische Zellen.
Bevorzugt handelt es sich bei dem erfindungsgemäßen Batteriemodul um ein Lithium-Ionen-Batteriemodul, insbesondere um ein hochkapazitives Lithium-Ionen-Batteriemodul, besonders bevorzugt um ein Batteriemodul, zum Beispiel ein Lithium-Ionen-Batteriemodul, für die Verwendung in einer hochkapazitiven Batterie, bevorzugt einer Batterie mit einer nominalen Kapazität von ≥ 5 Ah, bevorzugt von ≥ 20 Ah, besonders bevorzugt von ≥ 60 Ah.
Im Wesentlichen das gesamte Batteriemodul ist von einem luftdichten Schrumpfschlauch gegen die Umwelt abgeschlossen. Im Schrumpfschlauch sind bevorzugt lediglich Aussparungen für Anschlüsse vorgesehen, die von außen zugänglich sein sollen oder müssen.
Der Schrumpfschlauch enthält oder besteht bevorzugt aus einem Polymer oder Kunststoff, besonders bevorzugt enthält oder besteht der Schrumpfschlauch aus Polypropylen und/oder Polyethylen.
Der Schrumpfschlauch kann einen ein- oder einen mehrschichtigen Aufbau aufweisen. Weist der Schrumpfschlauch einen mehrschichtigen Aufbau auf, so kann der Schrumpfschlauch auf der Außenseite und/oder der Innenseite eine Beschichtung aufweisen. Diese Beschichtung kann je nach beabsichtigter Funktion unterschiedliche Materialien aufweisen. Insbesondere kann diese Beschichtung ein gläsernes, ein organisches und/oder ein metallisches Material aufweisen, so dass die Beschichtung eine gläserne, eine organische und/oder eine metallische Schicht aufweist. Die metallische Schicht umfasst oder besteht bevorzugt aus Aluminium oder einer Legierung davon. Weist der Schrumpfschlauch eine metallische Schicht auf, so ist dessen Durchlässigkeit gegen Feuchtigkeit weiter verringert und der derart beschichtete Schrumpfschlauch wirkt noch effektiver als Dampfsperre, um ein Eindringen von Feuchtigkeit in das Innere des Batteriemoduls zu verhindern.
Das Batteriemodul kann neben den Batteriezellen noch weitere Komponenten umfassen, die ebenfalls vom Schrumpfschlauch mit umschlossen sind. Bei diesen Komponenten kann es sich beispielsweise um Vorrichtungen zum Temperieren des Batteriemoduls handeln wie z. B. sogenannte Thermoelemente. Bei diesen Komponenten kann es sich auch um elektrische oder elektronische Komponenten handeln, wie beispielsweise elektrische Anschlüsse. Insbesondere können beim erfindungsgemäßen Batteriemodul alle innen liegenden Anschlüsse und/oder Komponenten vom Schrumpfschlauch umgeben sein.
Abgesehen von solchen vom Schrumpfschlauch umschlossenen, innen liegenden Anschlüssen kann das erfindungsgemäße Batteriemodul Anschlüsse aufweisen, die von außen durch Öffnungen oder Aussparungen im Schrumpfschlauch zugänglich sind. Bei diesen Anschlüssen kann es sich beispielsweise um Anschlüsse für die Diagnose, Steuerung und/oder Temperierung des Batteriemoduls handeln und/oder um elektrische Anschlüsse wie z. B. die Terminals des Batteriemoduls.
Die vorliegende Erfindung bezieht sich auch auf eine Batterie, die ein oder mehrere der erfindungsgemäßen Batteriemodule aufweist.
Die Erfindung betrifft auch ein Kraftfahrzeug, beispielsweise ein Elektro- oder Hybridfahrzeug, welches ein erfindungsgemäßes Batteriemodul oder eine erfindungsgemäße Batterie aufweist. Dabei kommt es nicht darauf an, dass Kraftfahrzeug und Batterie oder Batteriemodul eine bauliche Einheit bilden, sondern dass Kraftfahrzeug und Batterie oder Batteriemodul derart funktional in Kontakt stehen, dass das Batteriemodul seine Funktion während des Betriebs des Kraftfahrzeugs erfüllen kann. Dabei sind unter dem Begriff „Kraftfahrzeug“ alle angetriebenen Fahrzeuge zu verstehen, die ein Batteriemodul oder eine Batterie zur Energieversorgung von mindestens einer Komponente des Kraftfahrzeugs aufweisen, unabhängig davon, welchen Antrieb diese Kraftfahrzeuge aufweisen. Insbesondere umfasst der Begriff „Kraftfahrzeug“ elektrische Hybridfahrzeuge (HEV), Plug-In-Hybridfahrzeuge (PHEV), Elektrofahrzeuge (EV), Brennstoffzellenfahrzeuge, sowie alle Fahrzeuge, die ein Batteriemodul oder eine Batterie zur mindestens teilweisen Versorgung mit elektrischer Energie einsetzen.
Zeichnungen
Ausführungsbeispiele der Erfindung werden anhand der Zeichnungen und der nachfolgenden Beschreibung näher erläutert. Es zeigen:
1 den Aufbau einer Batterie aus Batteriemodulen, die wiederum aus Batteriezellen aufgebaut sind; und
2 ein erfindungsgemäßes Batteriemodul.
Ausführungsformen der Erfindung
Das erfindungsgemäße Batteriemodul umfasst eine Mehrzahl von Batteriezellen. Dabei sind die Batteriezellen, die zum Einsatz kommen können, nicht auf bestimmte Batteriezelltypen beschränkt und es können grundsätzlich alle Batteriezelltypen verwendet werden. Es können beispielsweise zylindrische Batteriezellen eingesetzt werden, Pouch-Batteriezellen oder prismatischen Batteriezellen.
Wie in 1 dargestellt umfasst das erfindungsgemäße Batteriemodul eine Mehrzahl von Batteriezellen 1, während eine Mehrzahl von Batteriemodulen 2 zu einer Batterie 3 zusammengefasst vorliegen kann. Diese Batteriezellen 1 liegen im Batteriemodul 2 zur gewünschten Modularchitektur zusammengeschaltet vor, wobei jede Batteriezelle 1 ein separates metallisches Gehäuse aufweist. Im Batteriemodul 2 liegen diese Batteriezellen 1 zunächst offen und ohne weiteren Schutz vor.
Bevor die Batteriemodule zu einer Batterie 3 zusammengefasst werden, wird das erfindungsgemäße Batteriemodul 10 dadurch hergestellt, dass ein Batteriemodul 2 in einen Schrumpfschlauch eingeschweißt wird. Lediglich die Anschlüsse, die von außen zugänglich sein sollen, z. B. die Anschlüsse des Thermosystems 11 und/oder elektrische Anschlüsse 12, bleiben frei und werden vom Schrumpfschlauch ausgespart. 2 zeigt das erfindungsgemäße Batteriemodul so wie es für die Montage in einer Batterie verwendet werden kann. Nun liegen die Batteriezellen im Batteriemodul 10 durch den Schrumpfschlauch vor Umwelteinflüssen geschützt vor und die Gefahr von Beeinträchtigungen der Batteriezellen oder des Batteriemoduls 10 durch Feuchtigkeit oder Fremdkörper ist vermindert.

Claims

Batteriemodul, umfassend eine Mehrzahl von Batteriezellen, die zu einer gewünschten Modularchitektur zusammengeschaltet vorliegen, wobei jede Batteriezelle ein separates metallisches Gehäuse aufweist, dadurch gekennzeichnet, dass im Wesentlichen das gesamte Batteriemodul von einem luftdichten Schrumpfschlauch gegen die Umwelt abgeschlossen ist.
Batteriemodul nach Anspruch 1, wobei der Schrumpfschlauch Polypropylen und/oder Polyethylen enthält oder daraus besteht.
Batteriemodul nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei der Schrumpfschlauch auf der Außenseite und/oder der Innenseite eine Beschichtung aufweist.
Batteriemodul nach Anspruch 3, wobei die Beschichtung eine organische, eine gläserne und/oder eine metallische Schicht umfasst oder daraus besteht.
Batteriemodul nach Anspruch 4, wobei die metallische Schicht Aluminium oder eine Legierung davon umfasst oder daraus besteht.
Batteriemodul nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei das Batteriemodul Thermoelemente und/oder elektrische Anschlüsse umfasst, die ebenfalls von dem Schrumpfschlauch umgeben sind.
Batteriemodul nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei das Batteriemodul von außen, durch Öffnungen im Schrumpfschlauch zugängliche Anschlüsse aufweist.
Batteriemodul nach Anspruch 6 oder 7, wobei die Anschlüsse Anschlüsse für die Diagnose, Steuerung und/oder Temperierung des Batteriemoduls umfassen und/oder elektrische Anschlüsse, bevorzugt Terminals.
Batteriemodul nach einem der Ansprüche 6 bis 8, wobei alle innen liegenden Anschlüsse des Batteriemoduls von dem Schrumpfschlauch umgeben sind.
Batteriemodul nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die Batteriezellen des Batteriemoduls als zylindrische Zellen, Pouch-Zellen und/oder prismatische Zellen ausgebildet sind.
Batterie umfassend ein oder mehrere Batteriemodule nach einem der Ansprüche 1 bis 10.
Kraftfahrzeug enthaltend ein oder mehrere Batteriemodule nach einem der Ansprüche 1 bis 10 und/oder eine Batterie nach Anspruch 11.