DE102012200871A1

DE102012200871A1 - Batteriemodul mit zumindest einer Batteriezelle eine Wärmedämmung aufweisend sowie Kraftfahrzeug

Info

Publication number: DE102012200871A1
Application number: DE201210200871
Authority: DE
Inventors: Christian Pankiewitz; Xiaofeng Yan; Sylvain Guenon; Achim Schmidt; Christian Loew
Original assignee: Robert Bosch GmbH; Samsung SDI Co Ltd
Current assignee: Robert Bosch GmbH; Samsung SDI Co Ltd
Priority date: 2012-01-23
Filing date: 2012-01-23
Publication date: 2013-07-25
Also published as: WO2013110406A1

Abstract

Es wird ein Batteriemodul (10) mit einem Gehäuse (11), in dem zumindest eine Batteriezelle (14), vorzugsweise eine Lithium-Ionen-Zelle angeordnet ist, offenbart, wobei dass das Gehäuse (11) vollständig mit einer wärmedämmenden Schicht (16) versehen ist. Es wird vorteilhafterweise der Innenraum (12) des Gehäuses (11) und damit die Batteriezellen (14) vor der Umgebungstemperatur geschützt, so dass eine stabile Temperatur über längere Zeit im Innenraum (12) des Batteriemoduls (10) gehalten werden kann. Ferner wird ein Kraftfahrzeug vorgeschlagen, das das Batteriemodul (10) aufweist.

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft ein Batteriemodul mit zumindest einer Batteriezelle sowie ein Kraftfahrzeug.
Stand der Technik
Sowohl bei stationären Anwendungen, beispielsweise bei Windkraftanlagen, in Fahrzeugen, beispielsweise in Hybrid- und Elektrofahrzeugen, als auch im Consumer-Bereich für beispielsweise Laptops und Mobiltelefone kommen vermehrt neue Batteriesysteme zum Einsatz, an die sehr hohe Anforderungen hinsichtlich der Zuverlässigkeit, Sicherheit, Leistungsfähigkeit und Lebensdauer gestellt werden. Insbesondere Lithium-Ionen-Batterien bzw. -Akkumulatoren gelten dabei als Schlüsseltechnologie für die teilweise oder vollständige Elektrifizierung von Fahrzeugen.
Batteriesysteme und insbesondere Lithium-Ionen-Batteriesysteme können je nach Einsatzspezifikation modular aufgebaut werden und elektrisch seriell oder parallel verschaltet sein.
Diese 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 beispielsweise, je nach Zusammensetzung eines Lithium-lonen-Akkumulators, eine optimale Betriebstemperatur im Bereich zwischen 30 °C und 40 °C gegeben. Dabei ist zu berücksichtigen, dass während des Betriebs der Zellen eines Batteriemoduls Wärme entsteht, nämlich Joulesche Wärme, die durch den elektrischen Strom und den inneren Widerstand der Zelle beschrieben werden kann, sowie Wärme, die aufgrund reversibler Vorgänge in der Zelle freigesetzt wird. Diese Wärme muss abgeführt werden, um ein Aufheizen der Zelle über eine kritische Betriebstemperatur zu vermeiden, da es im schlimmsten Fall sonst zu einem Brand führen kann.
Andererseits werden derartige Batteriemodule bei der Verwendung im Freien bzw. in Fahrzeugen im Winter durch die Umgebungskälte unterkühlt. Es kann also vorkommen, dass die Leistungsabgabe der Batteriemodule zu gering ist, um ein Fahrzeug kalt zu starten. Deshalb müssen Lithium-Ionen-Batterien gegebenenfalls auf den entsprechenden Temperaturbereich aufgeheizt werden.
Um die Temperatur bedarfsgerecht anpassen zu können, weisen Batteriesysteme in der Regel ein thermisches Managementsystem auf. Dieses erwärmt die Zellen beispielsweise in einem Fahrzeug nach einem Start an kalten Tagen oder kühlt sie beispielsweise während des Betriebes. Die Batterietemperatur hat, wie bereits ausgeführt, einen großen Einfluss auf die Leistungsbereitstellung, Alterung bzw. Lebensdauer und Betriebssicherheit.
Thermomanagementsysteme verfügen über Temperierelemente, die im direkten Kontakt zum Batteriemodul stehen, um diese gezielt zu erwärmen oder zu kühlen.
Neben den Temperierelementen wird Wärme auch passiv über das Gehäuse der Batteriemodule getauscht. Dieser Prozess ist jedoch nicht steuerbar und dazu abhängig von der Umgebungstemperatur. Besonders an kalten Tagen kommt es hierbei zu dem Problem, dass die Zellen der Batterie zu stark abkühlen. Der innere Widerstand steigt und der Wirkungsgrad der Ladung sinkt. Bei sehr hohen Außentemperaturen hingegen wird den Batteriezellen über das Gehäuse sehr viel Wärme zugeführt. Dies kann zur Überhitzung der Batteriezellen führen, wenn diese nicht aktiv gekühlt werden.
Aus der DE 10 2008 057 430 A1 ist ein Batteriesystem bekannt, das ein mit Wellpappe ausgekleidetes Gehäuse aufweist, in dem Batteriezellen abwechselnd mit einer Schicht aus Wellpappe angeordnet sind. Durch die Wellen der Wellpappe ist ein Medium zur Temperierung hindurchleitbar.
Offenbarung der Erfindung
Erfindungsgemäß wird ein Batteriemodul mit einem Gehäuse, in dem zumindest eine Batteriezelle angeordnet ist, wobei das Gehäuse vollständig mit einer wärmedämmenden Schicht versehen ist, offenbart.
Vorteilhafterweise werden dadurch der Innenraum des Gehäuses und damit die Batteriezellen vor der Außentemperatur geschützt, so dass eine stabile Temperatur über längere Zeit trotz möglicherweise großer Temperaturunterschiede gehalten werden kann. Die Isolation erfolgt ernergieneutral.
Die wärmedämmende Schicht kann auf der Außenseite, der Innenseite oder auch auf beiden Seiten des Gehäuses angeordnet sein, wobei bei Verwendung einer wärmedämmenden Schicht auf Innen- und Außenseite diese nicht in allen Bereichen doppelt vorhanden sein muss, so dass bedarfsgerecht isoliert werden kann.
Bevorzugt ist die Anordnung im Innenraum des Gehäuses, um Beschädigungen beim Handhaben des Batteriemoduls möglichst zu vermeiden.
Es kann vorzugsweise die wärmedämmende Schicht auch sandwichartig zwischen zwei Wandungen des Gehäuses befindlich sein, wodurch Beschädigungen der wärmedämmenden Schicht sicher vermieden werden können.
Diese Ausführungsformen lassen sich vorteilhafterweise gut in ein Plastikmodul-Design des Gehäuses integrieren.
Die wärmedämmende Schicht kann aus zumindest zwei oder auch noch mehr Dämmschichten aus unterschiedlichen Materialien bestehen, die gezielt unterschiedlichen Wärmetransportmechanismen entgegenwirken. Dazu zählen auch Luftschichten.
Geeignete Materialien für die wärmedämmende Schicht bzw. die Dämmschichten sind dem Fachmann aus dem Stand der Technik bekannt.
Beispielsweise lassen sich geschäumte Kunststoffe wie Styropor oder Polyurethan gut und wirtschaftlich verwenden. Aber auch Materialien wie schaumförmiges Aluminiumoxid kann im Rahmen der Erfindung eingesetzt werden.
Vorteilhafterweise kann die wärmedämmende Schicht auch zur Stabilität des Gehäuses beitragen und somit Material bzw. Gewicht am eigentlichen Gehäuse einsparen.
Nach einer bevorzugten Ausführungsform weist die wärmedämmende Schicht zudem eine Schicht als Dampfsperre, vorzugsweise eine metallische Schicht auf.
Vorzugsweise ist in dem Gehäuse ein Batteriezellenstapel mit zumindest zwei Batteriezellen angeordnet und nach einer besonders bevorzugten Ausführungsform sind in dem Gehäuse zumindest zwei separate Batteriezellenstapel angeordnet, wobei Zwischenräume zwischen den Batteriezellenstapeln gegeben sein können. Diese sind sogar bevorzugt, um eine möglichst gleichmäßige Temperatur im Innenraum des Gehäuses zu erzielen bzw. eine ungehinderte Abgabe oder Aufnahme von Wärme durch die Batteriezellenstapel zu ermöglichen.
Die zumindest eine Batteriezelle bzw. der zumindest eine Batteriezellenstapel sind vorzugsweise verspannt, wobei die zumindest eine Batteriezelle vorzugsweise eine Lithium-Ionen-Zelle ist.
Das Gehäuse ist bevorzugterweise gasdicht verschlossen, so dass kein Austausch von Luft mit der Umwelt erfolgt, der einen Eintrag von Verunreinigungen oder Feuchtigkeit in das Gehäuse zur Folge haben könnte.
Um einen Druckausgleich, beispielsweise beim Ausgasen der Batteriezellen in einem Extremfall zu ermöglichen, kann der Innenraum des Gehäuses mit der Umgebung über ein Überdruckventil oder dergleichen verbunden sein.
Vorzugsweise ist die wärmedämmende Schicht auch elektrisch isolierend, so dass vorteilhafterweise auf zusätzliche Maßnahmen zur Isolierung des Gehäuses verzichtet werden kann.
Um den Innenraum des Gehäuses und damit die darin befindlichen Batteriezellen gesteuert zu temperieren, ist im Innenraum des Gehäuses zumindest ein Temperierelement angeordnet, das Teil eines Thermomanagementsystems ist. Das zumindest eine Temperierelement verfügt über zumindest einen Einlass und zumindest einen Auslass für ein Medium, die durch die Wandung des Gehäuses geführt sind. Damit können die Batteriezellen definiert gekühlt oder erwärmt werden.
Um den Zustand im Innenraum des Gehäuses bei der Steuerung der Temperatur mit einbeziehen zu können, ist vorzugsweise zumindest ein Temperatursensor im Innenraum vorgesehen, der mit einer Steuerung des Thermomanagementsystems verbunden ist.
Erfindungsgemäß wird zudem ein Kraftfahrzeug mit einem elektrischen Antriebsmotor zum Antreiben des Kraftfahrzeugs und einem vorbeschriebenen, mit dem elektrischen Antriebsmotor verbundenen oder verbindbaren Batteriemodul beansprucht.
Vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung sind in den Unteransprüchen angegeben und in der Beschreibung beschrieben.
Zeichnungen
Ausführungsbeispiele der Erfindung werden anhand von Zeichnungen und einer nachfolgenden Beschreibung näher erläutert. Es zeigen:
1 in einer geschnittenen Aufsicht ein erfindungsgemäßes Batteriemodul, und
2 in einer schematischen Detailansicht den Temperaturverlauf von Batteriezellen zum Gehäuse mit einer wärmedämmenden Schicht mit mehreren Dämmschichten.
Ausführungsformen der Erfindung
In der 1 ist ein Batteriemodul 10 mit einem Gehäuse 11 offenbart, in dessen Innenraum 12 sechs Batteriezellenstapel 13 mit jeweils sechs Batteriezellen 14 angeordnet sind. Die Batteriezellenstapel 13 sind voneinander beabstandet angeordnet. Die Wandung 15 des Gehäuses 11 ist zum Innenraum 12 hin mit einer wärmedämmenden Schicht 16 versehen, die aus mehreren Dämmschichten mit unterschiedlichen Eigenschaften besteht. Die Batteriezellenstapel 13 sind auch zur wärmedämmenden Schicht 16 mit Abstand angeordnet. Die Wärme außerhalb des Batteriemoduls 10, die vom Eintritt in den Innenraum 12 durch die wärmedämmende Schicht 16 abgehalten wird, ist durch Pfeile 17 dargestellt.
In 2 sind Batteriezellen 14 gezeigt, die eine Temperatur von 30 °C aufweisen. Die wärmedämmende Schicht 16 weist zum Innenraum 12 des Gehäuses 11 als erste Schicht eine wärme- oder kältestrahlenreflektierende Schicht 18 auf. Danach folgt eine Dämmschicht 19 und anschließend eine Luftschicht 20, in der eine Temperatur von 60 °C herrscht. Es folgt eine weitere zweite Dämmschicht 21 sowie eine wärme- oder kältestrahlenreflektierende Schicht 22 für Strahlung von außen. Diese Schicht 22 ist wiederum zum Gehäuse 11 beanstandet, wobei hier eine Temperatur von 80 °C gegeben ist.
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
Diese Liste der vom Anmelder aufgeführten Dokumente wurde automatisiert erzeugt und ist ausschließlich zur besseren Information des Lesers aufgenommen. Die Liste ist nicht Bestandteil der deutschen Patent- bzw. Gebrauchsmusteranmeldung. Das DPMA übernimmt keinerlei Haftung für etwaige Fehler oder Auslassungen.
Zitierte Patentliteratur

DE 102008057430 A1 [0009]

Claims

Ein Batteriemodul mit einem Gehäuse (11), in dem zumindest eine Batteriezelle (14) angeordnet ist, dadurch gekennzeichnet, dass das Gehäuse (11) vollständig mit einer wärmedämmenden Schicht (16) versehen ist.
Das Batteriemodul nach Anspruch 1, wobei die wärmedämmende Schicht (16) auf der Außenseite, der Innenseite oder auf Außenseite und Innenseite des Gehäuses (11) angeordnet ist.
Das Batteriemodul nach Anspruch 1, wobei die wärmedämmende Schicht (16) sandwichartig zwischen einer doppelten Wandung des Gehäuses (11) befindlich angeordnet ist.
Das Batteriemodul nach einem der Ansprüche 1 bis 3, wobei die wärmedämmende Schicht (16) aus zumindest zwei Dämmschichten besteht.
Das Batteriemodul nach einem der Ansprüche 1 bis 4, wobei die wärmedämmende Schicht (16) elektrisch isolierende Eigenschaften besitzt.
Das Batteriemodul nach einem der Ansprüche 1 bis 5, wobei die wärmedämmende Schicht (16) eine dampfsperrende Schicht aufweist.
Das Batteriemodul nach einem der Ansprüche 1 bis 6, wobei das Gehäuse (11) gasdicht verschlossen ist und ein Überdruckventil aufweisen kann.
Das Batteriemodul nach einem der Ansprüche 1 bis 7, wobei im Innenraum (12) des Gehäuses (11) zumindest ein Temperierelement angeordnet ist, das über zumindest einen Einlass und zumindest einen Auslass für ein Medium, die durch die Wandung (15) des Gehäuses (11) geführt sind, verfügt.
Das Batteriemodul nach einem der Ansprüche 1 bis 8, wobei die zumindest eine Batteriezelle (14) verspannt ist.
Das Batteriemodul nach einem der Ansprüche 1 bis 9, wobei die zumindest eine Batteriezelle (14) eine Lithium-Ionen-Zelle ist.
Ein Kraftfahrzeug mit einem elektrischen Antriebsmotor zum Antreiben des Kraftfahrzeugs und einem mit dem elektrischen Antriebsmotor verbundenen oder verbindbaren Batteriemodul (10) gemäß einem der Ansprüche 1 bis 10.