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Die Erfindung betrifft ein Batteriemodul, mit zumindest zwei Batteriezellen, einem elektrisch nichtleitenden Kühlelement, in welchem mehrere elektrisch nichtleitende Abstandselemente angeordnet sind, und eine Kühlplatte.
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Um eine aktive Kühlung von Batteriezellen eines Batteriemoduls zu ermöglichen, ist es allgemein bekannt, bodenseitig eine Kühlung, insbesondere in Form einer Kühlplatte, vorzusehen. Über eine derartige als Kühlanbindung dienende Kühlplatte sind die einzelnen Batteriezellen thermisch miteinander gekoppelt, da nicht jede Batteriezelle einzeln gekühlt wird. In einem derartigen Fall stehen also mehrere Batteriezellen eines Batteriemoduls auf einer gemeinsamen Kühlplatte. Eine sich stark erwärmende einzelne Batteriezelle kann darüber auch Nachbarzellen erwärmen und damit zu einem sogenannten „thermal runaway” führen.
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Die
US 6 004 423 A zeigt ein Verfahren zum Herstellen eines mehrere Batteriezellen aufweisenden Batteriemoduls. Bei dem dort gezeigten Verfahren werden Abstandselemente eingesetzt, mittels welchen ein vorgegebener Abstand zwischen unterschiedlichen Elementen des Batteriemoduls während dessen Herstellung sichergestellt werden kann.
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Die
DE 10 2010 013 295 A1 zeigt eine Batteriezelle, in welcher Glaspartikel eingebracht sind. Die Glaspartikel dienen dazu, bei einem Kurzschluss innerhalb der Batteriezelle einen Glasmantel um einen den Kurzschluss auslösenden Dendriten aus einem Lithium-Metall auszubilden, sodass die beim Kurzschluss entstehende Wärme lokal dissipiert und damit letztlich der Kurzschluss unterbunden wird.
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Die
DE 10 2012 214 844 A1 zeigt eine Batteriezelle, bei welcher zwischen einer Anode und einer Kathode als Abstandshalter dienende kugelförmige Partikel verwendet werden.
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Die
DE 10 2012 221 761 A1 zeigt eine Batterie mit einer Mehrzahl von Mikrokapseln, welche dazu dienen, einen Trennungsabstand zwischen jeweiligen Elektroden der Batterie aufrecht zu erhalten.
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Die
DE 20 2010 017 674 U1 zeigt einen Batteriezellenträger für zumindest eine Batteriezelle. Der Batteriezellenträger umfasst eine aus Kunststoff ausgebildete Trägerplatte. Um die Hitzebeständigkeit und/oder die Steifigkeit des Kunststoffes zu erhöhen, ist der Kunststoff beispielsweise mit Talkum, Glasfasern oder Glaskugeln versehen.
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Die
DE 10 2012 222 133 A1 zeigt einen Körper zur Temperierung eines Batteriemoduls, welcher eine Kontaktfläche zur thermischen Kontaktierung des Körpers mit dem Batteriemodul aufweist. Zur Verbesserung der Wärmeübertragung zwischen dem Batteriemodul und dem Körper ist auf der Kontaktfläche ein Wärmeleitmittel aufgebracht.
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Die
WO 2013/002659 A1 zeigt ein Batteriemodul mit mehreren Batteriezellen, welche in jeweiligen Kammern eines Gehäuses angeordnet sind. Eine Wärmeleitpaste ist zwischen den jeweiligen Batteriezellen und jeweiligen Innenwänden der Kammern angeordnet.
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Die
US 2013/0004822 A1 zeigt ein Batteriemodul mit mehreren Batteriezellen, welche auf einer mit Kühlmittel durchströmten Kühlplatte angeordnet sind.
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Es ist die Aufgabe der vorliegenden Erfindung, ein Batteriemodul der eingangs genannten Art bereitzustellen, mittels welchem eine unerwünscht starke Erwärmung von Batteriezellen durch eine sich stark erwärmende und defekte Batteriezelle vermieden werden kann.
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Diese Aufgabe wird durch ein Batteriemodul mit den Merkmalen des Patentanspruchs 1 gelöst. Vorteilhafte Ausgestaltungen mit zweckmäßigen und nicht trivialen Weiterbildungen der Erfindung sind in den abhängigen Ansprüchen angegeben.
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Das erfindungsgemäße Batteriemodul umfasst zumindest zwei Batteriezellen, ein elektrisch nicht leitendes Kühlelement, in welchem mehrere elektrisch nichtleitende Abstandselemente angeordnet sind, und eine Kühlplatte. Das Kühlelement ist dabei in Hochrichtung des Batteriemoduls zwischen jeweiligen Unterseiten der Batteriezellen und der Kühlplatte angeordnet und steht in direktem Kontakt mit den Unterseiten der Batteriezellen und der Kühlplatte. Das Kühlelement geht bei einer niedrigeren Temperatur von dem festen in den flüssigen Zustand über als die Abstandselemente. Ferner sind in der Kühlplatte mehrere in Hochrichtung des Batteriemoduls verlaufende Durchgangsöffnungen ausgebildet.
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Je nachdem, ob es sich bei dem Kühlelement und den Abstandselementen um kristalline oder amorphe Materialien handelt, ist die Schmelztemperatur beziehungsweise die Glasübergangstemperatur des Kühlelements niedriger als die Schmelztemperatur beziehungsweise die Glasübergangstemperatur der Abstandselemente. Bei dem Kühlelement handelt es sich vorzugsweise um eine Kühlpaste, die eine hohe Wärmeleitfähigkeit aufweist. Die Anbindung der Batteriezellen auf der Kühlplatte erfolgt insbesondere wegen eines notwendigen Toleranzausgleiches durch das vorzugsweise als Kühlpaste ausgebildete Kühlelement. Bei einer vorgegebenen Grenztemperatur geht das Kühlelement von dem festen in den flüssigen Zustand über und kann durch die in der Kühlplatte ausgebildeten Durchgangsöffnungen herausfließen. Die elektrisch nichtleitenden Abstandselemente verbleiben in diesem Fall weiterhin zwischen den Batteriezellen und der Kühlplatte und stellen dadurch sicher, dass ein vorgegebener Abstand zwischen den Batteriezellen und der Kühlplatte auch nach dem Herausfließen des verflüssigten Kühlelements aus den Durchgangsöffnungen aufrecht erhalten bleibt.
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Im Falle einer Erwärmung einer einzelnen Batteriezelle wird unter dieser Batteriezelle also die thermische Kopplung zur Kühlplatte unterbrochen und eine Erwärmung der Nachbarzellen unterbunden. Wird die Erwärmung der betreffenden Batteriezelle durch einen internen Kurzschluss hervorgerufen, so darf sich diese Batteriezelle in einem solchen Fall erwärmen aber nicht zum Brand führen, das auch als Hazardlevel 4 bezeichnet wird. Ein Erwärmen der Nachbarzellen, dass dann in Folge dessen zu einem Brand führen würde, ist durch die erfindungsgemäße Lösung ausgeschlossen.
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In vorteilhafter Ausgestaltung der Erfindung ist es vorgesehen, dass das Kühlelement bei einer Temperatur zwischen 80°C und 150°C von dem festen in den flüssigen Zustand übergeht. Die Betriebstemperatur herkömmlicher Batteriezellen liegt üblicherweise in einem Bereich zwischen 50°C und 70°C. Dadurch, dass das Kühlelement bei einer Temperatur zwischen 80°C und 150°C von dem festen in den flüssigen Zustand übergeht, kann sichergestellt werden, dass sobald eine der Batteriezellen sich über ihre herkömmliche Betriebstemperatur hinaus erwärmen sollte, das Kühlelement von dem festen in den flüssigen Zustand übergeht und somit keine unerwünschte Wärmeleitung von der übermäßig erhitzten Batteriezelle auf die weiteren Batteriezellen über die Kühlplatte hervorgerufen wird.
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Eine weitere vorteilhafte Ausführungsform der Erfindung sieht vor, dass das Kühlelement ein Treibmittel, dessen Zersetzungstemperatur zwischen 100°C und 250°C liegt, aufweist. Durch das zusätzliche Treibmittel kann das verflüssigte Kühlelement besonders effektiv durch die Durchgangsöffnungen herausgedrückt werden. Dadurch kann eine thermisch leitende Verbindung zwischen einer defekten Batteriezelle und den restlichen Batteriezellen besonders schnell verhindert werden.
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In einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung ist es vorgesehen, dass die Abstandselemente aus Glas ausgebildet sind. Glas ist sowohl elektrisch isolierend als auch thermisch stabil und somit als Abstandshalter mit einer hohen Glasübergangstemperatur gut geeignet. Statt aus Glas können die Abstandselemente aber auch aus anderweitigen nicht wärmeleitenden Materialien ausgebildet sein, welche im Vergleich zum Kühlelement eine hinreichend hohe Schmelztemperatur aufweisen, sodass die Abstandselemente auch nach einer Verflüssigung der Kühlelemente bei entsprechenden Temperaturen noch fest sind und eine Abstandshaltefunktion zwischen der Kühlplatte und den Batteriezellen ermöglichen.
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In weiterer vorteilhaften Ausführungsform der Erfindung ist es vorgesehen, dass die Abstandselemente kugelförmig oder zylinderförmig ausgebildet sind. Durch die kugelförmige beziehungsweise zylindrische Form kann bei einem Schmelzen des Kühlelements ein Abstand zwischen den Batteriezellen und der Kühlplatte besonders zuverlässig eingehalten werden. Vorzugsweise weisen die Abstandselemente dabei einen größeren Durchmesser auf als die Durchgangsöffnungen, sodass die Abstandselemente auch nach dem Verflüssigen des Kühlelements zwischen den Batteriezellen und der Kühlplatte angeordnet bleiben und nicht mit dem verflüssigten Kühlelement herausgespült werden.
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In weiterer vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung ist es vorgesehen, dass die Kühlplatte eine Kühlung, insbesondere eine Wasserkühlung, aufweist. Mit anderen Worten weist die Kühlplatte eine aktive Kühlung auf und wird mit einem Medium, vorzugsweise mit Wasser, durchströmt. Dadurch kann eine besonders effiziente Kühlung der einzelnen Batteriezellen ermöglicht werden.
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In weiterer vorteilhafter Ausgestaltung der Erfindung ist es vorgesehen, dass die Kühlplatte aus einem hoch wärmeleitfähigen Material, insbesondere aus Kupfer, ausgebildet ist. Die zuvor genannte aktive Kühlung der Kühlplatte mittels eines Mediums wird durch die in der Kühlplatte vorgesehenen Durchgangsöffnungen erschwert, durch welche das verflüssigte Kühlelement hinausströmen kann. Wenn die Kühlplatte aus einem hoch wärmeleitfähigen Material, wie beispielsweise aus Kupfer, ausgebildet ist, kann die Anzahl der Kühlkanäle innerhalb der Kühlplatte erheblich reduziert werden, da die Kühlplatte selbst eine hohe Wärmeleitfähigkeit aufweist und somit überschüssige Wärme von den Batteriezellen besonders gut abführen kann.
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In weiterer vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung ist es schließlich vorgesehen, dass die Kühlplatte nur in ihren Randbereichen die Kühlung aufweist. Denn wenn die Kühlplatte aus einem hoch wärmeleitfähigen Material ausgebildet ist, kann die Notwendigkeit entfallen, ein Kühlmedium direkt unterhalb der Batteriezellen zuzuführen. Stattdessen ist es vollkommen ausreichend, die Kühlplatte nur in ihren seitlichen Randbereichen mit dem Kühlmedium zu kühlen.
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Weitere Vorteile, Merkmale und Einzelheiten der Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung eines bevorzugten Ausführungsbeispiels sowie anhand der Zeichnung. Die vorstehend in der Beschreibung genannten Merkmale und Merkmalskombinationen sowie die nachfolgend in der Figurenbeschreibung genannten und/oder in der einzigen Figur alleine gezeigten Merkmale und Merkmalskombinationen sind nicht nur in der jeweils angegebenen Kombination, sondern auch in anderen Kombinationen oder in Alleinstellung verwendbar, ohne den Rahmen der Erfindung zu verlassen.
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In der einzigen Figur ist ein Batteriemodul in einer schematischen Seitenschnittansicht gezeigt, wobei das Batteriemodul vier Batteriezellen, ein elektrisch nicht leitendes Kühlelement, in welchem mehrere elektrisch nicht leitende Abstandselemente angeordnet sind, und eine unter dem Kühlelement angeordnete Kühlplatte aufweist.
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Ein Batteriemodul 10 umfasst im vorliegend gezeigten Beispiel vier nebeneinander angeordnete Batteriezellen 12, welche auf einem elektrisch nicht leitenden Kühlelement 14 angeordnet sind. In dem Kühlelement 14 sind mehrere elektrisch nichtleitende Abstandselemente 16 angeordnet. Das Batteriemodul 10 umfasst des Weiteren eine Kühlplatte 18, welche unterhalb des Kühlelements 14 angeordnet ist.
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Mit anderen Worten ist das Kühlelement 14 in Hochrichtung z des Batteriemoduls 10 zwischen jeweiligen Unterseiten 20 der Batteriezellen 12 und der Kühlplatte 18 angeordnet, wobei das Kühlelement 14 in direktem Kontakt mit den Unterseiten 20 und der Kühlplatte 18 steht. Zudem sind in der Kühlplatte 18 mehrere in Hochrichtung z des Batteriemoduls 10 verlaufende Durchgangsöffnungen 22 ausgebildet.
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Bei dem Kühlelement 14 handelt es sich um eine Kühlpaste, die eine besonders hohe Wärmeleitfähigkeit aufweist. Das Kühlelement 14 dient dabei zur sicheren Anbindung der Batteriezellen 12 an die Kühlplatte 18, indem durch das Kühlelement 14 ein Toleranzausgleich zwischen den Unterseiten 20 der Batteriezellen 12 und der Kühlplatte 18 sichergestellt wird. Die einzelnen Batteriezellen 12 sind durch jeweilige Trennelemente 24 voneinander beabstandet. Die Trennelemente 24 stehen dabei jeweils in flächigem Kontakt mit den jeweils benachbarten Batteriezellen 12.
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Sowohl das Kühlelement 14 als auch die Trennschichten 24 bestehen vorzugsweise aus einem Kompositmaterial, das beispielsweise ein thermoplastisches Polyolefin, wie Polypropylen oder Polyethylen umfasst. Das Kompositmaterial kann aber auch Polyester wie Polybutylenterephthalat aufweisen. Polyolefin und Polyester sind elektrisch isolierend und sichern so die Batteriezellen 12 gegenüber einem elektrischen Durchschlagen. In das Polyolefin ist vorzugsweise als ein zweites Material Aluminiumoxid (Al2O3) eingebracht, wobei Aluminiumoxid ebenfalls ein elektrischer Nichtleiter und eine deutlich größere Wärmeleitfähigkeit von 39 W/(m·K) bei einer Temperatur von 20°C als das verwendete Polyolefin (0,4 W/(m·K)) aufweist.
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Das Kühlelement 14, und somit auch die Trennschichten 24, gehen bei einer niedrigeren Temperatur von dem festen in den flüssigen Zustand über als die Abstandselemente 16. Vorzugsweise geht das Kühlelement 14 bei einer Temperatur zwischen 80°C und 150°C von dem festen in den flüssigen Zustand über. Die Betriebstemperatur herkömmlicher Batteriezellen 12 liegt üblicherweise in einem Bereich zwischen 50°C und 70°C.
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Sobald also die Temperatur von einer der Batteriezellen 12 ihre herkömmliche Betriebstemperatur aufgrund beispielsweise eines Kurzschlusses oder eines anderweitigen Defekts überschreitet, wird das Kühlelement 14 so stark erhitzt, dass es von dem zuvor festen in den flüssigen Zustand übergeht. Das verflüssigte Kühlelement 14 fließt dadurch durch die Durchgangsöffnungen 22 hinaus, wodurch eine bodenseitige thermische Kopplung zwischen den Batteriezellen 12 unterbunden wird. Zusätzlich kann das Kühlelement ein Treibmittel umfassen, dessen Zersetzungstemperatur zwischen 100°C und 250°C liegt. Bei einer entsprechenden Erhitzung des Batteriemoduls 10 wird also das Treibmittel zersetzt und unterstützt das Hinausdrücken beziehungsweise Hinausfließen des verflüssigten Kühlelements 14 aus den Durchgangsöffnungen 22.
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Die Abstandselemente 20 sind vorzugsweise aus Glas ausgebildet und weisen eine im Wesentlichen kugelförmige oder auch eine zylinderförmige Form auf. Glas ist sowohl elektrisch isolierend als auch aufgrund einer hohen Glasübergangstemperatur thermisch stabil und ist somit als Abstandshalter besonders gut geeignet. Durch die kugelförmige oder zylindrische Form der Abstandselemente 20 kann bei einem Schmelzen des Kühlelements 14 ein definierter Abstand zwischen den Batteriezellen 12 und der Kühlplatte 18 besonders gut sichergestellt werden.
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Da wie bereits erwähnt die Trennelemente 24 vorzugsweise aus demselben Material wie das Kühlelement 14 ausgebildet sind, wechseln die Trennelemente 24 ebenfalls von dem festen in den flüssigen Zustand, sobald das Batteriemodul 10 über eine entsprechende Schmelztemperatur beziehungsweise eine Transformationstemperatur der Trennelemente 24 gestiegen ist. Die verflüssigten Trennelemente 24 können dabei beispielsweise ebenfalls durch die Durchgangsöffnungen 22 abfließen, sodass eine thermische Kopplung zwischen den Batteriezellen 12, die zuvor mittels der noch als Feststoff vorliegenden Trennelemente 24 hergestellt war, aufgehoben wird. Um eine Beabstandung der einzelnen Batteriezellen 12 auch in Querrichtung y des Batteriemoduls sicherstellen zu können, ist es vorzugsweise vorgesehen, dass die Trennelemente 24 ebenfalls hier nicht dargestellte Abstandselemente aufweisen, welche ebenfalls aus Glas und kugel- oder zylinderförmig ausgebildet sind.
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Um während des herkömmlichen Betriebs des Batteriemoduls 10 eine besonders gute Kühlung der Batteriezellen 12 zu ermöglichen, kann die Kühlplatte 18 eine aktive Kühlung, beispielsweise in Form einer Wasserkühlung, aufweisen. Aufgrund der Vorsehung der Durchgangsöffnungen 22 kann sich dabei eine Ausbildung von Kühlkanälen für die Kühlung der Kühlplatte 18 gegebenenfalls schwierig gestalten. Daher ist die Kühlplatte 18 vorzugsweise aus einem hoch wärmeleitfähigen Material, wie beispielsweise Kupfer, ausgebildet. Aufgrund der hohen Wärmeleitfähigkeit der aus Kupfer oder einem anderen hoch wärmeleitfähigen Material ausgebildeten Kühlplatte 18 ist es nicht mehr erforderlich, für eine aktive Kühlung der Kühlplatte 18 eine Vielzahl von Kühlkanälen innerhalb der Kühlplatte 18 vorzusehen. Stattdessen ist es ausreichend, wenn die Kühlplatte nur in ihren Randbereichen die Kühlung, beispielsweise eine Wasserkühlung aufweist.
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Durch das erläuterte Batteriemodul 10 wird also im Falle einer zu starken Erwärmung von einer der Batteriezellen 12 die thermische Kopplung zur Kühlplatte 18 unterbrochen und dadurch eine Erwärmung der Nachbarzellen 12 unterbunden. Wird die Erwärmung beispielsweise durch einen internen Kurzschluss hervorgerufen, so darf sich die betreffende einzelne Batteriezelle 12 in einem derartigen Fall zwar noch erwärmen aber nicht zu einem Brand führen. Ein Erwärmen der Nachbarzellen 12, was in Folge dessen zu einem Brand führen würde, ist somit durch den beschriebenen Aufbau des Batteriemoduls 10 ausgeschlossen.
