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Die vorliegende Erfindung betrifft ein Batteriezellenmodul mit einer Anordnung zum Schutz gegen Feuchtigkeit sowie ein Kraftfahrzeug mit einem solchen Batteriezellenmodul.
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Stand der Technik
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Es besteht weltweit ein erheblicher Bedarf an Batterien für breite Anwendungsbereiche, einerseits etwa für stationäre Anlagen, wie zum Beispiel Windkraftanlagen oder Solarkraftanlagen, andererseits aber auch für mobile Elektronikgeräte, wie zum Beispiel Laptops und Kommunikationsgeräte. Nicht zuletzt ist es auch abzusehen, dass der Bedarf an Batterien für Fahrzeuge, wie zum Beispiel für Hybrid- und Elektrofahrzeugen, in den nächsten Jahren steigen wird. An all diese Batterien werden sehr hohe Anforderungen hinsichtlich Zuverlässigkeit, Lebensdauer und Leistungsfähigkeit gestellt.
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Typischerweise werden hierfür mehrere Batteriezellen elektrisch in Reihenschaltung und/oder Parallelschaltung miteinander verschaltet zur Bildung von leistungsstaken Batteriezellenmodulen. Daneben umfasst ein Batteriezellenmodul auch die zum ordnungsgemäßen Betrieb der Batteriezellen erforderliche Elektronik. Üblicherweise sind die Batteriezellenmodule auf einer Grundplatte angeordnet.
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Weiter schützt ein Gehäuse die unterschiedlichen Bestandteile des Batteriezellenmoduls vor schädlichen äußeren Einflüssen, etwa vor der Feuchtigkeit. Obgleich durch das Gehäuse des Batteriezellenmoduls ein gewisser Grad an Trockenheit für die Batteriezellen gewährleistet werden kann, sind oft zusätzliche Maßnahmen erforderlich, da die Anforderungen für die Trockenheit gerade für leistungsstarke Batteriezellenmodulen weiter ansteigen: Aufgrund der hohen Spannungen innerhalb der Batteriezellen bzw. Batteriezellenmodulen sind erhöhte Anforderungen beispielsweise an Isolatoren und Kriechstrecken zu stellen. Ihre Zuverlässigkeit steht aber u.a. im Zusammenhang mit der Feuchtigkeit. So können Kunststoffisolatoren eine nachlässige Isolationswirkung unter feuchten Bedingungen zeigen, da die Kunststoffe die Feuchte aufsaugen können. Deshalb kann es innerhalb einer HV-Batterie (Hochvolt-Batterie) zu einem potentiell sicherheitskritischen Isolationsverlust kommen, wenn Feuchte in das Batteriezellengehäuse eindringt. Folglich werden zusätzliche Trocknungsvorrichtungen am und im Gehäuse selbst vorgesehen, insbesondere wenn das Gehäuse Stellen mit abgedeckten Öffnungen aufweist.
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So ist etwa aus
DE 10 2009 020 185 A1 ein Gehäuse für ein Energiespeicher aus Batteriezellen bekannt, an dem eine Sicherheitsvorrichtung zum Abbau von Überdruck vorgesehen ist. Die Sicherheitsvorrichtung umfasst eine Öffnung mit einer Folie als Abdeckung, wobei die Folie auf Randbereichen der Öffnung mit Hilfe einer Klebstoffnaht gas- und wasserdicht fixiert ist, so dass selbst Luftfeuchte nicht in das Innere des Energiespeichers eindringen kann. Die Folie kann beispielsweise mittels Wachs fixiert werden.
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Weiter wird in
DE 10 2007 063 194 A1 ein Zellverbund aus mehreren Einzelzellen beschrieben, die wärmeleitend mit einer Wärmeleitplatte verbunden sind. Zur verbesserten Ableitung der Wärme aus den Einzelzellen sind die Hohlräume zwischen den Einzelzellen und/oder zwischen der Wärmeleitplatte und den Einzelzellen mit einem Füllmaterial ausgefüllt. Technische Aspekte wie Feuchtigkeit im Allgemeinen oder Wasserdichtigkeit des Füllmaterials im speziellem sind nicht Gegenstand dieser Lehre und werden daher nicht diskutiert.
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Die bisher bekannten Maßnahmen sind nicht optimiert für einen zuverlässigen, einfachen und gleichzeitig kostengünstigen Schutz gegen Feuchtigkeit für Batteriezellenmodule.
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Es besteht der Bedarf an einem Batteriezellemodul mit einer Anordnung zum Schutz gegen Feuchtigkeit, die zuverlässig, einfach und kostengünstig bereitgestellt werden kann.
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Offenbarung der Erfindung
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Das erfindungsgemäße Batteriezellenmodul mit einer Anordnung zum Schutz gegen Feuchtigkeit umfasst mehrere Batteriezellen in jeweils einem Batteriezellengehäuse, die auf einer Grundplatte angeordnet sind. Erfindungsgemäß sind alle Zwischenräume zwischen den Batteriezellengehäusen untereinander sowie alle Zwischenräume zwischen den Batteriezellengehäusen und der Grundplatte mittels einer Abdichtung wasserdicht abgedichtet sind, sodass aus den Zwischenräumen ein geschlossener Hohlraum gebildet wird.
Die erfindungsgemäße Ausgestaltung des Batteriezellenmoduls beruht auf der Erkenntnis, dass es bezüglich Schadenseintritt durch Feuchtigkeit im Gehäuse des Batteriezellenmoduls entscheidend auf die Zwischenräume zwischen den Batteriezellengehäusen in einem Batteriezellenmodul sowie zwischen der Grundplatte und den Batteriezellengehäusen ankommt. Eingetretene Feuchtigkeit wird an diesen Stellen durch die Kapillarwirkung in die Zwischenräume gezogen und verdunstet nur sehr langsam. Dadurch entweicht die Feuchtigkeit während möglicher Trockenphasen kaum und es besteht eine konstante Belastung der elektrischen Isolierung durch Feuchte. Verglichen mit diesen Stellen ist die Belastung der elektrischen Isolation an anderen offenen Stellen im Gehäuse des Batteriezellenmoduls weniger gravierend, da während Trockenphasen - z.B. durch hohe Temperatur im Betrieb - die elektrische Isolation trocknen kann und die Isolationswirkung sich dadurch wieder erhöht.
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Vorteilhaft werden also durch die erfindungsgemäße Ausgestaltung des Batteriezellenmoduls genau die Stellen besonders berücksichtigt, die für den potentiellen Schaden durch Feuchtigkeit sehr gefährdet sind. Umgekehrt kann aber daraus gefolgert werden, dass durch den gezielten Schutz gegen Feuchtigkeit besonders wichtiger Stellen die Gefahr eines Schadens zum größten Teil vermieden bzw. zumindest stark reduziert wird.
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Durch die stark reduzierte Gefahr eines Schadenfalls durch Feuchtigkeit wird letztlich die Zuverlässigkeit des Batteriezellenmoduls insgesamt erhöht.
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Vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung sind in den Unteransprüchen angegeben und in der Beschreibung beschrieben.
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Zeichnung
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Ausführungsbeispiele der Erfindung werden anhand der Zeichnung und der nachfolgenden Beschreibung näher erläutert. Es zeigt:
- Die einzige Figur ein erstes Ausführungsbeispiel des erfindungsgemäßen Batteriezellenmoduls schematisch im Schnitt.
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Beschreibung der Ausführungsbeispiele
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Ein erstes Ausführungsbeispiel des erfindungsgemäßen Gehäuses wird mit Hilfe der Figur erläutert. Grundsätzlich wird mit der Erfindung ein Batteriezellenmodul 5 mit einer Anordnung zum Schutz gegen Feuchtigkeit bereitgestellt. Das Batteriezellenmodul 5 umfasst dabei mehrere Batteriezellen 10 in jeweils einem Batteriezellengehäuse 15, die auf einer Grundplatte 20 angeordnet sind. Die Batteriezellen 10 können Lithium-Ionen-Batteriezellen sein. Weiter wird erfindungsgemäß gefordert, dass alle Zwischenräume 40, 42 zwischen zwei Batteriezellengehäusen 15 und zwischen einem Batteriezellengehäuse 15 und der Grundplatte 20 mittels einer Abdichtung 30 wasserdicht abgedichtet ist. Das Batteriezellengehäuse 15 kann je nach Bedarf eine in der Figur nicht dargestellte äußere elektrische Isolationsschicht aufweisen, die beispielsweise als Lackschicht oder als Folienschicht ausgestaltet ist.
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Neben den bereits oben beschriebenen Vorteilen ergeben sich hieraus folgende weitere Vorteile: Durch die Abdichtung 30 des Zwischenraums 40, 42 kann die Feuchtigkeit erst gar nicht in den Zwischenraum 40, 42 eindringen - zumindest nicht direkt über die Stelle, an der die Abdichtung 30 angebracht ist. Die sonst vorliegende konstante Feuchtebelastung wird so vermeiden. So reduziert sich entsprechend vorteilhaft auch die Anforderung an die beispielsweise elektrische Isolationsrobustheit im Zwischenraum 40, 42 im Vergleich zum Zustand ohne die Abdichtung 30. Im Ergebnis steigt die Sicherheit des Batteriezellenmoduls 5 und geht einher mit einer Reduktion der Reparaturfälle, und damit der Reparaturkosten. Insgesamt wird die Lebensdauer des Batteriezellenmoduls 5 erhöht.
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Weiter erfordert vorteilhaft die erfindungsgemäße Ausführung des Batteriezellenmoduls 5 nicht, dass die Zwischenräume 40, 42 mit einem Füllmaterial gefüllt werden. Stattdessen werden die Zwischenräume 40, 42 lediglich wasserdicht abgedichtet, d.h. der Zugang der Feuchtigkeit in das Innere der Zwischenräume 40, 42 mittels der Abdichtung 30 verhindert. Damit ist die erfindungsgemäße Lösung auch kostengünstig, da nicht Material zur Füllung der gesamten Zwischenräume 40, 42 notwendig ist.
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Auch das Aufbringen der Abdichtungen 30 erfordert vorteilhaft kein besonders kritisches Verfahren, das beispielhaft wie folgt durchgeführt kann: Nach dem Aufbau eines Batteriezellenmoduls 5 wie bisher wird auf Stellen, die abgedichtet werden sollen, eine geeignete Masse, aus dem später die Abdichtungen 30 gebildet werden, aufgetragen. Die Masse kann erwärmt aufgetragen werden; nach dem Abkühlen resultieren daraus die Abdichtungen 30. Die Masse der späteren Abdichtungen 30 kann entweder auf Batteriezellengehäuse 15 oder auch auf die Grundplatte 20 aufgebracht werden bevor diese 20 montiert wird.
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Schließlich wird durch die Erfindung eine einfache Lösung zum Schutz gegen Feuchtigkeit ermöglicht. Da die Anwendung der Abdichtungen 30 keine besonderen Anforderungen an die Batteriezellenmodule 5 voraussetzt, kann sie in bestehenden Batteriezellenmodule 5 ohne große Änderung eingesetzt werden. Insbesondere benötigt die Erfindung keine oder lediglich vernachlässigbare Designänderungen an bisher bekannten Batteriezellenmodulen 5, sodass sie sich größtenteils auch für eine Nachrüstung bereits gefertigter Batteriezellenmodule 5 eignet. Gefordert wird lediglich eine materielle Verträglichkeit der Abdichtung 30 mit den kontaktierenden Stellen, etwa Isolationsmaterialien.
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Weiter wird vorgeschlagen, dass die Abdichtung 30 aus einer elektrisch nicht leitenden Masse gebildet ist. So wird gewährleistet, dass die Masse eine geringere elektrische Leitfähigkeit als Feuchtigkeit hat, wodurch vorteilhaft Kriechstrecken erhöht werden. Im Ergebnis werden Überschläge und Lichtbögen bei HV-Komponenten verhindert oder zumindest stark unterdrückt.
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Auch ist es vorteilhaft, wenn die Abdichtung 30 aus einer zähflüssigen Masse gebildet ist. Diese Ausgestaltung sorgt dafür, dass die Masse - auch nach ihrem Auftragen im erwärmten Zustand bei Abkühlung auf normale Betriebstemperaturen - nicht komplett in eine feste Form übergeht und so die Möglichkeit bewahrt, Bewegungen im Batteriezellenmodul 5 ausgleichen zu können. Zudem kann die Masse im zähflüssigen Zustand selbst keine Risse bilden, die sich mit Wasser füllen könnten. Schließlich wird durch diese Ausgestaltung der Abdichtung 30 eine mögliche spätere Reparatur der Batteriezellen 10 nicht behindert, weil diese nicht verklebt werden.
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Als geeignetes Material für die Abdichtung 30 wird Fett, insbesondere Korrosionsschutzfett, oder Wachs, insbesondere Korrosionsschutzwachs, vorgeschlagen. Vorteilhafterweise haben diese Materialen kriechende Eigenschaften, wenn sie erwärmt aufgetragen werden, sodass sie in die Zwischenräume 40, 42 gezogen werden, und anschließend abgekühlt, dort eine zuverlässige, wasserdichte Abdichtung 30 bilden.
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Insbesondere Korrosionsschutzfett oder Korrosionsschutzwachs sind sehr geeignete Materialien für die Abdichtung 30, da sie zusätzlich zu oben beschriebenen Vorteilen einen weiteren Nutzen erbringen: Die in die Zwischenräume 40, 42 eingedrungene Feuchtigkeit kann nur schwer wieder entweichen, weil nur ein reduzierter Austausch der in den Zwischenräumen 40, 42 vorhandenen Luft mit der Außenluft stattfindet. Sie schlägt sich deshalb an Oberflächen der Batteriezellengehäuse 15 oder der Grundplatte 20 als Kondensationsflüssigkeit nieder, wenn die Oberflächen eine niedrigere Temperatur aufweisen als ihre Umgebung. Genau dies aber kann zu Korrosion an der betroffenen Oberfläche führen, wodurch wiederum die Zuverlässigkeit der betroffenen Bauteile beeinträchtigt wird. Vorteilhaft wirken Korrosionsschutzfett oder Korrosionsschutzwachs einer Bildung oder Verbreitung einer Korrosion hemmend entgegen.
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Im Ausführungsbeispiel der Erfindung gemäß der Figur ist der Zwischenraum 40 zwischen den Kantenbereichen der Batteriezellengehäuse 15, insbesondere zwischen den Deckelbereichen der Batteriezellengehäuse 15, mittels der Abdichtung 30 abgedichtet. So können auch unerwünschte elektrische Überschläge verhindert werden, da sie bevorzugt an Stellen hoher Feldstärken auftreten, etwa an den Kanten der Batteriezellengehäuse 15. Das Abdichten von Zwischenräumen 40 zwischen den Deckelbereichen der Batteriezellengehäuse 15 ist zusätzlich besonders geeignet, weil einerseits diese Stellen eines Batteriezellenmoduls 5 leichter zugänglich sind im Vergleich zu Zwischenräumen 40 tiefer liegender Stellen und andererseits der gesamte Zwischenraum 40 zwischen zwei Batteriezellengehäusen 15 abgedichtet wird.
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Ferner ist aus der Figur ersichtlich, dass auch der Zwischenraum 42 zwischen dem Kantenbereich eines Batteriezellengehäuses 15 und der Grundplatte 20, insbesondere zwischen dem Bodenbereich eines Batteriezellengehäuses 15 und der Grundplatte 20, mittels der Abdichtung 30 abgedichtet ist. Vorteilhaft wird hierdurch eine weitere gefährdete Stelle eines elektrischen Überschlags berücksichtigt. Elektrische Überschläge werden begünstigt durch verschieden hohe Potentiale. Batteriezellengehäuse 15 und Grundplatte 20 können aber Potentialunterschiede aufweisen. So wird eine an sich gefährdete Stelle als solche ausgeschaltet.
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Es wird weiter vorgeschlagen, dass alle Zwischenräume 40 zwischen den Batteriezellengehäusen 15 untereinander sowie alle Zwischenräume 42 zwischen den Batteriezellengehäusen 15 und der Grundplatte 20 mittels der Abdichtung 30 abgedichtet sind, sodass aus den Zwischenräumen 40, 42 ein geschlossener Hohlraum gebildet wird. Damit steht der Feuchte gar kein Zugang mehr in die Zwischenräume 40, 42 zur Verfügung und die Feuchte kann erst gar nicht in die Zwischenräume 40, 42 eindringen.
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Im Übrigen kann die Grundplatte 20 als Bodenplatte und/oder als Kühlplatte ausgestaltet sein. Als Bodenplatte stellt sie den Batteriezellen 10 eine feste, definierte Grundfläche zu ihrer Anordnung als Batteriezellenmodul 5 bereit. Alternativ oder zusätzlich dazu kann die Grundplatte als eine Kühlplatte ausgestaltet sein. Vorteilhaft wird in dieser Ausführungsform auch eine Kühlung der Batteriezellen 10 gewährleistet.
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Bei Bedarf kann eine elektrische Isolationsschicht 25 zwischen den Batteriezellen 10 und der Grundplatte 20 angeordnet sein, insbesondere auf der Grundplatte 20 aufgebracht sein. Vorteilhaft wird dadurch ein elektrischer Überschlag weiter erschwert. Die elektrische Isolationsschicht 25 kann als eine Folie oder auch als eine sogenannte Gap-Pad-Schicht ausgebildet sein.
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Das erfindungsgemäße Batteriezellenmodul 5 kann zu vielfältigen Zwecken eingesetzt bzw. eingebaut werden. Es wird beispielhaft vorgeschlagen, ein Kraftfahrzeug, insbesondere elektromotorisch antreibbares Kraftfahrzeug, mit einem erfindungsgemäßen Batteriezellenmodul 5 zu versehen, wobei das Batteriezellenmodul 5 mit einem Antriebssystem des Kraftfahrzeugs verbunden ist.
