DE102014225069A1

DE102014225069A1 - Bauteil zur Kraftaufnahme und/oder Kraftverteilung in einem Batteriezellenmodul

Info

Publication number: DE102014225069A1
Application number: DE102014225069.2A
Authority: DE
Inventors: Markus Kohlberger; Dirk Liepold
Original assignee: Robert Bosch GmbH
Current assignee: Robert Bosch GmbH
Priority date: 2014-12-05
Filing date: 2014-12-05
Publication date: 2016-06-09
Also published as: CN107004800A; WO2016087128A1

Abstract

Die Erfindung betrifft ein Bauteil (2, 4) in einem Batteriezellenmodul (10) mit mehreren Batteriezellen (1), insbesondere in direktem Kontakt mit Batteriezellen (1), wobei das Bauteil (2, 4) geeignet ist zur Kraftaufnahme und/oder Kraftverteilung. Zusätzlich weist das Bauteil (2, 4) mindestens ein Material auf, das ein auxetisches Verhalten zeigt. Ferner betrifft die Erfindung ein Batteriezellenmodul (10) sowie ein Kraftfahrzeug mit solch einem Batteriezellenmodul (10).

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft ein Bauteil in einem Batteriezellenmodul mit mehreren Batteriezellen, wobei das Bauteil geeignet ist zur Kraftaufnahme und/oder Kraftverteilung. Ferner betrifft die Erfindung ein Batteriezellenmodul mit solch einem Bauteil sowie ein Kraftfahrzeug.
Stand der Technik
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.
Typischerweise werden hierfür mehrere Batteriezellen elektrisch in Reihenschaltung und/oder Parallelschaltung miteinander verschaltet zur Bildung von leistungsstaken Batteriezellenmodulen.
Es ist jedoch bekannt, dass sich Batterien, etwa Lithium-Ionen-Batterien, beim Laden ausdehnen und sich beim Entladen wieder zusammenziehen. Wie beispielsweise in DE 10 2010 031 641 A1 beschrieben, sind diese Volumen- bzw. Längenänderungen durch die Ein- und Auslagerungsvorgänge von Lithium-Ionen in den Aktivmaterialien der Elektroden bedingt. Durch das Einlagern von Lithium in das Kohlenstoffmaterial dehnt sich das Material aus. Diese Volumenvergrößerung wird über die Batteriezellenhülle bei entsprechender Verformbarkeit der Zelle weiter nach außen übertragen und führt somit zu einer Änderung wenigstens eines geometrischen Abmaßes der Batterie. Dies gilt insbesondere für Ausführungen, in denen die Batterie mehrere Zellen umfasst. In Folge können aufgrund der Ausdehnung und des Zusammenziehens der Elektrodenmaterialien die einzelnen, in der Zelle angeordneten Schichten (Metallschicht, Kathodenmaterial, Separator, Anodenmaterial, ggf. Folie) mechanischen Belastungen ausgesetzt sein. Die Folge davon ist ein Anstieg des elektrischen Widerstandes in der Batterie und somit ein vermindertes Leistungsvermögen.
Weitere mechanische Belastungen einer Batterie bzw. einer Batteriezelle können zum Beispiel durch Temperaturerhöhung innerhalb der Zelle und der daraus resultierenden Verdampfung von enthaltenen Elektrolyten entstehen, wobei der Dampf zu einem weiteren Druckanstieg innerhalb der Zelle führt. Insbesondere bei erhöhten Temperaturen können zudem chemische Reaktionen in der Batterie bzw. in einer Zelle zustande kommen, aus denen Gase entstehen, die einen zusätzlichen Druckanstieg innerhalb der Batteriezelle erzeugen.
Diese Belastungen sind umso höher, je größer die Ladezustandsschwankungen im Betrieb der Batterie sind.
Ferner müssen für Anwendungen von Batterien, insbesondere Lithium-Ionen-Batterien, zum Antrieb von Kraftfahrzeugen viele einzelne elektrochemische Batteriezellen zusammengefügt und gehaltert werden. Dies kann durch Platzierung der Einzelzellen in einem Gehäuse, einem Rahmen und/oder Umwicklung der Einzelzellen mit einem Verspannband geschehen. Zwischen dem Verspannband und den äußeren Einzelzellen kann zur Druckbeaufschlagung eines Drucks eine Anpressplatte angeordnet sein.
So wird in der zuvor genannten Schrift DE 10 2010 031 641 A1 vorgeschlagen, eine Anpressplatte einzusetzen, die federnd ausgebildet ist und im durch das Verspannband verspannten Zustand eine Rückstellkraft auf das Verspannband ausübt. Die Rückstellkraft der Anpressplatte soll dabei der von dem Verspannband ausgeübten Kraft entgegenwirken. Es ist hingegen in der Lehre nicht vorgesehen, dass die Anpressplatte ein Material aufweist, das ein auxetisches Verhalten aufweist.
Offenbarung der Erfindung
Das erfindungsgemäße Bauteil ist zum Einsatz in einem Batteriezellenmodul mit mehreren Batteriezellen vorgesehen. Das Bauteil ist dabei grundsätzlich geeignet zur Kraftaufnahme und/oder Kraftverteilung. Erfindungsgemäß wird nun zusätzlich gefordert, dass das Bauteil mindestens ein Material aufweist, das ein auxetisches Verhalten zeigt.
Materialien, die ein auxetisches Verhalten zeigen, sind an sich bekannt. So wird etwa in DE 102 23 367 B4 erklärt, dass übliche Materialien, die für Bauelemente eingesetzt werden, wie z. B. Metalle, Kunststoffe, mineralische Werkstoffe, etc. sich unter Belastung so verhalten, dass beim Einwirken einer Zugkraft sich das Material in Richtung der Kraft streckt und sich senkrecht dazu verjüngt, wohingegen sich beim Ausüben einer Druckkraft das Material in Richtung der Kraft staucht und senkrecht dazu eine Verdickung entsteht. Das negative Verhältnis von Längenänderung zu Dickenänderung wird als Poisson-Verhältnis oder Poisson-Zahl bezeichnet. Das oben beschriebene normale Verhalten von Materialien wird durch eine positive Poissonzahl charakterisiert, die für die meisten Feststoffe im Bereich von 0,2 bis 0,4 liegt.
Es sind Materialien bekannt, die ein genau umgekehrtes Verhalten zeigen, d. h., die beim Anlegen einer Zugspannung sich in Zugrichtung strecken, jedoch senkrecht dazu eine Verdickung erfahren. Solches Verhalten eines Materials wird als ein auxetisches Verhalten bezeichnet.
Die Erfindung beruht auf der Erkenntnis, dass ein Bauteil mit einem Material, das ein auxetisches Verhalten zeigt, zum Einsatz in einem Batteriezellenmodul mit mehreren Batteriezellen in besonderer Weise geeignet ist. Durch das auxetische Verhalten des erfindungsgemäßen Bauteils können die in einem Batteriezellenmodul auftretenden Spannkräfte gleichmäßig auf den gesamten Batteriezellenquerschnitt verteilt werden. Bei einer Druckbelastung etwa, z.B. hervorgerufen durch das Anschwellen der Batteriezellen, versteift sich das erfindungsgemäße Bauteil aufgrund seines auxetischen Verhaltens und stellt somit vorteilhaft einen Widerstand gegen eine weitere Krafteinwirkung dar. Ein weiteres Anschwellen der Batteriezellen wird verhindert oder zumindest erschwert. Vorteilhaft bleibt hierdurch der Innenwiderstand der Batteriezellen über eine längere Zeitdauer im Wesentlichen konstant. Dies ermöglicht mehr Ladezyklen und im Ergebnis besitzen die Batteriezellen eine höhere Lebensdauer.
Von der Reduzierung der Eigenbewegung der Batteriezellen profitieren auch andere Bauteile im Batteriezellenmodul, da sie steifer als sonst ausgeführt werden können. Beispielhaft können Batteriezellenverbinder steifer und mechanisch stabiler ausgeführt werden, da sie eine relativ große Eigenbewegung der Batteriezellen nicht mehr berücksichtigen müssen.
Vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung sind in den Unteransprüchen angegeben und in der Beschreibung beschrieben.
Zeichnung
Ausführungsbeispiele der Erfindung werden anhand der Zeichnung und der nachfolgenden Beschreibung näher erläutert. Es zeigt:
Die einzige Figur eine Ausführungsform von erfindungsgemäßen Bauteilen in einem Batteriezellenmodul mit mehreren Batteriezellen.
Ausführungsbeispiele der Erfindung
Ein erstes Ausführungsbeispiel des erfindungsgemäßen Bauteils wird nun mit Hilfe der Figur erläutert. Grundsätzlich wird mit der Erfindung ein Bauteil 2, 4 in einem Batteriezellenmodul 10 mit mehreren Batteriezellen 1 bereitgestellt. Das Bauteil 2, 4 ist grundsätzlich geeignet zur Kraftaufnahme und/oder Kraftverteilung. Erfindungsgemäß wird zusätzlich gefordert, dass das Bauteil 2, 4 mindestens ein Material aufweist, das ein auxetisches Verhalten zeigt.
Neben den bereits zuvor beschriebenen Vorteilen des erfindungsgemäßen Bauteils 2, 4 in einem Batteriezellenmodul 10 können folgende weitere, zusätzliche Vorteile genannt werden:
Durch das auxetische Verhalten des Bauteil-Materials ist die Absorption von stoßartigen Kräften, z.B. verursacht durch einen Unfall, optimiert. So wird die Gefahr einer Batteriezellenschädigung bei einem Unfall reduziert.
Übrigens kann das erfindungsgemäße Bauteil 2, 4 in einem Batteriezellenmodul 10 auch in einem indirekten Kontakt mit den Batteriezellen 1 angeordnet sein. Der Kräfteaustausch zwischen dem Bauteil 2, 4 und den Batteriezellen 1 kann also auch über dazwischen angeordnete weitere Bauteile erfolgen, sofern die weiteren Bauteile geeignet sind, die jeweiligen Krafteinwirkungen weiterzuleiten.
Bevorzugt wird jedoch – wie in der Figur dargestellt – die Anordnung des erfindungsgemäßen Bauteils 2, 4 in einem direkten Kontakt mit den Batteriezellen 1. Eine mögliche Fehl- oder Nichtweiterleitung der jeweiligen Krafteinwirkungen wird so vermieden.
Es sei an dieser Stelle bezüglich der Materialen mit einem auxetischen Verhalten darauf hingewiesen, dass es grundsätzlich mindestens zwei Möglichkeiten bekannt sind, die einem Material erlauben, ein auxetisches Verhalten zu zeigen. Die erste Möglichkeit besteht darin, dass ein übliches Material mit einer positiven Poissonzahl eine besondere Struktur aufweist, wodurch das Material ein auxetisches Verhalten zeigt. So ist es möglich, aus üblichen Materialien mit einer positiven Poissonzahl bestimmte Zellgitterstrukturen aufzubauen, die ähnlich einer Wabenstruktur sind, wobei jedoch die gesamte Zellgitterstruktur ein auxetisches Verhalten zeigt.
Die zweite, für die Ausführung der Erfindung bevorzugte Möglichkeit besteht darin, dass das Bauteil 2, 4 zumindest teilweise, bevorzugt vollständig, aus einem auxetischen Material besteht. Derartige Materialien werden durch eine negative Poissonzahl charakterisiert. Beispiele für auxetische Materialien werden etwa in DE 600 21 177 T2 beschrieben.
Ein auxetisches Material kann eine Porenstruktur aufweisen. Aufgrund der auxetischen Porenstruktur besitzen die Bauteile 2, 4 vorteilhaft eine gute Wärmeisolierung. Zudem werden die Poren bei einer Stauchung beispielsweise durch ein Anschwellen einer Batteriezelle 1 zusammengezogen, wodurch sich das Bauteil 2, 4 versteift. Daraus resultiert ein höherer mechanischer Widerstand gegen eine weitere Krafteinwirkung und verhindert somit ein weiteres Anschwellen der Batteriezelle 1.
Weiter wird vorgeschlagen, dass das Bauteil 2, 4 plattenförmig ausgebildet ist. Damit wird es auf eine einfache Weise ermöglicht, das Bauteil 2, 4 benachbart zu Batteriezellen 1 flächendeckend anzuordnen.
In der Ausführungsform der Erfindung gemäß der Figur ist das Bauteil 2, 4 in Form einer Druckplatte 2 zum Einsatz als eine Endplatte des Batteriezellenmoduls 10 ausgebildet.
Weitere erfindungsgemäße Bauteile 2, 4 sind in Form einer Zwischenplatte 4 zum Einsatz als zwischen den Batteriezellen 1 angeordnete Zwischenelemente ausgebildet. Da die Bauteile 2, 4 eine gute thermische Isolierung besitzen, wird die Wärmeübertragung zwischen den Batteriezellen 1 verhindert. Vorteilhaft wird so auch beim thermischen Durchgehen einer Batteriezelle 1 die benachbart angeordneten Batteriezellen 1 davon thermisch nicht oder nur eingeschränkt beeinflusst.
Mit der Erfindung wird auch ein Batteriezellenmodul 10 mit einem Batteriezellenstapel 5 aus mehreren Batteriezellen 1 und mindestens einem erfindungsgemäßen Bauteil 2, 4 bereitgestellt. Die Batteriezellen 1 können als Lithium-Ionen-Batteriezellen ausgebildet sein. Der Batteriezellenstapel 5 kann mit einem Spannband 3 zusammengehalten werden und auf einer Kühlplatte 7 angeordnet sein. Die einzelnen Batteriezellen 1 sind über Zellverbinder 6, die die Terminals 8 der Batteriezellen 1 kontaktieren, miteinander elektrisch verbunden.
In der Ausführungsform gemäß Zeichnung umfasst das Batteriezellenmodul 10 insgesamt gleich sieben erfindungsgemäße Bauteile 2, 4: Zunächst ist jeweils ein erfindungsgemäßes Bauteil 2, 4 in Form einer Druckplatte 2 als eine Endplatte an beiden Enden des Batteriezellenstapels 5 angeordnet. Darüber hinaus sind fünf Zwischenplatten 4 zwischen den sechs einzelnen Batteriezellen 1 des Batteriezellenpacks 5 angeordnet. Es wird allgemein auch für andere Ausführungsformen des Batteriezellenmoduls 10 empfohlen, dass jeweils ein Bauteil 2, 4 in Form einer Zwischenplatte 4 als ein Zwischenelement zwischen allen Batteriezellen 1 des Batteriezellenstapels 5 angeordnet ist.
Obwohl der vielfache Einsatz eines erfindungsgemäßen Bauteils 2, 4 in unterschiedlichen Funktionen in einem Batteriezellenmodul 10 die erwünschten Wirkungen optimiert, kann je nach konkretem Bedarf nur ein einziges erfindungsgemäßes Bauteil 2, 4 in einem Batteriezellenmodul 10 vorgesehen sein.
Auf jeden Fall wird bevorzugt, dass das mindestens eine Bauteil 2, 4 derart im Batteriezellenmodul 10 eingebaut ist, dass das Bauteil 2, 4 bei einer Krafteinwirkung auf das Bauteil 2, 4 möglichst viel Kraft aufnimmt.
Solch ein erfindungsgemäßes Batteriezellenmodul 10 kann wiederum zu vielfältigen Zwecken eingesetzt bzw. eingebaut werden. Es wird beispielhaft vorgeschlagen, ein Kraftfahrzeug, insbesondere elektromotorisch antreibbares Kraftfahrzeug, mit einem erfindungsgemäßen Batteriezellenmodul 10 zu versehen, wobei das Batteriezellenmodul 10 mit einem Antriebssystem des Kraftfahrzeugs verbunden 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 102010031641 A1 [0004, 0008]
DE 10223367 B4 [0010]
DE 60021177 T2 [0022]

Claims

Bauteil (2, 4) in einem Batteriezellenmodul (10) mit mehreren Batteriezellen (1), insbesondere in direktem Kontakt mit Batteriezellen (1), wobei das Bauteil (2, 4) geeignet ist zur Kraftaufnahme und/oder Kraftverteilung, dadurch gekennzeichnet, dass das Bauteil (2, 4) mindestens ein Material aufweist, das ein auxetisches Verhalten zeigt.
Bauteil (2, 4) nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das Bauteil (2, 4) zumindest teilweise, bevorzugt vollständig, aus auxetischem Material besteht.
Bauteil (2, 4) nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass das auxetische Material eine Porenstruktur aufweist.
Bauteil (2, 4) nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass das Bauteil (2, 4) plattenförmig ausgebildet ist.
Bauteil (2, 4) nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass das Bauteil (2, 4) in Form einer Druckplatte (2) zum Einsatz als eine Endplatte des Batteriezellenmoduls (10) ausgebildet ist.
Bauteil (2, 4) nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass das Bauteil (2, 4) in Form einer Zwischenplatte (4) zum Einsatz als ein zwischen den Batteriezellen (1) angeordnetes Zwischenelement ausgebildet ist.
Batteriezellenmodul (10) mit einem Batteriezellenstapel (5) aus mehreren Batteriezellen (1) und mindestens einem Bauteil (2, 4) nach einem der Ansprüche 1 bis 6.
Batteriezellenmodul (10) nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass das mindestens eine Bauteil (2, 4) derart im Batteriezellenmodul (10) eingebaut ist, dass das Bauteil (2, 4) bei einer Krafteinwirkung auf das Bauteil (2, 4) möglichst viel Kraft aufnimmt.
Batteriezellenmodul (10) nach Anspruch 7 oder 8, dadurch gekennzeichnet, dass jeweils ein Bauteil (2, 4) in Form einer Druckplatte (2) als eine Endplatte an beiden Enden des Batteriezellenstapels (5) angeordnet ist.
Batteriezellenmodul (10) nach einem der Ansprüche 7 bis 9, dadurch gekennzeichnet, dass jeweils ein Bauteil (2, 4) in Form einer Zwischenplatte (4) als ein Zwischenelement zwischen allen Batteriezellen (1) des Batteriezellenstapels (5) angeordnet ist.
Batteriezellenmodul (10) nach einem der Ansprüche 7 bis 10, dadurch gekennzeichnet, dass die Batteriezellen (1) als Lithium-Ionen-Batteriezellen ausgebildet sind.
Kraftfahrzeug, insbesondere elektromotorisch antreibbares Kraftfahrzeug, mit einem Batteriezellenmodul (10) nach einem der Ansprüche 7 bis 11, wobei das Batteriezellenmodul (10) mit einem Antriebssystem des Kraftfahrzeuges verbunden ist.