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Die Erfindung betrifft eine Stützeinrichtung für Batteriezellen und ein Batteriemodul mit der Stützeinrichtung.
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Eines der bekanntesten Beispiele für eine wiederaufladbare Batterie, wie sie bspw. bei Kraftfahrzeugen mit einem (teil-)elektrischen Antriebsstrang als Energiequelle (Traktionsbatterie) für deren Antriebsmotor(en) verwendet wird, ist die Lithium-Ionen-Batterie.
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Diese Batterien bestehen in aller Regel aus einer Anzahl an wiederaufladbaren Batteriezellen, die jeweils wenigstens zwei Elektroden, eine Anode und eine Kathode, die durch einen elektrolytgetränkten Separator elektrisch gegeneinander isoliert sind, aufweisen. Häufig werden mehrere Lagen aus Anode, Separator und Kathode innerhalb einer Batteriezelle parallel verschaltet.
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Üblicherweise werden mehrere Batteriezellen zu einem Batteriemodul zusammengefasst, wobei die Batteriezellen in einem Batteriemodul auf unterschiedliche Weise intern verschaltet sein können (seriell und/oder parallel). Mehrere der Batteriemodule werden dann regelmäßig zusammen mit weiteren elektrischen Komponenten zu einem Batteriepack zusammengefasst, wobei auch die Batteriemodule auf unterschiedliche Weise miteinander verschaltet sein können (seriell und/oder parallel).
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Das Gehäuse einer Batteriezelle kann aus einer, oftmals auf Aluminium basierenden, gegebenenfalls mehrschichtigen Folie ausgebildet sein, wodurch dieses flexibel und gleichzeitig leicht ist. Die Batteriezelle ist in der Folie eingeschlossen (bspw. eingeschweißt), lediglich die Stromableiter sind herausgeführt. Eine solche Batteriezelle wird oftmals als „Pouch-Batteriezelle” oder kurz „Pouchzelle” bezeichnet.
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Das Gehäuse einer Batteriezelle kann aber auch als sog. „Hardcase” ausgebildet sein. Hardcase-Batteriezellen weisen oftmals ein prismatisches oder zylindrisches Metallgehäuse auf, das gegenüber seiner Umgebung, bspw. gegenüber benachbarten Batteriezellen oder funktionellen Bauelementen des Batteriemoduls elektrisch isoliert sein muss. Hierzu können bspw. Isolationsfolien aus einem geeigneten Kunststoff, wie etwa Aramid oder ein Polyimid verwendet werden. Daneben ist die Verwendung von Schrumpfschläuchen (etwa aus einem Polyestermaterial) zur Isolierung von Batteriezellen bekannt.
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Bei Batteriezellen ist, unabhängig von der Art der Batteriezelle und der Art des Gehäuses, die beim Laden und Entladen der Batteriezelle entstehende Wärme abzuführen. Dies deshalb, weil derzeit bekannte Batteriezellen, wie etwa Lithium-Ionen-Batteriezellen durch zu hohe Temperaturen irreparabel beschädigt werden können. Aus dem Stand der Technik ist es bekannt, zur Temperaturabfuhr und zum Temperaturausgleich zwischen Batteriezellen oder Batteriezellstapel eine temperaturausgleichende und/oder temperaturableitende Struktur vorzusehen.
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Eine solche Struktur kann bspw. in Form von Platten oder Kühlfinnen (Kühlbleche, etwa aus Aluminium) ausgebildet sein, die zwischen Batteriezellen angeordnet sind. Ebenso sind Abstandshalter zwischen Batteriezellen bekannt, die zum Temperaturausgleich eine Durchströmung von Luft zwischen den Batteriezellen ermöglichen.
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Und die
DE 10 2008 057 430 A1 beschreibt ein Batteriesystem, umfassend wenigstens eine Zelle mit einer benachbarten temperaturausgleichenden Struktur, die abwechselnd mit den Zellen vorgesehen und zum Durchtritt eines wärme- und/oder kältetragenden Mediums ausgebildet ist, wobei die Zellen als Einzelzellen und die temperaturausgleichenden Strukturen als herkömmliche Wellpappe, mit zwei Deckschichten und wenigstens einer dazwischen angeordneten Welle zum Durchtritt der Luft, ausgebildet sind.
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Es ist Aufgabe der vorliegenden Erfindung, eine neuartige Struktur zur Anordnung zwischen Batteriezellen zur Verfügung zu stellen, mit der bisher nicht erreichbare Vorteile verbunden sind. Diese Aufgabe wird gelöst durch die Stützeinrichtung gemäß Anspruch 1 und das Batteriemodul gemäß Anspruch 6. Vorteilhafte Weiterbildungen der Stützeinrichtung sowie des Batteriemoduls sind Gegenstand der Unteransprüche.
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Erfindungsgemäß wird eine Stützeinrichtung zur mechanischen Stabilisierung von wenigstens einer Batteriezelle, insbesondere einer Pouch-Batteriezelle oder Hardcase-Batteriezelle, in einem Batteriemodul vorgeschlagen, die dadurch gekennzeichnet, dass sie
- – aus einem Material ausgebildet ist, das eine Mehrzahl an getrennt voneinander angeordneten Durchgangsöffnungen aufweist, oder
- – aus einem amorphen Material ausgebildet ist.
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Bei vielen derzeit bekannten Batteriezelltypen muss zum Sicherstellen einer gleichmäßigen Performance und langen Lebensdauer ein bestimmter Mindestdruck ausgeübt werden. Dieser wirkt der Ansammlung von entstehenden Gasen zwischen den Elektrodenschichten entgegen bzw. verhindert die Ansammlung vollständig. Daneben ist es in vielen Fällen von Vorteil, eine thermische Entkopplung zwischen Batteriezellen vorzusehen, um bspw. eine Übertragung einer großen Wärmemenge, die in einer defekten Batteriezelle entsteht, auf benachbarte Batteriezellen zu vermeiden. Wie oben bereits erwähnt wurde, können Batteriezellen durch zu hohe Temperaturen irreparabel beschädigt werden.
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Durch die erfindungsgemäß vorgeschlagene Stützeinrichtung werden sowohl eine mechanische Abstützung von Batteriezellen als auch deren thermische Entkopplung erreicht.
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Gemäß einer ersten vorteilhaften Weiterbildung der Stützeinrichtung weist das Material mit einer Mehrzahl an getrennt voneinander angeordneten Durchgangsöffnungen eine Gitterstruktur auf, wobei die Gitteröffnungen insbesondere eine Dreiecks-, Vierecks- oder Sechsecks-Form aufweisen.
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Bei einer derartigen Stützeinrichtung kann das Material in vorteilhafter Weise aus einem Kohlenstofffaser-, Keramik- oder einem Kunststoff-Material ausgebildet sein oder dieses enthalten, wobei im Falle eines Kunststoff-Materials dieses bevorzugt ein Glasfaserverstärktes oder Kohlenstofffaser-verstärktes Kunststoff-Material ist.
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Ist die Stützeinrichtung gemäß der vorliegenden Erfindung aus einem amorphen Material ausgebildet, so weist dieses in vorteilhafter Weise eine schwamm- oder schaumartige Struktur mit einer Porosität von gleich oder größer 70% auf, und ist bevorzugt ein offenporiges Material.
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Weiter weist das Material der Stützeinrichtung in vorteilhafter Weise
- – eine Temperaturbeständigkeit im Bereich von 150°C bis 500°C, und/oder
- – eine Dicke im Bereich von 0,5 mm bis 50 mm auf.
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Von der vorliegenden Erfindung umfasst ist auch ein Batteriemodul mit wenigstens einer Batteriezelle, wobei die Batteriezelle bevorzugt eine Pouch-Batteriezelle oder eine Hardcase-Batteriezelle ist.
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Das Batteriemodul ist dadurch gekennzeichnet, dass unmittelbar benachbart zu der wenigstens einen Batteriezelle eine erfindungsgemäße Stützeinrichtung oder eine ihrer vorteilhaften Weiterbildungen oder Ausgestaltungen angeordnet ist.
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Das erfindungsgemäße Batteriemodul kann in vorteilhafter Weise dahin weitergebildet sein, dass es weiter wenigstens eine Wärmeableiteinrichtung aufweist, das unmittelbar benachbart zu einer Batteriezelle angeordnet ist.
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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 den Figuren 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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Dabei zeigen:
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1 ein erstes schematisches Beispiel für eine Stützeinrichtung gemäß der vorliegenden Erfindung;
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2 ein zweites schematisches Beispiel für die Stützeinrichtung gemäß der vorliegenden Erfindung;
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3 ein drittes schematisches Beispiel für die Stützeinrichtung gemäß der vorliegenden Erfindung;
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4 ein erstes schematisches Beispiel für ein Batteriemodul gemäß der vorliegenden Erfindung;
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5 ein zweites schematisches Beispiel für ein Batteriemodul gemäß der vorliegenden Erfindung;
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6 ein drittes schematisches Beispiel für Batteriemodul gemäß der vorliegenden Erfindung.
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In den Figuren sind gleiche oder funktionsgleiche Elemente mit den gleichen Bezugszeichen versehen.
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Die vorliegende Erfindung wird nachfolgend lediglich zur besseren Veranschaulichung überwiegend anhand einer Stützeinrichtung 1, 1', 1'' näher erläutert, deren Material eine Mehrzahl an getrennt voneinander angeordneten Durchgangsöffnungen 4, 4', 4'' (von denen in den 1 bis 3 lediglich der Übersichtlichkeit halber nur jeweils zwei mit einem Bezugszeichen versehen sind) aufweist, sowie am Beispiel einer prismatischen Batteriezelle 2. Die vorliegende Erfindung ist jedoch selbstverständlich nicht hierauf beschränkt.
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Wie in Anspruch 1 angegeben ist, kann das Material der Stützeinrichtung 1, 1', 1'' auch aus einem amorphen Material ausgebildet sein, etwa mit einer schwamm- oder schaumartigen Struktur. Hierbei ist es dann bevorzugt, wenn dieses amorphe Material eine Porosität von gleich oder größer 70% aufweist, damit eine Wärmeübertragung von Batteriezelle 2 zu Batteriezelle 2 minimiert werden kann.
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Des Weiteren sind die Poren eines amorphen Materials (etwa einer Schaumkeramik oder eines geschäumten Kunststoffs) der Stützeinrichtung 1, 1', 1'' bevorzugt offenporig, damit bspw. bei einer größeren Temperaturänderung Luft ohne weiteres aus dem Material hinaus- oder in das Material hineinströmen kann. Bei einem amorphen Material mit geschlossenen Poren – das für die vorliegende Erfindung selbstverständlich ebenfalls verwendbar ist – kann in Abhängigkeit von der Flexibilität oder Sprödigkeit des Materials jedoch nicht ausgeschlossen werden, dass insbesondere bei einem durch Wärmeeinwirkung bedingten Druckanstieg in den geschlossenen Poren diese aufreißen können und es somit zu einer zumindest teilweisen Zerstörung des amorphen Materials kommen kann.
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Neben prismatischen Batteriezellen 2 ist die Stützeinrichtung 1, 1', 1'' gemäß der vorliegenden Erfindung selbstverständlich auch für zylindrische Batteriezellen 2 anwendbar und ist von der vorliegenden Erfindung somit auch ein Batteriemodul 3, 3', 3'' mit wenigstens einer zylindrischen Batteriezelle 2 umfasst.
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Hierbei kann vorgesehen sein, dass die Stützeinrichtung 1, 1', 1'' zumindest an dem Teil einer Mantelfläche einer Batteriezelle 2 anliegt, der benachbart zu einer weiteren Batteriezelle 2 angeordnet ist. Dies kann entweder durch ein Ausbilden der Stützeinrichtung 1, 1', 1'' in Form eines (Teil)Hohlzylinders mit einem entsprechenden Innenradius, durch Verwendung eines ausreichend flexiblen Materials für die Stützeinrichtung 1, 1', 1'' (so dass zumindest ein Teil der Mantelfläche der zylindrischen Batteriezelle 2 durch entsprechendes Biegen des Materials umhüllt werden kann) oder durch Vorsehen von entsprechenden Aussparungen in dem Material der Stützeinrichtung 1, 1', 1'' erreicht werden kann.
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Wie in den 1 bis 3 schematisch dargestellt ist, kann das Material einer Stützeinrichtung 1, 1', 1'', das eine Mehrzahl an getrennt voneinander angeordneten Durchgangsöffnungen 4, 4', 4'' aufweist, eine Gitterstruktur aufweisen, wobei die Gitteröffnungen insbesondere eine Dreiecks-, Vierecks- oder Sechsecks-Form aufweisen können.
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Ein derartiges Material kann als flächiges Material ausgebildet sein, das eine im Wesentlichen gleichmäßige Dicke aufweist und wobei die Gitteröffnungen sich im Wesentlichen senkrecht von der Grundfläche des Materials erstrecken. Wie sich insbesondere aus den 4 und 5 ergibt, dienen die Gitteröffnungen dazu, Luftbereiche einzuschließen.
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Da die durch die Gitteröffnungen eingeschlossene Luft – wie die Luft in den Poren eines schwamm- oder schaumartigen, amorphen Materials – dazu dienen soll, die Wärmeübertragung von Batteriezelle 2 zu Batteriezelle 2 zu minimieren, ist es bevorzugt, wenn die Gitteröffnungen nur einen kleinen Durchmesser bzw. eine lichte Weite von 1 cm oder kleiner aufweisen, um eine mögliche Konvektion der Luft innerhalb der Gitteröffnungen möglichst zu verhindern oder doch zu minimieren.
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Für die Stützeinrichtung 1, 1', 1'' kann jedes geeignete Material verwendet werden. Um die oben bereits erwähnte Funktion der Stützeinrichtung 1, 1', 1'', eine Wärmeübertragung von Batteriezelle 2 zu Batteriezelle 2 zu minimieren besonders gut zu erfüllen, wird ein Fachmann ein Material wählen, das möglichst gut thermisch isolierend ist. Als weiteres Kriterium für das zu wählende Material wird ein Fachmann die erforderliche Temperaturstabilität berücksichtigen. Je nach eingesetztem Batteriezelltyp kann eine Temperaturstabilität im Bereich von etwa 150°C bis 500°C erforderlich sein.
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Um die Funktionen einer mechanischen Abstützung und einer thermischen Entkopplung zwischen zwei Batteriezellen 2 zu erfüllen, wird eine Dicke des Materials im Bereich von 0,5 mm bis 50 mm in aller Regel ausreichend sein. Je nach eingesetztem Batteriezelltyp, der Batteriezellgröße und dem für die Stützeinrichtung 1, 1', 1'' verwendeten Material kann jedoch auch eine größere Dicke des Materials erforderlich oder wünschenswert sein.
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Die Form und Größe des Materials der Stützeinrichtung 1, 1', 1'' wird regelmäßig entsprechend der Form und Größe der eingesetzten Batteriezelle(n) 2 gewählt werden, bspw. kann die Form und Größe der in den 1 bis 3 schematisch dargestellten Stützeinrichtungen 1, 1', 1'' der Form und Größe der Grundfläche der eingesetzten prismatischen Batteriezellen 2 entsprechen.
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Als geeignete Beispiele für ein Material, das eine Mehrzahl an getrennt voneinander angeordneten Durchgangsöffnungen 4, 4', 4'' aufweist, seien hier ein Kohlenstofffaser-, Keramik- und ein Kunststoff-Material erwähnt. Im Falle eines Kunststoff-Materials dieses bevorzugt ein Glasfaser-verstärktes oder Kohlenstofffaser-verstärktes Kunststoff-Material.
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In den 4 bis 6 sind einige Beispiele für eine mögliche Anordnung der Stützeinrichtung 1, 1', 1'' in einem Batteriemodul 3, 3', 3'' schematisch dargestellt, wobei in den Figuren lediglich rein beispielhaft jeweils zwei Batteriezellen 2 dargestellt sind. Von der vorliegenden Erfindung umfasst ist selbstverständlich auch ein Batteriemodul 3, 3', 3'', das nur eine einzige Batteriezelle 2 aufweist, oder auch ein Batteriemodul 3, 3', 3'' mit mehr als zwei Batteriezellen 2.
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Bei der Batteriezelle/den Batteriezellen 2 des Batteriemoduls 3, 3', 3'' kann es sich insbesondere um (eine) Pouch-Batteriezelle(n) 2 oder (eine) Hardcase-Batteriezelle(n) 2 handeln, wobei innerhalb eines Batteriemoduls 3, 3', 3'' üblicherweise nur eine einzige Art von Batteriezelltyp vorgesehen ist.
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Wie in den 4 bis 6 schematisch dargestellt ist, zeichnet sich das Batteriemodul 3, 3', 3'' gemäß der vorliegenden Erfindung dadurch aus, dass wenigstens eine Stützeinrichtung 1, 1', 1'' gemäß der vorliegenden Erfindung unmittelbar benachbart zu einer Batteriezelle 2 angeordnet ist. Hierbei kann vorgesehen sein, dass eine Stützeinrichtung 1, 1', 1'' zwischen zwei Batteriezellen 2 angeordnet ist, wie dies in den 4 und 5 dargestellt ist.
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Neben der Stützeinrichtung 1, 1', 1'' kann zwischen zwei benachbarten Batteriezellen 2 auch wenigstens eine Wärmeableiteinrichtung 5 (etwa Kühlfinne, Kühlblech, Wärmeableitblech, Hohlraum mit durchströmendem oder durchströmbarem Kühl- oder Kältemittel) angeordnet sein, um überschüssige Wärme zu einem Bereich außerhalb des Batteriemoduls 3, 3', 3'' ableiten zu können.
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Bei dem in 6 dargestellten Beispiel ist als Wärmeableiteinrichtung 5 ein metallisches Wärmeableitelement 5 (Kühlblech) zwischen zwei benachbarten Batteriezellen 2 angeordnet und sind zwei Stützeinrichtungen 1, 1', 1'' an den Außenseiten der Batteriezellen 2 vorgesehen.
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Die in den 4 bis 6 dargestellten Anordnungen sind lediglich rein beispielhaft zu verstehen und selbstverständlich sind weitere, hiervon verschiedene Batteriemodule 3, 3', 3'' ebenfalls von der vorliegenden Erfindung umfasst, etwa ein Batteriemodul mit einer regelmäßigen Abfolge von einer Batteriezelle 2 und einer sich daran anschließenden Stützeinrichtung 1, 1', 1'', oder ein auf der Anordnung gemäß 6 beruhendes Batteriemodul 3, 3', 3'' bei dem links und/oder rechts von der dargestellten Anordnung wenigstens ein weiteres Paar an Batteriezellen 2 mit dazwischen angeordneter Wärmeableiteinrichtung 5 anschließt, das wiederum an seiner äußeren Seite eine thermisch isolierende Stützeinrichtung 1, 1', 1'' aufweist.
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Durch die Stützeinrichtung 1, 1', 1'' gemäß der vorliegenden Erfindung wird eine mechanische Stabilisierung von Batteriezellen 2, insbesondere von Hardcase- und Pouch-Batteriezellen 2, in Batteriemodulen 3, 3', 3'' bei gleichzeitiger thermischer Entkopplung (d. h. Unterbrechung des Pfads) zur Vermeidung von Thermalpropagation erreicht.
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Durch die mechanische Stabilisierung wird ein Durchbiegen und/oder Aufblähen der Gehäuse von Hardcase-Batteriezellen 2 und von Pouch-Batteriezellen 2 mechanisch verhindert.
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Durch eine geeignete Paarung von Stützeinrichtung(en) 1, 1', 1'' und Wärmeableiteinrichtung(en) 5 (bspw. Kühlblech(en)) kann im Fehlerfall die Thermalpropagation verhindert werden und ist im Normalbetrieb eine ausreichende Kühlung der Batteriezellen 2 im Batteriemodul 3, 3', 3'' gewährleistet.
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Die Erfindung ist nicht auf die oben erwähnten Lithium-Ionen-Batterien beschränkt, sondern kann selbstverständlich auch bei/mit Batteriezellen (wiederaufladbaren Batterien, Akkumulatoren) angewandt werden, die auf anderen Chemiesystemen beruhen.
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Einem Fachmann sind die für die Stützeinrichtung möglichen Materialien bekannt oder können durch einige wenige Versuche ermittelt werden. Entsprechendes gilt für die Verfahren und Vorrichtungen zum Ausbilden der Stützeinrichtung, die diversen Batteriezelltypen, Verfahren und Vorrichtungen zur Herstellung derselben, sowie Verfahren und Vorrichtungen zum Ausbilden von Batteriemodulen. Daher braucht hierauf in der vorliegenden Anmeldung nicht näher eingegangen zu werden.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- DE 102008057430 A1 [0009]
