DE102017201692A1

DE102017201692A1 - Batteriemodul mit einer Mehrzahl an Batteriezellen und Batterie

Info

Publication number: DE102017201692A1
Application number: DE102017201692.2A
Authority: DE
Inventors: Armin Schuelke; Ulrike Mock
Original assignee: Robert Bosch GmbH
Current assignee: Robert Bosch GmbH
Priority date: 2017-02-02
Filing date: 2017-02-02
Publication date: 2018-08-02

Abstract

Die Erfindung betrifft ein Batteriemodul mit einer Mehrzahl an Batteriezellen (2), insbesondere Lithium-Ionen-Batteriezellen, wobei zwischen zumindest zwei Batteriezellen (2) ein Ausgleichselement (4) angeordnet ist, wobei das Ausgleichselement (4) aus einem Material mit dilatantem Verhalten (8) ausgebildet ist.

Description

Stand der Technik
Die Erfindung geht aus von einem Batteriemodul mit einer Mehrzahl an Batteriezellen. Gegenstand der vorliegenden Erfindung ist auch eine Batterie mit einem solchen Batteriemodul.
Aus dem Stand der Technik ist bekannt, dass Batterien, wie insbesondere Lithium-Ionen-Batterien, wenigstens aus einem Batteriemodul oder vorteilhaft auch aus einer Mehrzahl an Batteriemodulen bestehen. Weiterhin weist ein Batteriemodul zudem bevorzugt eine Vielzahl an einzelnen Batteriezellen auf, welche untereinander zu dem Batteriemodul verschaltet sind. Dabei können die einzelnen Batteriezellen seriell oder parallel miteinander verschaltet sein.
Lade- und Entladevorgänge sowie Alterungsprozesse in den einzelnen Batteriezellen bedingen interne Kräfte, welche dazu führen, dass die einzelnen Batteriezellen während der Betriebsdauer nicht formkonstant bleiben, sondern diese als Schwellung bezeichneten Prozesse deformieren das Gehäuse der Batteriezellen. Diese Prozesse erfordern somit eine Ausbildung des Batteriemoduls, welche die aufgrund von Alterungsprozessen entstehenden internen Kräfte aufnehmen kann und die Verformung der Gehäuse der einzelnen Batteriezellen begrenzen kann. Die Beaufschlagung der einzelnen Batteriezellen oder deren Gehäuse mit einer Kraft, um die Verformung zu begrenzen, wird allgemein als Verpressung bezeichnet.
Insbesondere bei sogenannten Pouchzellen, welche auch als Coffeebagzellen oder als Beutelzellen bekannt sind, und bei welchen gestapelte elektrochemisch aktive Komponenten in einer Folie eingeschweißt sind, sind nur begrenzte Kräfte für eine Verpressung zulässig, so dass es aus dem Stand der Technik bekannt ist, zwischen zwei Pouchzellen ein elastisches Element beispielsweise in Form eines Schaumstoffes einzubringen, um die Verformungskräfte aufzunehmen.
Beispielsweise beträgt die vom Ladezustand abhängige Verformung von zum Zeitpunkt der Anmeldung bekannten Pouchzellen mit Graphit-Anoden und NCA-Kathoden, welche nicht verpresst sind, zwischen 5 % und 15 % des Volumens der Pouchzellen. Dabei nimmt das Volumen von Pouchzellen während des Ladens aufgrund der ablaufenden chemischen Prozesse zu, so dass eine geladene Pouchzelle die größte Volumenausdehnung aufweist. Weiterhin nimmt dabei das Volumen von Pouchzellen während des Entladens ab, so dass eine entladene Pouchzelle die geringste Volumenausdehnung aufweist. Weiterhin beeinflusst auch der Alterungszustand der Pouchzellen die Volumenausdehnung, wobei mit einer zunehmenden Alterung das Volumen weiter zunimmt. Ob zukünftige Batteriezellen ein ähnliches Schwellverhalten zeigen ist zum Zeitpunkt der Anmeldung nicht beurteilbar, da zukünftigen Batteriezellen mit SiC-Anode beispielsweise bis zu 300 % anschwellen.
Aus der Druckschrift WO 2010/040520 A2 ist beispielsweise ein Batteriemodul bekannt, welches zwischen zwei Batteriezellen ein schockabsorbierendes Material aufweist, wobei die Batteriezellen in einem starren Modulgehäuse aufgenommen sind.
Offenbarung der Erfindung
Ein Batteriemodul mit einer Mehrzahl an Batteriezellen mit den Merkmalen des unabhängigen Anspruchs hat den Vorteil, dass eine Verpressung der Mehrzahl an Batteriezellen möglich ist und ein Ausgleichselement auftretende Volumenänderung der Batteriezellen aufgrund von Schwellprozessen aufnehmen kann und das Ausgleichselement zugleich auch plötzlich auftretende, schockartige Belastungen, beispielsweise in Folge eines Unfalls oder eines Schlages, kompensieren kann.
Erfindungsgemäß wird dazu ein Batteriemodul mit einer Mehrzahl an Batteriezellen zur Verfügung gestellt, wobei die Batteriezellen insbesondere Lithium-Ionen-Batteriezellen sind.
Dabei ist zwischen zumindest zwei Batteriezellen ein Ausgleichselement angeordnet.
Weiterhin ist das Ausgleichselement aus einem Material ausgebildet, welches ein dilatantes Verhalten aufweist.
Durch die in den abhängigen Ansprüchen aufgeführten Maßnahmen sind vorteilhafte Weiterbildungen und Verbesserungen der im unabhängigen Anspruch angegebenen Vorrichtung oder des im unabhängigen Anspruch angegeben Verfahrens möglich.
Unter einem Material mit einem dilatanten Verhalten soll ein Material verstanden sein, bei welchem eine Viskosität des Materials exponentiell mit einer auf das Material einwirkenden Schergeschwindigkeit zunimmt. Ein solches Material weist also eine schergeschwindigkeitsabhängige Viskosität auf und ist schergeschwindigkeitsverfestigend bzw. schergeschwindigkeitsverdickend. Dadurch ist insbesondere auch eine Elastizität des dilatanten Materials abhängig von einer auf das Material einwirkenden Schergeschwindigkeit.
Insbesondere kann das dilatante Verhalten des Materials des Ausgleichselements mit folgender Gleichung beschrieben werden. $η = k {(\frac{d}{d t} γ)}^{n}$
Darin beschreibt η eine Viskosität des dilatanten Materials und dγ/dt eine auf das dilatante Material einwirkende Schergeschwindigkeit als zeitliche Ableitung einer Geschwindigkeit γ.
Weiterhin bezeichnet k eine Proportionalitätskonstante und n einen Exponentialfaktor, wobei hier n > 1 gelten soll.
Somit ist ein dilatantes Material weich, flexibel und elastisch, wenn nur geringe Schergeschwindigkeiten, welche insbesondere während des Betriebs eines Batteriemoduls aufgrund von Schwellvorgängen auftreten können, auf das dilatante Material einwirken.
Weiterhin kann ein dilatantes Material somit auch hohe Schergeschwindigkeiten, welche insbesondere während auf das Batteriemodul von außen einwirkenden schockartigen Belastungen auftreten können, aufnehmen, wobei dazu beispielsweise sich die Moleküle des dilatanten Material ineinander verhaken.
Ein solches Material bietet dabei insbesondere den Vorteil, dass auch Bewegungen der Batteriezellen aufgrund ihres Eigengewichts aufgrund von plötzlich auftretenden, schockartigen Belastungen mittels des Ausgleichselements kompensiert werden können. Dadurch kann beispielsweise verhindert werden, dass elektrische Kontaktierungen zwischen Batteriezellen verloren gehen oder zerstört werden.
Weiterhin ist es von Vorteil, wenn das Batteriemodul eine Spannvorrichtung aufweist, welche die Mehrzahl an Batteriezellen miteinander verspannt.
Von Vorteil ist es, wenn das Material in der Art ausgebildet ist, dass das dilatante Verhalten des Materials des Ausgleichselements einen ersten Bereich einer Schergeschwindigkeit aufweist, in welchem eine Viskosität über einer Schergeschwindigkeit im Wesentlichen konstant ist und dass das dilatante Verhalten des Materials des Ausgleichselements einen zweiten Bereich einer Schergeschwindigkeit aufweist, in welchem einer Viskosität über einer Schergeschwindigkeit exponentiell zunimmt.
Dies bietet den Vorteil, dass zum einen in dem ersten Bereich niedriger Schergeschwindigkeiten, wobei hierunter während eines Betriebes auftretende gewöhnliche Belastungen auf die Batteriezellen verstanden sein sollen, eine zuverlässige Verpressung der Batteriezellen möglich ist und dass zum anderen im Bereich höherer Schergeschwindigkeiten, wobei hierunter beispielsweise plötzlich auftretende Schockbelastungen verstanden sein soll, die Batteriezellen zuverlässig in ihrer Position gehalten werden können.
Gemäß einem vorteilhaften Aspekt der Erfindung sind die Batteriezellen jeweils als Pouchzellen ausgebildet, bei welchen die elektrochemischen Komponenten der Batteriezelle in einer Folie aufgenommen sind.
Dabei hat ein Ausgleichselement aus einem Material mit dilatantem Verhalten den Vorteil, dass eine derartige Verpressung der Pouchzellen möglich ist, bei welcher die Verpresskraft die für Pouchzellen begrenzte Verpresskraft nicht überschreitet, so dass die Pouchzellen nicht geschädigt werden. Weiterhin kann das Ausgleichselement aus einem Material mit dilatantem Verhalten dabei die Verformung der einzelnen Pouchzellen auch kompensieren, ohne eine Mindestverpresskraft zu unterschreiten.
Gemäß einem anderen vorteilhaften Aspekt der Erfindung umfassen die Batteriezellen jeweils einen Festkörperelektrolyten. Dabei kann das Material mit einem dilatanten Verhalten eine zuverlässige Verpressung gewährleisten, ohne eine Mindestverpresskraft zu unterschreiten oder eine Maximalkraft zu überschreiten.
Vorteilhafterweise umfasst die Spannvorrichtung beispielhaft eine erste Spannplatte und eine zweite Spannplatte, wobei die Mehrzahl an Batteriezellen zwischen der ersten Spannplatte und der zweiten Spannplatte angeordnet ist. Weiterhin umfasst die Spannvorrichtung ein Spannelement, welches insbesondere ein Spannband ist, wobei das Spannelement die erste Spannplatte und die zweite Spannplatte miteinander verbindet. Dadurch ist es möglich, dass die erste Spannplatte und die zweite Spannplatte die Mehrzahl an Batteriezellen miteinander verpressen kann und dass mittels des Spannelements die Verpresskraft gezielt eingestellt werden kann.
Es ist zweckmäßig, wenn weiterhin zwischen zwei Batteriezellen ein Kühlelement angeordnet ist. Dabei bietet das dilatante Verhalten des Materials des Ausgleichelements den Vorteil, dass auch bei Schockbelastungen die Anbindung der zwei Batteriezellen an das Kühlelement erhalten bleibt.
Gemäß einem vorteilhaften Aspekt der Erfindung, umfasst das Ausgleichselement ein erstes Material mit dilatantem Verhalten und umfasst weiterhin ein zweites Material.
Das zweite Material kann dabei elastisch und/oder plastisch verformbar ausgebildet sein, um somit zusätzlich zu dem ersten Material mit dilatantem Verhalten alterungsbedingte Volumenverformungen der Batteriezellen während des Betriebes besser ausgleichen zu können. Das zweite Material kann dabei auch einen Flammenschutz umfassen. Des Weiteren kann das zweite Material beispielsweise auch ein Phasenwechselmaterial umfassen, um somit gezielt auch als Kühlelement wirken zu können.
An dieser Stelle sei noch angemerkt, dass die Mehrzahl an Batteriezellen des Batteriemoduls und das zwischen zwei Batteriezellen angeordnete Ausgleichselement mit dem dilatanten Verhalten auch in einem Gehäuse eines Batteriemoduls oder in einem Gehäuse einer Batterie angeordnet sein, wobei bevorzugt die Wandungen des jeweiligen Gehäuse die Spannvorrichtung ausbilden und die Mehrzahl an Batteriezellen miteinander verspannt.
Des Weiteren betrifft die Erfindung auch eine Batterie mit einem Batteriemodul, welches eben beschrieben worden ist.
Dilatante Materialien sind dabei aus dem Stand der Technik bekannt. Beispielsweise können Dispersionen, wie zum Beispiel Suspension, Emulsionen oder Schäume, mit einer hohen Konzentration von Partikeln oder von gelierten Anteilen, welche einen zu geringen Anteil an Lösemittel oder Weichmacher aufweisen, ein Material mit dilatantem Verhalten gemäß der Erfindung ausbilden. Insbesondere können hochkonzentrierte kolloidale oder nicht-kolloidale Suspension ein Material mit dilatantem Verhalten gemäß der Erfindung ausbilden.
Insbesondere kann Quartz in Acrylaten ein Material mit dilatantem Verhalten gemäß der Erfindung ausbilden.
Insbesondere kann auch ein PCV-Plastisol oder keramische Verbindungen ein Material mit dilatantem Verhalten gemäß der Erfindung ausbilden.
Weiterhin ist es möglich, die unter dem Namen „Silly Putty“ bekannte Mischung aus 65% Dimethylsiloxan, 17% Siliciumdioxid, 9% Thixatrol, 4% Polydimethylsiloxan, 1% Decamethylcyclopentasiloxan, 1% Glycerin und 1% Titandioxid als dilatantes Material zu verwenden.
Figurenliste
Ausführungsbeispiele der Erfindung sind in den Zeichnungen dargestellt und in der nachfolgenden Beschreibung näher erläutert.
Es zeigen

1 in einer schematischen Seitenansicht eine erfindungsgemäße Ausführungsform eines Batteriemoduls und
2 ein beispielhaftes, dilatantes Verhalten eines Materials eines Ausgleichelements.

Die 1 zeigt schematisch in einer Seitenansicht eine erfindungsgemäße Ausführungsform eines Batteriemoduls 1.
Das Batteriemodul 1 weist eine Mehrzahl an Batteriezellen 2 auf, welche nebeneinander angeordnet sind. Insbesondere sind die Batteriezellen 2 dabei jeweils als Lithium-Ionen-Batteriezellen ausgebildet. Weiterhin können die Batteriezellen 2 dabei jeweils als Pouchzellen ausgebildet sein. Ferner können die Batteriezellen 2 dabei jeweils einen Festkörperelektrolyten umfassen.
Weiterhin weist das Batteriemodul 1 eine Spannvorrichtung 3 auf, welche die Mehrzahl an Batteriezellen 2 miteinander verspannt.
Gemäß dem in der 1 gezeigten Ausführungsbeispiel umfasst die Spannvorrichtung 3 eine erste Spannplatte 31 und eine zweite Spannplatte 32, wobei die Mehrzahl an Batteriezellen 2 zwischen der ersten Spannplatte 31 und der zweiten Spannplatte 32 angeordnet ist.
Weiterhin umfasst die Spannvorrichtung 3 gemäß dem in der 1 gezeigten Ausführungsbeispiel ein Spannelement 33, welches insbesondere als ein Spannband 34 ausgebildet ist, wobei das Spannelement 33 die erste Spannplatte 31 und die zweite Spannplatte 32 miteinander verbindet.
Dadurch ist es möglich, dass die erste Spannplatte 31 und die zweite Spannplatte 32 aufgrund der Verbindung mittels des Spannelements 33 die Mehrzahl an Batteriezellen 2 miteinander verpresst.
Dabei kann zwischen zwei benachbarten Batteriezellen 2 ein Ausgleichselement 4 angeordnet sein, welches aus einem Material mit dilatanten Verhalten ausgebildet ist, wobei die Eigenschaften eines dilatanten Materials bereits eingangs erläutert worden sind.
Weiterhin ist aus der 1 zu erkennen, dass zwischen zwei benachbarten Batteriezellen 2 auch ein Kühlelement 5 angeordnet sein kann.
Die 2 zeigt schematisch ein dilatantes Verhalten 8 des Materials des Ausgleichelements 4 insbesondere gemäß dem Ausführungsbeispiel von 1.
Dabei ist in der 2 eine Viskosität 6 für das Material des Ausgleichselements 4 über einer auf das Material des Ausgleichelements 4 einwirkenden Schergeschwindigkeit 7 aufgetragen. Dabei ist jeweils für beide Achsen eine logarithmische Darstellung gewählt worden.
Dabei ist aus der 2 zu erkennen, dass das dilatante Verhalten 8 einen ersten Bereich 71 der Schergeschwindigkeit 7 aufweist, in welchem die Viskosität 6 über der Schergeschwindigkeit 7 im Wesentlichen konstant ist. In dem ersten Bereich 71 der Schergeschwindigkeit 7 ist das Material mit dem dilatanten Verhalten 8 mit einem Newtonschen Fluid vergleichbar.
Weiterhin ist aus der 2 zu erkennen, dass das dilatante Verhalten 8 einen zweiten Bereich 72 der Schergeschwindigkeit 7 aufweist, in welchem die Viskosität 6 über der Schergeschwindigkeit 7 exponentiell zunimmt.
An dieser Stelle sei noch angemerkt, dass das beschriebene Ausführungsbeispiel nur zu einem besseren Verständnis dienen soll und die Erfindung nicht einschränkt.
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

WO 2010/040520 A2 [0006]

Claims

Batteriemodul mit einer Mehrzahl an Batteriezellen (2), insbesondere Lithium-Ionen-Batteriezellen, wobei zwischen zumindest zwei Batteriezellen (2) ein Ausgleichselement (4) angeordnet ist, dadurch gekennzeichnet, dass das Ausgleichselement (4) aus einem Material mit dilatantem Verhalten (8) ausgebildet ist.
Batteriemodul nach dem vorherigen Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das Batteriemodul (1) eine Spannvorrichtung (3) umfasst, welche die Mehrzahl an Batteriezellen (2) miteinander verspannt.
Batteriemodul nach einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das dilatante Verhalten (8) des Ausgleichelements (4) einen ersten Bereich (71) einer Schergeschwindigkeit (7) aufweist, in welchem einer Viskosität (6) über einer Schergeschwindigkeit (7) im Wesentlichen konstant ist und dass das dilatante Verhalten (8) des Ausgleichselements (4) einen zweiten Bereich (72) einer Schergeschwindigkeit (7) aufweist, in welchem eine Viskosität (6) über einer Schergeschwindigkeit (7) exponentiell zunimmt.
Batteriemodul nach einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Batteriezellen (2) jeweils als Pouchzellen ausgebildet sind.
Batteriemodul nach einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Batteriezellen (2) jeweils einen Festkörperelektrolyten umfassen.
Batteriemodul nach einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Spannvorrichtung (3) eine erste Spannplatte (31) und eine zweite Spannplatte (32) umfasst und die Mehrzahl an Batteriezellen (2) zwischen der ersten Spannplatte (31) und der zweiten Spannplatte (32) angeordnet ist und dass ein Spannelement (33), insbesondere ein Spannband (34), die erste Spannplatte (31) und die zweite Spannplatte (32) miteinander verbindet.
Batteriemodul nach einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass weiterhin zwischen zwei Batteriezellen (2) ein Kühlelement (5) angeordnet ist.
Batteriemodul nach einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Ausgleichselement (4) ein erstes Material mit dilatantem Verhalten (8) umfasst und ein zweites Material umfasst, welches elastisch und/oder plastisch ausgebildet ist, welches einen Flammschutz umfasst und/oder welches ein Phasenwechselmaterial umfasst.
Batterie mit einem Batteriemodul nach einem der vorherigen Ansprüche 1 bis 8.