DE102017213257A1 - Batteriemodul und Verwendung eines solchen Batteriemoduls - Google Patents

Batteriemodul und Verwendung eines solchen Batteriemoduls Download PDF

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Abstract

Die Erfindung betrifft ein Batteriemodul umfassend zumindest eine Batteriezelle (2), insbesondere eine Lithium-Ionen-Batteriezelle, und eine wärmeleitend mit der zumindest einen Batteriezelle (2) verbundene Kühlplatte (3), wobei zwischen der zumindest einen Batteriezelle (2) und der Kühlplatte (3) weiterhin eine zu einer Erhöhung der Wärmeleitfähigkeit zwischen der zumindest einen Batteriezelle (2) und der Kühlplatte (3) ausgebildete thermische Ausgleichsschicht (4) angeordnet ist, wobei
die thermische Ausgleichsschicht (4) aus einem Grundmaterial (5) ausgebildet ist und weiterhin zumindest einen Bimetall-Aktuator (6) umfasst, welcher eine Wandlungstemperatur oberhalb einer Temperatur von 20° C aufweist.

Description

  • Stand der Technik
  • Die Erfindung geht aus von einem Batteriemodul nach Gattung des unabhängigen Anspruchs.
    Ferner betrifft die Erfindung auch die Verwendung eines solchen Batteriemoduls.
  • Aus dem Stand der Technik ist bekannt, dass Batteriemodule aus einer Mehrzahl an einzelnen Batteriezellen bestehen können, welche seriell und/oder parallel elektrisch leitend miteinander verschaltet sein können.
  • Insbesondere bei elektrisch betriebenen Fahrzeugen (EV), hybriden elektrischen Fahrzeugen (HEV) oder plug-in-hybriden elektrischen Fahrzeugen (PHEV) werden energiereiche und leistungsstarke Lithium-Ionen-Batteriezellen oder Lithium-Polymer-Batteriezellen umfassende Batteriemodule, welche bevorzugt um die hundert Batteriezellen aufweisen, eingesetzt, um gestiegene Erwartungen an die Fahrleistung erfüllen zu können.
    Aufgrund von chemischen Umwandlungsprozessen erwärmen sich die Lithium-Ionen-Batteriezellen oder Lithium-Polymer-Batteriezellen insbesondere bei der Abgabe oder Aufnahme elektrischer Energie, so dass zum Betrieb von solch leistungsfähigen Batteriezellen in einem bevorzugten Temperaturbereich weiterhin bekannt ist, dass Batteriemodule ein Temperiersystem umfassen können, welches insbesondere dafür sorgen soll, dass die Batteriezellen eine vorgegebene Temperatur nicht überschreiten.
  • Dabei gilt es zu beachten, dass der bevorzugte Temperaturbereich von Lithium-Ionen-Batteriezellen ungefähr zwischen 5 °C und 35 °C liegt. Weiterhin nimmt die Lebensdauer ab einer Betriebstemperatur von ungefähr 40 °C stetig ab, wodurch zu einer Erfüllung der Anforderungen an eine ausreichende Lebensdauer mittels des Temperiersystems die Batteriezellen in einem thermisch unkritischen Zustand unterhalb von 40 °C gehalten werden sollen.
    Zudem sollte der Temperaturunterschied zwischen den unterschiedlichen Batteriezellen 5 Kelvin auch nicht übersteigen.
  • Dazu sind aus dem Stand der Technik beispielsweise durch Kühlplatten strömende Flüssigkeiten, wie beispielsweise Wasser/Glykol-Gemische, nutzende Temperiersysteme bekannt.
  • Weiterhin ist es aus dem Stand der Technik bekannt, zwischen solchen Kühlplatten und den Batteriezellen des Batteriemoduls eine thermische Ausgleichsschicht, welche auf Englisch als „Thermal Interface Material“ (TIM) bezeichnet ist, anzuordnen.
  • Offenbarung der Erfindung
  • Ein Batteriemodul mit den Merkmalen des unabhängigen Anspruchs bietet den Vorteil, dass auf zuverlässige Weise eine Wärmeleitung zwischen der zumindest einen Batteriezelle und der Kühlplatte ausgebildet werden kann.
  • Dazu wird ein Batteriemodul zur Verfügung gestellt, welches zumindest eine Batteriezelle und eine Kühlplatte umfasst.
    Die Batteriezelle ist dabei insbesondere eine Lithium-Ionen-Batteriezelle. Weiterhin ist die Kühlplatte wärmeleitend mit der zumindest einen Batteriezelle verbunden.
    Dabei ist zwischen der zumindest einen Batteriezelle und der Kühlplatte weiterhin eine thermische Ausgleichsschicht angeordnet, welche zu einer Erhöhung der Wärmeleitfähigkeit zwischen der zumindest einen Batteriezelle und der Kühlplatte ausgebildet ist.
    Dabei ist die thermische Ausgleichsschicht aus einem Grundmaterial ausgebildet und umfasst weiterhin zumindest einen Bimetall-Aktuator.
    Der zumindest eine Bimetall-Aktuator weist dabei eine Wandlungstemperatur oberhalb einer Temperatur von 20°C auf.
    Bevorzugt weist der zumindest eine Bimetall-Aktuator dabei eine Wandlungstemperatur oberhalb einer Temperatur von 30°C auf.
    Insbesondere weist der zumindest eine Bimetall-Aktuator dabei eine Wandlungstemperatur oberhalb einer Temperatur von 40°C auf.
  • Durch die in den abhängigen Ansprüchen aufgeführten Maßnahmen sind vorteilhafte Weiterbildungen und Verbesserungen der im unabhängigen Anspruch angegebenen Vorrichtung möglich.
  • An dieser Stelle sei angemerkt, dass unter einem Bimetall-Aktuator ein metallisches Element verstanden sein soll, welches bei einer Veränderung der Umgebungstemperatur immer wieder zwischen verschiedenen Formen hin- und herwechseln kann.
    Ein solcher Wechsel erfolgt dabei bei einem Überschreiten bzw. einem Unterschreiten der sogenannten Wandlungstemperatur.
  • Die verschiedenen Formen beschreiben dabei insbesondere eine Ausdehnung bzw. ein Zusammenziehen des Materials des Bimetall-Aktuators oder auch eine Verformung, wie beispielsweise eine Verbiegung, des Materials des Bimetall-Aktuators.
    Insbesondere können dabei die Temperatur als auch die Richtung des Hin- und Herwechseln definiert und gewünscht eingestellt werden.
    Insbesondere ist ein solches Hin- und Herwechseln zwischen verschiedenen Formen als reversibler Vorgang ausgebildet.
    Ein Bimetall-Aktuator kann dabei beispielsweise als aus zwei stoff- und/oder formschlüssig miteinander verbundenen unterschiedlichen metallischen Werkstoffen, wie zum Beispiel Zink und Stahl oder Stahl und Messing ausgebildet sein, wobei die zwei metallischen Werkstoffe einen unterschiedlichen Wärmeausdehnungskoeffizienten aufweisen.
  • Dadurch ist es mit einem erfindungsgemäßen Batteriemodul vorteilhaft möglich, toleranzbedingte Oberflächenunebenheiten der zumindest einen Batteriezelle sowie während des elektrischen Betriebs des Batteriemoduls auftretende Oberflächenveränderungen aufgrund von Schwell- und Schrumpfvorgängen der zumindest einen Batteriezelle zu kompensieren, so dass die Wärmeleitung zwischen der zumindest einen Batteriezelle und der Kühlplatte über die thermische Ausgleichsschicht hindurch erhalten bleibt.
    Dabei kann durch eine Formveränderung des Bimetall-Aktuators die thermische Ausgleichsschicht an die Oberflächenunebenheiten der zumindest einen Batteriezelle und die Oberflächenveränderungen der zumindest einen Batteriezelle angeglichen werden.
  • Es ist vorteilhaft, wenn das Grundmaterial der thermischen Ausgleichsschicht aus einem elektrisch isolierenden Material ausgebildet ist.
    Dadurch ist es möglich, zwischen der zumindest einen Batteriezelle und der Kühlplatte eine definierte elektrische Isolation auszubilden.
    Des Weiteren kann das Grundmaterial der thermischen Ausgleichsschicht in der Art ausgewählt sein, dass zusätzlich auch eine ausreichende Wärmeleitfähigkeit zwischen der zumindest einen Batteriezelle und der Kühlplatte ausgebildet werden kann.
  • Insbesondere kann das Grundmaterial der thermischen Ausgleichsschicht beispielsweise aus einem polymeren Werkstoff ausgebildet sein oder als pastöser bzw. hochviskoser Werkstoff ausgebildet sein.
  • An dieser Stelle sei noch einmal angemerkt, dass die thermische Ausgleichsschicht zu einer Erhöhung der Wärmeleitfähigkeit zwischen der zumindest einen Batteriezelle und der Kühlplatte ausgebildet ist, so dass das Grundmaterial eine erhöhte Wärmeleitfähigkeit aufweisen kann.
  • Es ist zweckmäßig, wenn das Grundmaterial der thermischen Ausgleichsschicht elastisch und/oder plastisch verformbar ist.
    Insbesondere kann das Grundmaterial dabei reversibel verformbar sein. Dadurch ist es möglich, während des Betriebes eines Batteriemoduls Ungleichmäßigkeiten in der Anordnung der zumindest einen Batteriezelle relativ zu der Kühlplatte zu kompensieren.
  • Gemäß einem vorteilhaften Aspekt der Erfindung ist der zumindest eine Bimetall-Aktuator innerhalb des Grundmaterials der thermischen Ausgleichsschicht angeordnet.
    Dies hat den Vorteil, dass bei einem Überschreiten der Wandlungstemperatur des zumindest einen Bimetall-Aktuators, der zumindest eine Bimetall-Aktuator seine Form ändert und bevorzugt auch expandiert, wodurch ein Abstand zwischen der zumindest einen Batteriezelle und der Kühlplatte verringert werden kann.
    Dadurch können bevorzugt zwischen der zumindest einen Batteriezelle und der Kühlplatte ausgebildete Luftspalte vermieden werden.
    Insbesondere da Luft mit 0,026 Watt pro Meter und Kelvin eine vergleichbar geringere Wärmeleitfähigkeit aufweist, kann somit eine lokale thermische Dämmschicht mit einem hohen thermischen Widerstand vermieden werden.
  • Von Vorteil ist es, wenn der zumindest eine Bimetall-Aktuator zwischen der zumindest einen Batteriezelle und dem Grundmaterial angeordnet ist und/oder wenn der zumindest eine Bimetall-Aktuator zwischen der Kühlplatte und dem Grundmaterial angeordnet ist.
  • Dies hat den Vorteil, dass bei einem Überschreiten der Wandlungstemperatur des zumindest einen Bimetall-Aktuators, der zumindest eine Bimetall-Aktuator seine Form ändert und bevorzugt auch expandiert, wodurch ein Abstand zwischen der zumindest einen Batteriezelle und der Kühlplatte verringert werden kann.
    Dadurch können bevorzugt zwischen der zumindest einen Batteriezelle und der Kühlplatte ausgebildete Luftspalt vermieden werden.
    Insbesondere da Luft mit 0,026 Watt pro Meter und Kelvin eine geringere Wärmeleitfähigkeit aufweist, kann somit eine lokale thermische Dämmschicht mit einem hohen thermischen Widerstand vermieden werden.
  • Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform umfasst die thermische Ausgleichsschicht eine Mehrzahl an Bimetall-Aktuatoren.
    Dadurch ist es möglich, eine zuverlässige Wärmeleitung zur Verfügung zu stellen.
  • Gemäß einem zweckmäßigen Aspekt der Erfindung ist der zumindest eine Bimetall-Aktuator in der Art ausgebildet, dass der zumindest eine Bimetall-Aktuator oberhalb der Wandlungstemperatur eine erste Form aufweist und unterhalb der Wandlungstemperatur eine zweite Form aufweist.
    Dabei weisen die erste Form und die zweite Form jeweils eine unterschiedliche Form auf.
    Dadurch ist es möglich, eine zuverlässige Wärmeleitung zwischen der zumindest einen Batteriezelle und der Kühlplatte zur Verfügung zu stellen.
  • Vorteilhafterweiße umfasst die thermische Ausgleichsschicht weiterhin zumindest ein Phasenwechselmaterial, wodurch die Wärmeabfuhr von der zumindest einen Batteriezelle weiter erhöht werden kann.
  • Weiterhin betrifft die Erfindung auch die Verwendung eines erfindungsgemäßen Batteriemoduls für die Erhöhung der Wärmeleitfähigkeit zwischen der zumindest einen Batteriezelle und der Kühlplatte während des Betriebs des Batteriemoduls.
  • Ein erfindungsgemäßes Batteriemodul kann sowohl für Batterien in Elektrofahrzeugen, Hybridfahrzeug und Plug-in-Hybrid Fahrzeugen wie auch in mobilen Unterhaltungs- und Kommunikationsgeräten als auch in stationären Speichern und Speichern für medizinische Zwecke, wie zum Beispiel intrakorporale Batterien, eingesetzt werden.
  • Figurenliste
  • Ausführungsbeispiele der Erfindung sind in den Zeichnungen dargestellt und in der nachfolgenden Beschreibung näher erläutert.
  • Es zeigt
    • 1 schematisch eine Ausführungsform eines erfindungsgemäßen Batteriemoduls mit zumindest einem Bimetall-Aktuator und
    • 2 schematisch eine Ausführungsform eines Bimetall-Aktuators.
  • Die 1 zeigt schematisch eine Ausführungsform eines Batteriemoduls 1.
  • Das Batteriemodul 1 umfasst dabei zumindest eine Batteriezelle 2, welche insbesondere eine Lithium-Ionen-Batteriezelle ist.
  • Weiterhin umfasst das Batteriemodul 1 eine Kühlplatte 3.
    Dabei ist die Kühlplatte 3 wärmeleitend mit der zumindest einen Batteriezelle 2 verbunden.
  • Zu einer Erhöhung der Wärmeleitfähigkeit zwischen der zumindest einen Batteriezelle 2 und der Kühlplatte 3 ist dabei zwischen der zumindest einen Batteriezelle 2 und der Kühlplatte 3 eine thermische Ausgleichsschicht 4 angeordnet.
  • Die thermische Ausgleichsschicht 4 ist dabei aus einem Grundmaterial 5 ausgebildet. Das Grundmaterial 5 der thermischen Ausgleichsschicht 4 ist dabei bevorzugt aus einem elektrisch isolierenden Material 7 ausgebildet. Beispielsweise kann das Grundmaterial 5 aus einem Silikon oder einem Epoxid ausgebildet sein und kann zusätzlich noch thermische leitfähige Füllstoffe zu einer Erhöhung der Wärmeleitfähigkeit umfassen.
    Weiterhin kann das Grundmaterial auch aus einem polymeren und/oder einem pastösen bzw. hochviskosen Material ausgebildet sein.
  • Weiterhin ist das Grundmaterial 5 der thermischen Ausgleichsschicht 4 bevorzugt elastisch und/oder plastisch verformbar ausgebildet.
  • Weiterhin umfasst die thermische Ausgleichsschicht 4 einen Bimetall-Aktuator 6. Der Bimetall-Aktuator 6 weist dabei eine Wandlungstemperatur oberhalb einer Temperatur von 20 °C auf.
    Bevorzugt weist der Bimetall-Aktuator 6 dabei eine Wandlungstemperatur oberhalb einer Temperatur von 30° auf.
    Insbesondere weist Bimetall-Aktuator 6 dabei eine Wandlungstemperatur oberhalb einer Temperatur von 40 °C auf.
    Insbesondere kann die thermische Ausgleichsschicht 4 dabei eine Mehrzahl an Bimetall-Aktuatoren 6 umfassen.
  • Der Bimetall-Aktuator 6 ist dabei derart ausgebildet, dass dieser oberhalb der Wandlungstemperatur eine erste Form 61 aufweist und unterhalb der Wandlungstemperatur eine zweite Form 62 aufweist.
    Dabei zeigt die rechte Darstellung der 1 einen Zustand des Bimetall-Aktuators 6, bei welchem dieser eine erste Form 61 ausbildet und die linke Darstellung der 1 zeigt einen Zustand des Bimetall-Aktuators 6, bei welchem dieser eine zweite Form 62 ausbildet.
  • Insbesondere ist aus dem Vergleich der rechten Darstellung der 1 mit der linken Darstellung der 1 zu erkennen, dass die erste Form 61 ein größeres Volumen ausbildet als die zweite Form 62.
  • Insbesondere zeigt somit die linke Darstellung einen Zustand, bei welchem die Temperatur unterhalb der Wandlungstemperatur liegt und die rechte Darstellung einen Zustand, bei welchem die Temperatur oberhalb der Wandlungstemperatur liegt.
  • Dabei zeigt die 1 eine Ausführungsform des Batteriemoduls 1, bei welcher der zumindest eine Bimetall-Aktuator 6 innerhalb des Grundmaterials 5 der thermischen Ausgleichsschicht 4 angeordnet ist.
  • Selbstverständlich ist es dabei auch möglich, dass der zumindest eine Bimetall-Aktuator 6 zwischen der Kühlplatte 3 und dem Grundmaterial 5 der thermischen Ausgleichsschicht 4 angeordnet ist.
  • Selbstverständlich ist es dabei auch möglich, dass der zumindest eine Bimetall-Aktuator 6 zwischen der zumindest einen Batteriezelle 2 und dem Grundmaterial 5 der thermischen Ausgleichsschicht 4 angeordnet ist.
  • Dabei ist aus der linken Darstellung der 1 zu erkennen, dass zwischen der thermischen Ausgleichsschicht 4 und der zumindest einen Batteriezelle 2 ein Luftspalt 8 ausgebildet sein kann.
  • Bei einem Überschreiten der Wandlungstemperatur des zumindest einen Bimetall-Aktuators 6 verändert dieser seine Form und dehnt sich insbesondere aus, wodurch insgesamt die thermische Ausgleichsschicht 4 an die zumindest eine Batteriezelle 2 angepasst werden kann und der Luftspalt 8 mit dem Material der thermischen Ausgleichsschicht 4 gefüllt werden kann, wodurch die Wärmeleitfähigkeit erhöht werden kann.
  • Die 2 zeigt eine Ausführungsform eines Bimetall-Aktuators 6.
  • Dabei sind in der linken Darstellung der 2 Bimetall-Aktuatoren 6 mit einer zweiten Form 62 gezeigt und in der rechten Darstellungen der 2 Bimetall-Aktuatoren mit einer ersten Form 61.
  • An dieser Stelle sei angemerkt, dass bei der linken Darstellung die Temperatur unterhalb der jeweiligen Wandlungstemperatur liegt und das bei der rechten Darstellung die Temperatur oberhalb der jeweiligen Wandlungstemperatur liegt.
  • Dabei ist aus der 2 deutlich zu erkennen, dass insbesondere die Form der ersten Form 61 sich von der Form der zweiten Form 62 unterscheidet und insbesondere auch ein größeres Volumen ausbildet.
  • Dabei ist aus der 2 deutlich zu erkennen, dass neben einer bloßen Volumenvergrößerung auch einer Veränderung der Form möglich ist.
  • Insbesondere sind die Bimetall-Aktuatoren gemäß 2 aus zwei stoff- und/oder formschlüssig miteinander verbundenen metallischen Werkstoffen ausgebildet, wobei die metallischen Werkstoffe einen unterschiedlichen Wärmeausdehnungskoeffizienten aufweisen.
  • Insbesondere weist der Bimetall-Aktuator gemäß 2 einen ersten metallischen Werkstoff 71 und einen zweiten metallischen Werkstoff 72 auf, welche stoffschlüssig miteinander verbunden sind.
    Dabei weisen der erste metallische Werkstoff 71 und der zweite metallische Werkstoff 72 einen unterschiedlichen Wärmeausdehnungskoeffizienten auf.

Claims (9)

  1. Batteriemodul umfassend zumindest eine Batteriezelle (2), insbesondere eine Lithium-Ionen-Batteriezelle, und eine wärmeleitend mit der zumindest einen Batteriezelle (2) verbundene Kühlplatte (3), wobei zwischen der zumindest einen Batteriezelle (2) und der Kühlplatte (3) weiterhin eine zu einer Erhöhung der Wärmeleitfähigkeit zwischen der zumindest einen Batteriezelle (2) und der Kühlplatte (3) ausgebildete thermische Ausgleichsschicht (4) angeordnet ist, dadurch gekennzeichnet, dass die thermische Ausgleichsschicht (4) aus einem Grundmaterial (5) ausgebildet ist und weiterhin zumindest einen Bimetall-Aktuator (6) umfasst, welcher eine Wandlungstemperatur oberhalb einer Temperatur von 20° C aufweist, bevorzugt eine Wandlungstemperatur oberhalb einer Temperatur von 30° C aufweist und insbesondere eine Wandlungstemperatur oberhalb einer Temperatur von 40° C.
  2. Batteriemodul nach dem vorhergehenden Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das Grundmaterial (5) der thermischen Ausgleichsschicht (4) aus einem elektrisch isolierenden Material (7) ausgebildet ist.
  3. Batteriemodul nach einem der vorhergehenden Ansprüche 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass das Grundmaterial (5) der thermischen Ausgleichsschicht (4) elastisch und/oder plastisch verformbar ist.
  4. Batteriemodul nach einem der vorhergehenden Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass der zumindest eine Bimetall-Aktuator (6) innerhalb des Grundmaterials (5) angeordnet sind.
  5. Batteriemodul nach einem der vorhergehenden Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass der zumindest eine Bimetall-Aktuator (6) zwischen der zumindest eine Batteriezelle (2) und dem Grundmaterial (5) angeordnet sind und/oder dass der zumindest eine Bimetall-Aktuator (6) zwischen der Kühlplatte (3) und dem Grundmaterial (5) angeordnet sind.
  6. Batteriemodul nach einem der vorhergehenden Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass die thermische Ausgleichsschicht (4) eine Mehrzahl an Bimetall-Aktuatoren (6) umfasst.
  7. Batteriemodul nach einem der vorhergehenden Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass der zumindest eine Bimetall-Aktuator (6) in der Art ausgebildet ist, dass der zumindest eine Bimetall-Aktuator (6) oberhalb der Wandlungstemperatur eine erste Form (61) aufweist und unterhalb der Wandlungstemperatur eine zweite Form (62) aufweist, wobei insbesondere sich die erste Form (61) und die zweite Form (62) unterscheiden.
  8. Batteriemodul nach einem der vorhergehenden Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass die thermische Ausgleichsschicht (4) weiterhin zumindest Phasenwechselmaterial umfasst.
  9. Verwendung eines Batteriemoduls nach einem der Ansprüche 1 bis 8 in der Art, dass die Wärmeleitfähigkeit zwischen der zumindest einen Batteriezelle (2) und der Kühlplatte (3) während des Betriebes Batteriemoduls (1) erhöht wird.
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