DE102017213281A1 - Batteriemodul und Verwendung eines solchen Batteriemoduls - Google Patents

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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 Polymer-Aktuator (6) umfasst, welcher eine Wandlungstemperatur oberhalb einer Temperatur von 50° 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 gesteigerte 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 und 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 deren 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.
  • Überschreiten die Batteriezellen hingegen eine vorgegebene sicherheitskritische Temperatur kann dies zu einem als „thermal runaway“ bezeichneten Durchgehen der Batteriezelle und zu einer möglicherweise damit verbundenen Ausbreitung auch als „Propagation“ bezeichnet führen, was zu erheblichen Sicherheitsrisiken führt.
  • Offenbarung der Erfindung
  • Ein Batteriemodul mit den Merkmalen des unabhängigen Anspruchs bietet den Vorteil, dass auf zuverlässige Weise ein Propagationsschutz während des thermischen Durchgehens einer Batteriezelle zur Verfügung gestellt 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 Polymer-Aktuator.
    Der zumindest eine Polymer-Aktuator weist dabei eine Wandlungstemperatur oberhalb einer Temperatur von 50 °C auf.
    Bevorzugt weist der zumindest eine Polymer-Aktuator dabei eine Wandlungstemperatur oberhalb einer Temperatur von 65 °C auf.
    Insbesondere weist der zumindest eine Polymer-Aktuator dabei eine Wandlungstemperatur oberhalb einer Temperatur von 80 °C auf.
  • Durch die in den abhängigen Ansprüchen aufgeführten Maßnahmen sind vorteilhafte Weiterbildungen und Verbesserungen der im unabhängigen Anspruch angegebenen Vorrichtung möglich.
  • Insbesondere bei Batteriezellen, welche eine Temperatur von über 80 °C aufweisen, spricht man von einem thermischen Durchgehen der jeweiligen Batteriezelle. Dabei kann es beispielsweise durch interne Kurzschlüsse zu einem raschen Anstieg der Zelltemperatur kommen, wodurch weitere exotherme Reaktionen beschleunigt werden können und wodurch schließlich sogar die jeweilige Batteriezelle explodieren kann.
  • Daher soll unter einem Propagationsschutz an dieser Stelle zum einen ein Verhindern des weiteren Erwärmens einer eine bestimmte, sicherheitskritische Temperatur überschreitende Batteriezelle verstanden sein.
    Somit kann diese Batteriezelle wieder in einen unkritischen Zustand überführt werden und ein Durchgehen dieser Batteriezelle verhindert werden.
  • Die direkte oder indirekte Erwärmung einer Batteriezelle durch eine einen sicherheitskritischen Zustand aufweisende Batteriezelle wird als thermische Propagation bezeichnet und ist ebenfalls mit einem hohen sicherheitsrelevanten Risiko behaftet.
    Daher soll unter einem Propagationsschutz an dieser Stelle zum anderen das Verhindern eines Erwärmens einer Batteriezelle, welche benachbart zu einer Batteriezelle angeordnet ist, die eine bestimmte, sicherheitskritische überschritten Temperatur hat, verstanden sein.
  • Mit einer erfindungsgemäßen Ausführungsform des Batteriemoduls ist es dabei möglich, im Falle eines thermischen Durchgehens der zumindest einen Batteriezelle den insbesondere für die Kühlung der zumindest einen Batteriezelle genutzten und auch optimierten Wärmeleitpfad zwischen der zumindest eine Batteriezelle und der Kühlplatte durch die thermische Ausgleichsschicht hindurch zu unterbrechen, wodurch somit eine weitere Wärmeleitung über die Kühlplatte verhindert werden kann.
    Somit ist es insgesamt möglich, eine thermische Ausgleichsschicht mit einem integrierten Propagationsschutzelement zur Verfügung zu stellen.
  • An dieser Stelle sei angemerkt, dass unter einem Polymer-Aktuator ein 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 Polymer-Aktuators oder auch eine Verformung, wie beispielsweise eine Verbiegung, des Materials des Polymer-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 Polymer-Aktuator kann dabei beispielsweise aus copolymeren Netzwerken von Oligo(e-caprolatonen) und n-Butyl Acrylaten ausgebildet sein.
  • 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 oder als pastöser bzw. hochviskoser Werkstoff ausgebildet sein.
  • Es ist zweckmäßig, wenn das Grundmaterial der thermischen Ausgleichsschicht elastisch und/oder plastisch verformbar ist.
    Insbesondere kann das Grundmaterial reversibel verformbar sein.
    Dadurch ist es möglich, während des Betriebes des Batteriemoduls Ungleichmäßigkeiten in der Anordnung der zumindest einen Batteriezelle relativ zu der Kühlplatte zu kompensieren.
  • Gemäß einem vorteilhaften Aspekt der Erfindung ist der Polymer-Aktuator innerhalb des Grundmaterials der thermischen Ausgleichsschicht angeordnet. Dies hat den Vorteil, dass bei einem Überschreiten der Wandlungstemperatur des zumindest einen Polyer-Aktuators, welche bevorzugt unterhalb des sicherheitskritischen Temperatur der zumindest einen Batteriezelle liegt, der zumindest eine Polyer-Aktuator seine Form ändert und bevorzugt auch expandiert, wodurch ein Abstand zwischen der zumindest einen Batteriezelle und der Kühlplatte vergrößert werden kann.
  • Dadurch kann zwischen der zumindest einen Batteriezelle und der Kühlplatte bevorzugt auch ein mit Luft gefüllter Spalt ausgebildet werden, wodurch die Wärmeleitfähigkeit zwischen der zumindest an Batteriezelle und der Kühlplatte im Vergleich zu dem Grundmaterial vergleichbar stark abnimmt.
    Insbesondere da Luft mit 0,026 Watt pro Meter und Kelvin eine vergleichbar geringere Wärmeleitfähigkeit aufweist, kann eine lokale thermische Dämmschicht mit einem hohen thermischen Widerstand ausgebildet werden.
  • Von Vorteil ist es, wenn der zumindest eine Polymer-Aktuator zwischen der zumindest einen Batteriezelle und dem Grundmaterial angeordnet ist und/oder wenn der zumindest eine Polymer-Aktuator zwischen der Kühlplatte und dem Grundmaterial angeordnet ist.
    Dies hat den Vorteil, dass bei einem Überschreiten der Wandlungstemperatur des zumindest einen Polymer-Aktuators, welche bevorzugt unterhalb der sicherheitskritischen Temperatur der zumindest einen Batteriezelle liegt, der zumindest eine Polymer-Aktuator seine Form ändert und bevorzugt auch expandiert, wodurch ein Abstand zwischen der zumindest einen Batteriezelle und der Kühlplatte vergrößert werden kann.
    Dadurch kann zwischen der zumindest einen Batteriezelle und der Kühlplatte bevorzugt auch ein mit Luft gefüllter Spalt ausgebildet werden, wodurch die Wärmeleitfähigkeit zwischen der zumindest einen Batteriezelle und der Kühlplatte im Vergleich zu dem Grundmaterial vergleichbar stark abnimmt. Insbesondere da Luft mit 0,026 Watt pro Meter und Kelvin eine geringere Wärmeleitfähigkeit aufweist, kann eine lokale thermische Dämmschicht mit einem hohen thermischen Widerstand ausgebildet werden.
  • Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform umfasst die thermische Ausgleichsschicht eine Mehrzahl an Polymer-Aktuatoren.
    Dadurch ist es möglich, einen zuverlässigeren Propagationsschutz zur Verfügung zu stellen.
  • Gemäß einem zweckmäßigen Aspekt der Erfindung ist der zumindest eine Polymer-Aktuator in der Art ausgebildet, dass der zumindest eine Polymer-Aktuator oberhalb der Wandlungstemperatur eine erste Form aufweist und unterhalb der Wandlungstemperatur eine zweite Form aufweist.
  • Dabei unterscheiden sich insbesondere die erste Form und die zweite Form. Insbesondere weist die erste Form dabei ein Volumen auf, welches doppelt so groß ist, wie das Volumen der ersten Form.
    Dadurch ist es möglich, bei einem Überschreiten der sicherheitskritischen Temperatur der zumindest einen Batteriezelle zuverlässig einen Propagationsschutz zur Verfügung zu stellen.
  • An dieser Stelle sei insgesamt noch bemerkt, dass mit einem erfindungsgemäßen Batteriemodul sowohl eine ausreichende Wärmeleitfähigkeit zwischen der zumindest einen Batteriezelle und der Kühlplatte zur Verfügung gestellt werden kann als auch ein zuverlässiger Propagationsschutz.
    Weiterhin sei bemerkt, dass nach dem thermischen Durchgehen der zumindest einen Batteriezelle und der Wandlung des zumindest einen Polymer-Aktuator bei einer erneuten Unterschreitung der Wandlungstemperatur der zumindest eine Polymer-Aktuator wieder in seine ursprüngliche Form zurückkehren kann und der Prozess somit reversibel ausgebildet ist.
  • Weiterhin betrifft die Erfindung auch die Verwendung eines erfindungsgemäßen Batteriemoduls für die Verhinderung der Übertragung von Wärme von der zumindest einen Batteriezelle auf die Kühlplatte, insbesondere bei Überschreitung einer sicherheitskritischen Temperatur.
  • 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 einem Polymer-Aktuator und
    • 2 schematisch eine weitere Ausführungsform eines erfindungsgemäßen Batteriemoduls mit einem Polymer-Aktuator.
  • 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 aus einem Silikon oder einem Epoxid ausgebildet sein und kann zusätzlich noch thermische leitfähige Füllstoffe 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 Polymer-Aktuator 6. Der Polymer-Aktuator 6 weist dabei eine Wandlungstemperatur oberhalb einer Temperatur von 50 °C auf.
    Bevorzugt weist der Polymer-Aktuator 6 dabei eine Wandlungstemperatur oberhalb einer Temperatur von 65° auf.
    Insbesondere weist Polymer-Aktuator 6 dabei eine Wandlungstemperatur oberhalb einer Temperatur von 80 °C auf.
    Insbesondere kann die thermische Ausgleichsschicht 4 dabei eine Mehrzahl an Polymer-Aktuatoren 6 umfassen.
  • Der Polymer-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 Polymer-Aktuators 6, bei welchem dieser eine erste Form 61 ausbildet und die linke Darstellung der 1 zeigt einen Zustand des Polymer-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 das Volumen der ersten Form 61 zumindest doppelt so groß ist wie das Volumen der zweiten 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 Polymer-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 Polymer-Aktuator 6 zwischen der zumindest einen Batteriezelle 2 und dem Grundmaterial 5 der thermischen Ausgleichsschicht 4 angeordnet ist.
  • Die 2 zeigt eine weitere Ausführungsform eines erfindungsgemäßen Batteriemoduls 1.
  • Dabei unterscheidet sich das in der 2 gezeigte Batteriemodul 1 einzig dadurch, dass der zumindest eine Polymer-Aktuator 6 innerhalb des Grundmaterials 5 der thermischen Ausgleichsschicht 4 angeordnet ist.
  • Weiterhin ist aus den 1 und 2 zu erkennen, dass bei einer Überschreitung der Wandlungstemperatur des zumindest einen Polymer-Aktuator 6 und der Anordnung des zumindest einen Polymer-Aktuator 6 in der zweiten Form 62 ein Luftspalt 8 ausgebildet werden kann.
  • Dabei kann der Luftspalt 8 eine thermische Dämmschicht zwischen der zumindest einen Batteriezelle 2 und der Kühlplatte 3 ausbilden.

Claims (8)

  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 Polymer-Aktuator (6) umfasst, welcher eine Wandlungstemperatur oberhalb einer Temperatur von 50° C aufweist, bevorzugt eine Wandlungstemperatur oberhalb einer Temperatur von 65° C aufweist und insbesondere eine Wandlungstemperatur oberhalb einer Temperatur von 80° 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 Polymer-Aktuator (6) innerhalb des Grundmaterials (5) angeordnet sind.
  5. Batteriemodul nach einem der vorhergehenden Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass der zumindest eine Polymer-Aktuator (6) zwischen der zumindest eine Batteriezelle (2) und dem Grundmaterial (5) angeordnet sind und/oder dass der zumindest eine Polymer-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 Polymer-Aktuatoren (6) umfasst.
  7. Batteriemodul nach einem der vorhergehenden Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass der zumindest eine Polymer-Aktuator (6) in der Art ausgebildet ist, dass der zumindest eine Polymer-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. Verwendung eines Batteriemoduls nach einem der Ansprüche 1 bis 7 in der Art, dass eine Übertragung von Wärme von der zumindest einen Batteriezelle (2) auf die Kühlplatte (3) verhindert wird.
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