DE102018000421A1

DE102018000421A1 - Mehrschichtiges Wärmedämmelement für Batterien

Info

Publication number: DE102018000421A1
Application number: DE102018000421.0A
Authority: DE
Inventors: Ulrich Stude; Carsten Stöckmann
Original assignee: HKO Isolier und Textiltechnik GmbH
Current assignee: HKO Isolier und Textiltechnik GmbH
Priority date: 2017-12-21
Filing date: 2018-01-19
Publication date: 2019-06-27
Also published as: JP7373488B2; EP3729536A1; JP7557019B2; JP2023156325A; KR20200100639A; US12095066B2; JP2021507483A; US20230198051A1; CN111512464A; WO2019121641A1; US20210074960A1; US11664546B2

Abstract

Es wird ein mehrschichtiges Wärmedämmelement zur thermischen Isolierung einer Batterie vorgeschlagen, mit einer ersten Deckschicht, mit einer zweiten Deckschicht und mit einer zwischen den Deckschichten angeordneten kompressiblen und/oder biegsamen Zwischenlage, die wenigstens eine hitzebeständige Faserschicht aufweist, wobei die Faserschicht aus einem vernadelten Faservlies gebildet ist und/oder wobei die Deckschichten biegeschwach sind und das Wärmedämmelement insgesamt kompressibel und flexibel biegsam ist.

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft ein mehrschichtiges Wärmedämmelement zur thermischen Isolierung einer Batterie gemäß dem Oberbegriff des Anspruchs 1, eine Batterie mit einem mehrschichtigen Wärmedämmelement gemäß dem Oberbegriff des Anspruchs 23 sowie eine Verwendung eines mehrschichtigen Wärmedämmelements gemäß dem Oberbegriff des Anspruchs 30.
Unter dem Begriff „Wärmedämmelement“ ist bei der vorliegenden Erfindung vorzugsweise ein flächiges Bauteil aus einem Schichtaufbau, insbesondere einem Schichtpaket, zu verstehen, das zur thermischen Isolierung einer Batterie ausgebildet ist bzw. eingesetzt wird. Insbesondere ist das Wärmedämmelement dazu ausgebildet, bei einer unkontrollierten bzw. überhöhten Wärmeentwicklung in der Batterie die Abgabe von Wärme an die Umgebung, insbesondere einen Fahrzeuginnenraum, zu reduzieren bzw. zu verzögern und/oder die Ausbreitung von Wärme in der Batterie einzudämmen bzw. zu reduzieren oder zu verzögern.
Unter dem Begriff „Batterie“ ist bei der vorliegenden Erfindung ein insbesondere wiederaufladbares Speicherelement bzw. Sekundärelement zur Bereitstellung elektrischer Energie durch Umwandlung chemischer Energie zu verstehen. Die Batterie ist vorzugsweise aus mehreren zusammengeschalteten Akkumulator-Zellen bzw. Zellblöcken, also Batteriezellen, aufgebaut.
Insbesondere ist die Batterie als Traktionsbatterie bzw. zum Antrieb von Elektrofahrzeugen ausgebildet und/oder als Lithium-Ionen-Batterie ausgeführt. Hier ist eine zuverlässige bzw. effektive Wärmeisolierung wichtig, um bei einer Überhitzung der Batterie, beispielsweise infolge eines Verkehrsunfalls, die Insassen des Fahrzeugs zu schützen, und zwar zumindest bis zum Eintreffen von Rettungskräften.
Gerade Lithium-Ionen-Batterien weisen aufgrund ihrer chemischen Zusammensetzung eine vergleichsweise hohe Instabilität auf. Kommt es in einer Batteriezelle zu einem lokalen Kurzschluss der internen Elektroden, beispielsweise durch eine Verunreinigung des die Elektroden trennenden Separators durch eingeschlossene Fremdpartikel und/oder eine mechanische Einwirkung oder Beschädigung, heizt der starke Kurzschlussstrom die Batteriezelle in kurzer Zeit bis auf 800 °C, mitunter bis auf 1300 °C, auf. Dieser Vorgang wird als thermisches Durchgehen („thermal runaway“) bezeichnet. Das thermische Durchgehen einer Batteriezelle kann leicht bzw. schnell auf weitere, benachbarte Batteriezellen übergreifen, insbesondere da der Separator bereits bei relativ niedrigen Temperaturen, beispielsweise über 120 °C, an Stabilität verliert und daher Kurzschlüsse in benachbarten Batteriezellen schnell auftreten können. Dies führt zu einer unaufhaltsamen Kettenreaktion, wobei die in der Batterie gespeicherte Energie in kurzer Zeit, zumeist explosionsartig und unter Freisetzung von Fragmenten, abgegeben wird.
Vor diesem Hintergrund ist es wünschenswert, eine Batteriezelle, die benachbart zu einer durchgehenden bzw. überhitzenden Batteriezelle angeordnet ist, so lange wie möglich unterhalb einer bestimmten Grenztemperatur, vorzugsweise von 120 °C, insbesondere von 80 °C, zu halten. Oberhalb von 80 °C wird der Alterungsprozess der Batteriezelle nämlich erheblich beschleunigt und oberhalb von 120 °C beginnt oft ein Aufschmelzen des Separators in der Batteriezelle, einhergehend mit irreversiblen Schädigungen bzw. Kurzschlüssen.
Gleichermaßen besteht ein hoher Bedarf an einen effizienten bzw. lang anhaltenden Wärmeschutz angrenzender Bereiche bzw. Räume, insbesondere Fahrzeuginnenräume, vor der unkontrollierten Wärmeentwicklung in der Batterie. Insbesondere sollten Insassen und/oder Gegenstände so lange vor Wärme geschützt werden, bis Rettungs- bzw. Bergungsmaßnahmen vollständig abgeschlossen sind.
Die DE 101 34 145 A1 betrifft ein feuerhemmendes Batteriegehäuse. Das Batteriegehäuse enthält ein thermisch aktives Material, beispielsweise Aluminiumsilikat oder Gibbsit, das sich ab einer bestimmten Temperatur umwandelt, wodurch weiter zugeführte Wärmeenergie für die fortschreitende Umwandlung verbraucht und dadurch ein Temperaturanstieg zumindest verlangsamt wird. Hier ist eine effektive Eindämmung des thermischen Durchgehens nicht oder allenfalls nur sehr schwierig erreichbar, da eine Anordnung des Schutzmaterials zwischen Batteriezellen nicht möglich ist, die Umwandlung zu einer mechanischen Belastung oder Zerstörung der Batteriezellen führen kann und die Gefahr des Zerberstens des thermisch aktiven Materials und damit eines frühzeitigen Verlustes der Wärmedämmfunktion besteht.
Die AT 518 161 A4 betrifft eine Batterie mit einer Vielzahl von Batteriezellen, wobei zumindest zwei benachbarte Batteriezellen durch ein Schutzmaterial thermisch voneinander isoliert werden. Ab einer vorgegebenen Temperatur bläht sich das Schutzmaterial auf und werden die voneinander isolierten Batteriezellen durch die sich unter Temperatureinwirkung aufblähende Volumenvergrößerung des Schutzmaterials voneinander weggeschoben, wobei die Batteriezellen auf diese Weise thermisch weiter voneinander getrennt bzw. isoliert werden sollen. Nachteilig ist, dass sich aufgrund der Volumenvergrößerung des Schutzmaterials - insbesondere zusätzlich zur Druckerhöhung infolge der Wärmeentwicklung - ein Blähdruck innerhalb der Batterie einstellt, wodurch sich das Risiko des Zerberstens der Batterie und/oder der Beschädigung und Zerstörung von Batteriezellen entsprechend erhöht.
Aus der US 8,541,126 B2 ist ein Wärmedämmelement zur thermischen Isolierung einer Batterie bekannt. Das Wärmedämmelement ist zwischen zwei benachbarten Batteriezellen angeordnet. Das Wärmedämmelement weist einen Schichtaufbau auf, wobei eine Zwischenschicht zwischen zwei Deckschichten angeordnet ist. Die Zwischenschicht weist gegenüber den Deckschichten eine höhere Wärmeleitfähigkeit auf. Die Deckschichten können als Faserschicht aus keramischen oder refraktorischen Fasern ausgebildet sein. Nachteilig ist, dass das Wärmedämmelement aufgrund der Ausbildung der Fasern spröde ist und bereits bei geringer Druckbelastung bersten bzw. fragmentieren kann. Dies ist nicht nur mit einer signifikanten Beeinträchtigung oder sogar einem Verlust der Wärmedämmfunktion verbunden, sondern führt auch zu Beschädigungen von benachbarten bzw. angrenzenden Batteriezellen und vergrößert letztlich die Explosionsgefahr.
Die EP 3 142 166 A1 betrifft ein Wärmedämmelement mit einer starren Glimmerplatte und einer kompressiblen, kurzfaserigen bzw. refraktorischen Faserschicht, die abwechselnd übereinander angeordnet bzw. gestapelt sind. Nachteilig ist, dass eine flexible Anpassung bzw. Formgebung, insbesondere zum Einbau in eine Batterie, nicht möglich ist. Auch kann das Wärmedämmelement mit seinen spröden Glimmerplatten und seiner kurzfaserigen Fasermatte infolge einer unkontrollierten Wärmeentwicklung und des damit verbundenen Druckanstiegs leicht bersten bzw. fragmentieren und dadurch zu Schäden in der Umgebung führen bzw. vorzeitig seine Wärmedämmfunktion verlieren. Schließlich ist das hohe Flächengewicht gerade für Fahrzeuge nachteilig.
Der vorliegenden Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein mehrschichtiges Wärmedämmelement zur thermischen Isolierung einer Batterie, eine Batterie mit einem solchen Wärmedämmelement und eine Verwendung des Wärmedämmelements anzugeben, wobei eine effiziente Wärmedämmung und/oder eine robuste bzw. widerstandsfähige Ausbildung und/oder eine flexible bzw. leichte Montage bzw. Integration in die Batterie ermöglicht oder unterstützt werden bzw. wird.
Die obige Aufgabe wird durch ein mehrschichtiges Wärmedämmelement gemäß Anspruch 1, durch eine Batterie gemäß Anspruch 23 oder durch eine Verwendung gemäß Anspruch 30 gelöst. Vorteilhafte Weiterbildungen sind Gegenstand der Unteransprüche.
Ein erster Aspekt der vorliegenden Erfindung liegt darin, dass die Faserschicht aus langen Fasern von mehr als 30 mm Länge und/oder aus einem vernadelten bzw. verfestigten Faservlies gebildet ist. Durch die langen Fasern und/oder die Vernadelung bzw. Verfestigung der Faserschicht erhöht sich die mechanische Widerstandsfähigkeit gegenüber einer sonstigen Faserschicht signifikant. So ist die erfindungsgemäße Faserschicht einerseits dehnbar und druckelastisch, wodurch die Aufnahme hoher Druckkräfte ermöglicht wird. Gleichzeitig besitzt die Faserschicht eine hohe Wärmeisolationsfähigkeit, da die miteinander verschlungenen Fasern eine effiziente Reduktion des Durchganges von Wärmeenergie durch die Faserschicht hindurch bewirken. Dies ist insbesondere bei einer unkontrollierten Wärmeentwicklung innerhalb der Batterie, beispielsweise beim thermischen Durchgehen einer Batteriezelle, vorteilhaft, da auf diese Weise die völlige Zerstörung bzw. Explosion der Batterie signifikant hinausgezögert wird. Schließlich weisen vernadelte Faservliese ein geringes Flächengewicht auf, was die Handhabung erleichtert.
Vorzugsweise ist die Faserschicht aus vernadelten bzw. verfestigten Glasfasern oder Silikatfasern oder aus einer Mischung davon hergestellt.
Besonders bevorzugt weisen die Fasern der Faserschicht eine Länge von mindestens 40 mm, vorzugsweise mindestens 50 mm, insbesondere im Wesentlichen 50 bis 60 mm auf. Dies ermöglicht eine besonders hohe druck- und reißfeste Ausbildung der Faserschicht.
Insbesondere weisen die Fasern einen mittleren Durchmesser von mindestens 4 µm, vorzugsweise mindestens 5 µm, insbesondere von 6 bis 15 µm, auf.
Besonders bevorzugt ist die Faserschicht bindemittelfrei und/oder schmelzperlenfrei ausgebildet.
Vorzugsweise weist die Faserschicht bzw. Zwischenlage ein Flächengewicht von weniger als 1000 g/m², vorzugsweise weniger als 800 g/m², insbesondere weniger als 600 g/m², auf. Dies ermöglicht eine leichte Handhabung.
Gemäß einem zweiten, auch unabhängig realisierbaren Aspekt der vorliegenden Erfindung, sind die Deckschichten biegeschwach bzw. biegeweich ausgebildet, um das Wärmedämmelement sowohl kompressibel als auch flexibel bzw. elastisch biegsam auszubilden. Dies ermöglicht eine flexible Anpassung an unterschiedliche Einbausituationen und/oder eine bessere Anpassung bei hohen Belastungen, beispielsweise Bersten einer Batteriezelle, so dass das Wärmedämmelement widerstandsfähiger gegen Zerstörung bzw. Verlust seiner Wärmedämmfunktion ist. Schließlich wird die Freisetzung von Fragmenten signifikant reduziert.
Vorzugsweise ist mindestens eine Deckschicht flüssigkeitsdicht, vorzugsweise wasserdicht, ausgebildet. Eine der Deckschichten, vorzugsweise beide Deckschichten, ist bzw. sind darüber hinaus wasserabweisend und/oder gasdicht ausgebildet. Auf diese Weise wird die Zwischenlage bzw. Faserschicht effizient geschützt, wodurch eine effiziente Wärmedämmung auch in feuchter und/oder gashaltiger Umgebung gewährleistet ist.
Vorzugsweise ist mindestens eine Deckschicht als hitzebeständige Metallschicht, vorzugsweise Aluminiumschicht, ausgebildet.
Alternativ kann auch mindestens eine Deckschicht als hitzebeständige Kunststoffschicht, vorzugsweise Polyimidschicht, oder als hitzebeständige Gewebeschicht, vorzugsweise Glasgewebeschicht, ausgebildet sein.
Eine als Metall-, Kunststoff- oder Gewebeschicht ausgebildete Deckschicht ist vorzugsweise weniger als 100 µm, besonders bevorzugt weniger als 80 µm, insbesondere zwischen 20 und 50 µm, dick.
Besonders bevorzugt ist mindestens eine Deckschicht als hitzebeständige Glimmerschicht, vorzugsweise Glimmerpapierschicht oder Glimmertafel, ausgebildet. Insbesondere ist eine als Glimmerschicht ausgebildete Deckschicht weniger als 3 mm, vorzugsweise weniger als 2 mm, insbesondere zwischen 0,5 und 1 mm, dick. Dies gestattet eine hohe Hitzebeständigkeit bei gleichzeitiger Flexibilität bzw. Biegsamkeit.
Besonders bevorzugt ist die erste Deckschicht als hochtemperaturbeständige Glimmerschicht, vorzugsweise Glimmerpapierschicht, ausgebildet, wohingegen die zweite Deckschicht als Aluminiumschicht, vorzugsweise Aluminiumfolie, ausgebildet ist. Alternativ kann die zweite Deckschicht auch als Kunststoffschicht, vorzugsweise Polyimidschicht, ausgebildet sein. Durch die vorgenannte Materialpaarung lässt sich die Wärmeisolierung optimieren. Dies hat sich durch Versuche bestätigt.
Besonders bevorzugt weist die Zwischenlage zwei Faserschichten, insbesondere aus vernadeltem Faservlies, auf, wobei die Faserschichten durch eine hitzebeständige und/oder biegeschwache Zwischenschicht voneinander getrennt sind. Durch den so gebildeten Multilayer-Aufbau (zwei oder mehr durch eine Zwischenschicht getrennte Wärmedämm- bzw. Faserschichten) lassen sich die Wärmedämmeigenschaften der Zwischenlage weiterführend verbessern, da die Zwischenschicht innerhalb der Zwischenlage eine thermische Barriere zwischen den Faserschichten bildet und dadurch die Wärmeausbreitung durch die Zwischenlage bzw. das Wärmedämmelement hindurch weiter reduziert bzw. eindämmt. Auch dies haben Versuche bestätigt.
Besonders bevorzugt ist die Zwischenschicht als hochtemperaturbeständige Kunststoffschicht, vorzugsweise Polyimidfolie, oder Aluminiumschicht, insbesondere Aluminiumfolie, ausgebildet.
Die Zwischenschicht ist vorzugsweise weniger als 100 µm, besonders bevorzugt weniger als 80 µm, insbesondere zwischen 20 und 50 µm, dick.
Vorzugsweise weist mindestens eine Deckschicht und/oder die Zwischenschicht eine elektrische Durchschlagsfestigkeit von mehr als 1 kV/mm, vorzugsweise mehr als 1,5 kV/mm, insbesondere mehr als 2 kV/mm, auf. Dies vermeidet bzw. verzögert die Bildung von Lichtbögen oder Funken.
Insbesondere ist das Wärmedämmelement - vorzugsweise im Einbauzustand - weniger als 7 mm, vorzugsweise weniger als 6 mm, insbesondere zwischen 2 bis 3 mm, dick. Dies gestattet einen flexiblen und einfachen Einbau in die Batterie, auch in enge Einbauspalte.
Insbesondere weist das Wärmedämmelement auf wenigstens einer Flachseite zumindest abschnittsweise eine Klebeschicht auf oder ist auf einer Flachseite zumindest abschnittsweise selbstklebend ausgebildet. Dies gestattet eine einfache Anordnung bzw. Befestigung des Wärmedämmelements an oder in der Batterie und/oder weiteren Wärmedämmelementen.
Vorzugsweise sind die Deckschichten und die Zwischenlage miteinander verklebt oder auf sonstige Weise zu einem Verbund verbunden. Auf diese Weise wird ein mechanisch stabiler Schichtverbund realisiert.
Das Wärmedämmelement weist insbesondere eine elektrische Durchschlagsfestigkeit von mehr als 20 kV/mm, vorzugsweise mehr als 30 kV/mm, insbesondere von 40 bis 70 kV/mm, auf.
Vorzugsweise weist das Wärmedämmelement ein Flächengewicht von weniger als 1500 g/m², vorzugsweise weniger als 1300 g/m², insbesondere weniger als 1000 g/m², auf.
Die Wärmeleitfähigkeit des Wärmedämmelements ist bei 25 °C Raumtemperatur geringer als 0,1 W/mK, vorzugsweise geringer als 0,08 W/mK, insbesondere geringer als 0,04 W/mK.
Eine vorschlagsgemäße Batterie, vorzugsweise Lithium-Ionen-Batterie, insbesondere in Form einer Traktionsbatterie für ein Elektrofahrzeug, weist ein Gehäuse und wenigstens ein vorschlagsgemäßes mehrschichtiges Wärmedämmelement auf, das zur thermischen Isolierung im und/oder am Gehäuse angeordnet ist. Hierdurch ergeben sich entsprechende Vorteile.
Vorzugsweise verschließt bzw. isoliert das Wärmedämmelement die Batterie oder Batteriezellen oder das Gehäuse außen oder innen oberseitig zumindest teilweise, vorzugsweise vollständig oder vollflächig. Dies gestattet eine effektive Wärmeisolierung der Batterie nach oben bzw. gegenüber einem oberhalb der Batterie angeordneten bzw. angrenzenden Bereich, insbesondere einem Fahrzeuginnenraum eines Fahrzeugs. Dadurch werden in dem Bereich bzw. Raum befindliche Personen bzw. Insassen oder Gegenstände effektiv bzw. ausreichend lange - also bis zum Abschluss von Bergungs- bzw. Rettungsmaßnahmen - vor der unkontrollierten Wärmeentwicklung in der Batterie geschützt.
Alternativ oder zusätzlich kann das Wärmedämmelement zwischen zwei benachbarten Batteriezellen im Gehäuse angeordnet sein und diese thermisch voneinander isolieren. Auf diese Weise wird ein Übergreifen des thermischen Durchgehens von einer Batteriezelle auf die nächste bzw. benachbarte Batteriezelle effektiv verzögert und/oder eingedämmt und somit die explosionsartige Freisetzung von Wärme und/oder Fragmenten aus der Batterie verhindert oder zumindest signifikant hinausgezögert.
Insbesondere ist das Wärmedämmelement an oder in einem Gehäusedeckel bzw. Gehäuseoberteil des Gehäuses angebracht bzw. befestigt, vorzugsweise angeklebt.
Das Wärmedämmelement kann, insbesondere vollflächig, an einer dem Gehäuseinnenraum zugewandten, im Einbauzustand vorzugsweise obenliegenden Innenseite des Gehäuses oder Gehäusedeckels angebracht sein. Auf diese Weise wird eine effektive oberseitige Wärmeisolierung ermöglicht.
Alternativ kann das Wärmedämmelement quer bzw. senkrecht zur Innenseite angebracht oder ausgerichtet sein, insbesondere derart, dass ein einfaches Einschieben des Wärmedämmelements zwischen zwei benachbarte Batteriezellen möglich ist.
Vorzugsweise sind in der Batterie wenigstens zwei Wärmedämmelemente angeordnet, wobei wenigstens ein erstes Wärmedämmelement das Gehäuse bzw. den Gehäuseinnenraum oberseitig isoliert und wenigstens ein zweites Wärmedämmelement zwischen benachbarten Batteriezellen angeordnet ist. Auf diese Weise lassen sich gleichzeitig entsprechende, prinzipiell auch unabhängig voneinander realisierbar, Vorteile, also eine oberseitige Wärmeisolierung der Batterie einerseits und eine Verzögerung bzw. Reduzierung der Wärmeausbreitung zwischen benachbarten Batteriezellen, Packs oder Modulen andererseits, realisieren.
Insbesondere ist das zweite Wärmedämmelement quer bzw. senkrecht am ersten Wärmedämmelement angebracht, vorzugsweise angeklebt, vernäht oder in sonstiger Weise fest verbunden.
Generell ist anzumerken, dass durch die vorschlagsgemäßen Aspekte gemäß der vorliegenden Erfindung die thermische Isolierung und der Brandschutz des Fahrgastraums von Batterien, insbesondere für Elektrofahrzeuge, verbessert bzw. vereinfacht wird. Das vorschlagsgemäße Wärmedämmelement ermöglicht insbesondere eine sehr wirksame Wärmedämmung zwischen der Batterie einerseits und einem vorzugsweise oberhalb der Batterie angeordneten bzw. angrenzenden Fahrzeuginnenraum andererseits. Alternativ oder zusätzlich wird ein Übergreifen von Wärme bzw. des thermischen Durchgehens einer Batteriezelle auf benachbarte Batteriezellen hinausgezögert bzw. eingedämmt, wodurch die Zerstörung bzw. Explosion der Batterie verhindert oder zumindest signifikant hinausgezögert wird. So wird ausreichend Zeit zur Bergung bzw. Rettung zur Verfügung gestellt, innerhalb der die Insassen vor der unkontrollierten Wärmeentwicklung in der Batterie hinreichend geschützt sind.
Die oben genannten Aspekte und Merkmale der vorliegenden Erfindung sowie die sich aus den Ansprüchen und der nachfolgenden Beschreibung ergebenden Aspekte und Merkmale der vorliegenden Erfindung können grundsätzlich unabhängig voneinander aber auch in beliebiger Kombination bzw. Reihenfolge realisiert werden. Zusätzliche Vorteile, Merkmale, Eigenschaften und Aspekte der vorliegenden Erfindung ergeben sich aus den Ansprüchen und der folgenden Beschreibung bevorzugter Ausführungsformen anhand der Zeichnung. Es zeigt:

1 einen schematischen Schnitt eines vorschlagsgemäßen mehrschichtigen Wärmedämmelements zur thermischen Isolierung;
2 einen schematischen Schnitt einer Batterie mit darin angeordneten Wärmedämmelementen die in einem schematisch angedeuteten Fahrzeug angeordnet bzw. verbaut ist;
3 einen ersten Versuchsaufbau zur Durchführung von Temperaturmessungen an vorschlagsgemäßen Wärmedämmelementen;
4 einen zweiten Versuchsaufbau zur Durchführung von Temperaturmessungen an vorschlagsgemäßen Wärmedämmelementen;
5 ein erstes Temperaturdiagramm, gemessen an einem vorschlagsgemäßen Wärmedämmelement mit einem ersten Schichtaufbau; und
6 ein zweites Temperaturdiagramm, gemessen an einem vorschlagsgemäßen Wärmedämmelement mit einem zweiten Schichtaufbau.

1 zeigt in einer schematischen, nicht maßstabsgerechten Schnittdarstellung ein vorschlagsgemäßes mehrschichtiges Wärmedämmelement 1.
Das Wärmedämmelement 1 ist insbesondere als flächiges Schichtpaket ausgebildet.
Das Wärmedämmelement 1 ist insbesondere kompressibel und gleichzeitig biegsam ausgebildet.
Unter dem Begriff „biegsam“ ist vorzugsweise eine ausreichend geringe Biegesteifigkeit des Wärmedämmelements 1 zu verstehen, wobei die Biegesteifigkeit ein Maß für den Widerstand einer einwirkenden Kraft gegen eine Biegeverformung für ein Bauteil bzw. des Wärmedämmelements 1 darstellt. Die Biegesteifigkeit wird vorzugsweise gemäß ISO 5628 2493 bestimmt. Hierzu wird ein plattenförmiges Wärmedämmelement 1 mit einem bestimmten Maß, beispielsweise mit einer Dicke von 6 mm und einer Größe von 60 mm × 40 mm, in eine drehbare Einspannvorrichtung eingespannt. Das freie Ende des Wärmedämmelements 1 berührt einen Fühler einer Kraftmessdose, über den beim Drehen der Einspannvorrichtung eine entsprechende Kontaktkraft erfasst wird. Der Fühler greift insbesondere in einem Abstand von 50 mm zum Einspannpunkt am freien Ende des Wärmedämmelements 1 an. Die Biegesteifigkeit wird insbesondere durch die Kraft bestimmt, die bei einer Biegung des Wärmedämmelements von 15° am Fühler gemessen wird. Vorzugsweise weist das Wärmedämmelement 1 eine auf diese Weise bestimmte Biegesteifigkeit von weniger als 10 N, vorzugsweise weniger als 5 N, insbesondere weniger als 1 N, auf.
Unter dem Begriff „kompressibel“ ist vorzugsweise eine ausreichend geringe Stauchhärte des Wärmedämmelements 1 zu verstehen, wobei die Stauchhärte einen Druck darstellt, der notwendig ist, um einen Probekörper bzw. das Wärmedämmelement 1 um 40 % seiner ursprünglichen Dicke zusammenzudrücken. Die Stauchhärte wird vorzugsweise gemäß DIN EN ISO 3386 bestimmt, wobei als Probekörper ein plattenförmiges Wärmedämmelement 1 mit einer Dicke von 5 mm und einer Größe von 300 mm × 200 mm und als Eindringkörper eine Aluminiumplatte mit einer Dicke von 20 mm und einer Größe von 190 × 80 mm verwendet werden. Vorzugsweise weist das Wärmedämmelement 1 eine auf diese Weise bestimmte Stauchhärte von weniger als 40 kPa, vorzugsweise weniger als 30 kPa, insbesondere weniger als 20 kPa, auf.
Das Wärmedämmelement 1 ist insbesondere zur thermischen Isolierung einer in 2 gezeigten Batterie 8 ausgebildet. Auf einen bevorzugten Aufbau der Batterie 8 und eine bevorzugte Anordnung von Wärmedämmelementen 1A, 1B in der Batterie 8 wird noch später eingegangen.
Das Wärmedämmelement 1 weist eine erste Deckschicht 2 und eine zweite Deckschicht 3 auf. Die Deckschichten 2, 3 bilden insbesondere jeweils eine (äußere) Flachseite des Wärmedämmelements 1.
Vorzugsweise ist zwischen den Deckschichten 2, 3 eine kompressible und/oder biegsame Zwischenlage 4 angeordnet. Die Zwischenlage 4 weist wenigstens eine Faserschicht 5 - beim Darstellungsbeispiel zwei oder mehr Faserschichten 5 - auf.
Eine oder jede Faserschicht 5 ist vorzugsweise aus einem vernadelten bzw. verfestigten Faservlies gebildet. Im Sinne der vorliegenden Erfindung ist unter dem Begriff „vernadeltes Faservlies“ vorzugsweise ein textiles Flächengebilde zu verstehen, dessen Fasern durch trockene bzw. bindemittelfreie und/oder schmelzperlenfreie Vernadelung ungeordnet miteinander verschlungen und dadurch verfestigt sind.
Die Faserschichten 5 sind insbesondere aus Glasfasern oder Silikatfasern oder aus einer Mischung davon hergestellt. Beispielsweise können Glasfasern, insbesondere aus E-, ECR- oder R-Glas oder deren Mischungen, und/oder sonstige hitzebeständige Fasern eingesetzt werden.
Die Fasern weisen vorzugsweise einen mittleren Durchmesser von mindestens 4 µm, insbesondere mindestens 6 µm, ganz besonders bevorzugt im Wesentlichen von 8 bis 16 µm, auf.
Die Länge der Fasern beträgt bevorzugt mehr als 30 mm, vorzugsweise mehr als 40 mm, insbesondere im Wesentlichen 50 bis 60 mm.
Vorzugsweise sind die Faserschichten 5 bindemittel- und/oder schmelzperlenfrei.
Vorzugsweise beträgt das Flächengewicht der Faserschichten 5 bzw. der Zwischenlage 4 weniger als 1000 g/m², vorzugsweise weniger als 800 g/m², insbesondere weniger als 600 g/m².
Vorzugsweise sind die Faserschichten 5 der Zwischenlage 4 durch eine Zwischenschicht 6 voneinander getrennt. Die Zwischenschicht 6 ist insbesondere durch eine hitzebeständige Metallschicht, vorzugsweise Aluminiumschicht, gebildet. Jedoch kann die Zwischenschicht 6 auch durch eine hitzebeständige Kunststoffschicht, vorzugsweise Polyimidschicht, gebildet sein.
Die Deckschichten 2, 3 sind vorzugsweise biegeschwach, also leicht biegbar bzw. flexibel, ausgebildet. Eine „biegeschwache“ Deckschicht 2, 3 im Sinne der vorliegenden Erfindung ist vorzugsweise papier-, gewebe- oder folienartig und/oder weist eine Dicke von weniger als 2 mm, insbesondere weniger als 1 mm, auf. Dadurch wird das gesamte Wärmedämmelement 1 kompressibel und flexibel ausgebildet, wobei die Kompressibilität zumindest im Wesentlichen auf die kompressible Ausbildung der Zwischenlage 4 zurückzuführen ist.
Die Deckschichten 2 und 3, Zwischenlage 4, Faserschichten 5 und/oder das Wärmedämmelement 1 sind bzw. ist vorzugsweise hitzebeständig, insbesondere bis mindestens 200 °C, besonders bevorzugt über 250 °C, 500 °C oder 1000 °C, ausgebildet.
Vorzugsweise ist mindestens eine der Deckschichten 2, 3 als hitzebeständige Metallschicht, vorzugsweise Aluminiumfolie, oder als hitzebeständige Kunststoffschicht, vorzugsweise Polyimidfolie, oder als hitzebeständige Gewebeschicht, vorzugsweise Glasgewebefolie, oder als Glimmerschicht, vorzugsweise Glimmerpapierschicht, ausgebildet.
Besonders bevorzugt ist eine bzw. die erste Deckschicht 2 als hitzebeständige Glimmerschicht, vorzugsweise Glimmerpapierschicht, und die andere bzw. die zweite Deckschicht 3 als Metallschicht, vorzugsweise Aluminiumfolie, oder Kunststoffschicht, vorzugsweise Polyimidfolie, ausgebildet. Es können jedoch auch beide Deckschichten 2, 3 identisch, insbesondere als Glimmerschicht, vorzugsweise Glimmerpapierschicht, ausgebildet sein. Dies ermöglicht eine besonders große Hitzebeständigkeit.
Das Wärmedämmelement 1 weist - insbesondere im nicht komprimierten Zustand oder Auslieferungszustand - vorzugsweise eine Dicke von weniger als 15 mm, vorzugsweise weniger als 10 mm, insbesondere zwischen 6 bis 8 mm, auf.
Besonders bevorzugt weist das Wärmedämmelement 1 bzw. mindestens eine Deckschicht 2, 3 und/oder die Zwischenschicht 6 eine elektrische Durchschlagsfestigkeit von mehr als 20 kV/mm, vorzugsweise mehr als 30 kV/mm, insbesondere von 40 bis 70 kV/mm, auf.
Die Deckschichten 2, 3 und die Zwischenlage 4 sind insbesondere durch Verkleben miteinander verbunden. Insbesondere wird hierzu ein hitzebeständiger Klebstoff eingesetzt. Jedoch sind auch andere Verbindungstechniken, beispielsweise Vernähen oder Verschweißen, möglich.
Vorzugsweise weist mindestens eine Deckschicht 2, 3 - beim Darstellungsbeispiel die erste Deckschicht 2 - eine Klebeschicht 7 auf, um das Wärmedämmelement 1 bedarfsweise einen Teil der Batterie 8 und/oder an ein weiteres Wärmedämmelement 1 anzubringen bzw. zu befestigen.
Die Klebeschicht 7 besteht insbesondere aus einem Acrylatklebstoff.
Das Flächengewicht der Klebeschicht 7 beträgt vorzugsweise weniger als 150 g/m², vorzugsweise weniger als 120 g/m², insbesondere zwischen 50 und 100 g/m². Alternativ oder zusätzlich kann die Klebeschicht 7 auch als doppelseitiges Klebeband ausgebildet sein.
Nachfolgend wird anhand von 2 eine vorschlagsgemäße Anordnung bzw. Verwendung von vorschlagsgemäßen Wärmedämmelementen 1A und 1B in der Batterie 8 näher erläutert.
Insbesondere ist die Batterie 8 zur Energieversorgung in einem schematisch dargestellten Fahrzeug 14, insbesondere Elektrofahrzeug, angeordnet bzw. verbaut. Insbesondere befindet sich die Batterie 8 im Einbauzustand unterhalb eines Fahrzeuginnenraums 15 beispielswese eines Passagier- oder sonstigen Innenbereichs des Fahrzeugs 14.
Die Batterie 8 weist vorzugsweise ein Gehäuse 9 mit einem Gehäuseunterteil 10 und einem Gehäuseoberteil bzw. Gehäusedeckel 11 auf. Das Gehäuse 9 besteht vorzugsweise aus einem nicht-leitendem Material, beispielsweise Kunststoff, oder aus Metall.
Die Batterie 8 ist vorzugsweise als wiederaufladbarer Lithium-Ionen-Akkumulator ausgeführt. Alternativ kann diese auch aus oder mit als Lithium-Eisen-Phosphat, Lithium-Cobalt-Oxid, Lithium-Metall-Oxid, Lithiumionen-Polymer, Nickel-Zink, Nickel-Metall, Nickel-Cadmium, Nickel-Wasserstoff, Nickel-Silber, Nickel-Metall-Hybrid und ähnlichen Systemen bzw. Materialien aufgebaut oder ausgeführt werden.
Insbesondere weist die Batterie 8 wenigstens eine Gruppe von Batteriezellen 12 auf, die elektrisch miteinander zusammengeschaltet und im Gehäuse 9, vorzugsweise im Gehäuseunterteil 10, aufgenommen sind.
Ein erstes Wärmedämmelement 1A ist oberhalb der Batteriezellen 12 und/oder am Gehäusedeckel 11 des Gehäuses 9 angebracht bzw. befestigt, vorzugsweise angeklebt, insbesondere mittels der Klebeschicht 7.
Besonders bevorzugt ist das erste Wärmedämmelement 1A vollflächig an einer dem Gehäuseinnenraum zugewandten Innenseite 13 des Gehäusedeckels 11 angebracht. Das erste Wärmedämmelement 1A verschließt bzw. isoliert das Gehäuseunterteil 10 bzw. die Batterie 8 oder deren Zellen 12, also oberseitig.
Auf diese Weise wird eine besonders effiziente oberseitige Wärmedämmung und ein Brandschutz gegenüber dem Fahrzeuginnenraum 15 erzielt, um darin befindliche Personen oder Gegenstände effizient bzw. lange genug vor einer unkontrollierten Wärmeentwicklung in der Batterie 8 zu schützen. Eine gasdichte Konstruktion verhindert bzw. reduziert ebenfalls eine gasexplosionsartige Ausbreitung in Richtung des Fahrgastraumes.
Besonders bevorzugt ist die dem Gehäuseinnenraum bzw. den Batteriezellen 12 zugewandte zweite Deckschicht 3 des ersten Wärmedämmelements 1A als Glimmerschicht, vorzugsweise Glimmerpapierschicht, ausgebildet, wobei die der Batteriezellen 12 bzw. dem Gehäuseinnenraum abgewandte erste Deckschicht 2 zur Befestigung am Gehäusedeckel 11 ausgebildet und insbesondere mit der Klebeschicht 7 versehen ist. Dies verbessert die Hitzebeständigkeit und erleichtert gleichzeitig die Handhabung bzw. Befestigung des Wärmedämmelements 1 am Gehäuse 9.
Alternativ oder zusätzlich ist mindestens ein (weiteres bzw. zweites) Wärmedämmelement 1B zwischen benachbarten Batteriezellen 12, beim Darstellungsbeispiel zwischen zwei Gruppen von Batteriezellen 12, angeordnet, wodurch die Gruppen thermisch voneinander isoliert bzw. getrennt werden.
Besonders bevorzugt ist das Wärmedämmelement 1 zwischen den Batteriezellen 12 eingeschoben, eindrückt oder in sonstiger Weise eingebracht.
Insbesondere umschließt und/oder umhüllt das Wärmedämmelement 1A bzw. 1B mindestens eine Batteriezelle 12 oder eine Gruppe von Batteriezellen 12, vorzugsweise allseitig, und/oder insbesondere derart, dass die Batteriezelle 12 bzw. Gruppe von Batteriezellen 12 über das Wärmedämmelement 1B dämpfend im Gehäuse 9 gelagert bzw. angeordnet ist. Dies ermöglicht neben einer effektiven, insbesondere allseitigen, Wärmeisolierung auch eine robuste bzw. widerstandsfähige Lagerung der Batteriezellen 12, da etwaige Stöße bzw. Erschütterungen durch das kompressible Wärmedämmelement 1A bzw. 1B abgedämpft bzw. absorbiert werden.
Insbesondere ist das zweite Wärmedämmelement 1B quer bzw. senkrecht zur Innenseite 13 des Gehäusedeckels 11 angebracht bzw. horizontal ausgerichtet, insbesondere derart, dass es beim Aufsetzen des Gehäusedeckels 11 auf das Gehäuseunterteil 10 zwischen die Batteriezellen 12 einführbar ist.
Die zweiten Wärmedämmelemente 1B sind optional quer bzw. senkrecht am ersten Wärmedämmelement 1A angebracht bzw. befestigt, beispielsweise verklebt, vernäht oder in sonstiger Weise damit verbunden.
In den 3 und 4 sind schematisch Versuchsaufbauten bzw. Versuchsanordnungen zur Durchführung von Temperaturmessungen an vorschlagsgemäßen Wärmedämmelementen 1 dargestellt.
Bei den durchgeführten Versuchen wurde die Wärmedämmfunktion bzw. -fähigkeit der vorschlaggemäßen Wärmedämmelemente 1 untersucht. Hierzu wurde gezielt Wärme über ein Heizelement 16, vorzugsweise eine Heizfolie, in das Gehäuse 9 bzw. einen damit vergleichbaren Aufbau eingebracht, um vergleichbare Temperaturbedingungen wie im Fall einer unkontrollierten Wärmeentwicklung bzw. eines thermischen Durchgehens zu simulieren. Die sich ergebenden Temperaturdiagramme bzw. Temperaturverläufe sind in 5 für ein Wärmedämmelement 1 mit einem ersten Schichtaufbau und in 6 für ein Wärmedämmelement 1 mit einem zweiten Schichtaufbau gezeigt.
Bei dem in 3 dargestellten Versuchsaufbau wurde zur Simulation einer unkontrollierten Wärmeentwicklung bzw. eines thermischen Durchgehens das Heizelement 16 zwischen einer - ausgehend vom Wärmedämmelement 1 an einer zweiten Stelle befindlichen - Batteriezelle 12' und einer - ausgehend vom Wärmedämmelement 1 an einer dritter Stelle befindlichen - Batteriezelle 12" eingebracht und fortlaufend auf eine Temperatur oberhalb von 120 °C, vorzugsweise oberhalb von 200 °C, erhitzt.
Gleichzeitig wurde über ein Messmittel, insbesondere ein Thermoelement, der sich ergebende Temperaturverlauf bzw. Temperaturanstieg am Wärmedämmelement 1 auf einer dem Heizelement 16 abgewandten Kaltseite 17 einerseits und einer dem Heizelement 16 zugewandten Heißseite 18 andererseits gemessen, wobei für jeden Schichtaufbau zwei Messungen durchgeführt worden sind.
Die Kurven M1 und M2 in 5 zeigen für jede Messung den sich ergebenen Temperaturverlauf an der Kaltseite 17 des Wärmedämmelements 1 mit dem ersten Schichtaufbau und die Kurven M1 und M2 in 6 entsprechende Temperaturverläufe für ein Wärmedämmelement 1 mit einem anderen bzw. zweiten Schichtaufbau.
Generell soll mithilfe des in 3 dargestellten Versuchsaufbaus die Wärmedämmfunktion in Bezug auf die Eindämmung bzw. Verzögerung des Übergreifens thermischer Energie auf benachbarte Batteriezellen 12 innerhalb des Gehäuses 9 untersucht bzw. belegt werden.
Der zweite Versuchsaufbau gemäß 4 unterscheidet sich von dem ersten Versuchsaufbau dadurch, dass der Temperaturverlauf an einem oberseitig zu den Batteriezellen 12 verlaufenen Wärmedämmelement 1 ermittelt wird. Dadurch soll die Wärmedämmfunktion bzw. Wärmeisolierung gegenüber einem an die Batterie 8 angrenzenden Raum, insbesondere dem Fahrzeuginnenraum 15, untersucht bzw. belegt werden.
Hierzu wird analog zum ersten Versuchsaufbau das Heizelement 16, insbesondere die Heizfolie, zwischen benachbarte Batteriezellen 12 angeordnet und zur Simulation einer unkontrollierten Wärmeentwicklung bzw. eines thermischen Durchgehens auf wenigstens 120 °C, vorzugsweise wenigstens 200 °C, erhitzt. Der Temperaturverlauf bzw. der Temperaturanstieg wurde mittels eines Messmittels, insbesondere Thermoelements, auf der dem Heizelement 16 abgewandten Kaltseite 19 des Wärmedämmelements 1 einerseits und auf einer dem Heizelement 16 zugewandten Heißseite 20 des Wärmedämmelements 1 andererseits aufgezeichnet.
Die Kurve M3 in 5 zeigt den sich ergebenen Temperaturverlauf an der Kaltseite 19 des Wärmedämmelements 1 mit dem ersten Schichtaufbau und die Kurve M3 in 6 den sich ergebenden Temperaturverlauf für den zweiten Schichtaufbau.

Bei dem in 5 dargestellten Temperaturdiagramm wurde ein Wärmedämmelement 1 mit folgendem, ersten Schichtaufbau eingesetzt:

Name/Bezeichnung	Bevorzugte Ausbildung	Bevorzugte Dicke
Erste Deckschicht 2	Aluminiumfolie	50 µm
Faserschicht 5	Verfestigtes Glasfasernadelvlies	3 mm
Zweite Deckschicht 3	Glimmerpapierschicht	0,5 mm
Gesamtaufbau		ca. 5mm (<2mm im Verbau)

Die X-Achse repräsentiert den zeitlichen Verlauf in Minuten. Die Achse startet mit „0“, die den Startpunkt des Einschaltens der Heizfolie 16 markiert.
Die Y-Achse repräsentiert die Temperatur in °C. Die Kurven beginnen bei knapp über 20°C, also im Wesentlichen bei Umgebungstemperatur.
Wie bereits erwähnt, sollte an der Kaltseite 17 bzw. 19 so lange wie möglich eine Temperatur unter 120°C, insbesondere unter 80°C, vorliegen, um eine Beschädigung bzw. einen Kurzschluss zu vermeiden und/oder eine völlige Zerstörung bzw. Explosion der Batterie 8 zu verhindern, insbesondere um den Fahrzeuginnenraum 15 ausreichend lange vor der Freisetzung von Wärme, Gasen und/oder Fragmenten zu schützen.
Die höchste Temperatur für alle Messungen wurde bei der Kurve M3 (also an der Kaltseite 19, 4) mit 115,4°C gemessen, und zwar nach ca. 30 min. Die Maximaltemperatur auf der gegenüberliegenden Heißseite 20 betrug dabei 837 °C.
Bei der Kurve M1 (erste Messung auf Kaltseite 17, 3) wurde eine Maximaltemperatur von 92,75 °C nach ca. 20 min erreicht. Die Maximaltemperatur auf der gegenüberliegenden Heißseite 18 betrug dabei 730 °C.
Bei der Kurve M2 (zweite Messung auf Kaltseite 17, 3) wurde die Maximaltemperatur von 89 °C nach ebenfalls ca. 20 min erreicht. Die Maximaltemperatur auf der gegenüberliegenden Heißseite 18 betrug dabei 728 °C.
Die Kurven M1 und M2 weichen - wie erwartet - lediglich geringfügig voneinander ab, da sie zwei Messungen derselben Messreihe sind (Versuchsaufbau 3).
Ein Vergleich der Kurve M3 (Versuchsaufbau 4) einerseits mit den Kurven M1 und M2 (Versuchsaufbau 3) andererseits zeigt zunächst, dass an der Kaltseite 19 die höchste Temperatur (115,4 °C) gemessen worden ist. Allerdings wird diese Temperatur erst nach über 30 min - und damit deutlich später als bei den anderen Kurven M1 und M2 - erreicht. Bis ca. 25 min nach Einleitung der Wärme verläuft Kurve M3 deutlich unterhalb der beiden anderen Kurven M1 und M2 und steigt erst dann an. Insofern wird insbesondere in den ersten 20 bis 25 min eine effiziente Wärmedämmung an der Kaltseite 19 und damit ein hoher Wärmeschutz gegenüber einem oberseitig angrenzenden Raum bzw. Fahrzeuginnenraum 15 ermöglicht.
Darüber hinaus zeigen die Ergebnisse, dass ein Übergreifen von Wärme bzw. des thermischen Durchgehens auf benachbarte Batteriezellen 12 effizient verzögert bzw. eingedämmt wird, da die maximale Grenztemperatur von 120 °C in allen Kurven M1 bis M3 nicht erreicht wird. Hierdurch wird das Risiko von Schädigungen bzw. Kurzschlüssen ausgeschlossen oder zumindest minimiert.
Ferner lässt sich der erste Schichtaufbau vergleichsweise kostengünstig realisieren.

Im Rahmen des in 6 dargestellten zweiten Temperaturdiagramms wurde ein vorschlagsgemäßes Wärmedämmelement 1 mit folgendem, zweiten Schichtaufbau eingesetzt:

Name/Bezeichnung	Bevorzugte Ausbildung	Bevorzugte Dicke
Erste Deckschicht 2	Aluminiumfolie	50 µm
Faserschicht 5	Verfestigtes Glasvlies	5 mm
Zwischenschicht 6	Polyimidfolie	25 µm
Faserschicht 5	Verfestigtes Glasvlies	5 mm
Zweite Deckschicht 3	Glimmerpapierschicht	0,2 mm
Gesamtaufbau		ca. 10mm (<3mm im Verbau)

Die X Achse repräsentiert den zeitlichen Verlauf in Minuten. Die Achse startet mit „0“, die den Startpunkt des Einschaltens der Heizfolien 14 bzw. 15 zur Einleitung der Wärmeentwicklung in den entsprechenden Gruppen von Batteriezellen 12A-E (siehe 4) einleitet.
Die Y Achse repräsentiert die Temperatur in °C. Die Kurven beginnen bei knapp über 20°C, also im Wesentlichen bei Umgebungstemperatur.
Die höchste Temperatur für alle Messungen wurde mit 76, 5 °C an der Kurve M1 (also an der Kaltseite 17 im Rahmen der ersten Messung, 3) ermittelt, und zwar nach 10 min. Die Maximaltemperatur auf der gegenüberliegenden Heißseite 18 betrug dabei 1300 °C.
Für Kurve M2 wurde - im Rahmen der zweiten Messung nach 3 - auf der Kaltseite 17 eine Maximaltemperatur von 75°C nach 35 Minuten erreicht. Die Maximaltemperatur auf der gegenüberliegenden Heißseite 20 betrug dabei 1000 °C.
Für Kurve M3 wurde auf der Kaltseite 19 eine Maximaltemperatur von 70°C nach 55 Minuten erreicht. Die Maximaltemperatur auf der gegenüberliegenden Heißseite 20 betrug dabei 730 °C.
Folglich wurde in allen Fällen die bevorzugte maximale Grenztemperatur von 80°C nicht erreicht, so dass bereits eine beschleunigte Alterung der benachbarten Batteriezelle vermieden oder zumindest reduziert wird.
Ein Vergleich der Kurve M3 (Versuchsaufbau 4) einerseits mit den Kurven M1 und M2 (Versuchsaufbau 3) andererseits zeigt, dass an der Kaltseite 19 (Kurve M3) nicht nur die geringste Maximaltemperatur (70 °C) vorliegt, sondern diese Maximaltemperatur auch erst deutlich später, und zwar nach ca. 55 min, vorliegt. Gleichwohl wurde an der entsprechenden Heißseite 20 auch die geringste Temperatur (730 °C) ermittelt.
Ebenfalls wird der in 5 erläuterte Verlauf bestätigt, dass an der Kaltseite 19 insbesondere in den ersten Minuten der Wärmeeinleitung - in 6 bis nach ca. 45 min - gegenüber der Kaltseite 17 (Kurven M1 und M2) eine deutlich geringere Temperatur vorliegt. Insofern ermöglicht das Wärmedämmelement 1 mit dem zweiten Schichtaufbau eine besonders effektive Wärmedämmung gegenüber angrenzenden Räumen bzw. Bereichen, insbesondere dem Fahrzeuginnenraum 15.
Ein Vergleich der Kurven M1 bis M3 von 6 (zweiter Schichtaufbau) mit den entsprechenden Kurven von 5 (erster Schichtaufbau) zeigt weiterhin, dass sich durch den zweiten Schichtaufbau eine weiterführend verbesserte Wärmedämmfunktion erzielen lässt. Insbesondere wurde eine Reduzierungen der Maximaltemperaturen erzielt, wobei der Unterschied in den Kurven M3 (erster Schichtaufbau: 115,4 °C im Vergleich zum zweiten Schichtaufbau: 70,0 °C) besonders signifikant ist. Dies belegt den besonders vorteilhaften Einsatz des zweiten Schichtaufbaus als oberseitige Wärmeisolierung.
Generell gestattet der zweite Schichtaufbau aufgrund des Multilayer-Aufbaus der Zwischenlage 4, insbesondere mit der darin angeordneten Polyimidschicht als Zwischenschicht 6, eine optimale Reduzierung des Wärmedurchgangs und somit eine besonders effiziente Wärmedämmfunktion.
Die durch das Faservlies geschützte Polyimidschicht hat auch nach dem thermischen Explodieren noch Ihre Struktur erhalten, sodass die elektrische Isolation aufrecht erhalten bleibt.
Insgesamt zeigen die Versuche, dass sich das vorschlagsgemäße Wärmedämmelement 1 sowohl zur Eindämmung von Wärme innerhalb der Batterie 8 als auch zur oberseitigen Anordnung bzw. Isolierung, also insbesondere zum Wärmeschutz angrenzender Fahrzeuginnenräume 15, eignet. Die Effizienz ist dabei beim zweiten Schichtverbund optimal, wobei der erste Schichtverbund bei ebenfalls effektiver Wärmedämmfunktion eine vergleichsweise kostengünstige Realisierung zulässt.
Die vorliegende Erfindung betrifft ferner die Verwendung des vorschlagsgemäßen Wärmedämmelements 1 an und/oder in einer Batterie 8, vorzugsweise Lithium-Ionen Batterie, insbesondere Traktionsbatterie für ein Elektrofahrzeug.
Insbesondere wird ein Wärmedämmelement 1 oberseitig auf das Gehäuse 9 angeordnet, um eine oberseitige Wärmeisolierung zu ermöglichen.
Alternativ oder zusätzlich wird ein Wärmedämmelement 1 zur thermischen Isolierung zwischen zwei benachbarten Batteriezellen 12 angeordnet.
Insbesondere wird das Wärmedämmelement 1 an einem Gehäusedeckel 11 bzw. Gehäuseoberteil des Gehäuses 9 angebracht bzw. befestigt, vorzugsweise angeklebt.
Besonders bevorzugt wird das Wärmedämmelement 1, insbesondere vollflächig, an einer dem Gehäuseinnenraum zugewandten Innenseite 13 des Gehäusedeckels 11 angebracht.
Vorzugsweise wird das Wärmedämmelement 1 quer bzw. senkrecht zur Innenseite 13 angebracht oder ausgerichtet.
Insbesondere wird wenigstens ein erstes Wärmedämmelement 1A und wenigstens ein zweites Wärmedämmelement 1B verwendet, wobei das erste Wärmedämmelement 1A den Gehäuseinnenraum oberseitig verschließt bzw. thermisch isoliert und das zweite Wärmedämmelement 1B zwischen benachbarte Batteriezellen 12A-E angeordnet ist.
Vorzugsweise wird das zweite Wärmedämmelement 1B, insbesondere quer bzw. senkrecht, am ersten Wärmedämmelement 1A angebracht, vorzugsweise angeklebt, vernadelt oder verschweißt.
Einzelne Aspekte der vorliegenden Erfindung können, wie bereits erwähnt, beliebig kombiniert, aber auch unabhängig voneinander realisiert werden.
Bezugszeichenliste

1: Wärmedämmelement
1A: erstes Wärmedämmelement
1B: zweites Wärmedämmelement
2: erste Deckschicht
3: zweite Deckschicht
4: Zwischenlage
5: Faserschicht
6: Zwischenschicht
7: Klebeschicht
8: Batterie
9: Gehäuse
10: Gehäuseunterteil
11: Gehäusedeckel/Gehäuseoberteil
12, 12', 12": Batteriezelle
13: Innenseite
14: Fahrzeug
15: Fahrzeuginnenraum
16: Heizelement
17: Kaltseite senkrecht-vertikal
18: Heißseite senkrecht-vertikal
19: Kaltseite waagerecht-horizontal (oberhalb der Batterie)
20: Heißseite waagerecht-horizontal (oberhalb der Batterie)
M: Kurve
X: Achse
Y: Achse

ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

DE 10134145 A1 [0008]
AT 518161 A4 [0009]
US 8541126 B2 [0010]
EP 3142166 A1 [0011]

Zitierte Nicht-Patentliteratur

DIN EN ISO 3386 [0051]

Claims

Mehrschichtiges Wärmedämmelement (1) zur thermischen Isolierung einer Batterie (8), mit einer ersten Deckschicht (2), mit einer zweiten Deckschicht (3), und mit einer zwischen den Deckschichten (2, 3) angeordneten kompressiblen und/oder biegsamen Zwischenlage (4), die wenigstens eine hitzebeständige Faserschicht (5) aufweist, dadurch gekennzeichnet, dass die Faserschicht (5) aus einem vernadelten Faservlies gebildet ist, und/oder dass die Deckschichten (2, 3) biegeschwach sind und das Wärmedämmelement (1) insgesamt kompressibel und flexibel biegsam ist.
Wärmedämmelement nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Faserschicht (5) aus Glasfasern oder Silikatfasern oder aus einer Mischung davon hergestellt ist.
Wärmedämmelement nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Fasern der Faserschicht (5) eine Länge von mehr als 30 mm, vorzugsweise mehr als 40 mm, insbesondere im Wesentlichen 50 bis 60 mm, aufweisen.
Wärmedämmelement nach einem der voranstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Fasern einen mittleren Durchmesser von mindestens 4 µm, vorzugsweise mindestens 5 µm, insbesondere von 6 bis 15 µm, aufweisen.
Wärmedämmelement nach einem der voranstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Faserschicht (5) bindemittelfrei und/oder schmelzperlenfrei ist.
Wärmedämmelement nach einem der voranstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Zwischenlage (4) einen Multilayer-Aufbau mit mindestens zwei Faserschichten (5) aufweist, die durch eine hitzebeständige, elektrisch durchschlagfeste und/oder biegeschwache Zwischenschicht (6) voneinander getrennt sind.
Wärmedämmelement nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass die Zwischenschicht (6) als hitzebeständige und/oder hitzereflektierende Metallschicht, vorzugsweise Aluminiumschicht, insbesondere Aluminiumfolie, ausgebildet ist.
Wärmedämmelement nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass die Zwischenschicht (6) als hitzebeständige und/oder elektrisch durchschlagfeste Kunststoffschicht, vorzugsweise Polyimidschicht, insbesondere Polyimidfolie, ausgebildet ist.
Wärmedämmelement nach einem der voranstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass mindestens eine Deckschicht (2, 3) wasserdampfundurchlässig, vorzugsweise gasdicht, und/oder wasserabweisend und/oder wasserdicht ausgebildet ist.
Wärmedämmelement nach einem der voranstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Deckschichten (2, 3) weniger als 1 mm, vorzugsweise weniger als 0,5 mm, insbesondere weniger als 0,1 mm, dick sind.
Wärmedämmelement nach einem der voranstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass mindestens eine Deckschicht (2, 3) als hitzebeständige Metallschicht, vorzugsweise Aluminiumfolie, ausgebildet ist.
Wärmedämmelement nach einem der voranstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass mindestens eine Deckschicht (2, 3) als hitzebeständige Kunststoffschicht, vorzugsweise Polyimidfolie, ausgebildet ist.
Wärmedämmelement nach einem der voranstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass mindestens eine Deckschicht (2, 3) als hitzebeständige Gewebeschicht, vorzugsweise Glasgewebefolie, ausgebildet ist.
Wärmedämmelement nach einem der voranstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass mindestens eine Deckschicht (2, 3) als hitzebeständige Glimmerschicht, vorzugsweise Glimmerpapierschicht oder Glimmertafel, ausgebildet ist.
Wärmedämmelement nach einem der voranstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die erste Deckschicht (2) als Glimmerschicht, vorzugsweise Glimmerpapierschicht, und die zweite Deckschicht (3) als Aluminiumschicht, vorzugsweise Aluminiumfolie, ausgebildet ist.
Wärmedämmelement nach einem der Ansprüche 1 bis 14, dadurch gekennzeichnet, dass die erste Deckschicht (2) als Glimmerschicht und die zweite Deckschicht (3) als Polyimidschicht, vorzugsweise Polyimidfolie, ausgebildet ist.
Wärmedämmelement nach einem der voranstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Deckschichten (2, 3) und die Zwischenlage (4) mittels Verkleben miteinander verbunden sind.
Wärmedämmelement nach einem der voranstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass mindestens eine Deckschicht (2, 3) und/oder Zwischenschicht (6) eine elektrische Durchschlagsfestigkeit von mehr als 1 kV/mm, vorzugsweise mehr als 1,5 kV/mm, insbesondere von mehr als 2 kV/mm, aufweist.
Wärmedämmelement nach einem der voranstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Wärmedämmelement (1) ein Flächengewicht von weniger als 1500 g/m², vorzugsweise weniger als 1300 g/m², insbesondere weniger als 1000 g/m², aufweist.
Wärmedämmelement nach einem der voranstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Wärmedämmelement (1) weniger als 7 mm, vorzugsweise weniger als 6 mm, insbesondere zwischen 2 bis 3 mm, dick ist.
Wärmedämmelement nach einem der voranstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Wärmedämmelement (1) eine elektrische Durchschlagsfestigkeit von mehr als 20 kV/mm, vorzugsweise mehr als 30 kV/mm, insbesondere von 40 bis 70 kV/mm, aufweist.
Wärmedämmelement nach einem der voranstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Wärmedämmelement (1) auf wenigstens einer Flachseite zumindest abschnittsweise selbstklebend ausgebildet ist oder eine Klebeschicht (7) aufweist.
Batterie (8), vorzugsweise Lithium-Ionen-Batterie, insbesondere Traktionsbatterie für ein Elektrofahrzeug, mit einem Gehäuse (9), und mit wenigstens einem im und/oder am Gehäuse (9) angeordneten mehrschichtigen Wärmedämmelement (1) zur thermischen Isolierung und zum Brandschutz, dadurch gekennzeichnet, dass das Wärmedämmelement (1) nach einem der voranstehenden Ansprüche ausgebildet ist.
Batterie nach Anspruch 23, dadurch gekennzeichnet, dass das Wärmedämmelement (1) die Batterie (8), das Gehäuse (9), einen Gehäusedeckel (11) und/oder Batteriezellen (12) oberseitig zumindest teilweise, vorzugsweise vollständig bzw. vollflächig, über- oder abdeckt und/oder thermisch isoliert.
Batterie nach Anspruch 23 oder 24, dadurch gekennzeichnet, dass das Wärmedämmelement (1) an einem Gehäusedeckel (11) bzw. Gehäuseoberteil des Gehäuses (9) angebracht bzw. befestigt, vorzugsweise angeklebt, ist.
Batterie nach Anspruch 24 oder 25, dadurch gekennzeichnet, dass das Wärmedämmelement (1), insbesondere vollflächig, an einer dem Gehäuseinnenraum zugewandten Innenseite (13) des Gehäusedeckels (11) angebracht ist.
Batterie nach einem der Ansprüche 23 bis 26, dadurch gekennzeichnet, dass das Wärmedämmelement (1) zur thermischen Isolierung zwischen zwei benachbarten Batteriezellen (12) der Batterie (8) angeordnet ist.
Batterie nach einem der Ansprüche 23 bis 27, dadurch gekennzeichnet, dass wenigstens ein erstes Wärmedämmelement (1A) und wenigstens ein zweites Wärmedämmelement (1B) vorgesehen sind, wobei das erste Wärmedämmelement (1A) den Gehäuseinnenraum oberseitig verschließt bzw. thermisch isoliert und das zweite Wärmedämmelement (1B) zwischen benachbarten Batteriezellen (12) angeordnet ist.
Batterie nach Anspruch 28, dadurch gekennzeichnet, dass das zweite Wärmedämmelement (1B), vorzugsweise quer bzw. senkrecht, am ersten Wärmedämmelement (1A) thermisch isolierend angebracht, vorzugsweise angeklebt, vernadelt oder verschweißt, ist.
Verwendung eines mehrschichtigen Wärmedämmelementes (1) zur thermischen Isolierung einer Batterie (8), dadurch gekennzeichnet, dass ein mehrschichtiges und insgesamt flexibles und kompressibles Wärmedämmelement (1) mit einem langfaserigen, vernadelten Faservlies als Faserschicht (5) und/oder gemäß einem der Ansprüche 1 bis 22 zur thermischen Isolierung zwischen benachbarten Batteriezellen (12) und/oder oberhalb von Batteriezellen (12) angeordnet wird.