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Die vorliegende Erfindung betrifft eine Batteriebaugruppe, welche eine Vielzahl von einzelnen Batteriezellen enthält, und insbesondere eine Batteriebaugruppe mit Schutzhüllen, in welchen die Batteriezellen angeordnet sind.
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Batteriezellen werden in der Regel für den erforderlichen Anwendungszweck in einer großen Batteriebaugruppe zusammengefasst, um die notwendige Gesamtkapazität und auch die elektrische Spannung durch Reihenschaltung mehrerer Batteriezellen für den gewünschten Anwendungszweck bereitzustellen.
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In der vorliegenden Erfindung werden wiederaufladbare Batteriezellen berücksichtigt, insbesondere Hochleistungsakkus, z.B. auf Lithium-Ionen-Basis. Diese haben jedoch den Nachteil, dass sie sich im Betrieb selbst entzünden können. Die Konstruktion von gängigen Batteriezellen sieht vor, dass sich in einem solchen Fall das entstehende Plasma aus einem Bereich neben dem elektrischen Pol an einer der Stirnseiten der Batteriezelle vorzugsweise austritt. Es ist jedoch möglich, dass heißes Plasma, Gase, Flammen, etc. aus einer Mantelfläche der Batteriezelle austritt. Besonders problematisch ist ein solches Versagen einer einzelnen Batteriezelle in einer Batteriebaugruppe, weil durch das austretende heiße Plasma auch benachbarte Zellen in Mitleidenschaft gezogen werden können. Im ungünstigsten Fall entsteht eine Kettenreaktion, wodurch die gesamte Batteriebaugruppe abbrennen kann.
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Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es daher, einen Batterieaufbau mit einer Vielzahl von Batteriezellen, insbesondere wiederaufladbaren Batteriezellen, bereitzustellen, welcher die Gefahr einer Kettenreaktion beim Selbstentzünden der Zellen wirksam unterbindet.
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Gelöst wird die Aufgabe durch eine Batteriebaugruppe gemäß Anspruch 1.
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Eine Besonderheit der Batteriebaugruppe gemäß der vorliegenden Erfindung besteht darin, dass jede einzelne Batteriezelle in einer Schutzhülle aus einem faserverstärkten Kunststoff angeordnet ist, wobei die Schutzhülle die Mantelfläche der Batteriezelle vollständig bedeckt und in direktem Kontakt zu dieser steht. Für den Fall, dass sich eine Batteriezelle selbst entzündet und heißes Plasma aus der Mantelfläche der Batteriezelle austritt, werden durch die Schutzhülle die benachbarten Zellen geschützt. Ein Karbon-Mantel verhindert vollständig, dass heißes Plasma auf der Mantelfläche der Zelle austreten kann. Im Vergleich zu einer Konstruktion einer Batteriebaugruppe, in welcher die Batteriezellen in einem aus Metall gebildeten Gehäuse angeordnet sind, haben die Schutzhüllen aus faserverstärktem Kunststoff nicht nur den Vorteil, dass sie wesentlich leichter sind, sondern dass sie außerdem eine bessere thermische Isolierung der benachbarten Batteriezellen gewährleisten. Beim Metallgehäuse kann bereits durch die höhere thermische Leitfähigkeit der Effekt auftreten, dass durch eine sich selbst entzündenden Batteriezelle benachbarte Zellen thermisch beschädigt werden oder sogar sich selbst entzünden. Diese Gefahr ist besonders groß, wenn heißes Plasma aus einer sich selbst entzündenden Batteriezelle aus der Mantelfläche austritt, weil das Plasma durch die Anordnung der Batteriezellen in einem regelmäßigen Gitter direkt auf die benachbarte Batteriezelle auftreffen kann. Im Stand der Technik wurde bereits versucht, durch Anordnen der Batteriezellen in einem Metallgehäuse diesen Effekt zu verhindern. Jedoch sind Schutzhüllen auch aus faserverstärktem Kunststoff wegen der besseren thermischen Isolierung vorzuziehen. Überraschend ist dabei, dass ein faserverstärkter Kunststoff bereits ausreichend Schutz bietet, obwohl dieser prinzipiell sich auch entzünden kann. Für die Dauer eines Brandes einer Batteriezelle kann jedoch der faserverstärkte Kunststoff der thermischen Belastung standhalten, so dass eine Kettenreaktion wirksam verhindert werden kann.
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Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform kann der faserverstärkte Kunststoff Carbonfasern umfassen. Alternativ könnten auch Glasfasern oder Aramidfasern oder ein Gemisch dieser Faser angewandt werden. Carbonfasern haben jedoch den Vorteil, dass sie ein sehr günstiges Verhältnis von Gewicht zu Festigkeit aufweisen. Die Fasern sollen verhindern, dass die Schutzhülle bei einem Versagen der Batteriezelle aufplatzt. Daher sind die Fasern vorzugsweise so angeordnet, um eine möglichst große Kraft in radialer Richtung der Batteriezelle aufzunehmen. Vorzugsweise sind daher die Fasern überwiegend, d.h. zu mehr als 50%, in einem Winkel angeordnet, der weniger als ±45° zur Umfangsrichtung der Schutzhülle verläuft. Vorzugsweise verlaufen wenigstens 70% der Fasern in einem Winkel von weniger als ±45° zur Umfangsrichtung.
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Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform besitzen die Schutzhüllen eine Wandstärke zwischen 0,03 mm und 0,3 mm, insbesondere zwischen 0,05 mm und 0,2 mm.
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Bevorzugt ist etwa 1 mm. Die Wandstärken sind im Vergleich zu den Abmessungen der Batteriezelle, die beispielsweise einen Durchmesser zwischen 18 mm und 20 mm aufweisen, sehr gering. Sie reichen jedoch aus, um benachbarte Batteriezellen so lange zu schützen, bis eine sich selbst entzündende Batteriezelle von selbst wieder erloschen ist.
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Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform weist das Zellengehäuse eine Decken- und eine Bodenwand auf, welche durchgängig alle Schutzhüllen oberhalb und unterhalb der Batteriezelle abschließen. Die Decken- und Bodenwand bietet einen Schutz für den Fall, dass heißes Plasma einer Batteriezelle neben einem der elektrischen Pole an der Stirnseite der Batteriezelle austritt. Die Decken- oder Bodenwand an der schadhaften Batteriezelle selbst wird mit großer Wahrscheinlichkeit zerstört werden. Durch die Decken- und Bodenwand werden aber die benachbarten Zellen geschützt, weil deren Aufnahmeräume gegenüber dem Aufnahmeraum der schadhaften Zelle vollständig abgeschlossen sind. Vorzugsweise sind sogar Sollbruchstellen in der Deckenwand und/oder der Bodenwand innerhalb des Umfangs der Schutzhülle, d.h. genau oberhalb oder unterhalb der Stirnseiten einer Batteriezelle, angeordnet. Diese Sollbruchstellen sollen aufbrechen, wenn eine Batteriezelle sich selbst entzündet, um ein kontrolliertes Abbrennen der Zelle zu ermöglichen. Benachbarte Zellen werden jedoch durch die übrige Decken- bzw. Bodenwand wirksam geschützt.
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Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform sind ferner Gehäusewände beabstandet zu der Boden- und Deckenwand auf der den Batteriezellen entgegengesetzten Seite der Boden- bzw. Deckenwand angeordnet. Dadurch entstehen Zwischenräume zwischen der Boden- bzw. Deckenwand und der jeweiligen Gehäusewand, durch welche heißes Plasma einer sich selbst entzündenden Batteriezelle quer zur Längserstreckung der Batteriezellen abgelenkt werden kann. Die Gehäusewände, welche vorzugsweise aus Metall, aus Karbon oder einem anderen feuerfesten Material gebildet sind, verhindern dabei, dass das heiße Plasma aus der Batteriebaugruppe axial zu den Batteriezellen austritt. Ferner sorgen die Boden- bzw. Deckenwand dafür, dass alle übrigen Batteriezellen gegenüber dem abgeleiteten heißen Plasma einer schadhaften Batteriezellen geschützt sind.
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Gemäß einer Weiterbildung der zuletzt genannten Ausführungsform können die Gehäusewände mittels Stegen an der Boden- und/oder Deckenwand befestigt sein, um einen definierten Abstand zwischen der Boden- und/oder Deckenwand und der jeweiligen Gehäusewand festzulegen. Der dadurch entstehende Zwischenraum zwischen der Boden- bzw. Deckenwand und der jeweiligen Gehäusewand ist damit in seiner Höhe definiert und kann entsprechend dimensioniert werden, um ein zuverlässiges Ableiten von Plasma einer schadhaften Batteriezelle zu ermöglichen. Ferner kann der Zwischenraum in Verbindung mit weiteren Ausführungsformen auch zur Kühlung der Batteriebaugruppe im regulären Betriebszustand genutzt werden, wie weiter unten ausgeführt.
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Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform sind die Schutzhülle in einer Matrix aus einem Kunststoffmaterial, insbesondere einem Kunststoffschaummaterial oder einem Spritzgusselement, gehalten, wobei der minimale Abstand zwischen zwei benachbarten Schutzhüllen wenigstens 1 mm, vorzugsweise 2 mm, beträgt. Die Matrix dient zunächst um die Schutzhüllen zu einem Zellengehäuse zusammenzuhalten. Ferner hat sie außerdem noch die Funktion, dass beim Versagen einer Schutzhülle nicht unmittelbar auch die benachbarte Schutzhülle in Mitleidenschaft gezogen wird. Insbesondere das Schaummaterial sorgt für eine thermische Isolierung. Eine Matrix aus einem Kunststoffschaummaterial bietet nicht nur eine gute thermische Isolierung der Schutzhüllen zueinander sondern ist außerdem gewichtsoptimiert. Ein Kunststoffspritzteil als Matrix lässt sich besonders kostengünstig herstellen und bietet auch die Möglichkeit, noch Hohlräume vorzusehen, um eine bessere thermische Isolierung der Schutzhüllen zueinander zu ermöglichen. Ferner bietet der Abstand zwischen den Schutzhüllen die Möglichkeit, auch noch Durchgriffsöffnungen für Fluidleitungen in dem Zellengehäuse vorzusehen, wie nachfolgend ausgeführt.
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Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform weist das Zellengehäuse außerhalb der Aufnahmeräume auf der den Aufnahmeräumen entgegengesetzten Seite der Schutzhüllen Durchgangsöffnungen auf, welche zur Durchströmung mit einem Kühlfluid, insbesondere einem Gas, eingerichtet sind. Vorzugsweise erstrecken sich die Durchgangsöffnungen direkt angrenzend an die Schutzhüllen auf der dem Aufnahmeraum abgewandten Seite, um eine gute thermische Ankopplung mit der in dem Aufnahmeraum angeordneten Batteriezelle zu gewährleisten. Die Durchgangsöffnungen sind vorzugsweise parallel zu der Längserstreckung der Schutzhüllen angeordnet und können beispielsweise den Raumbereich zwischen der Gehäusewand und der Deckenwand mit dem Raumbereich zwischen der Bodenwand und der weiteren Gehäusewand fluidtechnisch verbinden. In dieser Ausführungsform kann ein Kühlfluid in den Raumbereich über der Deckenwand eingeleitet werden und aus dem Raumbereich unterhalb der Bodenwand ausgeleitet werden. Das Kühlfluid verteilt sich dadurch flächig über alle Batteriezellen. Es kann ferner vorgesehen sein, dass sich die Dichte und/oder die Durchmesser der Durchgangsöffnungen von der Seite der Batteriebaugruppe, an welcher der Kühlfluidvorlauf anliegt, zu der Seite der Batteriebaugruppe, in welcher der Kühlfluidrücklauf anliegt, vergrößern oder verringern. Da sich das Kühlfluid beim Durchströmen durch die Batteriebaugruppe erwärmt, würden bei gleicher Dichte und gleichem Durchmesser der Durchgangsöffnungen die vom Kühlmittelvorlauf weiter entfernten Batteriezellen schlechter gekühlt werden als die dem Kühlmittelvorlauf näher liegenden Batteriezellen. Durch die Erhöhung der Dichte und/oder der Vergrößerung der Durchmesser der Durchgangsöffnung kann dieser Effekt kompensiert werden, weil dadurch der Volumenstrom des Kühlfluids in dem Bereich des Zellengehäuses, in welchen das Kühlfluid bereits eine höhere Temperatur angenommen hat, vergrößert ist.
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Als Kühlfluid ist ein Gas oder ein Gasgemisch, insbesondere Luft, bevorzugt. Im Vergleich zu einer Flüssigkeitskühlung ist das gesamte System der Batteriebaugruppe dadurch wesentlich leichter. Die Bauart mit dem Zellengehäuse gemäß der vorliegenden Erfindung erlaubt es, die Durchgangsöffnungen so groß zu dimensionieren, dass die notwendige Kühlleistung durch ein Gas oder Gasgemisch trotz der geringeren Wärmekapazität gegenüber einer Kühlflüssigkeit ausreicht.
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Weitere Vorteile und Merkmale der vorliegenden Erfindung werden aus der nachfolgenden Beschreibung einer bevorzugten Ausführungsform deutlich, die in Verbindung mit den beigefügten Figuren gegeben wird. In den Figuren ist Folgendes dargestellt:
- 1 zeigt einen Querschnitt durch eine Batteriebaugruppe senkrecht zur Längserstreckung der Batteriezellen.
- 2 zeigt einen Querschnitt durch die Batteriebaugruppe der 1 entlang der gestrichelten Linie I-I in 1.
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In den Figuren ist ein Ausschnitt einer Batteriebaugruppe in einer Ausführungsform der Erfindung dargestellt. Die Batteriebaugruppe umfasst eine Vielzahl von Batteriezellen 2, welche in der dargestellten Ausführungsform eine Zylinderform aufweisen und in einem hexagonalen Gitter angeordnet sind. Obgleich in 1 nur fünf und in 2 nur zwei Batteriezellen 2 dargestellt sind, ist zu verstehen, dass die Batteriebaugruppe eine viel größere Anzahl von Batteriezellen umfasst, beispielsweise 50 Batteriezellen 2 oder mehr.
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Die Batteriezellen sind in einem Zellengehäuse 4 angeordnet, wobei das Zellengehäuse 4 für jede einzelne Batteriezelle 2 jeweils eine Schutzhülle 3 aufweist und die Schutzhüllen 3 mit einem Kunststoffschaummaterial 5 verbunden sind. Der Innenraum der Schutzhülle 3 dient als Aufnahmeraum für jeweils eine Batteriezelle 2.
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Die Schutzhülle 3 ist in der dargestellten Ausführungsform aus Carbonfasern gebildet und weist eine Wandstärke von 0,1 mm (±20%) auf und die Schutzhüllen sind in dem Kunststoffschaummaterial 5 mit einem minimalen Abstand von etwa 2 mm (Toleranz ±20%) in einem hexagonalen Gitter angeordnet. Die Batteriezelle 2 liegt mit ihrem zylindrischen Außenumfang direkt an der Innenwand der Schutzhülle 3 an. Dies ergibt den Vorteil, dass im Falle einer Selbstentzündung einer Batteriezelle und einem Plasmaaustritt aus der Mantelwand der Batteriezelle der Plasmaaustritt durch die Schutzhülle wenigstens solange unterbunden wird, bis die Batteriezelle 2 von selbst erlischt. Dabei ist durchaus berücksichtigt, dass die Schutzhülle 3 aus Carbon selbst beschädigt werden kann. Sie muss nur solange standhalten, um benachbarte Batteriezellen zu schützen, bis die schadhafte Batteriezelle von selbst erlischt. Zusätzlich zu der Schutzhülle 3 ist das Kunststoffmaterial 5 zwischen den Schutzhüllen in dem Zellengehäuse vorgesehen. Dies sorgt ferner für eine thermische Isolierung der Batteriezellen, so dass die benachbarten Batteriezellen einer schadhaften Batteriezelle auch nicht überhitzen.
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Wie in dem Querschnitt nach 2 dargestellt, erstrecken sich die Schutzhüllen 3 über die vollständige Länge der Batteriezellen und stehen sogar ein Stück nach oben und unten darüber hinaus. In diesem Bereich können Öffnungen vorgesehen sein, um elektrische Verbindungen 16 zur Reihenschaltung der Batteriezellen durch die Schutzhülle 3 durchzuführen. An den beiden Stirnseiten der Schutzhülle 3 ist jeweils eine durchgängige Boden- und Deckenwand 14 vorgesehen, welche die Aufnahmeräume in den Schutzhüllen 3 abschließen. Die Boden- und Deckenwand kann beispielsweise aus einem Kunststoffmaterial, mit oder ohne Faserverstärkung, vorgesehen sein. Gemäß der dargestellten Ausführungsform weisen die Boden- und Deckenwände Sollbruchstellen 20 auf, die sich kreisförmig innerhalb des Umfangs der Schutzhüllen 3 erstrecken. Die Sollbruchstellen 20 sind dafür vorgesehen, dass bei einer Selbstentzündung einer Batteriezelle 2 diese aufbrechen können, um heißes Plasma nach oben oder unten abzuleiten. Da nur die Sollbruchstelle 20 der schadhaften Batteriezelle aufbricht, sind die benachbarten Batteriezellen dennoch geschützt. Demnach kann kontrolliert eine Batteriezelle abbrennen, während die anderen Batteriezellen weiter in Betrieb bleiben.
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Der Batterieaufbau in der dargestellten Ausführungsform weist ferner noch äußere Gehäusewände 22 auf, welche oberhalb bzw. unterhalb der Boden- und Deckenwand 14 vorgesehen sind. Insbesondere sind die Gehäusewände 22 mit Stegen 24 in einem definierten Abstand zu der Boden- bzw. Deckenwand 14 angeordnet. Der Raumbereich zwischen der Boden- bzw. der Deckenwand 14 und der jeweiligen Gehäusewand 22 kann, wie vorhergehend erläutert, dazu dienen, Plasma einer schadhaften Batteriezelle abzuleiten. Ferner kann er auch zur Kühlung des Batterieaufbaus dienen. Beispielsweise kann der Raumbereich zwischen der Deckenwand 14 und der Gehäusewand 22 mit einem Kühlfluidzulauf verbunden sein und der Raumbereich zwischen der Bodenwand 14 und der unteren Gehäusewand 22 mit einem Kühlfluidrücklauf verbunden sein. Durch das Zellengehäuse 4 einschließlich der Boden- und Deckenwand 14 erstrecken sich Durchgangsöffnungen 12, wie in 1 dargestellt. Diese verbinden den Raumbereich ober- und unterhalb des Zellengehäuses 4 miteinander, so dass das Kühlfluid durch die Durchgangsöffnungen 12 strömen kann, um die Batteriezellen zu kühlen. Vorzugsweise sind, wie in 1 dargestellt, die Durchgangsöffnungen 12 unmittelbar an der Außenwand der Schutzhüllen vorgesehen, um eine möglichst gute thermische Verbindung zwischen der Batteriezelle 2 und dem Kühlfluid in den Durchgangsöffnungen 12 zu gewährleisten. In dem dargestellten Ausschnitt des Batterieaufbaus ist jeweils eine Durchgangsöffnung 12 pro Batteriezelle 2 vorgesehen. Ferner sind die Durchgangsöffnungen 12 alle gleich ausgebildet. Es kann jedoch vorgesehen sein, dass sich die Durchgangsöffnungen 12 in den Durchmessern unterscheiden oder die Anzahl der Durchgangsöffnungen pro Batteriezellen sich über den Batterieaufbau ändert. Insbesondere kann sich der Durchmesser oder die Anzahl der Durchgangsöffnungen sich von einer Seite des Kühlmittelvorlaufs zu einer Seite des Kühlmittelrücklaufs erhöhen. Dadurch werden die Batteriezellen weiter hinten im Kühlfluidkreislauf mit einem höherem Volumenstrom des Kühlfluids beaufschlagt. Somit kann der Effekt kompensiert werden, dass die hinteren Batteriezellen schlechter gekühlt werden aufgrund des sich vom Vor- zum Rücklauf erwärmenden Kühlfluids.
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Die Kühlleistung für jede Batteriezelle kann durch den sich erhöhenden Volumenstrom des Kühlfluids etwa konstant sein innerhalb des Batterieaufbaus.
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Zahlreiche Änderungen in dem vorher beschriebenen Batterieaufbau können vorgenommen werden, ohne von dem Umfang der Erfindung, der durch die Ansprüche definiert ist, abzuweichen. Insbesondere können unterschiedliche Formen von Batteriezellen (z.B. mit 18 mm oder 21 mm Durchmesser) vorgesehen sein. Ferner können sich die Materialen für das Zellengehäuse, welches vorzugsweise Kunststoff umfasst, und der Gehäusewände, die vorzugsweise Metall umfassen, variieren. Der Kühlkreislauf kann optional vorgesehen sein, wobei ein Kühlkreislauf mit Luft bevorzugt ist. Alternativ können auch Schutzgase als Kühlkreislauf vorgesehen werden, um die Brandgefahr der Batteriezellen zu verringern. Es kann auch mit einer Flüssigkeit, z.B. Wasser gekühlt werden, wobei in diesem Fall die Kühldurchgangsöffnungen 12 dann durch die Stege 24 zwischen den Wänden 14 und 22 nach außen laufen. Der Hohlraum zwischen den Wänden 14 und 22 ist mit Luft oder einem Schutzgas gefüllt.
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Bezugszeichenliste
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- 2
- Batteriezelle
- 3
- Schutzhülle
- 4
- Zellengehäuse
- 5
- Kunststoffschaum
- 12
- Kühldurchgangsöffnungen
- 14
- Boden- und Deckenwand
- 16
- elektrische Verbindung
- 20
- Sollbruchstelle
- 22
- Gehäusewand
- 24
- Steg
