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Die Erfindung betrifft ein Batteriemodul und dessen Verwendung.
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Beschreibung
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Die Energie zum Antrieb von Fahrzeugen wird häufig aus Batterien bereitgestellt. Dies gilt insbesondere für Landfahrzeuge, welche die Energie zum Antrieb des Fahrzeugs teilweise, z.B. bei Hybridfahrzeugen (HEV), oder vollständig, z.B. bei Batterieelektrischen Fahrzeugen (BEV), aus Batterien beziehen. Es werden Batterien mit sehr hoher Energiedichte eingesetzt, wie z.B. Lithiumionenbatterien.
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Beim Laden und Entladen der Batterie wird viel Wärme freigesetzt, die es abzuführen gilt, um eine Hitzeschädigung der Batteriezellen zu verhindern. Bekannt sind beispielsweise Batteriemodule, die ein komplexes Kühlrohrleitungssystem, welches einen von der Batteriezelle und dem Wärmeableitsystem getrennten Kühlkreislauf aufweisen (
US2010279152A ). Diese haben den Nachteil, dass eine Vielzahl von Dichtungen benötigt werden, die mit der Zeit undicht werden können und außerdem ein Wärmewiderstand zwischen Wärmeableitsystem und Kühlmittel vorliegt.
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Es besteht ein nicht unerhebliches Risiko von Kurzschlüssen, wenn Batteriezellen beschädigt werden und mit dem Kühlmittel in Kontakt kommen. Dies gilt gerade bei Pouchzellen, da die Beutel der Pouchzellen leichter beschädigt werden können, als die häufig aus Metall bestehenden Gehäuse von zylindrischen oder prismatischen Batteriezellen.
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Die Aufgabe der vorliegenden Erfindung besteht daher in der Bereitstellung eines Batteriemoduls für ein elektrisch angetriebenes Fahrzeug, das einen wirtschaftlichen und zugleich besonders sicheren Betrieb des Fahrzeugs dauerhaft ermöglicht.
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Die Aufgabe wird gelöst durch ein Batteriemodul umfassend ein Gefäß, ein elektrisch nichtleitendes Fluid, mindestens zwei Batteriezellen und mindestens ein Graphit enthaltendes Kühlungssegment, wobei das Kühlungssegment zwischen den Batteriezellen angeordnet ist und das Fluid in dem Gefäß in Kontakt mit Oberflächen der Batteriezellen und in Kontakt mit einer Oberfläche des Kühlungssegments steht.
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Das elektrisch nichtleitende Fluid steht in dem Gefäß in Kontakt mit einer Oberfläche der Batteriezelle und in Kontakt mit einer Oberfläche des Kühlungssegments. Dadurch werden komplexe Kühlrohrleitungssysteme und die dadurch erforderlichen Dichtungen entbehrlich. Dies ermöglicht einen besonders wirtschaftlichen Betrieb des Fahrzeugs, insbesondere sinkt der Wartungsaufwand.
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Die Wirtschaftlichkeit des Betriebs steigt auch dadurch, dass Wärme aus den Batteriezellen direkt auf das Fluid übertragen wird (erster Wärmeleitpfad) und zusätzlich indirekt von der Batteriezelle über das Kühlungssegment auf das Fluid (zweiter Wärmeleitpfad). So muss weniger Kühlfluid umgepumpt werden. Dies steigert die Reichweite des Fahrzeugs, da ein höherer Anteil der in der Batterie speicherbaren Energie für den Antrieb des Fahrzeugs zur Verfügung steht.
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Gleichzeitig ist der Betrieb des Fahrzeugs dauerhaft sicher. Das Risiko eines thermischen Durchgehens (thermal runaway) sinkt, da „hot spots“, die an den Batteriezelloberflächen entstehen können, durch die hohe Wärmeleitfähigkeit des Kühlungssegments schnell ausgeglichen werden. Auch birgt der direkte Kontakt des Fluids mit den Batteriezellen kein Sicherheitsrisiko, da das Fluid nicht elektrisch leitend ist und somit ein erhöhtes Risiko von Kurzschlüssen vermieden wird.
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Das Kühlungssegment enthält Graphit. Es kann im Wesentlichen aus Graphit, z.B. aus mindestens 50 % Graphit oder mindestens 75 % Graphit bestehen. Das Graphit enthaltende Kühlungssegment umfasst vorzugsweise eine Graphitfolie oder eine Graphitplatte.
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Das Kühlungssegment kann eine elektrisch isolierende Beschichtung umfassen, z.B. eine Polyethylenterephthalat-Beschichtung (PET-Beschichtung). Beispielsweise kann das Kühlungssegment eine Graphitfolie oder eine Graphitplatte sein. Die Graphitfolie oder Graphitplatte kann die elektrisch isolierende Beschichtung umfassen. Ein Kontakt zwischen der Oberfläche des Kühlsegments und einer Elektrode einer beschädigten Pouchzelle führt dann nicht zu einer unerwünschten elektrischen Aufladung des Graphit enthaltenden und somit elektrisch leitfähigen Kühlungssegments. Dadurch verringert sich das Risiko von Stromschlägen, z.B. bei der Wartung des Fahrzeugs.
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Das Kühlungssegment kann Naturgraphit, synthetischen Graphit, expandierten Graphit oder Mischungen davon enthalten.
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Die Graphitfolie kann eine, ausgehend von Polymeren gebildete synthetische Graphitfolie sein. Vorzugsweise umfasst die Graphitfolie jedoch ein teilweise kompaktiertes Graphitexpandat.
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Die Herstellung von Graphitfolien, die ein teilweise kompaktiertes Graphitexpandat umfassen, ist allgemein bekannt. Sie lassen sich bekanntermaßen dadurch herstellen, dass man Graphit mit bestimmten Säuren behandelt, wobei sich ein Graphitsalz bildet, mit zwischen Graphenschichten eingelagerten Säure-Anionen. Das Graphitsalz wird anschließend expandiert, indem man es hohen Temperaturen von z.B. 800 °C aussetzt. Beispielsweise wird zur Herstellung von expandiertem Graphit (Graphitexpandat) mit einer wurmförmigen Struktur üblicherweise Graphit, wie Naturgraphit, mit einem Interkalaten, wie beispielsweise Salpetersäure oder Schwefelsäure, vermischt und bei einer erhöhten Temperatur von z.B. 600 °C bis 1200 °C wärmebehandelt (siehe
DE10003927A1 ).
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Das bei der Expansion erhaltene Graphitexpandat wird anschließend zur Graphitfolie verpresst. Ein Verfahren zur Herstellung von Graphitfolien ist z.B. in der
EP 1 120 378 B1 beschrieben. Auch die
DE 10 2012 202 748 A1 beschreibt ein Verfahren zur Herstellung einer Graphitfolie.
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Das Verpressen kann so gesteuert werden, dass man Graphitfolien erhält, die sehr fest sind. Verpresst man das Graphitexpandat nur leicht (beispielsweise auf ein Dichte im Bereich von 0,2 bis 0,7 g/cm3) wird eine relativ flexible Graphitfolienlage erhalten. Verpresst man auf höhere Dichten von z.B. 1,5 bis 1,9 g/cm3, ist die erhaltene Graphitfolienlage im Wesentlichen unflexibel und plattenartig. Je nachdem, wie stark verpresst und welche Zieldicke erreicht wird, erhält man also eine Graphitfolie oder eine Graphitplatte.
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Graphitexpandat stellt einen Graphit dar, der im Vergleich zu natürlichem Graphit in der Ebene senkrecht zu den hexagonalen Kohlenstoffschichten beispielsweise um den Faktor 80 oder mehr expandiert ist. Aufgrund der Expansion zeichnet sich expandierter Graphit durch eine hervorragende Formbarkeit und gute Verzahnbarkeit aus. Expandierter Graphit kann in Folien- bzw. Plattenform verwendet werden, wobei bevorzugt eine Folie bzw. Platte mit einer Dichte von 0,7 bis 1,8 g/cm3 verwendet wird. Eine Folie bzw. Platte aufweisend diesen Dichtebereich weist Wärmeleitfähigkeiten von 150 W/(m·K) bis 500 W/(m·K) auf. Die Wärmeleitfähigkeit wird mittels der Angström-Methode („Ångström Method of Measuring Thermal Conductivity“; Amy L. Lytle; Physics Department, The College of Wooster, Theses) bestimmt.
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Erfindungsgemäß weist die Graphitfolie eine Dicke von 10 µm bis 1 mm, bevorzugt 100 bis 800 µm, besonders bevorzugt 200 bis 600 µm auf. Bei kleiner als 10 µm ist die Handhabbarkeit nicht mehr gegeben. Vorteilhafterweise weist die Graphitplatte eine Dicke von >1 mm bis 5 mm, bevorzugt 1,5 bis 4 mm, besonders bevorzugt 2 bis 3 mm auf.
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Bei einer Dicke größer als 5 mm wird das Volumenverhältnis Batteriezelle zu Kühlelement in der Regel ungünstig. D.h., dass die Batteriekapazität pro Batterievolumen dann weniger günstig ist, als bei dünneren Graphitfolien oder -platten.
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Das Kühlungssegment weist zwei Hauptoberflächen auf. Die eine Batteriezelle liegt an einem Teil der einen Hauptfläche an. Die andere Batteriezelle liegt an einem Teil der anderen Hauptfläche an. Typischerweise verlaufen die beiden Hauptflächen eben und parallel zueinander. Durch eine Parallelprojektion des Umrisses der Batteriezelle auf die Hauptfläche, an der die Batteriezelle anliegt, wird ein Projektionsumriss definiert. Vorzugsweise liegen die Projektionsumrisse beider Batteriezellen vollständig innerhalb des Rands des Kühlungssegments. Vorzugsweise nimmt die vom einen Projektionsumriss umgebene Fläche 25 bis 95 %, z.B. 40 bis 80 %, der einen Hauptfläche ein. Vorzugsweise nimmt die vom anderen Projektionsumriss umgebene Fläche 25 bis 95 %, z.B. 40 bis 80 %, der anderen Hauptfläche ein.
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Dies hat den Vorteil, dass überstehende Bereiche des Kühlsegments in Form von Finnen die Wärme an das nichtleitende Fluid übertragen, was die indirekte Wärmübertragung (zweiter Wärmeleitpfad) begünstigt.
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Der umlaufende Abstand vom Projektionsumriss zum Rand des Kühlungssegments liegt vorzugsweise ringsum im Bereich von 0,5 bis 50 mm, bevorzugt 5 bis 40 mm, besonders bevorzugt 10 bis 30 mm.
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Vorteilhafterweise wird die Batteriezelle aus der Gruppe prismatische Zellen, Pouchzellen oder zylindrische Zellen, bevorzugt Pouchzellen ausgewählt.
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Vorzugsweise hat die Pouchzelle eine Vorder- und eine Rückseite, die im Wesentlichen eben sind und parallel zueinander verlaufen. Die Vorder- und die Rückseite nehmen mindestens 50 %, z.B. mindestens 60 %, bevorzugt mindestens 70 % der gesamten Oberfläche eines Beutels ein, der die Pouchzelle nach außen abschließt.
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Das erfindungsgemäße Batteriemodul kann als Akkumulator verwendet werden, der den Antrieb eines Fahrzeugs bewirkt oder mitbewirkt, z.B. eines durch elektrischen Strom angetriebenen PKWs (BEV oder HEV), Flugzeugs oder Schiffs.
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Das Fluid ist elektrisch nichtleitend. Vorzugsweise ist das Fluid eine Flüssigkeit.
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Elektrisch nichtleitend bedeutet, dass die Flüssigkeit elektrischen Strom nicht leitet. Die Leitfähigkeit beträgt höchstens 10-8 S·cm-1 bzw. der spezifische elektrische Widerstand beträgt 108 Ω·cm, gemessen jeweils bei 25°C. Er wird gemessen gemäß DIN EN 60247:2004.
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Die Flüssigkeit kann z.B. eine fluorierte organische Verbindung enthalten, z.B. eine vollständig fluorierte organische Verbindung oder eine teilweise fluorierte organische Verbindung, insbesondere ein teilweise oder vollständig fluoriertes Keton oder einen teilweise oder vollständig fluorierten Ether. z.B. ein vollständig fluoriertes Keton, oder einen teilweise fluorierten Ether. Der bei einem Druck von 1 Bar bestimmte Siedepunkt der Verbindung kann beispielsweise im Bereich von 45 bis 150 °C, bevorzugt im Bereich von 55 °C bis 100 °C liegen.
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Im vollständig fluorierten Keton kann an den Keto-Kohlenstoff eine siebenfach fluorierte Isopropylgruppe und eine fünffach fluorierte Ethylgruppe gebunden sein.
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Die Erfindung betrifft auch die Verwendung des elektrisch nichtleitenden Fluids zur Kühlung eines Batteriemoduls, z.B. des erfindungsgemäßen Batteriemoduls, das als Akkumulator den Antrieb eines durch elektrischen Strom angetriebenen PKWs, Flugzeugs oder Schiffs bewirkt.
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Die Verwendung elektrisch nichtleitender Flüssigkeiten als Kühlfluid hat den Vorteil, dass es bei einer eventuellen Beschädigung und einem thermischen Durchgehen (thermal runaway) einer Batteriezelle nicht zu einem Kurzschluss kommt.
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Nachfolgend wird die vorliegende Erfindung rein beispielhaft anhand vorteilhafter Ausführungsformen und unter Bezugnahme auf die beigefügten Zeichnungen beschrieben.
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Die Erfindung wird durch die Figuren nicht beschränkt.
- 1 zeigt einen parallel zur Kontaktfläche von Pouchzelle und Kühlungssegment erfolgten Schnitt durch ein erfindungsgemäßes Batteriemodul.
- 2 zeigt einen orthogonal zur Kontaktfläche von Pouchzelle und Kühlungssegment erfolgten Schnitt durch einen Teil des in 1 gezeigten Batteriemoduls.
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In 1 und 2 ist dasselbe Batteriemodul 1 gezeigt. Es umfasst ein Gefäß 2. Das Batteriemodul 1 umfasst auch ein elektrisch nichtleitendes Fluid 3. Die vom Batteriemodul umfassten Batteriezellen 4, 14 sind Pouchzellen 4A, 14A, zwischen denen eine auf eine Dichte von 1,5 g/cm3 verdichtete, 2 mm starke, durch Verpressen von Graphitexpandat gebildete Graphitplatte als Kühlungssegment 5 angeordnet ist.
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Das Modul weist neben den Pouchzellen 4A und 14A und dem Kühlungssegment 5 weitere Pouchzellen und Kühlungssegmente auf, die einen Stapel bilden. Dies ist in 2 zu sehen, wobei dort nur ein Teil des Stapels gezeigt ist.
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Das Fluid 3 steht in dem Gefäß 2 in Kontakt mit Oberflächen 7, 17 der Pouchzellen 4A, 14A und in Kontakt mit einer Oberfläche 8 des Kühlungssegments 5.
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Aus den Figuren wird deutlich, dass das Kühlungssegment 5 zwei Hauptoberflächen aufweist und dass die eine Pouchzelle 4A an einem Teil der einen Hauptfläche anliegt und die andere Pouchzelle 14A an einem Teil der der anderen Hauptfläche anliegt.
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Stromleitelemente 15, 16 sind nur in 1 eingezeichnet.
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Bezugszeichenliste
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| Batteriemodul |
1 |
| Gefäß |
2 |
| elektrisch nichtleitendes Fluid |
3 |
| Batteriezellen |
4, 14 |
| Pouchzellen |
4A, 14A |
| Graphit enthaltendes Kühlungssegment |
5 |
| Oberflächen der Batteriezellen |
7, 17 |
| Oberfläche des Kühlungssegments |
8 |
| Stromleitelelemente |
15, 16 |
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Diese Liste der vom Anmelder aufgeführten Dokumente wurde automatisiert erzeugt und ist ausschließlich zur besseren Information des Lesers aufgenommen. Die Liste ist nicht Bestandteil der deutschen Patent- bzw. Gebrauchsmusteranmeldung. Das DPMA übernimmt keinerlei Haftung für etwaige Fehler oder Auslassungen.
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Zitierte Patentliteratur
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- US 2010279152 A [0003]
- DE 10003927 A1 [0014]
- EP 1120378 B1 [0015]
- DE 102012202748 A1 [0015]
