DE102019103283A1

DE102019103283A1 - Multizellen-Batteriemodul

Info

Publication number: DE102019103283A1
Application number: DE102019103283.0A
Authority: DE
Inventors: Ralf Keller
Original assignee: Dr Ing HCF Porsche AG
Current assignee: Dr Ing HCF Porsche AG
Priority date: 2019-02-11
Filing date: 2019-02-11
Publication date: 2020-08-13
Anticipated expiration: 2039-02-12
Also published as: CN111554996A; DE102019103283B4; US20200259226A1

Abstract

Die Erfindung bezieht sich auf ein Multizellen- Batteriemodul (20) für eine Traktionsbatterie (12) eines in Vorwärtsrichtung (V) fahrenden Kraftfahrzeugs (10), mit einem Modulgehäuse (22), das eine metallische Bodenwand (27) aufweist, und mehreren plattenartigen und deformierbaren Pouch-Batteriezellen (301-305), die in dem Modulgehäuse (20) vertikal, parallel zueinander und in Querrichtung zur Vorwärtsrichtung stehend angeordnet sind,wobei an die Bodenwand (27) unmittelbar angrenzend und die Bodenwand (27) thermisch kontaktierend eine nicht-klebende und nicht-ausgehärtete Wärmeleitmasse (50) eingefüllt ist, die die unteren Enden der Pouch-Batteriezellen (301-305) thermisch kontaktiert.

Description

Die Erfindung bezieht sich auf ein Multizellen-Batteriemodul für eine Unterboden-Traktionsbatterie eines in Vorwärtsrichtung fahrenden Kraftfahrzeugs.
Die Traktionsbatterie eines Kraftfahrzeugs mit elektrischem Traktionsantrieb besteht aus einer Vielzahl von Multizellen-Batteriemodulen, die wiederum eine Vielzahl von plattenartigen Batteriezellen aufweisen. Die Traktionsbatterie ist in der Regel im Kraftfahrzeug-Unterboden angeordnet, und kann daher bei einem Seitencrash erheblich deformiert werden. Wenn die Batteriemodule dabei so angeordnet sind, dass die Batteriezellen in den Batteriemodul quer zur Vorwärtsrichtung des fahrenden Kraftfahrzeugs orientiert sind, also in einer vertikalen Ebene oder in einer Horizontalebene stehen, werden die Batteriezellen bei einer Deformation des Batteriemoduls ebenfalls erheblich deformiert, und zwar im Wesentlichen in einer Querrichtung, die in der Grundebene der plattenartigen Batteriezelle liegt. Die Batteriezellen werden also erheblich gestaucht.
Aus DE 10 2014 210 572 A1 ist bekannt, die jeweils in einer Vertikalebene stehenden Batteriezellen über Festkörper-Wärmeleitkörper mit der Bodenwand thermisch zu verbinden, um eine gute Wärmeabfuhr von den Batteriezellen zur aktiv gekühlten Bodenwand des Modulgehäuses des Batteriemoduls herzustellen. Hierdurch sind die jeweiligen Batteriezellen mechanisch fest mit der Bodenwand verbunden. Bei einem Seitencrash werden die Batteriezellen auch über die Verformung der Bodenwand plastisch verformt. Von stark deformierten Batteriezellen geht eine erhebliche Brandgefahr aus.
Aufgabe der Erfindung ist es demgegenüber, ein Multizellen-Batteriemodul einer Traktionsbatterie mit einer verringerten Brandgefahr im Crashfall zu schaffen.
Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß gelöst mit einem Multizellen-Batteriemodul mit den Merkmalen des Anspruchs 1.
Das erfindungsgemäße Multizellen-Batteriemodul für eine Traktionsbatterie eines in Vorwärtsrichtung fahrenden Kraftfahrzeugs, insbesondere für eine Unterboden-Traktionsbatterie, weist ein Modulgehäuse mit einer metallischen Bodenwand auf, die eine gute thermische Leitfähigkeit aufweist. In dem Modulgehäuse ist eine Vielzahl plattenartiger und deformierbarer Pouch-Batteriezellen angeordnet, die mit ihrer Grundebene jeweils vertikal, zueinander parallel und in Querrichtung zur Vorwärtsrichtung des Kraftfahrzeugs stehend angeordnet sind. Die vertikale Anordnung der Batteriezellen ist deshalb vorteilhaft, weil auf diese Weise über die Bodenwand des Modulgehäuses alle Batteriezellen auf relativ einfache Weise gekühlt werden können.
An die Bodenwand unmittelbar angrenzend und die Bodenwand thermisch kontaktierend ist eine nicht-klebende und nicht-ausgehärtete Wärmeleitmasse eingefüllt, die die unteren Enden der Pouch-Batteriezellen thermisch kontaktiert. Die elastische und/oder in geringem Maße sogar leicht viskose Wärmeleitmasse liegt mit ihren Grenzschichten einerseits sehr eng an der Oberfläche der Bodenwand und andererseits an der betreffenden Oberfläche der Batteriezellen an, sodass hier jeweils ein guter Wärmeübergang an den Grenzflächen sichergestellt ist. Die Batteriezellen liegen nur auf der Grenzschicht der Wärmeleitmasse auf bzw. an ihr an, sind jedoch nicht stoffschlüssig, oder kraftschlüssig oder formschlüssig mit ihr mechanisch verbunden. Wegen der elastischen bzw. plastischen Verformbarkeit der Wärmeleitmasse werden im Crashfall keine oder nur geringe Kräfte von der Modulgehäuse-Bodenwand auf die Batteriezellen übertragen. Die Batteriezellen sind schwimmend innerhalb des Modulgehäuses gelagert. Da die Batteriezellen selbst als sogenannte Pouch-Batteriezellen ausgebildet sind, können sie bei einer Stauchung des Modulgehäuses von außen durch ihre gute plastische Deformationsfähigkeit entsprechend mechanisch nachgeben, ohne hierbei zwangsläufig beschädigt oder zerstört zu werden. Hierdurch wird die Brandgefahr im Falle eines Seitencrashs erheblich reduziert.
Vorzugsweise ist vorgesehen, dass die Wärmeleitmasse eine spezifische Wärmeleitfähigkeit von größer 2,5 Watt/Milli-Kelvin aufweist. Hierdurch wird eine ausreichende Wärmeübertragung von den Batteriezellen zu der Bodenwand des Modulgehäuses sichergestellt.
Vorzugsweise weist die Wärmeleitmasse eine Viskosität von mindestens 50 - 150 mPa·s bei Raumtemperatur auf. Die Wärmeleitmasse ist also in einem Mindestmaß viskos, kann also noch wie eine Flüssigkeit fließend in das Modulgehäuse eingebracht werden, verhält sich jedoch bei auf sie einwirkenden Beschleunigungen sehr träge.
Alternativ kann die Wärmeleitmasse von einer Matte gebildet sein, die in das Modulgehäuse eingelegt wird, bevor beispielsweise die Batteriezellen in das Modulgehäuse eingesetzt werden.
Vorzugsweise weist die Wärmeleitmasse eine Zündtemperatur von über 300 °C auf und ist besonders bevorzugt mit brandhemmenden Mitteln versetzt, die eine Selbstlöschung der Wärmeleitmasse bewirken, sobald die Wärmequelle wegfällt.
Gemäß einer bevorzugten Ausgestaltung besteht die Wärmeleitmasse aus einer Polymer-Basis und ist silikonfrei.
Vorzugsweise ist jeweils zwischen zwei benachbarten Batteriezellen jeweils eine Zwischenzellen-Füllung angeordnet, die mit den beiden hierzu angrenzenden Batteriezellen jeweils mechanisch nicht verbunden ist. Die Zwischenzellen-Füllung dient der mechanischen Beabstandung der Batteriezellen voneinander, ist wärmeleitend und ebenfalls elastisch und/oder plastisch verformbar. Die Zwischenzellen-Füllung kann besonders bevorzugt aus der Substanz der Wärmeleitmasse bestehen. Besonders bevorzugt wird die Zwischenzellen-Füllung von einer sogenannten Kompressionsmatte gebildet.
Gemäß einer bevorzugten Ausgestaltung weist die Modulgehäuse-Bodenwand mindestens eine Füllöffnung auf, die durch die lokal ausgehärtete Wärmeleitmasse verschlossen ist. Die Wärmeleitmasse innerhalb des Modulgehäuses ist grundsätzlich nicht ausgehärtet. Im Bereich der Füllöffnung ist sie jedoch ausgehärtet, und wurde beispielsweise durch eine entsprechende lokale UV-Licht-Bestrahlung ausgehärtet. Die viskose Wärmeleitmasse kann bei der Herstellung des Batteriemoduls von unten durch die Füllöffnung in den Bodenbereich eingefüllt werden. Sobald die Wärmeleitmasse im vorgesehenen Umfang in das Modulgehäuse eingefüllt ist, wird der Füllvorgang gestoppt, und wird der in der Füllöffnung steckende Teil der Wärmeleitmasse durch eine entsprechende Behandlung, beispielsweise Bestrahlung mit UV-Licht, ausgehärtet, sodass die Füllöffnung auf diese Weise fluiddicht verschlossen ist.
Im Folgenden wird ein Ausführungsbeispiel der Erfindung anhand der Zeichnungen näher erläutert. Es zeigen:

1 schematisch eine Draufsicht auf ein in Vorwärtsrichtung fahrendes Kraftfahrzeug mit einer Unterboden-Traktionsbatterie, die eine Vielzahl von Multizellen-Batteriemodulen aufweist,
2 einen vertikalen Querschnitt II-II eines Batteriemoduls der 1,
3 einen horizontalen Längsschnitt III-III des Batteriemoduls der 1 und 2, und
4 einen vertikalen Längsschnitt IV-IV des Batteriemoduls der 1-3.

In der 1 ist in Draufsicht ein Kraftfahrzeug 10 schematisch dargestellt, das in Vorwärtsrichtung V fährt und eine linke Seite L und eine rechte Seite R aufweist. Im Bodenbereich weist das Kraftfahrzeug 10 eine Traktionsbatterie 12 auf, die aus einer Vielzahl von gleichen Multizellen-Batteriemodulen 20 besteht, die innerhalb eines Traktionsbatterie-Gehäuses 14 angeordnet sind.
Ein Multizellen-Batteriemodul 20 ist im Detail in den 2-4 dargestellt. Das Batteriemodul 20 weist ein quaderförmiges Modulgehäuse 22 mit sechs Wänden auf, nämlich einer in einer Horizontalebene liegenden Metall-Bodenwand 27, einer in einer Vertikalebene stehenden Vorderwand 24, einer in einer Vertikalebene stehenden Rückwand 25, jeweils in einer Vertikalebene stehenden rechten und linken Seitenwand 292,291 sowie einem in einer Horizontalebene liegenden Gehäusedeckel 26. Auch die vertikalen Wände 24,25,291,292 und/oder der Gehäusedeckel 26 können aus Metall bestehen, und dadurch eine hohe mechanische Festigkeit und gute Wärmeleiteigenschaften aufweisen.
Innerhalb des Modulgehäuses 22 sind fünf plattenartige und zerstörungsfrei in gewissem Maße deformierbare Pouch-Batteriezellen 301-305 angeordnet, die mit ihrer Grundebene jeweils in einer Vertikalebene stehen und zueinander parallel angeordnet sind. Die Batteriemodule 20 sind derart in dem Traktionsbatterie-Gehäuse 14 angeordnet, dass die Batteriezellen 301-305 in einer Querebene bezogen auf die Vorwärtsrichtung V des Fahrzeugs 10 stehen.
Wie in der 2 dargestellt, steht das Batteriemodul 20 mit seiner Bodenwand 27 auf einer Bodenwand 60 des Traktionsbatterie-Gehäuses 14 auf, die einen Kühlflüssigkeits-Kühlkanal 64 aufweist.
Die Modulgehäuse-Bodenwand 27 ist vollflächig mit einer Wärmeleitmasse 50 bedeckt, in die die unteren Enden aller Batteriezellen 301-305 eingetaucht sind. Die Batteriezellen 301-305 werden jedoch nicht abgestützt von der Wärmeleitmasse 50. Die Wärmeleitmasse 50 hat eine Polymer-Basis und ist silikonfrei ausgebildet. Die Wärmeleitmasse 50 weist eine Zündtemperatur von über 300 °C und weist ferner brandhemmende Mittel bzw. Substanzen auf, die eine Selbstlöschung der Wärmeleitmasse 50 begünstigen.
Die Wärmeleitmasse 50 ist nicht-klebend und ist nicht ausgehärtet, sondern ist in gewissem Maße elastisch und in einem gewissen Maße auch viskos. Hierdurch wird ein guter Wärmeübergang an der Grenzschicht der Wärmeleitmasse 50 zu der jeweiligen Batteriezelle 301-305 einerseits und zu der Batteriemodul-Bodenwand 27 andererseits sichergestellt.
Die Wärmeleitmasse 50 überträgt ferner nur sehr geringe mechanische Kräfte zwischen der Batteriemodul-Bodenwand 27 und den Batteriezellen 301-305. Hierdurch wird im Falle eines Seitencrash erreicht, dass bei einer Stauchung des Modulgehäuses 22 in Querrichtung die Batteriezellen 301-305 ebenfalls nur einfach gestaucht werden, nicht jedoch auch noch zusätzlich durch über die Bodenwand 27 eingeleitete Kräfte tordiert werden. Hierdurch wird die Chance auf eine weitgehend beschädigungsfreie Verformung der Batteriezellen 301-305 im Falle eines Seitencrash erheblich erhöht, was wiederum die Brandgefahr erheblich verringert.
Zwischen den Batteriezellen 301-305 sowie zwischen der vordersten Batteriezelle 301 und der Vorderwand 24 sowie zwischen der hintersten Batteriezelle 305 und der Rückwand 25 sind jeweils Zwischenzellen-Füllungen 401-406 angeordnet, die mit den angrenzenden Flächen, beispielsweise mit den angrenzenden Batteriezellen 301-305 jeweils mechanisch nicht fest verbunden sind, sodass auch hierdurch eine schwimmende Lagerung der Batteriezellen 301-305 realisierbar ist. Die Zwischenzellen-Füllung 402-404 wird vorliegend jeweils von einer sogenannten Kompressionsmatte 402'-404' gebildet.
In der Bodenwand 27 des Batteriemoduls 20 sind mehrere Füllöffnungen 28 vorgesehen, durch die die viskose Wärmeleitmasse 50 bei der Montage eingefüllt wird. Nach dem Einfüllen der gewünschten Menge der Wärmeleitmasse 50 wird der in der Füllöffnung 28 steckende Teil der Wärmeleitmasse ausgehärtet, beispielsweise durch lokale Applizierung von UV-Licht in diesem Bereich. Hierdurch werden alle Füllöffnungen 28 mit ausgehärteter Wärmeleitmasse 50' derart verschlossen, dass durch die Füllöffnungen 28 keine Wärmeleitmasse 50 aus dem Innern des Batteriemoduls 20 austreten kann.
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

DE 102014210572 A1 [0003]

Claims

Multizellen- Batteriemodul (20) für eine Traktionsbatterie (12) eines in Vorwärtsrichtung (V) fahrenden Kraftfahrzeugs (10), mit einem Modulgehäuse (22), das eine metallische Bodenwand (27) aufweist, und mehreren plattenartigen und deformierbaren Pouch-Batteriezellen (301-305), die in dem Modulgehäuse (20) vertikal, parallel zueinander und in Querrichtung zur Vorwärtsrichtung (V) stehend angeordnet sind, wobei an die Bodenwand (27) unmittelbar angrenzend und die Bodenwand (27) thermisch kontaktierend eine nicht-klebende und nicht-ausgehärtete Wärmeleitmasse (50) eingefüllt ist, die die unteren Enden der Pouch-Batteriezellen (301-305) thermisch kontaktiert.
Multizellen-Batteriemodul (20) nach Anspruch 1, wobei die Wärmeleitmasse (50) eine spezifische Wärmeleitfähigkeit von größer 2,5 W/mKelvin aufweist.
Multizellen-Batteriemodul (20) nach einem der vorangegangenen Ansprüche, wobei die Wärmeleitmasse (50) eine Viskosität von mindestens 50 - 150 mPa·s aufweist.
Multizellen-Batteriemodul (20) nach einem der vorangegangenen Ansprüche 1 oder 2, wobei die Wärmeleitmasse (50) von einer Matte gebildet ist.
Multizellen-Batteriemodul (20) nach einem der vorangegangenen Ansprüche, wobei die Wärmeleitmasse (50) eine Zündtemperatur von über 300 °C aufweist.
Multizellen-Batteriemodul (20) nach einem der vorangegangenen Ansprüche, wobei die Wärmeleitmasse (50) brandhemmende Mittel aufweist.
Multizellen-Batteriemodul (20) nach einem der vorangegangenen Ansprüche, wobei die Wärmeleitmasse (50) silikonfrei ist und/oder eine Polymer-Basis hat.
Multizellen-Batteriemodul (20) nach einem der vorangegangenen Ansprüche, wobei zwischen den Batteriezellen (301-305) jeweils eine Zwischenzellen- Füllung (402-40) angeordnet ist, die mit der angrenzenden Batteriezelle (301-305) jeweils mechanisch nicht verbunden ist.
Multizellen-Batteriemodul (20) nach Anspruch 8, wobei die Zwischenzellen-Füllung (402-405) von einer Kompressionsmatte (402'-405') gebildet wird.
Multizellen-Batteriemodul (20) nach einem der vorangegangenen Ansprüche, wobei die Bodenwand (27) mindestens eine Füllöffnung (28) aufweist, die durch die lokal ausgehärtete Wärmeleitmasse (50') verschlossen ist.