DE102019212975A1 - Battery component of a cell stack - Google Patents
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Abstract
Die Erfindung betrifft eine Batteriekomponente (24) eines Zellenstapels (22), aufweisend eine elektrochemische Batteriezelle (30), und einen elektrisch isolierenden Trägerrahmen (26) mit einer Rahmenöffnung (28) zur Aufnahme und Halterung der Batteriezelle (30), wobei ein wärmeleitfähiges Material (46) in den Trägerrahmen (26) integriert ist.The invention relates to a battery component (24) of a cell stack (22), having an electrochemical battery cell (30), and an electrically insulating support frame (26) with a frame opening (28) for receiving and holding the battery cell (30), wherein a thermally conductive material (46) is integrated into the support frame (26).
Description
Die Erfindung liegt auf dem Gebiet der elektrochemischen Batterien, insbesondere dem Gebiet des Thermomanagements derartiger Batterien. Die Erfindung betrifft eine Batteriekomponente eines Zellenstapels, aufweisend eine elektrochemische Batteriezelle, und einen elektrisch isolierenden Trägerrahmen mit einer Rahmenöffnung zur Aufnahme und Halterung der Batteriezelle. Die Erfindung betrifft weiterhin einen Zellenstapel mit einer solchen Batteriekomponente, und ein Batteriemodul mit einem derartigen Zellenstapel, sowie eine Fahrzeugbatterie mit einem solchen Batteriemodul.The invention is in the field of electrochemical batteries, in particular the field of thermal management of such batteries. The invention relates to a battery component of a cell stack, having an electrochemical battery cell, and an electrically insulating support frame with a frame opening for receiving and holding the battery cell. The invention further relates to a cell stack with such a battery component, and a battery module with such a cell stack, as well as a vehicle battery with such a battery module.
Elektrisch beziehungsweise elektromotorisch angetriebene oder antreibbare Kraftfahrzeuge, wie beispielsweise Elektro- oder Hybridfahrzeuge, umfassen in der Regel einen Elektromotor, mit dem eine oder beide Fahrzeugachsen antreibbar sind. Zur Versorgung mit elektrischer Energie ist der Elektromotor üblicherweise an eine fahrzeuginterne (Hochvolt-)Batterie als elektrischen Energiespeicher angeschlossen.Motor vehicles driven or drivable electrically or by an electric motor, for example electric or hybrid vehicles, generally comprise an electric motor with which one or both vehicle axles can be driven. In order to be supplied with electrical energy, the electric motor is usually connected to a vehicle-internal (high-voltage) battery as an electrical energy store.
Unter einer insbesondere elektrochemischen Batterie ist hier und im Folgenden insbesondere eine sogenannte sekundäre Batterie (Sekundärbatterie) des Kraftfahrzeugs zu verstehen. Bei einer solchen (sekundären) Fahrzeugbatterie ist eine verbrauchte chemische Energie mittels eines elektrischen (Auf-)Ladevorgangs wiederherstellbar. Derartige Fahrzeugbatterien sind beispielsweise als elektrochemische Akkumulatoren, insbesondere als Lithium-Ionen-Akkumulatoren, ausgeführt. Zur Erzeugung oder Bereitstellung einer ausreichend hohen Betriebsspannung weisen solche Fahrzeugbatterien typischerweise mindestens ein Batteriemodul auf, bei welchem mehrere einzelne Batteriezellen modular verschaltet sind.An in particular electrochemical battery is to be understood here and in the following text in particular as a so-called secondary battery (secondary battery) of the motor vehicle. In the case of such a (secondary) vehicle battery, used chemical energy can be restored by means of an electrical (charging) process. Such vehicle batteries are designed, for example, as electrochemical accumulators, in particular as lithium-ion accumulators. In order to generate or provide a sufficiently high operating voltage, such vehicle batteries typically have at least one battery module in which several individual battery cells are connected in a modular manner.
Die Batteriezellen sind hierbei häufig als elektrochemische (Dünn-)Schichtzellen ausgeführt, welche innerhalb eines jeweiligen Batterie- oder Zellengehäuses entlang einer Stapel- oder Reihenrichtung zu einem Zellenstapel oder Zellenpaket beziehungsweise Zellenwickel aneinander gereiht beziehungsweise gestapelt werden. Die Schichtzellen weisen in der Regel einen geschichteten Aufbau mit einer Kathodenschicht und mit einer Anodenschicht sowie mit einer dazwischen eingebrachten Separatorschicht auf.The battery cells are often designed as electrochemical (thin) layer cells, which are strung together or stacked within a respective battery or cell housing along a stacking or row direction to form a cell stack or cell pack or cell coil. The layer cells generally have a layered structure with a cathode layer and with an anode layer and with a separator layer introduced between them.
Aus der
Unter einem Flüssigelektrolyten wird hier und im Folgenden insbesondere ein Elektrolyt in einem flüssigen oder gelartigen (gelierten) Aggregatzustand verstanden.A liquid electrolyte is understood here and hereinafter in particular to mean an electrolyte in a liquid or gel-like (gelled) physical state.
Batteriezellen auf Lithium-Ionen-Basis weisen in der Regel einen Wirkungsgrad von etwa 95% auf, wobei die auftretenden Verluste in Wärmeenergie gewandelt werden. Hierbei tritt das Problem auf, dass solche Lithium-Ionen-Batteriezellen (abhängig vom Flüssigelektrolyten) bei Batterietemperaturen höher als 45 °C oder 60 °C (Grad Celsius) beginnen zu degenerieren. Dies bedeutet, dass bei derartigen Temperaturen elektrochemische Reaktionen innerhalb der Batteriezelle auftreten, welche das Schichtsystem dauerhaft beschädigen oder vollständig zerstören können. Andererseits nimmt die Leistung der Lithium-Ionen-Batteriezellen unterhalb von -5 °C ab. Für einen effizienten und zuverlässigen Einsatz des Batteriemoduls in einem Kraftfahrzeug ist es daher notwendig, dass die Batteriezellen im Betrieb auf eine bestimmte Betriebstemperatur, beispielsweise 25 °C, temperiert werden.Lithium-ion-based battery cells usually have an efficiency of around 95%, with the losses that occur being converted into thermal energy. The problem arises here that such lithium-ion battery cells (depending on the liquid electrolyte) begin to degenerate at battery temperatures higher than 45 ° C or 60 ° C (degrees Celsius). This means that at such temperatures, electrochemical reactions occur within the battery cell, which can permanently damage or completely destroy the layer system. On the other hand, the performance of the lithium-ion battery cells decreases below -5 ° C. For efficient and reliable use of the battery module in a motor vehicle, it is therefore necessary for the battery cells to be temperature-controlled to a specific operating temperature, for example 25 ° C., during operation.
Zur Verbesserung der Reichweite und der Lebensdauer sowie der abrufbaren Leistung des elektrisch angetriebenen oder antreibbaren Kraftfahrzeugs ist es notwendig, dass die Fahrzeugbatterie eine gewisse Betriebstemperatur aufweist. Hierbei ist es erforderlich, dass die einzelnen Batteriemodule oder Batteriezellen eine möglichst gleiche Temperatur im Verbund des Batteriesystems aufweisen. Zu diesem Zwecke ist es möglich, die oder jede Batterie wärmeleittechnisch mit einer Kühlleitung oder einem Kühlkanal eines Kraftfahrzeug-Kühlkreislaufes zu koppeln. Hierzu wird beispielsweise eine zu kühlende Fläche eines Batterie- oder Zellengehäuses in einen Wärmeleitkontakt mit einer Anlage- oder Deckelfläche des zugeordneten Kühlkanals gebracht, wodurch ein Wärmeaustausch zwischen der Batterie und einem den Kühlkanal durchströmenden Kühlmedium stattfinden kann.In order to improve the range and the service life as well as the retrievable performance of the electrically powered or drivable motor vehicle, it is necessary that the vehicle battery has a certain operating temperature. It is necessary here for the individual battery modules or battery cells to have the same temperature as possible in the network of the battery system. For this purpose, it is possible to couple the or each battery to a cooling line or a cooling channel of a motor vehicle cooling circuit in terms of thermal conductivity. For this purpose, for example, a surface of a battery or cell housing that is to be cooled is brought into heat-conducting contact with a contact or cover surface of the associated cooling channel, whereby heat can be exchanged between the battery and a cooling medium flowing through the cooling channel.
Zur Verbesserung der Elektromobilität sind bei Elektro- oder Hybridfahrzeugen häufig sogenannte Schnelllade- oder Ultraschnellladebetriebe gewünscht, bei welchem die Fahrzeugbatterie, innerhalb einer möglichst kurzen Zeitdauer elektrisch aufgeladen wird. Derartige Schnellladungen benötigen vergleichsweise hohe Stromstärken, welche in der Folge eine Erhöhung der Batteriezellen-Temperatur bewirken. In der Folge treten hohe Erwärmungen der Batteriezellen auf, wobei die erzeugte Wärmeenergie möglichst schnell und effektiv aus dem Zellkern der Batteriezelle oder dem Zellenstapel abgeführt werden muss, um Degenerationen der Batteriezellen zu vermeiden.To improve electromobility, electric or hybrid vehicles are often used so-called fast charging or ultra fast charging operations are desired, in which the vehicle battery is electrically charged within the shortest possible period of time. Such rapid charges require comparatively high currents, which in turn cause the battery cell temperature to increase. As a result, the battery cells are heated to a high level, with the generated thermal energy having to be dissipated as quickly and effectively as possible from the cell core of the battery cell or the cell stack in order to avoid degeneration of the battery cells.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine besonders geeignete Batteriekomponente für einen Zellenstapel anzugeben. Insbesondere soll eine möglichst effektive und betriebssichere Temperierung oder Kühlung der Batteriezellen ermöglicht werden. Der Erfindung liegt weiterhin die Aufgabe zugrunde, einen besonders geeigneten Zellenstapel und ein besonders geeignetes Batteriemodul sowie eine besonders geeignete Fahrzeugbatterie anzugeben.The invention is based on the object of specifying a particularly suitable battery component for a cell stack. In particular, the most effective and reliable temperature control or cooling of the battery cells should be made possible. The invention is also based on the object of specifying a particularly suitable cell stack and a particularly suitable battery module as well as a particularly suitable vehicle battery.
Hinsichtlich der Batteriekomponente wird die Aufgabe mit den Merkmalen des Anspruchs 1 und hinsichtlich des Zellenstapels mit den Merkmalen des Anspruchs 5 sowie hinsichtlich des Batteriemoduls mit den Merkmalen des Anspruchs 7 und hinsichtlich der Fahrzeugbatterie mit den Merkmalen des Anspruchs 10 erfindungsgemäß gelöst. Vorteilhafte Ausgestaltungen und Weiterbildungen sind Gegenstand der jeweiligen Unteransprüche. Die im Hinblick auf die Batteriekomponente angeführten Vorteile und Ausgestaltungen sind sinngemäß auch auf den Zellenstapel und/oder das Batteriemodul und/oder die Fahrzeugbatterie übertragbar und umgekehrt.With regard to the battery component, the object is achieved according to the invention with the features of claim 1 and with regard to the cell stack with the features of claim 5 and with regard to the battery module with the features of claim 7 and with regard to the vehicle battery with the features of
Die erfindungsgemäße Batteriekomponente ist für einen Zellstapel geeignet und eingerichtet. Die Batteriekomponente weist eine elektrochemische Batteriezelle und einen elektrisch isolierenden, also elektrisch nicht leitenden, Trägerrahmen oder Isolierrahmen auf. Der Trägerrahmen weist eine zentrale Aussparung als Rahmenöffnung zur Aufnahme und Halterung der Batteriezelle auf.The battery component according to the invention is suitable and set up for a cell stack. The battery component has an electrochemical battery cell and an electrically insulating, that is to say electrically non-conductive, support frame or insulating frame. The support frame has a central recess as a frame opening for receiving and holding the battery cell.
Erfindungsgemäß ist ein wärmeleitfähiges oder wärmeleitendes Material in den Trägerrahmen integriert oder eingebettet. Das wärmeleitfähige Material ist hierbei so ausgelegt, dass wenn sich die Batteriezelle im Betrieb erwärmt, das in dem Trägerrahmen integrierte Material die Wärmeentwicklung der Batteriezelle von der rahmeninnenseitigen Rahmenöffnung zur Rahmenaußenseite hin ableitet, und dadurch die Batteriezelle temperiert beziehungsweise entwärmt oder kühlt. Durch die Integration des wärmeleitfähigen Materials in den Trägerrahmen wird die Wärmeabfuhr, also das Ableiten einer in der Batteriezelle entstehenden Wärmeenergie, verbessert, so dass die Batteriezelle im Betrieb zuverlässig entwärmbar oder kühlbar ist. Dadurch ist eine besonders geeignete Batteriekomponente eines Zellenstapels realisiert.According to the invention, a thermally conductive or thermally conductive material is integrated or embedded in the support frame. The thermally conductive material is designed in such a way that when the battery cell heats up during operation, the material integrated in the carrier frame dissipates the heat generated by the battery cell from the frame opening on the inside of the frame to the outside of the frame, and thereby heats or cools the battery cell. By integrating the thermally conductive material in the carrier frame, the dissipation of heat, that is to say the dissipation of thermal energy generated in the battery cell, is improved, so that the battery cell can be reliably cooled or cooled during operation. A particularly suitable battery component of a cell stack is thereby implemented.
Unter einem wärmeleitfähigen oder wärmeleitenden Material wird hierbei insbesondere ein Material verstanden, welches eine hohe Wärmeleitung, insbesondere mittels Wärmediffusion oder Konduktion, aufweist. Mit anderen Worten weist das wärmeleitfähige Material eine vergleichsweise hohe Wärmeleitfähigkeit auf.A thermally conductive or thermally conductive material is understood here to mean in particular a material which has a high degree of heat conduction, in particular by means of heat diffusion or conduction. In other words, the thermally conductive material has a comparatively high thermal conductivity.
Das wärmeleitfähige Material ist beispielsweise Silikon oder ein Polyolefin, zum Beispiel Polyethylen oder Polypropylen, gefüllt mit 10 % bis 75 % Thermofüller, insbesondere einem keramischen Thermofüller, wie beispielsweise Aluminiumoxid oder Bornitrid, oder einem anderen Thermofüller, wie beispielsweise Graphit oder Metallpulver. Ebenso möglich ist beispielsweise ein wärmeleitfähiges Material, welches als ein thermoplastisches Elastomer (TPE) mit 75 Gew% Bornitrid als Thermofüller ausgeführt ist, und eine Wärmeleitfähigkeit von etwa 15 Watt pro Meter Kelvin (W/(m K)) aufweist. Bei einem isoelektrischen oder keramischen Thermofüller weist das wärmeleitfähige Material beispielsweise eine Wärmeleitfähigkeit zwischen 0,5 W/(m K) und 20 W/(m K) auf. Im Falle eines Metallpulvers als Thermofüller sind höhere Wärmeleitfähigkeiten von beispielsweise 20 W/(m K) bis 400 W/(m K) realisierbar.
Die Batteriezelle ist beispielsweise in Form einer (Dünn-)Schichtzelle mit zwei Elektrodenschichten, einer Anodenschicht und einer Kathodenschicht, sowie mit einer dazwischen angeordneten Separatorschicht ausgeführt. Die Batteriezelle ist hierbei insbesondere als eine Flüssigzelle, also mit einem Flüssigelektrolyten, ausgeführt.The thermally conductive material is, for example, silicone or a polyolefin, for example polyethylene or polypropylene, filled with 10% to 75% thermal filler, in particular a ceramic thermal filler such as aluminum oxide or boron nitride, or another thermal filler such as graphite or metal powder. A thermally conductive material is also possible, for example, which is designed as a thermoplastic elastomer (TPE) with 75% by weight boron nitride as a thermal filler and has a thermal conductivity of about 15 watts per meter Kelvin (W / (m K)). In the case of an isoelectric or ceramic thermal filler, the thermally conductive material has, for example, a thermal conductivity between 0.5 W / (m K) and 20 W / (m K). In the case of a metal powder as a thermal filler, higher thermal conductivities of, for example, 20 W / (m K) to 400 W / (m K) can be achieved.
The battery cell is designed, for example, in the form of a (thin) layer cell with two electrode layers, an anode layer and a cathode layer, and with a separator layer arranged in between. The battery cell is designed in particular as a liquid cell, that is to say with a liquid electrolyte.
Der Trägerrahmen ist beispielsweise aus einem elektrisch nicht leitenden Kunststoff- oder Polymermaterial hergestellt, wobei das in den Trägerrahmen integrierte oder eingebettete, also in den Trägerrahmen eingebrachte oder eingefügte, wärmeleitfähige Material geeigneterweise eine im Vergleich zum Kunststoff- oder Polymermaterial erhöhte Wärmeleitfähigkeit aufweist.The support frame is made, for example, of an electrically non-conductive plastic or polymer material, the thermally conductive material integrated or embedded in the support frame, i.e. introduced or inserted into the support frame, suitably having a higher thermal conductivity than the plastic or polymer material.
Der Trägerrahmen und/oder das wärmeleitfähige Material sind hierbei vorzugsweise chemisch inert gegenüber dem Flüssigelektrolyten der Batteriezelle. Mit anderen Worten sind die im Betrieb mit dem Flüssigelektrolyten in Kontakt kommenden Teile der Batteriekomponenten derart ausgebildet, dass es (chemische) Reaktion zwischen den Teilen und dem Flüssigelektrolyten auftritt.The support frame and / or the thermally conductive material are preferably chemically inert to the liquid electrolyte of the battery cell. In other words, the parts of the battery components that come into contact with the liquid electrolyte during operation are designed in such a way that a (chemical) reaction occurs between the parts and the liquid electrolyte.
Das wärmeleitfähige Material ist geometrisch beispielsweise als ein Rahmen, als ein Streifen oder als ein Pad ausgeführt oder in den Trägerrahmen integriert. Ebenso denkbar ist beispielsweise, dass mehrere unterschiedliche Geometrien von wärmeleitfähigen Material in dem Trägerrahmen integriert sind, zum Beispiel zwei Streifen.The thermally conductive material is designed geometrically, for example, as a frame, as a strip or as a pad or in the support frame integrated. It is also conceivable, for example, that several different geometries of thermally conductive material are integrated in the carrier frame, for example two strips.
Das wärmeleitfähige Material ist beispielsweise als ein silikonhaltiges Wärmepad ausgeführt. Zum Zwecke einer chemischen Isolierung gegenüber dem Flüssigelektrolyten ist es ebenfalls denkbar, dass das wärmeleitfähige Material mittels einer Mantelhülle eingekapselt wird. Die Mantelhülle ist beispielsweise als eine Metallfolie, zum Beispiel als eine Kupferfolie, eine Aluminiumfolie, oder eine Silberfolie, ausgebildet. Zusätzlich oder alternativ ist es beispielsweise ebenso möglich einen Lack, einen Kunststoff, eine Kunststofffolie, beispielsweise aus Polyethylen (PE) oder aus Polypropylen (PP), einem Harz oder Epoxid, einem Silikon, einem Polyurethan, oder eine Beschichtung, zum Beispiel aus einem Keramikmaterial, oder einen dünnen Schicht aus Gasphasenreaktionen wie chemische Gasphasenabscheidung (engl.: chemical vapor deposition, CVD) oder Atomlagenabscheidung (engl.: atomic layer deposition, ALD) auf das wärmeleitfähige Material aufzubringen. Vorzugsweise wird hierbei insbesondere eine Kunststofffolie aus PE oder PP, also eine Polyethylenfolie oder Polypropylenfolie, verwendet, so dass das wärmeleitfähige Material elektrisch gegenüber mit der Batteriezelle kontaktieren Stromableitern isoliert ist.The thermally conductive material is designed, for example, as a silicone-containing thermal pad. For the purpose of chemical insulation from the liquid electrolyte, it is also conceivable that the thermally conductive material is encapsulated by means of a jacket. The jacket shell is designed, for example, as a metal foil, for example as a copper foil, an aluminum foil, or a silver foil. Additionally or alternatively, a lacquer, a plastic, a plastic film, for example made of polyethylene (PE) or polypropylene (PP), a resin or epoxy, a silicone, a polyurethane, or a coating, for example made of a ceramic material, is also possible , or to apply a thin layer of gas phase reactions such as chemical vapor deposition (CVD) or atomic layer deposition (ALD) to the thermally conductive material. In particular, a plastic film made of PE or PP, that is to say a polyethylene film or polypropylene film, is preferably used here, so that the thermally conductive material is electrically insulated from current conductors in contact with the battery cell.
Die Erfindung ist insbesondere zur Kühlung, also zur Entwärmung oder Abfuhr von Wärmeenergie, der Batteriezelle vorgesehen, so dass im Betrieb, insbesondere im Ladebetrieb, Degenerationen der Materialien der Batteriezelle vermieden werden. Nachfolgend ist die Erfindung daher - ohne Beschränkung der Allgemeinheit - insbesondere im Hinblick auf die Kühlung der Batteriezelle beschrieben. Die Erfindung ist jedoch ebenso zur Erwärmung, also zur Zufuhr von Wärmeenergie, der Batteriezelle geeignet. Dadurch ist es möglich, die Batteriezelle im Betrieb zuverlässig und einfach auf eine gewünschte Betriebstemperatur, beispielsweise 25 °C, zu temperieren.The invention is intended in particular for cooling, that is to say for cooling or dissipating thermal energy, of the battery cell, so that degeneration of the materials of the battery cell is avoided during operation, in particular during charging. The invention is therefore described below - without restricting the generality - in particular with regard to the cooling of the battery cell. However, the invention is also suitable for heating, that is to say for supplying thermal energy, to the battery cell. This makes it possible to control the temperature of the battery cell reliably and easily to a desired operating temperature, for example 25 ° C., during operation.
In einer vorteilhaften Ausführung schließt das wärmeleitfähige Material bündig mit einer Innenkante und/oder einer Außenkante des Trägerrahmens ab. Unter einer Innenkante ist hierbei insbesondere eine der Rahmenöffnung zugewandte Wandung des Trägerrahmens zu verstehen, also ein Wand- oder Rahmenabschnitt, welcher die innere Rahmenöffnung umgibt. Unter einer Außenkante ist hierbei insbesondere eine rahmenaußenseitige Wandung des Trägerrahmens zu verstehen, also ein Wand- oder Rahmenabschnitt, welcher an einem Außenumfang des Trägerrahmens angeordnet ist. Unter einem bündigen Abschließen wird hierbei insbesondere verstanden, dass das wärmeleitende Material an der jeweiligen Kante anliegt, also insbesondere zumindest teilweise den jeweiligen Rahmenabschnitt des Trägerrahmens selbst ausbildet oder mit diesem fluchtet.In an advantageous embodiment, the thermally conductive material ends flush with an inner edge and / or an outer edge of the support frame. An inner edge is to be understood here in particular as a wall of the support frame facing the frame opening, that is to say a wall or frame section which surrounds the inner frame opening. An outer edge is to be understood here in particular as a wall of the support frame on the outside of the frame, that is to say a wall or frame section which is arranged on an outer circumference of the support frame. A flush closure is understood here in particular to mean that the thermally conductive material rests against the respective edge, that is to say in particular at least partially forms the respective frame section of the support frame itself or is flush with it.
Die Konjunktion „und/oder“ ist hier und im Folgenden derart zu verstehen, dass die mittels dieser Konjunktion verknüpften Merkmale sowohl gemeinsam als auch als Alternativen zueinander ausgebildet sein können.The conjunction “and / or” is to be understood here and below in such a way that the features linked by means of this conjunction can be designed both together and as alternatives to one another.
Mit anderen Worten kann das wärmeleitfähige Material lediglich mit einer Innenkante bündig abschließen. Dies bedeutet, dass das wärmeleitfähige Material gegenüber der Außenkante eingerückt, versetzt oder abstehend angeordnet ist. Alternativ kann das wärmeleitfähige Material mit einer Außenkante bündig abschließend, und somit bezogen auf die Innenkante eingerückt oder versetzt oder abstehend angeordnet sein. Alternativ kann das wärmeleitfähige Material auch mit einer Innenkante und mit einer Außenkante bündig abschließen. Insbesondere bei einem bündigen Abschließen von sowohl einer Innenkante als auch einer Außenkante ist das wärmeleitfähige Material im Wesentlichen als eine den Trägerrahmen durchsetzende Schicht ausgeführt.In other words, the thermally conductive material can only end flush with an inner edge. This means that the thermally conductive material is indented, offset or protruding from the outer edge. Alternatively, the thermally conductive material can be arranged flush with an outer edge and thus indented or offset or protruding with respect to the inner edge. Alternatively, the thermally conductive material can also terminate flush with an inner edge and an outer edge. In particular in the case of a flush closure of both an inner edge and an outer edge, the thermally conductive material is designed essentially as a layer penetrating the carrier frame.
In einer alternativen Ausführungsform kann das wärmeleitfähige Material auch beidseitig eingerückt oder versetzt angeordnet sein, also weder mit der Innenkante noch mit der Außenkante bündig abschließen. Mit anderen Worten kann das wärmeleitfähige Material taschenartig in einer Aufnahme oder Aussparung im Trägerrahmen aufgenommen oder eingefasst sein.In an alternative embodiment, the thermally conductive material can also be indented or offset on both sides, that is, it can neither end flush with the inner edge nor with the outer edge. In other words, the thermally conductive material can be accommodated or enclosed in a pocket-like manner in a receptacle or recess in the support frame.
In einer zweckmäßigen Ausgestaltung ist das wärmeleitfähige Material mindestens einseitig in den Trägerrahmen integriert. Mit anderen Worten ist das wärmeleitfähige Material zumindest in einem seitlichen Rahmenabschnitt des Trägerrahmens integriert. Dadurch ist eine zuverlässige und betriebssichere Wärmeabfuhr entlang der mindestens einen Trägerrahmenseite gewährleistet. Zweckmäßigerweise ist diese mindestens eine Seite im Montage- oder Einbauzustand einer Kühlvorrichtung zugewandt.In an expedient embodiment, the thermally conductive material is integrated into the support frame on at least one side. In other words, the thermally conductive material is integrated at least in a lateral frame section of the support frame. This ensures reliable and operationally safe heat dissipation along the at least one side of the support frame. Expediently, this at least one side faces a cooling device in the assembled or installed state.
Das wärmeleitfähige Material kann beispielsweise auch zweiseitig, dreiseitig, oder allseitig, also im Wesentlichen vollumfänglich in den Trägerrahmen integriert sein. Mit anderen Worten kann das wärmeleitfähige Material die Rahmenöffnung komplett von allen vier Seiten einfassen, oder lediglich abschnittsweise beziehungsweise partiell.The thermally conductive material can, for example, also be integrated into the support frame on two sides, three sides, or on all sides, that is to say essentially over the entire circumference. In other words, the thermally conductive material can enclose the frame opening completely from all four sides, or only in sections or partially.
In einer geeigneten Weiterbildung ist der Trägerrahmen im Wesentlichen vollständig oder komplett aus dem wärmeleitfähigen Material hergestellt. Mit anderen Worten ist der Trägerrahmen durch das wärmeleitfähige Material selbst gebildet. Anstelle eines elektrisch isolierenden Kunststoff- oder Polymerrahmens wird also insbesondere ein Träger- oder Isolierrahmen aus dem wärmeleitfähigen Material verwendet, wobei das Material - oder eine darauf aufgebrachte Beschichtung oder Mantelhülle - zweckmäßigerweise elektrisch isolierend beziehungsweise elektrisch nicht leitend ausgeführt ist, um elektrische Kurzschlüsse oder Selbstentladungen der Batteriezelle zu vermeiden. Dadurch ist eine besonders großflächige, und somit effektive und betriebssichere Wärmeabfuhr für die Batteriezelle bereitgestellt.In a suitable development, the support frame is made essentially completely or completely from the thermally conductive material. In other words, the support frame is formed by the thermally conductive material itself. Instead of an electrically insulating plastic or polymer frame is used in particular a carrier or insulating frame made of the thermally conductive material, the material - or a coating or jacket applied to it - is expediently designed to be electrically insulating or electrically non-conductive in order to avoid electrical short circuits or self-discharges of the battery cell to avoid. This provides a particularly large-area, and thus effective and operationally reliable heat dissipation for the battery cell.
Der erfindungsgemäße Zellenstapel ist für ein Batteriemodul geeignet und eingerichtet. Der Zellenstapel weist hierbei eine Anzahl von vorstehend beschriebenen Batteriekomponenten auf. Die Batteriekomponenten sind hierbei als einzelne (Zellen-)Lagen des Zellenstapels ausgeführt, und hierbei entlang einer Stapelrichtung gestapelt angeordnet. Mit anderen Worten sind die Batteriekomponenten stirnseitig aneinander oder benachbart gereiht angeordnet.The cell stack according to the invention is suitable and set up for a battery module. The cell stack here has a number of battery components described above. The battery components are designed as individual (cell) layers of the cell stack and are arranged in a stacked manner along a stacking direction. In other words, the battery components are arranged in a row at the end of one another or next to one another.
Der erfindungsgemäße Zellenstapel ist im Wesentlichen als eine gestapelte Hochvoltzelle ausgeführt, wobei das in dem Trägerrahmen integrierte wärmeleitfähige Material als thermisch leitende Lagen oder Schichten für ein Thermomanagement des Zellenstapels geeignet und ausgestaltet sind.The cell stack according to the invention is essentially designed as a stacked high-voltage cell, the thermally conductive material integrated in the carrier frame being suitable and configured as thermally conductive layers or layers for thermal management of the cell stack.
Die Batteriezellen sind hierbei innerhalb des Stapels mittels stirnseitig angeordneter Bipolarplatten als bipolare Elektroden (Bipolarelektroden, bipolare Stromkollektoren) elektrochemisch voneinander separiert und elektrisch zu einer internen Serien- oder Reihenschaltung gekoppelt.The battery cells are electrochemically separated from one another within the stack by means of bipolar plates arranged at the end as bipolar electrodes (bipolar electrodes, bipolar current collectors) and electrically coupled to form an internal series or series circuit.
Die stirnseitig äußersten Batteriezellen sind hierbei geeigneterweise elektrisch jeweils an einen Stromableiter (Endstromableiter) kontaktiert. Mit anderen Worten weist der Zellenstapel an den gegenüberliegenden Stirnseiten jeweils einen Stromableiter oder Endstromableiter zur elektrischen Kontaktierung auf.The battery cells which are outermost at the end face are suitably electrically connected to a current arrester (end current arrester). In other words, the cell stack has a current arrester or end current arrester for making electrical contact on the opposite end faces.
Die beispielsweise aus einem Kupfer- oder Aluminiummaterial hergestellten (Strom- oder Endstrom-)Ableiter weisen eine hohe Wärmeleitfähigkeit auf. Die Ableiter wirken somit wie Heat-Pipes beziehungsweise Wärmerohre, welche die entstehende Wärme des Zellenstapels beziehungsweise der Batteriezellen entlang ihrer Laufrichtung nach außen leiten. Durch das integrierte wärmeleitfähige Material wird der durch die Ableiter bewirkte Wärmeübergang beispielsweise zu einem Zellengehäuse wesentlich verbessert.The (current or end current) arresters made for example from a copper or aluminum material have a high thermal conductivity. The arresters thus act like heat pipes or heat pipes, which conduct the heat generated by the cell stack or the battery cells outwards along their direction of travel. The heat transfer caused by the arrester, for example to a cell housing, is significantly improved by the integrated thermally conductive material.
Um die Wärmeabfuhr aus dem Zellkern weiter zu verbessern, ist es beispielsweise möglich, dass die Separatorschicht und/oder die kontaktierte Bipolarelektrode einer jeweiligen Batteriezelle wärmeleittechnisch an den Trägerrahmen beziehungsweise das wärmeleitfähige Material geführt sind. Mit anderen Worten ist die Bipolarelektrode und/oder die Batteriezelle beziehungsweise das Schichtsystem der Batteriezelle in einem direkten wärmeleittechnischen Kontakt zu dem Trägerrahmen und/oder dem wärmeleitfähigen Material. Beispielsweise sind die Separatorschicht und/oder die Bipolarelektrode zumindest teilweise in dem wärmeleitfähigen Material eingebettet.In order to further improve the dissipation of heat from the cell core, it is possible, for example, for the separator layer and / or the contacted bipolar electrode of a respective battery cell to be guided to the support frame or the thermally conductive material in terms of thermal conductivity. In other words, the bipolar electrode and / or the battery cell or the layer system of the battery cell is in direct thermally conductive contact with the carrier frame and / or the thermally conductive material. For example, the separator layer and / or the bipolar electrode are at least partially embedded in the thermally conductive material.
Die im Betrieb entstehende (Verlust-)Wärme der Batteriezellen erwärmt sich die Bipolarelektrode und/oder die Separatorschicht, wobei die Wärme im Wesentlichen zweidimensional in Richtung des Trägerrahmens beziehungsweise des wärmeleitfähigen Materials abgeführt wird. Dadurch ist eine besonders effektive und zuverlässige Wärmeabfuhr für die jeweilige Batteriezelle gewährleistet.The (lost) heat of the battery cells that occurs during operation heats up the bipolar electrode and / or the separator layer, the heat being dissipated essentially two-dimensionally in the direction of the carrier frame or the thermally conductive material. This ensures particularly effective and reliable heat dissipation for the respective battery cell.
In einer denkbaren Ausführungsform ist der kathodenseitige Ableiter (Kathoden-Stromableiter) aus einem Aluminiummaterial mit einer Dicke von etwa 4 bis 30 µm (Mikrometern), und der anodenseitige Ableiter (Anoden-Stromableiter) ist aus einem Kupfermaterial mit einer Dicke von etwa 3 bis 30 µm hergestellt. Der Abstand der Bipolarelektroden, also die Höhe der Batteriezellen, beträgt beispielsweise 20 bis 500 µm.In a conceivable embodiment, the cathode-side arrester (cathode current arrester) is made of an aluminum material with a thickness of about 4 to 30 µm (micrometers), and the anode-side arrester (anode current arrester) is made of a copper material with a thickness of about 3 to 30 µm manufactured. The distance between the bipolar electrodes, that is to say the height of the battery cells, is, for example, 20 to 500 μm.
Durch die zumindest teilweise Anordnung der Bipolarelektroden in dem wärmeleitfähigen Material wird die Wärmeübertragungsfläche der Batteriezelle um etwa das drei- bis dreißigfache erhöht. Dadurch können die Batteriezellen des Zellenstapels besonders effektiv und betriebssicher an das Zellengehäuse entwärmt oder gekühlt werden.As a result of the at least partial arrangement of the bipolar electrodes in the thermally conductive material, the heat transfer area of the battery cell is increased by about three to thirty times. As a result, the battery cells of the cell stack can be cooled or cooled particularly effectively and reliably on the cell housing.
Vorzugsweise sind die Trägerrahmen der Batteriekomponenten hierbei entlang der Stapelrichtung miteinander mechanisch gekoppelt oder gefügt. Dadurch werden die Batteriezellen in einer definierten Lage oder Stellung beziehungsweise Position zueinander fixiert. Beispielsweise sind die Trägerrahmen hierbei an Fügestellen stoffschlüssig mittels kleben, laminieren, schweißen oder verschmelzen miteinander gefügt.The carrier frames of the battery components are preferably mechanically coupled or joined to one another along the stacking direction. As a result, the battery cells are fixed in a defined position or position or position with respect to one another. For example, the carrier frames are joined to one another in a materially bonded manner at joining points by means of gluing, laminating, welding or fusing.
Unter einem „Stoffschluss“ oder einer „stoffschlüssigen Verbindung“ zwischen wenigstens zwei miteinander verbundenen Teilen wird hier und im Folgenden insbesondere verstanden, dass die miteinander verbundenen Teile an Ihren Kontaktflächen oder Fügestellen durch stoffliche Vereinigung oder Vernetzung (beispielsweise aufgrund von atomaren oder molekularen Bindungskräften) gegebenenfalls unter Wirkung eines Zusatzstoffs zusammengehalten werden.A “material connection” or a “material connection” between at least two interconnected parts is understood here and in the following in particular to mean that the interconnected parts at their contact surfaces or joints by material union or crosslinking (for example due to atomic or molecular bonding forces) may be are held together under the action of an additive.
In einer vorteilhaften Weiterbildung sind die wärmeleitfähigen Materialien der gestapelten Batteriekomponenten entlang der Stapelrichtung durch jeweils eine Isolationsschicht voneinander getrennt. Die Isolationsschicht ist beispielsweise Teil eines jeweiligen Trägerrahmens, oder ist als ein separates Bauteil ausgeführt. Dadurch ist ein einfaches Stapeln der wärmeleitfähigen Materialien ermöglicht.In an advantageous development, the thermally conductive materials of the stacked battery components are separated from one another by an insulation layer in each case along the stacking direction. The insulation layer is, for example, part of a respective support frame or is designed as a separate component. This enables the thermally conductive materials to be stacked in a simple manner.
In einer alternativen Weiterbildung ist es möglich, dass die wärmeleitfähigen Materialien ohne eine Isolationsschicht, also im Wesentlichen direkt oder unmittelbar miteinander gefügt werden. Die wärmeleitfähigen Materialien werden hierbei insbesondere stoffschlüssig mittels kleben, laminieren, schweißen oder verschmelzen miteinander verbunden.In an alternative development, it is possible for the thermally conductive materials to be joined to one another without an insulation layer, that is to say essentially directly or immediately. The thermally conductive materials are in this case connected to one another in a materially bonded manner by means of gluing, laminating, welding or fusing.
In einer bevorzugten Anwendung ist der vorstehend beschriebene Zellenstapel ein Teil eines Batteriemoduls einer Fahrzeugbatterie. Der Zellenstapel ist hierbei in einem Zellengehäuse angeordnet. Dadurch ist ein besonders geeignetes Batteriemodul realisiert, welches eine zuverlässige und effektive Wärmeabfuhr für die Batteriezellen bereitstellt. Dadurch werden Degenerationen der Batteriezellen vorteilhaft und einfach vermieden, wodurch die Reichweite und die Lebensdauer sowie die (Batterie-)Leistung des Batteriemoduls verbessert sind.In a preferred application, the cell stack described above is part of a battery module of a vehicle battery. The cell stack is arranged in a cell housing. As a result, a particularly suitable battery module is implemented which provides reliable and effective heat dissipation for the battery cells. As a result, degeneration of the battery cells is advantageously and simply avoided, as a result of which the range and service life as well as the (battery) performance of the battery module are improved.
Die Batteriezellen sind mittels der Trägerrahmen elektrisch von dem insbesondere metallischen Zellengehäuse isoliert. Dies bedeutet, dass die Batteriezellen mittels der Trägerrahmen von dem Zellengehäuse elektrisch dekontaktiert sind.The battery cells are electrically isolated from the, in particular, metallic cell housing by means of the carrier frame. This means that the battery cells are electrically decontacted from the cell housing by means of the carrier frame.
In einer besonders zweckmäßigen Ausgestaltung ist mindestens eine der Batteriekomponenten in einem unmittelbaren, wärmeleitfähigen Berührungskontakt mit dem Zellengehäuse. Vorzugsweise ist hierbei jede Batteriekomponente des Zellenstapels in einem solchen Berührungskontakt mit zumindest einer Gehäusewand oder einer Gehäuseseite beziehungsweise einer Gehäusefläche des Zellengehäuses. Dadurch ist eine zuverlässige, aufwandsreduzierte und konstruktiv einfache Wärmeabfuhr, also eine Entwärmung oder Kühlung, der Batteriezellen über das Zellengehäuse ermöglicht.In a particularly expedient embodiment, at least one of the battery components is in direct, thermally conductive contact with the cell housing. In this case, each battery component of the cell stack is preferably in such a touch contact with at least one housing wall or a housing side or a housing surface of the cell housing. This enables reliable, reduced-effort and structurally simple heat dissipation, that is to say heat dissipation or cooling, of the battery cells via the cell housing.
In einer besonders geeigneten Ausführung ist das Zellengehäuse des mindestens einen Zellenstapels mit einer Kühlvorrichtung zur Temperierung oder Kühlung der Batteriezellen wärmeleittechnisch gekoppelt. Das Zellengehäuse ist hierbei wärmeleittechnisch mit zumindest einer Gehäuseseite oder Gehäusefläche an die Kühlvorrichtung geführt, gekoppelt oder angebunden. Dadurch wird eine besonders effektive und zuverlässige Kühlung der Batteriezellen, auch während eines Lade- oder Entladevorgangs gewährleistet.In a particularly suitable embodiment, the cell housing of the at least one cell stack is thermally conductive coupled to a cooling device for temperature control or cooling of the battery cells. In terms of thermal conductivity, the cell housing is guided, coupled or connected to the cooling device by at least one housing side or housing surface. This ensures particularly effective and reliable cooling of the battery cells, even during a charging or discharging process.
Die erfindungsgemäße Fahrzeugbatterie ist für ein elektrisch angetriebenes oder antreibbares Kraftfahrzeug, beispielsweise für ein Elektro- oder Hybridfahrzeug, geeignet und eingerichtet. Die Fahrzeugbatterie ist hierbei insbesondere als eine Traktionsbatterie mit mindestens einem vorstehend beschriebenen Batteriemodul ausgeführt. Dadurch ist eine besonders geeignete Fahrzeugbatterie realisiert. Insbesondere weist die Fahrzeugbatterie eine besonders hohe Reichweite und Lebensdauer sowie Leistung auf.The vehicle battery according to the invention is suitable and set up for an electrically driven or drivable motor vehicle, for example for an electric or hybrid vehicle. The vehicle battery is designed in particular as a traction battery with at least one battery module described above. This creates a particularly suitable vehicle battery. In particular, the vehicle battery has a particularly long range and service life as well as performance.
Durch die verbesserte Wärmeabfuhr aufgrund der integrierten wärmleitfähigen Materialien ist die Fahrzeugbatterie insbesondere für Schnelllade- oder Ultraschnellladebetriebe geeignet und eingerichtet.Due to the improved heat dissipation due to the integrated thermally conductive materials, the vehicle battery is particularly suitable and set up for fast charging or ultra fast charging operations.
Nachfolgend sind Ausführungsbeispiele der Erfindung anhand einer Zeichnung näher erläutert. Darin zeigen in schematischen und vereinfachten Darstellungen:
-
1 ein elektrisch angetriebenes oder antreibbares Kraftfahrzeug mit einer Fahrzeugbatterie mit einer Anzahl von Batteriemodulen, -
2 ein Batteriemodul mit einem Zellenstapel mit einer Anzahl von gestapelten Batteriekomponenten, und mit einem an eine Kühlvorrichtung gekoppelten Zellengehäuse, -
3 bis 6 den Zellenstapel in unterschiedlichen Ausführungsformen, und -
7 bis 20 die Batteriekomponente in unterschiedliche Ausführungsformen.
-
1 an electrically powered or drivable motor vehicle with a vehicle battery with a number of battery modules, -
2 a battery module with a cell stack with a number of stacked battery components, and with a cell housing coupled to a cooling device, -
3rd to6th the cell stack in different embodiments, and -
7th to20th the battery component in different embodiments.
Einander entsprechende Teile und Größen sind in allen Figuren stets mit den gleichen Bezugszeichen versehen.Corresponding parts and sizes are always provided with the same reference symbols in all figures.
Die
Insbesondere bei Schnelllade- oder Ultraschnellladebetrieben wird ein Ladestrom mit hoher Stromstärke in die Fahrzeugbatterie
Die in
Das Batteriemodul
Die Batteriekomponenten
Die Trägerrahmen
Die Batteriezelle
Die gestapelten Batteriezellen
Im Zuge eines Ladevorgangs entsteht eine Verlustwärme in den Batteriezellen
Durch die Materialien
Anhand der
Die in
In dem in
Wie in der
Die Trägerrahmen
In der in
In dem Ausführungsbeispiel der
Nachfolgend sind anhand der
In den
Bei der in
In dem Ausführungsbeispiel der
In der
In den
In dem Ausführungsbeispiel der
Die
In der
In den
In dem Ausführungsbeispiel der
In der Ausgestaltung der
In den Ausgestaltungsformen der
In den perspektivisch dargestellten
In der
In dem Ausgestaltungsbeispiel der
In der Ausführungsform der
Das Material
Die beanspruchte Erfindung ist nicht auf die vorstehend beschriebenen Ausführungsbeispiele beschränkt. Vielmehr können auch andere Varianten der Erfindung von dem Fachmann hieraus im Rahmen der offenbarten Ansprüche abgeleitet werden, ohne den Gegenstand der beanspruchten Erfindung zu verlassen. Insbesondere sind ferner alle im Zusammenhang mit den verschiedenen Ausführungsbeispielen beschriebenen Einzelmerkmale im Rahmen der offenbarten Ansprüche auch auf andere Weise kombinierbar, ohne den Gegenstand der beanspruchten Erfindung zu verlassen.The claimed invention is not restricted to the exemplary embodiments described above. Rather, other variants of the invention can also be derived therefrom by the person skilled in the art within the scope of the disclosed claims without departing from the subject matter of the claimed invention. In particular, all of the individual features described in connection with the various exemplary embodiments can also be combined in other ways within the scope of the disclosed claims without departing from the subject matter of the claimed invention.
BezugszeichenlisteList of reference symbols
- 22
- KraftfahrzeugMotor vehicle
- 44th
- FahrzeugbatterieVehicle battery
- 66th
- BatteriemodulBattery module
- 88th
- LadeschnittstelleCharging interface
- 1010
- LadekabelCharging cable
- 1212th
- KühlvorrichtungCooling device
- 1414th
- ZellengehäuseCell housing
- 1616
- GehäusebodenCase back
- 1818th
- AnlagegehäusePlant housing
- 2020th
- KühlmediumCooling medium
- 2222nd
- ZellenstapelCell stack
- 2424
- BatteriekomponenteBattery component
- 2626th
- TrägerrahmenSupport frame
- 2828
- RahmenöffnungFrame opening
- 3030th
- BatteriezelleBattery cell
- 3232
- KathodenschichtCathode layer
- 3434
- AnodenschichtAnode layer
- 3636
- SeparatorschichtSeparator layer
- 3838
- BipolarelektrodeBipolar electrode
- 4040
- StromableiterCurrent arrester
- 4242
- Terminal/PluspolTerminal / positive pole
- 4444
- Terminal/MinuspolTerminal / negative pole
- 4646
- Materialmaterial
- 4848
- Innenkante/InnenseiteInside edge / inside
- 5050
- Außenkante/AußenseiteOutside edge / outside
- 5252
- IsolationsschichtInsulation layer
- 5454
- Fügestelle Joint
- SS.
- StapelrichtungStacking direction
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNGQUOTES INCLUDED IN THE DESCRIPTION
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Zitierte PatentliteraturPatent literature cited
- US 2018/0233721 A1 [0005]US 2018/0233721 A1 [0005]
- US 2018/0233752 [0005]US 2018/0233752 [0005]
- US 2018/0233768 A1 [0005]US 2018/0233768 A1 [0005]
Claims (10)
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Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
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Citations (2)
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---|---|---|---|---|
DE102012223518A1 (en) * | 2012-12-18 | 2014-06-18 | Robert Bosch Gmbh | Energy storage with insulation element |
DE102014019074A1 (en) * | 2014-12-18 | 2016-06-23 | Daimler Ag | Cell block for a motor vehicle battery |
-
2019
- 2019-08-29 DE DE102019212975.7A patent/DE102019212975A1/en active Pending
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