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Die Erfindung betrifft ein Druckausgleichselement für einen Stapel von Batterieeinzelzellen nach der im Oberbegriff von Anspruch 1 näher definierten Art. Die Erfindung betrifft außerdem ein Zellmodul mit mehreren Batterieeinzelzellen nach der im Oberbegriff von Anspruch 6 näher definierten Art.
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Druckausgleichselemente für Zellmodule bzw. Stapel von Batterieeinzelzellen sind prinzipiell aus dem Stand der Technik bekannt. So beschreibt beispielsweise die
DE 10 2011 103 998 A1 eine Energiespeichereinheit mit einem elastischen Hohlkörper als Druckausgleichselement. Dieses ist mit Luft gefüllt und kann über ein Überdruck- und/oder Unterdruckventil, welches mittels einer Messvorrichtung steuerbar ist, eingesetzt werden, um einen Druckausgleich in dem Batteriegehäuse zu bewerkstelligen. Dieser Druckausgleich dient dabei insbesondere dazu, Druckänderungen aufgrund von Temperaturschwankungen oder durchgehenden Zellen auszugleichen. In der Praxis hat sich ein solcher Aufbau bisher nicht durchgesetzt.
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Allerdings werden häufig Spannmatten eingesetzt, welche in einem Zellmodul, welches in einem festen Gehäuse eingebaut ist, in Stapelrichtung zwischen den Batterieeinzelzellen oder zumindest zwischen einzelnen Gruppen von Batterieeinzelzellen angeordnet sind. Diese Spannmatten sollen dafür sorgen, dass eine gewisse Vorspannung auf die Zellen erreicht wird, welche je nach eingesetzter Zellchemie unterschiedlich groß ist, bei den meisten Aufbauten jedoch mit einer Steigerung der Lebensdauer einhergeht. In der Praxis ist es allerdings so, dass die Batterieeinzelzellen über ihre Lebensdauer hinweg eine Dickenzunahme erfahren. Mit der Zeit wird also die von den Spannmatten auf die Batterieeinzelzellen ausgeübte Kraft bzw. der Druck, unter welchem die Batterieeinzelzellen stehen, immer größer. Dies, so hat es sich gezeigt, führt zu einer frühzeitigen Alterung der Batterieeinzelzellen. Alternative Ansätze, wie bewusst ein Luftspalt zwischen den Batterieeinzelzellen zu lassen, führen zu einer erhöhten mechanischen Empfindlichkeit beispielsweise bei einem Crash oder in Bezug auf Vibrationen. Außerdem kann bereits durch die fehlende Vorspannung der Zellen ein negativer Effekt auf den Wirkungsgrad und die Lebensdauer der Zellen möglich sein.
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Die Aufgabe der hier vorliegenden Erfindung ist es daher, ein Druckausgleichselement und ein dieses nutzende Zellmodul anzugeben, welches bei einfachem und kompaktem Aufbau eine hohe Lebensdauer ermöglicht.
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Erfindungsgemäß wird diese Aufgabe durch ein Druckausgleichselement mit den Merkmalen im Anspruch 1, und hier insbesondere im kennzeichnenden Teil des Anspruchs 1, gelöst. Vorteilhafte Ausgestaltungen und Weiterbildungen ergeben sich aus den hiervon abhängigen Unteransprüchen. Außerdem ist im Anspruch 6 ein Zellmodul mit einem solchen Druckausgleichselement angegeben, welches die oben genannte Aufgabe ebenfalls löst. Auch bezüglich des Zellmoduls ergeben sich vorteilhafte Ausgestaltungen und Weiterbildungen aus den hiervon abhängigen Unteransprüchen.
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Das erfindungsgemäße Druckausgleichselement besteht, vergleichbar wie das Druckausgleichselement aus dem eingangs genannten Stand der Technik, aus einer elastischen Hülle, welche gemäß einer sehr vorteilhaften Weiterbildung aus einem Elastomer oder Gummimaterial ausgebildet sein kann. Innerhalb dieser elastischen Hülle befindet sich ein kompressibles Medium, beispielsweise Luft oder ein anderes Gas. Anders als bei dem Druckausgleichselement gemäß dem Stand der Technik, welches als Temperaturausgleichselement und für den Druckausgleich im Versagensfall einer der Batterieeinzelzellen ausgebildet ist, befindet sich bei dem erfindungsgemäßen Druckausgleichselement in dem Hohlraum ein Gel oder ein offenporiger Schaum, beispielsweise Silikonschaum. Das kompressible Medium ist in das nicht-kompressible Medium eingebettet. Beispielsweise ist das Gel nun zusätzlich ein nicht-kompressibles Medium, wie mit dem Gas als kompressiblem Medium aufgeschäumt, der offenporige Schaum wie beispielsweise Silikonschaum als Ergänzung oder Alternative hierzu enthält ebenfalls dieses Gas. Das Druckausgleichselement verfügt außerdem über ein Überdruckventil zumindest für das kompressible Medium.
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In der Praxis ist nun so, dass bei einem erfindungsgemäßen Zellmodul mehrere Batterieeinzelzellen vorgesehen sind, welche in einem Gehäuse aufgestapelt und in Stapelrichtung verpresst angeordnet sind. Je nach Anzahl der Batterieeinzelzellen befindet sich nun ein Druckausgleichselement oder mehrere derartige Druckausgleichselemente innerhalb des Stapels der Batterieeinzelzellen. Die Druckausgleichselemente oder das Druckausgleichselement sind z.B. mit dem Gel oder offenporigen Schaum gefüllt, in welchem sich das kompressible Medium befindet. Zu Beginn der Lebenszeit der Batterieeinzelzellen ist das Druckausgleichselement oder sind die Druckausgleichselemente noch vergleichsweise groß bzw. dick in ihrer Ausdehnung in Stapelrichtung, da die Batterieeinzelzellen zu Beginn ihres Lebenszyklus relativ klein bzw. dünn sind. Sie verändern ihre Größe beim Laden und Entladen, was allgemein bekannt ist und häufig auch als Atmen der Batterieeinzelzellen bezeichnet wird. Durch das in dem Druckausgleichselement befindliche kompressible Medium ist man nun in der Lage, auf dieses sogenannte Atmen der Zellen bis zu einem gewissen Grad zu reagieren. Zwar werden die Zellen stärker verpresst, können sich aber aufgrund des kompressiblen Mediums in dem Druckausgleichselement besser als im Stand der Technik ausdehnen.
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Überlagert dazu kommt es jedoch auch zu einem zunehmenden Wachstum der Zellen in ihrer Dicke mit zunehmendem Alter der Zellen. Das erfindungsgemäße Druckausgleichselement in dem Zellstapel der Erfindung kann hierauf nun entsprechend reagieren, in dem das Überdruckventil ab einem Grenzdruck öffnet und zumindest kompressives Medium aus dem Druckausgleichselement austritt. Dieses wird insgesamt dünner und bietet damit den im Laufe ihrer Lebensdauer dicker gewordenen Batterieeinzelzellen bei weiterhin vorhandener Funktionalität eines elastischen Ausgleichs beim Laden und Entladen mehr Raum. Dadurch werden zu hohe Drücke auf die Batterieeinzelzellen, wie sie beispielsweise bei herkömmlichen Modulen mit zwischen den Batterieeinzelzellen verbauten Spannmatten im Laufe der Lebensdauer auftreten können, vermieden. Dies führt in der Praxis zu einer verbesserten Lebensdauer der Batterieeinzelzellen und spart im Vergleich zu einer Vielzahl von Spannmatten durch die typischerweise sehr viel geringere Anzahl der Druckausgleichselemente Material, Gewicht und Bauraum gegenüber dem Stand der Technik ein.
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Insbesondere bei der Ausgestaltung mit offenporigem Schaum ist es so, dass die Druckausgleichselemente auch nach der vollständigen Entleerung des kompressiblen Mediums noch eine gewisse Restelastizität aufweisen und damit der Funktionalität der heutigen Aufbauten mit Spannmatten zumindest vergleichbar sind.
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Alles in allem lässt sich somit eine verbesserte Lebensdauer bei einem einfacheren, leichteren und kompakteren Aufbau der Zellmodule durch die Druckausgleichselemente gemäß der Erfindung erreichen.
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Das Überdruckventil kann vorzugsweise als federbelastetes Ventil ausgebildet sein, welches gemäß einer vorteilhaften Weiterbildung einen Öffnungsdruck aufweist, welcher entsprechend höher als der Schließdruck ist, sodass im Bedarfsfall das kompressible Medium und/oder das Gel je nach Füllung entweichen kann, ohne dass es zu einem Zurückströmen kommt. Hierdurch ist sichergestellt, dass mit jedem Entweichen des Mediums die Gesamtdicke des Druckausgleichselements über die Lebensdauer des Aufbaus, und damit insbesondere über die Lebensdauer der Batterieeinzelzellen, entsprechend abnimmt.
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Innerhalb des Zellmoduls ist es so, dass wie oben bereits erwähnt wenigstens eines der Druckausgleichselemente innerhalb des Gehäuses, in welchem die Batterieeinzelzellen in Stapelrichtung verpresst angeordnet sind, vorhanden ist. Die durch ein Gehäuse vorgegebene maximal Größe des Stapels wird also von den Batterieeinzelzellen und dem im Laufe der Lebensdauer sich in seiner Dicke entsprechend dem Wachstum der Batterieeinzelzellen verringernden Druckausgleichselement eingenommen.
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Ein festes Verpressen zur Fixierung des Stapels der Batterieeinzelzellen und des einen oder der mehreren darin angeordneten Druckausgleichselemente würde dem Prinzip eines Druckausgleichs, sodass immer ein gewisser Druck auf die Batterieeinzelzellen wirkt, dieser über die Lebensdauer hinweg aber nicht zu hoch wird, entgegenstehen. Die Batteriezellen sind daher schwimmend gelagert. Um den Aufbau dennoch entsprechend zu fixieren, kann es daher gemäß einer außerordentlich günstigen Weiterbildung des erfindungsgemäßen Zellmoduls vorgesehen sein, dass die Batterieeinzelzellen und das wenigstens eine zwischen ihnen angeordnete Druckausgleichselement miteinander verklebt sind. In der Praxis kann dieses Verkleben vorzugweise mittel doppelseitigem Klebeband zwischen den Batterieeinzelzellen und dem wenigstens einen Druckausgleichselement in Stapelrichtung erfolgen.
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Weitere vorteilhafte Ausgestaltungen des erfindungsgemäßen Druckausgleichselements und/oder des erfindungsgemäßen Zellmoduls ergeben sich auch aus dem Ausführungsbeispiel, welcher nachfolgend unter Bezugnahme auf die Figuren näher dargestellt ist.
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Dabei zeigen:
- 1 ein beispielhaftes Zellmodul in einer möglichen Ausführungsform gemäß der Erfindung zu Beginn der Lebensdauer der darin verbauten Batterieeinzelzellen;
- 2 der Aufbau gemäß 1 in einem Zustand beispielsweise in der Mitte der Lebensdauer der darin verbauten Batterieeinzelzellen; und
- 3 ein Diagramm eines beispielhaften Druckverlaufs innerhalb des Zellmoduls beim Stand der Technik und beim erfindungsgemäßen Aufbau des Zellmoduls.
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In der Darstellung der 1 ist rein beispielhaft ein Zellmodul 1 in einem mit 2 bezeichneten Batteriegehäuse bzw. Modulgehäuse dargestellt. Eines oder mehrere derartiger Zellmodule 1 werden dann zu einer Batterie zusammengefasst, beispielsweise zu einer Traktionsbatterie für ein zumindest teilweise elektrisch angetriebenes Fahrzeug. Die Zellchemie des Zellmoduls 1 soll beispielsweise die Zellchemie handelsüblicher Lithium-Ionen-Zellen sein.
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Innerhalb des Gehäuses 2 des Zellmoduls 1 sind nun beispielhaft zehn Batterieeinzelzellen 3 angeordnet, von welchen nur einige mit einem Bezugszeichen versehen sind. Sie sind in vertikaler Richtung aufgestapelt und können beispielsweise miteinander verklebt sein, wofür doppelseitige Acrylat-Klebebänder zum Einsatz kommen. Innerhalb des Stapels der Batterieeinzelzellen 3 befindet sich hier rein beispielhaft ein Druckausgleichselement 4. Es umfasst eine elastische Hülle 5, welche einen Hohlraum umschließt, welcher beispielsweise mit einem aufgeschäumten Gel oder einem offenporigen Schaum und einem Gas wie beispielsweise Luft als kompressibles Medium gefüllt ist. Die elastische Hülle kann aus einem Elastomer oder Gummimaterial bestehen, sodass das Druckausgleichselement 4 also eine Art „Gummikissen“ darstellt. Ein Überdruckventil 6 ähnlich einem gebräuchlichen Schmiernippel ist so angeordnet, dass bei Bedarf Überdruck ab einem bestimmten Druckwert, welcher durch eine Feder innerhalb des Überdruckventils 6 vorgegeben ist, in die Umgebung abgegeben wird. Dabei kann beispielsweise das kompressible Medium, also beispielsweise die Luft, in die Umgebung abgegeben werden.
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Bei handelsüblichen Lithium-Ionen-Zellen als Batterieeinzelzellen 3 wird typischerweise eine flächige möglichst homogene Vorspannung benötigt. Je nach Zellchemie kann diese in der Größenordnung von 0,06 bis 0,2 MPa liegen. Dieser Druck variiert stark, da die Batterieeinzelzellen 3 sich beim Laden und Entladen vergrößern bzw. verkleinern. Dieser Effekt, welcher auch als „Atmen“ bezeichnet wird, kann dazu führen, dass es zu Druckschwankungen von bis zu 0,3 MPa zwischen den entladenen dünneren Batterieeinzelzellen 3 und den geladenen dickeren Batterieeinzelzellen 3 kommt. Daneben ist es so, dass die Batterieeinzelzellen 3 durch kalendarische und zyklische Alterung dicker werden. In einem limitierten Bauraum, in dem die Batterieeinzelzellen 3 beispielsweise in dem Gehäuse 2 fest verpresst sind, sorgt dies über die Lebensdauer zu einem Anstieg des Drucks bis hin zu 3,5 MPa am Ende der Lebensdauer. Die Vorspannung auf die Batterieeinzelzellen 3 wird also beträchtlich erhöht, sodass diese nicht mehr mit ihrer initialen Spannkraft vorgespannt sind, sondern mit sehr viel höheren Kräften, was zu einer schnelleren Degradation bzw. Alterung der Batterieeinzelzellen 3 führen würde.
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Durch das Druckausgleichselement 4 in dem Zellmodul 1 in der Darstellung der 1 lässt sich dies nun ändern. Sowohl die Größe des Druckausgleichselements 4 als auch seine Anzahl können dabei je nach Größe des Zellmoduls 1 und Anzahl der eingesetzten Batterieeinzelzellen 3 entsprechend variiert werden. Insbesondere ist bei einer größeren Anzahl von Batterieeinzelzellen 3 der Einsatz mehrerer Druckausgleichselemente 4, anders als es hier dargestellt ist, sinnvoll, um die aus dem Zelldickenwachstum über die Lebensdauer der Batterieeinzelzellen 3 resultierende Längenänderung des Zellenstapels zu begrenzen und die Toleranzen der Batterieeinzelzellen 3 entsprechend zu kompensieren.
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Der Hohlraum innerhalb der elastischen Hülle 5 des Druckausgleichselements 4 kann nun beispielsweise mit einem Gel, insbesondere einem geschäumten Gel, oder einem offenporigen Schaum wie beispielsweise Silikonschaum ausgefüllt sein. Darin eingebettet ist Luft oder ein anderes Gas als kompressibles Medium. Die Vorspannung entsteht dann durch den Widerstand dieses Kissens, wobei durch die eingeschlossene Luft eine Kompressibilität erreicht wird. Insbesondere ist es dabei von Vorteil, wenn ein kompressibles und ein inkompressibles Medium gemischt werden, also beispielsweise Gel und Luft oder Silikonschaum und Luft, um eine möglichst homogene Verpressung, vor allem bei einer Dickenänderung aufgrund des sich ändernden Ladezustands, zu erreichen.
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Bei den relativ kleinen Druckänderungen, welche aufgrund des Größenwachstums bei der Änderung des Ladezustands auftreten, kann dann nämlich die Luft komprimiert werden und der Verpressdruck steigt nur minimal. Das Überdruckventil 6 würde in einem solchen Fall nicht öffnen, sondern nur dann, wenn ein entsprechend größerer Druck überschritten wird, als der, der üblicherweise beim Laden/Entladen auftritt.
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Kommt es allerdings zu einem solchen Druckanstieg durch das Zellwachstum aufgrund der Alterung der Batterieeinzelzellen 3, dann entstehen noch höhere Drücke als bei den Druckschwankungen aufgrund des Ladens/Entladens der Batterieeinzelzellen 3. In diesem Fall würde das Überdruckventil 6 öffnen, wie es in der Darstellung der 2 angedeutet ist. Das Druckausgleichselement 4 wird dann in seiner Dickenausdehnung entsprechend dünner und gleicht die sich vergrößernde Dicke der Batterieeinzelzellen 3 entsprechend aus, indem Medium, insbesondere kompressibles Medium, durch das Überdruckventil 6 in die Umgebung abströmt.
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In der Darstellung der 3 ist dieses Verhalten anhand einer Kurve des zunehmenden Drucks p in dem Zellmodul 1 innerhalb des Gehäuses 2 über die Lebensdauer tL dargestellt. Die obere Kurve zeigt dabei in der mittleren Linie den Druckanstieg aufgrund der zunehmenden Alterung der Batterieeinzelzellen 3 und zur Verdeutlichung in einem sehr großen zeitlichen Maßstab überlagert den tatsächlichen Verlauf mit den entsprechenden Amplituden aufgrund des Ladens und Entladens der Batterieeinzelzellen 3. In dem Diagramm unten ist nun der entsprechende Verlauf beim Einsatz des Druckausgleichselements 4 dargestellt. Aufgrund des kompressiblen Mediums in dem Druckausgleichselement 4 wird die Höhe der Amplituden beim Laden und Entladen entsprechend verringert. Sobald ein durch die strichpunktierte Linie eingezeichneter oberer Grenzdruck erreicht ist, wird außerdem ein Teil des kompressiblen Mediums abgeblasen, sodass der Gesamtdruck in dem Zellmodul 1 wieder unter eine untere strichzwei-punktierte dargestellte Grenze absinkt. Dies ist zum Zeitpunkt t1 gezeigt. Der Verlauf startet dann von neuem unterhalb dieser Grenze und steigt dann im Laufe der Zeit t wieder bis zur oberen Grenze an, bevor sich dies am Zeitpunkt t2 wiederholt. In der hier gewählten Darstellung ist beim dritten Öffnen des Ventils zum Zeitpunkt t3 das kompressible Medium vollständig aus dem Druckausgleichselement 4 ausgetreten, sodass dieses mit seinem inkompressiblen Teil, also dem Gel oder dem Schaum, nur noch die Restwirkung, vergleichbar einer Spannmatte, hat, sodass ab hier der Anstieg des Drucks analog zum Druckanstieg im Stand der Technik verläuft. Allerdings wird am Ende der Lebensdauer zum Zeitpunkt tE des herkömmlichen Aufbaus bei dem Aufbau mit dem Druckausgleichselement 4 ein deutlich geringerer Druck erreicht, sodass das Zellmodul 1 mit seinen Batterieeinzelzelle 3 auch nach diesem Zeitpunkt noch eine Restlebensdauer hat, welche die Gesamtlebensdauer des Zellmoduls 1 deutlich verlängert.
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Der Verband der Batterieeinzelzellen 3 ist dabei schwimmend gelagert, sodass Bewegungen in Stapelrichtung und eine Komprimierung bzw. Ausdehnung des Druckausgleichselements 4 ausgeglichen werden können. Würde man nun die Batterieeinzelzellen 3 ortsfest fixieren, wäre eine Ausnutzung des Weges, welcher sich durch die Verkleinerung des Druckausgleichselements 4 beim Öffnen des Überdruckventils 6 ergibt, verhindert. Damit die Batterieeinzelzellen 3 also in dem Bauraum, welchen das Druckausgleichselement 4 freigibt, rutschen können und dennoch einen gewissen mechanischen Halt haben, bietet sich eine Verklebung aller Bauteile in Stapelrichtung an, was insbesondere durch den Einsatz von doppelseitigem Klebeband, beispielsweise Acrylat-Klebeband, erfolgen kann.
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Die Abhängigkeit des Aufbaus von Umgebungsdruck und Temperatur sind nach ersten Überschlagsrechnungen des Erfinders, anders als im Stand der Technik dargestellt, im Wesentlichen vernachlässigbar. Auch die Ausdehnung der Batterieeinzelzellen 3 des Stapels in Folge Erwärmung führt nicht zu so signifikanten Druckschwankungen wie beispielsweise das Laden und Entladen, sodass diese im Wesentlichen tolerierbar sind.
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Über das wenigstens eine Druckausgleichselement 4 lässt sich dabei eine Anpassung der Verspannkraft innerhalb des Stapels der Batterieeinzelzellen 3 in dem Zellmodul 1 feinfühlig vornehmen. Dies kann beispielsweise in Abhängigkeit der eingesetzten Zellchemie erfolgen. Im Wesentlichen lassen sich dabei drei Punkte verändern, um dies zu justieren. Einmal kann eine höhere Vorspannkraft zum Beginn der Lebensdauer der Batterieeinzelzellen 3 vorgesehen werden. Dafür kann die Vorspannung bei der Montage entsprechend erhöht werden und über einen höheren Öffnungsdruck des Überdruckventils in dem Druckausgleichselement lässt sich eine solche höhere Vorspannkraft auch halten. Dies kann beispielsweise bei Solid-State oder Li-Po-Zellen von Vorteil sein. Genau anders herum lässt sich selbstverständlich auch eine niedrigere Vorspannkraft zu Beginn der Lebensdauer der Batterieeinzelzellen entsprechend realisieren.
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Eine Anpassung der Amplitude des Drucks bzw. der Zelldicke aufgrund des Ladens und Entladens kann leicht z.B. durch eine Auswahl des geeigneten Gels und dem darin befindlichen Luftanteil variiert werden oder entsprechend durch den geschäumten Stoff und dessen Porengröße. Großen Volumenänderungen kann dann mit mehr Luftanteil im Gel oder größeren luftgefüllten Poren entgegengewirkt werden. Als drittes lässt sich auch auf die Größe des erwarteten mittleren Zellendickenwachstums entsprechend eingehen. Denkt man beispielsweise in Richtung Ni-Rich-Zellen oder LiS-Zellen, dann wachsen diese mit einer zunehmenden Alterung der Zelle stärker als beispielsweise solche mit NCM-Zellchemie. Das Druckausgleichselement muss dann entsprechend größer, also in Stapelrichtung breiter bzw. dicker ausgeführt werden, um über die Lebensdauer des Zellmoduls 1 hinweg mehr Weg freigeben zu können.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- DE 102011103998 A1 [0002]
