DE102020005456A1

DE102020005456A1 - Vorrichtung zur Temperierung elektrochemischer Zellen

Info

Publication number: DE102020005456A1
Application number: DE102020005456.0A
Authority: DE
Inventors: Andreas Schurz; Robin Böld; Domenico Romano
Original assignee: Daimler AG
Current assignee: Mercedes Benz Group AG
Priority date: 2020-09-07
Filing date: 2020-09-07
Publication date: 2021-12-02

Abstract

Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung (1) zur Temperierung elektrochemischer Einzelzellen (9) mit einem in einer elastischen Umhüllung (2) angeordneten Phasenwechselmaterial (4). Die erfindungsgemäße Vorrichtung ist dadurch gekennzeichnet, dass die Umhüllung (2) schlauchförmig ausgebildet ist.

Description

Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zur Temperierung elektrochemischer Zelle nach der im Oberbegriff von Anspruch 1 näher definierten Art. Außerdem betrifft die Erfindung einen elektrochemischen Energiespeicher mit einer Mehrzahl von elektrochemischen Einzelzellen und einer derartigen Vorrichtung.
Der Stand der Technik kennt zahlreiche Einsätze von Phasenwechselmaterialen zur Temperierung von Batterien. Beispielsweise zeigt die DE 10 2013 225 274 A1 einen Latentwärmespeicher mit einem Phasenwechselmaterial, welcher zwischen den elektrochemischen Zellen angeordnet ist, aber auch an der Seiten- oder Bodenfläche eines Zellstapels positioniert werden kann. Dabei ist das Phasenwechselmaterial in einem Folienbeutel verpackt.
Ein weiterer Stand der Technik ist die DE 10 2011 002 549 A1 . Auch hier ist ein Latentwärmespeicher zum Temperieren einer Lithium-Ionen-Batterie beschrieben, welcher um die Batterie herum oder auch in der Batterie angebracht sein kann.
In der DE 10 2015 014 035 A1 wird eine HV-Batterie beschrieben, welche zur Verhinderung eines thermal runaways eine Kühleinheit seitlich am Zellblock aufweist, welche ein Phasenwechselmaterial enthält, das in einer Umhüllung wie beispielsweise einer dünnen Kunststofffolie angeordnet ist. Die Anwendung ist insbesondere für Pouch-Zellen beschrieben.
Die DE 10 2014 204 245 A1 beschreibt außerdem eine Sicherheitsbarriere zwischen zwei Batterieeinzelzellen, in welche als Füllmaterial ein Phasenwechselmaterial eingebracht ist, um die Weitergabe von Temperaturanstiegen zu verhindern. Aus dem gleichen Grund beschreibt auch die US 6,468,689 B1 eine Befüllung der Hohlräume im Batteriemodul mit einem Phasenwechselmaterial.
Die Aufgabe der hier vorliegenden Erfindung besteht nun darin, eine verbesserte Vorrichtung zur Temperierung sowie einen verbesserten elektrochemischen Energiespeicher anzugeben.
Erfindungsgemäß wird diese Aufgabe durch eine Vorrichtung 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. Einen elektrochemischen Energiespeicher zur Lösung der Aufgabe beschreibt Anspruch 4. Auch hier ergibt sich eine besonders günstige Ausgestaltung aus dem hiervon abhängigen Unteranspruch.
Die Erfindung nutzt, vergleichbar wie im Stand der Technik, ein Phasenwechselmaterial (PWM), welches auch gemäß dem Englischen als Phase Change Material (PCM) bezeichnet wird. Ein solches Material wechselt bei einer je nach Material einstellbaren Temperatur seine Phase, beispielsweise von der flüssigen Phase in die feste Phase, oder umgekehrt. Dabei kann durch den physikalischen Prozess der Phasenumwandlung währenddessen relativ viel Energie aufgenommen und später wieder abgegeben werden. Das Material findet gemäß dem oben beschriebenen Einsatzzweck deshalb zur Temperierung und insbesondere zum Verhindern eines thermischen Durchgehens von Batteriezellen Verwendung. Dabei ist es relativ aufwändig, das Material in die Batterieeinzelzellen zu integrieren oder Hohlräume in einem Gehäuse um die Zellmodule mit dem entsprechenden Material zu füllen, insbesondere da das Material beim Wechsel seiner Phase typischerweise auch eine starke Veränderung seines Volumens erfährt.
Die erfindungsgemäße Lösung sieht es daher vor, dass die Vorrichtung zur Temperierung der elektrochemischen Zellen in einer elastischen Umhüllung ein Phasenwechselmaterial nutzt. Erfindungsgemäß ist die elastische Umhüllung dabei schlauchförmig ausgebildet. Eine solche schlauchförmige elastische Umhüllung lässt sich in Form eines Schlauchs sehr einfach und effizient am Markt einkaufen. Der Schlauch kann dabei gemäß einer vorteilhaften Weiterbildung der Idee vorzugsweise aus TPV oder EPDM bestehen. Ein solches thermoplastisches Vulkanisat wie beispielsweise Ethylen-Propylen-Dien-Monomer-Kautschuk (EPDM) eignet sich ideal, aufgrund seiner guten Abdichtung einerseits und seiner hohen Elastizität andererseits. Ein solcher Schlauch kann nun beidseitig verschlossen ausgebildet sein. Gemäß einer vorteilhaften Weiterbildung kann er dafür am einen Ende verschweißt, dann mit dem Phasenwechselmaterial befüllt und dann am anderen Ende verschweißt sein. Damit entsteht ein hocheffizientes und für die beim Phasenwechsel auftretenden Volumenänderungen ausreichend elastisches Produkt. Für den Einsatz in elektrochemischen Zellen kann dann die Temperatur für den Phasenwechsel entsprechend eingestellt werden. Beispielsweise bei Batteriezellen in Lithium-Ionen-Technologie könnte die Temperatur des Phasenwechselmaterials so eingestellt werden, dass dies seinen Phasenwechsel in einem Temperaturfenster von beispielsweise 35 bis 55° C erfährt.
Ein elektrochemischer Energiespeicher mit einer Mehrzahl von elektrochemischen Einzelzellen, beispielsweise eine Batterie mit Einzelzellen in Lithium-Ionen-Technologie, kann dann wenigstens eine derartige Vorrichtung zur Temperierung mit dem Phasenwechselmaterial in einem elastischen Schlauch vorsehen. Gemäß einer außerordentlich günstigen Weiterbildung der Idee kann die wenigstens eine der Vorrichtungen im bestimmungsgemäßen Einsatz über oder unter den Einzelzellen angeordnet sein. Typischerweise sind die Einzelzellen zu Zellmodulen verbunden. Zwischen den Zellmodulen und dem Gehäuse bleibt, zumindest im oberen Bereich des Aufbaus, typischerweise ein Freiraum. Die sehr einfache, effiziente und kostengünstig herstellbare erfindungsgemäße Vorrichtung mit der schlauchförmigen Umhüllung des Phasenwechselmaterials lässt sich nun einfach in einen solchen Hohlraum einlegen. Sie kann beispielsweise oben auf das Zellmodul aufgelegt werden, bevor das Gehäuse entsprechend geschlossen wird. Hierdurch entsteht eine einfache und effiziente Möglichkeit zur Temperierung. Durch den Einsatz von TPV oder EPDM als Material für die schlauchförmige Umhüllung kann außerdem gewährleistet werden, dass diese elektrisch nicht leitfähig ist, sodass also ohne weitere Zwischenschichten eine Platzierung der Vorrichtungen auf den Polen, den Zellverbindern oder dergleichen erfolgen kann, ohne Kurzschlüsse oder andere unerwünschte elektrische Verschaltungen durch die Vorrichtung befürchten zu müssen.
Weitere vorteilhafte Ausgestaltungen der erfindungsgemäßen Vorrichtung sowie des elektrochemischen Energiespeichers mit der erfindungsgemäßen Vorrichtung ergeben sich auch aus dem Ausführungsbeispiel, welches nachfolgend unter Bezugnahme auf die Figuren näher dargestellt ist.
Dabei zeigen:

1 eine erfindungsgemäße Vorrichtung in einer möglichen Ausgestaltung in einer dreidimensionalen Ansicht;
2 einen Schnitt durch die Vorrichtung gemäß 1; und
3 eine schematische Seitenansicht eines elektrochemischen Energiespeichers gemäß der Erfindung.

In der Darstellung der 1 ist eine Vorrichtung 1 zur Temperierung elektrochemischer Einzelzellen schematisch angedeutet. Sie besteht aus einer mit 2 bezeichneten Umhüllung, welche als flexibler und dehnfähiger Schlauch ausgebildet ist, welcher vorzugsweise aus TPV bzw. EPDM besteht. Er wird auf einer Seite dauerhaft verschlossen, zum Beispiel durch Verschweißen, wie es im Bereich der mit 3 bezeichneten Schweißnaht links in der Darstellung der 1 angedeutet ist. Dieser schlauchförmige Hohlkörper, den die Umhüllung 2 nun ausbildet, wird mit einem Phasenwechselmaterial gefüllt, welches in der Darstellung der 2 in einem Schnitt durch die gefüllte Vorrichtung 1 zu erkennen und dort mit dem Bezugszeichen 4 versehen ist. An dem noch nicht verschlossenen Ende wird nach der Befüllung mit dem Phasenwechselmaterial 4 die Umhüllung 2 ebenfalls verschlossen. Auch dies kann durch Verschweißen erfolgen, sodass auch an diesem Ende wiederum eine nun mit 5 bezeichnete Schweißnaht angedeutet ist.
Diese Vorrichtung 1 wird nun idealerweise so an oder in dem Gehäuse eines elektrochemischen Energiespeichers, beispielsweise einer HV-Batterie, welche als Traktionsbatterie in einem Fahrzeug eingesetzt wird, und welche vorzugsweise in Lithium-Ionen-Technologie realisiert ist, platziert, dass die von den Einzelzellen abgegebene Abwärme möglichst effektiv in dem Phasenwechselmaterial 4 innerhalb der Vorrichtung 1 gepuffert werden kann.
Der beim Phasenwechsel auftretende starke Volumensprung des Phasenwechselmaterials 4 lässt sich dabei durch das dehnfähige und flexible Material des als Umhüllung 2 genutzten Schlauchs kompensieren.
Das Phasenwechselmaterial 4 kann vorzugsweise so ausgewählt sein, dass der Temperaturbereich, in dem dieses für einen Temperaturausgleich sorgt, letztlich also die Temperatur der Einzelzellen regelt, knapp unterhalb einer kritischen Betriebstemperatur der Einzelzellen liegt. Diese liegt nach derzeitigen Erkenntnissen bei Lithium-Ionen-Zellen in der Größenordnung von ca. 35 bis 55° C. Der genaue Bereich kann gegebenenfalls individuell an die eingesetzten Einzelzellen und den Zellstapel, auch in Bezug auf die Anzahl der dort verbauten Einzelzellen sowie gegebenenfalls die Geometrie dieser Einzelzellen oder des Zellstapels, angepasst werden.
In der Darstellung der 3 ist abschließend ein elektrochemischer Energiespeicher 6 gezeigt, welcher ein Gehäuse 7 und ein darin angeordnetes Zellmodul 8 umfasst. Innerhalb des Zellmoduls 8 sind einige der dort verbauten Einzelzellen angedeutet und mit dem Bezugszeichen 9 versehen. Oberhalb des Zellmoduls 8 im bestimmungsgemäßen Einsatz des elektrochemischen Energiespeichers 6 ist dabei wenigstens eine der Vorrichtungen 1 angeordnet, welche einfach und effizient in den Hohlraum zwischen dem Deckel des Gehäuses 7 und dem Zellmodul 8 eingelegt werden kann und dann die Temperierung der Einzelzellen 9 übernimmt oder ergänzend zu anderen Maßnahmen zumindest unterstützt.
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

DE 102013225274 A1 [0002]
DE 102011002549 A1 [0003]
DE 102015014035 A1 [0004]
DE 102014204245 A1 [0005]
US 6468689 B1 [0005]

Claims

Vorrichtung (1) zur Temperierung elektrochemischer Einzelzellen (9) mit einem in einer elastischen Umhüllung (2) angeordneten Phasenwechselmaterial (4), dadurch gekennzeichnet, dass die Umhüllung (2) schlauchförmig ausgebildet ist.
Vorrichtung (1) nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die schlauchförmige Umhüllung (2) aus TPV oder EPDM besteht.
Vorrichtung (1) nach Anspruch 1 oder 2 dadurch gekennzeichnet, dass die schlauchförmige Umhüllung (2) an beiden Enden verschlossen, vorzugsweise verschweißt, ist.
Elektrochemischer Energiespeicher (6) mit einer Mehrzahl von elektrochemischen Einzelzellen (9) und mit mindestens einer Vorrichtung (1) nach einem der Ansprüche 1 bis 3.
Elektrochemischer Energiespeicher (6) nach Anspruch 4 dadurch gekennzeichnet, dass wenigstens eine der Vorrichtungen (1) im bestimmungsgemäßen Einsatz in Richtung der Schwerkraft über oder unter den Batterieeinzelzellen (9) angeordnet ist.