DE102020104570A1 - Batteriezelle und Batterie mit einer Batteriezellenanordnung - Google Patents

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Abstract

Die Erfindung betrifft eine Batteriezelle (1) mit einer Wandung (2) und mit zumindest zwei Elektroden (3, 4), einer Anode (3) und einer Kathode (4), und einem elektrischen Transfermedium (5) zum Ladungstransport innerhalb der Batteriezelle (1) zu den Elektroden (3, 4), wobei die Wandung (2) zumindest bereichsweise ein aktives erstes Element (6) aufweist, welches eine ansteuerbare Oberfläche (7) aufweist, so dass bei Vorliegen eines Ansteuersignals (8) die Oberfläche (7) des aktiven ersten Elements (6) vergrößerbar ist. Auch betrifft die Erfindung eine Batterie (11) mit einer Batteriezellenanordnung (12).

Description

  • Die Erfindung betrifft eine Batteriezelle und eine Batterie mit einer Batteriezellenanordnung, insbesondere für ein elektrisch betriebenes Kraftfahrzeug.
  • Bei elektrisch betriebenen Kraftfahrzeugen, beispielsweise als reine Elektrofahrzeuge oder als Hybridfahrzeuge mit einem elektrischen Antrieb und einem weiteren Antrieb, der beispielsweise als Verbrennungsmotor ausgebildet sein kann, werden Batteriezellen in einer Batteriezellenanordnung einer Batterie eingesetzt, um den zumindest einen antreibenden Elektromotor mit ausreichend elektrischer Energie bzw. mit elektrischem Strom zu versorgen, wobei beispielsweise bei Bremsvorgängen oder beim elektrischen Laden auch elektrische Energie in die Batterie zurückgespeist wird.
  • Dabei erwärmen sich die Batteriezellen auf, so dass eine Temperierung der einzelnen eingesetzten Batteriezelle notwendig ist, wobei die Temperierung der einzelnen Batteriezelle einen Einfluss auf die Lebensdauer der Batteriezelle, die Leistung und auch auf die Sicherheit hat.
  • Insbesondere bei hoch performanten Kraftfahrzeugen treten zum Teil auch relativ hohe Leistungsanforderungen auf, so dass auch die einzelnen Batteriezellen elektrisch höher belastet werden, was zu einer stärkeren Erwärmung der Batteriezellen führen kann. Dabei ist insbesondere auch zu berücksichtigen, dass nicht jede Batteriezelle identisch ist, sondern aufgrund von immer auftretenden Toleranzen sich die einzelnen verwendeten Batteriezellen unterscheiden, so dass sich der Effekt der hohen Leistungsanforderungen bei manchen Batteriezellen stärker auswirken kann und sich einzelne Batteriezellen stärker erwärmen können als andere Batteriezellen, so dass der thermische Einfluss auf solche Batteriezellen im Hinblick auf Lebensdauer, Leistung und Sicherheit stärker ausfallen kann als bei anderen Batteriezellen.
  • Es ist die Aufgabe der vorliegenden Erfindung, eine Batteriezelle und eine Batterie mit einer Batteriezellenanordnung zu schaffen, welche eine bedarfsgerecht steuerbare Temperierung der Batteriezelle bzw. zumindest einer der eingesetzten Batteriezellen erlaubt.
  • Die Aufgabe zu der Batteriezelle wird mit den Merkmalen von Anspruch 1 gelöst.
  • Ein Ausführungsbeispiel der Erfindung betrifft eine Batteriezelle mit einer Wandung und mit zumindest zwei Elektroden, einer Anode und einer Kathode, und einem elektrischen Transfermedium zum Ladungstransport innerhalb der Batteriezelle zu den Elektroden, wobei die Wandung zumindest bereichsweise ein aktives Element aufweist, welches eine ansteuerbare Oberfläche aufweist, so dass bei Vorliegen eines Ansteuersignals die Oberfläche des aktiven Elements vergrößerbar ist. Dadurch kann bedarfsgerecht eine gesteigerte Kühlung der Batteriezelle aktiviert werden, wenn dies beispielsweise aufgrund einer gesteigerten Leistungsanforderung zweckmäßig ist.
  • Besonders vorteilhaft ist es, wenn die Wandung aus dem aktiven Element gebildet ist. Dadurch wird erreicht, dass keine zusätzliche Wandung zusätzlich zu dem aktiven Element benötigt wird, so dass das aktive Element multifunktional verwendbar ist.
  • Auch ist es zweckmäßig, wenn die Wandung teilweise oder vollständig mit zumindest einem aktiven Element verbunden ist. So kann das aktive Element vorteilhaft dort oder nur dort aufgebracht oder angeordnet werden, wo eine verbesserte Kühlung notwendig oder erwünscht ist.
  • Auch ist es zweckmäßig, wenn das aktive Element ein flächiges Element mit zumindest einer Oberfläche ist, welches mittels eines elektrischen Signals, wie einer Spannung, eines thermisches Signals, wie einer Erreichung einer Temperaturgrenze, und/oder eines optischen Signals, wie eines Lichtimpulses, eine Vergrößerung zumindest einer Oberfläche des flächigen Elements durch Aufstellung von Oberflächenelementen bewirkt. So kann beispielsweise durch ein elektrisches Signal, ein thermisches Signal oder ein optisches Signal die Aufstellung der Oberflächenelemente bedarfsgerecht angesteuert werden, so dass bei einer Aufstellung der Oberflächenelemente eine verbesserte Kühlung bei Überströmung der Oberfläche mit einem Fluid erfolgt. Die Wirkung der Aufstellung bei dem aktiven Element kann beispielsweise durch ein Formgedächtnismaterial oder durch eine gezielte Ausnutzung einer thermischen Ausdehnung etc. erfolgen.
  • Die Aufgabe zu der Batterie wird mit den Merkmalen von Anspruch 5 gelöst.
  • Ein Ausführungsbeispiel der Erfindung betrifft eine Batterie mit einer Batteriezellenanordnung mit zumindest einer Batteriezelle oder mit einer Mehrzahl von Batteriezellen, wobei zumindest eine Wandung und/oder ein zweites Element vorgesehen ist, wobei die Wandung und/oder das zweite Element zumindest bereichsweise ein aktives erstes Element aufweist, welches eine ansteuerbare Oberfläche aufweist, so dass bei Vorliegen eines Ansteuersignals die Oberfläche des aktiven ersten Elements vergrößerbar ist. Dadurch kann die Batterie bzw. zumindest eine der Batteriezellen bedarfsweise zielgerichtet gekühlt werden, auch wenn zumindest lokal beispielsweise eine höhere Leistungsanforderung zu einer stärkeren Erwärmung führt.
  • Dabei ist es besonders vorteilhaft, wenn die Wandung und/oder das zweite Element Teil einer Batteriezelle ist und/oder Teil mehrerer Batteriezellen ist, zwischen Batteriezellen angeordnet ist und/oder Teil eines Gehäuses der Batterie und/oder der Batteriezellenanordnung ist, welches die Batteriezelle und/oder die Batteriezellen umgibt.
  • Auch ist es vorteilhaft, wenn die Wandung und/oder das zweite Element aus dem aktiven ersten Element gebildet ist.
  • Alternativ kann es auch vorteilhaft sein, wenn die Wandung und/oder das zweite Element teilweise oder vollständig mit zumindest einem aktiven ersten Element verbunden ist.
  • Bei einem weiteren vorteilhaften Ausführungsbeispiel ist es vorteilhaft, wenn das aktive erste Element ein flächiges Element mit zumindest einer Oberfläche ist, welches mittels eines elektrischen Signals, wie einer Spannung, eines thermischen Signals, wie einer Erreichung einer Temperaturgrenze, und/oder eines optischen Signals, wie eines Lichtimpulses, eine Vergrößerung zumindest einer Oberfläche des flächigen Elements durch Aufstellung von Oberflächenelementen bewirkt.
  • Auch ist es zweckmäßig, wenn zumindest ein Fluidkanal vorgesehen ist, mittels welchem ein Fluid zur Kühlung der zumindest einen Batteriezelle und/oder der Batteriezellen und/oder der Batteriezellenanordnung und/oder der Batterie zuführbar ist, wobei das Fluid im aufgestellten Zustand der Oberflächenelemente die aufgestellten Oberflächenelemente überströmt.
  • Im Folgenden wird die Erfindung anhand eines Ausführungsbeispiels unter Bezugnahme auf die Zeichnung detailliert erläutert. In der Zeichnung zeigen:
    • 1 eine schematische Darstellung einer Batteriezelle mit einem aktiven Element,
    • 2 eine Batterie mit einer Anordnung von Batteriezellen mit aktiven Elementen,
    • 3 eine Batterie mit einer Anordnung von Batteriezellen mit einem aktiven Element,
    • 4 eine Darstellung eines aktiven Elements in einem nicht aktivierten Zustand,
    • 5 eine Darstellung eines aktiven Elements in einem ersten aktivierten Zustand, und
    • 6 eine Darstellung eines aktiven Elements in einem zweiten, stärker aktivierten Zustand.
  • Die 1 zeigt eine Batteriezelle 1 mit einer Wandung 2 und mit zumindest zwei Elektroden 3, 4, einer Anode 3 und einer Kathode 4, und einem elektrischen Transfermedium 5 zum Ladungstransport innerhalb der Batteriezelle 1 zu den Elektroden 3, 4. Beispielsweise kann die Batteriezelle 1 eine wiederaufladbare Li-Ionenbatteriezelle sein. Solche Batteriezellen sind im Stand der Technik bekannt, so dass dazu nicht weiter ausgeführt werden muss. Sie kann jedoch auch anderweitig ausgebildet sein. Die Erfindung ist auch nicht auf die Art der Batteriezelle beschränkt, sondern kann grundsätzlich für jeden Typ von Batteriezelle verwendet werden.
  • Gemäß der Erfindung weist die Wandung 2 der Batteriezelle 1 zumindest bereichsweise ein aktives erstes Element 6 auf. Das aktive erste Element 6 kann dazu die Wandung 2 teilweise oder vollständig bedecken, wobei das aktive erste Element 6 auf die Wandung 2 optional aufgebracht wird, vorzugsweise verbunden wird, wie beispielsweise aufgeklebt wird. Alternativ kann die Wandung 2 vollständig oder teilweise auch aus dem aktiven ersten Element 6 bestehen. So kann erreicht werden, dass die Umhüllung der Batteriezelle 1 durch das Material des aktiven ersten Elements 6 selbst gebildet wird.
  • Das aktive erste Element 6 weist eine ansteuerbare Oberfläche 7 auf, so dass bei Vorliegen eines Ansteuersignals 8 die Oberfläche des aktiven Elements 6 vergrößerbar ist. Ist die Oberfläche vergrößert, so ergibt sich in Bezug auf ein die Oberfläche überströmendes Fluid 9 eine verbesserte Kühlung.
  • Die 4 bis 6 zeigen, dass das aktive erste Element 6 ein flächiges Element mit zumindest einer Oberfläche 7 ist, welches mittels eines elektrischen Signals, wie einer Spannung, eines thermischen Signals, wie einer Erreichung einer Temperaturgrenze, und/oder eines optischen Signals, wie eines Lichtimpulses, eine Vergrößerung zumindest einer Oberfläche 7 des flächigen Elements 6 durch Aufstellung von Oberflächenelementen 10 bewirkt. Durch das Aufstellen der Oberflächenelemente 10 wird die Oberfläche vergrößert, was eine bessere Kühlung bewirkt.
  • Die 4 zeigt ein aktives erstes Element 6, welches nicht aktiviert ist und bei welchem die aufstellbaren Oberflächenelemente 10 entsprechend nicht aufgestellt sind.
  • Die 5 zeigt das aktive erste Element 6, welches durch Lichteinfall aktiviert ist, so dass die aufstellbaren Oberflächenelemente 10 teilweise aufgestellt sind.
  • In 6 ist zu erkennen, dass bei weitergehendem Lichteinfall die Oberflächenelemente 10 weiter aufgestellt sind.
  • Es ist auch zu erkennen, dass die Oberflächenelemente 10 sich fächerartig aufstellen und sich von der Ebene des ersten Elements 6 aufbiegen.
  • Dabei kann das aktive erste Element 6 auch mehrlagig ausgebildet sein, um die Oberflächenelemente 10 mehrlagig aufzustellen.
  • Die 2 und 3 zeigen jeweils eine Batterie 11 mit einer Batteriezellenanordnung 12 mit zumindest einer Batteriezelle 1 oder mit einer Mehrzahl von Batteriezellen 1, wobei zumindest eine Wandung 13 und/oder ein zweites Element 14, wie ein Gehäuseteil, ein Halter etc. vorgesehen ist, wobei die Wandung 13 und/oder das zweite Element 14 zumindest bereichsweise ein aktives erstes Element 6 aufweist, welches eine ansteuerbare Oberfläche 7 aufweist, so dass bei Vorliegen eines Ansteuersignals die Oberfläche 7 des aktiven ersten Elements 6 vergrößerbar ist.
  • Dabei kann die Wandung 13 und/oder das zweite Element 14 Teil einer Batteriezelle 1 und/oder Teil mehrerer Batteriezellen 1 sein, zwischen Batteriezellen 1 angeordnet sein und/oder Teil eines Gehäuses 15 der Batterie 11 und/oder der Batteriezellenanordnung 12 sein, welches die Batteriezelle 1 und/oder die Batteriezellen 1 umgibt.
  • Dabei kann die Wandung 13 und/oder das zweite Element 14 aus dem aktiven ersten Element 6 gebildet sein. Alternativ oder zusätzlich kann die Wandung 13 und/oder das erste Element 14 teilweise oder vollständig mit zumindest einem aktiven Element 6 verbunden sein.
  • Zur Anströmung des ersten Elements 6 kann das erste Element 6 in einem Fluidstrom angeordnet sein, beispielsweise in einem Luftstrom oder in einem Kühlfluidstrom, wie einem Kühlwasserstrom oder einem Kältemittelstrom etc.
  • Auch kann zumindest ein Fluidkanal 16 vorgesehen sein, mittels welchem ein Fluid zur Kühlung der zumindest einen Batteriezelle 1 und/oder der Batteriezellen 1 und/oder der Batteriezellenanordnung 12 und/oder der Batterie 11 zuführbar ist, wobei das Fluid 9 im aufgestellten Zustand der Oberflächenelemente 10 die aufgestellten Oberflächenelemente 10 überströmt.
  • Bezugszeichenliste
    • 1
    Batteriezelle
    2
    Wandung
    3
    Elektrode / Anode
    4
    Elektrode / Kathode
    5
    Transfermedium
    6
    erstes Element
    7
    Oberfläche
    8
    Ansteuersignal
    9
    Fluid
    10
    Oberflächenelemente
    11
    Batterie
    12
    Batteriezellenanordnung
    13
    Wandung
    14
    zweites Element
    15
    Gehäuse
    16
    Fluidkanal

Claims (10)

  1. Batteriezelle (1) mit einer Wandung (2) und mit zumindest zwei Elektroden (3, 4), einer Anode (3) und einer Kathode (4), und einem elektrischen Transfermedium (5) zum Ladungstransport innerhalb der Batteriezelle (1) zu den Elektroden (3, 4), wobei die Wandung (2) zumindest bereichsweise ein aktives erstes Element (6) aufweist, welches eine ansteuerbare Oberfläche (7) aufweist, so dass bei Vorliegen eines Ansteuersignals (8) die Oberfläche (7) des aktiven ersten Elements (6) vergrößerbar ist.
  2. Batteriezelle (1) nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Wandung (2) aus dem aktiven ersten Element (6) gebildet ist.
  3. Batteriezelle (1) nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Wandung (2) teilweise oder vollständig mit zumindest einem aktiven ersten Element (6) verbunden ist.
  4. Batteriezelle (1) nach Anspruch 1, 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, dass das aktive erste Element (6) ein flächiges Element mit zumindest einer Oberfläche (7) ist, welches mittels eines elektrischen Signals, wie einer Spannung, eines thermischen Signals, wie einer Erreichung einer Temperaturgrenze, und/oder eines optischen Signals, wie eines Lichtimpulses, eine Vergrößerung zumindest einer Oberfläche (7) des flächigen Elements (6) durch Aufstellung von Oberflächenelementen (10) bewirkt.
  5. Batterie (11) mit einer Batteriezellenanordnung (12) mit zumindest einer Batteriezelle (1) oder mit einer Mehrzahl von Batteriezellen (1), wobei zumindest eine Wandung (2, 13) und/oder ein zweites Element (14) vorgesehen ist, wobei die Wandung (2, 13) und/oder das zweite Element (14) zumindest bereichsweise ein aktives erstes Element (6) aufweist, welches eine ansteuerbare Oberfläche (7) aufweist, so dass bei Vorliegen eines Ansteuersignals (8) die Oberfläche (7) des aktiven ersten Elements (6) vergrößerbar ist.
  6. Batterie (11) nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass die Wandung (2, 13) und/oder das zweite Element (14) Teil einer Batteriezelle (1) ist und/oder Teil mehrerer Batteriezellen (1) ist, zwischen Batteriezellen (1) angeordnet ist und/oder Teil eines Gehäuses (15) der Batterie (11) und/oder der Batteriezellenanordnung (12) ist, welches die Batteriezelle (1) und/oder die Batteriezellen (1) umgibt.
  7. Batterie (11) nach Anspruch 5 oder 6, dadurch gekennzeichnet, dass die Wandung (2, 13) und/oder das zweite Element (14) aus dem aktiven ersten Element (6) gebildet ist.
  8. Batterie (11) nach Anspruch 5 oder 6, dadurch gekennzeichnet, dass die Wandung (2, 13) und/oder das zweite Element (14) teilweise oder vollständig mit zumindest einem aktiven ersten Element (6) verbunden ist.
  9. Batterie (11) nach einem der Ansprüche 5 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass das aktive erste Element (6) ein flächiges Element mit zumindest einer Oberfläche (7) ist, welches mittels eines elektrischen Signals, wie einer Spannung, eines thermischen Signals, wie einer Erreichung einer Temperaturgrenze, und/oder eines optischen Signals, wie eines Lichtimpulses, eine Vergrößerung zumindest einer Oberfläche (7) des flächigen Elements (6) durch Aufstellung von Oberflächenelementen (10) bewirkt.
  10. Batterie (11) nach einem der vorhergehenden Ansprüche 5 bis 9, dadurch gekennzeichnet, dass zumindest ein Fluidkanal (16) vorgesehen ist, mittels welchem ein Fluid (9) zur Kühlung der zumindest einen Batteriezelle (1) und/oder der Batteriezellen (1) und/oder der Batteriezellenanordnung (12) und/oder der Batterie (11) zuführbar ist, wobei das Fluid (9) im aufgestellten Zustand der Oberflächenelemente (10) die aufgestellten Oberflächenelemente (10) überströmt.
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