DE102020124320A1

DE102020124320A1 - Konduktor-Anordnung und Batteriesystem

Info

Publication number: DE102020124320A1
Application number: DE102020124320.0A
Authority: DE
Inventors: Jakob Hennig; Rudolf Pape; Bastian Schaar
Original assignee: Volkswagen AG
Current assignee: Volkswagen AG
Priority date: 2020-09-17
Filing date: 2020-09-17
Publication date: 2022-03-17

Abstract

Konduktor-Anordnung, die dazu ausgebildet ist, eine Batteriezelle teilweise zu umfassen und ein Konduktorelement umfasst, das einen Aufnahmeflächenbereich aufweist, der einen Oberflächenverlauf der Batteriezelle teilweise folgend ausbildet, wobei eine Kontaktfläche der Konduktor-Anordnung entweder ein Temperiersystem direkt kontaktiert oder eine Bodenplatte eines Modulgehäuses kontaktiert, wobei die Bodenplatte des Modulgehäuses ein Temperiersystem kontaktiert.

Description

Die Erfindung betrifft eine Konduktor-Anordnung zum Temperieren einer Batteriezelle eines Elektrofahrzeugs und ein Batteriesystem.
Elektrofahrzeuge werden von einem oder mehreren Elektromotoren angetrieben, die in wiederaufladbaren Batterien gespeicherte Energie nutzen. Die Batterien des Elektrofahrzeugs können beispielsweise an einer Ladestation aufgeladen werden. Bei der Entwicklung neuer Traktionsbatteriesysteme für Elektrofahrzeuge besteht ein Zielkonflikt zwischen der Steigerung von Ladeleistungen (kürzere Ladezeiten) und der Steigerung der Energiedichte (Reichweite) bei gleichzeitig zunehmenden Sicherheitsanforderungen. Zum Erreichen einer hohen Ladeleistung ist eine leistungsfähige Kühlung der Batterie erforderlich, da beim Schnellladevorgang durch den Innenwiderstand der Batteriezellen die abzuführende Verlustwärme überproportional ansteigt. Dazu ist es bekannt, dass die Batterien für batterieelektrische Fahrzeuge entweder durch Luft oder durch Wasser, ein Glykol-Wasser-Gemisch gekühlt werden. Ferner können die Batterien durch Verdampfen eines Kältemittels direkt an der Batterie gekühlt werden.
Es ist ferner bekannt, Lithium-Nickel-Cobalt-Aluminium-Oxide (NCA) basierte Hochenergierundzellen in Elektrofahrzeugen zu verwenden. In diesem Fall können die einzelnen Zellen durch eine modulintegrierte Kühlung („Mäanderkühlung“) temperiert werden. Dabei sind die Rundzellen über ihre Mantelfläche partiell an die mäanderfömig zwischen der Zellreihen angeordneten Kühlkanäle angebunden.
Die Patentschrift US2016233559A beschreibt mäanderförmige Heizröhren für Batteriezellen. Die Heizröhren werden zwischen den einzelnen Batteriezellen positioniert. Die Heizröhren sind parallel zueinander angeordnet, so dass jede Seite der Röhre mit den Zellen in Kontakt steht und darüber hinaus jede Zelle von mindestens zwei der Röhren kontaktiert wird.
Die Patentschrift US2010076018A beschreibt eine Rundzellen-Kühlkonfiguration, bei der zwei Ebenen von Rundzellen so angeordnet sind, dass sie durch eine dazwischenliegende Kühlstruktur gekühlt werden.
Die Patentschrift US2010067056A beschreibt eine Leiterplattenanordnung zur Herstellung einer elektrischen Verbindung zwischen mehreren Batteriezellen eines Batteriemoduls für ein Elektrofahrzeug, wobei die Batteriezellen zylindrische elektrochemische Zellen (Rundzellen) sind. Die Leiterplattenanordnung umfasst ferner eine Kühlplatte zur Kühlung der Batteriezellen. Die Kühlplatte kann am Rahmenteil (Tray) an einer Seite des Batteriemoduls befestigt werden und kann sich über die gesamte Länge dieser Seite des Batteriemoduls erstrecken.
Die Patentschrift US2010091479A beschreibt ein Batteriemodul mit einem äußeren Rahmen. Der äußere Rahmen besteht aus einer Bodenplatte und einer Vielzahl von zylindrischen Batteriezellen, die vom äußeren Rahmen umschlossen sind. Jede der zylindrischen Batteriezellen ist thermisch mit der Bodenplatte gekoppelt, um die Wärmeverteilung zwischen den Batteriezellen über die Bodenplatte zu ermöglichen.
Die Patentschrift US2020144676A beschreibt ein Zelldesign einer Rundzelle, bei welchem durch zellinterne Maßnahmen im Bodenbereich der Rundzelle eine Senkung des thermischen Widerstandes erzielt wird.
Die Offenlegungsschrift DE102006059989A1 beschreibt eine Anordnung zur Kühlung einer aus mehreren zylindrischen Zellen bestehenden Batterie, wobei die zylindrischen Zellen in ihrer dichtest möglichen Packung und daher zueinander unbeweglich angeordnet sind und in den Zellzwischenräumen an Kühlelemente angebunden sind. Die thermische Kontaktierung der Einzelzellen zu der Grundplatte erfolgt über Kühlelemente, die in den Zwickeln der dichtesten Packung der Einzelzellen angeordnet sind, wobei die Kühlelemente eine trigonale symmetrische Außenkontur aufweisen und die Einzelzellen die zylindrische Außenkontur thermisch kontaktieren. Dabei werden alle Rundzellen gleichmäßig über die Kühlelemente miteinander thermisch verbunden und zudem unbeweglich fixiert. Die Kühlelemente sind in allen freien Bereichen zwischen den Einzelzellen angeordnet. Die Einzelzellen sind unlösbar gekoppelt und aneinander fixiert.
Die Offenlegungsschrift DE102016206463A1 beschreibt ein Rundzellenmodul, bei dem jeweils vier Rundzellen durch ein zentral dazwischen befindliches Kühlelement („Kühlglieder“) gehalten und gekühlt werden. Diese Kühlglieder bestehen aus einem hohlen, von einem Kühlmedium durchströmten Kühlrohr und einem darauf befindlichen Überzug, welcher dem Ausfüllen eines Spalts zwischen dem Kühlrohr und den umgebenden Batteriezellen dient.
Die bekannten bodengekühlten Rundzellenkonzepte sind nicht für hohe Kühlleistungen ausgelegt. Der thermische Widerstand einer Rundzelle ist bei einer Kühlung über ihre Bodenfläche vergleichsweise hoch, was z. B. aus dem eingesetzten Material des Rundzellengehäuses (bspw. Stahl mit einer relativ geringen Wärmeleitfähigkeit) oder einer konstruktiv bedingten schlechten thermischen Anbindung des Zellwickels an den Gehäuseboden der Zelle resultierten. Dadurch ist die maximal mögliche Ladeleistung von bodengekühlten Rundzellenkonzepten begrenzt. Durch die Integration der Mäanderkühlung zur Erzielung der hohen Kühlleistung bei Rundzellen ergeben sich Einbußen in der Energiedichte und ein großer konstruktiver Aufwand (z. B. Abdichtung). Eventuelles Eindringen von Kühlflüssigkeit in die Batteriezellen im Crashfall kann Kurzschlüsse verursachen und ggf. ein Sicherheitsrisiko darstellen.
Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, ein Temperierkonzept für Batterien eines Elektrofahrzeugs bereitzustellen, bei dem die bekannten Nachteile wenigstens teilweise ausgeräumt sind.
Diese Aufgabe wird durch die Konduktor-Anordnung nach Anspruch 1 und das Batteriesystem nach Anspruch 10 gelöst. Weitere vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung ergeben sich aus den Unteransprüchen und der folgenden Beschreibung bevorzugter Ausführungsbeispiele der vorliegenden Erfindung.
Im weiteren Text wird die Formulierung „Kühlen“ zur Beschreibung der Zusammenhänge verwendet. Die Erfindung ist jedoch gleichermaßen für die Fälle „Kühlen“ und „Heizen“, also ein „Temperieren“ der Batteriezellen geeignet und auch so zu verstehen.
Ein erster Aspekt der vorliegenden Erfindung betrifft eine Konduktor-Anordnung, die dazu ausgebildet ist, eine Batteriezelle teilweise zu umfassen und ein Konduktorelement umfasst, das einen Aufnahmeflächenbereich aufweist, der einen Oberflächenverlauf der Batteriezelle teilweise folgend ausbildet, wobei eine Kontaktfläche der Konduktor-Anordnung entweder ein Temperiersystem direkt kontaktiert oder eine Bodenplatte eines Modulgehäuses kontaktiert, wobei die Bodenplatte des Modulgehäuses ein Temperiersystem kontaktiert.
Die Konduktor-Anordnung bietet ein auf Batteriezellen, insbesondere Rundzellen (zylindrische elektrochemische Zellen) basierendes Temperierkonzept, das eine effiziente Kühlungsanbindung mit den Aspekten Propagations- und Crash-Schutz kombiniert und dadurch eine hohe effektive Energiedichte ermöglicht. Eine „thermische Propagation“ (hier kurz „Propagation“) entsteht, wenn ein „thermisches Durchgehen“ (Thermal Runaway) einer Batteriezelle auf eine (oder mehrere) benachbarte Zellen übertragen (Kettenreaktion) wird. Ein „thermisches Durchgehen“ entsteht, wenn eine einzelne Zelle in einen thermisch instabilen Zustand gerät, wodurch im Inneren der Zelle exotherme, selbst verstärkende Reaktionen ausgelöst werden (Zerstörung und ggf. Öffnung der Zelle, Freisetzung von hohen Wärmemengen und ggf. Gasen und Partikeln). Überträgt sich dieser Thermal Runaway auf eine (oder mehrere) Nachbarzellen (Kettenreaktion), so spricht man von „thermischer Propagation“ (hier kurz „Propagation“).
Die Konduktor-Anordnung ist vorteilhaft, da sie eine hohe Kühlleistung (und damit eine hohe Ladeleistung) für bodengekühlte Batteriezellen in Kombination mit Propagations- und Crash-Schutzmaßnahmen ermöglicht.
Die Konduktor-Anordnung kann eine Batteriekühlung sein. Die Konduktor-Anordnung kann mit einer Batteriezelle eines Fahrzeugs, z. B. eines Elektrofahrzeugs verbunden werden, um die in der Batteriezelle erzeugte Wärme über die Wärmeleitung im Konduktorelement an die Bodenplatte des Modulgehäuses abzuführen. Die Konduktor-Anordnung ist ferner vorteilhaft, da die Einfachheit und Robustheit der Bodenkühlung bei Erhöhung der Kühlleistung beibehalten werden kann. Dies führt dazu, dass ein geringer Verschlauchungs- und Dichtungsaufwand sowie ein geringer Gewichts- und Platzbedarf der Kühlung, insbesondere in Fahrzeughöhe („z-Maß“), gewährleistet werden kann. Ferner sind durch die Beibehaltung der Bodenkühlung nach außen hin keine konstruktiven Änderungen der Kühltopologie erforderlich. Das bedeutet, dass die bestehenden Temperiersysteme für bodengekühlte HV-Batterien übernommen oder weiterentwickelt werden können. Mit anderen Worten, die Konduktor-Anordnung kann für bestehende Fahrzeugarchitekturen verwendet werden, die für die Batteriebodenkühlung ausgelegt sind. Durch die Beibehaltung der Bodenkühlung ist die Konduktor-Anordnung zudem ein montage- und wartungsfreundliches Konzept, da sich die Temperaturregelung unten und die elektrischen Kontakte oben an der Batteriezelle befinden.
Im Falle der Beschädigung der Bodenkühlung, ist die Beibehaltung der Bodenkühlung weiterhin vorteilhaft, beispielsweise bei einem Crash. Bei der Bodenkühlung läuft das Kühlmedium bei Beschädigung des Batteriekühlsystems unten ab. Aufgrund der Tatsache, dass das Kühlmedium am Boden abläuft, ist die Bodenkühlung vorteilhafter als eine beidseitige Kühlung (Boden und Deckel gekühlt) oder eine Mäanderkühlung (Kühlmedium zwischen den Zellen), da verhindert werden kann, dass im Falle eines Crashs ein flüssiges Kühlmedium mit den Batteriezellen in Kontakt kommt. Mit anderen Worten, elektrische Kurzschlüsse können im Falle eines Crashs verhindert werden. Darüber hinaus bewirkt die Konduktor-Anordnung eine mechanische Stabilisierung der Batteriezellen, wodurch die Crashstrukturen auf der Batterie oder im Fahrzeug im Bereich des Batteriehalters reduziert werden können.
Das Modulgehäuse kann einen Entgasungsbereich über der Batteriezelle aufweisen. Der Entgasungsbereich kann für das Ausweichen einzelner Zellen im Crash-Fall genutzt werden, was vorteilhaft ist, da der Entgasungsbereich gleichzeitig einen Propagations- und einen Crashschutz zur Verfügung stellt. Vorzugsweise sind die Batteriezellen hexagonal an der Bodenplatte des Modulgehäuses angeordnet. Dies ist vorteilhaft, da ein Mindestabstand zwischen den Batteriezellen gewährleistet werden kann.
Die Konduktor-Anordnung kommt mit einer begrenzten Anzahl von Batteriezellen in Kontakt. Bevorzugt steht die Konduktor-Anordnung mit maximal drei Batteriezellen in Kontakt. Dies ist vorteilhaft, da die thermische Kopplung durch die Konduktor-Anordnung begrenzt wird. Dadurch kann eine thermische Propagation von einer Zell-Konduktor-Gruppe zur nächsten Zell-Konduktor-Gruppe verhindert/verzögert werden.
In manchen Ausführungsformen kann die Konduktor-Anordnung ferner ein Batterieverbindungsmittel aufweisen - z.B. Wärmeleitmittel, Gap-Filler -, das zwischen der Batteriezelle und dem Konduktorelement angeordnet ist und die Batteriezelle thermisch mit dem Konduktorelement koppelt.
Das Batterieverbindungsmittel kann ein thermisch gut leitender Füllstoff (Gap Filler) mit einer Wärmeleitfähigkeit von z. B. 2-3 W/mK sein. Das Batterieverbindungsmittel isoliert die Batteriezelle mit dem Konduktorelement elektrisch und verbindet die Batteriezelle physikalisch mit der Konduktor-Anordnung, sodass das Batterieverbindungsmittel die Entladung der Batteriezelle durch das Konduktorelement verhindert. Darüber hinaus kann durch die physikalische Verbindung zwischen dem Konduktorelement und der Batteriezelle das Konduktorelement im Falle eines Crashs einen zusätzlichen Schutz gegen mechanische Einwirkung bieten.
In manchen Ausführungsformen kann die Konduktor-Anordnung thermisch mit einer Bodenplatte eines Modulgehäuses durch ein Verbindungsmittel gekoppelt sein, wobei die Kopplung mit dem Verbindungsmittel so lösbar ist, dass bei einer externen, ausreichend hohen Belastungskraft die zwischen der Konduktor-Anordnung und der Bodenplatte des Modulgehäuses wirkende Koppelkraft überschritten wird.
Die Konduktor-Anordnung vergrößert die thermische Kontaktfläche der Batteriezelle mit der gekühlten Bodenplatte des Modulgehäuses. Dies ist vorteilhaft, da die Batteriezelle durch die Bodenplatte des Modulgehäuses effizienter temperiert werden kann. Die Lösbarkeit der Batteriezelle von der Bodenplatte des Modulgehäuses erhöht die Sicherheit des Batteriesystems, da die Batteriezelle in einem Crash-Fall bewegt werden und somit die Beschädigung der Batteriezelle verringert werden kann.
In manchen Ausführungsformen kann die Konduktor-Anordnung von einer Abschirmung zumindest teilweise umhüllt sein, wobei die Abschirmung dazu geeignet ist, einen Wärmestrom über die Mantelflächen der Batteriezelle (120) zu verhindern.
Die Kontaktfläche sowie die der Kontaktfläche gegenüberliegende Oberfläche der Konduktor-Anordnung können von der Abschirmung nicht abgedeckt werden. Die Abschirmung bietet einen zusätzlichen Schutz gegen mechanische Einwirkungen. Ferner kann die Abschirmung einen geringen Emissionskoeffizienten (z. B. Epsilon=0,1) aufweisen. Dies ist vorteilhaft, da die Wärmeübertragung an benachbarte Batteriezellen reduziert werden kann. Mit anderen Worten, die Abschirmung bietet einen zusätzlichen Propagationsschutz (Strahlungsschutz). Weiterhin ist es zu bevorzugen, dass die benachbarten Batteriezellen mit einem Mindestabstand angeordnet werden, so dass die Verschiebung der Batteriezellen im Crash-Fall gewährleistet werden kann und die Wärmeausbreitung (Propagation) zwischen den Batteriezellen reduziert werden kann.
In manchen Ausführungsformen kann die Form der Konduktor-Anordnung eine Schalenform aufweisen, und die Konduktor-Anordnung kann ferner dazu geeignet sein, die Bodenfläche und den unteren Abschnitt der Batteriezelle zu umhüllen.
Die Schalenform der Konduktor-Anordnung ist vorteilhaft, da weniger Material und Volumen für die Konduktor-Anordnung benötigt wird und die thermische Bodenkontaktfläche der Batteriezelle vergrößert werden kann.
In manchen Ausführungsformen kann die Form der Konduktor-Anordnung eine Hülsenform aufweisen, und die Konduktor-Anordnung kann ferner dazu geeignet sein, die Bodenfläche und die Seitenfläche der Batteriezelle zu umhüllen.
Die Hülsenform ist vorteilhaft, da durch die Konduktor-Anordnung eine Reduktion des thermischen Widerstandes (gute Kühlbarkeit) bei gleichzeitigem Propagationsschutz und mechanischem Schutz erreicht werden kann.
In manchen Ausführungsformen kann die Form der Konduktor-Anordnung eine Klammer aufweisen, und die Konduktor-Anordnung kann ferner dazu geeignet sein, die Bodenfläche und segmentweise die Seitenfläche der Batteriezelle zu umhüllen.
Die Konduktor-Anordnung, die die Form einer Klammer (Haltelasche) hat, ist vorteilhaft, da weniger Material und Volumen für die Konduktor-Anordnung benötigt wird und die thermische Bodenkontaktfläche der Batteriezelle vergrößert werden kann und zusätzlich einen mechanischen Schutz und einen Propagationsschutz bieten kann. Ferner ist sie vorteilhaft, da die Montage der Batteriezellen vereinfacht werden kann. Die Batteriezellen können z. B. von der Oberseite der Konduktor-Anordnung eingeschoben und eingeklipst werden.
In manchen Ausführungsformen kann die Grundfläche der Konduktor-Anordnung eine einem I-Profil ähnliche Gestaltung (das heißt: Knochen-, oder Doppel-T-ähnlich) aufweisen und eine Aufnahmefläche an jeder der beiden länglichen Seitenflächen der Konduktor-Anordnung angeordnet sein, wobei jede der Aufnahmeflächen dazu geeignet sein kann, eine Batteriezelle seitlich zu umhüllen.
Die jeweiligen Aufnahmeflächen können ferner ein Verbindungsmittel aufweisen, das zwischen der Batteriezelle und der Aufnahmefläche angeordnet ist und die Batteriezelle mit der Konduktor-Anordnung thermisch und physikalisch koppelt. Das Verbindungsmittel kann ein thermisch gut leitender Füllstoff (Gap Filler) mit einer Wärmeleitfähigkeit von z. B. 2-3 W/mK sein. Sollte das Ausweichverhalten der Konduktor-Anordnung, die eine einem I-Profil ähnliche Gestaltung (knochenähnlich) hat (Zwei-Zell-Konduktor-Gruppen), in einem Crash-Fall nicht ausreichend sein, um genügend Freiraum in der Intrusionsebene freizugeben, können die Zwei-Zell-Konduktor-Gruppen mit einer Sollbruchstelle versehen sein.
Die Aufnahmeflächen der Konduktor-Anordnung, die eine einem I-Profil-ähnliche Gestaltung haben, können so ausgebildet werden, dass sie teilweise der Oberfläche der jeweils aufgenommenen Batteriezellen folgen. Die Konduktor-Anordnung, die eine einem I-Profil ähnliche Gestaltung hat, ist vorteilhaft, da die Konduktor-Anordnung zwei Batteriezellen miteinander verbinden kann. Die Konduktor-Anordnung befindet sich somit nicht in allen Freiräumen einer Ebene des Modulgehäuses, wodurch sich hinsichtlich des Propagations- und Crash-Schutzes eine vorteilhafte Trennung dieser Zwei-Zell-Konduktor-Gruppen voneinander ergibt.
In manchen Ausführungsformen kann die Grundfläche der Anordnung eine dreiecksähnliche Gestaltung aufweisen und eine Aufnahmefläche an jeder der drei länglichen Seitenflächen der Konduktor-Anordnung angeordnet sein wobei jede der Aufnahmeflächen dazu geeignet sein kann, eine Batteriezelle seitlich zu umhüllen.
Die Aufnahmeflächen der Konduktor-Anordnung, die eine dreiecksähnliche Gestaltung haben, können so ausgebildet werden, dass sie teilweise der Oberfläche der jeweils aufgenommenen Batteriezellen folgen. Die Aufnahmeflächen der Konduktor-Anordnung können konkav geformt sein. Die jeweiligen Aufnahmeflächen können ferner ein Verbindungsmittel aufweisen, das zwischen der Batteriezelle und der Aufnahmefläche angeordnet ist und die Batteriezelle seitlich an dieser Aufnahmefläche befestigt. Das Verbindungsmittel kann ein thermisch gut leitender Füllstoff (Gap Filler) mit einer Wärmeleitfähigkeit von z. B. 2-3 W/mK sein. Die Konduktor-Anordnung, die eine dreiecksähnliche Gestaltung hat, ist vorteilhaft, da die Konduktor-Anordnung drei Batteriezellen miteinander verbinden kann. Die Konduktor-Anordnung befindet sich somit nicht in allen Freiräumen einer Ebene des Modulgehäuses, wodurch sich hinsichtlich Propagations- und Crash-Schutz eine vorteilhafte Trennung dieser Konduktor-Gruppen voneinander ergibt. Sollte das Ausweichverhalten der Konduktor-Anordnung, die eine dreiecksähnliche Gestaltung hat (Drei-Zell-Konduktor-Gruppen), in einem Crash-Fall nicht ausreichend sein, um genügend Freiraum in der Intrusionsebene freizugeben, können die Drei-Zell-Konduktor-Gruppen mit einer Sollbruchstelle versehen sein.
Ein zweiter Aspekt betrifft ein Batteriesystem, insbesondere ein Traktionsbatteriesystem für ein Elektrofahrzeug, wobei das Batteriesystem ein Batteriemodul umfasst, wobei das Batteriemodul Batteriezellen und eine Konduktor-Anordnung nach einem der vorherigen Ansprüche aufweist.
Das Fahrzeug kann ein rein batterieelektrisch angetriebenes Fahrzeug (BEV) ein Hybrid-Fahrzeug (HEV) oder ein Plug-in-Hybrid (PHEV) sein. Das Hybrid-Fahrzeug kann ein seriellparalleler Hybrid, ein electronic continuously variable transmission (eCVT-Hybrid), ein serieller oder ein paralleler Hybrid sein. Ferner kann das Elektrofahrzeug ein elektrisches zwei- oder dreirädriges Fahrzeug, ein bemanntes oder unbemanntes (autonomes) Flugobjekt für (teil)elektrische Vertikelmobilität (eVTOL, Drohne) sein.
Ausführungsbeispiele der Erfindung werden nun beispielhaft und unter Bezugnahme auf die beigefügten Zeichnungen beschrieben. Dabei zeigt:

1 schematisch eine beispielhafte Konfiguration eines Batteriemoduls eines batterieelektrischen Fahrzeugs (Elektrofahrzeug) mit der Zuordnung der Orientierung in x, y und z;
2 schematisch eine beispielhafte Seitenansicht einer Konfiguration eines Batteriemoduls und eines Temperiersystems;
3 schematisch, als ein Ausführungsbeispiel, eine Konfiguration eines Batteriemoduls eines batterieelektrischen Fahrzeugs mit der Zuordnung der Orientierung in x, y und z;
4 schematisch, als ein Ausführungsbeispiel, eine Seitenansicht einer Konfiguration eines Batteriemoduls und eines Temperiersystems;
5 schematisch, als ein Ausführungsbeispiel, eine Seitenansicht einer Konfiguration einer Batteriezelle, eines Batteriemoduls und eines Temperiersystems;
6A schematisch, als ein Ausführungsbeispiel, eine Schalen-/Napf-förmige Konduktor-Anordnung;
6B schematisch, als ein Ausführungsbeispiel, eine hülsenförmige Konduktor-Anordnung;
6C schematisch, als ein Ausführungsbeispiel, eine klammerförmige Konduktor-Anordnung;
6D schematisch, als ein Ausführungsbeispiel, eine Konduktor-Anordnung, welche zwei Batteriezellen thermisch miteinander koppelt;
6E schematisch, als ein Ausführungsbeispiel, eine Konduktor-Anordnung, welche drei Batteriezellen thermisch miteinander koppelt;
7 schematisch, als ein weiteres Ausführungsbeispiel, eine Seitenansicht einer Konfiguration einer Batteriezelle, eines Batteriemoduls und ein Temperiersystem;
8 schematisch, als ein Ausführungsbeispiel, eine Draufsicht der Batteriezellenverschiebungen bei einer lokalen Intrusion;
9 schematisch, als ein weiteres Ausführungsbeispiel, eine Draufsicht der Batteriezellenverschiebungen bei einer lokalen Intrusion, mit einer Konduktor-Anordnung, die zwei Batteriezellen verbindet;
10 schematisch, als ein weiteres Ausführungsbeispiel, eine Draufsicht der Batteriezellenverschiebungen bei einer lokalen Intrusion, mit einer Konduktor-Anordnung, die drei Batteriezellen koppelt;
11 schematisch, als ein Ausführungsbeispiel, eine Seitenansicht einer Konduktor-Anordnung, die zwei oder drei Batteriezellen koppelt; und
12 schematisch, als ein Ausführungsbeispiel, eine Seitenansicht einer Konfiguration einer Antriebsplattform eines batterieelektrischen Fahrzeugs (Elektrofahrzeug).

1 zeigt schematisch eine beispielhafte Konfiguration eines Batteriemoduls eines batterieelektrischen Fahrzeugs (Elektrofahrzeug) mit der Zuordnung der Orientierung in x, y und z. Das Batteriemodul 100 kann ein Teil eines Traktionsbatteriesystems eines batterieelektrischen Fahrzeugs sein. Das Batteriemodul 100 umfasst ein Modulgehäuse 110, das mehrere Batteriezellen (Rundzellen) 120 enthält. Das Modulgehäuse 110 kann ein Metallgehäuse sein. Die Batteriezellen 120 dienen zum Antrieb der Elektromotoren eines batterieelektrischen Fahrzeugs. Die Batteriezellen 120 haben eine zylindrische Form, wobei die Batteriezellen 120 hexagonal in einer x-y-Ebene angeordnet sind. Die Grundflächen („untere“ Rundzellen-Stirnfläche) der jeweiligen Batteriezellen 120 werden auf der Bodenplatte des Modulgehäuses 110 angebracht. Das heißt, die Batteriezellen 120 werden stehend auf der Bodenplatte des Modulgehäuses 110 platziert. Die Bodenplatte des Modulgehäuses 110 ist an ihrer Unterseite mit einem Kühlmedium verbunden (siehe 2), so dass auch die Batteriezellen 120 in z-Richtung mit dem Kühlmedium in Kontakt stehen. Eine ausführlichere Erläuterung des Batteriemoduls 100 ist in 2 zu finden.
2 zeigt schematisch eine beispielhafte Seitenansicht einer Konfiguration eines Batteriemoduls und eines Temperiersystems. Das Batteriemodul 100 umfasst ein Modulgehäuse 110, das mehrere Batteriezellen (Rundzellen) 120 enthält. Eine Batteriezelle 120 kann aufgrund eines sich selbst verstärkenden wärmeerzeugenden Prozesses (thermisches Durchgehen (Thermal Runaway) überhitzt werden. Das Thermisches Durchgehen kann mitunter zu Feuer oder explosionsartigen Ereignissen mit entsprechenden Druckwellen führen, worauf eine Gefährdung der Passagiere und/oder eine (teilweise) Beschädigung/Zerstörung des Fahrzeugs folgen könnte. Um den durch die erzeugte Druckwelle verursachten Überdruck im Modulgehäuse 110 zu reduzieren und eine kontrollierte Ableitung der (heißen) Gase und Partikel, die beim thermischen Durchgehen einer Batteriezelle freigesetzt werden, zu ermöglichen, weist das Modulgehäuse 110 einen Freiraum (Propagations-Freiraum) 170 und eine Entgasungsöffnung 130 auf, die zur Ausgasung im Falle des Auftretens eines thermischen Durchgehens (Thermal Runaway) dient. Der Freiraum 170 befindet sich zwischen dem oberen Teil der Batteriezellen 120 und der Deckplatte des Modulgehäuses 110. Die Deckplatte des Modulgehäuses ist die Platte, die dem Temperiersystem 200 gegenüber liegt. Der Freiraum 170 kann ferner für das Ausweichen einzelner Zellen im Falle eines Aufpralls (Crash-Fall) genutzt werden (siehe 8). Die Batteriezellen 120 sind durch die elektrische Kontaktierung 140 miteinander verbunden. Ferner sind die Batteriezellen 120 durch die elektrische Kontaktierung 140 mit einem Ladegerät und mit einem Elektromotor verbunden (nicht in 2 gezeigt). Zum Erreichen einer hohen Ladeleistung ist eine leistungsfähige Kühlung der Batteriezellen 120 erforderlich, da beim Schnellladevorgang durch den Innenwiderstand der Batteriezellen eine überproportional höhere Verlustwärme aus den Batteriezellen 120 abzuführen ist. Um die Batteriezellen 120 zu kühlen, so dass eine hohe Ladeleistung gewährleistet werden kann, ist unter der Bodenplatte des Modulgehäuses 110 ein Temperiersystem 200 mit Kühlkanälen vorgesehen. Durch die Kühlkanäle strömt ein Kühlmedium, so dass die Batteriezellen 120 temperiert werden können. Das Kühlmedium kann Kühlluft, Kühlwasser, Wasser-Glykol-Gemisch oder ein dem Fachmann bekanntes Kühlmedium sein. Die Batteriezellen 120 sind hexagonal in einer x-y-Ebene angeordnet und die Grundfläche der jeweiligen Batteriezellen 120 werden auf der Bodenplatte des Modulgehäuses 110 angebracht. Zwischen der Grundfläche der jeweiligen Batteriezellen 120 und der Bodenplatte des Modulgehäuses 110 ist ein Verbindungsmittel 160 vorgesehen. Das Verbindungsmittel 160 dient der effizienten Temperierung der Batteriezellen 120 durch das Anbinden auf der Bodenplatte des Modulgehäuses 110 sowie der mechanischen Verbindung (Fixierung) der Zellen an die Bodenplatte. Das Verbindungsmittel 160 kann beispielsweise ein thermisch gut leitender Füllstoff mit einer Wärmeleitfähigkeit von z. B. 2-3 W/mK sein. Das Verbindungsmittel 160 kann beispielsweise ein wärmeleitfähiger flüssiger Gap Filler sein.
In 2 ist dargestellt, dass sich zwischen den Batteriezellen und dem Temperiersystem ein Modulgehäuse befindet. Alternativ kann das Temperiersystem in direkten Kontakt mit den Batteriezellen kommen. In diesem Fall können die Batteriezellen mithilfe der Verbindungsmittel an dem Temperaturkontrollsystem befestigt werden.
Zwischen dem Temperiersystem 200 und dem Inneren der Batteriezellen 120 entsteht ein Temperaturgefälle (ΔT) bei einer abgeführten Kühlleistung P_Kühl. Der Quotient wird als „thermischer Widerstand“ (R_th=ΔT/P_Kühl) bezeichnet. Dieser begrenzt die mögliche Ladeleistung, da das lokale Temperaturmaximum im Inneren der Batteriezelle sonst einen zulässigen Maximalwert überschreiten würde. Für die Verringerung von Ladezeiten in Schnellladeanwendungen (somit Erhöhung der Ladeleistung und dadurch auch Erhöhung der Kühlleistung P_Kühl) ist es daher erforderlich den thermischen Widerstand Rth zu senken.
Ansätze zur Erhöhung der Kühlleistung des Batteriesystems für Schnellladeanwendungen erfordern daher oft aufwendige Konstruktionen an/in der Batterie und gehen zu Lasten der effektiven Energiedichte des Gesamtsystems. Maßnahmen zur Verzögerung der thermischen Propagation (d.h. des thermischen Durchgehens des gesamten Batteriesystems im Falle des thermischen Durchgehens („Thermal Runaway“) einer einzelnen Zelle) erfordern ebenso Bauraum und senken die System-Energiedichte. Dies ist bspw. durch den Einsatz thermisch dämmender Schichten zwischen den Zellen und brandfester Materialien im Batteriesystem begründet. Auch Maßnahmen zur Erhöhung des Crash-Schutzes der Batteriezellen erfordern platz- und gewichtsintensive Maßnahmen (d.h. Crash-Strukturen) und senken die System-Energiedichte.
3 zeigt schematisch, als ein Ausführungsbeispiel, eine Konfiguration eines Batteriemoduls eines batterieelektrischen Fahrzeugs mit der Zuordnung der Orientierung in x, y und z. Das Batteriemodul 300 unterscheidet sich von dem in 1 dargestellten Batteriemodul 100 dadurch, dass die Batteriezellen 120 von einer Konduktor-Anordnung 330 umhüllt sind, wobei die der Bodenplatte des Batteriemoduls 100 nicht zugewandte Grundfläche der Batteriezelle 120 offen bleibt. Eine ausführlichere Erläuterung des Batteriemoduls 300 ist in 4 zu finden. Die Konduktor-Anordnung 330 dient einer besseren thermischen Kontaktierung der Batteriezellen 120 mit der Bodenplatte des Modulgehäuses 110. Dadurch kann die Temperierung der einzelnen Batteriezellen 120 verbessert werden. Die Konduktor-Anordnung 330 bietet zusätzlich einen mechanischen Schutz, so dass die Batteriezellen 120 vor externen Stößen geschützt werden können. Eine genauere Erläuterung bezüglich des mechanischen Schutzes ist in den 8, 9, 10 und 11 enthalten.
4 zeigt schematisch, als ein Ausführungsbeispiel, eine Seitenansicht einer Konfiguration eines Batteriemoduls und eines Temperiersystems. Dieselben Bezugszeichen des in 2 dargestellten Batteriemoduls 100 wurden für das Batteriemodul 300 verwendet, wenn die Komponenten die gleiche Konfiguration aufweisen. Das Batteriemodul 300 unterscheidet sich von dem in 2 dargestellten Batteriemodul 100 dadurch, dass die Batteriezellen 120 zusätzlich von einer Konduktor-Anordnung 330 umhüllt sind, wobei die der Bodenplatte des Batteriemoduls 100 nicht zugewandte Grundfläche der Batteriezelle 120 offen bleibt. Eine ausführlichere Erläuterung der Konduktor-Anordnung 330 und des Batteriemoduls 300 folgt weiter unten im Zusammenhang mit der 5.
In 4 ist dargestellt, dass sich zwischen den Batteriezellen und dem Temperiersystem ein Modulgehäuse befindet. Alternativ kann das Temperiersystem in direkten Kontakt mit den Batteriezellen kommen. In diesem Fall können die Batteriezellen mithilfe der Verbindungsmittel an dem Temperaturkontrollsystem befestigt werden.
5 zeigt schematisch, als ein Ausführungsbeispiel, eine Seitenansicht einer Konfiguration einer Batteriezelle, eines Batteriemoduls und eines Temperiersystems. Die Batteriezelle 120 ist eine zylinderförmige Rundzelle. Die Kontaktfläche A_B der Batteriezelle 120 ist der Bodenplatte des Modulgehäuses 110 zugewandt. Die zylinderförmige Batteriezelle 120 wird durch eine Konduktor-Anordnung 330 umhüllt, wobei die Oberseite (in „+z“-Richtung) und die Grundfläche, die nicht der Bodenplatte zugewandt ist, nicht von der Konduktor-Anordnung 330 umhüllt werden. Somit kann eine elektrische Kontaktierung der Zellen sowie das freie Entgasen der Zellen im Fall des Ausgasens „Venting“ oder des thermischen Durchgehens einer einzelnen Zelle ermöglicht werden. Die Konduktor-Anordnung 330 weist eine Kontaktfläche A_K auf, die der Bodenplatte des Modulgehäuses 110 zugewandt ist. Die Konduktor-Anordnung 330 umfasst ein Konduktorelement 330-1 und ein Batterieverbindungsmittel 330-2. Das Konduktorelement 330-1 weist eine hohe Wärmeleitfähigkeit auf. Beispielsweise hat das Konduktorelement 330-1 eine 10-fach höhere Wärmeleitfähigkeit als die Wärmeleitfähigkeit des Gehäusematerials der Batteriezelle 120. Das Konduktorelement 330-1 kann eine Aluminium-Legierung mit einer Wärmeleitfähigkeit von mindestens 100 W/mK, besser 200 W/mK sein. Das Konduktorelement 330-1 ist über das Batterieverbindungsmittel 330-2 mit der Batteriezelle 120 thermisch verbunden und elektrisch isoliert. Die Kontaktfläche A_K der Konduktor-Anordnung 330 vergrößert die Kontaktfläche A_B der Batteriezelle 120, die mit der Bodenplatte des Modulgehäuses 110 in Kontakt kommt. Das heißt, die Konduktor-Anordnung 330 ist mit der Batteriezelle 120 über eine Kontaktfläche A_K mit der Bodenplatte des Modulgehäuses 110 thermisch verbunden, die größer ist als die Kontaktfläche A_B einer stehenden Batteriezelle ohne Konduktor. Die Konduktor-Anordnung 330 ist über ein Verbindungsmittel 160 mit der Bodenplatte des Modulgehäuses 110 thermisch verbunden und elektrisch isoliert. Die Verbindungsmittel 160 und 330-2 können beispielsweise durch thermisch gut leitende Füllstoffe mit einer Wärmeleitfähigkeit von z. B. 2-3 W/mK gewährleistet werden. Die Verbindungsmittel 160 und 330-2 können beispielsweise ein wärmeleitfähiger flüssiger Gap Filler sein. Das Verbindungsmittel 160 kann so ausgebildet werden, dass die Batteriezelle 120 bis zu einer vorgegebenen Intrusionskraft, die auf die Mantelfläche der Batteriezelle 120 aufgebracht wird, verbunden bleibt. Wenn die auf die Batteriezelle 120 ausgeübte Intrusionskraft größer als die vorbestimmte Intrusionskraft ist, kann das Verbindungsmittel 160 so ausgebildet werden, dass die Batteriezelle 120 von der Bodenplatte des Modulgehäuses 110 gelöst wird (siehe 8, 9 und 10). Ferner weisen die Verbindungsmittel 160 und 330-2 zur elektrischen Isolierung der Batteriezelle 120 jeweils eine Trennschicht T1, T2 auf. Die Trennschichten T1 und T2 können zusätzliche Isolierschichten sein, falls die Verbindungsmittel 330-2 allein nicht die erforderliche elektrische Isolierung ermöglichen. In 5 wird gezeigt, dass die Trennschicht sowohl auf das Verbindungsmittel 160 als auch auf das Batterieverbindungsmittel 330-2 aufgebracht wird, alternativ kann die Trennschicht auch nur in einem der Verbindungsmittel aufgebracht werden.
In den 6A, 6B, 6C, 6D und 6E sind fünf verschiedene Ausführungsformen der Konduktor-Anordnung 330 schematisch gezeigt.
6A zeigt schematisch, als ein Ausführungsbeispiel, eine schalenförmige (napfförmige) Konduktor-Anordnung. Auf der linken Seite der 6A ist die Konduktor-Anordnung 330 gezeigt. Die Konduktor-Anordnung 330 hat eine Schalenform. Die rechte Seite von 6A zeigt die Konduktor-Anordnung 330 und die Batteriezelle 120. Die Konduktor-Anordnung 330 umschließt den unteren Bodenbereich und die Bodenfläche der Batteriezelle 120, und somit steht die Konduktor-Anordnung 330 in thermischem Kontakt mit der Bodenfläche und dem unteren Bereich der Mantelfläche der Batteriezelle 120. Die Körperhöhe und Wandstärke der Konduktor-Anordnung 330 können variiert werden.
6B zeigt schematisch, als ein Ausführungsbeispiel, eine hülsenförmige Konduktor-Anordnung. Auf der linken Seite der 6B ist eine vollständige und eine Querschnittsansicht der Konduktor-Anordnung 330 gezeigt. Die Konduktor-Anordnung 330 hat eine Hülsenform, wobei die obere Seite (Deckfläche) der Konduktor-Anordnung 330 offen ist. Die rechte Seite von 6B zeigt die Konduktor-Anordnung 330 und die Batteriezelle 120. Die Konduktor-Anordnung 330 umschließt die Bodenfläche und die Mantelfläche der Batteriezelle 120, und somit steht die Konduktor-Anordnung 330 in thermischem Kontakt mit der Bodenfläche und der Mantelfläche der Batteriezelle 120. Die Körperhöhe und Wandstärke der Konduktor-Anordnung 330 können variiert werden.
6C zeigt schematisch, als ein Ausführungsbeispiel, eine klammerförmige (mit mehreren laschen förmigen Haltefingern) Konduktor-Anordnung. Auf der linken Seite der 6C ist die Konduktor-Anordnung 330 gezeigt. Die Form der Konduktor-Anordnung 330 weist eine Klammer (Haltelasche) auf. Die Konduktor-Anordnung 330 hat eine Zylinderform, wobei die Mantelfläche der Konduktor-Anordnung 330 segmentweise offen ist und die obere Deckfläche offen ist. Die rechte Seite der 6C zeigt die Konduktor-Anordnung 330 und die Batteriezelle 120. Die Konduktor-Anordnung 330 umschließt die Bodenfläche und segmentweise die Mantelfläche der Batteriezelle 120. Somit steht die Konduktor-Anordnung 330 in thermischem Kontakt mit der Bodenfläche und teilweise mit der Mantelfläche der Batteriezelle 120. Die Körperhöhe und Wandstärke der Konduktor-Anordnung 330 können variiert werden. Ferner kann der Grad der Umschließung der Batteriezelle (Breite der Finger) variiert werden. Die klammerförmige Konduktor-Anordnung kann vorteilhaft sein, da die Montage der Batteriezellen vereinfacht werden kann. Die Batteriezellen können z. B. von der Oberseite der Konduktor-Anordnung eingeschoben und eingeklipst werden.
6D zeigt schematisch, als ein Ausführungsbeispiel, eine Konduktor-Anordnung, welche zwei Batteriezellen thermisch miteinander koppelt. Die Grundfläche der Konduktor-Anordnung 330 weist eine einem I-Profil ähnliche Gestaltung (knochenähnlich) auf, wobei die Konduktor-Anordnung 330 an den zwei länglichen Seitenflächen jeweils eine abgerundete Aufnahmefläche aufweist. Die rechte Seite von 6D zeigt die Konduktor-Anordnung 330 und die Batteriezellen 120, 120'. Die Bodenflächen (Kontaktflächen) der Konduktor-Anordnung 330 und der Batteriezellen 120, 120' werden auf der Bodenplatte des Modulgehäuses angebracht. Die Bodenflächen der beiden Batteriezellen 120, 120' sowie die Bodenfläche der Konduktor-Anordnung 330 werden durch die Bodenplatte des Modulgehäuses (110 in 4) temperiert.
Die Batteriezellen 120, 120' werden von der jeweiligen Aufnahmefläche der I-förmigen Konduktor-Anordnung 330 aufgenommen. Da die I-förmige Konduktor-Anordnung 330 zwischen den zu kühlenden Batteriezellen 120, 120' positioniert ist, werden die Mantelflächen der benachbarten Batteriezellen auch partiell gekühlt. Beim thermischen Durchgehen einer der zwei Batteriezellen 120, 120', kann die erzeugte Wärme in kurzer Zeit auf die andere Batteriezelle übertragen werden. Daher wird es bevorzugt, dass oberhalb der Batteriezellen (in „+z“-Richtung) ein Propagations-Freiraum (170 in 4) für die Entgasung der Batteriezellen vorgesehen wird.
6E zeigt schematisch, als ein Ausführungsbeispiel, eine Konduktor-Anordnung 330, welche drei Batteriezellen thermisch miteinander koppelt. Die Grundfläche der Konduktor-Anordnung 330 weist eine dreiecksähnliche Gestaltung auf, wobei die Konduktor-Anordnung 330 an jeder der drei länglichen Seitenflächen eine gerundete Aufnahmefläche aufweist. Die rechte Seite von 6D zeigt die Konduktor-Anordnung 330 und die Batteriezellen 120, 120', 120". Die Bodenflächen der Konduktor-Anordnung 330 und der Batteriezellen 120, 120', 120" werden auf der Bodenplatte des Modulgehäuses angebracht. Die Bodenflächen der Batteriezellen 120, 120', 120" sowie die Bodenfläche des Konduktor-Anordnung 330 werden durch die Bodenplatte des Modulgehäuses temperiert. Die Batteriezellen 120, 120', 120" werden von der jeweiligen Aufnahmefläche der dreieckförmigen Konduktor-Anordnung 330 aufgenommen. Da die dreieckförmige Konduktor-Anordnung 330 zwischen den zu kühlenden Batteriezellen 120, 120', 120" positioniert ist, werden die Mantelflächen der benachbarten Batteriezellen auch partiell gekühlt. Beim thermischen Durchgehen einer der drei Batteriezellen 120, 120', 120" kann die erzeugte Wärme in kurzer Zeit auf die anderen Batteriezellen übertragen werden. Daher wird es bevorzugt, dass oberhalb der Batteriezellen (in „+z“-Richtung) ein Propagations-Freiraum für die Entgasung der Batteriezellen vorgesehen wird.
7 zeigt schematisch, als ein weiteres Ausführungsbeispiel, eine Seitenansicht einer Konfiguration einer Batteriezelle, eines Batteriemoduls und eines Temperiersystems. Die in 5 gezeigten Bezugszeichen des Batteriemoduls 300, der Batteriezelle 120 und des Temperiersystems 200 wurden weiterhin verwendet, wenn die Komponenten die gleiche Konfiguration aufgewiesen haben. Beim thermischen Durchgehen einer einzelnen Batteriezelle werden kurzzeitig hohe Wärmemengen abgeführt. Um das thermische Durchgehen der Nachbarzelle(n) zu verzögern oder zu vermeiden werden die freigesetzte Energie und Gase/Partikel kontrolliert abgeführt. Hierzu wird zunächst das heiße Gas-/Partikelgemisch nach oben abgeleitet. F1 zeigt das freie Abblasen des heißen Gas-/ Partikelstroms nach oben. Die verbleibende Wärmemenge wird dann über die thermische Anbindung des Zellbodens (Kontaktfläche) zu der Modulgehäuseplatte (Bodenplatte) abgeleitet, welche als „Wärmeverteiler (Heat spreader)“ wirkt und die Wärme gut verteilt. F2 zeigt die Verteilung der Wärme der durchgehenden Batteriezelle in der Bodenplatte. Die Abschirmung 700 kann einen Wärmestrom über die Mantelflächen der Batteriezelle 120 verhindern, wobei die beiden Grundflächen der Abschirmung 700 offen sind. Die Abschirmung 700 weist einen geringen Emissionskoeffizienten (z. B. Epsilon=0,1) auf. Ferner ist ein Mindestabstand MA zwischen den zwei benachbarten Abschirmungen 700 vorgesehen. Der Mindestabstand MA kann beispielsweise 1 mm sein. Der Zwischenraum Z (bzw. freiliegende Flächen der Batteriezellen) kann mit Luft oder einem thermisch schlecht leitenden Material (z. B. <0,5 W/mK) gefüllt sein.
Dieses Material kann eine hohe mechanische Kompressibilität aufweisen (z.B. durch eine Porosität >0,9), um die Intrusionstoleranz (sieh 8) zu ermöglichen.
Optional können für die Ausführungsbeispiele auch der Mindestabstand MA und der gefüllte Zwischenraum Z vorgesehen werden, bei denen keine Abschirmung vorhanden ist.
8 zeigt schematisch, als ein Ausführungsbeispiel, eine Draufsicht der Batteriezellenverschiebungen bei einer lokalen Intrusion. Eine lokale Intrusion kann beispielsweise durch einen Pfahlcrash erzeugt werden. Im Falle einer lokalen Intrusion wird eine Intrusionskraft K in der x-y-Ebene des Modulgehäuse 110 aufgebracht. Durch die Intrusionskraft K werden die Batteriezellen 120 von dem Modulgehäuse 110 gelöst. Ein Mindestabstand (z. B. 1mm) zwischen den einzelnen Batteriezellen 120 ist vorgesehen, der eine Relativbewegung der Batteriezellen in der x-y-Ebene erlaubt. Somit können die Batteriezellen 120 der lokalen Intrusion ausweichen. Dieser Mindestabstand bietet auch einen Propagationsschutz und ggf. eine elektrische Isolierung der einzelnen Zellen. Bei diesem Ausweichen (Verdrängen) der einzelnen Batteriezellen werden die elektrischen Kontaktierungen (140 in 4) der einzelnen Batteriezellen 120 und deren thermische Verbindung zum Modulgehäuse 110 getrennt. Dabei verbleiben die Batteriezellen 120 in der Konduktor-Anordnung 330, die einen zusätzlichen mechanischen Beschädigungsschutz bietet. Dadurch wird die mechanische Belastung und Verformung der einzelnen Batteriezellen 120 verringert.
9 zeigt schematisch, als ein weiteres Ausführungsbeispiel, eine Draufsicht der Batteriezellenverschiebungen bei einer lokalen Intrusion, mit einer Konduktor-Anordnung, die zwei Batteriezellen verbindet. Die Konduktor-Anordnung 330 hat ein I-Profil (siehe 6D). Im Falle einer lokalen Intrusion bleiben die beiden Batteriezellen, die durch die Konduktor-Anordnung 330 verbunden sind, verbunden, wodurch die Zell-Konduktor-Gruppen jeweils als ganze Einheiten bewegt werden. Diese Einheiten können dann nicht nur verschoben, sondern auch rotiert werden. Alternativ können die Verbindungen zwischen den zwei Batteriezellen und der Konduktor-Anordnung 330 beim Überschreiten einer Mindestkraft getrennt werden.
10 zeigt schematisch, als ein weiteres Ausführungsbeispiel, eine Draufsicht der Batteriezellenverschiebungen bei einer lokalen Intrusion, mit einer Konduktor-Anordnung, die drei Batteriezellen koppelt. Die Konduktor-Anordnung 330 hat eine dreiecksähnliche Gestaltung (siehe 6E). Im Falle einer lokalen Intrusion bleiben die drei Batteriezellen, die durch die Konduktor-Anordnung 330 verbunden sind, verbunden, wodurch die Zell-Konduktor-Gruppen jeweils als ganze Einheiten bewegt werden. Diese Einheiten können dann nicht nur verschoben, sondern auch rotiert werden. Alternativ können die Verbindungen zwischen den drei Batteriezellen und der Konduktor-Anordnung 330 beim Überschreiten einer Mindestkraft getrennt werden.
11 zeigt schematisch, als ein Ausführungsbeispiel, eine Seitenansicht einer Konduktor-Anordnung die zwei oder drei Batteriezellen koppelt. Die Konduktor-Anordnung 330 kann eine Konduktor-Anordnung nach 6D oder 6E sein. Die Konduktor-Anordnung 330 weist ferner eine Sollbruchstelle 1000 auf. Die Sollbruchstelle kann bei Bedarf mit einem Gap Filler gefüllt sein, welcher gleichzeitig die beiden Hälften des Konduktors miteinander verbindet/fixiert. Hierbei wird die Konduktor-Anordnung 300 zwischen den Batteriezellen 120, 120' beim Überschreiten einer Mindestkraft in zwei oder mehrere Teile geteilt. Die dabei entstehenden Gleitflächen können so angeordnet sein, dass z. B. eine oder mehrere Batteriezellen der Gruppe entweder innerhalb der x-y-Ebene oder in z-Richtung ausweichen kann/können. Beim Ausweichen in z-Richtung kann der Freiraum (170 in 4) genutzt werden, welcher auch für einem Propagations-Schutz sowie für die elektrische Kontaktierung über die Batteriezellen vorgesehen ist. Die linke Seite der 11 zeigt die Konduktor-Anordnung 330 mit der Sollbruchstelle 1000 vor einer lokalen Intrusion. Die rechte Seite der 11 zeigt die Konduktor-Anordnung 330 mit der Sollbruchstelle 1000 nach einer lokalen Intrusion, wobei die Batteriezellen 120, 120' in z-Richtung ausweichen.
12 zeigt schematisch, als ein Ausführungsbeispiel, eine Seitenansicht einer Konfiguration einer Antriebsplattform eines batterieelektrischen Fahrzeugs (Elektrofahrzeug). Das Elektrofahrzeug 12 umfasst ein Ladegerät 1, eine Leistungselektronik 2, ein Batteriesystem 3 und eine elektrische Maschine 4. Das Batteriesystem 3 kann ein Batteriemodul nach einem der vorherigen Ausführungsbeispiele umfassen. Das Ladegerät 1 erhält elektrischen Strom von einer Ladestation. Der von der Ladestation erhaltene Strom kann Gleich- oder Wechselstrom sein. Wenn das Ladegerät 1 Wechselstrom empfängt, wandelt das Ladegerät 1 den Wechselstrom in Gleichstrom um, sodass die Batteriezellen geladen werden können. Die Leistungselektronik 2 kann ein elektronisches Steuergerät sein. Die Leistungselektronik 2 steuert die elektrische Maschine 4, die Kommunikation mit der Fahrzeugsteuerung sowie die Diagnose des Antriebs. Im Betrieb des Fahrzeugs wandelt die Leistungselektronik 2 die Gleichspannung der Batteriezellen in eine Wechselspannung um, mit der die elektrische Maschine 4 gesteuert wird. Zum Aufladen der Batterie wird dieser Vorgang umgekehrt. Optional kann mit einem integrierten Spannungswandler das Niedervolt-Bordnetz aus dem Hochvolt-Bordnetz des Fahrzeugs versorgt werden.
Bezugszeichenliste

1: Ladegerät
2: Leistungselektronik
3; 100; 300: Batteriemodul
4: elektrische Maschine
12: Elektrofahrzeug
110: Modulgehäuses
120: Batteriezellen
130: Entgasungsöffnung
140: elektrische Kontaktierung
160: Verbindungsmittel
170: Freiraum
200: Temperiersystem
330: Konduktor-Anordnung
330-1: Konduktorelement
330-2: Batterieverbindungsmittel
1000: Sollbruchstelle
T1, T2: Trennschicht
K: Intrusionskraft
AB: Kontaktfläche der Batteriezelle
AK: Kontaktfläche der Konduktor-Anordnung
MA: Mindestabstand
Z: Zwischenraum
F1, F2: Wärmeströme

ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

US 2016233559 A [0004]
US 2010076018 A [0005]
US 2010067056 A [0006]
US 2010091479 A [0007]
US 2020144676 A [0008]
DE 102006059989 A1 [0009]
DE 102016206463 A1 [0010]

Claims

Konduktor-Anordnung (330), die dazu ausgebildet ist, eine Batteriezelle (120) teilweise zu umfassen und ein Konduktorelement (330-1) umfasst, das einen Aufnahmeflächenbereich aufweist, der einen Oberflächenverlauf der Batteriezelle (120) teilweise folgend ausbildet, wobei eine Kontaktfläche (A_K) der Konduktor-Anordnung (330) entweder ein Temperiersystem (200) direkt kontaktiert oder eine Bodenplatte eines Modulgehäuses (110) kontaktiert, wobei die Bodenplatte des Modulgehäuses (110) ein Temperiersystem (200) kontaktiert.
Konduktor-Anordnung (330) nach Anspruch 1, wobei die Konduktor-Anordnung (330) ferner ein Batterieverbindungsmittel (330-2) aufweist, das zwischen der Batteriezelle (210) und dem Konduktorelement (330-1) angeordnet ist und die Batteriezelle (120) thermisch mit dem Konduktorelement (330-1) koppelt.
Konduktor-Anordnung (330) nach einem der vorherigen Ansprüche, wobei die Konduktor-Anordnung (330) thermisch mit einer Bodenplatte eines Modulgehäuses (110) durch ein Verbindungsmittel (160) gekoppelt ist, die Kopplung mit dem Verbindungsmittel (160) lösbar wird durch eine externe Belastungskraft (K) und die zwischen der Konduktor-Anordnung und der Bodenplatte des Modulgehäuses (110) wirkende Koppelkraft überschritten wird.
Konduktor-Anordnung (330) nach einem der vorherigen Ansprüche, wobei die Konduktor-Anordnung (330) von einer Abschirmung (700) zumindest teilweise umhüllt ist, wobei die Abschirmung dazu geeignet ist, einen Wärmestrom über die Mantelflächen der Batteriezelle (120) zu verhindern.
Konduktor-Anordnung (330) nach einem der vorstehenden Ansprüche, wobei die Form der Konduktor-Anordnung (330) eine Schalenform aufweist, und wobei die Konduktor-Anordnung (330) ferner dazu geeignet ist, die Bodenfläche und den unteren Abschnitt der Batteriezelle (120) zu umhüllen.
Konduktor-Anordnung (330) nach Anspruch 1 bis 4, wobei die Form der Konduktor-Anordnung (330) eine Hülsenform aufweist, und wobei die Konduktor-Anordnung (330) ferner dazu geeignet ist, die Bodenfläche und die Seitenfläche der Batteriezelle (120) zu umhüllen.
Konduktor-Anordnung (330) nach Anspruch 1 bis 4, wobei die Form der Konduktor-Anordnung (330) eine Haltelasche aufweist, und wobei die Konduktor-Anordnung (330) ferner dazu geeignet ist, die Bodenfläche und segmentweise die Seitenfläche der Batteriezelle (120) zu umhüllen.
Konduktor-Anordnung (330) nach Anspruch 1 bis 4, wobei die Grundfläche der Konduktor-Anordnung (330) eine einem I-Profil ähnliche Gestaltung aufweist und eine Aufnahmefläche an jeder der beiden länglichen Seitenflächen der Konduktor-Anordnung (330) angeordnet ist, und wobei jede der Aufnahmeflächen dazu geeignet ist, eine Batteriezelle (120) seitlich zu umhüllen.
Konduktor-Anordnung (330) nach Anspruch 1 bis 4, wobei die Grundfläche der Anordnung (330) eine dreiecksähnliche Gestaltung aufweist und eine Aufnahmefläche an jeder der drei länglichen Seitenflächen der Anordnung (330) angeordnet ist, und wobei jede der Aufnahmeflächen dazu geeignet ist, eine Batteriezelle (120) seitlich zu umhüllen.
Batteriesystem, insbesondere ein Traktionsbatteriesystem für ein Elektrofahrzeug (12), wobei das Batteriesystem ein Batteriemodul (300) umfasst, wobei das Batteriemodul (300) Batteriezellen (120) und eine Konduktor-Anordnung (330) nach einem der vorherigen Ansprüche aufweist.