DE102020128576B3 - Gegen thermisches Durchgehen resistente Batterieeinrichtung und Kraftfahrzeug - Google Patents

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Abstract

Die Erfindung betrifft eine Batterieeinrichtung sowie ein damit ausgestattetes Kraftfahrzeug. Die Batterieeinrichtung weist mehrere Batteriezellen mit individuellen Zellgehäusen auf. An wenigstens einer anderen der Batteriezellen zugewandten Seiten der Zellgehäuse liegt dabei für jede der Batteriezellen jeweils eine individuelle Schichtanordnung aus einer zellseitigen Trägerschicht und einer außenseitigen reflektierenden Schicht an.

Description

  • Die vorliegende Erfindung betrifft eine Batterieeinrichtung, insbesondere für ein Kraftfahrzeug, und ein Kraftfahrzeug mit wenigstens einer derartigen Batterieeinrichtung.
  • Batterien, insbesondere wiederaufladbare Batterien auf Basis von Lithium-Ionen-Technologie, finden heutzutage in vielfältigen technischen Bereichen zunehmende Anwendung und Verbreitung. Daher ist auch die Sicherheit derartiger Batterien von besonderer Bedeutung. Es ist beispielsweise bekannt, dass beschädigte oder fehlerhafte Batteriezellen einer Lithium-Ionen-Batterie exotherm reagieren, also thermisch durchgehen können (englisch: thermal runaway). Dabei in eine jeweilige Umgebung freigesetzte Energie kann benachbarte Batteriezellen ebenfalls zu einer exothermen Reaktionen bzw. Zerstörung anregen, sodass es zu einer Kettenreaktion (englisch: thermal propagation) kommen kann, die nicht nur die gesamte Batterie zerstören, sondern auch ein erhebliches Gefährdungspotenzial für Personen und Einrichtungen in einer jeweiligen Umgebung darstellen kann.
  • Als einen Ansatz, um dieser Problematik zu begegnen, beschreibt die WO 2014 / 134 589 A1 eine wiederaufladbare Batterie mit Batteriezellenseparatoren. Die Batterie umfasst dabei eine Vielzahl individueller Batteriezellen sowie dielektrische Separatoren. Diese dielektrischen Separatoren bilden thermische Barrieren zwischen einander gegenüberliegenden Oberflächen der Batteriezellen. Dazu sind die dielektrischen Separatoren aus einem Faserverbundmaterial gefertigt. Die die elektrischen Separatoren sollen eine thermische und elektrische Isolierung der Batteriezellen bieten, wodurch eine thermische Kettenreaktion innerhalb der Batterie vermieden werden soll.
  • Auch in der KR 10 2013 0 141 769 A ist ein Batteriemodul beschrieben, das eine verbesserte Sicherheit bieten soll. Dabei ist zwischen einer Batteriezelle und einem Außengehäuse ein Wärmeblockierelement angeordnet, in dem ein endothermes anorganisches Material eingeschlossen ist. Beschädigt ein von außen eindringender Fremdkörper eine Batteriezelle, so kann das endotherme Material dadurch entstehende Wärme in einer endothermen Reaktion - beispielsweise Verdampfen von Wasseraufnehmen. Dadurch soll eine unmittelbare Wärmeeinwirkung auf benachbarte Batteriezellen vermindert und somit eine thermische Kettenreaktion vermieden werden.
  • Weiterer Stand der Technik zum technologischen Hintergrund ist aus der DE 10 2018 219 433 A1 , der DE 88 02 123 U1 , der US 8 807 382 B1 , der US 2012 / 0 258 354 A1 und der JP H09- 147 813 A bekannt
  • Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, einen besonders sicheren Einsatz einer mehrzelligen Batterie zu ermöglichen.
  • Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß durch die Gegenstände der unabhängigen Patentansprüche gelöst. Mögliche Ausgestaltungen und Weiterbildungen der vorliegenden Erfindung sind in den abhängigen Patentansprüchen, in der Beschreibung und in der Zeichnung angegeben.
  • Eine erfindungsgemäße Batterieeinrichtung weist mehrere Batteriezellen mit individuellen Zellgehäusen auf. Die Batterieeinrichtung kann beispielsweise ein Zellverbund, ein Batteriemodul oder eine komplette Batterie mit mehreren Batteriezellen bzw. mehreren Batteriemodulen sein. Die Batterieeinrichtung kann zudem ein Modul- oder Außengehäuse aufweisen, in dem mehrere oder alle der Batteriezellen aufgenommen sein können. Die Batteriezellen im vorliegenden Sinne können wiederaufladbare Zellen, insbesondere auf Basis einer Lithium- bzw. Lithium-Ionen-Technologie, sein. Die mehreren Batteriezellen können seriell, parallel und/oder in einer Kombination daraus elektrisch miteinander verschaltet sein, sodass die Batterieeinrichtung insgesamt eine größere Nenn- oder Betriebsspannung aufweisen kann als jede einzelne der individuellen Batteriezellen für sich genommen.
  • Die Zellgehäuse der einzelnen Batteriezellen sind zumindest an ihren wenigstens einer anderen der Batteriezellen zugewandten Seiten jeweils mit einer individuellen Schichtanordnung für jede der Batteriezellen belegt. Die Schichtanordnung umfasst dabei eine zellseitige Trägerschicht und eine außenseitige reflektierende Schicht. Für eine individuelle Batteriezelle ist die reflektierende Schicht mit anderen Worten also auf einer vom Zellgehäuse dieser Batteriezelle abgewandten Seite der Trägerschicht angeordnet, während die Trägerschicht - mittelbar oder unmittelbar - an dem Zellgehäuse anliegen kann. Ein unmittelbares Anliegen bedeutet dabei, dass sich zwischen den jeweiligen Bauteilen oder Komponenten, hier also zwischen dem Zellgehäuse und der wärmedämmenden Schicht, kein anderes Material oder Bauteil befindet. Ein mittelbares Anliegen kann im vorliegenden Sinne bedeuten, dass zwischen den jeweiligen Bauteilen oder Komponenten ein anderes Bauteil oder Material angeordnet ist. Dies kann hier beispielsweise der Fall sein, wenn die Trägerschicht mittels eines Adhäsivs oder einer Ausgleichsmasse an dem Zellgehäuse gehalten ist. Die Trägerschicht kann bevorzugt wärmedämmende Eigenschaften aufweisen, also aus einem wärmedämmenden Material gebildet sein - zumindest im Vergleich zu einem metallischen Zellgehäuse. Beispielsweise kann die Trägerschicht aus einem Kunststoffmaterial oder einem Aerogel oder dergleichen gebildet sein. Daher kann die Trägerschicht ohne Beschränkung der Allgemeinheit auch als wärmedämmende Schicht bezeichnet werden oder im Folgenden bezeichnet sein.
  • Die Schichtanordnungen können als Teile der einzelnen Batteriezellen oder als separate Bauteile aufgefasst werden.
  • Bei einer exothermen Reaktion bzw. einem thermischen Durchgehen, einer der Batteriezellen wird von dieser in ihre Umgebung Wärme abgestrahlt. Diese Wärme kann dabei durch die Schichtanordnung dieser Batteriezelle hindurch transportiert werden, wobei deren Schichtanordnung durchbrochen oder zumindest teilweise zerstört werden kann, da hier Temperaturen von mehreren hundert Grad Celsius auftreten können In jedem Fall kann beim thermischen Durchgehen der Batteriezelle Wärme bzw. Energie, beispielsweise transportiert durch aus der thermisch durchgehenden Batteriezelle austretendes Material und/oder in Form von Wärmestrahlung, in eine Umgebung dieser Batteriezelle gelangen bzw. eingebracht werden kann. Diese Wärme bzw. Energie kann dann wenigstens eine Nachbarzelle, also wenigstens eine in der Umgebung der thermisch durchgehenden Batteriezelle angeordnete der mehreren Batteriezellen, beaufschlagen. Die Schichtanordnung dieser Nachbarzelle kann dabei ein thermisches Durchgehen dieser Nachbarzelle effektiv vermeiden oder zumindest verzögern, wodurch sich insgesamt ein Sicherheitsgewinn für die gesamte Batterieeinrichtung bzw. deren Verwendung und Umgebung ergibt.
  • Die Trägerschicht der Schichtanordnung der Nachbarzelle fungiert als thermische Barriere, die einen auf Konvektion und/oder Wärmeleitung basierenden Wärmeeintrag ins Innere der Nachbarzelle reduzieren oder zumindest verlangsamen kann. Die reflektierende Schicht der Schichtanordnung der Nachbarzelle kann hingegen aus der Umgebung der Nachbarzelle auftreffende Wärmestrahlung reflektieren, also einen radiativen Wärmeeintrag aus der Umgebung in die Nachbarzelle hemmen. Dadurch kann besonders effektiv ein Teil der von der thermisch durchgehenden Batteriezelle erzeugten und zu der Nachbarzelle gelangenden Wärme bzw. Energie von der Nachbarzelle wegtransportiert werden, ohne signifikant zu deren Erwärmung beizutragen. Dadurch kann das Risiko, dass auch die Nachbarzelle zum thermischen Durchgehen angeregt wird, signifikant reduziert werden. Die reflektierende Schicht kann also von der thermisch durchgehenden Batteriezelle ausgehende Wärmestrahlung in eine Umgebung der Nachbarzelle reflektieren und so entsprechende Energie über ein größeres Volumen verteilen, was vorteilhaft zu einer gleichmäßigeren Temperaturerhöhung innerhalb der Batterieeinrichtung beim thermischen Durchgehen einer Batteriezelle führen und somit lokale Temperaturspitzen bzw. sogenannte Hotspots vermeiden kann.
  • Die erfindungsgemäße Batterieeinrichtung kann beispielsweise für Fahrzeuge, etwa als Traktionsbatterie eines Kraftfahrzeugs, aber ebenso für andere Anwendungen eingesetzt werden.
  • In weiterer möglicher Ausgestaltung der vorliegenden Erfindung weisen die individuellen Zellgehäuse der Batteriezellen jeweils eine Oberseite und eine dieser gegenüberliegende Unterseite sowie eine die Oberseite und die Unterseite miteinander verbindende vollständig umlaufende Mantelfläche auf. Bei einer zylindrischen Zelle kann diese Mantelfläche beispielsweise dem Zylindermantel entsprechen, also eine einzelne Fläche sein. Bei einer prismatischen Batteriezelle kann die Mantelfläche aus mehreren, beispielsweise in einem von 0° und 180° verschiedenen Winkel zueinander stehenden, Seiten- oder Teilflächen zusammengesetzt sein.
  • Dass die Mantelfläche vollständig umläuft, kann hier bedeuten, dass die Mantelfläche ein Inneres der jeweiligen Batteriezelle in einer Dimension oder Ebene, nämlich in Umfangsrichtung um eine gedachte, von der Unterseite zur Oberseite durch einen Mittelpunkt der jeweiligen Batteriezelle verlaufende Achse, umgibt.
  • Die Mantelflächen sind dabei zumindest im Wesentlichen vollständig durch die jeweilige Schichtanordnung bedeckt. Die Batteriezellen bzw. deren Zellengehäuse sind also zumindest in der genannten einen Dimension oder Ebene, also an ihren Mantel- bzw. Seitenflächen zumindest im Wesentlichen vollständig durch die Schichtanordnung ummantelt. Dadurch kann die Schichtanordnung besonders effektiv und zuverlässig als Barriere für einen Wärmeeintrag aus der Umgebung der jeweiligen Batteriezelle wirken. Beispielsweise kann so auch Wärme, die von der thermisch durchgehenden Batteriezelle nicht auf geradem oder direktem Weg, sondern entlang anderer oder sekundärer Wärmetransportpfade beispielsweise auf eine von der thermisch durchgehenden Batteriezelle abgewandten Seite zu der jeweiligen Nachbarzelle gelangt, durch die reflektierende Schicht reflektiert bzw. durch die Trägerschicht am direkten Eintritt ins Innere der Nachbarzelle gehindert werden. Insgesamt kann somit also die Sicherheit der Batterieeinrichtung weiter verbessert werden.
  • In weiterer möglicher Ausgestaltung der vorliegenden Erfindung ist die Trägerschicht aus einem elektrisch isolierenden Material gebildet. Dies kann beispielsweise ein Kunststoff- oder Polymermaterial, wie etwa Polyethylen (PE), Polypropylen (PP), Polyethylenterephthalat (PET) oder dergleichen, sein. Dies kann ebenfalls zur weiter verbesserten Sicherheit der Batterieeinrichtung beitragen, da durch die elektrisch isolierende Wirkung der Trägerschicht elektrische Überschläge oder Kurzschlüsse zwischen den Batteriezellen vermieden oder gehemmt werden können. Zudem ermöglicht es die elektrisch isolierende, also nichtleitende Ausgestaltung der Trägerschicht, die reflektierende Schicht aus einem elektrisch leitfähigen Material, beispielsweise einem metallischen Werkstoff, zu fertigen, ohne dass es zu einer Beeinträchtigung der elektrischen Eigenschaften oder Funktionsweise der Batteriezellen kommt. Derartige elektrisch leitfähige bzw. metallische Materialien oder Werkstoffe können eine besonders hohe Reflexivität aufweisen, sodass auch dadurch die Sicherheit der Batterieeinrichtung weiter verbessert werden kann.
  • In weiterer möglicher Ausgestaltung der vorliegenden Erfindung ist die Trägerschicht flüssigkeitsdicht ausgebildet. Dazu kann die Trägerschicht beispielsweise aus einem flüssigkeitsdichten, insbesondere flüssigkeitsbeständigen und/oder korrosionsbeständigen, Material gebildet sein. Zudem kann die Trägerschicht als ununterbrochenes Flächenelement, also ohne Löcher oder Ausnehmungen, durch die Flüssigkeit hindurchtreten könnte, ausgebildet sein. Auch diese Eigenschaften können beispielsweise durch einen Kunststoff- oder Polymermaterial realisiert werden. Durch die hier vorgeschlagene flüssigkeitsdichte Ausgestaltung der Trägerschicht kann gegebenenfalls verhindert werden, dass aus der thermisch durchgehenden Batteriezelle austretende Flüssigkeit, beispielsweise ein flüssiger Elektrolyt oder dergleichen, die Nachbarzellen beschädigt oder deren Zellgehäuse elektrisch kontaktiert. Darüber hinaus können die einzelnen Batteriezellen durch die flüssigkeitsdichte Ausgestaltung der Trägerschicht zudem gegen Feuchtigkeit von außen, wie etwa gegen Luftfeuchtigkeit oder - beispielsweise bei einer Leckage eines Batteriekühlers - gegen Kühlflüssigkeit, geschützt sein. Derartige von außen an oder die Batteriezellen gelangende Flüssigkeit oder Feuchtigkeit könnte andernfalls ebenfalls zu Problemen führen, da sie beispielsweise korrosionsfördernd wirken und/oder via Wasserelektrolyse unter Wasserstoffbildung zur Bildung eines zündfähigen Gasgemisches führen oder beitragen kann. Somit kann durch die flüssigkeitsdichte Ausgestaltung der Trägerschicht letztlich weiter zur verbesserten Sicherheit der Batterieeinrichtung beigetragen werden.
  • In weiterer möglicher Ausgestaltung der vorliegenden Erfindung ist die Trägerschicht aus einer Polymerfolie gebildet. Mit anderen Worten ist die Trägerschicht also eine Polymerfolie oder umfasst zumindest eine solche. Durch eine Polymerfolie können zum einen die an anderer Stelle genannten günstigen Eigenschaften, wie etwa die elektrische Isolationswirkung und die Flüssigkeitsdichtigkeit, realisiert werden. Zum anderen können Polymerfolien flexibel genug sein, um Zellgehäuse mit nahezu beliebiger Form dicht anliegend zu bedecken, und benötigen außerdem nur besonders wenig Bauraum. Dies ist erstrebenswert, um eine möglichst große Energiedichte der Batterieeinrichtung zu ermöglichen, wie dies heutzutage für vielfältige Einsatzzwecke zunehmend gefordert wird. Insgesamt können durch die Ausgestaltung der Trägerschicht als Polymerfolie also die genannten Vorteile gegebenenfalls besser oder in größerem Maße bzw. einfacher realisiert oder erreicht werden als beispielsweise durch starre, plattenförmige Separatoren zwischen den Batteriezellen.
  • In einer möglichen Weiterbildung der vorliegenden Erfindung ist die Polymerfolie aus einem Polyimid gebildet, also gefertigt. Je nach Anwendungsfall oder Anforderungen können gegebenenfalls unterschiedliche Polyimide verwendet werden. Polyimide können, beispielsweise im Vergleich zu anderen Kunststoffmaterialien, günstigerweise nicht schmelzbar, chemisch beständig sowie besonders hitze- und strahlungsbeständig sein, eine besonders geringe Ausgasung aufweisen und elektrisch isolierend sein. Polyimide können dabei eine besonders hohe elektrische Durchschlagsfestigkeit von beispielsweise mehreren 100 kV/mm aufweisen. Damit sind nach einer der vorliegenden Erfindung zugrunde liegenden Erkenntnis Polyimide besonders geeignete Materialien für die Trägerschicht, durch welche die genannten vorteilhaften Eigenschaften also besonders umfassend und effektiv erreicht bzw. realisiert werden können.
  • In weiterer möglicher Ausgestaltung der vorliegenden Erfindung ist die reflektierende Schicht als metallische Beschichtung der Trägerschicht ausgebildet. Die reflektierende Schicht kann dazu beispielsweise auf die Trägerschicht aufgedampft, aufgesputtert, auflaminiert oder aufgedruckt sein. Damit können die Trägerschicht und die reflektierende Schicht bzw. die gesamte Schichtanordnung zumindest einer Batteriezelle als ein einzelnes Bauteil gehandhabt werden, was eine besonders einfache und zuverlässige Fertigung der Batterieeinrichtung ermöglichen kann. Dadurch, dass die reflektierende Schicht nur als Beschichtung und nicht als separates, eigenständiges bzw. eigenstabiles Bauteil gefertigt ist, kann die reflektierende Schicht besonders dünn sein. Dadurch können wiederum Gewicht, Bauraum und Kosten eingespart werden, beispielsweise im Vergleich zu einer Fertigung der reflektierenden Schicht als separates eigenständiges Bauteil. Die reflektierende Schicht ist hier aus einem metallischen Werkstoff, beispielsweise Aluminium oder Gold oder dergleichen, gefertigt, was eine besonders hohe Reflexivität ermöglicht, sodass die Erwärmung der jeweiligen Batteriezelle im thermischen Fehlerfall einer anderen Batteriezelle in der Umgebung besonders effektiv reduziert oder verlangsamt werden kann. Auswirkungen gegebenenfalls unerwünschter Eigenschaften metallischer Werkstoffe, wie beispielsweise deren relativ hohe Dichte, Wärmeleitfähigkeit und/oder Wärmekapazität, können dabei durch eine besonders geringe Dicke oder Materialstärke der reflektierenden Schicht, die durch deren Ausbildung als Beschichtung ermöglicht wird, gemindert werden.
  • In weiterer Ausgestaltung der vorliegenden Erfindung weist die reflektierende Schicht eine geringere Schichtdicke auf als die Trägerschicht. Die reflektierende Schicht ist mit anderen Worten also in einer Querrichtung, die lokal senkrecht auf einer Haupterstreckungsfläche der Schichtanordnung steht, dünner als die Trägerschicht. Durch die entsprechend dünne Ausgestaltung der reflektierenden Schicht wird deren Reflexionswirkung nicht signifikant verringert, während gleichzeitig Bauraum, Kosten und Gewicht eingespart werden können bzw. eingesparter Bauraum für eine entsprechend dickere Ausgestaltung der Trägerschicht ausgenutzt werden kann. Dies ermöglicht eine von der Dicke der Trägerschicht abhängige und damit entsprechend größere Wirkung oder Effektivität der Trägerschicht als thermische Barriere. Durch die geringere Schichtdicke der reflektierenden Schicht kann diese zudem wie an anderer Stelle erläutert problemlos aus einem metallischen Werkstoff gefertigt werden, um eine besonders hohe Reflexivität zu erzielen.
  • In weiterer möglicher Ausgestaltung der vorliegenden Erfindung weist die Batterieeinrichtung eine Kühlplatte auf, auf der die Batteriezellen angeordnet sind. Beispielsweise können die Batteriezellen mit ihrer jeweiligen Unterseite auf der Kühlplatte stehen. Die Schichtanordnungen, insbesondere die reflektierenden Schichten, reichen dabei bis an die Kühlplatte heran. Die Schichtanordnungen bzw. die reflektierenden Schichten können also an einem jeweiligen der Kühlplatte zugewandten Fuß oder Fußbereich der Batteriezellen in direktem, wärmeleitendem Kontakt mit der Kühlplatte stehen. Dadurch wird ein zusätzlicher Wärmeableitungspfad für aus der jeweiligen Umgebung auf die Batteriezelle bzw. die Schichtanordnung auftreffender Wärme oder Energie geschaffen. Somit kann die Aufheizung der jeweiligen Batteriezelle durch von außen auftreffende oder einwirkende Wärme oder Energie noch weiter reduziert werden. Dies kann besonders effektiv sein in Kombination mit einer Ausgestaltung der reflektierenden Schicht aus einem metallischen Werkstoff, da derartige metallische Werkstoffe typischerweise eine besonders gute Wärmeleitfähigkeit aufweisen können. Von der Schichtanordnung bzw. der reflektierenden Schicht kann Wärme also in die Kühlplatte gelangen und in dieser bzw. durch diese abgeleitet oder weiterverteilt werden. Zudem kann durch den direkten Kontakt der Schichtanordnung bzw. der reflektierenden Schicht mit der Kühlplatte eine abdichtende Wirkung für die von der jeweiligen Schichtanordnung umgebene Batteriezelle bzw. deren Zellgehäuse gegenüber einer Umgebung der Batteriezelle bzw. der Schichtanordnung erreicht werden. Dadurch kann gegebenenfalls vermieden werden, dass aus einer thermisch durchgehenden Batteriezelle austretendes Material zwischen die Kühlplatte und die Zellgehäuse benachbarter Batteriezellen gelangen und somit einen dortigen Wärmekontakt verschlechtern kann. Dies ermöglicht es, auch beim thermischen Durchgehen einer Batteriezelle eine effektive Kühlung der übrigen Batteriezellen über die Kühlplatte besonders zuverlässig aufrechtzuerhalten. Die Schichtanordnungen bzw. die reflektierenden Schichten können dazu mit der Kühlplatte verbunden, beispielsweise verklebt oder verschweißt sein, um einen besonders guten Kontakt zu erreichen.
  • Ein weiterer Aspekt der vorliegenden Erfindung ist ein Kraftfahrzeug, das wenigstens eine vorliegend erfindungsgemäße Batterieeinrichtung oder eine mögliche Ausgestaltung der erfindungsgemäßen Batterieeinrichtung aufweist. Die Batterieeinrichtung kann dabei insbesondere eine Traktionsbatterie oder ein Teil, beispielsweise ein Batteriemodul, einer Traktionsbatterie des Kraftfahrzeugs sein oder bilden. Hier können die im Zusammenhang mit der erfindungsgemäßen Batterieeinrichtung beschriebenen Vorteile besonders effektiv zum Tragen kommen, da Batterien, insbesondere Traktionsbatterien, von Kraftfahrzeugen oftmals eine besonders hohe Packungs- und Energiedichte und einen besonders hohen Energieinhalt aufweisen können und durch die möglichen Geschwindigkeiten des Kraftfahrzeugs im Vergleich zu stationären Anwendungen zusätzliches Gefahrenpotenzial bei einer Propagation des thermischen Durchgehens einer Batteriezelle durch die gesamte Batterie bzw. Batterieeinrichtung bestehen kann.
  • Weitere Merkmale der Erfindung können sich aus den Ansprüchen, den Figuren und der Figurenbeschreibung ergeben. Die vorstehend in der Beschreibung genannten Merkmale und Merkmalskombinationen sowie die nachfolgend in der Figurenbeschreibung und/oder in den Figuren alleine gezeigten Merkmale und Merkmalskombinationen sind nicht nur in der jeweils angegebenen Kombination, sondern auch in anderen Kombinationen oder in Alleinstellung verwendbar, ohne den Rahmen der Erfindung zu verlassen.
  • Die Zeichnung zeigt in der einzigen Figur eine schematische Darstellung einer Batterieeinrichtung mit zwei Batteriezellen.
  • Batterien können eine Vielzahl einzelner Zellen enthalten, wodurch, insbesondere bei Verwendung der heutzutage verfügbaren und verbreiteten lithiumbasierten Zelltechnologien bzw. Zellchemien, grundsätzlich die Gefahr einer durch ein thermisches Durchgehen einer einzelnen Zelle ausgelösten exothermen Kettenreaktion berücksichtigt werden sollte. Beim thermischen Durchgehen einer Zelle können an deren Oberfläche oder Außenseite beispielsweise Temperaturen im Bereich von 400 °C bis 1000 °C entstehen. Entsprechende Wärmeenergie kann über verschiedene Wärmetransportmechanismen zu benachbarten Zellen gelangen, wodurch diese ebenfalls zum thermischen Durchgehen angeregt werden könnten. Ein radiativer Wärmetransport hängt dabei ab von der Emissivität der jeweiligen Wärmequelle, hier also einer thermisch durchgehenden Zelle, und der Absorptivität eines beaufschlagten Materials bzw. einer beaufschlagten Oberfläche, hier also beispielsweise einer benachbarten Zelle. Im thermischen Gleichgewicht sind die Emissivität und die Absorptivität gleich. Da Emissivitäten und Absorptivitäten von für einzelne Zellen heutzutage typischerweise verwendeten individuellen Gehäusen nahe bei 1 liegen, also relativ groß sein können, kann ein radiativer Wärmetransport oder Wärmeübertrag zwischen benachbarten Zellen im thermischen Fehlerfall einer der Zellen signifikante Ausmaße erreichen.
  • 1 zeigt eine schematische Darstellung einer Batterieeinrichtung 10, welche robust oder resistent gegen diese Problematik ist. Die Batterieeinrichtung 10 kann beispielsweise schematisch ein Batteriemodul für eine Traktionsbatterie eines Kraftfahrzeugs oder eine derartige Traktionsbatterie sein oder repräsentieren, ist jedoch nicht auf diese Anwendungsfälle beschränkt. Die Batterieeinrichtung 10 weist hier ein Batterie- oder Außengehäuse 12 auf, in dem mehrere Batteriezellen 14 aufgenommen sind. Der Übersichtlichkeit halber sind hier lediglich zwei Batteriezellen 14 angedeutet, nämlich eine beschädigte Zelle 16 und eine benachbart zu dieser in der Batterieeinrichtung 10 bzw. dem Außengehäuse 12 angeordnete Nachbarzelle 18. Tatsächlich kann die Batterieeinrichtung 10 aber eine Vielzahl weiterer Batteriezellen 14 umfassen. Auch die hier dargestellten Größenverhältnisse und Abstände sind rein schematisch zu verstehen, also nicht maßstabsgetreu.
  • Die Batterieeinrichtung 10 weist vorliegend auch eine Kühlplatte 20 auf, auf der die Batteriezellen 14 zur Kühlung angeordnet sind. Die Kühlplatte 20 kann ein metallisches Bauteil sein, das insbesondere einen oder mehrere Kanäle für ein Kühlmedium aufweisen kann. Die Batterieeinrichtung 10 bzw. die Kühlplatte 20 können darüber beispielsweise an einen Kühlkreislauf des jeweiligen Kraftfahrzeugs angeschlossen sein oder werden.
  • Die Batteriezellen 14 weisen individuelle, also von dem Außengehäuse 12 verschiedene, Zellgehäuse 22 auf, in denen beispielsweise ein jeweiliger Elektrolyt aufgenommen sein kann. Die Zellgehäuse 22 können beispielsweise eine zumindest im Wesentlichen quaderförmige oder zylindrische Gestalt aufweisen, je nachdem ob es sich bei den Batteriezellen 14 um prismatische Zellen oder um zylindrische Zellen handelt. Ebenso können auch andere Zellformen möglich sein.
  • Die Batteriezellen 14 weisen jeweils einen Anschlusspunkt 24 zum elektrischen Kontaktieren der Batteriezellen 14 auf, hier beispielhaft an ihrer jeweiligen Oberseite. Diese Oberseite liegt hier einer jeweiligen Unterseite der Batteriezellen 14 gegenüber, mit der die Batteriezellen 14 auf der Kühlplatte 20 stehen. Ebenso kann eine Anordnung der Anschlusspunkte 24 an anderer Stelle, etwa an der Unterseite oder einer jeweiligen Seitenfläche der Batteriezellen 14 möglich. Dies kann beispielsweise abhängig sein von einem im jeweiligen Anwendungsfall konkret verwendeten Zellformat und/oder Modul- oder Batteriepackdesign.
  • An zwischen den Ober- und Unterseiten erstreckte Mantelflächen der Zellgehäuse 22 liegt bei jeder der Batteriezellen 14 eine jeweilige Schichtanordnung 26 an. Diese Schichtanordnungen 26 sind hier aus einer zellseitigen, also dem jeweiligen Zellgehäuse 22 zugewandten, Trägerschicht - hier bezeichnet als Wärmedämmschicht 28 - und einer außenseitigen reflektierenden Schicht 30 aufgebaut. Die Träger- oder Wärmedämmschichten 28 können beispielsweise durch eine Polyimidfolie gebildet sein, die mit der jeweiligen reflektierenden Schicht 30, beispielsweise aus aufgedampftem Aluminium oder dergleichen, beschichtet ist.
  • Im thermischen Fehlerfall der beschädigten Zelle 16 kann von dieser hier schematisch angedeutete Wärmestrahlung 32 in Richtung der Nachbarzelle 18 ausgestrahlt werden. Dort trifft die Wärmestrahlung 32 auf die außenseitige reflektierende Schicht 30 der Nachbarzelle 18 bzw. der Schichtanordnung 26 der Nachbarzelle 18. Von dieser reflektierenden Schichten 30 wird die auftreffende Wärmestrahlung 32 als hier ebenfalls schematisch angedeutete reflektierte Strahlung 34 in eine Umgebung der Nachbarzelle 18 bzw. zurück zu der beschädigten Zelle 16 reflektiert. In der reflektierten Strahlung 34 enthaltene Energie trägt somit also nicht zum Aufheizen der Nachbarzelle 18 bei. Dadurch kann das Risiko dafür reduziert werden, dass durch die von der beschädigten Zelle 16 ausgehende Wärme bzw. Energie auch die Nachbarzelle 18 zum thermischen Durchgehen angeregt wird.
  • Dennoch von der Schichtanordnung 26 der Nachbarzelle 18 aufgenommene Wärme kann über die reflektierende Schicht 30 in die Kühlplatte 20 abtransportiert werden. Durch die Wärmedämmschicht 28 wird ein Eintritt dieser oder einer restlichen Wärmemenge in das Zellgehäuse 22 bzw. ein Inneres der Nachbarzelle 18 reduziert bzw. verzögert, um die Gefahr des thermischen Durchgehens der Nachbarzelle 18 weiter zu reduzieren.
  • In einer Variante kann die Kühlplatte 20 oder eine weitere Kühlplatte an einer anderen Seite der Batteriezellen 14 an diesen angeordnet sein. Auch dann wären die anderen hier vorgeschlagenen Merkmale immer noch hilfreich. Insbesondere wäre dann zumindest auf der Seite der Kühlplatte durch diese seitlich angeordnete Kühlplatte selbst eine radiative Barriere zur jeweiligen benachbarten Batteriezelle 14 gegeben.
  • Insgesamt zeigen die beschriebenen Beispiele wie eine thermisch isolierende und wärmereflektierende Umhüllung von Zellen einer mehrzelligen Batterie realisiert werden kann, um die Gefahr einer Propagation einer exothermen Kettenreaktion über mehrere Zellen hinweg innerhalb der Batterie zu begrenzen.
  • Bezugszeichenliste
    • 10
    Batterieeinrichtung
    12
    Außengehäuse
    14
    Batteriezellen
    16
    beschädigte Zelle
    18
    Nachbarzelle
    20
    Kühlplatte
    22
    Zellgehäuse
    24
    Anschlusspunkte
    26
    Schichtanordnung
    28
    Wärmedämmschicht
    30
    reflektierende Schicht
    32
    Wärmestrahlung
    34
    reflektierte Strahlung

Claims (10)

  1. Batterieeinrichtung (10), aufweisend mehrere Batteriezellen (14) mit individuellen Zellgehäusen (22), an deren wenigstens einer anderen der Batteriezellen (14) zugewandten Seiten für jede der Batteriezellen (14) jeweils eine individuelle Schichtanordnung (26) aus einer zellseitigen Trägerschicht (28) und einer außenseitigen reflektierenden Schicht (30) anliegt.
  2. Batterieeinrichtung (10) nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Zellgehäuse (22) jeweils eine Oberseite und eine dieser gegenüberliegende Unterseite sowie eine diese miteinander verbindende vollständig umlaufende Mantelfläche aufweisen, wobei die Mantelflächen vollständig durch die jeweilige Schichtanordnung (26) bedeckt sind.
  3. Batterieeinrichtung (10) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Trägerschicht (28) aus einem elektrisch isolierenden Material gebildet ist.
  4. Batterieeinrichtung (10) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Trägerschicht (28) flüssigkeitsdicht ausgebildet ist.
  5. Batterieeinrichtung (10) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Trägerschicht (28) aus einer Polymerfolie (28) gebildet ist.
  6. Batterieeinrichtung (10) nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass die Polymerfolie (28) aus einem Polyimid gebildet ist.
  7. Batterieeinrichtung (10) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die reflektierende Schicht (30) als metallische Beschichtung (30) der Trägerschicht (28) ausgebildet ist.
  8. Batterieeinrichtung (10) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die reflektierende Schicht (30) eine geringere Schichtdicke aufweist als die Trägerschicht (28).
  9. Batterieeinrichtung (10) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Batterieeinrichtung (10) eine Kühlplatte (20) aufweist, auf der die Batteriezellen (14) angeordnet sind, wobei die Schichtanordnungen (26), insbesondere die reflektierenden Schichten (30), bis an die Kühlplatte (20) heranreichen.
  10. Kraftfahrzeug, aufweisend eine Batterieeinrichtung (10) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, insbesondere zumindest als Teil einer Traktionsbatterie (10).
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