DE102021102017A1 - Electrical energy store for installation in an electrified motor vehicle - Google Patents
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Abstract
Die Erfindung betrifft einen elektrischen Energiespeicher für den Einbau in ein elektrifiziertes Kraftfahrzeug mit einer Vielzahl von Batteriezellen, wobei jede Batteriezelle aus einem Zellkern und einem hybriden Zellgehäuse besteht, das durch ein inneres Teilgehäuse in Form einer inneren Zellwand aus elektrisch isolierendem Material (insbesondere Kunststoff) und durch ein äußeres Teilgehäuse in Form eines Zellhalters aus elektrisch leitfähigem und wärmeleitfähigem Material (insbesondere leichtem Metall, wie Aluminium) ausgestaltet ist. Dabei bilden das erste und das zweite Teilgehäuse durch eine mechanische Verbindung gemeinsam ein hybrides Zellgehäuse (Hybridgehäuse). Die innere Zellwand alleine wird zur Gewichtsreduzierung so leicht wie möglich ausgestaltet und ist im Unterschied zu üblichen Zellwänden von Batteriezellen nicht alleine als Zellgehäuse verwendbar. Die Stabilität wir nur in Verbindung mit dem zweiten Teilgehäuse erreicht. Somit besteht das Batteriezellen-Gehäuse im Unterschied zu üblichen Batteriezellen aus einem Gehäuse mit zwei Materialien, wobei das erste Material vorrangig zur elektrischen Isolation und das zweite Material vorrangig zur Stabilisierung und gleichzeitig zur Temperierung verwendet werden.The invention relates to an electrical energy store for installation in an electrified motor vehicle with a large number of battery cells, each battery cell consisting of a cell core and a hybrid cell housing which is separated by an inner partial housing in the form of an inner cell wall made of electrically insulating material (particularly plastic) and is designed by an outer partial housing in the form of a cell holder made of electrically conductive and thermally conductive material (in particular light metal such as aluminum). In this case, the first and the second partial housing together form a hybrid cell housing (hybrid housing) by means of a mechanical connection. The inner cell wall alone is designed to be as light as possible to reduce weight and, in contrast to conventional cell walls of battery cells, cannot be used alone as a cell housing. The stability is only achieved in connection with the second partial housing. Thus, in contrast to conventional battery cells, the battery cell housing consists of a housing made of two materials, with the first material primarily being used for electrical insulation and the second material being used primarily for stabilization and at the same time for temperature control.
Description
Die Erfindung bezieht sich auf einen elektrischen Energiespeicher für den Einbau in ein elektrifiziertes Kraftfahrzeug (Elektrofahrzeug oder Hybridfahrzeug), insbesondere auf einen Lithium-Ionen-Speicher, und auf ein Verfahren zum Aufbau eines Lithium-Ionen-Speichers für den Einsatz in Fahrzeugen, wie z.B. als Bordnetzbatterien, Hochvoltspeicher oder Traktionsbatterien bekannt. Im Folgenden wird der elektrische Energiespeicher, insbesondere Lithium-Ionen-Speicher, kurz als Energiespeicher bezeichnet.The invention relates to an electrical energy store for installation in an electrified motor vehicle (electric vehicle or hybrid vehicle), in particular a lithium-ion store, and to a method for constructing a lithium-ion store for use in vehicles, such as e.g. known as on-board batteries, high-voltage storage or traction batteries. In the following, the electrical energy store, in particular a lithium-ion store, is referred to as an energy store for short.
Bei kalten Lithium-Ionen-Speichern ist die Leistungsfähigkeit eingeschränkt. Hohe elektrische Leistungen sind nicht darstellbar oder führen zu einer Schädigung des Speichers. Für eine Temperierung sind meist zusätzliche Heizplatten oder Heizelemente oder auch ein verstärkter Energiedurchsatz bekannt, um den Energiespeicher auf eine erforderliche Temperatur zu bringen, damit dieser die erforderlichen Leistungen erbringen kann. Dies führt zu komplexen Konstruktionen und zur Gewichtserhöhung.With cold lithium-ion storage, the performance is limited. High electrical power cannot be represented or will damage the memory. For temperature control, additional heating plates or heating elements or an increased energy throughput are usually known in order to bring the energy store to a required temperature so that it can provide the required performance. This leads to complex constructions and weight increase.
In der nicht vor-veröffentlichten deutschen Patentanmeldung der Anmelderin mit dem amtlichen Aktenzeichen
Es ist Aufgabe der Erfindung, einen Energiespeicher für Kraftfahrzeuge trotz Stabilisierung gegen Krafteinwirkung im Hinblick auf ein geringeres Gewicht und auf eine gleichmäßigere Temperierung weiter zu verbessern.The object of the invention is to further improve an energy store for motor vehicles, despite stabilization against the action of force, with regard to lower weight and more uniform temperature control.
Diese Aufgabe wird durch die Merkmale des Patentanspruchs 1 gelöst. Die abhängigen Patentansprüche sind vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung.This object is solved by the features of
Die Erfindung betrifft einen elektrischen Energiespeicher für den Einbau in ein elektrifiziertes Kraftfahrzeug mit einer Vielzahl von Batteriezellen, wobei jede Batteriezelle aus einem Zellkern und einem hybriden Zellgehäuse besteht, das durch ein inneres Teilgehäuse in Form einer inneren Zellwand aus elektrisch isolierendem Material (insbesondere Kunststoff) und durch ein äußeres Teilgehäuse in Form eines Zellhalters aus elektrisch leitfähigem und wärmeleitfähigem Material (insbesondere leichtem Metall, wie Aluminium) ausgestaltet ist. Dabei bilden das erste und das zweite Teilgehäuse durch eine mechanische Verbindung gemeinsam ein hybrides Zellgehäuse (Hybridgehäuse). Die innere Zellwand alleine wird zur Gewichtsreduzierung so leicht wie möglich ausgestaltet und ist im Unterschied zu üblichen Zellwänden von Batteriezellen nicht alleine als Zellgehäuse verwendbar. Die Stabilität wir nur in Verbindung mit dem zweiten Teilgehäuse erreicht. Somit besteht das Batteriezellen-Gehäuse im Unterschied zu üblichen Batteriezellen aus einem Gehäuse mit zwei Materialien, wobei das erste Material vorrangig zur elektrischen Isolation und das zweite Material vorrangig zur Stabilisierung und gleichzeitig zur Temperierung verwendet werden.The invention relates to an electrical energy store for installation in an electrified motor vehicle with a large number of battery cells, each battery cell consisting of a cell core and a hybrid cell housing which is separated by an inner partial housing in the form of an inner cell wall made of electrically insulating material (in particular plastic) and is designed by an outer partial housing in the form of a cell holder made of electrically conductive and thermally conductive material (in particular light metal such as aluminum). In this case, the first and the second partial housing together form a hybrid cell housing (hybrid housing) by means of a mechanical connection. The inner cell wall alone is designed to be as light as possible to reduce weight and, in contrast to conventional cell walls of battery cells, cannot be used alone as a cell housing. The stability is only achieved in connection with the second partial housing. Thus, in contrast to conventional battery cells, the battery cell housing consists of a housing made of two materials, with the first material primarily being used for electrical insulation and the second material being used primarily for stabilization and at the same time for temperature control.
Der Erfindung liegen folgende Überlegungen zugrunde:
- Die Vielzahl von Batteriezellen in einem Hochvolt-Energiespeicher führen erstens zu einem hohen Gewicht und müssen zweitens für eine optimale Leistungsabgabe geeignet temperiert werden.
- Firstly, the large number of battery cells in a high-voltage energy storage unit lead to a high weight and, secondly, the temperature must be suitably controlled for optimum power output.
Um zunächst das Gewicht zu reduzieren, besteht erfindungsgemäß jede Batteriezelle aus einem Zellkern (in beliebiger Ausgestaltung, z. B. als Elektrodenwickel) und einem hybriden Zellgehäuse (Hybridgehäuse). Das hybride Zellgehäuse ist mit einer inneren Zellwand aus Kunststoff und mit einem äußeren Zellhalter aus wärmeleitfähigem Metall (z. B. Aluminium, eine Legierung oder aus Festigkeitsgründen ein Stahllochblech) ausgebildet. Somit besteht das Hybridgehäuse aus zwei Teilgehäusen. Das innere Teilgehäuse aus Kunststoff ist leicht und führt zu einer Gewichtsreduzierung. Das äußere Teilgehäuse besteht aus wärmeleitfähigem Metall und ist somit für die Temperierung geeignet. Beide Teilgehäuse zusammen tragen zusätzlich zur Stabilisierung gegen mechanische Kräfte bei.In order to initially reduce the weight, according to the invention each battery cell consists of a cell core (in any configuration, eg as an electrode coil) and a hybrid cell housing (hybrid housing). The hybrid cell housing is designed with an inner cell wall made of plastic and with an outer cell holder made of heat-conducting metal (e.g. aluminum, an alloy or, for reasons of strength, a perforated steel sheet). The hybrid housing thus consists of two partial housings. The plastic inner sub-housing is lightweight, resulting in weight reduction. The outer partial housing consists of heat-conducting metal and is therefore suitable for temperature control. Both partial housings together also contribute to stabilization against mechanical forces.
Das erfindungsgemäße Batteriezellen-Hybridgehäuse wird also mit seinem äußeren Teilgehäuse sowohl als Zellhalter als auch als Heizelement ausgebildet.The battery cell hybrid housing according to the invention is thus designed with its outer partial housing both as a cell holder and as a heating element.
Vorzugsweise kann das äußere Teilgehäuse teilweise durchbrochen sein (z. B. in Form eines Lochbleches oder eines Gitters), um noch weniger Material und somit Gewicht zu benötigen. Beispielsweise wird als wärmeleitfähiges Metall Aluminium verwendet, das vorzugsweise als Lochblech ausgestaltet sein kann.The outer partial housing can preferably be partially perforated (e.g. in the form of a perforated plate or a grid) in order to require even less material and thus weight. For example, aluminum is used as the thermally conductive metal, which can preferably be designed as a perforated metal sheet.
In einer Weiterbildung der Erfindung wird das als Zellhalter ausgebildete Heizelement vorzugsweise mit elektrischer Energie beaufschlagt, die während einer Rekuperation entsteht. Dazu sind die äußeren Teilgehäuse miteinander und an einem Stromanschluss angebunden.In a development of the invention, the heating element designed as a cell holder is preferably supplied with electrical energy that is produced during recuperation. That's what they are for outer part housing connected to each other and to a power connector.
Die Betriebsstrategie eines elektronischen Steuergeräts kann in einer Weiterbildung der Erfindung dafür sorgen, dass bei niedriger Speichertemperatur unterhalb einer applizierbaren Schwelle vorhandene Rekuperations-Energie zum Heizen des Energiespeichers verwendet wird. Hierzu wird das Hybridgehäuse, insbesondere das äußere Teilgehäuse in Form eines elektrisch leitenden Zellhalters bestromt, um darin Wärme zu erzeugen. Die Ansteuerung für den elektrischen Energiefluss durch den Zellhalter erfolgt vorzugsweise durch ein Speichermanagement als Softwareprogrammmodul im elektronischen Steuergerät.In one development of the invention, the operating strategy of an electronic control unit can ensure that, when the storage temperature is low and below an applicable threshold, recuperation energy that is present is used to heat the energy storage device. For this purpose, the hybrid housing, in particular the outer partial housing in the form of an electrically conductive cell holder, is energized in order to generate heat therein. The control for the flow of electrical energy through the cell holder is preferably carried out by memory management as a software program module in the electronic control unit.
Das innere Teilgehäuse des Hybridgehäuses ist also innen elektrisch isoliert und das äußere Teilgehäuse des Hybridgehäuses ist außen elektrisch leitend. Somit ist das Hybridgehäuse insgesamt derart konstruiert, dass es sowohl thermische Energie speichern kann, als auch als elektrischer Heizwiderstand fungieren kann.The inner partial housing of the hybrid housing is therefore electrically insulated on the inside and the outer partial housing of the hybrid housing is electrically conductive on the outside. The hybrid housing is thus constructed overall in such a way that it can both store thermal energy and act as an electrical heating resistor.
In der Zeichnung sind Ausführungsbeispiele der Erfindung dargestellt. Es zeigt
-
1 eine erfindungsgemäß ausgestaltete Batteriezelle mit einem hybriden Zellgehäuse, -
2 ein möglicher Aufbau eines elektrischen Energiespeichers mit mehreren erfindungsgemäß ausgestalteten Batteriezellen, -
3 eine mögliche Ansteuerung eines elektrischen Energiespeichers mit mehreren erfindungsgemäß ausgestalteten Batteriezellen, -
4 eine erste Alternative für eine elektrische Verbindung jeweils zweier erfindungsgemäß ausgestalteter Batteriezellen zum Aufbau einer seriellen Verschaltung und -
5 eine zweite Alternative für eine elektrische Verbindung jeweils zweier erfindungsgemäß ausgestalteter Batteriezellen zum Aufbau einer seriellen Verschaltung.
-
1 a battery cell designed according to the invention with a hybrid cell housing, -
2 a possible structure of an electrical energy store with several battery cells designed according to the invention, -
3 a possible control of an electrical energy store with several battery cells designed according to the invention, -
4 a first alternative for an electrical connection of two battery cells configured according to the invention in order to set up a serial connection and -
5 a second alternative for an electrical connection of two battery cells configured according to the invention in order to set up a serial connection.
Die
Die Zelle 2 besteht aus zwei elektrisch leitfähigen Kontaktierungsdeckeln 13 und einem Kunststoffzylinder (z.B. PP, PTFE) als inneres Teilgehäuse 3 des hybriden Zellgehäuses. Die Betriebsfestigkeit der Zelle 2 wird durch Kombination des inneren Teilgehäuses 3 mit einem äußeren Teilgehäuse 4 in Form eines Zellhalters erreicht.The
Der Kontaktierungsdeckel 13 besteht aus einem Aluminiumplättchen mit einem elektrischen Anschlussflansch, der gasdicht in den Kunststoffzylinder eingebettet ist. Dieser kann gegebenenfalls zur Optimierung des Gewichts und der elektrischen Leitfähigkeit konisch ausgestaltet sein.The
Die
Das Hybridgehäuse wird durch Verklebung 5 oder Verpressung des inneren Teilgehäuses 3 (Zellwand aus Kunststoff) mit dem äußeren Teilgehäuse 4 (Zellhalter aus Aluminium) aufgebaut. Somit unterscheidet sich das erfindungsgemäße Hybridgehäuse von einer lösbaren Steckanordnung.The hybrid housing is constructed by gluing 5 or pressing the inner partial housing 3 (cell wall made of plastic) to the outer partial housing 4 (cell holder made of aluminum). The hybrid housing according to the invention thus differs from a detachable plug-in arrangement.
Das Hybridgehäuse weist vorzugsweise eine Sicherung 6 (z.B. Bördel) zur Verhinderung einer Längs- und/oder Drehbewegung auf.The hybrid housing preferably has a safeguard 6 (e.g. flange) to prevent longitudinal and/or rotational movement.
Die
Die in Serie geschalteten Zellhalter 4 sind vorzugsweise aus Aluminium und gegebenenfalls als Gitter oder Lochblech zur Gewichtsreduzierung ausgestaltet. Mittels Bestromung durch das elektronische Steuergerät SG werden die Zellhalter 4 zu elektrischen Heizelementen. Die Verbinder 10 der Zellhalter 4 können auch als hinsichtlich Druck oder Zug ausgleichsfähige Verbinder 8 ausgestaltet sein.The
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNGQUOTES INCLUDED IN DESCRIPTION
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