DE102021103174A1

DE102021103174A1 - Batteriezellgehäuse

Info

Publication number: DE102021103174A1
Application number: DE102021103174.5A
Authority: DE
Inventors: Christian Raubitschek
Original assignee: Bayerische Motoren Werke AG
Current assignee: Bayerische Motoren Werke AG
Priority date: 2021-02-11
Filing date: 2021-02-11
Publication date: 2022-08-11

Abstract

Ein Batteriezellgehäuse mit steifen Wänden mit einer Außenfläche an einem Kühlkörper wird beschrieben, wobei zumindest eine Wand des Batteriezellgehäuses einen Schichtenstapel mit einer ersten Schicht und einer zweiten Schicht aufweist, wobei die erste Schicht eine höhere Berstfestigkeit aufweist als die zweite Schicht und die zweite Schicht eine höhere thermische Leitfähigkeit aufweist als die erste Schicht.

Description

Prismatische Batteriezellen oder Rundzellen (zylindrische Zellen) haben normalerweise ein Blechgehäuse aus Aluminium, Stahl oder einem anderen Metall. Somit sind ihre Wände im Wesentlichen steif. Abhängig von geforderten Zelleigenschaften wird das optimale Metall gewählt. Die Gehäuse sogenannter Pouch-Zellen werden dagegen als Beutel aus Kunststoff oder aus Verbundmaterial gefertigt, wobei Verbundmaterialien sowohl aus Kunststoff als auch aus Metall bestehen. Die zur Fertigung der Gehäuse für Batteriezellen verwendeten Materialien sind dabei oft bandförmig, insbesondere Bleche für Gehäuse mit steifen Wänden oder Folien für Gehäuse von Pouch-Zellen.
Eine vorteilhafte Konstruktion für aus einer Vielzahl von Einzelzellen bestehende Module bezüglich effizienter Bauraumausnutzung und einfacher Herstellbarkeit der Module besteht darin, Batteriezellen stehend dicht nebeneinander auf einer Kühlplatte anzuordnen. Aus einer Vielzahl von Einzelzellen bestehende Zellmodule werden z.B. zur elektrischen Versorgung von Fahrzeugen verwendet.
In einer solchen Anordnung ist es schwierig, Abschnitte der Batteriezellen, die sich übereinander in verschiedenen Abständen von der Kühlplatte befinden, so zu temperieren, dass die Temperaturdifferenzen zwischen einzelnen Abschnitten innerhalb eines vorgegebenen Bereichs bleiben.
Davon ausgehend ist es Aufgabe der vorliegenden Erfindung, ein verbessertes Batteriezellgehäuse mit steifen Wänden bereitzustellen.
Entsprechend wird ein Batteriezellgehäuse mit steifen Wänden mit einer Außenfläche, die an einen Kühlkörper angrenzt, beschrieben, wobei zumindest eine Wand des Batteriezellgehäuses einen Schichtenstapel mit einer ersten Schicht und einer zweiten Schicht aufweist, wobei die erste Schicht eine höhere Berstfestigkeit aufweist als die zweite Schicht und die zweite Schicht eine höhere thermische Leitfähigkeit aufweist als die erste Schicht.
Dadurch, dass ein Schichtenstapel mit zwei Schichten im Batteriezellgehäuse mit steifen Wänden verwendet wird, ist es möglich, dass einerseits eine vorgegebene Berstfestigkeit erreicht wird, wie es bei der Verwendung eines üblichen Gehäuses aus z.B. Stahl der Fall ist. Andererseits wird durch Verwendung eines Schichtenstapels durch die Verwendung der zweiten Schicht eine vorgegebene thermische Leitfähigkeit des Schichtenstapels erreicht und so die Temperaturdifferenz zwischen verschiedenen Abschnitten der Batteriezelle reduziert. Es handelt sich hierbei um ein Batteriezellgehäuse, das mit einer Außenfläche (zumeist dem Boden) zur Temperierung an einem Kühlkörper angebracht ist. Die Bezeichnung „steif“ wird für die Wände des Batteriezellgehäuses verwendet, um klarzustellen, dass durch solche Wände das Batteriezellgehäuse formstabil ist, also unter üblichen Betriebsbedingungen die nicht veränderliche Form z.B. eines Zylinders oder eines Quaders hat. Im Gegensatz dazu sind die Wände von Pouch-Zellen verformbar.
Unterschiedliche Temperaturen in verschiedenen Abschnitten einer Batteriezelle führen zu unterschiedlichem Verlauf der Alterungsprozesse beim Be- und Entladen der Batteriezelle. Die Lebensdauer der Batteriezelle als Ganzes wird aber durch den Abschnitt mit der geringsten Lebensdauer bestimmt. Wenn die Abschnitte mit höheren Temperaturen effektiv gekühlt werden, steigt die Lebensdauer der gesamten Zelle. Die Abschnitte mit den höchsten Temperaturen sind zum Beispiel bei stehend auf einer Kühlplatte montierten Batteriezellen oft am von der Kühlplatte entfernten, oben angeordneten Ende mit den Elektroden zur Entnahme der elektrischen Leistung aus der Batteriezelle zu finden. Hierbei wird angenommen, dass die Kühlplatte in Richtung der Schwerkraft unter den Batteriezellen angeordnet ist. Die Temperierung erfolgt über den Wärmeaustausch zwischen Außenwand des Batteriezellgehäuses und einem zum Batteriezellgehäuse externen Kühlkörper.
In einer bevorzugten Ausführungsform des Batteriezellgehäuses weist die erste Schicht ein Metall auf. Diese Schicht des Batteriezellgehäuses dient hauptsächlich dem Berstschutz. Als Materialien für diese Schicht haben sich Metalle hoher Festigkeit in Bezug auf Druck, Zug, Biegung bzw. Scherung bewährt.
In einer weiteren bevorzugten Ausführungsform des Batteriezellgehäuses weist die zweite Schicht ein Metall auf. Diese Schicht des Batteriezellgehäuses dient hauptsächlich der Erhöhung der thermischen Leitfähigkeit des Schichtenstapels und so der Verringerung der Temperaturdifferenz zwischen verschiedenen Abschnitten der Batteriezelle. Solche Abschnitte können z.B. einzelne übereinander geschichtete galvanische Elemente sein. Als Materialien für diese Schicht haben sich Metalle mit vergleichsweise hoher thermischer Leitfähigkeit bewährt.
In einer weiteren bevorzugten Ausführungsform des Batteriezellgehäuses weist die zweite Schicht Aluminium oder Kupfer auf. Diese Metalle sind wegen ihrer hohen thermischen Leitfähigkeit besonders zur Erhöhung der thermischen Leitfähigkeit des Schichtenstapels und so zur Verringerung der Temperaturdifferenz zwischen verschiedenen Abschnitten der Batteriezelle geeignet.
In einer weiteren bevorzugten Ausführungsform des Batteriezellgehäuses weist die erste Schicht Stahl auf. Stahl wird wegen seiner Festigkeit gegenüber Druck, der Druckbeständigkeit gewählt, um eine hohe Berstfestigkeit des Batteriezellgehäuses zu erreichen.
In einer weiteren bevorzugten Ausführungsform des Batteriezellgehäuses weist die erste Schicht Carbonfasern auf. Wenn für die erste Schicht ein Material mit Carbonfasern gewählt wird, kann ebenfalls eine hohe Festigkeit erreicht werden. Gleichzeitig dienen Carbonfasern im Vergleich zu Stahl zur Gewichtsreduktion.
In einer weiteren bevorzugten Ausführungsform des Batteriezellgehäuses weist der Schichtenstapel mindestens eine dritte Schicht auf, die vom Inneren des Batteriezellgehäuses aus gesehen weiter außen liegt als die erste und die zweite Schicht. Eine solche Schicht kann z. B. aus Kunststoff bestehen und mit Daten der Batteriezelle bedruckt werden.
In einer weiteren bevorzugten Ausführungsform des Batteriezellgehäuses unterschreitet die thermische Leitfähigkeit der dritten Schicht eine vorgegebene thermische Leitfähigkeit. Dies ist besonders in einer Anordnung sinnvoll, in der eine Vielzahl von Batteriezellen dicht nebeneinander angeordnet sind, um die Wärmeübertragung zwischen einzelnen Batteriezellen zu verringern.
In einer weiteren bevorzugten Ausführungsform des Batteriezellgehäuses unterschreitet die elektrische Leitfähigkeit der dritten Schicht eine vorgegebene elektrische Leitfähigkeit. So kann verhindert werden, dass bei einem Kurzschluss zwischen Gehäuse und Elektrode einer bestimmten Batteriezelle weitere Batteriezellen beschädigt werden. Solche Kurzschlüsse können z.B. durch mechanische Beschädigung eines Batteriemoduls bei einem Unfall auftreten.
In einer weiteren bevorzugten Ausführungsform des Batteriezellgehäuses weist die Außenfläche des Batteriezellgehäuses in einem Flächenbereich, mit dem sie an den Kühlkörper angrenzt, nur die zweite Schicht auf. Am Boden einer auf einer Kühlplatte stehend angeordneten Batteriezelle kann die Kühlplatte die mechanische Belastung durch hohen Innendruck der Batteriezelle aufnehmen. Deshalb ist an dieser Stelle keine besondere Berstfestigkeit erforderlich. Durch diese Maßnahme kann die Masse des Batteriemoduls verringert werden. Weiter wird der Wärmeübergang zwischen Kühlkörper und Batteriezelle verbessert.
In einer weiteren bevorzugten Ausführungsform des Batteriezellgehäuses liegt die zweite Schicht vom Inneren des Batteriezellgehäuses aus gesehen weiter innen als die erste Schicht. Dies dient einem verbesserten Temperaturausgleich im Innern der Zelle. Dadurch wird die Temperaturdifferenz zwischen verschiedenen Abschnitten im Innern der Batteriezelle verringert.
In einer weiteren bevorzugten Ausführungsform des Batteriezellgehäuses liegt die erste Schicht vom Inneren des Batteriezellgehäuses aus gesehen weiter innen als die zweite Schicht. So können aufgrund der hohen Leitfähigkeit in der Materialebene (Englisch: „in-plane“) der zweiten Schicht lokal auftretende hohe Temperaturen zuverlässig zum Kühlkörper abgeführt werden, wenn die Leitfähigkeit senkrecht zur Materialebene (Englisch: „through-plane“) der ersten Schicht nicht zu niedrig ist.
In einer weiteren bevorzugten Ausführungsform des Batteriezellgehäuses weist der Schichtenstapel sowohl eine vorgegebene Berstfestigkeit von mindestens 13.500 kPa als auch eine vorgegebene thermische Leitfähigkeit von mindestens 100 W/(m K) auf. Die Berstfestigkeit ist ein Maß für die Widerstandsfähigkeit flächiger Materialien gegenüber lotrecht zur Fläche ausgeübtem Druck. Sie wird in Kilopascal angegeben. Zur Bestimmung der Berstfestigkeit wird eine Probe des Materials in eine ringförmige Halterung gespannt und von oben gleichmäßig bis zum Bersten belastet. Die thermische Leitfähigkeit, auch Wärmeleitähigkeit, ist eine Stoffeigenschaft, die den Wärmestrom durch ein Material auf Grund der Wärmeleitung bestimmt. An der Wärmeleitfähigkeit lässt sich ablesen, wie gut ein Material Wärme leitet oder wie gut es sich zur Wärmedämmung eignet. Die Wärmeleitfähigkeit hat die Einheit Watt pro Meter und Kelvin.
Wenn der Schichtenstapel diese Werte für Berstfestigkeit und thermische Leitfähigkeit aufweist, ist ein damit angefertigtes Batteriezellgehäuse einem Gehäuse aus Stahl in Bezug auf die thermische Leitfähigkeit überlegen und einem Gehäuse aus Aluminium in Bezug auf die Berstfestigkeit.

1 zeigt eine schematische Darstellung einer runden (zylindrischen) Batteriezelle auf einer Kühlplatte;
2 zeigt eine schematische Darstellung einer quaderförmigen Batteriezelle auf einer Kühlplatte;
3 zeigt einen schematischen Querschnitt durch einen Abschnitt einer Seitenwand des Batteriezellgehäuses;
4 zeigt einen weiteren schematischen Querschnitt durch einen Abschnitt einer Seitenwand des Batteriezellgehäuses;
5 zeigt einen dritten schematischen Querschnitt durch einen Abschnitt einer Seitenwand des Batteriezellgehäuses;
6 zeigt einen schematischen Querschnitt durch einen Abschnitt einer Bodenwand des Batteriezellgehäuses;
7 zeigt einen weiteren schematischen Querschnitt durch einen Abschnitt einer Bodenwand des Batteriezellgehäuses;
8 zeigt einen dritten schematischen Querschnitt durch einen Abschnitt einer Bodenwand des Batteriezellgehäuses;
9 zeigt ein Temperaturprofil verschiedener Abschnitte einer Batteriezelle mit einem Gehäuse aus Stahl nach dem Stand der Technik;
10 zeigt ein zweites Temperaturprofil einer Batteriezelle mit einem mehrlagigen Gehäuse.

1 zeigt schematisch das Gehäuse 31 einer runden Batteriezelle 110, das auf einer Kühlplatte 40 angeordnet ist. Statt einer Kühlplatte 40 kann auch ein anderer Kühlkörper verwendet werden. In dieser Beschreibung haben die Begriffe Kühlplatte und Kühlkörper die gleiche Bedeutung. Zur besseren Bauraumausnutzung werden häufig Platten zur Kühlung verwendet. Während in dieser Figur nur eine Batteriezelle dargestellt ist, werden in der Realität immer viele Batteriezellen möglichst dicht nebeneinander auf eine Kühlplatte 40 angeordnet. Elektroden und Halterungen sind in der schematischen Darstellung der 1 nicht enthalten.
Das Material, aus dem das Gehäuse 31 einer Batteriezelle mit steifen Wänden gefertigt wird, wird nach verschiedenen Optimierungskriterien gewählt. Solche Optimierungskriterien können insbesondere Gewicht bzw. Dichte, Kosten, thermische Leitfähigkeit, Beständigkeit gegen steigenden Innendruck (Berstfestigkeit), Festigkeit auf Bruch und/oder Zug, und Komplexität in der Herstellung sein. Wenn das Zellgehäuse zugleich auch als Elektrode für die Batteriezelle dient, kann die elektrische Leitfähigkeit ein weiteres Optimierungskriterium sein.
Rundzellen oder prismatische (z.B. quaderförmige) Batteriezellen mit steifen Wänden haben größtenteils Stahlgehäuse. Unlegierter Stahl hat z.B. gegenüber Aluminium oder Kupfer den Nachteil, dass seine thermische Leitfähigkeit um einen Faktor von ungefähr 4 gegenüber Aluminium bzw. ungefähr 8 gegenüber Kupfer schlechter ist. Legierte Stahlsorten haben oft noch geringere thermische Leitfähigkeit.
Wenn eine Vielzahl von Batteriezellen stehend dicht nebeneinander angeordnet werden, wird oft eine Anordnung gewählt, in der nur der Zellboden gekühlt wird, indem die Batteriezellen auf einem Kühlkörper, z.B. einer Kühlplatte positioniert werden, der elektrisch oder durch Umwälzen einer Flüssigkeit temperiert wird. Eine solche Anordnung dient u.a. zur Optimierung der Ausnutzung des verfügbaren Bauraums. Deshalb werden auf einer Kühlplatte stehende Batteriezellen oft sehr hoch ausgeführt im Verhältnis zu ihren Abmessungen in den Richtungen der Ebene der Kühlplatte, also Länge und Breite.
Je höher die Temperatur ist, desto schneller altern Batteriezellen in der Regel. Deshalb ist der Betrieb von Batteriezellen nur bis zu einer bestimmten Maximaltemperatur zulässig. Weiter führen hohe Temperaturdifferenzen im Innern der Zelle, d.h. im Elektrolyten, zu beschleunigter lokaler Alterung, d.h. einer Schädigung der Zelle über eine längere Betriebsdauer. Eine solche unangemessen hohe Temperaturspreizung, also dass z.B. eine Batteriezelle oben heiß und unten kalt ist, kann entstehen, wenn eine Batteriezelle auf eine Kühlplatte gestellt wird und somit nur am Zellboden Kontakt zwischen Zelle und Kühlplatte besteht. Weiter begünstigt die vorstehend beschriebene kurzfristige Entnahme hoher Leistungen die Entstehung unangemessen hoher Temperaturdifferenzen zwischen verschiedenen Abschnitten der Zelle (sog. Temperaturspreizung).
Die Druckbeständigkeit eines Gehäuses aus Stahl ist aufgrund der höheren Festigkeit von Stahl gegenüber Aluminium oder Kupfer höher als die eines Gehäuses aus Aluminium oder Kupfer. Legierte Stähle weisen höhere Festigkeiten auf als unlegierte. Batteriezellgehäuse müssen steigendem Innendruck standhalten und diesen Innendruck ab einer bestimmten Schwelle gerichtet entweichen lassen, z.B. über eine Sollbruchstelle, ein Sicherheitsventil oder ähnliches. Ein Schwellenwert des Innendrucks kann durch Alterung des Elektrolytmaterials der Zelle oder durch Auftreten eines Fehlers, wie ein thermisches Ereignis (Englisch: „Event“) oder das sog. „Weglaufen“ der Temperatur im Sinne einer Überhitzung (Englisch: „thermal runaway“) überschritten werden. Diese Ereignisse werden wiederum begünstigt durch die vorstehend beschriebene Anordnung der Batteriezellen und die kurzfristige Entnahme hoher Leistungen.
Aufgrund dieser Anforderungen ist Sorgfalt bei der Wahl eines optimalen Materials für Batteriezellgehäuse mit steifen Wänden erforderlich. So sind Aluminium oder Kupfer wegen der gegenüber Stahl höheren Wärmeleitfähigkeit vorteilhaft. Aufgrund seiner im Vergleich zu Stahl oder Kupfer geringeren Dichte kann Aluminium weiter vorteilhaft zur Gewichtsreduktion verwendet werden. Aluminium oder Kupfer sind aber wegen der im Vergleich zu Stahl geringeren Berstfestigkeit von Nachteil. Wegen der geringeren Berstfestigkeit müssen bei Verwendung von Aluminium oder Kupfer höhere Wandstärken für Gehäuse von Batteriezellen eingesetzt werden.
Werden hingegen Gehäuse aus Stahl eingesetzt, führt dies aufgrund der oben beschriebenen Anordnung der Zellen zu einer nachteiligen Verkürzung der Lebensdauer der Batteriezellen.
Der Pfeil 51 bezeichnet die Ausdehnung der Batteriezelle mit zunehmender Entfernung von der Kühlplatte 40. Es ist üblich, die Batteriezellgehäuse auf der in Schwerkraftrichtung oberen Seite eines Kühlkörpers aufzustellen. Besondere Erfordernisse können es nötig machen, den Kühlkörper seitlich an den Batteriezellen zu montieren oder sogar den Kühlkörper oberhalb der Batteriezellen anzubringen. Hier wie in der gesamten Beschreibung beschreibt der Begriff „Batteriezellgehäuse“ nur solche Gehäuse, die über steife Wände verfügen. Als steife Wand dienen meist Metalle oder Kunststoffe. Die Temperierung der Batteriezelle, insbesondere die Kühlung im Betrieb, erfolgt über einen in Bezug zur Batteriezelle separaten Kühlkörper, der zumeist als Platte ausgeführt wird.
2 zeigt schematisch das Gehäuse 32 einer quaderförmigen Batteriezelle 120 auf einer Kühlplatte 40. Auch hier werden in der Realität immer viele Batteriezellen möglichst dicht nebeneinander auf der Kühlplatte angeordnet. Im Innern der Batteriezelle sind eine oder mehrere galvanische Elemente angeordnet. Entsprechend sind mehrere Abschnitte 14, 15, 16, 17, 18 und 19 angegeben. In jedem der Abschnitte 14-19 kann sich ein einzelnes galvanisches Element befinden. Durch diese Abschnitte können aber auch verschiedene Regionen des Innern des Batteriezellgehäuses gegeneinander abgegrenzt werden. Der mit dem Bezugszeichen 14 gekennzeichnete Abschnitt liegt am nächsten zum Kühlkörper 40 und der mit dem Bezugszeichen 19 gekennzeichnete Abschnitt ist am weitesten vom Kühlkörper 40 entfernt. Weiter ist mit dem Bezugszeichen 36 ein Abschnitt einer Seitenwand des Batteriezellgehäuses dargestellt. Dieser Abschnitt ist mit einem Kreis gekennzeichnet. Mit dem Bezugszeichen 37 ist ein Abschnitt des Bodens des Batteriezellgehäuses dargestellt. Auch dieser Abschnitt ist mit einem Kreis gekennzeichnet. Der Pfeil 51 bezeichnet die Ausdehnung der Batteriezelle mit zunehmender Entfernung von der Kühlplatte 40.
Im Hinblick auf den Betrieb der Batteriezellen im optimalen Temperaturbereich ist eine solche Anordnung nicht immer von Vorteil. Von der Kühlplatte entfernt liegende Abschnitte der Zelle lassen sich nicht so leicht und schnell temperieren wie Abschnitte der Batteriezelle, die nahe an der Kühlplatte liegen. Wenn Batteriezellen über einen längeren Zeitraum nur mit einem Teil ihrer Leistungsfähigkeit betrieben werden, ist ein Temperaturausgleich für verschiedene Abschnitte der Zelle unabhängig von der Entfernung des jeweiligen Abschnitts von der Kühlplatte möglich. Werden hingegen bei sportlicher Fahrweise des von den Batteriezellen mit Energie versorgten Fahrzeugs kurzfristig hohe Leistungen aus der Batteriezelle abgerufen, steigt die Zelltemperatur stark an. Die so entstehende Wärme wird in Abschnitten, die der Kühlplatte nahe sind, schneller abgeführt als in Abschnitten, die von der Kühlplatte weiter entfernt sind.
Im Innern einer Batteriezelle sind oft mehrere galvanische Elemente geschichtet übereinander angeordnet. Im Betrieb führen geringfügige Unterschiede zwischen einzelnen galvanischen Elementen zu unterschiedlicher Wärmeabgabe und somit zu unterschiedlichen Temperaturen der einzelnen galvanischen Elemente. Wenn jedem galvanischen Element ein eigener Abschnitt im Innern der Batteriezelle zugeordnet ist, ergeben sich deshalb unterschiedliche Temperaturen der einzelnen Abschnitte.
Es besteht die Anforderung, über die gesamte Ausdehnung der Batteriezelle nur Temperaturdifferenzen zu erreichen und aufrecht zu erhalten, die weniger als 5° C betragen. Besonders wenn kurzfristig hohe Leistungen abgerufen werden, werden bei Verwendung konventioneller Batteriezellgehäuse mit steifen Wänden jedoch oft Temperaturdifferenzen von 15° C festgestellt. Solche Temperaturdifferenzen zwischen verschiedenen Abschnitten führen zu einer erheblichen Reduzierung der Lebensdauer der Batteriezellen. Um diese Temperaturdifferenz zu reduzieren, werden oft aufwändige Konstruktionen zur Kühlung der Zellen verwendet. So werden zum Beispiel Batteriezellgehäuse mit einer integrierten Flüssigkühlung eingesetzt. Dort wird nicht nur der Boden des Batteriezellgehäuses gekühlt, sondern auch die Seitenwände. Neben den erhöhten Kosten erfordert eine solche Konstruktion erheblichen Bauraum wegen der zusätzlichen Flüssigkühlung der Seitenwände, besonders wenn alle Seitenwände jeder einzelnen Batteriezelle gekühlt werden sollen.
3 zeigt einen schematischen Querschnitt 130 durch einen Abschnitt 36 einer Seitenwand des Batteriezellgehäuses 32. Dieser Querschnitt 130 dient auch der Darstellung des Schichtenstapels. In dieser und den folgenden beiden Figuren befindet sich jeweils der Innenbereich des Gehäuses auf der linken Seite und der Au-ßenbereich auf der rechten Seite. D. h. in der Realität befindet sich auf der linken Seite (Innenseite) des dargestellten Abschnitts 36 der Elektrolyt, während auf der rechten Seite (Außenseite) das benachbarte Batteriezellgehäuse gegebenenfalls mit einem Luftspalt angeordnet ist. Der Abschnitt 36 besteht aus zwei Schichten. Die innere Schicht 21 des Batteriezellgehäuses weist ein Material auf, das dem Batteriezellgehäuse eine hohe Berstfestigkeit vermittelt. Die äußere Schicht 23 weist hingegen ein Material auf, das über eine hohe thermische Leitfähigkeit verfügt. Als Material der ersten Schicht 21 werden bevorzugt Metalle verwendet. Eine besonders hohe Berstfestigkeit wird durch Stahl erzielt. Carbonfasern enthaltende Kunststoffe als Material der ersten Schicht 21 bieten zusätzlich zur Festigkeit noch den Vorteil einer geringen Dichte. Sie können so zur Gewichtsreduktion beitragen. Für die zweite Schicht 23 kann auch ein Metall verwendet werden. Hier eignet sich Aluminium, das neben der hohen Wärmeleitfähigkeit noch den Vorteil einer geringen Dichte bietet und deshalb auch zur Gewichtsreduktion beitragen kann. Kupfer ist ebenfalls gut geeignet, da es über eine besonders hohe Wärmeleitfähigkeit verfügt. Der Schichtenstapel aus den beiden Schichten 21 und 23 weist somit eine Festigkeit und eine thermische Leitfähigkeit auf, die sich aus der Kombination der Festigkeiten und der thermischen Leitfähigkeiten der einzelnen Schichten ergibt und die rechnerisch ermittelt werden kann. In der industriellen Praxis wird für den Schichtenstapel z.B. je ein Wert für die Festigkeit gegenüber einer Druckbelastung (um die Berstfestigkeit des Batteriezellgehäuses sicherzustellen) und für die thermische Leitfähigkeit vorgegeben.
4 zeigt einen weiteren schematischen Querschnitt 140 durch einen Abschnitt 36 einer Seitenwand des Batteriezellgehäuses 32. Im Unterschied zu 3 ist die erste Schicht 22 mit der höheren Festigkeit weiter außen angeordnet als die zweite Schicht 24 mit der höheren thermischen Leitfähigkeit. Zusätzlich ist eine dritte Schicht 25 dargestellt. Diese dritte Schicht kann ein Kunststoff sein. Dieser Kunststoff kann mit den Kenndaten der Batteriezelle bedruckt werden. Weiter kann die dritte Schicht 25 zur thermischen Isolation der Batteriezellgehäuse gegeneinander dienen. Die dritte Schicht 25 verfügt dann über eine thermische Leitfähigkeit, die unterhalb eines vorgegebenen Wertes liegt. Durch diese Isolationsschicht wird die Wärmeübertragung zwischen nebeneinander angeordneten Batteriezellen reduziert.
Wenn eine einzelne Batteriezelle eine zu hohe Temperatur entwickelt, werden benachbarte Batteriezellen durch diese dritte Schicht 25 vor der Wärmeeinwirkung dieser Batteriezelle mit zu hoher Temperatur geschützt. Der Schichtenstapel aus den Schichten 22, 24 und 25 weist somit eine Druckfestigkeit und eine thermische Leitfähigkeit auf, die sich aus der Kombination der Druckfestigkeiten und der thermischen Leitfähigkeiten der einzelnen Schichten ergibt und die rechnerisch ermittelt werden. kann. In der industriellen Praxis wird für den Schichtenstapel z.B. je ein Wert für die Festigkeit gegenüber einer Druckbelastung und für die thermische Leitfähigkeit vorgegeben.
Die dritte Schicht 25 kann genauso der elektrischen Isolation der Batteriezellen gegeneinander dienen. Die dritte Schicht 25 hat in diesem Fall eine elektrische Leitfähigkeit, die unterhalb eines vorgegebenen Wertes liegt. Während dies besonders wichtig ist für Batteriezellen, deren Außenwand als Elektrode dient, verhindert diese elektrische Isolation der Batteriezellgehäuse gegeneinander auch Kurzschlüsse zwischen verschiedenen Zellen, unabhängig davon ob das Batteriezellgehäuse als Elektrode dient oder nicht. Wenn durch mechanische Einwirkung zum Beispiel bei einem Unfall ein Kurzschluss zwischen einer Elektrode und einem Batteriegehäuse entsteht, ist es vorteilhaft, dass durch elektrische Isolation der Batteriezellen gegeneinander keine Ströme von einer Batteriezelle zur nächsten fließen können. Zu den Materialien der ersten und zweiten Schichten gilt das in Zusammenhang mit 3 mitgeteilte. Der Schichtenstapel aus den beiden Schichten 22 und 24 weist somit eine Druckfestigkeit und eine thermische Leitfähigkeit auf, die sich aus der Kombination der Druckfestigkeiten und der thermischen Leitfähigkeiten der einzelnen Schichten ergibt und die rechnerisch ermittelt werden kann. In der industriellen Praxis wird für den Schichtenstapel z.B. je ein Wert für die Festigkeit gegenüber einer Druckbelastung und für die thermische Leitfähigkeit vorgegeben. Zusätzlich wird hier noch die elektrische Leitfähigkeit des Schichtenstapels vorgegeben.
Fig, 5 zeigt einen dritten schematischen Querschnitt 150 durch einen Abschnitt 36 einer Seitenwand des Batteriezellgehäuses 32. 5 entspricht im wesentlichen 3 mit dem Unterschied, dass hier eine dritte Schicht 25 hinzugefügt wurde. Für diese dritte Schicht 25 gilt wieder das im Zusammenhang mit 4 mitgeteilte.
6 zeigt einen schematischen Querschnitt 160 durch einen Abschnitt 37 einer Bodenwand des Batteriezellgehäuses. In dieser und den folgenden beiden Figuren befindet sich jeweils der Innenbereich des Gehäuses auf der linken oberen Seite und der Außenbereich auf der rechten unteren Seite. D. h. in der Realität befindet sich auf der linken oberen Seite (Innenseite) des dargestellten Abschnitts 37 der Elektrolyt, während sich auf der rechten unteren Seite (Außenseite) die Kühlplatte befindet. Die Anordnung der drei Schichten entspricht der Anordnung der Schichten in den 3 und 5, d.h. die erste Schicht 21 liegt weiter innen als die zweite Schicht 23.
7 zeigt einen weiteren schematischen Querschnitt 170 durch einen Abschnitt 37 einer Bodenwand des Batteriezellgehäuses. Die Anordnung der drei Schichten entspricht der Anordnung der Schichten in 4, d.h. die zweite Schicht 24 liegt weiter innen als die erste Schicht 22.
Für die einzelnen Schichten 21-25 in den 6-8 gilt wieder das in Zusammenhang mit den 3-5 mitgeteilte. In den 3-7 dienen die Querschnitte 130-170 auch der Darstellung des Schichtenstapels.
Die Entscheidung, ob die erste Schicht mit höherer Festigkeit oder die zweite Schicht mit höherer thermischer Leitfähigkeit weiter innen oder weiter außen anzubringen ist, kann rechnerisch mit thermischer Simulation ermittelt werden. Prinzipielle Einflussfaktoren sind die Dicke der einzelnen Schichten und die daraus resultierenden unterschiedlichen thermischen Leitfähigkeiten in der Ebene der Schicht (Englisch: „in-plane“) sowie quer zur Ebene der Schicht (Englisch: „through-plane“). Wenn die Schicht mit hoher Berstfestigkeit innen angeordnet wird, weil sie nur einen hinreichend geringen thermischen Widerstand quer zur Ebene der Schicht (Englisch: „through-plane“) bietet, wird ein rascher Temperaturausgleich zwischen dem Kühlkörper und einem vom Kühlkörper entfernten sehr heißen Abschnitt ermöglicht aufgrund der guten Wärmeübertragung in der Ebene der Schicht (Englisch: „inplane“), also in der Materialebene der zweiten Schicht. Wenn dagegen die Schicht mit hoher thermischer Leitfähigkeit innen angeordnet wird, wird ein rascher Temperaturausgleich zwischen einzelnen Abschnitten 14-19 der Batteriezelle ermöglicht.
8 zeigt einen dritten schematischen Querschnitt 180 durch einen Abschnitt 37 einer Bodenwand des Batteriezellgehäuses. Hier ist als einzige Schicht der Bodenwand des Batteriezellgehäuses die Schicht 23 mit hoher thermischer Leitfähigkeit vorhanden. Während das übrige Batteriezellgehäuse mehrlagig ausgeführt ist, also aus mindestens zwei Schichten besteht, kann es vorteilhaft sein, dass der Boden des Batteriezellgehäuses nur mit besonders hoher thermischer Leitfähigkeit ausgestattet ist. Kühlplatten sind oft besonders robust, so dass hier kein hoher Berstschutz erforderlich ist. Wenn hier nur eine Schicht hoher thermischer Leitfähigkeit vorhanden ist, kann ein besonders guter Wärmeübergang zwischen Kühlplatte und Batteriezellgehäuse erreicht werden.
9 zeigt ein Temperaturprofil 190 verschiedener Abschnitte einer Batteriezelle mit einem Gehäuse aus Stahl nach dem Stand der Technik. Die Höhe der Batteriezelle ist hier auf der waagerechten Achse aufgetragen. Die waagerechte Achse des Diagramms in 9 entspricht also der Pfeilrichtung für die Höhendimension in den 1 und 2. Deshalb wurde für beide das Bezugszeichen 51 verwendet. Die einzelnen Abschnitte 14-19 sind in 2 dargestellt. Die Bezugszeichen 14-19 dienen auch in den 9 und 10 zur Kennzeichnung einzelner Abschnitte mit zunehmendem Abstand vom Kühlkörper, wobei der Abschnitt 14 dem Kühlkörper am nächsten ist und der Abschnitt 19 am weitesten vom Kühlkörper entfernt ist. Auf der senkrechten Achse wird die Temperatur 52 aufgetragen. Für jeden der Abschnitte 14-19 wird eine mittlere Temperatur aufgetragen. In 9 ist ein stufenförmiger Temperaturverlauf 53 dargestellt, der sich mit einem aus dem Stand der Technik bekannten Batteriezellgehäuse aus Stahl ergibt.
10 zeigt in der gleichen Auftragung wie in 9 ein zweites Temperaturprofil 200 mit einem Temperaturverlauf 54 einer Batteriezelle mit einem mehrlagigen Gehäuse. Zum Vergleich ist auch der Temperaturverlauf 53 mit einem aus dem Stand der Technik bekannten Batteriezellgehäuse aus Stahl gestrichelt eingetragen. Durch den mehrlagigen Aufbau des Batteriezellgehäuses mit einem Schichtenstapel, wie er in den 3-7 dargestellt ist, unter Verwendung einer Schicht 23, 24 mit hoher thermischer Leitfähigkeit kann die Temperatur in jedem Abschnitt der Batteriezelle gesenkt werden. Die einzelnen Abschnitte im Batteriezellgehäuse haben auch geringere Temperaturdifferenzen zu benachbarten Abschnitten als sie mit einem Batteriezellgehäuse aus Stahl erreicht werden können. Damit werden die Temperaturdifferenzen über die Höhe der Batteriezelle reduziert. Auf diese Weise wird die Alterung der Batteriezelle verlangsamt.
Während vorausgehend wenigstens eine beispielhafte Ausführungsform beschrieben wurde, ist zu bemerken, dass eine große Anzahl von Variationen dazu existiert. Es ist dabei auch zu beachten, dass die beschriebenen beispielhaften Ausführungsformen nur nichtlimitierende Beispiele darstellen, und es nicht beabsichtigt ist, dadurch den Umfang, die Anwendbarkeit oder die Konfiguration der hier beschriebenen Vorrichtungen und Verfahren zu beschränken. Vielmehr wird die vorausgehende Beschreibung dem Fachmann eine Anleitung zur Implementierung mindestens einer beispielhaften Ausführungsform liefern, wobei sich versteht, dass verschiedene Änderungen in der Funktionsweise und der Anordnung der in einer beispielhaften Ausführungsform beschriebenen Elemente vorgenommen werden können, ohne dass dabei von dem in den angehängten Ansprüchen jeweils festgelegten Gegenstand sowie seinen rechtlichen Äquivalenten abgewichen wird.
Bezugszeichenliste

14, 15, 16, 17, 18, 19: Abschnitt im Innern der Batteriezelle
21, 22: erste Schicht
23, 24: zweite Schicht
25: dritte Schicht
31: Gehäuse einer runden (zylindrischen) Batteriezelle
32: Gehäuse einer prismatischen Batteriezelle (Quaderform)
36: Querschnitt (Seitenwand)
37: Querschnitt (Boden)
40: Kühlplatte
51: Höhe der Zelle
52: Temperatur
53: erster Temperaturverlauf
54: zweiter Temperaturverlauf
110: runde (zylindrische) Batteriezelle auf Kühlplatte
120: quaderförmige Batteriezelle auf Kühlplatte
130, 140, 150: Querschnitt eines Seitenwandabschnitts (Schichtenstapel)
160, 170: Querschnitt eines Bodenwandabschnitts (Schichtenstapel)
180: Querschnitt eines Bodenwandabschnitts
190: Temperaturprofil
200: Temperaturprofil

Claims

Batteriezellgehäuse (31, 32) mit steifen Wänden und mit einer Außenfläche, die an einen Kühlkörper (40) angrenzt, wobei zumindest eine Wand des Batteriezellgehäuses einen Schichtenstapel mit einer ersten Schicht (21, 22) und einer zweiten Schicht (23, 24) aufweist, wobei die erste Schicht (21, 22) eine höhere Berstfestigkeit aufweist als die zweite Schicht und die zweite Schicht (23, 24) eine höhere thermische Leitfähigkeit aufweist als die erste Schicht.
Batteriezellgehäuse (31, 32) nach Anspruch 1, wobei die erste Schicht (21, 22) ein Metall aufweist.
Batteriezellgehäuse (31, 32) nach Anspruch 1 oder 2, wobei die zweite Schicht (23, 24) ein Metall aufweist.
Batteriezellgehäuse (31, 32) nach Anspruch 3, wobei die zweite Schicht (23, 24) Aluminium oder Kupfer aufweist.
Batteriezellgehäuse (31, 32) nach einem der Ansprüche 1 bis 4, wobei die erste Schicht (21, 22) Stahl aufweist.
Batteriezellgehäuse (31, 32) nach einem der Ansprüche 1 bis 4, wobei die erste Schicht (21, 22) Carbonfasern aufweist.
Batteriezellgehäuse (31, 32) nach einem der Ansprüche 1 bis 6, wobei der Schichtenstapel mindestens eine dritte Schicht (25) aufweist, die vom Inneren des Batteriezellgehäuses aus gesehen weiter außen liegt als die erste (21, 22) und die zweite (23, 24) Schicht.
Batteriezellgehäuse (31, 32) nach einem der Ansprüche 1 bis 7, wobei die thermische Leitfähigkeit der dritten Schicht (25) eine vorgegebene thermische Leitfähigkeit unterschreitet.
Batteriezellgehäuse (31, 32) nach einem der Ansprüche 1 bis 8, wobei die elektrische Leitfähigkeit der dritten Schicht (25) eine vorgegebene elektrische Leitfähigkeit unterschreitet.
Batteriezellgehäuse (31, 32) nach einem der Ansprüche 1 bis 9, wobei die Außenfläche des Batteriezellgehäuses in einem Flächenbereich, mit dem sie an den Kühlkörper (40) angrenzt, nur die zweite Schicht (23) aufweist.
Batteriezellgehäuse (31, 32) nach einem der Ansprüche 1 bis 10, wobei die zweite Schicht (24) vom Inneren des Batteriezellgehäuses aus gesehen weiter innen liegt als die erste Schicht (22).
Batteriezellgehäuse (31, 32) nach einem der Ansprüche 1 bis 10, wobei die erste Schicht (21) vom Inneren des Batteriezellgehäuses aus gesehen weiter innen liegt als die zweite Schicht (23).
Batteriezellgehäuse (31, 32) nach einem der Ansprüche 1 bis 10, wobei der Schichtenstapel sowohl eine vorgegebene Berstfestigkeit von mindestens 13.500 kPa als auch eine vorgegebene thermische Leitfähigkeit von mindestens 100 W/(m K) aufweist.