-
Die Erfindung bezieht sich auf ein Batteriemodul umfassend ein Gehäuse und eine Vielzahl von Batteriezellen, die in dem Gehäuse angeordnet sind.
-
Ein gattungsgemäßes Batteriemodul ist aus
DE 10 2018 201 632 A1 bekannt. Bei diesen sind die Batteriezellen durch Druckluft verspannt.
-
Die vorliegende Erfindung betriff hingegen Batteriemodule, bei welchen ein flüssiges Medium in dem Gehäuse die Batteriezellen umgebend angeordnet ist, um die Batteriezellen innerhalb des Gehäuses mit einem hydrostatischen Druck zu beaufschlagen.
-
Bei der Entwicklung von Hochvolt-Batteriemodulen, wie sie beispielsweise als Traktionsbatterien in Fahrzeugen oder als Pufferspeicher zur Anwendung kommen, besteht ein Zielkonflikt hinsichtlich Schnellladung, Energiedichte und Sicherheit. Gesteigerte Schnellladeanforderungen benötigen spezielle Kühlkonzepte, um die hohe Abwärme, welche beim Schnellladen entsteht, aus der Batterie abtransportieren zu können. Eine hohe Energiedichte auf Zellebene verstärkt die Reaktivität der Zellchemie im Falle eines „Thermal Runaway“. Unter einem „Thermal Runaway“ versteht der Fachmann ein thermisches Durchgehen im Sinne einer Überhitzung der Batteriezelle aufgrund eines sich selbst verstärkenden Wärme produzierenden Prozesses. Ein solches Durchgehen kann im ungünstigsten Fall ein Bersten der betreffenden Batteriezelle mit der Folge des Entweichens großer Mengen von Reaktionsgasen in die Umgebung der öffnenden Batteriezelle („Venting“) bedeuten. Im Fehlerfall einer einzelnen Zelle erhöht sich damit das Gefährdungspotenzial. Dieses gilt es vorliegend zu vermindern.
-
Der Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, ein Batteriemodul mit hoher Energiedichte und Schnellladefähigkeit zu schaffen, das sich durch ein hohes Maß an Sicherheit auszeichnet.
-
Diese Aufgabe wird durch ein Batteriemodul mit den Merkmalen von Patentanspruch 1 gelöst. Bei Feststellen eines plötzlichen Druckanstiegs, welcher als Thermal Runaway interpretiert werden kann, wird eine Vorrichtung zur Regelung des Drucks zur Einstellung einer Druckerhöhung veranlasst. Hierdurch wird flüssiges, nicht-leitendes Medium verstärkt in eine berstende Batteriezelle gedrängt, um die für den Thermal Runaway ursächliche chemische Kettenreaktion zu bremsen oder sogar ganz zu stoppen.
-
Die oben genannte Aufgabe wird ferner durch ein Batteriemodul mit den Merkmalen von Patentanspruch 3 gelöst. Dieses zeichnet sich insbesondere dadurch aus, dass eine Druckmesseinrichtung zur Erfassung des Drucks des flüssigen Mediums sowie eine Einrichtung zum Umwälzen des flüssigen Mediums in Abhängigkeit des erfassten Drucks vorgesehen sind.
-
Hierdurch kann das Übergreifen eines Thermal Runaway einer Batteriezelle auf weitere Batteriezellen des Batteriemoduls wirksam unterbunden werden. Durch die in einem solchen Fall veranlasste Betätigung der Umwälzeinrichtung wird eine verstärke Wärmeabfuhr aus der Umgebung der betreffenden Batteriezelle erzielt, wodurch das Risiko eines Überspringens auf benachbarte Batteriezellen erheblich gemindert wird.
-
Beide Maßnahmen können einzeln vorgesehen sein oder miteinander kombiniert werden.
-
Die vorliegende Erfindung verbindet ein hydrostatisches Verspannsystem, welches die Zellen gleichzeitig verspannen und sehr effektiv kühlen kann, mit Maßnahmen zur Verzögerung oder Verhinderung der thermischen Propagation beim Thermal Runaway einzelner Batteriezellen im Fehlerfall. Hieraus resultiert eine hohe Systemsicherheit bei gleichzeitig hoher Schnellladefähigkeit und hoher Energiedichte.
-
Besondere Ausführungsarten der Erfindung sind Gegenstand weiterer Patentansprüche.
-
Gemäß einer besonderen Ausführungsart ist eine Steuereinrichtung vorgesehen, die mit der Druckmesseinrichtung und besagter Umwälzeinrichtung zusammenwirkt und derart konfiguriert ist, um bei Feststellen eines plötzlichen Druckanstiegs besagte Umwälzeinrichtung zu aktivieren. Als plötzlich wird ein Druckanstieg verstanden, der eine signifikante Drucksteigerung innerhalb einer kurzen Zeitdauer bedeutet. Ein Fachmann kann dies in Anhängig der Gegebenheiten eines Batteriemoduls wie z.B. des Volumens der Gehäuses, der Zahl und des Typs der Batteriezellen, des Typs des flüssigen Mediums etc. unschwer bestimmen, notfalls experimentell ermitteln. Insbesondere können Druckgradienten, die ein Vielfaches des maximalen Druckgradienten beim normalen Betrieb, beispielsweise das 10-fache, 100-fache oder auch 1000-fache betragen, als Auslöser für die vorgenannte Aktivierung der Umwälzeinrichtung herangezogen werden. Als Aktivierung wird ein Einschalten sowie eine Steigerung der Umwälzleistung verstanden,
-
Eine solche Steuereinrichtung kann am Batteriemodul angebracht oder aber von diesem beabstandet angeordnet sein. Über diese ist eine sehr zielgenaue Aktivierung der Umwälzeinrichtung möglich. Eine Leistungsanforderung an die Umwälzeinrichtung erfolgt nur in dem Umfang, wie sie zur Bekämpfung eines Thermal Runaway erforderlich ist.
-
Gemäß einer weiteren besonderen Ausführungsart sind in der bzw. in einer Steuereinrichtung, die mit der Druckmesseinrichtung und besagter Umwälzeinrichtung zusammenwirkt, Algorithmen zur Erfassung eines Thermal Runaway abgelegt, welche den Druck des flüssigen Mediums berücksichtigen. Die Steuereinrichtung ist derart konfiguriert ist, um bei Feststellen eines Thermal Runaway besagte Umwälzeinrichtung zu aktivieren, um hierdurch das in dem Gehäuse befindliche flüssige Medium umzuwälzen. Solche Algorithmen können gegebenenfalls über den Druck hinausgehende Parameter wie beispielsweise die aktuelle Temperatur des Druckmediums, die Umgebungstemperatur, einen Alterungszustand des Batteriemoduls (SoH - State of Health) und/oder einen Ladezustand des Batteriemoduls (SoC - State of Charge) berücksichtigen.
-
Gemäß einer weiteren besonderen Ausführungsart kann die Einrichtung zum Umwälzen des flüssigen Mediums, im Folgenden kurz Umwälzeinrichtung, eine Pumpe umfassen. Durch diese kann das im Gehäuse befindliche flüssige Medium sehr wirksam umgewälzt werden. Die Pumpe kann zusätzlich zu Kühlzwecken auch in anderen Situationen als beim Erfassen eines drohenden oder stattfindenden Thermal Runaways einer Batteriezelle eingesetzt werden. Bei einem Aktivieren der Umwälzeinrichtung wird die Pumpe entweder aus einem ausgeschalteten Zustand eingeschaltet oder es wird im bereits eingeschalteten Zustand deren Leistung deutlich erhöht.
-
Weiterhin kann besagte Umwälzeinrichtung eine Filtereinrichtung umfassen, welche für mindestens eine der folgenden Funktionen konfiguriert ist:
- - Filtern von Feststoffen aus dem flüssigen Medium;
- - Filtern von elektrisch leitfähigen Substanzen aus dem flüssigen Medium;
- - Abtrennen von Gasbestandteilen aus dem flüssigen Medium.
-
Hierdurch können im bei einem Besten einer Batteriezelle freiwerdende Bruchstücke und Gasbestandteile aufgefangen werden, so dass durch diese keine Folgeschäden, wie beispielsweise durch solche veranlasste Kurzschlüsse, verursacht werden können. Dies trägt zu einer Steigerung der Sicherheit bei.
-
Vorzugsweise ist die Filtereinrichtung der Pumpe vorgeschaltet, wodurch auch etwaige Beeinträchtigungen der Pumpe bei einem Bersten einer Batteriezelle vermeiden werden können.
-
In einer weiteren besonderen Ausführungsart ist die Filtereinrichtung mehrstufig ausgebildet, um eine besonders wirkungsvolle Reinigung des flüssigen Mediums im Fall des Bestens einer Batteriezelle zu erzielen.
-
Gemäß einer weiteren besonderen Ausführungsart ist die besagte Umwälzeinrichtung außerhalb des Gehäuses angeordnet. Gleichzeitig weist das Gehäuse eine Auslassöffnung für den Auslass von flüssigem Medium in besagte Umwälzeinrichtung sowie ferner eine Einlassöffnung für die Rückführung von flüssigem Medium aus besagter Umwälzeinrichtung auf. Dies begünstigt eine sehr wirkungsvolle Zirkulation des flüssigen Mediums durch das Gehäuse. Vorzugsweise liegen die Auslassöffnung und Einlassöffnung an in Bezug auf die Anordnung der Batteriezellen gegenüberliegenden Seiten des Gehäuses.
-
In einer Ausführungsvariante weist die Filtereinrichtung ein erstes Filter zum Herausfiltern von Feststoffpartikeln auf. Diesem ist ein weiteres Filter zum Herausfiltern von elektrisch leitenden Substanzen nachgeschaltet. Optional kann weiterhin eine Einrichtung zum Abtrennen von Gasbestandteilen, vorzugsweise durch Absorption und/oder Adsorption, vorgesehen sein. Durch diese Abfolge können beim Bersten einer Batteriezelle freiwerdende Bruchstücke und Gasbestandteile sehr wirksam dem flüssigen Medium entzogen werden.
-
Gemäß einer weiteren besonderen Ausführungsart ist ferner eine Vorrichtung zur Regelung des Drucks des flüssigen Mediums vorgesehen, mit dem die hydrostatische Verspannung der Batteriezellen eingestellt werden kann.
-
Die Batteriezellen sind vorzugsweise Lithiumionenzellen, ohne dass die Erfindung auf diesen Zellentyp beschränkt wäre.
-
Die Batteriezellen können Batteriezellen mit flüssigem Elektrolyt sein. Die Batteriezellen können auch Feststoffbatteriezellen sein.
-
Als flüssiges Medium kommt bevorzugt eine elektrisch nicht-leitende Wärmeträgerflüssigkeit zum Einsatz.
-
Nachfolgend wird die Erfindung anhand eines Ausführungsbeispiels näher erläutert. Die Zeichnung zeigt in:
- 1 eine schematische Darstellung eines Ausführungsbeispiels eines erfindungsgemäßen Batteriemoduls,
- 2 das Batteriemodul aus 1 mit Regelung des hydrostatischen Verspanndrucks bei einer Lithiierung/Delithiierung der Batteriezellen,
- 3 das Batteriemodul aus 1 mit einer Alterungsdetektion,
- 4 das Batteriemodul aus 1 mit einem Druckanstieg durch einen beginnenden Thermal Runaway einer Batteriezelle, jedoch noch ohne Gegenmaßnahme,
- 5 das Batteriemodul aus 1 bei einem Bersten einer Batteriezelle mit einer Drucksteigerung als Gegenmaßnahme,
- 6 das Batteriemodul aus 1 bei einem Bersten einer Batteriezelle mit einer verstärkten Zirkulation als Gegenmaßnahme, und in
- 7 eine Variante des Batteriemoduls aus 1.
-
Das Ausführungsbeispiel in den 1 bis 6 zeigt ein Batteriemodul 1 am Beispiel eines Hochvolt-Batteriemoduls. Dieses kann beispielsweise als Traktionsbatterie in Kraftfahrzeugen, insbesondere in Personenkraftfahrzeugen und Nutzfahrzeugen, sowie anderen Fahrzeugen zum Einsatz kommen. Weiterhin ist eine Verwendung als stationärer elektrischer Pufferspeicher möglich.
-
Das Batteriemodul 1 umfasst ein Gehäuse 2, in dem eine Vielzahl von Batteriezellen 3 angeordnet sind.
-
Die Batteriezellen 3 können Lithiumionenzellen sein, jedoch auch einen anderen Zelltyp aufweisen. Insbesondere können die Batteriezellen 3 sowohl solche mit flüssigem Elektrolyt als auch Feststoffzellen sein.
-
Die Batteriezellen 3 sind elektrisch kontaktiert und die Kontaktierung ist durch das Gehäuse 1 hindurch nach außen geführt.
-
In dem Gehäuse 1 ist ein flüssiges Medium 4 angeordnet, welches die einzelnen Batteriezellen 3 umgibt. Das flüssige Medium 4 kann beispielsweise eine Wärmeträgerflüssigkeit sein, welche dazu eingesetzt werden kann, die einzelnen Batteriezellen 3 zu kühlen. In einfachsten Fall leitet das flüssige Medium 4 Wärme aus den Batteriezellen 3 passiv nach außen über das Gehäuse 2 ab. Gegebenenfalls kann auch eine aktive Kühlung durch Umwälzung des flüssigen Mediums 4 innerhalb des Gehäuses 2 erfolgen. Ferner ist es möglich, das flüssige Medium 4 über einen zusätzlichen Kühler z.B. in Form eines Wärmetauschers zu leiten.
-
Das flüssige Medium 4 ist mit einem Druck beaufschlagt, welcher größer als Atmosphärendruck ist. Hierdurch wird auf die einzelnen Batteriezellen 3 jeweils ein hydrostatischer Druck ausgeübt. Das Gehäuse 1 ist entsprechend als Druckbehälter ausgeführt.
-
Zur Einstellung des Drucks kann an dem Batteriemodul 1 eine Vorrichtung 5 zur Regelung des Drucks des flüssigen Mediums 4 vorgesehen sein. Mit dieser kann der hydrostatische Druck auf die Batteriezellen auf einem gewünschten Niveau gehalten und bei Bedarf erhöht oder verringert werden.
-
Ferner weist das Batteriemodul 1 eine Druckmesseinrichtung 6 zur Erfassung des Drucks des flüssigen Mediums auf. Diese Druckmesseinrichtung 6 kann gegebenenfalls Teil der besagten Druckregelvorrichtung 5 sein oder aber auch eine separate Einheit oder zusätzlich zur Druckregelvorrichtung 5 vorhanden sein.
-
Weiterhin umfasst das Batteriemodul 1 eine Einrichtung 7 zum Umwälzen des flüssigen Mediums. Das Umwälzen erfolgt im Wesentlichen unabhängig vom Druck und dient vorrangig der Kühlung sowie als Gegenmaßnahme für einen Thermal Runaway einschließlich des Bevorstehens eines solchen.
-
Bei dem dargestellten Ausführungsbeispiel umfasst die Umwälzeinrichtung 7 eine Pumpe 8, sowie optional, wie beispielhaft in 7 dargestellt, eine Filtereinrichtung 9.
-
Mittels der Umwälzeinrichtung 7 kann eine Zirkulation des flüssigen Mediums 4 in dem Gehäuse 2 initiiert und/oder verstärkt werden, um beispielsweise der Bildung von Wärmenestern entgegenzuwirken.
-
Bei den in den Figuren dargestellten Ausführungsvarianten ist die Umwälzeinrichtung 7 außerhalb des Gehäuses 2 angeordnet, ohne dass die Erfindung jedoch auf solche Varianten beschränkt wäre. Es ist auch möglich, die Umwälzeinrichtung 7 innerhalb des Gehäuses 2 unterzubringen.
-
Wie die 1 bis 7 zeigen, sind bei externer Anordnung an dem Gehäuse 2 mindestens eine Auslassöffnung 10 für den Auslass von flüssigem Medium 4 in besagte Umwälzeinrichtung 7 sowie mindestens eine Einlassöffnung 11 für die Rückführung von flüssigem Medium 4 aus besagter Umwälzeinrichtung 7 an dem Gehäuse 1 vorhanden.
-
In einem entsprechenden Leitungssystem 12 der Umwälzeinrichtung 7 sind die mindestens eine Auslassöffnung 10 und die mindestens eine Einlassöffnung 11 hydraulisch miteinander verbunden. Die mindestens eine Auslassöffnung 10 und die mindestens eine Einlassöffnung 11 sind vorzugsweise an in Bezug auf die Lage der Batteriezellen 3 gegenüberliegenden Seiten des Gehäuses 2 angeordnet, so dass das flüssige Medium 4 bei Einschalten der Pumpe 8 an möglichst allen Batteriezellen 3 vorbeigeführt wird.
-
Die Pumpe 8 ist innerhalb dieses Leitungssystems 12 angeordnet.
-
An dem Leitungssystem 12 kann optional ein Kühler bzw. Wärmetauscher vorgesehen sein.
-
Die oben bereits erwähnte Filtereinrichtung 9 der Umwälzeinrichtung 7 kann ebenfalls in das vorzugsweise externe Leitungssystem 12 integriert sein.
-
Generell kann die Filtereinrichtung 9 für mindestens eine der folgenden Funktionen konfiguriert sein, nämlich das Filtern von Feststoffen aus dem flüssigen Medium 4, das Filtern von elektrisch leitfähigen Substanzen aus dem flüssigen Medium 4 und/oder das Abtrennen von Gasbestandteilen aus dem flüssigen Medium 4.
-
Bei der in 7 beispielhaft dargestellten Variante ist die Filtereinrichtung 9 der Pumpe 8 vorgeschaltet. Zudem ist die Filtereinrichtung 9 hier mehrstufig ausgebildet.
-
Insbesondere kann die Filtereinrichtung 9 ein erstes Filter 9a zum Herausfiltern von Feststoffpartikeln aus dem flüssigen Medium 4 aufweisen. Bei dem dargestellten Ausführungsbeispiel können hiermit insbesondere größere Bruchstücke und Partikel, welche beim Bersten einer Batteriezelle 2 freigesetzt werden aufgefangen werden, so dass diese weder die Pumpe 8 schädigen noch weitere Schäden an intakten Batteriezellen 3 verursachen können.
-
Diesem ersten Filter kann ein weiteres Filter 9b nachgeschaltet sein. Dieses kann dazu dienen, feinere Festpartikel aus dem flüssigen Medium 4 herauszufiltern. Dieses kann auch dazu dienen, elektrisch leitende Substanzen aus dem flüssigen Medium herauszufiltern, welche bei einem Bersten aus dem Inneren einer Batteriezelle 3 entweichen können.
-
Überdies kann eine Einrichtung 9c zum Abtrennen von Gasbestandteilen vorzugsweise durch Absorption und/oder Adsorption vorgesehen sein, um Gasbestandteile, die beim Bersten einer Batteriezelle 3 freigesetzt werden, zu binden.
-
Das Ausführungsbeispiel zeigt weiterhin eine Steuereinrichtung 13, welche mit der Druckmesseinrichtung 6 und der Umwälzeinrichtung 7 zusammenwirkt. Die Steuereinrichtung 13 ist derart konfiguriert, um bei Feststellen eines plötzlichen Druckanstiegs besagte Umwälzeinrichtung 7 zu aktivieren. Die Aktivierung kann darin bestehen, die Umwälzeinrichtung 7 respektive die Pumpe 8 aus einem ausgeschalteten Zustand heraus einzuschalten. Sie kann jedoch auch darin bestehen, die Umwälzleistung bei eingeschalteter Umwälzeinrichtung 7 bzw. Pumpe 8 zu erhöhen.
-
Insbesondere können in der Steuereinrichtung 13 Algorithmen zur Erfassung eines Thermal Runaway abgelegt sein, welche zumindest den Druck des flüssigen Mediums 4 berücksichtigen.
-
Ein sehr plötzlicher Anstieg des Drucks kann als ein bevorstehendes oder tatsächlich auftretendes Bersten einer Batteriezelle 3 infolge von Überhitzung (Thermal Runaway) interpretiert werden. Durch die Umwälzung wird eine erhöhte Zirkulation von flüssigem Medium 4 verursacht, so dass Wärme aus dem betreffenden Bereich schnell abgeführt wird. Zudem können beim Bersten freigesetzte Bruchstücke und Gasbestandteile aus dem Problembereich entfernt und beispielsweise über die Filtereinrichtung 9 gebunden werden, so dass das Risiko von Folgeschäden sowie ein Übergreifen auf weitere Batteriezellen 3 vermindert wird.
-
1 zeigt ein erfindungsgemäßes Batteriemodul 1 im Neuzustand. Die Batteriezellen 3 im Batteriemodul 1 sind hierbei mittels der Vorrichtung 5 zur Regelung des Drucks des flüssigen Mediums 4 mit Druck beaufschlagt, d.h. hydrostatisch jeweils verspannt.
-
Im Betrieb kann an den Batteriezellen 3 eine gewisse Volumenänderung beobachtet werden. Wie in 2 veranschaulicht, verändert sich infolge von Lithiierung und Delithiierung („Breathing“) der Batteriezellen 3 das Zellvolumen. Eine solche Volumenänderung tritt während Lade- und Entladevorgängen des Batteriemoduls 1 durch Lithium-Ein-/Auslagerung in den Anoden- und Kathodenmaterialien aufgrund von Umgitterungsvorgängen auf. Dies hängt unter anderem vom verwendeten Zelltyp ab und kann von Batteriezelle 3 zu Batteriezelle 3 variieren. Dieses Breathing der Batteriezellen 3 kann, je nach Zellchemie, unterschiedlich stark ausgeprägt sein. In einem hydrostatisch verspannten Batteriemodul verändert sich hierdurch in Abhängigkeit des Ladezustands das Volumen des hydrostatischen Systems, d.h. das druckbeaufschlagte Gesamtvolumen aus Batteriezellen 3 und flüssigem Medium 4. Ferner unterliegen Batteriezellen 3 während ihres Betriebs unterschiedlichen Alterungsvorgängen. Diese Alterungsvorgänge führen langfristig zu einer Abnahme der nutzbaren Kapazität sowie zu einer Erhöhung des Innenwiderstandes des Batteriemoduls. Beides kann elektrisch gemessen und zur Beurteilung des Alterungszustand herangezogen werden. Bei Alterungsvorgängen kommt es ebenfalls zu einer Volumenänderung der Batteriezellen 3, welche in Abgrenzung zum vorgenannten Breathing als „Swelling“ bezeichnet wird, da sich die Batteriezellen 3 bleibend etwas aufblähen. Ursache hierfür ist die Freisetzung von Gasen in den Batteriezellen 3 infolge von chemischen Reaktionen bei der Alterung. Beide Effekte Breathing und Swelling überlagern sich, so dass die Unterscheidung der Ursachen für eine Volumenzunahme der Batteriezellen 3 auf den ersten Blick schwierig ist. Über die Druckregelungsvorrichtung 5 kann der Systemdruck p1 des flüssigen Mediums 4 und damit der Verspanndruck auf die Batteriezellen 3 gleichwohl dynamisch angepasst werden.
-
Über ein Sollwertmodel, welches beispielsweise in der Steuereinrichtung 13 abgelegt ist, kann der jeweils gewünschte Verspanndruck vorgegeben und über die Druckregelungsvorrichtung 5 eingeregelt werden. Das Sollwertmodel kann hierbei außerdem dem Ist-Druck des flüssigen Mediums 4 folgende Parameter als Eingangsgrößen - einzeln oder in Kombination oder Unterkombination - heranziehen, nämlich den Ladezustand (SOC), den Alterungsgrad (SOH), die Temperatur und den aktuellen Betriebszustand (Laden/Entladen).
-
3 zeigt, wie bei einem Batteriemodul 1 der oben erläuterten Art der Alterungsgrad bestimmt werden kann. Batteriezellen 3, bei welchen die Volumenzunahme durch Lithiierung entstanden ist, lassen sich praktisch nicht komprimieren. Dagegen sind Batteriezellen 3 mit einer Volumenzunahme durch Gasbildung, welche als Alterung verstanden wird, komprimierbar. Durch einen Druckimpuls, der über die Druckregelvorrichtung 5 als Testsignal aufgebracht werden kann, kann das entstandene Gas komprimiert werden. Es stellt sich am flüssigen Medium 4 dann ein Druck p2,gas ein. Falls kein Gas entstanden ist, ist das gesamte hydrostatische System nahezu inkompressibel und die Reaktion auf den Druckimpuls ist ein Druck p2,solid. Ist also Gas entstanden, wird der Druckanstieg als Reaktion auf einen Druckimpuls geringer ausfallen als wenn noch kein Gas entstanden ist. Es gilt folglich p2,gas < p2,solid. Anhand der Reaktion kann somit auf den Alterungszustand des Batteriemoduls 3 geschlossen werden.
-
Weiterhin kann auf diese Art und Weise auch das gesamte kompressible Volumen im System bestimmt werden. Hieraus sind weitere Rückschlüsse auf den Alterungszustand aller Batteriezellen 3 möglich.
-
Im Fall eines Thermal Runaway tritt in eine unerwünschte und unkontrollierte chemische Kettenreaktion in einer Batteriezelle 3 auf, welche mit einer starken Gasbildung einhergeht. Dies ist, wie in 4 veranschaulicht, mit einer starken Volumenzunahme der betreffenden Batteriezelle 3 verbunden. Bei konstanten gehaltenem Systemvolumen steigt hierdurch der Druck p3 im flüssigen Medium 4 stark an, was mittels der Druckmesseinrichtung 6 detektiert werden kann. Aus einer zeitlich schnell erfolgenden Druckerhöhung kann auf einen Thermal Runaway geschlossen werden und zwar zumeist deutlich früher, als eine Temperaturerhöhung im flüssigen Medium 4 gemessen wird.
-
Falls sich ein Thermal Runaway einer Batteriezelle 3 nicht verhindern lässt, reißt das Zellengehäuse der Batteriezelle 3, so dass heiße Gase aus der exothermen Kettenreaktion in das flüssige Medium 4 gelangen. Ein solches Bersten der Batteriezelle 3 wird durch ein charakteristisches Drucksignal in der Druckmesseinrichtung 6 des Verspannsystems detektiert. Weiterhin kann der Thermal Runaway einer einzelnen Batteriezelle 3 durch eine Zellüberwachung, beispielsweise anhand ihrer Zellspannung erkannt werden. Benachbarte Batteriezellen 3 werden durch die lokal hohe Energiefreisetzung und Temperaturerhöhung ebenfalls aufgeheizt, so dass auch an diesen ein Thermal Runaway auftreten kann, d.h. eine thermische Propagation droht.
-
Zur Vermeidung dieses Szenarios wird, wie in 5 dargestellt, mit einer Druckerhöhung des Systems reagiert, indem die Druckregeleinrichtung 5 entsprechend angesteuert wird.
-
Beispielsweise kann hierzu ein Hydraulikzylinder veranlasst werden, den Druck des flüssigen Mediums 4 zu erhöhen. Auf diese Weise kann ein Teil des flüssigen Mediums 4 in die offene Batteriezelle 3 gedrückt werden und dort durch die hohe Wärmekapazität des flüssigen Mediums 4 (z.B. Öl) Energie aufnehmen. Die Reaktion in der betroffenen Batteriezelle 3 verlangsamt sich oder kann sogar gänzlich gestoppt werden.
-
6 zeigt eine weitere Maßnahme zur Bekämpfung eines Thermal Runaway. Diese kann mit der vorstehend erläuterten Maßnahme gemäß 5 kombiniert, gegebenenfalls jedoch auch ohne diese ausgeführt werden.
-
Gemäß 5 wird zur Reduzierung der Temperatur an einer durchgehenden Batteriezelle 3 durch die Umwälzeinrichtung 7 das flüssige Medium 4 umgewälzt. Dadurch wird verstärkt Wärmenergie von der berstenden Batteriezelle 3 abgeführt und gleichmäßig auf das im System enthaltene flüssige Medium 4 verteilt. Die Energie des Thermal Runaway einer einzelnen Batteriezelle 3 wird somit nicht lokal an die Nachbar-Batteriezelle übertragen, sondern durch eine leichte, homogene Temperaturerhöhung des gesamten flüssigen Mediums 4 abgepuffert. Aufgeheizte benachbarte Batteriezellen 3 werden zudem effektiv gekühlt. Das Risiko des Überspringens der Reaktion auf benachbarte Batteriezellen 3 (thermische Propagation) wird hierdurch gemindert.
-
Beim Öffnen oder Bersten einzelner Batteriezellen 3 im Thermal Runaway werden hohe Mengen unterschiedlicher Gase und fester Partikel in den umgebenden Raum freigesetzt. Einerseits kann durch die Kompressibilität der Gase das Verspannsystem selbst in seiner Funktion beeinträchtigt werden, welche auf einer annähernden Nicht-Kompressibilität der Flüssigkeit beruht. Andererseits können Partikel die Leitfähigkeit der an sich nicht leitfähigen Flüssigkeit erhöhen, wodurch ein ungewollter Stromfluss durch die Flüssigkeit, z. B. ein Kurzschluss zwischen Zellen/Modulen/HV-Verbindern, und somit weitere Sicherheitsrisiken entstehen können. Um dem entgegenzuwirken, kann unterstützend zu den anhand der 5 und 6 beschriebenen Maßnahmen in der Umwälzeinrichtung 7, vorzugsweise vor der Pumpe 8, eine gegebenenfalls mehrstufige Filtereinrichtung 9 eingesetzt werden.
-
Diese Filtereinrichtung 9 kann, wie oben bereits erläutert, unterschiedlich ausgeführt sein, um verschiedene Funktionen zu übernehmen. Insbesondere können die beinhalten: eine Filterung von groben Feststoffen, welche die Pumpe 8 oder Leitungen verstopfen könnten; eine Filterung von leitfähigen Partikeln, welche die effektive Leifähigkeit des elektrisch nicht leitfähigen flüssigen Mediums 4 speziell in engen Bereichen zwischen Batteriezellen/Modulen und hochvoltragenden Bauteilen steigern würden; sowie eine Abtrennung von Gasbestandteilen aus dem flüssigen Medium 4, z.B. durch gezielte Adsorption/Absorption einzelner Bestandteile des Gasgemisches, welche die Funktionsweise des Verspannsystems aufgrund ihrer Kompressibilität beeinträchtigen würden.
-
Die Batteriezellen 3 können im „Pouch-Format“ ausgeführt sein, welche eine flexible Pouch-Folie als Hülle aufweisen, wodurch ein „Aufblähen“ bis hin zum Aufplatzen/Öffnen der Batteriezellen 3 besonders deutlich wird. Die vorstehend erläuterten Maßnahmen sind jedoch auch auf Rund- und prismatische Batteriezellen sowie sonstige Batteriezellen 3 anwendbar, bei denen die metallische Hülle zwar stabiler ist, welche jedoch beim Überschreiten eines gewissen Innendrucks der Batteriezelle 3 ebenfalls öffnen können.
-
Durch die vorstehend erläuterte Erfindung wird ein zumeist ohnehin vorhandenes hydrostatisches Verspannsystem eines Batteriemoduls 1 eingesetzt, um im Fall eines Thermal Runaway einer Batteriezelle 3 gezielt eine thermische Propagation zu verzögern oder zu verhindern.
-
Eine zur Kühlung während des Betriebs nutzbare Umwälzeinrichtung 7 wird gleichermaßen für die Darstellung einer Sicherheitsfunktion eingesetzt.
-
Insgesamt ergibt sich eine hohe Funktionsintegration im Hinblick auf eine homogene Verspannung im Betrieb, eine hohe Kühlleistung beim Schnellladen sowie eine Hemmung der thermischen Propagation im Fehlerfall.
-
Die Erfindung bietet überdies Redundanz bei der Ermittlung des Thermal Runaway einer einzelnen Batteriezelle 3. Dies kann nämlich einerseits erfolgen durch eine Ermittlung über Elektronik (Zellüberwachung, z.B. Spannungssignal, Temperatur) sowie nunmehr zusätzlich durch Erfassen eines charakteristisches Drucksignals im hydrostatischen Verspannsystem beim Aufblähen und Öffnen der kritischen Batteriezelle 3.
-
Ferner kann das Öffnen oder Bersten einer Batteriezelle 3 während des Aufblähens der Batteriezelle 3 mithilfe der vorhandenen Druckmessung im hydrostatischen Verspannsystem über eine gewisse Zeit vorhergesagt werden, wodurch ein frühzeitiges Gegensteuern möglich wird, beispielsweise durch eine zeitigere Warnung der Insassen und/oder eine Erhöhung der Rettungszeit.
-
Über die Filtereinrichtung 9 lässt sich im Hinblick auf freigesetzte Gasbestandteile und Partikel ein weiterer Sicherheitsgewinn erzielen.
-
Die Erfindung wurde vorstehend anhand verschiedener Ausführungsbeispiele und -varianten näher erläutert. Diese dienen dazu, die Ausführbarkeit der Erfindung zu belegen. Technische Einzelmerkmale, welche oben im Kontext weiterer Einzelmerkmale erläutert wurden, können auch unabhängig von diesen sowie in Kombination mit weiteren Einzelmerkmalen verwirklicht werden, selbst wenn dies nicht ausdrücklich beschrieben ist, solange dies technisch möglich ist. Die Erfindung ist daher ausdrücklich nicht auf die konkret beschriebenen Ausführungsbeispiele, -varianten und Abwandlungen beschränkt, sondern umfasst alle durch die Patentansprüche definierten Ausgestaltungen.
-
Bezugszeichenliste
-
- 1
- Batteriemodul
- 2
- Gehäuse
- 3
- Batteriezelle
- 4
- flüssiges Medium
- 5
- Vorrichtung zur Regelung des Drucks des flüssigen Mediums (kurz: Druckerzeugungsvorrichtung)
- 6
- Druckmesseinrichtung
- 7
- Einrichtung zum Umwälzen des flüssigen Mediums (kurz: Umwälzeinrichtung)
- 8
- Pumpe
- 9
- Filtereinrichtung
- 9a
- erstes Filter
- 9b
- weiteres Filter
- 9c
- Einrichtung zum Abtrennen von Gasbestandteilen
- 10
- Auslassöffnung
- 11
- Einlassöffnung
- 12
- Leitungssystem
- 13
- Steuereinrichtung
-
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
-
Diese Liste der vom Anmelder aufgeführten Dokumente wurde automatisiert erzeugt und ist ausschließlich zur besseren Information des Lesers aufgenommen. Die Liste ist nicht Bestandteil der deutschen Patent- bzw. Gebrauchsmusteranmeldung. Das DPMA übernimmt keinerlei Haftung für etwaige Fehler oder Auslassungen.
-
Zitierte Patentliteratur
-
- DE 102018201632 A1 [0002]
