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Die Erfindung betrifft eine Batteriezellenanordnung für eine Batterie, wobei die Batteriezellenanordnung eine erste Batteriezelle, eine zweite Batteriezelle, einen Zwischenbereich zwischen der ersten und zweiten Batteriezelle und ein im Zwischenbereich angeordnetes Zelltrennelement aufweist. Des Weiteren betrifft die Erfindung auch ein Kraftfahrzeug mit einer solchen Batteriezellenanordnung.
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In einer Batterie, insbesondere in Kraftfahrzeugbatterien, werden oftmals Zellen in Serie angeordnet, verbaut und zwischen jede Zelle wieder ein Zellzwischenmaterial eingelegt. Dieses überträgt Kräfte zwischen den Zellen, zum Beispiel beim sogenannten Swelling der Zellen, aber auch Wärme, die beim Laden und Entladen der Zellen entsteht. Im normalen Betrieb ist dieser Wärmeübertrag von Zelle zu Zelle nicht unerwünscht, vielmehr sogar erwünscht, da er zu einer gleichmäßigen Wärmeverteilung über die Zellen hinweg beiträgt und damit ein gleichmäßiges Altern der Zellen begünstigt. Im Falle eines thermischen Durchgehens einer Zelle wird in einem solchen Fall die Wärme nachteiligerweise ebenfalls auf die angrenzenden Zellen übertragen, was wiederum das thermische Durchgehen weiterer Zellen bedingen kann. In diesem Fall wäre es also wünschenswert, die Zellen voneinander möglichst gut thermisch entkoppeln zu können.
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In diesem Zusammenhang beschreibt die
WO 2014/182759 A1 einen Batterieblock mit einer ersten und zweiten prismatischen Batteriezelle, wobei zwischen den beiden Batteriezellen eine thermische Barriere angeordnet ist, die zu den Zellen beabstandet ist. Der Abstand kann dabei durch entsprechende Abstandshalter zwischen der thermischen Barriere und den Zellen bereitgestellt werden.
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Weiterhin beschreibt die
WO 2020/079965 A1 einen Batteriepack mit mehreren Batteriezellen, wobei zwischen je zwei Batteriezellen zwei oder mehr Arten von wärmeabsorbierenden Materialien angeordnet sind, die unterschiedliche Wärmeabsorptionstemperaturen aufweisen. Diese Materialien umfassen dabei Phasenwechselmaterialien, die ihren Aggregatzustand bei jeweils zugeordneten Temperaturen ändern.
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Solche Phasenwechselmaterialien, die Energie durch eine Aggregatzustandsänderung aufnehmen können, sind jedoch sehr schwer in kompakter Form in eine Zellanordnung zu integrieren. Wird nur eine geringe Menge eines solchen Phasenwechselmaterials zugunsten der Bauraumersparnis verwendet, so kann durch ein solches auch nur eine geringe Menge an Energie aufgenommen werden, was im Falle eines thermischen Events nur wenig hilfreich ist.
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Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist daher, eine Batteriezellenanordnung und ein Kraftfahrzeug bereitzustellen, die es ermöglichen, auf möglichst einfache und effiziente Weise ein Zelltrennelement zwischen zwei Batterien bereitzustellen, das eine möglichst gute Situationsanpassung erlaubt.
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Diese Aufgabe wird gelöst durch eine Batteriezellenanordnung und ein Kraftfahrzeug mit den Merkmalen gemäß den jeweiligen unabhängigen Patentansprüchen. Vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung sind Gegenstand der abhängigen Patentansprüche, der Beschreibung sowie der Figuren.
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Eine erfindungsgemäße Batteriezellenanordnung für eine Batterie weist eine erste Batteriezelle auf, eine zweite Batteriezelle, einen Zwischenbereich zwischen der ersten und zweiten Batteriezelle und ein in einem Zwischenbereich angeordnetes Zelltrennelement. Dabei ist das Zelltrennelement dazu ausgelegt, unter Beibehaltung seines festen Aggregatzustands seine geometrische Form in Abhängigkeit von einer Temperatur des Zelltrennelements derart zu ändern, dass für einen ersten Temperaturwert der Temperatur, der in einem ersten Temperaturbereich liegt, eine Wärmeleitfähigkeit des Zwischenbereichs mit dem darin angeordneten Zelltrennelement größer ist als für einen zweiten Temperaturwert der Temperatur, der in einem zweiten Temperaturbereich liegt, wobei der zweite Temperaturbereich oberhalb des ersten Temperaturbereichs liegt.
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Durch eine solche Ausbildung des Zelltrennelements, welches also zu einer thermomechanischen Formänderung ausgelegt ist, lässt es sich damit vorteilhafterweise erreichen, dass in einem ersten Temperaturbereich eine bessere thermische Kopplung zwischen den beiden Batteriezellen bereitgestellt wird, als in einem zweiten Temperaturbereich oberhalb des ersten Temperaturbereichs. Bei geringen Temperaturen des Zelltrennelements, die insbesondere zu normalen Betriebstemperaturen korrespondieren können, und insbesondere auch entsprechend bei geringen Temperaturen der Batteriezellen, kann durch das Zelltrennelement eine gute thermische Kopplung zwischen den Zellen bereitgestellt werden. Dies ist beispielsweise förderlich für eine möglichst homogene Temperaturverteilung über die Zellen hinweg, um eine möglichst homogene Alterung aller Zellen zu begünstigen. In hohen Temperaturbereichen, zum Beispiel im Falle eines thermischen Events, lässt sich dagegen durch das Zelltrennelement vorteilhafterweise eine verbesserte thermische Entkopplung der Batteriezellen, insbesondere in der ersten und zweiten Batteriezelle, bereitstellen, was durch die verringerte thermische Leitfähigkeit im zweiten Temperaturbereich bewerkstelligt wird. Somit ist der thermische Widerstand in diesem Zwischenbereich zwischen den beiden Batteriezellen für Temperaturen im zweiten Temperaturbereich erhöht. Somit lässt sich eine äußerst vorteilhafte Situationsanpassung durch das Zelltrennelement bereitstellen. Zudem ist hierfür keine Änderung des Aggregatzustands des Zelltrennelements erforderlich, was insbesondere deutlich kompaktere Ausgestaltungen des Zelltrennelements erlaubt. Die Veränderung der thermischen Leitfähigkeit des Zwischenbereichs wird dabei allein durch die geometrische Formänderung des Zelltrennelements bewirkt. Eine solche Formänderung kann zum Beispiel zusätzliche Luftspalte zwischen den Zellen entstehen lassen, die eine verbesserte thermische Barriere bereitstellen. Um eine solche temperaturabhängige geometrische Formänderung, das heißt also eine thermomechanische Formänderung, eines solchen Zelltrennelements bereitzustellen, gibt es wiederum verschiedene, nachfolgend noch näher erläuterte Möglichkeiten. Um einige zu nennen, lässt sich dies zum Beispiel durch ein Formgedächtnismaterial für das Zelltrennelement oder mittels einer Kombination von Materialien mit unterschiedlichen Wärmeausdehnungskoeffizienten, z.B. ein Bimetall, bereitstellen. Dadurch lässt sich beispielsweise die Kontaktfläche zwischen Zelle und Zelltrennelement reduzieren und so der thermische Widerstand vergrößern.
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Vorzugsweise weist die Batteriezellenanordnung mehrere Batteriezellen, umfassend die erste und zweite Batteriezelle auf, wobei die Batteriezellen in Form eines Zellstapels nebeneinander angeordnet sind, wobei zwischen je zwei benachbart angeordneten Batteriezellen ein Zelltrennelement angeordnet ist. Dieses Zelltrennelement kann wie zum oben bereits genannten Zelltrennelement beschrieben ausgebildet sein. Mit anderen Worten kann die Batteriezellenanordnung nicht nur zwei Batteriezellen mit einem dazwischen angeordneten Zelltrennelement aufweisen, sondern vielzählige Batteriezellen und entsprechend auch mehrere Zelltrennelemente, die vorzugsweise alle gleichartig ausgebildet sind und die zwischen je zwei benachbart angeordneten Batteriezellen angeordnet sind. Die Batteriezellen können zum Beispiel als Lithium-Ionen-Zellen ausgebildet sein. Bevorzugt sind die Batteriezellen weiterhin als prismatische Batteriezellen ausgebildet. Die Batteriezellen können aber auch als Pouch-Zellen ausgebildet sein. Weniger bevorzugt sind die Batteriezellen als Rundzellen ausgebildet. Durch die Batteriezellenanordnung kann beispielsweise eine Hochvolt-Batterie für ein Kraftfahrzeug bereitgestellt sein. Die Batteriezellenanordnung kann also vielzählige Batteriezellen umfassen, die optional auch zu Batteriemodulen zusammengefasst sein können. Mit anderen Worten kann eine solche Hochvolt-Batterie auch mehrere solcher Zellstapel mit jeweils mehreren Batteriezellen umfassen. Die mehreren Zellstapel können dabei in einem Gesamtbatteriegehäuse angeordnet sein sowie auch jeweils optional über ihr eigenes Modulgehäuse verfügen.
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Die im Folgenden in Bezug auf die erste und zweite Batteriezelle näher beschriebenen Ausgestaltungen der Erfindung gelten in gleicher Weise für die übrigen, bevorzugt mehreren Batteriezellen der Batterieanordnung und weiteren vorgesehenen Zelltrennelemente analog.
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Der Zwischenbereich zwischen der ersten und zweiten Batteriezelle kann so definiert sein, dass dieser den Zwischenraum zwischen der ersten und zweiten Batteriezelle in einer vorbestimmten ersten Richtung darstellt, die zu einer Strahlrichtung korrespondiert, in welcher die mehreren Batteriezellen der Batteriezellenanordnung nebeneinander angeordnet sind. Dabei muss das Zelltrennelement nicht notwendigerweise vollständig innerhalb dieses Zwischenraum angeordnet sein, sondern kann, insbesondere nach der geometrischen Formänderung, auch aus diesem Zwischenraum beziehungsweise Zwischenbereich hinausstehen. Das Zelltrennelement muss diesen Zwischenbereich auch nicht vollständig ausfüllen, insbesondere wenn die Temperatur weder im ersten Temperaturbereich noch im zweiten Temperaturbereich liegt. Zudem können in diesem Zwischenbereich auch noch weitere Elemente neben dem Zelltrennelement optional vorgesehen sein. Das Zelltrennelement kann aber auch, wenn sich seine Temperatur im ersten Temperaturbereich befindet, die erste und/oder zweite Batteriezelle berühren, insbesondere großflächig oder nur bereichsweise oder punktuell, wobei dann vorzugsweise im zweiten Temperaturbereich die Kontaktfläche zwischen dem Zelltrennelement und jeweils der ersten und zweiten Batteriezelle in Summe reduziert ist, im Vergleich zum ersten Temperaturbereich. Beispielswiese kann das Zelltrennelement im ersten Temperaturbereich die Zellwände kontaktieren und sich dann beim Übergang seiner Temperatur in den zweiten Temperaturbereich von diesen ablösen.
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Die Wärmeleitfähigkeit des Zwischenbereichs bezieht sich dabei auf eine mittlere Wärmeleitfähigkeit dieses gesamten Zwischenbereichs inklusive aller im Zwischenbereich angeordneten Elemente, wie zum Beispiel das Zelltrennelement. Die Wärmeleitfähigkeit dieses Zwischenbereichs kann sich also beispielsweise ändern, indem durch die Formänderung des Zelltrennelements ein Luftspalt innerhalb dieses Zwischenbereichs entsteht, wenngleich sich die Wärmeleitfähigkeit des Zelltrennelements selbst dadurch nicht verändert. Die Wärmeleitfähigkeit kann sich also dadurch ändern, indem zum Beispiel der Volumenanteil des Zwischenbereichs, der vom Zelltrennelement ausgefüllt wird, durch die Änderung der geometrischen Form des Zelltrennelements verändert wird. Dabei soll im Allgemeinen unter der geometrischen Formänderung des Zelltrennelements nicht lediglich eine herkömmliche temperaturabhängige und insbesondere homogene, isotrope Längen- oder Volumenausdehnung des Zelltrennelements verstanden werden. Durch die geometrische Formänderung ändert sich also beispielsweise eine lokale Oberflächenkrümmung einer Oberfläche des Zelltrennelements zumindest in einem Bereich des Zelltrennelements. Damit ist die Formänderung also bevorzugt anisotrop. Denkbar ist es beispielsweise auch, dass das Zelltrennelement in der ersten Richtung seine Abmessung verringert, während es sich in einer zweiten, zur ersten senkrechten Richtung ausdehnt.
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Im Allgemeinen kann es sich beim ersten Temperaturwert um einen beliebigen Temperaturwert innerhalb des ersten Temperaturbereichs handeln und beim zweiten Temperaturwert analog um einen beliebigen Temperaturwert innerhalb des zweiten Temperaturbereichs. Die in Bezug auf den ersten Temperaturwert beschriebenen Eigenschaften des Zelltrennelements sollen damit für alle Temperaturwerte in ersten Temperaturbereich gelten, und auch alle in Bezug auf den zweiten Temperaturwert beschriebenen Eigenschaften des Zelltrennelements sollen in gleicher Weise auch für alle Temperaturwerte im zweiten Temperaturbereich gelten. Der erste Temperaturbereich korrespondiert dabei vorzugsweise zu einem normalen Temperaturbereich beziehungsweise zu einem normalen Betriebszustand der Zellen der Batteriezellenanordnung. Vorzugsweise umfasst also der erste Temperaturbereich Temperaturwerte, die die Batteriezellen in einem normalen und fehlerfreien Betrieb der Batteriezellen annehmen können. Der zweite Temperaturbereich korrespondiert dagegen vorzugsweise zu einem kritischen Temperaturbereich beziehungsweise zu einem kritischen Zustand der Batteriezellen, insbesondere in welchem sich ein thermisches Durchgehen einer solchen Batteriezelle ankündigt oder bevorsteht. Dabei können der erste und der zweite Temperaturbereich auch unmittelbar aneinander angrenzen und durch eine Grenztemperatur voneinander separiert sein.
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Mit anderen Worten ist es eine weitere vorteilhafte Ausgestaltung der Erfindung, wenn der erste Temperaturbereich vom zweiten Temperaturbereich durch eine bestimmte Grenztemperatur separiert ist, die insbesondere zwischen 65°C und 140°C liegt, vorzugsweise zwischen 110°C und 120°C. In einem normalen Betriebszustand einer Batteriezelle sollte ihre Temperatur 60°C bis 65°C nicht überschreiten. Ein thermisches Event dagegen spielt sich in einem Temperaturbereich der Zelle zwischen mindestens 140°C bis 150°C ab. Um noch eine rechtzeitige thermische Entkopplung der betreffenden Batteriezelle von den benachbarten Batteriezellen zu ermöglichen, ist es also sehr vorteilhaft, wenn die Grenztemperatur niedriger ist als 140°C. Umgekehrt ist es vorteilhaft, wenn diese oberhalb von 65°C liegt, da bei Temperaturen unterhalb noch ein normaler Betriebszustand der Batteriezellen vorliegt. Die Grenztemperatur lässt sich zum Beispiel einfach durch die Materialwahl des Zelltrennelements bestimmen. Dies gilt sowohl im Falle, dass das Zelltrennelement ein Formgedächtnismaterial, wie z.B. eine Formgedächtnislegierung umfasst als auch für den Fall, dass dieses zum Beispiel als Bimetall beziehungsweise im Allgemeinen aus unterschiedlichen Materialien mit vorzugsweise stark unterschiedlichem Wärmeausdehnungskoeffizienten ausgebildet ist.
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Dass Zelltrennelement ist dabei so ausgebildet, dass seine geometrische Formänderung allein auf Basis der Temperatur des Zelltrennelements, und insbesondere dessen Umgebungstemperatur, hervorgerufen wird, und nicht durch eine Ansteuerung des Zelltrennelements. Die Formänderung erfolgt somit rein passiv und nicht aktiv, d.h. durch irgendeine Art aktive Ansteuerung.
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Weiterhin ist das Zelltrennelement bevorzugt so ausgestaltet, dass dieses im normalen Betriebszustand, das heißt also innerhalb des ersten Temperaturbereichs, Kräfte zwischen den beiden Batteriezellen übertragen kann. Diese Kraftübertragung ist im zweiten Temperaturbereich des Zelltrennelements vorzugsweise verringert oder gar nicht mehr möglich. Mit anderen Worten kann durch das Zelltrennelement beim Übergang in den zweiten Temperaturbereich nicht nur eine thermische, sondern auch eine mechanische Entkopplung der Zellen, zumindest über das Zelltrennelement, bereitgestellt werden.
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Bei einer weiteren sehr vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung umfasst das Zelltrennelement ein Formgedächtnismaterial, insbesondere eine Formgedächtnislegierung. Dies ist besonders vorteilhaft, da es sich zum Beispiel durch ein solches Formgedächtnismaterial bewerkstelligen lässt, dass die geometrische Formänderung sprunghaft erfolgt, insbesondere bei Überschreiten der Grenztemperatur, die zu einer Phasenübergangstemperatur des ein Formgedächtnismaterials korrespondiert. Beispiele für Formgedächtnislegierungen sind zum Beispiel Nickel-Titan, auch Nitinol genannt, Nickel-Titan-Kuper, Kupfer-Zink, Kupfer-Zink-Aluminium, Kupfer-Aluminium-Nickel, Eisen-Nickel-Aluminium, Eisen-Mangan-Silizium und Zink-Gold-Kupfer.
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Das Formgedächtnismaterial kann aber auch ein Formgedächtnispolymer sein. Auch Formgedächtnispolymere können bei Überschreiten einer Grenztemperatur ihre Formgebung ändern, was vorteilhaft genutzt werden kann, um das Zelltrennelement mit den oben beschriebenen Eigenschaften bereitzustellen. Auch in diesem Fall stellt dann die dem Formgedächtnispolymer zugeordnete Übergangstemperatur die oben genannte Grenztemperatur dar.
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Im Allgemeinen kann das Zelltrennelement auch eine beliebige Kombination oben genannter Materialien, insbesondere Formgedächtnismaterialien umfassen. Formgedächtnismaterialien weisen eine ihnen zugeordnete Übergangstemperatur auf, die sich zumindest innerhalb vorgegebener Grenzen durch die Zusammensetzung des Formgedächtnismaterials variieren und damit geeignet festlegen lässt. Somit können die genannten Materialien vorteilhafterweise genutzt werden, um ein Zelltrennelement bereitzustellen, das seine geometrische Form beim Übergang vom oben definierten ersten Temperaturbereich zum oben definierten zweiten Temperaturbereich ändert.
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Bei einer weiteren sehr vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung ist das Zelltrennelement dazu ausgelegt ist, bei Erwärmung vom ersten auf den zweiten Temperaturwert seine geometrische Form derart zu verändern, dass ein Spalt zwischen dem Zelltrennelement und zumindest einer der ersten und zweiten Batteriezelle entsteht oder sich ein bestehender Spalt im Zwischenbereich vergrößert. Ein Spalt kann dabei im Allgemeinen jede beliebige geometrische Form aufweisen. Im Allgemeinen ist unter einem Spalt ein luftgefüllter Bereich zu verstehen, der nicht notwendigerweise abgeschlossen sein muss. Ein solcher entstehender oder sich vergrößernder Spalt hat den großen Vorteil, dass sich hierdurch der thermische Übergangswiderstand zwischen den Batteriezellen deutlich erhöhen lässt, da Luft im Vergleich zu Festkörpern einen sehr hohen thermischen Widerstand aufweist. Dadurch in einer kritischen Situation auf besonders vorteilhafte und einfache Weise eine thermische Entkopplung der Batteriezellen voneinander bewerkstelligt werden.
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Dabei ist es weiterhin bevorzugt, dass das Zelltrennelement dazu ausgelegt ist, bei Erwärmung vom ersten auf den zweiten Temperaturwert seine geometrische Form derart zu verändern, dass zwischen dem Zelltrennelement und der erste Batteriezelle und/oder dem Zelltrennelement und der zweiten Batteriezelle ein Spalt entsteht, der sich über eine gesamte der ersten und/oder zweiten Batteriezelle zugeordnete Höhe und Breite erstreckt. Dadurch kann vorteilhafterweise eine vollständige Entkopplung der beiden Batteriezellen, zumindest über das Zelltrennelement, bereitgestellt werden. Dieser Spalt kann also flächig ausgebildet sein und geometrische Abmessungen aufweisen, die zu einer Höhe und Breite der Seite der Batteriezelle korrespondieren, die dem Zelltrennelement zugewandt ist. In diesem Bereich besteht also keinerlei Kontakt mehr zwischen dem Zelltrennelement und der betreffenden Batteriezelle und auch nicht zwischen dem Zelltrennelement und einer an der Batteriezelle angeordneten optionalen weiteren Komponente und auch nicht zwischen einer optional am Zelltrennelement der Batteriezelle zugewandt angeordneten Komponente und der Batteriezelle. Mit anderen Worten sind das Zelltrennelement und die Batteriezelle durch diesen Spalt vollständig separiert, wobei es sich bei der Batteriezelle um die erste und/oder zweite Batteriezelle handeln kann. Mit anderen Worten kann ein solcher Spalt auch beidseitig vom Zelltrennelement angeordnet sein. Dadurch lässt sich die thermische Entkopplung, wenn das Zelltrennelement eine Temperatur im zweiten Temperaturbereich aufweist, maximieren.
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Bei einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung ist das Zelltrennelement zumindest beim ersten Temperaturwert zumindest zum Teil elastisch deformierbar ausgebildet. Dies hat den Vorteil, dass sich durch das Zelltrennelement im normalen Betrieb auch Swelling-Kräfte zum Teil ausgleichen lassen. Ein Swelling stellt dabei ein Anschlagen der betreffenden Batteriezelle dar. Dabei gibt es das alterungsbedingte Swelling, gemäß welchem die Batteriezelle über ihre Lebensdauer hinweg anschwillt. Weiterhin gibt es auch das ladungsbedingte Swelling, gemäß welchem die Batteriezelle beim Laden und Entladen korrespondierend zyklisch anschwillt und abschwillt. Dieser Effekt macht sich bei prismatischen Batteriezellen vor allem in der oben definierten ersten Richtung bemerkbar. Durch eine zum Teil elastisch deformierbare Ausbildung des Zelltrennelements kann dieser Längenausdehnung der Batteriezellen in der ersten Richtung Rechnung getragen werden, und zu starke Kräfte auf die Batteriezellen können vermieden werden. Nichtsdestoweniger ist es bevorzugt, dass das Zelltrennelement mit einer relativ geringen elastisch deformierbaren Komponente ausgebildet ist. Das Zelltrennelement sollte dabei vorzugsweise dennoch eine gewissen Steifigkeit aufweisen, um auch Kräfte im normalen Betriebszustand zwischen den Zellen übertragen zu können.
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Bei einer weiteren sehr vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung weist das Zelltrennelement zumindest bei dem ersten Temperaturwert eine gewellte Form oder eine Zick-Zack-Form auf. Das Zelltrennelement kann beispielsweise in Form eines gewellten Blechs ausgeführt sein. Beim Übergang in den zweiten Temperaturbereich kann sich diese Welligkeit beziehungsweise die genannte Zick-Zack-Form zumindest zum Teil oder vollständig glätten. Dadurch kann sich beispielsweise auch die Höhe und/oder Breite des Zelltrennelements senkrecht zur oben definierten ersten Richtung vergrößern. Durch diesen Glättungseffekt lässt es sich vorteilhafterweise bewerkstelligen, dass oben beschriebene Spalte entstehen, die das Zelltrennelement zumindest zum Großteil und vorzugsweise nahezu vollständig oder vollständig von zumindest einer der beiden Batteriezellen oder auch beiden Batteriezellen separieren. Der Kontakt der beiden Batteriezellen über das Zelltrennelement kann hierdurch auf besonders einfache Weise auf ein Minimum reduziert werden. Im normalen Betriebszustand lassen sich durch ein solches Zelltrennelement mit gewellter oder Zick-Zack-Form auf vorteilhafte Weise sowohl eine Temperatur als auch Kräfte zwischen den Batteriezellen übertragen. Gleichzeitig lässt sich durch die gewellte Form das gewünschte Maß an elastischer Deformierbarkeit des Zelltrennelements einstellen.
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Des Weiteren betrifft die Erfindung auch ein Kraftfahrzeug mit einer erfindungsgemäßen Batteriezellenanordnung oder eine ihrer Ausgestaltungen. Die für die erfindungsgemäße Batteriezellenanordnung und ihre Ausgestaltungen beschriebenen Vorteile gelten damit in gleicher Weise für das erfindungsgemäße Kraftfahrzeug.
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Das erfindungsgemäße Kraftfahrzeug ist bevorzugt als Kraftwagen, insbesondere als Personenkraftwagen oder Lastkraftwagen, oder als Personenbus oder Motorrad ausgestaltet.
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Die Erfindung umfasst auch die Kombinationen der Merkmale der beschriebenen Ausführungsformen. Die Erfindung umfasst also auch Realisierungen, die jeweils eine Kombination der Merkmale mehrerer der beschriebenen Ausführungsformen aufweisen, sofern die Ausführungsformen nicht als sich gegenseitig ausschließend beschrieben wurden.
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Im Folgenden sind Ausführungsbeispiele der Erfindung beschrieben. Hierzu zeigt:
- 1 eine schematische Darstellung einer Batteriezellenanordnung bei einer Temperatur in einem ersten Temperaturbereich gemäß einem Ausführungsbeispiel der Erfindung;
- 2 eine schematische Darstellung einer Batteriezellenanordnung bei einer Temperatur im ersten Temperaturbereich gemäß einem weiteren Ausführungsbeispiel der Erfindung; und
- 3 eine schematische Darstellung der Batteriezellenanordnung aus 1 oder 2 bei einer Temperatur in einem zweiten Temperaturbereich gemäß einem Ausführungsbeispiel der Erfindung.
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Bei den im Folgenden erläuterten Ausführungsbeispielen handelt es sich um bevorzugte Ausführungsformen der Erfindung. Bei den Ausführungsbeispielen stellen die beschriebenen Komponenten der Ausführungsformen jeweils einzelne, unabhängig voneinander zu betrachtende Merkmale der Erfindung dar, welche die Erfindung jeweils auch unabhängig voneinander weiterbilden. Daher soll die Offenbarung auch andere als die dargestellten Kombinationen der Merkmale der Ausführungsformen umfassen. Des Weiteren sind die beschriebenen Ausführungsformen auch durch weitere der bereits beschriebenen Merkmale der Erfindung ergänzbar.
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In den Figuren bezeichnen gleiche Bezugszeichen jeweils funktionsgleiche Elemente.
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1 zeigt eine schematische Darstellung einer Batteriezellenanordnung 10, insbesondere bei einer Temperatur in einem ersten Temperaturbereich T1, welcher zu der normalen Betriebstemperatur der Batteriezellenanordnung 10 korrespondiert oder zumindest solche normalen Betriebstemperaturen umfasst. Die Batteriezellenanordnung 10 weist dabei im Allgemeinen mehrere Batteriezellen 12 auf, die in einer Stapelrichtung, die hier zur dargestellten x-Richtung korrespondiert, nebeneinander angeordnet sind. Exemplarisch sind hierbei zwei Batteriezellen 12, nämlich eine erste Batteriezelle 12a und eine zweite Batteriezelle 12b dargestellt. Diese können zum Beispiel als prismatische Batteriezellen ausgebildet sein. Diese Batteriezellen 12 weisen zum Beispiel eine Unterseite 14a und eine der Unterseite gegenüberliegende Oberseite 14b auf. Beispielsweise können hier nicht dargestellte Zellpole der jeweiligen Batteriezellen 12 an deren korrespondierenden Oberseiten 14b angeordnet sein. Weiterhin weisen die Batteriezellen 12 jeweils in der hier dargestellten z-Richtung eine Höhe H auf und wiederum in x-Richtung eine Dicke D. Zudem weisen sie in y-Richtung eine Breite auf, die vorliegend jedoch nicht dargestellt ist. Weiterhin sind die beiden Batteriezellen 12a, 12b in x-Richtung in einem Abstand d angeordnet, der typischerweise maximal wenige Millimeter beträgt, wobei der Abstand d zum Beispiel in einem Bereich von 0,5 mm und 5 mm, vorzugsweise bei maximal 2 bis 3 mm liegt. Der Bereich zwischen den beiden Batteriezellen 12a, 12b ist als Zwischenbereich 16 definiert. In diesem Zwischenbereich 16 ist ein Zelltrennelement 18a angeordnet. Im Beispiel in 1 füllt dieses Zelltrennelement 18a den gesamten Zwischenbereich 16 aus. Dies muss jedoch nicht notwendigerweise der Fall sein, wie dies zum Beispiel auch am in 2 dargestellten Zelltrennelement 18b der Fall ist. Ein solches Zelltrennelement 18a kann zum Beispiel auch in seiner Höhe kleiner ausgebildet sein als die Höhe H der entsprechenden Batteriezellen 12. Alternativ kann es in z-Richtung auch größer ausgebildet sein.
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Herkömmliche Zelltrennelemente sind beispielsweise plattenförmig ausgebildet wie das, welches in 1 zu sehen ist. Im Gegensatz zu den Ausführungsbeispielen der Erfindung behalten übliche Zelltrennelemente in verschiedenen Temperaturbereichen jedoch ihre geometrischen Form bei, zumindest solange diese nicht ihren Aggregatzustand ändern. So können diese Zelltrennelemente Kräfte zwischen den Zellen sowie auch Wärme zwischen den Zellen übertragen. In normalen Betriebszuständen der Zellen ist dies auch erwünscht, jedoch nicht im Falle eines thermischen Durchgehens einer Zelle. In diesem Fall wird durch herkömmliche Zelltrennelemente ebenfalls die Wärme zwischen den Zellen übertragen, was wiederum dazu führt, dass durch den Wärmeübertrag einer thermisch durchgehenden Zelle auch weitere Zellen thermisch durchgehen können.
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Dies wird nun vorteilhafterweise durch die Erfindung und ihre Ausführungsformen dadurch vermieden, indem das Zelltrennelement 18a, 18b dazu ausgelegt ist, beim Übergang zu einer zweiten Temperatur in einem zweiten Temperaturbereich T2 seine geometrische Form zu ändern, wie dies beispielsweise in 3 dargestellt ist. Der zweite Temperaturbereich T2 kann zum Beispiel als ein Bereich definiert werden, der sich nach oben hin unmittelbar an den ersten Temperaturbereich T1 anschließt und vom ersten Temperaturbereich T1 durch eine Grenztemperatur separiert ist, die vorzugsweise zwischen 65°C und 140°C liegt. Der erste Temperaturbereich T1 kann im Übrigen nach unten offen definiert sein, und der zweite Temperaturbereich T2 kann durch die Schmelztemperatur des Materials des Zelltrennelements 18a oder auch des Zelltrennelements 18b, welches exemplarisch als weiteres Beispiel in 2 dargestellt ist, begrenzt sein.
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2 zeigt dabei insbesondere wiederum eine Batteriezellenanordnung 10 bei der ersten Temperatur T1 im ersten Temperaturbereich, welche wie zur 1 beschrieben bis auf die nachfolgend beschriebenen Unterschiede ausgebildet sein kann. In diesem Beispiel ist im Zwischenbereich 16 nun ein Zelltrennelement 18b angeordnet, welches bei Temperaturen im ersten Temperaturbereich T1 eine gewellte Form beziehungsweise Zick-Zack-Form, ähnlich einem gewellten Blech, aufweist. Auch dieses Zelltrennelement 18b ist so ausgebildet, dass es sich beim Übergang zu einer Temperatur im zweiten Temperaturbereich T2 geometrisch verformt, wie dies in 3 dargestellt ist. Eine solche geometrische Verformung findet dabei im Wesentlichen unter Beibehaltung des Gesamtvolumens des betreffenden Zelltrennelements 18a, 18b statt. Im Wesentlichen bedeutet hierbei bis auf die durch die Temperaturerhöhung bedingte materialspezifische Volumenausdehnung des betreffenden Zelltrennelements 18a, 18b.
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Das Zelltrennelement 18a, 18b kann also auch seine Abmessungen in zumindest eine Richtung, wie zum Beispiel der y-Richtung oder z-Richtung, beim Übergang in den zweiten Temperaturbereich T2 vergrößern. Besonders vorteilhaft ist es nun, wenn die geometrische Formänderung des Zelltrennelements 18a, 18b derart erfolgt, dass sich zumindest ein Spalt 20a, 20b zwischen dem Zelltrennelement 18a, 18b und zumindest einer der beiden Batteriezellen 12a, 12b ergibt, wie dies ebenfalls in 3 dargestellt ist. Dabei kann auch nur eine dieser beiden in 3 dargestellten Spalte 20a, 20b entstehen. Besonders vorteilhaft ist es dabei, wenn sich ein solcher Spalt 20a, 20b dabei über die gesamte Fläche der dem Zelltrennelement 18a, 18b zugewandten Seite 14c der betreffenden Batteriezelle 12 erstreckt. Ein solcher Spalt 20a, 20b durchläuft in z- und y-Richtung damit den Zwischenbereich 16 vollständig. Hierdurch lässt sich eine maximale thermische Entkopplung der beiden Batteriezellen 12, insbesondere in kritischen Temperaturbereichen T2, bereitstellen.
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Um eine solche Formänderung beim Überschreiten einer bestimmten Grenztemperatur zu ermöglichen, kann das Zelltrennelement 18a, 18b aus einem Formgedächtnismaterial gebildet sein, zum Beispiel einer Formgedächtnislegierung oder einem Formgedächtnispolymer. Dadurch lassen sich die beschriebenen Eigenschaften des Zelltrennelements 18a, 18b besonders einfach umsetzen. Denkbar wäre es aber auch, dass das Zelltrennelement 18a, 18b mehrere verschiedene Materialien mit unterschiedlichen Wärmeausdehnungskoeffizienten aufweist. In 2 sind beispielsweise exemplarisch Bereiche 22 gestrichelt dargestellt, die aus einem anderen Material mit einem anderen Wärmeausdehnungskoeffizienten ausgebildet sein können als die übrigen Bereiche 24 des Zelltrennelements 18b, wobei das Material in den ersten Bereiche 22 einen größeren Wärmeausdehnungskoeffizienten aufweist als das in den übrigen Bereiche 24. Aus Gründen der Übersichtlichkeit sind in 2 jeweils nur ein erster Bereich 22 und ein zweiter Bereich 24 mit einem Bezugszeichen versehen. Dehnen sich die Bereiche 22 bei Erwärmung stärker aus als die übrigen Bereiche 24, so führt es zu einer Streckung der Wellenstruktur des Zelltrennelements 18b und zu einer korrespondierenden Formänderung, wie zum Beispiel in 3 dargestellt. Dabei muss das Zelltrennelement 18b nicht notwendigerweise zu einer vollkommen eben ausgebildeten Platte wie in 3 dargestellt übergehen. Denkbar ist es beispielsweise auch, dass die Wellenstruktur beziehungsweise Zick-Zack-Struktur des Zelltrennelements 18b lediglich in ihrem Ausmaß reduziert wird.
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In jedem Fall erfolgt die geometrische Formänderung des Zelltrennelements 18a, 18b dergestalt, dass sich eine maximale Abmessung des Zelltrennelements 18a, 18b in x-Richtung reduziert. Diese geometrische Formänderung kann zumindest unter Verwendung eines Formgedächtnismaterials schlagartig beziehungsweise diskontinuierlich beim Übergang beziehungsweise bei Überschreiten der Grenztemperatur zwischen dem ersten und zweiten Temperaturbereich erfolgen. Zudem muss diese geometrische Formänderung nicht reversibel sein, was jedoch dennoch der Fall sein kann. Mit anderen Worten kann das Zelltrennelement 18a, wenn es von einer Temperatur im zweiten Temperaturbereich zu einer Temperatur im ersten Temperaturbereich überführt wird, seine Form wieder zurückändern oder aber nicht. Dies ist im vorliegenden Anwendungsfalls unerheblich, da im Falle eines thermischen Events, was die geometrische Formänderung durch die Temperaturerhöhung des Zelltrennelements 18a, 18b auslöst, vorzugsweise ohnehin eine Erneuerung der betreffenden Zelle 12 beziehungsweise des gesamten Zellpacks, in welchem die Zelle 12 angeordnet ist, durchgeführt wird.
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Insgesamt zeigen die Beispiele, wie durch die Erfindung ein temperaturabhängiges Zellzwischenmaterial zur Verwendung als Zelltrennelement bereitgestellt werden kann, welches im Normalbetrieb Kräfte und Wärme überträgt und seine Form bei hohen Temperaturen so ändert, dass Kräfte und Wärme nicht übertragen werden können, insbesondere zwischen den Zellen, zwischen welchen das Zelltrennelement angeordnet ist. Das Zellzwischenmaterial besteht vorzugsweise aus einem Material, das thermomechanisch sein Form ändern kann, wie zum Beispiel eine sogenannte Formgedächtnislegierung. Dabei überträgt das Zellzwischenmaterial im Normalbetrieb der Batterie die gewünschten Kräfte und Wärmeströme, steigt jedoch die Temperatur über einen kritischen Wert an, ändert das Zellzwischenmaterial die Form und löst sich von den jeweiligen Zellwänden ab. Dadurch entsteht ein Luftspalt, und Kräfte beziehungsweise Wärme können nicht mehr von einer auf die andere Zelle übertragen werden. Im Falle eines thermischen Durchgehens einer Zelle werden benachbarte Zelle nicht erwärmt, und deren thermisches Durchgehen kann verhindert oder zumindest hinausgezögert werden.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- WO 2014182759 A1 [0003]
- WO 2020079965 A1 [0004]
