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Die erfindungsgemäße Technologie betrifft eine elektrische Energiespeichereinrichtung sowie ein Verfahren zum Herstellen einer solchen elektrischen Energiespeichereinrichtung und ein Kraftfahrzeug mit einer solchen Energiespeichereinrichtung.
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Elektrisch beziehungsweise elektromotorisch angetriebene oder antreibbare Fahrzeuge, wie beispielsweise als Elektro- oder Hybridfahrzeuge ausgeführte Automobile, umfassen typischerweise einen Elektromotor, welcher zur Versorgung mit elektrischer Energie an eine fahrzeugintern angeordnete (Hochvolt-)Batterie als elektrischen Energiespeicher angeschlossen ist.
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Fahrzeugbatterien weisen in der Regel eine hohe volumetrischer Energiedichte auf und stellen meist sogenannte Lithium-Ionen-Akkumulatoren dar, die eine Vielzahl von Batteriezellen umfassen. Die oftmals zylindrisch ausgeführten Batteriezellen sind auf engstem Raum nebeneinander angeordnet, bilden sogenannte Batteriemodule bzw. Batteriepacks und arbeiten auf Basis hochenergetischer Kathoden-Chemie.
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Bei interner Beschädigung eines Batteriepacks besteht die Möglichkeit eines hochenergetischen thermischen Degradationsprozesses, der auch als Thermal Runaway bezeichnet wird. Während eines Thermal Runaway einer Batteriezelle einer Lithium-Ionen-Batterie wird eine unaufhaltbare Kettenreaktion in Gang gesetzt. Dabei steigt die Temperatur innerhalb von Millisekunden in der Batteriezelle extrem an, und die gespeicherte Energie wird schlagartig freigesetzt.
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Aufgrund der Integrationszielgröße, eine möglichst hohe volumetrische Energiedichte zu erzielen, sind derartige Batteriezellen sehr eng miteinander verbaut, wobei ein Abstand zwischen den einzelnen Batteriezellen lediglich im Millimeterbereich liegt. Im Falle eines thermischen Versagens einer einzelnen Batteriezelle können in deren Bereich Betriebstemperaturen von über 800 Grad Celsius und auch darüber auftreten. Derartige Temperaturen bewirken ein Überhitzen benachbarter Batteriezellen, die ab Erreichen einer kritischen Betriebstemperatur ebenfalls thermisch durchgehen. Dieser lawinenartige Kaskadenvorgang, welcher als thermale Propagation bezeichnet wird, stellt für Hybrid- und Elektrofahrzeuge einen Sicherheitsaspekt mit hoher Priorität dar, denn durch diesen Effekt verursachte Batteriebrände stellen eine Gefahr für Mensch und Umwelt dar.
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Um der Gefahr einer thermalen Propagation zu begegnen werden in der Praxis diverse Schäume und Vergussmassen in Zwischenräume zwischen Batteriezellen eingebracht. Diese bekannten Mittel haben jedoch Nachteile unter anderem hinsichtlich hoher thermischer Leitwerte bzw. geringer thermischer Widerstände, hoher Masse oder einer Neigung zum Pyrolysieren unter den hohen Temperaturen eines Zellversagens. Weiterhin weisen derartige konventionelle Vergussmassen keine nennenswerten strukturellen Festigkeitskennwerte auf.
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Es ist eine bevorzugte Aufgabe der erfindungsgemäßen Technologie, zumindest einen Nachteil von einer vorbekannten Lösung zu verringern oder zu beheben oder eine alternative Lösung vorzuschlagen. Es ist insbesondere eine bevorzugte Aufgabe der hier offenbarten Technologie, eine elektrische Energiespeichereinrichtung bereitzustellen, die hinsichtlich mindestens eines der folgenden Faktoren verbessert ist: Herstellungszeit, Herstellungskosten, Komplexität der Herstellung, Bauraumausnutzung, Betriebssicherheit, Nachhaltigkeit und/oder Bauteilzuverlässigkeit. Weitere bevorzugte Aufgaben können sich aus den vorteilhaften Effekten der hier offenbarten Technologie ergeben. Die Aufgabe(n) wird/werden gelöst durch den Gegenstand der unabhängigen Patentansprüche. Die abhängigen Ansprüche stellen bevorzugte Ausgestaltungen dar.
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Erfindungsgemäß wird diese Aufgabe mit einer elektrischen Energiespeichereinrichtung sowie mit einem Verfahren zur Herstellung einer solchen Energiespeichereinrichtung und einem Kraftfahrzeug mit den Merkmalen der Patentansprüche 1, 9 oder 11 gelöst. Vorteilhafte Weiterbildungen sind Gegenstand der Unteransprüche sowie der nachfolgenden Beschreibung.
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Es wird mithin eine elektrische Energiespeichereinrichtung mit wenigstens einem Batteriemodul vorgeschlagen, das mehrere Batteriezellen umfasst. Zumindest in einer Kavität zwischen den Batteriezellen und/oder zwischen einer Batteriezelle und einer Wandung des Batteriemoduls ist ein elektrisch isolierendes Füllmaterial vorgesehen, das durch eine ausgehärtete Vergussmasse gebildet ist. Erfindungsgemäß sind in der Vergussmasse Hohlglaskugeln bzw. Hohlmineralkugeln angeordnet.
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Das vorgeschlagene Füllmaterial, das zwischen die individuellen Batteriezellen eines Batteriemoduls bzw. Batteriepacks und/oder zwischen die Batteriezellen und eine angrenzende Wandung beispielsweise eines Gehäuses des Batteriemoduls eingebracht wird und die Batteriezellen vorzugsweise verkapselt, kann zumindest aus zwei Phasen bzw. Materialien bestehen, nämlich dem aushärtenden Vergussmaterial und den Hohlglaskugeln.
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Durch die Verwendung der Hohlglaskugeln weist das Füllmaterial vorteilhafterweise eine geringe Dichte, einen niedrigen thermischen Leitwert sowie einen hohen thermischen Widerstand auf. Zudem ist mit einem solchen Füllmaterial vorteilhafterweise eine strukturelle Versteifung der Matrixanordnung von Batteriezellen innerhalb eines Moduls möglich.
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Gleichzeitig ist eine derart ausgeführte elektrische Energiespeichereinrichtung durch ein geringes Gesamtgewicht gekennzeichnet, was sich vorteilhaft auf einen Energiebedarf eines mit der elektrischen Energiespeichereinrichtung ausgeführten Kraftfahrzeuges auswirkt. Die hohe Festigkeit der ausgehärteten Vergussmasse kann zu weiteren konstruktiv-strukturellen Maßnahmen genutzt werden, die eine weitere Verringerung von Masse und Kosten des Gesamtbatteriesystems ermöglichen. Auch kann im Unterschied zu elastischen Vergussmassen einer möglichen seitlichen Beschädigung einer zylindrischen Zellwand ausreichend schützend entgegengewirkt werden.
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Bei einer vorteilhaften Ausführung der Erfindung kann ein Nenndurchmesser der Hohlglaskugeln in einem Bereich von 30 µm bis 100 µm, vorzugsweise von 50µm bis 70 µm, liegen, um die Vorteile eines möglichst niedrigen thermischen Leitwerts des Füllmaterials bei gleichzeitig hohem thermischem Widerstand sowie struktureller Festigkeit der Vergussmasse zu erzielen.
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Das Verhältnis der Wandstärke der Hohlglaskugeln in Relation zu ihrem Nenndurchmesser beeinflusst besonders die thermischen Eigenschaften der Hohlglaskugeln. Hohlglaskugelwandstärken mit einem Wert kleiner als 10 % des Nenndurchmessers, sind dünnwandig ausgeführt und wirken aufgrund der resultierenden besonders hohen thermischen Isolationsfähigkeit einer möglichen thermischen Propagation zwischen benachbarten Batteriezellen in gewünschtem Umfang entgegen.
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Der Hohlglaskugelanteil des Füllmaterials kann bei einer ebenfalls durch ein geringes Gesamtgewicht gekennzeichneten Ausführungsform der elektrischen Energiespeichereinrichtung 60 % bis 75 % (in Volumen %) betragen.
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Gemäß einer vorteilhaften Ausführung können die Hohlglaskugeln aus einer Glaskeramik hergestellt sein, deren Wärmeleitfähigkeit kleiner oder gleich 0,1 W/mK ist. Dann weist das Füllmaterial wiederum einen geringen thermischen Leitwert sowie einen hohen thermischen Widerstand auf. Des Weiteren sind die beispielsweise aus einer Glaskeramik auf Siliziumbasis bestehenden Hohlglaskugeln selbst bei hohen Betriebstemperaturen im Bereich einer oder mehrerer Batteriezellen aufgrund ihres geringen Wärmeausdehnungskoeffizienten durch eine gewünscht hohe Formbeständigkeit gekennzeichnet und verbinden sich optimal in einer Matrix aus aushärtbaren, polymerisierenden Kohlenwasserstoffen auch während des morphologischen Durchganges durch die Glastransitionstemperatur.
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Die Vorzüge des vorgeschlagenen Füllmaterials ergeben sich insbesondere, wenn die Hohlglaskugeln in der ausgehärteten Vergussmasse homogen verteilt sind.
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Bei weiteren vorteilhaften Ausführungsformen der erfindungsgemäßen elektrischen Energiespeichereinrichtung kann die Vergussmasse ein Epoxid-Vergussharz oder Zement umfassen.
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Weiterhin wird durch einen hohen Anteil an anorganischem Füllstoff in Form von Hohlglaskugeln verteilt in einer organischen, ausgehärteten Vergussmasse, z. B. einem Vergussharz, erreicht, dass im Falle eines Thermal Runaways einer Batteriezelle die Vergussmasse nicht pyrolysieren kann, da die thermische Stabilität der Hohlglaskugeln über den maximal möglichen Temperaturen während des Thermal Runaways liegt, was weiterhin die Betriebssicherheit erhöht.
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Die Epoxidharz- oder Zementmatrix, in welche die Hohlglaskugeln in ausgehärtetem Zustand der Vergussmasse jeweils eingebettet sind, ermöglicht einen strukturellen Verbund zwischen den einzelnen Batteriezellen, der mechanisch unterstützende Eigenschaften aufweist und über den innerhalb einer Fahrzeugkarosserie eines Elektrofahrzeuges oder eines Hybridfahrzeuges wirkende Druck-, Zug und Scherkräfte übertragen werden können. Dann stellt das Batteriemodul und damit auch die elektrische Energiespeichereinrichtung ein strukturelles Bauteil mit einer strukturellen Integrität dar, was wiederum die Möglichkeit bietet, andere Baugruppen eines Fahrzeuges mit geringerer Festigkeit und somit leichter ausführen zu können.
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Des Weiteren bietet die Epoxidharz- oder Zementmatrix im ausgehärteten Zustand der Vergussmasse einen zusätzlichen Schutz im Falle eines seitlichen Aufreißens einer Batteriezelle.
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Bei einem exothermen Versagen einer Batteriezelle können die unmittelbaren Temperaturen bekannterweise über der Pyrolysetemperatur von organischen Vergussmassen liegen. In Kombination mit den vorgeschlagenen Hohlglaskugelanteilen des Füllmaterials bleibt die thermische Isolationsfähigkeit der Vergussmasse jedoch erhalten. Dies beruht auf der Tatsache, dass die Hohlglaskugeln als Füllmaterial den hohen Temperaturen widerstehen, selbst wenn die Vergussmasse bereits thermischen Zersetzungserscheinungen unterworfen sein sollte.
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Zusätzlich bieten die vorgeschlagenen Hohlglaskugelanteile des Füllmaterials in Kombination mit einer Vergussmasse, die einen niedrigen Viskositätsindex aufweist und idealerweise aus der chemischen Familie der Epoxid-Vergussharze oder Zement bestehen, ein gutes Fließverhalten des Füllmaterials während des Vergießens des Füllmaterials und somit ein gewünscht homogenes Ausfüllen der Kavitäten bzw. Zwischenräume zwischen den einzelnen Batteriezellen.
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Des Weiteren ist es von Vorteil, wenn das elektrisch isolierende Füllmaterial nicht oder nur geringfügig hygroskopisch und nicht oder nur schwer entflammbar ist.
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Zudem wird ein Verfahren zum Herstellen der vorstehend näher beschriebenen elektrischen Energiespeichereinrichtung vorgeschlagen, während dem das Füllmaterial vor dem Aushärten mittels Vakuum-Verguss in die Kavität zwischen den Batteriezellen und/oder zwischen den Batteriezellen und einer Wandung des Batteriemoduls eingebracht und das Vergussmaterial anschließend vollständig aushärtet wird.
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Bei einer vorteilhaften Ausführung des erfindungsgemäßen Verfahrens kann die Vergussmasse des Füllmaterials zum Aushärten mit UV-Licht beaufschlagt werden.
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Weist die Vergussmasse hingegen entsprechende Radikale auf, die eine zeitliche Aushärtung der Vergussmasse nach dem Vergussprozess auslösen, ist eine zusätzliche Aktivierung der Vergussmasse mittels eines Energieeintrages, wie eine Bestrahlung mit UV-Licht oder dergleichen, nicht zur Aushärtung erforderlich.
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Grundsätzlich wird mit den vorstehend näher beschriebenen Ausführungen der elektrischen Energiespeichereinrichtung sowie mit der vorgeschlagenen Vorgehensweise eine Verbesserung der Sicherheit sogenannter Hochvolt-Batterien erreicht. Über die erfindungsgemäße Lösung werden individuelle Batteriezellen gegeneinander hinreichend thermisch isoliert. Hierfür wird ein mehrkomponentiges Isolationsmaterial vorgeschlagen, das auch den hohen Temperaturen standhält, die während eines thermischen Versagens einer Batteriezelle auftreten.
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Dabei weist das Füllmaterial eine solche thermische Beständigkeit auf, dass ein Überspringen des thermischen Versagens auf Nachbarzellen zuverlässig unterbunden wird. Weiterhin unterstützt das volumetrische Aushärten dieses Verbundmaterials die strukturelle Integrität des Batteriezellenverbundes durch mechanische Lastaufnahme während des normalen Betriebes und zusätzlich im Falle des Versagens, da sie auch eine wirkungsvolle Gegenmaßnahme gegen das seitliche Aufreißen von runden, zylindrischen Batteriezellen darstellt.
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Die offenbarte Technologie ist insbesondere bei einem hiermit ausgestatteten elektrischen oder elektrisch antreibbaren Kraftfahrzeug vorteilhaft, welches beispielsweise ein Personenkraftwagen, ein Kraftrad oder ein Nutzfahrzeug sein kann.
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Die Erfindung ist nicht auf die angegebene Kombination der Merkmale der nebengeordneten Ansprüche oder der hiervon abhängigen Ansprüche beschränkt. Es ergeben sich darüber hinaus Möglichkeiten, einzelne Merkmale, auch soweit sie aus den Ansprüchen, der nachfolgenden Beschreibung von Ausführungsformen oder unmittelbar aus der Zeichnung hervorgehen, miteinander zu kombinieren. Die Bezugnahme der Ansprüche auf die Zeichnungen durch Verwendung von Bezugszeichen soll den Schutzumfang der Ansprüche nicht beschränken.
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Die hier offenbarte Technologie wird nun anhand der Figuren der Zeichnung näher erläutert, wobei die Figuren wie auch die nachfolgende Beschreibung nur zu illustrativen Zwecken und nicht zum Zwecke der Beschränkung der Erfindung dienen.
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Es zeigt:
- 1 eine stark vereinfachte dreidimensionale Darstellung eines elektrisch angetriebenen Kraftfahrzeuges mit einer als Fahrzeugbatterie ausgebildeten elektrischen Energiespeichereinrichtung, welche mehrere Batteriemodule aufweist;
- 2 eine vergrößerte Ansicht eines Batteriemoduls der in 1 gezeigten Fahrzeugbatterie, und
- 3 eine vergrößerte Ansicht eines in 2 näher gekennzeichneten Bereiches II.
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Bezug nehmend auf 1 ist stark schematisiert ein elektrisch angetriebenes Kraftfahrzeug 1 gezeigt, wobei es für die hier offenbarte Technologie unerheblich ist, ob es sich um ein reines Elektrofahrzeug oder ein Hybridfahrzeug handelt. Das Kraftfahrzeug 1 weist zumindest eine elektrische Energiespeichereinrichtung 2 auf, welche hier eine Fahrzeugbatterie darstellt, die an unterschiedlicher, für das jeweilige Fahrzeugmodell geeigneter Stelle im Kraftfahrzeug 1 angeordnet sein kann. Die elektrische Energiespeichereinrichtung 2 weist mehrere Batteriemodule 3, auch als Batteriepack oder Akkumulatorpack bezeichnet, auf, von denen in der 1 nur einige symbolisch dargestellt sind.
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Wie in der 2 näher gezeigt ist, sind in einem jeweiligen Batteriemodul 3 innerhalb eines Gehäuses 9 zahlreiche Speicherzellen bzw. Batteriezellen 4 angeordnet, wobei die Batteriezellen 4 in Reihen bzw. Lagen organisiert angeordnet sind. Vorliegend stellen die Batteriezellen 4 zylindrische Rundzellen dar, jedoch eignet sich die hier offenbarte Technologie auch für Batteriemodule mit Speicherzellen anderer Geometrie.
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Die elektrische Energiespeichereinrichtung 2 speichert in an sich bekannter Art und Weise elektrische Energie und stellt sie für den Betrieb einer elektrischen Maschine des Kraftfahrzeugs 1 zur Verfügung. Zusätzlich ist die elektrische Energiespeichereinrichtung 2 mit elektrischer Energie aufladbar, womit die elektrische Energiespeichereinrichtung 2 als ein Akkumulator ausgebildet ist.
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Innerhalb des Gehäuses 9 des Batteriemoduls 3 bestehen Kavitäten 5 bzw. Zwischenräume zwischen den Batteriezellen 4 sowie zwischen den Batteriezellen 4 und einer an diese grenzenden Wandung 10 beispielsweise des Gehäuses 9. Diese Kavitäten 5 sind mit einem Füllmaterial 6 mittels Vakuum-Verguss vergossen, das nach dem Verguss-Prozess ausgehärtet ist. Das Füllmaterial 6 besteht in der gezeigten Ausführung aus einem Epoxid-Vergussharz 8, in dem in 3 näher dargestellte Hohlglaskugeln 7 homogen verteilt angeordnet sind, wobei die Wärmeleitfähigkeit der Hohlglaskugeln 7 kleiner als 0,1 W/mK ist.
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Ein Hohlglaskugelanteil des Füllmaterials 6 beträgt in Abhängigkeit des jeweils vorliegenden Anwendungsfalles zwischen 60 % und 75 %. Der Nenndurchmesser der Hohlglaskugeln 7 kann ebenfalls anwendungsfallabhängig zwischen 100 µm bis 180 µm variieren. Zusätzlich sind die Hohlglaskugeln 7 mit Wandstärken kleiner als 10% des Nenndurchmessers ausgeführt, um das Füllmaterial 6 mit einem möglichst geringen thermischen Leitwert bei gleichzeitig hohem thermischemn Widerstand und zusätzlich mit einem geringen Eigengewicht ausführen zu können.
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Das Füllmaterial 6 ist hinsichtlich seiner Zusammensetzung so gewählt, dass es neben der hohen thermischen Beständigkeit und der thermischen Isolation zwischen den einzelnen Batteriezellen 4 eine definierte strukturelle Integrität des Batteriemoduls erzielt, die eine Übertragung von vorgegebenen Druck-, Zug- und Scherkräften ermöglicht.
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Bezugszeichenliste
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- 1
- Kraftfahrzeug
- 2
- elektrische Energiespeichereinrichtung, Fahrzeugbatterie
- 3
- Batteriemodul
- 4
- Batteriezelle
- 5
- Kavität, Zwischenraum
- 6
- Füllmaterial
- 7
- Hohlglaskugel
- 8
- Vergussmasse, Epoxid-Vergussharz
- 9
- Gehäuse
- 10
- Wandung
