DE102022000465A1

DE102022000465A1 - Abstandselement, Batteriemodul und Verwendung einer Gewebeschicht als thermische und mechanische Schutzschicht

Info

Publication number: DE102022000465A1
Application number: DE102022000465.8A
Authority: DE
Inventors: Stefan Riedlinger
Original assignee: Mercedes Benz Group AG
Current assignee: Mercedes Benz Group AG
Priority date: 2022-02-07
Filing date: 2022-02-07
Publication date: 2023-08-10

Abstract

Die Erfindung betrifft ein Abstandselement (20) zur Anordnung zwischen zwei benachbarten Batteriezellen (10) eines Batteriemoduls () für eine Hochvolt-Batterie eines elektrisch antreibbaren Fahrzeugs, mit zu den Batteriezellen (10) gerichteten Seitenflächen (21), mit einer Schutzeinrichtung (30), wobei die Schutzeinrichtung (30) als einhüllendes Band ausgebildet ist, welche wenigstens eine thermische und mechanische Schutzschicht (32) aufweist, wobei die Schutzeinrichtung (30) wenigstens auf den Seitenflächen (21) angeordnet ist, wobei die thermische und mechanische Schutzschicht (32) als Gewebeschicht ausgebildet ist, wobei die Gewebeschicht insbesondere Glasfaseranteile aufweist oder aus Glasfasergewebe gebildet ist, welche dazu ausgelegt ist, im Fall eines thermischen Ereignisses das Abstandselement (20) vor einer Schädigung durch hohe Temperaturen benachbarter Batteriezellen (10) zu schützen.Die Erfindung betrifft ferner ein Batteriemodul (100) mit wenigstens einem Abstandselement (20).Die Erfindung betrifft ferner eine Verwendung einer Gewebeschicht mit Glasfaseranteilen als thermische und mechanische Schutzschicht (32) zum Schutz eines Abstandselements (20) vor einer Schädigung durch hohe Temperaturen benachbarter Batteriezellen (10) im Fall eines thermischen Ereignisses.

Description

Die Erfindung betrifft ein Abstandselement eines Batteriemoduls für eine Hochvolt-Batterie eines elektrisch antreibbaren Fahrzeugs, ein Batteriemodul sowie eine Verwendung einer Gewebeschicht als thermische und mechanische Schutzschicht.
Bei elektrisch antreibbaren Fahrzeugen werden üblicherweise überwiegend elektrische Traktionsbatterien im Hochvolt-Bereich auf der Basis der Li-lonen-Technologie eingesetzt. Dabei werden Batteriezellen mit immer höherer Energiedichte verwendet.
In einer solchen Hochvolt-Batterie kann eine Batteriezelle, die beispielsweise einen zellinternen Kurzschluss erfährt, eine große Wärmemenge kombiniert mit einer großen Gasmenge freisetzen, wobei die Wärme dann auf benachbarte Zellen übertragen wird. Ein solches thermisches Ereignis mit einer folgenden thermischen Propagation in einem Batteriemodul wird durch Übertragung der thermischen Energie von der auslösenden Batteriezelle zu einer benachbarten Batteriezelle ausgelöst. Der Hauptwärmepfad ist dabei die seitliche Berührung gestapelter Batteriezellen.
Um eine solche thermische Propagation zwischen benachbarten Batteriezellen zu verhindern oder zumindest hinauszuzögern, werden üblicherweise als Trennschichten und/oder Abstandselemente hochkomplexe Aerogele und Spannmatten zwischen den Batteriezellen eingesetzt. Beide Materialien lösen sich jedoch bei den auftretenden Temperaturen eines thermischen Ereignisses auf und verlieren somit recht schnell ihre thermische Schutzwirkung.
Aerogele sind hochporöse Festkörper, bei denen bis zu 99,98 % des Volumens aus Poren bestehen. Es gibt verschiedene Arten von Aerogelen, wobei solche auf Silicatbasis am verbreitetsten sind. Andere Materialien, beispielsweise auf Kunststoff- oder Kohlenstoffbasis, kommen in Spezialfällen zur Anwendung. Grundsätzlich können alle Metalloxide, Polymere und einige andere Stoffe als Ausgangsbasis für die Aerogelsynthese mittels eines Sol-Gel-Prozesses verwendet werden.
Die DE 102016225057 A1 offenbart ein Batteriemodul, bei dem Entlüftungsklappen vorgesehen sind, die bei Druckbeaufschlagung durch ein thermisches Ereignis in einer Batteriezelle den Gasdruckschwall in einer Richtung aus der Batterieeinheit herausleiten. Hierbei sind auch Konstruktionen mit wenigstens einem Federelement vorgesehen, welches das Schließelement in Richtung seiner Schließstellung vorspannt. Die jeweilige Entlüftungseinheit ist ventilartig ausgebildet und wird bei ihrer Öffnung aufgrund des ausströmenden Gases aus dem Zellgehäuse der Batteriezelle reversibel betätigt oder zerstört.
Die DE 102020102387 A1 offenbart ein Batteriemodul für eine Traktionsbatterie eines elektrisch antreibbaren Kraftfahrzeugs, mit einem Zellverbund aus Rundzellen, wobei eine Außenseite des Zellverbunds durch Zellgehäusebereiche von randseitig in dem Zellverbund angeordneten Rundzellen gebildet ist, und einer Schutzeinrichtung, welche dazu ausgelegt ist, zumindest zwei in dem Zellverbund benachbart zueinander angeordnete Rundzellen vor einer unfallbedingten Krafteinwirkung zu schützen sowie eine thermische Propagation zwischen den zumindest zwei benachbarten Rundzellen zu verhindern. Die Schutzeinrichtung weist dazu zumindest einen Krafteinwirkungsschutzbereich, welcher zumindest teilweise überlappend mit der Außenseite des Zellverbunds an den zumindest zwei benachbarten Rundzellen angeordnet ist, und zumindest einen mit dem Krafteinwirkungsschutzbereich mechanisch verbundenen Hitzeschutzbereich auf, welcher zur thermischen Isolation der zwei benachbarten Rundzellen zwischen den zwei benachbarten Rundzellen angeordnet ist. Die Schutzeinrichtung weist einen Kunststoff und/oder Glasfaser und/oder ein umspritztes Stahlblech auf.
Eine Aufgabe der Erfindung ist es, ein Abstandselement eines Batteriemoduls für eine Hochvolt-Batterie eines elektrisch antreibbaren Fahrzeugs anzugeben, welches eine erhöhte Sicherheit beim Auftreten von thermischen Ereignissen bietet.
Eine weitere Aufgabe ist es, ein Batteriemodul für eine Hochvolt-Batterie eines elektrisch antreibbaren Fahrzeugs anzugeben, welches eine erhöhte Sicherheit beim Auftreten von thermischen Ereignissen bietet.
Eine weitere Aufgabe ist es, eine Verwendung einer Gewebeschicht als thermische und mechanische Schutzschicht aufzuweisen.
Die vorgenannten Aufgaben werden mit den Merkmalen der unabhängigen Ansprüche gelöst.
Günstige Ausgestaltungen und Vorteile der Erfindung ergeben sich aus den weiteren Ansprüchen, der Beschreibung und der Zeichnung.
Nach einem Aspekt der Erfindung wird ein Abstandselement zur Anordnung zwischen zwei benachbarten Batteriezellen eines Batteriemoduls für eine Hochvolt-Batterie eines elektrisch antreibbaren Fahrzeugs, mit zu den Batteriezellen gerichteten Seitenflächen, mit einer Schutzeinrichtung vorgeschlagen, wobei die Schutzeinrichtung als Band ausgebildet ist, welche wenigstens eine thermische und mechanische Schutzschicht aufweist, wobei die Schutzeinrichtung wenigstens auf den Seitenflächen angeordnet ist. Die thermische und mechanische Schutzschicht ist als Gewebeschicht ausgebildet, wobei die Gewebeschicht insbesondere Glasfaseranteile aufweist oder aus Glasfasergewebe gebildet ist, welche dazu ausgelegt ist, im Fall eines thermischen Ereignisses das Abstandselement vor einer Schädigung durch hohe Temperaturen benachbarter Batteriezellen zu schützen.
Auf vorteilhafte Weise kann das Abstandselement vor den hohen Temperaturen im Batteriemodul, in dem ein thermisches Ereignis auftritt, geschützt werden. Gleichzeitig können selbständig und während der gesamten Dauer des thermischen Ereignisses die Temperatureinflüsse auf benachbarte Batteriezellen deutlich, nämlich ca. 200° C bei beidseitiger Anwendung der Schutzeinrichtung, reduziert werden.
Die Schutzeinrichtung kann vorteilhaft als Gewebeband, insbesondere mit Glasfaseranteilen, ausgebildet sein und beispielsweise wenigstens auf einer Seitenfläche eines Abstandselements oder vorzugsweise ein Abstandselement ganz umhüllend aufgebracht werden. Das Band als Schutzeinrichtung kann dünn ausgebildet sein, sodass es den zur Verfügung stehenden Bauraum nicht oder nur geringfügig beeinträchtigt, und beispielsweise eine Dicke im Bereich von beispielsweise ca. 0,2 mm aufweisen.
Das Gewebeband kann dabei bei der geringen Dicke bei einer Beflammung mit einer Temperatur von ca. 1000°C trotzdem eine ca. 400° C große Temperaturdifferenz zwischen den beiden Seiten des Bandes bei genügend anliegender thermischer Masse für die kritische Minute ermöglichen.
Beidseitiges Einhüllen der Wirkmaterialien des Abstandselements mit dem Glasfasergewebe schützt diese Materialien sicher vor thermischen Zersetzungsprozessen. Sollte die thermische Auflösung trotzdem einsetzen, so bewirkt das beidseitige Glasfasergewebe eine deutliche, weitgehend druckunabhängige, Temperaturdifferenz zwischen der Außenseite des Gewebebandes und dem Inneren des Abstandselements. Dies bietet einen erheblichen Vorteil gegenüber herkömmlichen Spannmatten, welche üblicherweise gar keine Umhüllung haben, oder herkömmlichen thermischen Isolationselementen aus Aerogel, welche üblicherweise entweder nicht umhüllt sind oder mit thermisch empfindlichem Kunststoff, teilweise mit Aluminiumkaschierung mit einer Mindestdicke von 0,1 mm, oder, alternativ, mit einer Glimmerschicht umhüllt sind.
Vorteilhaft kann bei thermischen Isolationselementen mit Aerogel die Umhüllung mit dem Gewebeband sogar weitgehend bauraumneutral erfolgen, da einfach die bisherige Kunststoffumhüllung und das ggf. enthaltene Basisgeflecht durch Glasfasergewebe ersetzt werden kann.
Abstandselemente wie Spannmatten und thermische Isolationsmaterialien werden üblicherweise in einem Fließpressverfahren hergestellt und weisen dabei relativ große Dickentoleranzen auf. Das Glasfasergewebe kann jedoch mit sehr geringen Dickentoleranzen hergestellt werden. Vorteilhaft können so die thermischen Isolationseigenschaften der Abstandselemente mit dem Glasfasergewebe geschützt werden, ohne dass die ohnehin schon kritischen Dickentoleranzen der Abstandselemente weiter verschlechtert werden.
Vorteilhaft bleibt durch die mechanischen Eigenschaften des Glasfasergewebes das Gewebe im Gegensatz zu anderen bekannten Trennschichten zwischen Batteriezellen auch im Fall eines thermischen Ereignisses erhalten, sodass diese Temperaturreduktion in einer benachbarten Batteriezelle während des gesamten Ablaufs des thermischen Ereignisses realisiert werden kann.
Mit der vorgeschlagenen Schutzeinrichtung in Form eines, insbesondere glasfaserverstärkten, Bandes kann so im Fall eines thermischen Ereignisses eine thermische Propagation in dem Batteriemodul durch die Hitze eines thermischen Ereignisses in einer Batteriezelle für eine vorgegebene Zeit verhindert oder zumindest verzögert werden. Die thermische Energie einer Batteriezelle, welche einem thermischen Ereignis unterliegt, wird auf Grund der Schutzeinrichtung des Abstandselements nicht oder nur sehr verzögert auf eine benachbarte Batteriezelle übertragen.
Ohne Schutzeinrichtung würde das Abstandselement durch die Hitze der betroffenen Batteriezelle sehr schnell degradieren und/oder wegschmelzen, sodass die thermische Energie sehr schnell auf die benachbarte Batteriezelle übertragen würde und diese ebenfalls zu einem thermischen Ereignis treiben würde. Die Schutzeinrichtung verhindert eine solche Propagation durch ihre thermische Isolierfunktion. Das Abstandselement bleibt in seiner Struktur erhalten. Eine thermische Propagation im Batteriemodul wird unterdrückt oder wenigstens entscheidend verzögert.
Das glasfaserverstärkte Band stellt eine sehr kostengünstige und nachhaltige Lösung einer Schutzeinrichtung dar. Außerdem kann das glasfaserverstärkte Band beispielsweise auch sehr kostengünstig automatisiert verarbeitet werden.
Gemäß einer vorteilhaften Ausgestaltung kann das Abstandselement als thermisches Isolationselement, insbesondere eine Schicht aus Aerogel, und/oder als Dickenausgleichselement, insbesondere eine elastische Spannmatte, ausgebildet sein. So kann eine thermische Propagation bei Auftreten eines thermischen Ereignisses in einer Batteriezelle auf engstem Bauraum vermieden werden bzw. es ist eine deutliche Verlangsamung der thermischen Propagation und damit ein entscheidender Zeitgewinn zum Evakuieren von Personen aus der Umgebung eines brennenden Fahrzeugs möglich. Ein thermisches Isolationselement, insbesondere aus Aerogel, kann so die eigentliche thermische Isolationsfunktion wesentlich länger ausüben, da das temperaturempfindliche Aerogel länger erhalten bleibt. Ein Dickenausgleichselement, insbesondere eine elastische Spannmatte, welche üblicherweise zum Ausgleich von Zelldickenwachstum vorgesehen ist und keine thermische Isolationsfunktion aufweist, kann so zugleich als thermisches Isolationselement wirken und dadurch vorteilhaft eine Doppelfunktion ausüben.
Gemäß einer vorteilhaften Ausgestaltung des Abstandselements kann die Schutzeinrichtung wenigstens eine Klebeschicht, insbesondere mit duroplastischem Silikon als Klebemittel, aufweisen. Auf diese Weise bleibt das Band auch beim Aufbringen von hohen Temperaturen auf das Band auf der Seitenfläche des Abstandselements haften und kann darunter liegende Bereiche vor den hohen Temperaturen schützen. Das duroplastische Silikon stellt ein vorteilhaft nicht-korrosives, hochtemperaturbeständiges und flammhemmendes Klebemittel dar.
Gemäß einer vorteilhaften Ausgestaltung des Abstandselements kann die Schutzeinrichtung wenigstens einen anorganischen Binder und wenigstens einen anorganischen Füller aufweisen. Der anorganische Binder kann wenigstens eines aus einer Gruppe von Kaliumsilikat, Natriumsilikat oder einer Kombination davon sein. Der anorganische Füller kann wenigstens eines aus einer Gruppe von Kaolin-Ton, Talk, Glimmer, Mullit, Phlogopit, Muskovit, Montmorillonit, Smektit, Bentonit, Illit, Chlorit, Sepiolith, Attapulgit, Halloysit, Vermiculit, Laponit, Rektorit, Perlit, Glasfasern, Keramikfasern oder einer Kombination davon sein.
Alternativ oder zusätzlich kann die Schutzeinrichtung einen Polymer-Binder aufweisen. Insbesondere kann der Polymer-Binder wenigstens eines aus einer Gruppe von Methacryl-Bindemittel, ein Bindemittel auf Kautschukbasis, ein Styrol-Acryl- Bindemittel oder ein Styrol-Butadien-Bindemittel sein.
Die Schutzeinrichtung kann jedoch auch direkt als Basis für thermische Isolationselemente beispielsweise in Form von Aerogelen oder Dickenausgleichselemente beispielsweise in Form von Spannmatten dienen.
Ein solchermaßen ausgebildetes Band einer Schutzeinrichtung kann eine günstige thermische Isolationswirkung und Schutz vor hohen Temperaturen benachbarter Batteriezellen für Abstandselemente ermöglichen.
Gemäß einer vorteilhaften Ausgestaltung des Abstandselements kann an einem Außenumfang ein Abstandsrahmen vorgesehen sein, um bei bestimmungsgemäßer Verwendung einen definierten Abstand zwischen aufeinanderfolgenden Batteriezellen eines Batteriemoduls einzustellen. Der Abstandsrahmen kann optional vorgesehen sein, um einen festen Abstand zwischen benachbarten Batteriezellen in einem Zellstapel einzuhalten. Das Abstandselement kann beispielsweise in einer Art Spannrahmen als Abstandsrahmen gehalten sein und vorteilhaft zugleich als thermisches Isolationselement für den Fall eines thermischen Ereignisses dienen.
Gemäß einer vorteilhaften Ausgestaltung des Abstandselements kann die Schutzeinrichtung integriert sein. Die thermische und mechanische Schutzschicht kann beim Herstellungsprozess direkt in das thermische Isolationselement, beispielsweise aus einem Aerogel, oder das Dickenausgleichselement, beispielsweise eine elastische Spannmatte, integriert werden. Günstigerweise kann so die Dicke einer Klebeschicht des als Schutzeinrichtung verwendeten Gewebebandes eingespart und so zusätzlicher Bauraum gewonnen werden.
Nach einem weiteren Aspekt der Erfindung wird ein Batteriemodul für eine Hochvolt-Batterie eines elektrisch antreibbaren Fahrzeugs vorgeschlagen, wenigstens umfassend einen in einem Gehäuse angeordneten Zellverbund mit einer Mehrzahl von Batteriezellen, welche elektrisch miteinander verschaltet sind, wobei zwischen wenigstens zwei benachbarten Batteriezellen wenigstens ein Abstandselement mit zu den Batteriezellen gerichteten Seitenflächen angeordnet ist. Das Abstandselement weist eine Schutzeinrichtung auf, welche als Band ausgebildet ist, welche wenigstens eine thermische und mechanische Schutzschicht aufweist, wobei die Schutzeinrichtung wenigstens auf den Seitenflächen angeordnet ist. Dabei ist die thermische und mechanische Schutzschicht als Gewebeschicht ausgebildet, wobei die Gewebeschicht insbesondere Glasfaseranteile aufweist oder aus Glasfasergewebe gebildet ist, welche dazu ausgelegt ist, im Fall eines thermischen Ereignisses das Abstandselement vor einer Schädigung durch hohe Temperaturen benachbarter Batteriezellen zu schützen.
Die Schutzeinrichtung kann vorteilhaft als Gewebeband, insbesondere mit Glasfaseranteilen, ausgebildet sein und beispielsweise wenigstens auf einer Seitenfläche eines Abstandselements oder vorzugsweise ein Abstandselement ganz umhüllend aufgebracht werden. Das Band als Schutzeinrichtung kann dünn ausgebildet sein, sodass es den zur Verfügung stehenden Bauraum nicht oder nur geringfügig beeinträchtigt, und beispielsweise eine Dicke im Bereich von beispielsweise ca. 0,2 mm aufweisen.
Das Gewebeband kann dabei bei der geringen Dicke bei einer Beflammung mit einer Temperatur von ca. 1000°C trotzdem eine ca. 400° C große Temperaturdifferenz zwischen den beiden Seiten des Bandes dauerhaft ermöglichen.
Beidseitiges Einhüllen der Wirkmaterialien des Abstandselements mit dem Glasfasergewebe schützt diese Materialien sicher vor thermischen Zersetzungsprozessen. Sollte die thermische Auflösung trotzdem einsetzen, so bewirkt das beidseitige Glasfasergewebe eine deutliche, weitgehend druckunabhängige, Temperaturdifferenz zwischen der Außenseite des Gewebebandes und dem Inneren des Abstandselements. Dies bietet einen erheblichen Vorteil gegenüber herkömmlichen Spannmatten, welche üblicherweise gar keine Umhüllung haben, oder herkömmlichen thermischen Isolationselementen aus Aerogel, welche üblicherweise entweder nicht umhüllt sind oder mit thermisch empfindlichem Kunststoff, teilweise mit Aluminiumkaschierung mit einer Mindestdicke von 0,1 mm, oder, alternativ, mit einer Glimmerschicht umhüllt sind.
Vorteilhaft kann so bei thermischen Isolationselementen mit Aerogel die Umhüllung mit dem Gewebeband sogar weitgehend bauraumneutral erfolgen, da einfach die bisherige Kunststoffumhüllung und das ggf. enthaltene Basisgeflecht durch Glasfasergewebe ersetzt werden kann.
Abstandselemente wie Spannmatten und thermische Isolationsmaterialien werden üblicherweise in einem Fließpressverfahren hergestellt und weisen dabei relativ große Dickentoleranzen auf. Das Glasfasergewebe kann jedoch mit sehr geringen Dickentoleranzen hergestellt werden. Vorteilhaft können so die thermischen Isolationseigenschaften der Abstandselemente mit dem Glasfasergewebe geschützt werden, ohne dass die ohnehin schon kritischen Dickentoleranzen der Abstandselemente weiter verschlechtert werden.
Vorteilhaft bleibt so durch die mechanischen Eigenschaften des Glasfasergewebes das Gewebe im Gegensatz zu anderen bekannten Trennschichten zwischen Batteriezellen auch im Fall eines thermischen Ereignisses erhalten, sodass diese Temperaturreduktion in einer benachbarten Batteriezelle während des gesamten Ablaufs des thermischen Ereignisses realisiert werden kann.
Mit der vorgeschlagenen Schutzeinrichtung in Form eines, insbesondere glasfaserverstärkten, Bandes kann so im Fall eines thermischen Ereignisses eine thermische Propagation in dem Batteriemodul durch die Hitze eines thermischen Ereignisses in einer Batteriezelle für eine vorgegebene Zeit verhindert oder zumindest verzögert werden.
Ein weiterer Vorteil ist, dass ein glasfaserverstärktes Gewebeband als Schutzschicht den Auswirkungen eines thermischen Ereignisses in Form von sehr hohen Temperaturen in einer Batteriezelle sehr lange widerstehen kann.
Das glasfaserverstärkte Band stellt eine sehr kostengünstige Lösung einer Schutzeinrichtung dar. Außerdem kann das glasfaserverstärkte Band beispielsweise auch sehr kostengünstig automatisiert verarbeitet werden.
Gemäß einer vorteilhaften Ausgestaltung des Batteriemoduls kann das Abstandselement als thermisches Isolationselement, insbesondere eine Schicht aus Aerogel, und/oder als Dickenausgleichselement, insbesondere eine elastische Spannmatte, ausgebildet sein. So kann eine thermische Propagation bei Auftreten eines thermischen Ereignisses in einer Batteriezelle auf engstem Bauraum vermieden werden bzw. es ist eine deutliche Verlangsamung der thermischen Propagation und damit ein entscheidender Zeitgewinn zum Evakuieren von Personen aus der Umgebung eines brennenden Fahrzeugs möglich. Ein thermisches Isolationselement, insbesondere aus Aerogel, kann so die eigentliche thermische Isolationsfunktion wesentlich länger ausüben, da das temperaturempfindliche Aerogel länger erhalten bleibt. Ein Dickenausgleichselement, insbesondere eine elastische Spannmatte, welche üblicherweise zum Ausgleich von Zelldickenwachstum vorgesehen ist und keine thermische Isolationsfunktion aufweist, kann so zugleich als thermisches Isolationselement wirken und dadurch vorteilhaft eine Doppelfunktion ausüben.
Gemäß einer vorteilhaften Ausgestaltung des Batteriemoduls kann das Abstandselement an einem Außenumfang einen Abstandsrahmen aufweisen, um bei bestimmungsgemäßer Verwendung einen definierten Abstand zwischen benachbarten Batteriezellen einzustellen. Der Abstandsrahmen kann optional vorgesehen sein, um einen festen Abstand zwischen benachbarten Batteriezellen in einem Zellstapel einzuhalten. Das Abstandselement kann beispielsweise in einer Art Spannrahmen als Abstandsrahmen gehalten sein und vorteilhaft zugleich als thermisches Isolationselement für den Fall eines thermischen Ereignisses dienen.
Nach einem weiteren Aspekt der Erfindung wird eine Verwendung einer Gewebeschicht mit Glasfaseranteilen als thermische und mechanische Schutzschicht vorgeschlagen zum Schutz eines Abstandselements, insbesondere eines Dickenausgleichselements und/oder eines thermischen Isolationselements, eines Batteriemoduls für eine Hochvolt-Batterie eines elektrisch antreibbaren Fahrzeugs vor einer Schädigung durch hohe Temperaturen benachbarter Batteriezellen im Fall eines thermischen Ereignisses.
Abstandselemente können beispielsweise Dickenausgleichselemente wie elastische Spannmatten oder thermische Isolationselemente, beispielsweise mit einer Schicht aus Aerogel, sein.
Die Gewebeschicht kann vorteilhaft als Gewebeband, insbesondere mit Glasfaseranteilen, ausgebildet sein und beispielsweise wenigstens auf einer Seitenfläche eines Abstandselements oder vorzugsweise ein Abstandselement ganz umhüllend aufgebracht werden. Das Band als Schutzeinrichtung kann dünn ausgebildet sein, sodass es den zur Verfügung stehenden Bauraum nicht oder nur geringfügig beeinträchtigt, und beispielsweise eine Dicke im Bereich von beispielsweise ca. 0,2 mm aufweisen.
Das Gewebeband kann dabei bei der geringen Dicke bei einer Beflammung mit einer Temperatur von ca. 1000°C trotzdem eine ca. 400° C große Temperaturdifferenz zwischen den beiden Seiten des Bandes dauerhaft ermöglichen.
Beidseitiges Einhüllen der Wirkmaterialien des Abstandselements mit dem Glasfasergewebe schützt diese Materialien sicher vor thermischen Zersetzungsprozessen. Sollte die thermische Auflösung trotzdem einsetzen, so bewirkt das beidseitige Glasfasergewebe eine deutliche, weitgehend druckunabhängige, Temperaturdifferenz zwischen der Außenseite des Gewebebandes und dem Inneren des Abstandselements. Dies bietet einen erheblichen Vorteil gegenüber herkömmlichen Spannmatten, welche üblicherweise gar keine Umhüllung haben, oder herkömmlichen thermischen Isolationselementen aus Aerogel, welche üblicherweise entweder nicht umhüllt sind oder mit thermisch empfindlichem Kunststoff, teilweise mit Aluminiumkaschierung mit einer Mindestdicke von 0,1 mm, oder, alternativ, mit einer Glimmerschicht umhüllt sind.
Vorteilhaft kann so bei thermischen Isolationselementen mit Aerogel die Umhüllung mit dem Gewebeband sogar weitgehend bauraumneutral erfolgen, da einfach die bisherige Kunststoffumhüllung und das ggf. enthaltene Basisgeflecht durch Glasfasergewebe ersetzt werden kann.
Abstandselemente wie Spannmatten und thermische Isolationsmaterialien werden üblicherweise in einem Fließpressverfahren hergestellt und weisen dabei relativ große Dickentoleranzen auf. Das Glasfasergewebe kann jedoch mit sehr geringen Dickentoleranzen hergestellt werden. Vorteilhaft können so die thermischen Isolationseigenschaften der Abstandselemente mit dem Glasfasergewebe geschützt werden, ohne dass die ohnehin schon kritischen Dickentoleranzen der Abstandselemente weiter verschlechtert werden.
Vorteilhaft bleibt so durch die mechanischen Eigenschaften des Glasfasergewebes das Gewebe im Gegensatz zu anderen bekannten Trennschichten zwischen Batteriezellen auch im Fall eines thermischen Ereignisses erhalten, sodass diese Temperaturreduktion in einer benachbarten Batteriezelle während des gesamten Ablaufs des thermischen Ereignisses realisiert werden kann.
Mit der vorgeschlagenen Gewebeschicht in Form eines, insbesondere glasfaserverstärkten, Bandes kann so im Fall eines thermischen Ereignisses eine thermische Propagation in dem Batteriemodul durch die Hitze eines thermischen Ereignisses in einer Batteriezelle für eine vorgegebene Zeit verhindert oder zumindest verzögert werden.
Ein weiterer Vorteil ist, dass ein glasfaserverstärktes Gewebeband als Schutzschicht den Auswirkungen eines thermischen Ereignisses in Form von sehr hohen Temperaturen in einer Batteriezelle sehr lange widerstehen kann.
Das glasfaserverstärkte Band stellt eine sehr kostengünstige Lösung einer Schutzeinrichtung dar. Außerdem kann das glasfaserverstärkte Band beispielsweise auch sehr kostengünstig automatisiert verarbeitet werden.
Weitere Vorteile ergeben sich aus der folgenden Zeichnungsbeschreibung. In den Zeichnungen ist ein Ausführungsbeispiel der Erfindung dargestellt. Die Zeichnungen, die Beschreibung und die Ansprüche enthalten zahlreiche Merkmale in Kombination. Der Fachmann wird die Merkmale zweckmäßigerweise auch einzeln betrachten und zu sinnvollen weiteren Kombinationen zusammenfassen.
Dabei zeigen:

1 einen Zellverbund eines Batteriemoduls für eine Hochvolt-Batterie eines elektrisch antreibbaren Fahrzeugs in Explosionsdarstellung, wobei wenigstens ein Abstandselement nach einem Ausführungsbeispiel der Erfindung zwischen zwei Batteriezellen angeordnet ist;
2 einen Zellverbund eines Batteriemoduls für eine Hochvolt-Batterie eines elektrisch antreibbaren Fahrzeugs in Explosionsdarstellung, wobei wenigstens ein Abstandselement nach einem weiteren Ausführungsbeispiel der Erfindung zwischen zwei Batteriezellen angeordnet ist;
3 einen Querschnitt durch ein Abstandselement nach einem Ausführungsbeispiel der Erfindung;
4 einen Querschnitt durch ein Abstandselement nach einem weiteren Ausführungsbeispiel der Erfindung; und
5 einen Querschnitt durch ein Abstandselement nach einem weiteren Ausführungsbeispiel der Erfindung.

In den Figuren sind gleiche oder gleichartige Komponenten mit gleichen Bezugszeichen beziffert. Die Figuren zeigen lediglich Beispiele und sind nicht beschränkend zu verstehen.
1 zeigt einen Zellverbund 110 eines Batteriemoduls 100 für eine Hochvolt-Batterie eines elektrisch antreibbaren Fahrzeugs in Explosionsdarstellung, wobei wenigstens ein Abstandselement 20 nach einem Ausführungsbeispiel der Erfindung zwischen zwei Batteriezellen 10 angeordnet ist.
Das Batteriemodul 100 umfasst einen in einem, nicht dargestellten, Gehäuse angeordneten Zellverbund 110 mit einer Mehrzahl von Batteriezellen 10, deren Zellpole 14, 16 über Zellverbinder 54 elektrisch miteinander verschaltet sind. Zwischen wenigstens zwei benachbarten Batteriezellen 10 ist wenigstens ein Abstandselement 20 mit zu den Batteriezellen 10 gerichteten Seitenflächen 21 angeordnet. In der Explosionsdarstellung in 1 ist nur ein Abstandselement 20 zu erkennen. Es können jedoch zwischen allen Batteriezellen 10 des Zellverbunds 110 Abstandselemente 20 angeordnet sein.
Das Abstandselement 20 weist eine Schutzeinrichtung 30 auf, welche als Band ausgebildet ist, und welche wenigstens eine thermische und mechanische Schutzschicht 32 (siehe 5) aufweist. Die Schutzeinrichtung 30 ist auf den zu den benachbarten Batteriezellen 10 gerichteten Seitenflächen 21 angeordnet. Die thermische und mechanische Schutzschicht 32 ist als Gewebeschicht ausgebildet, wobei die Gewebeschicht insbesondere Glasfaseranteile aufweist oder aus Glasfasergewebe gebildet ist, welche dazu ausgelegt ist, im Fall eines thermischen Ereignisses das Abstandselement 20 vor einer Schädigung durch hohe Temperaturen benachbarter Batteriezellen 10 zu schützen.
Die Schutzeinrichtung 30 kann vorteilhaft eine Klebeschicht 34 aufweisen, mittels welcher das Band auf die Seitenfläche des Abstandselements 20 aufgeklebt ist. Alternativ kann die Schutzeinrichtung 30 direkt im Produktionsprozess in das Abstandselement 20 integriert werden.
Das Abstandselement 20 kann beispielsweise als thermisches Isolationselement 22, insbesondere eine Schicht aus Aerogel, und/oder als Dickenausgleichselement 26, insbesondere eine elastische Spannmatte, ausgebildet sein.
Bei einem Dickenausgleichselement 26, insbesondere einer elastischen Spannmatte, oder bei einem thermischen Isolationselement 22, insbesondere einem Aerogel, kann die thermische und mechanische Schutzschicht 32 vorteilhaft direkt in das Dickenausgleichselement 26 oder das thermische Isolationselement 22 integriert sein. Günstigerweise kann so die Dicke der Klebeschicht 34 des als Schutzeinrichtung verwendeten Gewebebandes eingespart und so zusätzlicher Bauraum gewonnen werden.
Die Batteriezellen 10 des Zellverbunds 110 im Batteriemodul 100 sind dicht gestapelt. Der Zellverbund 110 ist am Ende mit einer Endplatte 28 abgeschlossen und verpresst.
2 zeigt einen Zellverbund 110 eines Batteriemoduls 100 für eine Hochvolt-Batterie eines elektrisch antreibbaren Fahrzeugs in Explosionsdarstellung, wobei wenigstens ein Abstandselement 20 nach einem weiteren Ausführungsbeispiel der Erfindung zwischen zwei Batteriezellen 10 angeordnet ist.
Bei dem in 2 dargestellten Ausführungsbeispiel ist ein Abstandselement 20 erkennbar, wie es bei dem in 1 dargestellten Ausführungsbeispiel verwendet wird. Es ist zusätzlich noch ein weiteres Abstandselement 20 dargestellt, bei dem an einem Außenumfang 50 ein Abstandsrahmen 24 vorgesehen ist, um bei bestimmungsgemäßer Verwendung einen definierten Abstand zwischen aufeinanderfolgenden Batteriezellen 10 eines Batteriemoduls 100 einzustellen.
Die Abstandsrahmen 24 können beispielsweise direkt jeweils auf eine Seitenfläche 12 einer Batteriezelle 10 aufgebracht, beispielsweise aufgeklebt werden. Die Abstandsrahmen 24 erlauben den Batteriezellen 10, sich beim Zelldickenwachstum in Stapelrichtung auszudehnen, bis sie an der Seitenfläche 12 der benachbarten Batteriezelle 10 bzw. das Abstandselement 20 anstoßen. Der freie Raum innerhalb des Abstandsrahmens 24 wird dabei durch das Abstandselement 20 ausgefüllt, welches als thermisches Isolationselement 22, insbesondere eine Schicht aus Aerogel, und/oder als Dickenausgleichselement 26, insbesondere eine elastische Spannmatte, ausgebildet sein kann. Das Abstandselement 20 kann dabei kompressibel, beispielsweise als Spannmatte, oder nicht kompressibel, beispielsweise als Aerogel-Schicht, ausgebildet sein. Auf diese Weise kann die thermische Isolationsfunktion auf jeden Fall gewährleistet werden.
Zwischen der letzten Batteriezelle 10 im Zellverbund 110 und der Endplatte 28 ist in diesem Ausführungsbeispiel noch ein elektrisches Isolationselement 18, ein sogenannter Endisolator, beispielsweise eine Kunststoffplatte, angeordnet.
3 zeigt einen Querschnitt durch ein Abstandselement 20 nach einem Ausführungsbeispiel der Erfindung. In dieser schematischen Darstellung ist das Abstandselement, welches als ein thermisches Isolationselement 22, beispielsweise eine Schicht aus Aerogel, oder ein Dickenausgleichselement 26, beispielsweise eine elastische Spannmatte, ausgebildet sein kann, auf beiden Seitenflächen 21 mit der thermischen Schutzeinrichtung 30 in Form eines Gewebebandes versehen. Die Schutzeinrichtung 30 kann auf das Abstandselement 20 von außen aufgebracht, beispielsweise aufgeklebt werden oder alternativ beim Produktionsprozess direkt integriert werden.
4 zeigt einen Querschnitt durch ein Abstandselement 20 nach einem weiteren Ausführungsbeispiel der Erfindung, bei dem die thermische Schutzeinrichtung 30 in Form des Gewebebandes das thermische Isolationselement 22 oder das Dickenausgleichselement 26 vollständig umhüllt. Dabei ist das Abstandselement 20 auf seinem Außenumfang 50 in einen Abstandsrahmen 24 eingespannt. Der Abstandsrahmen 24 kann optional vorgesehen sein, um einen festen Abstand zwischen benachbarten Batteriezellen 10 in einem Zellstapel 110 einzuhalten. Das Abstandselement 20 kann beispielsweise in einer Art Spannrahmen als Abstandsrahmen 24 gehalten sein und vorteilhaft zugleich als thermisches Isolationselement 22 für den Fall eines thermischen Ereignisses dienen.
In 5 ist ein Querschnitt durch ein Abstandselement 20 nach einem weiteren Ausführungsbeispiel der Erfindung dargestellt. Das Abstandselement 20 ist dabei auf beiden Seitenflächen 21 mit einem Band als Schutzeinrichtung 30 beklebt. Die Schutzeinrichtung 30 weist eine thermische und mechanische Schutzschicht 32 sowie eine Klebeschicht 34 auf, mittels welcher das Band auf die Seitenfläche des Abstandselements 20 aufgeklebt ist. Die Klebeschicht 34 kann insbesondere duroplastisches Silikon als Klebemittel aufweisen, das sich auch bei den im Fall eines thermischen Ereignisses auftretenden hohen Temperaturen als sehr langzeitstabil erwiesen hat. Die thermische und mechanische Schutzschicht 32 ist auch gegenüber den im Zusammenhang mit dem thermischen Ereignis auftretenden hohen Temperaturen benachbarter Batteriezellen 10 sehr haltbar und langlebig.
Eine Dicke 40 der Schutzeinrichtung 30 kann günstigerweise ca. 0,2 mm betragen, wobei eine Dicke 42 der thermischen und mechanischen Schutzschicht 32 ca. 0,13 mm und eine Dicke 44 der Klebeschicht 34 ca. 0,07 mm betragen kann.
Die thermische und mechanische Schutzschicht 32 kann als Gewebeschicht ausgebildet sein, wobei die Gewebeschicht insbesondere Glasfaseranteile aufweist oder aus Glasfasergewebe gebildet ist.
In alternativen Ausführungen kann das als Schutzeinrichtung 30 verwendete Band wenigstens einen anorganischen Binder und wenigstens einen anorganischen Füller aufweisen. Dabei kann der anorganische Binder wenigstens eines aus einer Gruppe von Kaliumsilikat, Natriumsilikat oder einer Kombination davon sein. Der anorganische Füller kann wenigstens eines aus einer Gruppe von Kaolin-Ton, Talk, Glimmer, Mullit, Phlogopit, Muskovit, Montmorillonit, Smektit, Bentonit, Illit, Chlorit, Sepiolith, Attapulgit, Halloysit, Vermiculit, Laponit, Rektorit, Perlit, Glasfasern, Keramikfasern oder einer Kombination davon sein.
In einer weiteren alternativen Ausführung kann die Schutzeinrichtung 30 einen Polymer-Binder aufweisen. Insbesondere kann dabei der Polymer-Binder wenigstens eines aus einer Gruppe von Methacryl-Bindemittel, ein Bindemittel auf Kautschukbasis, ein Styrol-Acryl- Bindemittel oder ein Styrol-Butadien-Bindemittel sein.
So kann eine Gewebeschicht mit Glasfaseranteilen vorteilhaft als thermische und mechanische Schutzschicht 32 zum Schutz eines Abstandselements 20, insbesondere eines Dickenausgleichselements 26 und/oder eines thermischen Isolationselements 22, eines Batteriemoduls 100 für eine Hochvolt-Batterie eines elektrisch antreibbaren Fahrzeugs vor einer Schädigung durch hohe Temperaturen benachbarter Batteriezellen 10 im Fall eines thermischen Ereignisses verwendet werden.
Bezugszeichenliste

10: Batteriezelle
12: Seitenfläche
14: Anschlusspol
16: Anschlusspol
18: Endisolator
20: Abstandselement
21: Seitenfläche
22: thermisches Isolationselement
24: Abstandsrahmen
26: Dickenausgleichselement
28: Endplatte
30: thermische Schutzeinrichtung
32: thermische und mechanische Schutzschicht
34: Klebeschicht
40: Dicke Schutzeinrichtung
42: Dicke Schutzschicht
44: Dicke Klebeschicht
50: Außenumfang
54: Zellverbinder
100: Batteriemodul
110: Zellverbund

ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

DE 102016225057 A1 [0006]
DE 102020102387 A1 [0007]

Claims

Abstandselement (20) zur Anordnung zwischen zwei benachbarten Batteriezellen (10) eines Batteriemoduls (100) für eine Hochvolt-Batterie eines elektrisch antreibbaren Fahrzeugs, mit zu den Batteriezellen (10) gerichteten Seitenflächen (21), mit einer Schutzeinrichtung (30), wobei die Schutzeinrichtung (30) als Band ausgebildet ist, welche wenigstens eine thermische und mechanische Schutzschicht (32) aufweist, wobei die Schutzeinrichtung (30) wenigstens auf den Seitenflächen (21) angeordnet ist, wobei die thermische und mechanische Schutzschicht (32) als Gewebeschicht ausgebildet ist, wobei die Gewebeschicht insbesondere Glasfaseranteile aufweist oder aus Glasfasergewebe gebildet ist, welche dazu ausgelegt ist, im Fall eines thermischen Ereignisses das Abstandselement (20) vor einer Schädigung durch hohe Temperaturen benachbarter Batteriezellen (10) zu schützen.
Abstandselement nach Anspruch 1, ausgebildet als thermisches Isolationselement (22), insbesondere eine Schicht aus Aerogel, und/oder als Dickenausgleichselement (26), insbesondere eine elastische Spannmatte.
Abstandselement nach Anspruch 1 oder 2, wobei die Schutzeinrichtung (30) wenigstens eine Klebeschicht (34), insbesondere mit duroplastischem Silikon als Klebemittel, aufweist.
Abstandselement nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die Schutzeinrichtung (30) wenigstens einen anorganischen Binder und wenigstens einen anorganischen Füller aufweist, wobei der anorganische Binder wenigstens eines aus einer Gruppe von Kaliumsilikat, Natriumsilikat oder einer Kombination davon ist, wobei der anorganische Füller wenigstens eines aus einer Gruppe von Kaolin-Ton, Talk, Glimmer, Mullit, Phlogopit, Muskovit, Montmorillonit, Smektit, Bentonit, Illit, Chlorit, Sepiolith, Attapulgit, Halloysit, Vermiculit, Laponit, Rektorit, Perlit, Glasfasern, Keramikfasern oder einer Kombination davon ist, und/oder wobei die Schutzeinrichtung (30) einen Polymer-Binder aufweist, insbesondere wobei der Polymer-Binder wenigstens eines aus einer Gruppe von (Meth)acryl-Bindemittel, ein Bindemittel auf Kautschukbasis, ein Styrol-Acryl-Bindemittel oder ein Styrol-Butadien-Bindemittel ist.
Abstandselement nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei an einem Außenumfang (50) ein Abstandsrahmen (24) vorgesehen ist, um bei bestimmungsgemäßer Verwendung einen definierten Abstand zwischen aufeinanderfolgenden Batteriezellen (10) eines Batteriemoduls (100) einzustellen.
Abstandselement nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die Schutzeinrichtung (30) integriert ist.
Batteriemodul (100) für eine Hochvolt-Batterie eines elektrisch antreibbaren Fahrzeugs, wenigstens umfassend einen in einem Gehäuse angeordneten Zellverbund (110) mit einer Mehrzahl von Batteriezellen (10), welche elektrisch miteinander verschaltet sind, wobei zwischen wenigstens zwei benachbarten Batteriezellen (10) wenigstens ein Abstandselement (20) nach einem der vorhergehenden Ansprüche mit zu den Batteriezellen (10) gerichteten Seitenflächen (21) angeordnet ist, wobei das Abstandselement (20) eine Schutzeinrichtung (30) aufweist, welche als Band ausgebildet ist, welche wenigstens eine thermische und mechanische Schutzschicht (32) aufweist, wobei die Schutzeinrichtung (30) wenigstens auf den Seitenflächen (21) angeordnet ist, wobei die thermische und mechanische Schutzschicht (32) als Gewebeschicht ausgebildet ist, wobei die Gewebeschicht insbesondere Glasfaseranteile aufweist oder aus Glasfasergewebe gebildet ist, welche dazu ausgelegt ist, im Fall eines thermischen Ereignisses das Abstandselement (20) vor einer Schädigung durch hohe Temperaturen benachbarter Batteriezellen (10) zu schützen.
Batteriemodul nach Anspruch 7, wobei das Abstandselement (20) als thermisches Isolationselement (22), insbesondere eine Schicht aus Aerogel, und/oder als Dickenausgleichselement (26), insbesondere eine elastische Spannmatte, ausgebildet ist.
Batteriemodul nach Anspruch 7 oder 8, wobei das Abstandselement (20) an einem Außenumfang (50) einen Abstandsrahmen (24) aufweist, um bei bestimmungsgemäßer Verwendung einen definierten Abstand zwischen benachbarten Batteriezellen (10) einzustellen.
Verwendung einer Gewebeschicht mit Glasfaseranteilen als thermische und mechanische Schutzschicht (32) zum Schutz eines Abstandselements (20) nach einem der Ansprüche 1 bis 6, insbesondere eines Dickenausgleichselements (26) und/oder eines thermischen Isolationselements (22), eines Batteriemoduls (100) für eine Hochvolt-Batterie eines elektrisch antreibbaren Fahrzeugs vor einer Schädigung durch hohe Temperaturen benachbarter Batteriezellen (10) im Fall eines thermischen Ereignisses.