DE102022104213A1

DE102022104213A1 - Batteriezellenanordnung, Zelltrennelement und Batteriezelle für einen Energiespeicher eines Kraftfahrzeugs

Info

Publication number: DE102022104213A1
Application number: DE102022104213.8A
Authority: DE
Inventors: Markus Thurmeier; Christian Gert Voigt; Florian Dirisamer
Original assignee: Audi AG
Current assignee: Audi AG
Priority date: 2022-02-23
Filing date: 2022-02-23
Publication date: 2023-08-24
Also published as: US20230268587A1; CN116646673A

Abstract

Die Erfindung betrifft eine Batteriezellenanordnung (10) für ein Kraftfahrzeug, wobei die Batteriezellenanordnung (10) mindestens eine erste Batteriezelle (12, 12a) mit einem ersten Zellgehäuse, das eine erste Zellwand (14, 14a) umfasst, und eine zur ersten Batteriezelle (12, 12a) in einer ersten Richtung (x) benachbart angeordnete zweite Batteriezelle (12, 12b) aufweist, die ein zweites Zellgehäuse mit einer zweiten Zellwand (16, 16a) umfasst, wobei die erste Zellwand (14, 14a) und die zweite Zellwand (16, 16a) einander zugewandt sind. Dabei weist die Batteriezellenanordnung (10) ein Gasreservoir (20) auf, das mit einem Gas (22) befüllt ist, so dass das Gas (22) zwischen der ersten Zellwand (14, 14a) der ersten Batteriezelle (12, 12a) und der zweiten Zellwand (16, 16a) der zweiten Batteriezelle (12, 12b) angeordnet ist.

Description

Die Erfindung betrifft eine Batteriezellenanordnung für ein Kraftfahrzeug, wobei die Batteriezellenanordnung mindestens eine erste Batteriezelle mit einem ersten Zellgehäuse aufweist, das eine erste Zellwand umfasst, und eine zur ersten Batteriezelle in einer ersten Richtung benachbart angeordnete zweite Batteriezelle, die ein zweites Zellgehäuse mit einer zweiten Zellwand aufweist, wobei die erste und zweite Zellwand einander zugewandt sind. Des Weiteren betrifft die Erfindung auch ein Zelltrennelement zur Anordnung zwischen zwei Batteriezellen und eine Batteriezelle für einen Energiespeicher eines Kraftfahrzeugs.
Aus dem Stand der Technik sind Energiespeicher für Kraftfahrzeuge bekannt. Diese können zum Beispiel als Hochvolt-Batterien ausgebildet sein. Ein solcher Energiespeicher weist dabei typischerweise mehrere Batteriezellen auf, die zum Beispiel in einer Stapelrichtung nebeneinander angeordnet und zu einem Zellpack bzw. Zellstapel zusammengefasst sein können. Weiterhin können zwischen zwei benachbart angeordneten Batteriezellen Zelltrennelemente angeordnet sein, um die Batteriezellen voneinander elektrisch und auch thermisch möglichst gut voneinander zu separieren. Im Falle eines thermischen Durchgehens einer Batteriezelle erhitzt sich eine solche Batteriezelle sehr stark. Zudem tritt auch heißes Gas aus einer solchen thermisch durchgehenden Batteriezelle aus. Dies führt ohne weitere Gegenmaßnahmen dazu, dass sich auch benachbarte Batteriezellen sehr schnell erhitzen und im Zuge dessen ebenfalls thermisch durchgehen, was letztendlich zu einer thermischen Propagation und einem thermischen Durchgehen aller von der Batterie umfassten Batteriezellen führen kann, sowie letztendlich zu einem Batteriebrand.
Wünschenswert wäre es also, eine solche thermische Propagation zu verhindern oder zumindest hinauszögern zu können.
Die DE 10 2013 200 732 A1 beschreibt eine Vorrichtung zur Bereitstellung von Sicherheitsmaßnahmen bei Gasfreisetzung von einer Fahrzeugbatterie, insbesondere von einem beschädigten Lithium-Ionen-Akkumulator für Hybrid- oder Elektrofahrzeuge, wobei die Fahrzeugbatterie in einem eine Öffnung aufweisenden Volumenraum angeordnet ist, mit wenigstens einem mit einem Gas befüllbaren, Öffnungen aufweisenden Hüllelement, welches ausgebildet ist, sich durch Befüllung mit einem Gas in einen Volumenraum auszudehnen, derart, dass sich beim Ausdehnen des Hüllelements die Öffnungen des Hüllelements vergrößern und der Inhalt des Hüllelements durch die vergrößerten Öffnungen des Hüllelements in den Volumenraum abgegeben wird, und mit wenigstens einer Einrichtung zur Befüllung des Hüllelements, welche ausgebildet ist, bei Empfang eines Auslösesignals das Hüllelement zumindest teilweise mit Kohlenstoffdioxidgas zu befüllen, so dass sich zumindest teilweise Kohlenstoffdioxidgas als Inhalt des Hüllelements in den Volumenraum abgegeben wird. Die Ausdehnung des Hüllelements kann dazu genutzt werden, das aus den Batteriezellen entweichende Gas zu verdrängen. Gleichzeitig wird das austretende Kohlenstoffdioxidgas dazu genutzt, ein eventuell entstandenes Feuer zu löschen und den Energiespeicher zu kühlen. Allerdings erfordert diese Ausbildung zahlreiche Zusatzkomponenten und erfordert zusätzlichen Bauraum, vor allem für die Einrichtung zur Befüllung des Hüllelements und für die Aufbewahrung des Kohlenstoffdioxidgases als solches.
Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es daher, eine Batteriezellenanordnung, ein Zelltrennelement und eine Batteriezelle bereitzustellen, die es ermöglichen, die Sicherheit im Zusammenhang mit einem Energiespeicher für ein Kraftfahrzeug, insbesondere in Bezug auf ein mögliches thermisches Durchgehen einer Batteriezelle eines solchen Energiespeichers, auf möglichst bauraumsparende Weise zu erhöhen.
Diese Aufgabe wird gelöst durch eine Batteriezellenanordnung, ein Zelltrennelement und eine Batteriezelle mit den Merkmalen gemäß den jeweiligen unabhängigen Patentansprüchen. Vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung sind Gegenstand der abhängigen Patentansprüche, der Beschreibung, sowie der Figuren.
Eine erfindungsgemäße Batteriezellenanordnung für ein Kraftfahrzeug weist mindestens eine erste Batteriezelle mit einem ersten Zellgehäuse auf, das eine erste Zellwand umfasst und eine zur ersten Batteriezelle in einer ersten Richtung benachbart angeordneten zweiten Batteriezelle, die ein zweites Zellgehäuse mit einer zweiten Zellwand aufweist. Dabei sind die erste und zweite Zellwand einander zugewandt. Weiterhin weist die Batteriezellenanordnung ein Gasreservoir auf, das mit einem Gas befüllt ist, so dass das Gas zwischen der ersten Zellwand der ersten Batteriezelle und der zweiten Zellwand der zweiten Batteriezelle angeordnet ist.
Die Erfindung beruht dabei auf der Erkenntnis, dass sich durch ein Gas eine Löschwirkung und Kühlwirkung im Falle eines thermischen Durchgehens einer Batteriezelle beziehungsweise im Falle eines Zellbrands oder Batteriebrands bereitstellen lässt, aber dass sich durch ein Gas gleichzeitig auch eine sehr gute thermisch isolierte Wirkung bereitstellen lässt, was es ermöglicht, das im Gasreservoir aufgenommene Gas gleichzeitig als Zelltrennelement zwischen benachbart angeordneten Batteriezellen beziehungsweise der ersten und zweiten Zellwand zu nutzen. Dadurch lässt sich ein solches Gas auch auf besonders bauraumsparende Weise unterbringen, insbesondere ist hierfür keinerlei zusätzlicher Bauraum erforderlich. Damit lässt sich ein solches Gasreservoir auf besonders vorteilhafte und effiziente Weise in einem Zellstapel mit mehreren in Stapelrichtung benachbart angeordneten Batteriezellen integrieren, wobei die Stapelrichtung zur oben definierten ersten Richtung korrespondiert.
Durch das Gasreservoir kann damit gleichzeitig auch eine Doppelfunktion bereitgestellt werden.
Bei dem Gas handelt es sich vorzugsweise um ein sauerstofffreies Gas. Dadurch kann das Gas besonders effizient zum Löschen eines Batteriebrands oder zum Kühlen der Batteriezellen im Falle eines thermischen Durchgehens einer solchen Batteriezelle genutzt werden. Als Gas eignet sich damit vor allem Kohlenstoffdioxid, oder auch ein anderes Gas, insbesondere Inertgas, zum Beispiel ein Edelgas oder Stickstoff, oder Ähnliches. Unter einem Gas soll insbesondere auch ein Gasgemisch verstanden werden können.
Bei der ersten und zweiten Batteriezelle kann es sich zum Beispiel um Lithium-Ionen-Zellen handeln. Zudem können die Batteriezellen zum Beispiel als prismatische Batteriezellen oder Pouchzellen ausgebildet sein. Das Gasreservoir stellt beispielsweise eine Kammer beziehungsweise einen gasdicht abgeschlossenen Innenraum bereit, in welchem das Gas aufgenommen ist. Somit kann das Gas zumindest im normalen Betriebszustand der Batteriezellenanordnung, in welchem also kein Zelldefekt vorliegt beziehungsweise kein thermisches Durchgehen einer der von der Batteriezellenanordnung umfassten Batteriezellen vorliegt, nicht aus diesem durch das Gasreservoir bereitgestellten Innenraum ausdringen.
Bei einer weiteren sehr vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung weist das Gasreservoir mindestens eine freigebbare Gasaustrittsöffnung auf, und weiterhin ist das Gasreservoir so ausgestaltet, dass ein thermisches Durchgehen der ersten und/oder zweiten Batteriezelle ein Freigeben der freigebbaren Gasaustrittsöffnung und ein Ausleiten des Gases durch die freigegebene Gasaustrittsöffnung zur Kühlung der ersten und/oder zweiten Batteriezelle auslöst. Dies hat den großen Vorteil, dass das im Gasreservoir enthaltene Gas eben nicht nur zur thermischen Isolierung der Batteriezellen voneinander genutzt werden kann, sondern im Notfall auch zur aktiven Kühlung und/oder Branderstickung. Der Kühleffekt kommt insbesondere dadurch zustande, dass das Gas beim Austritt durch die Gasaustrittsöffnung expandiert und dadurch abkühlt. Entsprechend ist es von Vorteil, wenn das Gas, wenn dieses im Gasreservoir aufgenommen ist, einen Überdruck gegenüber einem Umgebungsdruck aufweist. Dieser Überdruck muss dabei im Betrieb der Batteriezellenanordnung beziehungsweise im Laufe deren Lebensdauer nicht notwendigerweise konstant sein. Beispielsweise können die Batteriezellen so beschaffen sein, dass diese ladungsabhängig an- und abschwellen, was auch als ladungsbedingtes Swelling bezeichnet wird, und zusätzlich auch im Laufe ihrer Lebensdauer anschwellen, was auch als alterungsbedingtes Swelling bezeichnet wird. Dabei dehnen sich die Batteriezellen in Stapelrichtung, das heißt, der hier definierten ersten Richtung, im Laufe der Lebensdauer zunehmend aus. Bedingt durch dieses Ausdehnen kann auch das Gasdruck im Gasreservoir entsprechend im Laufe der Zeit zunehmen, da sich hierdurch der Innenraum, in welchem das Gas aufgenommen ist, verkleinert. Dadurch ist der Kühleffekt bei Gasaustritt umso effektiver. Außerdem kann es vorgesehen sein, dass die erste und zweite Batteriezelle, sowie gegebenenfalls weitere Batteriezellen, miteinander verspannt sind. Auch dieses Verspannen führt zu einer gewissen Druckausübung auf das Gasreservoir, was wiederum den Gasdruck innerhalb des Gasreservoirs beeinflusst. Die Gaszuführung und Abführung können in einem ausgeführt sein. Mit anderen Worten kann die Öffnung, die zum Befüllen des Gasreservoirs mit Gas genutzt wird, gleichzeitig als die freigebbare Gasaustrittsöffnung genutzt werden.
Um dies zu ermöglichen ist es also vorteilhaft, wenn die Gasreservoirwände, die den Innenraum des Gasreservoir begrenzen, in welchem das Gas aufgenommen ist, zumindest zum Teil deformierbar und/oder elastisch deformierbar oder zumindest flexibel bezüglich der ersten Richtung ausgebildet sind, insbesondere in Abhängigkeit von einer Kraftbeaufschlagung oder Druckbeaufschlagung in und entgegen der ersten Richtung. Eine Druckzunahme des Gases innerhalb des Gasreservoirs kann so vorteilhafterweise dazu genutzt werden, um im Falle des Austretens des Gases durch die freigebbare Gasaustrittsöffnung einen noch effizienteren Kühleffekt hervorzurufen. Die Funktionsweise des Gasreservoirs kann dann mit der eines CO₂-Feuerlöschers verglichen werden. Somit kann vorteilhafterweise im Falle eines thermischen Durchgehens einer Batteriezelle eine besonders effiziente Lösch- und Kühlwirkung durch das Gasreservoir und das austretende Gas bereitgestellt werden. Dadurch kann ein aufkommender Batteriebrand erstickt werden, ein bereits bestehender Batteriebrand gelöscht werden und auch eine thermische Propagation gestoppt werden oder zumindest hinausgezögert werden.
Bei einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung ist die mindestens eine freigebbare Gasaustrittsöffnung so ausgestaltet, dass sie unter einer bestimmten Bedingung öffnet, die darin besteht, dass eine Temperatur und/oder ein Druck des Gases einen vorgebbaren Schwellwert überschreitet. Kommt es zu einem thermischen Durchgehen einer Batteriezelle, wie beispielsweise der ersten und/oder zweiten Batteriezelle, so führt dies aufgrund der räumlichen Nähe zum Gasreservoir auch entsprechend zu einem Temperaturanstieg des im Gasreservoir aufgenommenen Gases. Dadurch erhöht sich auch der Druck des Gases innerhalb des Gasreservoirs. Dies hat den Vorteil, dass sowohl die Temperatur des Gases als auch der Druck des Gases als Auslösemechanismen zum Freigeben der freigebbaren Gasaustrittsöffnung genutzt werden können. Beispielsweise kann die mindestens eine Gasaustrittsöffnung als Überdruckventil ausgestaltet sein, welches öffnet, wenn der Gasdruck den vorgebbaren Schwellwert überschreitet. Dieser Schwellwert ist dann entsprechend so bemessen, dass das Ventil unter normalen Betriebszuständen, in welchen also die Batteriezellenanordnung keine thermisch durchgehende Batteriezelle umfasst, geschlossen ist. Denkbar wäre aber auch eine freigebbare Gasaustrittsöffnung, welche temperaturabhängig öffnet. In jedem Fall ist es bevorzugt, dass die freigebbare Gasaustrittsöffnung den Gasaustritt unter der bestimmten Bedingung, wie das Überschreiten des vorgebbaren Schwellwerts, ohne aktive Ansteuerung öffnet. Die freigebbare Gasaustrittsöffnung kann beispielsweise auch einfach nur als Sollbruchstelle im Gasreservoir ausgebildet sein.
Darüber hinaus ist es auch möglich, dass das Gasreservoir nicht nur eine einzelne Gasaustrittsöffnung aufweist, sondern auch mehrere.
Bei einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung ist dem im Gasreservoir aufgenommen Gas ein Zustandsparameter, insbesondere ein Gasdruck und/oder eine Gastemperatur, zugeordnet, wobei die Batteriezellenanordnung derart ausgestaltet ist, dass der Zustandsparameter änderbar ist und insbesondere eine Änderung des Zustandsparameters steuerbar ist, zum Beispiel in Abhängigkeit von einem gesteuerten Laden oder Entladen zumindest einer der ersten und zweiten Batteriezelle. Beim Laden, d.h. bei einer Erhöhung des Ladezustands der betreffenden Batteriezelle, dehnt sich die Batteriezelle aus und beim Entladen schwillt diese wieder ab. Dadurch wird beim Laden von benachbart zum Gasreservoir angeordneter Batteriezellen bzw. das Gasreservoir einschließender Batteriezellen auch das Gas im Gasreservoir zunehmend komprimiert, wodurch sich dessen Gasdruck und Gastemperatur erhöht, während beim Entladen und Abschwellen der Batteriezellen sich auch der Gasdruck und dadurch aus die Gastemperatur wieder verringert. Daher kann ein gezieltes, d.h. gesteuertes, stärkeres oder weniger starkes Laden oder Entladen der ersten und/oder zweiten Batteriezelle genutzt werden und auch den Zustandsparameter des Gases gezielt zu beeinflussen bzw. zu steuern und einzustellen oder zumindest dessen Änderung, z.B. Zunahme oder Abnahme, zu steuern. Darüber hinaus bewirkt auch eine Änderung, z.B. Erhöhung, der Gastemperatur eine Änderung, z.B. Erhöhung, des Gasdrucks, so dass auch eine Einstellung oder Beeinflussung der Gastemperatur, insbesondere gesteuerte Beeinflussung der Gastemperatur zur gezielten Änderung des Zustandsparameters, insbesondere des Gasdrucks, verwendet werden kann. Die Gastemperatur lässt sich mittelbar durch die Temperatur der ersten und zweiten Batteriezelle beeinflussen, sowie beispielsweise auch durch eine Kühleinrichtung oder Temperiereinrichtung, an welche die erste und/oder zweite Batteriezelle und/oder das Gasreservoir angebunden sein können. Das Gas bzw. dessen Zustand kann sich also über die Zeit aktiv ändert (bsp Druck etc.), und dies kann zudem auch gesteuert werden, wofür z.B. eine Steuereinrichtung als Teil der Batteriezellenanordnung vorgesehen werden kann. Dadurch kann auch das Öffnen der oben genannten freigebbaren Gasaustrittsöffnung über den Zustandsparameter des Gases passiv gesteuert werden. Mit anderen Worten kann zum Beispiel der Gasdruck so gesteuert werden, dass dieser den Druckschwellwert der freigebbaren Gasaustrittsöffnung überschreitet, so dass diese öffnet.
Bei einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung weist das Gasreservoir ein Umlenkelement auf, welches im Bereich der mindestens einen freigebbaren Gasaustrittsöffnung angeordnet ist, und welches dazu ausgelegt ist, das aus der Gasaustrittsöffnung ausströmende Gas in seiner Strömungsrichtung, insbesondere in Richtung der ersten oder zweiten Batteriezelle. Beispielsweise kann das Gasreservoir so ausgestaltet sein, dass das Gas, im Falle dass die freigebbare Austrittsöffnung freigegeben ist, senkrecht zur ersten Richtung aus dem Gasreservoir ausströmt. Durch das Umlenken dieser Gasströmung mittels eines Umlenkelements ist es dann vorteilhafterweise möglich, den austretenden Gasstrom wieder gezielt in Richtung der ersten Batteriezelle und/oder der zweiten Batteriezelle zu lenken. Beispielsweise kann ein solches Umlenkelement in Form eines gebogenen Umlenkblechs oder ähnliches ausgestaltet sein. Damit wird die Kühlwirkung noch zusätzlich gesteigert.
Weiterhin können auch die Abmessungen des Gasreservoirs senkrecht zur ersten Richtung zu den entsprechenden Abmessungen der ersten und zweiten Batteriezelle korrespondieren. Damit kann der zwischen Batteriezellen zur Verfügung stehende Bauraum maximal zur Aufnahme eines Gases ausgenutzt werden und das insgesamt bereitstellbare Gasvolumen kann hierdurch maximiert werden. Auch können so benachbarte Batteriezellen sehr gut voneinander thermisch isoliert werden.
Bei einer weiteren sehr vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung weist das Gasreservoir eine erste Reservoirwand und eine zweite Reservoirwand auf, die einen Innenraum des Gasreservoirs beidseitig bezüglich der ersten Richtung begrenzen, wobei im Innenraum das Gas aufgenommen ist, insbesondere wobei die erste und/oder zweite Reservoirwand mit einer Wandstruktur ausgebildet ist, so dass eine Dicke des Innenraums zumindest in einer zweiten Richtung senkrecht zur ersten Richtung variiert.
Bei einer weiteren sehr vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung weist das Gasreservoir eine erste Reservoirwand und eine zweite Reservoirwand auf, die einen Innenraum des Gasreservoirs beidseitig bezüglich der ersten Richtung begrenzen, wobei im Innenraum das Gas aufgenommen ist, insbesondere wobei die erste und/oder zweite Reservoirwand mit einer Wandstruktur ausgebildet ist, so dass eine Dicke des Innenraums zumindest in einer zweiten Richtung senkrecht zur ersten Richtung variiert. Durch eine solche Wandstruktur lässt es sich vorteilhafterweise bewerkstelligen, die Stabilität der betreffenden Reservoirwand zu erhöhen, ohne die Wand selbst dicker ausbilden zu müssen. Beispielsweise kann die erste und/oder zweite Reservoirwand mit Vertiefungen in bzw. entgegen der ersten Richtung ausgebildet sein, die zu einer korrespondierenden Verjüngung oder Verengung des betreffenden Bereichs im Innenraum des Gasreservoirs führen. Durch die dadurch bereitgestellte erhöhte Struktursteifigkeit der ersten und/oder zweiten Reservoirwand kann beispielsweise erreicht werden, dass das Gasreservoir nicht gleich durch die Anpresskraft der benachbart angeordneten Batteriezellen kollabiert.
Zudem ist eine solche Wandstruktur auch dazu geeignet, die Druckverhältnisse im Inneren des Gasreservoirs gezielt einzustellen und anzupassen. Weiterhin kann die Wandstruktur so ausgebildet sein, dass die Dicke des Innenraums in nur eine Richtung senkrecht zur ersten Richtung, das heißt, senkrecht zur ersten Richtung, variiert, oder auch zusätzlich zu einer dritten Richtung senkrecht zur ersten Richtung und senkrecht zur zweiten Richtung. Eine eindimensionale rillenartige Struktur als Wandstruktur ist dabei besonders vorteilhaft, denn hierdurch wird der Innenraum in einzelne Gaskanäle gegliedert. Pro Kanal kann dann zum Beispiel eine freigebbare Austrittsöffnung oder Sollbruchstelle vorgesehen sein oder die Kanäle können auch fluidisch miteinander verbunden sein, dann ist auch eine gemeinsame freigebbare Austrittsöffnung für alle Kanäle ausreichend.
Bei einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung ist das Gasreservoir als von der ersten Batteriezelle und von der zweiten Batteriezelle separates Bauteil ausgebildet, insbesondere wobei die erste Reservoirwand und die zweite Reservoirwand in einem umlaufenden Randbereich miteinander gefügt sind, und wobei entlang von mindestens zwei bezüglich einer zur ersten Richtung senkrechten Richtung gegenüberliegenden Rändern des Randbereichs ein jeweiliger Abstandshalter als Teil des Gasreservoirs angeordnet ist, der an den Rändern eine bestimmte Mindestdicke des Gasreservoirs in der ersten Richtung definiert.
Grundsätzlich kann das Gasreservoir, wie dies später näher erläutert wird, prinzipiell auch in eine Batteriezelle integriert ausgeführt sein oder durch die Zellwände selbst begrenzt werden. Besonders vorteilhaft ist es jedoch, wenn das Gasreservoir als von der ersten und zweiten Batteriezelle separates Bauteil ausgebildet ist. Dies bedeutet, dass die Reservoirwände nicht Teil der ersten Batteriezelle und auch nicht Teil der zweiten Batteriezelle sind. Dies erleichtert die Fertigung der Batteriezellen und spart Kosten. Die Reservoirwände können dabei grundsätzlich aus einem Metall gefertigt sein, vorzugsweise aus Stahl, oder einer Keramik oder einem Kunststoff. Auch faserverstärkte Kunststoffe kommen hierfür in Frage. Die Gasreservoirwände können im Randbereich umlaufend mittels einer beliebigen Fügetechnik gefügt sein, zum Beispiel zusammengeschweißt sein. Die Dicke des Gasreservoirs in der ersten Richtung beträgt dabei maximal wenige Millimeter, zum Beispiel 2 bis 4 Millimeter. Durch die im Randbereich ebenfalls angeordneten Abstandshalter kann zusätzlich eine gewisse Druckentlastung für das Gasreservoir, vor allem im zentralen Bereich des Gasreservoirs, bereitgestellt werden. Diese Abstandshalter können zum Beispiel in einer Art Schienen ausgebildet sein, die an zwei gegenüberliegenden Rändern des Gasreservoirs, zum Beispiel links und rechts oder oben und unten angeordnet sind, oder auch als im Randbereich vollständig umlaufender Rahmen. Die Abstandshalter sind dabei nicht komprimierbar bzw. inkompressibel ausgebildet und gewährleisten damit immer eine bestimmte Mindestdicke, zumindest im Bereich, in dem sie angeordnet sind. Da die Abstandshalter zumindest an gegenüberliegenden Rändern des Gasreservoirs angeordnet sind, kann zumindest dann, wenn die Batteriezellen noch nicht angeschwollen sind und im Wesentlichen ebene Zellwände aufweisen, gewährleistet werden, dass auch der Bereich des Gasreservoirs zwischen den beiden Abstandshaltern nicht zu stark mit von den Zellwänden auf das Gasreservoir ausgeübtem Druck beaufschlagt wird. Somit können die Batteriezellen als Zellstapel initial mit einer bestimmten Vorspannkraft zueinander verspannt werden, ohne dass hierdurch gleich der Innenraum des Gasreservoirs, in welchem sich das Gas befindet, zu stark komprimiert wird. Im Falle der Ausbildung als von den Zellen separates Gasreservoir kann dieses auch in Form eines Beutels bereitgestellt werden, der auch als Bag oder Gasbag bezeichnet werden kann.
Die Abstandshalter können dabei auch in Form von langgestreckten Klammern ausgebildet sein, die den gefügten Randbereich der Reservoirwände umgreifen beziehungsweise einklammern. Beispielsweise kann ein solcher Abstandshalter im Querschnitt U-förmig ausgebildet sein, insbesondere mit einer Nut, in welcher der Randbereich der miteinander gefügten Reservoirwände aufgenommen ist. Im verspannten Zustand der Batteriezellenanordnung wird über so ausgebildete Abstandshalter gleichzeitig noch ein Anpressdruck auf die gefügten Ränder der Reservoirwände ausgeübt. Dies dichtet die Reservoirwände zusätzlich ab.
Auch in diesem Fall, wenn das Gasreservoir als separates Bauteil ausgebildet ist, ist es sehr vorteilhaft, wenn die Gasreservoirwände beispielsweise mit einer Wandstruktur ausgebildet sind, wie oben bereits beschrieben. Dadurch ergibt sich noch ein weiterer großer Vorteil: Sind die erste und zweite Zellwand, die an die jeweiligen Gasreservoirwände angrenzen, eben ausgebildet, so ergibt sich durch eine strukturierte Ausbildung der Reservoirwände, dass die Reservoirwände nicht vollflächig an den Zellwänden anliegen, sondern es ergeben sich auch hier wiederum Hohlräume. Dies ermöglicht es im Falle eines thermischen Durchgehens einer der Batteriezellen, das im Gasreservoir enthaltene Gas gezielt in einen solchen Hohlraum einzuleiten. Mit anderen Worten kann das Gasreservoir derart ausgebildet und zwischen der ersten und zweiten Batteriezelle angeordnet sein, dass der zwischen der ersten und zweiten Batteriezelle befindliche Zwischenraum nur zum Teil mit dem Gasreservoir befüllt ist, und zum Teil Freibereiche aufweist, in welche das im Gasreservoir enthaltene Gas unter der oben genannten vorbestimmten Bedingung einleitbar ist. Somit kann das Gas gezielt zum Kühlen der Batteriezellen in den Zwischenraum zwischen die Batteriezellen eingeleitet werden. Dort lässt sich eine besonders effiziente Kühlung der Batteriezellen bereitstellen. Nichts desto weniger wäre es aber auch denkbar, die freigebbare Austrittsöffnung in einem Randbereich des Gasreservoirs vorzusehen. Dann ist es entsprechend wieder vorteilhaft, wenn dort wiederum ein Umlenkelement angeordnet ist, um das ausströmende Gas gezielt in Richtung der ersten Batteriezelle und/oder zweiten Batteriezelle zu lenken.
Bei einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung ist die erste Reservoirwand durch die erste Zellwand des ersten Zellgehäuses bereitgestellt und die zweite Reservoirwand durch die zweite Zellwand des zweiten Zellgehäuses bereitgestellt, insbesondere wobei die erste und zweite Zellwand in einem umlaufenden Bereich zueinander abgedichtet sind und wobei im umlaufenden Randbereich zumindest abschnittsweise ein Abstandshalter angeordnet ist, der lokal einen Mindestabstand zwischen der ersten und zweiten Zellwand definiert. Somit kann vorteilhafterweise der Zwischenraum zwischen zwei Batteriezellen vollständig zur Befüllung mit einem Gas genutzt werden. Die Gasreservoirwände werden dann vorteilhafterweise durch die Zellwände der angrenzenden Batteriezellen selbst bereitgestellt. Diese können zu diesem Zweck entsprechend umlaufend in einem Randbereich zueinander abgedichtet werden. Eine solche Dichtung kann dann entsprechend gleichzeitig auch die Funktion eines Abstandshalters übernehmen. Um eine geeignete freigebbare Gasaustrittsöffnung bereitzustellen, kann diese zum Beispiel in jeden beliebigen Bereich der Dichtung integriert werden. Diese kann wiederum als Überdruckventil ausgestaltet sein oder als Sollbruchstelle oder ähnliches. Da in diesem Fall der Zwischenraum zwischen zwei zueinander benachbart angeordneten Batteriezellen vollständig zur Befüllung mit einem Gas genutzt wird ist es vorteilhaft, in einem Randbereich wiederum ein Umlenkelement vorzusehen, über welches der austretende Gasstrom auf eine der angrenzenden Batteriezellen oder auch auf beide der angrenzenden Batteriezellen umlenkbar ist.
Bei einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung stellt die erste Zellwand des Zellgehäuses eine erste Innenwand des Zellgehäuses dar, die an ein vom Zellgehäuse eingeschlossenes Inneres der ersten Batteriezelle angrenzt, wobei das Zellgehäuse eine erste Außenwand aufweist, die an eine Umgebung der ersten Batteriezelle angrenzt, wobei die erste Außenwand in der ersten Richtung neben der ersten Innenwand angeordnet ist, und wobei die erste Reservoirwand durch die erste Innenwand des ersten Zellgehäuses bereitgestellt ist und die zweite Reservoirwand durch die erste Außenwand des zweiten Zellgehäuses bereitgestellt ist.
In diesem Beispiel ist also das Gasreservoir in die erste Batteriezelle integriert. Diese kann einseitig oder beidseitig in Bezug auf die erste Richtung mit einer Art Doppelwand ausgebildet sein. In diesem Fall umfasst diese Doppelwand also eine Innenwand sowie eine Außenwand, die einen Abstand zueinander aufweisen und hierdurch einen Innenraum bereitstellen, in welchem das Gas aufgenommen ist. Die mindestens eine freigebbare Gasaustrittsöffnung kann dann zum Beispiel in einem Randbereich zwischen der Innenwand und der Außenwand vorgesehen sein oder auch in einem Bereich der Außenwand selbst, zumindest sofern hier das Gas Raum hat zu entweichen. Eine jeweilige Batteriezelle kann zum Beispiel auch nur einseitig mit einer solchen Doppelwand ausgebildet sein. Werden mehrere solcher Batteriezellen dann nebeneinander in Stapelrichtung, d.h. der ersten Richtung, angeordnet, so befinden sich zwischen je zwei benachbart angeordneten Zellinneren zweier Batteriezellen ein solches Gasreservoir. Das Zellinnere ist insbesondere dadurch definiert, dass im Inneren der Batteriezelle die Zellchemie aufgenommen ist, also beispielsweise ein Zellwickel mit Anode, Kathode und Separator, sowie ein Elektrolyt.
Weiterhin sind die Zellgehäuse nach außen hin elektrisch isolierend ausgeführt. Am einfachsten kann dies dadurch bereitgestellt werden, indem die Zellgehäuse eine elektrisch isolierende Ummantelung aufweisen, die durch eine dünne Kunststofffolie bereitgestellt sein kann. Auf jeder Batteriezelle kann eine Isolationsschicht als Teil der äußeren Zellwand vorgesehen sein, zum Beispiel aus Capton mit einer Schichtstärke von 0,08 Millimetern. Ist die Batteriezelle mit einer Doppelwand ausgebildet, so ist diese elektrische Isolierung als Teil der Außenwand ausgebildet und grenzt direkt an eine Umgebung der Batteriezelle an. In den beiden anderen zuvor beschriebenen Fällen ist die elektrische Isolierung dagegen als Teil der ersten Zellwand anzusehen, die direkt an eine Umgebung der Batteriezelle, insbesondere direkt an das im Gasreservoir aufgenommene Gas oder an eine Reservoirwand angrenzt.
Auch im Falle des in eine Batteriezelle integrierten Gasreservoirs ist es vorteilhaft, wenn zum Beispiel die Außenwand ebenfalls mit einer Oberflächenstruktur beziehungsweise einer Wandstruktur ausgebildet ist. Zum einen kann auch hier wiederum die Steifigkeit des Gasreservoirs erhöht werden. Zum anderen ist es auch hier wiederum denkbar, das Gas im Notfall gezielt in die durch diese Oberflächenstruktur bereitgestellten Hohlräume zwischen den Batteriezellen einzuleiten, was eine sehr effiziente Kühlung ermöglicht. Denkbar ist es auch, dass auch die zweite Batteriezelle doppelwandig ausgebildet ist, so dass die zweite Zellwand ebenfalls eine Innenwand darstellt, an die sich entgegen der ersten Richtung noch eine Außenwand anschließt. Die Außenwand der zweiten Batteriezelle ist dann der Außenwand der ersten Batteriezelle zugewandt. Die Wandstrukturen der jeweiligen Außenwände können dann entsprechend komplementär zueinander ausgebildet sein, so dass die beiden Außenwände der Batteriezellen, ähnlich wie Legosteine, ineinander gesteckt werden können.
Darüber hinaus kann die Batteriezellenanordnung neben der ersten und zweiten Batteriezelle noch mehrere weitere Batteriezellen aufweisen, die bezüglich der ersten Richtung nebeneinander angeordnet sind. Zwischen je zwei in der ersten Richtung nebeneinander angeordneten Batteriezellen kann dann ein entsprechendes Gas beziehungsweise Gasreservoir angeordnet sein oder jede dieser Batteriezellen kann mit einem entsprechend integrierten Gasreservoir ausgebildet sein. Dabei kann es zudem vorgesehen sein, dass das Öffnen aller freigebbaren Austrittsöffnungen der jeweiligen Gasreservoire durch einen Kopplungsmechanismus miteinander gekoppelt ist. Mit anderen Worten wird einer der mehreren freigebbaren Austrittsöffnungen freigegeben, so wird hierdurch auch ein Öffnen aller übrigen freigebbaren Gasaustrittsöffnungen ausgelöst, zumindest innerhalb eines gleichen Batteriemoduls. Beispielsweise können benachbarte oder alle übrigen freigebbaren Austrittsöffnungen durch Überströmen mit dem aus einer dieser Austrittsöffnungen bereits austretenden Gas geöffnet werden und zum Beispiel deren Verschlüssen weggerissen werden oder ähnliches. Das Öffnen der jeweiligen Austrittsöffnungen gemäß einer Art Kettenreaktion erfolgen.
Des Weiteren betrifft die Erfindung auch ein Zelltrennelement zur Anordnung zwischen zwei Batteriezellen eines Zellstapels. Das Zelltrennelement ist dabei als ein Gasreservoir ausgebildet, das eine erste Reservoirwand und eine zweite Reservoirwand aufweist, die einen Innenraum des Gasreservoirs beidseitig bezüglich einer ersten Richtung begrenzen, wobei im Innenraum ein Gas aufgenommen ist.
Die für die erfindungsgemäße Batteriezellenanordnung und ihren Ausführungsformen beschriebenen Vorteile gelten damit in gleicher Weise für das erfindungsgemäße Zelltrennelement. Dieses ist also insbesondere als von den Batteriezellen separates Gasreservoir ausgeführt, wie dieses bereits im Zusammenhang mit Ausführungsbeispielen der erfindungsgemäße Batteriezellenanordnung beschrieben worden ist. Entsprechend sollen die im Zusammenhang mit den Ausführungsformen der erfindungsgemäßen Batteriezellenanordnung bereits beschriebenen Ausbildungsmöglichkeiten des separaten Gasreservoirs auch analog für das erfindungsgemäße Zelltrennelement gelten.
Besonders vorteilhaft ist es dabei zum Beispiel, wenn das Gasreservoir mindestens eine freigebbare Gasaustrittsöffnung aufweist, durch welche das Gas unter zumindest einer bestimmten Bedingung aus dem Gasreservoir ausleitbar ist. Eine solche Austrittsöffnung kann sich zum Beispiel in einer der Reservoirwände oder in beiden Reservoirwänden befinden oder auch in einem Randbereich, in welchem die Reservoirwände miteinander gefügt sind. Auch kann hier wiederum an zwei gegenüberliegenden Rändern ein Abstandshalter vorgesehen sein.
Des Weiteren betrifft die Erfindung auch eine Batteriezelle für einen Energiespeicher eines Kraftfahrzeugs, wobei die Batteriezelle ein Zellgehäuse mit einer Innenwand aufweist, die in ein vom Zellgehäuse eingeschlossenes Inneres der Batteriezelle angrenzt. Dabei weist das Zellgehäuse eine Außenwand auf, die an eine Umgebung der Batteriezelle angrenzt, wobei die erste Außenwand in einer ersten Richtung neben der ersten Innenwand angeordnet ist, und mit der Innenwand einen vom Inneren der Batteriezelle verschiedenen Innenraum einschließt, welcher mit einem Gas befüllt ist. Mit anderen Worten ist die Batteriezelle also mit einem integrierten Gasreservoir ausgebildet. Auch hier gelten wiederum die im Zusammenhang mit den Ausführungsbeispielen der erfindungsgemäßen Batteriezellenanordnung beschriebenen Vorteile in gleicher Weise für die erfindungsgemäße Batteriezelle. Auch Weiterbildungen der erfindungsgemäßen Batteriezelle, die bereits im Zusammenhang mit der erfindungsgemäßen Batteriezellenanordnung und ihren Ausführungsformen beschrieben worden sind, sollen als zur Erfindung gehörend angesehen werden.
Zu der Erfindung gehören auch Weiterbildungen des erfindungsgemäßen Zelltrennelements und der erfindungsgemäßen Batteriezelle, die Merkmale aufweisen, wie sie bereits im Zusammenhang mit den Weiterbildungen der erfindungsgemäßen Batteriezellenanordnung beschrieben worden sind. Aus diesem Grund sind die entsprechenden Weiterbildungen des erfindungsgemäßen Zelltrennelements und der erfindungsgemäßen Batteriezelle hier nicht noch einmal beschrieben.
Auch ein Energiespeicher für ein Kraftfahrzeug, welcher eine erfindungsgemäße Batteriezellenanordnung oder eine ihrer Ausgestaltungen umfasst, sowie ein Kraftfahrzeug mit einer erfindungsgemäßen Batteriezellenanordnung oder eine ihrer Ausgestaltungen sollen ebenfalls als zur Erfindung gehöhrend angesehen werden.
Der Energiespeicher kann als Hochvoltbatterieausgebildet sein. Das erfindungsgemäße Kraftfahrzeug ist bevorzugt als Kraftwagen, insbesondere als Personenkraftwagen oder Lastkraftwagen, oder als Personenbus oder Motorrad ausgestaltet.
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.
Im Folgenden sind Ausführungsbeispiele der Erfindung beschrieben. Hierzu zeigt:

1 eine schematische Darstellung einer Batteriezellenanordnung gemäß einem Ausführungsbeispiel der Erfindung;
2 eine schematische Darstellung einer Detailansicht eines Teils der Batteriezellenanordnung aus 1 gemäß einem Ausführungsbeispiel der Erfindung;
3 eine schematische Darstellung eines als Gasreservoir ausgebildeten Zelltrennelements gemäß einem Ausführungsbeispiel der Erfindung;
4 eine schematische Darstellung einer Batteriezellenanordnung mit Zelltrennelementen gemäß 3 gemäß einem Ausführungsbeispiel der Erfindung;
5 eines schematische Darstellung einer Batteriezellenanordnung mit in den Batteriezellen integrierten Gasreservoiren gemäß einem weiteren Ausführungsbeispiel der Erfindung; und
6 eine schematische Darstellung einer Batteriezelle mit einem integrierten Gasreservoir in einer perspektivischen Darstellung gemäß einem Ausführungsbeispiel der Erfindung.

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.
In den Figuren bezeichnen gleiche Bezugszeichen jeweils funktionsgleiche Elemente.
1 zeigt eine schematische Darstellung einer Batteriezellenanordnung 10 gemäß einem Ausführungsbeispiel der Erfindung. Die Batteriezellenanordnung umfasst dabei mehrere Batteriezellen 12, die in einer Stapelrichtung nebeneinander angeordnet sind, wobei diese Stapelrichtung vorliegend durch die hier dargestellte x-Richtung repräsentiert ist und im Rahmen der vorliegenden Erfindung auch als erste Richtung bezeichnet wird. Durch diese Batteriezellenanordnung 10 ist vorliegend ein Batteriemodul 14 bereitgestellt. Endplatten 16 können dabei den Zellstapel 18 in seiner Stapelrichtung beidseitig begrenzen. Mittels dieser Endplatten 16 kann der Zellstapel 18 zudem verspannt werden.
Weiterhin umfasst die Batteriezellenanordnung 10 in diesem Beispiel mehrere Gasreservoire 20, in welchen ein Gas 22 (vgl. 2) aufgenommen ist. 2 zeigt hierzu nochmal eine vergrößerte Darstellung eines Ausschnitts aus der in 1 dargestellten Batteriezellenanordnung 10. Das im Gasreservoir 20 aufgenommene Gas 22 ist vorzugsweise CO₂, kann aber auch ein beliebig anderes, vorzugsweise sauerstofffreies, Gas darstellen. Grundsätzlich lässt sich ein solches Gasreservoir 20 auf verschiedene Weise in den Zellstapel 18 integrieren. Im vorliegenden Beispiel fungieren Zellwände der Batteriezellen 12 gleichzeitig als Reservoirwände. Wie in 2 dargestellt weist eine erste Batteriezelle 12a eine erste Zellwand 14 auf und die in x-Richtung benachbart angeordnete zweite Batteriezelle 12b eine Zellwand 16, wobei die erste Zellwand 14 der ersten Batteriezelle 12a der zweiten Zellwand 16 der zweiten Batteriezelle 12b zugewandt ist. Die erste Zellwand 14a fungiert damit als eine erste Reservoirwand 20a und die zweite Zellwand 16 der zweiten Batteriezelle 12b als zweite Reservoirwand 20b des Reservoirs 20, wobei das Gas 22 im in x-Richtung zwischen den beiden Reservoirwänden 20a, 20b befindlichen Innenraum 24 aufgenommen ist. Die beiden Zellwände 14, 16, die die Reservoirwände 20a, 20b bereitstellen, sind durch eine Dichtung 26 im Randbereich 28 der jeweiligen Reservoirwände 20a, 20b umlaufend zueinander abgedichtet. Diese Dichtung 26 kann gleichzeitig auch einen Abstandshalter 27 bereitstellen, der dafür sorgt, dass die beiden Batteriezellen 12a, 12b zumindest in diesem umlaufenden Randbereich 28 immer einen bestimmten Mindestabstand d zueinander aufweisen. Dadurch kann vorteilhafterweise gewährleistet werden, dass der Innenraum 24 durch die durch die Endplatten 16 oder einen anderen Verspannmechanismus erzeugten Anpressdruck nicht kollabiert.
Weiterhin können die Zellwände 14, 16 sowie auch die übrigen, die jeweiligen Batteriezellen 12 gegenüber einer Umgebung 30 abgrenzenden Zellwandseiten mit einer elektrischen Isolierung, zum Beispiel einer Kunststofffolie ausgebildet sein. Eine solche Kunststofffolie kann im vorliegenden Fall als Teil dieser Zellwände 14,16 aufgefasst werden und eine äußere Schicht dieser Zellwände 14, 16 darstellen. Diese Zellwände 14, 16 separieren damit also ein Inneres 32 einer jeweiligen Batteriezelle 12, in welchem auch die Zellchemie der betreffenden Batteriezelle 12 angeordnet ist, von der Umgebung 30.
Weiterhin weist das Gasreservoir 20 mindestens eine freigebbare Austrittsöffnung 34 auf. Diese ist im vorliegenden Beispiel mit einem Verschluss 36 ausgebildet, der in diesem Beispiel auch gleichzeitig als Gaslenkelement 38 fungiert. Die freigebbare Austrittsöffnung 34 kann zum Beispiel in Form einer Sollbruchstelle oder eines Überdruckventils bereitgestellt sein. Im vorliegenden Beispiel ist diese Austrittsöffnung 34 im Randbereich 28 angeordnet. Unter bestimmten Bedingungen kann diese Öffnung 34 durch Öffnen des Verschlusselements 36 freigegeben werden, wodurch das Gas 22 unter Expansion ausströmen kann, wodurch sich dieses gleichzeitig abkühlt. Dadurch kann durch das Gasreservoir 20 einerseits eine gute thermische Isolierung zwischen den Batteriezellen 12 bereitgestellt werden und gleichzeitig eine Lösch- und Kühleinrichtung, die im Falle eines thermischen Durchgehens einer Batteriezelle 12 vorteilhafterweise genutzt werden kann, um eine thermische Propagation aufzuhalten oder hinaus zu zögern und einen aufkommenden Batteriebrand zu ersticken beziehungsweise einen bereits entflammten Brand zumindest zum Teil zu löschen oder zur Löschung zumindest beizutragen.
Die freigebbare Öffnung 34 kann also so ausgebildet sein, dass diese öffnet, wenn zum Beispiel die erste Batteriezelle 12a oder die zweite Batteriezelle 12b thermisch durchgeht. Ein thermisches Durchgehen einer solchen Batteriezelle 12a, 12b äußert sich dabei in einer starken Erhitzung der betreffenden Batteriezelle 12a, 12b, wodurch sich auch entsprechend das Gas 22 im angrenzenden Innenraum 24 stark erhitzt und dadurch ausdehnt. Dies kann gleichzeitig auch als Öffnungsmechanismus zum Freigeben der freigebbaren Öffnung 34 dienen. Dieses kann zum Beispiel entsprechend als Überdruckventil ausgebildet sein oder als ein Freigabemechanismus, welcher die Öffnung 34 in Abhängigkeit vom Überschreiten einer Schwelltemperatur freigibt. Auch kann die freigebbare Öffnung 34 als Sollbruchstelle ausgeführt sein, die aufreißt, insbesondere kontrolliert aufreißt, wenn der Gasdruck im Innenraum 24 einen bestimmten Schwellwert überschreitet. Durch das kontrollierte Aufreißen lässt es sich dann vorteilhafterweise auch bewerkstelligen, dass zum Beispiel der Verschluss 36 derart aufgebogen wird, dass durch diesen im geöffneten Zustand gleichzeitig auch eine Gaslenkfunktion bereitgestellt wird. Dieser lenkt also das im vorliegenden Beispiel in z-Richtung ausströmende Gas 22 um, insbesondere in Richtung einer der benachbarten Batteriezellen 12a, 12b. Dadurch kann die Kühlwirkung kontrolliert auf die Batteriezellen 12 gelenkt werden.
Zudem ist es auch möglich und vor allem vorteilhaft, wenn ein Öffnen der jeweiligen freigebbaren Öffnungen 34 der Batteriezellenanordnung 10 gekoppelt ist. Beispielsweise kann das Ausströmen des Gases 22 aus einer bereits geöffneten Öffnung 34 ein Öffnen der benachbarten freigebbaren Öffnungen 34 bewirken. Das dann entsprechend ausströmende Gas 22 kann wiederum ein Öffnen der benachbarten freigebbaren Öffnung 34 des in x-Richtung nächstgelegenen Gasreservoirs oder entgegen x-Richtung nächstgelegenen Gasreservoirs 20 bewirken und so weiter. Im Falle eines thermischen Durchgehens einer Batteriezelle 12 kann die betreffende Batteriezelle 12 sowie auch alle übrigen Batteriezellen 12 durch das ausströmende Gas 22 besonders effizient gekühlt werden und ein Brand dadurch verhindert oder zumindest hinausgezögert werden oder sogar gelöscht werden.
Das ausströmende Gas 22 wirkt dabei wie das eines CO₂-Feuerlöschers. Entsprechend ist es vorteilhaft, wenn das Gas 22, so lange die Öffnung 34 verschlossen ist, einen gewissen Überdruck gegenüber dem Druck in der um 30 aufweist, da die Abkühlung des Gases 22 beim Austritt aus der Öffnung 34 von der Druckdifferenz abhängt. Dabei kann zudem noch vorteilhafterweise die Tatsache genutzt werden, dass die Batteriezellen 12 im Laufe ihrer Lebensdauer in x-Richtung anschwellen. Dies führt zu einer Komprimierung des Innenraums 24, und damit zu einem steigenden Gasdruck des Gases 22 in diesem Innenraum 24. Dies steigert nochmals die Effizienz der Abkühlung des Gases 22 im Falle eines Gasaustritts.
Die Gasreservoirwände 20a, 20b müssen aber nicht notwendigerweise durch Zellwände 14, 16 selbst bereitgestellt werden, sondern das Gasreservoir 20 kann auch als eigenständiges Bauteil, insbesondere separat von den Batteriezellen 12, bereitgestellt sein.
Ein solches separates Gasreservoir 20 ist exemplarisch in 3 in einer Draufsicht dargestellt, das heißt in einer Draufsicht auf die z-Richtung, die zum Beispiel zu einer Fahrzeughochrichtung korrespondieren kann, wenn ein solches Gasreservoir 20 und insbesondere eine Batteriezellenanordnung 10 in eine Kraftfahrzeug Anwendung findet. Aber auch andere Einbaulagen sind denkbar. In diesem Beispiel ist nunmehr das Gasreservoir 20 also als separates Bauteil ausgeführt und weist wiederum eine erste Reservoirwand 20a und eine zweite Reservoirwand 20b auf, zwischen welchen in x-Richtung ein Gas 22 aufgenommen ist. Die beiden Gasreservoirwände 20a, 20b sind in einem Randbereich 28` umlaufend zusammengefügt, zum Beispiel geschweißt. Die Reservoirwände 20a, 20b schließen also wiederum einen Innenraum 24 ein, in welchem sich das Gas 22 befindet. Weiterhin sind die Reservoirwände 20a, 20b in diesem Beispiel mit einer Wandstruktur 40 ausgebildet. Diese führt dazu, dass eine Dicke d` des Innenraums 24 zumindest in einer Richtung senkrecht zur x-Richtung, vorliegend in der hier dargestellten y-Richtung, variiert. Durch diese Wandstruktur 42 kann die Steifigkeit des Gasreservoirs 20 erhöht werden.
4 zeigt dabei noch einmal eine schematische Darstellung einer Batteriezellenanordnung 10 mit mehreren Batteriezellen 12, die in Stapelrichtung, das heißt der hier dargestellten x-Richtung, nebeneinander angeordnet sind, wobei zwischen je zwei in x-Richtung benachbart angeordneten Batteriezellen 12 ein Gasreservoir 20 wie in 3 dargestellt angeordnet ist. Bis auf die Ausbildung des Gasreservoirs 20 kann diese Batteriezellenanordnung 10 im Übrigen wie bereits zu 1 und 2 beschrieben ausgebildet sein. Schwellen die Batteriezellen 12 im Laufe ihrer Lebensdauer in x-Richtung an, so erhöht sich vor allem die Druckkraft im zentralen Bereich auf das Gasreservoir 20 zwischen je zwei Batteriezellen 12. Durch die oben beschriebene Wandstruktur 42 kann erreicht werden, dass der Innenraum 24, in welchem das Gas 22 aufgenommen ist, nicht zu stark komprimiert wird. Die durch die Wandstruktur 42 bereitgestellten Rillen beziehungsweise Vertiefungen fungieren dann entsprechend als Stützstellen in x-Richtung. Weiterhin ist es vorteilhaft, wenn das Gasreservoir 20 in diesem Fall auch noch Abstandshalter 27 aufweist. Diese weisen in x-Richtung eine gewisse Mindestdicke d auf, die wiederum einen gewissen Mindestabstand zwischen benachbart angeordneten Batteriezellen 12 gewährleistet. Auch hierdurch kann verhindert werden, dass das Gasreservoir 20 kollabiert.
Im vorliegenden Beispiel sind diese Abstandshalter 27 gleichzeitig als Klemmen ausgebildet, in welchen die Randbereiche 28` der Reservoirwände 20a, 20b aufgenommen sind, zumindest die in und entgegen y-Richtung gelegenen Randbereiche 28`. Optional können diese Abstandshalter 27 nicht nur als eine Art Schienen, die sich in z-Richtung erstrecken, ausgebildet sein, sondern optional auch als vollständig umlaufender Rahmen. Durch die Klemmwirkung, die somit durch die Geometrie der Abstandshalter 27 bereitgestellt werden kann, wird eine zusätzliche Abdichtung im Randbereich 28` des Reservoirs 20 erreicht. Im Übrigen können die Abstandshalter 27 auch mit einem Scharnier ausgebildet sein, um die Anbringung im Randbereich 28' zu erleichtern. Beispielsweise kann ein solcher Abstandshalter 27 zwei Schenkel 27a, 27b aufweisen, die zum Beispiel über ein Scharnier, auseinander geklappt werden können, so dass der Gasbeutel, der durch die beiden Gasreservoirwände 20a, 20b mit dem darin aufgenommenen Gas 22 bereitgestellt wird, einfach in einen solchen Abstandshalter eingelegt werden kann und dieser dann durch Zusammenklappen der Schenkel 27a, 27b geschlossen werden kann. Durch das Vorsehen einer solchen Biegemöglichkeit beziehungsweise eines Scharniers ist es zudem möglich, im Zellverbund, das heißt, der Batteriezellenanordnung 10, zusätzlich Druckkräfte, die von den Batteriezellen 12 auf diese Abstandshalter 27 wirken, als Anpresskräfte auf den Randbereich 28' der Reservoirwände 20a, 20b zu übertragen.
Weiterhin weisen auch diese Gasreservoire 20 wiederum mindestens eine freigebbare Öffnung 34 auf. Diese kann wiederum in einem das Gasreservoir 20 in oder entgegen z-Richtung begrenzenden Randbereich angeordnet sein. In diesem Fall bietet sich aber auch die Möglichkeit, eine solche freigebbare Öffnung 34 wie in 4 dargestellt, in eine der Wände 20a, 20b zu integrieren, so dass das Gas 22 im Falle eines Öffnens einer solchen freigebbaren Öffnung in einen freien Hohlraum 44 zwischen den Batteriezellen 12 expandieren kann, welcher zudem wiederum mit der Umgebung 30 fluidisch verbunden sein kann. Dadurch kann dann auf besonders effiziente Weise eine Kühlwirkung zwischen den Batteriezellen 12 bereitgestellt werden.
Eine weitere Möglichkeit zur Ausbildung eines Gasreservoirs 20 ist es, dieses in eine Batteriezelle 12 selbst zu integrieren, wie dies exemplarisch in 5 veranschaulicht ist. 5 zeigt hierzu schematisch wiederum eine Darstellung einer Batteriezellenanordnung 10 gemäß einem weiteren Ausführungsbeispiel der Erfindung. Auch diese weist exemplarisch eine erste Batteriezelle 12a sowie eine zweite Batteriezelle 12b auf. Die erste Batteriezelle 12a weist wiederum ein Zellinneres 32 auf, in welchem auch die Zellchemie angeordnet ist. Dieses Zellinnere 32 wird durch einen Innenwand 14a der Batteriezelle 12a begrenzt. In x-Richtung neben dieser Innenwand 14a weist die Batteriezelle 12a noch eine weitere Außenwand 14b auf. Zwischen der Innenwand 14a und der Außenwand 14b ist wiederum ein Innenraum 24 bereitgestellt, welcher mit Gas 22 befüllt ist, welches wiederum CO₂ sein kann oder ein beliebig anderes sauerstofffreies Gas. Damit ist das Gasreservoir 20 also in die erste Batteriezelle 12a integriert, wobei entsprechend die Innenwand 14a als erste Reservoirwand 20a fungiert und die Außenwand 14b der Batteriezelle 12a als zweite Reservoirwand 20b. Die Innenwand 14a und die Außenwand 14b sind wiederum in einem Randbereich 28" umlaufend miteinander gefügt, zum Beispiel verschweißt, und damit schließen sie den Innenraum 24 gasdicht ab.
Weiterhin weist im vorliegenden Beispiel wiederum die Außenwand 14b eine Wandstruktur 42 auf. Durch diese Wandstruktur 42 lässt sich wiederum die Stabilität und Struktursteifigkeit des Gasreservoirs 20 erhöhen. Dies verhindert ein sofortiges Platzen des Gasreservoirs 20 und ermöglicht ein kontrolliertes Ausleiten des Gases 22 im Falle eines thermischen Durchgehens einer Batteriezelle 12. Auch die zweite Batteriezelle 12b ist analog mit einem integrierten Gasreservoir 20 ausgebildet. Die Gasreservoirwände 20a, 20b korrespondieren also im Falle der zweiten Batteriezelle 12b zu einer Innenwand 16a dieser zweiten Batteriezelle 12b und zu einer Außenwand 16b dieser zweiten Batteriezelle 12b, analog wie zur ersten Batteriezelle 12a beschrieben, lediglich auf der bezüglich der x-Richtung gegenüberliegenden Seite. Weiterhin ist auch in diesem Fall die Außenwand 16b mit einer Wandstruktur 42 ausgebildet. Diese Wandstruktur 42 ist dabei komplementär zur Wandstruktur 42 der Außenwand 14b der ersten Batteriezelle 12a ausgebildet. Die ermöglicht es, die beiden Batteriezellen 12a, 12b kompakt zueinander anzuordnen, so dass die strukturierten Außenwände 14b, 16b ineinander greifen. Hierdurch sind auch andersartige Ausgestaltungen denkbar. Beispielsweise könnte auch die jeweilige Außenwand 14b, 16b eben ausgebildet sein und die jeweiligen Innenseiten 14a, 16a können mit einer entsprechenden Wandstruktur 42 versehen sein. Auch ist es denkbar, dass eine jeweilige Batteriezelle 12 immer nur an einer und dafür immer an der gleichen Seite bezüglich der x-Richtung, das heißt, der Stapelrichtung, ein solches integriertes Gasreservoir 20 aufweist. Durch Aneinanderreihen solcher Batteriezellen 12 in x-Richtung aneinander ist automatisch zwischen je zwei Zellinneren 32 ein solches Gasreservoir 20 angeordnet.
6 zeigt nochmal eine schematische und perspektivische Darstellung einer solchen Batteriezelle 12 mit einem integrierten Gasreservoir 20, von welchem in dieser Darstellung lediglich die strukturierte Außenwand 16b zu sehen ist, die die Reservoirwand 20b bereitstellt. Die Batteriezelle 12 korrespondiert insbesondere zur zweiten Batteriezelle 12b aus 5.
Auch in diesem Beispiel können die jeweiligen Gasreservoire 20 wiederum über eine entsprechende freigebbare Austrittsöffnung 34 verfügen. Eine solche ist für das jeweilige Gasreservoir 20 der ersten Batteriezelle 12a und der zweiten Batteriezelle 12b in 5 dargestellt. Zudem können die Batteriezellen, wie in diesem Beispiel die zweite Batteriezelle 12b, wieder mit einem Umlenkelement 38 ausgebildet sein, um den Gasstrom des austretenden Gases 22 geeignet auf die Batteriezellen 12 zu lenken. Hierdurch wird wiederum die Kühlwirkung gesteigert.
Insgesamt zeigen die Beispiele, wie durch die Erfindung bzw. ihre Ausführungsformen ein CO₂-Bag zwischen Batteriezellen bereitgestellt werden kann. Hierbei wird der Bauraum zwischen den Batteriezellen genutzt, in welchem sich bei herkömmlichen Batterien ein Isolationsmaterial befindet. Der Bauraum zwischen zwei Batteriezellen ist dabei typischerweise zwei bis vier Millimeter und wird nun genutzt, um hierin ein Gas zu speichern. Ein solches Gas hat eine deutlich bessere Isolationswirkung wie bisher üblicherweise verwendete Isolationsmaterialien. Zudem kann das Gas genutzt werden, um bei einem thermischen Durchgehen einer Batteriezelle zu kühlen. Denn das Gas kann über die Zeit extrem komprimiert werden und mit Temperatur beaufschlagt werden, so dass der Druck wie bei einem CO₂-Feuerlöscher genutzt werden kann, um bei Gasaustritt zu kühlen.
Das gespeicherte Gas kann hinsichtlich Druck und Temperatur also aktiv verändert werden. Die Integration eines solchen Gasspeichers beziehungsweise Gasreservoirs in eine Zellanordnung kann verschiedene Ausprägungen annehmen. Beispielsweise kann das Gas mittels der Zellwände abgedichtet werden oder das Gas wird über einen Hohlraum direkt in der Batteriezelle durch Zellstrukturen und doppelte Wandung abgedichtet. Auch kann das Gas in einem separaten Bag gespeichert und zwischen zwei Batteriezellen gelegt werden. Das Bag oder im Allgemeinen die Gasreservoirwände können dabei aus Aluminium, Stahl, Keramik oder Kunststoff bestehen. Weiterhin hat das Bag beziehungsweise im Allgemeinen das Gasreservoir ein Überdruckventil, welches sich im Berstfall öffnet und die Batteriezellen durch das ausströmende Gas kühlt. Weiterhin kann der Gasspeicher mit unterschiedlichen Strukturen behaftet sein, um die Parameter Druck und Temperatur unterschiedlich zu steuern. Ist die Struktur, das heißt, Bag, Hohlraum oder Batteriezelle, steifer, so werden Druck und Temperatur geringer steigen. Insbesondere der Gasdruck wird über den Produktlebenszyklus gesteigert, bedingt durch das Swelling der Batteriezellen. Der Gasdruck kann beim Verbau der Batteriezellen zu Modulen durch Verspannen erhöht werden. Auch Abstandshalter können optional zwischen den Batteriezellen vorhanden sein. Weiterhin kann eine gezielte Gaslenkung, zum Beispiel durch Umlenkelemente, erfolgen, um die Batteriezelle beziehungsweise das Modul gezielt zu kühlen. Auch kann ein gezieltes Öffnen des Kanals und eine Lenkung des Gases bereitgestellt sein, was ebenfalls durch ein Gaslenkelement realisiert werden kann. Dieses kann an jeder Batteriezelle einzeln sein oder auch je Modul eine Abführung beziehungsweise ein Gaslenkelement vorhanden sein. Zudem kann die Gaslenkung der Bags zueinander gekoppelt werden, damit sie nacheinander, sobald ein Bag sich öffnet, auch geöffnet werden. Somit werden ähnlich einem Feuerwerk die Gasbags nacheinander geöffnet.
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

DE 102013200732 A1 [0004]

Claims

Batteriezellenanordnung (10) für ein Kraftfahrzeug, wobei die Batteriezellenanordnung (10) aufweist: - mindestens eine erste Batteriezelle (12, 12a) mit einem ersten Zellgehäuse, das eine erste Zellwand (14, 14a) umfasst, und - eine zur ersten Batteriezelle (12, 12a) in einer ersten Richtung (x) benachbart angeordnete zweite Batteriezelle (12, 12b), die ein zweites Zellgehäuse mit einer zweiten Zellwand (16, 16a) aufweist; - wobei die erste Zellwand (14, 14a) und die zweite Zellwand (16, 16a) einander zugewandt sind, dadurch gekennzeichnet, dass die Batteriezellenanordnung (10) ein Gasreservoir (20) aufweist, das mit einem Gas (22) befüllt ist, so dass das Gas (22) zwischen der ersten Zellwand (14, 14a) der ersten Batteriezelle (12, 12a) und der zweiten Zellwand (16, 16a) der zweiten Batteriezelle (12, 12b) angeordnet ist.
Batteriezellenanordnung (10) nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das Gasreservoir (20) mindestens eine freigebbare Gasaustrittsöffnung (34) aufweist, und das Gasreservoir (20) so ausgestaltet ist, dass ein thermisches Durchgehen der ersten Batteriezelle (12, 12a) und/oder zweiten Batteriezelle (12, 12b) ein Freigeben der freigebbare Gasaustrittsöffnung (34) und ein Ausleiten des Gases (22) durch die freigegebene Gasaustrittsöffnung (34) zur Kühlung der ersten Batteriezelle (12, 12a) und/oder zweiten Batteriezelle (12, 12b) auslöst, insbesondere wobei die mindestens eine freigebbare Gasaustrittsöffnung (34) so ausgestaltet ist, dass sie unter einer bestimmten Bedingung öffnet, die darin besteht, dass eine Temperatur und/oder ein Druck des Gases (22) einen vorgebbaren Schwellwert überschreitet.
Batteriezellenanordnung (10) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass dem im Gasreservoir (20) aufgenommen Gas (22) ein Zustandsparameter, insbesondere ein Gasdruck und/oder eine Gastemperatur, zugeordnet ist, wobei die Batteriezellenanordnung (10) derart ausgestaltet ist, dass der Zustandsparameter änderbar ist und insbesondere eine Änderung des Zustandsparameters steuerbar ist.
Batteriezellenanordnung (10) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Gasreservoir (20) ein Umlenkelement (38) aufweist, welches im Bereich der mindestens einen freigebbaren Gasaustrittsöffnung (34) angeordnet ist, und welches dazu ausgelegt ist, das aus der Gasaustrittsöffnung (34) ausströmende Gas (22) in seiner Strömungsrichtung umzulenken, insbesondere in Richtung der ersten Batteriezelle (12, 12a) und/oder zweiten Batteriezelle (12, 12b).
Batteriezellenanordnung (10) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Gasreservoir (20) eine erste Reservoirwand (20a) und eine zweite Reservoirwand (20b) aufweist, die einen Innenraum (24) des Gasreservoirs (20) beidseitig bezüglich der ersten Richtung (x) begrenzen, wobei im Innenraum (24) das Gas (22) aufgenommen ist, insbesondere wobei die erste Reservoirwand (20a) und/oder zweite Reservoirwand (20b) mit einer Wandstruktur (42) ausgebildet ist, so dass eine Dicke (d`) des Innenraums (24) zumindest in einer zweiten Richtung (y) senkrecht zur ersten Richtung (x) variiert.
Batteriezellenanordnung (10) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Gasreservoir (20) als von der ersten Batteriezelle (12, 12a) und zweiten Batteriezelle (12, 12b) separates Bauteil ausgebildet ist, insbesondere wobei die erste Reservoirwand (20a) und die zweite Reservoirwand (20b) in einem umlaufenden Randbereich (28`) miteinander gefügt sind, und wobei entlang von mindestens zwei bezüglich einer zur ersten Richtung (x) senkrechten Richtung (y, z) gegenüberliegenden Rändern des Randbereichs (28`) ein jeweiliger Abstandshalter (27) als Teil des Gasreservoirs (20) angeordnet ist, der an den Rändern eine bestimmte Mindestdicke (d) des Gasreservoirs (20) in der ersten Richtung (x) definiert.
Batteriezellenanordnung (10) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die erste Reservoirwand (20a) durch die erste Zellwand (14) des ersten Zellgehäuses bereitgestellt ist und die zweite Reservoirwand (20b) durch die zweite Zellwand (16) des zweiten Zellgehäuses bereitgestellt ist, insbesondere wobei die erste Zellwand (14) und zweite Zellwand (16) in einem umlaufenden Randbereich (28) zueinander abgedichtet sind und wobei im umlaufenden Randbereich (28) zumindest abschnittswiese ein Abstandshalter (27) angeordnet ist, der lokal einen Mindestabstand(d) zwischen der ersten Zellwand (14) und zweiten Zellwand (16) definiert.
Batteriezellenanordnung (10) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass - die erste Zellwand (14a) des Zellgehäuses eine erste Innenwand (14a) des Zellgehäuses darstellt, die an ein vom Zellgehäuse eingeschlossenes Inneres (32) der ersten Batteriezelle (12, 12a) angrenzt, - wobei das Zellgehäuse eine erste Außenwand (14b) aufweist, die an eine Umgebung (30) der ersten Batteriezelle (12, 12a) angrenzt, wobei die erste Außenwand (14b) in der ersten Richtung (x) neben der ersten Innenwand (14a) angeordnet ist, - wobei die erste Reservoirwand (20a) durch die erste Innenwand (14a) des ersten Zellgehäuses bereitgestellt ist und die zweite Reservoirwand (20b) durch die erste Außenwand (14b) des zweiten Zellgehäuses bereitgestellt ist.
Zelltrennelement (20) zur Anordnung zwischen zwei Batteriezellen (12, 12a, 12b) eines Zellstapels (18), dadurch gekennzeichnet, dass das Zelltrennelement (20) als ein Gasreservoir (20) ausgebildet ist, das eine erste Reservoirwand (20a) und eine zweite Reservoirwand (20b) aufweist, die einen Innenraum (24) des Gasreservoirs (20) beidseitig bezüglich einer ersten Richtung (x) begrenzen, wobei im Innenraum (24) ein Gas (22) aufgenommen ist.
Batteriezelle (12, 12a, 12b) für einen Energiespeicher (14) eines Kraftfahrzeugs, wobei die Batteriezelle (12, 12a, 12b) ein Zellgehäuse mit einer Innenwand (14a, 16a) aufweist, die an ein vom Zellgehäuse eingeschlossenes Inneres (32) der Batteriezelle (12, 12a, 12b) angrenzt, dadurch gekennzeichnet, dass das Zellgehäuse eine Außenwand (14b, 16b) aufweist, die an eine Umgebung(30) der Batteriezelle (12, 12a, 12b) angrenzt, wobei die erste Außenwand (14b, 16b) in einer ersten Richtung (x) neben der ersten Innenwand (14a, 16a) angeordnet ist, und mit der Innenwand (14a, 16a) einen vom Inneren (32) der Batteriezelle (12, 12a, 12b) verschiedenen Innenraum (24) einschließt, welcher mit einem Gas (22) befüllt ist.