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Die Erfindung betrifft einen Energiespeicher mit mindestens einer Batteriezelle und einer Kühleinrichtung zum Kühlen der mindestens einen Batteriezelle, wobei die Batteriezelle eine erste Seite aufweist, die einer ersten Seite der Kühleinrichtung zugewandt ist, und eine freigebbare Entgasungsöffnung, die auf der ersten Seite der Batteriezelle angeordnet ist. Weiterhin weist der Energiespeicher ein thermisches Interface-Material auf, das zwischen der ersten Seite der Batteriezelle und der ersten Seite der Kühleinrichtung angeordnet ist. Des Weiteren betrifft die Erfindung auch ein Kraftfahrzeug und ein Verfahren zum Herstellen eines Energiespeichers.
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Im Falle eines sogenannten Thermal Runaways einer Batteriezelle, das heißt einem thermischen Durchgehen einer Batteriezelle, entsteht in der Batteriezelle Gas, das kontrolliert über eine freigebbare Entgasungsöffnung aus der Zelle austreten kann. Eine solche freigebbare Entgasungsöffnung kann zum Beispiel als Sollbruchstelle oder Berstmembran oder ähnliches im Zellgehäuse der Zelle ausgebildet sein. Im Falle eines solchen Thermal Runaways entsteht damit eine Gasmenge mit hoher Gasrate, das heißt es tritt in sehr kurzer Zeit eine große Menge an Gas aus einer solchen Zelle aus. Dadurch entsteht innerhalb eines abgeschlossenen Batteriesystems ein entsprechendes Druckniveau, welches zum Beispiel mittels eines Druckentlastungselements an die Umgebung abgelassen werden kann. Ohne räumliche Trennung des Gases von stromführenden Bauteilen beziehungsweise Bauteilverbindungen muss ein erhöhter Aufwand für den Schutz und die Isolation dieser Bauteile betrieben werden. Kommt dieses Gas, welches insbesondere auch elektrisch leitfähige Partikel umfasst, in den Bereich solcher stromführenden Bauteile, wie zum Beispiel dem Bereich der Zellpole oder Zellverbinder oder Modulverbinder, so kann es zu Kurzschlüssen, Spannungsdurchschlägen und dergleichen kommen und entsprechend zu einer Brandbildung innerhalb der Batterie. Daher wurde bislang versucht, das Gas räumlich von stromführenden Bauteilen beziehungsweise Bauteilverbindungen zu trennen. Doch auch dies ist bislang nur auf relativ aufwendige Weise möglich. Befindet sich die freigebbare Zellentgasungsöffnung zudem noch auf einer Seite der Batteriezelle, die einer Kühleinrichtung zugewandt ist, so erschwert sich diese Trennung zudem zusätzlich, da die Bereitstellung eines Pfads zur Gasabführung bauraumtechnisch in diesem Bereich stark limitiert ist und zudem noch darauf geachtet werden muss, dass die thermische Anbindung der Zellen an die Kühleinrichtung nicht darunter leidet. Das Einbringen von Dichtungen beispielsweise hat dann nämlich den nachteiligen Effekt, dass sich hierdurch keine geringen Spaltbreiten zwischen der ersten Seite der Batteriezelle und der ersten Seite der Kühleinrichtung mehr erzielen lassen. Dies erhöht entsprechend den thermischen Widerstand dieses thermischen Pfads. Außerdem können herstellungsbedingt Lufteinschlüsse zwischen einer solchen Dichtung und dem thermischen Interface-Material bislang nicht vermieden werden. Auch dies führt entsprechend zur Erhöhung des thermischen Widerstands im Bereich zwischen der mindestens einen Batteriezelle und der Kühleinrichtung.
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Die
DE 10 2011 103 993 A1 beschreibt eine Batterie mit einer Mehrzahl von zylindrischen Batteriezellen, welche an zumindest einer ihrer Stirnseiten über elastische Toleranzausgleichselemente, insbesondere ringförmige Toleranzausgleichselemente, mit einem Kühlelement in Verbindung stehen, wobei eine elektrische Isolationsfolie zwischen den Batteriezellen und dem Kühlelement angeordnet ist, die mit den Toleranzausgleichselementen einteilig ausgebildet ist oder mit diesen stoffschlüssig verbunden ausgeführt ist. Das ringförmige Toleranzausgleichselement gewährleistet dabei die freie Zugänglichkeit zu einer im Zentrum des Bodenbereichs der Zelle angeordneten Berstscheibe. Diese Berstscheibe korrespondiert mit einer Öffnung im Bereich des Kühlelements unter jeder Batterieeinzelzelle.
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Zwischen Batterieeinzelzelle, Toleranzausgleichselementen und dem mit der Isolationsfolie versehenen Kühlelement kann zudem eine wärmeleitende Vergussmasse angeordnet sein.
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Nichtsdestoweniger lässt sich vor allem durch das zusätzlich zwischen den Batteriezellen und dem Kühlelement angeordneten Toleranzausgleichselementen kein geringer Abstand zwischen den Zellen und dem Kühlelement bereitstellen.
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Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es daher, einen Energiespeicher, ein Kraftfahrzeug und ein Verfahren bereitzustellen, die einerseits eine bauraumeffiziente Anbindung einer Batteriezelle an eine Kühleinrichtung ermöglichen und gleichzeitig eine möglichst sichere Gasabführung aus einer Batteriezelle im Falle eines thermischen Durchgehens einer solchen Batteriezelle auf möglichst wenig aufwendige Weise.
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Diese Aufgabe wird gelöst durch einen Energiespeicher, ein Kraftfahrzeug und ein Verfahren mit den Merkmalen gemäß den jeweiligen unabhängigen Patentansprüchen. Vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung sind Gegenstand der abhängigen Patentansprüche, der Beschreibung sowie der Figuren.
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Ein erfindungsgemäßer Energiespeicher weist mindestens eine Batteriezelle und eine Kühleinrichtung zum Kühlen der mindestens einen Batteriezelle auf. Dabei umfasst die Batteriezelle eine erste Seite, die einer ersten Seite der Kühleinrichtung zugewandt ist, und eine freigebbare Entgasungsöffnung, die auf der ersten Seite der Batteriezelle angeordnet ist. Weiterhin umfasst der Energiespeicher ein thermisches Interface-Material, das zwischen der ersten Seite der Batteriezelle und der ersten Seite der Kühleinrichtung angeordnet ist. Dabei weist der Energiespeicher zumindest einen Entgasungskanal auf, in welchen ein aus der freigebbaren Entgasungsöffnung austretendes Gas einleitbar ist, wobei ein Strömungspfad von der freigebbaren Entgasungsöffnung zum mindestens einen Entgasungskanal gegenüber einer Umgebung der mindestens einen Batteriezelle durch eine Dichtung abgedichtet ist, die durch das thermische Interface-Material bereitgestellt ist.
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Die Erfindung beruht dabei auf der Erkenntnis, dass thermische Interface-Materialien bekannt sind, die ebenso zur Abdichtung des Strömungspfads geeignet sind und genutzt werden können oder durch eine optionale kleine Modifikation hinsichtlich ihrer Eigenschaften für die Bereitstellung einer zusätzlichen Dichtfunktion optimiert werden können. Hierdurch kann auf eine separate Dichtung verzichtet werden. Daraus ergeben sich wiederum weitere sehr große Vorteile: Zum einen lässt sich hierbei einerseits die Anbindungsfläche, über welche die erste Seite der Batteriezelle an die erste Seite der Kühleinrichtung mittels des thermischen Interface-Materials thermisch angebunden ist, vergrößern, da nunmehr zusätzlich auch der Bereich genutzt werden kann, in welchen üblicherweise eine separate Dichtung angeordnet werden müsste. Dies gestaltet somit wiederum die thermische Anbindung der mindestens einen Batteriezelle an die Kühleinrichtung deutlich effizienter. Außerdem müssen Dichtung und thermisches Interface-Material nunmehr nicht mehr in zwei separaten Herstellungsschritten aufgebracht beziehungsweise angeordnet werden. Damit entsteht auch nicht mehr das Problem der Lufteinschlüsse zwischen einer solchen Dichtung und dem thermischen Interface-Material. Entsprechend können also folglich auch Lufteinschlüsse vermieden werden, was den thermischen Widerstand zwischen der Batteriezelle und der Kühleinrichtung weiter reduziert. Auch besteht nunmehr nicht mehr das Problem der unterschiedlichen Kompressibilitäten von Dichtung beziehungsweise Dichtmasse und thermischem Interface-Material, weshalb nunmehr die minimale Spaltbreite zwischen der ersten Seite der Batteriezelle und der ersten Seite der Kühleinrichtung nunmehr auch nicht mehr durch die Eigenschaften einer solchen Dichtung limitiert sind. Da das thermische Interface-Material im viskosen Zustand eingebracht bzw. aufgebracht wird, z.B. auf die erste Seite der Kühleinrichtung und/oder die erste Seite der mindestens eine Batteriezelle, kann das thermische Interface-Material auch gleichzeitig die Funktion eines Toleranzausgleichs in Setzrichtung übernehmen, in welcher die mindestens eine Batteriezelle auf die Kühleinrichtung gesetzt wird oder umgekehrt. Ein Toleranzausgleich ist durch den Entfall der zusätzlichen Dichtung und durch das flüssig oder viskos eingebrachte Material, nämlich dem thermischen Interface-Material, nunmehr in noch größeren Toleranzbreiten möglich, und es resultiert auch keine Kraftbelastung der Fügepartner, das heißt der mindestens einen Batteriezelle und der Kühleinrichtung, nach Verbau und Vernetzung des Materials, welche sich zum Beispiel bei unterschiedlichen Materialien für das thermische Interface-Material und einer separaten Dichtung ergeben würde. Durch den Entfall der zusätzlichen Dichtung können zudem Kosten und Material gespart werden, und auch der Herstellungsprozess vereinfacht sich dadurch. Zudem ist nunmehr im gleichen Bauraum mehr Anbindungsfläche für die Wärmeübertragung möglich bei gleichzeitig größerer Dichtspurbreite, da nunmehr das gesamte thermische Interface-Material als solche Dichtung fungieren kann.
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Grundsätzlich kommen als thermisches Interface-Material beliebige aus dem Stand der Technik bekannte Materialien, die zur thermischen Anbindung zwischen Batteriezelle und einer Kühleinrichtung verwendet werden, infrage. Diese thermischen Interface-Materialien werden oftmals auch als Wärmeleitmasse oder Vergussmasse oder Gapfiller bezeichnet. Bevorzugt weist ein solches thermisches Interface-Material eine möglichst gute thermische Leitfähigkeit auf. Beim Herstellen eines solchen Energiespeichers wird ein solches thermisches Interface-Material dabei in viskoser Form, z.B. flüssig, zähflüssig oder pastös, aufgetragen oder eingebracht. Beispielsweise kann das thermische Interface-Material in viskoser Form auf die erste Seite der Kühleinrichtung appliziert werden und anschließend kann darauf die mindestens eine Batteriezelle oder auch ein Batteriemodul beziehungsweise ein Zellstapel mit mehreren solchen Batteriezellen gesetzt und angepresst werden. Umgekehrt ist es auch denkbar, das thermische Interface-Material auf die erste Seite der Batteriezelle beziehungsweise eines Zellstapels aufzubringen und diesen dann auf der ersten Seite der Kühleinrichtung anzuordnen beziehungsweise die erste Seite der Kühleinrichtung auf den Zellstapel oder im Allgemeinen die mindestens eine Batteriezelle zu setzen. Sind letztendlich die mindestens eine Batteriezelle, das thermische Interface-Material und die Kühleinrichtung bestimmungsgemäß relativ zueinander angeordnet, so härtet das thermische Interface-Material aus. Im Rahmen der vorliegenden Erfindung ist es zudem vorteilhaft, wenn das thermische Interface-Material gute adhäsive und kohäsive Eigenschaften aufweist. Insbesondere kann das thermische Interface-Material gleichzeitig auch als Klebeschicht fungieren. Bislang sind solche klebenden Eigenschaften nicht relevant gewesen. Bekannte thermische Interface-Materialien bzw. bislang verwendete thermische Interface-Materialien können jedoch auf einfache Weise durch ihre Materialzusammensetzung derart modifiziert werden, dass sie die gewünschten adhäsiven und/oder kohäsiven Eigenschaften aufweisen, oder es können einfach solche thermischen Interface-Materialien ausgewählt werden, die die gewünschten adhäsiven und/oder kohäsiven Eigenschaften aufweisen. Durch die klebenden Eigenschaften ist die Dichtfunktion, die nun zusätzlich vom thermischen Interface-Material übernommen wird, erhöht. Weiterhin sind sowohl elektrisch leitfähige als auch elektrisch isolierende Materialien als thermisches Interface-Material möglich. Zwischen der ersten Seite der Kühleinrichtung und der ersten Seite der mindestens einen Batteriezelle kann zudem noch optional eine elektrisch isolierende Schicht vorgesehen sein, zum Beispiel in Form einer elektrisch isolierenden Folie, zum Beispiel einer Kunststofffolie. Diese kann zum Beispiel auf die erste Seite der Kühleinrichtung aufgebracht sein und/oder auf der ersten Seite der mindestens einen Batteriezelle beziehungsweise der später näher definierten ersten Seite eines die Batteriezelle umfassenden Zellstapels.
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Zwischen der ersten Seite mindestens einen Batteriezelle bzw. dem diese umfassenden Zellstapel und der ersten Seite der Kühleinrichtung befindet sich somit ein Spalt, der zumindest zum Teil, insbesondere bis auf später erläuterte Freiräume, mit der thermischen Wärmeleitmasse befüllt ist. Dieser Spalt und damit auch die thermische Interface-Material-Schicht erstreckt sich in einer Ebene, die im Wesentlichen parallel zur ersten Seite der mindestens einen Batteriezelle und der ersten Seite der Kühleinrichtung ist und die parallel zu einer x-y-Ebene definiert sein kann, wobei die x-Richtung zu einer später definierten ersten Richtung korrespondiert, und die y-Richtung zu einer bestimmten, später definierten zweiten Richtung korrespondiert, die zur ersten Richtung senkrecht ist. Eine Spalthöhe kann entsprechen in eine dritte Richtung definiert sein, die zur ersten und zweiten Richtung senkrecht ist und z.B. von der ersten Seite der Kühleinrichtung zur ersten Seite der mindestens eine Batteriezelle weist. Die oben beschriebenen optionalen Isolationsfolien können sich bezüglich der dritten Richtung über oder unter der Schicht mit dem thermischen Interface-Material befinden. Dabei ist es weiterhin bevorzugt, dass im Zwischenraum zwischen der mindesten seinen Batteriezelle und der Kühleinrichtung und insbesondere im Zwischenraum zwischen dem die mindestens eine Batteriezelle umfassenden Zellstapel und der Kühleinrichtung in der Ebene, in welcher das thermische Interface-Material angeordnet ist, außer diesem thermischen Interface-Material kein weiteres Element bzw. keine weitere Komponente angeordnet ist, d.h. auch kein separate Toleranzausgleichselement oder Ähnliches. Bis auf eine oder mehrere Isolationsschichten, wie zum Beispiel die oben beschriebenen Folien, sind bevorzugt im Zwischenraum zwischen der mindesten seinen Batteriezelle und der Kühleinrichtung und insbesondere im Zwischenraum zwischen dem die mindestens eine Batteriezelle umfassenden Zellstapel und der Kühleinrichtung auch in der dritten Richtung keine weiteren Elemente oder Schichten über oder unter dem thermischen Interface-Material angeordnet.
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Die freigebbare Entgasungsöffnung der mindestens einen Batteriezelle kann in Form einer Sollbruchstelle bereitgestellt sein, zum Beispiel in Form einer Berstmembran, oder auch als Überdruckventil oder ähnliches. Weiterhin ist die freigebbare Entgasungsöffnung so ausgestaltet, dass diese im Normalbetrieb verschlossen ist und erst im Notfall selbsttätig freigegeben wird. Diese kann sich zum Beispiel selbsttätig unter dem erhöhten Innendruck der Batteriezelle öffnen oder auch durch eine erhöhte Temperatur der Batteriezelle oder ähnliches. Die mindestens eine Batteriezelle kann zum Beispiel als Lithium-Ionen-Zelle ausgebildet sein. Zudem kann der Energiespeicher, wie später näher erläutert, auch mehrere solcher Batteriezellen umfassen. Diese können optional auch zu Batteriemodulen zusammengefasst sein. Beim Energiespeicher kann es sich zum Beispiel um eine Hochvolt-Batterie für ein Kraftfahrzeug handeln. Diese kann gleichzeitig als Traktionsbatterie für das Kraftfahrzeug fungieren.
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Grundsätzlich kann die Batteriezelle beliebig ausgestaltet sein, zum Beispiel als prismatische Batteriezelle, Rundzelle oder Pouchzelle. Besonders vorteilhaft ist es jedoch, wenn die mindestens eine Batteriezelle als eine prismatische Batteriezelle ausgebildet ist.
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Gemäß einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung weist die mindestens eine Batteriezelle zwei Zellpole auf, die an einer von der ersten Seite der Batteriezelle verschiedenen Seite angeordnet sind, insbesondere wobei je ein Pol an einer zweiten Seite und einer dritten Seite der Batteriezelle angeordnet ist, die sich bezüglich einer ersten Richtung gegenüberliegen. Die Anordnung der Pole nicht auf der ersten Seite ist besonders vorteilhaft, da sich hierdurch die Anbindung an die Kühleinrichtung deutlich einfacher gestaltet. Außerdem können hierdurch die Spaltbreiten zwischen der Batteriezelle und der Kühleinrichtung minimiert werden. Ein besonders großer Vorteil dieser Anordnung besteht noch darin, dass damit auch die Zellpole nicht auf der gleichen Seite wie die freigebbare Entgasungsöffnung angeordnet sind. Dadurch vereinfacht sich die Entkopplung und Trennung des Strömungspfads von den Zellpolen. Die Sicherheit kann hierdurch nochmal gesteigert werden. Weiterhin weist die Batteriezelle bevorzugt noch eine vierte Seite auf, die der ersten Seite der Batteriezelle gegenüberliegt. Die vierte Seite ist bevorzugt von der zweiten und dritten Seite der Batteriezelle, an welcher die Zellpole angeordnet sind, verschieden. Dies hat den großen Vorteil, dass so beispielsweise auch an der vierten Seite der Batteriezelle eine weitere zweite Kühleinrichtung angeordnet sein kann. Die erste Kühleinrichtung und/oder die zweite Kühleinrichtung können zum Beispiel als Kühlplatten ausgebildet sein. Im Allgemeinen ist die Kühleinrichtung von einem Kühlmittel durchströmbar ausgebildet und weist zu diesem Zweck zum Beispiel Kühlkanäle auf, die von einem solchen Kühlmittel im Betrieb durchströmt werden. Bezogen auf die bestimmungsgemäße Einbaulage des Energiespeichers in einem Kraftfahrzeug kann die erste Seite der Batteriezelle zum Beispiel eine Unterseite darstellen, und die gegenüberliegende vierte Seite eine Oberseite der Batteriezelle. Umfasst der Energiespeicher mehrere Batteriezellen in Form eines Zellstapels, so können diese nebeneinander angeordnet sein und an eine gemeinsame erste und/oder zweite Kühleinrichtung angebunden sein. Dadurch lässt sich ein besonders effizienter Kühlmechanismus und eine besonders einfache Umsetzung dieser Kühlung bereitstellen.
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Entsprechend stellt es eine weitere sehr vorteilhafte Ausgestaltung der Erfindung dar, wenn der Energiespeicher einen Zellstapel mit mehreren der mindestens einen Batteriezelle aufweist, wobei die mehreren Batteriezellen in einer zweiten Richtung nebeneinander angeordnet sind, wobei die freigebbaren Entgasungsöffnungen in der zweiten Richtung auf einer gedachten geraden Linie in einem ersten Bereich des Zellstapels angeordnet sind, der einen Teilbereich einer der ersten Seite der Kühleinrichtung zugewandten und die ersten Seiten der Batteriezellen umfassenden ersten Stapelseite darstellt. Die zweite Richtung kann dabei insbesondere senkrecht zur oben definierten ersten Richtung orientiert sein. Vorzugsweise sind die Batteriezellen im Zellstapel so angeordnet, dass ihre flächenmäßig größten Seiten einander zugewandt sind. Dadurch lässt sich ein besonders effizienter Aufbau bereitstellen. Dass die jeweiligen Entgasungsöffnungen dabei entlang einer gedachten Linie angeordnet sind, hat zudem ebenfalls konstruktive Vorteile. Dies ermöglicht es auf einfache Weise, die freigebbaren Entgasungsöffnungen an einen gemeinsamen Entgasungskanal anzubinden. Außerdem gestaltet sich die Abdichtung des Strömungspfads hierdurch auch einfacher, da dies entsprechend durch eine einzelne umlaufende Dichtung, die durch das thermische Interface-Material bereitgestellt ist, bewerkstelligt werden kann.
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Entsprechend stellt es eine weitere vorteilhafte Ausgestaltung der Erfindung dar, wenn das thermische Interface-Material derart zwischen der ersten Zellstapelseite und der ersten Seite der Kühleinrichtung angeordnet ist, dass der erste Bereich des Zellstapels, in welchem die jeweiligen freigebbaren Entgasungsöffnungen angeordnet sind, ausgespart ist. Durch diesen ausgesparten Bereich wird vorteilhafterweise im Falle eines thermischen Events der Gasaustritt aus der betreffenden freigegebenen Entgasungsöffnung nicht behindert. Gleichzeitig kann der hierdurch bereitgestellte Bereich als Entgasungskanal genutzt werden, zumindest in einer ersten Phase des Gasaustritts.
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Folglich stellt es eine weitere sehr vorteilhafte Ausgestaltung der Erfindung dar, wenn zwischen dem ersten Bereich des Zellstapels an der ersten Seite der Kühleinrichtung ein Freibereich gebildet ist, der einen ersten Entgasungskanal als den zumindest einen Entgasungskanal darstellt. Der Freibereich ist insbesondere dadurch gebildet, dass dieser zum Vorsehen des thermischen Interface-Materials ausgespart ist. Kommt es zu einem thermischen Durchgehen einer Batteriezelle, so tritt das Gas dieser Batteriezelle zunächst aus ihrer freigebbaren Entgasungsöffnung aus und tritt in diesen Freibereich zwischen der Batteriezelle und der ersten Seite der Kühleinrichtung ein. Dieser Bereich ist nun vorteilhafterweise seitlich durch das thermische Interface-Material abgedichtet und kann damit nicht in eine Umgebung der Batteriezelle gelangen, in welcher zum Beispiel auch die Zellpole der Batteriezelle angeordnet sind. Dieser freie Bereich wird vorzugsweise in einer ersten Phase des Gasaustritts im Falle eines thermischen Events als erster Entgasungskanal genutzt. Diese erste Phase beschränkt sich dabei auf einen sehr kurzen Zeitraum nach dem Öffnen der freigebbaren Entgasungsöffnung, zum Beispiel auf einen Zeitraum von wenigen Sekunden, insbesondere auf einen Zeitraum von zirka einer Sekunde. Anschließend tritt so viel Gas aus der Batteriezelle aus, dass dieses sich einen Weg durch die darunterliegende Kühleinrichtung bahnt. Die Kühleinrichtung kann dabei zum Beispiel auch mit einer oder mehreren Sollbruchstellen ausgebildet sein. Diese können zum Beispiel unterhalb einer jeweiligen freigebbaren Entgasungsöffnung positioniert sein. Im Allgemeinen liegen diese Sollbruchstellen also zum Beispiel den freigebbaren Entgasungsöffnungen bezüglich einer dritten Richtung gegenüber, die senkrecht zur oben definierten ersten und zweiten Richtung ist. In dem Bereich, in welchem diese Sollbruchstellen in der Kühleinrichtung vorgesehen sind, weist die Kühleinrichtung vorzugsweise keine Kühlkanäle auf. Dies erleichtert das Durchdringen der Kühleinrichtung im Entgasungsfall.
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Entsprechend stellt es eine weitere sehr vorteilhafte Ausgestaltung der Erfindung dar, wenn der Energiespeicher auf einer der Batteriezelle abgewandten zweiten Seite der Kühleinrichtung einen zweiten Entgasungskanal als den zumindest einen Entgasungskanal aufweist. Dadurch kann das aus der freigegebenen Entgasungsöffnung der mindestens einen Batteriezelle austretende Gas durch zum Beispiel die beschriebene Sollbruchstelle in der Kühleinrichtung hindurch gelangen und in diesen zweiten Entgasungskanal eintreten. Dieser zweite Entgasungskanal kann so ausgebildet sein, dass er das Gas aus dem Kraftfahrzeug abführt, in welchem der Energiespeicher Anwendung findet. Das Gas kann zum Beispiel in einen Unterbodenbereich beziehungsweise in einen Bereich zwischen der Kühleinrichtung und einem Unterfahrschutz des Kraftfahrzeugs geleitet oder durchgeleitet werden bis zu einem entsprechenden Austrittsbereich.
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Das Gas tritt also dann entsprechend in einer zweiten Phase des Entgasens einer Batteriezelle in den zweiten Entgasungskanal ein. Die zweite Phase kann sich unmittelbar an die oben definierte erste Phase anschließen.
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Gemäß einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung ist das thermische Interface-Material in Form mindestens einer Schicht zwischen der ersten Seite der mindestens einen Batteriezelle, insbesondere der ersten Zellstapelseite, und der ersten Seite der Kühleinrichtung angeordnet, insbesondere wobei die mindestens eine Schicht eine Schichtdicke in einer dritten Richtung von maximal zwei Millimetern aufweist. Beispielsweise kann die Schichtdicke zwischen 0,2 Millimeter und 1,5 Millimeter betragen, insbesondere zwischen einem Millimeter und 1,5 Millimeter. Dadurch lassen sich also äußerst geringe Schichtdicken bereitstellen, wodurch der thermische Widerstand zwischen der Batteriezelle und der Kühleinrichtung sehr gering gehalten werden kann. Außerdem kann hierdurch Bauraum gespart werden. Diese Materialschicht des thermischen Interface-Materials kann auch in mehrere Abschnitte gegliedert sein. Beispielsweise kann das thermische Interface-Material auch in Form zweier Schichten bereitgestellt sein, die jeweils auf einer Seite bezüglich der ersten Richtung des oben definierten Freibereichs angeordnet sind. Diese beiden Schichten beziehungsweise Schichtabschnitte können auch miteinander verbunden sein, zum Beispiel in einem jeweiligen Endbereich dieses Freibereichs bezogen auf die zweite Richtung. Die thermischen Interface-MaterialSchichten können also den Freibereich in der x-y-Ebene optional vollständig umschließen. Sofern also mehrere Schichten des thermischen Interface-Materials vorgesehen sind, so sind diese jedoch in einer gemeinsamen Ebene und nicht etwa in der dritten Richtung übereinander angeordnet. Bis auf toleranzbedingte Schwankungen ist die Schichtdicke bevorzugt über die gesamte Schicht des thermischen Interface-Materials im Wesentlichen konstant.
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Des Weiteren kann der Energiespeicher auch mehrere solcher Zellstapel aufweisen. Diese können zum Beispiel nebeneinander angeordnet sein, zum Beispiel in der ersten Richtung nebeneinander und/oder in der zweiten Richtung nebeneinander. Weiterhin können diese Zellstapel in einem gemeinsamen Batteriegehäuse als Teil des Energiespeichers untergebracht sein. Ein Boden eines solchen Batteriegehäuses kann zum Beispiel durch die beschriebene Kühleinrichtung bereitgestellt sein. Auch ein Deckel des Batteriegehäuses kann zum Beispiel als weitere zweite Kühleinrichtung, die ebenfalls bereits beschrieben wurde, ausgebildet sein.
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Des Weiteren betrifft die Erfindung auch ein Kraftfahrzeug mit einem erfindungsgemäßen Energiespeicher oder einer seiner Ausgestaltungen.
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Das erfindungsgemäße Kraftfahrzeug ist bevorzugt als Kraftwagen, insbesondere als Personenkraftwagen oder Lastkraftwagen, oder als Personenbus oder Motorrad ausgestaltet.
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Des Weiteren betrifft die Erfindung auch ein Verfahren zum Herstellen zumindest eines Teils eines Energiespeichers, wobei mindestens eine Batteriezelle bereitgestellt wird, die eine erste Seite und eine an der ersten Seite angeordnete freigebbare Entgasungsöffnung aufweist. Weiterhin wird eine Kühleinrichtung bereitgestellt, die eine erste Seite aufweist und die zum Kühlen der mindestens einen Batteriezelle vorgesehen ist. Weiterhin wird ein thermisches Interface-Material in einem viskosen Zustand bereitgestellt. Das thermische Interface-Material kann sich in Übrigen auch aus mehreren Komponenten zusammensetzen, die erst kurz vor der Applikation gemischt werden. Weiterhin werden die mindestens eine Batteriezelle, das thermische Interface-Material und die Kühleinrichtung derart zueinander angeordnet, dass die erste Seite der Batteriezelle der ersten Seite der Kühleinrichtung zugewandt ist und das thermische Interface-Material zwischen der ersten Seite der Batteriezelle und der ersten Seite der Kühleinrichtung angeordnet ist. Weiterhin wird zumindest ein Entgasungskanal bereitgestellt, sodass ein aus der freigebbaren Entgasungsöffnung austretendes Gas in diesen einleitbar ist, wobei ein Strömungspfad von der freigebbaren Entgasungsöffnung zum mindestens einen Entgasungskanal gegenüber einer Umgebung der mindestens einen Batteriezelle durch eine Dichtung, die durch das thermische Interface-Material bereitgestellt ist, abgedichtet wird.
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Die für den erfindungsgemäßen Energiespeicher und seine Ausgestaltungen beschriebenen Vorteile gelten in gleicher Weise für das erfindungsgemäße Verfahren.
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Das thermische Interface-Material kann dabei, wie zuvor beschrieben, zwischen der mindestens einen Batteriezelle und der Kühleinrichtung angeordnet werden. Dazu wird dieses bevorzugt entweder auf der ersten Seite der Kühleinrichtung aufgebracht und anschließend die mindestens eine Batteriezelle daraufgesetzt oder umgekehrt, es wird auf die erste Seite der Batteriezelle aufgebracht und anschließend die Kühleinrichtung darauf angeordnet. Die Batteriezelle und die Kühleinrichtung können dabei zueinander angepresst werden, sodass sich das thermische Interface-Material entsprechend etwas verteilt. Durch die aufgetragene Menge des thermischen Interface-Materials in den entsprechenden Auftragungsbereichen der Kühleinrichtung und/oder der mindestens einen Batteriezelle lässt es sich gewährleisten, dass das thermische Interface-Material dabei nicht in den freizuhaltenden Freibereich, wie dieser oben definiert wurde, gelangt. Außerdem kann hierzu das thermische Interface-Material während des Aufbringens und während des aneinander Anordnens der Batteriezelle an der Kühleinrichtung einen entsprechend viskosen Zustand aufweisen, um zu gewährleisten, dass das thermische Interface-Material nicht in diesen Freibereich gelangt. Das thermische Interface-Material kann zum Beispiel zähflüssig oder pastös sein. Nachdem die Batteriezelle, das thermische Interface-Material und die Kühleinrichtung bestimmungsgemäß zueinander angeordnet sind, härtet das thermische Interface-Material aus.
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Zu der Erfindung gehören auch Weiterbildungen des erfindungsgemäßen Verfahrens, die Merkmale aufweisen, wie sie bereits im Zusammenhang mit den Weiterbildungen des erfindungsgemäßen Energiespeichers beschrieben worden sind. Aus diesem Grund sind die entsprechenden Weiterbildungen des erfindungsgemäßen Verfahrens hier nicht noch einmal beschrieben.
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Die Erfindung umfasst auch die Kombinationen der Merkmale der beschriebenen Ausführungsformen. Die Erfindung umfasst also auch Realisierungen, die jeweils eine Kombination der Merkmale mehrerer der beschriebenen Ausführungsformen aufweisen, sofern die Ausführungsformen nicht als sich gegenseitig ausschließend beschrieben wurden.
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Im Folgenden sind Ausführungsbeispiele der Erfindung beschrieben. Hierzu zeigt:
- 1 eine schematische Querschnittsdarstellung durch einen Teil eines Energiespeichers mit einer Batteriezelle und einer Kühleinrichtung gemäß einem Ausführungsbeispiel der Erfindung; und
- 2 eine schematische Darstellung einer Draufsicht auf eine Unterseite eines Zellstapels mit darauf angeordnetem thermischen Interface-Material gemäß einem Ausführungsbeispiel der Erfindung.
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Bei den im Folgenden erläuterten Ausführungsbeispielen handelt es sich um bevorzugte Ausführungsformen der Erfindung. Bei den Ausführungsbeispielen stellen die beschriebenen Komponenten der Ausführungsformen jeweils einzelne, unabhängig voneinander zu betrachtende Merkmale der Erfindung dar, welche die Erfindung jeweils auch unabhängig voneinander weiterbilden. Daher soll die Offenbarung auch andere als die dargestellten Kombinationen der Merkmale der Ausführungsformen umfassen. Des Weiteren sind die beschriebenen Ausführungsformen auch durch weitere der bereits beschriebenen Merkmale der Erfindung ergänzbar.
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In den Figuren bezeichnen gleiche Bezugszeichen jeweils funktionsgleiche Elemente.
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1 zeigt eine schematische Darstellung eines Teils eines Energiespeichers 10 in einem Querschnitt durch eine Batteriezelle 12 und eine Kühleinrichtung 14 als Teil des Energiespeichers 10 gemäß einem Ausführungsbeispiel der Erfindung. Die Batteriezelle 12 ist in diesem Beispiel als prismatische Batteriezelle ausgebildet und weist ein Zellinneres 16 auf, welches durch ein Zellgehäuse 17 eingeschlossen ist. Weiterhin umfasst die Batteriezelle 12 eine erste Seite 18, die einer ersten Seite 20 der Kühleinrichtung 14 zugewandt ist. Die Kühleinrichtung 14 ist im Übrigen als Kühlboden ausgebildet und umfasst von einem Kühlmittel durchströmbare Kühlkanäle 22. Weiterhin weist die Batteriezelle 12 auf der ersten Seite 18 auch eine freigebbare Entgasungsöffnung 24 auf, die vorliegend als Berstmembran ausgebildet ist. Außerdem umfasst die Batteriezelle 12 zwei Zellpole 26, von welchen vorliegend nur einer dargestellt ist. Die Zellpole 26 befinden sich dabei auf bezüglich der dargestellten x-Richtung gegenüberliegenden Seiten der Batteriezelle 12, nämlich auf einer zweiten Seite 28, sowie einer nicht dargestellten dritten Seite. Damit sind die Zellpole 26 also nicht an der ersten Seite 18 der Batteriezelle 12 angeordnet.
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Oberhalb der Batteriezelle 12 ist optional eine weitere zweite Kühleinrichtung 30 angeordnet. In 1 ist dabei nur ca. die Hälfte der Batteriezelle 12 im Querschnitt dargestellt, die andere Hälfte kann aber spiegelsymmetrisch bezüglich einer zur y-z-Ebene parallelen Spiegelebene durch ca. die Mitte der Entgasungsöffnung 24 ausgebildet sein. Dies gilt auch die übrigen in 1 dargestellten Komponenten, vor allem die Kühleinrichtung 14 und der unten beschriebenen thermischen Interface-Materialschicht 32.
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Um die thermische Anbindung der Batteriezelle 12 an die Kühleinrichtung 14 zu verbessern, ist zwischen der Batteriezelle 12, insbesondere deren erster Seite 18, und der ersten Seite 20 der Kühleinrichtung 14 ein thermisches Interface-Material 32 angeordnet. Bei der Herstellung des Energiespeichers 10 befindet sich dieses zum Zeitpunkt des Einbringens oder Aufbringens auf die Zelle 12 und/oder die erste Seite 20 der Kühleinrichtung 14 in einem viskosen Zustand und härtet anschließend aus. Das thermische Interface-Material 32 wird dabei in Form einer Schicht aufgebracht, die, wenn die Batteriezelle 12 bestimmungsgemäß bezüglich der Kühleinrichtung 14 angeordnet ist, eine Schichtdicke in z-Richtung von vorzugsweise maximal zwei Millimetern aufweist.
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Im Falle eines thermischen Durchgehens der Batteriezelle 12 muss das aus der Zelle 12 austretende Gas 34, welches vorliegend durch Pfeile veranschaulicht ist, möglichst effizient abgeführt werden. Die dargestellten Pfeile veranschaulichen dabei im Übrigen nicht nur das Gas 34 an sich, sondern auch den Strömungspfad 44, entlang von welchem das Gas 34 zumindest zum Teil strömt. Zur Abführung des Gases 34 sind in diesem Beispiel ein erster Entgasungskanal 36 und ein zweiter Entgasungskanal 38 vorgesehen. Der erste Entgasungskanal 36 ist dabei durch einen Freibereich 40 bereitgestellt, der entgegen z-Richtung direkt unterhalb der freigebbaren Entgasungsöffnung 24 angeordnet ist. Dieser Freibereich 40 befindet sich also zwischen der ersten Seite 20 der Kühleinrichtung 14 und der ersten Seite 18 der Zelle 12. Außerdem erstreckt sich dieser Freibereich 40 in oder entgegen y-Richtung, zum Beispiel auch über mehrere freigebbare Entgasungsöffnungen 24 weiterer Batteriezellen 12 hinweg, die in beziehungsweise entgegen y-Richtung neben der dargestellten Batteriezelle 12 angeordnet sind und zusammen mit dieser Bestandteil eines Zellstapels 46 (vgl. 2) sein können. Außerdem ist der zweite Entgasungskanal 38 auf der gegenüberliegenden Seite der Kühleinrichtung 14 angeordnet. Insbesondere befindet sich dieser zweite Entgasungskanal 38 zwischen einem Unterfahrschutz 42 des Kraftfahrzeugs und der Kühleinrichtung 14.
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Im Entgasungsfall sollte idealerweise gewährleistet sein, dass das austretende Gas 34 nicht in den Bereich elektrisch leitfähiger Teile und spannungsführender Teile des Energiespeichers 10 gelangen kann. Dies lässt sich nun vorteilhafterweise durch eine Dichtung bereitstellen, die den Strömungspfad 44 des Gases 34, der in gleicher Weise durch die dargestellten Pfeile repräsentiert ist, gegenüber einer Umgebung 46 der Batteriezelle 12 abdichtet. Diese Dichtung ist nun vorteilhafterweise durch das thermische Interface-Material 32 selbst bereitgestellt. Dadurch kann also vorteilhafterweise gewährleistet werden, dass das austretende Gas 34 nicht durch den Spalt zwischen Zelle 12 und Kühleinrichtung 14 in andere Bereiche des Innenraums des Energiespeichers 10 gelangen kann, die vorliegend als Umgebung 46 der Zelle 12 bezeichnet sind. Dadurch kann also auch gewährleistet werden, dass das Gas 34 nicht in den Bereich der Pole 26 der Zelle 12 gelangen kann. Die Dichtung 32 fungiert also gleichzeitig auch als Partikelsperre für die im austretenden Gas 34 enthaltenen oder mitgerissenen Partikel. Im Falle eines thermischen Events tritt das Gas 34 also zunächst durch die dann freigegebene Entgasungsöffnung 24 in den ersten Entgasungskanal 36 ein und kann in oder entgegen y-Richtung diesen entlangströmen. Dies ist durch die Strömungssymbole 50 veranschaulicht. In einer zweiten Phase des Gasaustritts durchdringt dieses die Kühleinrichtung 14 zum Beispiel im Bereich von Sollbruchstellen 52 und dringt entsprechend in den zweiten Entgasungskanal 38 ein. Auch dieser kann in und entgegen y-Richtung durchströmt werden, was durch die weiteren Strömungssymbole 54 illustriert ist. Außerdem kann das Gas auch wie vorliegend dargestellt entgegen x-Richtung strömen und zu einer Austrittsöffnung aus dem Kraftfahrzeug geleitet werden.
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2 zeigt nochmal eine schematische Darstellung eines Teils eines Energiespeichers 10 gemäß einem Ausführungsbeispiel der Erfindung. Im Übrigen kann der Energiespeicher 10 wie zu 1 bereits beschrieben ausgebildet sein. 2 zeigt nunmehr ein Batteriemodul 56, welches einen Zellstapel 56 darstellt oder umfasst, welcher wiederum mehrere in y-Richtung nebeneinander angeordnete Batteriezellen 12 umfasst. Vorliegend ist dieses Batteriemodul in einer Draufsicht von unten ohne dargestellte Kühleinrichtung 14 dargestellt, jedoch mit dem auf dem Zellstapel 56 angeordneten thermischen Interface-Material 32. Die jeweiligen freigebbaren Entgasungsöffnungen 24 der jeweiligen Zellen sind entlang einer gedachten geraden Linie, die im vorliegenden Beispiel in y-Richtung verläuft, angeordnet. Diese liegen sozusagen in einem ersten Bereich 60 des Zellstapels 56, insbesondere einer Unterseite 62 des Zellstapels 12. Weiterhin ist auf dieser Unterseite 62 des Zellstapels 12 das thermische Interface-Material 32 angeordnet. Dieses ist so angeordnet, dass dieser erste Bereich 60 der Unterseite 62 des Zellstapels 12 ausgespart ist. Dadurch wird der Freibereich 40, der als erster Entgasungskanal 36 fungiert, bereitgestellt. Insbesondere umfasst das thermische Interface-Material 32 in zumindest zwei Materialbereiche 32a gegliedert, von denen je einer in und entgegen der x-Richtung neben dem ausgesparten Bereich 60 angeordnet ist. Optional können noch zwei weitere Bereiche 32b vorgesehen sein, von denen je einer in und entgegen der y-Richtung neben dem ausgesparten Bereich 60 und den anderen Bereichen 32a des thermischen Interface-Materials 32 angeordnet ist. Das thermische Interface Material 32 umrahmt in diesem Fall sozusagen den ausgesparten Bereich 60. In diesen optionalen Bereichen 32b kann das Thermal Interface Material, d.h. das thermische Interface Material 32, dann je nach Bauraumsituation schmaler gestaltet werden, insbesondere können die Bereiche 32b je nach Situation in y-Richtung schmaler sein, nämlich für den Fall, dass an dieser Stelle keine Relevanz oder zumindest keine signifikante Relevanz für eine thermische Anbindung dieses Bereichs besteht.
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Insgesamt zeigen die Beispiele, wie durch die Erfindung eine Abdichtfunktion zur Gasführung im Falle einer Zellentgasung bereitgestellt werden kann. Zum Einsatz kommt hierbei ein thermisches Interface-Material mit gegebenenfalls angepassten Eigenschaften gleichzeitig auch als Dichtung zur Abdichtung des zumindest einen Entgasungskanals. Dabei wird der Dichtungsentfall und die Vorhaltefläche für den Fertigungsprozess für eine breite Anbindung des Zellmoduls an das Gehäuse, d.h. des die Kühleinrichtung bereitstellenden Kühlbodens mittels des thermischen Interface-Materials genutzt. Als Ergebnis ist mehr Fläche zur thermischen Anbindung des Zellmoduls an das Gehäuse bereitgestellt, sowie eine breitere Dichtspur zur Abdichtung des Gaskanals.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- DE 102011103993 A1 [0003]
