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Technisches Gebiet
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Die Erfindung betrifft eine Batteriezellenanordnung für eine Batterie eines Kraftfahrzeugs.
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Stand der Technik
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Findet bei einer einzelnen Lithiumzelle eines Batteriepacks ein Thermal Runaway mit einhergehendem Abbrand der betreffenden Zelle statt, sollten Vorkehrungen vorhanden sein, die ein Übergreifen auf benachbarte Zellen verhindern, also um eine sogenannte Thermal Propagation zu verhindern. Denn sollte dieses Brandereignis nicht lokal begrenzt werden können, so könnte ein Vollbrand des betreffenden Batteriesystems und unter Umständen auch des betreffenden Fahrzeugs die Folge sein. Aktuelle Normen fordern daher, dass in Versuchen die Sicherheit der Batterie gegenüber einer Thermal Propagation nachgewiesen wird.
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Bei zylindrischen Batteriezellen erfolgt eine elektrische Kontaktierung untereinander üblicherweise über jeweilige einander zugewandte Stirnflächen der Batteriezellen, also durch elektrisch leitende Verbindung von einem Kopfbereich und einem diesen zugewandten Bodenbereich der Nachbarzelle (in axialer Richtung). Eine Wärmeübertragung von einer Batteriezelle auf die benachbarte Zelle erfolgt in axialer Richtung ebenfalls über diese Stirnflächen.
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Die Wärmeübertragung beruht üblicherweise sowohl auf Wärmeleitung als auch auf Wärmestrahlung. Durch die stirnseitige elektrische Kontaktierung bei solchen zylindrischen Batteriezellen lässt sich eine Verringerung der Wärmeübertragung insbesondere auch durch Wärmestrahlung mitunter nur schwer realisieren.
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Beschreibung der Erfindung
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Es ist die Aufgabe der Erfindung, eine Wärmeübertragung durch Wärmestrahlung in axialer Richtung zwischen zwei zylindrischen Batteriezellen möglichst gut zu reduzieren.
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Diese Aufgabe wird durch den Gegenstand des unabhängigen Anspruchs gelöst. Weitere mögliche Ausgestaltungen der Erfindung sind in den Unteransprüchen, der Beschreibung und den Figuren offenbart.
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Die erfindungsgemäße Batteriezellenanordnung für eine Batterie eines Kraftfahrzeugs umfasst mehrere zylindrische Batteriezellen. Die Batteriezellenanordnung kann beispielsweise für eine Traktionsbatterie eines elektrisch angetriebenen Kraftfahrzeugs ausgebildet sein. Von den zylindrischen Batteriezellen sind zumindest zwei Batteriezellen als Zellenpaar angeordnet, bei dem die eine Batteriezelle des Zellenpaars in axialer Richtung so hinter der anderen Batteriezelle des Zellenpaars angeordnet ist, dass ein Kopfbereich der einen Batteriezelle einem Bodenbereich der anderen Batteriezelle zugewandt ist. Die zylindrischen Batteriezellen können in axialer Richtung länger als ihr Durchmesser sein.
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In axialer Richtung ist zwischen dem Kopfbereich der einen Batteriezelle und dem Bodenbereich der anderen Batteriezelle ein Kontaktelement angeordnet, das den Kopfbereich elektrisch leitend mit dem Bodenbereich verbindet. Mit anderen Worten sind die Batteriezellen des Zellenpaars in Form einer Reihenschaltung elektrisch leitend miteinander verbunden. Ein Minuspol der einen Batteriezelle wird also durch das Kontaktelement mit einem Pluspol der anderen Batteriezelle des Batteriepaars elektrisch leitend verbunden.
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In axialer Richtung zwischen den Batteriezellen des Zellenpaars ist eine thermische Isolation angeordnet, die eine Wärmeübertragung durch Wärmestrahlung in axialer Richtung zwischen den Batteriezellen des Zellenpaars hemmt. Die thermische Isolation sorgt also dafür, dass in axialer Richtung zwischen den beiden benachbarten Batteriezellen des Zellenpaars möglichst wenig Wärmeübertragung durch Wärmestrahlung stattfinden kann. Der Erfindung liegt unter anderem die Erkenntnis zugrunde, dass Wärmestrahlung bei der Wärmeübertragung vor allem bei hohen Temperaturen einen großen Anteil hat. Bei einem thermischen Durchgehen der einen Batteriezelle des Zellenpaars spielen daher üblicherweise die ersten wenigen Minuten, beispielsweise die ersten fünf Minuten, bei der strahlungsbedingten Wärmeübertragung auf die Nachbarzelle des Zellenpaars eine besonders große Rolle. Durch das Vorsehen der thermischen Isolation wird die Wärmeübertragung durch Wärmestrahlung in axialer Richtung zwischen den Batteriezellen des Zellenpaars besonders stark verringert.
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Bei den zylindrischen Batteriezellen ist der positive und der negative Anschluss auf je einer Stirnseite angeordnet, also im Kopfbereich beziehungsweise im Bodenbereich. Bei dem Zellenpaar befinden sich zwischen den beiden Batteriezellen keine weitere Batteriezellen. Die Batteriezellen des Zellenpaars sind mit anderen Worten also in axialer Richtung unmittelbar benachbart. Die jeweiligen Achsen der Batteriezellen, die das Zellenpaar bilden, sind in axialer Richtung hintereinander, insbesondere in axialer Richtung fluchtend angeordnet. Die in axialer Richtung zwischen den Batteriezellen angeordnete thermische Isolation ist eine Art thermisches Schild beziehungsweise eine Art thermischer Reflektor gegen Wärmestrahlung.
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Von der einen Batteriezelle beispielsweise über ihren Kopfbereich abgestrahlte Wärme wird durch die thermische Isolation in Richtung des Kopfbereichs zurückreflektiert, sodass keine oder nur sehr wenig Wärme durch Wärmestrahlung von dem Kopfbereich zu dem Bodenbereich der benachbarten Batteriezelle in axialer Richtung übertragen wird. Dies gilt auch umgekehrt. Von dem Bodenbereich in axialer Richtung zu dem Kopfbereich abgestrahlte Wärme wird durch die thermische Isolation in Richtung des Bodenbereichs zurück reflektiert. Infolgedessen kann auch von den Bodenbereich in Richtung des Kopfbereichs nur sehr wenig Wärme durch Wärmestrahlung übertragen werden.
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Durch die erfindungsgemäße Batteriezellenanordnung wird also eine Wärmeübertragung durch Wärmestrahlung in axialer Richtung zwischen zwei zylindrischen Batteriezellen möglichst gut reduziert. Dies trägt zum sicheren Betrieb der Batteriezellenanordnung bei.
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Eine mögliche Ausgestaltung der Erfindung sieht vor, dass die thermische Isolation in einem Wellenlängenbereich von 1.000 bis 10.000 Nanometern einen Reflexionsgrad von mindestens 0,5 aufweist. Der Erfindung liegt in diesem Zusammenhang die Erkenntnis zugrunde, dass ein erheblicher Teil der Wärmestrahlung bei einer Wellenlänge zwischen 1.000 und 10.000 Nanometern erfolgt. Dadurch, dass die thermische Isolation im besagten Wellenlängenbereich einen Reflexionsgrad von mindestens 0,5 aufweist, kann die Wärmeübertragung durch Wärmestrahlung in axialer Richtung zwischen den benachbarten Batteriezellen des Zellenpaars erheblich reduziert werden.
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Eine weitere mögliche Ausgestaltung der Erfindung sieht vor, dass die Batteriezellen Lithiumzellen sind. Mit anderen Worten kann es sich bei den Batteriezellen um Lithiumlonen-Zellen handeln, beispielsweise um Batteriezellen auf Basis von Lithium-Nickel-Kobalt-Aluminium-Oxiden, Lithium-Nickel-Mangan-Kobalt-Oxiden oder auch beispielsweise auf Basis von Lithium-Ferrophosphaten. Lithiumzellen weisen unter anderem folgende Vorteile auf: einen guten Ladewirkungsgrad, eine hohe Anzahl an Ladezyklen, eine gute Hochstromfähigkeit, eine hohe Energiedichte und relativ große Entladetiefen, die unbeschädigt überstanden werden können.
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In weiterer möglicher Ausgestaltung der Erfindung ist es vorgesehen, dass die thermische Isolation in axialer Richtung betrachtet die Batteriezellen des Zellenpaars vollständig verdeckt. Dies kann zum Beispiel bedeuten, dass die thermische Isolation den gleichen Durchmesser wie die Batteriezellen des Zellenpaars aufweist. Ausgehend von der axialen Richtung erstreckt sich die thermische Isolation also zumindest genauso weit in radialer Richtung wie die Batteriezellen, infolgedessen die Batteriezellen des Zellenpaars in axialer Richtung durch die thermische Isolation hinsichtlich der übertragbaren Wärmestrahlung besonders wirksam voneinander abgeschirmt werden.
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Eine weitere mögliche Ausgestaltung der Erfindungen sieht vor, dass die thermische Isolation ein Plättchen oder eine Folie umfasst, die an dem Kopfbereich und/oder an dem Bodenbereich angeordnet ist. Das Plättchen oder die Folie kann beispielsweise an den Kopfbereich oder auch an den Bodenbereich angeklebt oder anderweitig fixiert sein. Ein derartiges Plättchen oder eine derartige Folie lassen sich besonders einfach herstellen und am Kopfbereich und/oder am Bodenbereich anordnen.
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In weiterer möglicher Ausgestaltung der Erfindung ist es vorgesehen, dass die thermische Isolation eine Beschichtung am Bodenbereich und/oder am Kontaktelement umfasst. Bei der Beschichtung kann es sich zum Beispiel auch um einen Lackauftrag handeln. Andere Arten von Beschichtungen sind ebenfalls möglich. Sowohl der Bodenbereich als auch das Kontaktelement können relativ einfach mit einer solchen Beschichtung versehen werden, um eine kostengünstige und effektive thermische Isolation hinsichtlich der Wärmeübertragung durch Wärmestrahlung sicherstellen zu können.
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Gemäß einer weiteren möglichen Ausgestaltung der Erfindung ist es vorgesehen, dass die thermische Isolation zumindest teilweise aus einem Metalloxid hergestellt ist. Metalloxide können mitunter sehr gute Eigenschaften hinsichtlich der Reflexion von Wärmestrahlung aufweisen. Die thermische Isolation kann beispielsweise zumindest teilweise aus Titandioxid, Zinkoxid oder Zinnoxid hergestellt sein.
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In weiterer möglicher Ausgestaltung der Erfindung ist es vorgesehen, dass das Kontaktelement stirnseitig und flächig auf einem in axialer Richtung erhabenen Teil des Kopfbereichs angeordnet ist und den Bodenbereich seitlich umklammert, wobei ein Teil der thermischen Isolation in axialer Richtung zwischen dem Kontaktelement und dem Bodenbereich angeordnet ist und diesen vollständig bedeckt und ein anderer Teil der thermischen Isolation auf der Seite des Kontaktelements angeordnet ist, die von dem Bodenbereich abgewandt ist und den erhabenen Teil des Kopfbereichs kreisringförmig umschließt. Der Bodenbereich der Batteriezelle wird also vollständig von der thermischen Isolation bedeckt und schirmt den Bodenbereich dadurch sehr gut gegenüber Wärmeübertragung durch Wärmestrahlung ab. Zudem wird der Kopfbereich durch die thermische Isolation, die auf der von dem Bodenbereich abgewandten Seite des Kontaktelements angebracht ist, ebenfalls sehr gut gegenüber Wärmeübertragung durch Wärmestrahlung abgeschirmt.
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Gemäß einer weiteren möglichen Ausgestaltung der Erfindung ist vorgesehen, dass die Batteriezellenanordnung mehrere solcher Zellenpaare aufweist. Die je Zellenpaar in axialer Richtung hintereinander und benachbart angeordneten Batteriezellen werden also sehr gut vor einer gegenseitigen Wärmeübertragung durch Wärmestrahlung bewahrt. Das kann die Gefahr eines thermischen Durchgehens der gesamten Batteriezellenanordnung reduzieren. Es kann auch vorgesehen sein, dass jede Batteriezelle der Batteriezellenanordnung ein Teil von einem der Zellenpaare ist. Somit werden alle Batteriezellen, die in axialer Richtung benachbart zueinander angeordnet sind, durch eine solche thermische Isolation vor gegenseitiger Wärmeübertragung durch Wärmestrahlung geschützt.
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Weitere Vorteile, Merkmale und Einzelheiten der Erfindung können sich aus der nachfolgenden Beschreibung möglicher Ausführungsbeispiele sowie anhand der Zeichnung ergeben. Die vorstehend in der Beschreibung genannten Merkmale und Merkmalskombinationen sowie die nachfolgend in der Figurenbeschreibung und/oder in den Figuren allein gezeigten Merkmale und Merkmalskombinationen sind nicht nur in der jeweils angegebenen Kombination, sondern auch in anderen Kombinationen oder in Alleinstellung verwendbar, ohne den Rahmen der Erfindung zu verlassen.
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Kurze Figurenbeschreibung
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Die Zeichnung zeigt in:
- 1 eine Perspektivansicht einer Batteriezellenanordnung, die mehrere zylindrische Batteriezellen aufweist, wobei einige der Batteriezellen jeweils paarweise in axialer Richtung hintereinander angeordnet sind;
- 2 eine schematische Seitenansicht eines Zellenpaars, das zwei in axialer Richtung hintereinander angeordnete Batteriezellen aufweist, zwischen denen eine thermische Isolation zur Verringerung der Wärmeübertragung durch Wärmestrahlung vorgesehen ist;
- 3 eine weitere schematische Seitenansicht eines Zellenpaars, wobei eine zweite mögliche Ausgestaltung der thermischen Isolation dargestellt ist.
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Gleiche oder funktionsgleiche Elemente sind in den Figuren mit den gleichen Bezugszeichen versehen.
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Eine Batteriezellenanordnung 10 für ein Kraftfahrzeug ist in einer Perspektivansicht in 1 gezeigt. Die Batteriezellenanordnung 10 umfasst mehrere Batteriezellen 12, wobei es sich bei diesen Batteriezellen 12 um Rundzellen handelt. Bei den Batteriezellen 12 kann es sich um Lithiumzellen handeln.
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In 2 ist ein Zellenpaar 14 in einer schematischen Seitenansicht gezeigt, das zwei der Batteriezellen 12 aufweist. Eine Batteriezelle 12 des Zellenpaars 14 ist in axialer Richtung x so hinter der anderen Batteriezelle 12 des Zellenpaars 14 angeordnet, dass ein Kopfbereich 16 der einen Batteriezelle 12 einem Bodenbereich 18 der anderen Batteriezelle 12 zugewandt ist. Im vorliegend gezeigten Fall weißt der Kopfbereich 16 einen Pluspol der einen Batteriezelle 12 auf, wobei der Bodenbereich 18 einen Minuspol der anderen Batteriezelle 12 aufweist.
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Zwischen dem Bodenbereich 18 und im Kopfbereich 16 ist ein Kontaktelement 20 angeordnet, das den Kopfbereich in 16 elektrisch leitend mit dem Bodenbereich 18 verbindet. in axialer Richtung x ist zudem zwischen den Batteriezellen 12 eine thermische Isolation 22 angeordnet, die eine Wärmeübertragung durch Wärmestrahlung in axialer Richtung x zwischen den Batteriezellen 12 des Zellenpaars 14 hemmt.
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Bei der hier gezeigten Ausführungsform der thermischen Isolation 22 wird diese durch zwei Plättchen 24, 26 gebildet. Bei den Plättchen 24, 26 kann es sich auch beispielsweise um Folien handeln. Das eine Plättchen 24 ist in der Nähe des Bodenbereichs 18 der rechten Batteriezelle 12 angeordnet, und zwar zwischen dem Bodenbereich 18 und dem Kontaktelement 20. Das andere Plättchen 26 ist im Kopfbereich 16 der linken Batteriezelle 12 angeordnet. In axialer Richtung x betrachtet verdeckt die thermische Isolation 22 die jeweiligen Batteriezellen 12.
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Die thermische Isolation 22, in dem Fall also die Plättchen 24, 26, kann beispielsweise aus einem Metalloxid hergestellt sein, wie beispielsweise aus Titanoxid, Zinkoxyd, Zinnoxid oder dergleichen. Die thermische Isolation 22 kann in einem Wellenlängenbereich von 1.000 bis 10.000 Nanometern einen Reflexionsgrad von mindestens 0,5 aufweisen.
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Entwickelt die linke der hier dargestellten Batteriezellen 12 sehr viel Wärme, beispielsweise aufgrund eines Zellenbrands, so sorgt die thermische Isolation 22 dafür, dass die Wärmeübertragung durch Wärmestrahlung von der linken Batteriezelle 12 auf die rechte Batteriezelle 12 in axialer Richtung x gehemmt wird; ebenso umgekehrt.
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In 3 ist wiederum ein Batteriezellenpaar 14 gezeigt, wobei sich bei dieser Ausführungsform lediglich die Ausgestaltung der Isolationsschicht 22 von der in 2 gezeigten Ausführungsform unterscheidet. Die thermische Isolation 22 wird im hier gezeigten Fall durch eine Beschichtung 28 am Bodenbereich 18 sowie durch eine weitere Beschichtung 30 am Kontaktelement 20 gebildet.
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Mit anderen Worten ist ein Zellboden der rechten Batteriezelle 12 mit der Beschichtung 28 versehen. Die andere Beschichtung 30 ist auf der vom Zellboden beziehungsweise vom Bodenbereich 18 abgewandten Seite des Kontaktelements 20 angebracht worden, und zwar unter Aussparung eines ist hier nicht näher bezeichneten erhabenen Teils des Kopfbereichs 16.
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Wie anhand von 1 zu erkennen, umfasst die Batteriezellenanordnung 10 mehrere solcher Zellenpaare 14, bei denen in axialer Richtung x zwischen den jeweils benachbarten Batteriezellen 12 jeweils eine solche thermische Isolation 22 angeordnet ist, die eine Wärmeübertragung durch Wärmestrahlung in axialer Richtung x zwischen den jeweiligen Batteriezellen 12 der jeweiligen Zellenpaare 14 hemmt. Auch können mehr als zwei Batteriezellen 12 in axialer Richtung x hintereinander angeordnet sein. Je zwei in axialer Richtung x benachbarte Batteriezellen 12 bilden dann ein solches Zellenpaar 14, bei den zwischen den benachbarten Batteriezellen 12, also zwischen dem jeweiligen Kopfbereich 16 und Bodenbereich 18, eine solche thermische Isolation 22 zur Hemmung der Wärmeübertragung durch Wärmestrahlung vorgesehen ist.
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BEZUGSZEICHENLISTE
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- 10
- Batteriezellenanordnung
- 12
- Batteriezellen
- 14
- Zellenpaar
- 16
- Kopfbereich
- 18
- Bodenbereich
- 20
- Kontaktelement
- 22
- thermische Isolation gegen Wärmestrahlung
- 24
- Plättchen
- 26
- Plättchen
- 28
- Beschichtung
- 30
- Beschichtung
- x
- axiale Richtung
