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Die vorliegende Erfindung betrifft einen Zell-Separator, der in einem Batteriemodul zwischen benachbarten elementaren Speicherzellen angeordnet ist, und ein damit aufgebautes Batteriemodul, das insbesondere für ein Hochvolt-Batteriesystem vorgesehen ist, wie es Elektrofahrzeugen vorgesehen ist.
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Aktuell werden insbesondere bei zwischen elementaren Speicherzellen in prismatischer Bauform Zell-Separatoren zwischen benachbart angeordneten Speicherzellen in einem Batteriemodul eingesetzt. Je nach Batterie-Größe sind ab 80 bis über 100 Zell-Separaten vorzusehen. Als Zell-Separatoren werden dünnwandige, flexible und thermisch isolierende bzw. dämmende Materialien eingebracht, um u.a. folgende Funktionen zu erfüllen:
- - Flexibilität lässt eine Ausdehnung der Zellen in Querrichtung zu und beugt zugleich elektrischen Defekten aufgrund andauernder Reibung benachbarter Zellen vor;
- - Dünnwandigkeit trägt zur Kompaktheit des Batteriemoduls bei;
- - Thermische Dämmung führt im Fall einer thermischen Überlast einer einzelnen Zelle zu einer Verzögerung des Wärmeübertrags von Zelle zu Zelle. So soll sichergestellt werden, dass im Extremfall eine abbrennende Zelle die Nachbarzellen nicht direkt mit ansteckt und ein thermisches Ereignis bzw. Thermal runaway event zumindest verlangsamt wird.
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Die vorliegende Erfindung hat die Aufgabe, einen Zell-Separator und ein damit aufgebautes Batteriemodul zu verbessern.
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Die vorstehend genannte Aufgabe wird erfindungsgemäß durch die Merkmale von Anspruch 1 dadurch gelöst, dass in dem Zell-Separator eine aktive Heizmaßnahme bzw. elektrische Widerstandsheizung integriert ist. Ferner wird diese Aufgabe auch durch ein Batteriemodul mit den Merkmalen von Anspruch 9 gelöst.
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Die vorliegende Erfindung baut auf der Erkenntnis auf, dass an diesem Ansatz nachteilig ist, dass alle Entwicklungen nur auf eine passive thermische Entkopplung zwischen benachbarten Zellen innerhalb eines Batteriemoduls abzielen. Das bedeutet, dass die Hauptfunktion auch für einen Zell-Separator darin besteht, die Speicherzellen vor zu hohen Temperaturen zu schützen und eine gleichmäßige Temperaturverteilung unter Vermeidung von sog. Hot-Spots und Temperaturgradienten von Zelle zu einer jeweilig benachbarten Zelle < 5K sowie < 10K innerhalb der Zelle über alle Zellen eines Batteriemodul zu schaffen.
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Nachteil aller bisherigen Lösungen besteht darin, dass bei niedrigen Temperaturen von < 20°C ein Leistungsgrad sowie eine Dauerhaltbarkeit von Speicherzellen negativ beeinflusst werden. Ein Batteriemanagementsystem BMS regelt eine zur Verfügung stehende elektrische Leistung eines Batteriesystems nach einer kältesten Speicherzelle, wobei ein optimaler Wirkungsgrad nur in einem Temperaturfenster zwischen 20°C und 60°C zur Verfügung steht. Damit kommt es bei geringen Umgebungstemperaturen und speziell bei kalten elementaren Speicherzellen zu Einbußen in der Kapazität eines Batteriemoduls und mithin zumindest zu einer deutlichen Reduzierung einer Reichweite eines Elektrofahrzeugs.
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Erfindungsgemäß wird nun ein Zell-Separator als bereits bestehendes Bauteil durch Integration einer aktiven Heizmaßnahme genützt, um den negativen Einflüssen niedriger Temperaturen auf die elementaren Speicherzellen effektiv durch schnelle Einstellung eines idealen Arbeitstemperaturbereichs entgegenzuwirken. Eine bestehende, rein passive Lösung wird damit durch eine aktive Heizmaßnahme in einem weitgehend unveränderten Bauteil ergänzt und erzielt einen unmittelbaren Mehrwert für einen Endverbraucher bzw. Fahrer z.B. durch Steigerung einer Batteriekapazität und dadurch Reichweite auch bei niedrigen Umgebungsbedingungen bzw. einem Kaltstart.
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Vorteilhafte Weiterbildungen sind Gegenstand der abhängigen Ansprüche. Demnach ist in einen Zell-Separator mindestens ein elektrischer Widerstand mit einer flächigen Verteilung als aktive Heizmaßnahme angeordnet. Damit kann eine Fläche zwischen zwei benachbart angeordneten elementaren Speicherzellen fast vollständig für ein effektives und schnelles Beheizen dieser Speicherzellen genutzt werden. In einer Ausführungsform der Erfindung ist dieser elektrische Heizwiderstand als gedruckte Schicht realisiert.
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Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung ist dieser elektrische Heizwiderstand durch mindestens einen elektrischen Widerstand mit einem mäanderförmigen Verlauf realisiert, vorzugsweise als Heizdraht mit einem mäanderförmigen Verlauf. Der Widerstandsdraht ist vorzugsweise an einer Fläche aus einer thermischen Dämmung fixiert, insbesondere an einer Schicht aus Isolierpapier.
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In einer Ausführungsform der Erfindung ist der Heizdraht zwischen zwei Flächen aus thermischer Dämmung fixiert, wobei die thermische Dämmung als Interzell-Isolierung insbesondere durch ein sog. Isolierpapier gebildet ist. Gemäß einer Weiterbildung der Erfindung sind zwei Flächen aus einer thermischen Dämmung über Klebestellen miteinander verbunden.
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Vorzugsweise ist der Heiz-Widerstand zwischen den Flächen aus thermischer Dämmung auch über Klebestellen in seiner Form und Lage fixiert, insbesondere durch dieselben Klebestellen bzw. Klebepunkte, die zur Verbindung der Flächen aus thermischem Dämm-Material vorgesehen sind.
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In einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung ist der Zell-Separator zur Anordnung zwischen Mantelflächen benachbarter Speicherzellen dadurch besonders ausgebildet, dass der Zell-Separator mindestens eine große Seite einer prismatischen Mantelfläche einer elementaren Speicherzelle abdeckend ausgebildet ist. Bei Speicherzellen mit einem länglich ausgebildeten quaderförmigen Außenkörper machen deren große Mantelfläche im Verhältnis zu einer Gesamtoberfläche den größten Anteil aus. Da Stirnflächen sehr schmal ausgebildet sind wirkt eine Beheizung in direktem Kontakt mit einer großen Mantelfläche auch am effektivsten.
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Vorzugsweise weist der Zell-Separator einen Rahmen in Form eines Spritzgießteils auf, in dem die Flächen aus einer thermischen Dämmung fixiert sind. Für das Spritzgießteil wird die Verwendung von Polycarbonat bevorzugt, wobei die Flächen aus thermischer Dämmung in dem Rahmen vorzugsweise in Form eines Unter- und eines Oberteils des Rahmens umfasst durch Verrastung von Unter- und Oberteil fixiert sind.
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Der Zell-Separator weist in einer wesentlichen Weiterbildung zwei Kontakte je elektrischem Widerstand aufweist, die als an dem Rahmen angeordnete Federelemente bzw. Anschluss-Federn ausgeführt sind. Der Rahmen zeichnet sich damit durch in einer Einbaulage nach unten zum Boden einer Modulwanne hin orientierte Kontaktfedern aus, an denen die elektrische Widerstandsheizung angeschlossen ist.
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Ein aus elementaren Speicherzellen aufgebautes Batteriemodul kennzeichnet sich vorteilhafterweise dadurch, dass in einer Spalte benachbart angeordnete elementare Speicherzellen durch einen Zell-Separator nach einem der vorhergehenden Merkmale voneinander getrennt sind, wobei innerhalb des Batteriemoduls eine Spalte aus n elementaren Speicherzellen prismatischer Bauform vorteilhafterweise n-2 Zellseparatoren aufweist.
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In einer Weiterbildung der Erfindung zeichnet sich ein derartiges Batteriemodul dadurch auf, dass an einem Boden einer Modulwanne des Modulgehäuses innenseitig mindestens zwei Versorgungsleitbahnen je Zeile von elementaren Speicherzellen zur Versorgung der jeweiligen elektrischen Widerstandsheizungen der Zell-Separatoren angeordnet sind. Eine Regelung einer Heizleistung kann damit über eine Stromregelung durch die zwei Versorgungsleitbahnen erfolgen. Bei mehr als zwei Versorgungsleitbahnen ist auch eine selektive Ansteuerung von Widerstandsheizungen der Zell-Separatoren möglich.
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Nachfolgend werden weitere Merkmale und Vorteile erfindungsgemä-ßer Ausführungsformen unter Bezugnahme auf Ausführungsbeispiele anhand der Zeichnung näher erläutert. Darin zeigen in schematischer Darstellung:
- 1: eine Draufsicht auf einen Zell-Separator;
- 2: eine dreidimensionale Darstellung eines weiteren Ausführungsbeispiels eines Zell-Separators und
- 3: eine dreidimensionale Darstellung eines bekannten Batteriemoduls mit einem Zell-Separator.
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Über die verschiedenen Abbildungen der Zeichnung hinweg werden für gleiche Elemente stets die gleichen Bezugszeichen verwendet. Ohne Beschränkung der Erfindung wird nachfolgend nur ein Einsatz von Ausführungsbeispielen der Erfindung vor dem Hintergrund eines Einsatzes eines Batteriemoduls für einen Batteriespeichers in einem Personen-Fahrzeug in Form eines Autos dargestellt und beschrieben. Es ist aber für den Fachmann offensichtlich, dass in gleicher Weise auch eine Anpassung eines nachstehend beschriebenen Zell-Separators auf ein Batteriemodul zum Einsatz in sonstigen Fahrzeugen, wie Flugzeuge oder Boote mit elektro-motorischem Antrieb, sowie auch auf stationäre Einsätze z.B. zur Stromversorgung möglich ist.
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In einem Modulgehäuse 1 eines Batteriemoduls 2 werden nach dem Stand der Technik elementare Speicherzellen 3 prismatischer Bauform in der Regel unter Trennung direkt benachbarter elementarer Speicherzellen 3 in einer Reihe bzw. Spalte durch einen Zell-Separator 4 aufgebaut, wie in der dreidimensionalen Explosionsdarstellung von 3 angedeutet. Jeder Zell-Separator 4 erstreckt sich zwischen direkt benachbarten elementaren Speicherzellen 3 von einem Modulboden 5 über eine große Seitenfläche der hier als schmale Prismen ausgebildeten elementaren Speicherzellen 3 zu einem nicht weiter dargestellten Deckel hin. Erst diesem Zusammenbau schließt sich eine elektrische Verschaltung der elementaren Speicherzellen 3 an, bevor ein Modulgehäuse 1 durch eine Art von Deckel beschlossen wird. Nach dem Stand der Technik besteht die Aufgabe derartiger Zell-Separatoren 4 ausschließlich darin, durch dünnwandige, flexible und thermisch dämmende Materialien im Fall einer thermischen Überlast einer einzelnen elementaren Speicherzelle 3 eine Verzögerung des Wärmeübertrags von der betreffenden Zelle 3 zu benachbarten Zellen 3 zu bewirken. Damit soll ein thermisches Ereignis bzw. Thermal runaway event verzögert werden.
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Die Abbildung von 1 zeigt eine Draufsicht auf einen Zell-Separator 4, in dem zur Verbesserung der Eigenschaften eines Batteriemoduls eine aktive Heizmaßnahme integriert ist. Während ein bekannter Zell-Separator 4 eine thermische Dämmung 6 in Form eines Isolierpapiers aufweist, das in einem Kunststoff-Rahmen 7 fixiert gehalten ist, wird nun dieser Zell-Separator 4 als bereits bestehendes Bauteil durch Integration einer aktiven Heizmaßnahme genützt, um negative Einflüsse niedriger Temperaturen auf angrenzende Speicherzellen 3 in einer Einbausituation effektiv durch schnelle Einstellung eines idealen Arbeitstemperaturbereichs entgegenzuwirken. Hierzu wird der vorhandene Bauraum mit einem bekannten Grundaufbau bestehend aus Isoliermaterial 6 mit einem Fixierrahmen 7 aus Polycarbonat weitgehend unverändert genutzt und um einen mäanderförmig verlaufenden Heizdraht 8 einer Widerstandsheizung ergänzt. Damit ist der Zell-Separator 4 neben der bekannten Funktion einer thermischen Dämmung zusätzlich zu einem Träger einer aktiven Heizmaßnahme weitergebildet worden. In einer technischen Realisierung ist ein vorhandener Herstellprozess dazu entsprechend adaptiert. Demnach wird ein entsprechend zugeschnittenes Stück Isolationspapier 6 in eine untere Hälfte 7a eines Fixierrahmens 7 aus Polycarbonat eingelegt. Hierauf wird ein elektrischer Widerstand als in Mäandern vorgeformter Heizdraht 8 aufgelegt und durch Klebepunkte 9 fixiert, um direkt anschließend von einem zweiten Stück Isolationspapier 6 abgedeckt zu werden, wobei in 1 diese zweite Stück Isolationspapier 6 einer besseren Darstellung halber weggelassen worden ist. Die in einem regelmäßigen Raster vorgesehenen Klebepunkte 9 verbinden so auch die beiden Stücke Isolationspapier 6 miteinander und fixieren zugleich auch eine Lage des Heizdrahts 8. Als Anschlussfedern 10 ausgeführte Kontakte des Heizdrahts 8 werden an der unteren Hälfte 7a des Fixierrahmens 7 eingelegt. Dann wird die untere Hälfte 7a eines Fixierrahmens 7 mit einer baugleichen, um 180° gedrehten oberen Hälfte 7b durch Verrasten zu einem Fixierrahmen 7 umschlossen. Damit sind in diesem Fixierrahmen 7 zur Ausbildung eines Zell-Separators 4 zwei Stück Isolationspapier 6 mit dazwischen fixiertem und über zwei Anschlussfedern 10 mit Strom versorgbarem Heizdraht 8 form- und positionssicher gehalten.
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Alternativ zu diesem Aufbau ist in der Ansicht von 2 ein Zell-Separator dargestellt, bei dem der bekannte Herstellungsprozess lediglich durch ein partielles Beschichten des Isolierpapiers 6 mit einer thermisch dämmenden Paste 11 ergänzt wird, wobei in Aussparungen der Beschichtung der Heizdraht 8 integriert bzw. eingelegt und fixiert ist. Es ist auch eine Überdeckung des Heizdrahts 8 durch die thermisch dämmenden Paste 11 möglich, da diese zugleich eine elektrische Isolationsschicht bildet. Die elektrische Anbindung des Heizdrahts 8 als thermischer Aktivkomponente erfolgt wiederum über zwischen den Rahmenteilen 7a, 7b integrierte Stromabnehmer in Form zweier Anschlussfedern 10 am Rahmen 7 des Zell-Separators 4, die in einer Einbausituation in dem Bodenbereich 5 des Modulgehäuses 1 in Kontakt mit elektrischen Versorgungs-Leitbahnen 12 stehen. Diese Versorgungs-Leitbahnen 12 sind gegenüber den Gehäusen der elementaren Speicherzellen 3 elektrisch isoliert. Dabei bleibt eine gute thermische Kopplung der elementaren Speicherzellen 3 an den Modulboden 5 des Modulgehäuse 1 für eine etwaig erforderliche Entwärmung bzw. Wärmeabfuhr elektrischer Verluste der elementaren Speicherzellen 3 mit einer Abfuhr über das Modulgehäuse 1 erhalten.
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In einer weiteren, hier nicht mehr zeichnerisch darstellten Alternative ist die Heizmaßnahme über einen Stromfluss regelbar ausgebildet. Zudem sind in einem Ausführungsbeispiel mehr als nur ein Heizdraht 8 je Zell-Separator 4 vorgesehen, so dass eine Beheizung zusätzlich intensivierbar ist. Dazu ist zur separaten Regelung eine eigene Anschluss-Feder und in Abstimmung damit in dem Modulboden 5 lediglich eine zusätzliche und von der bereits beschriebenen Versorgungsleitbahn 12' räumlich getrennte Versorgungsleitbahn vorzugsehen. Ein zweiter Anschluss kann für alle Heizkreise gemeinsam als Rückfluss-Leiter genutzt werden. Damit wären dann die Heizkreise separat ansteuerbar.
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In einem weiteren Ausführungsbeispiel ist statt eines Umschlie-ßens des Isolierpapiers 6 mit daran bzw. darin fixierter thermischer Aktivkomponente durch eine obere und eine untere Rahmenhälfte ein Umspritzen des Isolierpapiers 6 in einer Spritzgießform vorgesehen. Ein Aufbau einer Heizmaßnahme an dem Isolierpapier 6 ist mit dem Kontaktieren von Anschluss-Federn 10 zweckmäßiger Weise bereits abgeschlossen, bevor dieser Aufbau in ein Kunststoff-Druckgieß-Werkzeug eingelegt wird.
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Die vorstehend beschriebene Ausführungsbeispiele eines Batteriemoduls 1 bietet neuartige und sehr flexible Möglichkeiten eines effektiven und schnellen Schutzes der elementaren Speicherzellen vor zu niedrigen Betriebstemperaturen durch geregelte Zufuhr einer bestimmten Wärmemenge. Bekannte Maßnahmen zur Entwärmung der elementaren Speicherzellen bei Lade- und/oder Entladevorgängen über ein Modulgehäuse bzw. eine Kühlung an einem Modulboden bleiben hiervon unbeeinträchtigt.
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Bezugszeichenliste
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- 1
- Modulgehäuse
- 2
- Batteriemodul
- 3
- elementare Speicherzelle als prismatische Rundzelle
- 4
- Zell-Separator
- 5
- Modulboden
- 6
- thermische Dämmung / Isolierpapier
- 7
- Kunststoff-Rahmen aus verrasteten oberer und unterer Hälfte
- 7a
- untere Hälfte des Kunststoff-Rahmens 7
- 7b
- obere Hälfte des Kunststoff-Rahmens 7
- 8
- Heizdraht
- 9
- Klebepunkt / Klebestelle
- 10
- Anschluss-Feder, im Kunststoff-Rahmen 7 fixiert
- 10'
- Anschluss-Feder im Kunststoff-Rahmen 7 für zusätzlichen Heizdraht
- 11
- thermisch isolierenden Paste
- 12
- Versorgungs-Leitbahn am Modulboden 5
- 12'
- zusätzliche Versorgungs-Leitbahn am Modulboden 5 in Abstimmung mit Anschluss-Feder 10`.
