DE102022132209A1 - Batteriezelle, Batteriepack, Batterie und Nutzfahrzeug - Google Patents
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Abstract
Die Erfindung betrifft eine Batteriezelle (1) mit einem Zellgehäuse, das einen kreisförmigen Querschnitt mit einem Durchmesser von 2 cm bis 5 cm und eine Länge von mehr als einem Meter aufweist, wobei das Zellgehäuse aus Aluminium oder aus vernickeltem Stahl gebildet ist.
Description
- Die Erfindung betrifft eine Batteriezelle gemäß dem Oberbegriff des Anspruchs 1, ein Batteriepack gemäß dem Oberbegriff des Anspruchs 3, eine Batterie gemäß dem Oberbegriff des Anspruchs 4 und ein Nutzfahrzeug gemäß dem Oberbegriff des Anspruchs 7.
- Im Bereich schwerer elektrischer Nutzfahrzeuge spielt das mitgeführte Gewicht der Batterie und ihre spezifische Energie sowie Energiedichte eine wichtige Rolle. Um eine große Reichweite zu ermöglichen, müssen großeich ma und somit schwere Batterien eingebaut werden, was dazu führen kann, dass die eigentlich zu transportierende Last aufgrund der normierten Gesamtmasse des Fahrzeugs geringer werden muss. Um dies zu vermeiden werden Batterien mit hoher spezifischer Energie und Energiedichte benötigt. Da der Bauraum im Fahrzeug begrenzt ist, sollte der Anteil an Gehäusen und anderen elektrochemisch inaktiven Komponenten an der Batterie möglichst gering sein.
- Lange, schmale Zellen haben den Vorteil, große Volumina zu füllen und dabei verglichen mit kleineren Zellen eine deutlich höhere Energiedichte zu liefern. Von BYD sind bereits „Blade-Zellen“ basierte Packs bekannt. Dabei handelt es sich um schmale und lange prismatische Zellen.
-
DE 43 26 943 A1 beschreibt eine vorzugsweise für den Einsatz in Elektrostraßenfahrzeugen geeignete Batterie, die aus alkalischen Rundzellen von 20 bis 150 cm Länge und maximal 2,5 bis 5 cm Dicke aufgebaut ist, die in einem gemeinsamen Batteriegehäuse liegend und parallel zueinander ausgerichtet einen dichten Stapel bilden und dabei einer Zwangskühlung durch ein Kühlmedium (Luft) ausgesetzt sind, welches die Zwischenräume des Stapels durchströmt. Die elektrische Verschaltung der Röhrenzellen erfolgt mittels Cu-Verbindern, die an bolzenförmige Cu-Pole an den Stirnseiten der Zellen angeschraubt werden. - Der Erfindung liegt die Aufgabe zu Grunde, eine neuartige Batteriezelle, ein neuartiges Batteriepack, eine neuartige Batterie und ein neuartiges Nutzfahrzeug anzugeben.
- Die Aufgabe wird erfindungsgemäß gelöst durch eine Batteriezelle mit den Merkmalen des Anspruchs 1, ein Batteriepack mit den Merkmalen des Anspruchs 3, eine Batterie mit den Merkmalen des Anspruchs 4 und ein Nutzfahrzeug mit den Merkmalen des Anspruchs 7.
- Vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung sind Gegenstand der Unteransprüche.
- Eine erfindungsgemäße Batteriezelle weist ein Zellgehäuse auf, das einen kreisförmigen Querschnitt mit einem Durchmesser von 2 cm bis 5 cm und eine Länge von mehr als einem Meter aufweist. Erfindungsgemäß ist das Zellgehäuse aus Aluminium oder aus vernickeltem Stahl gebildet.
- Der Cell-to-Pack-Ansatz ist bereits bekannt und ermöglicht eine höhere Energiedichte in batterieelektrischen Fahrzeugen. Große Zellen ermöglichen eine hohe spezifische Energie und Energiedichte. Die vorliegende Erfindung kann insbesondere für Lastkraftwagen verwendet werden. Dabei werden besonders lange Rundzellen verwendet.
- Die vorliegende Erfindung ermöglicht eine verbesserte Ausnutzung des Bauraums durch in der Länge angepasste zylindrische Zellen im Cell-to-Pack-Design, welche durch eine Länge von > 1m besonders hohe spezifische Energien und Energiedichten aufweisen können und gleichzeitig die Anwendung effizienter Kühlkonzepte für diese Art der Zellen ermöglichen. Die mechanische Stabilität und der schnelle Produktionsprozess von Rundzellen bieten zusätzliche Vorteile gegenüber anderen Zelltypen.
- Rundzellen haben Vorteile gegenüber prismatischen Zellen: Das Aufrollen der Wickel langer Rundzellen ist weniger fehleranfällig als das Stapeln großer Elektroden und Separatoren, da sich diese dann wellen. Außerdem sind prismatische schmale Zellen mechanisch weniger stabil.
- Ausführungsbeispiele der Erfindung werden im Folgenden anhand von Zeichnungen näher erläutert.
- Dabei zeigen:
-
1 eine schematische Seitenansicht einer Batteriezelle, -
2 eine schematische Ansicht eines Batteriepacks, -
3 eine schematische Ansicht einer Batterie, -
4 eine schematische Ansicht eines Rahmens für ein Nutzfahrzeug, und -
5 eine schematische Ansicht des Batteriepacks mit einer Kühlplatte für indirekte Kühlung. - Einander entsprechende Teile sind in allen Figuren mit den gleichen Bezugszeichen versehen.
-
1 ist eine schematische Seitenansicht einer erfindungsgemäßen Batteriezelle 1. -
2 ist eine schematische Ansicht eines aus einer Mehrzahl von Batteriezellen 1 gebildeten Batteriepacks 2. - Die Batteriezellen 1 sind als Rundzellen ausgebildet, das heißt sie weisen einen kreisförmigen Querschnitt auf, insbesondere mit einem Durchmesser von 2 cm bis 5 cm, beispielsweise von mindestens 2 cm bis weniger als 2,5 cm, und weisen eine Länge von mehr als 1 m auf. Dies ermöglicht eine optimale Ausnutzung des Bauraums, besonders hohe spezifische Energien und Energiedichten. Dieses Format kann direkt und flexibel in einem Batteriepack 2 integriert werden.
- Ebenso sind Batteriezellen 1 mit einem Durchmesser von mehr als 5 cm möglich.
- Die Batteriezellen 1 sind insbesondere Batteriezellen 1 auf Lithium-Basis, beispielsweise Lithium-Ion-Basis oder Lithium-Eisenphosphat-Basis. Ein Zellgehäuse der Batteriezelle 1 ist insbesondere aus Aluminium oder aus vernickeltem Stahl gebildet.
- Das Batteriepack 2 weist eine Vielzahl von Batteriezellen 1 auf, die in Reihen nebeneinander (beispielsweise Mantelfläche an Mantelfläche) angeordnet sind, wobei mehrere Reihen übereinander angeordnet sind, wobei benachbarte Reihen um den halben Durchmesser einer Batteriezelle 1 versetzt zueinander angeordnet sind, so dass möglichst kleine Zwischenräume 3 zwischen den Batteriezellen 1 entstehen. Andere Anordnungen der Batteriezellen 1 im Batteriepack 2 sind ebenfalls möglich. Für eine Spannung von 800V wird beispielsweise eine Reihenschaltung von 96 Batteriezellen 1 benötigt.
-
3 ist eine schematische Ansicht einer Batterie 4, umfassend ein Gehäuse 5, das beispielsweise quaderförmig ausgebildet sein kann, wobei in dem Gehäuse 5 ein Batteriepack 2 angeordnet ist. -
4 ist eine schematische Ansicht eines Rahmens 6 für ein Nutzfahrzeug, insbesondere ein elektrisch angetriebenes Nutzfahrzeug. - Am Rahmen 6, beispielsweise an einem Längsträger 7 des Rahmens 6, insbesondere zwischen zwei Längsträgern 7, kann mindestens eine Batterie 4, beispielsweise mehrere Batterien 4, wie oben beschrieben angeordnet werden.
- Auf diese Weise kann die Batterie 4 besonders gut durch den Rahmen 6 mechanisch stabilisiert werden. Insbesondere sind/ist das Batteriepack 2 und/oder das Gehäuse 5 so ausgelegt, dass der Rahmen 6 als zusätzliche mechanische Stabilisierung dienen kann. Somit sind keine mechanischen Stabilisierungsaufbauten am Batteriepack 2 selbst erforderlich.
- Aus dem Stand der Technik bekannte kleine Rundzellen werden normalerweise an den Polen gekühlt, da hier der Wärmetransport in die Zelle günstiger ist durch das Verhältnis der Länge zur Breite. Die lange aber schmale Form und das optionale Gehäuse aus Aluminium der vorliegend beschriebenen Batteriezellen 1 ermöglicht eine effiziente Kühlung auch über deren Mantelfläche. So können die Zwischenräume 3 der Batteriezellen 1 besonders gut für Direktkühlung mit Kühlöl oder einem anderen Kühlmedium genutzt werden.
-
5 ist eine schematische Ansicht des Batteriepacks 2 mit Kühlplatte 9 für indirekte Kühlung. In diesem Fall liegen die von einem Kühlmedium durchflossenen Kühlplatten 9 an den Batteriezellen 1 an. - Die Packungsdichte der runden Batteriezellen 1 ist aufgrund von geringerem Totvolumen in den Batteriezellen 1 höher. Die Dicken der Zellgehäuse sind für runde Batteriezellen 1 geringer und die Batteriezellen 1 an sich und im Batteriepack 2 bieten höhere mechanische Stabilität als lange und schmale prismatische Zellen. Durch diese Stabilität entfallen schwere und teure Stabilisierungsaufbauten des Batteriepacks 2. Runde Batteriezellen 1 bieten außerdem bei der Integration ins Batteriepack 2 natürliche Zwischenräume 3 für eine direkte Kühlung oder indirekte Kühlung.
- Bei prismatischen Zellen ist die Kühlung immer damit verbunden, zusätzlichen Raum schaffen zu müssen. Wird das Gehäuse der runden Batteriezellen 1 aus Aluminium anstatt Stahl gefertigt, so spart man Gewicht, erhöht die Wärmeleitfähigkeit für ein besseres Thermomanagement und erhält ein korrosionsbeständiges Gehäuse, beispielsweise für eine Direktkühlung.
- Ein weiterer Vorteil zylindrischer Batteriezellen 1 gegenüber flachen Zellen (z.B. Pouch, Prismatic) besteht darin, dass ihre Elektroden gleichmäßig und eng gewickelt und von einem Metallgehäuse umschlossen sind. Dies minimiert das Aufbrechen des Elektrodenmaterials durch mechanische Vibrationen, Temperaturwechsel beim Laden und Entladen und die mechanische Ausdehnung der Stromleiter innerhalb der Batteriezelle 1 durch die Temperaturwechsel. Insbesondere im Bereich schwerer Nutzfahrzeuge sind mechanische Einwirkungen auf die Batteriezellen 1 sehr stark, daher ist dies ein wichtiger Punkt. Eine weitere mechanische Stabilisierung des gesamten Batteriepacks 2 wird durch den Rahmen 6 selbst ermöglicht. Durch ein Gehäuse aus Aluminium kann Gewicht eingespart werden und die Korrosionsbeständigkeit steigt. Auch die Wärmeleitfähigkeit von Aluminium ist höher als die von Stahl, was die Kühlung der Batteriezellen 1 vereinfacht. Die Kombination eines Aluminiumgehäuses mit der beschriebenen langen aber schmalen Form der Batteriezellen 1 lässt effiziente Kühlungsmöglichkeiten zu.
- Bezugszeichenliste
-
- 1
- Batteriezelle
- 2
- Batteriepack
- 3
- Zwischenraum
- 4
- Batterie
- 5
- Gehäuse
- 6
- Rahmen
- 7
- Längsträger
- 9
- Kühlplatte
- ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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- Zitierte Patentliteratur
-
- DE 4326943 A1 [0004]
Claims (7)
- Batteriezelle (1) mit einem Zellgehäuse, das einen kreisförmigen Querschnitt mit einem Durchmesser von 2 cm bis 5 cm und eine Länge von mehr als einem Meter aufweist, dadurch gekennzeichnet, dass das Zellgehäuse aus Aluminium oder aus vernickeltem Stahl gebildet ist.
- Batteriezelle (1) nach
Anspruch 1 , dadurch gekennzeichnet, dass der Durchmesser des Zellgehäuses 2 cm bis weniger als 2,5 cm beträgt. - Batteriepack (2), umfassend eine Vielzahl von Batteriezellen (1) nach
Anspruch 1 oder2 , dadurch gekennzeichnet, dass die Batteriezellen (1) in Reihen nebeneinander angeordnet sind, wobei mehrere Reihen übereinander angeordnet sind, wobei benachbarte Reihen um den halben Durchmesser einer Batteriezelle (1) versetzt zueinander angeordnet sind, so dass möglichst kleine Zwischenräume (3) zwischen den Batteriezellen (1) entstehen. - Batterie (4), umfassend ein Batteriepack (2) nach
Anspruch 3 , dadurch gekennzeichnet, dass die Batterie (4) ferner ein quaderförmiges Gehäuse (5) aufweist, in dem das Batteriepack (2) angeordnet ist. - Batterie (4) nach
Anspruch 4 , dadurch gekennzeichnet, dass die Batterie (4) zur Direktkühlung mittels Durchströmung der Zwischenräume (3) der Batteriezellen (1) mit einem Kühlmedium konfiguriert ist. - Batterie (4) nach
Anspruch 4 , dadurch gekennzeichnet, dass die Batterie (4) mindestens eine von einem Kühlmedium durchströmbare Kühlplatte (9) für indirekte Kühlung aufweist, die an den Batteriezellen (1) anliegt. - Elektrisch angetriebenes Nutzfahrzeug mit mindestens einer Batterie (4) nach einem der
Ansprüche 4 bis6 , dadurch gekennzeichnet, dass das Nutzfahrzeug einen Rahmen (6) mit zwei Längsträgern (7) aufweist, wobei die mindestens eine Batterie (4) an mindestens einem Längsträger (7) des Rahmens (6), insbesondere zwischen zwei Längsträgern (7), angeordnet ist.
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