DE202023106249U1

DE202023106249U1 - Entlüftetes Batteriemodul

Info

Publication number: DE202023106249U1
Application number: DE202023106249.0U
Authority: DE
Original assignee: Aspen Aerogels Inc
Current assignee: Aspen Aerogels Inc
Priority date: 2022-12-29
Filing date: 2023-08-25
Publication date: 2024-01-25
Anticipated expiration: 2033-08-26
Also published as: EP4395036A1

Abstract

Batteriemodul, umfassend:
einen Stapel von Lithium-Ionen-Zellen, wobei jede Zelle elektrische Klemmen beinhaltet;
eine Entlüftung an jeder Zelle des Stapels von Lithium-Ionen-Zellen, wobei jede Entlüftung eine Entlüftungsrichtung definiert; und
mindestens einen Kanal, der mit den Entlüftungen des Stapels von Lithium-Ionen-Zellen in Verbindung steht, wobei der Kanal dazu konfiguriert ist, Entlüftungsgase von der Entlüftungsrichtung in eine Kanalrichtung umzuleiten.

Description

ENTLÜFTETES BATTERIEMODUL
Anspruch oder Priorität
Diese Patentanmeldung beansprucht den Vorteil der Priorität gegenüber der US-Patentanmeldung Nr. 63/436,015 , die am 29. Dezember 2022 eingereicht wurde und deren Inhalt hier durch Bezugnahme vollumfänglich aufgenommen wird.
Gebiet der Technik
Die vorliegende Offenbarung betrifft im Allgemeinen Materialien und Systeme zum Verhindern oder Abschwächen thermischer Ereignisse, wie etwa thermischer Instabilität, in Energiespeichersystemen. Insbesondere stellt die vorliegende Offenbarung Wärmedämmmaterialien bereit. Die vorliegende Offenbarung betrifft ferner ein Batteriemodul oder -paket mit einer oder mehreren Batteriezellen, das die Wärmedämmmaterialien beinhaltet, sowie Systeme, die diese Batteriemodule oder -pakete umfassen. Allgemein beschriebene Aspekte können Aerogelmaterialien beinhalten.
Allgemeiner Stand der Technik
Lithium-Ionen-Batterien (LIBs) werden aufgrund ihrer hohen Arbeitsspannung, ihres geringen Memory-Effekts und ihrer hohen Energiedichte im Vergleich zu herkömmlichen Batterien häufig für den Betrieb von tragbaren elektronischen Vorrichtungen wie Mobiltelefonen, Tablets, Laptops, Elektrowerkzeugen und anderen Hochstromvorrichtungen wie Elektrofahrzeugen verwendet. Die Sicherheit ist jedoch ein Problem, da LIBs anfällig für katastrophale Ausfälle unter „Missbrauchsbedingungen“ sind, wie etwa wenn eine wiederaufladbare Batterie überladen (über die vorgesehene Spannung hinaus geladen), überentladen, bei hohen Temperaturen und hohem Druck betrieben oder diesen ausgesetzt wird.
Um zu verhindern, dass es zu kaskadierenden thermischen Instabilitätsereignissen kommt, sind effektive Isolierungs- und Wärmeableitungsstrategien erforderlich, um diese und andere technische Herausforderungen von LIBs zu bewältigen.
Kurze Beschreibung der Zeichnungen

1A zeigt eine isometrische Ansicht eines Batteriemoduls gemäß einigen Aspekten.
1B zeigt eine weitere isometrische Ansicht eines Batteriemoduls gemäß einigen Aspekten.
2A zeigt eine weitere isometrische Ansicht eines Batteriemoduls gemäß einigen Aspekten.
2B zeigt eine Querschnittsansicht eines Batteriemoduls gemäß einigen Aspekten.
2C zeigt eine weitere isometrische Ansicht eines Batteriemoduls gemäß einigen Aspekten.
3A zeigt eine weitere isometrische Ansicht eines Batteriemoduls gemäß einigen Aspekten.
3B zeigt eine weitere isometrische Ansicht eines Batteriemoduls gemäß einigen Aspekten.
4A zeigt eine weitere isometrische Ansicht eines Batteriemoduls gemäß einigen Aspekten.
4B zeigt eine weitere isometrische Ansicht eines Batteriemoduls gemäß einigen Aspekten.
5A zeigt eine weitere isometrische Ansicht eines Batteriemoduls gemäß einigen Aspekten.
5B zeigt eine weitere isometrische Ansicht eines Batteriemoduls gemäß einigen Aspekten.
6 zeigt eine weitere isometrische Ansicht eines Batteriemoduls gemäß einigen Aspekten.
7 zeigt eine weitere isometrische Ansicht eines Batteriemoduls gemäß einigen Aspekten.
8A zeigt eine weitere isometrische Ansicht eines Batteriemoduls gemäß einigen Aspekten.
8B zeigt eine weitere isometrische Ansicht eines Batteriemoduls gemäß einigen Aspekten.
9 zeigt eine weitere isometrische Ansicht eines Batteriemoduls gemäß einigen Aspekten.
10A zeigt eine Seitenansicht und eine Draufsicht eines Batteriemoduls gemäß einigen Aspekten.
10B zeigt eine Draufsicht eines Batteriemoduls gemäß einigen Aspekten.
11 zeigt ein Verfahren zum Bilden eines Batteriemoduls gemäß einigen Aspekten.
12 zeigt eine elektronische Vorrichtung gemäß einigen Aspekten.
13 zeigt ein Elektrofahrzeug gemäß einigen Aspekten.

Detaillierte Beschreibung
Die nachfolgende Beschreibung und die Zeichnungen veranschaulichen spezifische Aspekte ausreichend, um es dem Fachmann zu ermöglichen, diese umzusetzen. Andere Aspekte können strukturelle, logische, elektrische, prozessuale und andere Änderungen enthalten. Abschnitte und Aspekte einiger Ausführungsformen können in diesen anderen Aspekten beinhaltet oder ersetzt sein. In den Ansprüchen dargelegte Aspekte schließen alle verfügbare Äquivalente dieser Ansprüche ein. In der folgenden detaillierten Beschreibung wird auf die beigefügten Zeichnungen Bezug genommen, die einen Teil davon bilden und in denen durch Veranschaulichung konkrete Aspekte gezeigt werden, in denen die Offenbarung angewendet werden kann. Es versteht sich, dass andere Aspekte verwendet werden können und strukturelle Änderungen vorgenommen werden können, ohne vom Umfang der Offenbarung abzuweichen.
Übersicht
Die vorliegende Offenbarung richtet sich auf einen Stapel (z. B. ein Batteriemodul oder ein Batteriepaket) Batteriezellen (z. B. Lithium-Ionen-Zellen) mit einem Kanal, der dazu ausgelegt ist, die Auswurfgase (z. B. Entlüftungsgase oder Partikel) während eines thermischen Durchgehereignisses aus den Batteriezellen zu leiten. Der Kanal ist in mehreren Deckschichten gebildet, die über den Stapel von Batteriezellen verteilt sind. Der Kanal leitet den Auswurf des thermischen Durchgehens weg von mechanisch schwächeren Abschnitten der Batteriezellen (z. B. Entlüftungslöchern) sowie weg von dem Stapel, wodurch die durch den Auswurf verursachte Beschädigung des Stapels minimiert wird.
In einem Aspekt beinhalten mehrere Deckschichten eines Batteriepakets eine erste Schicht mit Löchern, die auf die mechanisch schwächeren Abschnitte der Batteriezellen (z. B. Entlüftungslöcher) ausgerichtet sind, um Auswurf von thermischem Durchgehen aufzunehmen. Die erste Schicht kann ferner Löcher zur Aufnahme von Batterieklemmen umfassen, sodass die erste Schicht koplanar mit den Batterieklemmen ist. In dieser kompakten Form nimmt die erste Schicht die gleiche Ebene wie die Batterieklemmen ein, anstatt zusätzlichen Platz über den Batterieklemmen einzunehmen. Diese Konfiguration nutzt effizient den begrenzten Raum über dem Zellenstapel in einem Batteriepaket oder -modul. Die erste Schicht kann eine Isolierschicht, eine elastische Schicht, eine starre Schicht oder Kombinationen davon sein. In einem Aspekt kann die erste Schicht eine Aerogelschicht sein, um die Wärmeübertragung von einer Zelle, die einem thermischen Durchgehen ausgesetzt ist, auf andere Zellen in dem Batteriepaket zu verhindern, die keinem thermischen Durchgehen ausgesetzt sind.
In einem Aspekt beinhalten die mehreren Deckschichten ferner eine zweite Schicht, die einen Kanalraum zum Leiten des Auswurfs von thermischem Durchgehen umfasst. Der Kanalraum in der zweiten Schicht ist auf die Löcher in der ersten Schicht ausgerichtet. Diese Ausrichtung zwischen dem Kanalraum in der zweiten Schicht und den Entlüftungslöchern in der ersten Schicht leitet Auswurf von thermischem Durchgehen durch den Kanalraum und weg von dem Stapel. Die zweite Schicht kann ferner Löcher umfassen, die auf ähnliche Weise wie die erste Schicht auf die Batterieklemmen ausgerichtet sind. Die zweite Schicht kann eine Isolierschicht, eine elastische Schicht oder eine starre Schicht sein. In einem Aspekt kann die zweite Schicht eine Schaumstoffschicht sein, um dem Batteriegehäuse, das den Batteriestapel umschließt, Elastizität (z. B. reversible Kompressibilität) zu verleihen.
In einem Aspekt umfasst der Kanalraum der zweiten Schicht ein Rohr, das so konfiguriert und bemessen ist, dass es in den Kanalraum passt. Das Rohr in dem Kanalraum ist in der zweiten Schicht angeordnet und durch diese geschützt. Das Rohr kann ferner vor mechanischer Beschädigung geschützt werden, wenn die zweite Schicht eine elastische Schicht ist. Das Rohr verbessert den Schutz der Batteriezellen weiter vor dem Auswurf von thermischem Durchgehen, insbesondere vor Schäden durch Beschuss durch den Auswurf von thermischem Durchgehen. Der Kanal kann aus einem Glimmerrohr, einer Edelstahlröhre oder einer Aluminiumröhre ausgewählt sein, ist aber nicht darauf beschränkt.
In einem Aspekt umfassen die mehreren Deckschichten ferner eine dritte Schicht ohne Löcher und ohne Kanalraum. Die dritte Schicht kann als Barriere dienen, um zu verhindern, dass Auswurf von thermischem Durchgehen an den Batteriestapel angrenzende Komponenten beschädigt, z. B. den Fahrgastraum in einem Elektrofahrzeug. In einem Aspekt kann die dritte Schicht eine starre Schicht sein, die aus einer Aerogelplatte, einer Glimmerplatte, einer Edelstahlplatte, einer Titanlegierungsplatte, einer Titanplatte oder anderen starren Schichten ausgewählt ist, die Schäden aufgrund des Auswurfs von thermischem Durchgehen widerstehen (und dessen Verbreitung reduzieren).
In einem Aspekt beinhalten die mehreren Deckschichten ferner eine vierte Schicht. Die vierte Schicht kann eine zusätzliche Schutzschicht zwischen dem Kanal und den elektrischen Vorrichtungen des Batteriestapels hinzufügen. Die elektrischen Vorrichtungen können Sammelschienen, elektrische Verbinder, Drähte, Sensoren und Batteriemanagementschaltkreise beinhalten, ohne darauf beschränkt zu sein. Die vierte Schicht kann zwischen der ersten Schicht und der zweiten Schicht oder zwischen der zweiten Schicht und der dritten Schicht angeordnet sein, sodass die vierte Schicht die elektrischen Vorrichtungen und den Entlüftungskanal isoliert. Mit anderen Worten ist die vierte Schicht zwischen den elektrischen Vorrichtungen und dem Entlüftungskanal angeordnet. Die vierte Schicht kann eine Isolierschicht, eine elastische Schicht oder eine starre Schicht sein. In einem Aspekt kann die vierte Schicht eine Aerogelschicht sein, genau wie die erste Schicht.
In einem Aspekt ist der Batteriezellenstapel in einem Gehäuse und einem Gehäusedeckel eingeschlossen. Die mehreren Deckschichten des Batteriestapels können zwischen dem Batteriestapel und dem Gehäusedeckel oder zwischen dem Batteriestapel und einer Wand (z. B. Seitenwand) des Gehäuses angeordnet sein. Der Kanalraum in den mehreren Deckschichten leitet den Auswurf von thermischem Durchgehen aus dem Gehäuse. In manchen Aspekten kann ein Kanal den Auswurf von thermischem Durchgehen zur Seite oder zum Boden des Gehäuses oder in eine beliebige Richtung leiten, welche die Exposition empfindlicher Komponenten (z. B. elektrischer Vorrichtungen, Batteriemanagementschaltkreise, integrierter Schaltkreise) gegenüber Auswurf von thermischem Durchgehen und die damit verbundenen schädlichen Auswirkungen reduziert oder minimiert.
In einem Aspekt können mehr als einer der Batteriezellenstapel in einem Gehäuse platziert sein. Die mehr als einen Batteriezellenstapel können sich eine oder mehrere der ersten Schicht, der zweiten Schicht, der dritten Schicht und der vierten Schicht teilen. In einem Aspekt können die mehr als einen Batteriezellenstapel jeweils eine erste Schicht und eine zweite Schicht aufweisen, während sie die dritte Schicht und die vierte Schicht teilen. Die Kanäle des mehr als einen Batteriezellenstapel können zu einem Kanal in dem Gehäuse führen, durch den der Auswurf von thermischem Durchgehen aus dem Gehäuse geleitet wird.
Materialien, die in den nachstehend beschriebenen mehreren Deckschichten verwendet werden, wie etwa Isoliermaterialien in der Isolierschicht, starre Materialien in der starren Schicht, elastische Materialien in der elastischen Schicht usw., wie nachstehend in verschiedenen Aspekten beschrieben, können in Batteriemodulen verwendet werden, um einzelne Zellen oder Gruppen von Zellen in einer Batterievorrichtung zu unterteilen. Mehrere miteinander gekoppelte Batteriezellen sind in der vorliegenden Offenbarung als Batteriemodule bezeichnet. Die beschriebenen Vorrichtungen und Verfahren können jedoch in mehreren Arten von Mehrfachzellenanordnungen verwendet werden, die als Batteriepakete, Batteriesysteme usw. bezeichnet werden können.
Isoliermaterialien wie nachstehend beschrieben können als einzelne hitzebeständige Schicht oder in Kombination mit anderen Schichten verwendet werden, die einer mehrschichtigen Konfiguration zusätzliche Funktionen verleihen, wie etwa mechanische Festigkeit, Kompressibilität, Wärmeableitung/-leitung usw.
1. Materialien für die Isolierschicht
Die in dieser Schrift beschriebenen Isolierschichten sind dafür verantwortlich, den Wärmefluss von wärmeerzeugenden Teilen auf kleinem Raum zuverlässig einzudämmen und zu kontrollieren sowie für Sicherheit und Verhinderung der Brandausbreitung für solche Produkte in den Gebieten Elektronik, Industrie und Automobiltechnik zu sorgen. In vielen Aspekten der vorliegenden Offenbarung kann eine Isolierschicht wie in dieser Schrift beschrieben als flammen-/feuerabweisende Schicht fungieren, entweder allein oder in Kombination mit anderen Materialien, welche die Leistung bei der Eindämmung und Steuerung des Wärmeflusses verbessern. In einem Aspekt kann die Isolierschicht selbst gegen Flammen und/oder heiße Gase beständig sein und ferner mitgeführte Partikelmaterialien oder andere Arten von Zusatzstoffen oder Schichten beinhalten, welche die Wärmeeindämmung und -kontrolle modifizieren oder verbessern.
Ein Aspekt einer hochwirksamen Isolierschicht ist ein Aerogel. Aerogele beschreiben eine Materialklasse, die auf ihrer Struktur basiert, nämlich geringe Dichte, offene Zellstrukturen, große Oberflächen (oft 900 m²/g oder mehr) sowie Porengrößen im Subnanometerbereich. Die Poren können mit Gasen wie etwa Luft gefüllt sein. Aerogele unterscheiden sich von anderen porösen Materialien durch ihre physischen und strukturellen Eigenschaften. Obwohl ein Aerogel-Material ein beispielhaftes Isoliermaterial ist, ist die Erfindung nicht darauf beschränkt. In Aspekten der vorliegenden Offenbarung können auch andere Schichten aus wärmeisolierendem Material verwendet werden.
Ausgewählte Aspekte der Aerogelbildung und -eigenschaften sind beschrieben. In mehreren Aspekten wird ein Vorläufermaterial geliert, um ein Netz aus Poren zu bilden, die mit Lösungsmittel gefüllt sind. Anschließend wird das Lösungsmittel extrahiert, wobei eine poröse Matrix zurückbleibt. Es sind verschiedene Aerogelzusammensetzungen bekannt, die anorganisch, organisch und anorganisch/organisch hybrid sein können. Anorganische Aerogele basieren im Allgemeinen auf Metallalkoxiden und beinhalten Materialien wie Siliciumdioxid, Zirkoniumdioxid, Aluminiumoxid und andere Oxide. Organische Aerogele beinhalten Urethan-Aerogele, Resorcin-Formaldehyd-Aerogele und Polyimid-Aerogele, ohne darauf beschränkt zu sein.
Anorganische Aerogele können aus Metalloxid- oder Metallalkoxidmaterialien gebildet sein. Die Metalloxid- oder Metallalkoxidmaterialien können auf Oxiden oder Alkoxiden eines beliebigen Metalls basieren, das Oxide bilden kann. Solche Metalle beinhalten Silizium, Aluminium, Titan, Zirkonium, Hafnium, Yttrium, Vanadium, Cer und dergleichen, ohne darauf beschränkt zu sein. Anorganische Silica-Aerogele werden traditionell durch Hydrolyse und Kondensation von Alkoxiden auf Silikatbasis (z. B. Tetraethoxylsilan) oder durch Gelierung von Kieselsäure oder Wasserglas hergestellt. Andere relevante anorganische Vorläufermaterialien für die Aerogelsynthese auf Silikatbasis beinhalten, ohne darauf beschränkt zu sein, Metallsilikate wie Natriumsilikat oder Kaliumsilikat, Alkoxysilane, teilweise hydrolysierte Alkoxysilane, Tetraethoxylsilan (TEOS), teilweise hydrolysiertes TEOS, kondensierte Polymere von TEOS, Tetramethoxylsilan (TMOS), teilweise hydrolysiertes TMOS, kondensierte Polymere von TMOS, Tetra-n-propoxysilan, teilweise hydrolysierte und/oder kondensierte Polymere von Tetra-n-propoxysilan, Polyethylsilikate, teilweise hydrolysierte Polyethylsilikate, monomere Alkylalkoxysilane, Bistrialkoxy-Alkyl- oder Arylsilane, polyedrisch Silsesquioxane oder Kombinationen davon.
In bestimmten Ausführungsformen der vorliegenden Offenbarung kann vorhydrolysiertes TEOS, wie etwa Silbond H-5 (SBH5, Silbond Corp), das mit einem Wasser/Siliciumdioxid-Verhältnis von etwa 1,9-2 hydrolysiert ist, in handelsüblicher Form verwendet oder vor der Einarbeitung in den Gelierprozess weiter hydrolysiert werden. Teilweise hydrolysiertes TEOS oder TMOS, wie etwa Polyethysilikat (Silbond 40) oder Polymethylsilikat, können ebenfalls verwendet werden, da sie im Handel erhältlich sind, oder sie können vor der Einarbeitung in den Gelierprozess weiter hydrolysiert werden.
Anorganische Aerogele können auch Gelvorläufer beinhalten, die mindestens eine hydrophobe Gruppe umfassen, wie etwa Alkylmetallalkoxide, Cycloalkylmetallalkoxide und Arylmetallalkoxide, die dem Gel bestimmte Eigenschaften wie Stabilität und Hydrophobie verleihen oder verbessern können. Anorganische Silica-Aerogele können insbesondere hydrophobe Vorläufer wie Alkylsilane oder Arylsilane beinhalten. Hydrophobe Gelvorläufer können als primäre Vorläufermaterialien zum Bilden des Gerüsts eines Gelmaterials verwendet werden. Allerdings werden hydrophobe Gelvorläufer häufiger als Co-Vorläufer in Kombination mit einfachen Metallalkoxiden bei der Bildung von Amalgam-Aerogelen verwendet. Hydrophobe anorganische Vorläufermaterialien für die Aerogelsynthese auf Siliziumdioxidbasis beinhalten, ohne darauf beschränkt zu sein, Trimethylmethoxysilan (TMS), Dimethyldimethoxysilan (DMS), Methyltrimethoxysilan (MTMS), Trimethylethoxysilan, Dimethyldiethoxysilan (DMDS), Methyltriethoxysilan (MTES), Ethyltriethoxysilan (ETES), Diethyldiethoxysilan, Dimethyldiethoxysilan (DMDES), Ethyltriethoxysilan, Propyltrimethoxysilan, Propyltriethoxysilan, Phenyltrimethoxysilan, Phenyltriethoxysilan (PhTES), Hexamethyldisilazan und Hexaethyldisilazan und dergleichen. Es können beliebige Derivate der vorstehend genannten Vorläufer verwendet werden, und insbesondere können bestimmte Polymere oder andere chemische Gruppen zu einem oder mehreren der vorstehend genannten Vorläufer hinzugefügt oder damit vernetzt werden.
Organische Aerogele werden im Allgemeinen aus kohlenstoffbasierten Polymervorläufern gebildet. Solche Polymerematerialien beinhalten, ohne darauf beschränkt zu sein, Resorcin-Formaldehyde (RF), Polyimid, Polyacrylat, Polymethylmethacrylat, Acrylat-Oligomere, Polyoxyalkylen, Polyurethan, Polyphenol, Polybutadien, Polydimethylsiloxan mit Trialkoxysilyl-Endgruppen, Polystyrol, Polyacrylnitril, Polyfurfural, MelaminFormaldehyd, Kresol-Formaldehyd, Phenol-Furfural, Polyether, Polyol, Polyisocyanat, Polyhydroxybenze, Polyvinylalkoholdialdehyd, Polycyanurate, Polyacrylamide, verschiedene Epoxide, Agar, Agarose, Chitosan und Kombinationen davon. In einem Aspekt werden organische RF-Aerogele typischerweise durch Sol-Gel-Polymerisation von Resorcin oder Melamin mit Formaldehyd unter alkalischen Bedingungen hergestellt.
Organisch/anorganische Hybrid-Aerogele bestehen hauptsächlich aus organisch modifizierten Silica- („Ormosil“-) Aerogelen. Diese Ormosil-Materialien beinhalten organische Komponenten, die kovalent an ein Silica-Netzwerk gebunden sind. Ormosile entstehen typischerweise durch Hydrolyse und Kondensation von organisch modifizierten Silanen, R-Si(OX)₃, mit herkömmlichen Alkoxid-Vorläufern, Y(OX)₄. In diesen Formeln kann X beispielsweise CH₃, C₂H₅, C₃H₇, C₄H₉darstellen; Y kann beispielsweise Si, Ti, Zr oder Al darstellen; und R kann ein beliebiges organisches Fragment wie etwa Methyl, Ethyl, Propyl, Butyl, Isopropyl, Methacrylat, Acrylat, Vinyl, Epoxid und dergleichen sein. Die organischen Komponenten im Ormosil-Aerogel können auch im gesamten Silica-Netzwerk dispergiert oder chemisch daran gebunden sein.
Aerogele können aus flexiblen Gelvorläufern gebildet werden. Verschiedene flexible Schichten, einschließlich flexibler faserverstärkter Aerogele, können leicht kombiniert und geformt werden, um Vorformen zu ergeben, die bei mechanischer Komprimierung entlang einer oder mehrerer Achsen druckfeste Körper entlang jeder dieser Achsen ergeben.
Ein Verfahren zur Aerogelbildung ist das Chargengießen. Beim Chargengießen wird ein gesamtes Solvolumen katalysiert, um in diesem Volumen gleichzeitig eine Gelbildung zu induzieren. Gelbildende Techniken beinhalten Einstellen des pH-Werts und/oder der Temperatur eines verdünnten Metalloxidsols bis zu einem Punkt, an dem eine Gelbildung auftritt. Geeignete Materialien zur Bildung anorganischer Aerogele beinhalten Oxide der meisten Metalle, die Oxide bilden können, wie etwa Silizium, Aluminium, Titan, Zirkonium, Hafnium, Yttrium, Vanadium und dergleichen. Besonders bevorzugt sind Gele, die hauptsächlich aus alkoholischen Lösungen hydrolysierter Silikatester gebildet werden, da sie leicht verfügbar und kostengünstig sind (Alkogele). Organische Aerogele können auch aus Melaminformaldehyden, Resorcinformaldehyden und dergleichen hergestellt werden.
In einem Aspekt können Aerogelmaterialien monolithisch oder durchgehend in einer Struktur oder Schicht vorliegen. In anderen Aspekten kann ein Aerogelmaterial ein zusammengesetztes Aerogelmaterial mit Aerogelpartikeln beinhalten, die mit einem Bindemittel vermischt sind. In einem Aerogel-Verbundmaterial können weitere Zusatzstoffe beinhaltet sein, einschließlich, ohne darauf beschränkt zu sein, Tenside, welche die Dispersion von Aerogel-Partikeln in einem Bindemittel unterstützen. Eine Verbund-Aerogel-Aufschlämmung kann auf eine Trägerplatte wie etwa ein Netz, einen Filz, eine Bahn usw. aufgetragen und dann getrocknet werden, um eine Verbund-Aerogel-Struktur zu bilden.
Wie vorstehend erwähnt, kann ein Aerogel organisch, anorganisch oder eine Mischung davon sein. In einigen Aspekten beinhaltet das Aerogel ein Aerogel auf Silikatbasis. Eine oder mehrere Schichten in einer Wärmebarriere können ein Verstärkungsmaterial beinhalten. Das Verstärkungsmaterial kann ein beliebiges Material sein, das dem Aerogel-Material Elastizität, Anpassungsfähigkeit oder strukturelle Stabilität verleiht. Aspekte von Verstärkungsmaterialien beinhalten, ohne darauf beschränkt zu sein, offenzellige makroporöse Gerüstverstärkungsmaterialien, geschlossenzellige makroporöse Gerüstverstärkungsmaterialien, offenzellige Membranen, wabenförmige Verstärkungsmaterialien, polymere Verstärkungsmaterialien und Faserverstärkungsmaterialien wie einzelne Fasern, gewebte Materialien, nicht gewebte Materialien, genadelte Vliese, Vliesstoffe, Vliese, Matten und Filze.
Das Verstärkungsmaterial kann aus organischen Fasern auf Polymerbasis, anorganischen Fasern, Fasern auf Kohlenstoffbasis oder einer Kombination davon ausgewählt werden. In verschiedenen Aspekten sind die anorganischen Fasern aus Glasfasern, Gesteinsfasern, Metallfasern, Borfasern, Keramikfasern, Basaltfasern oder Kombinationen davon ausgewählt. In einigen Aspekten kann das Verstärkungsmaterial eine Verstärkung beinhalten, die eine Vielzahl von Materialschichten beinhaltet.
II. Materialien für die starre Schicht
Zusätzlich zu der wärmeisolierenden Schicht schützt die starre Schicht in Kombination mit der wärmeisolierenden Schicht die an die Batteriestapel angrenzenden Komponenten (z. B. einen Fahrgastraum in einem Elektrofahrzeug) wirksam bei einem thermischen Durchgehereignis. Die starre Schicht schützt Komponenten der Batterie und der zugehörigen elektrischen Vorrichtungen wirksam vor dem Bombardement der Partikel in dem Auswurf von thermischem Durchgehen. Die in der starren Schicht verwendeten starren Materialien beinhalten, ohne darauf beschränkt zu sein, Kohlefaser, Graphit, Siliziumkarbid, Kupfer, rostfreier Stahl, Aluminium, Titan, andere Metalle, Titanlegierungen, andere Metalllegierungen und Kombinationen davon.
Eine zusätzliche Funktion der starren Schicht besteht darin, unerwünschte Wärme an eine gewünschte externe Stelle zu leiten, wie etwa externe Wärmeableitungsrippen, ein wärmeableitendes Gehäuse oder eine andere externe Struktur, um unerwünschte Wärme an die äußere Umgebungsluft oder einen anderen Wärmeableitungsort (z. B. ein Wärmetauscher, ein Kühlkörper). Die Wärmeableitungsfunktion ist besonders ausgeprägt, wenn die starre Schicht eine starre Metallplatte ist. In einem Aspekt tragen eine oder mehrere wärmeleitende Schichten dazu bei, Wärme von einer lokalisierten Wärmelast innerhalb eines Batteriemoduls oder -pakets abzuleiten.
Um die Verteilung und Ableitung von Wärme zu unterstützen, ist die wärmeleitende Schicht in mindestens einer Ausführungsform an einen Kühlkörper gekoppelt. Die vorliegende Offenbarung umfasst eine Vielzahl von Kühlkörpertypen und -konfigurationen sowie unterschiedliche Techniken zum Koppeln des Kühlkörpers an die wärmeleitende Schicht. Die vorliegende Offenbarung ist nicht auf die Verwendung irgendeiner Art von Kühlkörper-/Kopplungstechnik beschränkt. In einem Aspekt kann mindestens eine wärmeleitende Schicht der in dieser Schrift offenbarten mehrschichtigen Materialien in thermischer Verbindung mit einem Element eines Kühlsystems eines Batteriemoduls oder -pakets stehen, wie etwa einer Kühlplatte oder einem Kühlkanal des Kühlsystems. In einem anderen Aspekt kann mindestens eine wärmeleitende Schicht in thermischer Verbindung mit anderen Elementen des Batteriepakets, Batteriemoduls oder Batteriesystems stehen, die als Wärmesenke fungieren können, wie etwa die Wände des Pakets, des Moduls oder des Systems, oder mit anderen der mehrschichtigen Materialien, die zwischen den Batteriezellen angeordnet sind. Die thermische Verbindung zwischen der wärmeleitenden Schicht und den Kühlkörperelementen innerhalb des Batteriesystems kann die Entfernung überschüssiger Wärme von der Zelle oder den Zellen neben dem mehrschichtigen Material zu dem Kühlkörper ermöglichen, wodurch die Auswirkung, Schwere oder Ausbreitung eines thermischen Ereignisses verringert wird, das zu übermäßiger Wärmeentwicklung führen kann. Zusätzlich zu der Wärmeabfuhr kann eine wärmeleitende Schicht Wärme von einem Bereich mit hoher Wärmekonzentration in einen Bereich mit niedrigerer Wärmekonzentration verteilen oder ableiten.
III. Materialien für elastische Schicht
Zusätzlich zu den wärmeisolierenden Schichten und der starren Schicht können die mehreren Deckschichten ferner eine oder mehrere elastische Schichten beinhalten, um einen Kanal zur Verwendung bei der Entlüftung aufzunehmen. In einigen Aspekten kann ein Rohr innerhalb des Kanals angeordnet sein. Das Rohr kann darüber hinaus Auswurf von thermischem Durchgehen aufnehmen und von empfindlichen Abschnitten des Batteriepakets wegleiten. Die elastische Schicht nimmt auch mechanische Belastungen auf, die während des Betriebs oder unter Missbrauchsbedingungen auf das Batteriemodul oder den Batteriesatz einwirken. In einem Aspekt kann die elastische Schicht mechanische Belastungen und Belastungen absorbieren (z. B. aufgrund eines Elastizitätsmoduls von weniger als 1 GPa, weniger als 100 MPa), was wiederum verhindert, dass mechanische Belastungen das Rohr und/oder den Batteriesatz beschädigen.
Die Materialien für die elastischen Materialschichten beinhalten, ohne darauf beschränkt zu sein, Schaumstoff, Fasern, Stoff, Schwamm, Federstrukturen, Gummi, Polymer usw. In einem Aspekt beinhaltet die elastische Materialschicht eine Aerogelschicht, wie etwa ein monolithisches Aerogel Schicht, eine Aerogelplatte, eine Aerogeldecke, eine faserverstärkte Aerogeldecke, andere Aerogelschichten und Kombinationen davon. Zusätzliche elastische Schichten können angrenzend an Batteriezellen oder zwischen Zellen angeordnet sein. In einem Aspekt absorbiert eine elastische Schicht jegliche Volumenausdehnung bei regulärem Betrieb einer oder mehrerer Batteriezellen. In einem Aspekt können sich die Zellen während eines Ladevorgangs ausdehnen und während einer Entladung können die Zellen schrumpfen. In einem Aspekt kann die elastische Schicht auch eine permanente Volumenausdehnung absorbieren, die durch eine Verschlechterung der Batteriezelle und/oder ein thermisches Durchgehen verursacht wird. In einem Fall kann die elastische Schicht auf 5 bis 95 %, 10 bis 90 %, 30 bis 90 %, 40 bis 85 %, 60 bis 80 % oder einen der hier beschriebenen Prozentbereiche ihrer ursprünglichen Dicke komprimiert werden.
IV. Beispielhafte Aspekte
A. Mehrere Deckschichten) und optionaler Kanal
1A veranschaulicht ein Batteriemodul 100, das einen durch eine oder mehrere Deckschichten definierten Kanal beinhaltet. Dieser in der/den Deckschicht(en) gebildete Kanal leitet thermisches Auswurfmaterial von dem Batteriemodul weg und schützt so die Komponenten des Batteriemoduls vor Beschädigung.
1A zeigt einen Aspekt eines Batteriemoduls 100. Das Batteriemodul 100 beinhaltet ferner einen Stapel von Batteriezellen 102, mehrere Deckschichten 110, die eine oder mehrere von einer ersten Schicht 116, einer zweiten Schicht 114 und/oder einer dritten Schicht 112 beinhalten, von denen jede nachstehend ausführlicher beschrieben ist.
In einem Aspekt beinhaltet der Zellenstapel 102 einzelne Lithium-Ionen-Zellen 102A, 102B, 102C, 102D (gemeinsam als Zellenstapel 102 bezeichnet). Es sind einige Konfigurationen von Lithium-Ionen-Zellen 102 möglich. In einem Aspekt beinhaltet der Stapel von Lithium-Ionen-Zellen 102 Lithium-Ionen-Pouch-Zellen oder prismatische Lithium-Ionen-Zellen, obwohl die Erfindung nicht darauf beschränkt ist. Die Zellen 102 in 1A beinhalten jeweils eine elektrische Klemme 104.
In dem Aspekt aus 1A ist an jeder Zelle 102A, 102B, 102C, 102D im Zellenstapel 102 eine Entlüftung 106 beinhaltet. Im Falle eines thermischen Durchgehens in einer gegebenen Zelle 102 oder einer Anzahl von Zellen im Zellenstapel 102 leiten die Entlüftungen 106 heiße Gase und Flammen von den Zellen 102 weg. Es ist wünschenswert, alle heißen Gase und Flammen in eine Richtung weg von dem Zellenstapel 102 und allen empfindlichen Steuerkomponenten weg (z. B. zur Seite des Batteriemoduls) und an einen sicheren Ort zu leiten (z. B. weg von dem Fahrgastraum).
In dem Aspekt von 1A sind mehrere Deckschichten 110 über einer Seite des Stapels von Lithium-Ionen-Zellen beinhaltet, die elektrische Klemmen 104 beinhaltet. Durch Stapeln der ersten Schicht 116, der zweiten Schicht 114 und der dritten Schicht 112 zusammen über den Zellen 102 und den zugehörigen Entlüftungen 106 wird ein geschlossener Kanal 118 aus der Anordnung verschiedener Schichten, wie etwa der ersten Schicht 116 und der zweiten Schicht 114 und die dritte Schicht 112, gebildet. Der Kanal 118 und die Räume/Löcher in einer oder mehreren benachbarten Schichten sind aufeinander ausgerichtet.
Die erste Schicht 116 der mehreren Deckschichten 110 weist der Darstellung nach Löcher 117 auf, um Klemmen 104 aufzunehmen, die den Zellen 102A-102D des Zellenstapels 102 entsprechen. Die erste Schicht 116 definiert zudem Entlüftungslöcher 107. Die Entlüftungslöcher 107 sind auf die entsprechenden Entlüftungen 106 der Zellen im Zellenstapel 102 ausgerichtet.
Die zweite Schicht 114 der mehreren Deckschichten 110 beinhaltet der Darstellung nach Löcher 115, die den Klemmen 104 entsprechen und diese aufnehmen. In der zweiten Schicht 114 ist ein Kanal 118 definiert. Der Kanal 118 ist auf die Entlüftungen 106 und die Entlüftungslöcher 107 ausgerichtet.
Eine dritte Schicht 112 ist der Darstellung nach durchgehend (d. h. sie definiert keine Löcher und beinhaltet auch keine Löcher). Die dritte Schicht 112 dient dazu, Komponenten (Fahrgastraum) über dem Batteriemodul 100 bei anormalen Bedingungen, wie etwa bei thermischem Durchgehen, zu schützen.
In einem Aspekt können die erste Schicht 116, die zweite Schicht 114 und die dritte Schicht 112 der mehreren Deckschichten 110 aus demselben Material hergestellt sein. In einem Aspekt beinhalten die Schichten der mehreren Deckschichten 110 mehr als ein Material für verschiedene Schichten. An den Kanal 118 angrenzende Schichten sollten thermisch isolierende Schichten sein, um die Kanalisierung heißer Gase und Flammen zu erleichtern und eine Beschädigung der Schicht(en) (z. B. der zweiten Schicht 114) selbst zu verhindern, wenn sie dem Auswurf thermischen Durchgehens ausgesetzt sind. In einem Aspekt beinhalten eine oder mehrere Schichten der mehreren Deckschichten 110 eine Aerogelschicht. Andere Schichten können Strukturmaterialien wie etwa Polymere, Edelstahl usw. umfassen. In einem Aspekt stellt ein Strukturmaterial ausreichende Steifigkeit bereit, um Betriebsbelastungen ohne Verformung standzuhalten. Ein Beispiel für eine hitzebeständige Schicht ist eine glimmerhaltige Schicht. Es können elastische Materialschichten beinhaltet sein, um das Packen in einem späteren Batteriegehäuse (nicht gezeigt) zu erleichtern. In einem Aspekt ist die erste Schicht 116 eine Aerogeldecke, die zweite Schicht 114 ein Schaumstoffmaterial und die dritte Schicht 112 eine Glimmerplatte. In einem Aspekt ist die erste Schicht 116 eine Aerogeldecke, die zweite Schicht 114 ein Schaumstoffmaterial und die dritte Schicht 112 eine Aerogelplatte.
In einem Aspekt sind die Schichten 114 und 116 Aerogelschichten und die Schicht 112 ist eine starre Schicht, die ein Strukturmaterial beinhaltet. Obwohl drei Schichten 116, 114, 112 als Komponenten der mehreren Deckschichten 110 gezeigt sind, ist die Erfindung nicht darauf beschränkt. In anderen Aspekten der mehreren Deckschichten 110 sind weniger als drei Schichten oder mehr als drei Schichten beinhaltet. Schichten der mehreren Deckschichten 110 können beispielsweise durch Kleber, Nähen, Kleben, Heißpressen usw. verbunden werden. In einigen Fällen füllt mindestens ein Abschnitt der mehreren Deckschichten 110 den vertikalen Raum aus, der durch die Klemmen 104 entsteht, und nutzt so den ansonsten leeren Raum zwischen der Oberseite der Batteriezellen 102 und der Oberseite der Klemmen 104.
In einigen Aspekten sind die mehreren Deckschichten 110 dazu konfiguriert, den Kanal 118 zu definieren , der dazu konfiguriert ist, Entlüftungsgase aus der Entlüftung 106 (in Entlüftungsrichtung ausgerichtet) aufzunehmen. In einigen Aspekten ist der Kanal 118 in einer Kanalrichtung (z. B. X-Richtung) ausgerichtet. Analog zu der Entlüftungsrichtung der vorstehend beschriebenen Entlüftung 106 und wie in 1A dargestellt, können der Kanal 118 und seine entsprechende Kanalrichtung (z. B. X-Richtung) so ausgerichtet sein, dass Auswurf von thermischem Durchgehen von Fahrgasträumen, empfindlicher Elektronik, brennbare Komponenten wie Gummischläuche oder anderen Aspekten des Fahrzeugs, die andernfalls beschädigt dadurch beschädigt würden, dass sie Auswurf von thermischem Durchgehen ausgesetzt sind, weg geleitet werden. In einigen Beispielen verläuft die Kanalrichtung (z. B. X-Richtung) im Wesentlichen senkrecht zur Entlüftungsrichtung (in 2B durch die vertikalen Pfeile veranschaulicht), obwohl die Erfindung nicht darauf beschränkt ist. Batteriemodule, die einen Kanal 118 beinhalten, wie in dem Aspekt aus 1A beschrieben, und andere unten beschriebene Aspekte können in Vorrichtungen wie Elektrofahrzeugen in einer beliebigen Anzahl gewünschter Ausrichtungen installiert werden, und etwaige Entlüftungsgase können von unerwünschten Bereichen weggeleitet werden, was Elektrofahrzeugkonstrukteuren mehr Ausrichtungs- und Positionierungsoptionen bereitstellt. Obwohl als Aspekt ein Elektrofahrzeug verwendet wird, ist die Erfindung nicht darauf beschränkt. Die Umleitung von ausströmenden Gasen und Flammen kann auch auf andere batteriebetriebene Elektrovorrichtungen angewendet werden.
1B zeigt eine Variante des in 1A beschriebenen beispielhaften Batteriemoduls. In 1B ist der Kanal 118, der durch die benachbarten Schichten gebildet wird, wie vorstehend in 1A beschrieben, mit einem Schutzmaterial 120 gefüllt. Ein Schutzmaterial 120 dient bei regulärem Betrieb des Batteriemoduls als Lückenfüller. Das Schutzmaterial 120 kann beim Entlüften von Gasen und Flammen wegbrennen. Die Schutzmaterialschicht kann eine geringe Verbrennungswärme aufweisen. Das Schutzmaterial 120 kann Polymer, Schaum, Fasern, andere geeignete Materialien, die bei geringer Verbrennungswärme verbrennen, und Kombinationen davon beinhalten.
Das Hinzufügen des Schutzmaterials 120 zu der in 1A gezeigten beispielhaften Konfiguration bietet Vorteile, wie etwa die Abdichtung des Kanals 118, bis ein Entlüftungsereignis eintritt. Ein Vorteil der Abdichtung des Kanals 118 besteht darin, dass Staub oder Fremdkörper aus dem Kanal, den Entlüftungen 106 und damit aus dem Inneren des Batteriepakets und Batteriestapels ferngehalten werden.
Ein weiterer Vorteil der in 1A gezeigten Merkmale, der mit dem Vorhandensein eines Schutzmaterials 120 verbunden ist, besteht darin, dass der Kanal 118 dabei unterstützt wird, seine Form innerhalb der mehreren Deckschichten 110 beizubehalten, bis ein thermisches Durchgehen auftritt. In einem Aspekt beinhalten eine oder mehrere der mehreren Deckschichten 110 ein Aerogelmaterial. Einige Aerogelmaterialien können zerbrechlich sein, obwohl sie stark wärmeisolierend sind. In einem Aspekt verbrennt das Schutzmaterial 120 im Falle einer Entlüftung oder eines thermischen Durchgehens ohne oder mit begrenzten Rückständen und Wärmeentwicklung. In einem alternativen Aspekt absorbiert das Schutzmaterial 120 Wärme, wenn es im Falle einer Entlüftung oder eines thermischen Durchgehens verbrennt. Der Einschluss des Schutzmaterials 120 trägt dazu bei, die Integrität einer Aerogelschicht aufrechtzuerhalten, bis ein Entlüftungsereignis eintritt.
B. Mehrere Deckschicht(en), Kanal und Rohr
2A zeigt eine auseinandergezogene Perspektivansicht eines Aspekts eines Batteriemoduls 200, das ein Rohr beinhaltet, das in einem durch mehrere Deckschichten definierten Kanal angeordnet ist. In einem Aspekt ist das Rohr eine von den mehreren Deckschichten getrennte Komponente. Das Rohr bietet dem Batteriemodul einen Schutz, der über den Schutz hinausgeht, der durch die vorstehend beschriebenen Ausführungsformen bereitgestellt wird. In einigen Aspekten begrenzt die Struktur des Rohrs Auswurf von thermischem Durchgehen weiter und leitet diesen von den Batteriekomponenten weg, und zwar über die Eingrenzung und Richtung hinaus, die durch einen Kanal allein bereitgestellt wird. Beispielsweise kann die Verwendung eines Rohrs verhindern, dass Auswurf in Lücken zwischen Schichten innerhalb eines Stapels eindringt und/oder Abschnitt der Schichten, die dem Auswurf ausgesetzt sind, erodiert.
Das in 2A gezeigte Batteriemodul 200 beinhaltet einen Zellenstapel 202 aus Batteriezellen 202A, 202B, 202C, 202D, mehrere Deckschichten 210, die eine erste Schicht 216, eine zweite Schicht 214 und eine dritte Schicht 212 beinhalten. Das Batteriemodul 200 beinhaltet auch ein Rohr 220.
Die Zellen 202A, 202B, 202C, 202D (zusammen 202A-202D) in 2A sind analog zu den vorstehend beschriebenen. Wie in den vorangegangenen Figuren und Beschreibungen können die Zellen 202A-202D jeweils einen Satz elektrischer Klemmen 204 beinhalten. Darüber hinaus können eine oder mehrere der Zellen 202A-202D einzeln eine Entlüftung 206 beinhalten. Die vorstehende Beschreibung einer Entlüftung gilt für die Entlüftung 206.
Die mehreren Deckschichten 210 beinhalten eine oder mehrere Deckschichten, von denen jede für eine oder mehrere Schutzfunktionen ausgewählt sein kann. In dem gezeigten dargestellten Batteriemodul 200 beinhalten die mehreren Deckschichten 210 drei Deckschichten: eine erste Schicht 216, eine zweite Schicht 214 und eine dritte Schicht 212, die jeweils im Folgenden ausführlicher beschrieben sind.
In einigen Aspekten sind die mehreren Deckschichten 210 auf und/oder über einer Seite der Lithium-Ionen-Zellen 202A-202D angeordnet, welche die elektrischen Klemmen 204 beinhaltet. In einigen Aspekten kann die erste Schicht 216 Löcher 217 zur Aufnahme von Klemmen 204 definieren, um den von den mehreren Deckschichten 210 eingenommenen Platz zu minimieren und/oder einen Spalt zwischen der ersten Schicht 216 und einer oberen Fläche der Zellen 202A-202D zu verringern. Auf diese Weise kann die erste Schicht 216 in Kontakt mit der oberen Fläche der Zellen 202A-202D stehen, die an die erste Schicht 216 angrenzt und dieser gegenüberliegt.
Die in 2A gezeigte erste Schicht 216 beinhaltet Entlüftungslöcher 207. In einigen Aspekten sind die Entlüftungslöcher 207 der ersten Schicht 216 auf den Entlüftungen 206 der Zellen 202A-202D ausgerichtet. Auf diese Weise stehen die Entlüftungslöcher 207 und die Entlüftungen 206 analog zu den vorstehend im Zusammenhang mit 2B beschriebenen Aspekten in Verbindung, um einen Austrittspfad (in 2B als gestrichelte Linie dargestellt) von einer oder mehreren der Zellen 202A-202D zu einem entsprechenden Anschluss des Rohrs 220 zu bilden. Der Kanal hält somit Auswurf auf dessen Weg von einer oder mehreren der Zellen 202A-202D zu dem Rohr 220 zurück und schützt so andere Komponenten des Batteriemoduls 200.
Die zweite Schicht 214 kann auf einer Seite der ersten Schicht 216 angeordnet sein, die derjenigen der Zellen 202A-202D gegenüberliegt. In einigen Aspekten kann die zweite Schicht 214 zwischen der ersten Schicht 216 und der dritten Schicht 212 angeordnet sein. Die zweite Schicht 214 kann aus einem elastischen Material hergestellt sein, um eine Polsterung für das Batteriemodul 200 bereitzustellen.
In einigen Aspekten definiert die zweite Schicht 214 einen Kanal 218. Der Kanal 218 ist analog zu dem vorstehend in Zusammenhang mit 1A und 1B beschriebenen Kanal 118. Wie vorgehend beschrieben, kann der Kanal 218 so konfiguriert und bemessen sein, dass er das Rohr 220 aufnimmt, was nachstehend detaillierter beschrieben ist.
Eine dritte Schicht 212 kann sich auf einer Seite der zweiten Schicht 214 befinden, die derjenigen der ersten Schicht 216 gegenüberliegt. Im Gegensatz zu der vorherigen Schicht ist die dritte Schicht 212 in diesem Aspekt durchgehend und weist keine Löcher und/oder Kanäle auf. Die dritte Schicht 212 schützt Komponenten (z. B. den Fahrgastraum), die an das Batteriemodul 200 angrenzen, vor den Schäden, die durch Auswurf von thermischem Durchgehen aus den Batteriezellen 202 entstehen.
Während Materialien für die Schichten vorstehend im Zusammenhang mit jeder einzelnen Schicht beschrieben wurden, versteht es sich, dass die Schichten 216, 214, 212 der mehreren Deckschichten 210 in manchen Aspekten insgesamt aus demselben Material hergestellt sein können. In anderen Aspekten können die Schichten der mehreren Deckschichten 210 jeweils mehr als ein Material beinhalten und/oder verschiedene der Schichten 216, 214, 212 können aus unterschiedlichen Schichten hergestellt sein. In einigen Aspekten können an den Kanal 218 angrenzende Schichten (z. B. Schicht 214, Schicht 114) thermisch isolierende Schichten sein, um benachbarte erhitzte Komponenten zu erleichtern. In einem Aspekt beinhalten eine oder mehrere Schichten der mehreren Deckschichten 210 eine Aerogelschicht. Eine oder mehrere der Schichten 216, 214, 212 können Strukturmaterialien wie Polymere oder Metalle wie Edelstahl beinhalten. In den mehreren Deckschichten 210 können Schichten aus elastischem Material beinhaltet sein. In einigen Aspekten können Schichten der mehreren Deckschichten 210 unter anderem durch Klebstoffe, Nähte, Klebeband, Heißpressen, mechanische Haftung (z. B. Klettverschlüsse) verbunden werden.
In einem Aspekt ist die erste Schicht 216 der mehreren Deckschichten 210 eine Isolierschicht, wie etwa eine Aerogelschicht. In einem Aspekt ist die zweite Schicht 214 der mehreren Deckschichten 210 eine elastische Schicht. In einem Aspekt ist die dritte Schicht 212 der mehreren Deckschichten 210 eine starre Schicht.
Wie vorstehend angegeben, umfasst das Batteriemodul 200 ein Rohr 220, das so konfiguriert ist, dass es in den Kanal 218 der zweiten Schicht 214 passt. Da die zweite Schicht 214 aus einem elastischen (und optional einem wärmeisolierenden Material) hergestellt ist, stellt die zweite Schicht 214 in einigen Aspekten eine Polsterung (z. B. über einen Elastizitätsmodul von weniger als 500 MPa) für das Rohr 220 bereit. Die Polsterung, die durch das elastische Material bereitgestellt wird, das zur Bildung der zweiten Schicht 212 verwendet wird, kann dazu dienen, Schäden durch mögliche mechanische Stöße des Batteriemoduls 200 zu verhindern.
Das in 2A dargestellte Rohr 220 kann mehrere Unterkanäle 221A, 221B, 221C, 221D (zusammen 221) und einen Hauptkanalanschluss 222 beinhalten. Der Hauptkanalanschluss kann in einem Austrittsanschluss 223 enden, die einen Austritt für Auswurf in eine Richtung bietet, die von empfindlichen Abschnitten des Batteriepakets und vom Fahrgastraum entfernt ist.
In einigen Aspekten entspricht jeder der Unterkanäle 221A, 221B, 221C, 221D einem Loch in der ersten Schicht 216 und einer entsprechenden Entlüftung 206 in einer Zelle. Die Unterkanäle 221 münden in den Hauptrohrabschnitt 222. Unter Bezugnahme auf 2C bildet die Verbindung zwischen einer Entlüftung 206, einem Unterkanal 221, einem Hauptrohrabschnitt 222 und einem Austrittsanschluss 223 einen Austrittsweg, sodass Auswurf an einen sicheren Ort geleitet wird.
In einem Aspekt ist das Rohr 220 monolithisch, wie etwa ein Gussteil, obwohl die Erfindung nicht darauf beschränkt ist. Zu anderen Aspekten können getrennte Unterkanäle 221 gehören, die mit dem Hauptkanalanschluss 222 verschraubt oder anderweitig daran angebracht sind.
In einem Aspekt ist das Rohr 220 aus einem feuerbeständigen Material gebildet. Aspektmaterialien beinhalten, ohne darauf beschränkt zu sein, Keramik, Glimmer, Harz, Polymer, Metall, Kohlenstoffmaterialien und Kombinationen davon. Die Metalle, die für das Rohr 220 verwendet werden können, beinhalten Edelstahl oder Titan, das den Vorteil eines hohen Schmelzpunkts und einer hohen Korrosionsbeständigkeit aufweist. In einem Aspekt ist die erste Schicht 216 eine Aerogeldecke, die zweite Schicht 214 ist ein Schaumstoffmaterial und die dritte Schicht 212 ist eine Glimmerplatte. In einem Aspekt ist die erste Schicht 216 eine Aerogeldecke, die zweite Schicht 214 ist ein Schaumstoffmaterial, die dritte Schicht 212 ist eine Aerogelplatte und das Rohr 220 ist aus einem Glimmerrohr, einem Edelstahlrohr oder einem Aluminiumrohr ausgewählt.
2B ist eine Querschnittsansicht eines Batteriemoduls 200, geschnitten entlang der Mittellinie des Rohrs 220 in X-Richtung. Während eines zerstörerischen Ereignisses (z. B. thermischem Durchgehen) können die Batteriezellen 202 gestört werden und Auswurf aus den Entlüftungen 206 in Z-Richtung freisetzen. Der Auswurf wird zu den entsprechenden Unterkanälen 221A, 221B, 221C, 221D (zusammen 221) geleitet, die mit den Entlüftungen 206 ausgerichtet sind. Der Auswurf wird dann in X-Richtung zu den Hauptkanalanschluss 222 umgeleitet und tritt anschließend aus dem Austrittsanschluss 223 aus. Somit hält das Rohr 220 den Auswurf zurück und leitet ihn durch die mehreren Deckschichten 210 und weg von empfindlichen Abschhnitten des Batteriepakets und weg von dem Fahrgastraum oberhalb (Z-Richtung) des Batteriepakets.
2C ist eine perspektivische Ansicht einer teilweise zusammengebauten Form des Batteriemoduls 200. Das Rohr 220 befindet sich innerhalb der zweiten Schicht 214. In dem gezeigten Aspekt ist der Hauptkanalanschluss 222 dünner oder gleich der Dicke der zweiten Schicht 214. Eine zusätzliche Schicht 219 ist ferner in 2C dargestellt. Die zusätzliche Schicht 219 trennt das Rohr 220 von elektrischen Kabeln (nicht gezeigt), die zwischen der zusätzlichen Schicht 219 und der dritten Schicht 212 platziert sind. Die elektrischen Kabel verbinden die Klemmen 204 zum Laden und Entladen der Batterie und sammeln Batterietestdaten.
C. Mehrere Deckschichten) mit elektrischen Verbindern
3A zeigt ein Beispiel für ein Batteriemodul 300, das viele der gleichen Elemente beinhaltet, die vorstehend im Zusammenhang mit den Batteriemodulen 100 und 200 beschrieben wurden, mit der Ausnahme, dass die mehreren Deckschichten 310 des Batteriemoduls 300 eine zusätzliche (z. B. vierte) Deckschicht 332 zwischen einer ersten Schicht und einer dritten Schicht beinhalten. Diese vierte Deckschicht 332 trennt den Kanal und die elektrischen Komponenten. Die vierte Deckschicht 332 stellt zusätzlichen Schutz für die mit der Batterie verbundenen elektrischen Komponenten bereit, indem sie Auswurf von thermischem Durchgehen blockiert.
In dem gezeigten Beispiel beinhaltet das Batteriemodul 300 einen Zellenstapel 302 aus Batteriezellen 302A, 302B, 302C und 302D (zusammen 302A-302D). Das Batteriemodul 300 beinhaltet mehrere Deckschichten 310. Die mehreren Deckschichten 310 beinhalten eine erste Schicht 316, eine zweite Schicht 314, eine dritte Schicht 312 und eine vierte Schicht 332. Das Batteriemodul 300 beinhaltet ferner ein Rohr 320.
Die Batteriezellen 302A-302D in 3A beinhalten jeweils eine entsprechende elektrische Klemmen 304 und eine Entlüftung 306. Die elektrischen Klemmen 304 und Entlüftungen 306 sind analog zu den vorstehend beschriebenen und die vorstehende Beschreibung ist gleichermaßen auf diese Strukturen im Batteriemodul 300 anwendbar.
Wie vorstehend beschrieben, können die Batteriezellen 302A-302D Lithium-Ionen-Batteriezellen sein, obwohl Aspekte der vorliegenden Offenbarung unabhängig von der Batteriechemie oder Batteriekonfiguration anwendbar sind.
Wie die Batteriemodule 100 und 200 beinhaltet das Batteriemodul 300 mehrere Deckschichten 310. Wie bei den zuvor beschriebenen mehreren Deckschichten 110 und 210 in Aspekten der 1A-2B beinhalten die mehreren Deckschichten 310 eine erste Schicht 316, eine zweite Schicht 314 und eine dritte Schicht 316. Wie die analogen Schichten 116 und 216, die vorstehend im Zusammenhang mit den Batteriemodulen 100 und 200 beschrieben wurden, kann die erste Schicht 316 optional Löcher 317 beinhalten, die dazu konfiguriert und bemessen sind, auf die elektrischen Klemmen 304 ausgerichtet zu sein. Die erste Schicht 316 kann optional Entlüftungslöcher 307 beinhalten, die dazu konfiguriert und bemessen sind, auf die Entlüftungen 306 ausgerichtet zu sein. Die Konfiguration und Funktion der Löcher 317 und Entlüftungslöcher 307 in der ersten Schicht 316 sind analog zu der Funktion und den Gründen für diese Strukturen, die im Zusammenhang mit den Batteriemodulen 100 und 200 beschrieben wurden.
Die zweite Schicht 314 kann wie ihre analogen Schichten 114 und 214, die vorstehend im Zusammenhang mit den Batteriemodulen 100 und 200 beschrieben wurden, optional Löcher 315 beinhalten, um Klemmen 304 aufzunehmen. Wie vorstehend auch in den analogen Schichten 114 und 214 beschrieben, definiert die zweite Schicht 314 den Kanal 318.
Es ist eine dritte Schicht 312 gezeigt, die keine Löcher beinhaltet. Ähnlich wie die dritte Schicht 212 in den in 2A-2C gezeigten Aspekten schützt die dritte Schicht 312 an das Batteriemodul 300 angrenzende Komponenten vor Schäden durch den thermischen Auswurf der Batteriezellen 302.
Ähnlich den Aspekten der mehreren Deckschichten 110 und 210 in den Aspekten von 1A-2B vorstehend bestehen die mehreren Deckschichten 310 in einem Aspekt alle aus dem gleichen Material. In einem Aspekt beinhalten die mehreren Deckschichten 310 mehr als ein Material für verschiedene Schichten. An den Kanal 318 angrenzende Schichten können thermisch isolierende Schichten sein, um eine Wärmeübertragung vom Auswurf von thermischem Durchgehen im Kanal 318 oder Rohr 320 auf benachbarte Komponenten, z. B. die Batteriezellen 302, zu verhindern. In einem Aspekt beinhalten eine oder mehrere Schichten der mehreren Deckschichten 310 eine Aerogelschicht. Andere Schichten können Strukturmaterialien wie Polymere oder Metalle wie Edelstahl beinhalten. In den mehreren Deckschichten 310 können Schichten aus elastischem Material beinhaltet sein. Mehrere Deckschichten 310 können in einem Aspekt durch Kleber, Nähen, Kleben, Heißpressen, andere geeignete Verbindungsverfahren und Kombinationen davon verbunden werden.
In dem Aspekt aus 3A ist ein Rohr 320 als separate Komponente in mehreren Deckschichten 310 beinhaltet. Mit anderen Worten ist das Rohr 320 nicht Teil der mehreren Deckschichten 310. Das Rohr 320 passt in den Kanal 318 der zweiten Schicht 314. In einem Aspekt ist das Rohr 320 aus einem feuerfesten Material gebildet. Aspektmaterialien beinhalten, ohne darauf beschränkt zu sein, Glimmer, Metall usw.
Die Aspekte aus 3A beinhalten ferner den elektrischen Verbinder 330. Der elektrische Verbinder 330 koppelt mehrere Klemmen 304 zur weiteren Verbindung mit Geräteschaltkreisen, Elektromotoren usw. aneinander.
In dem Aspekt aus 3A ist ferner eine vierte Schicht 332 zwischen der zweiten Schicht 314 und den elektrischen Verbindern 330 beinhaltet, um den elektrischen Verbinder 330 vor Erwärmung während des thermischen Durchgehens zu schützen. Im Falle eines thermischen Durchgehens kann die Wärme des Auswurfs Wärme auf das Rohr 320 übertragen und die Oberflächentemperatur des Rohrs 320 erhöhen. Die erhöhte Oberflächentemperatur kann die elektrischen Verbinder 330 beschädigen. Die vierte Schicht 332 zwischen dem Rohr 320 und dem elektrischen Verbinder 330 trennt die heiße Oberfläche des Rohrs 320 von dem elektrischen Verbinder 330.
Die vierte Schicht 332 beinhaltet Materialien, die einen geeigneten Wärme-, Feuer- und elektrischen Widerstand bieten. Die vierte Schicht 332 kann Materialien beinhalten, die den vorstehend im Zusammenhang mit den Batteriemodulen 100, 200 und 300 beschriebenen ersten Schichten 116, 216 und 316 ähneln. In einem Aspekt beinhaltet die vierte Schicht 332 eine Aerogelschicht.
3B zeigt eine alternative Anordnung der Schichten der mehreren Deckschichten 310. In einem Aspekt ist der elektrische Verbinder 330 optional zwischen der ersten Schicht 316 und der zweiten Schicht 314 positioniert. Die vierte Schicht 332 ist dementsprechend zwischen der ersten Schicht 316 und der zweiten Schicht 314 angeordnet, um den Kanal 318 (und das darin angeordnete Rohr 320) und die elektrischen Verbinder 330 zu trennen. Es ist vorteilhaft, auf mindestens einer Seite der elektrischen Verbinder 330 eine Schicht vorzusehen, um Wärme-, Feuer- und/oder dielektrische Isolierung der elektrischen Verbinder 330 bereitzustellen.
D. Deckschichten und andere elektrische Komponenten
4A zeigt ein beispielhaftes Batteriemodul 400, das viele der gleichen Elemente beinhaltet, die vorstehend im Zusammenhang mit den Batteriemodulen 100, 200 und 300 beschrieben wurden, mit der Ausnahme, dass das Batteriemodul 400 einen Batteriemanagementschaltkreis 440 beinhaltet, der in mehrere Deckschichten 410 integriert ist. Die mehreren Deckschichten 410 schützen den Batteriemanagementschaltkreis 440 im Falle eines thermischen Durchgehens.
In dem gezeigten Beispiel beinhaltet das Batteriemodul 400 einen Stapel von Batteriezellen 402, mehrere Deckschichten 410 über den Batteriezellen 402, ein Rohr 420 und elektrische Verbinder 430, die in den mehreren Deckschichten 410 eingebettet sind. Das Batteriemodul 400 beinhaltet ferner einen Batteriemanagementschaltkreis 440. Ähnlich wie die mehreren Deckschichten 110, 210 und 310 beinhalten die mehreren Deckschichten 410 eine erste Schicht 416, eine zweite Schicht 414, eine dritte Schicht 412 und eine vierte Deckschicht 432. Nachfolgend sind die Komponenten des Batteriemoduls 400 im Detail erläutert.
Das Modul 400 beinhaltet einen Stapel von Batteriezellen 402, wie etwa Lithium-Ionen-Zellen. Die Zellen 402 in 4A beinhalten jeweils eine elektrische Klemme 404. In dem Aspekt aus 4A ist in jeder Zelle 402 im Stapel eine Entlüftung 406 beinhaltet. Über einer Seite des Stapels von Lithium-Ionen-Zellen, welche die elektrischen Klemmen 404 beinhaltet, sind mehrere Deckschichten 410 beinhaltet. Es ist eine erste Schicht 416 mit Löchern 417 zur Aufnahme von Klemmen 404 gezeigt. In der ersten Schicht 416 sind auch Entlüftungslöcher 407 beinhaltet, die auf die Entlüftungen 406 der Zellen 402 ausgerichtet sind. Ferner ist eine zweite Schicht 414 gezeigt, die ebenfalls Löcher 415 zur Aufnahme von Klemmen 404 beinhaltet. In der zweiten Schicht 414 ist ein Kanal 418 definiert. Es ist eine dritte Schicht 412 gezeigt, die keine Löcher beinhaltet.
Ähnlich wie bei den vorstehenden Aspekten bestehen in einem Aspekt die mehreren Deckschichten 410 alle aus dem gleichen Material. In einem Aspekt beinhalten die mehreren Deckschichten 410 mehr als ein Material für verschiedene Schichten. An den Kanal 418 angrenzende Schichten können thermisch isolierende Schichten sein, um erwärmte benachbarte Komponenten zu unterstützen. In einem Aspekt beinhalten eine oder mehrere Schichten der mehreren Deckschichten 410 eine Aerogelschicht. Andere Schichten können Strukturmaterialien wie Polymere oder Metalle wie Edelstahl beinhalten. In den mehreren Deckschichten 410 können Schichten aus elastischem Material beinhaltet sein. Mehrere Deckschichten 410 können in einem Aspekt durch Kleber, Nähen, Kleben, Heißpressen usw. verbunden sein. In einem Aspekt beinhalten die erste Schicht 416 und die vierte Schicht 432 Aerogel, wie etwa eine Aerogelplatte, eine faserverstärkte Aerogeldecke, andere aerogelhaltige Schichten oder Kombinationen davon. In einem Aspekt ist die zweite Schicht 414 eine elastische Schicht, wie etwa aus Schaumstoff, Fasern, Harz, Polymer, anderen Materialien, die Elastizität bereitstellen, und Kombinationen davon. In einem Aspekt ist die dritte Schicht 412 eine starre Schicht, wie etwa Edelstahl, Aluminium, Glimmer, andere starre Schichten und Kombinationen davon.
In dem Aspekt aus 4A ist ein Rohr 420 als separate Komponente in mehreren Deckschichten 410 beinhaltet. Mit anderen Worten ist das Rohr 420 nicht Teil der mehreren Deckschichten 410. Das Rohr 420 passt in den Kanal 418 der zweiten Schicht 414. In einem Aspekt ist das Rohr 420 aus einem feuer- oder hitzebeständigen Material gebildet. Aspektmaterialien beinhalten, ohne darauf beschränkt zu sein Glimmer, Metall, andere feuer- oder hitzebeständige Materialien und Kombinationen davon.
Des Weiteren sind elektrische Verbinder 430 dargestellt, um mehrere Klemmen 404 zur weiteren Verbindung mit Geräteschaltkreisen, Elektromotoren usw. miteinander zu koppeln. In dem Aspekt aus 4A ist eine vierte Schicht 432 zwischen der zweiten Schicht 414 und den elektrischen Verbindern 430 beinhaltet.
In dem Aspekt aus 4A befindet sich der Batteriemanagementschaltkreis 440 zwischen einer oder mehreren der mehreren Deckschichten 410. Funktionen eines Batteriemanagementschaltkreises beinhalten, ohne darauf beschränkt zu sein, Temperaturmessung und elektrische Feedback-Anpassungen als Reaktion auf die Temperatur. Andere elektrische Feedback-Anpassungen können als Reaktion auf andere gemessene Messwerte wie Spannung, Strom, Druckmessung, Feuchtigkeitsmessung usw. vorgenommen werden. In dem Aspekt aus 4A kann der Batteriemanagementschaltkreis 440 drahtlos oder über Drähte mit anderen Schaltkreisen kommunizieren.
Der Batteriemanagementschaltkreis 440 kann zwischen denselben Schichten (z. B. zwischen der dritten Schicht 412 und der vierten Schicht 432) eingebettet sein wie die in 4A gezeigten elektrischen Verbinder 430. Alternativ kann der Batteriemanagementschaltkreis 440 durch eine oder mehrere Schichten der mehreren Deckschichten 410 von den elektrischen Verbindern 430 getrennt sein, wie nachstehend in Bezug auf 4B erläutert.
In 4B ist der Batteriemanagementschaltkreis 440 in die mehreren Deckschichten 410 eingebettet und durch mindestens eine der Schichten in den mehreren Deckschichten 410 von den elektrischen Verbindern 430 getrennt. Der Batteriemanagementschaltkreis 440 mit Draht 442, der mindestens teilweise für die Kommunikation mit externen Schaltkreisen verwendet wird. 4B veranschaulicht ferner eine optionale separate Leiterplatte 444 zur Aufnahme des Batteriemanagementschaltkreises 440. Die Leiterplatte 444 kann ferner Sensoren wie Temperatur, Feuchtigkeit, Druck usw. beinhalten. Der Batteriemanagementschaltkreis 440 mit Sensoren, Kabeln und anderen Komponenten kann in die mehreren Deckschichten 410 eingebettet sein. Der Batteriemanagementschaltkreis 440 mit Sensoren, Kabeln und anderen Komponenten ist mit dem Kanal 418 und dem Rohr 320 durch eine oder mehrere der Schichten in den mehreren Deckschichten 410 getrennt.
E. Gehäuse für das Batteriemodul mit einem Entlüftungskanal, eingebettet in den mehreren Deckschichten
5A zeigt ein halb zusammengebautes Batteriemodul 500 mit nicht zusammengebauter dritter Schicht 512. Im Unterschied zu 4A-4B ist der Batteriemanagmentschaltkreis 540 in den Aspekten aus 4A und 4B drahtgebunden anstelle des drahtlosen Batteriemanagmentschaltkreises 440. Der verdrahtete Batteriemanagementschaltkreis 540 beinhaltet Verfolgungsschaltkreise 546. Zusätzliche elektronische Elemente und Verbindungen (nicht gezeigt) können zusammen mit einem Batteriemanagementschaltkreis 540 in mehrere Deckschichten 510 eingebettet sein.
Das Batteriemodul 500 in 5A beinhalten einen Stapel von Batteriezellen 502, mehrere Deckschichten 510 über den Batteriezellen 502, ein Rohr 520 und elektrische Verbinder 530, die in den mehreren Deckschichten 510 eingebettet sind. Dies ähnelt den vorstehend dargestellten Batteriemodulen 100, 200, 300 und 400. Darüber hinaus beinhaltet das Batteriemodul 500 ferner Verfolgungsschaltkreise 546, um den Batteriemanagementschaltkreis 540 mit den Zellverbindern 530 und den Klemmen 504 zu verdrahten.
Anders als der drahtlose Batteriemanagementschaltkreis 440 in den Aspekten aus 4A-4B kann der verdrahtete Batteriemanagementschaltkreis 540 über Drähte elektronisch mit der Batteriezelle verbunden sein. Der Batteriemanagementschaltkreis 540 kann daher durch Batteriezellen 502 mit Strom versorgt werden. Der verdrahtete Batteriemanagementschaltkeis 540 hat ein kleineres Volumen und eine längere Betriebszeit, da er keine eingebaute Batterie erfordert, wie dies bei dem drahtlosen Batteriemanagementschaltkeis 440 der Fall ist. Der Batteriemanagementschaltkreis kann die Batteriezellen 502 über Verfolgungsschaltkreise 546 verbinden, um elektrische Eigenschaften der Zellen zu überwachen oder Informationen von anderen Sensoren (nicht gezeigt) wie Strom, Spannung, Temperatur, Druck, Feuchtigkeit zu übertragen.
5B zeigt ein Batteriemodul 500, das den anderen vorstehend beschriebenen Batteriemodulen ähnelt, aber ferner einen Gehäusekasten 560 und einen Gehäusedeckel 562 beinhaltet. In einem Aspekt sind diese Gehäusekomponenten 560, 562 von anderen beschriebenen Schichten (z. B. mehreren Deckschichten 510) getrennt und in dem Batteriemodul 500 beinhaltet. Mit anderen Worten sind Gehäusekomponenten 560 und 562 keine Teile der mehreren Deckschichten 510. In einem Aspekt beinhaltet der Schichtstapel 510 auf dem Batteriemodul 500 eine feuerbeständige Polsterung, die elastisch ist (z. B. die zweite Schicht 514). Die mehreren Deckschichten 510 dienen dazu, Platz zwischen dem Batteriemodul 500 und dem Gehäusedeckel 562 einzunehmen, was Vibrationen und Geräusche reduzieren kann und gleichzeitig ein gewisses Maß an Wärmeisolierung und Schutz vor thermischem Durchgehen bietet. In einem Aspekt bettet der Schichtstapel 510 die Klemmen der Batteriezellen, elektrische Verbinder, den Batteriemanagementschaltkreis und einen Großteil des Rohrs 520 ein. Das Rohr 520 leitet den Auswurf von thermischem Durchgehen durch eine Vertiefung 564 an einer Seitenwand des Gehäusekastens 560 zur Außenseite des Gehäusekastens 560.
F. Entlüftungskanal, der in mehreren Deckschichten für das Batteriepaket eingebettet ist
6 zeigt einen Aspekt eines Batteriepakets 600. Das Batteriepaket 600 beinhaltet mehrere Batteriemodule 601, die sich eine oder mehrere Schichten der mehreren Deckschichten 610 teilen. Die mehreren Deckschichten 610 betten ferner ein verzweigtes Rohr 620 ein. Durch die gemeinsame Nutzung einer oder mehrerer Schichten der mehreren Deckschichten 610 zwischen den Modulen 601 eines Pakets 600 wird Verpackungsraum gespart, die Effizienz des Pakets erhöht und der Zusammenbau erleichtert. Das verzweigte Rohr 620 bietet den Vorteil zusätzlicher Gestaltungsflexibilität, um eventuelle Entlüftungsgase oder Flammen ferner von kritischen Komponenten oder unerwünschten Bereichen wegzuleiten. Das verzweigte Rohr 620 stellt zudem eine Entlüftungslösung, die eine größere Anzahl von Zellen in mehreren Modulen zusammenfasst, bereit.
Das Batteriepaket 600 beinhaltet mehrere Batteriemodule, die den anderen in der vorliegenden Offenbarung beschriebenen Batteriemodulen ähneln, jedes Modul 601 beinhaltet einen Stapel von Batteriezellen, wie etwa Lithium-Ionen-Zellen 602. Die Zellen 602 beinhalten jeweils elektrische Klemmen 604. In dem Aspekt aus 6 ist in jeder Zelle im Stapel eine Entlüftung 606 beinhaltet. Mehrere Deckschichten 610 sind über einer Seite des Stapels von Lithium-Ionen-Zellen 602 beinhaltet, welche die elektrischen Klemmen 604 beinhaltet. Es ist eine erste Schicht 616 mit Löchern zur Aufnahme von Klemmen 604 gezeigt. Ferner ist eine zweite Schicht 614 gezeigt, die ebenfalls Löcher zur Aufnahme von Klemmen 604 beinhaltet. Mehrere Abschnitte der zweiten Schicht 614 lassen Platz für ein verzweigtes Rohr 620. Es ist eine dritte Schicht 612 gezeigt, die keine Löcher beinhaltet. Elektrische Verbinder 630 sind beinhaltet, um die Anzahl von Klemmen 604 aneinander zu koppeln. Das Batteriepaket 600 beinhaltet außerdem einen Gehäusekasten 660 und einen Gehäusedeckel 662 analog zu dem Gehäusekasten 560 und dem Gehäusedeckel 562 der Aspekte in 5A-5B.
Im Unterschied zu den in Bezug auf die 1A-5B beschriebenen Aspekten beinhalten die Aspekte in 6 mehrere Batteriemodule 601, die sich eine oder mehrere der mehreren Deckschichten 610 teilen. In einem Aspekt beinhaltet das Batteriepaket 600 vier Batteriemodule 601. Jedes der Batteriemodule 601 weist seine eigene erste Schicht 616 und zweite Schicht 614 auf. In einem Aspekt teilen sich alle Batteriemodule 601 die dritte Schicht 612 und die vierte Schicht 632.
Die individuelle erste Schicht 616 und zweite Schicht 614 für jedes Batteriemodul 601 stellen Platz für das verzweigte Rohr 620 bereit und ermöglichen eine einfachere Ausrichtung der Klemmen 604, der Entlüftungen 606 und des Rohrs 620 beim Zusammenbau des Batteriepakets 600. Es ermöglicht auch den individuellen Austausch der ersten Schicht 616 und der zweiten Schicht 614 für jedes Batteriemodul 601. Andererseits ist es möglich, eine gemeinsame dritte Schicht 612 und vierte Schicht 632 zu verwenden, da weniger Komponenten (z. B. elektrische Verbinder 630 und Rohr 620) in diese beiden Schichten integriert werden müssen. Die gemeinsame dritte Schicht 612 und vierte Schicht 632 stellen eine einfachere Installationsoption bereit, sofern dies möglich ist.
Die Aspekte aus 6 beinhalten ferner ein verzweigtes Rohr 620, um die mehreren Module in dem Batteriepaket 600 unterzubringen. Das verzweigte Rohr 620 unterscheidet sich von den Rohren 220, 320, 420 und 520, die vorstehend in Bezug auf 2A-5B beschrieben wurden. Das verzweigte Rohr 620 beinhaltet eine Reihe von Unterkanälen 621, die in einen Hauptkanal 622 münden. Die Unterkanäle 621 sind analog zu den Rohren 220, 320, 420 und 520 in 2A-5B. In dem gezeigten Aspekt ist der Rumpf 622 dazu konfiguriert, Entlüftungsgase von einer Entlüftungsrichtung (z. B. Z-Richtung) in eine erste Kanalrichtung (z. B. Y-Richtung) umzuleiten. In 6 verläuft die erste Kanalrichtung parallel zur Länge des Rumpfes 622, die senkrecht zu den Entlüftungen 606 verläuft. In einem Aspekt beinhaltet das verzweigte Rohr 620 ferner ein Umleitungsende 624, das die Richtung des Entlüftens von Gasen entlang des Rumpfs 622 (z. B. Y-Richtung) ferner in eine zweite Kanalrichtung (z. B. negative Z-Richtung) ändert. In dem gezeigten Aspekt verläuft die zweite Kanalrichtung senkrecht zur ersten Kanalrichtung und verläuft nach unten (z. B. negative Z-Richtung), obwohl die Erfindung nicht darauf beschränkt ist.
In einem Aspekt beinhaltet das verzweigte Rohr 620 Material, bei dem es sich um dasselbe wie bei dem Rohr 220, 320, 420 und 520 in 2A-5B handelt. In einem Aspekt beinhaltet das verzweigte Rohr 620 Materialien, die unter anderem aus Metallen, Glimmer, anderen flammen- und/oder hitzebeständigen Materialien und Kombinationen davon ausgewählt sind.
G. Alternative Entlüftungskanalkonfigurationen für Batteriemodule, die zu den Seitenwänden des Gehäuses hin entlüften
7 zeigt einen Aspekt eines Batteriemoduls 700. Die mehreren Deckschichten 710 sind zwischen den Batteriezellen 702 und einer Seitenwand des Gehäuses 760 angeordnet, statt zwischen den Batteriezellen und dem Gehäusedeckel, wie in den Aspekten der 1A-6 veranschaulicht.
Ähnlich zu den Aspekten aus 1A-6 beinhaltet das Modul 700 einen Stapel von Batteriezellen 702, wie etwa Lithium-Ionen-Zellen. Die Zellen 702 in 7 beinhalten jeweils eine elektrische Klemme 704 und eine Entlüftung 706. Mehrere Deckschichten 710 sind über einer Seite des Stapels von Lithium-Ionen-Zellen beinhaltet, welche die elektrischen Klemmen 704 und die Entlüftungen 706 beinhaltet. Das Modul 700 beinhaltet ferner ein Rohr 720, das in den mehreren Deckschichten 710 eingebettet ist. Die Zellen 702, die mehreren Deckschichten 710 und das Rohr 720 sind in einem Modulgehäuse 760 enthalten.
Die mehreren Deckschichten 710 beinhalten eine erste Schicht 716, eine zweite Schicht 714 und eine dritte Schicht 712. Die erste Schicht 716 ist mit Löchern 717 zur Aufnahme von Klemmen 704 gezeigt. In der ersten Schicht 716 sind auch Entlüftungslöcher 707 beinhaltet, die auf die Entlüftungen 706 der Zellen 702 ausgerichtet sind. Darüber hinaus ist eine zweite Schicht 714 gezeigt, die ebenfalls Löcher beinhaltet, die auf die Klemmen 704 ausgerichtet sind und diese aufnehmen. In dem Aspekt aus 7 beinhaltet die zweite Schicht 714 mehrere separate Teile, die auf einer gemeinsamen Ebene innerhalb der mehreren Deckschichten 710 angeordnet sind. Die mehreren (z. B. zwei) separaten Teile der zweiten Schicht 714 definieren dazwischen einen Kanal 718. Der Kanal 718 erstreckt sich über eine Länge der zweiten Schicht 714 und trennt die zweite Schicht 714 in zwei Teile. Es ist eine dritte Schicht 712 gezeigt, die keine Löcher beinhaltet.
Ähnlich den in 1A-6 beschriebenen Aspekten der mehreren Deckschichten 110, 210, 310, 410, 510 und 610 bestehen die mehreren Deckschichten 710 in einem Aspekt alle aus dem gleichen Material. In einem weiteren Aspekt beinhalten die mehreren Deckschichten 710 mehr als ein Material für verschiedene Schichten. An den Kanal 718 angrenzende Schichten können thermisch isolierende Schichten sein, um erwärmte benachbarte Komponenten zu unterstützen. In einem Aspekt beinhalten eine oder mehrere Schichten der mehreren Deckschichten 710 eine Aerogelschicht. Andere Schichten (z. B. die dritte Schicht 712) können Strukturmaterialien wie Polymere oder Metalle wie Edelstahl beinhalten. Schichten aus elastischem Material (z. B. die zweite Schicht 714) können in den mehreren Deckschichten 710 beinhaltet sein. Mehrere Deckschichten 710 können durch Kleber, Nähen, Kleben, Heißpressen, andere Verbindungsverfahren oder Kombinationen davon verbunden sein. In einem Aspekt sind die erste Schicht 716, die zweite Schicht 714 und die dritte Schicht 712 eine Aerogelschicht, eine elastische Schicht bzw. eine starre Schicht.
In den Aspekten aus 7 ist ein Rohr 720 als separate Komponente in mehreren Deckschichten 710 beinhaltet. Mit anderen Worten ist das Rohr 720 nicht Teil der mehreren Deckschichten 710. Das Rohr 720 passt in den Kanal 718 der zweiten Schicht 714. Das Rohr 720 ist analog zu den Rohren 220, 320, 420, 520, 621 in den Aspekten von 1A-6, mit der Ausnahme, dass das Rohr 720 an beiden Enden statt an einem Ende des Rohrs abgewinkelte Windungen 722 aufweist.
In dem Aspekt aus 7 beinhaltet das Rohr 720 abgewinkelte Windungen 722 an einem oder beiden Enden des Rohrs 720. Die abgewinkelten Windungen 722 leiten Auswurf von thermischem Durchgehen in eine gewünschte Richtung, weg von kritischen Komponenten und/oder Benutzern der Ausrüstung. Die gewünschte Richtung beinhaltet den Boden eines Elektrofahrzeugs, was in dem Aspekt aus 7 die negative Z-Richtung ist. In dem Aspekt aus 7 beinhaltet das Gehäuse 760 Öffnungen 764, wo die abgewinkelten Windungen 722 durch das Gehäuse 760 treten. Durch zwei abgewinkelte Windungen 722 werden heiße Gase und Flammen zusätzlich von der Außenseite des Gehäuses 760 entfernt, verglichen mit der Konfiguration mit einer einzelnen abgewinkelten Windung in den Aspekten aus 2A-6.
In einem Aspekt ist das Rohr 720 aus dem gleichen Material wie die Materialien der Rohre 220, 320, 420, 520, 621 in den Aspekten aus 2A-6 gebildet. In einem Aspekt beinhaltet das Rohr 720 ein Material, das aus einem feuerbeständigen Material und/oder einem hitzebeständigen Material ausgewählt ist. In einem Aspekt beinhaltet das Rohr 720 ein Material, das aus Aerogelmaterial, Aerogeldecke, Glimmer, Metall, anderen feuer- und/oder hitzebeständigen Materialien und Kombinationen davon ausgewählt ist.
8A zeigt einen Aspekt eines Batteriemoduls 800. Die abgewinkelten Windungen 822 im Batteriemodul 800 befinden sich in dem mittleren Abschnitt des Rohrs 820. Die Position der abgewinkelten Windungen 822 in der Mitte verringert die Weglänge des Entlüftungsgases im Rohr 820 im Vergleich zu der Weglänge, die in 7 veranschaulicht ist, wo die abgewinkelten Windungen 722 am Ende des Rohrs 720 positioniert sind.
Analog zu den Modulen 100, 200, 300, 400, 500, 601 und 700 in den Aspekten aus 1A-7 beinhaltet das Modul 800 einen Stapel von Batteriezellen 802 und mehrere Deckschichten 810 über einer Seite des Stapels von Batteriezellen 802. Das Modul 800 beinhaltet auch ein Rohr 820, einen Gehäusekasten 860 und einen Gehäusedeckel 862.
In einem Aspekt kann der Stapel von Batteriezellen 802 Lithium-Ionen-Zellen beinhalten. Der Stapel von Batteriezellen 802 kann jeweils elektrische Klemmen 804 und eine Entlüftung 806 beinhalten. Die Entlüftung 806 dient dazu, den Zelldruck und die Materialien freizusetzen, die unter Missbrauchsbedingungen, beispielsweise thermischem Durchgehen, entstehen.
In einem Aspekt beinhalten die mehreren Deckschichten 810 eine erste Schicht 816, eine zweite Schicht 814 und eine dritte Schicht 812. Die erste Schicht 816 ist mit Löchern 817 zur Aufnahme von Klemmen 804 gezeigt. In der ersten Schicht 816 sind auch Entlüftungslöcher 807 beinhaltet, die auf die Entlüftungen 806 der Zellen 802 ausgerichtet sind. Ferner ist eine zweite Schicht 814 gezeigt, die ebenfalls Löcher 815 zur Aufnahme von Klemmen 804 beinhaltet. In der zweiten Schicht 814 sind mehrere Kanallöcher 818 beinhaltet. Es ist eine dritte Schicht 812 gezeigt, die ebenfalls Kanallöcher 819 beinhaltet, die auf die Kanallöchern 818 ausgerichtet sind. Das Rohr 820 tritt durch die zweite Schicht 814 und die dritte Schicht 812 durch die Kanallöcher 818 und 819.
In einem Aspekt beinhalten die mehreren Deckschichten 810 ein Material, das den Materialien entspricht, die in den mehreren Deckschichten 110, 210, 310, 410, 510, 610 und 710 in den Aspekten von 1A bis 7B beinhaltet sind. In einem Aspekt beinhalten die mehreren Deckschichten 810 mehr als ein Material für verschiedene Schichten. An das Rohr 820 und die Kanallöcher 818 angrenzende Schichten können thermisch isolierende Schichten sein, um erwärmte benachbarte Komponenten zu unterstützen. In einem Aspekt beinhalten eine oder mehrere Schichten der mehreren Deckschichten 810 eine Aerogelschicht. Andere Schichten können Strukturmaterialien wie Polymere oder Metalle wie Edelstahl beinhalten. In den mehreren Deckschichten 810 können Schichten aus elastischem Material beinhaltet sein. Mehrere Deckschichten 810 können durch Kleber, Nähen, Kleben, Heißpressen, andere Verbindungsverfahren und Kombinationen davon verbunden sein. In einem Aspekt sind die erste Schicht 816, die zweite Schicht 814 und die dritte Schicht 812 eine Aerogelschicht, eine elastische Schicht bzw. eine starre Schicht.
In dem Aspekt aus 8A-8B betten die mehreren Deckschichten 810 ein Rohr 820 ein. Das Rohr 820 beinhaltet eine oder mehrere abgewinkelte Windungen 822. Die abgewinkelten Windungen 822 sind in einem mittleren Abschnitt des Rohrs 820 positioniert, um die Weglänge des Entlüftungsgases in dem Rohr 820 zu reduzieren. Die abgewinkelten Windungen 822 sind in eine gewünschte Richtung gerichtet, die von kritischen Komponenten und/oder Benutzern der Ausrüstung entfernt ist. Die gewünschte Richtung beinhaltet die Unterseite eines Elektrofahrzeugs, was in den Aspekten aus 8A-8B die negative Z-Richtung ist.
In einem Aspekt beinhalten das Rohr 820 Materialien, die den Materialien entsprechen, die in den Rohren 220, 320, 420, 520, 621 und 720 in den Aspekten aus 2A-7 beinhaltet sind. In einem Aspekt besteht das Rohr 820 aus einem feuer- und/oder hitzebeständigen Material. In einem Aspekt beinhaltet das Rohr 820 Aerogelplatten, Glimmer, Metall, andere geeignete Materialien und Kombinationen davon, ist aber nicht darauf beschränkt.
In den Aspekten der 8A-8B beinhaltet das Modul 800 ferner einen Gehäusekasten 860 und einen Gehäusedeckel 862 zur Aufnahme der Zellen 802. Der Gehäusekasten 860 beinhaltet Öffnungen 864 an einer Seitenwand, wo die abgewinkelten Windungen 822 durch den Gehäusekasten 860 treten. Die Öffnungen 864 ermöglichen es den abgewinkelten Windungen 822, durch die Seitenwand des Gehäusekastens 860 zu treten, um den Austrittsweg des möglichen Auswurfs von thermischem Durchgehen zu verkürzen.
8B zeigt ein zusammengebautes Batteriemodul 800, wobei die abgewinkelten Windungen 822 aus dem Gehäusekasten 860 hervorstehen und nach unten abgewinkelt sind. Die abgewinkelten Windungen 822 leiten Auswurf aus dem Gehäusekasten 860 um, um eine Ausbreitung oder Explosion des Batteriemoduls 800 im Gehäusekasten 860 zu verhindern. Die abgewinkelten Windungen 822 leiten den Auswurf nach unten (negative Z-Richtung), um Verletzungen oder Schäden an benachbarten Autos oder Personen über (z. B. in Z-Richtung) oder neben (z. B. in X- oder Y-Richtung) dem Modul 800 zu vermeiden.
9 zeigt einen Aspekt eines Batteriemoduls 900. Das Batteriemodul 900 beinhaltet ein Rohr 920, welches das Entlüftungsgas durch die Anschlüsse 922 direkt nach unten (z. B. negative Z-Richtung) leitet. Dies unterscheidet sich von den in 8A-8B veranschaulichten Aspekten, bei denen das Rohr 820 das Entlüftungsgas durch die abgewinkelten Windungen 822 zur Seite und dann zur Unterseite des Batteriemoduls leitet.
Analog zu den Modulen 100-800 in den Aspekten aus 1A-8B beinhaltet das Modul 900 einen Stapel von Batteriezellen 902, beispielsweise Lithium-Ionen-Zellen. Die Zellen 902 in 9 beinhalten jeweils eine elektrischen Klemme 904 und eine Entlüftung 906. Das Batteriemodul 900 beinhaltet mehrere Deckschichten 910 über einer Seite des Stapels von Lithium-Ionen-Zellen, welche die elektrischen Klemmen 904 beinhaltet. Die mehreren Deckschichten 910 betten ein Rohr 920 ein. Das Batteriemodul beinhaltet auch einen Gehäusekasten 960 und einen Gehäusedeckel 962. In einem Aspekt ist zwischen den Zellen 902 und dem Deckel 962 eine zusätzliche elastische Schicht 963 beinhaltet.
Ähnlich wie die mehreren Deckschichten 110-810 in Aspekten von 1A-8 beinhalten die mehreren Deckschichten 910 eine erste Schicht 916, eine zweite Schicht 914 und eine dritte Schicht 912. Die erste Schicht 916 beinhaltet Löcher 917 zur Aufnahme von Klemmen 904. In der ersten Schicht 916 sind auch Entlüftungslöcher 907 beinhaltet, die auf die Entlüftungen 906 der Zellen 902 ausgerichtet sind. Ferner ist eine zweite Schicht 914 gezeigt, die ebenfalls Löcher 915 zur Aufnahme von Klemmen 904 beinhaltet. Es ist eine dritte Schicht 912 gezeigt, die keine Kanallöcher beinhaltet.
In einem Aspekt beinhalten die mehreren Deckschichten 910 Materialien, die den mehreren Deckschichten 110-810 in dem Aspekt aus 1A-8 analog sind. Ähnlich wie bei den vorstehenden Aspekten bestehen in einem Aspekt die mehreren Deckschichten 910 alle aus dem gleichen Material. In einem Aspekt beinhalten die mehreren Deckschichten 910 mehr als ein Material für verschiedene Schichten. An das Rohr 920 angrenzende Schichten (z. B. die erste Schicht 916 und die zweite Schicht 914) können wärmeisolierende Schichten sein, um erwärmte benachbarte Komponenten (z. B. des Rohrs 920) zu unterstützen. In einem Aspekt beinhalten eine oder mehrere Schichten der mehreren Deckschichten 910 eine Aerogelschicht. Andere Schichten können Strukturmaterialien wie Aerogelplatten, Polymere oder Metalle wie rostfreier Stahl beinhalten. In den mehreren Deckschichten 910 können Schichten aus elastischem Material beinhaltet sein. Mehrere Deckschichten 910 können in einem Aspekt durch Kleber, Nähen, Kleben, Heißpressen, andere geeignete Verbindungsverfahren und Kombinationen davon verbunden werden. In einem Aspekt ist die erste Schicht 916 eine Aerogelschicht, die zweite Schicht 914 ist eine elastische Schicht und die dritte Schicht 912 ist eine starre Schicht.
In dem Aspekt aus 9 ist ein Rohr 920 als separate Komponente in mehreren Deckschichten 910 beinhaltet. Mit anderen Worten ist das Rohr 920 nicht Teil der mehreren Deckschichten 910. In dem Aspekt aus 9 beinhaltet das Rohr 920 eine oder mehrere Öffnungen 922. Die Anschlüsse 922 sind in eine gewünschte Richtung gerichtet (z. B. die Unterseite eines Elektrofahrzeugs, negative Z-Richtung), die von kritischen Komponenten und/oder Benutzern der Ausrüstung entfernt ist. Die Anschlüsse 922 leiten das Entlüftungsgas ohne Windungen direkt in die gewünschte Richtung. Im Vergleich zu den abgewinkelten Windungen 822 in 8A bis 8B tritt der Auswurf von thermischem Durchgehen aus den geraden Anschlüssen 922 effizienter aus als aus den abgewinkelten Windungen 822, wodurch die Sicherheit verbessert wird.
In einem Aspekt beinhaltet das Rohr 920 dieselben Materialien wie die Materialien in dem Rohr 220, 320, 420, 520, 621, 720 und 820. In einem Aspekt ist das Rohr 920 aus einem feuer- und/oder hitzebeständigen Material gebildet. In einem Aspekt beinhaltet das Rohr 920 Materialien, die aus Aerogel, Glimmer, Metall, anderen geeigneten Materialien und Kombinationen davon ausgewählt sind.
Das Modul 900 beinhaltet ferner einen Gehäusekasten 960 und einen Gehäusedeckel 962 zur Aufnahme der Zellen 902, der mehreren Deckschichten 910 und des Rohrs 920. In dem Aspekt aus 9 beinhaltet der Gehäusekasten 960 Öffnungen 964, wo die Anschlüsse 922 durch die Bodenwand des Gehäusekastens 960 treten. Dies sorgt für eine zusätzliche Entfernung heißer Gase und Flammen außerhalb des Gehäusekastens 960. Die Öffnungen 964 erleichtern den geraden Anschlüssen 922 und dem Auswurf von thermischem Durchgehen den Austritt aus dem Gehäusekasten 960. In einem Aspekt beinhaltet das Modul 900 ferner eine zusätzliche elastische Schicht 963. Die zusätzliche elastische Schicht 963 schützt die Batteriezellen 902 vor mechanischen Schäden unter Missbrauchsbedingungen (z. B. Kollision, Explosion und thermisches Durchgehen). In einem Aspekt ist die zusätzliche elastische Schicht 963 eine Aerogelschicht.
H. Draufsicht Seitenansicht und schichtweise Ansichten der mehreren Deckschichten mit eingebettetem Entlüftungskanal
10A zeigt einen Aspekt eines Batteriemoduls 1000. Das Batteriemodul 1000 ist in den Aspekten von 1A-9 analog zu dem Batteriemodul 100-900, mit der Ausnahme, dass das Batteriemodul 1000 Batteriezellen beinhaltet, die in mehreren Reihen 1001 und mehreren Spalten 1003 angeordnet sind. Das Batteriemodul 1000 demonstriert die Flexibilität der mehreren Deckschichten 1010 und des Kanals 1020 in Batteriemodulen unterschiedlicher Zellanordnungen.
Das Modul 1000 beinhaltet mehrere Batteriezellen 1002, wie etwa Lithium-Ionen-Zellen. Die Zellen 1002 in 10A beinhalten jeweils eine elektrische Klemme 1004 und ein Entlüftungsloch 1006. Mehrere Deckschichten 1010 sind über einer Seite der mehreren Zellen beinhaltet, welche die elektrischen Klemmen 1004 beinhaltet. In dem Aspekt aus 10A-10B sind die Zellen 1002 in mehreren Zeilen 1001 und Spalten 1003 angeordnet.
Ähnlich wie die mehreren Deckschichten 110-910 in Aspekten von 1A-9 beinhalten die mehreren Deckschichten 1010 eine erste Schicht 1016, eine zweite Schicht 1014 und eine dritte Schicht 1016. Die mehreren Deckschichten 1010 können zusätzlich Strukturmaterialien wie Polymere oder Metalle wie Edelstahl beinhalten. In mehreren Deckschichten 1010 können Schichten aus elastischem Material beinhaltet sein. Mehrere Deckschichten 1010 können beispielsweise durch Kleber, Nähen, Kleben, Heißpressen, andere geeignete Methoden und Kombinationen davon verbunden sein.
In einem Aspekt beinhalten die mehreren Deckschichten 1010 das gleiche Material wie die mehreren Deckschichten 110-910 in dem Aspekt aus 1A-9. Ähnlich wie bei den vorstehenden Aspekten bestehen in einem Aspekt die mehreren Deckschichten 1010 alle aus dem gleichen Material. In einem Aspekt beinhalten die mehreren Deckschichten 1010 mehr als ein Material für verschiedene Schichten. In einem Aspekt beinhalten eine oder mehrere Schichten der mehreren Deckschichten 1010 eine Aerogelschicht. In einem Aspekt ist die erste Schicht 1016 eine Isolierschicht (z. B. eine Aerogelschicht), die zweite Schicht 1014 ist eine elastische Schicht und die dritte Schicht ist eine starre Schicht.
10B zeigt Querschnittsansichten von 10A entlang einer Mittellinie BB' der ersten Schicht 1016, entlang einer Mittellinie CC' der zweiten Schicht 1014 und entlang einer Mittellinie DD' der dritten Schicht 1012. Die erste Schicht 1016 beinhaltet Löcher 1007, die in mehreren Reihen und Spalten positioniert sind und auf die Entlüftungslöcher 1006 der Zellen 1002 ausgerichtet sind. In der zweiten Schicht 1014 sind mehrere Kanäle 1020 beinhaltet, um sie auf die mehreren Reihen 1001 der Zellen 1002 auszurichten. Aspekte der Materialien und Konfigurationen geeigneter Kanäle 1020 sind in anderen in der vorliegenden Offenbarung beschriebenen Aspekten beinhaltet. Eine dritte Schicht 1012 ist ferner ohne Löcher gezeigt.
I. Verfahren zum Bilden eines Batteriemoduls mit in mehreren Deckschichten eingebettetem Entlüftungskanal
11 zeigt ein Aspektflussdiagramm eines Verfahrens 1100 zum Bilden eines Batteriemoduls. In Vorgang 1102 werden mehrere Lithium-Ionen-Zellen gestapelt, wobei jede Zelle elektrische Klemmen und eine Entlüftung umfasst, wobei die Entlüftung eine Entlüftungsrichtung definiert. In Vorgang 1104 wird eine Klemmenfläche der Anzahl von Lithium-Ionen-Zellen mit einer ersten Schicht bedeckt, wobei die elektrischen Klemmen durch die erste Schicht treten und Entlüftungen in der ersten Schicht beinhaltet und dazu konfiguriert sind, Entlüftungsgas zu ermöglichen, durch die erste Schicht zu treten. In Vorgang 1106 wird ein Kanal in Verbindung mit den Entlüftungsöffnungen gebildet, wobei der Kanal dazu konfiguriert ist, Entlüftungsgase von der Entlüftungsrichtung in eine Kanalrichtung umzuleiten.
J. Power-Batteriesysteme mit Batteriemodulen, die einen in mehreren Deckschichten eingebettetem Entlüftungskanal beinhalten
Batteriemodule wie vorstehend beschrieben werden in einer Reihe elektronischer Vorrichtungen verwendet. 12 veranschaulicht einen Aspekt einer elektronischen Vorrichtung 1200, die ein Batteriemodul 1210 beinhaltet. Das Batteriemodul 1210 ist durch die Schaltung 1212 mit der Funktionselektronik 1220 verbunden. In dem gezeigten Aspekt sind das Batteriemodul 1210 und die Schaltung 1212 in einem Gehäuse 1202 enthalten. Ein Ladeanschluss 1214 ist der Darstellung nach an das Batteriemodul 1210 gekoppelt, um das Aufladen des Batteriemoduls 1210 bei Bedarf zu erleichtern.
In einem Aspekt beinhaltet die Funktionselektronik 1220 Vorrichtungen wie etwa Halbleitervorrichtungen mit Transistoren und Speicherschaltkreise. Aspekte beinhalten, ohne darauf beschränkt zu sein, Telefone, Computer, Bildschirme, Navigationssysteme usw.
13 zeigt ein weiteres elektronisches System, das Batteriemodule verwendet, die wie vorstehend beschrieben mehrschichtige Wärmebarrieren beinhaltet. Ein Elektrofahrzeug 1300 ist in 13 veranschaulicht. Das Elektrofahrzeug 1300 beinhaltet ein Fahrgestell 1302 und Räder 1322. In dem gezeigten Aspekt ist jedes Rad 1322 an einen Antriebsmotor 1320 gekoppelt. Ein Batteriemodul 1310 ist der Darstellung nach durch die Schaltung 1306 an die Antriebsmotoren 1320 gekoppelt. Ein Ladeanschluss 1304 ist der Darstellung nach an das Batteriemodul 1310 gekoppelt, um das Aufladen des Batteriemoduls 1310 bei Bedarf zu erleichtern.
Aspekte des Elektrofahrzeugs 1300 beinhalten, ohne darauf beschränkt zu sein, Verbraucherfahrzeuge wie Autos, Lastwagen usw. Nutzfahrzeuge wie Traktoren und Sattelschlepper fallen ebenfalls in den Umfang der Erfindung. Obwohl ein vierrädriges Fahrzeug gezeigt ist, ist die Erfindung nicht darauf beschränkt. In einem Aspekt liegen auch zweirädrige Fahrzeuge wie Motorräder und Motorroller im Umfang der Erfindung.
Aspekte
Um die in dieser Schrift offenbarten Verfahren und Vorrichtungen besser zu veranschaulichen, wird hier eine nicht einschränkende Liste verschiedener Aspekte bereitgestellt:
Aspekt 1 beinhaltet ein Batteriemodul. Das Batteriemodul beinhaltet einen Stapel von Lithium-Ionen-Zellen, wobei jede Zelle elektrische Klemmen beinhaltet, eine Entlüftung an jeder Zelle des Stapels von Lithium-Ionen-Zellen, wobei jede Entlüftung eine Entlüftungsrichtung definiert, und mindestens einen Kanal, der mit den Entlüftungen des Stapels von Lithium-Ionen-Zellen in Verbindung steht, wobei der Kanal dazu konfiguriert ist, entweichende Gase aus der Entlüftungsrichtung in eine Kanalrichtung umzuleiten.
Aspekt 2 beinhaltet das Batteriemodul nach Aspekt 1, das ferner mehrere Deckschichten beinhaltet, die über einer Seite des Stapels von Lithium-Ionen-Zellen angeordnet sind, welche die elektrischen Klemmen beinhaltet, wobei die elektrischen Klemmen durch Öffnungen in einer oder mehreren der mehreren Schichten treten.
Aspekt 3 beinhaltet das Batteriemodul nach einem der Aspekte 1-2, wobei eine oder mehrere Schichten der mehreren Deckschichten ein Aerogel beinhalten.
Aspekt 4 beinhaltet das Batteriemodul nach einem der Aspekte 1-3, ferner beinhaltend einen Batteriemanagementschaltkreis, der sich in einer oder mehreren der mehreren Deckschichten befindet.
Aspekt 5 beinhaltet das Batteriemodul nach einem der Aspekte 1-4, wobei der Kanal durch einen oder mehrere Räume in den mehreren Deckschichten definiert ist.
Aspekt 6 beinhaltet das Batteriemodul nach einem der Aspekte 1-5, wobei der Kanal mit einem Schutzmaterial gefüllt ist.
Aspekt 7 beinhaltet das Batteriemodul nach einem der Aspekte 1-6, wobei der Kanal eine separate Komponente ist, die in mehreren Schichten beinhaltet ist.
Aspekt 8 beinhaltet ein Elektrofahrzeug. Das Elektrofahrzeug beinhaltet ein Fahrzeugchassis, mehrere mit dem Fahrzeugchassis gekoppelte Räder, wobei die mehreren Räder durch ein oder mehrere Elektromotoren angetrieben werden, und ein Batteriemodul, das mit dem einen oder den mehreren Elektromotoren verbunden ist. Das Batteriemodul beinhaltet einen Stapel von Lithium-Ionen-Zellen, wobei jede Zelle elektrische Klemmen beinhaltet, eine Entlüftung an jeder Zelle des Stapels von Lithium-Ionen-Zellen, wobei jede Entlüftung eine Entlüftungsrichtung definiert, und einen Kanal, der mit den Entlüftungen des Stapels von Lithium-Ionen-Zellen in Verbindung steht, wobei der Kanal dazu konfiguriert ist, entweichende Gase aus der Entlüftungsrichtung in eine Kanalrichtung umzuleiten.
Aspekt 9 beinhaltet das Elektrofahrzeug nach Aspekt 8, wobei der Stapel von Lithium-Ionen-Zellen mindestens teilweise in einem Modulgehäuse eingeschlossen ist.
Aspekt 10 beinhaltet das Elektrofahrzeug nach einem der Aspekte 8-9, wobei der Stapel von Lithium-Ionen-Zellen in einer einzelnen Zellenreihe angeordnet ist.
Aspekt 11 beinhaltet das Elektrofahrzeug nach einem der Aspekte 8-10, wobei der Stapel von Lithium-Ionen-Zellen in mehreren Zellenreihen angeordnet ist.
Aspekt 12 beinhaltet das Elektrofahrzeug nach einem der Aspekte 8-11, wobei der Stapel von Lithium-Ionen-Zellen mehrere Zellbänke beinhaltet und der Kanal eine Kofferraumentlüftung mit mehreren Unterentlüftungen beinhaltet.
Aspekt 13 beinhaltet das Elektrofahrzeug nach einem der Aspekte 8-12, wobei der Kanal dazu ausgerichtet ist, zu einer Seite des Elektrofahrzeugs hin zu entlüften.
Aspekt 14 beinhaltet das Elektrofahrzeug nach einem der Aspekte 8-13 wobei der Kanal dazu ausgerichtet ist, zu einer Unterseite des Elektrofahrzeugs hin zu entlüften.
Aspekt 15 beinhaltet ein Verfahren zum Bilden eines Batteriemoduls. Das Verfahren beinhaltet Stapeln einer Anzahl von Lithium-Ionen-Zellen, wobei jede Zelle elektrische Klemmen und eine Entlüftung beinhaltet, wobei die Entlüftung eine Entlüftungsrichtung definiert, Bedecken einer Klemmenfläche der Anzahl von Lithium-Ionen-Zellen mit einer ersten Schicht, wobei die elektrischen Klemmen durch die erste Schicht hindurchtreten und Entlüftungsöffnungen in der ersten Schicht beinhaltet und dazu konfiguriert sind, zu ermöglichen, dass Entlüftungsgas durch die erste Schicht hindurchtritt, und Bilden eines Kanals, der mit den Entlüftungsöffnungen in Verbindung steht, wobei der Kanal dazu konfiguriert ist, Entlüftungsgase aus der Entlüftungsrichtung in eine Kanalrichtung umzuleiten.
Aspekt 16 beinhaltet das Verfahren nach Aspekt 15, wobei das Bilden des Kanals Anordnen von Räumen in mehreren Schichten über der Klemmenfläche beinhaltet.
Aspekt 17 beinhaltet das Verfahren nach einem der Aspekte 15-16, wobei das Bilden des Kanals Koppeln eines Metallrohrs benachbart zu den Entlüftungen beinhaltet.
Aspekt 18 beinhaltet das Verfahren nach einem der Aspekte 15-17, wobei das Bedecken einer Klemmenfläche der Anzahl von Lithium-Ionen-Zellen mit einer ersten Schicht Bedecken mit einer Aerogelschicht beinhaltet. Schlussfolgerung oder Terminologie oder ähnliche Überschrift
Die vorstehende Beschreibung soll veranschaulichend und nicht einschränkend sein. In einem Aspekt können die vorstehend beschriebenen Aspekte (oder einer oder mehrere Aspekte davon) in Kombination miteinander verwendet werden. Andere Ausführungsformen können verwendet werden, wie etwa durch einen Durchschnittsfachmann, der die vorstehende Beschreibung durchliest. Die Zusammenfassung soll es dem Leser ermöglichen, sich schnell über die Art der technischen Offenbarung ein Bild zu machen. Sie wird in der Auffassung eingereicht, dass sie nicht dazu verwendet wird, den Schutzumfang oder die Bedeutung der Patentansprüche auszulegen oder einzuschränken. Außerdem können in der vorstehenden detaillierten Beschreibung verschiedene Merkmale zusammengefasst werden, um die Offenbarung zu vereinfachen. Dies sollte nicht dahingehend ausgelegt werden, dass ein nicht beanspruchtes offenbartes Merkmal für jeden Anspruch wesentlich ist. Vielmehr kann der erfinderische Gegenstand in weniger als allen Merkmalen einer einzelnen offenbarten Ausführungsform liegen. Daher werden die folgenden Ansprüche hiermit in die detaillierte Beschreibung aufgenommen, wobei jeder Anspruch für sich als separate Ausführungsformgilt und in Betracht gezogen wird, dass solche Ausführungsformen in verschiedenen Kombinationen oder Permutationen miteinander kombiniert werden können. Der Umfang der Erfindung sollte unter Bezugnahme auf die beigefügten Patentansprüche gemeinsam mit dem vollständigen Umfang von Äquivalenten, zu denen derartige Patentansprüche berechtigt sind, bestimmt werden.
Obwohl ein Überblick über den Erfindungsgegenstand unter Bezugnahme auf bestimmte Ausführungsaspekte beschrieben wurde, können verschiedene Modifikationen und Änderungen an diesen Ausführungsformen vorgenommen werden, ohne vom breiteren Schutzumfang der Ausführungsformen der vorliegenden Offenbarung abzuweichen. Diese Ausführungsformen des Erfindungsgegenstands können hier der Einfachheit halber einzeln oder gemeinsam durch den Begriff „Erfindung“ bezeichnet werden, ohne dass der Umfang dieser Offenbarung auf eine einzelne Erfindung oder ein erfinderisches Konzept beschränkt werden soll, falls mehr als eine(s) offenbart wird.
Die in dieser Schrift veranschaulichten Ausführungsformen werden ausführlich genug beschrieben, um es dem Fachmann zu ermöglichen, die offenbarten Lehren umzusetzen. Andere Ausführungsformen können verwendet und davon abgeleitet werden, sodass strukturelle und logische Ersetzungen und Änderungen vorgenommen werden können, ohne vom Umfang dieser Offenbarung abzuweichen. Die detaillierte Beschreibung ist daher nicht als einschränkend zu verstehen und der Umfang verschiedener Ausführungsformen wird nur durch die beigefügten Ansprüche zusammen mit allen Äquivalenten definiert, die diesen Ansprüchen zustehen.
Der Begriff „oder“ kann, wie in dieser Schrift verwendet, entweder inklusiv oder exklusiv ausgelegt werden. Darüber hinaus können mehrere Instanzen für Ressourcen, Vorgänge oder Strukturen bereitgestellt sein, die in dieser Schrift als eine einzige Instanz beschrieben werden. Darüber hinaus sind die Grenzen zwischen verschiedenen Ressourcen, Vorgängen, Modulen, Engines und Datenspeichern etwas willkürlich und bestimmte Vorgänge werden im Kontext spezifischer veranschaulichender Konfigurationen veranschaulicht. Andere Funktionszuweisungen sind vorgesehen und können in den Umfang verschiedener Ausführungsformen der vorliegenden Offenbarung fallen. Im Allgemeinen können Strukturen und Funktionen, die in den Aspektkonfigurationen als separate Ressourcen dargestellt sind, als kombinierte Struktur oder Ressource umgesetzt werden. Ebenso können Strukturen und Funktionen, die als eine einzelne Ressource veranschaulicht sind, als separate Ressourcen umgesetzt werden. Diese und andere Variationen, Modifikationen, Ergänzungen und Verbesserungen fallen in den Umfang der Ausführungsformen der vorliegenden Offenbarung, wie sie in den beigefügten Ansprüchen dargestellt sind. Die Beschreibung und die Zeichnungen sind dementsprechend in einem veranschaulichenden und nicht einschränkenden Sinne zu verstehen.
Die vorstehende Beschreibung wurde zum Zwecke der Erläuterung unter Bezugnahme auf bestimmte Aspektausführungsformen beschrieben. Die vorstehend veranschaulichenden Diskussionen sollen jedoch nicht erschöpfend sein oder die möglichen Ausführungsformen der Aspekte auf die genauen offenbarten Formen beschränken. Viele Modifikationen und Variationen sind in Anbetracht der vorstehenden Lehren möglich. Die Aspekte wurden ausgewählt und beschrieben, um die beteiligten Prinzipien und ihre praktischen Anwendungen bestmöglich zu erläutern und es anderen Fachleuten zu ermöglichen, die verschiedenen Ausführungsformen mit verschiedenen Modifikationen, die für die jeweilige Verwendung geeignet sind, bestmöglich zu nutzen.
Es versteht sich ebenfalls, dass, obwohl möglicherweise die Begriffe „erste(r)“, „zweite(r)“ usw. in dieser Schrift verwendet werden, um unterschiedliche Elemente zu beschreiben, diese Elemente nicht durch diese Begriffe einzugrenzen sind. Diese Begriffe werden lediglich verwendet, um ein Element von einem anderen abzugrenzen. In einem Aspekt könnte ein erster Kontakt als zweiter Kontakt bezeichnet werden, und in ähnlicher Weise könnte ein zweiter Kontakt als erster Kontakt bezeichnet werden, ohne vom Umfang der Ausführungsformen des vorliegenden Aspekts abzuweichen. Der erste Kontakt und der zweite Kontakt sind beide Kontakte, aber nicht derselbe Kontakt.
Die Terminologie, die in der Beschreibung der Ausführungsaspekte verwendet wird, dient nur der Beschreibung bestimmter Ausführungsaspekte und ist nicht als einschränkend zu verstehen. Wie in der Beschreibung der Aspektausführungen und der beigefügten Aspekte verwendet, sollen die Singularformen „ein“, „eine(s)“ und „der/die/das“ auch die Pluralformen beinhalten, sofern der Kontext nicht eindeutig etwas anderes angibt. Es versteht sich auch, dass sich der in dieser Schrift verwendete Begriff „und/oder“ auf alle möglichen Kombinationen eines oder mehrerer der zugehörigen aufgeführten Elemente bezieht und diese umfasst. Ferner versteht es sich, dass die Begriffe „umfassen“ und/oder „umfassend“ bei Verwendung in dieser Beschreibung das Vorhandensein genannter Merkmale, Ganzzahlen, Schritte, Vorgänge, Elemente und/oder Bauteile angibt, aber nicht das Vorhandensein oder Hinzufügen einzelner oder mehrerer weiterer Merkmale, Ganzzahlen, Schritte, Vorgänge, Elemente und/oder Bauteile und/oder Gruppen davon ausschließt.
Wie in dieser Schrift verwendet, kann der Begriff „wenn“ je nach Kontext so ausgelegt werden, dass er „wann“ oder „bei“ oder „als Reaktion auf das Bestimmen“ oder „als Reaktion auf das Erkennen“ bedeutet. Ebenso kann der Ausdruck „wenn bestimmt wird“ oder „wenn [ein angegebener Zustand oder ein angegebenes Ereignis] erkannt wird“ so ausgelegt werden, dass er je nach Kontext „bei Bestimmen“ oder „als Reaktion auf das Bestimmen“ oder „bei Bestimmen [der angegebenen Bedingung oder des angegebenen Ereignisses]“ oder „als Reaktion auf das Erkennen [der angegebenen Bedingung oder des angegebenen Ereignisses]“ bedeutet.
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
Diese Liste der vom Anmelder aufgeführten Dokumente wurde automatisiert erzeugt und ist ausschließlich zur besseren Information des Lesers aufgenommen. Die Liste ist nicht Bestandteil der deutschen Patent- bzw. Gebrauchsmusteranmeldung. Das DPMA übernimmt keinerlei Haftung für etwaige Fehler oder Auslassungen.
Zitierte Patentliteratur

US 63436015 [0001]

Claims

Batteriemodul, umfassend: einen Stapel von Lithium-Ionen-Zellen, wobei jede Zelle elektrische Klemmen beinhaltet; eine Entlüftung an jeder Zelle des Stapels von Lithium-Ionen-Zellen, wobei jede Entlüftung eine Entlüftungsrichtung definiert; und mindestens einen Kanal, der mit den Entlüftungen des Stapels von Lithium-Ionen-Zellen in Verbindung steht, wobei der Kanal dazu konfiguriert ist, Entlüftungsgase von der Entlüftungsrichtung in eine Kanalrichtung umzuleiten.
Batteriemodul nach Anspruch 1, ferner beinhaltend mehrere Deckschichten, die über einer Seite des Stapels von Lithium-Ionen-Zellen angeordnet sind, welche die elektrischen Klemmen beinhaltet, wobei die elektrischen Klemmen durch Öffnungen in einer oder mehreren der mehreren Schichten treten.
Batteriemodul nach Anspruch 2, wobei eine oder mehrere Schichten der mehreren Deckschichten ein Aerogel beinhalten.
Batteriemodul nach Anspruch 2, ferner beinhaltend einen Batteriemanagementschaltkreis, der sich in einer oder mehreren der mehreren Deckschichten befindet.
Batteriemodul nach Anspruch 4, wobei der Batteriemanagementschaltkreis durch mindestens eine der mehreren Deckschichten von dem Kanal getrennt ist.
Batteriemodul nach Anspruch 2, wobei der Kanal durch einen oder mehrere Räume in den mehreren Deckschichten definiert ist.
Batteriemodul nach Anspruch 2, wobei der Kanal in eine elastische Schicht der mehreren Deckschichten eingebettet ist.
Batteriemodul nach Anspruch 5, wobei der Kanal mit einem Schutzmaterial gefüllt ist.
Batteriemodul nach Anspruch 1, wobei der Kanal eine separate Komponente ist, die in mehreren Schichten beinhaltet ist.
Elektrofahrzeug, umfassend: ein Fahrzeugchassis; eine Vielzahl von Rädern, die an das Fahrzeugchassis gekoppelt ist, wobei die Vielzahl von Rädern durch einen oder mehrere Elektromotoren angetrieben wird; ein Batteriemodul, das mit dem einen oder den mehreren Elektromotoren verbunden ist, wobei das Batteriemodul Folgendes umfasst: einen Stapel von Lithium-Ionen-Zellen, wobei jede Zelle elektrische Klemmen beinhaltet; eine Entlüftung an jeder Zelle des Stapels von Lithium-Ionen-Zellen, wobei jede Entlüftung eine Entlüftungsrichtung definiert, und einen Kanal, der mit den Entlüftungen des Stapels von Lithium-Ionen-Zellen in Verbindung steht, wobei der Kanal dazu konfiguriert ist, Entlüftungsgase von der Entlüftungsrichtung in eine Kanalrichtung umzuleiten.
Elektrofahrzeug nach Anspruch 10, wobei der Stapel von Lithium-Ionen-Zellen mindestens teilweise in einem Modulgehäuse eingeschlossen ist.
Elektrofahrzeug nach Anspruch 10, wobei der Stapel von Lithium-Ionen-Zellen in einer einzelnen Zellenreihe angeordnet ist.
Elektrofahrzeug nach Anspruch 10, wobei der Stapel von Lithium-Ionen-Zellen in mehreren Zellenreihen angeordnet ist.
Elektrofahrzeug nach Anspruch 10, wobei der Stapel von Lithium-Ionen-Zellen mehrere Zellbänke beinhaltet und der Kanal eine Kofferraumentlüftung mit mehreren Unterentlüftungen beinhaltet.
Elektrofahrzeug nach Anspruch 10, wobei der Kanal dazu ausgerichtet ist, zu einer Seite des Elektrofahrzeugs hin zu entlüften.
Elektrofahrzeug nach Anspruch 10, wobei der Kanal dazu ausgerichtet ist, zu einer Unterseite des Elektrofahrzeugs hin zu entlüften.