EP3776689A1 - Durch ein verbundmaterial geschuetzter energiespeicher - Google Patents

Durch ein verbundmaterial geschuetzter energiespeicher

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EP3776689A1
EP3776689A1 EP19727957.3A EP19727957A EP3776689A1 EP 3776689 A1 EP3776689 A1 EP 3776689A1 EP 19727957 A EP19727957 A EP 19727957A EP 3776689 A1 EP3776689 A1 EP 3776689A1
Authority
EP
European Patent Office
Prior art keywords
composite material
graphite foil
layer
fibers
energy store
Prior art date
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Withdrawn
Application number
EP19727957.3A
Other languages
English (en)
French (fr)
Inventor
Thomas Koeck
Werner Langer
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
SGL Carbon SE
Original Assignee
SGL Carbon SE
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by SGL Carbon SE filed Critical SGL Carbon SE
Publication of EP3776689A1 publication Critical patent/EP3776689A1/de
Withdrawn legal-status Critical Current

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    • H01M50/00—Constructional details or processes of manufacture of the non-active parts of electrochemical cells other than fuel cells, e.g. hybrid cells
    • H01M50/20—Mountings; Secondary casings or frames; Racks, modules or packs; Suspension devices; Shock absorbers; Transport or carrying devices; Holders
    • H01M50/218—Mountings; Secondary casings or frames; Racks, modules or packs; Suspension devices; Shock absorbers; Transport or carrying devices; Holders characterised by the material
    • H01M50/22—Mountings; Secondary casings or frames; Racks, modules or packs; Suspension devices; Shock absorbers; Transport or carrying devices; Holders characterised by the material of the casings or racks
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    • H—ELECTRICITY
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    • H01M10/60—Heating or cooling; Temperature control
    • H01M10/65—Means for temperature control structurally associated with the cells
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    • Y02E—REDUCTION OF GREENHOUSE GAS [GHG] EMISSIONS, RELATED TO ENERGY GENERATION, TRANSMISSION OR DISTRIBUTION
    • Y02E60/00—Enabling technologies; Technologies with a potential or indirect contribution to GHG emissions mitigation
    • Y02E60/10—Energy storage using batteries

Definitions

  • the present invention relates to the use of certain composite materials for the protection of energy storage devices which heat up during charging and / or discharging, in particular energy storage devices that drive an electric motor driving a vehicle, such as lithium ion batteries in electric cars.
  • Batteries are enveloped, e.g. through a battery case.
  • the sheaths serve to hold a plurality of electrochemical cells in position relative to each other and to secure the battery in the desired position, e.g. in a vehicle, firmly anchored.
  • US Pat. No. 8,852,794 B2 describes a battery case for an electric vehicle.
  • the battery case can be used in the vehicle or to store batteries outside the vehicle.
  • housing materials plastic or metals are proposed.
  • Polyethylene materials are said to have relatively high stability, low friction with many other materials, and high resistance to acids and water.
  • DE 10 2010 048 102 A1 describes a vehicle with a crash energy absorbing traction battery.
  • the traction battery is specifically designed as a deformation element with non-destructively deformable memory cells.
  • the memory block consisting of the individual memory cells can be enclosed in a battery housing in a gas-tight and liquid-tight manner.
  • the battery case is not designed component-resistant or dimensionally stable, but made of a material that can easily be deformed. Examples include a rubbery high-tenacity shell material, such as is used in fuel tank bladders.
  • US Pat. No. 8,393,427 describes a protection system for vehicle battery packs, comprising: a battery pack housing mounted under an electric vehicle, the battery pack housing including a housing top, a housing bottom, and a plurality of housing side parts, the battery pack housing being configured to receiving a plurality of batteries, and wherein the battery pack housing is mounted between a passenger compartment floor panel and a drive surface; a ballistic shield mounted under the electric vehicle and under the battery pack housing, the ballistic shield being disposed between the battery pack housing and the drive surface and wherein the ballistic shield is spaced at least 5 millimeters from the housing bottom plate; and a layer of compressible material disposed between the ballistic shield and the battery pack housing.
  • the layer of compressible material may be made of foam or plastic.
  • the layer may e.g. formed with a plurality of protrusions and a plurality of recesses; called e.g. a urethane foam.
  • the ballistic shield may be made of aluminum, aluminum alloy, steel, glass fiber, carbon fiber epoxy composite and / or plastic.
  • the protection system is intended to fully integrate the battery pack housing into the vehicle while protecting the battery pack from accidental damage and minimizing the effects of the battery pack on the comfort and safety of vehicle occupants.
  • the utility model DE 20 2015 106 607 U1 describes that the battery of an electric vehicle during a collision of the vehicle; ie during a vehicle-to-vehicle collision may be subject to damage. It is also described that the battery must be placed in a suitable location that limits the exposure of the battery during vehicle crashes.
  • a battery support which is a housing with a bottom and a bottom-extending side.
  • the housing is configured on an inner surface for receiving the battery for the electric vehicle.
  • the battery post includes a deformable energy absorber that defines a repeating pattern of hexagonal cells that are tessellated in a honeycomb structure. It is proposed that cell material, cell geometry, cell wall thickness and cell side length can be matched depending on the expected load.
  • cells and housings can be made of aluminum, with the aluminum alloy 6111 -T4 in particular being proposed.
  • the object of the present invention is to protect an energy store, which heats up during charging and / or discharging, from being damaged by acting forces, for example during rockfall or when a vehicle collides, and at the same time to increase its service life.
  • This object is achieved by the use of a composite material comprising fibers and graphite foil to protect an energy store which heats up during charging and / or discharging, e.g. the energy storage of a vehicle that heats up during charging and / or discharging.
  • It may be a stationary energy store, e.g. around a stationary battery or a mobile energy storage, e.g. to a mobile battery, act. Batteries are understood to mean rechargeable batteries in the context of this invention.
  • Energy storage is the protection against damage by acting forces, especially important. Such energy stores can release large amounts of energy in the event of damage. Accordingly, the risks are high for people in the area.
  • the energy store is preferably an energy store of a vehicle that heats up during charging and / or discharging, in particular an energy store of a vehicle that heats up when charging and / or discharging with electric current.
  • the energy store preferably drives at least one electric motor serving to drive the vehicle.
  • Energy storage stored energy can be used to drive the vehicle.
  • the life of the energy storage increases.
  • the life increases especially if it is the energy storage is a battery.
  • Batteries and in particular lithium ion batteries age faster at elevated temperatures. It is believed that the composite material according to the invention compensates for temperature peaks and thereby increases the service life of the battery cells.
  • the vehicle operated with the energy store can be driven particularly efficiently overall.
  • the vehicle is preferably a land vehicle (e.g., a HEV or BEV) or an aircraft.
  • the invention also relates to an energy store for a vehicle, which heats up during loading and / or unloading and is at least partially surrounded by a composite material, wherein the composite material comprises fibers and graphite foil.
  • a further object according to the invention is a vehicle having an energy store which heats up during loading and / or unloading, wherein the energy store is at least partially surrounded by a composite material and the composite material comprises fibers and graphite foil.
  • the composite material is planar. It preferably has two main surfaces, one of the main surfaces facing the energy store and the other main surface facing away from the energy store.
  • part of the main surface facing away from the energy store or the entire main surface facing away from the energy store may face the ground on which the vehicle is located, for example a road. This protects the energy storage from mechanical damage from below, for example against falling rocks.
  • part of the main surface facing away from the energy store or the entire main surface facing away from the energy store may face the front of the vehicle and / or the rear of the vehicle. This protects the energy store, in particular in rear-end collisions, in which the vehicle with the front or the rear on an object, e.g. another vehicle.
  • part of the main area facing away from the energy store or the entire main area facing away from the energy store may face the driver's side or the passenger side of the vehicle. This protects the energy store, in particular in rear-end collisions, in which another vehicle impacts one of the sides of the vehicle according to the invention.
  • a plurality of composite materials may be used, wherein according to the invention at least one of the composite materials comprises fibers and graphite foil.
  • essentially planar composite materials can be arranged on different sides of the energy store, for example below the energy store, at the front of the energy store, at the rear of the energy store and / or at one or both sides of the energy store.
  • the composite material can extend around the energy store such that it simultaneously extends into an area below the energy store and into at least one area in front of the energy store and / or at the rear of the energy store; or that it at the same time extends into an area below the energy store and into at least one area on one or both sides of the energy store.
  • the composite material must have at least one kink o- or a bend.
  • the composite material preferably has at least one kink or bend.
  • At least a portion of the composite material in the direction of travel is arranged in front of or behind the electrical energy storage or arranged under the electrical energy storage.
  • the composite material is arranged close to the energy store. It may, for example, rest on the surface of the energy store. Every point of the Energy storage facing main surface of the composite material has a certain distance d to the energy storage.
  • the main surface facing the energy store applies for each point: where n is 3; especially for 2; preferably for 1, 5; particularly preferably 1; and
  • A is the surface of the main storage area of the composite material facing the energy store.
  • d for each point of the main surface facing the energy store: d> m L [A where m is 0.005; in particular for 0.01; preferably for 0.02; more preferably 0.05, and most preferably 0.1; and
  • A is the surface of the main storage area of the composite material facing the energy store.
  • the composite material comprises fibers and graphite foil.
  • graphite foils can be produced by treating graphite with certain acids to form a graphite salt with acid anions interposed between graphene layers.
  • the graphite salt is then expanded by exposure to high temperatures of e.g. 800 ° C exposes.
  • the graphite expandate obtained during the expansion is then pressed into the graphite foil.
  • a method for producing graphite sheets is e.g. in EP 1 120 378 B1.
  • any fibers can be used.
  • the fibers have a strength of more than 600 MPa, in particular more than 1200 MPa, preferably more than 1500 MPa, more preferably more than 2000 MPa.
  • the strength is the tensile strength. It can be determined by measuring methods which are well known to the person skilled in the art.
  • the use of particularly strong fibers offers the advantage that even with a low fiber surface weight, that is, e.g.
  • the fibers may e.g. Carbon fibers, aramid fibers and / or glass fibers include. Carbon fibers are particularly preferred. Alternatively, the fibers can also
  • Natural fibers include, for example, flan fibers or flax fibers.
  • the graphite foil and fibers may be incorporated into a layer of composite material.
  • the composite material is a laminar composite material comprising a fibrous layer and a graphite foil layer.
  • the fibers are then arranged in the fiber layer and the graphite foil is arranged in the graphite foil layer.
  • Laminated composite materials are preferred composite materials according to the invention, since they can be produced in a particularly simple manner by applying a graphite foil to a fibrous layer, e.g. sticking.
  • the thickness of the fiber layer may be e.g. 0.5 to 5 mm, preferably 0.8 to 4 mm, particularly preferably 1 to 3 mm.
  • the fibers e.g. the fibrous layer
  • the flask may e.g. be selected from thermoplastics and thermosets such as epoxy resins and phenolic resins.
  • the flask is an epoxy resin.
  • unsaturated polyesters, bismaleimides, polyimides, cyanoesters, polyphenylenes, polysulfones, polyethersulfones, polyphenylene sulfides, polyether ketones, polybenzimidazoles, polyamides and polyetherimides are also suitable as flunts.
  • the fiber layer can be a fiber composite of fibers, eg carbon fibers and resin matrix, wherein the fibers are substantially completely enclosed by the resin.
  • Matrix polymers suitable as a flarz matrix are described in the book "Carbon Fibers and Their Composites, Fier einsreae, Applications and Market Development", Verlag Moderne Industrie GmbFI, ISBN 978-3-86236-001 -7 from page 28 onwards.
  • the flask of the flax matrix is the flask with which the fiber layer is bonded to the graphite foil. This is preferred since the layer composite can then be produced in a particularly simple manner by applying a prepreg to the graphite foil.
  • the flask of the Flarzmatrix may also be different from the Flarz, with which the fiber layer is bound to the graphite foil.
  • the fibers may be substantially parallel to each other or in different directions.
  • the fibrous layer may be a fiber knit, a fibrous web or a fibrous web, e.g. a carbon fiber fabric, carbon fiber fabric or carbon fiber fabric.
  • the clutch may be a biaxial clutch or a multiaxial clutch.
  • the fiber composite can therefore be a carbon fiber reinforced plastic (CFRP).
  • CFRP carbon fiber reinforced plastic
  • the cited book also describes the Fier ein of CFK from page 35 onwards.
  • the flaring and shaping methods described therein can be used to bring a CFRP into the form desired for the protection of the energy store according to the invention.
  • One or more layers of graphite foil may be applied before or after any necessary flashing of the CFRP formed in the desired shape to obtain the layered composite comprising the fibrous layer and the graphite foil layer.
  • the fibers in one part of the surface of the layered composite material are substantially completely surrounded by the flask and attached to the graphite foil in another part of the surface of the composite layer material only over the surface of the fibrous layer.
  • the layered composite material comprises a fibrous layer and a graphite foil layer.
  • the graphite foil layer faces the energy store and the fiber layer faces away from the energy store. This increases the passive cooling ability, since heat then passes unhindered from the energy storage in the graphite foil.
  • the layered composite material may comprise further layers, e.g. a further fiber layer on the energy storage side facing the graphite foil layer.
  • the further fibrous layer is preferably very thin, e.g. 0.02 to 3 mm thick, preferably 0.05 to 2 mm thick, so as not to complicate the transfer of heat from the energy storage in the graphite foil layer unnecessarily.
  • An advantage of the further fiber layer on the side of the graphite foil layer facing the energy store is an increase in the elastic deformability of the composite material, since the graphite foil layer is then fiber-reinforced on both sides.
  • the invention also relates to a layered composite material, e.g. can be used to protect an energy storage device comprising a fibrous layer, e.g. the fibrous layer described herein and a graphite foil layer, e.g. a graphite foil.
  • the thickness of the composite material in particular of the layered composite material, exceeds 1 mm, preferably 1.2 mm, more preferably 1.4 mm, e.g. 1, 6 mm. This applies at least to a region of the layered composite material. It was found that adequate protection with thinner layered composite materials can usually not be achieved because the layered composite material in typical applications has certain, usually quite large distances between
  • the thickness given here is the total thickness of all graphite foil layers covered by the composite, if necessary
  • the thickness can be measured with a caliper or a micrometer screw. If necessary, a sample of the composite layer material can be cut out for this purpose.
  • the thickness of the graphite foil layer is preferably more than 0.55 mm, more preferably more than 0.60 mm, in particular more than 0.70 mm, very particularly preferably more than 0.85, most preferably more than 1.0 mm, for example more than 1, 1 mm.
  • the surface of the layered composite material is preferably more than 0.1 m 2 , more preferably more than 0.25 m 2 , in particular more than 0.4 m 2.
  • the area specified here refers to one of both sides of the laminate material. It can be easily determined with the aid of a measuring tape and simple calculations. This is advantageous because then with a few attachment points large area
  • Battery modules can be protected continuously throughout. This also simplifies assembly and increases manufacturing efficiency.
  • the area can be calculated from a 3D scan of the laminate material. The area which is occupied by any openings of the layered composite material is included in the area of the layered composite material.
  • Openings extend from one side to the other side of the laminate material and serve to secure the laminate material
  • a particularly preferred layered composite material comprises a further
  • Fiber layer on the other side of the graphite foil layer At a
  • the graphite foil layer is arranged between two fiber layers.
  • the thickness would therefore be measured here from a surface of the one fiber layer facing away from the graphite foil layer to a surface of the other fiber layer facing away from the graphite foil layer.
  • At least one of the fiber layers is preferably a fiber composite. It is particularly preferred if both fiber layers, between which the
  • Graphite foil layer is arranged, fiber composites are.
  • Carbon fiber reinforced plastic is. Preferably both are
  • Fiber composites between which the graphite foil layer is arranged,
  • the carbon fiber reinforced plastic layers is arranged and in which the thickness of the layer composite material 1 mm, preferably 1, 2 mm, more preferably 1, 4 mm, e.g. 1, 6 mm in at least one region of the composite material exceeds. This causes the rigidity of the laminated composite to be increased. In addition, the heat distribution is homogenized, which prevents thermal stress. This not only increases the longevity of the battery, but also that of the layer composite.
  • the graphite foil layer may have a plurality of openings which extend through the graphite foil layer.
  • the graphite foil layer has a plurality of openings.
  • the arrangement of the apertures preferably defines a repeating pattern of apertures and inter-apertured graphite foil layer portions.
  • the centers of the openings lie on a plurality of straight lines.
  • these straight lines can be divided into several groups each parallel to each other running straight lines. For example, there may be three groups per parallel line. Each line cuts one Group every line of every other group at an angle of 50 to 70 °, preferably 55 ° to 65 °, eg 60 °.
  • the ratio of the area occupied by the openings to the base area of the graphite foil layer is preferably in the range of 0.01 to 0.98, more preferably in the range of 0.05 to 0.90; very particularly preferably in the range from 0.10 to 0.85.
  • the base area of the graphite foil layer is understood to be the area occupied in the repetitive pattern by the openings and the intervening graphite foil layer sections as a whole. It thus corresponds to the area of one side of the graphite foil layer before the openings are introduced.
  • the ratio of the area occupied by the openings to the base area of the graphite foil layer should be small if a high thermal conductivity in the graphite foil layer is desired.
  • the basis weight of the composite material can be reduced. In particular, when the ratio of the area occupied by the openings to
  • the graphite foil layer in the composite layer fulfills a similar stiffening effect as a paper or
  • Aluminum-formed floneycomb layer e.g. is shown in DE 20 2015 106 607 U1.
  • graphite foils are compressible, higher ductility is achieved compared to stiffening with conventional honeycomb layers.
  • the heat conductivity in the plane is high, since graphite foils excellently conduct heat in the plane. Both effects are currently in progress
  • Laminate reduced, while maintaining high passive cooling ability.
  • the openings can have any shape. They can, for example, be triangular, quadrangular, pentagonal, hexagonal, round or oval. In preferred embodiments, the openings are round. Round openings are particularly easy to stan- zen, which promotes a particularly efficient production of the composite layer.
  • the area of each individual opening can be, for example, in the range from 0.1 mm 2 to 400 mm 2 , preferably in the range from 0.2 mm 2 to 100 mm 2 .
  • a layer composite material according to the invention at least part of the openings is at least partially filled with resin.
  • This offers the advantage of further stabilization of the layered composite material, since a layer located on one side of the graphite foil can be directly connected to a layer located on the other side of the graphite foil through the openings.
  • the fiber layer is directly connected to the optional further fiber layer.
  • the carbon fibers used can contain different numbers of individual filaments. For example, from 1000 (1 k fibers) to 320 000 individual filaments (320 k fibers). Preferably, the carbon fibers have 1000 (1k fibers) to 10,0000 single filaments (10k fibers), e.g. about 3,000 individual filaments (3k fibers).
  • the composite material serves to protect an energy store which heats up during charging and / or discharging.
  • the composite material serves to protect the energy store against mechanical damage and overheating.
  • the energy store is preferably selected from batteries and capacitors, in particular from batteries.
  • the battery is eg a lithium ion battery.
  • a lithium ion battery is understood to mean a battery in which an electron delivery of Li contributes to the provision of the usable electric current to form Li + ions. Such batteries heat up during charging and discharging.
  • the composite material develops the desired effect if the heat emitted by the energy store is taken up by the composite material and is dissipated there, in particular via the graphite foil.
  • the graphite foil is in thermal contact with the energy store.
  • a heat conduction path between energy storage and graphite foil is formed.
  • the heat conduction path may include thermally conductive solids and / or liquids.
  • the thermal contact with the energy store is, for example, in that the graphite foil is in contact with a part of the heat conduction path and another part of the heat conduction path is connected to the energy store, e.g. with a
  • the heat conduction path may be e.g. be formed by a circulated between the energy storage and the graphite foil cooling liquid or by a solid heat conducting element, e.g. by a heat conducting plate, wherein a part of the heat conducting plate is in contact with the composite material, e.g. in contact with the graphite foil, and another part of the heat conducting plate is in contact with the energy storage, e.g. with a cell of a battery.
  • Fig. 1 shows a vehicle having an at least partially from
  • FIG. 2A shows a section of the composite material from FIG. 1, viewed from the side facing the energy store.
  • FIG. 2B shows a side view of the composite material from FIG. 1.
  • FIG. 1 shows a vehicle 1 with an energy store, which is a lithium-ion battery 2.
  • the lithium-ion battery 2 is partially surrounded by a composite material 10. In the example shown here, this extends
  • Composite material is in thermal contact with the lithium ion battery via a heat conduction plate 21.
  • FIG. 2A shows a section 11 of the composite material of Figure 1, viewed from the energy storage side facing.
  • FIG. 2B shows the same section 11 in a side view.
  • the composite material is a composite layer material according to the invention comprising a fiber layer 16 and a graphite foil layer 12, the graphite foil layer having a plurality of round openings.
  • One of the openings is identified by the reference numeral 13. The openings extend through the graphite foil layer so that the fibrous layer 16 can be seen through the openings in FIG. 2A.

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Abstract

Die vorliegende Erfindung betrifft die Verwendung eines Verbundmaterials umfassend Fasern und Graphitfolie zum Schutz eines sich beim Laden und/oder Entladen erwärmenden Energiespeichers, z.B. des sich beim Laden und/oder Entladen erwärmenden Energiespeichers eines Fahrzeugs.

Description

DURCH EIN VERBUNDMATERIAL GESCHUETZTER ENERGIESPEICHER
Beschreibung
Die vorliegende Erfindung betrifft die Verwendung bestimmter Verbundmaterialien zum Schutz von Energiespeichern, die sich beim Laden und/oder Entladen erwär- men, insbesondere von Energiespeichern, die einen dem Antrieb eines Fahrzeugs dienenden Elektromotor antreiben, wie von Lithium ionenbatterien in Elektroautos.
Batterien werden umhüllt, z.B. durch ein Batteriegehäuse. Im Allgemeinen dienen die Hüllen dazu, mehrere elektrochemischer Zellen relativ zueinander in Position zu hal- ten und um die Batterie in der gewünschten Position, z.B. in einem Fahrzeug, fest zu verankern.
Das US Patent Nr. 8,852,794 B2 beschreibt ein Batteriegehäuse für ein elektrisches Fahrzeug. Das Batteriegehäuse kann im Fahrzeug verwendet werden oder zur Lage- rung von Batterien außerhalb des Fahrzeugs. Als Gehäusematerialien werden Pla- stik oder Metalle vorgeschlagen. Es wird beschrieben, dass Polyethylenmaterialien eine relativ hohe Stabilität, eine geringe Reibung mit vielen anderen Materialien, so- wie eine hohe Resistenz gegenüber Säuren und Wasser hätten.
Die DE 10 2010 048 102 A1 beschreibt ein Fahrzeug mit einer Crashenergie absor- bierenden Traktionsbatterie. Dabei wird die Traktionsbatterie gezielt als ein Deforma- tionselement ausgelegt, mit zerstörungsfrei verformbaren Speicherzellen. Der aus den einzelnen Speicherzellen bestehende Speicherblock kann in einem Batteriege- häuse gas- und flüssigkeitsdicht eingeschlossen sein. Dazu wird vorgeschlagen, dass das Batteriegehäuse nicht bauteilfest bzw. formstabil ausgelegt wird, sondern aus einem einfach deformierbaren Material. Als Beispiele werden ein gummiartiges hochzähes Hüllmaterial genannt, wie es beispielsweise bei Kraftstofftankblasen An- wendung findet.
Das US Patent Nr. 8,393,427 beschreibt ein Schutzsystem für Fahrzeugbatterie- pakete, umfassend: ein Batteriepackgehäuse, das unter einem Elektrofahrzeug mon- tiert ist, wobei das Batteriepackgehäuse ein Gehäuseoberteil, ein Gehäuseunterteil und eine Vielzahl von Gehäuseseitenteilen umfasst, wobei das Batteriepackgehäuse konfiguriert ist, um eine Vielzahl von Batterien aufzunehmen, und wobei das Batterie- packgehäuse zwischen einem Fahrgastraumbodenblech und einer Antriebsfläche montiert ist; eine ballistische Abschirmung, die unter dem Elektrofahrzeug und unter dem Batteriepackgehäuse angebracht ist, wobei die ballistische Abschirmung zwi- schen dem Batteriepackgehäuse und der Antriebsfläche angeordnet ist und wobei die ballistische Abschirmung um mindestens 5 Millimeter von der Gehäuseboden- platte beabstandet ist; und eine Schicht aus komprimierbarem Material, die zwischen dem ballistischen Schild und dem Batteriepackgehäuse angeordnet ist. Die Schicht aus komprimierbarem Material kann aus Schaumstoff oder Kunststoff hergestellt werden. Die Schicht kann z.B. mit einer Vielzahl von Vorsprüngen und einer Vielzahl von Vertiefungen geformt werden; genannt wird z.B. ein Urethanschaum. Die ballisti- sehe Abschirmung kann aus Aluminium, einer Aluminiumlegierung, Stahl, Glasfaser, einem Kohlefaser-Epoxid-Verbundwerkstoff und/oder Kunststoff hergestellt werden. Mit dem Schutzsystem soll das Batteriepackgehäuse vollständig in das Fahrzeug in- tegriert werden: Gleichzeitig soll das Batteriepack vor versehentlicher Beschädigung geschützt werden und die Auswirkungen des Batteriepakets auf den Komfort und die Sicherheit der Fahrzeuginsassen minimiert werden.
Das Gebrauchsmuster DE 20 2015 106 607 U1 beschriebt, dass die Batterie eines Elektrofahrzeugs während eines Stoßes des Fahrzeugs; d.h. während einer Fahr- zeug-Fahrzeug-Kollision, einer Beschädigung unterworfen werden kann. Es wird auch beschrieben, dass die Batterie an einem geeigneten Ort untergebracht werden muss, der die Exposition der Batterie während Fahrzeugstößen begrenzt. Vorge- schlagen wird unter andere eine Batteriestütze, die ein Gehäuse mit einem Boden und einer sich vom Boden erstreckenden Seite enthält. Das Gehäuse ist an einer in- neren Oberfläche konfiguriert zur Aufnahme der Batterie für das Elektrofahrzeug. Die Batteriestütze enthält einen verformbaren Energieabsorber, der ein sich wiederholen- des Muster hexagonaler Zellen, die mosaikartig in einer Wabenstruktur angeordnet sind, definiert. Es wird vorgeschlagen, dass Material der Zellen, Geometrie der Zel- len, Zellwanddicke und Seitenlängen der Zellen je nach zu erwartender Last aufei- nander abgestimmt werden können. Zellen und Gehäuse können z.B. aus Aluminium sein, wobei insbesondere die Aluminiumlegierung 6111 -T4 vorgeschlagen wird.
Der vorliegenden Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, einen sich beim Laden und/oder Entladen erwärmenden Energiespeicher vor Beschädigung durch ein- wirkende Kräfte, etwa bei Steinschlag oder beim Aufprall eines Fahrzeugs zu schüt- zen und gleichzeitig seine Lebensdauer zu erhöhen.
Diese Aufgabe wird gelöst durch die Verwendung eines Verbundmaterials umfas- send Fasern und Graphitfolie zum Schutz eines sich beim Laden und/oder Entladen erwärmenden Energiespeichers, z.B. des sich beim Laden und/oder Entladen erwär- menden Energiespeichers eines Fahrzeugs.
Es kann sich um einen stationären Energiespeicher, z.B. um eine stationäre Batterie oder um einen mobilen Energiespeicher, z.B. um eine mobile Batterie, handeln. Un- ter Batterien werden im Zusammenhang mit dieser Erfindung aufladbare Batterien verstanden.
Auch bei stationären Energiespeichern, die oft erheblich größer sind, als mobile
Energiespeicher, ist der Schutz vor Beschädigung durch einwirkende Kräfte, beson- ders wichtig. Durch solche Energiespeicher können bei Beschädigung große Ener- giemengen freigesetzt werden. Entsprechend hoch sind die Risiken für Menschen in der Umgebung. Dies gilt für stationäre Batterien in großen Gebäuden, die etwa im Falle von Erdbeben nicht durch herunterstürzende Gebäudeteile beschädigt werden dürfen. Ähnliches gilt für stationäre Batterien an Orten, an denen deren Beschädi- gung durch Unfälle mit Luft-, Schienen- oder Straßenfahrzeuge droht. Gerade hier kommt es darauf an, eine Beschädigung des Energiespeichers durch einwirkende Kräfte zu verringern und durch eine Verbesserung der passiven Kühlfähigkeit zugleich die lange Lebensdauer zu erreichen.
Bei dem Energiespeicher handelt es sich bevorzugt um einen sich beim Laden und/oder Entladen erwärmenden Energiespeichers eines Fahrzeugs, insbesondere um einen sich beim Laden und/oder Entladen mit elektrischem Strom erwärmenden Energiespeicher eines Fahrzeugs. Vorzugsweise treibt der Energiespeicher min- destens einen dem Antrieb des Fahrzeugs dienenden Elektromotor an. Dann kom- men die Vorteile der Erfindung besonders zum Tragen. Es wurde gefunden, dass so- wohl die geringe Masse des erfindungsgemäßen Verbundmaterials, als auch die passive Kühlfähigkeit letztlich zu einer Steigerung der Reichweite des Fahrzeugs beitragen. Die verringerte Masse wirkt sich unmittelbar auf den Energieverbrauch aus. Die verbesserte passive Kühlung verringert den Bedarf energieaufwändiger aktiver Kühlung des Energiespeichers, so dass ein höherer Anteil der im
Energiespeicher gespeicherten Energie zum Antrieb des Fahrzeugs verwendet werden kann. Gleichzeitig erhöht sich die Lebensdauer des Energiespeichers. Die Lebensdauer erhöht sich insbesondere wenn es sich bei dem Energiespeicher um eine Batterie handelt. Batterien und insbesondere Lithium ionenbatterien altern bei erhöhten Temperaturen schneller. Es wird vermutet, dass das erfindungsgemäße Verbundmaterial Temperaturspitzen ausgleicht und dadurch die Lebensdauer der Batteriezellen steigt. Somit lässt sich das mit dem Energiespeicher betriebene Fahrzeug insgesamt besonders effizient antreiben. Das Fahrzeug ist vorzugsweise ein Landfahrzeug (z.B. eine HEV oder BEV) oder ein Luftfahrzeug.
Die Erfindung betrifft auch einen Energiespeicher für ein Fahrzeug, der sich beim La- den und/oder Entladen erwärmt und mindestens teilweise von einem Verbundmate- rial umgeben ist, wobei das Verbundmaterial Fasern und Graphitfolie umfasst. Ein weiterer erfindungsgemäßer Gegenstand ist ein Fahrzeug aufweisend einen Energiespeicher, der sich beim Laden und/oder Entladen erwärmt, wobei der Ener- giespeicher mindestens teilweise von einem Verbundmaterial umgeben ist und das Verbundmaterial Fasern und Graphitfolie umfasst.
Typischerweise ist das Verbundmaterial flächig. Es weist vorzugsweise zwei Haupt- flächen auf, wobei eine der Hauptflächen dem Energiespeicher zugewandt ist und die andere Hauptfläche vom Energiespeicher abgewandt.
Im erfindungsgemäßen Fahrzeug kann ein Teil der vom Energiespeicher abgewand- ten Hauptfläche oder die gesamte, vom Energiespeicher abgewandte Hauptfläche, dem Untergrund, auf dem sich das Fahrzeug befindet, etwa einer Straße, zugewandt sein. Dies schützt den Energiespeicher vor mechanischer Beschädigung von unten, etwa vor Steinschlag.
Im erfindungsgemäßen Fahrzeug kann ein Teil der vom Energiespeicher abgewand- ten Hauptfläche oder die gesamte, vom Energiespeicher abgewandte Hauptfläche, der Front des Fahrzeugs und/oder dem Heck des Fahrzeugs zugewandt sein. Dies schützt den Energiespeicher insbesondere bei Auffahrunfällen, bei denen das Fahr- zeug mit der Front oder dem Heck auf einen Gegenstand, z.B. ein anderes Fahr- zeug, auffährt.
Im erfindungsgemäßen Fahrzeug kann ein Teil der vom Energiespeicher abgewand- ten Hauptfläche oder die gesamte, vom Energiespeicher abgewandte Hauptfläche, der Fahrerseite oder der Beifahrerseite des Fahrzeugs zugewandt sein. Dies schützt den Energiespeicher insbesondere bei Auffahrunfällen, bei denen ein anderes Fahr- zeug auf eine der Seiten des erfindungsgemäßen Fahrzeugs aufprallt. Zum Schutz des Energiespeichers können mehrere Verbundmaterialien verwendet werden, wobei erfindungsgemäß mindestens eines der Verbundmaterialien Fasern und Graphitfolie umfasst. Beispielsweise können im wesentlichen ebene Verbundma- terialien auf unterschiedlichen Seiten des Energiespeichers angeordnet sein, z.B. un- terhalb des Energiespeichers, vorn am Energiespeicher, hinten am Energiespeicher und/oder an einer oder beiden Seiten des Energiespeichers.
Alternativ kann das Verbundmaterial sich so um den Energiespeicher herum er- strecken, dass es sich zugleich in einen Bereich unterhalb des Energiespeichers und in mindestens einen Bereich vorn am Energiespeicher und/oder hinten am Energie- speicher erstreckt; oder dass es sich zugleich in einen Bereich unterhalb des Ener- giespeichers und in mindestens einen Bereich an einer oder beiden Seiten des Ener- giespeichers erstreckt. Hierzu muss das Verbundmaterial mindestens einen Knick o- der eine Biegung aufweisen. Erfindungsgemäß bevorzugt weist das Verbundmaterial mindestens einen Knick oder eine Biegung auf.
Die Angaben„unterhalb“,„vorn“,„hinten“,„an einer oder beiden Seiten des Energie- speichers“ beziehen sich auf die Ausrichtung des Energiespeichers, wenn dieser be- stimmungsgemäß im Fahrzeug verbaut wird „vorn“ bezeichnet also die der Front des Fahrzeugs zugewandte Seite des bestimmungsgemäß im Fahrzeug verbauten Ener- giespeichers und„hinten“ die dem Heck des Fahrzeugs zugewandte Seite des be- stimmungsgemäß im Fahrzeug verbauten Energiespeichers.
Vorzugweise ist mindestens ein Teil des Verbundmaterials in Fahrtrichtung vor oder hinter dem elektrischen Energiespeicher angeordnet oder unter dem elektrischen Energiespeicher angeordnet.
Im Allgemeinen ist das Verbundmaterial nahe am Energiespeicher angeordnet. Es kann z.B. an der Oberfläche des Energiespeichers anliegen. Jeder Punkt der dem Energiespeicher zugewandten Hauptfläche des Verbundmaterials hat einen be- stimmten Abstand d zum Energiespeicher. Vorzugsweise gilt für jeden Punkt der dem Energiespeicher zugewandten Hauptfläche: wobei n für 3; insbesondere für 2; vorzugsweise für 1 ,5; besonders bevorzugt für 1 steht; und
A die Oberfläche der dem Energiespeicher zugewandten Hauptfläche des Ver- bundmaterials ist.
Dadurch wird sichergestellt, dass sich das Verbundmaterial nahe am Energiespei- cher befindet. Dies verringert das Risiko einer Beschädigung des Energiespeichers durch zwischen Verbundmaterial und Energiespeicher gelangende Fahrzeugteile bei Unfällen oder durch zwischen Verbundmaterial und Energiespeicher gelangende Steine bei Steinschlag. Denn der Raum zwischen Energiespeicher und Verbundma- terial ist durch dieses Merkmal begrenzt.
In bestimmten Ausführungsformen gilt für jeden Punkt der dem Energiespeicher zu- gewandten Hauptfläche: d > m L[A wobei m für 0,005; insbesondere für 0,01 ; vorzugsweise für 0,02; besonders bevorzugt für 0,05 und ganz besonders bevorzugt für 0,1 steht; und
A die Oberfläche der dem Energiespeicher zugewandten Hauptfläche des Ver- bundmaterials ist.
Dadurch wird sichergestellt, dass das Verbundmaterial einen definierten Abstand zum Energiespeicher einhält. Dies verringert das Risiko einer unerwünschten elektrischen Aufladung der Graphitfolie des Verbundmaterials durch den Energie- speicher und gewährleistet, dass zwischen Verbundmaterial und Energiespeicher überall ausreichend Platz für einen Wärmeleiter besteht. Letztlich wird dadurch die Betriebssicherheit erhöht, insbesondere das Risiko eines Stromschlags bei zu einem Unfallort gelangenden Personen, die in Kontakt mit dem Verbundmaterial geraten können.
Erfindungsgemäß umfasst das Verbundmaterial Fasern und Graphitfolie.
Graphitfolien lassen sich bekanntermaßen dadurch hersteilen, dass man Graphit mit bestimmten Säuren behandelt, wobei sich ein Graphitsalz bildet, mit zwischen Gra- phenschichten eingelagerten Säure-Anionen. Das Graphitsalz wird anschließend ex- pandiert, indem man es hohen Temperaturen von z.B. 800 °C aussetzt. Das bei der Expansion erhaltene Graphitexpandat wird anschließend zur Graphitfolie verpresst. Ein Verfahren zur Herstellung von Graphitfolien ist z.B. in der EP 1 120 378 B1 be- schrieben.
Grundsätzlich können erfindungsgemäß beliebige Fasern eingesetzt werden. Es sind keine Fasern bekannt, die sich mit Graphitfolie nicht zu einem Verbundmaterial ver- arbeiten lassen. Jedoch ist es allgemein bevorzugt, besonders feste Fasern einzu- setzen. Beispielsweise haben die Fasern eine Festigkeit von mehr als 600 MPa, ins- besondere mehr als 1200 MPa, vorzugsweise mehr als 1500 MPa, besonders bevor- zugt mehr als 2000 MPa. Die Festigkeit ist die Zugfestigkeit. Sie kann mit Messver- fahren bestimmt werden, die dem Fachmann wohlbekannt sind. Der Einsatz beson- ders fester Fasern bietet den Vorteil, dass sich schon mit geringem Faserflächenge- wicht, also z.B. mit besonders dünnen Faserschichten ein sehr hoher Schutz des Energiespeichers gegenüber unerwünschten mechanischen Einwirkungen, wie ein- dringen Fahrzeugteile bei Unfällen oder Steinen bei Steinschlag erzielen lässt. Die Fasern können z.B. Carbonfasern, Aramidfasern und/oder Glasfasern umfassen. Carbonfasern sind besonders bevorzugt. Alternativ können die Fasern auch
Naturfasern umfassen, z.B. Flanffasern oder Flachsfasern. Die Graphitfolie und die Fasern können in eine Schicht des Verbundmaterials einge- arbeitet sein.
Im Allgemeinen ist das Verbundmaterial jedoch ein Schichtverbundmaterial, das eine Faserschicht und eine Graphitfolienschicht umfasst. Vorzugsweise sind dann die Fa- sern in der Faserschicht angeordnet und die Graphitfolie ist in der Graphitfolien- schicht angeordnet. Schichtverbundmaterialien sind erfindungsgemäß bevorzugte Verbundmaterialien, da sie sich in besonders einfacher Weise dadurch hersteilen lassen, dass man eine Graphitfolie auf einer Faserschicht anbringt, z.B. anklebt. Die Dicke der Faserschicht kann z.B. 0,5 bis 5 mm, vorzugsweise 0,8 bis 4 mm, beson- ders bevorzugt 1 bis 3 mm betragen.
In einer Ausführungsform sind die Fasern, z.B. die Faserschicht, mit einem Flarz an die Graphitfolie, z.B. an die Graphitfolienschicht, gebunden. Das Flarz kann z.B. aus- gewählt sein unter Thermoplasten und Duroplasten wie Epoxidharzen und Phenol- harzen. Vorzugsweise ist das Flarz ein Epoxidharz. Als Flarze eignen sich darüber hinaus unter anderem auch ungesättigte Polyester, Bismaleinimide, Polyimide, Cya- natester, Polyphenylene, Polysulfone, Polyethersulfone, Polyphenylensulfide, Po- lyetherketone, Polybenzimidazole, Polayamide und Polyetherimide.
Die Faserschicht kann ein Faserverbund von Fasern, z.B. Carbonfasern und Harz- matrix sein, worin die Fasern im Wesentlichen vollständig vom Flarz umschlossen sind. Als Flarzmatrix geeignete Matrixpolymere sind in dem Buch„Carbonfasern und ihre Verbundwerkstoffe, Fierstellungsprozesse, Anwendungen und Marktent- wicklung“, Verlag Moderne Industrie GmbFI, ISBN 978-3-86236-001 -7 ab Seite 28 beschrieben. In einer Ausführungsform ist das Flarz der Flarzmatrix das Flarz, mit dem die Faser- schicht an die Graphitfolie gebunden ist. Dies ist bevorzugt, da sich der Schichtver- bund dann durch Aufbringung eines Prepregs auf die Graphitfolie in besonders einfa- cher Weise hersteilen lässt. Jedoch kann das Flarz der Flarzmatrix auch von dem Flarz, mit dem die Faserschicht an die Graphitfolie gebunden ist, verschieden sein.
Die Fasern können im Wesentlichen parallel zueinander oder in unterschiedlichen Richtungen verlaufen. Die Faserschicht kann ein Fasergestrick, ein Fasergelege o- der ein Fasergewebe, z.B. ein Carbonfasergestrick, Carbonfasergelege oder ein Car- bonfasergewebe umfassen. Bei dem Gelege kann es sich um ein biaxiales Gelege oder um ein multiaxiales Gelege handeln.
Bevorzugte Faserverbunde sind in dem Buch„Carbonfasern und ihre Verbundwerk- stoffe, Fierstellungsprozesse, Anwendungen und Marktentwicklung“, Verlag Moderne Industrie GmbFI, ISBN 978-3-86236-001 -7 ab Seite 35 beschrieben. Bei dem Faser- verbund kann es sich also um einen carbonfaserverstärkten Kunststoff (CFK) han- deln. In dem zitierten Buch ist ab Seite 35 auch die Fierstellung von CFK beschrie- ben. Die darin beschrieben Flerstellungs- und Formgebungsverfahren können heran- gezogen werden, um ein CFK in die für den erfindungsgemäßen Schutz des Energie- Speichers gewünschte Form zu bringen. Eine oder mehrere Graphitfolienschichten können vor oder nach einer gegebenenfalls erforderlichen Flärtung des in die ge- wünschte Form gebrachten CFK aufgebracht werden, um das Schichtverbundmate- rial, das die Faserschicht und die Graphitfolienschicht umfasst, zu erhalten.
In bestimmten, erfindungsgemäßen, Schichtverbundmaterialien sind die Fasern in ei- nem Teil der Fläche des Schichtverbundmaterials im Wesentlichen vollständig vom Flarz umschlossen und in einem anderen Teil der Fläche des Schichtverbundmateri- als nur über die Oberfläche der Faserschicht an der Graphitfolie angebracht. Das Schichtverbundmaterial umfasst eine Faserschicht und eine Graphitfolien- schicht. Im Allgemeinen ist die Graphitfolienschicht dem Energiespeicher zugewandt und die Faserschicht vom Energiespeicher abgewandt. Dies steigert die passive Kühlfähigkeit, da Wärme dann vom Energiespeicher ungehindert in die Graphitfolie gelangt.
Das Schichtverbundmaterial kann weitere Schichten umfassen, z.B. eine weitere Fa- serschicht auf der dem Energiespeicher zugewandten Seite der Graphitfolienschicht. Die weitere Faserschicht ist bevorzugt sehr dünn, z.B. 0,02 bis 3 mm dick, vorzugs- weise 0,05 bis 2 mm dick, um den Übertritt von Wärme vom Energiespeicher in die Graphitfolienschicht nicht unnötig zu erschweren. Ein Vorteil der weiteren Faser- schicht auf der dem Energiespeicher zugewandten Seite der Graphitfolienschicht be- steht in einer Steigerung der elastischen Verformbarkeit des Verbundmaterials, da die Graphitfolienschicht dann beidseitig faserarmiert ist.
Die Erfindung betrifft auch ein Schichtverbundmaterial, das z.B. zum Schutz eines Energiespeichers eingesetzt werden kann, umfassend eine Faserschicht, z.B. die hierin beschriebene Faserschicht und eine Graphitfolienschicht, z.B. eine Graphitfo- lie.
Vorzugsweise überschreitet die Dicke des Verbundmaterials, insbesondere des Schichtverbundmaterials 1 mm, bevorzugt 1 ,2 mm, besonders bevorzugt 1 ,4 mm, z.B. 1 ,6 mm. Dies gilt mindestens für einen Bereich des Schichtverbundmaterials. Es zeigte sich, dass ein hinreichender Schutz mit dünneren Schichtverbundmaterialien meist nicht erreicht werden kann, weil das Schichtverbundmaterial in typischen Anwendungsfällen bestimmte, meist recht große Abstände zwischen
Befestigungspunkten überbrücken muss, die zwischen Batteriemodulen angeordnet sind. Ein hinreichender Schutz gegen mechanische Einwirkungen muss über die gesamte überspannte Weite gewährleistet werden. Die hier angegebene Dicke ist die Gesamtdicke aller vom Verbund ggf. umfasster Graphitfolienschichten und
Faserschichten und ggf. zwischen diesen Schichten liegender weiterer Schichten. Diese sind für die Stabilität maßgeblich. Vorzugsweise überschreitet sie 10 mm nicht, da dies zu kaum akzeptablen Flächengewichten führen würde. Die Dicke kann mit einer Schieblehre oder einer Mikrometerschraube gemessen werden. Wenn nötig kann hierzu eine Probe aus dem Schichtverbundmaterial herausgeschnitten werden. Die Dicke der Graphitfolienschicht beträgt dabei vorzugsweise mehr als 0,55 mm, besonders bevorzugt mehr als 0,60 mm, insbesondere mehr als 0,70 mm, ganz besonders bevorzugt mehr als 0,85, äußerst bevorzugt mehr als 1 ,0 mm, z.B. mehr als 1 ,1 mm.
Da die Befestigungspunkte häufig weit voneinander entfernt sind, beträgt die Fläche des Schichtverbundmaterials vorzugsweise mehr als 0,1 m2, besonders bevorzugt mehr als 0,25 m2, insbesondere mehr als 0,4 m2 Die hier angegebene Fläche bezieht sich auf eine der beiden Seiten des Schichtverbundmaterials. Sie lässt sich mit Hilfe eines Maßbandes und einfachen Berechnungen leicht ermitteln. Dies ist vorteilhaft, da dann auch mit wenigen Befestigungspunkten großflächige
Batteriemodule flächig durchgehend geschützt werden können. Dies vereinfacht auch die Montage und steigert die Fertigungseffizienz. Bei komplexer geformten Schichtverbundmaterialien mit Biegungen und/oder Knicken lässt sich die Fläche aus einem 3D Scan des Schichtverbundmaterials berechnen. Die Fläche, die von gegebenenfalls vorhandenen Öffnungen des Schichtverbundmaterial eingenommen wird, wird in die Fläche des Schichtverbundmaterials mit eingerechnet. Die
Öffnungen führen von einer Seite zur anderen Seite des Schichtverbundmaterials hindurch und dienen zur Befestigung des Schichtverbundmaterials an
Befestigungspunkten.
Ein besonders bevorzugtes Schichtverbundmaterial umfasst eine weitere
Faserschicht auf der anderen Seite der Graphitfolienschicht. Bei einem
erfindungsgemäßen Schichtverbundmaterial ist die Graphitfolienschicht also zwischen zwei Faserschichten angeordnet. Die Dicke würde hier also gemessen von einer der Graphitfolienschicht abgewandten Oberfläche der einen Faserschicht zu einer der Graphitfolienschicht abgewandten Oberfläche der anderen Faserschicht. Mindestens eine der Faserschichten ist bevorzugt ein Faserverbund. Es ist besonders bevorzugt, wenn beide Faserschichten, zwischen denen die
Graphitfolienschicht angeordnet ist, Faserverbunde sind.
Weiterhin ist es bevorzugt, wenn mindestens ein Faserverbund ein
carbonfaserverstärkter Kunststoff (CFK) ist. Vorzugsweise sind beide
Faserverbunde, zwischen denen die Graphitfolienschicht angeordnet ist,
carbonfaserverstärkte Kunststoffe.
Erfindungsgemäß ganz besonders bevorzugt ist demzufolge ein
Schichtverbundmaterial, bei dem die Graphitfolienschicht zwischen zwei
carbonfaserverstärkten Kunststoffschichten angeordnet ist und bei dem die Dicke des Schichtverbundmaterials 1 mm, bevorzugt 1 ,2 mm, besonders bevorzugt 1 ,4 mm, z.B. 1 ,6 mm mindestens in einem Bereich des Schichtverbundmaterials überschreitet. Dies bewirkt, dass die Steifigkeit des Schichtverbundmaterials erhöht wird. Darüber hinaus wird die Wärmeverteilung homogenisiert, was thermischen Spannungen vorbeugt. Dadurch wird nicht nur die Langlebigkeit der Batterie, sondern auch die des Schichtverbunds gesteigert.
Die Graphitfolienschicht kann mehrere Öffnungen aufweisen, die durch die Gra- phitfolienschicht hindurchreichen.
Vorzugsweise weist die Graphitfolienschicht eine Vielzahl an Öffnungen auf. Die An- Ordnung der Öffnungen definiert vorzugsweise ein sich wiederholendes Muster von Öffnungen und sich zwischen den Öffnungen befindlichen Graphitfolienschichtab- schnitten. Vorzugsweise liegen die Mittelpunkte der Öffnungen auf mehreren Geraden. Vorzugsweise lassen sich diese Geraden in mehrere Gruppen je parallel zueinander verlaufender Geraden aufteilen. So können z.B. drei Gruppen je parallel zueinander verlaufender Geraden vorliegen. Dabei schneidet jede Gerade einer Gruppe jede Gerade jeder anderen Gruppe in einem Winkel von 50 bis 70°, vorzugsweise 55° bis 65°, z.B. 60°.
In dem sich wiederholenden Muster liegt das Verhältnis der von den Öffnungen ein- genommenen Fläche zur Grundfläche der Graphitfolienschicht vorzugsweise im Be- reich von 0,01 bis 0,98, besonders bevorzugt im Bereich von 0,05 bis 0,90; ganz be- sonders bevorzugt im Bereich von 0,10 bis 0,85. Unter der Grundfläche der Graphit- folienschicht wird die Fläche verstanden, die in dem sich wiederholenden Muster von den Öffnungen und den sich zwischen den Öffnungen befindlichen Graphitfolien- Schichtabschnitten insgesamt eingenommen wird. Sie entspricht also der Fläche einer Seite der Graphitfolienschicht, bevor die Öffnungen eingebracht werden. Das Verhältnis der von den Öffnungen eingenommenen Fläche zur Grundfläche der Graphitfolienschicht sollte klein sein, wenn eine hohe Wärmeleitfähigkeit in der Graphitfolienschicht gewünscht ist. Andererseits lässt sich durch eine Steigerung des Verhältnisses das Flächengewicht des Verbundmaterials verringern. Insbesondere wenn das Verhältnis der von den Öffnungen eingenommenen Fläche zur
Grundfläche der Graphitfolienschicht groß ist, erfüllt die Graphitfolienschicht im Schichtverbund eine ähnlich versteifende Wirkung wie eine aus Papier oder
Aluminium gebildete Floneycomb-Schicht, wie sie z.B. in der DE 20 2015 106 607 U1 gezeigt ist. Da Graphitfolien außerdem kompressibel sind, wird im Vergleich zur Versteifung mit konventionellen Honeycomb-Schichten jedoch eine höhere Duktilität erreicht. Außerdem ist die Wärmeleitfähigkeit in der Ebene hoch, da Graphitfolien Wärme in der Ebene hervorragend leiten. Beide Effekte sind gerade im
Zusammenhang mit dem Schutz eines sich beim Laden und/oder Entladen erwärmenden Energiespeichers eines Fahrzeugs von entscheidendem Vorteil. Das Risiko mechanische Schäden wird durch ein Nachgeben des duktilen
Schichtverbunds verringert, bei gleichzeitig hoher passiver Kühlfähigkeit.
Die Öffnungen können jede beliebige Form haben. Sie können z.B. dreieckig, vier- eckig, fünfeckig, sechseckig, rund oder oval sein. In bevorzugten Ausführungsformen sind die Öffnungen rund. Runde Öffnungen lassen sich besonders leicht durch stan- zen einbringen, was eine besonders effiziente Herstellung des Schichtverbunds be- günstigt. Die Fläche jeder einzelnen Öffnung kann z.B. im Bereich von 0,1 mm2 bis 400 mm2, vorzugsweise im Bereich von 0,2 mm2 bis 100 mm2 liegen.
In einem erfindungsgemäßen Schichtverbundmaterial ist zumindest ein Teil der Öff nungen mindestens teilweise mit Harz gefüllt. Dies bietet den Vorteil einer weiteren Stabilisierung des Schichtverbundmaterials, da sich durch die Öffnungen hindurch eine auf einer Seite der Graphitfolie befindliche Schicht direkt mit einer auf der ande- ren Seite der Graphitfolie befindlichen Schicht verbinden lässt. So wird beispiels- weise die Faserlage direkt mit der optionalen weiteren Faserlage verbunden.
Die verwendeten Carbonfasern können unterschiedlich große Zahlen an Einzelfila- menten enthalten. Beispielsweise von 1000 (1 k Fasern) bis 320 000 Einzelfilamenten (320k Fasern). Vorzugsweise haben die Carbonfasern 1000 (1 k Fasern) bis 10 0000 Einzelfilamente (10k Fasern), z.B. etwa 3 000 Einzelfilamente (3k Fasern).
Erfindungsgemäß dient das Verbundmaterial zum Schutz eines sich beim Laden und/oder Entladen erwärmenden Energiespeichers. Insbesondere dient das Ver- bundmaterial zum Schutz des Energiespeichers vor mechanischen Schäden und vor Überhitzung.
Soweit eines oder mehrere hierin beschriebenen Merkmale im Zusammenhang mit dem erfindungsgemäßen Schichtverbundmaterial angegeben sind, beziehen sie sich selbstverständlich auch auf die erfindungsgemäßen Verwendungen des
Schichtverbundmaterials.
Vorzugsweise ist der Energiespeicher unter Batterien und Kondensatoren ausge- wählt, insbesondere unter Batterien. Die Batterie ist z.B. eine Lithiumionenbatterie. Unter einer Lithiumionenbatterie wird eine Batterie verstanden, bei der eine Elektro- nenabgabe von Li unter Bildung von Li+-lonen zur Bereitstellung des nutzbaren elektrischen Stroms beiträgt. Solche Batterien erwärmen sich beim Laden und Entla- den.
Das Verbundmaterial entfaltet die gewünschte Wirkung, wenn die vom Energiespei- cher abgestrahlte Wärme vom Verbundmaterial aufgenommen und darin insbeson- dere über die Graphitfolie abgeführt wird.
Vorzugsweise steht die Graphitfolie jedoch in thermischem Kontakt mit dem Energie- speicher. Hierzu ist ein Wärmeleitpfad zwischen Energiespeicher und Graphitfolie ausgebildet. Der Wärmeleitpfad kann wärmeleitende Feststoffe und/oder Flüssigkei ten umfassen.
Der thermische Kontakt mit dem Energiespeicher besteht beispielsweise, indem die Graphitfolie mit einem Teil des Wärmeleitpfads in Kontakt steht und ein anderer Teil des Wärmeleitpfads mit dem Energiespeicher, z.B. mit einer
Energiespeicherungszelle des Energiespeichers thermisch in Kontakt steht. Der Wär- meleitpfad kann z.B. durch eine zwischen dem Energiespeicher und der Graphitfolie umgewälzte Kühlflüssigkeit gebildet sein oder durch ein festes Wärmeleitelement, z.B. durch eine Wärmeleitplatte, wobei ein Teil der Wärmeleitplatte in Kontakt mit dem Verbundmaterial, z.B. in Kontakt mit der Graphitfolie, steht und ein anderer Teil der Wärmeleitplatte in Kontakt mit dem Energiespeicher, z.B. mit einer Zelle einer Batterie, steht.
Erfindungsgemäß können beispielsweise wesentliche Teile der in US 8,852,794 B2 und DE 10 2010 048 102 A1 beschriebenen Batteriegehäuse, des im US Patent Nr. 8,393,427 beschriebene Batteriepackgehäuses oder der in DE 20 2015 106 607 U1 beschriebenen Batteriestütze, aus einem hierin beschriebenen Verbundmaterial be- stehen. Weitere Besonderheiten und Vorzüge der Erfindung ergeben sich aus der folgenden Beschreibung von Ausführungsbeispielen anhand der Zeichnungen.
Fig. 1 zeigt ein Fahrzeug aufweisend einen mindestens teilweise von
Verbundmaterial umgebenen Energiespeicher.
Fig. 2A zeigt einen Ausschnitt des Verbundmaterials aus Fig. 1 , betrachtet von der dem Energiespeicher zugewandten Seite.
Fig. 2B zeigt eine Seitenansicht des Verbundmaterials aus Fig. 1.
Figur 1 zeigt ein Fahrzeug 1 mit einem Energiespeicher, bei dem es sich um eine Lithiumionenbatterie 2 handelt. Die Lithiumionenbatterie 2 ist teilweise von einem Verbundmaterial 10 umgeben. Im hier gezeigten Beispiel erstreckt sich das
Verbundmaterial so um den Energiespeicher herum, dass es sich zugleich in einen Bereich unterhalb des Energiespeichers, in einen Bereich vorn am Energiespeicher und in einen Bereich hinten am Energiespeicher erstreckt. Graphitfolie des
Verbundmaterials steht über ein Wärmeleitblech 21 in thermischem Kontakt mit der Lithiumionenbatterie.
Figur 2A zeigt einen Ausschnitt 11 des Verbundmaterials aus Figur 1 , betrachtet von der dem Energiespeicher zugewandten Seite. Figur 2B zeigt denselben Ausschnitt 11 in einer Seitenansicht. Bei dem Verbundmaterial handelt es sich um ein erfin- dungsgemäßes Schichtverbundmaterial umfassend eine Faserschicht 16 und eine Graphitfolienschicht 12, wobei die Graphitfolienschicht mehrere runde Öffnungen aufweist. Eine der Öffnungen ist mit dem Bezugszeichen 13 gekennzeichnet. Die Öff nungen reichen durch die Graphitfolienschicht hindurch, so dass die Faserschicht 16 in Figur 2A durch die Öffnungen zu sehen ist.

Claims

Patentansprüche
1. Verwendung eines Verbundmaterials umfassend Fasern und Graphitfolie zum Schutz eines sich beim Laden und/oder Entladen erwärmenden Energiespeichers, z.B. des sich beim Laden und/oder Entladen erwärmenden Energiespeichers eines Fahrzeugs.
2. Verwendung nach Anspruch 1 , wobei das Verbundmaterial ein Schichtver- bundmaterial umfassend eine Faserschicht und eine Graphitfolienschicht ist, die Fa- sern in der Faserschicht angeordnet sind und die Graphitfolie in der Graphitfolien- schicht angeordnet ist.
3. Verwendung nach Anspruch 1 oder 2, wobei die Graphitfolie in thermischem Kontakt mit dem Energiespeicher steht.
4. Verwendung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei der Energie- speicher unter Batterien, z.B. Lithiumionenbatterien, und Kondensatoren ausgewählt ist.
5. Verwendung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die Fasern mit einem Harz an die Graphitfolie gebunden sind.
6. Verwendung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die Fasern eine Festigkeit von mehr als 1500 MPa haben und z.B. Carbonfasern, Aramidfasern und/oder Glasfasern umfassen.
7. Verwendung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei mindestens ein Teil des Verbundmaterials in Fahrtrichtung vor oder hinter dem elektrischen Ener- giespeicher angeordnet ist oder unter dem elektrischen Energiespeicher angeordnet ist.
8. Schichtverbundmaterial, umfassend eine Faserschicht und eine Graphitfolien- schicht.
9. Schichtverbundmaterial nach Anspruch 8, dessen Dicke in wenigstens einem Bereich des Schichtverbundmaterials 1 mm überschreitet.
10. Schichtverbundmaterial nach Anspruch 8 oder 9, umfassend eine weitere Faserschicht auf der anderen Seite der Graphitfolienschicht.
11. Schichtverbundmaterial nach Anspruch 8, 9 oder 10, wobei mindestens eine der Faserschichten ein Faserverbund ist.
12. Schichtverbundmaterial nach Anspruch 11 , wobei mindestens ein
Faserverbund ein carbonfaserverstärkter Kunststoff ist.
13. Schichtverbundmaterial nach Anspruch 8, 9, 10, 11 oder 12, wobei die
Graphitfolienschicht mehrere Öffnungen aufweist, die durch die Graphitfolienschicht hindurchreichen.
14. Energiespeicher für ein Fahrzeug, der sich beim Laden und/oder Entladen er- wärmt und mindestens teilweise von einem Verbundmaterial umgeben ist, wobei das Verbundmaterial Fasern und Graphitfolie umfasst.
15. Fahrzeug aufweisend einen mindestens teilweise von einem Verbundmaterial umgebenen Energiespeicher nach Anspruch 14, wobei das Verbundmaterial z.B. ein Schichtverbundmaterial nach einem der Ansprüche 8 bis 13 ist.
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