WO2013068165A1 - Batteriegehäuse aus faserverstärktem kunst - Google Patents

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WO2013068165A1 PCT/EP2012/068348 EP2012068348W WO2013068165A1 WO 2013068165 A1 WO2013068165 A1 WO 2013068165A1 EP 2012068348 W EP2012068348 W EP 2012068348W WO 2013068165 A1 WO2013068165 A1 WO 2013068165A1
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Thomas Woehrle
Joachim Fetzer
Holger Fink
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Robert Bosch Gmbh
Samsung Sdi Co., Ltd.
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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
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    • 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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    • 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 a battery comprising a battery case and a plurality of battery cells disposed therein. Furthermore, the invention relates to a motor vehicle having such a battery.
  • Safety standards are sufficient, in particular in case of a collision to represent no hazard.
  • Lithium-ion technology It is characterized among other things by high
  • Lithium-ion battery cells have at least one positive and one negative electrode (cathode or anode), the lithium ions (Li +) reversible on (intercalation) or outsource (deintercalation).
  • cathode or anode the lithium ions
  • electrolyte component a so-called lithium conducting salt
  • lithium conductive salt lithium hexafluorophosphate LiPF 6
  • a second practical battery system is made up of rechargeable metallic ones
  • Lithium systems a metal acts as a negative electrode, and the positive active material is based on, for example, a transition metal oxide
  • FIG. 1 shows how individual battery cells 10 can be connected by parallel or serial connection to battery modules 12 and then to batteries 14.
  • a battery module 12 or a battery 14 consist of at least two battery cells 10, the terms battery and battery module are often used interchangeably.
  • a battery housing is made of metal (eg
  • WO 2010/040520 A2 DE 102008023571 A1 and DE 10326906 A1 describe batteries with different battery housings, which in some cases also have design properties for increasing accident safety. These aim essentially at an ignition escaping electrolyte or encapsulation of single or multiple battery cells. Disclosure of the invention
  • a battery is provided. This comprises a plurality of battery cells in a battery housing. Characteristic is the battery housing made of carbon fiber reinforced plastic
  • CFRP Carbon Fiber Reinforced Plastic
  • Carbon fibers are industrially produced fibers. Especially the anisotropic fibers have outstanding mechanical strength and stiffness with very low elongation at break. These carbon fibers can also be added to plastics and, accordingly, can be
  • carbon fiber reinforced plastics have excellent mechanical properties compared to common metallic materials
  • the density of the carbon fiber reinforced composites is only about 50% of the density of aluminum and about 20% of the density of steel. They have long been used for example in racing or in aircraft technology.
  • Plastics are thermally well conductive, resulting in a uniform temperature distribution and thus longer battery life
  • the plastic matrix can be formed with different materials.
  • the plastic is a thermosetting plastic, such as
  • EP epoxy resin
  • the plastic is preferably a thermoplastic.
  • the plastic is a polyolefin such as polypropylene (PP).
  • PP polypropylene
  • PPS polyphenylene sulfide
  • the carbon fibers are introduced in the form of a fabric in the plastic, resulting in, inter alia, advantages in processing.
  • the battery cells of the battery module are arranged.
  • Lithium-ion technology enables particularly high energy storage densities to be achieved, which leads to further advantages, especially in the field of electromobility.
  • the battery cells may also be lithium metal,
  • FIG 1 interconnections of battery cells (prior art), and Figure 2 is a schematic representation of an inventive
  • FIG. 1 has already been discussed to explain the state of the art.
  • FIG. 2 schematically shows a battery 14 according to the invention.
  • this battery comprises a plurality of battery cells 10 which are electrically connected to one another in a serial and / or parallel manner in a manner not shown.
  • the battery cell housing 16 is molded from carbon fiber reinforced plastic (CFRP).
  • CFRP carbon fiber reinforced plastic
  • the battery case may also include a lid, which is connectable in a known manner with the battery case 16 and this closes.
  • the battery case 16 may have openings for a cooling fluid.
  • crash tests were carried out.
  • As a reference system were 100
  • Lithium-ion polymer cells (with soft pouch cell housing) electrically interconnected, packaged in an aluminum housing and fully charged, whereby it had a voltage of 420 volts.
  • the battery according to the invention received a battery case with otherwise unchanged components
  • Carbon fiber reinforced plastic wherein as plastic polypropylene (PP) was used.
  • PP plastic polypropylene
  • carbon fiber reinforced housing of the energy storage device according to the invention was not deformed and its battery function is not impaired.

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Abstract

Es wird eine Batterie (14) beschrieben, welche ein Batteriegehäuse (16) und eine Mehrzahl darin angeordneter Batteriezellen (10) umfasst. Kennzeichnend ist das Batteriegehäuse (16) mindestens aus kohlenstofffaserverstärktem Kunststoff (CFK) geformt. Ferner wird eine Batterie (14) und ein Kraftfahrzeug umfassend die Batterie (14) vorgeschlagen.

Description

Beschreibung Titel
BATTERIEGEHÄUSE AUS FASERVERSTÄRKTEM KUNSTSTOFF
Die vorliegende Erfindung betrifft eine Batterie, welche ein Batteriegehäuse und eine Mehrzahl darin angeordneter Batteriezellen umfasst. Ferner betrifft die Erfindung ein Kraftfahrzeug, welches eine solche Batterie besitzt.
Stand der Technik
Es zeichnet sich ab, dass in Zukunft sowohl bei stationären Anwendungen beispielsweise bei Windkraftanlagen, in Fahrzeugen, beispielsweise in Hybrid- und Elektrofahrzeugen, als auch in elektronischen Geräten, wie beispielsweise in Laptops und Mobiltelefonen, vermehrt neue Batteriesysteme zum Einsatz kommen werden, an die sehr hohe Anforderungen bezüglich Sicherheit, Zuverlässigkeit, Leistungsfähigkeit und Lebensdauer gestellt werden. Vor allem beim Einsatz in Fahrzeugen muss der Energiespeicher höchsten
Sicherheitsstandards genügen, um insbesondere im Falle einer Kollision keine Gefährdung darzustellen.
Prädestiniert für Elektrofahrzeuge ist insbesondere die
Lithium-Ionen-Technologie. Sie zeichnet sich unter anderem durch hohe
Energiedichten und eine äußerst geringe Selbstentladung aus.
Lithium-Ionen-Batteriezellen besitzen mindestens eine positive sowie eine negative Elektrode (Kathode bzw. Anode), die Lithium-Ionen (Li+) reversibel ein- (Interkalation) oder wieder auslagern (Deinterkalation). Damit die Interkalation bzw. die Deinterkalation von Lithium-Ionen stattfinden kann, ist die Anwesenheit einer Elektrolytkomponente (ein sogenanntes Lithium-Leitsalz) notwendig.
Praktisch bei allen derzeitigen Lithium-Ionen-Zellen, sowohl im Consumer- Bereich (Mobil-Telefone, MP3-Player oder Powertools) als auch im Automotiven Bereich, beispielsweise bei Hybrid-Autos (HEV für Hybrid Electric Vehicle), Plug- in-Hybrid Autos (PHEV für Pluig-in Hybrid Electric Vehicle) und Elektroautos (EV für electric vehicle), wird als Lithium-Leitsalz Lithiumhexafluorophosphat (LiPF6) eingesetzt. Ein zweites praktikables Batterie-System bilden wiederaufladbare metallische
Lithium-Systeme. Hier wirkt ein Metall als negative Elektrode und das positive Aktivmaterial basiert zum Beispiel auf einem Übergangsmetalloxid mit
Schichtstruktur wie Lithium-Kobalt-Oxid (LiCo02). Ebenso finden aber auch Nickel-Metallhydrid und Blei-Säure-Batterien im
Fahrzeugbau Verwendung.
Einzelne Batteriezellen werden zu Modulen und diese wiederum zu Batterien zusammengefasst. Figur 1 zeigt wie einzelne Batteriezellen 10 durch parallele oder serielle Verschaltung zu Batteriemodulen 12 und dann zu Batterien 14 verschaltet werden können. Dabei bestehen per Definition ein Batteriemodul 12 bzw. eine Batterie 14 aus mindestens zwei Batteriezellen 10, wobei die Begriffe Batterie und Batteriemodul oft synonym verwendet werden. Gemäß dem Stand der Technik besteht ein Batteriegehäuse aus Metall (z. B. aus
Stahl oder einer Aluminiumlegierung) oder aus Kunststoff. Bei starken mechanischen Einwirkungen, wie sie bei einer Kollision eines Fahrzeuges auftreten können, sind diese Batteriegehäuse oftmals zu instabil und werden häufig zerstört. Besonders wenn das Zellen-Gehäuse aus Metall besteht, kommt es bei Unfällen beispielsweise zu internen Kurzschlüssen in der Zelle oder auch zu externen Kurzschlüssen im Batteriesystem. Dies kann zu heftiger Erwärmung, zum Öffnen der Zellen, zur Emission von Zellkomponenten als Rauch, zu Flammenbildung oder sogar zur Explosion führen. Dies wird vor allem
beobachtet, wenn sich das Batteriesystem im vollgeladenen Zustand befindet.
Die Druckschriften DE 10157272 A1 , WO 2010/135456 A2,
WO 2010/040520 A2, DE 102008023571 A1 und DE 10326906 A1 beschreiben Batterien mit unterschiedlichen Batteriegehäusen, welche teilweise auch konstruktive Eigenschaften zur Erhöhung der Unfallsicherheit aufweisen. Diese zielen im Wesentlichen auf eine Zündhemmung austretenden Elektrolyts oder eine Kapselung einzelner oder mehrerer Batteriezellen ab. Offenbarung der Erfindung
Erfindungsgemäß wird eine Batterie zur Verfügung gestellt. Diese umfasst in einem Batteriegehäuse eine Mehrzahl an Batteriezellen. Kennzeichnend ist das Batteriegehäuse aus kohlenstofffaserverstärktem Kunststoff
(Carbon-faserverstärkter Kunststoff; CFK) geformt. Die Abkürzung CFK bezeichnet einen Faser-Kunststoff-Verbundwerkstoff, bei dem Kohlenstofffasern, meist in mehreren Lagen, als Verstärkung in eine Kunststoff-Matrix eingebettet werden.
Kohlenstofffasern sind industriell hergestellte Fasern. Gerade die anisotropen Fasern besitzen herausragende mechanische Festigkeiten und Steifheiten bei sehr geringer Bruchdehnung. Diese Kohlenstofffasern können auch Kunststoffen beigemischt werden und dementsprechend lassen sich
Kunststoff-Verbundbauteile daraus herstellen. Dies entspricht einer erheblichen Verbesserung der mechanischen Eigenschaften gegenüber herkömmlichen Kunststoff-Batteriegehäusen ohne Faserverstärkung.
Zudem besitzen kohlenstofffaserverstärkte Kunststoffe im Vergleich zu gebräuchlichen metallischen Werkstoffen hervorragende mechanische
Eigenschaften bei gleichzeitig sehr geringer Dichte. So entspricht die Dichte der kohlenstofffaserverstärkten Verbundwerkstoffe lediglich etwa 50 % der Dichte von Aluminium und rund 20 % der Dichte von Stahl. Sie werden seit längerem beispielsweise im Rennsport oder auch in der Flugzeugtechnik eingesetzt.
Die vorliegende Erfindung überträgt die bekannten Vorteile dieses Werkstoffes auf Batteriegehäuse und beseitigt so einige, aus dem Stand der Technik bekannte, sicherheitsrelevante Nachteile und zeichnet sich durch eine Reihe von weiteren Vorteilen aus:
• geringeres Gewicht des Gehäuses und somit höhere spezifische
gravimetrische Energie der Batterie verglichen mit einer Batterie mit einem Batterie-Gehäuse aus Metall
• außerordentlich gute Crasheigenschaften
• geringe Ermüdungsneigung • äußerst hohe Korrosionsbeständigkeit
• schwingungsdämpfendes Verhalten
• sehr geringe thermische Ausdehnung
• verringerte Gefahr von Eintritt von Metall in die Batteriezelle bei einem Unfall und somit erhöhte Sicherheit im Gefahrenfall
• erhöhte Sicherheit im Brandfalle, beispielsweise bei einem Crash, da kohlenstofffaserverstärkter Kunststoff äußerst schwer entflammbar ist
• freiere Formgebung bei der Herstellung
• verbesserter thermischer Übergang, da kohlenstofffaserverstärkte
Kunststoffe thermisch gut leitend sind, wodurch sich eine gleichmäßige Temperaturverteilung und somit längere Lebensdauer der Batterie ergibt
Die Kunststoff-Matrix kann dabei mit verschiedenen Materialien gebildet werden. Vorzugsweise ist der Kunststoff ein duroplastischer Kunststoff, wie
beispielsweise Epoxidharz (EP), womit sich besonders gute Ergebnisse erzielen lassen.
Gemäß einer weiteren Ausgestaltung der Erfindung ist der Kunststoff bevorzugt ein Thermoplast. Besonders bevorzugt ist der Kunststoff ein Polyolefin wie zum Beispiel Polypropylen (PP). Ferner bevorzugt dient Polyphenylensulfid (PPS) als Kunststoff. Die beiden genannten Kunststoffe besitzen ausreichende
Temperaturbeständigkeit, gute Chemikalienbeständigkeit und mechanische Stabilität.
Bevorzugt sind die Kohlenstofffasern in Form eines Gewebes in den Kunststoff eingebracht, wodurch sich unter anderem Vorteile bei der Verarbeitung ergeben.
Vorzugsweise sind die Batteriezellen des Batteriemoduls
Lithium-Ionen-Sekundärzellen. Durch die Verwendung der
Lithium-Ionen-Technologie können besonders hohe Energiespeicherdichten erzielt werden, was besonders im Bereich der Elektromobilität zu weiteren Vorteilen führt.
Ferner bevorzugt können die Batteriezellen aber auch Lithium-Metall,
Nickel-Metallhydrid-Zellen oder Blei-Säure-Zellen sein. Des Weiteren wird ein Kraftfahrzeug mit der erfindungsgemäßen Batterie zur Verfügung gestellt, wobei die Batterie in der Regel zur Speisung eines elektrischen Antriebssystems des Fahrzeuges vorgesehen ist. Vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung sind in den Unteransprüchen angegeben und in der Beschreibung beschrieben.
Zeichnungen Ausführungsbeispiele der Erfindung werden anhand der Zeichnungen und der nachfolgenden Beschreibung näher erläutert. Es zeigen:
Figur 1 Verschaltungen von Batteriezellen (Stand der Technik), und Figur 2 eine schematische Darstellung eines erfindungsgemäßen
Batteriegehäuses.
Auf Figur 1 wurde bereits zur Erläuterung des Standes der Technik eingegangen. Figur 2 zeigt schematisch eine erfindungsgemäße Batterie 14. Diese umfasst neben den Batteriepolen 18 eine Mehrzahl an Batteriezellen 10, welche auf nicht dargestellte Weise seriell und/oder parallel elektrisch miteinander verschaltet sind. Das Batteriezellengehäuse 16 ist aus kohlenfaserverstärktem Kunststoff (CFK) geformt. Selbstverständlich kann das Batteriegehäuse auch einen Deckel umfassen, welcher auf bekannte Art und Weise mit dem Batteriegehäuse 16 verbindbar ist und dieses verschließt. Ebenso kann das Batteriegehäuse 16 Öffnungen für ein Kühlfluid aufweisen.
Zur experimentellen Bestätigung der Crashsicherheit der erfindungsgemäßen Batterie wurden Crash-Versuche durchgeführt. Als Referenz-System wurden 100
Lithium-Ionen Polymer Zellen (mit weichem Pouch-Zellengehäuse) elektrisch verschaltet, in ein Aluminium-Gehäuse konfektioniert und voll geladen, wodurch es eine Spannung von 420 Volt aufwies. Die erfindungsgemäße Batterie erhielt bei ansonsten unveränderten Bauteilen ein Batteriegehäuse aus
kohlenstofffaserverstärktem Kunststoff, wobei als Kunststoff Polypropylen (PP) zum Einsatz kam. Der Versuch wurde mit einem Frontalaufprall gemäß dem Euro NCAP-Crashtest durchgeführt, wobei das Versuchsfahrzeug bei einer
Geschwindigkeit von 64 km/h und einer Überdeckung von 40 % mit einer deformierbaren Barriere kollidiert. Als Versuchsfahrzeug kam ein typischer Personenwagen zum Einsatz. Das Gehäuse des Referenz-Systems deformierte sich und es traten Kurzschlüsse und Erwärmungen auf. Das
kohlenstofffaserverstärkte Gehäuse des erfindungsgemäßen Energiespeichers wurde nicht deformiert und seine Batterie-Funktion nicht beeinträchtigt.

Claims

Ansprüche
1 . Batterie (14) umfassend ein Batteriegehäuse (16) und eine Mehrzahl darin angeordneter Batteriezellen (10), dadurch gekennzeichnet, dass das Batteriegehäuse (16) aus kohlenstofffaserverstärktem Kunststoff (CFK) geformt ist.
2. Batterie (14) nach Anspruch 1 , wobei der Kunststoff ein Duroplast ist.
3. Batterie (14) nach Anspruch 2, wobei der Duroplast Epoxidharz (EP) ist.
4. Batterie (14) nach Anspruch 1 , wobei der Kunststoff ein Thermoplast ist.
5. Batterie (14) nach Anspruch 4, wobei der Thermoplast Polyolefin ist.
6. Batterie (14) nach Anspruch 5, wobei das Polyolefin Polypropylen (PP) ist.
7. Batterie (14) nach Anspruch 4, wobei der Thermoplast Polyphenylensulfid (PPS) ist.
8. Batterie (14) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die
Batteriezellen (10) Lithium-Ionen-Zellen sind.
9. Batterie (14) nach einem der Ansprüche 1 bis 7, wobei die Batteriezellen (10) Nickel-Metallhydrid-Zellen sind.
10. Kraftfahrzeug mit einer Batterie nach einem der Ansprüche 1 bis 9.
PCT/EP2012/068348 2011-11-09 2012-09-18 Batteriegehäuse aus faserverstärktem kunst WO2013068165A1 (de)

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