WO2016139038A1 - Füllmaterial und abstandshalter bei batterien - Google Patents

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WO2016139038A1
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battery cells
cooling
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Dieter Most
Roland Reichenbacher
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Siemens Aktiengesellschaft
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Definitions

  • the invention relates to a battery, in particular a high-temperature battery, comprising a plurality of module-like electrically interconnected battery cells and a method for the production thereof.
  • a high-temperature battery operates within a temperature range between 150 ° C and 450 ° C.
  • high temperature batteries can be made using a iCl 2 or NaS.
  • Cells of high temperature batteries (T> 150 ° C and ⁇ 450 ° C) for example of a ICl 2 or NaS be nested herkömm Anlagenwei ⁇ se to compact modules of adjacent upright cells. The cells are packed as closely as possible to increase the energy density in the module. Due to the predominantly rectangular or square cross sections of the cell types used here, channels with a rectangular cross section are formed between the cells.
  • One method of cooling is the circulation of the cells with a cooling medium.
  • a necessary pressure drop for an active cooling by means of these channels is a negative in the efficiency of a high Tempe ⁇ raturbatterie system.
  • a potential cooling capacity in a flow around with a cooling medium has a positive effect on the
  • Performance in terms of charging power and discharge performance and has a positive effect on the life of the cells, since overheating during charging and, above all, during discharge can be avoided.
  • a battery into ⁇ particular a high-temperature battery, comprising a multi ⁇ plurality of modular manner together electrically interconnected battery cells and a method for their preparation to provide such loading riding in that an electrical insulation on simp ⁇ che manner effectively and can be provided inexpensively. Furthermore, a conventional amount of a USAGE ⁇ Deten coolant is to be effectively reduced. Its volume expansion should thus be effectively reduced. Battery ⁇ cells should be easy to fix and the battery should be able to absorb larger forces and pressures compared to the prior art, without being destroyed.
  • a battery in particular a high-temperature battery, it is proposed that has a multi ⁇ plurality of modular manner together electrically interconnected battery cells, a respective module has a Stock ⁇ acquisition vessel in which with at least one a gap-creating spacer a plurality of individual battery cells arranged side by side and the space is filled with electrically insulating material particles, wherein the material particles are balls.
  • a module is a device as part of a larger system, which here is a battery.
  • a method for producing a battery comprising a plurality of modularly electrically interconnected ⁇ battery cells, wherein for each module in a receptacle, a plurality of individual battery cells with at least one creating a gap Distance be juxtaposed, and being in the at least one space of gravity Direction above a bed of spherical electrically insulating material particles is filled.
  • the balls may be hollow balls.
  • a respective gap can be created by means of a distance between two adjacent battery cells and / or a respective intermediate space by means of a distance between the receptacle and a battery cell arranged in this.
  • the balls may have a respective diameter, which may be ⁇ 4/5 and 1/3 of the gap creating the gap.
  • the balls may be monodisperse and have a same diameter. The balls can all have the same constant diameter. In a monodisperse mixture all particles have the same size and spatial extent.
  • the balls may have a constant diameter ⁇ 5 mm.
  • the balls may be made of glass or ceramic.
  • the receptacle may be a bottom, side walls and a lid having pan.
  • the gap filled with the balls can be a cooling channel for cooling form the adjacent battery cell (s) by means of their Anströmens with a, in particular liquid, cooling medium.
  • a JE 79r distance may be chosen such that, for a suf ⁇ sponding electrical insulation sufficient for cooling amount of the cooling medium flows.
  • a cooling system can be optimized in such a way that only a minimally required amount of the cooling medium has to flow in a cooling channel and, at the same time, sufficient electrical insulation is provided.
  • the battery cells can each have a rectangular cross-section in a horizontal plane and the cooling channel in a vertical plane perpendicular to the flow direction of the cooling medium.
  • the size and a specific average weight of the balls of the ⁇ art can be selected, that the cooling medium is not transported in the balls away establishments.
  • a filter or a network can be so obtained from an input and / or at an output of a cooling channel or the module that the cooling medium does not transport the balls on.
  • passages for controlling the flow distribution of the cooling medium can be formed in the receptacle.
  • all the gaps may be filled in the receptacle ge ⁇ complete with balls.
  • position elements for fixing the battery cells can be formed on the receptacle.
  • the battery cells can first po ⁇ sitioned on the bottom of the receptacle and are covered by the side walls and then covered by the lid of the tub after filling.
  • the battery cells can be first positioned on the ground and covered by the side walls and are then covered by means of the lid of the tub before filling, wherein the lid comprises Minim ⁇ least one filling opening for filling the bed.
  • the intermediate space filled with the balls can form a cooling channel for cooling the adjacent battery cell (s) by flowing it on with a, in particular liquid, cooling medium, wherein an inlet for the addition and an outlet for discharging the cooling medium are provided on the receiving container can be trained.
  • a respective distance can be selected such that flows at a sufficient from ⁇ electrical insulation isolation for cooling minimal amount of the cooling medium.
  • all the gaps may be filled in the receptacle ge ⁇ complete with balls.
  • positioning elements for positioning and fixing can be arranged on the receptacle. x mich the battery cells are formed when juxtaposing.
  • Figure 1 shows an embodiment of an inventive
  • Figure 2 shows an embodiment of an inventive
  • FIG. 1 shows an embodiment of a battery according to the invention.
  • FIG. 1 shows an exemplary embodiment of a high-temperature battery having a plurality of battery cells BZ electrically connected to one another in a module M.
  • a receptacle 1 is formed in which a plurality of individual battery cells ⁇ BZ have been arranged side by side. There are gaps 3a between adjacent battery cells BZ and
  • the spaces 3 and 3a and 3b are completely electrically insulating material particles in the form of balls 5 completely filled. It is proposed that the spaces Zvi ⁇ rule the upright in a trough of the receptacle 1 or comparable battery cells BZ with monodisperse glass beads or alternatively with ceramic balls having a diameter of minimum one third, but not more than four-fifths of the distance and the channel width between to fill the battery cells BZ.
  • the volume above the battery cells BZ, in which the battery cells BZ are interconnected electrically by cell connectors or other free volumes in the module M can be filled with balls 5 in an analogous manner.
  • Size and specific middle Weight of the balls 5, which can also be used in the form of hollow spheres, so in the form of hollow spheres for weight reduction, are to be tuned so that they are not discharged by the flow around the cooling medium or float.
  • this task can be done by filters or grids at the inlet and outlet of the cooling medium.
  • the cooling channel geometry can be predetermined by means of an automated arrangement according to the invention as a spherical packing.
  • the balls 5, which may be, for example, glass balls or ceramic balls always have the same size, free flow channel cross section around the battery cells BZ, and thus a constant and uniform pressure loss between the battery cells BZ, even with a simple filling or pouring.
  • the flow distribution of the cooling medium can be selectively gesteu ⁇ ert means of the type, number and shape of apertures in the floor, in the walls or on the cover of the receptacle 1, which may be formed beispielswei ⁇ se in the form of a trough. Between the channels there is a constant flow resistance.
  • Another advantage of the invention is a particularly effective protection against electrical short circuits or against unwanted electrical contacts.
  • the balls 5 are held in place by the gravitation on site between the battery cells BZ and very effectively prevent contact of the battery cells BZ with each other or with a wall of the receptacle 1 If the module M is completely filled, the balls 5 can not easily move between the battery cells BZ.
  • the channel has narrowed, so that the distance only corresponding to the diam ser ⁇ a sphere 5 or the distance equal to the Diameter of the ball 5, large forces are required to narrow a cooling channel 7 even further or to bring the two adjacent battery cells BZ in contact.
  • a further advantage of a battery according to the invention results when using a liquid cooling medium in a cooling channel 7.
  • a thermal oil can be used as a liquid cooling medium.
  • the amount of coolant used can be reduced and thus the total volume expansion of the coolant between cold and operating temperature can be reduced as effectively.
  • Most liquid cooling media show volume expansion when heated.
  • the increase in volume when heated from 25 ° C. to 300 ° C. is up to one third. Since liquids are hardly komp- ressibel, this volume expansion must be ⁇ be taken into account, for example by means of a Ausdeh ⁇ expansion vessel in operation. This applies in particular to closed Modu ⁇ len M without "open" oil circuit.
  • liquid cooling media which is necessary for security against the electrical contact channel width is often much larger than those for an ef fective ⁇ cooling required. That is, if completely filled with a liquid cooling medium, more cooling liquid than would be necessary for the cooling performance would be used. With 5 rules can be reduce the amount of the cooling medium in the respective cooling channel 7 and in the other free volume of the module M ⁇ more sam. These additional free volumes of the module M can be present, for example, in the head space and connection space of the module. At the same time also reduces the volume expansion of the liquid refrigerant between the cold state, for example at 25 ° C and the operating state rule Zvi ⁇ 200 ° C and 450 ° C. According to the invention, a compensation vessel which is smaller in comparison with the prior art is sufficient so that a module M according to the invention can be made more compact and with effectively less expensive coolant.
  • FIG. 2 shows an exemplary embodiment of a method according to the invention for producing a battery, in particular a high-temperature battery.
  • the battery should have a plurality of module-like electrically interconnected battery cells BZ, wherein individual battery cells BZ are to be positioned spaced apart in a receptacle.
  • a respective distance between battery cells BZ and battery cells BZ and receiving container 1 can be determined such that, in the case of a sufficient amount of cooling medium for cooling, the electrical insulation is additionally ensured.
  • a first step S1 a plurality of individual battery cells with at least one gap creating a gap are arranged next to one another in a receptacle.
  • a bed of spherical electrically insulating material particles is filled completely filling into the intermediate space in the at least one intermediate space from the top in the direction of gravity.
  • used and manufactured glass beads of small diameter for example ⁇ 5 mm can, very large loads standhal ⁇ th.
  • glass beads can be exposed to very high loads without splitting.
  • the battery cells BZ can be positioned before filling depending on the desired channel width of the respective cooling channels 7.
  • the battery cells BZ are fixed by the surrounding bed of balls 5 and formulated in other words "poured".
  • 1 position elements can be attached, for example by the ground, on the walls or in the cover of a convertible ne of the receptacle ⁇ the with which the battery cells BZ can be fixed with the balls 5 before filling. Fixation and ball-puttying enable a M module to absorb large forces without being destroyed.
  • the battery having comprising a plurality of module-like electrically with ⁇ each interconnected battery cells BZ, a respective module M has a receiving container 1, in which at least one an interspace 3 creating distance a plurality of individual battery cells BZ arranged side by side and the gap 3 with electrically insulating material particles, in particular completely, is filled, wherein the material particles are balls 5, and in the interstices each have a channel structure for a sufficient, ef ⁇ fective cooling is trained.

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Abstract

Batterie, insbesondere Hochtemperaturbatterie, und Herstellungsverfahren, die Batterie aufweisend eine Mehrzahl von modulartig elektrisch miteinander verschalteten Batteriezellen (BZ), wobei ein jeweiliges Modul (M) einen Aufnahmebehälter (1) aufweist, in dem mit mindestens einem einen Zwischenraum (3) schaffenden Abstand eine Mehrzahl von einzelnen Batteriezellen (BZ) nebeneinander angeordnet und der Zwischenraum (3) mit elektrisch isolierenden Materialteilchen, insbesondere vollständig, gefüllt ist, wobei die Materialteilchen Kugeln (5) sind, und in den Zwischenräumen jeweils eine Kanalstruktur für eine ausreichende, effektive Kühlung ausgebildet ist.

Description

Beschreibung
Füllmaterial und Abstandshalter bei Batterien Die Erfindung betrifft eine Batterie, insbesondere eine Hoch¬ temperaturbatterie, aufweisend eine Mehrzahl von modulartig elektrisch miteinander verschalteten Batteriezellen und ein Verfahren zu deren Herstellung. Eine Hochtemperaturbatterie arbeitet beispielsweise innerhalb eines Temperaturbereichs zwischen 150°C und 450°C. Es können Hochtemperaturbatterien beispielsweise unter Verwendung von a iCl2 oder NaS hergestellt werden. Zellen von Hochtemperaturbatterien (T>150°C und <450°C) beispielsweise vom Typ a iCl2 oder NaS werden herkömmlicherwei¬ se zu kompakten Modulen von nebeneinander aufrechtstehenden Zellen geschachtelt. Dabei werden die Zellen zur Erhöhung der Energiedichte im Modul möglichst eng gepackt. Aufgrund der überwiegend rechteckigen oder quadratischen Querschnitte der hier verwendeten Zelltypen ergeben sich zwischen den Zellen Kanäle mit rechteckigem Querschnitt.
Im Ladebetrieb und Entladebetrieb produzieren diese Batterien ausreichend Abwärme, so dass diese gezielt abgeführt werden muss, um ein Überhitzen zu vermeiden. Eine Methode der Kühlung ist das Umströmen der Zellen mit einem Kühlmedium.
Gleichzeitig muss aber a) immer eine sichere elektrische Isolierung der Zellen im Modul gegeneinander gewährleistet werden, um einen Kurz- schluss zu vermeiden. Ein elektrischer Schluss zwischen seriell geschalteten Zellen oder ebenso zu einer elekt- risch leitenden Wand führt zu einer Zerstörung des Batteriestranges, mit teilweise sicherheitsrelevanten Aus¬ wirkungen, wie es beispielsweise ein externer Kurz- schluss einer NaS-Batterie sein kann. b) ausreichend Abstand zwischen den Zellen vorhanden sein, so dass mit dem Kühlmedium, beispielsweise mittels Luft oder einer Hochtemperatur-Flüssigkeit, die Zellen aus- reichend temperiert werden können.
Ein notwendiger Druckverlust für eine aktive Kühlung mittels dieser Kanäle geht negativ in die Effizienz eines Hochtempe¬ raturbatterie-Systems ein. Ein potentielles Kühlvermögen bei einer Umströmung mit einem Kühlmedium wirkt positiv für die
Performance hinsichtlich Ladeleistung und Entladeleistung und wirkt positiv für die Lebensdauer der Zellen, da Übertemperaturen bei Ladung und vor allem aber bei der Entladung vermieden werden können.
Herkömmlicher Weise werden verschiedene Ansätze zur Bereit¬ stellung einer ausreichenden elektrischen Isolierung und eines ausreichenden Abstandes für ein Kühlmedium verfolgt: a) Abstandshalter zwischen den Zellen mittels Keramik- oder Glimmerplatten; b) Kanäle zwischen den Zellen sind mit Sand aufgefüllt; c) Kanäle sind mit Glasgewebe als Isoliermaterial aufge¬ füllt; d) Zwischenräume zwischen den Zellen sind mit hohlen Strö¬ mungskanälen ausgebildet.
Es ist Aufgabe der vorliegenden Erfindung eine Batterie, ins¬ besondere eine Hochtemperaturbatterie, aufweisend eine Mehr¬ zahl von modulartig elektrisch miteinander verschalteten Batteriezellen und ein Verfahren zu deren Herstellung derart be- reit zu stellen, dass eine elektrische Isolierung auf einfa¬ che Weise wirksam und kostengünstig bereitgestellt werden kann. Des Weiteren soll eine herkömmliche Menge eines verwen¬ deten Kühlmittels wirksam verkleinert werden. Dessen Volumen- ausdehnung soll damit wirksam verkleinert werden. Batterie¬ zellen sollen einfach fixiert werden können und die Batterie soll im Vergleich zum Stand der Technik größere Kräfte und Drücke aufnehmen können, ohne zerstört zu werden.
Die Aufgabe wird durch eine Batterie gemäß den Merkmalen des Hauptanspruchs und durch ein Verfahren mit den Merkmalen des Nebenanspruchs gelöst. Gemäß einem ersten Aspekt wird eine Batterie, insbesondere eine Hochtemperatur-Batterie, vorgeschlagen, die eine Mehr¬ zahl von modulartig elektrisch miteinander verschaltete Batteriezellen aufweist, wobei ein jeweiliges Modul einen Auf¬ nahmebehälter aufweist, in dem mit mindestens einem einen Zwischenraum schaffenden Abstand eine Mehrzahl von einzelnen Batteriezellen nebeneinander angeordnet und der Zwischenraum mit elektrisch isolierenden Materialteilchen gefüllt ist, wobei die Materialteilchen Kugeln sind. Ein Modul ist insbesondere ein Bauelement als ein Teil eines größeren Systems, das hier eine Batterie ist.
Sind zwei benachbarte Körper, die beispielsweise Batteriezel¬ len und/oder Aufnahmebehälter sein können, räumlich mit ei- nem Abstand voneinander entfernt, so erstreckt sich ein Zwi¬ schenraum zwischen diesen beiden Körpern. „Abstand" ist damit die eindimensionale und „Zwischenraum" ist die entsprechende dreidimensionale Beschreibung dieser Beziehung dieser beiden Körper zueinander.
Gemäß einem zweiten Aspekt wird ein Verfahren zur Herstellung einer Batterie, insbesondere einer Hochtemperaturbatterie, beansprucht, das eine Mehrzahl von modulartig elektrisch mit¬ einander verschalteten Batteriezellen aufweist, wobei für ein jedes Modul in einem Aufnahmebehälter eine Mehrzahl von einzelnen Batteriezellen mit mindestens einem einen Zwischenraum schaffenden Abstand nebeneinander angeordnet werden, und wobei in den mindestens einen Zwischenraum von in Schwerkraft Richtung oben eine Schüttung von kugelförmigen elektrisch isolierenden Materialteilchen eingefüllt wird.
Weitere vorteilhafte Ausgestaltungen werden in Verbindung mit den Unteransprüchen beansprucht.
Gemäß einer vorteilhaften Ausgestaltung können die Kugeln Hohlkugeln sein. Gemäß einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung kann ein jeweiliger Zwischenraum mittels eines Abstands zwischen zwei benachbarten Batteriezellen und/oder ein jeweiliger Zwischenraum mittels eines Abstands zwischen dem Aufnahmebehälter und einer in diesem angeordneten Batteriezelle geschaffen sein.
Gemäß einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung, können die Kugeln einen jeweiligen Durchmesser aufweisen, der < 4/5 und ^ 1/3 des den Zwischenraum schaffenden Abstands sein kann. Gemäß einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung können die Kugeln monodispers sein und einen gleichen Durchmesser aufweisen. Die Kugeln können alle den gleichen konstanten Durchmesser aufweisen. In einem monodispersen Gemenge weisen alle Teilchen dieselbe Größe und räumliche Erstreckung auf.
Gemäß einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung können die Kugeln einen konstanten Durchmesser < 5 mm aufweisen.
Gemäß einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung können die Kugeln aus Glas oder aus Keramik bestehen.
Gemäß einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung kann der Aufnahmebehälter eine einen Boden, Seitenwände und einen Deckel aufweisende Wanne sein.
Gemäß einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung kann der mit den Kugeln gefüllte Zwischenraum einen Kühlkanal zur Kühlung der angrenzenden Batteriezelle (n) mittels deren Anströmens mit einem, insbesondere flüssigen, Kühlmedium ausbilden.
Gemäß einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung kann ein je- weiliger Abstand derart gewählt sein, dass bei einer ausrei¬ chenden elektrischen Isolation eine zur Kühlung ausreichende Menge des Kühlmediums strömt. Insbesondere ist ein Kühlsystem derart optimierbar, dass in einem Kühlkanal lediglich eine minimal erforderliche Menge des Kühlmediums fließen muss und dabei gleichzeitig eine ausreichende elektrische Isolation geschaffen ist.
Gemäß einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung können die Batteriezellen in einer horizontalen Ebene und der Kühlkanal in einer vertikalen Ebene senkrecht zur Strömungsrichtung des Kühlmediums jeweils einen rechteckigen Querschnitt aufweisen.
Auf diese Weise sind sehr kompakte Bauweisen für Module bereitstellbar .
Gemäß einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung kann die Größe und ein spezifisches mittleres Gewicht der Kugeln der¬ art ausgewählt worden sein, dass das Kühlmedium die Kugeln im Betriebe nicht weg transportiert.
Gemäß einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung kann an einem Eingang und/oder an einem Ausgang eines Kühlkanals oder des Moduls jeweils ein Filter oder ein Netz derart ausgebil¬ det sein, dass das Kühlmedium die Kugeln nicht weiter transportiert .
Gemäß einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung können im Aufnahmebehälter Durchlässe zur Steuerung der Strömungsverteilung des Kühlmediums ausgebildet sein.
Gemäß einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung können alle Zwischenräume im Aufnahmebehälter vollständig mit Kugeln ge¬ füllt sein. Gemäß einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung können am Aufnahmebehälter Positionselemente zur Fixierung der Batteriezellen ausgebildet sein.
Gemäß einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung können die Batteriezellen zuerst auf dem Boden des Aufnahmebehälters po¬ sitioniert und von den Seitenwänden umfasst werden und danach mittels des Deckels der Wanne nach dem Einfüllen abgedeckt werden.
Gemäß einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung können die Batteriezellen zuerst auf dem Boden positioniert und von den Seitenwänden umfasst und danach mittels des Deckels der Wanne vor dem Einfüllen abgedeckt werden, wobei der Deckel mindes¬ tens eine Einfüllöffnung zum Einfüllen der Schüttung aufweist.
Gemäß einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung kann der mit den Kugeln gefüllte Zwischenraum einen Kühlkanal zur Kühlung der angrenzenden Batteriezelle (n) mittels deren Anströmens mit einem, insbesondere flüssigen, Kühlmedium ausbilden, wobei am Aufnahmebehälter ein Einlass für die Zugabe und ein Auslass für die Abgabe des Kühlmediums ausgebildet werden kann.
Gemäß einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung kann ein jeweiliger Abstand derart gewählt werden, dass bei einer aus¬ reichenden elektrischen Isolation eine zur Kühlung minimale Menge des Kühlmediums strömt.
Gemäß einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung können alle Zwischenräume im Aufnahmebehälter vollständig mit Kugeln ge¬ füllt werden.
Gemäß einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung können am Aufnahmebehälter Positionselemente zur Positionierung und Fi- xierung der Batteriezellen beim Nebeneinanderanordnen ausgebildet werden.
Die Erfindung wird anhand von Ausführungsbeispielen in Ver- bindung mit den Figuren näher beschrieben. Es zeigen:
Figur 1 ein Ausführungsbeispiel einer erfindungsgemäßen
Hochtemperaturbatterie ; Figur 2 ein Ausführungsbeispiel eines erfindungsgemäßen
Verfahrens zur Herstellung einer Batterie.
Figur 1 zeigt ein Ausführungsbeispiel einer erfindungsgemäßen Batterie. Figur 1 zeigt als Ausführungsbeispiel eine Hochtem- peraturbatterie mit einer Mehrzahl von in einem Modul M elektrisch miteinander verschalteter Batteriezellen BZ. In dem in Figur 1 dargestellten Modul M ist ein Aufnahmebehälter 1 ausgebildet, in dem eine Mehrzahl von einzelnen Batterie¬ zellen BZ nebeneinander angeordnet worden sind. Es sind Zwi- schenräume 3a zwischen benachbarter Batteriezellen BZ und
Zwischenräume 3b zwischen dem Aufnahmebehälter 1 und in diesem angeordneten Batteriezellen BZ erzeugt. Beispielsweise ist zwischen der linken dargestellten Batteriezelle BZ und dem Aufnahmebehälter 1 auf der linken Seite kein Zwischenraum und auf der oberen Seite mit einem Zwischenraum 3b geschaf¬ fen. In den Zwischenräumen 3 bzw. 3a und 3b sind vollständig elektrisch isolierende Materialteilchen in Form von Kugeln 5 vollständig gefüllt. Es wird vorgeschlagen, die Räume zwi¬ schen den senkrecht in einer Wanne des Aufnahmebehälters 1 oder vergleichbaren stehenden Batteriezellen BZ mit monodispersen Glasperlen oder alternativ mit Kugeln aus Keramik mit einem Durchmesser von minimal einem Drittel, maximal jedoch vier Fünftel des Abstandes bzw. der Kanalbreite zwischen den Batteriezellen BZ aufzufüllen. Auch das Volumen oberhalb der Batteriezellen BZ, in dem die Batteriezellen BZ durch Zellverbinder elektrisch miteinander verschalten sind oder weitere freie Volumina im Modul M, können in analoger Weise mit Kugeln 5 aufgefüllt werden. Größe und spezifisches mittleres Gewicht der Kugeln 5, die auch ebenso in Form von sogenannten Hollowspheres , also in Form von Hohlkugeln zur Gewichtsreduktion verwendet werden können, sind so abzustimmen, dass diese durch die Umströmung mit dem Kühlmedium nicht ausgetragen werden bzw. aufschwimmen. Bei einem vollständig gefüllten Modul M kann diese Aufgabe durch Filter oder Netze am Einlass und Auslass des Kühlmediums übernommen werden.
Besonders vorteilhaft kann durch eine erfindungsgemäße auto- matisierte Anordnung als Kugelpackung die Kühlkanalgeometrie vorgegeben werden. Mit dem einheitlichen Durchmesser der monodispersen Kugeln 5 und den Kanalbreiten, die sich aus den jeweiligen Abständen ergeben, ergibt sich an jedem Ort eine definierte Kugelschüttung . Folglich ergibt sich auch bei ei- ner einfachen Schüttung oder Einschüttung der Kugeln 5, die beispielsweise Glaskugeln oder Keramikkugeln sein können, um die Batteriezellen BZ herum stets ein gleich großer, freier Strömungskanalquerschnitt und damit ein konstanter und gleichmäßiger Druckverlust zwischen den Batteriezellen BZ. Die Strömungsverteilung des Kühlmediums kann mittels der Art, der Anzahl und der Form von Durchlässen im Boden, in den Wänden oder am Deckel des Aufnahmebehälters 1, der beispielswei¬ se in Form einer Wanne ausgebildet sein kann, gezielt gesteu¬ ert werden. Zwischen den Kanälen ergibt sich ein gleichblei- bender Strömungswiderstand.
Ein weiterer erfindungsgemäßer Vorteil ist ein besonders wirksamer Schutz gegen elektrische Kurzschlüsse bzw. gegen unerwünschte elektrische Kontakte. Die Kugeln 5 "fließen" förmlich in jeden Spalt bzw. in jenen Zwischenraum 3. Gleichzeitig werden die Kugeln 5 durch die Gravitation vor Ort zwischen den Batteriezellen BZ gehalten und verhindern sehr effektiv einen Kontakt der Batteriezellen BZ untereinander bzw. zu einer Wand des Aufnahmebehälters 1. Ist das Modul M kom- plett gefüllt, können die Kugeln 5 zwischen den Batteriezel¬ len BZ nicht einfach ausweichen. Spätestens wenn der Kanal sich verengt hat, so dass der Abstand lediglich dem Durchmes¬ ser einer Kugel 5 entspricht oder der Abstand gleich dem Durchmesser der Kugel 5 ist, werden große Kräfte erforderlich, um einen Kühlkanal 7 noch weiter zu verengen bzw. die beiden benachbarten Batteriezellen BZ in Kontakt zu bringen. Es ist weiterhin vorteilhaft, dass mittels der erfindungsge¬ mäßen Schüttung eine Kraftübertragung und Fixierung der Batteriezellen BZ wirksam verbessert werden können. Im Boden, an den Wänden oder im Deckel der Wanne des Aufnahmebehälters 1 können Positionselemente ausgebildet sein, die die Batterie- zellen BZ vor einer Befüllung mit den Kugeln 5 fixieren. Als Schüttung der Kugeln 5 können so auch größere Kräfte und Drücke auf die Wände der Batteriezellen BZ übertragen werden bzw. von diesen aufgenommen werden, ohne dass beide beschädigt werden. In einem Vorversuch wurde ein Überdruck von 1 bar über eine Kugelpackung auf eine Test-Batteriezelle BZ aufgebracht, ohne dass die Kugeln 5 oder die Wände der Batte¬ riezellen BZ erkennbar geschädigt wurden.
Ein weiterer Vorteil einer erfindungsgemäßen Batterie ergibt sich bei der Verwendung eines flüssigen Kühlmediums in einem Kühlkanal 7. Beispielsweise kann als ein flüssiges Kühlmedium ein Thermoöl verwendet werden. Erfindungsgemäß kann die Menge des verwendeten Kühlmittels verkleinert und damit die gesamte Volumenausdehnung des Kühlmittels zwischen Kalt- und Be- triebstemperatur ebenso wirksam verkleinert werden. Die meisten flüssigen Kühlmedien zeigen bei einer Erwärmung eine Volumenausdehnung. Bei handelsüblichen Thermoölen beispielsweise beträgt die Volumenzunahme bei einer Erwärmung von 25°C auf 300°C bis zu einem Drittel. Da Flüssigkeiten kaum komp- ressibel sind, muss diese Volumenausdehnung im Betrieb be¬ rücksichtigt werden, beispielsweise mittels eines Ausdeh¬ nungsgefäßes. Dies gilt insbesondere bei geschlossenen Modu¬ len M ohne "offenen" Ölkreislauf. Bei flüssigen Kühlmedien ist oftmals die zur Sicherheit gegen den elektrischen Kontakt notwendige Kanalbreite deutlich größer als die für eine ef¬ fektive Kühlung erforderliche. D.h., dass bei vollständiger Füllung mit einem flüssigen Kühlmedium mehr Kühlflüssigkeit als für die Kühlleistung notwendig eingesetzt würde. Mit Ku- geln 5 lässt sich die Menge des Kühlmediums in dem jeweiligen Kühlkanal 7 und in anderen freien Volumina des Moduls M wirk¬ sam verkleinern. Diese zusätzlichen freien Volumina des Moduls M können beispielsweise im Kopfraum und Anschlussraum des Moduls vorhanden sein. Gleichzeitig verringert man ebenso die Volumenausdehnung des flüssigen Kühlmittels zwischen kaltem Zustand bei beispielsweise 25°C und Betriebszustand zwi¬ schen 200°C und 450°C. Erfindungsgemäß reicht ein im Ver¬ gleich zum Stand der Technik kleineres Ausgleichgefäß, so dass ein erfindungsgemäßes Modul M kompakter und mit wirksam weniger teurem Kühlmittel bereitgestellt werden kann.
Figur 2 zeigt ein Ausführungsbeispiel eines erfindungsgemäßen Verfahrens zur Herstellung einer Batterie, insbesondere einer Hochtemperaturbatterie. Die Batterie soll eine Mehrzahl von modulartig elektrisch miteinander verschalteten Batteriezellen BZ aufweisen, wobei einzelne Batteriezellen BZ voneinander beabstandet in einem Aufnahmebehälter positioniert werden sollen. In einem Vorschritt SO kann ein jeweiliger Abstand zwischen Batteriezellen BZ und Batteriezellen BZ und Aufnahmebehälter 1 derart bestimmt werden, dass bei einer zur Kühlung ausreichenden Menge des Kühlmediums zusätzlich die elektrische Isolation gewährleistet ist. Mittels eines ersten Schrittes Sl werden in einem Aufnahmebehälter eine Mehrzahl von einzelnen Batteriezellen mit mindestens einem einen Zwischenraum schaffenden Abstand nebeneinander angeordnet. Mittels eines zweiten Schrittes S2 wird in dem mindestens einen Zwischenraum von in Schwerkraft Richtung oben eine Schüttung von kugelförmigen elektrisch isolierenden Materialteilchen vollständig füllend in den Zwischenraum eingefüllt.
Auf diese Weise ist eine erfindungsgemäße Herstellung der Batterie mittels einer kostengünstigen Befüllung ausführbar. Monodisperse Kugeln beispielsweise bestehend aus Glas oder Keramik, beispielsweise in Form von Glasperlen oder Keramikperlen, sind als Massenware verfügbar. Beim Einfüllen S2 ordnen sich die Kugeln automatisch zwischen den Batteriezellen derart an, dass sich eine durch die Wände der Batteriezellen als Kanalwände vorgegebene Kugelpackung ergibt. Zur einfachen Positionierung und Fixieren der Batteriezellen vor dem Anordnen in dem Aufnahmebehälter können am oder im Aufnahmebehälter Positionselemente geschaffen werden. Mittels der erfin- dungsgemäßen Schüttung von Kugeln 5 können auf diese Weise ebenso größere Kräfte und Drücke auf die Wände der Batterie¬ zellen übertragen werden. Erfindungsgemäß kann mittels der Schüttung von Kugeln 5 eine Kraftübertragung und eine Fixierung der Batteriezellen verbessert werden. Erfindungsgemäß verwendet und gefertigte Glasperlen kleinen Durchmessers, beispielsweise <5mm, können sehr große Belastungen standhal¬ ten. Beispielsweise Glasperlen können sehr großen Belastungen ausgesetzt werden, ohne zu splittern. Die Batteriezellen BZ können vor einer Auffüllung je nach gewünschter Kanalbreite der jeweiligen Kühlkanäle 7 positioniert werden. Nach der
Befüllung im zweiten Schritt S2 werden die Batteriezellen BZ durch die sie umgebende Schüttung von Kugeln 5 fixiert und anders formuliert "eingegossen". Zusätzlich können beispielsweise durch im Boden, an den Wänden oder im Deckel einer Wan- ne des Aufnahmebehälters 1 Positionselemente angebracht wer¬ den, mit denen die Batteriezellen BZ vor der Befüllung mit den Kugeln 5 fixiert werden können. Fixierung und Kugelschüt- tung ermöglichen, dass ein Modul M große Kräfte aufnehmen kann, ohne zerstört zu werden.
Es wird eine Batterie, insbesondere eine Hochtemperaturbatte¬ rie, und Herstellungsverfahren, vorgeschlagen, wobei die Batterie aufweisend eine Mehrzahl von modulartig elektrisch mit¬ einander verschalteten Batteriezellen BZ aufweist, wobei ein jeweiliges Modul M einen Aufnahmebehälter 1 aufweist, in dem mit mindestens einem einen Zwischenraum 3 schaffenden Abstand eine Mehrzahl von einzelnen Batteriezellen BZ nebeneinander angeordnet und der Zwischenraum 3 mit elektrisch isolierenden Materialteilchen, insbesondere vollständig, gefüllt ist, wo- bei die Materialteilchen Kugeln 5 sind, und in den Zwischenräumen jeweils eine Kanalstruktur für eine ausreichende, ef¬ fektive Kühlung ausgebildet ist.

Claims

Patentansprüche
1. Batterie, insbesondere Hochtemperaturbatterie, aufweisend eine Mehrzahl von modulartig elektrisch miteinander verschal- teten Batteriezellen (BZ), wobei ein jeweiliges Modul (M) einen Aufnahmebehälter (1) aufweist, in dem mit mindestens einem einen Zwischenraum (3) schaffenden Abstand eine Mehrzahl von einzelnen Batteriezellen (BZ) nebeneinander angeordnet und der Zwischenraum (3) mit elektrisch isolierenden Materi- alteilchen, insbesondere vollständig, gefüllt ist,
dadurch gekennzeichnet, dass
die Materialteilchen Kugeln (5) sind.
2. Batterie nach Anspruch 1,
dadurch gekennzeichnet, dass
die Kugeln Hohlkugeln sind.
3. Batterie nach Anspruch 1 oder 2,
dadurch gekennzeichnet, dass
ein jeweiliger Zwischenraum (3a) mittels eines Abstands zwischen zwei benachbarter Batteriezellen (BZ) und/oder ein jeweiliger Zwischenraum (3b) mittels eines Abstands zwischen dem Aufnahmebehälter ( 1 ) und einer in diesem angeordneten Batteriezelle (BZ) geschaffen ist.
4. Batterie nach Anspruch 3,
dadurch gekennzeichnet, dass
die Kugeln einen jeweiligen Durchmesser aufweisen, der kleiner gleich vier Fünftel und größer gleich ein Drittel des den Zwischenraum schaffenden Abstands ist.
5. Batterie nach einem der vorhergehenden Ansprüche,
dadurch gekennzeichnet, dass
die Kugeln monodispers sind und einen gleichen Durchmesser aufweisen.
6. Batterie nach Anspruch 4 oder 5,
dadurch gekennzeichnet, dass
die Kugeln einen Durchmesser kleiner gleich 5mm aufweisen.
7. Batterie nach einem der vorhergehenden Ansprüche,
dadurch gekennzeichnet, dass
die Kugeln aus Glas oder aus einer Keramik bestehen.
8. Batterie nach einem der vorhergehenden Ansprüche,
dadurch gekennzeichnet, dass
der Aufnahmebehälter eine einen Boden, Seitenwände und einen Deckel aufweisende Wanne ist.
9. Batterie nach einem der vorhergehenden Ansprüche,
dadurch gekennzeichnet, dass
der mit den Kugeln gefüllte Zwischenraum einen Kühlkanal (7) zur Kühlung der angrenzenden Batteriezelle (n) (BZ) mittels deren Anströmens mit einem, insbesondere flüssigen, Kühlmedi¬ um ausbildet.
10. Batterie nach Anspruch 9,
dadurch gekennzeichnet, dass
ein jeweiliger Abstand derart gewählt ist, dass bei einer ausreichenden elektrischen Isolation eine zur Kühlung ausrei- chende Menge des Kühlmediums strömt.
11. Batterie nach Anspruch 9 oder 10,
dadurch gekennzeichnet, dass
die Batteriezellen (BZ) in einer horizontalen Ebene und der Kühlkanal in einer vertikalen Ebene senkrecht zur Strömungs¬ richtung des Kühlmediums jeweils einen rechteckigen Querschnitt aufweisen.
12. Batterie nach Anspruch 9, 10 oder 11,
dadurch gekennzeichnet, dass
Größe und ein spezifisches mittleres Gewicht der Kugeln der¬ art ausgewählt sind, dass das Kühlmedium die Kugeln nicht weg transportiert .
13. Batterie nach Anspruch 9, 10 oder 11,
dadurch gekennzeichnet, dass
am Eingang und/oder Ausgang eines Kühlkanals jeweils ein Fil- ter oder ein Netz derart ausgebildet ist, dass das Kühlmedium die Kugeln nicht weg transportiert.
14. Batterie nach einem der Ansprüche 9 bis 13,
dadurch gekennzeichnet, dass
im Aufnahmebehälter Durchlässe zur Steuerung der Strömungsverteilung des Kühlmediums erzeugt sind.
15. Batterie nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass
alle Zwischenräume im Aufnahmebehälter vollständig mit Kugeln gefüllt sind.
16. Batterie nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass
am Aufnahmebehälter Positionselemente zur Fixierung der Batteriezellen (BZ) ausgebildet sind.
17. Verfahren zur Herstellung einer Batterie, insbesondere einer Hochtemperaturbatterie, aufweisend eine Mehrzahl von modulartig elektrisch miteinander verschalteten Batteriezellen, wobei für ein jeweiliges Modul
- in einen Aufnahmebehälter eine Mehrzahl von einzelnen Batteriezellen (BZ) mit mindestens einem einen Zwischenraum schaffenden Abstand nebeneinander angeordnet (Sl) werden; - in den mindestens einen Zwischenraum, insbesondere von in Schwerkraftrichtung oben, eine Schüttung von kugelförmigen elektrisch isolierenden Materialteilchen, insbesondere den Zwischenraum vollständig füllend, eingefüllt (S2) wird.
18. Verfahren nach Anspruch 17,
dadurch gekennzeichnet, dass
ein jeweiliger Zwischenraum mittels eines Abstands zwischen zwei benachbarter Batteriezellen (BZ) und/oder ein jeweiliger Zwischenraum mittels eines Abstands zwischen dem Aufnahmebe¬ hälter und einer in diesem angeordneten Batteriezelle (BZ) geschaffen ist.
19. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche 17 oder 18,
dadurch gekennzeichnet, dass
der Aufnahmebehälter eine einen Boden, Seitenwände und einen Deckel aufweisende Wanne ist, wobei die Batteriezellen (BZ) zuerst auf den Boden positioniert von den Seitenwänden um- fasst und danach mittels des Deckels nach dem Einfüllen abge¬ deckt werden.
20. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche 17 oder 18,
dadurch gekennzeichnet, dass
der Aufnahmebehälter eine einen Boden, Seitenwände und einen Deckel aufweisende Wanne ist, wobei die Batteriezellen (BZ) zuerst auf den Boden positioniert von den Seitenwänden um- fasst und danach mittels des Deckels vor dem Einfüllen abge¬ deckt werden, wobei der Deckel mindestens eine Einfüllöffnung zum Einfüllen der Schüttung aufweist.
21. Verfahren nach einem der Ansprüche 17 bis 20,
dadurch gekennzeichnet, dass
der mit den Kugeln gefüllte Zwischenraum einen Kühlkanal zur Kühlung der angrenzenden Batteriezelle (n) (BZ) mittels deren Anströmens mit einem, insbesondere flüssigen, Kühlmedium aus¬ bildet, wobei am Aufnahmebehälter ein Einlass für die Zugabe und ein Auslass für die Abgabe des Kühlmediums ausgebildet wird .
22. Verfahren nach Anspruch 21,
dadurch gekennzeichnet, dass
ein jeweiliger Abstand derart gewählt (SO) wird, dass bei ei¬ ner ausreichenden elektrischen Isolation eine zur Kühlung ausreichende Menge des Kühlmediums strömt.
23. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche 17 bis 22,
dadurch gekennzeichnet, dass
alle Zwischenräume im Aufnahmebehälter vollständig mit Kugeln gefüllt werden.
24. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche 17 bis 23,
dadurch gekennzeichnet, dass
am Aufnahmebehälter Positionselemente zur Positionierung und Fixierung der Batteriezellen (BZ) beim nebeneinander Anordnen (Sl) ausgebildet werden.
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