WO2018065172A1 - Elektrischer energiespeicher mit energiespeicherzellen deren seitenflächen mit einem muster versehen sind - Google Patents

Elektrischer energiespeicher mit energiespeicherzellen deren seitenflächen mit einem muster versehen sind Download PDF

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Abstract

Die Erfindung betrifft einen Energiespeicher (1) mit einer Vielzahl an elektrischen Energiespeicherzellen (2), die elektrisch seriell oder parallel verbunden sind und zu einem Energiespeichermodul zusammengefasst sind, und zwischen den Energiespeicherzellen (2) ausgebildete Zwischenräume (6), in die Kühl- oder Kältemittel einleitbar ist, wobei jeweils die den Zwischenraum (6) begrenzenden Seitenflächen (7) der Energiespeicherzellen (2) mit einem regelmäßigen Muster (15 - 21) versehen sind, welches in Form einer Erhebung oder Vertiefung bezüglich der übrigen Oberfläche der betreffenden Seitenfläche (7) ausgebildet ist. Darüber hinaus betrifft die Erfindung ein Kraftfahrzeug mit solch einem Energiespeicher (1).

Description

Elektrischer Energiespeicher mit Energiespeicherzellen deren Seitenflächen mit einem Muster versehen sind
Die Erfindung betrifft einen Energiespeicher aus Energiespeicherzellen zwischen denen Zwischenräume ausgebildet sind, die zur Kühlung der Energiespeicherzelle dienen.
Für die Elektromobilität werden nach derzeitigem Stand überwiegend elektrische Traktionsenergiespeicher mit hohem Spannungsniveau
eingesetzt. Bei derartigen Energiespeichern bzw. Hochvoltspeichern werden überwiegend Lithium-Ionen-Speicher verwendet, zu deren Gestaltung unterschiedliche Möglichkeiten bestehen. Im technischen Umfeld herrscht die Tendenz Lithium-Ionen-Zellen mit immer höherer Energiedichte zu
entwickeln. Die thermische Stabilität von vielen Lithium-Ionen-Zellen verhält sich jedoch umgekehrt proportional zur gespeicherten Energiemenge pro Volumeneinheit (Energiedichte). In solchen Hochvoltspeichern kann eine Energiespeicherzelle, die einen zellinternen Kurzschluss erfährt, exponentiell Wärme freisetzen (sog. thermisches Ereignis). Die dabei entstehende
Wärmemenge reicht jedoch nicht aus, um in der Nachbarzelle ebenfalls ein thermisches Ereignis anzuregen, solange die Energiedichte nicht 130-150 Wh/kg überschreitet und die thermische Stabilitätsgrenze ausreichend hoch ist, bleibt ein thermisches Ereignis auf die Zelle mit zellinternem Kurzschluss beschränkt und breitet sich nicht weiter im Speicher aus. In zukünftigen Speichern soll die Energiedichte von Energiespeicherzellen auf 200 Wh/kg und mehr gesteigert werden. Die Wärmemenge eines thermischen
Ereignisses in solch einer Energiespeicherzelle könnte dann ausreichen, um auf benachbarte Zellen überzuspringen. Um dies zu verhindern, müssen zusätzliche Maßnahmen im Energiespeicher vorgesehen werden, um dessen Sicherheit auch in dieser kritischen Situation zu gewährleisten. Es besteht daher Bedarf an Sicherheitsvorkehrungen für zukünftige
Hochvoltspeicher, die eine höhere Energiedichte aufweisen werden.
Eine Aufgabe der Erfindung besteht darin, einen Energiespeicher zu schaffen, welcher höhere Sicherheitsanforderungen erfüllt. Diese Aufgabe wird mit einem Energiespeicher gemäß Anspruch 1 und einem Kraftfahrzeug gemäß Anspruch 1 0 gelöst. Vorteilhafte Weiterentwicklungen sind
Gegenstand der abhängigen Ansprüche.
Die Erfindung kann bei Energiespeichermodulen mit Notkühlfunktion eingesetzt werden, bei denen ein Energiespeichermodul nur bei einem thermischen Ereignis gekühlt wird. Ebenso kann die Erfindung bei einer Kühlung des Energiespeichermoduls bzw. einer Energiespeicherzelle im Normalbetrieb eingesetzt werden.
Gemäß einem Ausführungsbeispiel der Erfindung wird ein Energiespeicher bereitgestellt, mit einer Vielzahl an elektrischen Energiespeicherzellen, die elektrisch seriell oder parallel verbunden sind und zu einem
Energiespeichermodul zusammengefasst sind, und zwischen den
Energiespeicherzellen ausgebildete Zwischenräume, in die Kühl- oder Kältemittel einleitbar ist, wobei jeweils die den Zwischenraum begrenzenden Seitenflächen der Energiespeicherzellen mit einem regelmäßigen Muster versehen sind, welches in Form einer Erhebung oder Vertiefung bezüglich der übrigen Oberfläche der betreffenden Seitenfläche ausgebildet ist.
Insbesondere sind diese Seitenflächen vollständig und durchgehend mit dem Muster versehen. Vorzugsweise sind nur diese Seitenflächen (und nicht die übrigen Flächen der Energiespeicherzelle) mit dem Muster versehen. Die Erfindung entlastet den Zuganker von Energiespeichermodulen und kann dort zu Gewichtseinsparungen führen. Ferner kann durch den Einsatz des Musters die Wärmeaustauschfläche der Zelle vergrößert werden, wodurch sich die Effizienz der Notkühleinrichtung verbessert. Die Erfindung beinhaltet eine Zukunftsfähigkeit für bestehende Energiespeicherzellenformate, indem sich durch eine verbesserte Wärmeabfuhr zukünftige Zellchemien mit noch höherer Energiedichte beherrschen lassen.
Gemäß einem weiteren Ausführungsbeispiel der Erfindung weisen die Zwischenräume jeweils einen Stützrahmen auf, der benachbarte
Energiespeicherzellen beabstandet. Diese Stützrahmen sorgen für eine stabile Stapelung und Ausrichtung der Energiespeichermodule.
Gemäß einem weiteren Ausführungsbeispiel der Erfindung beträgt die Erhebung oder Vertiefung des Musters zwischen 0,1 und 3 mm. Das heißt die Ausdehnung senkrecht zur übrigen Oberfläche auf der das Muster ausgebildet ist. Diese Abmessung hat sich als vorteilhaft im Verhältnis von Kompaktheit und Stabilität herausgestellt.
Gemäß einem weiteren Ausführungsbeispiel der Erfindung wird das Muster durch Prägung ausgebildet.
Gemäß einem weiteren Ausführungsbeispiel der Erfindung wird das Muster durch Laserablation ausgebildet.
Gemäß einem weiteren Ausführungsbeispiel der Erfindung ist das Muster ein Bienenwabenmuster.
Gemäß einem weiteren Ausführungsbeispiel der Erfindung besteht das Muster aus parallel verlaufenden Wellenlinien.
Gemäß einem weiteren Ausführungsbeispiel der Erfindung ist das Muster ein Karomuster.
Gemäß einem weiteren Ausführungsbeispiel der Erfindung ist das Muster ein Ziegelmuster. Darüber hinaus stellt die Erfindung ein Kraftfahrzeug mit einem solchen Energiespeicher bereit.
Nachfolgend werden bevorzugte Ausführungsbeispiele der vorliegenden Erfindung unter Bezugnahme auf die beigefügten Zeichnungen beschrieben. In diesen Zeichnungen ist Folgendes dargestellt:
Figur 1 zeigt einen schematischen Aufbau eines
erfindungsgemäßen Energiespeichers;
Figur 2 zeigt schematisch einen Stützrahmen zwischen
benachbarten Energiespeicherzellen des
Energiespeichers aus Fig. 1 ;
Figur 3 zeigt eine Energiespeicherzelle mit aufzubringendem
Muster, und
Figuren 4a bis 4f zeigt weitere Muster zum Aufbringen auf die
Energiespeicherzellen.
Figur 1 zeigt einen schematischen Aufbau eines erfindungsgemäßen elektrischen Energiespeichers 1 . Dieser umfasst mehrere elektrische
Energiespeicherzellen 2, die vorzugsweise Lithium-Ionen-Zellen sind.
Vorzugsweise handelt es sich bei den Energiespeicherzellen 2 um sog. Hard-Case-Zellen. Diese sind prismatische Zellen mit einem, insbesondere verwindungssteifen, Metallgehäuse, beispielsweise aus Aluminium. Bei diesem Metallgehäuse handelt es sich nicht um ein Verbundmaterial, sondern ausschließlich um Metall. Geschlossen wird das Metallgehäuse durch ein Laserschweißverfahren.
Die Vielzahl an Energiespeicherzellen 2 ist als ein Energiespeichermodul zusammengefasst, wobei die einzelnen Energiespeicherzellen 2 über Zellverbinder 3 elektrisch seriell oder parallel miteinander verbunden sind, vorzugsweise seriell, wie in Fig. 1 dargestellt. Die Zellverbinder 3 sind als plattenförmige Verbindungsstromschienen ausgeführt, welche die Pole der einzelnen Energiespeicherzellen 2 entsprechend miteinander verbinden. Zwischen je zwei benachbarten Energiespeicherzellen 2 wird jeweils ein Zwischenraum 6 ausgebildet, der von sich gegenüberliegenden
Seitenflächen 7 der Energiespeicherzellen 2 ausgebildet wird, zwischen denen der Zwischenraum 6 ausgebildet wird. In jedem der Zwischenräume 6 ist ein Stützrahmen 4 angeordnet, welcher zwei benachbarte
Energiespeicherzellen 2 voneinander beabstandet.
Über eine Kühlmittelzuleitung 5 kann Kühlmittel vorzugsweise nur im Falle eines Notkühlerfordernisses (thermisches Ereignis) direkt an einen oder mehrere Kühlmittelstränge 8 zugeführt werden. Eine Kühlmittelzufuhr im Normalbetrieb ist auch denkbar. Als Kühlmittel können beispielsweise Wasser, CO2, ein fluoriertes Keton, ein fluorierter Ether und/oder ein
Hydrofluorether eingesetzt werden. Ein bestimmter Kühlmittelstrang 8 führt das Kühlmittel in den diesem Kühlmittelstrang 8 zugeordneten Zwischenraum 6, wodurch die dem Kühlmittelstrang 8 zugeordnete Energiespeicherzelle 2 gekühlt wird. Somit kann mit dem nicht-brennbaren Kühlmittel eine
Energiespeicherzelle 2 heruntergekühlt werden, welche sich exponentiell erwärmt. Eine Notkühleinrichtung erkennt dabei von selbst, ob und welche Zelle gekühlt werden muss, wobei keine Stromversorgung erforderlich ist. Dazu sind die Kühlmittelstränge 8 mit nicht dargestellten Ventilen oder Notverschlüssen versehen, die nur oberhalb einer bestimmten
Grenztemperatur, insbesondere 100 bis 130 °C, einen Durchfluss von Kühlmittel erlauben und folglich bis zu dieser Temperatur einen Durchfluss von Kühlmittel sperren.
Pro Energiespeicherzelle 2 ist jeweils ein einzige(s/r) Ventil oder
Notverschluss vorgesehen, das/der im Normalbetrieb der
Energiespeicherzellen 2 einen Durchfluss von Kühlmittel durch den zugeordneten Kühlmittelstrang 8 blockiert und bei Überschreiten der
Grenztemperatur der zugeordneten Energiespeicherzelle 2 einen Durchfluss von Kühlmittel zulässt. Die Kühlmittelstränge 8 sind parallel zueinander mit der Kühlmittelzuleitung 5 verbunden. Die Kühlmittelstränge 8 führen in eine oder zwei Zwischenräume 6, welche an die dem Kühlmittelstrang 8 zugeordnete Energiespeicherzelle 2 anliegen. Genauer, sind die beiden äußeren Energiespeicherzellen 2 des Energiespeichermoduls nur auf ihren zur Mitte des Energiespeichermoduls gewandten Seiten mit einem
Zwischenraum 6 versehen. Daher führen die Kühlmittelstränge 8 der beiden äußeren Energiespeicherzellen 2 direkt zu diesen Zwischenräumen 6. Die zwischen zwei Energiespeicherzellen 2 angeordneten Energiespeicherzellen 2 (die innen liegenden Energiespeicherzellen) sind jeweils beidseitig mit Zwischenräumen 6 versehen, wobei sich zwei benachbarte
Energiespeicherzellen 2 den dazwischen befindlichen Zwischenraum 6 teilen bzw. dieser Zwischenraum 6 beiden Energiespeicherzellen 2 zugeordnet ist. Die Kühlmittelstränge 8 dieser innen liegenden Energiespeicherzellen 2 verzweigen sich, wobei je ein Zweig zu einer der beiden Zwischenräume 6 führt, welche an die Energiespeicherzelle 2 anliegt, welcher dem
betreffenden Kühlmittelstrang 8 zugeordnet ist.
Überschreitet nun die Temperatur einer betreffenden Energiespeicherzelle 2 die Grenztemperatur, dann öffnet der dieser Energiespeicherzelle 2 zugeordnete Kühlmittelstrang 8 mittels des Ventils bzw. des
Notverschlusses, so dass Kühlmittel aus der Kühlmittelzuleitung 5 über den nun geöffneten Kühlmittelstrang 8 in die Zwischenräume 6, genauer in das jeweils Innere des Stützrahmens 4, strömen kann, welche an der
betreffenden Energiespeicherzelle 2 anliegen. Um Gewicht und Bauraum zu sparen wird der Kühlmittelvorrat idealerweise auf die Kühlung von einer Energiespeicherzelle 2 bemessen. Dabei kann jede Energiespeicherzelle 2 im Energiespeicher 1 von der Kühlung angesprochen werden. Es wäre auch möglich, die beschriebene Notkühlung in einen Kältekreislauf einzubinden, der zur Klimatisierung eines Fahrzeuginsassenraumes oder zur Kühlung von Fahrzeugkomponenten (z.B. der regulären Kühlung des
Energiespeichers) vorgesehen ist. Die Notkühlung kann demnach in eine bestehende Speicherkühlung integriert werden, d.h. zusätzlich zu dieser vorgesehen sein und das Kühlmedium (z.B. Kältemittel) der bestehenden Speicherkühlung im Notfall verwenden.
Figur 2 zeigt schematisch einen Stützrahmen 4. Dieser ist vorzugsweise ein rechteckiger Rahmen, der entweder einteilig ausgeführt ist und somit eine geschlossene rechteckige Rahmenform hat oder der mehrteilig diese
Rahmenform ausbildet und beispielsweise aus zwei Hälften aufgebaut ist. Innerhalb des Stützrahmens 4 wird ein Hohlraum 9 ausgebildet, in den das Kühl- oder Kältemittel über einen Eingang 10 aus dem Kühlmittelstrang 8 einleitbar ist und aus dem das Kühl- oder Kältemittel über einen Ausgang 1 1 abführbar ist. Mittels des Hohlraums 9 kann das Kühl- oder Kältemittel über die sich gegenüberliegenden Seitenflächen 7 der Energiespeicherzellen 2 verteilt werden, welche aus Gründen der besseren Wärmeübertragung und Steifigkeit mit einem Muster versehen sind, wie nachfolgend beschrieben.
Figur 3 zeigt schematisch eine erfindungsgemäße Energiespeicherzelle 2. Die Energiespeicherzelle 2 umfasst einen sog. Zellbecher, welcher zwei Seitenflächen 7 (die beiden Seiten mit der größten Fläche), zwei Stirnflächen 12 und eine Bodenfläche 13 aufweist. Dieser Zellbecher ist vorzugsweise einstückig, insbesondere monolithisch, ausgebildet. Hergestellt wird solch ein Zellbecher mittels Tiefziehen oder Strangpressen von Aluminium. Ein
Zelldeckel 14 mit den darin angeordneten Plus- und Minuspol wird, insbesondere per Laserschweißen, auf dem Zellbecher befestigt.
Die Seitenflächen 7, zumindest jene Seitenflächen 7, welche einen
Zwischenraum 6 begrenzen, sind mit einem Muster versehen. Um die Steifigkeit der beiden Seitenflächen 7 zu erhöhen und gleichzeitig die für die Notkühlung benötigte Wärmeaustauschfläche der Energiespeicherzelle 2 zu vergrößern, sind diese Seitenflächen 7 mit einem Muster versehen, welches in Form einer Erhebung oder Vertiefung (z.B. positive bzw. negative
Prägung) ausgebildet ist. Das Muster weist vorzugsweise die Geometrie einer Bienenwabenstruktur auf, wie auf der rechten Seite der Figur 3 dargestellt.
Die Figuren 4a bis 4f zeigen weitere Muster, wie sie auf den Seitenflächen 7 vorgesehen sein können. Diese Strukturen können zusätzlich dazu dienen, die Strömungsrichtung und -geschwindigkeit des Kühl- oder Kältemittels zu kontrollieren. Die Tiefe der Muster (Fig. 3 - 4f) beträgt zwischen 0,1 mm und 3 mm. Der Durchmesser der Struktureinheiten (z.B. Waben) beträgt zwischen 0,1 mm und 1 cm. Die Muster bzw. die Oberflächenstruktur kann zum Beispiel durch Prägung während des Herstellprozesses oder
nachträglich durch Ätzen bzw. Laserablation in die Oberfläche des
Zellgehäuses eingebracht werden. Im Anschluss daran kann das Gehäuse lackiert werden, um es elektrisch isolierend zu machen.
Im Detail zeigt Fig. 4a ein Muster 16, welches aus parallel verlaufenden Wellenlinien besteht. Diese verlaufen parallel zu einer Längsrichtung der Energiespeicherzelle 2, wobei sich die Längsrichtung entlang der längsten Kante der Energiespeicherzelle 2 erstreckt.
Fig. 4b zeigt ein Muster 17 in Form eines Karomusters, welches aus einer Vielzahl an parallel zur Längsrichtung verlaufenden geradlinigen Linien sowie einer Vielzahl an dazu senkrecht verlaufenden Linien besteht. Vorzugsweise sind die Abstände zwischen den Linien gleich.
Fig. 4c zeigt ein Muster 18 in Form eines Karomusters, welches aus einer Vielzahl an parallel verlaufenden geradlinigen Linien, welche um 45° zur Längsrichtung versetzt sind, sowie einer Vielzahl an dazu senkrecht verlaufenden Linien besteht. Vorzugsweise sind die Abstände zwischen den Linien gleich.
Fig. 4d zeigt ein Muster 19 in Form eines Ziegelmusters, welches aus einer Vielzahl an zur Längsrichtung parallel verlaufenden geradlinigen Linien sowie senkrecht dazu verlaufen Linien, welche sich zwischen zwei benachbarten Linien erstrecken und dabei eine Ziegelreihe ausbilden, besteht. Dabei sind die senkrecht verlaufenden Linien in regelmäßigen Abständen zueinander angeordnet. Zwei benachbarte Ziegelreihen sind um die Hälfte des
Abstandes versetzt.
Fig. 4e zeigt ein Muster 20 in Form eines regelmäßigen Punktemusters.
Fig. 4f zeigt ein Ziegelmuster, wie im Zusammenhang mit Fig. 4d
beschreiben, wobei das Ziegelmuster aus Fig. 4f um 45° gegenüber der Längsrichtung gedreht ist.
Während die Erfindung detailliert in den Zeichnungen und der
vorangehenden Beschreibung veranschaulicht und beschrieben wurde, ist diese Veranschaulichung und Beschreibung als veranschaulichend oder beispielhaft und nicht als beschränkend zu verstehen und es ist nicht beabsichtigt die Erfindung auf die offenbarten Ausführungsbeispiele zu beschränken. Die bloße Tatsache, dass bestimmte Merkmale in
verschiedenen abhängigen Ansprüchen genannt sind, soll nicht andeuten, dass eine Kombination dieser Merkmale nicht auch vorteilhaft genutzt werden könnte.

Claims

Ansprüche
1 . Energiespeicher (1 ) mit
einer Vielzahl an elektrischen Energiespeicherzellen (2), die elektrisch seriell oder parallel verbunden sind und zu einem Energiespeichermodul zusammengefasst sind, und
zwischen den Energiespeicherzellen (2) ausgebildete Zwischenräume (6), in die Kühl- oder Kältemittel einleitbar ist, wobei jeweils die den
Zwischenraum (6) begrenzenden Seitenflächen (7) der
Energiespeicherzellen (2) mit einem regelmäßigen Muster (15 - 21 ) versehen sind, welches in Form einer Erhebung oder Vertiefung bezüglich der übrigen Oberfläche der betreffenden Seitenfläche (7) ausgebildet ist.
2. Energiespeicher (1 ) gemäß Anspruch 1 , wobei die Zwischenräume (6) jeweils einen Stützrahmen (4) aufweisen, der benachbarte
Energiespeicherzellen (2) beabstandet.
3. Energiespeicher (1 ) gemäß einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die Erhebung oder Vertiefung des Musters (15 - 21 ) zwischen 0,1 und 3 mm beträgt.
4. Energiespeicher (1 ) gemäß einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei das Muster (15 - 21 ) durch Prägung ausgebildet wird.
5. Energiespeicher (1 ) gemäß einem der Ansprüche 1 bis 3, wobei das Muster (15 - 21 ) durch Laserablation ausgebildet wird.
6. Energiespeicher (1 ) gemäß einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei das Muster ein Bienenwabenmuster (15) ist.
7. Energiespeicher (1 ) gemäß einem der Ansprüche 1 bis 5, wobei das Muster (1 6) aus parallel verlaufenden Wellenlinien besteht.
8. Energiespeicher (1 ) gemäß einem der Ansprüche 1 bis 5, wobei das Muster (17; 18) ein Karomuster ist.
9. Energiespeicher (1 ) gemäß einem der Ansprüche 1 bis 5, wobei das Muster (19; 21 ) ein Ziegelmuster ist.
10. Kraftfahrzeug mit einem Energiespeicher (1 ) gemäß einem der Ansprüche 1 bis 9.
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