WO2020002551A1 - Batteriemodul und dessen verwendung - Google Patents

Batteriemodul und dessen verwendung Download PDF

Info

Publication number
WO2020002551A1
WO2020002551A1 PCT/EP2019/067245 EP2019067245W WO2020002551A1 WO 2020002551 A1 WO2020002551 A1 WO 2020002551A1 EP 2019067245 W EP2019067245 W EP 2019067245W WO 2020002551 A1 WO2020002551 A1 WO 2020002551A1
Authority
WO
WIPO (PCT)
Prior art keywords
graphite
cooling segment
battery module
battery
cooling
Prior art date
Legal status (The legal status 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 status listed.)
Ceased
Application number
PCT/EP2019/067245
Other languages
English (en)
French (fr)
Inventor
Thomas Koeck
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 WO2020002551A1 publication Critical patent/WO2020002551A1/de
Anticipated expiration legal-status Critical
Ceased legal-status Critical Current

Links

Classifications

    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01M—PROCESSES OR MEANS, e.g. BATTERIES, FOR THE DIRECT CONVERSION OF CHEMICAL ENERGY INTO ELECTRICAL ENERGY
    • H01M10/00—Secondary cells; Manufacture thereof
    • H01M10/60—Heating or cooling; Temperature control
    • H01M10/61—Types of temperature control
    • H01M10/613—Cooling or keeping cold
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01M—PROCESSES OR MEANS, e.g. BATTERIES, FOR THE DIRECT CONVERSION OF CHEMICAL ENERGY INTO ELECTRICAL ENERGY
    • H01M10/00—Secondary cells; Manufacture thereof
    • H01M10/60—Heating or cooling; Temperature control
    • H01M10/62—Heating or cooling; Temperature control specially adapted for specific applications
    • H01M10/625—Vehicles
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01M—PROCESSES OR MEANS, e.g. BATTERIES, FOR THE DIRECT CONVERSION OF CHEMICAL ENERGY INTO ELECTRICAL ENERGY
    • H01M10/00—Secondary cells; Manufacture thereof
    • H01M10/60—Heating or cooling; Temperature control
    • H01M10/64—Heating or cooling; Temperature control characterised by the shape of the cells
    • H01M10/647—Prismatic or flat cells, e.g. pouch cells
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01M—PROCESSES OR MEANS, e.g. BATTERIES, FOR THE DIRECT CONVERSION OF CHEMICAL ENERGY INTO ELECTRICAL ENERGY
    • H01M10/00—Secondary cells; Manufacture thereof
    • H01M10/60—Heating or cooling; Temperature control
    • H01M10/65—Means for temperature control structurally associated with the cells
    • H01M10/653—Means for temperature control structurally associated with the cells characterised by electrically insulating or thermally conductive materials
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01M—PROCESSES OR MEANS, e.g. BATTERIES, FOR THE DIRECT CONVERSION OF CHEMICAL ENERGY INTO ELECTRICAL ENERGY
    • H01M10/00—Secondary cells; Manufacture thereof
    • H01M10/60—Heating or cooling; Temperature control
    • H01M10/65—Means for temperature control structurally associated with the cells
    • H01M10/655—Solid structures for heat exchange or heat conduction
    • H01M10/6554—Rods or plates
    • H01M10/6555—Rods or plates arranged between the cells
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01M—PROCESSES OR MEANS, e.g. BATTERIES, FOR THE DIRECT CONVERSION OF CHEMICAL ENERGY INTO ELECTRICAL ENERGY
    • H01M10/00—Secondary cells; Manufacture thereof
    • H01M10/60—Heating or cooling; Temperature control
    • H01M10/65—Means for temperature control structurally associated with the cells
    • H01M10/656—Means for temperature control structurally associated with the cells characterised by the type of heat-exchange fluid
    • H01M10/6567—Liquids
    • Y—GENERAL TAGGING OF NEW TECHNOLOGICAL DEVELOPMENTS; GENERAL TAGGING OF CROSS-SECTIONAL TECHNOLOGIES SPANNING OVER SEVERAL SECTIONS OF THE IPC; TECHNICAL SUBJECTS COVERED BY FORMER USPC CROSS-REFERENCE ART COLLECTIONS [XRACs] AND DIGESTS
    • Y02—TECHNOLOGIES OR APPLICATIONS FOR MITIGATION OR ADAPTATION AGAINST CLIMATE CHANGE
    • 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 invention relates to a battery module and its use.
  • the energy for driving vehicles is often provided by batteries. This applies in particular to land vehicles which partially use the energy to drive the vehicle, e.g. for flybrid vehicles (FIEV), or completely, e.g. in battery-electric vehicles (BEV), from batteries. Batteries with a very high energy density are used, e.g. Lithium ion batteries. When charging and discharging the battery, a lot of heat is released, which must be dissipated to prevent heat damage to the battery cells. Battery modules are known, for example, which have a complex cooling pipeline system which has a cooling circuit which is separate from the battery cell and the heat dissipation system (US2010279152A). These have the disadvantage that a large number of seals are required, which can become leaky over time, and there is also a thermal resistance between the heat dissipation system and the coolant.
  • the object of the present invention is therefore to provide a battery module for an electrically powered vehicle, which enables economical and at the same time particularly safe operation of the vehicle.
  • the object is achieved by a battery module comprising a vessel, an electrically non-conductive fluid, at least two battery cells and at least one cooling segment containing graphite, the cooling segment being arranged between the battery cells and the fluid in the vessel in contact with surfaces of the battery cells and is in contact with a surface of the cooling segment.
  • the electrically non-conductive fluid in the vessel is in contact with a surface of the battery cell and in contact with a surface of the cooling segment. This eliminates the need for complex cooling pipe systems and the seals required. This enables a particularly economical operation of the vehicle, in particular the maintenance effort is reduced.
  • the economy of operation also increases because heat is transferred directly from the battery cells to the fluid (first heat conduction path) and additionally indirectly from the battery cell to the fluid via the cooling segment (second heat conduction path). This means that less cooling fluid has to be pumped around. This increases the range of the vehicle, since a higher proportion of the energy that can be stored in the battery is available for driving the vehicle.
  • the cooling segment contains graphite. It can essentially consist of graphite, for example of at least 50% graphite or at least 75% graphite.
  • the cooling segment containing graphite preferably comprises a graphite foil or a graphite plate.
  • the cooling segment can comprise an electrically insulating coating, e.g. a polyethylene terephthalate coating (PET coating).
  • the cooling segment can be a graphite foil or a graphite plate.
  • the graphite foil or graphite plate can comprise the electrically insulating coating.
  • a contact between the surface of the cooling segment and an electrode of a damaged pouch cell then does not lead to an undesired electrical charge on the graphite-containing and thus electrically conductive cooling segment. This reduces the risk of electric shock, e.g. during vehicle maintenance.
  • the cooling segment can contain natural graphite, synthetic graphite, expanded graphite or mixtures thereof.
  • the graphite foil can be a synthetic graphite foil formed from polymers.
  • the graphite foil preferably comprises a partially compacted graphite expandate.
  • graphite foils which comprise a partially compacted graphite expandate
  • they can be produced by treating graphite with certain acids, a graphite salt being formed with acid anions embedded between graphene layers.
  • the graphite salt is then expanded by exposing it to high temperatures of, for example, 800 ° C.
  • graphite such as natural graphite
  • an intercalate such as, for example, nitric acid or sulfuric acid
  • the expanded graphite obtained during the expansion is then pressed into the graphite foil.
  • a method for producing graphite foils is e.g. described in EP 1 120 378 B1.
  • DE 10 2012 202 748 A1 also describes a method for producing a graphite foil.
  • the pressing can be controlled so that graphite foils are obtained which are very strong. If the expanded graphite is compressed only slightly (for example to a density in the range from 0.2 to 0.7 g / cm 3 ), a relatively flexible layer of graphite foil is obtained. If one presses to higher densities of, for example, 1.5 to 1.9 g / cm 3 , the graphite foil layer obtained is essentially inflexible and plate-like. Depending on how strongly pressed and which target thickness is reached, a graphite foil or a graphite plate is obtained.
  • Expanded graphite represents a graphite which, in comparison to natural graphite, is expanded in the plane perpendicular to the hexagonal carbon layers, for example by a factor of 80 or more. Due to the expansion, expanded graphite is characterized by excellent formability and good toothability. Expanded graphite can be used in foil or plate form, preferably a foil or plate with a density of 0.7 to 1.8 g / cm 3 . A film or plate having this density range has thermal conductivities of 150 W / (mK) to 500 W / (mK). Thermal conductivity is achieved using the Angström's Method of Measuring Thermal Conductivity; Amy L. Lytle;
  • the graphite foil has a thickness of 10 pm to 1 mm, preferably 100 to 800 pm, particularly preferably 200 to 600 pm. At less than 10 pm, handling is no longer possible.
  • the graphite plate advantageously has a Thickness of> 1 mm to 5 mm, preferably 1.5 to 4 mm, particularly preferably 2 to 3 mm.
  • the partially compacted graphite-containing cooling segment has a springback in the thickness direction of 2 to 6%, preferably 2.5 to 5.5% and particularly preferably 3 to 5%, based on its initial thickness.
  • the springback is determined according to sections 9.1, 9.2 and 9.2.1 of DIN 28090-2: 1995-09. It has now been found that this already partially compensates for the changes in the thickness of the pouch cell associated with the operation of the pouch cell. Consequently, less elastically deformable
  • Compensating elements are provided.
  • elastically deformable compensation elements must completely compensate for the entire reversible change in thickness of all the pouch cells.
  • the elastically deformable compensating elements therefore take up less space according to the invention, so that the capacity of the battery can be increased even further for a given installation space. This leads to a longer range of a vehicle equipped with battery modules built according to the present invention.
  • the thicknesses and thickness changes of the pouch cells are not exactly the same everywhere in the area of the pouch cell.
  • the surfaces in contact with the cooling segment are therefore not exactly the same after each charge / discharge cycle. A particularly good thermal connection is nevertheless achieved according to the invention in the entire area.
  • the density of the partially compacted graphite-containing cooling segment is therefore, for example, in the range from 0.1 to 1.6 g / cm 3 , from 0.3 to 1.6 g / cm 3 or even only in the range from 0.1 to 1 4 g / cm 3 or from 0.3 to 1.4 g / cm 3 .
  • the invention also relates to the use of a cooling segment which contains partially compacted expanded graphite and in the thickness direction of the
  • Cooling segment has a springback of 2 to 6%, based on its initial thickness, to compensate for uneven surfaces one at a time
  • the volume ratio of the battery cell to the cooling element generally becomes unfavorable. This means that the battery capacity per battery volume is then less favorable than with thinner graphite foils or plates.
  • the cooling segment has two main surfaces.
  • One battery cell rests on part of the one main surface.
  • the other battery cell rests on part of the other main surface.
  • the two main surfaces are typically flat and parallel to one another.
  • a projection outline is defined by parallel projection of the outline of the battery cell onto the main surface against which the battery cell rests.
  • the projection outlines of both battery cells are preferably completely within the edge of the cooling segment.
  • the area surrounded by a projection outline takes 25 to 95%, e.g. 40 to 80% of a major area.
  • the area surrounded by the other projection outline preferably takes 25 to 95%, e.g. 40 to 80%, the other main area.
  • the circumferential distance from the projection outline to the edge of the cooling segment is preferably all around in the range from 0.5 to 50 mm, preferably 5 to 40 mm, particularly preferably 10 to 30 mm.
  • the battery cell is advantageously selected from the group consisting of prismatic cells, pouch cells or cylindrical cells, preferably pouch cells.
  • the pouch cell has a front and a back, which are essentially flat and run parallel to one another.
  • the front and back take at least 50%, e.g. at least 60%, preferably at least 70% of the total surface of a bag that closes the pouch cell from the outside.
  • the battery module according to the invention can be used as an accumulator which effects or contributes to the drive of a vehicle, e.g. a car (BEV or HEV), airplane or ship powered by electricity.
  • a vehicle e.g. a car (BEV or HEV), airplane or ship powered by electricity.
  • the fluid is electrically non-conductive.
  • the fluid is preferably a liquid. Electrically non-conductive means that the liquid does not conduct electrical current.
  • the conductivity is at most 10 8 S-crrf 1 or the specific electrical resistance is 10 8 W-cm, measured at 25 ° C. It is measured according to DIN EN 60247: 2004.
  • the liquid can contain, for example, a fluorinated organic compound, for example a completely fluorinated organic compound or a partially fluorinated organic compound, in particular a partially or fully fluorinated ketone or a partially or fully fluorinated ether. for example a fully fluorinated ketone or a partially fluorinated ether.
  • the boiling point determined at a pressure of 1 bar Compound can be, for example, in the range from 45 to 150 ° C, preferably in the range from 55 ° C to 100 ° C.
  • a seven-fold fluorinated isopropyl group and a five-fold fluorinated ethyl group can be attached to the keto carbon.
  • the invention also relates to the use of the electrically non-conductive fluid for cooling a battery module, e.g. of the battery module according to the invention which, as an accumulator, drives a car, aircraft or ship driven by electric current.
  • a battery module e.g. of the battery module according to the invention which, as an accumulator, drives a car, aircraft or ship driven by electric current.
  • FIG. 1 shows a section through an inventive battery module parallel to the contact surface of the pouch cell and cooling segment.
  • FIG. 2 shows a section through a part of the battery module shown in FIG. 1 that is orthogonal to the contact surface of the pouch cell and cooling segment.
  • the same battery module 1 is shown in FIGS. 1 and 2. It comprises a vessel 2.
  • the battery module 1 also comprises an electrically non-conductive fluid 3.
  • the battery cells 4, 14 held by the battery module are pouch cells 4A, 14A, one between which is a density of 1.5 g / cm 3 compressed, 2 mm thick graphite plate formed by pressing graphite expanded material is arranged as the cooling segment 5.
  • the module has further pouch cells and cooling segments which form a stack. This can be seen in FIG. 2, only a part of the stack being shown there.
  • the fluid 3 in the vessel 2 is in contact with surfaces 7, 17 of the pouch cells 4A, 14A and in contact with a surface 8 of the cooling segment 5.
  • cooling segment 5 has two main surfaces and that one pouch cell 4A rests on a part of the one main surface and the other pouch cell 14A rests on a part of the other main surface.
  • Current conducting elements 15, 16 are only shown in FIG. 1.

Landscapes

  • Engineering & Computer Science (AREA)
  • Manufacturing & Machinery (AREA)
  • Chemical & Material Sciences (AREA)
  • Chemical Kinetics & Catalysis (AREA)
  • Electrochemistry (AREA)
  • General Chemical & Material Sciences (AREA)
  • Battery Mounting, Suspending (AREA)
  • Secondary Cells (AREA)

Abstract

Die Erfindung betrifft ein Batteriemodul umfassend ein Gefäß, ein elektrisch nichtleitendes Fluid, mindestens zwei Batteriezellen und ein Graphit enthaltendes Kühlungssegment, wobei das Kühlungssegment zwischen den mindestens zwei Batteriezellen angeordnet ist und das Fluid in dem Gefäß in Kontakt mit einer Oberfläche der Batteriezelle und in Kontakt mit einer Oberfläche des Kühlungssegments steht.

Description

BATTERIEMODUL UND DESSEN VERWENDUNG Die Erfindung betrifft ein Batteriemodul und dessen Verwendung.
Beschreibung
Die Energie zum Antrieb von Fahrzeugen wird häufig aus Batterien bereitgestellt. Dies gilt insbesondere für Landfahrzeuge, welche die Energie zum Antrieb des Fahrzeugs teilweise, z.B. bei Flybridfahrzeugen (FIEV), oder vollständig, z.B. bei Batterie- elektrischen Fahrzeugen (BEV), ausB atterien beziehen. Es werden Batterien mit sehr hoher Energiedichte eingesetzt, wie z.B. Lithiumionenbatterien. Beim Laden und Entladen der Batterie wird viel Wärme freigesetzt, die es abzuführen gilt, um eine Hitzeschädigung der Batteriezellen zu verhindern. Bekannt sind beispiels- weise Batteriemodule, die ein komplexes Kühlrohrleitungssystem, welches einen von der Batteriezelle und dem Wärmeableitsystem getrennten Kühlkreislauf aufweisen (US2010279152A). Diese haben den Nachteil, dass eine Vielzahl von Dichtungen benö- tigt werden, die mit der Zeit undicht werden können und außerdem ein Wärmewider- stand zwischen Wärmeableitsystem und Kühlmittel vorliegt.
Es besteht ein nicht unerhebliches Risiko von Kurzschlüssen, wenn Batteriezellen be- schädigt werden und mit dem Kühlmittel in Kontakt kommen. Dies gilt gerade bei Pouchzellen, da die Beutel der Pouchzellen leichter beschädigt werden können, als die häufig aus Metall bestehenden Gehäuse von zylindrischen oder prismatischen Batterie- zellen.
Die Aufgabe der vorliegenden Erfindung besteht daher in der Bereitstellung eines Batte- riemoduls für ein elektrisch angetriebenes Fahrzeug, das einen wirtschaftlichen und zugleich besonders sicheren Betrieb des Fahrzeugs dauerhaft ermöglicht. Die Aufgabe wird gelöst durch ein Batteriemodul umfassend ein Gefäß, ein elektrisch nichtleitendes Fluid, mindestens zwei Batteriezellen und mindestens ein Graphit enthal- tendes Kühlungssegment, wobei das Kühlungssegment zwischen den Batteriezellen angeordnet ist und das Fluid in dem Gefäß in Kontakt mit Oberflächen der Batteriezel- len und in Kontakt mit einer Oberfläche des Kühlungssegments steht.
Das elektrisch nichtleitende Fluid steht in dem Gefäß in Kontakt mit einer Oberfläche der Batteriezelle und in Kontakt mit einer Oberfläche des Kühlungssegments. Dadurch werden komplexe Kühlrohrleitungssysteme und die dadurch erforderlichen Dichtungen entbehrlich. Dies ermöglicht einen besonders wirtschaftlichen Betrieb des Fahrzeugs, insbesondere sinkt der Wartungsaufwand.
Die Wirtschaftlichkeit des Betriebs steigt auch dadurch, dass Wärme aus den Batterie- zellen direkt auf das Fluid übertragen wird (erster Wärmeleitpfad) und zusätzlich indirekt von der Batteriezelle über das Kühlungssegment auf das Fluid (zweiter Wärmeleitpfad). So muss weniger Kühlfluid umgepumpt werden. Diess teigert die Reichweite des Fahr- zeugs, da ein höherer Anteil der in der Batterie speicherbaren Energie für den Antrieb des Fahrzeugs zur Verfügung steht.
Gleichzeitig ist der Betrieb des Fahrzeugs dauerhaft sicher. Das Risiko eines thermi- schen Durchgehens (thermal runaway) sinkt, da„hot spots“, die an den Batterie- zelloberflächen entstehen können, durch die hohe Wärmeleitfähigkeit des Kühlungs- segments schnell ausgeglichen werden. Auch birgt der direkte Kontakt des Fluids mit den Batteriezellen kein Sicherheitsrisiko, da das Fluid nicht elektrisch leitend ist und somit ein erhöhtes Risiko von Kurzschlüssen vermieden wird. Das Kühlungssegment enthält Graphit. Es kann im Wesentlichen aus Graphit, z.B. aus mindestens 50 % Graphit oder mindestens 75 % Graphit bestehen. Das Graphit enthal- tende Kühlungssegment umfasst vorzugsweise eine Graphitfolie oder eine Graphit- platte.
Das Kühlungssegment kann eine elektrisch isolierende Beschichtung umfassen, z.B. eine Polyethylenterephthalat-Beschichtung (PET-Beschichtung). Beispielsweise kann das Kühlungssegment eine Graphitfolie oder eine Graphitplatte sein. Die Graphitfolie oder Graphitplatte kann die elektrisch isolierende Beschichtung umfassen. Ein Kontakt zwischen der Oberfläche des Kühlsegments und einer Elektrode einer beschädigten Pouchzelle führt dann nicht zu einer unerwünschten elektrischen Aufladung des Graphit enthaltenden und somit elektrisch leitfähigen Kühlungssegments. Dadurch verringert sich das Risiko von Stromschlägen, z.B. bei der Wartung des Fahrzeugs. Das Kühlungssegment kann Naturgraphit, synthetischen Graphit, expandierten Graphit oder Mischungen davon enthalten.
Die Graphitfolie kann eine, ausgehend von Polymeren gebildete synthetische Graphit- folie sein. Vorzugsweise umfasst die Graphitfolie jedoch ein teilweise kompaktiertes Graphitexpandat.
Die Herstellung von Graphitfolien, die ein teilweise kompaktiertes Graphitexpandat um- fassen, ist allgemein bekannt. Sie lassen sich bekanntermaßen dadurch hersteilen, dass man Graphit mit bestimmten Säuren behandelt, wobei sich ein Graphitsalz bildet, mit zwischen Graphenschichten eingelagerten Säure-Anionen. Das Graphitsalz wird anschließend expandiert, indem man es hohen Temperaturen von z.B. 800 °C aussetzt. Beispielsweise wird zur Herstellung von expandiertem Graphit (Graphitexpandat) mit einer wurmförmigen Struktur üblicherweise Graphit, wie Naturgraphit, mit einem Inter- kalaten, wie beispielsweise Salpetersäure oder Schwefelsäure, vermischt und bei einer erhöhten Temperatur von z.B. 600 °C bis 1200 °C wärmebehandelt (siehe DE10003927A1 ).
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 beschrieben. Auch die DE 10 2012 202 748 A1 beschreibt ein Verfahren zur Herstel- lung einer Graphitfolie.
Das Verpressen kann so gesteuert werden, dass man Graphitfolien erhält, die sehr fest sind. Verpresst man das Graphitexpandat nur leicht (beispielsweise auf ein Dichte im Bereich von 0,2 bis 0,7 g/cm3) wird eine relativ flexible Graphitfolienlage erhalten. Ver- presst man auf höhere Dichten von z.B. 1 ,5 bis 1 ,9 g/cm3, ist die erhaltene Graphitfo- lienlage im Wesentlichen unflexibel und plattenartig. Je nachdem, wie stark verpresst und welche Zieldicke erreicht wird, erhältm an also eine Graphitfolie oder eine Graphit- platte.
Graphitexpandat stellt einen Graphit dar, der im Vergleich zu natürlichem Graphit in der Ebene senkrecht zu den hexagonalen Kohlenstoffschichten beispielsweise um den Fak- tor 80 oder mehr expandiert ist. Aufgrund der Expansion zeichnet sich expandierter Graphit durch eine hervorragende Formbarkeit und gute Verzahnbarkeit aus. Expan- dierter Graphit kann in Folien- bzw. Plattenform verwendet werden, wobei bevorzugt eine Folie bzw. Platte mit einer Dichte von 0,7 bis 1 ,8 g/cm3 verwendet wird. Eine Folie bzw. Platte aufweisend diesen Dichtebereich weist Wärmeleitfähigkeiten von 150 W/(m-K) bis 500 W/(m-K) auf. Die Wärmeleitfähigkeitwi rd mittels der Angström- Methode („Angström’s Method of Measuring Thermal Conductivity”; Amy L. Lytle;
Physics Department, The College of Wooster, Theses) bestimmt.
Erfindungsgemäß weist die Graphitfolie eine Dicke von 10 pm bis 1 mm, bevorzugt 100 bis 800 pm, besonders bevorzugt 200 bis 600 pm auf. Bei kleiner als 10 pm ist die Handhabbarkeit nicht mehr gegeben. Vorteilhafterweise weist die Graphitplatte eine Dicke von >1 mm bis 5 mm, bevorzugt 1 ,5 bis 4 mm, besonders bevorzugt 2 bis 3 mm auf.
In einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung weist das teilweise kompaktierten Graphit enthaltende Kühlungssegment in Dickenrichtung eine Rückfederung von 2 bis 6%, bevorzugt von 2,5 bis5,5 % und besonders bevorzugt von 3 bis 5%, bezogen auf seine Ausgangsdicke auf. Die Rückfederung wird bestimmt gemäß Abschnitten 9.1 , 9.2 und 9.2.1 der DIN 28090-2:1995-09. Es wurde nun gefunden, dass dadurch die mit dem Betrieb der Pouchzelle einhergehenden Änderungen der Dicke der Pouchzelle schon teilweise kompensiert werden. Folglich müssen weniger elastisch verformbare
Ausgleichselemente vorgesehen werden. Elastisch verformbare Ausgleichselemente müssen bei einem Batteriezellstapelaufbau, der ohne teilweise kompaktierten Graphit enthaltende Kühlungssegmente auskommt, die gesamte reversible Dickenänderung sämtlicher Pouchzellen vollständig ausgleichen. Letztlich nehmen die elastisch verformbaren Ausgleichselemente erfindungsgemäß also weniger Platz ein, so dass die Kapazität der Batterie bei gegebenem Bauraum noch weiter gesteigert werden kann. Dies führt zu einer höheren Reichweite eines Fahrzeugs, das mit gemäß der vorliegenden Erfindung gebauten Batteriemodulen ausgestattet ist. Die Dicken und Dickenänderungen der Pouchzellen sind nicht überall in der Fläche der Pouchzelle exakt gleich. Die mit dem Kühlungssegment in Kontakt stehenden Oberflächen sind also nach jedem Lade-/Entladezyklus nicht exakt gleich beschaffen. Eine besonders gute thermische Anbindung wird in der gesamten Fläche erfindungsgemäß dennoch erreicht. Die Erfinder vermuten, dass die Rückfederung Oberflächenunebenheiten der Pouchzelle kompensiert. Wenn das teilweise kompaktiertes Graphitexpandat enthal- tende Kühlungssegment eine Dichte von mehr als 1 ,4 g/cm3 aufweist, wird die gewünschte Rückfederung im Allgemeinen nicht mehr so gut erreicht, wie bei geringeren Dichten. Dies gilt insbesondere bei einer Dichte von mehr als 1 ,6 g/cm3. Unterhalb einer Dichte von 0,3 g/cm3 wird die Wärmeleitfähigkeit der Folie in der Ebene relativ gering. Dies gilt insbesondere bei einer Dichte unterhalb von 0,1 g/cm3. Auch die Stabilität der Folie ist bei sehr geringen Dichten nicht mehr vollkommen zufriedenstellend, insbesondere bei hohe Strömungsgeschwindigkeiten des Kühlfluids. Überstehende Ecken drohen von strömendem Kühlfluid dann abgeknickt oder abgebrochen zu werden. Die Dichte des teilweise kompaktierten Graphit enthaltende Kühlungssegments liegt also z.B. im Bereich von 0,1 bis 1 ,6 g/cm3, von 0,3 bis 1 ,6 g/cm3 oder sogar nur im Bereich von 0,1 bis 1 ,4 g/cm3 bzw. von 0,3 bis 1 ,4 g/cm3.
Demgemäß betrifft die Erfindung auch die Verwendung eines Kühlungssegments, das teilweise kompaktierten expandierten Graphit enthält und in Dickenrichtung des
Kühlungssegments eine Rückfederung von 2 bis 6%, bezogen auf seine Ausgangsdicke aufweist, zur Kompensation von Oberflächenunebenheiten einer an einer
Hauptoberfläche des Kühlungssegments anliegenden Pouchzelle.
Bei einer Dicke größer als 5 mm wird das Volumenverhältnis Batteriezelle zu Kühlele- ment in der Regel ungünstig. D.h., dass die Batteriekapazität pro Batterievolumen dann weniger günstig ist, als bei dünneren Graphitfolien oder -platten.
Das Kühlungssegment weist zwei Hauptoberflächen auf. Die eine Batteriezelle liegt an einem Teil der einen Hauptfläche an. Die andere Batteriezelle liegt an einem Teil der anderen Hauptfläche an. Typischerweise verlaufen die beiden Hauptflächen eben und parallel zueinander. Durch eine Parallelprojektion des Umrisses der Batteriezelle auf die Hauptfläche, an der die Batteriezelle anliegt, wird ein Projektionsumriss definiert. Vor- zugsweise liegen die Projektionsumrisse beider Batteriezellen vollständig innerhalb des Rands des Kühlungssegments. Vorzugsweise nimmt die vom einen Projektionsumriss umgebene Fläche 25 bis 95 %, z.B. 40 bis 80 %, der einen Hauptfläche ein. Vorzugs- weise nimmt die vom anderen Projektionsumriss umgebene Fläche 25 bis 95 %, z.B. 40 bis 80 %, der anderen Hauptfläche ein.
Dies hat den Vorteil, dass überstehende Bereiche des Kühlsegments in Form von Fin- nen die Wärme an das nichtleitende Fluid übertragen, was die indirekte Wärmübertra- gung (zweiter Wärmeleitpfad) begünstigt. Der umlaufende Abstand vom Projektionsumriss zum Rand des Kühlungssegments liegt vorzugsweise ringsum im Bereich von 0,5 bis 50 mm, bevorzugt 5 bis 40 mm, be- sonders bevorzugt 10 bis 30 mm.
Vorteilhafterweise wird die Batteriezelle aus der Gruppe prismatische Zellen, Pouchzel- len oder zylindrische Zellen, bevorzugt Pouchzellen ausgewählt.
Vorzugsweise hat die Pouchzelle eine Vorder- und eine Rückseite, die im Wesentlichen eben sind und parallel zueinander verlaufen. Die Vorder- und die Rückseite nehmen mindestens 50 %, z.B. mindestens 60 %, bevorzugt mindestens 70 % der gesamten Oberfläche eines Beutels ein, der die Pouchzelle nach außen abschließt.
Das erfindungsgemäße Batteriemodul kann als Akkumulator verwendet werden, der den Antrieb eines Fahrzeugs bewirkt oder mitbewirkt, z.B. eines durch elektrischen Strom angetriebenen PKWs (BEV oder HEV), Flugzeugs oder Schiffs.
Das Fluid ist elektrisch nichtleitend. Vorzugsweise ist das Fluid eine Flüssigkeit. Elektrisch nichtleitend bedeutet, dass die Flüssigkeit elektrischen Strom nicht leitet. Die Leitfähigkeit beträgt höchstens 10 8 S-crrf 1 bzw. der spezifische elektrische Widerstand beträgt 108 W-cm, gemessen jeweils bei 25°C. Er wird gemessen gemäß DIN EN 60247:2004. Die Flüssigkeit kann z.B. eine fluorierte organische Verbindung enthalten, z.B. eine voll- ständig fluorierte organische Verbindung oder eine teilweise fluorierte organische Ver- bindung, insbesondere ein teilweise oder vollständig fluoriertes Keton oder einen teil- weise oder vollständig fluorierten Ether. z.B. ein vollständig fluoriertes Keton, oder einen teilweise fluorierten Ether. Der bei einem Druck von 1 Bar bestimmte Siedepunkt der Verbindung kann beispielsweise im Bereich von 45 bis 150 °C, bevorzugt im Bereich von 55 °C bis 100 °C liegen.
Im vollständig fluorierten Keton kann an den Keto-Kohlenstoff eine siebenfach fluorierte Isopropylgruppe und eine fünffach fluorierte Ethylgruppe gebunden sein.
Die Erfindung betrifft auch die Verwendung des elektrisch nichtleitenden Fluids zur Küh- lung eines Batteriemoduls, z.B. des erfindungsgemäßen Batteriemoduls, das als Akku- mulator den Antrieb eines durch elektrischen Strom angetriebenen PKWs, Flugzeugs oder Schiffs bewirkt.
Die Verwendung elektrisch nichtleitender Flüssigkeiten als Kühlfluid hat den Vorteil, dass es bei einer eventuellen Beschädigung und einem thermischen Durchgehen (thermal runaway) einer Batteriezelle nicht zu einem Kurzschluss kommt.
Nachfolgend wird diev orliegende Erfindung rein beispielhaft anhand vorteilhafter Aus- führungsformen und unter Bezugnahme auf die beigefügten Zeichnungen beschrieben.
Die Erfindung wird durch die Figuren nicht beschränkt.
Figur 1 zeigt einen parallel zur Kontaktfläche von Pouchzelle und Kühlungssegment erfolgten Schnitt durch ein erfindungsgemäßes Batteriemodul.
Figur 2 zeigt einen orthogonal zur Kontaktfläche von Pouchzelle und Kühlungssegment erfolgten Schnitt durch einen Teil des in Figur 1 gezeigten Batteriemoduls.
In Figuren 1 und 2 ist dasselbe Batteriemodul 1 gezeigt. Es umfasst ein Gefäß 2. Das Batteriemodul 1 umfasst auch ein elektrisch nichtleitendes Fluid 3. Die vom Batteriemo- dulumfassten Batteriezellen 4, 14 sind Pouchzellen 4A, 14A, zwischen denen eine auf eine Dichte von 1 ,5 g/cm3 verdichtete, 2 mm starke, durch Verpressen von Graphitex- pandat gebildete Graphitplatte als Kühlungssegment 5 angeordnet ist.
Das Modul weist neben den Pouchzellen 4A und 14A und dem Kühlungssegment 5 weitere Pouchzellen und Kühlungssegmente auf, die einen Stapel bilden. Dies ist in Figur 2 zu sehen, wobei dort nur ein Teil des Stapels gezeigt ist.
Das Fluid 3 steht in dem Gefäß 2 in Kontakt mit Oberflächen 7, 17 der Pouchzellen 4A, 14A und in Kontakt mit einer Oberfläche 8 desK ühlungssegments 5.
Aus den Figuren wird deutlich, dass das Kühlungssegment 5 zwei Hauptoberflächen aufweist und dass die eine Pouchzelle 4A an einem Teil der einen Hauptfläche anliegt und die andere Pouchzelle 14A an einem Teil der der anderen Hauptfläche anliegt. Stromleitelemente 15, 16 sind nur in Figur 1 eingezeichnet.
Bezugszeichenliste
Batteriemodul 1
Gefäß 2
elektrisch nichtleitendes Fluid 3
Batteriezellen 4, 14
Pouchzellen 4A, 14A
Graphit enthaltendes Kühlungssegment 5
Oberflächen der Batteriezellen 7, 17
Oberfläche des Kühlungssegments 8
Stromleitelemente 15, 16

Claims

Patentansprüche
1. Batteriemodul (1 ) umfassend ein Gefäß (2), ein elektrisch nichtleitendes Fluid (3), mindestens zwei Batteriezellen (4,14) und mindestens ein Graphit enthaltendes Kühlungssegment (5), wobei
das Kühlungssegment (5) zwischen den Batteriezellen (4, 14) angeordnet ist und das Fluid (3) in dem Gefäß (2) in Kontakt mit Oberflächen (7, 17) der Batteriezellen (4,14) und in Kontakt mit einer Oberfläche (8) des Kühlungssegments (5) steht.
2. Batteriemodul (1 ) nach Anspruch 1 , wobei das Graphit enthaltende Kühlungsseg- ment (5) eine Graphitfolie oder eine Graphitplatte umfasst.
3. Batteriemodul (1 ) nach Anspruch 1 , wobei das Graphit enthaltendes Kühlungsseg- ment (5) Naturgraphit, synthetischen Graphit, expandierten Graphit oder Mischun- gen davon enthält.
4. Batteriemodul (1 ) nach Anspruch 1 , wobei das Kühlungssegment (5) teilweise
kompaktierten expandierten Graphit enthält.
5. Batteriemodul (1 ) nach Anspruch 4, wobei das Kühlungssegment in Dickenrichtung eine Rückfederung von 2 bis 6%, bezogen auf seine Ausgangsdicke aufweist.
6. Batteriemodul (1 ) nach Anspruch 4 oder 5, wobei die Dichte des teilweise
kompaktierten Graphitenthaltende Kühlungssegments im Bereich von 0,1 bis 1 ,6 g/cm3 liegt.
7. Batteriemodul (1 ) nach Anspruch 2, wobei die Graphitfolie eine Dicke von 10 pm bis 1 mm aufweist.
8. Batteriemodul (1 ) nach Anspruch 2, wobei die Graphitplatte eine Dicke von >1 mm bis 5 mm aufweist.
9. Batteriemodul (1 ) nach Anspruch 1 , wobei das Kühlungssegment (5) zwei Haupt- oberflächen aufweist, die eine Batteriezelle an einem Teil der einen Hauptfläche an- liegt und die andere Batteriezelle an einem Teil der der anderen Hauptfläche anliegt.
10. Batteriemodul (1 ) nach Anspruch 1 , wobei die Batteriezellen (4, 14) Pouchzellen (4A, 14A) sind.
1 1 . Batteriemodul (1 ) nach Anspruch 1 , wobei das elektrisch nichtleitende Fluid (3) unter teilweise oder vollständig fluorierten Ketonen und Ethern ausgewählt ist.
12. Verwendung eines Kühlungssegments (5), das teilweise kompaktierten expandierten Graphit enthält und in Dickenrichtung desK ühlungssegments eine Rückfederung von 2 bis 6%, bezogen auf seine Ausgangsdicke aufweist, zur Kompensation von Oberflächenunebenheiten einer an einer Hauptoberfläche des Kühlungssegments anliegenden Pouchzelle.
13. Verwendung nach Anspruch 12, wobei die Dichte des teilweise kompaktierten
Graphit enthaltende Kühlungssegments im Bereich von 0,1 bis 1 ,6 g/cm3 liegt.
14. Verwendung eines elektrisch nichtleitenden Fluids (3) zur Kühlung eines Batte- riemoduls (1 ), das als Akkumulator den Antrieb eines durch elektrischen Strom an- getriebenen PKWs, Flugzeugs oder Schiffs bewirkt.
15. Verwendung des Batteriemoduls (1 ) nach Anspruch 1 als Akkumulator der den An- trieb eines durch elektrischen Strom angetriebenen PKWs, Flugzeugs oder Schiffs bewirkt.
PCT/EP2019/067245 2018-06-28 2019-06-27 Batteriemodul und dessen verwendung Ceased WO2020002551A1 (de)

Applications Claiming Priority (2)

Application Number Priority Date Filing Date Title
DE102018210645.2 2018-06-28
DE102018210645.2A DE102018210645A1 (de) 2018-06-28 2018-06-28 Batteriemodul und dessen Verwendung

Publications (1)

Publication Number Publication Date
WO2020002551A1 true WO2020002551A1 (de) 2020-01-02

Family

ID=67253853

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
PCT/EP2019/067245 Ceased WO2020002551A1 (de) 2018-06-28 2019-06-27 Batteriemodul und dessen verwendung

Country Status (2)

Country Link
DE (1) DE102018210645A1 (de)
WO (1) WO2020002551A1 (de)

Citations (8)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
EP1120378A2 (de) 2000-01-29 2001-08-01 Sgl Carbon Ag Verfahren zum Herstellen von expandierbaren Graphiteinlagerungsverbindungen unter Verwendung von Phosphorsäuren
DE102008041547A1 (de) * 2008-08-26 2010-03-04 Robert Bosch Gmbh Batteriemodul
US20100279152A1 (en) 2009-04-30 2010-11-04 Lg Chem, Ltd. Battery systems, battery modules, and method for cooling a battery module
DE102010002000A1 (de) * 2010-02-16 2011-09-08 Sgl Carbon Se Wärmeableiter und elektrischer Energiespeicher
DE102011081149A1 (de) * 2011-08-17 2013-02-21 Sgl Carbon Se Wärmeableiter und elektrischer Energiespeicher
DE102012202748A1 (de) 2012-02-22 2013-08-22 Sgl Carbon Se Verfahren zur Herstellung einer Graphitfolie
DE102012207162A1 (de) * 2012-04-30 2013-10-31 Robert Bosch Gmbh Verfahren zur Herstellung von Li-Ionen Batteriemodulen und ein entsprechendes Li-Ionen Batteriemodul
DE212012000139U1 (de) * 2011-08-14 2014-02-28 Graftech International Holdings Inc. Batteriesatzanordnung

Family Cites Families (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JP5061753B2 (ja) * 2007-06-29 2012-10-31 トヨタ自動車株式会社 蓄電装置

Patent Citations (9)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
EP1120378A2 (de) 2000-01-29 2001-08-01 Sgl Carbon Ag Verfahren zum Herstellen von expandierbaren Graphiteinlagerungsverbindungen unter Verwendung von Phosphorsäuren
DE10003927A1 (de) 2000-01-29 2001-08-02 Sgl Technik Gmbh Verfahren zum Herstellen von expandierbaren Graphiteinlagerungsverbindungen unter Verwendung von Phosphorsäuren
DE102008041547A1 (de) * 2008-08-26 2010-03-04 Robert Bosch Gmbh Batteriemodul
US20100279152A1 (en) 2009-04-30 2010-11-04 Lg Chem, Ltd. Battery systems, battery modules, and method for cooling a battery module
DE102010002000A1 (de) * 2010-02-16 2011-09-08 Sgl Carbon Se Wärmeableiter und elektrischer Energiespeicher
DE212012000139U1 (de) * 2011-08-14 2014-02-28 Graftech International Holdings Inc. Batteriesatzanordnung
DE102011081149A1 (de) * 2011-08-17 2013-02-21 Sgl Carbon Se Wärmeableiter und elektrischer Energiespeicher
DE102012202748A1 (de) 2012-02-22 2013-08-22 Sgl Carbon Se Verfahren zur Herstellung einer Graphitfolie
DE102012207162A1 (de) * 2012-04-30 2013-10-31 Robert Bosch Gmbh Verfahren zur Herstellung von Li-Ionen Batteriemodulen und ein entsprechendes Li-Ionen Batteriemodul

Also Published As

Publication number Publication date
DE102018210645A1 (de) 2020-01-02

Similar Documents

Publication Publication Date Title
DE102013002847B4 (de) Batterieanordnung für ein Fahrzeug und Verfahren zum Betreiben einer Batterieanordnung
DE102011106690A1 (de) Batterien mit Phasenwechselmaterialien
DE212012000137U1 (de) Batteriesatzanordnung
EP2414185A2 (de) Vorrichtung zur thermischen anbindung eines energiespeichers
EP2417652A1 (de) Akkumulator mit verlängerter lebensdauer
EP2599153A1 (de) Vorrichtung zur spannungsversorgung mit einer kühlanordnung
DE102016122018B4 (de) Elektrischer Stromrichter
DE102010026133A1 (de) Kühlvorrichtung in einem Akkublock
DE102013021549A1 (de) Hochvoltbatterie
DE102010051010A1 (de) Vorrichtung zur Speicherung von elektrischer Energie
DE102015213622A1 (de) Thermisch leitfähiges Material und Verfahren zum Herstellen eines thermisch leitfähigen Materials
DE102011102491A1 (de) Verbesserte Hochspannungsanschlusskühlung mit einer Beschichtung mit hoher thermischer Leitfähigkeit
DE102019215636A1 (de) Batteriemodul
DE102018202946B4 (de) Batteriemodul für eine Batterie eines Kraftfahrzeugs sowie Batterie für ein Kraftfahrzeug
DE102020206191A1 (de) Batteriemodul mit Temperierung
DE102014221870A1 (de) Batterie
DE7439582U (de) Vorrichtung zui Kühlung oder Erwärmung einer aus Einzelzellen bestehenden Akkumulatorenbatterie
DE102011086130A1 (de) Batterie für ein Fahrzeug sowie Verfahren zum Herstellen einer Batterie
DE102016203932A1 (de) Energiespeichermodul
DE102015110667A1 (de) Zellenanordnung
DE102018210646B4 (de) Dichtungssegment zur Temperaturkontrolle einer fluidgekühlten Batterie
DE102019007130A1 (de) Batteriezelle, Batterieanordnung und Verfahren zum Entwärmen einer Batteriezelle
WO2020002551A1 (de) Batteriemodul und dessen verwendung
DE102019007812B4 (de) Batteriezelle für einen elektrischen Energiespeicher und elektrischer Energiespeicher
DE102024123404A1 (de) Batteriemodul

Legal Events

Date Code Title Description
121 Ep: the epo has been informed by wipo that ep was designated in this application

Ref document number: 19739216

Country of ref document: EP

Kind code of ref document: A1

NENP Non-entry into the national phase

Ref country code: DE

122 Ep: pct application non-entry in european phase

Ref document number: 19739216

Country of ref document: EP

Kind code of ref document: A1