WO2022008153A1 - Schutzvorrichtung für batteriezellen - Google Patents

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Definitions

  • the present invention relates to a protective device for battery cells, in particular in an electrically driven motor vehicle, which are combined in a large number in high-voltage storage modules and can be exposed to thermal loads. Battery modules with lithium-ion cells are particularly affected.
  • high-voltage batteries To provide electrical drive energy in motor vehicles are storage batteries such. B. also referred to as high-voltage batteries, high-voltage storage or traction batteries known. Electrical energy at a comparatively high voltage of, for example, 400 V to 800 V is required to supply electrical drives in vehicles.
  • high-voltage storage devices are generally not constructed as monoblocks, but in modular form from a large number of battery cells. This increases the freedom of design and enables the use of comparatively inexpensive standard cells that can be mass-produced, instead of individual custom-made products.
  • the number of battery cells used is also directly related to the range of electric or hybrid vehicles. In practice, round cells, prismatic battery cells, in particular flat cells, or so-called pouch cells are used as battery cells for the high-voltage storage devices.
  • the amount of heat generated during operation of the high-voltage battery is comparatively high, and due to the packing density and the often encapsulated or at least narrow installation, the temperatures generated would be without a efficient cooling far exceed permissible parameters.
  • innovative cooling concepts play an important role in preventing the battery systems from overheating and the associated consequences, such as reducing the range and shortening the service life of the battery modules.
  • a first battery cell can thermally "run away” (so-called “thermal runaway”) and burst due to a sharp rise in temperature. Hot gases and soot particles escape. The escaping gases and particles are distributed over the module and can heat up neighboring cells. If a temperature increase during this heat transfer exceeds a critical threshold, other cells can also thermally "run away” (thermal propagation).
  • One object of the present invention is therefore to prevent propagation as far as possible in the event of a thermal runaway of a battery cell.
  • the invention relates in particular to a protective device for battery cells, which are combined in a plurality into a module for an electric drive of a vehicle, wherein a framework made of plastic is provided between the battery cells, which is coated with a fire-suppressing layer and separates each battery cell from the others Battery cells separated laterally.
  • a fire-suppressing layer is preferably additionally applied directly to the housing of the battery cells.
  • An air gap can be provided between each battery cell and each separation chamber of the framework.
  • thermal insulation mat or aerogel porous solid foam
  • thermally insulating potting compound or foam can be placed between the cells;
  • an air gap can be maintained between the cells.
  • Thermal propagation can occur if the neighboring cells are heated to over approx. 150°C by thermal conduction and thermal radiation.
  • thermal breakdown Another trigger case that is much more difficult to control is the lateral rupture of the cell in the event of thermal breakdown, also known as "side rupture".
  • a large amount of thermal energy can be transferred to the neighboring cell in a very short time.
  • Thermal insulation mats are often expensive, and they are not easy to install, especially in modules with small round cells, since they have to be threaded around a large number of cells.
  • Thermal foams often contain silicone, which is reluctant to be used in the automotive industry due to volatile components and their effects on paint etc.
  • silicone-containing foams or casting compounds are also expensive and rather heavy.
  • the basic idea of the invention consists in inserting a scaffold made of plastic between the cells, which is coated with a fire-suppressing layer. Alternatively or additionally, this layer can also be applied directly to the cells.
  • a very light and inexpensive material plastic
  • This plastic is therefore coated with a thermal insulation layer.
  • the layer may be: made of a material that turns ceramic when heated (e.g.
  • ceramizing elastomers as “ceramizing” elastomers) made of a material that forms a thermally insulating foam when heated; consist of materials which, at elevated temperatures, undergo an endothermic chemical or physical process that absorbs heat, or a combination of the above materials.
  • such a framework can suppress thermal propagation much better than, for example, an air gap between the cells. Since these events are mostly very brief, the extra protection of the thermal jacket allows the use of materials such as plastic that would melt at these temperatures.
  • FIG. 1 shows a schematic view of a plurality of battery cells in a framework according to the invention
  • FIG. 2 shows a schematic view of a separation chamber of the framework for a battery cell with different layer-coating alternatives.
  • the protective device has in particular a frame 2 made of plastic between the battery cells 1, with an air gap 3 preferably being provided between each battery cell 1 and each separation chamber of the frame 2.
  • the framework 2 creates separation chambers, which laterally separate each battery cell 1 from the other battery cells 1 .
  • Fig. 2 it is shown in the middle (black) that the scaffold 2 is covered with a fire-suppressing layer 4a.
  • a fire-suppressing layer 4a On the left-hand side of FIG. 2 it is shown (black) that alternatively or additionally the housing of the battery cells 1 can be encased with a fire-suppressing layer 4b.
  • the two layers 4a and 4b can differ, in particular the layer 4b can be thinner or lighter than the layer 4a; because the frame 2 is preferably designed with a plastic that is as light and/or thin as possible.

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Abstract

Die Erfindung betrifft eine Schutzvorrichtung für Batteriezellen, die für einen elektrischen Antrieb eines Fahrzeuges in einer Mehrzahl zu einem Modul zusammengefasst sind, wobei ein Gerüst aus Kunststoff zwischen den Batteriezellen vorgesehen ist, das mit einer Feuer-unterdrückenden Schicht ummantelt ist und jede Batteriezelle von den anderen Batteriezellen seitlich separiert. Vorzugsweise ist eine Feuer-unterdrückende Schicht zusätzlich direkt auf das Gehäuse der Batteriezellen aufgebracht. Zwischen jeder Batteriezelle und jeder Separationskammer des Gerüsts kann ein Luftspalt vorgesehen sein.

Description

SCHUTZVORRICHTUNG FÜR BATTERIEZELLEN
TECHNISCHES GEBIET
Die vorliegende Erfindung betrifft eine Schutzvorrichtung für Batteriezellen, insbesondere in einem elektrisch angetriebenen Kraftfahrzeug, die in einer Vielzahl in Hochvoltspeichermodulen zusammengefasst werden und thermischen Belastungen ausgesetzt sein können. Betroffen sind dabei insbesondere Batteriemodule mit Lithium-Ionen-Zellen.
STAND DER TECHNIK
Zur Bereitstellung elektrischer Antriebsenergie in Kraftfahrzeugen sind Speicherbatterien, z. B. auch als Hochvoltbatterien, Hochvoltspeicher oder Traktionsbatterien bezeichnet, bekannt. Zur Versorgung elektrischer Antriebe von Fahrzeugen wird elektrische Energie einer vergleichsweise hohen Spannung von beispielsweise 400 V bis 800 V benötigt. Hochvoltspeicher sind heute im Allgemeinen nicht als Monoblocks, sondern modular aus einer Vielzahl von Batteriezellen aufgebaut. Dies erhöht die Gestaltungsfreiheit und ermöglicht die Verwendung vergleichsweise kostengünstiger Standardzellen, die als Massenprodukte hergestellt werden können, anstelle von individuellen Spezialanfertigungen. Die Anzahl der eingesetzten Batteriezellen steht auch in direktem Zusammenhang mit der Reichweite von Elektro- oder Hybridfahrzeugen. In der Praxis kommen als Batteriezellen für die Hochvoltspeicher Rundzellen, prismatische Batteriezellen, insbesondere Flachzellen, oder sog. Pouchzellen zum Einsatz.
Die im Betrieb des Hochvoltspeichers entstehende Wärmemenge ist vergleichsweise hoch, und aufgrund der Packungsdichte und des oft verkapselten oder zumindest engen Einbaus würden die entstehenden Temperaturen ohne eine leistungsfähige Kühlung zulässige Parameter weit überschreiten. Hierbei nehmen innovative Kühlkonzepte eine wichtige Stellung ein, um das Überhitzen der Batteriesysteme und damit verbundene Konsequenzen, wie die Reduktion der Reichweite und die verkürzte Lebensdauer der Batteriemodule, zu verhindern.
Weiterhin kann im Falle eines Batteriezellen-Defekts eine erste Batteriezelle thermisch „Durchgehen“ (sog. „Thermal Runaway“) und durch starke Temperaturerhöhung bersten. Dabei treten heiße Gase und Rußpartikel aus. Die austretenden Gase und Partikel werden über das Modul verteilt und können Nachbarzellen aufheizen. Wenn bei diesem Hitzetransfer eine Temperaturerhöhung eine kritische Schwelle überschreitet, können auch weitere Zellen thermisch „durchgehen“ (thermische Propagation).
KURZBESCHREIBUNG DER ERFINDUNG
Eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung besteht also darin, eine Ausbreitung im Falle eines thermischen Durchgehens einer Batteriezelle möglichst zu verhindern.
Die Erfindung wird mit den Merkmalen der unabhängigen Ansprüche gelöst. Vorteilhafte Weiterbildungen und vorteilhafte Ausführungsformen bilden die Gegenstände der Unteransprüche.
Die Erfindung betrifft insbesondere eine Schutzvorrichtung für Batteriezellen, die für einen elektrischen Antrieb eines Fahrzeuges in einer Mehrzahl zu einem Modul zusammengefasst sind, wobei ein Gerüst aus Kunststoff zwischen den Batteriezellen vorgesehen ist, das mit einer Feuer unterdrückenden Schicht ummantelt ist und jede Batteriezelle von den anderen Batteriezellen seitlich separiert. Vorzugsweise ist eine Feuer-unterdrückende Schicht zusätzlich direkt auf das Gehäuse der Batteriezellen aufgebracht.
Zwischen jeder Batteriezelle und jeder Separationskammer des Gerüsts kann ein Luftspalt vorgesehen sein. Der Erfindung liegen folgende Überlegungen zugrunde:
Die Gewährleistung der Sicherheit der Batterie ist eine der Hauptherausforderungen in der Elektromobilität. Im Falle eines thermischen Durchgehens (sog. „Runaway“ aus dem Englischen) einer Zelle, bei dem Temperaturen von bis zu 1200°C erreicht werden können, sind benachbarte Zellen gefährdet, sich zu überhitzen und ebenfalls in ein thermisches Durchgehen überzugehen. Diesen Effekt nennt man auch thermisches Ausbreiten (oder sog. „Thermal Propagation“ aus dem Englischen). Für einen verbesserten Insassenschutz gilt es, eine thermische Propagation bzw. ein thermisches Ausbreiten möglichst zu verhindern oder zumindest zu verlangsamen.
Um eine thermische Ausbreitung zu verhindern, gibt es unterschiedliche Möglichkeiten, z. B.:
- es können Zellen mit reduzierter Energiedichte verbaut werden;
- es kann eine thermische Isolationsmatte oder Aerogel (poröser fester Schaumstoff) zwischen die Zellen verbaut werden (besonders bei prismatischen Zellen);
- es kann eine thermisch isolierende Vergussmasse oder Schaum zwischen die Zellen gebracht werden;
- es kann ein Luftspalt zwischen den Zellen vorgehalten werden.
Zu einer thermischen Propagation kann es kommen, wenn die benachbarten Zellen über Wärmeleitung und Wärmestrahlung über ca. 150°C erhitzt werden.
Ein weiterer, weitaus schwerer zu beherrschender Auslösefall ist das seitliche Aufbrechen der Zelle bei thermischem Durchbrechen, auch „side rupture“ aus dem Englische für ein seitliches thermisches Durchbrechen genannt. Hierbei kann sehr viel Wärmeenergie in sehr kurzer Zeit auf die Nachbarzelle übertragen werden. Besonders bei Isolation der Zellen durch Luft ist eine thermische Propagation durch „side rupture“ nur schwierig zu kontrollieren. Thermische Isolationsmatten sind oft teuer, zudem sind sie nicht leicht zu verbauen, besonders bei Modulen mit kleinen Rundzellen, da sie hier um eine große Anzahl von Zellen gefädelt werden müssen. Thermische Schäume enthalten oft Silikon, was aufgrund von flüchtigen Bestandteilen und deren Auswirkungen auf Lack etc. ungern in der Automobilbranche verwendet wird. Zudem sind silikonhaltige Schäume oder Vergussmassen ebenfalls teuer und eher schwer.
Die Grundidee der Erfindung besteht in einem Einsetzen eines Gerüsts aus Kunststoff zwischen den Zellen, welches mit einer Feuer-unterdrückenden Schicht ummantelt ist. Alternativ oder ergänzend kann diese Schicht auch direkt auf die Zellen aufgebracht werden. Vorteile hierdurch sind das Verwenden eines sehr leichten und preisgünstigen Materials (Kunststoff), das als Trennelement zwischen den Zellen in Form eines Gerüsts (auch „Scaffold“ aus dem Englischen genannt) in das Modul verbaut wird. Dieser Kunststoff wird also mit einer thermischen Isolationsschicht beschichtet. Die Schicht kann z.B.: aus einem Material bestehen, das bei Hitze in Keramik verwandelt wird (z.B. „ceramizing elastomers“, als „keramisierende“ Elastomere) aus einem Material bestehen, das bei Hitze einen thermisch isolierenden Schaum bildet; aus Materialien bestehen, die bei erhöhten Temperaturen einen endothermen chemischen oder physikalischen Prozess durchgehen, der Wärme absorbiert oder eine Kombination aus den oben genannten Materialen sein.
Mögliche Beschichtungshersteller können sein:
- Unifrax FyreWrap® LiB Films & Coatings
- Audax Renitherm®
- etc.
Besonders im Falle einer „side-rupture“ kann ein solches Gerüst eine thermische Propagation wesentlich besser unterdrücken als z.B. ein Luftspalt zwischen den Zellen. Da diese Ereignisse meistens sehr kurz sind, können durch den extra Schutz der thermischen Ummantelung auch Materialien wie Kunststoff verwendet werden, die bei diesen Temperaturen schmelzen würden.
Die Erfindung wird anhand von Ausführungsbeispielen erläutert. Dabei zeigt in den Zeichnungen
Fig. 1 eine schematische Ansicht einer Mehrzahl von Batteriezellen in einem erfindungsgemäßen Gerüst und
Fig. 2 eine schematische Ansicht einer Separationskammer des Gerüsts für eine Batteriezelle mit unterschiedlichen Schicht-Ummantelungs-Alternativen.
In Fig. 1 ist eine erfindungsgemäße Schutzvorrichtung für Batteriezellen 1 , die für einen elektrischen Antrieb eines Fahrzeuges in einer Mehrzahl zu einem Modul zusammengefasst sind, dargestellt. Die Schutzvorrichtung weist insbesondere ein Gerüst 2 aus Kunststoff zwischen den Batteriezellen 1 auf, wobei vorzugsweise ein Luftspalt 3 zwischen jeder Batteriezelle 1 und jeder Separationskammer des Gerüsts 2 vorgesehen ist. Durch das Gerüst 2 entstehen Separationskammern, die jede Batteriezelle 1 von den anderen Batteriezellen 1 seitlich separiert.
In Fig. 2 wird in der Mitte (schwarz) gezeigt, dass das Gerüst 2 mit einer Feuer-unterdrückenden Schicht 4a ummantelt ist. Auf der linken Seite der Fig. 2 wird (schwarz) gezeigt, dass alternativ oder zusätzlich das Gehäuse der Batteriezellen 1 mit einer Feuer-unterdrückenden Schicht 4b ummantelt sein kann. Die beiden Schichten 4a und 4b können sich unterscheiden, wobei insbesondere die Schicht 4b dünner oder leichter sein kann als die Schicht 4a; denn das Gerüst 2 wird vorzugsweise durch einen möglichst leichten und/oder dünnen Kunststoff ausgestaltet.

Claims

Patentansprüche
1. Schutzvorrichtung für Batteriezellen (1 ), die für einen elektrischen Antrieb eines Fahrzeuges in einer Mehrzahl zu einem Modul zusammengefasst sind, dadurch gekennzeichnet, dass ein Gerüst (2) aus Kunststoff zwischen den Batteriezellen (1) vorgesehen ist, das mit einer Feuer-unterdrückenden Schicht (4a) ummantelt ist und jede Batteriezelle (1) von den anderen Batteriezellen (1) seitlich separiert.
2. Schutzvorrichtung gemäß Anspruch 1 , dadurch gekennzeichnet, dass eine Feuer-unterdrückende Schicht (4b) zusätzlich direkt auf das Gehäuse der Batteriezellen (1) aufgebracht ist.
3. Schutzvorrichtung nach dem vorstehenden Anspruch, dadurch gekennzeichnet, dass ein Luftspalt (3) zwischen jeder Batteriezelle (1) und jeder Separationskammer des Gerüsts (2) vorgesehen ist.
4. Fahrzeug mit einer Schutzvorrichtung nach einem der vorangegangenen Ansprüche.
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