DE102011086050A1

DE102011086050A1 - Batteriezelle, Batterie und Kraftfahrzeug

Info

Publication number: DE102011086050A1
Application number: DE102011086050A
Authority: DE
Inventors: Alexander Reitzle; Joachim Fetzer
Original assignee: SB LiMotive Germany GmbH; SB LiMotive Co Ltd
Current assignee: Robert Bosch GmbH; Samsung SDI Co Ltd
Priority date: 2011-11-10
Filing date: 2011-11-10
Publication date: 2013-05-16
Also published as: US20140287297A1; CN103975457A; JP2014532974A; CN103975457B; WO2013068167A1

Abstract

Es wird eine Batteriezelle (10) beschrieben, deren Batteriezellengehäuse (16) eine Strukturierung in Form einer Faltungsstruktur (18) aufweist. Ferner wird eine Batteriezelle (10) beschrieben, deren Batteriezellengehäuse (16) eine Strukturierung in Form einer Sandwichkonstruktion (20) aufweist, welche eine Zwischenschicht (22) und zwei Deckschichten (24) umfasst. Des Weiteren wird eine Batteriezelle (10) beschrieben, deren Batteriezellengehäuse (16) eine Strukturierung in Form einer Inversionsstruktur (26) aufeist. Zudem wird eine Batterie umfassend eine Mehrzahl an Batteriezellen (10) und eine Kraftfahrzeug umfassend die Batterie beschrieben.

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft eine Batteriezelle mit einem Batteriezellengehäuse, eine Batterie, die eine Mehrzahl an derartigen Batteriezellen umfasst und ein Kraftfahrzeug, das die Batterie umfasst.
Stand der Technik
Batterien finden als mobile Energiequelle für den Antrieb in Automobilen immer weitere Verbreitung, vor allem seit der Entwicklung der Lithium-Ionen-Sekundärzelle, welche eine hohe Energie- bzw. Leistungsdichte im Vergleich zu älteren Technologien, wie beispielsweise dem Bleiakkumulator, mit sich bringt. Die neuen Batterietechnologien wurden für die Anwendung in Elektronikgeräten, wie zum Beispiel Videokameras oder Mobiltelefonen, entwickelt, welche ganz andere Anforderungen an die Umweltbelastung stellen als Batterien, welche für den Automobilbereich entwickelt werden. Jedoch wird bei einem Thema für beide Anwendungsbereiche das gleiche Maß verwendet. So dürfen den Batterien bei Unfällen keine mechanischen Beschädigungen zugefügt werden, das Gehäuse bzw. beim Fahrzeug das Chassis muss alle Kräfte und Belastungen auffangen, um eine Beschädigung der Batteriezellen im Inneren zu vermeiden. Kommt es doch zu einer entsprechenden mechanischen Beschädigung der Batteriezellen, dann können die Folgereaktionen in der Regel nicht kontrolliert werden, da die Zellen für einen solchen Fall nicht ausgelegt sind. Vor allem beim Einsatz in Fahrzeugen muss der Energiespeicher aber höchsten Sicherheitsstandards genügen, um insbesondere im Falle einer Kollision keine Gefährdung darzustellen.
Einzelne Batteriezellen werden zu Batteriemodulen und diese wiederum zu Batterien zusammengefasst. 1 zeigt wie einzelne Batteriezellen 10 durch parallele oder serielle Verschaltung zu Batteriemodulen 12 und dann zu Batterien 14 verschaltet werden können. Dabei bestehen per Definition ein Batteriemodul 12 bzw. eine Batterie 14 aus mindestens zwei Batteriezellen 10, wobei die Begriffe Batterie und Batteriemodul oft synonym verwendet werden.
Aus der EP 2 172 994 A1 ist ein Batteriemodul bekannt, das eine Vielzahl an Batteriezellen umfasst, deren erste Enden (umfassend die Batteriepole) in einem ersten Deckel mit kappenförmigen Aufnahmen gefasst sind. In den kappenförmigen Aufnahmen sind Zellverbinder integriert, um die Pole der Batteriezellen elektrisch leitend zu verbinden. Die zweiten Enden der Batteriezellen sind in einem zweiten Deckel gefasst, wobei der zweite Deckel die Enden gasdicht umschließt, so dass dieser als Entgasungssystem dient. Im Falle des Austritts von Batteriegasen aus den Batteriezellen, beispielsweise bei Überladung oder einem Defekt, werden diese von dem zweiten Deckel aufgefangen und beispielsweise über einen Schlauch aus dem Batteriemodul bzw. dem Fahrzeug abgeleitet.
Die WO 2010/111647 A2 beschreibt ebenfalls ein Batteriemodul, das eine Vielzahl an Batteriezellen und ein Entgasungssystem umfasst, wobei wieder jene Seite der Batteriezellen, aus welcher Batteriegas ausströmen kann, mit dem Entgasungssystem gekoppelt ist. Im Gegensatz zur EP 2 172 994 A1 können nun aber beide gegenüberliegenden Seiten des Entgasungssystems mit Batteriezellen gekoppelt werden.
Bei einem Fahrzeugunfall muss aber nicht nur sichergestellt werden, dass austretende Batteriegase sicher aus dem Fahrzeug geleitet werden, es ist ferner erstrebenswert kritische Beschädigungen der Batteriezellen zu verhindern.
In der automobilen Anwendung kommen drei verschiedene Zelltypen zum Einsatz: zylindrische Zellen, prismatische Zellen und Zellen mit weichen Gehäusen (Pouchzellen). Allen Zellen ist gemein, dass sie sich beim Einwirken von Kräften verformen können. Problematisch bei diesem Verformen ist jedoch, dass in der Regel nicht vorausgesagt werden kann, an welcher Stelle der Zelle die Verformung beginnt und wie sich die Verformung entlang des Gehäuses weiter ausbreitet. Im schlimmsten Fall beginnt diese Verformung an Stellen der Zelle, an der durch die Verformung der innere Aufbau der Zelle derart beschädigt oder zerstört wird, dass die nachfolgenden Reaktionen sehr heftig, beispielsweise in Form einer Explosion, ausfallen können.
Offenbarung der Erfindung
Gemäß einer ersten Ausgestaltung der Erfindung wird eine Batteriezelle, die ein Batteriezellengehäuse umfasst, zur Verfügung gestellt. Kennzeichnend weist das Batteriezellengehäuse eine Strukturierung in Form einer Faltungsstruktur auf. Diese Faltungsstruktur besteht im Allgemeinen aus sich wiederholenden Faltungssegmenten und kann in Form einer Mikrostrukturierung des Batteriezellengehäuses realisiert werden. Solche Mikrostrukturierungen können beispielsweise in das Batteriezellengehäuse eingeprägt oder eingelasert sein.
Die erfindungsgemäße Batteriezelle gemäß der ersten Ausgestaltung hat den Vorteil, dass bei Krafteinwirkung eine Verformung an einer vordefinierten Stelle beginnt und sich dann auch kontrolliert am Batteriezellengehäuse fortpflanzt. Bei Faltungsstrukturen werden sogenannte Fließgelenke durch Krafteinfluss verbogen, wodurch die Biegefront gleichmäßig durch die zu verbiegende Struktur läuft. Durch Krafteinwirkung falten sich die einzelnen Mikrostrukturen definiert an den Fließgelenken zusammen, die Geometrie des zusammengefalteten Batteriezellengehäuses kann mittels solcher Strukturen genau vorhergesagt werden. Zudem wird ein Teil der bei Fahrzeugkollisionen aufzunehmenden kinetischen Energie nicht alleine durch das Chassis des Fahrzeuges aufgenommen, sondern wird auch durch den mechanischen Aufbau des Batteriezellengehäuses durch die mikromechanische Strukturierung absorbiert. Die Zelle wird hierdurch zwar in ihrer Funktion als Energiespeicher unbrauchbar, die nachfolgenden Reaktionen (z. B. interner Kurzschluss, Öffnen der Zellen, Feuer) der Zellen sind jedoch kontrollierbar. Es ist eine genaue Vorhersage nachfolgender Reaktionen möglich, da das mechanische Verhalten bei Verformung der Batteriezellen genau kontrolliert werden kann.
Dadurch steigt die Sicherheit der Batteriezellen gegenüber dem derzeitigen Stand der Technik deutlich an, da durch die Vorhersagbarkeit der mechanischen Verformung der Batteriezellen der innere Aufbau der Zellen so gestaltet werden kann, dass Folgereaktionen, welche mit einem hohen Risiko verbunden sind, nicht mehr stattfinden können. Des Weiteren haben die Mikrostrukturen, welche in das Batteriezellengehäuse eingebracht werden, noch den Vorteil, dass sie die Festigkeit des Batteriezellengehäuses erhöhen können, wodurch eine mögliche Verformung erst bei höheren einwirkenden Kräften beginnt als bei den bislang verwendeten Zellen.
Gemäß einer vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung weist die Faltungsstruktur eine im Querschnitt gewellte Struktur mit geraden Verbindungsstücken auf. Die geraden Verbindungsstücke sind dabei über kleine gerundete oder geknickte Übergangsbereiche miteinander verbunden, welche bei Belastung als Fließgelenke wirken. Der Spitze-Spitze-Wert beträgt bevorzugt kleiner gleich 2,0 mm, die Längsausdehnung eines Faltungssegmentes beträgt bevorzugt kleiner gleich 1,5 mm, wobei dieser Wert von der Anzahl der gewünschten Faltungen abhängt.
Ferner bevorzugt weist die Faltungsstruktur eine im Querschnitt durchgehend gewellte Struktur mit Biegungen kleiner 180° auf. Der Spitze-Spitze-Wert beträgt bevorzugt kleiner gleich 2,0 mm, die Längsausdehnung eines Faltungssegmentes beträgt bevorzugt kleiner gleich 1,5 mm, wobei dieser Wert von der Anzahl der gewünschten Faltungen abhängt. Die im Querschnitt durchgehend gewellte Struktur kann bevorzugt sinusförmig ausgebildet sein. Weiterhin bevorzugt kann die Biegung auch gleich 180° sein.
Des Weiteren bevorzugt weist die Faltungsstruktur eine im Querschnitt verschlungen gewellte Struktur mit Biegungen größer 180° auf. Der Spitze-Spitze-Wert beträgt bevorzugt kleiner gleich 2,0 mm, die Längsausdehnung eines Faltungssegmentes beträgt bevorzugt kleiner gleich 1,5 mm, wobei dieser Wert von der Anzahl der gewünschten Faltungen abhängt.
Gemäß einer zweiten Ausgestaltung der Erfindung wird eine weitere Batteriezelle umfassend ein Batteriezellengehäuse zur Verfügung gestellt. Kennzeichnend weist das Batteriezellengehäuse eine Strukturierung in Form einer Sandwichkonstruktion, umfassend eine Zwischenschicht und zwei Deckschichten auf. Somit ist das Batteriezellengehäuse nicht einlagig ausgeführt, sondern mit mehreren Metalllagen, wobei die einzelnen Metalllagen mit einer stabilisierenden Struktur miteinander verbunden sind.
Die erfindungsgemäße Batteriezelle gemäß der zweiten Ausgestaltung hat den Vorteil, dass bei Druck auf diese Strukturen durch Verformung Energie aufgenommen werden kann, ohne das Innere der Batteriezellen zu beschädigen. Hierdurch werden lediglich die Leerräume der Zwischenschicht zerdrückt. Durch Krafteinwirkung, beispielsweise bei einer Kollision, wird die Zwischenschicht deformiert, wodurch diese einen Beitrag zur Energieaufnahme leistet.
Bevorzugt weist die Zwischenschicht der Sandwichkonstruktion eine Wabenstruktur auf. Diese Wabenstruktur bildet ähnlich einer Bienenwabe eine Vielzahl aneinandergereihter Sechsecke aus.
Ferner bevorzugt ist die Zwischenschicht der Sandwichkonstruktion aus lauter parallel zueinander angeordneten und miteinander verbundenen Röhren aufgebaut. Vorteilhaft sind die Röhren so angeordnet, dass bei vorgegebenem Raum und vorgegebenem Röhrendurchmesser möglichst viele Röhren Platz finden. Das bedeutet, dass die Röhren reihenweiße ineinander verschachtelt sind, also eine Reihe zur nächsten um den halben Röhrendurchmesser in Reihenrichtung versetzt angeordnet ist.
Gemäß einer dritten Ausgestaltung der Erfindung wird eine weitere Batteriezelle umfassend ein Batteriezellengehäuse zur Verfügung gestellt. Kennzeichnend weist das Batteriezellengehäuse eine Strukturierung in Form einer Inversionsstruktur auf. Solche Inversionsstrukturen bestehen beispielsweise aus einem Hohlkörper, welcher zur Aufnahme kinetischer Energie verformt werden kann und einem Stempel, welcher diese Verformung herbeiführt. Bei Verformung wird der Stempel in den Hohlkörper gedrückt, woraufhin sich dessen Wände umstülpen und einrollen können. Somit ist das Batteriezellengehäuse nicht einlagig ausgeführt, sondern wird vielmehr durch eine Vielzahl an aneinandergereihten Inversionsstrukturen gebildet.
Die erfindungsgemäße Batteriezelle gemäß der dritten Ausgestaltung hat den Vorteil, dass abhängig vom Umstülpradius der umgestülpten Wände weiche oder harte Strukturen erzeugt werden können, welche unterschiedlich viel Energie zum Umformen benötigen.
Ferner bevorzugt sind die Batteriezellen der ersten, zweiten oder dritten Ausgestaltung der Erfindung Lithium-Ionen-Sekundärzellen. Durch die Verwendung der Lithium-Ionen-Technologie können besonders hohe Energiespeicherdichten erzielt werden, was besonders im Bereich der Elektromobilität zu weiteren Vorteilen führt.
Als Materialien für die Batteriezellengehäuse eignen sich beispielsweise Metalle, insbesondere Aluminium und Stahl.
Des Weiteren wird eine Batterie zur Verfügung gestellt, welche eine Vielzahl an erfindungsgemäßen Batteriezellen umfasst.
Ferner wird ein Kraftfahrzeug umfassend die erfindungsgemäße Batterie zur Verfügung gestellt, wobei die Batterie in der Regel zur Speisung eines elektrischen Antriebssystems des Fahrzeuges vorgesehen ist.
Vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung sind in den Unteransprüchen angegeben oder der Beschreibung zu entnehmen.
Zeichnungen
Ausführungsbeispiele der Erfindung werden anhand der Zeichnungen und der nachfolgenden Beschreibung näher erläutert. Es zeigen:
1 eine Verschaltung von Batteriezellen (Stand der Technik),
2 bis 4 Faltungsstrukturen,
5 bis 7 eine Zwischenschicht aus einer Wabenstruktur und Sandwichkonstruktionen,
8 bis 10 eine Zwischenschicht aus einer Röhrenstruktur und Sandwichkonstruktionen, und
11 und 12 eine Inversionsstruktur.
Auf 1 wurde bereits zur Erläuterung des Standes der Technik eingegangen.
Die 2, 3 und 4 zeigen in schematischen Darstellungen drei verschiedene erfindungsgemäße Faltungsstrukturen 18 eines Batteriezellengehäuses 16, welches beispielsweise, wie abgebildet, rotationssymmetrisch sein kann. Die im mittleren Bereich des Batteriezellengehäuses 16 dargestellten Faltungsstrukturen 18 sind zur besseren Erkennbarkeit übertrieben dargestellt, wobei im oberen Bereich des Batteriezellengehäuses 16 die durch eine Kraft F aufgefaltete Faltungsstruktur 18 dargestellt ist. Die Faltungsstrukturen 18 können entweder, wie dargestellt, nur einen Teil des Batteriezellengehäuses 16 bedecken oder auch die gesamte Mantelfläche des Batteriezellengehäuses 16. Wird nun eine Kraft F auf das Batteriezellengehäuse 16 aufgebracht, so faltet sich das Batteriezellengehäuse 16 aufgrund der Faltungsstrukturen 18 in vordefinierter Weise zusammen, wodurch die Zerstörung des Innenlebens der Batteriezelle vorhersehbar wird.
2 zeigt eine Faltungsstruktur 18, welche im Querschnitt eine gewellte Struktur mit geraden Verbindungsstücken aufweist. Der Spitze-Spitze-Wert h beträgt bevorzugt kleiner gleich 2,0 mm, die Längsausdehnung k eines Faltungssegmentes beträgt bevorzugt kleiner gleich 1,5 mm, wobei dieser Wert von der Anzahl der gewünschten Faltungen abhängt. Beim Auffalten der Faltungsstruktur 18 fungieren die Stellen P als Fließgelenke, es entstehen nach der Verformung gefaltete Strukturen mit Biegungsradien mit ca. 180°.
3 zeigt eine Faltungsstruktur 18, welche im Querschnitt eine durchgehend gewellte Struktur aufweist. Der Spitze-Spitze-Wert h beträgt bevorzugt kleiner gleich 2,0 mm, die Längsausdehnung k eines Faltungssegmentes beträgt bevorzugt kleiner gleich 1,5 mm, wobei dieser Wert von der Anzahl der gewünschten Faltungen abhängt. Bei der Faltung bilden sich Biegeradien größer 180°.
4 zeigt eine Faltungsstruktur 18, welche im Querschnitt eine verschlungen gewellte Struktur aufweist. Der Spitze-Spitze-Wert h beträgt bevorzugt kleiner gleich 2,0 mm, die Längsausdehnung k eines Faltungssegmentes beträgt bevorzugt kleiner gleich 1,5 mm, wobei dieser Wert von der Anzahl der gewünschten Faltungen abhängt. Bei der Faltung bilden sich Biegeradien größer 180°.
5 zeigt eine Zwischenschicht 22 einer Sandwichkonstruktion 20 in Wabenform.
6 zeigt eine Sandwichkonstruktion 20 mit einer Zwischenschicht 22 und zwei Deckschichten 24, wobei die Deckschichten 24 so angeordnet sind, dass sie die Öffnungen der Waben verschließen. Erfindungsgemäß dient diese Sandwichkonstruktion 20 als Material für das Batteriezellengehäuse 16. Bei Belastung der Sandwichkonstruktion 20 mit einer Kraft normal auf die flächige Ausdehnung der Sandwichkonstruktion 20 klappt die Zwischenschicht 22 ineinander zusammen und nimmt Energie durch Verformung auf, ohne dass das Innere der Batteriezelle beschädigt wird.
7 zeigt ebenfalls eine Sandwichkonstruktion 20 mit einer Zwischenschicht 22 und zwei Deckschichten 24, wobei die Deckschichten 24 entlang der Mantelflächen der Waben angeordnet sind. Bei Belastung der Sandwichkonstruktion 20 mit einer Kraft normal auf die flächige Ausdehnung der Sandwichkonstruktion 20 klappt die Zwischenschicht 22 ineinander zusammen und nimmt kinetische Energie durch Verformung auf. Zusätzlich entsteht eine Kraftkomponente, die normal zur eingebrachten Kraft F und normal auf die Achsen der einzelnen Sechsecke steht. Diese Kraftkomponente bietet weitere Möglichkeiten zur Energieaufnahme.
8 zeigt eine weitere Zwischenschicht 22 einer Sandwichkonstruktion 20. Diese ist diesmal nicht wabenförmig ausgebildet, sondern umfasst eine Vielzahl an Röhren. Die Röhren können, wie abgebildet, geradlinig aneinandergereiht sein und jede aufeinander angrenzende Reihe um den halben Röhrendurchmesser in Reihenlängsrichtung verschoben sein. Die einzelnen Röhren können zugunsten einer erhöhten Stabilität miteinander verbunden sein.
Bezüglich der 9 und 10 mit einer Zwischenschicht 22 aus einer Vielzahl an Röhren gelten analoge Überlegungen wie bezüglich 3b und 3c.
In 11 ist eine Inversionsstruktur 26 im unverformten Zustand gezeigt. Diese besteht aus einem Hohlkörper 28, beispielsweise einem Hohlzylinder mit rechteckigem Querschnitt und einem darauf abgestimmten Stempel 30, zum Beispiel einer Pyramide mit rechteckiger Grundfläche. Durch Aufbringen einer Vielzahl solcher Strukturen auf das Batteriezellengehäuse 16 kann das Batteriezellengehäuse 16 einen Teil der bei einer Fahrzeugkollision abzuführenden kinetischen Energie aufnehmen.
12 ist eine Darstellung der Inversionsstruktur aus 5a nach der Verformung durch eine Kraft F. Dringt der Stempel 30 in den Hohlkörper 28 ein, so reißt der Hohlkörper 28 entlang seiner Ecken ein und wird an den abgeschrägten Stempelflächen umgebogen, wodurch sich die Wände des Hohlkörpers 28 mit dem Umstülpradius r einrollen. In Abhängigkeit vom Umstülpradius r können weiche oder harte Strukturen erzeugt werden, die unterschiedlich viel Energie zum Umformen benötigen.
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

EP 2172994 A1 [0004, 0005]
WO 2010/111647 A2 [0005]

Claims

Batteriezelle (10) umfassend ein Batteriezellengehäuse (16), dadurch gekennzeichnet, dass das Batteriezellengehäuse (16) eine Strukturierung in Form einer Faltungsstruktur (18) aufweist.
Batteriezelle (10) nach Anspruch 1, wobei die Faltungsstruktur (18) im Querschnitt eine gewellte Struktur mit geraden Verbindungsstücken aufweist.
Batteriezelle (10) nach Anspruch 1, wobei die Faltungsstruktur (18) im Querschnitt eine durchgehend gewellte Struktur mit Biegungen kleiner 180° aufweist.
Batteriezelle (10) nach Anspruch 1, wobei die Faltungsstruktur (18) im Querschnitt eine verschlungen gewellte Struktur mit Biegungen größer 180° aufweist.
Batteriezelle (10) umfassend ein Batteriezellengehäuse (16), dadurch gekennzeichnet, dass das Batteriezellengehäuse (16) eine Strukturierung in Form einer Sandwichkonstruktion (20) aufweist, die eine Zwischenschicht (22) und zwei Deckschichten (24) umfasst.
Batteriezelle (10) nach Anspruch 5, wobei die Zwischenschicht (22) der Sandwichkonstruktion (20) eine Wabenstruktur aufweist.
Batteriezelle (10) nach Anspruch 5, wobei die Zwischenschicht (22) der Sandwichkonstruktion (20) aus parallel zueinander angeordneten und miteinander verbundenen Röhren aufgebaut ist.
Batteriezelle (10) umfassend ein Batteriezellengehäuse (16), dadurch gekennzeichnet, dass das Batteriezellengehäuse (16) eine Strukturierung in Form einer Inversionsstruktur (26) aufweist.
Batterie umfassend eine Mehrzahl an Batteriezellen (10) nach einem der Ansprüche 1 bis 8.
Kraftfahrzeug umfassend eine Batterie nach Anspruch 9.