DE102011083469A1

DE102011083469A1 - Batteriemodul umfassend eine Mehrzahl von Batteriezellen und Kraftfahrzeug

Info

Publication number: DE102011083469A1
Application number: DE102011083469A
Authority: DE
Inventors: Robert Thomas; Stephan Leuthner
Original assignee: SB LiMotive Germany GmbH; SB LiMotive Co Ltd
Current assignee: Robert Bosch GmbH; Samsung SDI Co Ltd
Priority date: 2011-09-27
Filing date: 2011-09-27
Publication date: 2013-03-28
Also published as: WO2013045264A1

Abstract

Es wird ein Batteriemodul (2) umfassend eine Mehrzahl von Batteriezellen (1) beschrieben, deren Pole (4) über Zellverbinder (5) in Reihe oder in Serie geschaltet sind. Kennzeichnend weist zumindest eine frei zugängliche Oberfläche eines Zellverbinders (5) eine hydrophobe Beschichtung (7) auf. Ferner wird ein Kraftfahrzeug umfassend das Batteriemodul vorgeschlagen.

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft ein Batteriemodul, das eine Mehrzahl von Batteriezellen, deren Pole über Zellverbinder in Reihe oder in Serie geschaltet sind, umfasst. Ferner betrifft die Erfindung ein Kraftfahrzeug welches ein solches Batteriemodul besitzt.
Stand der Technik
Es zeichnet sich ab, dass in Zukunft sowohl bei stationären Anwendungen beispielsweise bei Windkraftanlagen, in Fahrzeugen beispielsweise in Hybrid- und Elektrofahrzeugen als auch in elektronischen Geräten, wie beispielsweise in Laptops und Mobiltelefonen, vermehrt neue Batteriesysteme zum Einsatz kommen werden, an die sehr hohe Anforderungen bezüglich Zuverlässigkeit, Leistungsfähigkeit und Lebensdauer gestellt werden.
Einzelne Batteriezellen werden zu Modulen und diese wiederum zu Batterien zusammengefasst. 1 zeigt wie einzelne Batteriezellen 1 durch parallele oder serielle Verschaltung zu Batteriemodulen 2 und dann zu Batterien 3 verschaltet werden können. Dabei bestehen per Definition ein Batteriemodul 2 bzw. eine Batterie 3 aus mindestens zwei Batteriezellen 1.
Wie in 2 ersichtlich ist, erfolgt die Verschaltung der Batteriezellen 1 an den Polen 4 mit Hilfe von sogenannten Zellverbindern 5. Die Zellverbinder 5 können beispielsweise wie dargestellt mittels Beilagscheiben 9 und Muttern 10 befestigt sein, oder auch stoffschlüssig über eine Schweißverbindung mit den Polen 4 verbunden sein. Die Zellverbinder 5 verbinden bei serieller Schaltung den positiven Pol 4 mit dem negativen Pol 4 der nächsten Batteriezelle 1, den positiven Pol 4 dieser Batteriezelle 1 mit dem negativen Pol 4 der übernächsten und so weiter.
Bei Lithium-Ionen Batteriezellen ist typischerweise einer der Pole aus einem Aluminiumwerkstoff, wohingegen der andere Pol aus einem Kupferwerkstoff besteht. Die Zellverbinder bestehen ebenfalls aus Aluminium- oder Kupferblechstreifen.
Kupfer und Aluminium besitzen ein unterschiedliches elektrochemisches Potential. Kontaktieren sich diese beiden Metalle, bildet sich bei Benetzung der Verbindungsstelle durch ein leitfähiges Medium (Feuchtigkeit in einem Batteriemodul) ein sogenanntes elektro-chemisches Lokalelement, welches wie eine Batterie zu betrachten ist. Durch das Wasser werden Ionen transportiert, die Feststoffe leiten die Elektronen. Als Folge wird das unedlere Metall aufgelöst, das edlere bleibt unverändert. Dieser Korossionsprozess kann durch Ausbildung von oxidischen Ablagerungen zu einem Anstieg des Übergangswiderstandes an den Kontakten führen. Im schlimmsten Fall kommt es einer Auflösung der Verbindungsstelle und somit zu einem Ausfall des Batteriesystems. Das Vorhandensein von Feuchtigkeit ist in einem Batteriepack kaum zu verhindern. Neben dem oben genannten Korrosionsprozess wird darüber hinaus bei der Korrosion Wasserstoff freigesetzt.
Die DE 10 2008 059 970 A1 beschreibt eine Batterie mit einer Mehrzahl von Batteriezellen, die elektrisch über eine Zellverbinderplatine mit darauf befindlichen Zellverbindern miteinander verschaltet sind. Um Niveauunterschiede der einzelnen Pole ausgleichen zu können, sind die Zellverbinder flexibel ausgeführt und auf einer starren Zellverbinderplatine angeordnet. Eine Lösung zum Verminderung von Korrosion wird jedoch nicht offenbart.
Offenbarung der Erfindung
Erfindungsgemäß wird ein Batteriemodul umfassend eine Mehrzahl von Batteriezellen, deren Pole über Zellverbinder in Reihe oder in Serie geschaltet sind, zur Verfügung gestellt. Zumindest eine frei zugängliche Oberfläche eines Zellverbinders weist eine hydrophobe Beschichtung auf. Unter einer frei zugänglichen Fläche kann in diesem Zustand eine jede Fläche des Zellverbinders verstanden werden, die nach der Montage des Moduls von Wasser oder Wasserdampf benetzt werden kann.
Die Einteilung einer Oberfläche eines Körpers als hydrophob oder hydrophil erfolgt nach deren Kontaktwinkel gegenüber Wasser. Der Kontaktwinkel bezeichnet jenen Winkel, den ein Flüssigkeitstropfen auf der Oberfläche eines Feststoffes zu dieser Oberfläche in einem Grenzpunkt von Luft, Wasser und Festkörper bildet. Prinzipiell ist der Kontaktwinkel nicht auf ein System bestehend aus einem Festkörper, Luft und Wasser beschränkt, sondern das System kann beispielsweise auch aus einem Festkörper und zwei nicht mischbaren Fluiden bestehen. Die Bestimmung des Kontaktwinkels erfolgt über ein Kontaktwinkel-Goniometer. Physikalische Größen werden üblicherweise bei Raumtemperatur also 20° Celsius bestimmt. Ferner kann die Form eines Tropfens mittels der Young’schen Gleichung bestimmt werden, wobei der Kontaktwinkel eine Randbedingung darstellt.
Wäre dieser Kontaktwinkel gegenüber Wasser kleiner als 90°, würde man die Oberfläche als hydrophil bezeichnen, wobei bei einem Kontaktwinkel von 0° eine vollständige Benetzung vorliegt. Ab einem Kontaktwinkel einer Oberfläche gegenüber Wasser von größer als 90° spricht man von einer hydrophoben Oberfläche – der Körper wird nicht oder nur sehr unvollständig benetzt. Der Grenzwert des Kontaktwinkels von 180° beschreibt eine lediglich punktförmige Benetzungsstelle und somit eine absolute Unbenetzbarkeit.
Durch die hydrophobe Beschichtung des Zellverbinders kann dieser an den beschichteten Oberflächen von Feuchtigkeit nur unzureichend oder gar nicht benetzt werden. Sind bevorzugt die Oberflächen angrenzend an die Batteriepole oder angrenzend an den daran angebrachten Befestigungselementen mit der hydrophoben Beschichtung versehen, so wird die Bildung eines elektro-chemischen Lokalelementes ganz oder zumindest weitestgehend verhindert. Als Folge werden Korrosionsprozesse zwischen dem Zellverbinder und daran angrenzenden Bauteilen bei Materialpaarungen von Kupfer und Aluminium verhindert oder zumindest vermindert. Dies resultiert in einer erhöhten Lebensdauer des Moduls.
Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung ist vorgesehen, dass die hydrophobe Beschichtung des Zellverbinders einen Kontaktwinkel zu Wasser von mindestens 110° aufweist. Besonders bevorzugt weist die Beschichtung einen Kontaktwinkel zu Wasser von mindestens 120° auf, was einer bevorzugten Beschichtung des Zellverbinders mit PTFE (Polytetrafluorethylen) entspricht.
Ferner bevorzugt weist der Zellverbinder einen Kontaktwinkel zu Wasser von mindestens 150° auf. Besonders bevorzugt weist die Beschichtung einen Kontaktwinkel zu Wasser von mindestens 160° auf, wodurch sich ein Lotuseffekt ergibt. Um solch hohe Kontaktwinkel realisieren zu können, besitzt die beschichtete Oberfläche des Zellverbinders eine bevorzugte genau definierte Nanostrukturierung der Oberfläche, welche sich als Rauhigkeit der Oberfläche äußert. Bei solch einer Rauhigkeit dringt die Feuchtigkeit nicht bis zum Grund der Rauhigkeit vor, sondern lediglich bis zu den Spitzen der Rauhigkeit. Als Ergebnis gleitet der Tropfen bei einer Neigung der Oberfläche nicht auf seinem Flüssigkeitsfilm, sondern rollt ab.
Bevorzugt ist die hydrophobe Beschichtung oder Oberfläche des Zellverbinders mechanisch hergestellt worden. Je nach Größe der Oberflächenstrukturierung kann diese auch mit einem Ätzverfahren geätzt worden sein und somit eine geätzte Oberfläche sein. Ferner kann es sich bei der Beschichtung um eine gesputterte Beschichtung handeln, wie sie mittels Sputtern und insbesondere Laser-Sputtern erzeugbar ist. Verfahren zur Herstellung einer hydrophoben Oberfläche sind beispielsweise in der Druckschrift DE 10 2004 026 344_B4 beschrieben.
Gemäß einer weiteren bevorzugten Ausführungsform der Erfindung ist vorgesehen, dass die hydrophobe Beschichtung des Zellverbinders eine Lackschicht ist. Dies bezeichnet generell eine Beschichtung, die mit Hilfe eines Sprüh- oder Tauchverfahrens aufgebracht wird.
Die Beschichtung kann insbesondere erst nach der Verschaltung der Batteriezellen zu einem Batteriemodul aufgebracht werden. Bei diesem nachträglichen Aufbringen werden zwangsläufig auch angrenzende Bauteile wie beispielsweise die Pole, oder Verbindungselemente zur Fixierung des Zellverbinders mitbeschichtet, wodurch auch diese hydrophobe Eigenschaften aufweisen. Durch die hydrophoben Eigenschaften wird die Bildung eines durchgehenden Flüssigkeitsfilms unterbunden, wodurch das Auftreten von unerwünschten Kriechströmen verhindert wird.
Ferner ist bevorzugt, wenn die Beschichtung eine Folierung ist. Diese Folierung wird bevorzugt vor der Montage des Batteriemoduls auf den Zellverbinder aufgebracht.
Die gesamte frei zugängliche Oberfläche des Zellverbinders kann die hydrophobe Beschichtung aufweisen. Durch diese Ausgestaltung kann der Entstehung von Kriechströmen über die Oberfläche des Zellverbinders entgegengewirkt werden. Außerdem ist sichergestellt, dass sich an Orten, wo sich unterschiedliche Materialien berühren, beispielsweise bei einem Zellverbinder aus Kupfer und Befestigungselementen aus Aluminium, kein elektrochemisches Lokalelement bilden kann.
Weiterhin ist bevorzugt, wenn die gesamte Oberfläche des Zellverbinders die hydrophobe Beschichtung aufweist. Dies ist jedoch nur möglich, wenn es sich bei der Beschichtung nicht um einen elektrischen Isolator handeln. Durch diese Ausgestaltung kann der Zellverbinder bereits vor der Montage besonders einfach mittels eines Sprüh- oder Tauchverfahrens beschichtet werden.
Gemäß einer weiteren bevorzugten Ausführungsform der Erfindung ist vorgesehen, dass der Zellverbinder einen Grundkörper aus Metall, insbesondere bevorzugt aus Aluminium, Kupfer oder deren Legierungen besitzt, auf dem die hydrophobe Beschichtung aufgebracht ist. Diese Werkstoffe zeichnen sich durch eine hohe elektrische Leitfähigkeit aus, wodurch sie sich als Zellverbinderwerkstoff besonders eignen. Ferner bevorzugt kann der Grundkörper beispielsweise mit Zinn beschichtet sein.
Gemäß einer weiteren bevorzugten Ausführungsform der Erfindung ist vorgesehen, dass die hydrophobe Beschichtung Materialien aus der Gruppe der Glase umfassen.
Vorzugsweise sind die Batteriezellen des Batteriemoduls 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.
Ferner wird ein Kraftfahrzeug mit dem erfindungsgemäßen Batteriemodul zur Verfügung gestellt, wobei das Batteriemodul 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 dazugehörigen Zeichnungen und der nachfolgenden Beschreibung näher erläutert. Es zeigen:
1 Verschaltungen von Batteriezellen (Stand der Technik),
2 Batteriezellen mit Zellverbindern (Stand der Technik),
3 einen erfindungsgemäßen Zellverbinder mit hydrophober Beschichtung,
4 ein erfindungsgemäßes Modul, und
5 eine zweite Ausführungsform des erfindungsgemäßen Moduls.
Auf 1 und 2 wurde bereits zur Erläuterung des Standes der Technik eingegangen.
3 zeigt einen erfindungsgemäßen Zellverbinder 5 mit einer hydrophoben Beschichtung 7. Der Zellverbinder 5 umfasst im dargestellten Beispiel zwei Öffnungen 8, welche bei der elektrischen Verschaltung von zwei Batteriezellen 1 als Aufnahme der Pole 4 dienen.
4 zeigt die Seitenansicht zweier Batteriezellen 1, deren Pole 4 mittels eines Zellverbinders 5, zu einem erfindungsgemäßen Batteriemodul 2 elektrisch verschaltet sind. Die Fixierung des Zellverbinders 5 an den Polen 4 kann wie abgebildet mittels Beilagscheiben 9 und Muttern 10 erfolgen, welche auf Gewinde der Pole 4 geschraubt sind. Ebenso gebräuchlich ist eine stoffschlüssige Verbindung mittels Schweißen, oder eine Nietverbindung, also mechanische Umformung. Zur Verdeutlichung des Aufbaus des Zellverbinders 5 ist dieser geschnitten dargestellt. Der erfindungsgemäße Zellverbinder 5 umfasst eine hydrophobe Beschichtung 7, welche auf einem Grundkörper 6 aufgebracht ist. Der Grundkörper 6 kann, wie aus dem Stand der Technik bekannt, aus einem Aluminium- oder Kupferwerkstoff gefertigt sein. Die Beschichtung 7 ist entweder eine Lackschicht oder eine Folierung und muss im dargestellten Beispiel eine ausreichende elektrische Leitfähigkeit besitzen, um den Stromfluss zu den Polen nicht zu behindern.
Sollte es sich beispielsweise um eine elektrisch schlecht oder nicht leitfähige Beschichtung handeln, so können die Kontaktflächen von Zellverbinder 5 zu den Beilagscheiben 9, den Muttern 10 und den Polen 4 von der Beschichtung 7 ausgespart sein – ersichtlich in 5. Ferner denkbar sind beispielsweise spitze Erhöhungen an der Oberseite der unteren Muttern 10 oder an der Unterseite der oberen Beilagscheiben 9, welche bei der Montage die Beschichtung 7 durchdringen und so eine ausreichende Leitfähigkeit sicherstellen. Beschichtungen 7 mit bevorzugt hohem Kontaktwinkel gegenüber Wasser von beispielsweise 150° und mehr werden durch eine definierte Rauhigkeit der Oberfläche im Nanometerbereich erzielt. Dementsprechend sorgfältig muss bei der Montage des Batteriemoduls 2 vorgegangen werden, um die feine Oberflächenstruktur der frei zugänglichen Bereiche nicht zu zerstören.
Während des Betriebs des Batteriemoduls 2, beispielsweise in einem Kraftfahrzeug, ist das Eindringen von Feuchtigkeit in das Batteriemodul 2 nur schwer zu verhindern. Bildet sich ein Wassertropfen beispielsweise am Übergang A zwischen dem Zellverbinder 5 und der Beilagscheibe 9, so kann dieser aufgrund der hydrophoben Beschichtung 7 den Zellverbinder 5 nicht oder nur vermindert benetzen, wodurch die Bildung eines elektro-chemischen Lokalelementes zumindest teilweise verhindert wird. Zudem ist davon auszugehen, dass sich der Tropfen durch die hydrophobe Beschichtung 7 nicht dauerhaft am Übergang A halten kann. Vielmehr wird er beispielsweise bei der Kurvenfahrt abperlen. In Folge wird die Verschaltung der beiden Batteriezellen 1 nicht durch Korrosion gestört, der elektrische Stromfluss bleibt ungehindert.
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

DE 102008059970 A1 [0007]
DE 102004026344 B4 [0014]

Claims

Batteriemodul (2) umfassend eine Mehrzahl von Batteriezellen (1), deren Pole (4) über Zellverbinder (5) in Reihe oder in Serie geschaltet sind, dadurch gekennzeichnet, dass zumindest eine frei zugängliche Oberfläche eines Zellverbinders (5) eine hydrophobe Beschichtung (7) aufweist.
Batteriemodul (2) nach Anspruch 1, wobei die hydrophobe Beschichtung (7) des Zellverbinders (5) einen Kontaktwinkel zu Wasser von mindestens 110° aufweist.
Batteriemodul (2) nach Anspruch 2, wobei die hydrophobe Beschichtung (7) des Zellverbinders (5) einen Kontaktwinkel zu Wasser von mindestens 150° aufweist.
Batteriemodul (2) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die gesamte frei zugängliche Oberfläche des Zellverbinders (5) die hydrophobe Beschichtung (7) aufweist.
Batteriemodul (2) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die hydrophobe Beschichtung (7) des Zellverbinders (5) eine gesputterte Beschichtung, insbesondere eine laser-gesputterte Beschichtung ist.
Batteriemodul (2) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die hydrophobe Beschichtung (7) des Zellverbinders (5) eine Lackschicht ist.
Batteriemodul (2) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die hydrophobe Beschichtung (7) eine Folierung ist.
Batteriemodul (2) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei der Zellverbinder (5) einen Grundkörper (6) aus Aluminium, Kupfer oder deren Legierungen besitzt, auf dem die hydrophobe Beschichtung (7) aufgebracht ist.
Batteriemodul (2) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die Batteriezellen (1) des Batteriemoduls (2) Lithium-Ionen-Sekundärzellen sind.
Kraftfahrzeug mit einem Batteriemodul nach einem der Ansprüche 1 bis 9.