DE102020116353A1 - Propagationsreduzierende Anordnung von Batteriezellen - Google Patents
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Abstract
Die Erfindung betrifft eine propagationsreduzierende Anordnung von Batteriezellen, die für einen elektrischen Antrieb eines Fahrzeuges in einer Mehrzahl zu einem Modul zusammengefasst sind, wobei zwei verschiedene Zelltypen, nämlich hoch-energetische Zellen und hoch-sichere Zellen, in einem Hochvoltspeicher kombiniert sind. Vorzugsweise sind durch das Verhältnis der Anzahl von hoch-energetischen Zellen zur Anzahl der hoch-sicheren Zellen die Energiedichte und die Propagationssicherheit in einem vorgegebenen Maß einstellbar. In einer Weiterbildung der Erfindung sind zumindest Modulränder mit hoch-sicheren Zellen ausgestaltet. Schließlich sind vorzugsweise hoch-sichere Zellen, nebeneinander angeordnet, als Propagationsbarrieren ausgestaltet.
Description
- TECHNISCHES GEBIET
- Die vorliegende Erfindung betrifft eine propagationsreduzierende Anordnung von Batteriezellen, insbesondere in einem elektrisch angetriebenen Kraftfahrzeug (PHEV, BEV, MHEV), die in einer Vielzahl in Hochvoltspeichermodulen zusammengefasst werden und thermischen Belastungen ausgesetzt sein können.
- 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. 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, und die abgegebene Wärmemenge der initialen Zelle, werden über das Modul verteilt und können Nachbarzellen aufheizen. Wenn bei diesem Wärmetransfer 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 thermische Propagation bei modular aufgebauten Batteriezellen 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 eine propagationsreduzierende Anordnung von Batteriezellen, die für einen elektrischen Antrieb eines Fahrzeuges in einer Mehrzahl zu einem Modul zusammengefasst sind, wobei zwei verschiedene Zelltypen, nämlich hoch-energetische Zellen und hoch-sichere Zellen, in einem Hochvoltspeicher kombiniert sind.
- Vorzugsweise werden jeweils durch ein bestimmtes Verhältnis der Anzahl von hoch-energetischen Zellen zur Anzahl der hoch-sicheren Zellen jeweils eine vorgegebene Energiedichte und eine vorgegebene Propagationssicherheit eingestellt.
- In einer Weiterbildung der Erfindung sind zumindest Modulränder mit hoch-sicheren Zellen ausgestaltet.
- Schließlich sind vorzugsweise hoch-sichere Zellen, in bestimmter Weise nebeneinander angeordnet, als Propagationsbarrieren ausgestaltet.
- Der Erfindung liegen folgende Überlegungen zugrunde:
- Batteriespeicher für elektrische Fahrzeuge (BEVs, PHEVs, MHEVs) sollen propagationssicher sein. Das heißt, dass eine einzelne Zelle, die aufgrund eines Defekts sehr hohe Temperaturen erreicht, nicht in anderen Zellen ebenfalls exotherme Reaktionen anregen soll.
- Derzeit wird insbesondere versucht, die weitergegebene Wärmemenge einer defekten Zelle durch inaktive Materialien (z.B. Hitzeschilde) zu blockieren. Außerdem gibt es Entwicklungsprojekte zu neuen Speicherdesigns und Notkühlungen.
- Die Zugabe von inaktiven Materialien erniedrigt die Energiedichte des Speichers (gravimetrisch und volumetrisch), erhöht die Kosten und erschwert den Zusammenbau. Ebenso die Notkühlung und neue Speicherkonzepte werden höhere Kosten verursachen.
- Es gibt hoch-sichere Zellen mit höherer intrinsischer Sicherheit und Widerstandsfähigkeit gegen Propagation als bei den derzeit im Stand der Technik verwendeten hoch-energetischen Zellen. Dies könnten z.B. Zellen mit einem Kathodenaktivmaterial sein, das erst bei höheren Temperaturen exotherm reagiert (z.B. Lithiumeisenphosphat) oder Zellen mit einem widerstandsfähigerem Gehäuse (z.B. Stahl statt Aluminium). Diese hoch-sicheren Zellen haben meist eine etwas niedrigere Energiedichte als die typischen hoch-energetischen Zellen, die derzeit in serienmäßigen Elektro- oder Hybridfahrzeugen eingesetzt sind.
- Erfindungsgemäß werden nun zwei verschiedene Zelltypen, also hoch-energetische Zellen gemäß dem Stand der Technik bei Elektro- oder Hybridfahrzeugen und hoch-sichere Zellen in einem Hochvoltspeicher kombiniert. Durch das Verhältnis der Anzahl von hoch-energetischen Zellen zur Anzahl der hoch-sichere Zellen kann die Energiedichte und die Propagationssicherheit wunschgemäß eingestellt werden. Dadurch, dass Aktivmaterial in Form der hoch-sicheren Zellen als Propagationsbarriere eingesetzt wird, muss kein inaktives Material in das Modul eingebaut werden.
- In der Zeichnung sind Ausführungsbeispiele der Erfindung dargestellt. Es zeigt
-
1 beispielhaft das erfindungsgemäße Konzept für prismatische Zellen, -
2 beispielhaft das erfindungsgemäße Konzept für zylindrische Zellen mit einem ersten Verhältnis HE:HS und -
3 beispielhaft das erfindungsgemäße Konzept für zylindrische Zellen mit einem zweiten Verhältnis HE:HS. - In den
1 bis3 sind hoch-energetische Zellen HE und hoch-sichere Zellen HS jeweils in einem bestimmten Verhältnis aufgebaut. Dadurch soll eine mögliche Propagation an den HS- Zellen gestoppt oder zumindest verlangsamt werden. Um ein Überspringen von Modul zu Modul zu verhindern, werden vorzugsweise HS-Zellen auch am Rand eines Moduls vorgesehen (siehe insbesondere3 ). - In einer rein seriellen Verschaltung von Zellen sollten die beiden Zelltypen möglichst dieselbe Kapazität besitzen. Bei der Anwendung von prismatischen Zellen können kompliziertere Schaltbilder (Kombinationen parallel und seriell) nötig sein.
Claims (5)
- Propagationsreduzierende Anordnung von Batteriezellen (1), die für einen elektrischen Antrieb eines Fahrzeuges in einer Mehrzahl zu einem Modul zusammengefasst sind, wobei zwei verschiedene Zelltypen, nämlich hoch-energetische Zellen (HE) und hoch-sichere Zellen (HS), in einem Hochvoltspeicher kombiniert sind.
- Propagationsreduzierende Anordnung von Batteriezellen nach
Anspruch 1 , dadurch gekennzeichnet, dass durch das Verhältnis der Anzahl von hoch-energetischen Zellen (HE) zur Anzahl der hoch-sicheren Zellen (HS) die Energiedichte und die Propagationssicherheit in einem vorgegebenen Maß einstellbar sind. - Propagationsreduzierende Anordnung von Batteriezellen nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass zumindest Modulränder mit hoch-sicheren Zellen (HS) ausgestaltet sind.
- Propagationsreduzierende Anordnung von Batteriezellen nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass hoch-sichere Zellen (HS) derart nebeneinander angeordnet sind, dass sie eine Propagationsbarriere bilden.
- Fahrzeug mit einer propagationsreduzierenden Anordnung von Batteriezellen nach einem der vorangegangenen Ansprüche.
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2020
- 2020-06-22 DE DE102020116353.3A patent/DE102020116353A1/de active Pending
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