WO2011035990A1 - Thermische entkopplung von nachbarzellen in einem batteriesystem - Google Patents

Thermische entkopplung von nachbarzellen in einem batteriesystem Download PDF

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Ulrich Zimmermann
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Sb Limotive Company Ltd.
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Definitions

  • thermal conductives e.g. Heat sinks
  • heat energy can be dissipated by the battery cells to a heat sink, wherein the heat sink dissipates heat energy from the battery to the environment by means of cooling devices such as heat exchangers, air or liquid cooling.
  • a problem with these battery systems is that the heat transfer from one cell not only takes place on the adjacent heat sink, but can also continue on the neighboring cell.
  • the neighboring cell In a thermal "runaway" of a cell, for example, due to a defect, the neighboring cell can be heated so that it also "passes” and a chain reaction is created, which leads to the destruction of the entire battery system and people and the environment can be endangered. Disclosure of the invention
  • the present invention provides a battery system comprising:
  • a heat conducting means for dissipating heat energy from a battery cell surface to the heat sink, wherein a heat conducting means is thermally conductively connected to at least one mantle surface of a battery cell and the heat sink;
  • the battery system additionally comprises at least one heat insulating layer, which is arranged between two mutually facing surfaces of adjacent battery cells, that a direct transfer of heat energy between these adjacent battery cells is partially or completely suppressed.
  • heat energy is dissipated from a cell surface in which a heat conduction, which is thermally conductive connected to both the cell surface and a heat sink, absorbs heat energy from the cell surface and passively along a primary langeleitpfad in the direction of the heat sink, conducts conductive and finally on the Heat sink transfers.
  • the battery system according to the invention additionally has a heat insulating layer which limits or even prevents direct heat transfer from a battery cell to an adjacent battery cell of the battery system. Thereby, a battery system is provided which is less susceptible to spreading thermal runaway from a battery cell to an adjacent battery cell.
  • the battery system comprises a plurality of battery cells.
  • the term "battery system” is understood here to mean electrochemical energy stores, in particular batteries or accumulators of all conventional accumulator technologies, batteries or accumulators of the type Pb - lead-acid battery, NiCd-nickel-cadmium battery, NiH2-nickel-hydrogen-accumulator, NiMH-nickel Metal Hydride Battery, Li-Ion Lithium Ion Battery, LiPo Li Li Lithium Polymer Battery, LiFe - Lithium Metal Battery, Li-Mn - Lithium Manganese Battery, LiFeP0 4 - Lithium Iron Phosphate Battery, LiTi - Lithium Titanium Battery, RAM - Rechargeable Alkaline Manganese, Ni -Fe - Nickel-Iron Battery, Na / NiCI - Sodium-Nickel Chloride High Temperature Battery, SCiB - Super Charge Ion Battery, Silver-Zinc Battery, Silicone Battery, Vanadium Redox Battery
  • batteries of the lithium ion, lead acid, nickel cadmium, nickel metal hydride and / or sodium / sodium nickel chloride battery type can be used.
  • batteries of the lithium ion battery type can be used.
  • the term "battery system" is used both for a functional unit of a plurality of individual cells, as well as for modules of a plurality of cells, as well as for more complex architectures comprising a plurality of cells and / or modules a cell, wherein at least one of the cells has a prismatic basic shape.
  • the battery cells of the battery system can be arranged in a housing.
  • a battery system may comprise a single or a plurality of individual housings, each comprising a plurality of battery cells.
  • the battery system has a common housing, in which all cells or modules of the battery system are arranged.
  • the term "housing" is to be understood as meaning a device which has an interior suitable for accommodating one or more battery cells, a housing being permanently or temporarily open to the environment in one or two directions
  • the housing of the battery cells may be completely sealed off from the environment in all directions, the housing being able to have closable accesses, such as doors or lids, etc.
  • a housing can not be understood to mean the immediate cell wall which separates the electrochemical constituents of a single cell from the environment
  • the housing can be made of a material which comprises or consists of a metal, a metal sheet or a ceramic
  • the housing may particularly preferably be made of a material which comprises or consists of aluminum.
  • the battery system according to the invention has at least one heat sink.
  • the heat sink serves to absorb the dissipated heat energy of the battery cells and to provide them in a form such that the heat energy is dissipated via a heat exchanger.
  • ne cooling device can be removed from the battery system and possibly discharged to the environment.
  • the heat sink is designed such that an effective transfer of heat energy from the heat sink to a coolant of the cooling device is possible. Examples include cooling devices mentioned as heat exchangers, latent heat storage, fluid flow cooling devices such as air or liquid cooling. The person skilled in the art is familiar with suitable cooling devices and matching heat sink designs.
  • the battery system according to the invention has a plurality of heat conducting means, which are arranged in such a way that heat energy can be conductively transferred from the battery cells to the heat sink via the heat conducting means.
  • the heat transfer can be as large as possible with one or more surfaces of the lateral surface of the battery cells in contact, so that the fastest possible and effective heat transfer from the battery cells to the heat conducting is possible.
  • the heat conducting means are designed in such a way that an effective heat transfer is ensured both between the battery cell and the heat conducting means and between the heat conducting means and the cooling body.
  • the heat conduction of the battery system are made of a material having a heat transfer coefficient, which allow the fastest possible and effective transfer of heat energy from the battery cell to the heat conduction and the heat transfer to the heatsink used.
  • the heat-conducting means are preferably conventional heat-conducting sheets or so-called cooling sheets, particularly preferably heat-conducting sheets which contain or consist of aluminum.
  • the primary heat conduction path of the battery system results for each cell along the heat conduction in the direction of the heat sink and corresponds to the orientation of the temperature gradient from the battery cell to the heat sink.
  • the heat conducting means are in heat-conducting contact with at least one mantle surface of a battery cell.
  • This contact may be formed, for example, surface, wherein a surface of the heat conduction is directly contacted with a mantle surface of a battery cell or parts thereof.
  • One or more heat conducting means may partially or completely cover one, several or all of the mantle surfaces of a battery cell facing an adjacent battery cell of the battery system.
  • the heat conducting means may be located at least in part between mutually facing lateral surfaces of two adjacent battery cells.
  • the battery system according to the invention has a heat insulating layer, which is arranged so that adjacent battery cells are so separated from each other that a direct transfer of heat energy between mutually facing surfaces of adjacent battery cells is partially or completely prevented.
  • the heat insulating layer is arranged between two mutually facing surfaces of adjacent battery cells that a direct transfer of heat energy between these adjacent battery cells is partially or completely prevented.
  • the heat-insulating layer is characterized in that its thermal conductivity is lower than that of the heat-conducting means used and preferably also that of the battery cell jacket surfaces of the battery system, thereby ensuring that thermal energy is dissipated from a jacket surface of a battery cell preferably along the primary heat conduction path to the heat sink and not over the heat insulating layer is passed to the adjacent battery cell.
  • the heat-conducting layer can be formed by a gaseous, liquid or solid material or can be in a vacuum.
  • the heat conducting layer is formed by a solid material.
  • the solid material may for example be in the form of a foam, a film or a film.
  • the heat insulating layer may partially or completely cover one or more such surfaces of a heat conducting means of a first battery cell, which faces an adjacent second battery cell.
  • the heat insulating layer between the mutually facing lateral surfaces of adjacent battery cells is arranged.
  • the heat conduction means of the battery system may have recesses which extend substantially parallel to the direction of the primary michleitpfades and leave uncovered parts of the mantle surface of battery cells of heat conduction.
  • These recesses may extend, for example, on the mantle surface of a battery cell from an end of the mantle surface facing away from the heat sink in the direction of an end of the mantle surface facing the heat sink.
  • These recesses may be provided in a predetermined pattern.
  • the recesses of a heat conduction can be arranged alternately on a mantle surface of a battery cell, wherein areas with a recess alternate with areas without a recess.
  • the recesses are arranged alternately in a regular pattern.
  • the recesses of two mutually facing heat conducting means of adjacent battery cells can be arranged complementary to one another such that the heat conducting means of the first battery cell engages in recesses of the second battery cell and vice versa.
  • the arrangement of the areas of the heat conducting means with recess and the areas without recess can be made such that the heat conducting means of the first battery cell according to a key-lock principle engages in recesses of the heat conducting the second battery cell and vice versa.
  • the distance between the two adjacent battery cells can be minimized.
  • the heat conducting means and recesses of two adjacent battery cells can be arranged complementary to one another in such a way that the minimum distance between the two adjacent battery cells substantially corresponds to the sum of the layer thicknesses of the thicker of the two heat conducting means and the heat insulating layer.
  • the ratio of the mantle surfaces, which are occupied by heat conduction and recesses of the heat conduction be chosen so that the ratio of 0.8 to 1, 2.
  • This ratio makes it possible for approximately the same amount of contact surface for heat energy transfer to the respective heat conduction means to be available on the mutually facing mantle surfaces of two adjacent battery cells.
  • the shape of the recesses may be suitably selected to ensure both the attachment of the heat insulating layer. afford as well as to allow a space-saving as possible assembly with the adjacent battery cell.
  • one, several or all recesses of a battery system in the form of strips, columns or ribs can be configured.
  • the present invention also relates to motor vehicles comprising a battery system according to the invention.
  • the term "motor vehicle” is to be understood as meaning all driven vehicles which have an electrochemical energy store, irrespective of which drive these motor vehicles have.
  • the term “motor vehicle” comprises HEV (electric hybrid vehicles), PHEV (plug-in hybrid vehicles), EV (electric vehicles), fuel cell vehicles, as well as all vehicles that use an electrochemical energy store for the electrical power supply.
  • FIG. 1 shows a schematic representation of a first embodiment of the battery system according to the invention.
  • FIG. 2 shows a second embodiment of the battery system according to the invention in a schematic representation.
  • FIG. 1 is a schematic representation of a first embodiment of the battery system according to the invention.
  • the battery system 10 has two adjacent battery cells 1 1 a and 1 1 b, each having a heat conducting 13a and 13b on the mutually facing lateral surfaces.
  • the heat conducting means 13a and 13b are in contact with the battery cells 11a and 11b and with a heat sink 12 in such a heat-conducting manner that heat energy from the battery cells 11a or 11b is conducted along the primary heat conduction path to the heat sink 12. is transferable.
  • the battery system 10 has a heat insulating layer 14, which is arranged between the two adjacent battery cells 1 1 a and 1 1 b, so that the adjacent battery cells 1 1 a and 1 1 b are present separately from each other so that a transfer of heat energy between the two mutually facing lateral surfaces of the adjacent battery cells 1 1 a and 1 1 b is substantially suppressed. If the temperature in one of the two battery cells, for example in the battery cell 1 1 a, increases, the heat energy of this battery cell is preferably dissipated to the heat sink 12 along the primary heat conduction path. A direct transfer of heat energy from the heated battery cell 1 1 a to the adjacent battery cell 1 1 b is significantly reduced by the heat insulating layer 14. Thus, the risk that the overheating of a battery cell in an adjacent battery cell affects affected also significantly reduced, a thermal chain reaction thus unlikely.
  • FIG. 2 a second embodiment of the battery system according to the invention is shown schematically.
  • This battery system 20 differs from the first embodiment in FIG. 1 only in that the heat conducting means 23a and 23b now no longer extend continuously over the entire lateral surface of the respective battery cell 21a and 21b, but alternately have recesses formed such that the heat conducting means 23a and 23b complementarily engage with each other.
  • the mutually facing lateral surfaces of the adjacent battery cells 21 a and 21 b remain thermally separated by the heat insulating layer 24.
  • the heat conducting means 23a and 23b are in the form of strips, wherein the heat conduction from the respective mantle surface of the battery cell 21a or 21b via the heat conductor strips takes place respectively along the primary heat conduction path and finally to the heat sink 22.
  • a direct heat transfer between the two adjacent battery cells 21 a and 21 b is also prevented in this embodiment by the intermediate heat insulating layer 24 substantially.
  • This second embodiment of the battery system according to the invention is also characterized by the fact that the Batte Siri 21 a and 21 b can be tightly positioned and thus save space to each other.
  • the minimum distance D between the two adjacent battery cells 21 a and 21 b corresponds to the sum of the layer thickness of the thicker of the two heat conducting means 23 a or 23 b and the thickness of the heat insulating layer 24.

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Abstract

Die vorliegende Erfindung betrifft ein Batteriesystem, umfassend i) eine Mehrzahl von Batteriezellen; ii) mindestens einen Kühlkörper; iii) eine Mehrzahl von Wärmeleitmitteln zum Abführen von Wärmeenergie von einer Batteriezelloberfläche auf den Kühlkörper, wobei ein Wärmeleitmittel mit mindestens einer Manteloberfläche einer Batteriezelle und dem Kühlkörper wärmeleitend verbunden ist; dadurch gekennzeichnet, dass das Batteriesystem zusätzlich mindestens eine Wärmeisolierschicht aufweist, die derart zwischen zwei einander zugewandten Oberflächen benachbarter Batteriezellen angeordnet ist, dass ein direkter Übertrag von Wärmeenergie zwischen diesen benachbarten Batteriezellen teilweise oder ganz unterbindbar ist.

Description

Beschreibung
Titel
Thermische Entkopplung von Nachbarzellen in einem Batteriesvstem Stand der Technik
Um die Sicherheit, Funktion und Lebensdauer von Batteriesystemen, insbesondere von Lithium-Ionen Batteriesystemen, zu gewährleisten, ist es erforderlich die Zellen innerhalb eines vorgegebenen Temperaturbereichs zu betreiben. Während der Leistungsabgabe entsteht im Wesentlichen Joulsche Wärmeenergie, die durch den elektrischen Strom und den Widerstand der Zelle beschrieben werden kann. Um ein Aufheizen der Zelle über einen kritischen Temperaturschwellenwert hinaus zu vermeiden, muss diese Wärmeenergie effektiv abgeführt werden. Darüber hinaus muss die Temperaturverteilung über die Batteriezelle möglichst homogen sein, d.h. die Temperaturunterschiede sollten nicht mehr als 4 Kelvin betragen.
Zu diesem Zweck weisen die meisten Batterien mit mehreren Zellen Wärmeleitmittel, wie z.B. Kühlbleche, auf, die zwischen benachbarte Zellen platziert werden und wärmeleitend mit einem Kühlkörper verbunden sind. So kann Wärmeenergie von den Batteriezellen auf einen Kühlkörper abgeführt werden, wobei der Kühlkörper mittels Kühleinrichtungen wie Wärmetauscher, Luft- oder Flüssigkeitskühlungen Wärmeenergie aus der Batterie an die Umwelt abführt.
Ein Problem bei diesen Batteriesystemen ist, dass der Wärmeübertrag von einer Zelle nicht nur auf das anliegende Kühlblech erfolgt, sondern sich auch auf die Nachbarzelle fortsetzen kann. Bei einem thermischen„Durchgehen" (engl,„thermal runaway") einer Zelle z.B. aufgrund eines Defektes, kann die Nachbarzelle dadurch so weit erhitzt werden, dass diese ebenfalls„durchgeht" und eine Kettenreaktion entsteht, die dazu führt, dass das gesamte Batteriesystem zerstört wird und Personen und Umwelt gefährdet werden können. Offenbarung der Erfindung
Die vorliegende Erfindung stellt ein Batteriesystem bereit, umfassend:
i) eine Mehrzahl von Batteriezellen;
ii) mindestens einen Kühlkörper;
iii) eine Mehrzahl von Wärmeleitmitteln zum Abführen von Wärmeenergie von einer Batteriezelloberfläche auf den Kühlkörper, wobei ein Wärmeleitmittel mit mindestens einer Manteloberfläche einer Batteriezelle und dem Kühlkörper wärmeleitend verbunden ist;
dadurch gekennzeichnet, dass
das Batteriesystem zusätzlich mindestens eine Wärmeisolierschicht aufweist, die derart zwischen zwei einander zugewandten Oberflächen benachbarter Batteriezellen angeordnet ist, dass ein direkter Übertrag von Wärmeenergie zwischen diesen benachbarten Batteriezellen teilweise oder ganz unterbindbar ist.
Im erfindungsgemäßen Batteriesystem wird Wärmeenergie von einer Zelloberfläche abgeführt in dem ein Wärmeleitmittel, welches wärmeleitend sowohl mit der Zelloberfläche als auch mit einem Kühlkörper verbunden ist, Wärmeenergie von der Zelloberfläche aufnimmt und entlang eines primären Wärmeleitpfades in Richtung des Kühlkörpers passiv, konduktiv weiterleitet und schließlich auf den Kühlkörper überträgt. Das erfindungsgemäße Batteriesystem weist zusätzlich eine Wärmeisolierschicht auf, die einen direkten Wärmeübertrag von einer Batteriezelle auf eine benachbarte Batteriezelle des Batteriesystems begrenzt oder sogar verhindert. Dadurch wird ein Batteriesystem bereitgestellt, welches weniger anfällig ist für ein Übergreifen eines thermischen Durchgehens von einer Batteriezelle auf eine benachbarte Batteriezelle.
Das erfindungsgemäße Batteriesystem umfasst mehrere Batteriezellen. Unter dem Begriff„Batteriesystem" werden hier elektrochemische Energiespeicher verstanden, insbesondere Batterien oder Akkumulatoren aller gebräuchlichen Akkumulatortechnologien. Es können Batterien oder Akkumulatoren vom Typ Pb - Bleiakku, NiCd - Nickel-Cadmium-Akku, NiH2 - Nickel-Wasserstoff-Akkumulator, NiMH - Nickel-Metallhydrid-Akkumulator, Li-Ion - Lithium-Ionen-Akku, LiPo - Li- thium-Polymer-Akku, LiFe - Lithium-Metall-Akku, Li-Mn - Lithium-Mangan-Akku, LiFeP04 - Lithium-Eisen-Phosphat-Akkumulator, LiTi - Lithium-Titanat-Akku, RAM - Rechargeable Alkaline Manganese, Ni-Fe - Nickel-Eisen-Akku, Na/NiCI - Natrium-Nickelchlorid-Hochtemperaturbatterie, SCiB - Super Charge Ion Battery, Silber-Zink-Akku, Silikon-Akku, Vanadium-Redox-Akkumulator und/oder Zink- Brom-Akku verwendet werden. Insbesondere können Batterien vom Typ der Lithium-Ionen-, Blei/Säure-, Nickel-Cadmium-, Nickel-Metallhydrid- und/oder Natrium/Natriumnickelchlorid-Batterie eingesetzt werden. Besonders bevorzugt werden Batterien vom Typ der Lithium-Ionen-Batterie verwendet. Der Begriff„Batteriesystem" wird dabei sowohl für eine funktionale Einheit einer Mehrzahl einzelner Zellen, als auch für Module aus mehreren Zellen, als auch für komplexere Architekturen umfassend mehrere Zellen und/oder Module verwendet. Bevorzugt bezeichnet der Begriff„Batteriesystem" Energiespeicher mit mehr als einer Zelle, wobei mindestens eine der Zellen eine prismatische Grundform aufweist.
Die Batteriezellen des Batteriesystems können in einem Gehäuse angeordnet sein. Dabei kann ein Batteriesystem ein einziges oder mehrere einzelne Gehäuse umfassen, die jeweils mehrere Batteriezellen umfassen. Bevorzugt weist das Batteriesystem ein gemeinsames Gehäuse auf, in dem alle Zellen oder Module des Batteriesystems angeordnet sind. Unter dem Begriff„Gehäuse" ist dabei eine Vorrichtung zu verstehen, die einen Innenraum aufweist, der geeignet ist eine oder mehrere Batteriezellen aufzunehmen. Ein Gehäuse kann dabei in einer oder zwei Richtungen dauerhaft oder vorübergehend gegenüber der Umwelt offen sein. Bevorzugt grenzt das Gehäuse die enthaltenen Batteriezellen gegenüber der Umgebung nach allen Richtungen hin vollständig ab, wobei das Gehäuse verschließbare Zugänge, wie z.B. Türen oder Deckel aufweisen kann. Unter einem Gehäuse kann nicht der unmittelbare Zellmantel verstanden werden, der die elektrochemischen Bestandteile einer einzelnen Zelle von der Umwelt trennt. Bevorzugt kann das Gehäuse aus einem Material gefertigt sein, welches ein Metall, ein Metallblech oder eine Keramik umfasst oder daraus besteht. Besonders bevorzugt kann das Gehäuse aus einem Material gefertigt sein, welches Aluminium aufweist oder daraus besteht.
Das erfindungsgemäße Batteriesystem weist mindestens einen Kühlkörper auf. Der Kühlkörper dient dazu die abgeführte Wärmeenergie der Batteriezellen aufzunehmen und in einer Form bereitzustellen, so dass die Wärmeenergie über ei- ne Kühleinrichtung aus dem Batteriesystem abgeführt und ggf. an die Umgebung abgegeben werden kann. Dabei ist der Kühlkörper derart ausgestaltet, dass eine effektive Übertragung von Wärmeenergie von dem Kühlkörper auf ein Kühlmittel der Kühleinrichtung möglich ist. Beispielhaft seien Kühleinrichtungen erwähnt wie Wärmetauscher, Latentwärmespeicher, Fluidstromkühleinrichtungen wie Luftoder Flüssigkeitskühlungen. Dem Fachmann sind geeignete Kühleinrichtungen und dazu passende Kühlkörperausformungen bekannt.
Das erfindungsgemäße Batteriesystem weist mehrere Wärmeleitmittel auf, die derart angeordnet sind, dass über die Wärmeleitmittel Wärmeenergie konduktiv von den Batteriezellen an den Kühlkörper übertragbar ist. Dazu können die Wärmeleitmittel möglichst grossflächig mit einer oder mehreren Oberflächen der Mantelfläche der Batteriezellen in Kontakt stehen, so dass ein möglichst schneller und effektiver Wärmeübertrag von den Batteriezellen auf die Wärmeleitmittel möglich ist. Die Wärmeleitmittel sind dabei derart ausgeführt, dass ein effektiver Wärmeübertrag sowohl zwischen Batteriezelle und Wärmeleitmittel als auch zwischen Wärmeleitmittel und Kühlkörper gewährleistet ist. Die Wärmeleitmittel des Batteriesystems sind aus einem Material gefertigt, dass eine Wärmeübergangszahl aufweist, die eine möglichst schnelle und effektive Übertragung von Wärmeenergie von der Batteriezelle auf das Wärmeleitmittel und vom Wärmeleitmittel auf den verwendeten Kühlkörper erlauben. Entsprechende Materialien sind dem Fachmann bekannt. Bevorzugt handelt es sich bei den Wärmeleitmitteln um herkömmliche Wärmeleitbleche oder sog. Kühlbleche, besonders bevorzugt um Wärmeleitbleche, die Aluminium enthalten oder daraus bestehen. Bei der Gestaltung der Wärmeleitmittel ist vor allem der Querschnitt des Wärmeleitmittels nahe dem Kühlkörper relevant, da hier ein Grossteil des Wärmeaustausches von statten geht. Der primäre Wärmeleitpfad der Batteriesystem ergibt sich für jede Zelle entlang des Wärmeleitmittels in Richtung des Kühlkörpers und entspricht der O- rientierung des Temperaturgradienten von der Batteriezelle zum Kühlkörper.
Die Wärmeleitmittel stehen mit mindestens einer Manteloberfläche einer Batteriezelle wärmeleitend in Kontakt. Dieser Kontakt kann beispielsweise flächig ausgebildet sein, wobei eine Oberfläche des Wärmeleitmittels direkt mit einer Manteloberfläche einer Batteriezelle oder Teilen davon kontaktiert ist. Ein oder mehrere Wärmeleitmittel können teilweise oder ganz eine, mehrere oder alle Manteloberflächen einer Batteriezelle bedecken, die einer benachbarten Batteriezelle des Batteriesystems zugewandt sind. Dazu kann sich das Wärmeleitmittel mindestens in Teilen zwischen einander zugewandten Manteloberflächen zweier benachbarter Batteriezellen befinden.
Das erfindungsgemäße Batteriesystem weist eine Wärmeisolierschicht auf, die angeordnet ist, so dass benachbarte Batteriezellen derart voneinander getrennt vorliegen, dass ein direkter Übertrag von Wärmeenergie zwischen einander zugewandten Oberflächen benachbarter Batteriezellen teilweise oder ganz unterbunden ist. Dabei ist die Wärmeisolierschicht derart zwischen zwei einander zugewandten Oberflächen benachbarter Batteriezellen angeordnet, dass ein direkter Übertrag von Wärmeenergie zwischen diesen benachbarten Batteriezellen teilweise oder ganz unterbunden ist. Die Wärmeisolierschicht zeichnet sich dadurch aus, dass ihre Wärmeleitfähigkeit niedriger ist als die der verwendeten Wärmeleitmittel und bevorzugt auch als die der Batteriezellenmanteloberflächen des Batteriesystems und gewährleistet damit, dass Wärmeenergie von einer Manteloberfläche einer Batteriezelle bevorzugt entlang des primären Wärmeleitpfades zum Kühlkörper abgeführt und nicht über die Wärmeisolierschicht an die benachbarte Batteriezelle weitergegeben wird.
Grundsätzlich kann die Wärmeleitschicht durch ein gasförmiges, flüssiges oder festes Material gebildet werden oder in einem Vakuum bestehen. Beispiele für Materialien, welche in der Wärmeleitschicht verwendet werden können oder aus denen die Wärmeleitschicht besteht, sind Kunststoffe, wie z.B. PU-Kunststoffe (PU=Polyurethan), bevorzugt geschäumte Kunststoffe, Styropor, Glaswolle und/oder Asbest. Bevorzugt wird die Wärmeleitschicht durch ein festes Material gebildet. Das feste Material kann beispielsweise in Form eines Schaumes, einer Folie oder eines Filmes vorliegen. Die Wärmeisolierschicht kann teilweise oder ganz eine oder mehrere solcher Oberflächen eines Wärmeleitmittels einer ersten Batteriezelle bedecken, die einer benachbarten zweiten Batteriezelle zugewandt sind. Bevorzugt ist die Wärmeisolierschicht zwischen den einander zugewandten Manteloberflächen benachbarter Batteriezellen angeordnet.
Um Platz und/oder Material zu sparen kann es vorgesehen sein, dass ein, mehrere oder alle Wärmeleitmittel des Batteriesystems Aussparungen aufweisen, die sich im Wesentlichen parallel zur Richtung des primären Wärmeleitpfades erstrecken und Teile der Manteloberfläche von Batteriezellen von Wärmeleitmittel unbedeckt lassen. Diese Aussparungen können sich beispielsweise auf der Manteloberfläche einer Batteriezelle von einem dem Kühlkörper abgewandten Ende der Manteloberfläche in Richtung eines dem Kühlkörper zugewandten Ende der Manteloberfläche erstrecken. Diese Aussparungen können in einem vorher festgelegten Muster vorgesehen sein. Insbesondere können die Aussparungen eines Wärmeleitmittels auf einer Manteloberfläche einer Batteriezelle alternierend angeordnet sein, wobei sich Bereiche mit Aussparung mit Bereichen ohne Aussparung abwechseln. Bevorzugt sind die Aussparungen in einem regelmäßigen Muster alternierend angeordnet. Dabei können die Aussparungen zweier einander zugewandter Wärmeleitmittel benachbarter Batteriezellen derart komplementär zueinander angeordnet sein, dass das Wärmeleitmittel der ersten Batteriezelle in Aussparungen der zweiten Batteriezelle greift und umgekehrt. Die Anordnung der Bereiche der Wärmeleitmittel mit Aussparung und der Bereiche ohne Aussparung kann dabei derart erfolgen, dass das Wärmeleitmittel der ersten Batteriezelle gemäß eines Schlüssel-Schloss-Prinzips in Aussparungen des Wärmeleitmittels der zweiten Batteriezelle greift und umgekehrt.
Sind die Wärmeleitmittel der beiden benachbarten Batteriezellen besonders zweckmäßig ausgestaltet, so kann beispielsweise der Abstand zwischen den beiden benachbarten Batteriezellen minimiert werden. Insbesondere können die Wärmeleitmittel und Aussparungen zweier benachbarter Batteriezellen derart komplementär zueinander angeordnet sein, dass der Mindestabstand zwischen den beiden benachbarten Batteriezellen im Wesentlichen der Summe der Schichtdicken des dickeren der beiden Wärmeleitmittel und der Wärmeisolierschicht entspricht. Um eine möglichst homogene Temperaturregulation innerhalb des Batteriesystems zu erreichen kann das Verhältnis der Manteloberflächen, die von Wärmeleitmittel und Aussparungen des Wärmeleitmittels besetzt sind, so gewählt sein, dass das Verhältnis von 0,8 bis 1 ,2 beträgt. Dieses Verhältnis erlaubt es, dass auf den einander zugewandten Manteloberflächen zweier benachbarter Batteriezellen jeweils ungefähr gleich viel Kontaktfläche zur Wärmeener- gieübtertragung auf das jeweilige Wärmeleitmittel zur Verfügung steht. Bei der Wahl der Form der Aussparungen werden grundsätzlich keine besonderen Anforderungen gestellt. Insbesondere kann die Form der Aussparungen zweckmäßig gewählt sein, um sowohl die Anbringung der Wärmeisolierschicht zu gewähr- leisten als auch um einen möglichst platzsparenden Zusammenbau mit der benachbarten Batteriezelle zu erlauben. Beispielsweise können eine, mehrere oder alle Aussparungen eines Batteriesystems in Form von Streifen, Spalten oder Rippen ausgestaltet sein.
Die vorliegende Erfindung bezieht sich auch auf Kraftfahrzeuge, die ein erfindungsgemäßes Batteriesystem umfassen. Dabei sind unter dem Begriff„Kraftfahrzeug" alle angetriebenen Fahrzeuge zu verstehen, die einen elektrochemischen Energiespeicher aufweisen, unabhängig davon welchen Antrieb diese Kraftfahrzeuge aufweisen. Insbesondere umfasst der Begriff„Kraftfahrzeug" HEV (elektrische Hybridfahrzeuge), PHEV (Plug-In-Hybridfahrzeuge), EV (Elektrofahr- zeuge), Brennstoffzellenfahrzeuge, sowie alle Fahrzeuge, die einen elektrochemischen Energiespeicher für die elektrische Energieversorgung einsetzen.
Figuren
FIG. 1 zeigt eine erste Ausführungsform des erfindungsgemäßen Batteriesystems in schematischer Darstellung.
FIG. 2 zeigt eine zweite Ausführungsform des erfindungsgemäßen Batteriesystems in schematischer Darstellung.
Im Folgenden wird die vorliegende Erfindung anhand von Ausführungsbeispielen näher erläutert.
In FIG. 1 ist eine erste Ausführungsform des erfindungsgemäßen Batteriesystems schematisch dargestellt. Das Batteriesystem 10 weist zwei benachbarte Batteriezellen 1 1 a und 1 1 b auf, die jeweils auf den einander zugewandten Mantelflächen ein Wärmeleitmittel 13a bzw. 13b aufweisen. Die Wärmeleitmittel 13a und 13b stehen mit den Batteriezellen 1 1 a bzw. 1 1 b und mit einem Kühlkörper 12 derart wärmeleitend in Kontakt, dass Wärmeenergie von den Batteriezellen 1 1 a bzw. 1 1 b entlang des primären Wärmeleitpfades auf den Kühlkörper 12 ü- bertragbar ist. Das Batteriesystem 10 weist eine Wärmeisolierschicht 14 auf, die zwischen den beiden benachbarten Batteriezellen 1 1 a und 1 1 b angeordnet ist, so dass die benachbarte Batteriezellen 1 1 a und 1 1 b derart voneinander getrennt vorliegen, dass ein Übertrag von Wärmeenergie zwischen den beiden einander zugewandten Mantelflächen der benachbarten Batteriezellen 1 1 a und 1 1 b im Wesentlichen unterbunden ist. Steigt die Temperatur in einer der beiden Batteriezellen beispielsweise in der Batteriezelle 1 1 a besonders an, so wird die Wärmeenergie dieser Batteriezelle bevorzugt entlang des primären Wärmeleitpfades auf den Kühlkörper 12 abgeführt. Eine direkte Übertragung von Wärmeenergie von der erhitzten Batteriezelle 1 1 a auf die benachbarte Batteriezelle 1 1 b ist durch die Wärmeisolierschicht 14 deutlich reduziert. Somit wird die Gefahr dass die Überhitzung einer Battriezelle eine benachbarte Batteriezelle in Mitleidenschaft zieht ebenfalls deutlich reduziert, eine thermische Kettenreaktion somit unwahrscheinlicher.
In FIG. 2 ist eine zweite Ausführungsform des erfindungsgemäßen Batteriesystems schematisch dargestellt. Dieses Batteriesystem 20 unterscheidet sich von der ersten Ausführungsform in FIG. 1 lediglich dadurch, dass sich die Wärmeleitmittel 23a und 23b nun nicht mehr kontinuierlich über die gesamte Mantelfläche der jeweiligen Batteriezelle 21 a bzw. 21 b erstrecken sondern alternierend Aussparungen aufweisen, die derart ausgebildet sind, dass die Wärmeleitmittel 23a und 23b komplementär ineinandergreifen. Dabei bleiben die einander zugewandten Manteloberflächen der benachbarten Batteriezellen 21 a und 21 b durch die Wärmeisolierschicht 24 thermisch getrennt. Die Wärmeleitmittel 23a und 23b sind in Form von Streifen ausgebildet, wobei die Wärmeleitung von der jeweiligen Manteloberfläche der Batteriezelle 21 a bzw. 21 b über die Wärmeleitmittelstreifen jeweils entlang des primären Wärmeleitpfades erfolgt und schließlich an den Kühlkörper 22 erfolgt. Ein direkter Wärmeübertrag zwischen den beiden benachbarten Batteriezellen 21 a und 21 b ist auch bei dieser Ausführungsform durch die dazwischenliegende Wärmeisolierschicht 24 im Wesentlichen unterbunden. Diese zweite Ausführungsform des erfindungsgemäßen Batteriesystems zeichnet sich darüber hinaus dadurch aus, dass die Battereizellen 21 a und 21 b dicht und damit platzsparend zueinander positioniert werden können. Der Mindestabstand D zwischen den beiden benachbarten Batteriezellen 21 a und 21 b entspricht der Summe der Schichtdicke der dickeren der beiden Wärmeleitmittel 23a oder 23b und der Dicke der Wärmeisolierschicht 24.

Claims

Ansprüche
1 . Batteriesystem, umfassend
i) eine Mehrzahl von Batteriezellen;
ii) mindestens einen Kühlkörper;
iii) eine Mehrzahl von Wärmeleitmitteln zum Abführen von Wärmeenergie von einer Batteriezelloberfläche auf den Kühlkörper, wobei ein Wärmeleitmittel mit mindestens einer Manteloberfläche einer Batteriezelle und dem Kühlkörper wärmeleitend verbunden ist;
dadurch gekennzeichnet, dass
das Batteriesystem zusätzlich mindestens eine Wärmeisolierschicht aufweist, die derart zwischen zwei einander zugewandten Oberflächen benachbarter Batteriezellen angeordnet ist, dass ein direkter Übertrag von Wärmeenergie zwischen diesen benachbarten Batteriezellen teilweise oder ganz unterbindbar ist.
2. Batteriesystem nach Anspruch 1 , dadurch gekennzeichnet, dass die Wärmeleitmittel teilweise oder ganz eine, mehrere oder alle Manteloberflächen einer Batteriezelle bedecken, die einer benachbarten Batteriezelle des Batteriesystems zugewandt sind.
3. Batteriesystem nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Wärmeisolierschicht teilweise oder ganz eine Oberfläche eines Wärmeleitmittels bedeckt, die einer benachbarten Batteriezelle zugewandt ist.
4. Batteriesystem nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass ein, mehrere oder alle Wärmeleitmittel Aussparungen aufweisen, die sich im Wesentlichen parallel zur Richtung des primären Wärmeleitpfades erstrecken und Teile der Manteloberfläche von Batteriezellen von Wärmeleitmittel unbedeckt lassen.
Batteriesystem nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass die Aussparungen eines Wärmeleitmittels auf einer Manteloberfläche einer Batteriezelle alternierend, bevorzugt in einem regelmäßigen Muster alternierend, angeordnet sind.
Batteriesystem nach einem der Ansprüche 4 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass die Aussparungen zweier einander zugewandter Wärmeleitmittel benachbarter Batteriezellen derart komplementär zueinander angeordnet sind, dass das Wärmeleitmittel der ersten Batteriezelle in Aussparungen der zweiten Batteriezelle greift und umgekehrt.
Batteriesystem nach Ansprüche 6, dadurch gekennzeichnet, dass die Wärmeleitmittel und Aussparungen zweier benachbarter Batteriezellen derart komplementär zueinander angeordnet sind, dass der Mindestabstand zwischen den zwei benachbarten Batteriezellen im Wesentlichen der Summe der Schichtdicken der dickeren der beiden Wärmeleitmittel und der Wärmeisolierschicht entspricht.
Batteriesystem nach einem der Ansprüche 4 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass das Verhältnis der Manteloberflächen, die von Wärmeleitmittel und Aussparungen des Wärmeleitmittels besetzt sind von 0,8 bis 1 ,2 beträgt.
Batteriesystem nach einem der Ansprüche 4 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass die Aussparungen in Form von Streifen, Spalten oder Rippen ausgestaltet sind.
10. Kraftfahrzeug umfassend ein Batteriesystem nach einem der Ansprüche 1 bis 9.
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