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Title:
ASSEMBLY OF BATTERY CELLS, AND AIRCRAFT COMPRISING SUCH AN ASSEMBLY
Document Type and Number:
WIPO Patent Application WO/2019/068549
Kind Code:
A1
Abstract:
The invention relates to an assembly having a plurality of electrically interconnected battery cells (1) in a housing (2); an electrically insulating cooling liquid (3) which directly surrounds the battery cells (1) flows around the battery cells (1) in the housing (2). An aircraft (12) comprising such an assembly is also disclosed.

Inventors:
MAKOWSKA AGNIESZKA (DE)
MEYER ANDREAS (DE)
Application Number:
PCT/EP2018/076256
Publication Date:
April 11, 2019
Filing Date:
September 27, 2018
Export Citation:
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Assignee:
SIEMENS AG (DE)
International Classes:
H01M10/6567; H01M10/613; H01M10/625; H01M10/6551
Domestic Patent References:
WO2011105256A12011-09-01
Foreign References:
EP2068383A12009-06-10
EP2132823B12011-03-02
US20170279172A12017-09-28
DE102014203644A12015-09-03
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Claims:
Patentansprüche

1. Anordnung aufweisend mehrere, miteinander elektrisch verbundene Batteriezellen (1) in einem Gehäuse (2),

gekennzeichnet durch :

eine die Batteriezellen (1) unmittelbar umgebende elektrisch isolierende Kühlflüssigkeit (3) .

2. Anordnung nach Anspruch 1,

dadurch gekennzeichnet,

dass die Kühlflüssigkeit (3) ein Isolieröl ist.

3. Anordnung nach Anspruch 2,

dadurch gekennzeichnet,

dass das Isolieröl ein Silikonöl ist.

4. Anordnung nach einem der vorhergehenden Ansprüche,

gekennzeichnet durch:

mindestens einen im Inneren des Gehäuses (2) an dem Ge- häuse (2) angeordneten als Wärmesenke wirkenden ersten Kühlkörper (5) , der ausgebildet ist, Wärme der Kühlflüssigkeit (3) aufzunehmen und an das Gehäuse (2) und/oder an die Umgebung abzugeben. 5. Anordnung nach Anspruch 4,

dadurch gekennzeichnet,

dass der erste Kühlkörper (5) erste Kühlrippen (7) aufweist.

6. Anordnung nach Anspruch 4 oder 5,

dadurch gekennzeichnet,

dass der erste Kühlkörper (5) zumindest teilweise aus Metall gebildet ist.

7. Anordnung nach einem der vorhergehenden Ansprüche,

gekennzeichnet durch:

mindestens einen außen an dem Gehäuse (2) angeordneten als Wärmesenke wirkenden zweiten Kühlkörper (6), der ausge- bildet ist, Wärme des ersten Kühlkörpers (5) und/oder des Ge¬ häuses (2) aufzunehmen und an die Umgebung abzugeben.

8. Anordnung nach Anspruch 7,

dadurch gekennzeichnet,

dass der zweite Kühlkörper (6) zweite Kühlrippen (8) auf¬ weist.

9. Anordnung nach Anspruch 7 oder 8,

dadurch gekennzeichnet,

dass der zweite Kühlkörper (6) zumindest teilweise aus Metall gebildet ist.

10. Anordnung nach einem der vorhergehenden Ansprüche,

gekennzeichnet durch:

mindestens ein an dem Gehäuse (2) ausgebildetes Ventil (9), das ausgebildet ist, bei Übergang der Kühlflüssigkeit (3) in den gasförmigen Zustand das derart gebildete Gas abzu¬ lassen .

11. Anordnung nach einem der vorhergehenden Ansprüche,

gekennzeichnet durch:

eine außerhalb des Gehäuses (1) befindliches Kühlmittel (10), das das Gehäuse (2) zumindest teilweise umgibt.

12. Anordnung nach Anspruch 11,

gekennzeichnet durch:

eine Kühleinheit (11), die ausgebildet ist, das Kühlmit¬ tel (10) zu kühlen.

13. Anordnung nach einem der vorhergehenden Ansprüche,

dadurch gekennzeichnet,

dass die Batteriezelle (1) eine Li-Ionen-Batteriezelle, eine Li-Polymer-Batteriezelle oder eine Festkörperelektrolytbatte¬ rie ist.

14. Flugzeug (12) aufweisend einen elektrischen Antrieb (13) und eine Anordnung nach einem der vorhergehenden Ansprüche.

Description:
Beschreibung

Anordnung von Batteriezellen und Flugzeug mit einer derartigen Anordnung

Gebiet der Erfindung

Die Erfindung betrifft eine Anordnung mit mehreren, miteinander elektrisch verbundenen Batteriezellen in einem Gehäuse. Die Erfindung betrifft auch ein Flugzeug mit einer derartigen Anordnung .

Hintergrund der Erfindung Es ist bekannt, dass sowohl bei stationären Anwendungen, zum Beispiel bei Windkraftanlagen, als auch bei mobilen Anwendungen, zum Beispiel bei Elektrokraftfahrzeugen wie beispielsweise bei elektrisch angetriebenen Flugzeugen, als wiederauf- ladbare elektrische Energiespeicher Lithium-Ionen- Akkumulatoren, Lithium-Polymer-Akkumulatoren oder Nickel- Metallhybrid-Akkumulatoren zur Einsatz kommen.

Lithium-Ionen-Akkumulatoren umfassen eine positive Elektrode (Kathode) und eine negative Elektrode (Anode) , die Lithium- Ionen (Li+) beim Laden reversibel einlagern ( Interkalation) und beim Entladen wieder auslagern (Deinterkalation) können. Lithium-Ionen-Akkumulatoren haben eine hohe Energiedichte und eine geringe Selbstentladung. Derartige Batteriesysteme müssen sehr hohe Anforderungen be ¬ züglich des nutzbaren Energieinhalts, des Lade / Entlade- Wirkungsgrads , der Zuverlässigkeit, der Lebensdauer und des unerwünschten Kapazitätsverlusts durch häufige Teilentladung erfüllen .

Ein Batteriesystem umfasst eine Vielzahl von Batteriezellen. Aufgrund ihres Zelleninnenwiderstands und der stattfindenden elektrochemischen Prozesse erwärmen sich die Batteriezellen während des Ladens und Entladens. Die Batteriezellen können in Reihe (Serie) verschaltet werden, um die elektrische Span ¬ nung zu erhöhen, und / oder parallel verschaltet werden, um die Batteriekapazität zu erhöhen. Dabei können die Batterie- zellen zu einer Batterieeinheiten bzw. zu Batteriemodulen zu- sammengefasst werden. Beim Einsatz zum Antrieb von Fahrzeugen können beispielsweise mehrere 100 Batteriezellen in Serie bzw. parallel verschaltet werden. Bei einem Hochvoltbatterie ¬ system kann die Gesamtspannung somit beispielsweise 450 V bis 600 V betragen.

Der für den Betrieb der Batteriezellen zulässige Temperaturbereich liegt typischer Weise zwischen -30 °C und +70 °C, vorzugsweise zwischen +5 °C und +35 °C. Im unteren Bereich der Betriebstemperatur kann die Leistungsfähigkeit der Batte ¬ riezellen deutlich abnehmen. Bei Temperaturen von unter etwa 0 °C steigt der Innenwiderstand der Batteriezellen stark an, und sowohl die Leistungsfähigkeit als auch der Wirkungsgrad der Batteriezellen nehmen mit weiter fallenden Temperaturen kontinuierlich ab. Dabei kann auch eine irreversible Schädi ¬ gung der Batteriezellen auftreten.

Auch wenn die Betriebstemperatur überschritten wird, kann die Leistungsfähigkeit der Batteriezellen deutlich abnehmen. Bei Temperaturen über etwa 40 °C wird die Lebensdauer der Batteriezellen reduziert. Dabei kann ebenfalls eine irreversible Schädigung der Batteriezellen auftreten. Weiterhin liegt der für den Betrieb der Batteriezellen zulässige Temperaturunterschied (Temperaturgradient) in einer Batteriezelle und/oder innerhalb eines Batteriemoduls oder einer Batterie typischer Weise zwischen 5 Kelvin und 10 Kelvin. Bei größeren Temperaturunterschieden können verschiedene Bereiche einer Batterie ¬ zelle bzw. verschiedene Batteriezellen eines Batteriemoduls oder einer Batterie unterschiedliche Belastungen erfahren oder sogar (partiell) überlastet und / oder geschädigt wer ¬ den. Weiterhin besteht aufgrund von Temperaturunterschieden und / oder Temperaturänderungen eine Gefahr der Bildung von Kondenswasser in der Batterie. Die Schädigung kann zu einer beschleunigten Alterung der Batteriezellen oder einem thermischen Durchgehen (Thermal Runaway) der Batteriezellen führen, was eine Gefahr für Mensch und Umwelt darstellt. In der Offenlegungsschrift DE 10 2014 203 644 AI wird ein

Wärmetauscher und ein Verfahren zur Temperierung einer Batterie mit Hilfe von Leitungen zur Durchleitung eines

Temperiermittels durch die Batterie offenbart. Um die Sicherheit, Funktion und Lebensdauer des Batteriemo ¬ duls bzw. des Batteriesystems zu gewährleisten, ist ein ther ¬ misches Durchgehen der einzelnen Batteriezellen unter allen Umständen zu vermeiden. Zusammenfassung der Erfindung

Es ist Aufgabe der Erfindung, eine Lösung anzugeben, mit deren Hilfe ein thermisches Durchgehen einer Batterie nach dem Durchgehen einer oder mehrerer Batteriezelle wirksam vermie- den wird.

Gemäß der Erfindung wird die gestellte Aufgabe mit der Anord ¬ nung und dem Flugzeug der unabhängigen Patentansprüche ge ¬ löst. Vorteilhafte Weiterbildungen sind in den abhängigen An- Sprüchen angegeben.

Jede Batteriezelle kann thermisch durchgehen. Es ist daher wichtig, das Ausbreiten eines thermischen Durchgehens von Batteriezelle zu Batterieteile, ähnlich einer Kettenreaktion, zu verhindern.

Erfindungsgemäß befinden sich alle Batteriezellen eines Bat ¬ teriemoduls in einem Gehäuse (auch als Batteriegehäuse be ¬ zeichnet) . Die Batteriezellen sind direkt von einer elekt- risch isolierenden Kühlflüssigkeit umgeben. Die natürliche

Konvektion der Kühlflüssigkeit ist zum Wärmetransport ausrei ¬ chend. Die Kühlflüssigkeit muss aktiv nicht in Umlauf ge ¬ bracht werden. Bei einer Temperaturerhöhung durch eine oder mehrere Batteriezellen gelangt die Kühlflüssigkeit in Beweghung. Die Kühl ¬ flüssigkeit wird bevorzugt durch Wärmesenken, wie Kühlkörper mit Kühlrippen, die sich im Inneren des Gehäuses, bevorzugt an der Gehäusewand, befinden, entwärmt. Zusätzlich können sich noch außen an der Gehäusewand zusätzliche Kühlkörper zur verbesserten Abgabe von Wärme befinden. Bei starker Erhitzung kann es zu einem Phasenübergang der Kühlflüssigkeit kommen. Die entstehenden Gase werden über Ventile am Gehäuse abgelassen.

Die Erfindung beansprucht eine Anordnung mit mehreren, mitei- nander elektrisch verbundenen Batteriezellen in einem Gehäuse, wobei eine die Batteriezellen unmittelbar umgebende elektrisch isolierende Kühlflüssigkeit in dem Gehäuse vorhan ¬ den ist. Durch die Kühlflüssigkeit, beispielsweise ein Isolieröl, kann ein Überspringen einer Batterieerhitzung von einer auf die andere Zelle verhindert werden.

In einer bevorzugten Ausführungsform kann das Isolieröl ein Silikonöl sein.

In einer Weiterbildung kann die Anordnung mindestens einen im Inneren des Gehäuses an dem Gehäuse angeordneten als Wärme ¬ senke wirkenden ersten Kühlkörper aufweisen, der Wärme der Kühlflüssigkeit aufnehmen und an das Gehäuse bzw. Umgebung abgeben kann.

Der erste Kühlkörper kann bevorzugt erste Kühlrippen aufweisen und/oder zumindest teilweise aus Metall gebildet sein.

In einer weiteren Ausgestaltung kann die Anordnung mindestens einen außen an dem Gehäuse angeordneten als Wärmesenke wirkenden zweiten Kühlkörper aufweisen, der Wärme des ersten Kühlkörpers und/oder des Gehäuses aufnehmen und an die Umge ¬ bung abgeben kann.

Der zweite Kühlkörper kann zweite Kühlrippen aufweisen und/oder zumindest teilweise aus Metall gebildet sein.

In einer Weiterbildung weist die Anordnung mindestens ein am Gehäuse ausgebildetes Ventil auf, das bei Übergang der Kühl ¬ flüssigkeit in den gasförmigen Zustand das derart gebildete Gas ablassen kann.

In einer Weiterbildung befindet sich außerhalb des Gehäuses ein Kühlmittel, das das Gehäuse zumindest teilweise umgibt. Das Kühlmittel ist bevorzugt Luft oder eine Flüssigkeit, wie zum Beispiel Wasser.

Mit Hilfe einer Kühleinheit kann das Kühlmittel gekühlt wer ¬ den . Bevorzugt kann die Batteriezelle eine Li-Ionen-Batteriezelle, eine Li-Polymer-Batteriezelle oder eine Festkörperelektrolyt ¬ batterie sein.

Die Erfindung beansprucht auch ein Flugzeug, das einen elekt- rischen Antrieb und eine erfindungsgemäße Anordnung aufweist.

Weitere Besonderheiten und Vorteile der Erfindung werden aus den nachfolgenden Erläuterungen mehrerer Ausführungsbeispiele anhand von schematischen Zeichnungen ersichtlich.

Es zeigen:

Fig. 1: eine Anordnung zur Kühlung von Batteriezellen, Fig. 2: eine Anordnung zur Kühlung von Batteriezellen mit einer Kühleinheit und Fig. 3: ein Flugzeug mit einem elektrischen Antrieb und ei ¬ ner Anordnung zur Kühlung von Batteriezellen.

Detaillierte Beschreibung von Ausführungsbeispielen

Fig. 1 zeigt eine Anordnung zur Kühlung von Batteriezellen 1, die die Batteriezellen 1 vor einem thermischen Durchgehen schützt. Dazu sind die Batteriezellen 1 in einem Gehäuse 2, dem Batteriegehäuse, angeordnet und miteinander durch elekt- rische Leitungen 4 elektrisch verschaltet. Alle Batteriezel ¬ len 1 sind von einer Kühlflüssigkeit 3 in dem flüssigkeits ¬ dichten Gehäuse 2 umgeben. Die Kühlflüssigkeit 3 ist elekt ¬ risch isolierend, damit die elektrische Verschaltung keinen Kurzschluss verursachen kann. Die Kühlflüssigkeit 3 ist be- vorzugt ein Isolieröl, beispielsweise ein Silikonöl.

Um eine Temperaturerhöhung der Kühlflüssigkeit 3 besser auf das Gehäuse 2 abgeben zu können, sind im Inneren des Gehäuses 2 ein oder mehrere erste Kühlkörper 5 ausgebildet, die den Wärmeübergang von der Kühlflüssigkeit 3 auf das Gehäuse 2 verbesseren. Bevorzugt sind der erste Kühlkörper 5 und das Gehäuse 2 zumindest teilweise aus Metall. Der erste Kühlkör ¬ per 5 kann erste Kühlrippen 7 aufweisen, wodurch die Oberfläche des ersten Kühlkörpers vergrößert wird.

Das Gehäuse 2 ist von einem Kühlmittel 10, beispielsweise von Luft oder einer Flüssigkeit, umgeben. Außen an dem Gehäuse 2 sind ein oder mehrere zweite Kühlkörper 6 mit zweiten Kühlrippen 8 angeordnet, so dass die Wärme des Gehäuses 2 oder des ersten Kühlkörpers 5 an das Kühlmittel 10 verstärkt abge ¬ geben werden kann.

An dem Gehäuse 2 befindet sich auch mindestens ein Ventil 9, durch das im Falle eines Phasenübergangs der Kühlflüssigkeit 3 von flüssig zu gasförmig die zu Gas gewordene Kühlflüssig ¬ keit 3 aus dem Gehäuse 2 entweichen kann. Durch den Phasenübergang kann den Batteriezellen 1 zusätzlich Wärme entzogen werden (="Verdunstungskälte" ) . Fig. 2 zeigt eine Anordnung mit einer Anordnung gemäß Fig. 1, wobei nur das Gehäuse 2 mit den Batteriezellen 1 und der Kühlflüssigkeit 3 schematisch dargestellt sind. Ein gasförmi ¬ ges Kühlmittel 10 wird durch eine Kühleinheit 12, beispiels ¬ weise durch einen Wärmetauscher, aktiv gekühlt und dem Gehäuse 2 zugeführt, wodurch eine verstärkte Wärmeabfuhr erfolgen kann .

Fig. 3 zeigt eine Anordnung gemäß Fig. 1 oder Fig. 2 durch das Gehäuse 2 stilisiert dargestellt. Die Anordnung befindet sich in einem Flugzeug 12. Die Anordnung versorgt einen elektrischen Antrieb 13 mit elektrischer Energie.

Obwohl die Erfindung im Detail durch die Ausführungsbeispiele näher illustriert und beschrieben wurde, ist die Erfindung durch die offenbarten Beispiele nicht eingeschränkt und ande ¬ re Variationen können vom Fachmann daraus abgeleitet werden, ohne den Schutzumfang der Erfindung zu verlassen.

Bezugs zeichenliste

1 Batteriezelle

2 Gehäuse

3 Kühlflüssigkeit

4 elektrische Leitung

5 erster Kühlkörper

6 zweiter Kühlkörper

7 erste Kühlrippen

8 zweite Kühlrippen

9 Ventil

10 Kühlmittel

11 Kühleinheit

12 Flugzeugt

13 elektrischer Antrieb