用于电池的电池模块和具有电池的机动车以及运行方法与流程

1.本发明涉及一种用于机动车的电池的电池模块。该电池模块包括多个电池单池，其中，每个电池单池都至少部分地被具有硅的包裹材料包裹。此外，本发明涉及一种具有电池的机动车以及一种用于运行这种电池模块的方法。


背景技术：

2.用于至少部分电驱动的机动车的电池包括一个或多个电池模块，所述电池模块分别具有一个电池单池或多个电池单池。这些电池单池可以分别例如设计为棱柱形的单池/电芯、圆形单池或软包单池。这种电池单池在此优选提供在3.5伏特和4.0伏特之间的范围中的电压。尤其是，各个电池模块具有多个相互电连接的电池单池。通过电池单池的电连接，这种电池例如可以基于多个电池单池来提供大于60伏特并且尤其是大于100伏特的电压，因此该电池也被称为高压电池。优选地，电池单池彼此布置成至少一个电池叠组并且机械地借助于夹紧装置彼此夹紧。
3.众所周知，电池单池的体积或厚度随着使用寿命的增长或增加而变大。电池单池的这种逐渐的增长、即鼓胀或者所谓的膨胀额外地与膨胀和收缩间隔相叠加，其中，相应的膨胀间隔大多与电池单池的充电相关，相应的收缩间隔与电池单池的放电相关。电池单池的这种膨胀和收缩以及更高级别的增长导致电池单池的机械负载并且进一步导致电池的机械负载。此外，在电池单池中、尤其是其伽凡尼单池中会出现损坏情况(例如内部短路)。由于由此产生的化学反应，与电池化学有关的气体混合物可以在电池单池的内部中形成和聚集。通过这种气体产生，在受损的电池单池内可以形成过压并且导致气体束和/或火焰束形式的气体混合物从电池单池中逸出。此外，这种由损坏情况引起的化学反应通常导致相关电池单池及其紧邻的周围环境的强烈变热。
4.为此，由现有技术已知不同的解决方案。例如，de 10 2013 113 797 a1和de 10 2013 113 799 a1分别描述了包括多个电池单池的电池模块。在电池单池中的两个电池单池之间能够布置防火元件和减振的泡沫材料层(例如塑料、硅)。附加地，泡沫材料层能够用于在电池单池的可能的真空损失的情况下机械地固定电池单池。也可以使用还具有防火功能的材料作为泡沫材料。
5.cn108493513a公开了一种具有导热结构的电池模块。电池模块包括多个圆柱形电池单池，在它们之间设置导热的硅垫。这些也可以起到保护性的减振作用。


技术实现要素：

6.因此在该背景下，本发明的目的是，在开头所述类型的用于电池的电池模块中允许电池单池在受控的压力条件下在其整个使用寿命中膨胀和收缩以及体积增加，并且此外在损坏情况下对电池单池隔热，同时电池的装配应当是成本有利的、结构空间优化的并且同时是简化的。此外，本发明的目的是提供一种具有这种电池的机动车以及一种相应的运行方法。
7.该目的通过独立权利要求的主题来实现。本发明的有利的改进方案通过从属权利要求、以下描述以及附图来说明。
8.本发明基于的知识是，在构造为高压电池的电池的两个电池单池之间的间隙中引入至少两个功能层。第一层在此用于吸收所谓的膨胀力。第二层可以在电池单池穿透时用于隔热并且例如构造为云母层。该隔热保护至少一个与穿透的电池单池相邻的电池单池并且在此能够将这种损坏情况限制在局部。在此不利的是，至少两个层中每个层的成本高且在制造时需要大量制造步骤(例如每个层的定位和粘接)。这可以通过本发明来克服。
9.通过本发明提供了一种用于开头所述类型的机动车的电池的电池模块。该电池模块包括多个电池单池。因此，多个电池单池被布置在电池模块内。在电池模块内部，电池单池能够彼此间隔开地定位，从而在每两个相邻的电池单池之间形成间隙。向外对电池模块限界的、也就是说位于末端的电池单池可以分别由夹紧装置(模块连接器或侧接器)包围。借助于相应的夹紧装置，可以在电池装配时就向电池单池上施加夹紧压力。
10.此外，所述电池单池中的每个电池单池至少部分地被具有硅的包裹材料包裹。因此，该电池模块、尤其是该电池模块的相应的电池叠组具有由电池单池和包裹材料构成的分层结构。包裹材料至少部分地覆盖每个电池单池。特别地，包裹材料不是全面地、而是仅局部地覆盖每个电池单池。包裹材料在此可以布置在电池单池中的每个电池单池和与其相邻布置的电池单池之间。无论怎样，电池单池中的各相邻的电池单池都通过包裹材料彼此间隔开。包裹材料包括具有多个硅氧烷单元的硅、即合成的聚合物，其中硅原子经由氧原子连接并且形成分子链和/或分子交联。硅例如可以作为硅橡胶、硅弹性体或硅树脂存在。硅尤其能够是弱挥发性的，以便抑制硅氧烷的释出。
11.附加地设置，包裹材料具有取决于温度的两个彼此不同的导热率。因此，温度预先规定了相应的导热率。在本发明的意义中，导热能力或导热率理解为包裹材料的材料特性，所述材料特性说明由于热传导而在数量上以瓦每米每开尔文为单位的通过包裹材料的热流。在此，包裹材料在无物质输送的情况下输送热流。导热系数的倒数表示热阻。所述包裹材料可以在每个电池单池的第一温度小于由包裹材料预先规定的极限温度时具有第一导热率。在多个电池单池中的至少一个电池单池的第二温度大于等于、也就是说大于或等于极限温度时，包裹材料至少部分地具有第二导热率。在此，第二导热率相比于第一导热率增大。这意味着，包裹材料在第一导热率时隔热并且在第二导热率时相对更好地导热。极限温度在本文中描述包裹材料的导热率改变时的温度，也就是说从第一导热率过渡到第二导热率时的温度。例如极限温度是硅化作用温度(silikatisierungstemperatur)，从该温度起，基于硅的包裹材料的分解为形状稳定的陶瓷。这种变化尤其可以跳跃式地发生。例如，第一温度可以位于在电池单池正常运行时的标准温度范围内和/或说明电池单池的标准运行温度。此时包裹材料优选地可以是隔热的，以便减小电池单池彼此间的相互的热影响。由此，在第一导热率时，至少一个电池单池的能量流由于包裹材料的隔热特性而降低。如果至少一个电池单池的单池特有的温度上升，即从第一温度开始增加、超过极限值并且最后达到第二温度，那么包裹材料的导热率发生变化。此时具有第二导热率的包裹材料可以被构造用于从该至少一个电池单池吸收能量流，以便冷却该电池单池。这种温度升高例如可能是由于在损坏情况下至少一个电池单池的穿透而造成的。因为温度上升导致导热率的变化，所以包裹材料首先是隔热的，以便在温度上升之后特别有效地将热量从所述至少一个穿透
的电池单池排出并且防止其他电池单池过热。通过排出热量也可以冷却所述至少一个穿透的电池单池。
12.因此，通过本发明得到的优点是，在与已知的解决方案相比减少材料使用的同时，不仅在电池单池的常规运行中而且在至少一个电池单池的有损坏的情况下提供有效的热控制。通过仅是将包裹材料布置在电池单池之间，以有利的方式简化了根据本发明的电池的装配。此外，通过减少的材料使用以及通过成本适宜的包裹材料，能够有利地节约生产成本并且更有效地充分利用结构空间，这是因为能够取代至少两个层之一。
13.一种有利的实施方式规定，在至少一个电池单池具有第二温度超过规定时长之后，包裹材料取代第二导热率而具有第三导热率，其中，第三导热率小于第二导热率。如果在至少一个电池单池处于第二温度时在包裹材料中首先至少部分地存在第二导热率，则所述第二导热率在规定时长之后下降至第三导热率。因此，由从第一温度到第二温度的温度升高引起的导热率变化是随时间变化至少部分可反转的，即可逆的。例如，因为温度导致的向第二导热率的变化停止，则导热率下降。由此，包裹材料可以有利地提供用于至少一个电池单池的隔热功能。此外，至少一个受损的电池单池由于第三导热率能够区别于电池单池中的其他电池单池特别简单地被识别。由此得到的优点是，可以特别简单地获知包裹材料的可能由温度和时间造成的导热率变化，因为能够将该至少一个电池单池的由损坏情况造成的强烈变热的影响限制在该电池单池及其紧邻的周围环境的范围内。
14.另一有利的实施形式设置，在小于极限温度时，所述包裹材料向电池单池中的每个电池单池施加预定的压力，以控制电池单池中的每个电池单池的膨胀。因此，在小于极限温度时，覆盖材料吸收电池单池中的每个电池单池的由于膨胀和收缩以及体积增加所产生的力，即所谓的膨胀力。这意味着，在电池单池之间的间隙内会发生电池单池的由运行造成的变形或膨胀，而这不会导致单池叠组或电池模块的纵向膨胀及相关的不利的相对运动。由此能够有利地确保均匀的机械负载，也就是说确保在电池单池中的每个电池单池上的均匀的压力分布。这能够对电池单池的寿命和/或老化特性产生有利的影响。此外，可以省去高成本的膨胀垫(swelling
‑
pad)。
15.另一有利的实施方式规定，包裹材料在紧邻具有第二温度的至少一个电池单池的周围环境中具有由于第二温度而产生的si
‑
o基团和/或si
‑
oh基团。因此，包裹材料在紧邻超过极限温度的位置处、即在紧邻具有第二温度的至少一个电池单池的区域中形成由氧化硅(siox)组成的硅酸盐层。在此，包裹材料在该区域中可以分解成形状稳定的陶瓷层。因此，极限温度可以规定包裹材料的分解温度。这种分解涉及所谓的热的硅化作用。在硅化作用期间，包裹材料吸收至少一个受损的电池单池的能量并且由此冷却该电池单池。在陶瓷层的区域中，经过硅化作用的包裹材料是隔热的并且因此有利地保护与至少一个受损的电池单池不同的电池单池以防损坏情况的蔓延。
16.另一种有利的实施方式规定，包裹材料从与具有第二温度的至少一个电池单池相接触的接触面出发形成具有第二导热率的包裹层，该包裹层具有最大1.5毫米的层厚度。因此，具有第二温度的至少一个电池单池与包裹材料的具有第二导热率的区段邻接。该区段由两者之间的接触面来规定，也就是说由具有第二温度的至少一个电池单池与包裹材料相接触的那个面来规定，并且具有小于1.5毫米的层厚度。层厚度尤其可以给定从接触面出发的相应的标准间距，即决定包裹具有第二温度的至少一个电池单池的包裹材料的材料厚
度。在延伸尺寸最大时，该最大延伸尺寸可以占据两个相邻的电池单池之间的整个间隙，也就是说从至少一个受损的电池单池出发延伸至布置在该电池单池上的另一电池单池。由此得到的优点是，包裹材料仅选择性地具有第二导热率并且在损坏情况之后在可能时使未受损坏波及的那些电池单池能够继续使用。
17.另一种有利的实施方式规定，所述包裹材料的极限温度在300与500摄氏度之间。因此，当每个电池单池具有比在300与500摄氏度之间的极限温度更低的第一温度时，在包裹材料中存在第一导热率。相反，如果所述至少一个电池单池具有比这种温度范围更高的第二温度，那么所述包裹材料也至少部分地具有第二导热率。由此得到的优点是，在温度向300至500摄氏度提高时就已经发生了导热率的改变。由此，电池可以特别安全地运行并且可以放弃使用耐高温的硅。
18.另一个有利的实施方式提出，包裹材料具有多个被硅包裹的、体积百分含量在70％至90％之间的空心体。体积百分含量因此说明硅与设置在其中的空心体的比例，即包裹材料的组成。在此，空心体的体积(70％至90％)基于硅的体积和空心体的体积之和(总共100％)。空心体因此用作被硅容纳的填充材料。空心体尤其可以是封闭的空心体。空心体例如可以构造为空心球，它们包括玻璃、陶瓷和/或塑料。通过空心体可以有利地例如减小包裹材料的密度和/或吸收膨胀力。
19.另一种有利的实施方式规定，所述电池单池中的每个电池单池由上侧、下侧和至少一个侧面来限界。因此，电池单池中的每一个都分别能够由下侧、与下侧相对置的上侧和至少一个侧面来预先规定。在侧面，也就是说在上侧和下侧之间，每个电池单池被至少一个侧面包围。根据相应的电池单池的结构类型(例如棱柱形的、圆形的或软包的电池单池)和由此预先规定的形状，至少一个侧面可以是柱体的侧面，该柱体具有圆形的和/或多边形的底面。在此，至少一个侧面由包裹材料覆盖并且上侧和下侧分别没有被包裹材料覆盖。因此，两个电池单池之间的容纳包裹材料的间隙可以在这些电池单池的彼此平行布置的相应侧面之间延伸。上侧和下侧未被覆盖，从而例如布置在上侧处的电接头可通过相应的单池连接器根据预设的电路图特别简单地相互导电连接、即接触，冷却装置可以布置在下侧处。
20.此外，通过本发明提供了一种具有电池的机动车，其中，所述电池包括电池模块。所述电池模块优选涉及根据本发明的电池模块的一种实施方式。所述电池能够在机动车中提供电能来驱动和/或供给机动车。尤其是，机动车构造为可通过电池驱动的电动车辆或混合动力车辆。机动车优选设计为汽车，尤其是轿车或载重汽车，或者设计为乘用巴士或摩托车。
21.本发明还包括依据本发明的机动车的改进方案，其具有如已经结合依据本发明的电池模块的改进方案所描述的特征，并且反之亦然。出于这个原因，在此不再描述根据本发明的机动车的相应的改进方案。
22.通过本发明还提供一种用于运行用于机动车的电池的电池模块的方法。所述电池模块优选涉及根据本发明的电池模块的一种实施方式。该电池模块包括多个电池单池，其中，电池单池中的每个电池单池都至少部分地被具有硅的包裹材料包裹，其中，所述包裹材料针对两个彼此不同的导热率预先规定一极限温度。为了将包裹材料布置在电池模块之内，包裹材料可以首先被预交联，然后被布置在电池单池之间。替代地或附加地，包裹材料可以首先具有粘性状态，被填充到借助于相应的间隔保持件彼此间隔开的电池单池之间，
然后被交联、即硬化。在一个步骤中，如果电池单池中的每个电池单池在低于极限温度的第一温度下运行，则使包裹材料具有第一导热率。在此，尤其涉及电池在标准温度范围内的常规运行。在另一步骤中，如果所述多个电池单池中的至少一个电池单池以大于等于、即大于或者等于极限温度的第二温度运行，则使包裹材料的第一导热率至少部分地减小到第二导热率。在此情况尤其涉及电池的非常规运行，该运行例如可以说明存在损坏情况(例如至少一个电池单池的穿透)。
23.本发明还包括根据本发明的方法的改进方案，其具有如已经结合依据本发明的电池模块和/或依据本发明的机动车的改进方案所描述的特征，并且反之亦然。出于这个原因，在此不再描述根据本发明的方法的相应的改进方案。
24.本发明还包括所描述的实施方式的特征的组合。
附图说明
25.下面描述本发明的实施例。为此示出：
26.图1示出了具有电池的机动车的图示；
27.图2示出了电池的电池模块的第一实施方式的示意性截面图；
28.图3示出了在第一运行状态中的电池模块的第二实施方式的示意性的截面图；
29.图4示出了在第二运行状态下的电池模块的第二实施方式的示意性截面图；
30.图5示出了在第三运行状态中的电池模块的第二实施方式的示意性的截面图；和
31.图6示出了在第四运行状态下电池模块的第二实施方式的示意性截面图。
具体实施方式
32.下面阐述的实施例是本发明的优选实施方式。在实施例中，实施方式的所描述的部件分别是本发明的各个可彼此独立地考虑的特征，这些特征也分别彼此独立地改进本发明。因此，本公开旨在包括实施例的特征的除了所示组合之外的组合。此外，所述实施方式也可以通过本发明的已经描述的特征中的其它特征来补充。
33.在附图中，相同的附图标记分别表示功能相同的元件。
34.图1示例性地示出了具有示意性示出的电池12的机动车10，该电池具有电池模块14。通过电池12可以给机动车10供电并且尤其是至少部分地驱动机动车10。为此，电池12可以构造为所谓的高压电池。
35.图2参照结合在图1中示出的和描述的部件以截面图示出了由现有技术已知的电池模块14的第一实施方式。所示出的电池模块14包括七个分别构造为棱柱形电池的电池单池16a、16b、16c、16d、16e、16f、16g，其中，电池单池16a
‑
16g中的每个电池单池都沿x方向具有上侧18和与上侧18相对置的下侧20以及沿z方向具有两个侧面22。电池单池16a
‑
16g以侧表面22分别相邻的方式彼此平行布置。在每两个电池单池16a
‑
16g之间的间隙中引入了两个功能层24、26。第一层24可以形成为所谓的膨胀垫(swelling
‑
pad)，并且吸收电池单池16a
‑
16g的由于运行导致的膨胀所产生的力。第二层26例如构造为云母层并且可以在电池单池16a
‑
16f中的受损的电池单池的穿透情况下提供隔热来保护电池单池16a
‑
16f中其他电池单池。位于末端的电池单池16a、16e在各自的向外指向的侧面22上具有夹紧装置28(侧接器)。出于简明的原因，仅仅在图2中最左边示出的位于末端的电池单池16a具有相应的附
图标记18、20、22、24、26。
36.图3参照结合图1和图2示出和描述的部件以截面图示出了电池模块14的第二实施方式，其中，电池模块14具有第一运行状态。取代在图2中示出的层24、26，所述间隙被包裹材料30填充，所述包裹材料至少部分地包裹、也就是覆盖电池单池16a
‑
16f中的每个电池单池。这意味着，位于末端的电池单池16a、16g各自在侧面22之一上并且位于中间的电池单池16b
‑
16f各自在两个侧面22上邻接于包裹材料30，其中电池单池16a
‑
16g中的每个电池单池都与包裹材料30形成至少一个接触面32。出于概览的原因，仅在图2中最左边示出的位于末端的电池单池16a具有接触面32的附图标记。包裹材料30能够具有硅。硅例如能够包裹多个空心体，这些空心体能够占据包裹材料30的70％至90％之间的体积百分含量。电池单池16a
‑
16g中的每个电池单池的顶侧18和底侧20均没有被包裹材料30覆盖。在与用于运行电池模块14的方法的步骤s1相对应的第一运行状态中，所有的电池单池16a
‑
16g具有第一温度t1，该第一温度小于包裹材料30的预设的极限温度tg(t1＜tg)，其中包裹材料30具有第一导热率l1。为了清楚起见，仅在图3中在最右边示出的位于末端的电池单池16g具有小于极限温度tg的第一温度t1的相应的附图标记以及与之邻接的包裹材料30具有其附图标记和第一导电性l1的附图标记。极限温度tg尤其可以在300至500摄氏度之间。此外，包裹材料30在小于极限温度tg时向每个电池单池16a
‑
16g上施加预定压力，以控制每个电池单池16a
‑
16g的膨胀。
37.附图4参照结合附图1至附图3所示出和描述的部件示出了处于第二运行状态下的电池模块14的第二实施方式。在与用于运行电池模块14的方法的另一步骤s2相对应的第二运行状态中，电池单池16a
‑
16c、16e
‑
16g具有第一温度t1，从左边数第四个电池单池16d具有第二温度t2，该第二温度相比于第一温度t1升高。该升高是由电池单池16d的穿透引起的，所述穿透例如能够由内部短路引起。电池单池16d的穿透用示意性示出的火焰束和气体束34来表示。第二温度t2大于等于(即大于或等于)包裹材料30的预定的极限温度tg(t2≥tg)，此时，包裹材料30至少部分地具有第二导热率l2，第二导热率l2相比于第一导热率l1减小。具有第二导热率l2的包裹层36在此从包裹材料30的与具有第二温度t2的电池单池16d相接触的接触面32出发向包裹材料30的方向延伸。因此，包裹材料30由于由电池单池16d的第二温度t2引起的硅化作用而在紧邻电池单池16d的周围环境中具有由第二温度t2产生的si
‑
o基团和/或si
‑
oh基团。
38.附图5参照结合附图1至附图4示出和描述的部件示出了处于第三运行状态下的电池模块14的第二实施方式。在此，所述包裹层36具有最大为1.5毫米的层厚度d，该层厚度d可以占据所述电池单池16c、16d或者16d、16e之间的整个间隙。
39.图6参照结合图1至图5示出和描述的部件示出处于第四运行状态下的电池模块14的第二实施方式。在第二温度t2下经过规定时长之后，包裹材料30具有小于第二导热率l2的第三导热率l3。如果在至少一个电池单池16d处于第二温度t2时在包裹材料30中首先至少部分地存在第二导热率l2，那么在规定时长之后，第二导热率l2降低至第三导热率l3，从而能够实现隔热。
40.因此可以通过材料、即包裹材料30来取代具有不同的功能的两个功能层24、26(垫)，该材料实现了两个功能。作为成本低廉的并且能够简单实践的可行方案，例如能够使用凝胶和/或泡沫，然而所述凝胶和/或泡沫大多能够在电池单池16d的穿透时出现的高温
(t2≥tg)下分解。因此，所使用的包裹材料30可以基于硅。这样形成的包裹材料30也能够在高温下分解，然而该包裹材料能够被设定成，使得包裹材料分解成形状稳定的陶瓷(硅化作用)。因此，包裹材料30满足两种特性：在正常运行中(t1<tg)，包裹材料是软的并且能够吸收压力；在故障情况下(t2≥tg)，该包裹材料是隔热的。在此，包裹材料在小于其分解温度时(t1<tg)由于其低导热率(第一导热率l1)而隔热，在硅化作用时(t2≥tg)，包裹材料吸收能量且由此进行冷却(第二导热率l2)。在陶瓷状态下，包裹材料类似于隔热层(例如第二层26)起到隔热作用(第三导热率l3)。
41.总体上，所述示例示出了如何可以提供由硅层(具有硅的包裹材料30)来替代的隔热层(第二层26)和膨胀垫(第一层24)。