具有填料层的电芯装置和制造机动车电芯装置的方法与流程

本发明涉及一种用于机动车的电芯装置，该电芯装置具有多个电芯，这些电芯又分别具有两个电芯电极、第一侧、与第一侧对置的第二侧、在从第二侧到第一侧的方向上的高度以及可开启的排气开口，该可开启的排气开口用于在相关的电芯热失控的情况下从该电芯中排出气体。此外，相应的电芯在热失控的情况下具有至少一个热的热点区域，该热点区域由电芯电极中的至少一个电芯电极和/或由排气开口提供。此外，电芯装置具有至少一个填料层，在高度的方向上，相应的电芯的部段被埋入/嵌入在该填料层中。此外，本发明也涉及一种用于制造电芯装置的方法。

背景技术：

1、在电池系统中，填料用于满足不同的功能。例如，填料可以用于流体地密封冷却腔，以实现以冷却剂直接环流电芯，这例如在de 10 2014 106852a1中进行了描述。在此，电芯电极从填料中伸出，从而填料使电芯电极与冷却腔分离。

2、另一应用可能性是如在wo 2020/053251 a1中描述的用于将电芯连接到冷却体处的应用。在此，在填料中设置用于从受损的电芯中排出气体的通风通道。此时，填料应能尽可能好地导热，以使得能够尽可能有效地将热从电芯导出到冷却体处。但这种在填料中设置的通风通道损害了散热，因为该通风通道增大了在电芯和冷却体之间的热阻力。此外，为此需要更多结构空间，因为为了引入或设置通风通道，需要使电芯与冷却通道的距离变大。此外，这种变大的距离再次对散热有不利作用。

3、在此也可行的是，将电芯完全埋入在这种填料中。但这又对电池的总重量有不利作用。但特别刚好在事故情况下电芯的彼此热耦合是不利的，因为由此在受损的电芯中产生的热可以非常快速地扩散并且可以蔓延到其他电芯上。

4、此外，de 10 2020 113 951 b3描述了一种电池模块，该电池模块具有多个电芯、冷却装置以及在冷却装置与每个电芯的下侧之间的空腔，该空腔被导热的且电绝缘的填料填充。包围电芯中的每个电芯的侧面的第二空腔被隔热的第二填料填充，而第三空腔被第三填料填充，该第三空腔包围上侧，上侧具有每个电芯的两个电联接部和相应的布置在该处的电芯连接器。通过不同的填料，应实现不同的性能。第一填料应能尽可能好地导热，而第二填料应尽可能隔热，并且通过第三填料应提供承载的结构。在此，电芯最终也完全被填料包围，从而这又对电池的总重量有不利作用。

技术实现思路

1、本发明的目的是，提供一种电芯装置以及一种方法，其以尽可能简单和有效的方式能够实现刚好在电芯热失控的情况下确保这种电芯装置的尽可能高的安全性。

2、该目的通过具有根据相应的独立权利要求所述的特征的电芯装置和方法实现。本发明的有利的设计方案是从属权利要求、说明书以及附图的主题。

3、根据本发明的用于机动车的电芯装置具有多个电芯，这些电芯分别具有两个电芯电极、第一侧、与第一侧对置的第二侧、在从第二侧到第一侧的方向上的高度以及可开启的排气开口，该可开启的排气开口用于在相关的电芯热失控的情况下从该电芯中排出气体。此外，相应的电芯在热失控的情况下具有至少一个热的热点区域，该热点区域由电芯电极中的至少一个电芯电极和/或由排气开口提供。此外，电芯装置具有至少一个填料层，在高度的方向上，相应的电芯的部段被埋入在该填料层中。在此，至少一个热的热点区域被埋入在填料层中，该填料层通过填料形成，用以在热失控的情况下使电芯彼此热屏蔽。

4、本发明基于以下认识，即，刚好在填料中埋入电芯的至少一个热的热点区域——也就是说该热点区域通过相关的电芯的电芯电极和/或排气开口提供——时，可以特别有效地借助于用于电芯的热屏蔽的填料实现电芯的彼此热退耦。在电芯热失控的情况下，非常剧烈的放热刚好来自这种热点区域。通过埋入在用于热屏蔽的填料中，即，填料相应地设计为具有尽可能低的导热能力，能以特别有效的方式抑制或至少延迟这种放热蔓延到邻近的电芯上。这又能够实现，防止或至少同样延迟整个电芯装置的热失控。相应地也可以防止或至少延迟更严重的后果、例如电池着火。由此有利地可以通过至少一个填料层以简单和有效的方式显著提高在电芯中的至少一个电芯热失控的情况下的安全性。

5、热的热点区域的特征在于，在该热点区域中，在电芯热失控的情况下相关的电芯的温度高于在该热点区域的局部环境中。换句话说，热点区域是电芯的这样的区域，即，在电芯热失控的情况下，该区域具有局部的最高温度，但这不一定是电芯或电芯外侧的最热的区域。但可设想，相应的电芯的可开启的排气开口和两个电芯电极是电芯外侧的三个最热的热点区域。此外，热点区域不必限制在该局部的最高温度上，而是可以包括在该最高温度附近小的空间延伸区域。特别是电芯电极和可开启的排气开口通常是在热失控的情况下的电芯的这种热点区域。相应地非常有利的是，将电芯的电芯电极和/或排气开口作为热点区域埋入在填料中。此外优选的是，通过填料层不实现与冷却体或冷却板或冷却底部等的热连接。为此，例如可以使用具有不同的热性能的另一填料层或粘接层等。由此有利地实现，填料层在其性能方面最优地用于电芯的彼此热屏蔽，同时不降低在正常运行中的散热效率。

6、相应的电芯的可开启的排气开口例如可以通过在相关的电芯的电芯壳体中的理论断裂部位提供。该理论断裂部位例如可以通过薄的爆破膜等实现。在电芯热失控的情况下，在电芯的内部中产生气体，在压力足够高时，该气体相应地导致可开启的排气开口由于电芯内部压力而打开，由此，气体可以从相关的失控的电芯中漏出。在此，这种气体也包括在气体流中夹带的较大的颗粒。如稍后还将详细描述的那样，此外不需要在填料层中引入排气通道等。特别是当在填料层中埋入作为热点区域的至少一个可开启的排气开口时，填料层可以简单地在该部位处设计为相应薄的，使得填料层在该部位处可以说简单地被从电芯中离开的气体流冲破或射穿。

7、使用这种填料层的另一优点此外还在于，通过该填料层同时可以承担在电芯之间的间隔垫的功能。当电芯设计为圆形电芯时这是特别有利的，在圆形电芯中常常使用这种间隔垫或间隔垫格栅。由此，也可以节省附加的构件。此外，填料层优选地设计为，在相关的电芯的高度方向上，填料层仅仅在相应的电芯的部段上延伸，但不在电芯的整个高度上延伸。即因此，相关的电芯不是完全被埋入在填料层中。在此优选地，该部段最多在电芯的高度的一半上延伸，特别优选地在显著小于一半上延伸。这降低了电芯装置的总重量。原则上也可行的是，设置多个这种填料层，在高度的方向上，这些填料层在相应的电芯的相应的部段上延伸。于是，在这种情况下也优选的是，电芯不是完全被埋入在这种填料层中。换句话说，设置至少一个未被埋入在填料层中的相应电芯部段，并且该部段特别是至少在电芯的高度的一半上延伸，或者在多个自由部段的情况下，这些部段加起来至少在电芯的高度的一半上延伸。

8、此外非常有利的是，至少为了电芯的热屏蔽的目的，设置仅仅唯一一个这种填料层。于是，不仅电芯的一个热的热点区域、而且特别是电芯的多个热的热点区域可以同时被埋入在该填料层中，例如不仅电芯电极而且至少一个排气开口可以同时被埋入在该填料层中。由此能以特别成本适宜的且有效的方式提供电芯装置。在制造技术上，这也可特别简单地实现。

9、电芯通常可以是棱柱形电芯、软包电芯或圆形电芯。刚好在圆形电芯中的应用是特别有利的，这是因为圆形电芯常常可以在电芯的相同侧处具有电芯电极和可开启的排气开口，并且在圆形电芯中这能以特别简单的方式实现。由此能以特别简单和有效的方式将所有热点区域埋入在共同的填料层中。尽管如此，能以相同的方式有利地实现在棱柱形电芯或软包电芯中的应用。此外，电芯例如可以设计为锂离子电芯。通过电芯装置，例如可以提供用于机动车的动力电池、例如高压电池，或者也仅仅提供用于这种高压电池的电池模块。

10、电芯的两个电芯电极中的一个电芯电极设计为正极并且另一电芯电极设计为负极。电芯电极可以彼此连接，并且为了连接的目的分别与可导电的接触元件、例如电芯连接器或模块连接器等接触。在此，这种类型的接触元件同样可以被埋入在填料中，只要被埋入在填料中的热点区域是电芯电极中的一个。但也可设想的是，这种接触元件不被埋入在或仅被部分地埋入在填料中。但通过埋入，可以进一步提高热退耦，从而优选的是，相应地也埋入该接触元件。

11、通过埋入接触元件，附加地也可实现，保护该接触元件不与从受损的电芯中离开的气体接触。这降低了在电池之内形成电弧的概率。

12、在本发明的另一个非常有利的设计方案中，填料设计为电绝缘的和/或隔热的。优选地，填料不仅设计为电绝缘的，而且设计为尽可能隔热的。例如，借助于填料可以提供小于1瓦每米和每开尔文的热导率。此外有利的是，填料设计为，填料是不易燃的和/或阻燃的和/或不可燃烧的，特别是也对于数百摄氏度的温度。由此，在电芯热失控的情况下，从设置填料自身不带来附加的着火风险。也可设想，填料设计为，在非常高的温度下，特别是在超过一个或多个极限温度时，填料改变其材料性能。例如可以是，在超过这种极限温度时，填料的导热能力降低。因此，例如填料可以设计为，在超过这种极限温度时才出现填料的隔热的性能。

13、在本发明的另一个非常有利的设计方案中，从预先确定的温度开始，特别是在高于100℃时，填料陶瓷化，特别是包括被埋入在基质中的陶瓷颗粒。刚好陶瓷的形状非常稳定并且很好地隔热。相应地非常有利的是，在确定的极限温度以上，填料陶瓷化，也就是说填料变成陶瓷，并且特别是填料层几乎变成陶瓷板。此时，这种陶瓷板特别耐热并且因此非常适合用于使电芯彼此热屏蔽。

14、在此，本发明的设计方案一方面基于以下认识，即，陶瓷具有非常好的防火性能，因此这种在过热时转化成陶瓷的填料非常突出地适合于在电池中同时承担防火功能。此外，本发明基于以下认识，即，在过热时，材料可合成为陶瓷，由此在电芯热失控的情况下，填料层由于由此产生的过热而自动地至少局部地或者也整体地变成陶瓷并且由此发挥其阻燃的性能。

15、相应地，在本发明的一个有利的设计方案中规定，热界面材料具有基质和填注料，其中，基质至少大部分具有硅，并且填注料至少大部分包括陶瓷颗粒。此外可以规定，仅仅陶瓷的填注料、也就是说所述陶瓷颗粒用作填注料。作为这种陶瓷颗粒，例如可以考虑氧化铝，特别是其确定的改型、氢氧化物等。特别有利的是，在此同时通过硅提供基质。这又基于以下认识，即，通过使用这种硅作为基质能实现，在超过确定的温度时将填注料和基质合成为陶瓷板。在此，在超过确定的温度时，硅基质的硅变成氧化硅，由此同样提供陶瓷的化合物，这种化合物与剩余的陶瓷颗粒相结合最终形成固定的陶瓷板。换句话说，在热界面材料过热时，产生这样的陶瓷材料，即，该陶瓷材料虽然可以是多孔的，但是很坚固，并且具有非常好的防火性能。

16、在本发明的另一个非常有利的设计方案中，至少一个热点区域包括相应的电芯的可开启的排气开口。刚好是相应的电芯的这种可开启的排气开口所在的区域在相关的电芯热失控的情况下非常剧烈地发热。因此非常有利的是，刚好将该区域、也就是说电芯的相应的可开启的排气开口埋入在填料层中。由此可以提供电芯彼此之间的特别有效的热退耦。

17、在本发明的另一个非常有利的设计方案中，可开启的排气开口布置在相应的电芯的第一侧处，其中，第一侧被埋入在填料层中，特别是其中，相应的电芯的第二侧面对载体、特别是冷却底部，电芯布置在该载体上。换句话说，在这种配置方案中，填料层位于电芯的与这种载体对置的侧上。电芯可以通过另一填料层或粘接层连接在载体处，特别是当载体设计为冷却底部时。于是，该另一填料层或粘接层优选地设计为，其具有尽可能好的导热性能。相反地，通过在相应的电芯的第一侧处的填料层，可以提供电芯彼此之间的非常好的热退耦。在此，在电芯之间剩下的间隙可以是自由空间，即，该自由空间未被填料填充。由此可以降低电芯装置的总重量。例如，如果电芯设计为圆形电芯，则相应的电芯的第一和第二侧优选地是电芯的端侧。在此，圆形电芯的端侧通常设计为圆形。因此，与电芯的几何结构无关地，电芯利用背离载体的端部被埋入在填料层中，电芯布置在该载体上。这在制造技术上可特别简单地实现，并且能够实现特别好的热退耦。此外，这还具有以下还将详细说明的显著的优点，即，由此可提供从受损的电芯中离开的气体的特别适合的气体排出。

18、因此，本发明的另一个非常有利的设计方案是，相应的电芯的可开启的排气开口被埋入在填料层中，使得在相关的电芯热失控的情况下，覆盖可开启的排气开口的填料层填料区域被从相关联的排气开口中离开的气体冲破。这具有的很大优点是，不必在填料层自身中集成气体排出通道等。这显著简化了制造并且此外也节省了结构空间。此外，由此可以将气体引导到填料层的背离电芯的侧上。由此，填料层附加地再次用作在待排出的气体与电芯之间的热隔绝层。由此，流出的气体不能或者至少不能剧烈且快速地加热电芯、特别是电芯装置的与受损的电芯相邻地布置的其他电芯。此外，为了使填料层能被离开的气体冲破，优选地刚好在可开启的排气开口的区域中，填料层设计为尽可能薄的。在该区域中，该层例如可以在限定的第一方向上具有最大几毫米的厚度，该第一方向通过相应的电芯的高度的方向定义。从相关的电芯的第二侧向第一侧定义相应的电芯的高度。在电芯之间的区域中，填料层具有较大的层厚度。

19、在本发明的另一个非常有利的设计方案中，在填料层的背离电芯的侧上布置有用于排出冲破填料区域的气体的排气通道，特别是其中，排气通道邻接于填料层。由此，填料层有利地同时用作在排气通道以及电芯之间的热隔绝层，排气通道用于从电芯装置中、特别是从电池和机动车中排出气体。

20、例如，排气通道一方面可以通过填料层限制，并且另一方面可以通过电芯装置的其他结构构件、例如电池壳体的盖等限制，这些结构构件形成这种排气通道的其他通道壁。此外，电芯装置也可以具有电池壳体，电芯布置在电池壳体中。例如，这种电池壳体的壳体侧可以通过以上所述的载体提供，该载体例如同时可以设计为冷却装置。例如，该载体可以是冷却底部，冷却底部同时提供电池壳体的底部。为了从电池壳体中排出气体，电池壳体可以具有开口或可开启的开口，沿着排气通道流动的气体可经过该开口从电池壳体中被排出。在此，填料层可以设计为，填料层将在电池壳体之内的空间分成两个部分腔，其中，在两个部分腔中的一个部分腔中布置排气通道，或者其中，这两个部分腔中的一个部分腔整体地用作排气通道的一部分，而在两个部分腔中的另一部分腔中布置未被埋入在填料自身中的电芯的部段。即由此，两个部分腔通过填料层流体地彼此分离，由此特别好地保护电芯不受流经排气通道的气体流的影响。

21、根据本发明的另一个非常有利的设计方案，电芯电极中的至少一个电芯电极、优选地电芯电极中的两个电芯电极作为至少一个热点区域被埋入在填料层中。该设计方案特别是可与上述的设计方案组合，根据上述的设计方案每个电芯的可开启的排气开口作为热点区域被埋入在填料层中。换句话说，电芯的多个热点区域也可以同时被埋入在填料层中，特别是两个电芯电极和可开启的排气开口都被埋入在填料层中，这也是优选的，因为由此使安全性最高。因此，电芯电极或电芯电极中的至少一个电芯电极可以作为至少一个另外的热点区域被埋入在填料层中。这同样是特别有利的，因为在相关的电芯热失控的情况下，在电芯电极的区域中也发生非常剧烈的放热。换句话说，受损的电芯的电芯电极也变成了热点区域。通过埋入在填料层中，刚好可以使这些热点区域与其他电芯非常好地热退耦，并且可以显著更有效地延迟或甚至阻止热蔓延到其他的、特别是邻近的电芯上。

22、特别优选的是，不仅电芯电极而且可开启的排气开口同时被埋入在填料层中，并且设置如以上描述的排气通道。由此，气体可以从热失控的电芯中漏出，并且通过排气通道被排出，同时电芯电极还被埋入在填料层中，并且由此特别好地保护电芯电极使其不与流出的气体接触。这是非常有利的，因为通过与气体接触可能产生电压击穿和短路，并且这促进了其他电芯的热失控，并且此外这可能导致点燃在电池中的气体并且由此导致电池着火。由此，可以有利地防止这种情况。

23、根据本发明的另一个有利的设计方案，电芯被编组成多个电芯组，其中，与不同的电芯组的电芯相比，或与电芯组彼此之间的距离相比，在相同的电芯组中的电芯彼此之间具有更小的距离，特别是垂直于以上定义的第一方向，该第一方向指向相应的电芯的高度的方向。换句话说，通过将电芯编组成电芯组，可以进行附加的电芯分类。由此，即使当在相关的电芯组之间没有附加的元件、例如分离壁或分离层等时，在一个电芯组中的一个电芯的热失控的情况下，还是附加地使热更难以蔓延到邻近的电芯组上。由此，附加地使得更难发生热失控。附加地，电芯组或电芯组中的至少几个电芯组也可以在空间上通过分离元件、例如电池壳体的分离壁彼此分离。但这不必是对于所有电芯组的情况。换句话说优选的是，至少在电芯组中的两个电芯组之间未布置结构元件、例如分离壁等。这种分类例如也可以在多个包括在电芯装置内的电池模块中的一个电池模块之内实现，或者也可以通过相应的电芯组提供单个电池模块。通过这种分类，也可在不需要设置附加的分离壁或绝缘元件的情况下提供电芯组彼此之间的改进的热退耦。由此，可以以特别节省结构空间的方式提高安全性，并且可以节省附加部件。

24、此外，本发明也涉及一种机动车，该机动车具有根据本发明的电芯装置或其设计方案中的一种。

25、此外，本发明也涉及一种用于制造用于机动车的电芯装置的方法，其中，提供多个电芯，这些电芯分别具有两个电芯电极、第一侧、与第一侧对置的第二侧、在从第二侧到第一侧的方向上的高度以及可开启的排气开口，该可开启的排气开口用于在相关的电芯热失控的情况下从该电芯中排出气体，其中，相应的电芯在热失控的情况下具有至少一个热的热点区域，该热点区域由电芯电极中的至少一个电芯电极和/或由排气开口提供。此外，在高度的方向上，将相应的电芯的部段埋入在至少一个填料层中。在此，将至少一个热的热点区域埋入在填料层中，该填料层通过填料形成，用以在热失控的情况下为电芯提供热屏蔽。

26、在此可以规定，在制造的过程中，将填料在液态的或粘性的状态中引入期望的区域中，并且紧接着使其硬化或主动硬化。

27、对于根据本发明的电芯装置及其设计方案所描述的优点以相同的方式适用于根据本发明的机动车和根据本发明的方法。

28、根据本发明的机动车优选地设计为汽车、特别是乘用汽车或商用汽车，或者设计为大客车或摩托车。

29、本发明也包括根据本发明的方法的改进方案，这些改进方案具有已经结合根据本发明的电芯装置的改进方案所描述的特征。出于这一原因，在此不再次描述根据本发明的方法的相应的改进方案。

30、本发明还包括所述实施方式的特征组合。因此，本发明还包括以下实现方案，这些实现方案分别具有多个所述实施方式的特征组合，只要这些实施方式没有被描述为相互排斥的。