AT515312B1 - battery module - Google Patents
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Abstract
Die Erfindung betrifft ein Batteriemodul (100) mit zumindest einer, vorzugsweise einer Vielzahl von Batteriezellen (101), die im Wesentlichen plattenartig ausgebildet und von einer Schaumstoffstruktur (110) umgeben sind, wobei die Schaumstoffstruktur (110) zumindest eine Sollbruchstelle aufweist und jeder Batteriezelle (101, 101a) zumindest eine Sollbruchstelle in der Schaumstoffstruktur (110, 110a, 110b) zugeordnet ist.The invention relates to a battery module (100) having at least one, preferably a plurality of battery cells (101) which are substantially plate-like and surrounded by a foam structure (110), the foam structure (110) having at least one predetermined breaking point and each battery cell (110). 101, 101a) is associated with at least one predetermined breaking point in the foam structure (110, 110a, 110b).
Description
Beschreibung [0001] Die Erfindung betrifft ein Batteriemodul mit zumindest einer, vorzugsweise einer Vielzahl von Batteriezellen, die im Wesentlichen plattenartig ausgebildet und von einer Schaumstoffstruktur umgeben sind.Description: [0001] The invention relates to a battery module having at least one, preferably a plurality of battery cells, which are essentially plate-like and are surrounded by a foam structure.
[0002] Bei Batterien, die insbesondere in Fahrzeugen beispielsweise für deren Antrieb eingesetzt werden, ist es notwendig, die üblicherweise empfindlichen Batteriezellen vor mechanischer Beschädigung zu schützen. So beschreibt die EP 0 631 338 A1 eine Batterie mit einem Batteriegehäuse, in dem eine Vielzahl von Batteriezellen untergebracht sind, wobei das Batteriegehäuse aus einer Kunststoffschaumstruktur gefertigt ist.For batteries, which are used in particular in vehicles, for example, for their drive, it is necessary to protect the usually sensitive battery cells from mechanical damage. Thus, EP 0 631 338 A1 describes a battery with a battery housing, in which a plurality of battery cells are accommodated, wherein the battery housing is made of a plastic foam structure.
[0003] In der US 2007/259258 A1 ist eine Batterieanordnung beschrieben, die ebenfalls aus einer Vielzahl von Batteriemodulen mit einzelnen Zellen besteht, wobei jedes Batteriemodul in dem Gehäuse eingeschäumt ist.In the US 2007/259258 A1 a battery assembly is described, which also consists of a plurality of battery modules with individual cells, each battery module is foamed in the housing.
[0004] Im Fall eines Defektes einer oder mehrerer Batteriezellen in einem Batteriemodul bzw. einer Batterie kann es zu einem Austritt gasförmiger Stoffe kommen, die üblicherweise über ein Entlüftungsventil im Gehäuse der Batterie entweichen können. Eine Entweichung dieser Gase ist notwendig, um die Ausbildung eines Überdrucks und damit eines unkontrollierten Berstens des Batteriegehäuses zu vermeiden. Die EP 1 717 884 B1 offenbart hierfür ein Entlüftungsventil für Säurebatterien. Derartige Ventile sind jedoch im Fall von eingeschäumten Batteriezellen nicht bzw. nur im Bereich des Batteriegehäuses selbst einsetzbar, während die Schaum Struktur um die Batteriezelle herum weiterhin unkontrolliert aufreißen kann.In the case of a defect of one or more battery cells in a battery module or a battery, there may be an escape of gaseous substances that can usually escape via a vent valve in the housing of the battery. An escape of these gases is necessary to avoid the formation of an overpressure and thus an uncontrolled bursting of the battery case. EP 1 717 884 B1 discloses a vent valve for acid batteries for this purpose. However, in the case of foamed-in battery cells, such valves can not be used or only in the region of the battery housing itself, while the foam structure around the battery cell can continue to rupture in an uncontrolled manner.
[0005] In der EP 2 685 527 A1 ist ein Batteriemodul in einem Gehäuse beschrieben, deren Gehäusewand über eine Sollbruchstelle verfügt.In EP 2 685 527 A1, a battery module is described in a housing, the housing wall has a predetermined breaking point.
[0006] Es ist daher Aufgabe der Erfindung, einen verbesserten Batterieaufbau mit eingeschäumten Batteriezellen zur Verfügung zu stellen, der ein kontrolliertes Entlassen von Überdruck aus der Batterie ermöglicht.It is therefore an object of the invention to provide an improved battery structure with foamed battery cells available that allows a controlled release of excess pressure from the battery.
[0007] Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß dadurch gelöst, dass die Schaumstoffstruktur zumindest eine Sollbruchstelle aufweist, wobei jeder Batteriezelle zumindest eine Sollbruchstelle in der Schaumstoffstruktur zugeordnet ist. Über diese Sollbruchstelle, die bevorzugterweise als Materialverdünnung in der Schaumstoffstruktur ausgebildet ist, kann auf kontrollierte Weise austretendes Gas oder Überdruck bei einer Fehlfunktion und/oder einem Defekt zumindest einer oder mehrerer Batteriezellen in die Umgebung kontrolliert abgelassen werden, ohne dass die gesamte Schaum Stoff Struktur ihre Funktion, nämlich den Schutz der zumindest einen Batteriezelle vor mechanischen Beschädigungen, verliert. Ein weiterer Vorteil des kontrollierten Ablassens ist, dass die Sollbruchstelle an einer Stelle angebracht werden kann, an der das ausströmende Gas keine weiteren Beschädigungen an der Umgebung anrichten kann, bzw. das Gas beispielsweise über einen Sammelkanal abgeführt werden kann.This object is achieved in that the foam structure has at least one predetermined breaking point, each battery cell is assigned at least one predetermined breaking point in the foam structure. About this predetermined breaking point, which is preferably designed as a material dilution in the foam structure can be drained in a controlled manner escaping gas or pressure at a malfunction and / or a defect at least one or more battery cells in the environment, without the entire foam fabric structure their Function, namely the protection of at least one battery cell from mechanical damage loses. Another advantage of the controlled discharge is that the predetermined breaking point can be mounted at a location where the outflowing gas can cause no further damage to the environment, or the gas can be removed for example via a collecting channel.
[0008] In einer besonders bevorzugten Ausführung der Erfindung ist die Materialverdünnung in der Schaumstoffstruktur im Bereich eines, oder zwischen zwei Zellkontakten zumindest einer Batteriezelle angeordnet. Prismatische Zellen haben oft in diesem Bereich eine Sollbruchstelle, an der gegebenenfalls das Gas aus dem Zellinneren entweicht. Ist die Sollbruchstelle der Zelle an anderer Stelle angeordnet, kann es zielführend sein, auch die Materialverdünnung in der Schaumstoffstruktur in diesem Bereich fern der Zellkontakte zu positionieren. Die Zellkontakte der zumindest einen Batteriezelle ragen üblicherweise in den Bereich eines Gehäusedeckels des Batteriegehäuses, wo auch gewöhnlich Entlüftungseinrichtungen, wie Entlüftungsmembrane, Entlüftungskanäle oder Ventile angeordnet sind. Somit kann auf kurzem Wege ein allfälliger Überdruck aus dem Batteriegehäuse kontrolliert abgeleitet werden. Ist erfindungsgemäß kein separates Gehäuse vorhanden, das heißt die äußere Begrenzung des Batteriemoduls ist ebenfalls eine Schaumstoffschichtschicht, so muss die Sollbruchstelle in dieser Schaum Stoff Schicht an einer Stelle im Fahrzeug positioniert sein, an der ein gefahrloses Entgasen möglich ist.In a particularly preferred embodiment of the invention, the material dilution in the foam structure in the region of, or between two cell contacts at least one battery cell is arranged. Prismatic cells often have a predetermined breaking point in this area, at which the gas possibly escapes from the cell interior. If the predetermined breaking point of the cell is arranged elsewhere, it may be expedient to also position the material dilution in the foam structure in this area away from the cell contacts. The cell contacts of the at least one battery cell usually protrude into the region of a housing cover of the battery housing, where also usually venting devices, such as venting membranes, venting channels or valves are arranged. Thus, a possible overpressure can be derived in a controlled manner from the battery housing in a controlled manner. If, according to the invention, there is no separate housing, that is to say the outer boundary of the battery module is likewise a foam layer, the predetermined breaking point in this foam material layer must be positioned at a point in the vehicle at which safe degassing is possible.
[0009] Des Weiteren ist bevorzugterweise vorgesehen, dass in der Schaumstoffstruktur unter- schiedliche Einbauten, insbesondere Kühlleitungen, Wärmeleitbleche, elektrische Leitungen, elektrische und mechanische Anschlusselemente, Sensoren und/oder Steuerungselemente angeordnet sind. Somit sind diese Einbauten ebenfalls von der Schaum Stoff Struktur umhüllt und gegen mechanische Beanspruchungen geschützt.Furthermore, it is preferably provided that different internals, in particular cooling lines, heat conducting plates, electrical lines, electrical and mechanical connection elements, sensors and / or control elements are arranged in the foam structure. Thus, these internals are also enveloped by the foam fabric structure and protected against mechanical stress.
[0010] Der Betrieb von Batteriemodulen erfordert häufig eine Temperierung der zumindest einen Batteriezelle, diese Temperierung kann sowohl ein Erwärmen als auch ein Abkühlen der Umgebung der Batteriezelle umfassen. In einer weiteren Ausführung der Erfindung ist deshalb vorgesehen, dass die Schaum Stoff Struktur zumindest einen Kanal mit einer Kanalwand aufweist, und die zumindest eine Sollbruchstelle im Bereich der Kanalwand angeordnet ist. Hierbei dient der Kanal der Aufnahme eines Temperierungselements, zum Beispiel einer Kühlleitung. Ist nun beispielsweise diese Kühlleitung defekt, so kann austretende Kühlflüssigkeit kontrolliert aus dem Kanal in der Schaum Stoff Struktur abgeleitet werden. Der Drainagekanal kann während des Schäumvorgangs einer Einheit entstehen oder beispielsweise durch das Zusammensetzen mehrerer Schaumteile gebildet werden.The operation of battery modules often requires a temperature of the at least one battery cell, this temperature can include both heating and cooling the environment of the battery cell. In a further embodiment of the invention, it is therefore provided that the foam material structure has at least one channel with a channel wall, and that at least one predetermined breaking point is arranged in the region of the channel wall. In this case, the channel serves to receive a temperature control element, for example a cooling line. If, for example, this cooling line is defective, leaking coolant can be controlled from the channel in the foam material structure. The drainage channel can arise during the foaming process of a unit or be formed for example by the assembly of several foam parts.
[0011] In einer weiteren Ausführung der Erfindung ist vorgesehen, dass die Schaumstoffstruktur zumindest zwei Schaumstoffschichten mit unterschiedlichen mechanischen, physikalischen und/oder chemischen Eigenschaften aufweist. So weist beispielsweise in einer ersten Ausführung der Erfindung die Schaumstoffstruktur eine erste Schaumschicht auf, die zumindest eine Batteriezelle zur Gänze umschließt, und vorzugsweise brandhemmende Eigenschaften aufweist. Diese brandhemmende Eigenschaft kann beispielsweise dadurch erzielt werden, dass das zur Herstellung der Schaumstoffstruktur notwendige Treibmittel beim Einschäumen der Batteriezelle durch ein brandhemmendes Gas oder durch ein Schutzgas ersetzt wird. Ebenso verhindert die Einschäumung der Batteriezellen unter Schutzgasatmosphäre Lufteinschlüsse, die im Falle einer Fehlfunktion brandunterstützend wirken können. Alternativ hierzu kann vorgesehen sein, dass die erste Schaumschicht derart ausgebildet ist, dass diese im Brandfall selbst ein Schutzgas oder andere brandhemmende Stoffe freisetzt.In a further embodiment of the invention it is provided that the foam structure has at least two foam layers with different mechanical, physical and / or chemical properties. Thus, for example, in a first embodiment of the invention, the foam structure has a first foam layer, which encloses at least one battery cell in its entirety, and preferably has fire-retardant properties. This fire-retarding property can be achieved, for example, by replacing the blowing agent necessary for producing the foam structure during foaming of the battery cell by a fire-retardant gas or by an inert gas. Likewise, the foaming of the battery cells under a protective gas atmosphere prevents air pockets, which can have a fire-supporting effect in the event of a malfunction. Alternatively, it can be provided that the first foam layer is designed such that it releases a protective gas or other fire-retardant substances in case of fire.
[0012] In einer weiteren Ausführung der Erfindung ist als zweite Schaumstoffschicht eine Schicht vorgesehen, die gegebenenfalls eine höhere Dichte als die erste Schaum Stoff Schicht aufweist, und vorzugsweise als tragende Schicht für unterschiedliche Einbauten ausgebildet ist. Diese zweite Schaumstoff Schicht, die üblicherweise auch eine höhere Dicke als die erste Schaumstoffschicht aufweist, zeichnet sich insbesondere durch ihre mechanische Stabilität aus, die die Aufnahme von unterschiedlichen Einbauten erlaubt.In a further embodiment of the invention, a layer is provided as the second foam layer, which optionally has a higher density than the first foam material layer, and is preferably formed as a supporting layer for different installations. This second foam layer, which usually also has a greater thickness than the first foam layer, is characterized in particular by its mechanical stability, which allows the inclusion of different internals.
[0013] Oft ist das Temperaturmanagement von eingeschäumten Batteriemodulen, insbesondere bei Mehrschichtaufbauten, eine Herausforderung, um zu verhindern, dass die Batteriezellen im Betrieb überhitzen und insbesondere in Brand geraten. Daher ist in einer weiteren Ausführung der Erfindung vorgesehen, dass zwischen erster Schaumstoffschicht und zweiter Schaumstoffschicht eine weitere, dritte Schaumstoffschicht angeordnet ist, die einen besseren Wärmeübergang zwischen diesen beiden Schaumstoffschichten erlaubt.Often, the temperature management of foamed battery modules, especially in multi-layer structures, a challenge to prevent the battery cells overheat during operation and in particular caught fire. Therefore, it is provided in a further embodiment of the invention that between the first foam layer and the second foam layer, a further, third foam layer is arranged, which allows a better heat transfer between these two foam layers.
[0014] In einer weiteren Ausführung der Erfindung ist eine zusätzliche äußere, vierte Schicht angeschlossen, die dem EMV-Schutz dient, und bevorzugterweise eine Dampfsperre aufweist.In a further embodiment of the invention, an additional outer, fourth layer is connected, which serves the EMC protection, and preferably has a vapor barrier.
[0015] In einer besonders bevorzugten Ausführung der Erfindung sind die zumindest zwei Schaumschichten voneinander trennbar um die zumindest eine Batteriezelle angeordnet. Durch die Trennbarkeit der zumindest beiden Schaumschichten voneinander bzw. von einzelnen Zellen kann insbesondere beim Recyceln des erfindungsgemäßen Batteriemoduls eine einfachere Auftrennung der einzelnen Bestandteile erfolgen. Diese Trennbarkeit ist beispielsweise derart ausgebildet, dass eine Reißleine mit zumindest einer freiliegenden Öse in die Schaumstoffstruktur integriert ist. Soll die Schau mstoffschicht entfernt werden, so wird die geschlossene Schaumstoffstruktur mit Hilfe der Reißleine entzwei gerissen, und die dabei entstehenden Teile können anschließend abgehoben werden. Ebenso können Markierungen an Stellen vorgesehen sein, an denen eine mechanische Bearbeitung zur Trennung der Schaumstoffstruktur gefahrlos möglich ist.In a particularly preferred embodiment of the invention, the at least two foam layers are arranged separable from each other around the at least one battery cell. Due to the separability of the at least two foam layers from one another or from individual cells, in particular when recycling the battery module according to the invention, a simpler separation of the individual components can take place. This separability is for example designed such that a ripcord is integrated with at least one exposed eyelet in the foam structure. If the show mstoffschicht be removed, the closed foam structure is torn in half with the help of the ripcord, and the resulting parts can then be lifted. Likewise, markings may be provided at locations where mechanical processing to separate the foam structure is safely possible.
[0016] Werden mehrere Schaumschichten um die zumindest eine Batteriezelle angeordnet, kann zur besseren Verbindung der einzelnen Schichten vorgesehen sein, dass die zumindest eine erste Schaumstoffschicht eine zumindest teilweise strukturierte Oberfläche aufweist, die komplementär zu einer zumindest teilweise strukturierten Oberfläche der angrenzenden zweiten Schaumstoffschicht ausgebildet ist. Diese strukturierten Oberflächen können hier insbesondere als Verzahnungen ausgebildet sein. Ist die Verzahnungsgeometrie nur in einer Richtung, zum Beispiel in der z- Achse, ausgebildet, können die einzelnen Schichten durch ein Verschieben gegeneinander in diese Richtung wieder voneinander getrennt werden.If a plurality of foam layers arranged around the at least one battery cell, can be provided for better connection of the individual layers, that the at least one first foam layer has an at least partially structured surface which is complementary to an at least partially structured surface of the adjacent second foam layer , These structured surfaces can be designed here in particular as toothings. If the toothing geometry is formed only in one direction, for example in the z-axis, the individual layers can be separated from one another again by moving them in this direction.
[0017] Auch Kombinationen aus Verzahnung und Reißleine können vorgesehen sein.Combinations of teeth and ripcord can be provided.
[0018] Im Folgenden wird anhand von nicht-einschränkenden Ausführungsbeispielen mit zugehörigen Figuren die Erfindung näher erläutert. Darin zeigen [0019] Figs. 1 und 2 eine erste Ausführung der Erfindung in einer Schnittansicht und [0020] Fig. 3 und 4 Detailansichten einer zweiten Ausführung der Erfindung, und [0021] Fig. 5a, 5b, 5c eine integrierte Reißleine zum Trennen der Schaumstoffstruktur.In the following, the invention is explained in more detail with reference to non-limiting embodiments with associated figures. FIG. 1 shows FIGS. 1 and 2 show a first embodiment of the invention in a sectional view, and Figs. 3 and 4 show detailed views of a second embodiment of the invention; and Figs. 5a, 5b, 5c show an integrated ripcord for separating the foam structure.
[0022] In Fig. 1 und Fig. 2 ist ein erfindungsgemäßes Batteriemodul 100 gezeigt, wobei eine Schaumstoffstruktur 110 eine im Wesentlichen prismatisch ausgebildete Batteriezelle 101 mit einem Zellkontakt 102 umschließt.In Fig. 1 and Fig. 2, a battery module 100 according to the invention is shown, wherein a foam structure 110 encloses a substantially prismatic battery cell 101 with a cell contact 102.
[0023] Die Schaumstoffstruktur 110 verfügt im Bereich des Zellkontakts 102 über eine Materialverdünnung 111 mit einer geringeren Wandstärke d als die übrige Schaumstoffstruktur 110.The foam structure 110 has in the region of the cell contact 102 via a material dilution 111 with a smaller wall thickness d than the rest of the foam structure 110th
[0024] Tritt nun ein Defekt 103 an der Batteriezelle 101 auf, bei dem es zu einer Entgasung kommt, so bildet die Materialverdünnung 111 eine Sollbruchstelle, die auf Grund des entstehenden Überdrucks aufreißt (Fig. 2). Dabei wird das austretende Gas in einen Kanal 112 geleitet und anschließend aus dem Batteriegehäuse beispielsweise über eine Überdruckeinrichtung wie ein Entlüftungsventil abgeleitet (nicht dargestellt).If a defect 103 now occurs at the battery cell 101, during which degassing occurs, the material dilution 111 forms a predetermined breaking point which ruptures due to the resulting overpressure (FIG. 2). In this case, the escaping gas is passed into a channel 112 and then discharged from the battery housing, for example via an overpressure device such as a vent valve (not shown).
[0025] In den Fig. 3 und Fig. 4 ist wiederum in einer Detailansicht eine Batteriezelle 101 mit einer sie umgebenden Schaumstoffstruktur 110 dargestellt, wobei innerhalb der Schaumstoffstruktur 110 eine Kühlmittelleitung 120 verläuft. Ist nun diese Kühlmittelleitung 120 defekt und tritt ein Kühlmittel 121 durch den Defekt 103 aus, so wird es über den Kanal 112 abgeleitet und an geeigneter Stelle außerhalb des Batteriemoduls 100 bzw. der Batterie abgeführt.FIGS. 3 and 4 again show in a detailed view a battery cell 101 with a foam structure 110 surrounding it, a coolant line 120 running inside the foam structure 110. If this coolant line 120 is defective and a coolant 121 exits through the defect 103, it is discharged via the channel 112 and discharged at a suitable point outside the battery module 100 or the battery.
[0026] In Fig. 5 ist in einer schematischen Darstellung eine Reißleine 130 gezeigt, die in die Schaumstoffstruktur 110 eingebettet ist (Fig. 5a). Durch Herausziehen der Reißleine 130 (Fig. 5b) wird die Schaumstoffstruktur 110 in zwei Teile (Fig. 5c) geteilt, die in der Folge abgenommen werden können.5, a rip cord 130 is shown in a schematic representation, which is embedded in the foam structure 110 (Fig. 5a). By pulling the ripcord 130 (Figure 5b), the foam structure 110 is divided into two parts (Figure 5c), which can be removed in sequence.
[0027] Es versteht sich, dass die vorliegende Erfindung nicht auf die oben beschriebenen Ausführungsbeispiele begrenzt ist. Insbesondere kann die Anzahl sowie Anordnung der zumindest einen Sollbruchstelle in der Schaumstoffstruktur unterschiedlich ausgeführt sein.It is understood that the present invention is not limited to the embodiments described above. In particular, the number and arrangement of the at least one predetermined breaking point in the foam structure can be designed differently.
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