AT519359A4 - Batteriemodul - Google Patents

Abstract

Die Erfindung betrifft ein Batteriemodul (1), insbesondere einer Sekundärbatterie, mit einem Gehäuse (2), in welchem zumindest ein Stapel (3) aneinandergereihter Batteriezellen (4) angeordnet ist, wobei zwischen zumindest einer äußeren Batteriezelle (4) und dem Gehäuse (2) zumindest ein aus einem Verbundwerkstoff bestehendes Volumenausgleichselement (7) angeordnet ist. Um die Energiedichte zu erhöhen ist vorgesehen, dass das Volumenausgleichelement (7) in Sandwichbauweise ausgebildet ist und mehrere Schichten (8, 9, 10) mit unterschiedlichen physikalischen und/oder chemischen Eigenschaften aufweist.

Description

Die Erfindung betrifft ein Batteriemodul, insbesondere einer Sekundärbatterie, mit einem Gehäuse, in welchem zumindest ein Stapel aneinandergereihter Batteriezellen angeordnet ist, wobei zwischen zumindest einer äußeren Batteriezelle und dem Gehäuse zumindest ein aus einem Verbundwerkstoff bestehendes Volumenausgleichselement angeordnet ist.

Um heutigen Sicherheitsanforderungen gerecht zu werden, müssen Batteriemodule im Rahmen standardisierter Tests unter Anderem gewisse mechanische Lasten ertragen können. Beispielsweise wir in manchen standardisierten Tests vorgegeben, dass das Batteriemodul das 1000-fache Eigengewicht ertragen muss oder auf 50% der ursprünglichen Abmessungen zusammendrückbar ist. Das Batteriemodul darf dabei meist keine gefährlichen Reaktionen (z.B.: Brand, Leckage, ...) zeigen. Im Inneren des Modulgehäuses befinden sich die Batteriezellen, welche vor den auftretenden Lasten und Verformungen geschützt werden sollen, um gefährliche Zustände der Batteriezellen zu verhindern.

Um die extremen mechanischen Lasten ertragen zu können erfordert es sehr feste Strukturen, die das Gehäuse des Batteriemodules bilden. Dies erfordert, wie heute üblich, den Einsatz von metallischen Werkstoffen, meist Aluminium oder Stahl. Die dazu notwendigen Wandstärken benötigen einerseits Bauraum und haben dadurch andererseits einen beträchtlichen Anteil am Modulgewicht.

Besonders gut vor mechanischen Lasten geschützt werden müssen sogenannte Pouch-Zellen, also Batteriezellen ohne festes Gehäuse.

Eine weitere Besonderheit von Pouch-Zellen resultiert ebenfalls aus dem Fehlen eines festen Gehäuses. Viele heutige Lithium-Ionen Zellen weisen beim Laden/Entladen sowie durch Alterungseffekte über die Lebensdauer eine gewisse Volumenvergrößerung auf.

Des Weiteren empfehlen viele Zellhersteller eine gewisse Vorspannung der Batteriezellen, da diese in gewissem Maß einen positiven Effekt auf die Eigenschaften der Batteriezellen hat. Im Gegenzug dazu führt eine zu hohe Vorspannung der Batteriezellen zum gegenteiligen Effekt. Es kommt zu einer beschleunigten Alterung und damit zum Ausfall der Batteriezellen.

Um eine möglichst gleichmäßige Vorspannung unter Berücksichtigung der Volumenänderung zu gewährleisten ist es meist nicht ausreichend die Batteriezellen ohne weitere Maßnahmen in einem Modulgehäuse zu verbauen. Dazu werden heute meist sogenannte Compression Pads, also elastische Elemente am Ende bzw. zwischen den gestapelten Batteriezellen in einem Batteriemodul verbaut. Diese elastischen Elemente gewährleisten bei dementsprechender Auslegung ein Einhalten der Vorspannung auf die Batteriezellen innerhalb des spezifizierten Bereichs auch bei einer Volumenänderung der Batteriezellen. Als weitere Funktion der Compression Pads ist die mechanische Fixierung der gestapelten Batteriezellen zu nennen. Um die Funktion über die gesamte Lebensdauer gewährleisten zu können weisen die Compression Pads oft einen Volumenbedarf auf, der einen negativen Einfluss auf die erreichbare Energiedichte des Batteriemodules hat, da weniger nutzbarer Raum für den Einbau von Batteriezellen zur Verfügung steht.

Aufgabe der Erfindung ist es die genannten Nachteile zu vermeiden und bei einem Batteriemodul der eingangs genannten Art die Energiedichte zu erhöhen.

Ausgehend von einem Batteriemodul der eingangs genannten Art wird diese Aufgabe erfindungsgemäß dadurch gelöst, dass das Volumenausgleichelement in Sandwichbauweise ausgebildet ist und mehrere Schichten mit unterschiedlichen physikalischen und/oder chemischen Eigenschaften aufweist.

Bei der sogenannten Sandwichbauweise werden Werkstoffe mit verschiedenen Eigenschaften in Schichten zu einem Bauteil oder Halbzeug zusammengesetzt. Der Einsatz von Verbundwerkstoffen bei einem Batteriemodul in der Sandwichbauweise ermöglicht ein geringes Gewicht bei einer hohen Festigkeit des Gehäuses.

Vorzugsweise ist dabei vorgesehen, dass das Volumenausgleichelement zumindest eine erste, eine zweite und eine dritte Schicht aufweist, wobei die zwischen erster und dritter Schicht - den sogenannten Deckschichten - angeordnete zweite Schicht - dem sogenannten Kern - eine geringere Zugfestigkeit aufweist, als die erste und/oder dritte Schicht. Der Kern überträgt auftretende Schubkräfte und stützt die Deckschichten.

Die erste und/oder dritte Schicht kann durch eine metallische Struktur, beispielsweise aus Aluminium, gebildet sein. Insbesondere kann die erste und/oder dritte Schicht eine nichtporöse Struktur aufweisen.

Dadurch kann das Gewicht und das erforderliche Volumen des Modulgehäuses anteilsmäßig geringgehalten und somit hohe gravimetrische und volumetrische Leistungsdichten des Batteriemodules umgesetzt werden.

Dabei wird zwischen den Deckschichten aus einem Material mit einer hohen Zugfestigkeit (z.B.: Aluminium) ein Kern aus leichterem und weniger festem Material (z.B.: Polyurethan-Schaum) als Schubspannungsüberträgereingebracht.

Im Rahmen der vorliegenden Erfindung wird die Struktur des Kerns so gewählt, dass dieser eine gewisse elastische und/oder plastische Volumenänderung unter Druckbelastung ausführen kann. Die daraus resultierende Wandstärkenreduktion des Gehäuses stellt innerhalb des Batteriemodules Raum zur Verfügung, in dem die Volumenzunahme der Batteriezellen aufgenommen werden kann. Eine entsprechende Auslegung des elastischen Kernmaterials gewährleistet dabei, dass die erforderliche Vorspannung der Batteriezellen über die gesamte Lebensdauer im spezifizierten Bereich bleibt.

Durch die Kombination dieser Eigenschaften kann ein Gehäuse eines Batteriemoduls realisiert werden, welches eine hohe mechanische Festigkeit bei einem geringen Gewicht aufweist. Des Weiteren ergibt sich bei vorgegebenen Außenabmessungen des Batteriemodules ein Vorteil bezüglich des nutzbaren Volumens.

Besonders vorteilhaft ist es, wenn zumindest ein Volumenausgleichselement in eine - im Wesentlichen normal zur Stapelrichtung des Stapels an Batteriezellen angeordnete - Stirnwand des Gehäuses integriert ist.

Um das Gehäuse des Batteriemoduls bei Tests, bei denen eine gewisse Vorverformung erforderlich ist, vor dem Kollabieren zu schützen, ist es vorteilhaft einen Teil der Struktur etwas schwächer auszuführen. Das kann beim vorgeschlagenen Konzept leicht integriert werden, indem zumindest ein Teil des Gehäuses des Batteriemoduls nicht in Sandwichbauweise ausgeführt wird. Beispielsweise ist dabei in einer Ausführungsvariante der Erfindung vorgesehen, dass zumindest ein normal zur Stapelrichtung an das Volumenausgleichselement anschließender Bereich der Stirnwand des Gehäuses nicht in Sandwichbauweise -also beispielsweise in Einschichtbauweise - und/oder mit geringerer Wandstärke als das Volumenausgleichselement ausgeführt ist. Durch die Materialverdünnung ergibt sich eine Sollknickstelle, welche bei Verformung über eine definierte Verformungswegstrecke Energie aufnimmt, bevor die feste Struktur des Gehäuses und der Batteriezellen weitere Energie aufnehmen muss.

Wird das Material der zweiten Schicht elektrisch isolierend ausgeführt, was für die meisten elastischen Kernmaterialien zutrifft, so kann eine separate elektrische Isolierung zwischen den Batteriezellen und dem Modulgehäuse zumindest teilweise entfallen. Dies erlaubt es, das Batteriemodul sehr kompakt auszuführen.

Durch die erfindungsgemäße Ausbildung des Batteriemoduls und die Kombination des Gehäuses des Batteriemoduls in Sandwichbauweise mit einem System zur Kompensation der Volumenänderung der Batteriezellen und zur Vorspannung und Fixierung der Batteriezellen im Betrieb kann der Platzbedarf für ein separates Vorspann- und Volumenkompensationssystem vollständig oder teilweise eingespart werden. Dadurch steht mehr nutzbarer Raum für den Einbau von Batteriezellen zur Verfügung, was es ermöglicht die volumetrische Energiedichte des Batteriemoduls zu erhöhen. Durch die Gewichtsersparnis erhöht sich auch die gravi metrische Energiedichte. Durch den lokalen Verzicht auf eine feste Struktur in Sandwich-Bauweise ergibt sich ein Vorteil bei weggesteuerten Belastungstests, da die feste Struktur teilweise vor hohen Lasten und somit dem Kollabieren geschützt wird.

Die Erfindung wird im Folgenden an Hand des in den Figuren gezeigten nicht einschränkenden Ausführungsbeispiels näher erläutert.

Darin zeigen schematisch:

Fig. la ein erfindungsgemäßes Batteriemodul vor einer Volumenänderung der Batteriezellen,

Fig. lb das Batteriemodul nach einer Volumenänderung der Batteriezellen,

Fig. 2 das Batteriemodul im unverformten Zustand,

Fig. 3 das Batteriemodul in einem teilweise verformten Zustand (Wegsteuerung) während eines Crashtests,

Fig. 4 das Batteriemodul in einem überwiegend verformten Zustand (Kraftsteuerung) während eines Crashtests und

Fig. 5 ein Kraft/Weg-Diagramm während des Crashtests.

In den Fig. 1 bis 4 ist schematisch ein Batteriemodul 1 mit einem Gehäuse 2 dargestellt, in welchem ein Stapel 3 von Batteriezellen 4 angeordnet ist, wobei mit dem Pfeil 5 die Stapelrichtung der Batteriezellen 4 angedeutet ist.

Zwischen dem Gehäuse 2 und den äußeren, das heißt in Stapelrichtung 5 der Stirnwand 6 des Gehäuses 2 am nächsten liegenden Batteriezellen 4 ist jeweils zumindest ein Volumenausgleichselement 7 angeordnet. Das Volumenausgleichelement 7 ist in Sandwichbauweise ausgebildet und weist mehrere Schichten 8, 9, 10 mit unterschiedlichen physikalischen und/oder chemischen Eigenschaften auf. Im Ausführungsbeispiel ist das Volumenausgleichselement 7 mit einer an die Batteriezelle 4 grenzenden ersten Schicht 8 (Deckschicht), einer zweiten Schicht 9 (Kernschicht) und einer der Batteriezelle 4 abgewandten dritten Schicht 10 (Deckschicht) ausgebildet, wobei die zwischen den Deckschichten 8, 10 angeordnete zweite Schicht 9 eine geringere Zugfestigkeit aufweist, als die anderen beiden Schichten 8, 10. Die erste Schicht 8 und die dritte Schicht 10 können beispielsweise aus Aluminium bestehen. Die zweite Schicht 9 weist eine poröse elektrisch nichtleitende Struktur, beispielsweise aus PU-Schaum (Polyurethane-Schaum), auf. Somit übernimmt die Kernschicht 9 lokal die elektrische Isolierung zwischen den Batteriezellen 4 und dem Gehäuse 2. Auf eine separate Isolierung kann verzichtet werden.

Das Volumenausgleichselement 7 ist in die - im Wesentlichen normal zur Stapelrichtung 5 des Stapels 3 an Batteriezellen 4 angeordnete - Stirnwand 6 des Gehäuses 2 integriert. Dabei sind aber nicht das ganze Gehäuse 2, sondern nur die an die Batteriezellen 4 angrenzenden Bereiche 6a der beiden Stirnwänden 6 in Sandwichbauweise ausgeführt. Insbesondere sind normal zur Stapelrichtung 5 an das Volumenausgleichselement 7 anschließende Bereiche 6b der Stirnwand 6 des Gehäuses 2 nicht in Sandwichbauweise und/oder als Materialverdünnung mit geringerer Wandstärke s als das Volumenausgleichselement 7 ausgeführt, wie in Fig. la, lb und 2 ersichtlich ist. Dabei ist die Wandstärke des Volumenausgleichselementes 7 im nichtdeformierten Zustand mit sl (Fig. la) und im deformierten Zustand mit s2 (Fig. lb) bezeichnet. Dadurch, dass in den an das

Volumenausgleichselement 7 anschließenden Bereichen des Gehäuses 2 die Stirnwand 6 mit geringerer Wandstärke s ausgeführt ist, als in Bereichen des Volumenausgleichelements 7, ergibt sich bei einer Krafteinwirkung F normal zur Stapelrichtung 5 eine Sollknickstelle 11, welche bei Verformung über einen definierten ersten Wegbereich xl der Verformungswegstrecke x Energie aufnimmt, bevor die feste Struktur des Gehäuses 2 und der Batteriezellen 4 weitere Energie aufnehmen muss.

Die Fig. 2 bis 4 zeigen exemplarisch einen Crashtest des Batteriemoduls 1, wobei eine Kraft F normal zur Stapelrichtung 5 auf den Batteriemodul 1 ausgeübt wird.

Fig. 2 zeigt dabei das Batteriemodul 1 im nicht verformten Zustand, Fig. 3 das Batteriemodul 1 bei Einwirkung der Kraft F, wobei das Gehäuse 2 im Bereich der durch die Materialverdünnung gebildeten Sollknickstelle 11 kollabiert. Fig. 4 zeigt das Batteriemodul 1 mit einem im Bereich der Sollknickstelle 11 vollständig kollabierten Gehäuse 2.

Fig. 5 zeigt dazu ein Kraft F - Weg x - Diagramm. Wie daraus ersichtlich ist, setzt sich die Energieaufnahme während des Crashtests aus einem weggesteuerten ersten Bereich xl und einem kraftgesteuerten zweiten Bereich zusammen. Im ersten Wegbereich xl erfolgt die Energieaufnahme durch Verformung des Gehäuses 2 im Bereich der Sollknickstelle 11, im zweiten Wegbereich x2 hingegen wird die Energie durch die feste Struktur des Volumenausgleichelementes 7 des Gehäuses 2 und durch die Batteriezellen 4 aufgenommen. Der Übergang zwischen dem ersten Bereich xl und dem zweiten Bereich x2 ist mit A bezeichnet.

Claims (8)

PATENTANSPRÜCHE

1. Batteriemodul (1) , insbesondere einer Sekundärbatterie, mit einem Gehäuse (2), in welchem zumindest ein Stapel (3) aneinandergereihter Batteriezellen (4) angeordnet ist, wobei zwischen zumindest einer äußeren Batteriezelle (4) und dem Gehäuse (2) zumindest ein aus einem Verbundwerkstoff bestehendes Volumenausgleichselement (7) angeordnet ist, dadurch gekennzeichnet, dass das Volumenausgleichelement (7) in Sandwichbauweise ausgebildet ist und mehrere Schichten (8, 9, 10) mit unterschiedlichen physikalischen und/oder chemischen Eigenschaften aufweist.

2. Batteriemodul (1) nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das Volumenausgleichselement (7) zumindest eine erste (8), eine zweite (9) und eine dritte Schicht (10) aufweist, wobei die zwischen erster (1) und dritter Schicht (10) angeordnete zweite Schicht (8) eine geringere Zugfestigkeit aufweist, als die erste (8) und/oder dritte Schicht (10).

3. Batteriemodul (1) nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die erste (8) und/oder dritte Schicht (10) eine nichtporöse Struktur aufweist.

4. Batteriemodul (1) nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass die erste (8) und/oder dritte Schicht (10) eine metallische Struktur, vorzugsweise aus Aluminium, aufweist.

5. Batteriemodul (1) nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass die zweite Schicht (9) eine elastische und/oder poröse Struktur, vorzugsweise aus PU-Schaum, aufweist.

6. Batteriemodul (1) nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass zumindest ein Volumenausgleichselement (7) in eine -im Wesentlichen normal zur Stapelrichtung (5) des Stapels (3) an Batteriezellen (4) angeordnete - Stirnwand (6) des Gehäuses (2) integriert ist.

7. Batteriemodul (1) nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass zumindest ein normal zur Stapelrichtung (5) an das Volumenausgleichselement (7) anschließender Bereich der Stirnwand (6) des Gehäuses (2) nicht in Sandwichbauweise und/oder mit geringerer Wandstärke (s) als das Volumenausgleichselement (7) ausgeführt ist.

8. Batteriemodul (1) nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass zumindest eine Schicht, vorzugsweise die zweite Schicht (9), aus einem elektrisch isolierendem Material besteht.