CN108604646B - 具有多个电池单元的电池模块、其制造方法和电池 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及具有多个电池单元、特别是锂离子电池单元的电池模块，其具有多个隔板（4），其中在两个隔板（4）之间布置有电池单元（2），并且在与一个电池单元（2）相邻的两个隔板（4）之间还布置有弹簧元件（6）、特别是拉力和/或压力弹簧元件，所述弹簧元件（6）以以下方式与所述两个隔板（4）接触和/或连接地布置，即所述弹簧元件（6）的变形常数（12）的值确定由所述两个隔板（4）传递到所述电池单元（2）上的力。
Description
技术领域
本发明基于根据独立权利要求的前序部分的具有多个电池单元的电池模块及其制造方法。本发明的主题还是具有这种电池模块的电池。
背景技术
从现有技术中已知的是，电池、如特别是锂离子电池至少由一个电池模块或有利地也由多个电池模块构成。此外，电池模块优选地还具有多个单独的电池单元，其被相互连接成电池模块。在此，各个电池单元可以彼此串联或并联连接。
各个电池单元中由于充电和放电过程所致的老化过程引起内力，所述内力导致，各个电池单元在运行持续时间期间不保持其形状不变，而是这些称为隆起的过程使电池单元的壳体变形。因此，这些过程需要构造以下电池模块，所述电池模块能够吸收由于老化过程而形成的内力并且可以限制各个电池单元的壳体的变形。为了限制变形而给各个电池单元或其壳体加载力一般被称为压制。各个电池单元的老化速度特别通过在其压制上消耗的力来确定，其中老化速度在技术重要的运行区域内随压制力的上升而增加。
此外，各个电池单元在运行期间由于其在电流流动下的内部电阻而升温。在此，电池模块的电池单元具有不均匀的温度分布，其中在电池模块中心的电池单元由于与位于电池模块边缘处的电池单元相比更差的散热能力而具有更高的温度。各个电池单元的老化速度尤其通过其温度来确定，其中随着温度升高，老化速度增加。因为电池单元随温度升高而更快老化，所以具有不均匀的温度分布的电池模块也具有老化速度的不均匀分布，这可能导致整个电池模块的寿命降低，因为电池模块的寿命由老化最快的电池单元确定。
从现有技术、特别是从US 2014/0023893中已知电池单元布置在两个隔板之间，其中各个隔板具有用于确定单个隔板的弹性的弹性元件。
此外，从JP 2008/124033已知将弹性元件布置在两个电池单元之间。
发明内容
具有多个电池单元的电池模块及其制造方法具有以下优点：用来压制单个电池单元的力可以通过弹簧元件的变形常数来调节。特别地，因此可以为电池模块的每个单独的电池单元调节期望的压制力。由此可能的是，各个电池单元的老化速度通过在其压制上消耗的力来影响。
根据本发明，提供了一种具有多个电池单元的电池模块，其中所述电池单元尤其是锂离子电池单元。电池模块具有多个隔板，其中电池单元布置在两个隔板之间。在此，与一个电池单元相邻的两个隔板之间还布置有弹簧元件。特别地，弹簧元件构造为拉力和/或压力弹簧元件。弹簧元件以以下方式与两个隔板接触和/或连接地来布置，即弹簧元件的变形常数的值确定由两个隔板传递到电池单元上的力。
通过从属权利要求中列出的措施可以实现在独立权利要求中说明的装置或在独立权利要求中说明的方法的有利扩展方案和改进。
其间布置有电池单元的两个隔板彼此间隔开一定距离地布置。在此，压制力特别是随着该距离的不断减小而增加，利用该压制力通过两个隔板来压制布置在两个隔板之间的电池单元。弹簧元件在此与两个隔板接触和/或连接地并且在两个隔板之间地来布置，其中对于两个隔板的距离的减小也需要依赖于变形常数的用于使弹簧元件变形的力。换言之，这意味着，对于将布置在两个隔板之间的电池单元压制到两个隔板上分别施加指向电池单元的方向的力，该力用于减少两个隔板的距离。在此，不仅基于电池单元的膨胀的力而且弹簧元件的回位力反作用于为了压制所施加的力。因为弹簧元件的回位力依赖于其变形常数，所以可以通过提高变形常数的值来提高回位力，由此在施加到两个隔板上的力保持不变的情况下增加两个隔板之间的距离并且由此减小压制力。由此，因此特别是在施加到两个隔板上的力恒定的情况下，仅仅借助变形常数的值就可以确定两个隔板的距离，并且由此也确定最终作用到电池单元上的压制力。
当第一弹簧元件布置在与第一电池单元相邻的两个隔板之间时并且当第二弹簧元件布置在与第二电池单元相邻的两个隔板之间时是有利的。在此，第一弹簧元件和第二弹簧元件优选地具有不同的变形常数的值。由此可以用不同的压制力来压制第一电池单元和第二电池单元。因此，第一电池单元和第二电池单元的老化速度可以例如被适配为使得它们在运行持续时间上具有相似的老化状态，特别是当第一电池单元和第二电池单元具有不同的温度并且因此温度决定地不同快地老化时如此。因此，可以通过不同的压制力来平衡基于电池单元的不同温度的不同的老化速度。在此，具有较高温度的电池单元以比以下电池单元更小的压制力来压制，所述电池单元具有与较高温度的电池单元相比更低的温度。此外，由此也可能的是，平衡已经存在的不均匀的压制状态，所述不均匀的压制状态例如是制造决定的或者通过电池模块的具有不同弹性的端板或分隔板而形成。
适宜的是，电池模块具有两个端板并且多个电池单元以及特别是还有多个隔板布置在两个端板之间。在此，两个端板通过至少一个拉紧元件以以下方式彼此连接，即两个端板传递用于压制多个电池单元的力。由此，用于压制电池模块的各个电池单元的力可以以简单的方式通过两个端板来施加，其中分别在与一个电池单元相邻的两个隔板之间布置的弹簧元件的变形常数确定了用来压制以下电池单元的力，所述电池单元与弹簧元件布置在相同的两个隔板之间。
根据本发明的一个方面，电池单元分别构造一个电池单元壳体。在此，电池单元中至少一个电池单元的电池单元壳体包括至少一个隔板。特别地，多个电池单元中的每个电池单元都可以包括隔板。由此，可以实现电池模块的简单构造。
适宜的是，两个相邻的隔板分别以其最大的侧面沿着电池模块的纵向方向彼此相邻并且彼此间隔开一定距离地布置。在此，分别布置在两个隔板之间的电池单元优选棱柱形地构造并且此外沿着电池模块的纵向方向以其最大侧面彼此相邻并排地布置。由此可能的是，电池单元的可靠的压制是可能的，因为隔板以其最大侧面接触电池单元的最大侧面，并且因此确保用于压制的压制力的可靠传递。
有利的是，变形常数是弹簧常数、弹性模量、压缩模量或粘度。因此，变形常数可以作为材料特定的参量来选择或通过形成弹簧元件来确定。弹簧元件在此可以纯弹性地构造或也可以包括塑性可变形部分。
优选地，电池模块具有多个弹簧元件，所述弹簧元件分别布置在两个隔板之间。在此，在两个隔板之间也可以布置多个弹簧元件、诸如两个弹簧元件。电池模块沿纵向方向还具有第一区域和第二区域。在此，电池模块被构造成使得弹簧元件的变形常数的值在电池模块的纵向方向上的第一区域中增加和/或在电池模块的纵向方向上的第二区域中减小。由此，在电池模块的纵向方向上的第一区域中以下力减小，利用该力来压制各个在电池模块的纵向方向上并排布置的电池单元。此外，在电池模块的纵向方向上的第二区域中以下力增加，利用该力来压制各个在电池模块的纵向方向上并排布置的电池单元。因为电池单元的老化速度取决于压制力，所以因此可以产生老化速度的基于压制的不均匀的分布。此外，因此也可以平衡现有的不均匀的压制，所述不均匀的压制特别是制造决定的或基于电池模块的分隔板和/或端板的不同弹性，或者也可以通过各个电池单元的制造公差来形成。电池模块在纵向方向上具有第一端和第二端，其中第一端或第二端分别描述位于电池模块的外边缘处的电池单元。此外，电池模块在纵向方向上具有中间位置，该中间位置尤其恰好位于第一端和第二端之间的中心。优选地，第一区域包括电池模块的第一端和中间位置之间的区域，并且第二区域包括电池模块的中间位置和第二端之间的区域。
适宜地，第一区域和第二区域以以下方式适配，即在运行期间电池单元的温度在纵向方向上的第一区域中增加和/或在纵向方向上的第二区域中减小。由此能够实现各个电池单元的老化状态的更均匀的分布，因为具有较高温度的电池单元以比具有相对于此较低温度的电池单元更小的力来压制。因此，借助不均匀的压制可以平衡特别是由于散热的不同可能性而出现的不均匀的老化，所述不均匀的老化由不均匀的温度分布引起，所述不均匀的压制基于布置在两个隔板之间的弹簧元件的不同的变形常数。
但是，在此应该指出，用来压制电池单元的压制力不允许低于最小的压制力，因为否则阳极、隔膜和阴极可以彼此分离，这一般已知为分层。导致分层的最小压制力不到可能不期望地放大老化。
此外，本发明涉及一种具有刚刚描述的电池模块的电池。
根据本发明，还提供了一种用于制造刚刚描述的电池模块的方法。在此，在第一步骤中为每个电池单元确定其在运行电池模块期间所具有的温度。这种确定可以通过实验测试和数值仿真来进行。特别地，该确定也可以在电池模块的运行期间进行。特别地，在此作为第一近似可以以以下为基础，即电池模块的中心处的电池单元将具有比电池模块的边缘处的电池单元更高的温度，其中图2示例性地示出了电池模块的纵向方向上的电池单元的温度变化曲线。
在第二步骤中，电池模块中的弹簧元件现在布置成，使得弹簧元件在以下情况下相较于在电池模块的纵向方向上在前的弹簧元件具有变形常数的更大的值，即与该弹簧元件布置在相同的两个隔板之间的电池单元的确定的温度大于与所述在前的弹簧元件布置在相同的两个隔板之间的电池单元的温度。
另外，在第二步骤中，在电池模块中的弹簧元件被布置成，使得弹簧元件在以下情况下相较于在电池模块的纵向方向上在前的弹簧元件具有变形常数的更小的值，即与该弹簧元件布置在相同的两个隔板之间的电池单元的确定的温度小于与所述在前的弹簧元件布置在相同的两个隔板之间的电池单元的温度。
由此，电池单元的基于不均匀温度分布的不均匀老化可以借助压制力的不均匀分布至少部分地得到平衡。
附图说明
本发明的实施例在附图中示出并且在以下描述中更详细地解释。
其中：
图1以侧视图示意性地示出了根据本发明的电池模块的一种实施方式，以及
图2示例性示出在运行期间电池单元的温度变化曲线以及弹簧元件的变形常数的值在电池模块的纵向方向上的变化曲线。
具体实施方式
图1以侧视图示意性地示出了根据本发明的电池模块1的一种实施方式。在此，图1中所示的电池模块1优选地具有多个弹簧元件6。
电池模块1具有多个电池单元2，其中图1中所示的电池模块1具有例如七个电池单元2。电池单元2优选地具有电池单元壳体3，在该电池单元壳体中容纳有电池单元2的未在此示出的电化学部件。
此外，从图1中可以看出，电池模块1还具有多个隔板4，其中图1中所示的电池模块1具有例如六个隔板4。特别地，从图1中可以看出，电池单元2的数量比隔壁4的数量多一个。
此外，电池模块1具有两个端板5，其中电池单元2和隔板4布置在两个端板5之间。特别地，布置在两个端板5之间的电池单元2和隔板4交替地布置，其中如从图1中可以看出那样，在电池模块1的用附图标记10表示的纵向方向上，隔板4跟随电池单元2。
从图1中还可以看出，电池单元2布置在两个隔板4之间或布置在一个隔板4与两个端板5中的一个之间。两个隔板4（其间布置有电池单元2），并且两个端板5中的一个与隔板4（其间布置有电池单元2）分别彼此间隔开距离9。两个隔板4或两个端板5中的一个和隔板4传递用于压制电池单元2所需的力。因此，距离9越小，压制力因此也就越大。
在两个隔板4之间和/或在隔板4和端板5之间还布置有弹簧元件6。特别地，在两个隔板4之间和/或在隔板4和端板5之间可以分别布置多个、特别是如从图1中可见那样两个弹簧元件6。弹簧元件6在此具有变形常数，该变形常数描述变形和施加的力之间的关系。弹簧元件6在此与两个隔板4或隔板4以及两个端板5中的一个接触和/或连接地来布置，弹簧元件6布置在它们之间。在图1中示意性示出的根据本发明的电池模块1的实施例中，弹簧元件6的变形应理解为电池模块1的纵向方向10上的长度变化。
弹簧元件6的回位力试图抵抗弹簧元件6的变形，特别是电池模块1的纵向方向10上的长度变化。此外，基于电池单元2的老化过程的膨胀过程引起增加距离9的力。因此，弹簧元件6的回位力和基于膨胀过程的力并联。换句话说，这意味着弹簧元件6与电池单元2平行地连接。因此，为了压制电池单元2，需要抵抗弹簧元件6的回位力和基于电池单元2的膨胀过程的力。通过提高弹簧元件6的变形常数，可以提高整个抵抗压制的力，由此距离9也增加并且因此电池单元2的压制力减小。
两个端板5通过拉紧元件7相互连接。由此，由于两个端板5的连接，在运行电池模块1期间各个电池单元2膨胀的情况下，由两个端板5中的每个施加抵抗膨胀的力，该力用附图标记8表示。此外，根据本发明的构思也可能的是，两个端板5不相互连接并且以其他方式施加抵抗膨胀的力8。因此，为了压制各个电池单元2所需的力8由两个端板5施加。因为布置在两个隔板4之间的与不同的电池单元2并行连接的弹簧元件6分别优选地具有不同的变形常数，所以最终两个隔板4之间的距离9也彼此不同。因为距离9确定了用来压制各个电池单元2的压制力，所以由于弹簧元件6的不同的变形常数也以不同的压制力压制各个电池单元2。具有变形常数的较大值的弹簧元件6与具有变形常数的较小的值的弹簧元件6相比变形较小，由此两个隔板4（其间分别布置有弹簧元件6）具有不同的距离9。
因为根据图1中所示的实施例，两个端板5通过拉紧元件 7相互拉紧，所以两个端板5之间的距离优选地是恒定的。当然也可以的是，以以下方式相互拉紧端板5，即距离至少部分可变。由于两个端板5之间的尤其恒定的距离，在图1中所示的实施例中，各个距离9不是彼此独立的。原则上适用：两个隔板4（其间布置有具有变形常数的较大值的弹簧元件6）比其间布置有具有变形常数的较小值的弹簧元件6的两个隔板4具有更大的距离9。近似地可以假设，两个变形常数彼此的比率对应于由相应的弹簧元件6确定的距离9的比率。
图2示例性示出电池单元2在运行期间的温度变化曲线以及弹簧元件6的变形常数的值在电池模块1的纵向方向10上的变化曲线。
对此，在图2中关于电池模块1的用附图标记10表示的纵向方向来绘制温度11的变化曲线和变形常数12的值的变化曲线。
在此可以看出，各个电池单元2的温度11在电池模块1运行期间在纵向方向10上的第一区域13中增加并且在纵向方向10上的第二区域14中下降。
此外，从图2可以看出，变形常数12的值被适配成使得所述值在纵向方向10上的第一区域13中增加并且在纵向方向10上的第二区域14中减小。
特别是，温度11的变化曲线和/或变形常数12的值的变化曲线近似具有抛物线形特征，其中抛物线的顶点处于电池模块1的纵向方向10上的中间位置15处。
根据本发明规定，在运行电池模块1之前确定温度11的变化曲线并且变形常数12的值的变化曲线以以下方式适配于温度11的确定的变化曲线，即基于温度11的不均匀老化速度通过压制力的不均匀分布来平衡，所述压制力的不均匀分布基于变形常数12的值的不均匀分布。这完全也可能是具有多个第一区域13和多个第二区域14的包括多个高点和低点的变化曲线。
Claims (10)
1.具有多个电池单元的电池模块，
具有多个隔板（4），其中在两个隔板（4）之间布置有电池单元（2），并且在与一个电池单元（2）相邻的两个隔板（4）之间还布置有弹簧元件（6），所述弹簧元件（6）以以下方式与所述两个隔板（4）接触和/或连接地布置，即所述弹簧元件（6）的变形常数（12）的值确定由所述两个隔板（4）传递到所述电池单元（2）上的力，
其中所述电池模块（1）具有多个弹簧元件（6），并且在纵向方向（10）上还具有第一区域（13）和第二区域（14），
其特征在于，
弹簧元件（6）的变形常数（12）的值在电池模块（1）的纵向方向（10）上的第一区域（13）中增加和/或在电池模块（1）的纵向方向（10）上的第二区域（14）中减小。
2.根据权利要求1所述的电池模块，其特征在于，在与第一电池单元（2）相邻的两个隔板（4）之间布置有第一弹簧元件（6），并且在与第二电池单元（2）相邻的两个隔板（4）之间布置有第二弹性元件（6），其中第一弹簧元件（6）和第二弹簧元件（6）具有变形常数（12）的不同的值。
3.根据权利要求1所述的电池模块，其特征在于，所述电池模块（1）具有两个端板（5）并且多个电池单元（2）布置在所述两个端板（5）之间，其中所述两个端板（5）通过至少一个拉紧元件（7）以以下方式相互连接，即所述两个端板（5）传递用于压制所述多个电池单元（2）的力（8）。
4.根据前述权利要求1-3之一所述的电池模块，其特征在于，所述电池单元（2）分别构造电池单元壳体（3），其中至少一个电池单元（2）的电池单元壳体（3）包括至少一个隔板（4）。
5.根据前述权利要求1-3之一所述的电池模块，其特征在于，两个相邻的隔板（4）分别以其最大的侧面沿着电池模块（1）的纵向方向（10）彼此相邻并且彼此间隔开一定距离（9）地来布置，其中所述电池单元（2）分别棱柱形地构造并且在电池模块（1）的纵向方向（10）上以其最大的侧面彼此相邻并排地布置。
6.根据前述权利要求2-3之一所述的电池模块，其特征在于，所述变形常数（12）是弹簧常数、弹性模量、压缩模量或粘度。
7.根据前述权利要求1-3之一所述的电池模块，其特征在于，所述电池单元是锂离子电池单元，和/或所述弹簧元件（6）是拉力和/或压力弹簧元件。
8.根据前述权利要求1-3之一所述的电池模块，其特征在于，所述第一区域（13）和第二区域（14）以以下方式适配，即电池单元（2）的温度（11）在运行期间在纵向方向（10）上的第一区域（13）中增加和/或在纵向方向（10）上的第二区域（14）中减小。
9.一种电池，其具有根据权利要求1至8中任一项所述的电池模块。
10.一种用于制造根据权利要求1至8中任一项所述的电池模块的方法，其中，在第一步骤中为电池模块（1）的运行确定电池单元（2）的温度，并且在第二步骤中，弹簧元件（6）在电池模块中（1）被布置成使得弹簧元件（6）在以下情况下相较于在电池模块的纵向方向（10）上在前的弹簧元件（6）具有变形常数（12）的更大的值，即与所述弹簧元件（6）布置在相同的两个隔板（4）之间的电池单元（2）的确定的温度（11）大于与所述在前的弹簧元件（6）布置在相同的两个隔板（4）之间的电池单元（2）的温度（11），和/或弹簧元件（6）在以下情况下相较于在电池模块（1）的纵向方向（10）上在前的弹簧元件（6）具有变形常数（12）的更小的值，即与所述弹簧元件（6）布置在相同的两个隔板（4）之间的电池单元的确定的温度小于与所述在前的弹簧元件（6）布置在相同的两个隔板（4）之间的电池单元（2）的温度（11）。
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