CN114335823A - 电池装置 - Google Patents
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Abstract
一种电池装置(1)，至少包括包围长方体形的体积(2)的、气密地设计的壳体(3)和布置在该壳体中的至少一个电池单元(4)，该电池单元具有堆叠或缠绕在彼此上的电极膜(5)；其中，所述电池单元(4)根据运行或老化具有主膨胀方向(6)；其中，所述壳体(3)具有彼此连接的形状稳定的第一壳体件(7)和能变形的第二壳体件(8)；其中，能够补偿电池单元(4)沿主膨胀方向(6)的膨胀(13)并且确保气密性。
Description
技术领域
本发明涉及一种电池装置，其至少包括包围长方体形的体积的、气密地设计的壳体和布置在该壳体中的至少一个电池单元，该电池单元具有堆叠或缠绕在彼此上的电极膜；其中，所述电池单元根据运行或老化具有主膨胀方向。
背景技术
电池单元是电存储器，该电存储器例如在机动车中用于存储电能。尤其地，例如机动车具有用于驱动机动车的电机，其中，电机能够通过存储在电池单元中的电能被驱动。
例如已知具有液体电解质或固体电解质(固体蓄电池)的电池单元。
电池装置尤其包括一个或多个电池单元，这些电池单元彼此串联或并联电连接并且布置在壳体中。电池单元还可以布置在一起并且因此构成电池的模块。
电池的电池单元在充电和放电过程中和/或由于在使用寿命期间的老化而改变其体积。在锂离子电池单元(棱柱形的、袋状或圆形电池单元)的使用寿命中，由于循环出现电池单元内的厚度增长。该厚度增长沿着电池单元的法向矢量、即横向于电极膜的平面加强。此外出现长度改变，但长度改变小得多并且因此可以忽略不计。目前，用于锂离子电池单元的传统硬壳容器不能实现或者仅能实现很小的平移补偿。
厚度增长的问题另外由于诸如固体电池等新的电池单元技术而被放大。对于这种电池单元技术，显著的体积改变或平移增长尤其由于阳极的体积改变而出现。在电池单元的放电状态下，在阳极上存在非常少量的锂，并且在充电状态下存在非常大量的锂。对于某些阳极材料，量差可以达到在充电和放电状态之间的体积改变的大约100％。为了额外地保持电池单元内的单个层的边界层或者说接触面，其必须被持久地机械夹紧。因此，技术问题在于实现电池单元的机械夹紧并且同时确保平移补偿。电池单元优选以在每个时间点都夹紧的方式布置在壳体中，以便例如防止由于相对于壳体的相对运动而对电池单元造成机械损坏。但在此要注意，预紧不超过极限值。如果不提供平移补偿，则出现电池单元性能方面的欠缺并且在最坏的情况下电池失效。
在电池的运行中，尤其要平衡或补偿体积改变。为此，已知使用压力垫或者通过模块的端板的螺纹连接装置夹紧电池模块中的电池单元。
所有目前已知的系统必须在机动车运行期间的放电的情况下被再次调整。用于补偿体积改变的设备耗费可能非常昂贵并且容易出错。尤其仅为大的体积改变就必须提供弹性元件或者例如液压设备。
由专利文献DE 10 2015 010 259 A1已知一种电池单元壳体，其用于容纳用于设计为长方体形硬壳电池单元的单个电池单元的电化学活性的电极膜装置。为了补偿电池单元堆叠体的长度改变，电池单元壳体的窄边至少分区段地具有扩大表面的轮廓、例如锯齿形轮廓、波浪形轮廓或钝角弯折部形式的凸起。在电池单元的体积改变的情况下，轮廓发生变形并且因此可以补偿固定的壳体构件之间的扩大的距离。
由专利文献US 2018/0277824 A1已知一种具有壳体的电池及其制造方法。该壳体具有安全机构，在超过壳体中的内部压力的情况下，通过该安全机构阻止电流从电池传递。
发明内容
本发明所要解决的技术问题在于，至少部分解决关于现有技术提到的问题。尤其要建议一种能够实现对体积改变的补偿的电池装置。在此还要能够可靠地补偿较大的体积改变。在此，成本和装配耗费应当尽可能地低。
所述技术问题通过根据本发明的电池装置解决。有利的扩展设计是见于其他技术方案。在本发明中单独提及的特征能够以技术上有意义的方式相互结合并且可以通过说明书中的解释性事实和/或附图中的细节补充，其中示出本发明的其它实施变型。
建议一种电池装置，其至少包括包围长方体形的体积的、气密地设计的壳体和布置在该壳体中的至少一个电池单元，该电池单元具有堆叠或缠绕在彼此上的电极膜。所述电池单元根据运行或老化具有至少一个主膨胀方向。壳体具有彼此连接的形状固定的第一壳体件和能变形的第二壳体件。至少：
·所述第二壳体件包括袋状膜；或者
·至少一个第二壳体件超出边缘地连接至少两个第一壳体件，所述第一壳体件布置在长方体形的体积的侧面上，所述侧面在体积的边缘上彼此相邻地布置；或者
·第二壳体件和第一壳体件之间的第一连接部随着电池单元的膨胀的增加而逐步失效；或者
·至少一个第一壳体件在电池单元的膨胀的情况下相对于电池单元实施旋转运动；
使得能够补偿电池单元的至少(或者仅)沿主膨胀方向的膨胀并且确保气密性。
电极膜以已知的方式尤其包括至少一个阳极、阴极和隔板膜(也可以是固体电解质)，所述阳极、阴极和隔板膜堆叠在彼此上并且构成电池单元。
电池单元根据运行或老化具有主膨胀方向，电池单元沿该主膨胀方向的膨胀与沿其它方向的膨胀相比出现得相对更强。沿主膨胀方向的膨胀尤其对电池单元的体积的改变或因此扩大的壳体的大部分负责。
尺寸稳定的第一壳体件例如是电池单元的已知的所谓的硬壳(坚硬的壳体)的构件，即，在电池装置按规定使用时，第一壳体件不发生变形或者仅不明显地变形。
能变形的第二壳体件尤其用于通过变形来补偿、即平衡电池单元的体积改变或膨胀。因此即使电池单元的体积改变也可以确保电池单元的气密的密封，因为第二壳体件跟随第一壳体件的由于体积改变而改变的位置。
每个电池单元例如都根据存储在其中的能量含量具有某个确定的体积，该体积在小体积与大体积之间改变，在能量含量较低或SOC(state of charge；即荷电状态)较低的情况下存在小体积，在能量含量较高或SOC较高的情况下存在大体积。体积改变尤其基本上发生在电池单元的至少一个阳极的区域中。阳极例如由石墨或金属构成或者在锂离子蓄电池的情况下由金属锂构成，该阳极通过锂离子的嵌入或纯金属锂的沉积来改变其体积。
阳极尤其面状地设计为电极膜并且以最大面横向于主膨胀方向延伸。体积改变尤其基本上沿主膨胀方向产生影响，也就是说，阳极的厚度根据阳极材料而改变。在此，根据使用的阳极材料，体积改变可以在6％至100％之间。就电池单元而言，这尤其意味着电池单元可以具有在5％至95％之间的体积改变。
在当前情况下建议电池装置的不同特性，这些特性可以分别单独地或者至少与另外的一种或多种特性组合地应用或使用。
根据第一设计方案，第二壳体件可以包括袋状膜或者设计为袋状膜。
袋状膜是已知的可变形的壳体件，其被用作用于所谓的袋状电池单元(或者说软包电池单元)的壳体。袋状膜在此是复合材料，其例如包括塑料和铝。因此，在当前情况下尤其建议通过袋状膜构造第二壳体件。
备选地，第二壳体件可以包括第一壳体件的薄壁的设计。
尤其地，第二壳体件可以以可弹性变形的方式布置或设计，使得第二壳体件的变形至少部分地可逆。但尤其地，第二壳体件可以至少部分地或全部地可(仅)塑性地变形。尤其可以需要最小力或最小力矩来使第二壳体件变形，使得第一壳体件可以通过第二壳体件相对于电池单元预紧地布置。
根据第二设计方案，至少一个第二壳体件超出边缘地连接至少两个第一壳体件，所述第一壳体件布置在长方体形的体积的侧面上，所述侧面在体积的边缘上彼此相邻地布置。例如，第一壳体件布置在第一侧面上，其中，第一侧面横向于主膨胀方向延伸。因此，第一侧面与其它侧面相比由于电池单元的体积改变而被最大程度地移动。第二侧面例如平行于主膨胀方向延伸并且在电池单元的体积改变时以相对较小的程度被移动。
即，如果第一壳体件布置在第一侧面上并且另外的第一壳体件布置在第二侧面上，则布置在第一侧面上的壳体件相对于布置在第二侧面上的壳体件被移动。因此，在布置在那里的第二壳体件与第一壳体件之间的连接点也相对于彼此被移动。该相对移动在此由第二壳体件补偿或吸收，从而保证壳体的气密的设计。
根据第三设计方案，在第二壳体件和第一壳体件之间的第一连接部随着电池单元的膨胀的增加而逐步失效。
第一连接部例如设计为已知的密封接缝的形式。密封接缝确保两个壳体件之间的例如通过焊接实现的气密连接。
例如，由于第一连接部的逐步失效，尽管膨胀发展，但仍可以保持由第二壳体件产生的对电池单元的预紧，因为壳体的体积以此可以分级地扩大。
逐步的失效可以例如通过如下方式实现，即，密封接缝设计为具有所谓的额定断裂点，这些额定断裂点由于电池单元的膨胀的增加和相关联的第二壳体件的变形增加而相继承受负荷并且被逐步破坏。
根据第四设计方案，至少一个第一壳体件在电池单元的膨胀的情况下相对于电池单元实施旋转运动。该旋转运动通过连接到第一壳体件上的第二壳体件能够实现，第二壳体件通过变形补偿第一壳体件的位置改变。
尤其地，至少一个第二壳体件通过至少一个密封接缝与至少一个第一壳体件气密地连接。优选地，所有的壳体件通过密封接缝彼此连接。
尤其地，至少一个第二壳体件和第一壳体件布置为至少部分地彼此重叠，其中，这些壳体件在重叠部的区域中例如通过密封接缝彼此连接。
尤其地，根据第二设计方案超出所述边缘地连接第一壳体件的第二壳体件在与第一壳体件的连接部之间具有超出所述边缘延伸的未连接的区段。第二壳体件的变形尤其仅发生在该区段中。
根据第三设计方案，第一连接部布置在第一壳体件的第一侧上，并且第二壳体件从第一连接部开始围绕第一壳体件的端部区域延伸到相对置的第二侧并且在那里通过第二连接部与第一壳体件气密地连接。通过该布置方式可以确保仅第一连接部逐步瓦解并且因此在确保壳体的气密性的情况下能够实现电池单元的膨胀。
尤其地，根据第三实施例，在所述电池单元的膨胀期间并且在所述第一连接部由于电池单元的膨胀而逐步失效期间，所述第二壳体件逐步继续变形。
尤其地，根据第四设计方案，实施旋转运动的第一壳体件围绕倾斜轴线旋转，该倾斜轴线布置在体积的侧面处并且相对于所述侧面是位置固定的。
尤其地，倾斜轴线布置在第一侧面处。尤其地，倾斜轴线平行于第一侧面延伸。
尤其地，第一壳体件通过倾斜轴线相对于电池单元支撑在形状稳定的支撑板上。通过支撑板可以将旋转的第一壳体件的滚动运动导致的局部面压力保持得较小，从而电池单元的构件不被损坏。
尤其地，在电池单元的膨胀的期间，壳体至少相对于所述主膨胀方向保持对电池单元的恒定的夹紧或预紧。
尤其地，至少在两个第一壳体件之间布置至少一个能弹性变形的弹簧元件，使得壳体在电池单元的膨胀的期间至少相对于所述主膨胀方向保持对电池单元的恒定的夹紧。例如可以使用拉力弹簧作为弹簧元件，拉力弹簧将尤其在壳体内相对置的第一侧面彼此连接。
尤其地，在第二壳体件中、但优选(仅)在第一壳体件中布置或设置具有减小的强度的失效点，从而在“热失控”、即电池单元不受控制地加热的情况下可以进行电池单元通过壳体或失效点向环境的紧急通风。
尤其地，所述电池装置安装在或用在机动车中，以便尤其提供用于牵引驱动装置的电能。
尤其在本申请中的不定冠词(“一个”、“一种”)的使用应当理解为其本身并且不应当理解为数词。因此，相应地借此引入的术语或部件应当理解为，这些术语或部件出现至少一次并且尤其也可以多次出现。
应当注意，此处使用的数字(“第一”、“第二”等)首要(仅)用于区分多个相同的对象、尺寸或过程，因此尤其不是对这些对象、尺寸或过程彼此的相关性和/或顺序的强制规定。如果需要相关性和/或顺序，则在此会明确地记载或者对本领域技术人员而言在研究具体描述的设计方案时是显而易见的。如果一个构件可以出现多次(“至少一个”)，则关于这些构件之一的描述可以同样适用于这些构件的全部或大多数，但这不是强制性的。
附图说明
以下根据附图更详细地阐述本发明和技术环境。应当指出，本发明不应当由所列举的实施例限制。尤其地，如果未明确地另作说明，也可以提取在图中描述的事实的局部并且将其与说明书中的其它组成部分和认识相结合。尤其应当指出，附图和尤其所示的尺寸比例仅是示意性的。在附图中：
图1在侧视图中示出根据第一实施变型的电池装置的剖面；
图2在侧视图中示出处于膨胀状态下的根据图1的电池装置的剖面；
图3在侧视图中示出根据第二实施变型的电池装置的剖面；
图4在侧视图中示出处于膨胀状态下的根据图3的电池装置的剖面；
图5在侧视图中示出根据第三实施变型的电池装置的剖面；
图6在侧视图中示出处于膨胀状态下的根据图5的电池装置的剖面；
图7在侧视图中示出根据第四实施变型的电池装置的剖面；
图8在侧视图中示出处于膨胀状态下的根据图7的电池装置的剖面；
图9在侧视图中示出根据第五实施变型的电池装置的剖面；
图10在侧视图中示出处于膨胀状态下的根据图9的电池装置的剖面；
图11在侧视图中示出根据第六实施变型的电池装置的剖面；和
图12在侧视图中示出处于膨胀状态下的根据图11的电池装置的剖面。
具体实施方式
图1在侧视图中示出根据第一实施变型的电池装置1的剖面。图2在侧视图中示出处于膨胀状态下的根据图1的电池装置1的剖面。以下共同描述图1和图2。
电池装置1包括包围长方体形的体积2的、气密地设计的壳体3和布置在其中的至少一个电池单元4，该电池单元具有堆叠在彼此上的电极膜5。电池单元4根据运行或老化具有主膨胀方向6。壳体3具有彼此连接的形状固定的第一壳体件7和可变形的第二壳体件8。第二壳体件8包括袋状膜(根据第一设计方案)。通过第二壳体件8可以补偿电池单元4沿主膨胀方向6的膨胀13并且确保气密性。
可变形的第二壳体件8用于通过变形来补偿、即平衡电池单元4的体积改变或膨胀13。因此即使电池单元4的体积2改变也可以确保电池单元4的气密的密封，因为第二壳体件8跟随第一壳体件7的由于体积改变而改变的位置。
第二壳体件8以可弹性变形的方式布置或设计，使得第二壳体件8的变形至少部分地可逆。需要最小力或最小力矩来使第二壳体件8变形，使得第一壳体件7通过第二壳体件8相对于电池单元4预紧地布置。
第二壳体件8和第一壳体件7分别部分地彼此重叠地布置，其中，壳体件7、8在重叠部的区域中通过密封接缝15彼此连接。
图3在侧视图中示出根据第二实施变型的电池装置1的剖面。图4在侧视图中示出处于膨胀状态下的根据图3的电池装置1的剖面。以下共同描述图3和图4。在此参照关于图1和图2的描述。
根据第二实施变型(第二设计方案)，分别一个第二壳体件8超出边缘9地连接至少两个第一壳体件7，该第一壳体件布置在长方体形的体积2的侧面10、11上，这些侧面在体积2或电池单元4的边缘9上彼此相邻地布置。在此，第一壳体件7布置在第一侧面10上，其中，第一侧面10横向于主膨胀方向6延伸。第一侧面10与其它侧面11相比由于电池单元4的体积改变而被最大程度地移动。第二侧面11平行于主膨胀方向6延伸并且在电池单元4的体积改变时以相对较小的程度被移动。布置在第二侧面11上的第二壳体件8分别通过密封元件27彼此连接。密封元件27的可变形性尤其不是必需的。
布置在第一侧面10上的第一壳体件7相对于布置在第二侧面11上的第一壳体件7被移动。因此，在布置在那里的第二壳体件8与第一壳体件7之间的连接点也相对于彼此被移动。该相对移动在此由第二壳体件8补偿或吸收，从而保证壳体3的气密的设计。
超出边缘9连接第一壳体件7的第二壳体件8在与第一壳体件7的设计为密封接缝15的多个连接部之间具有延伸超出边缘9的未连接的区段17。第二壳体件8的变形仅发生在区段17中。
图5在侧视图中示出根据第三实施变型的电池装置1的剖面。图6在侧视图中示出处于膨胀状态下的根据图5的电池装置1的剖面。以下共同描述图5和图6。在此参照关于图1至图4的描述。
根据第三实施变型(第三设计方案)，在第二壳体件8和第一壳体件7之间的第一连接部12随着电池单元4的膨胀13的增加而逐步失效。
第一连接部12设计为已知的密封接缝15的形式。
由于第一连接部12的逐步失效，尽管膨胀13发展，但仍可以保持由第二壳体件8产生的对电池单元4的预紧，因为壳体3的体积2可以分级地扩大。
逐步的失效可以通过如下方式实现，即，密封接缝15设计为具有所谓的额定断裂点25，这些额定断裂点由于电池单元4的膨胀13的增加和相关联的第二壳体件8的变形增加而相继承受负荷并且被逐步破坏。
第一连接部12布置在第一壳体件7的第一侧18上，并且第二壳体件8从第一连接部12开始围绕第一壳体件7的端部区域19延伸到相对置的第二侧20并且在那里通过第二连接部21与第一壳体件7气密地连接。通过这种布局可以确保仅第一连接部12逐步瓦解并且因此在确保壳体3的气密性的情况下能够实现电池单元4的膨胀13。
第二壳体件8在电池单元4的膨胀13期间逐步继续变形，而第一连接件12由于电池单元4的膨胀13而逐步失效。
图7在侧视图中示出根据第四实施变型的电池装置1的剖面。图8在侧视图中示出处于膨胀状态下的根据图7的电池装置1的剖面。以下共同描述图7和图8。在此参照关于图1至图6的描述。
在两个彼此相对置的第一壳体件7之间布置有可弹性变形的弹簧元件24，使得壳体3在电池单元4的膨胀13期间相对于主膨胀方向6保持对电池单元4的恒定的夹紧。拉力弹簧设置为弹簧元件24，拉力弹簧将在壳体3内相对置的第一侧面10彼此连接。第一壳体件7通过图1至图6中所示的第一壳体件7和第二壳体件8的设计方案彼此连接。
图9在侧视图中示出根据第五实施变型的电池装置1的剖面。图10在侧视图中示出处于膨胀状态下的根据图9的电池装置1的剖面。图11在侧视图中示出根据第六实施变型的电池装置1的剖面。图12在侧视图中示出处于膨胀状态下的根据图11的电池装置1的剖面。以下共同描述图9至图12。在此参照关于图1至图8的描述。
在第五实施变型(第四设计方案)中，在电池单元4的膨胀13的情况下，第一壳体件7相对于电池单元4分别实施旋转运动14。旋转运动14通过连接到第一壳体件7上的第二壳体件8能够实现，第二壳体件通过变形补偿第一壳体件7的位置改变。
执行旋转运动14的第一壳体部分7围绕倾斜轴线22旋转，该倾斜轴线布置在体积2的第一侧面10处并且相对于第一侧面10是位置固定的。
倾斜轴线22布置在第一侧面10处。倾斜轴线22平行于第一侧面10延伸。
根据第六实施变型，第一壳体件7通过倾斜轴线22相对于电池单元4支撑在形状稳定的支撑板23上。通过支撑板23可以将旋转的第一壳体件7的滚动运动导致的局部面压力保持得较小，从而电池单元4的构件不被损坏。
仅在第一壳体件8中布置或设置具有减小的强度的失效点26，从而在“热失控”、即电池单元4不受控制地加热的情况下可以进行电池单元4通过壳体3或失效点26向环境的紧急通风。
附图标记列表
1 电池装置
2 体积
3 壳体
4 电池单元
5 电极膜
6 主膨胀方向
7 第一壳体件
8 第二壳体件
9 边缘
10 第一侧面
11 第二侧面
12 第一连接部
13 膨胀
14 运动
15 密封接缝
16 重叠部
17 区段
18 第一侧
19 端部区域
20 第二侧
21 第二连接部
22 倾斜轴线
23 支撑板
24 弹簧元件
25 额定断裂点
26 失效点
27 密封元件。
Claims (10)
1.一种电池装置(1)，至少包括包围长方体形的体积(2)的、气密地设计的壳体(3)和布置在该壳体中的至少一个电池单元(4)，所述电池单元具有堆叠或缠绕在彼此上的电极膜(5)；其中，所述电池单元(4)根据运行或老化具有主膨胀方向(6)；其中，所述壳体(3)具有彼此连接的形状稳定的第一壳体件(7)和能变形的第二壳体件(8)；其中，至少
·所述第二壳体件(8)包括袋状膜；或者
·至少一个第二壳体件(8)超出边缘(9)地连接至少两个第一壳体件(7)，所述第一壳体件布置在长方体形的体积(2)的侧面(10、11)上，所述侧面在所述体积(2)的边缘(9)上彼此相邻地布置；或者
·所述第二壳体件(8)和所述第一壳体件(7)之间的第一连接部(12)随着电池单元(4)的膨胀(13)的增加而逐步失效；或者
·至少一个第一壳体件(7)在所述电池单元(4)的膨胀(13)的情况下相对于电池单元(4)实施旋转运动(14)；
使得能够补偿电池单元(4)沿主膨胀方向(6)的膨胀(13)并且确保气密性。
2.根据权利要求1所述的电池装置(1)，其中，至少一个第二壳体件(8)通过至少一个密封接缝(15)与至少一个第一壳体件(7)气密地连接。
3.根据前述权利要求中任一项所述的电池装置(1)，其中，所述至少一个第二壳体件(8)和第一壳体件(7)布置为至少部分地彼此重叠，其中，这些壳体件(7、8)在重叠部(16)的区域中彼此连接。
4.根据前述权利要求中任一项所述的电池装置(1)，其中，超出所述边缘(9)地连接所述第一壳体件(7)的第二壳体件(8)在与所述第一壳体件(7)的连接部之间具有超出所述边缘(9)延伸的未连接的区段(17)。
5.根据前述权利要求中任一项所述的电池装置(1)，其中，所述第一连接部(12)布置在所述第一壳体件(7)的第一侧(18)上，并且所述第二壳体件(8)从所述第一连接部(12)开始围绕所述第一壳体件(7)的端部区域(19)延伸至相对置的第二侧(20)并且在那里通过第二连接部(21)与第一壳体件(7)气密地连接。
6.根据前述权利要求中任一项所述的电池装置(1)，其中，在所述电池单元(4)的膨胀(13)期间并且在所述第一连接部(12)由于所述电池单元(4)的膨胀(13)而逐步失效期间，所述第二壳体件(8)逐步继续变形。
7.根据前述权利要求中任一项所述的电池装置(1)，其中，实施旋转运动(14)的第一壳体件(7)围绕倾斜轴线(22)旋转，所述倾斜轴线布置在所述体积(2)的侧面(10、11)处并且相对于所述侧面(10、11)是位置固定的。
8.根据权利要求7所述的电池装置(1)，其中，所述第一壳体件(7)通过所述倾斜轴线(22)相对于所述电池单元(4)支撑在形状稳定的支撑板(23)上。
9.根据前述权利要求中任一项所述的电池装置(1)，其中，在所述电池单元(4)的膨胀(13)的期间，所述壳体(3)至少相对于所述主膨胀方向(6)保持对所述电池单元(4)的恒定的夹紧。
10.根据前述权利要求中任一项所述的电池装置(1)，其中，至少在两个第一壳体件(7)之间布置有至少一个能弹性变形的弹簧元件(24)，使得所述壳体(3)在所述电池单元(4)的膨胀(13)的期间至少相对于所述主膨胀方向(6)保持对所述电池单元(4)的恒定的夹紧。
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