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Die Erfindung betrifft ein Zellmodul für eine Batterie gemäß dem Oberbegriff des Anspruchs 1.
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Die Erfindung betrifft weiterhin eine Batterie, umfassend zumindest ein solches Zellmodul und ein Verfahren zur Herstellung eines Zellmoduls gemäß dem Oberbegriff des Anspruchs 10.
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Hochvolt-Batterien für Fahrzeuge, insbesondere für Hybrid-, sogenannte Plugin- oder Elektrofahrzeuge, und für Stationäranwendungen, z. B. zur Stromversorgung und Speicherung, bestehen aus einer Anzahl elektrisch seriell und/oder parallel geschalteten Einzelzellen, die sich mit der dazugehörenden Elektronik und Kühlung in einem gemeinsamen Gehäuse befinden. Die Einzelzellen sind in so genannten Zellblöcken zusammengefasst, die jeweils eine Mehrzahl von Einzelzellen inklusive deren mechanischer Fixierung, Kontaktierung und Einrichtungen zur Temperierung enthalten.
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Ein elektrochemisch aktiver Teil der Einzelzellen ist beispielsweise als Elektrodenfolienanordnung ausgebildet, welche aus Lagen von Kathoden- und Anodenfolien besteht, die jeweils durch einen Separator getrennt sind. Die Anoden- und Kathodenfolien sind mindestens an einem Rand unbeschichtet und ragen aus der Elektrodenfolienanordnung als so genannte Stromableiterfahnen heraus, welche elektrisch miteinander verbunden sind. Diese Stromableiterfahnen werden mit den Zellpolen verbunden um eine Stromein- und -ausleitung zu ermöglichen.
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Weiterhin ist die Elektrodenfolienanordnung von einem Zellgehäuse umschlossen, welches bei prismatischen Einzelzellen aus Metall, durch das die stromführenden Zellpole isoliert hindurch geführt sind, besteht. Bei sogenannten Pouchzellen ist die Elektrodenfolienanordnung von einer folienartigen Verpackung umgeben, durch die die Zellpole als elektrische Anschlüsse in Blechform isoliert durchgeführt sind.
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Für eine kraftschlüssige Fixierung der Elektrodenfolienanordnung innerhalb des Zellgehäuses werden die Einzelzellen im Betrieb von außen mit einer Kraft verpresst, die im Wesentlichen senkrecht zu einer Flachseite der Elektrodenfolienanordnung in die Einzelzelle eingeleitet wird. Damit kann ein entsprechend erforderlicher Abstand der Anoden- und Kathodenfolien mit den dazwischen befindlichen Separatoren eingestellt und damit über eine Lebensdauer der Einzelzelle möglicherweise entstehende Gasblasen herausgedrückt werden.
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Der Erfindung liegt die Aufgabe zu Grunde, ein gegenüber dem Stand der Technik verbessertes Zellmodul für eine Batterie, eine verbesserte Batterie und ein verbessertes Verfahren zur Herstellung eines Zellmoduls anzugeben.
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Hinsichtlich des Zellmoduls wird die Aufgabe erfindungsgemäß durch die in Anspruch 1 angegebenen Merkmale, hinsichtlich der Batterie durch die im Anspruch 9 und hinsichtlich des Verfahrens durch die in Anspruch 10 angegebenen Merkmale gelöst.
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Vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung sind Gegenstand der Unteransprüche.
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Bei einem Zellmodul mit einem Gehäuse und einer Anzahl in dem Gehäuse angeordneter, elektrisch seriell und/oder parallel miteinander verschalteter Einzelzellen ist erfindungsgemäß vorgesehen, dass zumindest eine stirnseitig und im Wesentlichen parallel zu Flachseiten der Einzelzellen angeordnete Gehäuseseite mechanisch flexibel ausgebildet ist, und
- – dass das Gehäuse fluiddicht ausgebildet ist,
- – wobei ein Innendruck des Gehäuses gegenüber einem Umgebungsdruck verringert ist.
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Mittels der mechanisch flexiblen Gehäuseseite kann gegenüber dem Stand der Technik ein Bauraum verringert werden, da sich eine Gesamtlänge des Zellmoduls aus einer Gesamtdicke aller in dem Zellmodul angeordneten Einzelzellen sowie einer Dicke der flexiblen Gehäuseseite ergibt. Eine zur Verpressung des Zellmoduls notwendige Kraft wird im Wesentlichen senkrecht auf eine Flachseite der Einzelzellen und damit auf eine Flachseite einer Elektrodenfolienanordnung einer Einzelzelle eingeleitet, so dass die aufzuwendende Kraft nahezu unabhängig von einem Federweg und somit unabhängig von einer Dicke der Einzelzellen, deren Toleranzen sowie unabhängig von einer Länge des die Einzelzellen seitlich umgebenden Gehäuses ist. Da durch die Kraft die Einzelzellen kraftschlüssig im Zellmodul fixiert werden, kann eine zusätzliche Einrichtung zu deren mechanischer Halterung darin entfallen, wodurch die Halterung vereinfacht ist. Gleichzeitig sind die Einzelzellen vor äußeren Umwelteinflüssen geschützt, so dass eine Sicherheit und Lebensdauer der Batterie erhöht ist. Die Einzelzellen werden dabei vor äußeren mechanischen Einflüssen, Partikeln und Fremdkörpern sowie vor einem unerwünschten Austritt von Elektrolytflüssigkeit bei undichten Einzelzellen geschützt. Der Innenraum des Gehäuses kann dabei auch als ein Vakuum ausgebildet sein.
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Die mechanisch flexible Gehäuseseite ist durch ein flexibel ausgebildetes Abschlusselement gebildet, welches kraft- und/oder form- und/oder stoffschlüssig mit dem Gehäuse verbunden ist. Das Abschlusselement wird dazu beispielsweise mittels eines Heißsiegelungsverfahrens mit dem Gehäuse verbunden, wobei sich das Abschlusselement nach zumindest teilweiser Luftevakuierung des Innenraums des Gehäuses an die Flachseite der ihm zugewandten Einzelzelle anlegt und somit eine Kraft im Wesentlichen senkrecht zur Flachseite der Einzelzelle in die Einzelzellen des Zellmoduls eingeleitet wird. Verstärkt werden kann die Verpressung dadurch, dass das Gehäuse einen umlaufenden Rahmen umfasst, wobei an sich gegenüberliegenden Stirnseiten des Rahmens jeweils ein flexibel ausgebildetes Abschlusselement angeordnet ist.
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In einer möglichen Ausführungsform ist in dem Gehäuse eine im Wesentlichen senkrecht zu den Flachseiten der Einzelzellen ausgebildete Trennwand angeordnet, welche das Gehäuse in zwei Bereiche unterteilt, wobei in jeweils einem Bereich eine Anzahl von Einzelzellen angeordnet ist. Die Trennwand dient einer Stabilisierung des Zellmoduls, insbesondere dann, wenn dieses zwei Abschlusselemente der oben genannten Art aufweist. Die Trennwand ist vorzugsweise einteilig mit dem Gehäuse ausgebildet.
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Zusätzlich kann die Trennwand zumindest einen Durchbruch aufweisen, so dass die Erzeugung eines Unterdrucks in dem Innenraum des Gehäuses erleichtert ist.
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Zur Erzeugung eines Unterdrucks weist das Gehäuse in einer möglichen Ausführungsform mindestens eine Durchgangsöffnung auf, welche vorzugsweise offenbar und verschließbar ist, z. B. mittels eines Stopfens. Damit kann der Unterdruck in dem Innenraum des Gehäuses über eine Lebensdauer des Zellmoduls variiert werden.
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In einer bevorzugten Ausführungsform sind in einen Innenraum des Gehäuses ein Schutzgas und/oder ein Trockenmittel eingebracht. Das Schutzgas ist beispielsweise ein trockenes Gas ohne Wasserdampf, wobei ein zur Lebensdauerreduzierung führender Eintrag von Wasser in die Einzelzellen, insbesondere im Bereich der Siegelnaht, durch Diffusion reduziert wird. Es ist außerdem möglich, in den Innenraum des Gehäuses zusätzlich ein Trockenmittel, z. B. Kieselgel, einzubringen, welches eine Restfeuchtigkeit nach dem fluiddichten Verschluss des Zellmoduls bindet und einen Trocknungsgrad über eine Lebensdauer des Zellmoduls aufrecht erhält.
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In einer weiteren bevorzugten Ausführungsform ist in dem Gehäuse zumindest eine Komponente einer Batterieelektronik angeordnet. Eine Komponente kann z. B. eine Zellüberwachungseinheit, eine Schmelzsicherungen und/oder ein Schütz sein, welche innerhalb des Zellmoduls vor äußeren Einflüssen weitestgehend geschützt sind.
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Eine mechanische Fixierung des Zellmoduls im Inneren einer Batterie, welche beispielsweise mehrere solcher Zellmodule umfasst, erfolgt vorzugsweise über das Gehäuse des Zellmoduls. Die Batterie ist z. B. eine Traktionsbatterie für ein Fahrzeug, insbesondere für ein Elektrofahrzeug, ein Hybridfahrzeug oder ein mit Brennstoffzellen betriebenes Fahrzeug.
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Bei einem Verfahren zur Herstellung eines Zellmoduls wird in einem Gehäuse eine Anzahl elektrisch seriell und/oder parallel miteinander verschalteter Einzelzellen angeordnet. Erfindungsgemäß wird zumindest eine stirnseitig und im Wesentlichen parallel zu Flachseiten der Einzelzellen angeordnete Gehäuseseite mechanisch flexibel ausgebildet. Weiterhin wird das Gehäuse fluiddicht ausgebildet, wobei ein Innendruck des Gehäuses gegenüber einem Umgebungsdruck verringert wird.
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Das Verfahren ermöglicht eine einfache Verpressung der Einzelzellen in dem Gehäuse, wobei die zur Verpressung notwendige Kraft über die flexible Gehäuseseite in die Einzelzellen eingeleitet wird. Durch die Erzeugung eines Unterdrucks legt sich die flexible Gehäuseseite an die Einzelzellen an, so dass eine kraft- und formschlüssige Fixierung der Einzelzellen ohne zusätzliche Halterungen erfolgt.
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Ausführungsbeispiele der Erfindung werden im Folgenden anhand von Zeichnungen näher erläutert.
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Dabei zeigen:
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1 schematisch eine Schnittdarstellung eines Zellmoduls gemäß dem Stand der Technik,
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2 schematisch eine Schnittdarstellung eines erfindungsgemäßen Zellmoduls in einer ersten Ausführung,
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3 schematisch eine Schnittdarstellung eines erfindungsgemäßen Zellmoduls in einer zweiten Ausführung,
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4 schematisch eine Schnittdarstellung eines erfindungsgemäßen Zellmoduls in einer dritten Ausführung,
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5 schematisch eine Schnittdarstellung eines erfindungsgemäßen Zellmoduls in einer vierten Ausführung,
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6 schematisch eine perspektivische Ansicht eines erfindungsgemäßen Zellmoduls gemäß 3 mit als Pouchzellen ausgebildete Einzelzellen in Explosionsdarstellung,
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7 schematisch eine perspektivische Ansicht des erfindungsgemäßen Zellmoduls gemäß 6 in einem teilweise zusammengesetzten Zustand ohne Abschlusselemente,
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8 schematisch eine Schnittdarstellung des erfindungsgemäßen Zellmoduls gemäß 7,
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9 schematisch eine perspektivische Ansicht des erfindungsgemäßen Zellmoduls gemäß 7 in einem teilweise zusammengesetzten Zustand ohne Abschlusselemente und mit umgebogenen Zellpolen randseitig angeordneter Einzelzellen,
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10 schematisch eine Schnittdarstellung des erfindungsgemäßen Zellmoduls gemäß 9 mit Abschlusselementen,
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11 schematisch eine Schnittdarstellung eines vergrößerten Ausschnitts aus dem Zellmodul während eines Heißsiegelungsprozesses,
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12 schematisch eine perspektivische Ansicht des erfindungsgemäßen Zellmoduls gemäß 7 in einem vollständig zusammengesetzten Zustand mit Abschlusselementen, und
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13 schematisch eine Schnittdarstellung des erfindungsgemäßen Zellmoduls gemäß 11.
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Einander entsprechende Teile sind in allen Figuren mit den gleichen Bezugszeichen versehen.
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Die 1 zeigt eine Schnittdarstellung, insbesondere einen Längsschnitt, eines Zellmoduls 1 mit vier nebeneinander angeordneten und elektrisch in Reihe miteinander verschalteten Einzelzellen 2, die in einem Gehäuse 3 angeordnet sind. Das Zellmodul 1 eignet sich zur Anordnung in einer Batterie, bei welcher es sich beispielsweise um eine Hochvolt-Batterie für ein nicht näher dargestelltes Fahrzeug handelt, wobei das Fahrzeug ein Elektrofahrzeug, ein Hybridfahrzeug oder ein mit Brennstoffzellen betriebenes Fahrzeug ist. Die Batterie ist dabei z. B. eine Traktionsbatterie.
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Die Einzelzellen 2 sind im vorliegenden Ausführungsbeispiel abstrakt dargestellt und beispielsweise als Rahmenflachzellen ausgebildet. Derartige Einzelzellen 2 umfassen eine elektrochemisch aktive Elektrodenfolienanordnung 2.1 in Form eines Elektrodenfolienstapels, wie er u. a. in der 8 gezeigt ist, wobei die Einzelzellen 2 als sogenannte Pouchzellen ausgebildet sind. Alternativ kann die Elektrodenfolienanordnung 2.1 auch als Elektrodenfolienwickel ausgebildet sein.
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Die Elektrodenfolienanordnung 2.1 ist in einem mechanisch stabilen Zellgehäuse 2.2 angeordnet und wird dabei durch Lagen aus Kathoden- und Anodenfolien gebildet, die jeweils durch Separatorlagen getrennt werden. Beispielsweise werden bei einer Lithium-Ionen-Zelle beschichtete Aluminium- und Kupferfolien verwendet. Anoden- und Kathodenfolien sind an mindestens einem Rand unbeschichtet und ragen aus der Elektrodenfolienanordnung 2.1 fahnenartig heraus und werden miteinander zu einer Stromableiterfahne verbunden, wobei Stromableiterfahnen gleicher Polarität elektrisch leitend zu einem Zellpol 2.3 verbunden sind.
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Im Zellmodul 1 benachbarte Einzelzellen 2 sind jeweils um 180 Grad um ihre Hochachse gegeneinander verdreht, so dass die entsprechenden Zellpole 2.3, also Plus- und Minuspole, benachbarter Einzelzellen 2 direkt nebeneinander liegen und nur ein vergleichsweise kurzer Weg zur elektrischen Reihenschaltung zu überbrücken ist.
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Die Einzelzellen 2 sind dabei in einem definierten Abstand zueinander angeordnet und gegeneinander elektrisch isoliert.
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Eine offene Stirnseite des Gehäuses 3, welche insbesondere eine Flachseite einer endseitig angeordneten Einzelzelle 2 freigibt, ist durch eine Druckplatte 4 zumindest teilweise verschlossen, wobei die Druckplatte 4 mit dem Gehäuse 3 insbesondere kraft- und formschlüssig verbunden ist. Die Druckplatte 4 dient neben dem Verschluss des Gehäuses 3 insbesondere einer axialen Verpressung des Zellmoduls 1, bei welcher eine Kraft F im Wesentlichen senkrecht zu einer Flachseite der Einzelzellen 2 und damit senkrecht zu einer Flachseite der Elektrodenfolienanordnungen 2.1 der Einzelzellen 2 in das Zellmodul 1 eingeleitet wird. Durch die Verpressung der Einzelzellen 2 wird ein erforderlicher Abstand der einzelnen Anoden- und Kathodenfolien der Elektrodenfolienanordnung 2.1 mit den dazwischen befindlichen Separatoren zueinander sichergestellt, wobei über eine Lebensdauer des Zellmoduls 1 möglicherweise entstehende Gasblasen herausgedrückt werden. Weiterhin dient die eingeleitete Kraft F einer kraftschlüssigen Fixierung der Elektrodenfolienanordnungen 2.1 in den jeweiligen Einzelzellen 2. Die Kraft F ist im vorliegenden sowie in den nachfolgenden Ausführungsbeispielen der 2 bis 5, 12 mittels eines Pfeils dargestellt.
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Zwischen der Druckplatte 4 und der der Druckplatte 4 zugewandten Einzelzelle 2 ist ein Spannelement 5 angeordnet, welches im vorliegenden Ausführungsbeispiel als Spannmatte, z. B aus Schaum oder Vlies gebildet, ausgeführt ist und einem Ausgleichen zeitlicher Dickenänderungen der Einzelzellen 2 während eines Betriebs des Zellmoduls 1 dient. Alternativ kann anstelle des Spannelements 5 auch ein Federelement, z. B. eine Blattfeder, eine Schraubenfeder oder bogenförmig vorgespannte Metallplatten, vorgesehen sein. Auch ist es möglich mehrere Spannelemente 5 anzuordnen, wobei jeweils zwischen zwei Einzelzellen 2 ein Spannelement 5 angeordnet ist.
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Die Anordnung eines oder mehrerer Spannelemente 5 führt zu einem hohen Bauraumbedarf, da nur ein Teil dessen zur Kompensation von Dickenänderungen der Einzelzellen 2 zur Verfügung steht. Ein Weg zur Kompensation ist dabei als Differenz aus einer Gesamtdicke des Spannelements 5 bzw. der Spannelemente 5 in einem unverpressten Zustand und der Dicke des Spannelements 5 bzw. der Spannelemente 5 im verpressten Zustand definiert. Weiterhin kann bei Ausbildung des Spannelements 5 bzw. der Spannelemente 5 aus einem Schaummaterial ein Setzverhalten unter Einwirkung der Kraft F und/oder einer Temperatur erfolgen, was wiederum zu einer Verringerung der Verpressung führt. Darüber hinaus ist die zur Verpressung notwendige Kraft F von der Dicke der Einzelzellen 2 abhängig ist, die sich wiederum über eine Lebensdauer der Einzelzellen 2 aufgrund von Ladezuständen und Alterung der Einzelzellen 2 verändern kann.
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Zur Lösung des oben genannten Problems wird ein erfindungsgemäßes Zellmodul 1 vorgeschlagen, dessen Gehäuse 3 fluiddicht ausgebildet ist, wobei in einem Innenraum des Gehäuses 3 ein Unterdruck herrscht, wobei ein in dem Innenraum eingeschlossenes Restgas Luft oder ein entsprechendes Schutzgas zu Verhinderung von Korrosion und/oder Brand, z. B. getrocknete Luft, Argon, Stickstoff, Kohlendioxid, sein kann, oder ein Vakuum ausgebildet ist.
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Die 2 zeigt dazu eine erste Ausführung der Erfindung mit einem Zellmodul 1 in Schnittdarstellung, insbesondere in einem Längsschnitt. In der ersten Ausführung ist das Gehäuse 3 des Zellmoduls 1 stirnseitig anstelle der Druckplatte 4 durch ein im Material elastisch ausgebildetes Abschlusselement 6 verschlossen, welches die stirnseitig offene Seite des Gehäuses 3 vollständig verschließt. Das Abschlusselement 6 ist beispielsweise als ein dünnes Blech, als eine Kunststofffolie oder eine Verbundfolie ausgebildet, welche sich unter Wirkung des erhöhten Umgebungsdrucks, insbesondere eines äußeren Luftdrucks, an eine Flachseite der ihm zugewandten Einzelzelle 2 anlegt und die Einzelzellen 2 im Gehäuse 3 damit verpresst. Die Kraft F wird dabei ausgehend von dem stirnseitigen Ende mit dem Abschlusselement 6 im Wesentlichen senkrecht zur Flachseite der Einzelzellen 2 und damit im Wesentlichen senkrecht zur Flachseite der Elektrodenfolienanordnung 2.1 eingeleitet.
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Die fluiddichte Verbindung zwischen dem Gehäuse 3 und dem Abschlusselement 6 wird mittels Stoffschluss, z. B. Klebung, Schweißung, und/oder Formschluss, z. B. Bördelung und/oder Kraftschluss, z. B. mit verpressten Rund-, Flach- oder Formdichtungen, hergestellt. Auch Durchführungen von nicht näher dargestellten Stromzu- und -ableitungen sowie Einrichtungen zur Zellspannungsüberwachung und Temperierung werden mit entsprechenden Dichtungen versehen.
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Nach der Montage der Einzelzellen 2 in das Gehäuse 3 sowie der Montage des Abschlusselements 6 an das Gehäuse 3 wird über eine Öffnung in dem Gehäuse 3, wie es beispielhaft in 5 gezeigt ist, anschließend die Luft aus dem Innenraum des Gehäuses 3 entfernt. Auch ist die Anordnung eines Überdruckventils möglich, wodurch ein im Zellinneren bei öffnenden Einzelzellen 2 entstehender Überdruck abgebaut und das Risiko eines Berstens des Zellmoduls 1 verringert werden kann. Erfolgt die Montage des Abschlusselements 6 in einer sogenannten Vakuumkammer oder in einer Kammer mit einem verringerten Luftdruck, dann ist keine zusätzliche Öffnung in dem Gehäuse 3 erforderlich.
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Weiterhin ist es möglich, innerhalb des Gehäuses 3 auch Komponenten einer Batterieelektronik, z. B. eine Zellüberwachungseinheit, Schmelzsicherungen und/oder Schütze anzuordnen. Eine mechanische Fixierung des Zellmoduls 1 im Inneren der Batterie, welche beispielsweise mehrere solcher Zellmodule 1 umfasst, erfolgt vorzugsweise über das Gehäuse 3 des Zellmoduls 1.
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Darüber hinaus ist es denkbar, an dem Gehäuse 3 des Zellmoduls 1 eine Temperierungseinrichtung anzuordnen oder diese als ein Teil des Gehäuses 3 auszuführen, so dass es möglich ist, das Zellmodul 1 mittels indirekter Flüssigkeitskühlung zu temperieren. Die notwendige Temperierung kann durch ein Wärmeleitelement, z. B. ein Metallstab oder -blech oder ein Wärmeleitrohr, welches möglichst dicht durch das Gehäuse 3 geführt ist, in das Zellmodul 1 gebracht werden.
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Damit ist ein Schutz der Einzelzellen 2 vor äußeren Einflüssen, z. B. Verschmutzung oder das Eindringen von Schwitzwasser, sichergestellt, wobei zur gegenseitigen elektrischen Isolation oder zur Isolation von der elektrischen Masse nötigen Luft- und Kriechstrecken reduziert werden können.
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In einer zweiten Ausführung der Erfindung ist das Gehäuse 3 rahmenartig ausgeführt und weist zwei stirnseitig offene Gehäuseseiten auf, die jeweils von einem Abschlusselement 6 der oben beschriebenen Art verschlossen sind. Die 3 zeigt dazu das Zellmodul 1 in der zweiten Ausführung in einer Schnittdarstellung, insbesondere in einem Längsschnitt, mit zwei stirnseitig angeordneten Abschlusselementen 6. Eine Verpressung der Einzelzellen 2 erfolgt dabei wie bereits in 2 beschrieben. Die Kraft F wird dabei ausgehend von beiden stirnseitigen Enden des Gehäuses 3 in die Einzelzellen 2, wie bereits in 2 beschrieben, eingeleitet.
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In 4 ist eine dritte Ausführung der Erfindung gezeigt, wobei das Zellmodul 1 in Schnittdarstellung, insbesondere in einem Längsschnitt, gezeigt ist. Hierbei ist zwischen den Einzelzellen 2 eine Trennwand 3.3 angeordnet, durch die das rahmenartige Gehäuse 3 in zwei Bereiche 3.1, 3.2 unterteilt ist. Die stirnseitigen Gehäuseseiten sind korrespondierend zur zweiten Ausführung der Erfindung mit jeweils einem Abschlusselement 6 versehen.
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Die Trennwand 3.3 dient der Stabilisierung des Zellmoduls 1 und ist vorzugsweise einteilig mit dem Gehäuse 3 ausgebildet. Alternativ kann die Trennwand 3.3 auch kraft- und/oder form- und/oder stoffschlüssig mit dem Gehäuse 3 verbunden sein. In einer nicht dargestellten Ausführung kann die Trennwand 3 auch einen oder mehrere Durchbrüche aufweisen, durch die die Bereiche 3.1, 3.2 miteinander verbunden sind, so dass eine Evakuierung des Innenraums des Gehäuses 3 zur Realisierung eines Unterdrucks erleichtert ist.
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Die 5 zeigt eine vierte Ausführung der Erfindung mit einem Zellmodul 1 gemäß der zweiten Ausführung in Schnittdarstellung, insbesondere in einem Längsschnitt. Das Gehäuse 3 weist dabei eine Durchgangsöffnung 3.4 auf, welche in einem in Bezug auf eine Hochausrichtung des Zellmoduls 1 an der unteren Gehäuseseite angeordnet ist. Die Durchgangsöffnung 3.4 ist vorzugsweise wahlweise öffenbar und verschließbar, so dass der in dem Innenraum des Gehäuses 3 herrschende Unterdruck über eine Lebensdauer des Zellmoduls 1 entsprechend verändert werden kann. Nach dem Einstellen des gewünschten Unterdrucks wird die Durchgangsöffnung 3.4 verschlossen, z. B. mit einem Pfropfen oder einer Schraube mit Dichtscheibe.
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In 6 ist die Erfindung an einem Zellmodul 1 dargestellt, deren Einzelzellen 2 als sogenannte Pouchzellen oder Coffe-Bag-Zellen ausgebildet und in dem rahmenartig ausgeführten Gehäuse 3 angeordnet sind. Das Zellmodul 1 ist dabei perspektivisch in Explosionsdarstellung gezeigt.
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Bei Pouchzellen ist die Elektrodenfolienanordnung 2.1 von einer folienartigen Verpackung umgeben. Die Verpackung ist aus zwei übereinander angeordneten Folienabschnitten gebildet, die im überlappenden Randbereich beispielsweise mittels eines Heißpressverfahrens stoffschlüssig miteinander verbunden werden, wobei eine Siegelnaht 2.4 gebildet wird. An einer Seite der Einzelzelle 2 sind die elektrischen Zellpole 2.3 als Anschlüsse in Blechform aus der Verpackung herausgeführt. Die elektrische Reihenschaltung der Einzelzellen 2 erfolgt durch direkte Verbindung der Zellpole 2.3 von Nachbarzellen, die aufeinander zu gebogen und vorzugsweise verschweißt sind, wie es im vorliegenden Ausführungsbeispiel gezeigt ist. Alternativ können die Zellpole benachbarter Einzelzellen 2 auch mittels separater Zellverbinder verbunden sein.
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Die 7 und 8 zeigen das Zellmodul 1 aus 6 in einem teilweise zusammengesetzten Zustand ohne die Abschlusselemente 6, wobei in 7 das teilweise zusammengesetzte Zellmodul 1 in einer perspektivischen Ansicht und in 8 in einer Schnittdarstellung, insbesondere im Längsschnitt, dargestellt ist.
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Die 9 zeigt das teilweise zusammengesetzte Zellmodul 1 in einer perspektivischen Ansicht, wobei gezeigt ist, dass nach dem Zusammensetzen des Zellmoduls 1 die oberen Zellpole 2.3 der stirnseitig angeordneten Einzelzellen 2 in einem Winkel von 90° in Richtung einer Hochausrichtung des Zellmoduls 1 nach oben umgebogen und abschnittsweise in einer an stirnseitig angeordneten, oberen Randseiten des Gehäuses 3 angeordneten Vertiefungen angeordnet werden, wobei ein freies Ende der Zellpole 2.3 in Hochausrichtung über das Gehäuse 3 hinausragt. Dabei ist an jeweils einer stirnseitig angeordneten, oberen Randseite des Gehäuses 3 eine Vertiefung angeordnet, wobei die Maße der Vertiefung, insbesondere eine Breite und eine Dicke, zu den Maßen des umgebogenen Zellpols 2.3 korrespondiert, so dass der in der Vertiefung angeordnete Zellpol 2.3 randseitig mit dem Gehäuse 3 abschließt.
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Die 10 zeigt das teilweise zusammengesetzte Zellmodul 1 aus 9 mit beabstandet angeordneten, noch nicht mit dem Gehäuse 3 verbundenen Abschlusselementen 6, wobei jeweils einer offenen, stirnseitigen Gehäuseseite ein Abschlusselement 6 zugeordnet ist.
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Die Abschlusselemente 6 sind jeweils aus einer thermoplastischen Verbundfolie gebildet und werden, wie in 11 gezeigt, mittels Heißsiegelung möglichst dicht mit den stirnseitigen Gehäuseseiten sowie den umgebogenen Zellpolen 2.3 der stirnseitig angeordneten Einzelzellen 2 verschweißt. Die 11 zeigt dazu eine Schnittdarstellung, insbesondere einen Längsschnitt, eines vergrößerten Ausschnitts des Zellmoduls 1 mit stirnseitig angeordneten Stempeln 7.
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Bei der Heißsiegelung werden die Verpackung, die umgebogenen Zellpole 2.3 sowie das Gehäuse 3 partiell aufgeschmelzt und mit dem heißen Stempel 7 sowie mit nachfolgender stoffschlüssiger Verklebung bei Erkaltung unter Druck stoffschlüssig miteinander verbunden. Die Heißsiegelung zeichnet sich dabei durch eine besonders geringe Zykluszeit, d. h. die Zeit zum Erwärmen und zum Abkühlen, aus. Alternativ können die Abschlusselemente 6 mit dem Gehäuse 3 und den Zellpolen 2.3 auch verklebt werden.
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Zur Verbesserung des Stoffschlusses können bzw. kann das Gehäuse 3 und/oder die Abschlusselemente 6 zumindest im Bereich des Stoffschlusses aus einem aminosäuremodifiziertem Polypropylen, im Folgenden als PPa bezeichet, gefertigt sein, welches insbesondere mit einem metallischen Werkstoff einen zuverlässigen Stoffschluss eingeht. Die Zellpole 2.3 der stirnseitig angeordneten Einzelzellen 2 können zudem mit einer entsprechenden Aktivierungsschicht, z. B Chromatierungen oder Eloxierungen auf den metallischen Ableitern des Pluspols, welche beispielsweise aus Aluminium gefertigt sind, und Vernickelungen auf den metallischen Ableitern des Minuspols, welche beispielsweise aus Kupfer gefertigt sind, versehen sein.
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Weiterhin ist denkbar, die Zellpole 2.3 im Bereich der Siegelung mit dem Abschlusselement 6 partiell mit Polypropylen und PPa zu beschichten oder eine Polypropylen/PPa-Folie ein- oder beidseitig auf die Zellpole 2.3 aufzusiegeln.
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Nach dem Verschluss des Zellmoduls 1 wird aus diesem die Luft durch die nicht dargestellte, bereits beschriebene Öffnung entfernt, welche anschließend z. B. mit einem Stopfen oder Pfropfen verschlossen wird.
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Die auf beiden stirnseitigen Gehäuseseiten angeordneten Abschlusselemente 6 legen sich dabei unter Wirkung des erhöhten Umgebungsdrucks an die Flachseite der ihnen zugewandten Einzelzellen 2 an, wodurch diese im Gehäuse 3 verpresst werden. Die Kraft F wird dabei ausgehend von dem stirnseitigen Ende mit dem Abschlusselement 6 im Wesentlichen senkrecht zur Flachseite der Einzelzellen 2 und damit im Wesentlichen senkrecht zur Flachseite der Elektrodenfolienanordnung 2.1 eingeleitet, wie es in 12 gezeigt ist.
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Die 12 und 13 zeigen dabei das Zellmodul 1 in einem vollständig zusammengesetzten Zustand, wobei in 12 das Zellmodul 1 in einer perspektivischen Ansicht und in 12 in Schnittdarstellung, insbesondere in einem Längsschnitt, dargestellt ist.
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Bei als Pouchzellen ausgebildeten Einzelzellen 2 kann zuvor oder während einer Lebensdauer des Zellmoduls 1 in den Innenraum des Gehäuses 3 vorzugsweise ein trockenes Gas ohne Wasserdampf eingefüllt werden, so dass ein zur Lebensdauerreduzierung führender Eintrag von Wasser in die Einzelzellen 2 im Bereich der Siegelnaht 2.4 durch Diffusion reduziert wird. Es ist außerdem möglich, eine Breite der Siegelnaht 2.4, welche bei freiliegenden Einzelzellen 2 insbesondere durch einen maximal zulässigen Wasserdampfeintrag bestimmt wird, zu reduzieren. Dabei wird vorzugsweise in den Innenraum des Gehäuses 3 zusätzlich ein Trockenmittel, z. B. Kieselgel, eingebracht, welches eine Restfeuchtigkeit nach dem fluiddichten Verschluss des Zellmoduls 1 bindet und einen Trocknungsgrad über eine Lebensdauer des Zellmoduls 1 aufrecht erhält.
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Bezugszeichenliste
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- 1
- Zellmodul
- 2
- Einzelzelle
- 2.1
- Elektrodenfolienanordnung
- 2.2
- Zellgehäuse
- 2.3
- Zellpol
- 2.4
- Siegelnaht
- 3
- Gehäuse
- 3.1
- Bereich
- 3.2
- Bereich
- 3.3
- Trennwand
- 3.4
- Durchgangsöffnung
- 4
- Druckplatte
- 5
- Spannelement
- 6
- Abschlusselement
- 7
- Stempel
- F
- Kraft
