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Stand der Technik
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Batteriezellen können zu Batteriemodulen verbunden werden, um mehr Energie bereitstellen zu können. Dabei werden die Batteriezellen in einem Gehäuse angeordnet, welches die Batteriezellen z.B. von Umwelteinflüssen schützt. Das Gehäuse kann dabei elektrisch leitfähig ausgeführt sein. Daher müssen die Batteriezellen gegenüber dem Gehäuse und ggf. gegeneinander elektrisch isoliert werden.
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Hierzu können Bauteile des Batteriemoduls mit einer isolierenden Lackschicht versehen werden. Beispielsweise kann ein Lack auf die Batteriezellen oder auf einen inneren Bereich des Gehäuses aufgebracht werden. Das Lackieren der Bauteile kann jedoch arbeitsaufwändig und kostenintensiv sein. Darüber hinaus variiert die Lackschichtdicke üblicherweise, so dass keine gleichmäßig hohe Isolationswirkung gewährleistet werden kann. Während des Handlings der Komponenten eines Batteriemoduls kann es außerdem zu Abplatzen von Lackbereichen oder zum Einbringen von Mikrorissen in die Lackschicht kommen.
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Ferner kann eine isolierende Folie auf die Batteriezellen aufgeklebt werden. Allerdings können die Batteriezellen beispielsweise im Betrieb ihre Abmessungen durch Ausdehnen und Zusammenziehen verändern, so dass die Folie durchgescheuert werden kann. Ferner kann das Anbringen der Folie kompliziert und mit einem hohen Arbeitsaufwand verbunden sein.
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Offenbarung der Erfindung
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Es kann daher ein Bedarf an einem verbesserten Batteriemodul und einem verbesserten Herstellungsverfahren für ein entsprechendes Batteriemodul bestehen, die insbesondere eine kostengünstigere und weniger arbeitsaufwändige Herstellung des Batteriemoduls ermöglichen.
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Dieser Bedarf kann durch den Gegenstand der vorliegenden Erfindung gemäß den unabhängigen Ansprüchen gedeckt werden. Vorteilhafte Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung sind in den abhängigen Ansprüchen beschrieben.
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Im Folgenden werden Merkmale, Einzelheiten und mögliche Vorteile einer Vorrichtung gemäß Ausführungsformen der Erfindung im Detail diskutiert.
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Gemäß einem ersten Aspekt der Erfindung wird ein Batteriemodul vorgestellt, welches mindestens zwei Batteriezellen und ein Modulgehäuse aufweist. Die Batteriezellen sind dabei im Gehäuse angeordnet. Zwischen den Batteriezellen und dem Modulgehäuse ist ein isolierendes ölgetränktes Papiermaterial vorgesehen.
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Anders ausgedrückt basiert die Idee der vorliegenden Erfindung darauf, dass eine Lackschicht bzw. eine Folie, die zwischen Teilen eines Batteriemoduls angeordnet sein kann, durch ein ölgetränktes Papiermaterial ersetzt wird. D.h. die Batteriezellen sind räumlich und elektrisch durch das ölgetränkte Papiermaterial vom elektrisch leitfähigen Modulgehäuse und ggf. voneinander getrennt.
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Durch die Verwendung des ölgetränkten Papiermaterials können z.B. gegenüber einem Lackierprozess Kosten eingespart werden. Ferner kann im Vergleich zur Verwendung einer Folie der Arbeitsaufwand reduziert und die Herstellung des Batteriemoduls vereinfacht werden. Des Weiteren bietet die elektrische Isolation mit Hilfe des ölgetränkten Papiermaterials eine hohe Durchriss- bzw. Durchscheuerfestigkeit z.B. im Vergleich zur Verwendung einer Folie.
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Das Batteriemodul kann beispielsweise in Hybrid- oder in rein elektrisch betriebenen Fahrzeugen und Transportmitteln verwendet werden. Ferner kann ein erfindungsgemäßes Batteriemodul stationär, beispielsweise an Gebäuden zum Beispiel in Zusammenhang mit Solarzellen, verwendet werden.
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Ein Batteriemodul weist dabei mehrere Batteriezellen auf. Mindestens weist ein Batteriemodul zwei Batteriezellen auf. Insbesondere kann ein Batteriemodul zwischen 5 und 13 oder zwischen 5 und 18 Batteriezellen aufweisen. Mehrere Batteriemodule können ferner zu Batteriepacks, auch als Batteriesysteme bezeichnet, verbunden werden.
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Die Batteriezellen können beispielsweise als Lithiumionenbatterien ausgeführt sein. Ferner können die Batteriezellen als Bleiakkus-, als Nickelwasserstoff- oder Nickeleisenakkus, als Lithiummangan-, Lithiumtitan- oder Lithiumschwefelakkus ausgeführt sein.
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Das Modulgehäuse kann ein elektrisch leitfähiges Material aufweisen. Beispielsweise kann das Modulgehäuse ein Metall, wie z.B. Stahl, aufweisen.
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Das Papiermaterial, auch als Papierwerkstoff bezeichnet, kann z.B. Isolierpapier oder Krepppapier sein. Dabei kann das Papiermaterial ein flächiger Werkstoff sein und Kunststofffasern und/oder pflanzliche Fasern aufweisen. Insbesondere kann das Papiermaterial ein technisches Papier sein. Das Papiermaterial kann z.B. als Pappe mit einer flächenbezogenen Masse von über 300 g/m2 und einer Dicke von über 1,5 mm Dicke ausgeführt sein. Alternativ kann das Papiermaterial als Pappe mit einer flächenbezogenen Masse zwischen ca. 130 g/m2 und 300 g/m2 ausgeführt sein. Vorzugsweise ist das Papiermaterial als Isolierpapier mit einer flächenbezogenen Masse unter 130 g/m2 ausgeführt.
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Das Papiermaterial ist dabei ölgetränkt. D.h. das Papiermaterial kann mit Öl imprägniert, vollgesogen bzw. abgesättigt sein. Dabei kann das Öl ein isolierendes Maschinenöl, insbesondere ein Mineralöl oder ein Silikonöl sein. Das Öl kann vorteilhafterweise eine Feuchtigkeitsaufnahme des Papiermaterials verhindern. Ferner ist das Öl ausgeführt, eine Entzündbarkeit des Papiermaterials zu reduzieren und die Sicherheit des Batteriemoduls auf diese Weise zu erhöhen. Des Weiteren kann das Öl dazu beitragen die Durchschlagfestigkeit des Papiermaterials zu erhöhen und damit die Wahrscheinlichkeit einer Ausbildung von Lichtbögen zu verringern. Zusätzlich kann das Öl entstehende Lichtbögen ablöschen. Ein Weiterer Vorteil, der in dem Tränken des Papiermaterials mit Öl zu sehen ist, ist die bessere Flexibilität und Verarbeitbarkeit des mit Öl getränkten Papiermaterials.
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Gemäß einem Ausführungsbeispiel der Erfindung ist das Papiermaterial ferner zwischen den einzelnen Batteriezellen vorgesehen. D.h. das isolierende ölgetränkte Papiermaterial ist sowohl zwischen den Batteriezellen untereinander als auch zwischen den Batteriezellen und dem Modulgehäuse vorgesehen. Dabei kann das Papiermaterial zwischen allen benachbarten Batteriezellen vorgesehen sein. Alternativ kann das Papiermaterial lediglich zwischen einigen der benachbarten Batteriezellen vorgesehen sein.
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Durch das Vorsehen des Papiermaterials zwischen den einzelnen Batteriezellen und auch zwischen dem Modulgehäuse und den Batteriezellen können die einzelnen elektrisch leitfähigen Komponenten des Batteriemoduls möglichst optimal elektrisch gegeneinander isoliert werden.
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Gemäß einem weiteren Ausführungsbeispiel der Erfindung ist das Papiermaterial einlagig zwischen dem Gehäuse und den Batteriezellen angeordnet. D.h. es kann bereits eine Lage des Papiermaterials ausreichen, um eine ausreichende Isolation der Batteriezellen gegenüber dem Gehäuse zu gewährleisten. Bei einlagiger Umwicklung der Batteriezellen mit dem ölgetränkten Papiermaterial können Materialkosten eingespart werden.
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Alternativ können die Batteriezellen mit mehreren Lagen des ölgetränkten Materials umwickelt sein. Hierdurch kann die Durchriss- bzw. Durchscheuergefahr reduziert und damit die Sicherheit erhöht werden.
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Gemäß einem weiteren Ausführungsbeispiel der Erfindung weist das Papiermaterial Aramidfasern auf. Aramidfasern können dabei polymere Kunststoffe wie z.B. aromatische Polyamide sein. Insbesondere können Aramidfasern langkettige synthetische Polyamide sein, bei denen mindestens 85% der Amidgruppen direkt an zwei aromatische Ringe gebunden sind. Beispielsweise kann para-Aramid in das Papiermaterial integriert sein.
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Die Verwendung von Aramidfasern im Papiermaterial sorgt für eine sehr hohe Festigkeit, eine hohe Schlagzähigkeit und eine hohe Bruchdehnung des Papiermaterials. Ferner wird die Beständigkeit des Papiermaterials gegenüber Säuren und Laugen durch Aramidfasern erhöht.
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Gemäß einem weiteren Ausführungsbeispiel der Erfindung ist das Öl ein Transformatorenöl. Ferner ist das Öl elektrisch isolierend. Das Öl kann auch als Isolieröl bezeichnet werden. Insbesondere kann das Öl ein hochraffiniertes Mineralöl oder ein dünnflüssiges Silikonöl sein.
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Gemäß einem weiteren Ausführungsbeispiel der Erfindung umgibt bzw. umhüllt das Papiermaterial die Batteriezellen komplett. D.h. die Batteriezellen sind einzeln oder im Packet von allen Seiten mit dem Papiermaterial umgeben bzw. eingehüllt. Auf diese Weise sind die Batteriezellen komplett isoliert und vor einem Kurzschluss gesichert.
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Gemäß einem weiteren Ausführungsbeispiel der Erfindung weist das Batteriemodul ferner einen Moduldeckel auf. Dabei ist an einer dem Moduldeckel zugewandten ersten Seite der Batteriezellen kein Papiermaterial vorgesehen. D.h. gemäß diesem alternativen Ausführungsbeispiel sind die Batteriezellen nicht komplett von allen Seiten durch das Papiermaterial umgeben.
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Der Moduldeckel kann auf das Modulgehäuse aufgesetzt werden. Dabei kann der Moduldeckel eine integrierte Isolation, wie z.B. eine Isolationsschicht, auf der den Batterien zugewandten Seite aufweisen.
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Die Isolation der Batteriezellen wird hierbei gegenüber dem Modulgehäuse durch das Papiermaterial und gegenüber dem Moduldeckel durch den Moduldeckel selbst gewährleistet. Hierdurch kann die Herstellung des Batteriemoduls vereinfacht werden, da z.B. auf ein Ausstanzen von Ausnehmungen im Papiermaterial verzichtet werden kann. Insbesondere sind keine Ausstanzungen für die Pole der Batteriezellen nötig, wenn der dem Moduldeckel zugewandte Bereich der Batteriezellen frei von Papiermaterial bleibt.
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Gemäß einem weiteren Ausführungsbeispiel der Erfindung ist an einer vom Moduldeckel abgewandten Seite der Batteriezellen kein Papiermaterial vorgesehen. D.h. an einer zweiten Seite der Batteriezellen, die der ersten Seite gegenüberliegt und einem Boden des Modulgehäuses zugewandt ist, ist eine Aussparung im Papiermaterial vorgesehen. Dies kann z.B. sinnvoll sein, wenn am Boden des Batteriemoduls, insbesondere im Boden des Modulgehäuses, eine Kühlplatte, z.B. eine Kunststoffkühlplatte integriert ist.
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Dabei kann lediglich die dem Moduldeckel oder lediglich die dem Modulboden zugewandte Seite mit einer Aussparung im Papiermaterial versehen sein. Alternativ können sowohl an der dem Moduldeckel als auch an der dem Modulboden zugewandten Seiten Aussparungen im Papiermaterial vorgesehen sein. Dies kann die Umwicklung der Batteriezellen mit dem Papiermaterial vereinfachen.
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Gemäß einem zweiten Aspekt der Erfindung wird ein Verfahren zur Herstellung eines oben beschriebenen Batteriemoduls vorgestellt. Das Verfahren weist die folgenden Schritte auf: Bereitstellen von mindestens zwei Batteriezellen; Bereitstellen eines Modulgehäuses; Anordnen der Batteriezellen im Modulgehäuse; und Umwickeln der Batteriezellen mit einem isolierenden ölgetränkten Papiermaterial.
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Die Reihenfolge der Schritte kann dabei variieren. Insbesondere kann das Umwickeln der Batteriezellen vor dem Anordnen der der Batteriezellen im Modulgehäuse stattfinden. Ferner können weitere Schritte, wie z.B. das Verspannen der einzelnen Batteriezellen gegeneinander, vorgesehen sein.
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Weitere Merkmale und Vorteile der vorliegenden Erfindung werden dem Fachmann aus der nachfolgenden Beschreibung beispielhafter Ausführungsformen, die jedoch nicht als die Erfindung beschränkend auszulegen sind, unter Bezugnahme auf die beigelegten Zeichnungen ersichtlich.
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1 zeigt einen Querschnitt durch ein Batteriemodul gemäß einem Ausführungsbeispiel der Erfindung
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2 zeigt einen Querschnitt durch ein Batteriemodul gemäß einem weiteren Ausführungsbeispiel der Erfindung
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Alle Figuren sind lediglich schematische Darstellungen erfindungsgemäßer Vorrichtungen bzw. ihrer Bestandteile gemäß Ausführungsbeispielen der Erfindung. Insbesondere Abstände und Größenrelationen sind in den Figuren nicht maßstabsgetreu wiedergegeben. In den verschiedenen Figuren sind sich entsprechende Elemente mit den gleichen Referenznummern versehen.
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In 1 ist ein Batteriemodul 1 mit sechs einzelnen Batteriezellen 3 im Querschnitt dargestellt. Das Batteriemodul 1 weist ein Modulgehäuse 5 auf, in welchem die Batteriezellen angeordnet sind. Die Batteriezellen 3 sind von einem isolierenden ölgetränkten Papiermaterial 7 umwickelt, so dass das Modulgehäuse 5 elektrisch gegen die Batteriezellen isoliert ist.
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Das Batteriemodul 1 weist ferner einen Moduldeckel 9 auf, der das Modulgehäuse 5 verschließt und in dem z.B. Stromkollektoren Anschlüsse für die Pole der Batteriezellen vorgesehen sein können.
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Im dargestellten Ausführungsbeispiel in 1 ist das ölgetränkte Papiermaterial 7 einlagig zwischen den Batteriezellen 3 und dem Modulgehäuse 5 angeordnet. Ferner umgibt das ölgetränkte Papiermaterial 7 die Batteriezellen 3 von allen Seiten.
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Das Öl, mit dem das Papiermaterial 7 imprägniert ist, kann ein Transformatorenöl insbesondere ein Mineralöl oder ein Silikonöl sein. Das Papiermaterial 7 kann ein Isolierpapier sein. Dabei kann das Papiermaterial 7 Aramidfasern aufweisen und reißfest ausgeführt sein.
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Das ölgetränkte Papiermaterial 7 kann eine Lackschicht bzw. eine Klebefolie zwischen Komponenten des Batteriemoduls 1 ersetzen. Auf diese Weise können Kosten eingespart und ein Arbeitsaufwand reduziert werden. Ferner kann das Sicherheitsverhalten des Batteriemoduls 1 durch die Verwendung des ölgetränkten Papiermaterials 7 verbessert werden.
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2 zeigt einen Querschnitt durch eine alternative Ausführungsform des Batteriemoduls 1. Dabei ist jede Batteriezelle 3 einzeln von dem ölgetränkten Papiermaterial 7 umwickelt. Auf diese Weise sind sowohl die einzelnen Batteriezellen 3 gegeneinander als auch gegen das Modulgehäuse 5 elektrisch isoliert.
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Im Unterschied zu 1 umgibt das ölgetränkte Papiermaterial 7 in 2 die Batteriezellen 3 nicht von allen Seiten. An der oberen Seite der Batteriezellen 3, an der die Pole der Batteriezellen 3 vorgesehen sein können, und die dem Moduldeckel 9 zugewandt ist, ist kein ölgetränktes Papiermaterial 7 vorgesehen. Hierdurch sind die Pole der Batteriezellen 3 frei zugänglich für die Anschlüsse im Moduldeckel 9. Damit kann also auf ein Ausstanzen von Ausnehmungen im ölgetränkten Papiermaterial 7 für die Pole der Batteriezellen 3 verzichtet werden.
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Abschließend wird angemerkt, dass Ausdrücke wie „aufweisend“ oder ähnliche nicht ausschließen sollen, dass weitere Elemente oder Schritte vorgesehen sein können. Des Weiteren sei darauf hingewiesen, dass „eine“ oder „ein“ keine Vielzahl ausschließen. Außerdem können in Verbindung mit den verschiedenen Ausführungsformen beschriebene Merkmale beliebig miteinander kombiniert werden. Es wird ferner angemerkt, dass die Bezugszeichen in den Ansprüchen nicht als den Umfang der Ansprüche beschränkend ausgelegt werden sollen.
