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Die Erfindung betrifft eine Batterieeinheit umfassend eine Mehrzahl von elektrochemischen Zellen, welche jeweils eine Elektrodenanordnung mit einem Kathodenkontaktierungselement und einem Anodenkontaktierungselement aufweisen, und eine Aufnahmeeinrichtung mit einer Mehrzahl von Aufnahmeeinheiten, welche jeweils durch Seitenwandungen voneinander separiert sind.
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Des Weiteren betrifft die Erfindung ein Batteriemodul mit einer Mehrzahl von Batterieeinheiten.
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Stand der Technik
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Batterien mit einer Mehrzahl von elektrisch miteinander verschalteten elektrochemischen Zellen sind in unterschiedlichen Ausgestaltungen im Stand der Technik bekannt. Darüber hinaus sind Batteriemodule bekannt, welche eine Mehrzahl von miteinander verschalteten Batteriezellen als elektrochemische Zellen aufweisen.
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Beispielsweise ist aus der Druckschrift
EP 2 202 824 A1 ein Batteriemodul mit einer Mehrzahl von Batteriezellen bekannt, wobei die Batteriezellen eine erste Elektrode und eine zweite Elektrode aufweisen. Das in dieser Druckschrift offenbarte Batteriemodul umfasst darüber hinaus eine Aufnahmeeinrichtung mit nebeneinander angeordneten Aufnahmeeinheiten, in welche Batteriezellen eingebracht sind. Die Aufnahmeeinrichtung weist dabei einen ersten Gehäuseteil mit einem ersten Anschlussterminal und einen zweiten Gehäuseteil mit einem zweiten Anschlussterminal zur Kontaktierung der Elektroden der Batteriezellen auf. Darüber hinaus offenbart diese Druckschrift, mehrere solcher Batteriemodule elektrisch miteinander zu verschalten.
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Aus der Druckschrift
US 6,864,013 B2 ist des Weiteren eine als Batterieblock ausgebildete Energiespeichereinheit bekannt, die eine Mehrzahl von elektrochemischen Zellen aufweist, welche in einem Batteriegehäuse angeordnet sind, wobei für jede der Zellen ein eigenes Fach seitens des Gehäuses bereitgestellt ist. Das Gehäuse kann dabei integrierte Kühlkanäle zur Kühlung der Batteriezellen aufweisen.
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Aus der Druckschrift
DE 10 2012 205 019 A1 ist zur Kontaktierung von in einem Batteriegehäuse angeordneten Batteriezellen ein Moduldeckel bekannt, welcher ein Zellkontaktierungssystem mit mehreren Zellverbindern umfasst.
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Nachteile bei im Stand der Technik bekannten Batterieeinheiten und Batteriemodulen bestehen insbesondere in Bezug auf das Verschalten der elektrochemischen Zellen, in Bezug auf die Größe der Batterieeinheiten und Batteriemodule, vor allem im Hinblick auf in Hybrid-, Plug-In-Hybrid- oder Elektrofahrzeugen einzusetzende Batterieeinheiten beziehungsweise Batteriemodule, und in Bezug auf die Variabilität von Batterieeinheiten und Batteriemodulen im Hinblick auf eine Anpassung an unterschiedliche Erfordernisse, die an eine Batterieeinheit beziehungsweise ein Batteriemodul beispielsweise hinsichtlich der bereitzustellenden Kapazität und/oder Leistung zu stellen sind.
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Vor diesem Hintergrund ist es eine Aufgabe der Erfindung, eine im Hinblick auf die vorgenannten Nachteile verbesserte Batterieeinheit sowie ein verbessertes Batteriemodul bereitzustellen. Insbesondere soll eine Batterieeinheit bereitgestellt werden, welche eine höhere Energiedichte aufweist, das heißt, bei gleicher Kapazität und Leistung wie eine herkömmliche Batterieeinheit kleinere Abmessungen aufweist und somit weniger Raum einnimmt.
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Offenbarung der Erfindung
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Zur Lösung der Aufgabe wird eine Batterieeinheit umfassend eine Mehrzahl von elektrochemischen Zellen, welche jeweils eine Elektrodenanordnung mit einem Kathodenkontaktierungselement und einem Anodenkontaktierungselement aufweisen, und eine Aufnahmeeinrichtung mit einer Mehrzahl von Aufnahmeeinheiten, welche jeweils durch Seitenwandungen voneinander separiert sind, vorgeschlagen, wobei in die Aufnahmeeinheiten jeweils die Elektrodenanordnung einer elektrochemischen Zelle der Batterieeinheit eingebracht ist und die Aufnahmeeinheiten durch wenigstens eine mit der Aufnahmeeinrichtung verbundenen Elektrolytbarriere verschlossen sind, derart, dass die verschlossenen Aufnahmeeinheiten mit den darin angeordneten Elektrodenanordnungen die elektrochemischen Zellen der Batterieeinheit bilden. Insbesondere ist dabei vorgesehen, dass eine Elektrodenanordnung im Sinne der vorliegenden Erfindung dabei das aktive Material einer elektrochemischen Zelle umfasst, also insbesondere ein Kathodenmaterial, ein Anodenmaterial, einen Separator und einen Elektrolyten, vorzugsweise einen Festkörperelektrolyten. Insbesondere ist vorgesehen, dass die Elektrodenanordnung als Zellwickel (engl.: Jelly Roll) oder Zellstapel (engl.: Cell Stack) ausgebildet ist. Durch die Seitenwandungen der Aufnahmeeinrichtung, sind die einzelnen Elektrodenanordnungen dabei vorteilhafterweise gegeneinander elektrisch isoliert. Die wenigstens eine Elektrolytbarriere, welche mit der Aufnahmeeinrichtung verbunden ist, verhindert dabei vorteilhafterweise ein Austreten eines flüssigen Elektrolyten aus der Aufnahmeeinheit und verschließt die Aufnahmeeinheit nach außen. Insbesondere ist vorgesehen, dass die Elektrolytbarriere eine Kunststofffolie ist, insbesondere eine Folie aus Polyethylen (PE) oder Polyetheretherketon (PEEK). Gemäß einer vorteilhaften Ausgestaltungsvariante ist als Elektrolytbarriere eine metallische Kühlplatte mit flächiger Isolation vorgesehen.
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Insbesondere ist vorgesehen, dass die elektrochemische Zelle eine Lithium basierte Zelle ist, insbesondere ist vorgesehen, dass die positive Elektrode einer elektrochemischen Zelle der Batterieeinheit Lithium-Verbindungen enthält, insbesondere LiF, Li-Oxid, Li-Schwefel oder ein Li-Komposit. Gemäß einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltungsvariante enthält die positive Elektrode einer elektrochemischen Zelle der Batterieeinheit Na-Verbindungen.
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Anders als bei im Stand der Technik bekannten Batteriemodulen sind bei der erfindungsgemäßen Batterieeinheit keine fertigen Batteriezellen in einer Aufnahmeeinrichtung angeordnet, sondern die Aufnahmeeinrichtung und die Elektrolytbarriere bilden vorteilhafterweise zusammen mit den Elektrodenanordnungen die elektrochemischen Zellen. Die eine Aufnahmeeinheit einfassenden Seitenwandungen der Aufnahmeeinrichtung und die eine Aufnahmeeinheit verschließende wenigstens eine Elektrolytbarriere bilden dabei vorteilhafterweise quasi die Außenhülle beziehungsweise das Gehäuse der elektrochemischen Zelle. Dies ermöglicht vorteilhafterweise eine gewichtsreduzierte Ausgestaltung einer Batterieeinheit mit kompakteren Abmessungen, wodurch die Energiedichte der Batterieeinheit vorteilhafterweise erhöht ist.
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Gemäß einer vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung ist vorgesehen, dass die Aufnahmeeinheiten der Aufnahmeeinrichtung jeweils wenigstens ein Auflageelement aufweisen, wobei die in eine Aufnahmeeinheit der Aufnahmeeinrichtung eingebrachte Elektrodenanordnung auf dem wenigstens einen Auflageelement angeordnet ist. Hierdurch ist vorteilhafterweise die Herstellung beziehungsweise der Aufbau einer erfindungsgemäßen Batterieeinheit vereinfacht.
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Bei einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung der erfindungsgemäßen Batterieeinheit weist die Aufnahmeeinrichtung eine sämtliche Aufnahmeeinheiten der Aufnahmeeinrichtung umrahmende Außenwandung auf. Vorzugsweise ist die Aufnahmeeinrichtung aus einem Kunststoffmaterial, wobei die Außenwandung vorteilhafterweise eine Metallisierung aufweist. Durch die Metallisierung wird vorteilhafterweise ein Eindringen von Feuchtigkeit in die Aufnahmeeinheiten der Aufnahmeeinrichtung verhindert, was insbesondere dann wichtig ist, wenn die elektrochemischen Zellen, wie bevorzugt vorgesehen, als Lithium-Ionen-Zellen ausgebildet sind.
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Insbesondere ist vorgesehen, dass in eine Aufnahmeeinheit als Elektrodenanordnung mehrere Elektrodenanordnungen angeordnet sind, welche vorteilhafterweise elektrisch parallel verschaltet sind. Insbesondere ist dabei als vorteilhafte Ausgestaltung vorgesehen, dass mehrere Zellwickel übereinander in einer Aufnahmeeinheit der Aufnahmeeinrichtung angeordnet und über deren Kontaktierungselemente elektrisch parallel verschaltet sind.
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Eine besonders vorteilhafte Ausgestaltung der erfindungsgemäßen Batterieeinheit sieht vor, dass die Batterieeinheit wenigstens ein erstes elektrisch leitfähiges Verbindungselement und wenigstens ein zweites elektrisch leitfähiges Verbindungselement umfasst, wobei die elektrochemischen Zellen über das wenigstens eine erste Verbindungselement und das wenigstens eine zweite Verbindungselement elektrisch leitfähig miteinander verschaltet sind. Die Elektrodenanordnungen unterschiedlicher Aufnahmeeinheiten der Aufnahmeeinrichtung sind dabei vorzugsweise über ein erstes Verbindungselement und ein zweites Verbindungselement elektrisch in Reihe geschaltet. Das Kathodenkontaktierungselement und das Anodenkontaktierungselement einer elektrochemischen Zelle der Batterieeinheit sind dabei vorteilhafterweise jeweils zur elektrischen Verschaltung der elektrochemischen Zellen untereinander elektrisch leitfähig mit einem der Verbindungselemente verbunden. Insbesondere ist vorgesehen, dass das erste elektrisch leitfähige Verbindungselement und das zweite elektrisch leitfähige Verbindungselement zur elektrisch leitfähigen Kontaktierung der Batterieeinheit aus der Aufnahmeeinrichtung herausgeführt sind. Somit ist die Batterieeinheit vorteilhafterweise an wenigstens einer Außenseite der Aufnahmeeinrichtung kontaktierbar, insbesondere um eine elektrische Verbrauchereinrichtung an die Batterieeinheit anzuschließen oder die Batterieeinheit mit weiteren Batterieeinheiten zu einem Batteriemodul elektrisch zu verschalten. Das wenigstens eine elektrisch leitfähige Verbindungselemente und das wenigstens eine zweite elektrisch leitfähige Verbindungselement bilden dabei vorteilhafterweise die Hauptstromleitung der Batterieeinheit. Insbesondere ist vorgesehen, dass die Verbindungselemente als metallischer Flachleiter ausgebildet sind, insbesondere als Flachleiter mit einem Metallübergang, vorzugsweise als Kupfer-Aluminium-Leiter, Nicke-Aluminium-Leiter oder Stahl-Aluminium-Leiter.
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Gemäß einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung umfasst die erfindungsgemäße Batterieeinheit wenigstens ein elektrisch leitfähiges Leitungspaar, welches mit wenigstens einer elektrochemischen Zelle der Batterieeinheit zur Erfassung wenigstens eines Parameters dieser elektrochemischen Zelle elektrisch leitfähig kontaktiert ist. Insbesondere ist vorgesehen, dass die Leitungen des wenigstens einen Leitungspaares sogenannte Sense-Leitungen sind. Als Parameter sind vorteilhafterweise über die Leitungspaare Zellspannungen und/oder Zelltemperaturen der einzelnen elektrochemischen Zellen erfassbar und vorteilhafterweise an eine sogenannte Zellüberwachungseinheit, insbesondere eine Cell Supervising Circuit (CSC) übertragbar. Vorzugsweise sind die elektrisch leitfähigen Leitungen derart ausgebildet, dass diese für ein zellindividuelles Laden und/oder Entladen, insbesondere im Rahmen des Formier-Prozesses, verwendet werden können.
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Eine weitere vorteilhafte Ausgestaltung der erfindungsgemäßen Batterieeinheit sieht vor, dass die Aufnahmeeinheiten jeweils ein Sicherheitsventil aufweisen, welches vorteilhafterweise ausgebildet ist, bei einem vorbestimmten Überdruck innerhalb der Aufnahmeeinheit zu öffnen. Das Sicherheitsventil ist somit vorteilhafterweise ausgebildet, ein Platzen einer elektrochemischen Zelle zu verhindern, wenn sich der Innendruck einer Aufnahmeeinheit, insbesondere aufgrund einer starken Erwärmung einer elektrochemischen Zelle der Batterieeinheit, erhöht. Insbesondere kann vorgesehen sein, dass über das Sicherheitsventil beziehungsweise über die von dem Sicherheitsventil verschlossene Öffnung im Rahmen der Herstellung der Batterieeinheit ein flüssiger Elektrolyt in die von den Elektrolytbarrieren verschlossenen Aufnahmeeinheiten eingebracht wird, insbesondere bei einer um eine zentrale Mehrzweckseitenwandung faltbaren Ausgestaltung der erfindungsgemäßen Batterieeinheit. Gemäß einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung ist vorgesehen, dass jede Aufnahmeeinheit jeweils eine Elektrolyt-Befüllöffnung aufweist, über welche ein Elektrolyt im Rahmen der Herstellung der Batterieeinheit in die Aufnahmeeinheit eingebracht werden kann. Die Öffnung wird dann später mit einem Verschlusselement verschlossen, welches insbesondere mittels eines Ultraschallschweißverfahrens oder eines Sealing-Verfahrens stoffschlüssig mit der jeweiligen Wandung der Aufnahmeeinheit, in welche die Elektrolyt-Befüllöffnung eingebracht ist, verbunden werden kann.
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Gemäß einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung umfasst die erfindungsgemäße Batterieeinheit einen Entgasungskollektor, welcher vorteilhafterweise ausgebildet ist, ein von einer elektrochemischen Zelle der Batterieeinheit freigesetztes Fluid aufzunehmen und/oder abzuleiten. Der Entgasungskollektor ist gemäß einer vorteilhaften Ausgestaltung als Entgasungskanal ausgebildet. Vorteilhafterweise wird durch den Entgasungskollektor verhindert, dass ein in Folge eines thermischen Durchgehens (engl.: thermal runaway) einer elektrochemischen Zelle der Batterieeinheit ein aus der elektrochemischen Zelle entweichendes Aerosol unkontrolliert an die Umgebung abgegeben wird.
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Eine besonders bevorzugte Ausgestaltung der Erfindung sieht vor, dass zumindest eine der Seitenwandungen der Aufnahmeeinrichtung als Mehrzweckseitenwandung ausgebildet ist, welche gegenüber den anderen Seitenwandungen um zumindest eine weitere Funktionalität erweitert ist. Insbesondere ist vorgesehen, dass die wenigstens eine Mehrzweckseitenwandung einen kanalartig ausgebildeten Raum bereitstellt, in welchen Funktionseinheiten zur Bereitstellung weiterer Funktionalitäten integriert werden können beziehungsweise integriert sind. Hierdurch ist eine erfindungsgemäße Batterieeinheit vorteilhafterweise noch kompakter realisierbar.
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Insbesondere ist vorgesehen, dass die Mehrzweckseitenwandung das wenigstens eine erste elektrisch leitfähige Verbindungselement und das wenigstens eine zweite elektrisch leitfähige Verbindungselement umfasst, wobei die Verbindungselemente vorzugsweise einen Metall-Metall-Übergang aufweisen, insbesondere Kupfer-Aluminium, Nickel-Aluminium oder Stahl-Aluminium. Insbesondere ist vorgesehen, dass das wenigstens eine erste Verbindungselement und das wenigstens eine zweite Verbindungselement in die Mehrzweckseitenwandung eingegossen sind, wobei die Mehrzweckseitenwandung vorteilhafterweise zu jeder Aufnahmeeinheit Kontaktierungsöffnungen aufweist, in welche das Kathodenkontaktierungselement und das Anodenkontaktierungselement einer Elektrodenanordnung zur elektrisch leitfähigen Kontaktierung des wenigstens einen ersten Verbindungselementes und des wenigstens einen zweiten Verbindungselementes eingebracht sind. Insbesondere ist dabei vorgesehen, dass die Kontaktierungselemente als Kontaktierungsfähnchen ausgebildet sind, welche mit den Verbindungselementen entsprechend der Verschaltung der elektrochemischen Zellen verschweißt sind. Insbesondere ist vorgesehen, dass das jeweilige Kontaktierungselement von einem Isolationselement teilweise umgeben ist, derart, dass das Isolationselement die Kontaktierungsöffnung zum Kontaktieren der Verbindungselemente dicht verschließt und somit die Kontaktierungselemente gegeneinander isoliert sind.
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Eine weitere vorteilhafte Ausgestaltung der erfindungsgemäßen Batterieeinheit sieht vor, dass die Mehrzweckseitenwandung das wenigstens eine Leitungspaar zur Erfassung wenigstens eines Parameters einer elektrochemischen Zelle der Batterieeinheit umfasst. Insbesondere ist vorgesehen, dass die Mehrzweckseitenwandung dabei einen Kanal aufweist, in welchem die Leitungen eingebracht sind. Vorteilhafterweise sind die Leitungspaare über entsprechende Kontaktierungsstellen in den jeweiligen Aufnahmeeinheiten zur Erfassung wenigstens eines Parameters der jeweiligen elektrochemischen Zelle mit dieser elektrochemischen Zelle kontaktiert.
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Eine weitere besonders vorteilhafte Ausgestaltung der erfindungsgemäßen Batterieeinheit sieht vor, dass die Mehrzweckseitenwandung die Sicherheitsventile der Aufnahmeeinheiten umfasst. Insbesondere ist dabei vorgesehen, dass die Mehrzweckseitenwandung derart ausgebildet ist, dass ein beim Öffnen eines Sicherheitsventils über das Sicherheitsventil ausströmendes Fluid aus der Mehrzweckseitenwandung entweichen kann.
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Vorzugsweise umfasst die Mehrzweckseitenwandung zudem einen Entgasungskollektor, welcher derart angeordnet ist, dass ein über ein geöffnetes Sicherheitsventil entweichendes Fluid in den Entgasungskollektor einströmt. Vorteilhafterweise ist der Entgasungskollektor dabei ausgebildet, das einströmende Fluid abzuführen, vorzugsweise indem an den Entgasungskollektor eine entsprechende Abführleitung angeordnet ist beziehungsweise anordbar ist.
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Eine weitere besonders vorteilhafte Ausgestaltung der erfindungsgemäßen Batterieeinheit sieht vor, dass die Aufnahmeeinheiten der Aufnahmeeinrichtung als eine erste Reihe von nebeneinander angeordneten Aufnahmeeinheiten und eine zweite Reihe von nebeneinander angeordneten Aufnahmeeinheiten angeordnet sind, wobei die Seitenwandung der Aufnahmeeinrichtung zwischen der ersten Reihe von Aufnahmeeinheiten und der zweiten Reihe von Aufnahmeeinheiten als die Mehrzweckseitenwandung ausgebildet ist. Durch diese zentrale Anordnung der Mehrzweckseitenwandung sind die durch die Mehrzweckseitenwandung bereitgestellten zusätzlichen Funktionen besonders einfach und kompakt bereitstellbar. Insbesondere ist das Verschalten der elektrochemischen Zellen miteinander besonders vereinfacht, und mit kurzen Verbindungswegen und somit wenig Materialaufwand realisiert, wenn das wenigstens eine erste Verbindungselement und das wenigstens eine zweite Verbindungselement von dieser zentralen Mehrzweckseitenwandung umfasst ist.
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Eine weitere vorteilhafte Ausgestaltung der erfindungsgemäßen Batterieeinheit sieht vor, dass die Aufnahmeeinrichtung im Bereich der Mehrzweckseitenwandung wenigstens ein Scharnierelement aufweist, derart, dass die erste Reihe von Aufnahmeeinheiten gegen die zweite Reihe von Aufnahmeeinheiten verschwenkbar ist, insbesondere derart, dass die erste Reihe von Aufnahmeeinheiten auf der zweiten Reihe von Aufnahmeeinheiten durch ein Verschwenken angeordnet werden kann. Hierdurch ist vorteilhafterweise die Batterieeinheit variabler an einen zur Verfügung stehenden Einbauraum anpassbar, vorteilhafterweise ohne dass hierfür eine andere Fertigung der Batterieeinheit erforderlich wäre.
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Vorteilhafterweise sind die Elektrodenanordnungen der elektrochemischen Zellen derart in den Aufnahmeeinheiten der Aufnahmeeinrichtung angeordnet, dass deren Kontaktierungselemente zu der Mehrzweckseitenwandung weisen. Vorteilhafterweise ist hierdurch die Herstellung einer erfindungsgemäßen Batterieeinheit besonders vereinfacht, insbesondere wenn in die Mehrzweckseitenwandung bereits die elektrisch leitfähigen Verbindungselemente sowie Sense-Leitungen, Sicherheitsventile und/oder ein Entgasungskollektor integriert ist. Hierdurch wird vorteilhafterweise die Batterieeinheit sehr kompakt. Darüber hinaus ist das Verschalten der einzelnen elektrochemischen Zellen vereinfacht.
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Gemäß einer weiteren besonders vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung ist die Aufnahmeeinrichtung der erfindungsgemäßen Batterieeinheit als Spritzgussteil hergestellt. Hierdurch ist die Herstellung einer erfindungsgemäßen Batterieeinheit vorteilhafterweise weiter vergünstigt. Das wenigstens eine erste Verbindungselement und das wenigstens eine zweite Verbindungselement sind dabei vorteilhafterweise in den Kunststoff der Aufnahmeeinrichtung eingegossen, vorzugsweise in die Mehrzweckseitenwandung. Ein Entgasungskollektor ist vorzugsweise ebenfalls bereits in die Aufnahmeeinrichtung eingegossen. Vorteilhafterweise ist hierdurch der Konstruktionsaufwand weiter reduziert.
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Eine weitere vorteilhafte Ausgestaltung der Erfindung sieht vor, dass die Aufnahmeeinrichtung stapelbar ausgebildet ist, vorteilhafterweise derart, dass mehrere Batterieeinheiten durch ein aufeinander Stapeln der jeweiligen Aufnahmeeinrichtung der Batterieeinheiten miteinander verbunden werden können, insbesondere mechanisch miteinander verbunden werden können. Ein Stapeln kann dabei insbesondere auch ein nebeneinander Anordnen der Batterieeinheiten sein. Über eine Kontaktierung der Verbindungselemente, sind die Batterieeinheiten darüber hinaus vorteilhafterweise elektrisch miteinander verschaltbar. Insbesondere kann vorgesehen sein, dass die Aufnahmeeinrichtungen entsprechend ausgebildete Kontaktierungselemente, welche mit dem wenigstens einen ersten Verbindungselement und dem wenigstens einen zweiten Verbindungselement elektrisch leitfähig verbunden sind, aufweisen, wobei bei einem aufeinander Stapeln von Aufnahmeeinrichtungen mehrerer Batterieeinheiten eine elektrische Kontaktierung dieser Kontaktierungselemente erfolgt, derart, dass ein aufeinander Stapeln der Aufnahmeeinrichtungen neben einem mechanischen Verbinden auch ein elektrisches Verbinden der Batterieeinheiten bewirkt. Insbesondere ist ferner vorgesehen, dass die Aufnahmeeinrichtung einer Batterieeinheit ferner Rast- und/oder Fixierelemente umfasst, vorteilhafterweise derart, dass mehrere Batterieeinheiten durch ein Aufeinanderstapeln der Aufnahmeeinrichtungen lösbar über die Rast- und/oder Fixierelemente verbunden werden, vorzugsweise indem die Aufnahmeeinrichtungen miteinander verrasten.
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Eine weitere vorteilhafte Ausgestaltung der Erfindung sieht vor, dass die Aufnahmeeinrichtung wenigstens eine Kühlvorrichtung, vorzugsweise wenigstens einen Kühlkanal umfasst. Vorzugsweise ist in die Aufnahmeeinrichtung wenigstens ein Kühlkanal integriert, vorzugsweise in zumindest eine Seitenwandung der Aufnahmeeinrichtung, besonders bevorzugt in die Mehrzweckseitenwandung. Gemäß einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung ist in eine der Seitenwandungen oder eine Außenwandung der Aufnahmeeinrichtung eine Temperiereinheit zum Erwärmen und/oder Kühlen der elektrochemischen Zellen eingebracht. Als Temperiereinheit zum Erwärmen der Zellen ist insbesondere eine elektrisch betreibbare Heizwendel vorgesehen.
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Zur Lösung der eingangs genannten Aufgabe wird des Weiteren ein Batteriemodul mit einer Mehrzahl von Batterieeinheiten vorgeschlagen, wobei die Batterieeinheiten als erfindungsgemäße Batterieeinheiten ausgebildet sind. Insbesondere ist vorgesehen, dass die Batterieeinheiten elektrisch miteinander verschaltet sind. Insbesondere ist vorgesehen, dass die Batterieeinheiten des Batteriemoduls aufeinander gestapelt sind, wobei jeweils zwischen zwei Aufnahmeeinrichtungen eine Elektrolytbarriere angeordnet ist, und die oberste Batterieeinheit des Batteriemoduls und die unterste Batterieeinheit des Batteriemoduls vorteilhafterweise mit einer Modulendplatte abgeschlossen sind, vorzugsweise einer metallischen oder einer außenmetallisierten Modulendplatte. Die obere und/oder die untere Modulendplatte und/oder wenigstens eine der Elektrolytbarrieren sind gemäß einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung als Kühlplatte ausgebildet, vorteilhafterweise einer Kühlplatte mit wenigstens einem Kühlmittelkanal, wobei der Modulendplatte vorteilhafterweise über Kühlmittelanschlüsse ein Kühlmittel zugeführt werden kann.
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Insbesondere ist vorgesehen, dass das Batteriemodul ein Batteriemanagementsystem umfasst, wobei vorteilhafterweise seitens des Batteriemanagementsystems eine Betrachtung einer Batterieeinheit als eine einzelne Batteriezelle ermöglicht ist oder eine der Anzahl von elektrochemischen Zellen einer Batterieeinheit entsprechende Anzahl von Batteriezellen ermöglich ist. Über die durch die Verbindungselemente bereitgestellten Hauptanschlüsse ist dabei vorteilhafterweise ein sogenannter Constant Current abgreifbar. Ein Constant Voltage ist vorteilhafterweise über die Sense-Leitungen der einzelnen Batterieeinheiten abgreifbar, welche vorzugsweise in einer Mehrzweckseitenwandung einer Aufnahmeeinrichtung einer jeweiligen Batterieeinheit integriert sind.
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Weitere vorteilhafte Einzelheiten, Merkmale und Ausgestaltungsdetails der Erfindung werden im Zusammenhang mit den in den Figuren dargestellten Ausführungsbeispielen näher erläutert. Dabei zeigt:
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1 in einer schematischen Darstellung eine perspektivische Ansicht eines Ausführungsbeispiels für eine erfindungsgemäße Batterieeinheit;
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2 in einer schematischen Darstellung eine perspektivische Ansicht eines Ausführungsbeispiels für eine Aufnahmeeinrichtung einer erfindungsgemäßen Batterieeinheit;
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3 in einer schematischen Darstellung eine perspektivische Ansicht eines Ausführungsbeispiels für ein Verbinden mehrerer erfindungsgemäßer Batterieeinheiten;
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4 in einer schematischen Darstellung eine perspektivische Ansicht eines Ausführungsbeispiels für ein erfindungsgemäßes Batteriemodul;
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5 in einer schematischen Darstellung eine perspektivische Ansicht eines weiteren Ausführungsbeispiels für eine Aufnahmeeinrichtung einer erfindungsgemäßen Batterieeinheit; und
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6 in einer schematischen Darstellung eine perspektivische Ansicht eines weiteren Ausführungsbeispiels für eine erfindungsgemäße Batterieeinheit.
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Das in 1 dargestellte Ausführungsbeispiel einer Batterieeinheit 1 umfasst eine Aufnahmeeinrichtung 6 mit sechs Aufnahmeeinheiten 7, welche jeweils durch Seitenwandungen 8 voneinander separiert sind. Die Aufnahmeeinrichtung 6 ist dabei als Spritzgussteil hergestellt. Die Aufnahmeeinheiten 7 der Aufnahmeeinrichtung 6 sind als eine erste Reihe 19 von nebeneinander angeordneten Aufnahmeeinheiten 7 und eine zweite Reihe 20 von nebeneinander angeordneten Aufnahmeeinheiten 7 angeordnet. Die Seitenwandung der Aufnahmeeinrichtung 6 zwischen der ersten Reihe 19 von Aufnahmeeinheiten 7 und der zweiten Reihe 20 von Aufnahmeeinheiten 7 ist dabei als Mehrzweckseitenwandung 9 ausgebildet.
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In die Aufnahmeeinheiten 7 ist jeweils eine Elektrodenanordnung 3 mit einem Kathodenkontaktierungselement 4 und einem Anodenkontaktierungselement 5 eingebracht (in 1 ist zur besseren Übersicht eine Aufnahmeeinheit – in 1 die in Reihe 19 dem Betrachter zugewandte Aufnahmeeinheit 7 – ohne Elektrodenanordnung dargestellt). Die Aufnahmeeinheiten 7 weisen dabei jeweils Auflageelemente 11 auf, auf welche die Elektrodenanordnungen 3 einer elektrochemischen Zelle 2 bei der Herstellung der erfindungsgemäßen Batterieeinheit 1 aufgelegt werden. Die Aufnahmeeinheiten 7 sind zudem mit einer unterhalb der Aufnahmeeinrichtung 6 und auf der Aufnahmeeinrichtung 6 fixierten Elektrolytbarriere 10 (in 1 zur besseren Übersicht nur teilweise dargestellt) verschlossen. Als Elektrolytbarriere 10 ist insbesondere eine Kunststofffolie, vorzugsweise eine Folie aus Polyethylen oder Polyetheretherketon vorgesehen. Gemäß einer nicht dargestellten Ausführungsvariante ist als Elektrolytbarriere eine metallische Kühlplatte mit flächiger Isolierung vorgesehen.
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Bei dem in 1 dargestellten Ausführungsbeispiel umfassen die Aufnahmeeinheiten 7 der Aufnahmeeinrichtung 6 zudem jeweils Elektrolyt-Befüllöffnungen 15, über welche nach dem Anordnen einer Elektrodenanordnung 3 in einer Aufnahmeeinheit 7 und nach dem Verschließen der Aufnahmeeinheiten 7 mit Elektrolytbarrieren 10 ein Elektrolyt in die jeweilige Aufnahmeeinheit 7 eingebracht ist. Gemäß einer bevorzugten Ausgestaltung ist allerdings ein Festkörperelektrolyt vorgesehen.
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Eine mit der Elektrolytbarriere 10 verschlossene Aufnahmeeinheit 7 der Aufnahmeeinrichtung 6 bildet dabei mit der in der Aufnahmeeinheit 7 eingebrachten Elektrodenanordnung 3 eine elektrochemische Zelle 2. Da die in 1 als Ausführungsbeispiel dargestellte Batterieeinheit 1 sechs Aufnahmeeinheiten 7 umfasst, in welchen die Elektrodenanordnungen 3 angeordnet sind, umfasst die erfindungsgemäße Batterieeinheit 1 sechs elektrochemische Zellen 2, vorzugsweise sechs nachladbare Lithium-Ionen-Zellen.
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Die Elektrodenanordnungen 3 der in 1 dargestellten Batterieeinheit 1 sind dabei als Zellwickel (Jelly Roll) ausgebildet und weisen jeweils ein Kathodenkontaktierungselement 4 und ein Anodenkontaktierungselement 5 auf, welche vorteilhafterweise als Kontaktierungsfähnchen ausgebildet sind. Diese sind mit in die Mehrzweckseitenwandung 9 der Aufnahmeeinrichtung 6 eingegossenen ersten elektrisch leitfähigen Verbindungselementen 12 und zweiten elektrisch leitfähigen Verbindungselementen 13 kontaktiert, derart, dass die elektrochemischen Zellen 2 der Batterieeinheit 1 elektrisch in Reihe geschaltet sind. Die Elektrodenanordnungen 3 der Batterieeinheit 1 sind dabei derart in den Aufnahmeeinheiten 7 angeordnet, dass deren Kontaktierungselemente 4, 5 zu der Mehrzweckseitenwandung 9 weisen.
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Ein erstes Verbindungselement 12 und ein zweites Verbindungselement 13 der Batterieeinheit 1 sind dabei an einer Außenwandung 18 der Aufnahmeeinrichtung 6 nach außen geführt, sodass hierüber eine Kontaktierung der Batterieeinheit 1 erfolgen kann, insbesondere um eine elektrische Verbrauchereinheit anzuschließen oder um die Batterieeinheit mit weiteren erfindungsgemäß ausgebildeten Batterieeinheiten elektrisch zu verschalten oder die elektrochemischen Zellen zu laden.
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Die Aufnahmeeinheiten 7 der Aufnahmeeinrichtung 6 der in 1 dargestellten Batterieeinheit 1 weisen ferner jeweils ein Sicherheitsventil 14 auf, welches ausgebildet ist, bei einem Überschreiten eines vorbestimmten Innendrucks, insbesondere eines gegenüber dem Umgebungsdruck um mehr als 1 bar erhöhten Innendrucks, zu öffnen und somit ein Platzen einer elektrochemischen Zelle 2 zu verhindern.
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Die Aufnahmeeinrichtung 6 der Batterieeinheit 1 ist zudem stapelbar ausgebildet, vorteilhafterweise derart, dass mehrere Batterieeinheiten 1 durch ein aufeinander Stapeln der Aufnahmeeinrichtungen miteinander verbunden werden können. Hierzu weist die Aufnahmeeinrichtung 6 einen Vorsprung 17 auf, welcher ein Stapeln mehrerer Batterieeinheiten 1, ermöglicht, wie beispielhaft in 3 dargestellt.
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Die Aufnahmeeinrichtung 6 der Batterieeinheit 1 weist zudem im Bereich der Mehrzweckseitenwandung 9 Scharniere (in 1 nicht explizit dargestellt) auf, welche es ermöglichen, dass die erste Reihe 19 von Aufnahmeeinheiten 7 gegen die zweite Reihe 20 von Aufnahmeeinheiten 7 um die Achse 16 verschwenkbar ist. Die Scharniere ermöglichen dabei ein derartiges Verschwenken, dass die erste Reihe 19 von Aufnahmeeinheiten auf der zweiten Reihe 20 von Aufnahmeeinheiten 7 durch das Verschwenken angeordnet werden kann. Das Verschwenken erfolgt dabei um die Achse 16. Die Pfeile 21 stellen symbolisch ein Auseinanderschwenken der Reihen von Aufnahmeeinheiten in die gezeigte Position der Aufnahmeeinheiten 7 dar.
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2 zeigt ein Ausführungsbeispiel für eine Aufnahmeeinrichtung 6 einer erfindungsgemäßen Batterieeinheit 1, welche gegenüber der in 1 dargestellten Aufnahmeeinrichtung abgewandelt ist. So umfasst die Aufnahmeeinrichtung 6 bei dem in 2 dargestellten Ausführungsbeispiel eine Mehrzweckseitenwandung 9 mit einem Entgasungskollektor 22 und einem Kühlkanal 23 (in 2 zur besseren Darstellung vergrößert separat dargestellt). Der Kühlkanal 23 ist dabei in den Entgasungskollektor 22 integriert.
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Der Entgasungskollektor 22 ist dabei als Entgasungskanal ausgebildet. Dieser weist Öffnungen 25 auf, über welche ein durch ein geöffnetes Sicherheitsventil 14 einer Aufnahmeeinheit 7 entweichendes Fluid, insbesondere ein Gas, in den Entgasungskollektor 22 einströmen kann.
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Bei dem in 2 dargestellten Ausführungsbeispiel ist dabei vorgesehen, dass der Entgasungskollektor 22 durch das Anordnen einer weiteren Batterieeinheit 1 beziehungsweise Aufnahmeeinrichtung 6 einer Batterieeinheit 1 verschlossen wird. Gemäß einer nicht dargestellten Ausführungsvariante ist vorgesehen, dass der Entgasungskollektor 22 bis auf die Öffnung 25 und eine zum Abführen eines Fluids vorgesehene Abführöffnung geschlossen ist. Gemäß einer weiteren nicht dargestellten Ausführungsvariante ist vorgesehen, dass Kühlkanäle in wenigstens eine der Seitenwandungen 8 oder eine Außenwandung 18 der Aufnahmeeinrichtung 6 integriert sind.
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3 zeigt erfindungsgemäß ausgebildete Batterieeinheiten 1, wie beispielsweise im Zusammenhang mit 1 erläutert, welche zum Aufbau eines Batteriemoduls miteinander verbunden werden. Dabei ist vorgesehen, dass zwischen den Aufnahmeeinrichtungen 6 wenigstens eine Elektrolytbarriere 10 angeordnet wird. Vorzugsweise verschließt eine Elektrolytbarriere 10 dabei nach oben die Aufnahmeeinheiten 7 der unteren Batterieeinheit 1 und eine weitere Elektrolytbarriere 10 nach unten die Aufnahmeeinheiten 7 der oberen Batterieeinheit 1. Jede Aufnahmeeinrichtung 6 wird also von zwei Seiten (in 3 an der oberen Seite und der unteren Seite) jeweils mit einer Elektrolytbarriere 10 verschlossen, sodass jede Batterieeinheit 1 zwei Elektrolytbarrieren 10 umfasst. Das Zusammenfügen von Aufnahmeeinheiten 6 und Elektrolytbarrieren 10 ist in 3 symbolisch durch die Pfeile 26 dargestellt. Insbesondere ist vorgesehen, dass die Aufnahmeeinrichtungen 6 der Batterieeinheiten 1 beim Anordnen miteinander verrasten, derart, dass die Batterieeinheiten 1 lösbar miteinander verbunden sind.
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4 zeigt ein Ausführungsbeispiel für ein erfindungsgemäßes Batteriemodul 27. Dabei sind eine Mehrzahl von Batterieeinheiten 1 mit einer Mehrzahl von elektrochemischen Zellen 2 übereinander gestapelt, wobei jeweils zwischen zwei Aufnahmeeinrichtungen 6 wenigstens eine Elektrolytbarriere (in 4 nicht explizit dargestellt), angeordnet ist, wie beispielhaft in 3 gezeigt. Die unterste Batterieeinheit 1 ist dabei mit einer Modulendplatte 28 abgeschlossen. Die oberste Batterieeinheit 1 des Batteriemoduls 27 ist mit einer Modulendplatte 29 abgeschlossen. In 4 ist dazu das Anordnen der Modulendplatte 29 an der Aufnahmeeinheit dargestellt. Die Modulendplatte 29 stellt dabei für die oberste Batterieeinheit 1 eine Elektrolytbarriere dar, die Modulendplatte 28 stellt für die unterste Batterieeinheit 1 eine Elektrolytbarriere dar.
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Die Modulendplatte 29 ist bei dem in 4 dargestellten Ausführungsbeispiel als von einem Kühlmittel durchströmbare Kühlplatte ausgebildet, wobei ein Kühlmittel über die Kühlmittelanschlüsse 30 zugeführt beziehungsweise abgeführt werden kann. Insbesondere kann als vorteilhafte Ausgestaltungsvariante vorgesehen sein, dass zumindest zwischen einigen der Batterieeinheiten 1 eines Batteriemoduls 27 Kühlplatten als Elektrolytbarriere angeordnet sind, insbesondere wenn ein erhöhter Kühlbedarf der elektrochemischen Zellen bei dem beabsichtigen Einsatzgebiet besteht.
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Die Modulendplatten 28, 29 des in 4 dargestellten Batteriemoduls 27 sind vorteilhafterweise metallisiert, insbesondere derart, dass durch die Außenwandungen 18 der Aufnahmeeinrichtungen 6 der Batterieeinheiten 1 und die Modulendplatten 28, 29 eine vollständige Metallisierung des Batteriemoduls nach außen gegeben ist, sodass ein Eindringen von Feuchtigkeit in das Batteriemodul 27 vorteilhafterweise verhindert ist.
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5 zeigt ein weiteres Ausführungsbeispiel für eine Aufnahmeeinrichtung 6 einer erfindungsgemäßen Batterieeinheit. Diese Aufnahmeeinrichtung 6 weist beispielhaft 12 Aufnahmeeinheiten 7 auf. Die Anzahl der Aufnahmeeinheiten 7 ist grundsätzlich beliebig und in Abhängigkeit von den benötigten Systemanforderungen zu wählen insbesondere hinsichtlich Kapazität und/oder Leistung einer Batterieeinheit. Gemäß einer vorteilhaften nicht dargestellten Ausgestaltungsvariante sind die Aufnahmeeinheiten 7 einzeln oder in Gruppen zusammensteckbar, sodass eine Aufnahmeeinrichtung 6 vorteilhafterweise auf einfache Weise erweiterbar ist.
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6 zeigt ein weiteres Ausführungsbeispiel für eine erfindungsgemäße Batterieeinheit 1. Diese umfasst in dem dargestellten Ausführungsbeispiel zwei elektrochemische Zellen 2. Auch hier sind in Abhängigkeit von vorgegebenen Anforderungen insbesondere im Hinblick auf Leistung und/oder Kapazität einer Batterieeinheit die Anzahl der elektrochemischen Zellen 2 zu bestimmen.
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Die in den Ausführungsbeispielen dargestellten und im Zusammenhang mit diesen erläuterten Ausführungsdetails dienen der Erläuterung der Erfindung und sind für diese nicht beschränkend.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- EP 2202824 A1 [0004]
- US 6864013 B2 [0005]
- DE 102012205019 A1 [0006]
