DE102014214810A1

DE102014214810A1 - Gehäuse für eine Batteriezelle

Info

Publication number: DE102014214810A1
Application number: DE102014214810.3A
Authority: DE
Inventors: Rene Hornung; Dirk Rady; Silvan Hippchen; Joachim Fetzer; Christoph Brehm; Andreas Netz; Stefan Butzmann; Frank Zimmer; Armin Glock
Original assignee: Robert Bosch GmbH
Current assignee: Robert Bosch GmbH
Priority date: 2014-07-29
Filing date: 2014-07-29
Publication date: 2016-02-04
Also published as: WO2016016108A1

Abstract

Die Erfindung bezieht sich auf ein Gehäuse (17) und auf ein Verfahren zur Herstellung des Gehäuses (17) einer Batteriezelle (10) mit mindestens einem Elektrodenensemble und elektrischen Anschlussterminals (22). Das Gehäuse (17) ist aus einem mehrschichtigen Gehäusematerial (24) gefertigt. Dieses umfasst mindestens eine Verbundschicht (26, 52, 54, 58), mindestens eine Diffusionssperrschicht (28) und mindestens eine Verstärkungsschicht (30).

Description

Stand der Technik
Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf ein Gehäuse für Batteriezellen, die im Rahmen eines Batteriemoduls oder eines Batteriepacks als Traktionsbatterie für Fahrzeuge eingesetzt werden.
EP 1 070 944 B1 bezieht sich auf eine Sekundärzelle, einen Temperaturdetektor dafür sowie ein Verfahren zur Herstellung eines Temperaturdetektors. Eine langgestreckte Temperaturerfassungsvorrichtung wird mit einer elektrischen Stromversorgung verbunden, um einen Sensor zur Überwachung der Temperatur einer Vielzahl von Batterien bereitzustellen. Die Vorrichtung umfasst ein Element mit positiven Temperaturkoeffizienten (PTC-Element), welches die Form eines kontinuierlich langgestreckten Bandes mit einer ersten und einer zweiten gegenüberliegenden Fläche hat und ein leitfähiges Polymer umfasst, welches PTC-Verhalten zeigt. Des Weiteren ist eine Vielzahl erster Elektroden vorhanden, die auf der ersten Fläche des PTC-Elementes befestigt sind und in Längsrichtung voneinander beabstandet sind. Es ist des Weiteren eine Vielzahl zweiter Elektroden vorhanden, die auf der zweiten Fläche des PTC-Elementes befestigt sind und ebenfalls in Längsrichtung voneinander beabstandet sind. Die ersten und zweiten Elektroden sind versetzt zueinander und überlappen einander, so dass jede Elektrode aufweist:
Einen Mittelabschnitt, der eine Elektrode auf der gegenüberliegenden Fläche nicht überlappt, zwei Endabschnitte, die jeweilige Endabschnitte benachbarter Elektroden auf der gegenüberliegenden Fläche überlappen, ein Polymerisoliermaterial, welches das PTC-Element und die ersten beiden Elektroden umgibt, eine Vielzahl von in Längsrichtung voneinander beabstandenden Erfassungskomponenten, wobei eine jede Erfassungskomponente umfasst:
Einen überlappenden Endabschnitt einer der ersten Elektroden, einen überlappenden Endabschnitt einer der zweiten Elektroden und einen Abschnitt des PCT-Elementes, durch das der Strom in Querrichtung zwischen den überlappenden Endabschnitten der Elektroden fließt, wenn die Vorrichtung mit einer Stromversorgung verbunden ist. Ferner ist eine Vielzahl von in Längsrichtung voneinander beabstandeten Verbindungskomponenten vorhanden, wobei eine jede Verbindungskomponente zwei benachbarte Erfassungskomponenten elektrisch in Reihe verbindet und einen Abschnitt des PTC-Elementes, ferner einen Mittelabschnitt einer der ersten Elektroden oder einen Mittelabschnitt einer der zweiten Elektroden, durch den der Strom in Längsrichtung fließt, wenn die Vorrichtung mit einer Stromversorgung verbunden ist.
US 2006/0246345 A1 bezieht sich auf ein Sekundärbatteriemodul mit einem Piezosensor. Das Sekundärbatteriemodul umfasst eine Anzahl von Zellen, die übereinander gestapelt sind. Die Zellen sind voneinander beabstandet, so dass ein Kanal zur Wärmedissipierung zwischen den einzelnen Batteriezellen gebildet ist. Das Batteriemodul umfasst ferner mindestens einen piezoelektrischen Sensor, der sich in diesem Kanal befindet und mindestens ein piezoelektrischer Sensor ist mit einem Batteriemanagementsystem verbunden. Gemäß der Lösung nach US 2006/0246345 A1 ist der piezoelektrische Sensor in dem zwischen den einzelnen Batteriezellen definierten Kanal angeordnet. Folglich wird kein zusätzlicher Raum zur Installation des piezoelektrischen Sensors benötigt, so dass eine Vergrößerung des Bauraumes des Batteriemodules vermieden werden kann. Des Weiteren kann über den piezoelektrischen Sensor eine Änderung des Innendruckes der Batterie genau detektiert werden, so dass eine Ausdehnung, welche auf eine Überladung des Batteriemoduls zurückgehen kann, ermittelt werden kann.
DE 10 2011 083 663 A1 bezieht sich auf einen Energiespeicher mit einer elektrochemischen Zelle. Die elektrochemische Zelle ist in einem formstabilen metallischen Gehäuse angeordnet. Dabei befindet sich an der äußeren Seite des Gehäuses ein Laminat, welches eine elektrisch isolierende Schicht und eine Schutzschicht umfasst. Das Laminat ist als ein an dem Gehäuse flächig angeordnetes und an diesem befestigtes Formteil ausgebildet. Die isolierende Schicht umfasst ein Material, das ausgewählt ist aus Polyethylenterephthalat, Polyvinylchlorid, Polyimid oder einem Polyolefin. Die Schutzschicht umfasst glasfaserverstärktes Polyolefin. Zusätzlich kann eine Wärmeleitschicht vorgesehen sein, die Polyurethan oder Silikon enthält.
DE 10 2011 015 071 A1 offenbart einen Verbundwerkstoff für Strukturbauteile eines Kraftfahrzeugs. Der Verbundwerkstoff umfasst wenigstens eine Metallschicht und wenigstens eine faserverstärkte Kunststoffschicht. Es werden des Weiteren unterschiedliche Möglichkeiten eines Schichtaufbaus mit zwei äußeren metallischen Schichten, faserverstärkten Kunststoffschichten sowie einer Kernschicht offenbart.
DE 10 2011 087 003 A1 offenbart ein Gehäuse für ein galvanisches Element. Das Gehäuse ist aus einem kohlenstofffaserverstärktem Kunststoff (CFK) gefertigt und mit einer feuchtigkeitsundurchlässigen Schicht versehen. Die feuchtigkeitsundurchlässige Schicht umfasst Metallfolien oder Metallblech, beispielsweise eine Walzaluminiumfolie.
DE 10 2010 022 908 A1 offenbart eine Batterie mit mehreren Flachzellen. An den Flachseiten der Flachzellen ist jeweils eine thermisch angebundene Wärmeabfuhrplatte vorgesehen, in welche jeweils wenigstens ein Temperatursensor integriert ist.
Von Nachteil bei den oben genannten Lösungen des Standes der Technik ist unter anderem, dass die Erfassung des Drucks über zusätzlich zu integrierende Bauteile bzw. Baugruppen realisiert wird. So kann beispielsweise ein drucksensitiver Foliensensor auf dem Batteriewickel (Jelly Roll) fixiert und anschließend zusammen mit dem Batteriewickel im Batteriezellengehäuse untergebracht werden. Des Weiteren wird ein Flexible Printed Circuit Board eingesetzt, dessen Überwachungsschaltung mechanisch robust mit dem Zellgehäuse verbunden wird. Die Nachteile der Lösungen gemäß des Standes der Technik sind unter anderem darin zu erblicken, dass die Temperaturerfassung durch zusätzliche Bauteile, beispielsweise die Temperaturerfassungsvorrichtung aus EP 1 070 944 B1 realisiert wird.
Darstellung der Erfindung
Erfindungsgemäß wird ein Gehäuse einer Batteriezelle mit mindestens einem Elektrodenensemble und elektrischen Anschlussterminals vorgeschlagen, welches sich dadurch auszeichnet, dass das Gehäuse aus einem mehrschichtigen Gehäusematerial gefertigt ist, welches mindestens eine Verbundschicht, mindestens eine Diffusionssperrschicht sowie mindestens eine Verstärkungsschicht umfasst.
Die mindestens eine Verbundschicht des Gehäuses umfasst einen Thermoplasten, einen Duroplasten oder Polyethylen. Die mindestens eine Diffusionssperrschicht wird in vorteilhafter Weise aus einem metallischen Material, beispielsweise Aluminium, Aluminiumfolie oder Mangan, Chrom oder Wolfram gefertigt. Die mindestens eine Verstärkungsschicht des Gehäuses umfasst Papier oder Pappe oder einen faserverstärkten Werkstoff.
Alternativ oder zusätzlich kann die mindestens eine Verstärkungsschicht des erfindungsgemäß vorgeschlagenen Gehäuses als eine saugfähige aushärtbare Schicht gefertigt sein. Eine saugfähige Schicht kann mit einem aushärtenden Medium getränkt werden, so dass sich eine Verstärkung des erfindungsgemäß vorgeschlagenen Gehäuses der Batteriezelle einstellt. Darüber hinaus kann das mehrschichtige Gehäusematerial eine Fasermatte und/oder mindestens eine innenliegende Schutzschicht umfassen. Da im Inneren des Gehäuses das Elektrodenensemble aufgenommen ist und dieses von einem isolierenden Separator umgeben ist, kann zur Vermeidung eines elektrischen Kurzschlusses entweder ein Abstand eingehalten werden, beispielsweise durch Einbau eines Retainers oder die Innenwand des Gehäuses wird isolierend, d.h. mit der innenliegenden Schutzschicht versehen, so dass ein Kontakt zwischen dem Elektrodenensemble und dem Inneren des Gehäuses sicher ausgeschlossen ist.
In vorteilhafter Weiterbildung des erfindungsgemäß vorgeschlagenen Gehäuses umfasst das mehrschichtige Gehäusematerial mindestens eine, bevorzugt mehrere, insbesondere in dieses einlaminierte, integrierte Leiterbahnen. Die mindestens eine in das mehrschichtige Gehäusematerial integrierte Leiterbahn liegt an ihren Enden zur elektrischen Kontaktierung frei.
Darüber hinaus besteht in vorteilhafter Weiterbildung des der Erfindung zugrundeliegenden Gedankens die Möglichkeit, mindestens ein elektrisches oder elektronisches Bauelement in das mehrschichtige Gehäusematerial einzulaminieren und über Kontaktpads mit der mindestens einen, ebenfalls in das mehrschichtige Gehäusematerial eingebrachten integrierten Leiterbahn elektrisch zu kontaktieren. Dabei kann das mindestens eine elektrisch oder elektronische Bauelement die Kontaktpads, oder alternativ vorgesehene Kontaktierhügel und die mindestens eine integrierte Leiterbahn durch eine Vergussmasse innerhalb des mehrschichtigen Gehäusematerials geschützt sein. Die Vergussmasse schützt das mindestens eine elektrische Bauelement, die Kontaktpads, gegebenenfalls vorgesehene Kontaktierhügel sowie die mindestens eine in das mehrschichtige Gehäusematerial integrierte Leiterbahn gegen mechanische Erschütterungen und/oder aggressive Medien.
In einer möglichen Ausführungsvariante des erfindungsgemäß vorgeschlagenen Gehäuse umfasst das mehrschichtige Gehäusematerial einen in dieses einlaminierten Magnetfeldamperèmeter, einen Luftspalt mit Hall-Sensor sowie diese verbindende Verbindungsleitungen. Neben der Integration eines Magnetfeldamperèmeters in das mehrschichtige Gehäusematerial, aus dem das Gehäuse gefertigt ist, besteht die Möglichkeit, in einen Gehäuseabschnitt, der aus dem mehrschichtigen Gehäusematerial gefertigt wird, eine Druckmessfunktion, beispielsweise in Gestalt eines aufgedruckten Drucksensors zu integrieren. Des Weiteren kann in vorteilhafter Weise die in einer Temperaturmessfunktion in das Gehäuse durch das Aufdrucken beispielsweise eines ersten Temperatursensors sowie eines zweiten Temperatursensors auf dieses erfolgen.
Die vorliegende Erfindung bezieht sich darüber hinaus auf ein Verfahren zur Herstellung des Gehäuses einer Batteriezelle, wobei bei der Herstellung des Gehäuses die nachfolgenden Verfahrensschritte durchlaufen werden:

a) es erfolgt ein Einbringen von mindestens einer Leiterbahn zwischen Verbundschichten eines mehrschichtigen Gehäusematerials,
b) danach wird mindestens eine integrierte Leiterbahn mit elektrischen und/oder elektronischen Bauelementen bestückt,
c) schließlich wird der gemäß der vorstehenden Verfahrensschritte a) und b) erhaltene Verbund einlaminiert.

Im vorliegenden Zusammenhang wird unter einem Einlaminieren eine Verschmelzung der Materialien verstanden, so dass verschiedene Materiallagen mittels Wärme miteinander verkleben oder durch ein Tränken einer saugfähig ausgebildeten Schicht mit einer aushärtenden Phase, beispielsweise mit einem aushärtbaren Vergussmaterial eine Einlaminierung in ein Gehäusematerial erfolgt.
In Weiterbildung des erfindungsgemäß vorgeschlagenen Verfahrens kann mindestens ein Drucksensor, mindestens ein Temperatursensor auf den Gehäuseabschnitt des Gehäusematerials aufgedruckt oder mittels des Roll-to-Roll-Verfahrens aufgebracht oder durch „Chip-on-Board“-Verfahren erzeugt werden.
In Weiterbildung des erfindungsgemäß vorgeschlagenen Verfahrens zur Herstellung zur des Batteriegehäuses ist ein Gehäuseabschnitt des Gehäuses mit einer funktionalen Schicht zur Druckerfassung und/oder einer funktionalen Schicht zur Temperaturerfassung und/oder der Implementierung einer Strommessfunktion bedruckt.
Gemäß des erfindungsgemäß vorgeschlagenen Verfahrens werden die auf den Gehäuseabschnitt des Gehäuses aufgedruckten funktionalen Schichten zum Schutz gegen äußere Einflüsse mit einer Schutzschicht überlaminiert.
Die vorliegende Erfindung bezieht sich schließlich auf die Verwendung des Gehäuses für eine Batteriezelle in Batteriezellen eines Batteriepacks einer Traktionsbatterie im Antrieb eines Hybridfahrzeugs (HEV), eines Plug-in-Hybridfahrzeugs (PHEV) oder eines Elektrofahrzeuges (EV).
Vorteile der Erfindung
Die Vorteile der erfindungsgemäß vorgeschlagenen Lösung sind darin zu erblicken, dass durch den Einsatz des mehrschichtigen Gehäusematerials eine Kosteneinsparung erzielbar ist, die nicht nur auf Materialeinsparungen beruht, sondern auch durch günstigere Fertigungsmöglichkeiten gegeben ist. Durch das Vorsehen der mindestens einen Verbundschicht kann beispielsweise auch das Verschließen der Batteriezelle durch einen Deckelabschnitt mit Hilfe eines kostengünstigen Kunststoffschweißverfahrens erfolgen. Ein weiterer Vorteil der erfindungsgemäß vorgeschlagenen Lösung liegt darin, dass das mehrschichtige Gehäusematerial als äußere Schicht eine saugfähige Schicht aufweist. Nach der Montage der einzelnen Batteriezelle zu einem gemeinsamen Batteriepack kann die saugfähige Außenschicht des Gehäuses der Batteriezellen mit einer aushärtenden Flüssigkeit getränkt werden. Dadurch verbinden sich die Batteriezellen zu einer stabilen Einheit innerhalb eines Batteriepacks. Die damit einhergehenden Vorteile sind zum einen günstig herstellbare Batteriezellengehäuse ähnlich eines Tetrapacks, zum anderen ist durch diese Ausführungsvariante eine einfache feste und dauerhafte Verbindung einer Anzahl von Batteriezellen zu einem Batteriepack gegeben. Des Weiteren besteht ein geringer Platzbedarf und ein verringerter Materialaufwand im Vergleich zu bisher praktizierten Lösungen. Bei Einsatz eines Faserverbundwerkstoffes können sehr hohe mechanische Festigkeiten des Batteriezellenverbundes, d.h. des Batteriepacks erreicht werden. Es besteht des Weiteren eine hohe Flexibilität hinsichtlich der Konfiguration der Batteriepacks aus einer frei wählbaren Anzahl von Batteriezellen zu einem Batteriepack je nach Anwendungszweck.
Durch die Integration mindestens einer Leiterbahn und mindestens eines elektrischen oder elektronischen Bauelementes sowie die Implementierung von funktionalen Schichten können zusätzliche Bauteile, wie beispielsweise ein Kabelbaum oder eine Leiterplatte entfallen. Durch die erfindungsgemäß vorgeschlagene Lösung ist eine günstige, insbesondere platzsparende elektrische Aufbau- und Verbindungstechnik gegeben. Zur elektrischen Kontaktierung der Leiterbahnen liegen diese an beiden Enden frei. Diese sind innerhalb des mehrschichtigen Gehäusematerials sowohl an Innen- und Außenseite in Bezug auf das erfindungsgemäß vorgeschlagene Gehäuse von keiner weiteren Schicht bedeckt. Wird eine Verbindung von der Innenseite zur Außenseite des Gehäuses erforderlich, liegt ein Ende einer dementsprechenden integrierten Leiterbahn nach innen hin frei, während das zweite Ende nach außen hin freiliegt. Eine Durchführung durch das Batteriegehäuse selbst von innen nach außen, wie sie bei der Verwendung zusätzlicher elektrischer Verbindungselemente andernfalls notwendig wäre, kann entfallen. An die mindestens eine in das mehrschichtige Gehäusematerial eingebrachte, beispielsweise einlaminierte Leiterbahn können Sensoren, Chips-Kondensatoren, Widerstände und weitere elektrische und elektronische Bauelemente angebunden oder direkt auf diese aufgebracht werden. Bei der erfindungsgemäß vorgeschlagenen Lösung übernimmt das Gehäuse selbst die Funktion einer Leiterplatte.
Das erfindungsgemäß vorgeschlagene Gehäuse übernimmt gleichzeitig die Funktion eines Schaltungs- bzw. Verdrahtungsträgers. Das mehrschichtige Gehäusematerial ist beispielsweise mittels der „Chip-on-Board“-Technologie mit elektrischen oder elektronischen Bauelementen bestückbar. Zum Schutz dieser Bauteile gegen Umgebungseinflüsse werden diese beispielsweise unter Einsatz einer Vergussmasse in das mehrschichtige Gehäusematerial einlaminiert. Das Gehäuse selbst wird somit zu einem Schaltungsträger. Wie vorstehend bereits angeklungen, kann das mehrschichtige Gehäusematerial eine funktionale Schicht umfassen, welche eine Strommessfunktion abbildet, beispielsweise ein Magnetfeldamperèmeter auf Hall-Sensor-Basis. Durch diese Lösung können zusätzliche Bauteile, wie beispielsweise Kabelbaum und Leiterplatte entfallen. Die erforderlichen elektronischen Bauelemente, wie beispielsweise Chip, Kondensatoren, Widerstände und Hall-Sensoren werden direkt auf die in dem Verbund aus mehrschichtigem Gehäusematerial integrierten Leiterbahnen bestückt und gegebenenfalls zum Schutz gegen aggressive Medien in diese einlaminiert.
Bei der erfindungsgemäß vorgeschlagenen Lösung kann in vorteilhafter Weise eine Integration von Funktionalitäten zur Druck- und Temperaturerfassung in das Gehäuse erfolgen. Diese funktionalen Schichten zur Verwirklichung eines Druck- bzw. mindestens einen Temperatursensors können in vorteilhafter Weise, beispielsweise durch Aufdrucken in das erfindungsgemäß vorgeschlagene Gehäuse integriert werden. Damit können andernfalls erforderliche zusätzliche Sensoren entfallen.
Kurze Beschreibung der Zeichnung
Anhand der Zeichnung wird die Erfindung nachstehend eingehender beschrieben.
Es zeigt:
1 den Aufbau eines erfindungsgemäß vorgeschlagenen Gehäuses für eine Batteriezelle aus einem mehrschichtigen Gehäusematerial,
2 die Draufsicht auf eine Anzahl von Batteriezellen eines Batteriepacks,
3 einen Schichtaufbau des mehrschichtig ausgebildeten Gehäusematerials,
4 eine in ein mehrschichtiges Gehäusematerial integrierte Leiterbahn,
5 die Draufsicht auf ein Gehäuseabschnitt mit einem aufgedruckten Drucksensor und
6 einen Gehäuseabschnitt des erfindungsgemäß vorgeschlagenen Gehäuses mit aufgedruckten Temperatursensoren und einem integrierten Magnetfeldamperèmeter.
Ausführungsvarianten
1 zeigt den Aufbau eines erfindungsgemäß vorgeschlagenen Gehäuses einer Batteriezelle aus einem mehrschichtigen Gehäusematerial.
Eine Batteriezelle 10, bei der es sich beispielsweise um eine Lithium-Ionen-Batteriezelle für eine Traktionsbatterie eines Fahrzeugantriebs handeln kann, umfasst ein Elektrodenensemble 12. Die Batteriezelle 10 umfasst darüber hinaus einen ersten Stromableiter 14 sowie einen zweiten Stromableiter 16, die sich im Wesentlichen seitlich entlang des Elektrodenensembles 12/des Elektrodenensembles 12 erstrecken. Ein Gehäuse 17 der Batteriezelle 10 wird durch ein erstes Gehäuseteil 18 in Form eines Deckels sowie durch ein zweites Gehäuseteil 20 gebildet. Im Gehäuse 17 der Batteriezelle 10 ist mindestens ein Elektrodenensemble 12 samt der mit diesem verbundenen Stromableiter 14, 16 aufgenommen. Zur elektrischen Kontaktierung der Batteriezelle 10 befinden sich auf der Außenseite des deckelförmig ausgebildeten ersten Gehäuseteiles 18 Anschlussterminals 22.
Aus der Darstellung gemäß 1 lässt sich entnehmen, dass das zweite Gehäuseteil 20 des Gehäuses 17 aus einem mehrschichtigen Gehäusematerial 24, welches auch als Laminat bezeichnet ist, gefertigt ist. Aus der Darstellung gemäß 1 geht hervor, dass in dieser Ausführungsvariante des mehrschichtigen Gehäusematerials 24 dieses eine Verbundschicht 26 umfasst. Die Verbundschicht 26 ist beispielsweise ein Thermoplast oder ein Duroplast, Polyethylen, Lot oder Kleber. Das mehrschichtige Gehäusematerial 24 umfasst darüber hinaus eine Diffusionssperrschicht 28. Bei der Diffusionssperrschicht 28 handelt es sich um eine Schicht aus metallischem Material, beispielsweise Aluminium oder Aluminiumfolie. Des Weiteren umfasst das mehrschichtige Gehäusematerial 24 gemäß der Darstellung in 1 eine Verstärkungsschicht 30. Bei der Verstärkungsschicht 30 kann es sich beispielsweise um eine Papierschicht oder um eine Pappeschicht, Wellpappeschicht, Kartonschicht oder dergleichen handeln. Das Gehäuse 17 der Batteriezelle 10 gemäß der Darstellung in 1 ist analog zu einem Tetrapack aufgebaut. Die Verbundschicht 26, die beispielsweise aus Polyethylen gefertigt ist, dient als Lot oder Klebematerial zum Verbinden an den Nahtstellen. Durch die Verbundschicht 26 besteht in vorteilhafter Weise die Möglichkeit, die Batteriezelle 10, insbesondere durch das erste deckelförmige Gehäuseteil 18 durch ein Kunststoffschweißverfahren zu verschließen.
Der Darstellung gemäß 2 ist die Draufsicht auf eine Anzahl von Batteriezellen eines Batteriepacks zu entnehmen.
Gemäß der Darstellung in 2 sind eine Anzahl von Batteriezellen 10 zu einem Batteriepack 34, welches durch ein Batteriepackgehäuse 36 begrenzt ist, zusammengefasst. Die Gehäuse 17 aus mehrschichtigem Gehäusematerial 24 können als Verstärkungsschicht 30 eine Außenschicht aus saugfähigem Material, vergleiche Position 32 in 1 umfassen. Nach dem Fügen der Batteriezellen 10 zu dem Batteriepack 34 können die Gehäuse 17 der Batteriezellen 10 durch Tränken der saugfähigen Außenschicht 32 mit einem später aushärtenden Medium, beispielsweise einer Harz enthaltenden Flüssigkeit, zu einer festen Einheit mit hoher mechanischer Stabilität verbunden werden. Aus der Draufsicht gemäß 2 ergibt sich, dass in dieser Ausführungsvariante das Batteriepack 34 innerhalb des Batteriepackgehäuses 36 acht Batteriezellen 10 enthält, die aneinander entlang ihrer Außenseite, d.h. an den Seiten des Gehäuses 17 aneinander liegen, die mit einer saugfähigen Außenschicht 32 als Verstärkungsschicht 30 versehen sind.
Das Batteriepack 34 gemäß der Darstellung in 2 zeigt die Batteriezellen 10, die zu einer stabilen Einheit gefügt sind. Die Vorteile der Lösung gemäß der Darstellung in 2 liegen darin, dass sich günstige Gehäuse 17 ähnlich eines Tetrapacks darstellen lassen, bei denen eine einfache feste dauerhafte Verbindung der einzelnen Batteriezellen 10 zu einem Batteriepack 34 möglich ist. Durch diese Lösung wird ein geringer Platzbedarf und ein geringer Materialaufwand realisiert. Es ergibt sich eine hohe mechanische Festigkeit sowie eine hohe Flexibilität hinsichtlich der Gestaltung des Batteriepackgehäuses 36. Je nach Anwendungszweck besteht die Möglichkeit, eine unterschiedliche Anzahl von Batteriezellen 10 zu konfigurieren, so dass sich das Batteriepackgehäuse 36 vom Batteriepack 34 mit unterschiedlichen äußeren Abmessungen in einfacher Weise realisieren lassen.
3 zeigt einen Schichtaufbau des mehrschichtig ausgebildeten Gehäusematerials.
Das mehrschichtige Gehäusematerial 24 gemäß der Ausführungsvariante die in 3 dargestellt ist, umfasst an seiner Außenseite eine Fasermatte 50. Die Fasermatte 50 überdeckt eine erste Verbundschicht 52, bei der es sich beispielsweise um eine Schicht aus einem Thermoplasten oder einem Duroplasten handeln kann. Die erste Verbundschicht 52 überdeckt ein elektronisches Bauelement 66. Bei dem elektrischen oder elektronischen Bauelement 66 kann es sich beispielsweise um einen Widerstand, einen Chip, um einen ASIC und dergleichen mehr handeln. Einer integrierten Leiterbahn 64 zuweisenden Seite ist das elektrische oder elektronische Bauelement mit einem oder mehreren Kontaktpads 68 versehen. Die Kontaktpads 68 sind über Kontaktierhügel 70 mit mindestens einer integrierten in das mehrschichtige Gehäusematerial 24 integrierten Leiterbahn elektrisch verbunden. Der Verbund aus elektrischem oder elektronischem Bauelement 66, den Kontaktpads 68, den Kontaktierhügeln 70 sowie der mindestens einen integrierten Leiterbahn 64 ist von einer Vergussmasse 72 umschlossen. Die Vergussmasse 72 kapselt einerseits die genannten elektrischen oder elektronischen Bauteile nach außen hin und bietet andererseits einen mechanischen Schutz und verhindert das Eindringen des Elektrolyten in das laminatartig ausgeführte mehrschichtige Gehäusematerial 24.
Wie aus 3 ersichtlich, befindet sich die mindestens eine integrierte Leiterbahn 64 auf der Oberseite einer zweiten Verbundschicht 54, bei der es sich ebenfalls um einen Thermoplasten oder um einen Duroplasten oder dergleichen handeln kann. Unterhalb der zweiten Verbundschicht 54 verläuft die Verstärkungsschicht 30, beispielsweise gefertigt aus Papier, Pappe oder Karton. Unterhalb der Verstärkungsschicht 30 erstreckt sich in der Ausführungsvariante des mehrschichtigen Gehäusematerials 24 nach 3 eine dritte Verbundschicht 58. Die dritte Verbundschicht 58 kann ebenfalls durch einen Thermoplasten oder einen Duroplasten gebildet sein. Unter dieser verläuft die Diffusionssperrschicht 28, bei der es sich um eine Schicht aus metallischem Material handelt, beispielsweise dünn gewalztes Aluminium oder Aluminiumfolie. Die Diffusionssperrschicht 28 ruht auf einer inneren Schutzschicht 62. Diese innere Schutzschicht 62 ist beispielsweise durch einen Thermoplast gebildet, der eine stoffschlüssige Verbindungsmöglichkeit bietet.
4 zeigt eine Ausführungsvariante des mehrschichtigen Gehäusematerials mit einer integrierten Leiterbahn. In der perspektivisch wiedergegebenen Darstellung nach 4 erstreckt sich durch das mehrschichtige Gehäusematerial 24 mindestens eine integrierte Leiterbahn 64. Die perspektivische Schnittdarstellung nach 4 zeigt, dass die in das mehrschichtige Gehäusematerial 24 integrierte Leiterbahn 64 in eine Aufwölbung der ersten Verbundschicht 52 des mehrschichtigen Gehäusematerials 24 einlaminiert ist. Das mehrschichtige Gehäusematerial 24 gemäß der perspektivischen Schnittdarstellung nach 4 umfasst des Weiteren die bereits im Zusammenhang mit 3 erwähnte Fasermatte 50 sowie die zweite Verbundschicht 54, die als Thermoplast oder Duroplast beschaffen sein kann. Darüber hinaus umfasst das mehrschichtige Gehäusematerial 24 nach 4 die Verstärkungsschicht 30 aus Pappe, Papier oder Karton, die dritte Verbundschicht 58 aus Thermoplast oder Duroplast, die Diffusionssperrschicht 28 als metallische Schicht, beispielsweise Aluminiumfolie und die innere Schutzschicht 62. Die Fasermatte 50 gemäß den Darstellungen in 3 und 4 dient bei einem eventuell erfolgenden Umgießen der Batteriezellen 10 zu einem Submodul der Herstellung eines stabilen Faserverbundwerkstoffes. Die einzelnen Schichten der mehrschichtigen Gehäusematerialien 24 gemäß der Darstellungen in 3 und 4 sind nur einige µm stark, so dass der gesamte Verbund des mehrschichtigen Gehäusematerials 24 im „Roll-to-Roll“-Verfahren verarbeitet werden kann. Die Reihenfolge, in der innerhalb des mehrschichtigen Gehäusematerials 24 die Einzelschichten aufgebracht werden, ist von einer begrenzten Variabilität. Das Einbringen der mindestens einen integrierten Leiterbahn 64 kann beispielsweise wie bei der Flex-Leiterplattenherstellung durch Stanzprägen geschehen. Des Weiteren besteht die Möglichkeit, dass die integrierte Leiterbahn 64 als leitfähige Paste aufgedruckt werden kann. Aus den Ausführungsvarianten gemäß der 3 und 4 geht hervor, dass das Gehäuse 17 eine Batteriezelle 10 die mindestens eine Leiterbahn 64 zum Anschluss der Sensorik integriert. In vorteilhafter Weise kann dadurch der Entfall eines oder mehrerer zusätzlicher Bauteile in Gestalt eines Kabelbaumes oder einer Flex-Leiterplatte realisiert werden und es ergibt sich eine günstige, vor allem platzsparende elektrische Aufbau- und Verbindungstechnik. Für eine Kontaktierung der Leiterbahnen 64 liegen selbige an beiden Enden 74 frei. Dies bedeutet, dass die Enden 74 zu einer Seite hin, d.h. der Innenseite oder der Außenseite, von keiner weiteren Schicht des mehrschichtigen Gehäusematerials 24 überdeckt sind. Soll eine Verbindung von Innenseite zur Außenseite des Gehäuses 17 erfolgen, liegt ein Ende 74 der integrierten Leiterbahn 64 nach innen frei und das weitere zweite Ende 74 liegt nach außen frei. Demnach ist eine Durchführung durch das Gehäuse 17 der Batteriezelle 10 von innen nach außen, wie sie andernfalls bei der Verwendung zusätzlicher elektrischer Verbindungselemente notwendig wäre, überflüssig. An die gemäß der Ausführungsvarianten des mehrschichtigen Gehäusematerials 24 in dieses integrierte Leiterbahn 64, können Sensoren, Chips, Kondensatoren, Widerstände direkt angebunden oder direkt aufgebracht werden, so dass die Funktion einer Leiterplatte im Wesentlichen durch das erfindungsgemäß vorgeschlagene Gehäuse 17, welches aus dem mehrschichtigen Gehäusematerial gefertigt ist, gegeben ist.
5 zeigt die Draufsicht auf einen Gehäuseabschnitt mit einem aufgedruckten Drucksensor.
5 ist zu entnehmen, dass ein Gehäuseabschnitt 96 des Gehäuses 17 aus mehrschichtigem Gehäusematerial 24 einen Sensor, insbesondere einen Drucksensor 90 umfasst. Dieser ist gemäß der Darstellung in 5 auf den Gehäuseabschnitt 96 beispielsweise aufgedruckt. Auf dem Gehäuseabschnitt 96 befindet sich einerseits eine Pluspolanbindung 92 sowie andererseits eine Masseanbindung 94. Das Signal des Sensors, insbesondere des Drucksensors 90 kann über die Signalleitungen 98 einer Auswerteelektronik zugeführt werden.
Der Ausführungsvariante gemäß des Gehäuses 17 gemäß 5 ist die Funktionalität der Druckmessung in den Gehäuseabschnitt 96 integriert. Dies bedeutet, dass der Gehäuseabschnitt 96 des Gehäuses 17 gemäß der Ausführungsvariante in 5 den Drucksensor 90 selbst darstellt. Zusätzlich zu dem in 5 auf den Gehäuseabschnitt 96 als funktionale Schicht aufgebrachten Sensor, insbesondere den Drucksensor 90, kann eine Temperaturerfassungsfunktionalität ebenfalls durch Aufdrucken geeigneter Temperatursensoren erreicht werden. Dies ist beispielsweise in 6 dargestellt, wonach ein Gehäuseabschnitt des erfindungsgemäß vorgeschlagenen Gehäuses mit aufgedruckten Temperatursensoren und einem integrierten Magnetfeldamperèmeter 102 (vgl. 6) wiedergegeben ist. Aus der Darstellung gemäß 5 geht des Weiteren hervor, dass die integrierten Leiterbahnen 64 zur Plus- und Minuspolanbindung entweder in einem Überstand 78 über den Gehäuseabschnitt 96 hinausragen und freiliegende Enden 74 an der Oberseite des Gehäuseabschnittes 96 kontaktiert werden können. Des Weiteren besteht die Möglichkeit, die freiliegenden Enden 74 in seitlicher Lage 76 am Gehäuseabschnitt 96 auszubilden, so dass die freiliegenden Enden 74 nicht in einem Überstand 78 ausgeführt sind, sondern direkt am Gehäuseabschnitt 96 kontaktiert werden können.
In 6 ist auf den Gehäuseabschnitt 96 des Gehäuses 17 der Batteriezelle 10 an einem Kern 100 ein Magnetfeldamperèmeter 102 (Luftspalt mit Hall-Sensor) integriert. Bezugszeichen 104 bezeichnet Verbindungsleitungen zwischen dem Magnetfeldamperèmeter 102 und einem Auswertechip. Darüber hinaus ist der Gehäuseabschnitt 96 gemäß der Darstellung in 6 mit einer funktionalen Schicht zur Realisierung einer Temperaturerfassung versehen. Ein erster Temperatursensor 106 ist auf den Gehäuseabschnitt 96 aufgedruckt, ebenso wie ein zweiter Temperatursensor 108 auf den Gehäuseabschnitt 96 aufgedruckt ist. Die beiden Temperatursensoren 106 und 108 sind durch erste und zweite einlaminierte Verbindungsleitungen 110 und 112 mit einer Auswerteelektronik verbunden.
Aus den Darstellungen gemäß der 5 und 6 geht hervor, dass das aus mehrschichtigem Gehäusematerial 24 aufgebaute Gehäuse 17 einer Batteriezelle 10 durch Aufdrucken funktionaler Schichten mit einer Druckerfassungsfunktion und einer Temperaturerfassungsfunktion versehen werden kann. Die funktionalen Schichten, d.h. der aufgedruckte Drucksensor 90 sowie die aufgedruckten Temperatursensoren 106 und 108, können zum Schutz gegen äußere Einflüsse mit einer Schutzschicht überlaminiert werden. Diese kann transparent oder auch in-transparent ausgebildet sein. Durch diese Lösung lässt sich in vorteilhafter Weise das Erfordernis, zusätzlich zu integrierender Sensoren in oder an das Gehäuse 17 der Batteriezelle 10 vermeiden. Gemäß den Ausführungsvarianten der 5 und 6 kann das Gehäuse 17 gleichzeitig als Schaltungs- und Verdrahtungsträger dienen. Dadurch kann in vorteilhafter Weise auf zusätzliche Bauteile, wie beispielsweise einen separaten Kabelbaum und eine separate Leiterplatte verzichtet werden. Es lässt sich eine günstige platzsparende elektrische Aufbau- und Verbindungstechnik realisieren, sowie eine gekapselte Anbindung elektrischer oder elektronischer Bauelemente 66 innerhalb des mehrschichtigen Gehäusematerials 24 an die Stromleiter, d.h. die integrierten Leiterbahnen 64. Eine zusätzlich erforderliche Leiterplatte wie bei bisher eingesetzten Smart-Zellen kann durch Einsatz der „Chip-on-Board“-Technologie komplett entfallen.
Notwendige elektronische Bauelemente 66, wie beispielsweise Chips, Kondensatoren, Widerstände und Hall-Sensoren, können direkt auf die im mehrschichtigen Gehäusematerial 24 integrierte Leiterbahn 64 bestückt und gegebenenfalls zur Realisierung eines Schutzes gegen aggressive Medien, wie beispielsweise den im Gehäuse 17 aufgenommenen Elektrolyten einlaminiert werden.
Die Erfindung ist nicht auf die hier beschriebenen Ausführungsbeispiele und die darin hervorgehobenen Aspekte beschränkt. Vielmehr ist innerhalb des durch die Ansprüche angegebenen Bereiches eine Vielzahl von Abwandlungen möglich, die im Rahmen fachmännischen Handelns liegen.
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

EP 1070944 B1 [0002, 0009]
US 2006/0246345 A1 [0004, 0004]
DE 102011083663 A1 [0005]
DE 102011015071 A1 [0006]
DE 102011087003 A1 [0007]
DE 102010022908 A1 [0008]

Claims

Gehäuse (17) einer Batteriezelle (10) mit mindestens einem Elektrodenensemble (12) und elektrischen Anschlussterminals (22), dadurch gekennzeichnet, dass das Gehäuse (17) aus einem mehrschichtigen Gehäusematerial (24) gefertigt ist, welches mindestens eine Verbundschicht (26, 52, 54, 58), mindestens eine Diffusionssperrschicht (28) und mindestens eine Verstärkungsschicht (30) umfasst.
Gehäuse gemäß Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die mindestens eine Verbundschicht (26, 52, 54, 58) einen Thermoplasten oder einen Duroplasten oder Polyethylen umfasst.
Gehäuse gemäß einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die mindestens eine Diffusionssperrschicht (28) ein metallisches Material, insbesondere Aluminium, Aluminiumfolie oder Mangan, Chrom oder Wolfram umfasst.
Gehäuse gemäß einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die mindestens eine Verstärkungsschicht (30) Papier und/oder Pappe oder einen faserverstärkten Werkstoff umfasst.
Gehäuse gemäß einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die mindestens eine Verstärkungsschicht (30) als saugfähige, aushärtbare Schicht (32) ausgeführt ist, die mit einem aushärtbaren Vergussmaterial, eine oder mehrere Komponenten wie Harz oder Härter umfassend und/oder mit Füllstoffen, insbesondere Silikon, Fasern oder Klebstoff versehen ist.
Gehäuse gemäß einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das mehrschichtige Gehäusematerial (24) eine Fasermatte (50) und mindestens eine innenliegende, innere Schutzschicht (62) umfasst.
Gehäuse gemäß einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das mehrschichtige Gehäusematerial (24) mindestens eine integrierte Leiterbahn (64) umfasst.
Gehäuse gemäß Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass die mindestens eine integrierte Leiterbahn (64) an ihren Enden (74) zur elektrischen Kontaktierung freiliegt.
Gehäuse gemäß Anspruch 7 oder 8, dadurch gekennzeichnet, dass mindestens ein elektrisches oder elektronisches Bauelement (66) in das mehrschichtige Gehäusematerial (24) einlaminiert ist und über Kontaktpads (68) mit der mindestens einen integrierten Leiterbahn (64) kontaktiert ist.
Gehäuse gemäß Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, dass das elektrische oder elektronische Bauelement (66), die Kontaktpads (68), Kontaktierhügel (70) und die mindestens eine integrierte Leiterbahn (64) in einer Vergussmasse (72) innerhalb des mehrschichtigen Gehäusematerials (24) eingebettet sind.
Gehäuse gemäß einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das mehrschichtige Gehäusematerial (24) ein in dieses einlaminiertes Magnetfeldamperèmeter (102), einen Luftspalt mit Hall-Sensor (102) sowie Verbindungsleitungen (104) umfasst.
Gehäuse gemäß einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass ein Gehäuseabschnitt (96) aus dem mehrschichtigen Gehäusematerial (24) eine Druckmessfunktion durch einen aufgedruckten Drucksensor (90) umfasst.
Gehäuse gemäß einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass ein Gehäuseabschnitt (96) aus dem mehrschichtigen Gehäusematerial (24) eine Temperaturmessfunktion durch mindestens einen aufgedruckten ersten Temperatursensor (106) und mindestens einen aufgedruckten zweiten Temperatursensor (108) umfasst.
Verfahren zur Herstellung des Gehäuses (17) einer Batteriezelle (10) mit mindestens einem Elektrodenensemble (12) und elektrischen Anschlussterminals (22) mit nachfolgenden Verfahrensschritten: a) Einbringen mindestens einer Leiterbahn (64) zwischen Verbundschichten (26, 52, 54, 58) eines mehrschichtigen Gehäusematerials (24), b) Bestücken mindestens einer Leiterbahn (64) mit elektrischen und/oder elektronischen Bauelementen (66), c) Einlaminieren des gemäß der Verfahrensschritte a) und b) erhaltenen Verbundes.
Verfahren gemäß Anspruch 14, dadurch gekennzeichnet, dass ein Drucksensor (90), und/oder Temperatursensoren (106, 108) auf einen Gehäuseabschnitt (96) des Gehäuses (17) aufgedruckt werden, mittels des Roll-to-Roll-Verfahrens aufgebracht oder durch „Chip-on-Board“-Verfahren erzeugt werden.
Verfahren gemäß Anspruch 14, dadurch gekennzeichnet, dass ein Gehäuseabschnitt (96) des Gehäuses (17) mit einer funktionalen Schicht zur Druckerfassung und/oder mit mindestens einer funktionalen Schicht zur Temperaturerfassung und/oder mit mindestens einer Schicht zur Implementierung einer Strommessfunktion bedruckt wird.
Verfahren gemäß Anspruch 16, dadurch gekennzeichnet, dass die auf den Gehäuseabschnitt (96) aufgedruckte funktionale Schicht zum Schutz gegen äußere Einflüsse mit einer Schutzschicht überlaminiert wird.
Verwendung des Gehäuses (17) nach einem der Ansprüche 1 bis 13 in Batteriezellen (10) eines Batteriepacks (34) einer Traktionsbatterie im Antrieb eines Hybridfahrzeuges (HEV), eines Plug-in-Hybridfahrzeugs (PHEV) oder eines Elektrofahrzeugs (EV).