DE102015115601A1

DE102015115601A1 - Zellenmodul

Info

Publication number: DE102015115601A1
Application number: DE102015115601.6A
Authority: DE
Inventors: Dennis Berger; Michael Werner
Original assignee: Dr Ing HCF Porsche AG
Current assignee: Dr Ing HCF Porsche AG
Priority date: 2015-09-16
Filing date: 2015-09-16
Publication date: 2017-03-16

Abstract

Die Erfindung betrifft ein Zellenmodul (1) mit einer Mehrzahl von im Wesentlichen flächigen Taschenzellen (2), mit zwei sich gegenüberliegenden flächigen Seitenflächen (4) und mit einem umlaufenden Randbereich (5), wobei die Taschenzellen (2) mit ihren flächigen Seitenflächen (4) aneinander gestapelt sind mit zumindest einem Randelement (6), welches Aufnahmen (7) zum Aufnehmen eines umlaufenden Randbereichs (5) der Taschenzellen (2) aufweist, wobei das zumindest eine Randelement (6) ein massives Metallelement ist.

Description

Die Erfindung betrifft ein Zellenmodul, insbesondere für eine Fahrzeugbatterie eines Kraftfahrzeugs.
Bei Kraftfahrzeugen ist für den elektrischen Fahrbetrieb und zum Rückspeisen von Bremsenergie eine Fahrzeugbatterie eingesetzt, welche wiederaufladbar ist. Solche Fahrzeugbatterien bestehen aus zumindest einem Zellenmodul von Batteriezellen, die miteinander zu einem Modul verbunden sind. Dabei sind Batteriezellen in verschiedenen Bauformen bekannt. Es sind sogenannte Rundzellen bekannt, welche meist stehend oder liegend aneinander gelegt sind. Dabei sind die Rundzellen zumeist auf einer Kühlplatte befestigt, welche die elektrische Kontaktierung und die Wärmeabfuhr vornehmen kann. Solche Rundzellen weisen jedoch den Nachteil auf, dass sie nicht sehr bauraumsparend sind, hinsichtlich der Kosten zu verbessern sind und auch thermisch nicht optimal sind.
Auch sind sogenannte Taschenzellen bekannt, welche auch als Pouchzellen oder Coffeebagzellen bekannt sind. Diese Taschenzellen sind zumeist flach und etwa rechteckig ausgebildet, wobei eine aluminisierte Folie den Abschluss der Taschenzelle nach außen bildet. Die Anordnung der Batteriezellen zu Zellenmodulen wird dadurch erreicht, dass die Batteriezellen aufeinander gestapelt werden und zwischen den Batteriezellen Kühlplatten gelegt werden, welche Wärme der Batteriezellen aufnehmen und an den Rand abführen, wo ein Kunststoff- oder Blechrahmen angeordnet ist, welcher die Batteriezellen positioniert. Dort sind auch die Kühlplatten an einen thermischen Ableiter angeschlossen, um die Wärme der Batteriezellen abführen zu können.
Diese Zellenmodule haben den Nachteil, dass der vorgesehene Kunststoff oder Blechrahmen nur wenig zur Stabilität des Zellenmoduls beiträgt, so dass in einer Aufprallsituation das Zellenmodul bzw. die Fahrzeugbatterie nur wenig geschützt ist.
Daher ist es die Aufgabe der vorliegenden Erfindung, ein Zellenmodul zu schaffen, welches gegenüber dem Stand der Technik verbessert ist, eine gute Wärmeabfuhr erreicht und eine gute Stabilität des Zellenmoduls, insbesondere auch in einer Aufprallsituation, erreicht.
Die Aufgabe wird mit den Merkmalen von Anspruch 1 gelöst.
Ein Ausführungsbeispiel der Erfindung betrifft ein Zellenmodul mit einer Mehrzahl von im Wesentlichen flächigen Taschenzellen, mit zwei sich gegenüberliegenden flächigen Seitenflächen und mit einem umlaufenden Randbereich, wobei die Taschenzellen mit ihren flächigen Seitenflächen aneinander gestapelt sind, mit zumindest einem Randelement, welches Aufnahmen zum Aufnehmen eines umlaufenden Randbereichs der Taschenzellen aufweist, wobei das zumindest eine Randelement ein massives Metallelement ist. Dadurch kann die Wärme von den Taschenzellen durch das zumindest eine Randelement gut abgeführt werden, und gleichzeitig dient das massive Randelement als mechanische Stütze gegen Kräfte von außen auf das Zellenmodul. So kann das Zellenmodul gut gegen Krafteinwirkungen von außen geschützt werden, wie bei einem Aufprall etc.
Auch ist es vorteilhaft, wenn das massive Metallelement als Strangpressbauteil, als Gussbauteil und/oder als Fräsbauteil ausgebildet ist. So können Randelemente gut ausgebildet werden, die eine Materialstärke aufweisen, die in etwa im Bereich der Dicke der Taschenzellen liegt.
Besonders vorteilhaft ist es, wenn das massive Metallelement aus Aluminium oder einer Aluminiumlegierung gebildet ist. Dadurch werden eine gute Stabilität und eine gute Wärmeleitfähigkeit erzielt, um das Zellenmodul bei einer äußeren Krafteinwirkung zu schützen und die Wärme der Taschenzellen effektiv abführen zu können.
Gemäß einem Ausführungsbeispiel der Erfindung ist es besonders vorteilhaft, wenn sich das Randelement in Stapelrichtung der Taschenzellen erstreckt und eine Mehrzahl von Randbereichen der jeweiligen Taschenzellen in Aufnahmen aufnimmt. So kann das Randelement vorteilhaft alle Taschenzellen seitlich abdecken und jeweils einen Teil eines Randbereichs der Taschenzellen aufnehmen. Dadurch wird eine gute Wärmeableitung von den Taschenzellen erreicht, ohne dass zwischen die jeweiligen Taschenzellen ein wärmeableitendes Element eingreifen muss.
Auch ist es vorteilhaft, wenn sich das Randelement an zumindest einem Randbereich der Taschenzellen erstreckt, insbesondere an gegenüberliegenden Randbereichen der Taschenzellen erstreckt und/oder sich umlaufend an den Randbereichen der Taschenzellen erstreckt. Dadurch wird eine verbesserte mechanische Stabilität erreicht, insbesondere wenn die Randelemente gegenüberliegend oder umlaufend an den Taschenzellen angeordnet sind.
Besonders vorteilhaft ist es auch, wenn das zumindest eine Randelement Nuten aufweist, in welche die Randbereiche der Taschenzellen zur thermischen Ankopplung eingreifen. Durch die Ausbildung der Nuten ist die mechanische Stabilität verbessert, und die Anordnung der Taschenzellen ist auch betriebssicher vorgenommen. Auch kann mit den Nuten eine definierte thermische Anbindung erfolgen.
Besonders vorteilhaft ist es, wenn die Randbereiche der Taschenzellen mit dem zumindest einen Randelement mit einem wärmeübertragungsfördernden Mittel angekoppelt sind, wie insbesondere mit einem Wärmeleitkleber oder mit einer Wärmeleitpaste oder Ähnlichem. So kann zusätzlich die Wärmeübertragung zwischen den Taschenzellen und dem Randelement verbessert werden.
Auch ist es zweckmäßig, wenn das zumindest eine Randelement als rahmenförmiges Element ausgebildet ist, welches die Taschenzellen umgibt. Dadurch wird die mechanische Stabilität des Zellenmoduls verbessert und auch wird die Wärmeabfuhr von den Taschenzellen verbessert.
Besonders vorteilhaft ist es, wenn an einem oder an beiden Endbereichen des zumindest einen Randelements, in Stapelrichtung betrachtet, ein Boden und/oder ein Deckel angebracht ist, welcher den Stapel der Taschenzellen zumindest teilweise abdeckt. Dadurch wird die mechanische Stabilität zusätzlich verbessert.
Auch ist es bei einem Ausführungsbeispiel der Erfindung vorteilhaft, wenn an einem Endbereich des zumindest einen Randelements, in Stapelrichtung betrachtet, eine Kühlplatte angeordnet ist, welche zur Wärmeabfuhr von Wärme aus dem zumindest einen Randelement dient.
Im Folgenden wird die Erfindung anhand eines Ausführungsbeispiels unter Bezugnahme auf die Zeichnung detailliert erläutert. In der Zeichnung zeigen:
1 eine schematische Darstellung eines Zellenmoduls im Schnitt,
2 eine Teilansicht eines Schnitts eines Zellenmoduls,
3 eine schematische Darstellung eines Schnitts eines weiteren Ausführungsbeispiels eines Zellenmoduls,
4 eine schematische Darstellung eines Schnitts eines weiteren Ausführungsbeispiels eines Zellenmoduls, und
5 eine schematische Teilansicht eines Schnitts eines weiteren Ausführungsbeispiels eines Zellenmoduls.
Die 1 zeigt ein Zellenmodul 1 mit einer Mehrzahl von im Wesentlichen flächigen Taschenzellen 2. Die Taschenzellen 2 sind in einer Stapelrichtung 3 aufeinander gestapelt.
Die Taschenzellen 2 weisen zwei sich gegenüberliegende flächige Seitenflächen 4 und einen umlaufenden Randbereich 5 auf. An dem umlaufenden Randbereich 5 sind die Taschenzellen 2 teilweise verschlossen, beispielsweise durch Verschweißen und/oder Falzen. Die 1 zeigt, dass die Taschenzellen 2 mit ihren flächigen Seitenflächen 4 aneinander gestapelt sind.
Weiterhin ist zumindest ein Randelement 6 vorgesehen, welches Aufnahmen 7 zum Aufnehmen eines umlaufenden Randbereichs 5 der Taschenzellen 2 aufweist. Die Aufnahmen 7 sind dabei vorteilhaft als Nuten ausgebildet.
In 1 ist zu erkennen, dass das zumindest eine Randelement 6 ein massives Metallelement ist. Dieses ist vorteilhaft als Strangpressbauteil, als Gussbauteil und/oder als Fräsbauteil ausgebildet.
Bevorzugt ist das massive Metallelement aus Aluminium oder einer Aluminiumlegierung gebildet. So kann eine gute Wärmeableitung vorgesehen sein.
In 1 ist auch zu erkennen, dass sich das zumindest eine Randelement 6 in Stapelrichtung 3 der Taschenzellen 2 erstreckt und eine Mehrzahl von Randbereichen 5 der jeweiligen Taschenzellen 2 in Aufnahmen 7 aufnimmt. Dabei ist jede Taschenzelle in einer Aufnahme aufgenommen, um einen guten thermischen Kontakt zu erreichen.
Die Taschenzellen 2 sind vorteilhaft rechteckig oder anderweitig ausgebildet, wobei sich das Randelement 6 an zumindest einem Randbereich 5 der Taschenzellen 2 erstreckt, insbesondere an gegenüberliegenden Randbereichen 5 der Taschenzellen 2 erstreckt und/oder sich umlaufend an den Randbereichen 5 der Taschenzellen 2 erstreckt. Dadurch wird die jeweilige Taschenzelle einseitig, zweiseitig, mehrseitig oder umlaufend aufgenommen, gefasst und thermisch angekoppelt.
Die Aufnahmen 7 sind, wie gezeigt, als Nuten ausgebildet, in welche die Randbereiche 5 der Taschenzellen 2 zur thermischen Ankopplung eingreifen. Dabei können die Taschenzellen in den Nuten verklemmt oder anderweitig mechanisch und/oder thermisch angekoppelt sein. Auch können die Randbereiche 5 der Taschenzellen 2 mit dem zumindest einen Randelement 6 mit einem wärmeübertragungsfördernden Mittel 8 angekoppelt sein, wie insbesondere mit einem Wärmeleitkleber, einer Wärmeleitpaste oder Ähnlichem. Dieses Mittel 8 kann dabei in die Aufnahme oder an der Aufnahme platziert sein, um den Randbereich 5 anzukoppeln, siehe 2. Der Pfeil 9 deutet den Wärmestrom von der Taschenzelle 2 hin zu dem Randelement 6 an.
In den Figuren ist angedeutet, dass das zumindest eine Randelement 6 als rahmenförmiges Element ausgebildet ist, welches die Taschenzellen umgibt.
In der 1 ist an beiden Endbereichen 10 des zumindest einen Randelements 6, in Stapelrichtung 3 betrachtet, ein Boden 11 und/oder ein Deckel 12 angebracht, welche den Stapel der Taschenzellen 2 zumindest teilweise abdecken.
Die 3 zeigt ein Ausführungsbeispiel, bei welchem der Boden 13 als einteilig mit den Randelementen 6 ausgebildetes Element ausgebildet ist, beispielsweise als Strangpressbauteil. Der optionale Deckel 12 ist ein gesondertes Element, wie beispielsweise ein Blechbauteil.
Die 4 zeigt ein weiteres Ausführungsbeispiel, bei welchem der Boden 13 als einteilig mit den Randelementen 6 ausgebildetes Element ausgebildet ist, wobei auch der Deckel 14 mit den Randelementen 6 gemeinsam ausgebildet ist, beispielsweise als Strangpressbauteil.
Die 5 zeigt ein weiteres Ausführungsbeispiel, bei welchem an einem Endbereich 20 des zumindest einen Randelements 6, in Stapelrichtung 3 betrachtet, eine Kühlplatte 21 angeordnet ist, welche zur Wärmeabfuhr von Wärme aus dem zumindest einen Randelement 6 dient. Dazu ist das Randelement 6 mit der Kühlplatte 21 thermisch gekoppelt. Die Kopplung erfolgt dabei vorteilhaft über eine spezielle Ausprägung des Fußbereichs des Randelements. Dabei kann es vorteilhaft sein, wenn das Randelement im Wesentlichen einen rechteckigen Querschnitt aufweist oder sich in Richtung weg von der Kühlplatte verjüngt.
Die Erfindung zeigt also, dass die Randelemente vorteilhaft als Profile aus einem massiven Material hergestellt sind, so dass sie eine gute thermische Leitfähigkeit zeigen und auch eine definierte Kraftaufnahme ermöglichen.
Dabei erstrecken sich die derartigen Randelemente vorteilhaft über die gesamte Länge des Zellenmoduls und versteifen das Zellenmodul vorteilhaft, insbesondere aufgrund seiner kastenförmigen Struktur.

Claims

Zellenmodul (1) mit einer Mehrzahl von im Wesentlichen flächigen Taschenzellen (2), mit zwei sich gegenüberliegenden flächigen Seitenflächen (4) und mit einem umlaufenden Randbereich (5), wobei die Taschenzellen (2) mit ihren flächigen Seitenflächen (4) aneinander gestapelt sind, mit zumindest einem Randelement (6), welches Aufnahmen (7) zum Aufnehmen eines umlaufenden Randbereichs (5) der Taschenzellen (2) aufweist, dadurch gekennzeichnet, dass das zumindest eine Randelement (6) ein massives Metallelement ist.
Zellenmodul (1) nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das massive Metallelement als Strangpressbauteil, als Gussbauteil und/oder als Fräsbauteil ausgebildet ist.
Zellenmodul (1) nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass das massive Metallelement aus Aluminium oder einer Aluminiumlegierung gebildet ist.
Zellenmodul (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass sich das zumindest eine Randelement (6) in Stapelrichtung (3) der Taschenzellen (2) erstreckt und eine Mehrzahl von Randbereichen (5) der jeweiligen Taschenzellen (2) in Aufnahmen aufnimmt.
Zellenmodul (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass sich das Randelement (6) an zumindest einem Randbereich (5) der Taschenzellen (2) erstreckt, insbesondere an gegenüberliegenden Randbereichen (5) der Taschenzellen (2) erstreckt und/oder sich umlaufend an den Randbereichen (5) der Taschenzellen (2) erstreckt.
Zellenmodul (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das zumindest eine Randelement (6) Nuten aufweist, in welche die Randbereiche (5) der Taschenzellen (2) zur thermischen Ankopplung eingreifen.
Zellenmodul (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Randbereiche (5) der Taschenzellen (2) mit dem zumindest einen Randelement (6) mit einem wärmeübertragungsfördernden Mittel (8) angekoppelt sind, wie insbesondere mit einem Wärmeleitkleber oder mit einer Wärmeleitpaste oder Ähnlichem.
Zellenmodul (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das zumindest eine Randelement (6) als rahmenförmiges Element ausgebildet ist, welches die Taschenzellen (2) umgibt.
Zellenmodul (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass an einem oder an beiden Endbereichen (10, 20) des zumindest einen Randelements (6), in Stapelrichtung betrachtet, ein Boden (11, 13) und/oder ein Deckel (12, 14) angebracht ist, welcher den Stapel der Taschenzellen zumindest teilweise abdeckt.
Zellenmodul (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass an einem Endbereich des zumindest einen Randelements (6), in Stapelrichtung betrachtet, eine Kühlplatte(21) angeordnet ist, welche zur Wärmeabfuhr von Wärme aus dem zumindest einen Randelement (6) dient.