DE102015202340A1 - Cell assembly of electrochemical cells - Google Patents
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Abstract
Die Erfindung betrifft einen Zellverbund (1) elektrochemischer Zellen (2), insbesondere zum Aufbau einer Batterie oder eines Batteriemoduls, mit einer Mehrzahl parallel und/oder seriell verschalteter elektrochemischer Zellen (2), bei welchem die einzelnen Zellen (2) voneinander isolierte Zellgehäuse (3) aufweisen. Erfindungsgemäß ist dabei vorgesehen, dass die Isolierung der Zellgehäuse (3) untereinander in einem zur Isolierung vorgesehenen Bereich durch eine auf die Zellgehäuse (3) gemeinsam aufgebrachte thermoplastisch formbare Folie (4) ausgebildet ist. Die Erfindung betrifft weiterhin ein Batteriemodul, welches einen derartigen Zellverbund (1) aufweist, sowie einen Batteriepack, welcher einen oder mehrere derartige Zellverbünde (1) aufweist. Ferner betrifft die Erfindung ein Verfahren zum Isolieren von Zellgehäusen (3) der Zellen (2) eines Zellverbunds (1), bei welchem die Isolierung der Zellgehäuse (3) untereinander in einem zur Isolierung vorgesehen Bereich durch eine Folie (4) erfolgt, welche in einem gemeinsamen Verfahrensschritt eines thermoplastischen Verfahrens unter Unterdruck auf die Zellgehäuse (3) des Zellverbunds (1) gemeinsam aufgebracht wird.The invention relates to a cell assembly (1) of electrochemical cells (2), in particular for constructing a battery or a battery module, having a plurality of parallel and / or series-connected electrochemical cells (2), in which the individual cells (2) are insulated from each other cell housing (2). 3). According to the invention, it is provided that the insulation of the cell housing (3) is formed with one another in a region intended for insulation by a thermoplastically formable film (4) applied in common to the cell housing (3). The invention further relates to a battery module having such a cell assembly (1), and a battery pack, which has one or more such cell networks (1). Furthermore, the invention relates to a method for isolating cell housings (3) of the cells (2) of a cell assembly (1), in which the insulation of the cell housing (3) with each other in an area provided for isolation by a film (4), which in a common process step of a thermoplastic process under vacuum to the cell housing (3) of the cell assembly (1) is applied together.
Description
Die Erfindung betrifft einen Zellverbund elektrochemischer Zellen, insbesondere zum Aufbau einer Batterie oder eines Batteriemoduls, mit einer Mehrzahl parallel und/oder seriell verschalteter elektrochemischer Zellen, bei welchem die einzelnen Zellen voneinander isolierte Zellgehäuse aufweisen. Desweiteren betrifft die Erfindung ein Batteriemodul und einen Batteriepack mit zumindest einem derartigen Zellverbund sowie ein Verfahren zum Isolieren von Zellgehäusen eines Zellverbunds. The invention relates to a cell assembly of electrochemical cells, in particular for constructing a battery or a battery module, having a plurality of parallel and / or series-connected electrochemical cells, in which the individual cells have cell housings insulated from one another. Furthermore, the invention relates to a battery module and a battery pack with at least one such cell assembly and a method for isolating cell housings of a cell assembly.
Stand der TechnikState of the art
Elektrochemische Batterien, auch Batteriepacks genannt, weisen häufig eine Mehrzahl parallel und/oder seriell verschalteter elektrochemischer Zellen auf, um an jeweilige Anwendungen angepasste Leistungs- und/oder Energieanforderungen erfüllen zu können. Müssen zur Bereitstellung der gewünschten Leistung, wie beispielsweise im Falle einer Fahrzeugbatterie, sehr viele Zellen miteinander verschaltet werden, erfolgt in der Regel eine Modularisierung des Batteriepacks in Form von mehrere Batteriemodulen.Electrochemical batteries, also known as battery packs, often have a plurality of parallel and / or series-connected electrochemical cells in order to be able to meet power and / or energy requirements adapted to particular applications. Must have to provide the desired performance, such as in the case of a vehicle battery, very many cells are interconnected, is usually a modularization of the battery pack in the form of multiple battery modules.
Zumeist sind die Zellgehäuse der elektrochemischen Zellen, insbesondere bei Lithium-Ionen-Batterien, metallisch ausgebildet. In der Regel bildet das metallische Zellgehäuse einen Pol der Batterie aus, sodass das Zellgehäuse auf dem Potential dieses Pols der Zelle liegt. Insbesondere bei einer Reihenschaltung von mehreren Zellen liegen die Zellgehäuse der einzelnen Zellen daher auf unterschiedlichen Potentialen, sodass diese voneinander zu isolieren sind. In most cases, the cell housing of the electrochemical cells, especially in lithium-ion batteries, metallic. As a rule, the metallic cell housing forms one pole of the battery so that the cell housing is at the potential of this pole of the cell. In particular, in the case of a series connection of a plurality of cells, the cell housings of the individual cells are therefore at different potentials, so that they are to be isolated from one another.
Üblicherweise erfolgt eine derartige Isolierung über das Abkleben der Zellgehäuse mit Isolierfolien, das Verpacken in Schrumpfschläuchen, das Einbringen von isolierenden Abstandshaltern, auch Spacer genannt, der Verwendung von Isolierhüllen oder über das Lackieren der Zellgehäuse. Dabei wird in der Regel jede einzelne Zelle für sich isoliert, bevor sie in späteren Prozessschritten mit weiteren Zellen zu einer größeren Einheit in Form beispielsweise eines Batteriemoduls zusammengefügt wird.Typically, such isolation on the masking of the cell case with insulating films, the packaging in shrink tubing, the introduction of insulating spacers, also called spacers, the use of insulating sleeves or via the painting of the cell housing. As a rule, each individual cell is isolated for itself before it is combined with other cells in later process steps to form a larger unit in the form of, for example, a battery module.
Das Gehäuse einer Batteriezelle ist nicht in jedem Fall metallisch ausgeführt. Aus der Druckschrift
Ferner beschreibt die Druckschrift
Der Begriff des Zellverbunds bezeichnet im Weiteren eine Mehrzahl parallel und/oder seriell verschaltbarer elektrochemischer Zellen, welche mechanisch, beispielsweise über eine Befestigung auf einer gemeinsamen Grundplatte, miteinander verbunden sind.In the following, the term "cell assembly" refers to a plurality of parallel and / or series-connectable electrochemical cells, which are connected to one another mechanically, for example via an attachment on a common base plate.
Offenbarung der ErfindungDisclosure of the invention
Erfindungsgemäß vorgesehen ist ein Zellverbund elektrochemischer Zellen, insbesondere zum Aufbau einer Batterie oder eines Batteriepacks, mit einer Mehrzahl parallel und/oder seriell verschalteter elektrochemischer Zellen, bei welchem die einzelnen Zellen voneinander isolierte Zellgehäuse aufweisen, und bei welchem die Isolierung der Zellgehäuse untereinander in einem zur Isolierung vorgesehenen Bereich durch eine auf die Zellgehäuse gemeinsam aufgebrachte thermoplastisch formbare Folie ausgebildet ist.Provided according to the invention is a cell assembly of electrochemical cells, in particular for constructing a battery or a battery pack, with a plurality of parallel and / or series connected electrochemical cells, in which the individual cells from each other insulated cell housing, and in which the isolation of the cell housing with each other in a for Insulation provided area is formed by a jointly applied to the cell housing thermoformable film.
Ein derartiger Verbund weist insbesondere im Vergleich mit einem Verbund, bei welchem die Zellen separat voneinander isoliert wurden, den Vorteil auf, dass der Zellverbund durch die gemeinsam erfolgte Isolation der Zellen mit einer kurzen Prozesszeit effizient und somit kostengünstig herstellbar ist. Dabei bietet ein gemeinsamer Überzug der Zellen eines Zellverbunds mit einer Folie nicht nur den Vorteil der Verringerung der Prozessschritte durch ein Parallelisieren der Isolationsvorgänge. Nach einer Einzelisolierung einer Zelle mittels einer Folie ist häufig ein Prozessschritt zum Entfernen von überschüssigem Folienmaterial erforderlich, welches andernfalls bei der weiteren Verarbeitung der Zelle hinderlich ist. Demgegenüber weist der erfindungsgemäße Zellverbund den Vorteil auf, dass dieser Prozessschritt bei seiner Herstellung entfallen kann. Vielmehr ist überschüssiges Folienmateriel vorteilhaft zur Sicherstellung der Einhaltung von Luft- und Kriechstrecken verwendbar.Such a composite has the advantage, in particular in comparison with a composite in which the cells have been isolated separately from one another, that the cell assembly can be produced efficiently and thus inexpensively by the co-isolation of the cells with a short process time. In this case, a joint coating of the cells of a cell assembly with a film not only offers the advantage of reducing the process steps by parallelizing the isolation processes. After a single insulation of a cell by means of a film, a process step for removing excess film material is often required, which is otherwise a hindrance in the further processing of the cell. In contrast, the cell composite according to the invention has the advantage that this process step can be omitted during its production. Rather, excess Folienmateriel is advantageous for ensuring compliance with air and creepage distances usable.
Vorteilhaft weist der Zellverbund zur Anbindung der Folie an die Zellgehäuse Mittel zur Erzeugung eines Unterdrucks zwischen der Folie und den Zellgehäusen auf. Derartige Mittel können beispielsweise ein gemeinsamer Halterahmen oder eine gemeinsame Grundplatte sein, auf welcher mehrere Zellen des Zellverbunds angeordnet sind. Dabei kann ein derartiger Halterahmen oder eine derartige Grundplatte beispielsweise unterhalb der Zellen, beispielsweise zwischen den Polen, auch Terminals genannt, Absaugöffnungen zur Ausbildung eines Unterdrucks bzw. eines Vakuums aufweisen. Die Mittel zum Anbringen des Unterdrucks sind nur während der Fertigung notwendig, nach dem Erkalten und Verfestigen der Folie ist kein Unterdruck mehr notwendig. Somit kann alternativ zum Zellverbund eine Fertigungseinrichtung derartige Mittel aufweisen.Advantageously, the cell assembly for connecting the film to the cell housing means for generating a negative pressure between the film and the cell housings. Such means may be, for example, a common holding frame or a common base plate, on which a plurality of cells of the cell assembly are arranged. In this case, such a holding frame or such a base plate, for example, below the cells, for example, between the poles, also called terminals, have suction openings for forming a negative pressure or a vacuum. The means for applying the negative pressure are only during the production necessary, after cooling and solidification of the film no vacuum is necessary. Thus, as an alternative to the cell assembly, a manufacturing device may have such means.
Die Erzeugung eines Unterdrucks bietet den Vorteil, dass die Folie der Kontur des Zellgehäuses anpassbar ist. Insbesondere bei nebeneinander angeordneten Zellen führt ein unterhalb der einzelnen Zellen ausgeübter Unterdruck zu einem Umschließen der einzelnen Zellen mit Folie, sodass Wände von benachbarten Zellgehäusen voneinander isolierbar sind. Somit kann ein gemeinsames, zeltartiges Überspannen mehrerer Zellen unterdrückt werden.The generation of a negative pressure has the advantage that the film of the contour of the cell housing is customizable. In particular, in the case of cells arranged next to one another, a negative pressure exerted underneath the individual cells leads to enclosing of the individual cells with foil, so that walls of adjacent cell casings can be isolated from one another. Thus, a common, tent-like spanning multiple cells can be suppressed.
Vorteilhaft weist die Folie eine wärmeaktivierbare adhäsive Schicht auf oder ist eine wärmeaktivierbare adhäsive Schicht zwischen den Zellgehäusen und der Folie angeordnet. Eine derartige Schicht unterstützt eine stoffschlüssige Verbindung zwischen der Folie und den Zellgehäusen. Advantageously, the film has a heat-activatable adhesive layer or a heat-activatable adhesive layer is arranged between the cell housings and the film. Such a layer supports a cohesive connection between the film and the cell housings.
Weiterhin vorteilhaft ist die Folie strukturiert. Eine Strukturierung der Folie oder die Ausbildung einer Kontur bietet den Vorteil, dass für den Fall, dass die Zellen, beispielsweise auf Grund von Wärmeausdehnung, Kontakt zueinander haben, über die Ausgestaltung der Strukturierung ein Einfluss auf die Druckverteilung zwischen den Zellen genommen werden kann.. Further advantageously, the film is structured. A structuring of the film or the formation of a contour offers the advantage that, in the event that the cells are in contact with one another, for example because of thermal expansion, an influence on the pressure distribution between the cells can be taken via the design of the structuring.
Weiterhin vorteilhaft ist die Struktur der Folie vorteilhaft derart ausgestaltet, dass die auf den Zellverbund aufgebrachte Folie eine gegenläufige Strukturierung zwischen Wänden benachbarter Zellgehäuse ausbildet. Dabei stellt eine gegenläufige Strukturierung eine beispielsweise durch Prägung erzeugte Relief- oder Konturgebung dar, die durch eine Vielzahl von erhabenen Linien beschreibbar ist, und angeordnet auf Wänden von gegenüberliegenden Zellgehäusen bei einem Kontakt der Wände eine Vielzahl von Kreuzungen ausbildet. Dies ist beispielsweise bei einer Schrägschraffur der Fall. Eine gegenläufige Strukturierung der Folien benachbarter Zellgehäuse bietet einen erhöhten Reibschluss zwischen den Zellen. Vorteilhaft weist die Folie als Struktur eine Schrägschraffur von 45° auf. Wird die Folie in einer Ausrichtung auf die Zellgehäuse aufgebracht, in welcher die Folie gegenüber dem Zellgehäuse eine Schrägschraffur von 45° aufweist, wird auf Grund der Faltung zwischen benachbarten Zellgehäusen eine sich unter 90° kreuzende Strukturierung ausgebildet. Further advantageously, the structure of the film is advantageously designed such that the applied to the cell composite film forms an opposing patterning between walls of adjacent cell housing. In this case, an opposing structuring represents a relief or contouring produced, for example, by embossing, which can be described by a multiplicity of raised lines, and forms a multiplicity of intersections arranged on walls of opposite cell housings upon contact of the walls. This is the case, for example, with a skew hatch. An opposite structuring of the films of adjacent cell housing provides increased frictional engagement between the cells. Advantageously, the film has a structure as a Schrägschraffur of 45 °. If the film is applied to the cell housing in an orientation in which the film has a 45 ° oblique hatching with respect to the cell housing, a structuring which intersects at 90 ° is formed due to the folding between adjacent cell housings.
Erfindungsgemäß vorgesehen ist ferner ein Batteriemodul, welches einen zuvor beschriebenen Zellverbund aufweist. Dabei ist vorteilhaft die Isolierung sämtlicher Zellen des Batteriemoduls als Zellverbund gemeinsam erfolgt. Ein derartiges Batteriemodul bietet den Vorteil, dass es sehr einfach herstellbar ist, indem ein entsprechend verschalteter Zellverbund als eine mechanische Einheit in ein Batteriemodulgehäuse eingebracht wird.Also provided according to the invention is a battery module which has a cell network as described above. In this case, the isolation of all cells of the battery module is advantageously carried out as a cell network together. Such a battery module has the advantage that it is very easy to produce by a suitably interconnected cell assembly is introduced as a mechanical unit in a battery module housing.
Erfindungsgemäß vorgesehen ist weiterhin ein Batteriepack, welcher einen oder mehrere der zuvor beschriebenen Zellverbünde aufweist. Dabei weist ein derartiger Batteriepack vorteilhaft ohne die Ausbildung von Batteriemodulen einen oder mehrere der zuvor beschriebenen Zellverbünde auf. Durch die gemeinsame Isolierung von Zellen in Form von Zellverbünden sowie der mechanischen Verbindung der Zellen des Zellverbunds untereinander ist bereits eine Form der Modularisierung gegeben, die beispielsweise eine Strukturierung innerhalb des Batteriepacks ermöglicht. Auf die Ausbildung von Batteriemodulen kann somit verzichtet werden.According to the invention, a battery pack is also provided, which has one or more of the cell networks described above. In this case, such a battery pack advantageously without the formation of battery modules on one or more of the cell networks described above. By the joint isolation of cells in the form of cell networks and the mechanical connection of the cells of the cell composite with each other already a form of modularization is given, which allows, for example, a structuring within the battery pack. The formation of battery modules can thus be dispensed with.
Erfindungsgemäß vorgesehen ist darüber hinaus ein Verfahren zum Isolieren von Zellgehäusen der Zellen eines Zellverbunds, wobei die Isolierung der Zellgehäuse untereinander in einem zur Isolierung vorgesehen Bereich durch eine Folie erfolgt, welche in einem gemeinsamen Verfahrensschritt eines thermoplastischen Verfahrens unter Unterdruck auf die Zellgehäuse des Zellverbunds gemeinsam aufgebracht wird. Den Ausführungen zum zuvor beschriebenen Zellverbund entsprechend erlaubt ein derartiges Verfahren die Isolierung der Zellgehäuse der Zellen eines Zellverbunds in effizienter Weise mit wenigen Verfahrensschritten.The invention further provides a method for isolating cell housings of the cells of a cell assembly, wherein the insulation of the cell housing with each other in an area provided for isolation by a film, which is applied in a common process step of a thermoplastic process under vacuum to the cell housing of the cell assembly together becomes. According to the statements on the cell combination described above, such a method allows the isolation of the cell housings of the cells of a cell assembly in an efficient manner with only a few process steps.
Dabei erfolgt die Isolierung eines Zellverbunds derart, dass in einem ersten Verfahrensschritt eine isolierende thermoplastische Folie über eine Mehrzahl von Zellgehäusen der Zellen eines Zellverbundes angeordnet wird. Dies kann beispielsweise derart erfolgen, dass die Folie, beispielsweise in erwärmten Zustand, mittels eines Spannrahmens über den Zellverbund gezogen wird. In einem weiteren Verfahrensschritt wird zwischen der erwärmten Folie und den Zellgehäusen ein Unterdruck erzeugt, so dass die Folie unter thermoplastischer Verformung die Konturen der Zellgehäuse annimmt. Dabei wird die Verformung vorteilhaft durch eine zwischen Folie und Zellgehäuse angeordnete wärmeaktivierbare Adhäsionsschicht unterstützt. In this case, the isolation of a cell composite takes place in such a way that, in a first method step, an insulating thermoplastic film is arranged over a plurality of cell housings of the cells of a cell assembly. This can be done, for example, such that the film, for example, in the heated state, is pulled over the cell assembly by means of a tenter. In a further method step, a negative pressure is generated between the heated film and the cell housings, so that the film assumes the contours of the cell housing under thermoplastic deformation. In this case, the deformation is advantageously supported by a heat-activatable adhesion layer arranged between the film and the cell housing.
Nachfolgend wird die Erfindung unter Bezugnahme auf die anliegenden Zeichnungen anhand bevorzugter Ausführungsformen näher erläutert.The invention will be explained in more detail with reference to the accompanying drawings with reference to preferred embodiments.
Es zeigen:Show it:
Die
Die Adhäsionskräfte der adhäsiven Schicht sowie ein über die Absaugöffnung erzeugter Unterdruck führen dazu, dass die thermoplastische Folie
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