DE102015213991A1 - Gehäuse für ein Batteriemodul und Verfahren zum Herstellen eines Batteriemoduls - Google Patents

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Abstract

Die Erfindung betrifft ein Gehäuse für ein Batteriemodul (1), umfassend eine Vielzahl von Batteriezellen (2), wobei die Batteriezellen (2) jeweils zwei elektrische Anschlüsse (3) umfassen, und wobei das Gehäuse einen Rahmen (4) umfasst und gleichnamige Anschlüsse (3) der Batteriezellen (2) miteinander elektrisch verbindbar sind, dadurch gekennzeichnet, dass der Rahmen (4) derart ausgebildet ist, dass die Batteriezellen (2) in dem Rahmen (4) einschnappbar sind, sowie ein Verfahren zum Herstellen eines Batteriemoduls (1).

Description

  • Stand der Technik
  • Die Erfindung geht aus von einem Gehäuse für ein Batteriemodul oder einem Verfahren zum Herstellen eines Batteriemoduls nach Gattung der unabhängigen Ansprüche.
  • Aus EP 2 068 390 A1 ist ein Batteriesystem enthaltend einen Batterieblock, ein Kühlrohr und eine Kühlmittelzuführungsvorrichtung bekannt. Der Batterieblock weist eine Mehrzahl von rechteckigen Batterien, die eine Breite größer als eine Dicke aufweisen und in der Anordnung durch einen Batteriehalter fest ausgerichtet angeordnet sind, auf. Das Kühlrohr kühlt die rechteckigen Batterien des Batterieblocks. Die Kühlmittelzufuhrvorrichtung speist Kühlmittel in das Kühlrohr. In dem Batteriesystem wird das Kühlrohr auf der Oberfläche des Batterieblocks in einem thermisch verbundenen Zustand angeordnet, so dass die rechteckigen Batterien durch das Kühlmittel, das durch das Kühlrohr zirkuliert wird, gekühlt werden. Das Kühlrohr kann parallele Leitungsabschnitte, die parallel zu den rechteckigen Batterien angeordnet sind und die rechteckigen Batterien kühlen, aufweisen. Die Kühlrohre können in der Bodenfläche des Batterieblocks angeordnet sein und sich direkt unter den Batterien erstrecken.
  • Aus DE 10 2011 076 919 A1 ist eine Batteriezelle, insbesondere eine Lithium-Ionen-Batteriezelle, umfassend ein Gehäuse und in dem Gehäuse wenigstens ein Elektrodenensemble, in welchem in einem Querschnitt Elektroden in mehr als zwei Schichten angeordnet sind, bekannt, wobei das Gehäuse mindestens zwei das Elektrodenensemble von der Umgebung im Wesentlichen separierende Gehäuseelemente aufweist. Es ist vorgesehen, dass ein erstes Gehäuseelement elektrisch mit dem positiven Pol des Elektrodenensembles verbunden ist und ein zweites Gehäuseelement elektrisch mit dem negativen Pol des Elektrodenensembles verbunden ist, sodass die Batteriezelle am ersten Gehäuseelement und am zweiten Gehäuseelement elektrisch kontaktierbar ist. Weiterhin ist eine Batterie oder ein Batteriezellenmodul bekannt, welche mehrere der Batteriezellen umfassen. Weiterhin sind ein Verfahren zur Herstellung einer Batteriezelle sowie ein Kraftfahrzeug bekannt.
  • Die am Anmeldetag der Erfindung noch nicht veröffentlichte DE 10 2014 204 245.3 betrifft eine Energiespeichereinheit mit einer Mehrzahl von galvanischen Zellen, wobei die galvanischen Zellen jeweils eine erste Außenseite umfassend eine erste Elektrode und eine zweite Außenseite umfassend eine zweite Elektrode aufweisen und die galvanischen Zellen durch Aneinanderreihung der galvanischen Zellen mit den Außenseiten über die Elektroden elektrisch miteinander verschaltet sind. Die Energiespeichereinheit umfasst zudem ein erstes Rahmenelement und ein zweites Rahmenelement, welche direkt oder indirekt miteinander verbunden sind, wobei das erste Rahmenelement an dem einen Ende der Aneinanderreihung der galvanischen Zellen angeordnet ist und das zweite Rahmenelement an dem anderen Ende der Aneinanderreihung der galvanischen Zellen angeordnet ist. Zudem betrifft die DE 10 2014 204 245.3 eine Batteriezelle zur Verwendung mit einer Energiespeichereinheit sowie ein Verfahren zur Herstellung einer solchen Batteriezelle.
  • Offenbarung der Erfindung
  • Das Gehäuse und das Verfahren mit den Merkmalen der unabhängigen Ansprüche haben den Vorteil, dass sie eine optimale Bauraumnutzung ermöglichen. Dabei kann der Rahmen exakt an die Größe der Batteriezellen angepasst werden. Dadurch, dass die Batteriezellen in dem Rahmen einschnappbar sind, kann eine mechanische Verbindung zwischen dem Rahmen und den Batteriezellen verbessert werden. Weiterhin können die Batteriezellen durch das Einschnappen (snap-fit) fest, sicher und dauerhaft in dem Rahmen gehalten werden. Somit können eine hohe mechanische Integrität und / oder mechanische Stabilität des Batteriemoduls erreicht werden. Außerdem können Elemente wie Befestigungselemente entfallen. Dadurch kann der Aufbau des Batteriemoduls vereinfacht werden. Somit können Kosten wie Materialkosten und / oder Montagekosten reduziert werden.
  • Ist der Rahmen, bezogen auf seine Lage bei bestimmungsgemäßer Verwendung des Batteriemoduls, unter den Batteriezellen anordbar, hat dies den Vorteil, dass die mechanische Verbindung zwischen dem Rahmen und den Batteriezellen weiter verbessert werden kann. Weiterhin kann der Schutz wie Schutz vor einer mechanischen Beschädigung, der Batteriezellen von unten verbessert werden.
  • Ist der Rahmen über den Batteriezellen anordbar, hat dies den Vorteil, dass der Schutz wie Schutz vor einer mechanischen Beschädigung, der Batteriezellen von oben verbessert werden kann.
  • Sind die Batteriezellen in dem Gehäuse in einer Schicht anordbar, hat dies den Vorteil, dass jede Batteriezelle bis zu vier weitere oder mehr Batteriezellen kontaktieren kann. Dadurch kann eine homogene Stromverteilung erreicht werden. Somit kann ein inhomogenes Stromverteilungsmuster vermieden werden. Weiterhin kann eine homogene Temperaturverteilung erreicht werden.
  • Sind die gleichnamigen Anschlüsse über ein Metallstück elektrisch verbindbar, hat dies den Vorteil, dass der Aufbau des Batteriemoduls und / oder die Montage der Batteriezellen in den Rahmen vereinfacht werden kann.
  • Umfasst der Rahmen weiterhin eine Innenwand zum Unterteilen des Rahmens in eine Vielzahl von Bereichen, hat dies den Vorteil, dass die mechanische Verbindung zwischen dem Rahmen und den Batteriezellen erfolgen kann. Dadurch kann die Stabilität der mechanischen Verbindungen verbessert werden.
  • Umfasst der Rahmen ein Metall, hat dies den Vorteil, dass die Stabilität des Rahmens erhöht werden kann.
  • Ist das Metall Aluminium, hat dies den Vorteil, dass das Gewicht des Rahmens reduziert werden kann.
  • Umfasst der Rahmen einen Nichtleiter, hat dies den Vorteil, dass eine elektrische Isolation besonders effektiv erreicht werden kann.
  • Ist der Nichtleiter ein Kunststoff, hat dies den Vorteil, dass der Rahmen besonders leicht ausgebildet werden kann. Somit kann das Gewicht des Batteriemoduls reduziert werden. Weiterhin sind die Möglichkeiten, den Rahmen räumlich auszugestalten, bei der Verwendung von Kunststoff nahezu unbegrenzt.
  • Umfasst der Rahmen weiterhin eine Metallschicht, hat dies den Vorteil, dass die in der Schicht nebeneinander angeordneten Batteriezellen elektrisch verbunden werden können.
  • Umfasst die Metallschicht Aluminium, hat dies den Vorteil, dass das Gewicht des Rahmens reduziert werden kann.
  • Ist der Rahmen mittels eines Halteelements mit einem weiteren Rahmen zu einer Einheit verbindbar, hat dies den Vorteil, dass nur am Anfang und am Ende des Batteriemoduls jeweils ein elektrischer Anschluss des Batteriemoduls, der beispielsweise als Kontaktfolie ausgebildet sein kann, erforderlich ist. Dadurch kann eine Kontaktierung des Batteriemoduls vereinfacht und / oder minimiert werden. Weiterhin können Batteriemodule, auch komplexe Batteriemodelle, auf eine einfache, sichere und / oder kostengünstige Weise hergestellt werden.
  • Werden, beispielsweise in einem Randbereich des Rahmens, Batteriezellen mit einer halben Größe (gegenüber der übrigen Batteriezellen) verwendet, kann die Bauraumnutzung weiter verbessert werden.
  • Werden Sensorfolien zwischen den Schichten angeordnet, können Spannungsinformationen erfasst werden. Dadurch kann eine Anbindung an eine Zellüberwachungseinrichtung (cell supervisory circuit, CSC) erreicht werden.
  • Wird eine Widerstandsfolie wie Widerstandsfolie mit positivem Temperatur-Koeffizient (positive temperature coefficient, PTC) zwischen den Schichten angeordnet, kann die Sicherheit in einem Fehlerfall erhöht werden.
  • Wird eine Temperierplatte wie Kühlplatte oder potentialfreie Kühlplatte zwischen den Schichten angeordnet, kann die Temperierung bzw. Kühlung der Batteriezellen verbessert werden.
  • Ausführungsbeispiele der Erfindung sind in der Zeichnung dargestellt und in der nachfolgenden Beschreibung näher erläutert.
  • 1 zeigt eine Seitenansicht eines Rahmens 4 zur Aufnahme von Batteriezellen 2 nach einer Ausführungsform der Erfindung,
  • 2 zeigt eine Seitenansicht des Rahmens 4 mit Batteriezellen 2 nach der Ausführungsform der Erfindung,
  • 3 zeigt eine Seitenansicht eines Batteriemoduls 1‘ mit drei Schichten von Batteriezellen 2 nach der Ausführungsform der Erfindung,
  • 4 zeigt eine Seitenansicht des Batteriemoduls 1 mit drei Schichten von Batteriezellen 2 nach einer anderen Ausführungsform der Erfindung,
  • 5 zeigt eine Perspektivansicht des Rahmens 4 zur Aufnahme von Batteriezellen 2 nach der Ausführungsform der Erfindung, und
  • 6 zeigt eine Perspektivansicht des Rahmens 4 zur Aufnahme von Batteriezellen 2 nach einer weiteren Ausführungsform der Erfindung.
  • 1 zeigt eine Seitenansicht eines Rahmens 4 zur Aufnahme von Batteriezellen 2 nach einer Ausführungsform der Erfindung.
  • Der Rahmen 4 umfasst eine Außenwand 5. Die Außenwand 5 kann als umlaufende Außenwand ausgebildet sein. Der Rahmen 4 kann weiterhin eine Innenwand 7, 8 oder eine Vielzahl von Innenwänden 7, 8 zum Unterteilen des Rahmens 4 in eine Vielzahl von Bereichen zur Aufnahme der Batteriezellen 2 umfassen. Der Rahmen 4 kann ein Metall wie Aluminium und / oder einen Nichtleiter wie ein Kunststoff umfassen. Wie im Folgenden mit Bezug auf 2 beschrieben, sind die Größenabmessungen des Rahmens 4 an die Größenabmessungen der Batteriezellen 2 angepasst. Der Rahmen 4 kann weiterhin eine Metallschicht 9 umfassen. Die Metallschicht 9 kann beispielsweise als Metallblech, Metallfolie, Metallgitter oder Metallnetz ausgebildet sein. Die Metallschicht 9 kann zum elektrischen Verbinden von Anschlüssen 3 der Batteriezellen 2 dienen. Die Metallschicht 9 kann als Rahmenboden ausgebildet sein.
  • 2 zeigt eine Seitenansicht des Rahmens 4 mit Batteriezellen 2 nach der Ausführungsform der Erfindung.
  • Die Batteriezellen 2 sind als flache Batteriezellen wie Nussschalen-Zellen (nutshell-cells) ausgebildet. Die Batteriezellen 2 werden im Folgenden mit Bezug auf 3 beschrieben. 2 zeigt den Rahmen 4 eines Batteriemoduls 1, nachdem die vier Batteriezellen 2 in entsprechende Bereiche des Rahmens 4 eingeschnappt worden sind. Die Größenabmessungen des Rahmens 4 sind derart an die Größenabmessungen der Batteriezellen 2 angepasst, dass eine Übermaßpassung oder Presspassung erreicht wird. Dabei wird sichergestellt, dass beim Fügen, unabhängig von den Toleranzlagen des Rahmens 4 und der Batteriezellen 2, die Batteriezellen 2 in den Rahmen 4 einschnappen und eine dauerhafte mechanische Verbindung zwischen dem Rahmens 4 und dem Batteriezellen 2 entsteht. Eine Verwendung von Befestigungselementen und / oder Klebstoffen ist dabei in der Regel nicht erforderlich, aber auch nicht ausgeschlossen. Die Oberflächen des Rahmens 4 und der Batteriezellen 2 können aufeinander abgestimmt sein. Beispielsweise kann der Rahmen 4 eine Vielzahl von Vertiefungen (nicht in 2 gezeigt) aufweisen, während die Batteriezellen 2 dazu korrespondierende Erhebungen (nicht in 2 gezeigt) aufweisen können.
  • 3 zeigt eine Seitenansicht eines Batteriemoduls 1 mit drei Schichten von Batteriezellen 2 nach der Ausführungsform der Erfindung.
  • In jeder der drei Schichten, umfassend eine unterste Schicht, mittlere Schicht und oberste Schicht, sind die Batteriezellen 2 in die entsprechenden Bereiche des entsprechenden Rahmens 4 eingeschnappt. Dadurch ergibt sich die Möglichkeit, eine Vielzahl von Batteriezellen 2 sehr raumsparend anzuordnen. In jeder der drei Schichten ist der Rahmen 4 unter den Batteriezellen 2 angeordnet. Wie in 3 beispielhaft gezeigt, können die Schichten jeweils unterschiedliche Anzahlen von Batteriezellen 2 umfassen. Alternativ können die Schichten jeweils eine identische Anzahl von Batteriezellen 2 umfassen.
  • Die Batteriezellen 2 können jeweils, wie in 3 beispielhaft gezeigt, eine erste Abdeckung 3 und eine zweite Abdeckung 3, die als elektrische Anschlüsse ausgebildet und mit einer Anode der Batteriezelle 2 bzw. einer Kathode der Batteriezelle 2 verbunden sind, aufweisen. Dabei sind die beiden Abdeckungen 3 einer jeden der Batteriezellen 2 voneinander elektrisch isoliert. Somit können die Batteriezellen 2 jeweils über die erste Abdeckung 3 und zweite Abdeckung 3 elektrisch kontaktiert bzw. verbunden werden. Die Batteriezellen 2 können jeweils, wie in 3 beispielhaft gezeigt, zum Beispiel bezüglich physischer Eigenschaften und / oder elektrischer Eigenschaften, identisch ausgebildet sein. Alternativ können die Batteriezellen 2 unterschiedlich ausgebildet sein. Zum Beispiel können neben Batteriezellen einer bestimmten Größe Batteriezellen halber und / oder doppelter Größe verwendet werden.
  • In jeder der drei Schichten können die ersten Abdeckungen 3 der Batteriezellen 2, die in einem der drei Rahmen 4 eingeschnappt sind und als gleichnamige erste Anschlüsse dienen, jeweils über die Metallschicht 9 des entsprechenden Rahmens 4 miteinander elektrisch verbunden werden. Weiterhin können die zweiten Abdeckungen 3 der Batteriezellen 2, die als gleichnamige zweite Anschlüsse dienen, jeweils über die Metallschicht 9 eines Rahmens 4 einer darüber liegenden Schicht miteinander elektrisch verbunden werden. Somit können die Batteriezellen 2 in jeder der drei Schichten miteinander elektrisch parallel verbunden werden und diese parallel verbundenen Batteriezellen 2 in den drei übereinander liegenden Schichten miteinander elektrisch seriell verbunden werden. Somit kann eine Kontaktierung des Batteriemoduls 1 über die unterste Schichten und die oberste Schicht, d. h. die außenliegenden Schichten, erfolgen.
  • Die Rahmen 4 können mittels eines Halteelements oder einer Vielzahl von Halteelementen (nicht in 3 gezeigt) miteinander verbunden werden.
  • Weiterhin können Sensorfolien (nicht in 3 gezeigt) zwischen den Schichten angeordnet sein. Dadurch können Spannungsinformationen der Batteriezellen 2 erfasst werden. Dadurch kann eine Anbindung an eine Zellüberwachungseinrichtung (nicht in 3 gezeigt) erreicht werden.
  • Weiterhin kann eine Widerstandsfolie (nicht in 3 gezeigt) wie Widerstandsfolie mit positivem Temperatur-Koeffizient zwischen den Schichten angeordnet sein. Dadurch kann die Sicherheit in einem Fehlerfall erhöht werden.
  • Weiterhin kann eine Temperierplatte (nicht in 3 gezeigt) wie Kühlplatte oder potentialfreie Kühlplatte zwischen den Schichten angeordnet sein. Dadurch kann die Temperierung bzw. Kühlung der Batteriezellen 2 verbessert werden.
  • 4 zeigt eine Seitenansicht des Batteriemoduls 1‘ mit drei Schichten von Batteriezellen 2 nach einer anderen Ausführungsform der Erfindung.
  • Das in 4 gezeigte Batteriemodul 1‘ entspricht im Wesentlichen dem mit Bezug auf 3 beschriebenen Batteriemodul 1. Das Batteriemodul 1‘ umfasst einen weiteren Rahmen 4‘, der umgekehrt und von oben auf die Batteriezellen 2 der obersten Schicht geschnappt wird. Dadurch werden die Batteriezellen 2 von dem Gehäuse vollständig umschlossen. Weiterhin können die zweiten Abdeckungen 3 der Batteriezellen 2 der obersten Schicht, die als gleichnamige zweite Anschlüsse dienen, über die Metallschicht 9 des weiteren Rahmens 4‘ miteinander elektrisch verbunden werden. Somit kann die Kontaktierung des Batteriemoduls 1‘ vereinfacht werden.
  • 5 zeigt eine Perspektivansicht des Rahmens 4 zur Aufnahme von Batteriezellen 2 nach der Ausführungsform der Erfindung.
  • Der Rahmen 4 umfasst eine Außenwand 5. Die Außenwand 5 kann als umlaufende Außenwand ausgebildet sein. Der Rahmen 4 kann eine Innenwand 7, 8 oder eine Vielzahl von Innenwänden 7, 8 zum Unterteilen des Rahmens 4 in eine Vielzahl von Bereichen zur Aufnahme der Batteriezellen 2 umfassen. Die Batteriezellen 2 können in dem Bereich oder der Vielzahl von Bereichen eingeschnappt werden. In einen Bereich kann eine Batteriezelle 2 oder eine Vielzahl von Batteriezellen eingeschnappt werden. Der Rahmen 4 fixiert die Batteriezellen 2 und sichert sie, zum Beispiel, gegen ein Herausfallen und/oder Verrutschen. Je nach Bedarf kann der Rahmen 4 aus einem Metall wie Aluminium und / oder aus Kunststoff hergestellt werden.
  • 6 zeigt eine Perspektivansicht des Rahmens 4 zur Aufnahme von Batteriezellen 2 nach einer weiteren Ausführungsform der Erfindung.
  • Der in 6 gezeigte Rahmen 4 entspricht im Wesentlichen dem mit Bezug auf 5 beschriebenen Rahmen 4. Der Rahmen 4 umfasst weiterhin eine Metallschicht 9. Die Metallschicht 9 kann zum elektrischen Verbinden von Anschlüssen 3 der Batteriezellen 2 dienen. Die Metallschicht 9 kann weiterhin zum thermischen Anbinden 3 der Batteriezellen 2 dienen. Die Metallschicht 9 kann als Rahmenboden ausgebildet sein. Die Metallschicht 9 kann sich teilweise oder vollständig innerhalb des Rahmens 4 erstrecken.
  • ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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  • Zitierte Patentliteratur
    • EP 2068390 A1 [0002]
    • DE 102011076919 A1 [0003]
    • DE 102014204245 [0004, 0004]

Claims (12)

  1. Gehäuse für ein Batteriemodul (1), umfassend eine Vielzahl von Batteriezellen (2), wobei die Batteriezellen (2) jeweils zwei elektrische Anschlüsse (3) umfassen, wobei das Gehäuse einen Rahmen (4) umfasst und gleichnamige Anschlüsse (3) der Batteriezellen (2) miteinander elektrisch verbindbar sind, dadurch gekennzeichnet, dass – der Rahmen (4) derart ausgebildet ist, dass die Batteriezellen (2) in den Rahmen (4) einschnappbar sind.
  2. Das Gehäuse nach Anspruch 1, wobei: – der Rahmen (4) unter den Batteriezellen (2) anordbar ist, oder – der Rahmen (4) über den Batteriezellen (2) anordbar ist.
  3. Das Gehäuse nach Anspruch 1 oder 2, wobei: – die Batteriezellen (2) in dem Gehäuse in einer Schicht anordbar sind.
  4. Das Gehäuse nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei: – die gleichnamigen Anschlüsse (3) über ein Metallstück elektrisch verbindbar sind.
  5. Das Gehäuse nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei: – der Rahmen (4) weiterhin eine Innenwand (7, 8) zum Unterteilen des Rahmens (4) in eine Vielzahl von Bereichen umfasst.
  6. Das Gehäuse nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei: – der Rahmen (4) ein Metall umfasst.
  7. Das Gehäuse nach Anspruch 6, wobei: – das Metall Aluminium ist.
  8. Das Gehäuse nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei: – der Rahmen (4) einen Nichtleiter umfasst.
  9. Das Gehäuse nach Anspruch 8, wobei: – der Nichtleiter ein Kunststoff ist.
  10. Das Gehäuse nach Anspruch 8 oder 9, wobei: – der Rahmen (4) weiterhin eine Metallschicht (9) umfasst.
  11. Das Gehäuse nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei: – der Rahmen (4) mittels eines Halteelements mit einem weiteren Rahmen (4) zu einer Einheit verbindbar ist.
  12. Verfahren zum Herstellen eines Batteriemoduls (1), gekennzeichnet durch: – Bereitstellen des Gehäuses für ein Batteriemodul (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, – Bereitstellen der Vielzahl von Batteriezellen (2), und – Einschnappen der Batteriezellen (2) in den Rahmen (4).
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