DE102015214526A1

DE102015214526A1 - Kompaktes Batteriemodul

Info

Publication number: DE102015214526A1
Application number: DE102015214526.3A
Authority: DE
Inventors: Georg Meincke
Original assignee: Robert Bosch GmbH
Current assignee: Robert Bosch GmbH
Priority date: 2015-07-30
Filing date: 2015-07-30
Publication date: 2017-02-02

Abstract

Die Erfindung betrifft ein Grundelement zur Ausbildung eines Batteriemoduls, umfassend Aufnahmen, insbesondere in Form von Hohlkörpern, zur Ausbildung von Batteriezellen, mit jeweils einer einen Hohlraum umschließenden Gehäusewandung, wobei die Gehäusewandungen von nebeneinander liegenden Aufnahmen zumindest abschnittsweise derart stoff- und/oder formschlüssig miteinander verbunden sind, dass zwischen zumindest drei benachbarten Aufnahmen ein fluiddichter Zwischenraum, insbesondere in Form einer Kammer, mit einer Kammerwandung ausgestaltbar ist, wobei die Kammerwandung von jeweils einem Wandabschnitt jeder der Gehäusewandungen der drei benachbarten Aufnahmen ausgebildet ist.

Description

Die Erfindung betrifft ein Grundelement zur Ausbildung eines Batteriemoduls, ein Batteriemodul sowie ein Verfahren zur Herstellung eines Batteriemoduls gemäß den unabhängigen Ansprüchen.
Stand der Technik
Es zeichnet sich ab, dass in der Zukunft sowohl bei stationären Anwendungen, wie Windkraftanlagen, in Kraftfahrzeugen, die als Hybrid- oder Elektrokraftfahrzeuge ausgelegt sind, wie auch bei Elektronikgeräten neue Batteriesysteme zum Einsatz kommen werden, an die sehr hohe Anforderungen bzgl. Zuverlässigkeit, Sicherheit, Leistungsfähigkeit und Lebensdauer gestellt werden. Aufgrund ihrer großen Energiedichte sowie ihrer geringen Selbstentladung werden insbesondere Lithium-Ionen-Batterien als Energiespeicher für elektrisch angetriebene Kraftfahrzeuge verwendet.
Batteriemodule, bzw. Batteriepacks werden üblicherweise durch Zusammenschalten einzelner Batteriezellen aufgebaut. Die Einzelzellen werden als Fertigteile in ein Gehäuse gepackt, mechanisch befestigt und anschließend elektrisch kontaktiert, d. h. miteinander verschaltet. Dabei kann die Verschaltung der Einzelzellen beliebig ausgeführt werden. Nachteilig dabei ist, dass die Zellen im Batteriemodul befestigt oder verspannt werden müssen. Da zudem jede der Zellen ein Gehäuse aufweist, entsteht zumindest zwischen den Einzelzellen eine doppelte Gehäusewandstärke und ein entsprechender Abstand. Zudem muss die Kühlung der Zellen separat realisiert werden. Insofern nimmt die Aufbau- und Verbindungstechnik (AVT) viel Bauraum in Anspruch. Schließlich ist es nachteilig, dass die Zellen aufwändig miteinander kontaktiert, d. h. verschaltet werden müssen, wobei es bei der Kontaktierung, bzw. der Verschaltung der Zellen miteinander zu Fehlern kommen kann.
Offenbarung der Erfindung
Die Erfindung sieht in einem unabhängigen Anspruch ein Grundelement zur Ausbildung eines Batteriemoduls, insbesondere eines Lithiumionen-Batteriemoduls, vor, welches Aufnahmen umfasst, insbesondere in Form von Hohlkörpern zur Ausbildung von Batteriezellen, insbesondere Lithiumionen-Batteriezellen, mit jeweils einer einen Hohlraum umschließenden Gehäusewandung, wobei die Gehäusewandungen von nebeneinander liegenden Aufnahmen zumindest abschnittsweise derart stoff- und/oder formschlüssig miteinander verbunden sind, dass zwischen zumindest drei benachbarten Aufnahmen ein fluiddichter Zwischenraum, insbesondere in Form einer Kammer, mit einer Kammerwandung ausgestaltbar ist, wobei die Kammerwandung von jeweils einem Wandabschnitt jeder der Gehäusewandungen der drei benachbarten Aufnahmen ausgebildet ist. Zudem sieht die Erfindung in einem weiteren unabhängigen Anspruch ein Batteriemodul, insbesondere ein Lithiumionen-Batteriemodul vor, insbesondere das erfindungsgemäße Grundelement umfassend, sowie ein Verfahren zur Herstellung eines Batteriemoduls in einem weiteren unabhängigen Anspruch, insbesondere unter Verwendung des erfindungsgemäßen Grundelements.
Weitere Merkmale und Details der Erfindung ergeben sich aus den abhängigen Vorrichtungsansprüchen, der Beschreibung und den Zeichnungen. Dabei gelten Merkmale und Details, die im Zusammenhang mit dem erfindungsgemäßen Grundelement beschrieben sind, selbstverständlich auch im Zusammenhang mit dem erfindungsgemäßen Batteriemodul oder dem erfindungsgemäßen Verfahren und jeweils umgekehrt, sodass bezüglich der Offenbarung zu den einzelnen Erfindungsaspekten stets wechselseitig Bezug genommen wird, bzw. werden kann.
Unter Verwendung des erfindungsgemäßen Grundelements, wird ein Zellpack, bzw. ein Batteriemodul nicht mehr aus Einzelzellen mit jeweils eigenen Gehäusewandungen zusammengesetzt, sondern als stabile Gesamtkonstruktion mit einem als Grundelement, bzw. Grundkörper ausgestalteten Profil, insbesondere als Strangpressprofil, verwendet. Zur Erhöhung der mechanischen Stabilität des Batteriemoduls kann das Grundelement beispielsweise in Wabenstruktur aufgebaut sein. Dabei kann die Form der Wabe grundsätzlich variieren, z. B. mit kreis-, ellipsen- oder hexagonalförmigen Querschnitt einer Wabe. Als Kompromiss zwischen stabiler Geometrie (Hexagon), wie diese für die Wabenstruktur üblich ist, und optimaler Volumennutzung für die in dem Batteriemodul zusammengefassten Batteriezellen, weist das Grundelement vorteilhaft Aufnahmen, insbesondere in Form von Hohlkörpern auf, die zur Ausbildung der Batteriezellen dienen, wobei vorteilhaft die Geometrie der Hohlkörper der Geometrie der darin aufgenommenen Elektrolyte der Batteriezellen entspricht. Dabei setzt sich die vorliegende Erfindung das Ziel, das Volumen eines aus mehreren Batteriezellen bestehenden Batteriemoduls zu reduzieren und dabei die Energiedichte des Batteriemoduls zu erhöhen. Zudem wird über die Ausbildung eines Grundelements ein vereinfachter mechanischer Aufbau zur Ausbildung des Batteriemoduls realisiert. Die Batteriezellen des Batteriemoduls werden durch die als Hohlkörper ausgebildeten Aufnahmen und den beispielsweise als „jelly roll“ gewickelten Elektrolyten ausgebildet.
Um innerhalb der Aufnahmen keinen ungenutzten Bauraum zu verschwenden, und um eine Integration der Kühlung mit Verbesserung der Kühlleistung des Batteriemoduls zu erzielen, ist der Querschnitt der Aufnahmen zur Ausbildung für die Batteriezellen bezogen auf die Form der Wicklung der Anode und der Kathode der Batteriezelle derart optimiert, dass die vorzugsweise als „jelly roll“ gewickelten Elektrolyten, in der dem Hohlraum umschließenden Gehäusewandung der Aufnahmen aufgenommen sind, ohne dabei nicht nutzbare Bereiche auszusparen. Hierdurch kann (z. B. durch die Integration der Kühlung) auch die Sicherheit des gesamten Batteriemoduls verbessert werden. Vorzugsweise sind bei der erfindungsgemäßen Ausgestaltung der Aufnahmen die Gehäusewandungen der nebeneinanderliegenden Aufnahmen zumindest abschnittsweise derart stoff- und/oder formschlüssig miteinander verbunden, dass zwischen zumindest drei benachbarten Aufnahmen ein fluiddichter Zwischenraum gebildet ist. Entsprechend ist durch Formoptimierung der Aufnahmen an die Form der als „jelly roll“ gewickelten Elektrolyten der „nicht nutzbare Bereich“, der zuvor in der den Hohlraum umschließenden Gehäusewandung der Batteriezellen zu finden war, zwischen die Aufnahmen der Batteriezellen verlegt worden, und bildet dort mit mindestens drei benachbarten Aufnahmen einen fluiddichten Zwischenraum für insbesondere eine Kühlung der Zellen.
Der fluiddichte Zwischenraum ist bevorzugt in Form einer Kammer ausgestaltet, wobei die Kammerwandung, erfindungsgemäß von jeweils einem Wandabschnitt jeder der Gehäusewandungen der drei benachbarten Aufnahmen ausgebildet ist. Da die Kammer, bzw. der Zwischenraum fluiddicht ausgestaltet ist, kann der Zwischenraum als Kühlkanal ausgestaltet werden, wodurch die Kühlung des Batteriemoduls, ohne zusätzliche Kühlleitungen verlegen zu müssen, in das erfindungsgemäße Grundelement integriert werden kann, was insgesamt zu einer Verbesserung der Kühlleistung des Batteriemoduls unter Einsparung von Bauraum führt.
Da durch die formoptimierte Anpassung der Aufnahmen an die gewickelten Elektrolyten zwischen den nebeneinanderliegenden Aufnahmen ein Zwischenraum gebildet wird, kann insgesamt erfindungsgemäß gegenüber einem aus dem Stand der Technik bekannten Batteriemodul das Volumen eines mit dem erfindungsgemäßen Grundelement hergestellten Batteriemoduls reduziert und dabei die Energiedichte des Batteriemoduls erhöht werden.
Neben der Ausbildung eines fluiddichten Zwischenraumes, der vorteilhaft als Kühlkanal für das Batteriemodul verwendet werden kann, gibt es eine Vielzahl von Möglichkeiten oder der Implementierung von Zusatzfunktionen für den zwischen den Aufnahmen gebildeten fluiddichten Zwischenraum in dem unter Verwendung des erfindungsgemäßen Grundelements ausgebildeten Batteriemoduls.
In vorteilhafter Weise können die Wandabschnitte der Gehäusewandungen, welche die Kammerwandung für den fluiddichten Zwischenraum bilden, zumindest abschnittsweise verstärkt sein. Eine Verstärkung der Wandabschnitte, kann beispielsweise durch eine dickere Wandstärke oder durch in den Wandabschnitten ausgebildete Stützstrukturen oder durch Stützelemente erfolgen. Diese Maßnahmen führen vorteilhaft zu einer stabilen Ausführung des als Kammer ausgestalteten fluiddichten Zwischenraumes. Dieses hat den Vorteil, dass im Falle einer Entgasung oder eines kritischen „Thermal Runaway“ einer Batteriezelle der als Kühlwasserkanal ausgestaltete fluiddichte Zwischenraum nicht beschädigt wird.
Da der fluiddichte Zwischenraum in vorteilhafter Weise nicht nur die Funktion einer als Kühlwasserkanal ausgestalteten Kammer erfüllen soll, kann der fluiddichte Zwischenraum vorteilhaft durch zumindest eine in Längserstreckung des Zwischenraumes liegende Zwischenwand in zumindest zwei fluiddichte und durch die Zwischenwand voneinander getrennte Kammern teilbar sein. Die in Längserstreckung liegende Zwischenwand ist dabei so zu verstehen, dass aus zuvor einem Kanal zwei voneinander durch die Zwischenwand getrennte Kanäle, d. h. zwei fluiddichte Zwischenräume zwischen den Aufnahmen gebildet werden. Dabei kann beispielsweise ein Kanal, d. h. eine Kammer als Vorlauf, und die davon durch die Zwischenwand getrennte Kammer als Rücklauf für das Kühlwasser verwendet werden. Eine weitere vorteilhafte Variante ist die Ausbildung einer der durch die Zwischenwand getrennten Kammer als Kühlwasserkanal und die davon getrennte Kammer als Entgasungskanal auszubilden. Dabei kann vorteilhaft bei einer Entgasung einer der Batteriezellen das Gas gezielt über den in dem fluiddichten Zwischenraum ausgestalteten Entgasungskanal abgeführt werden, sodass das Gas nicht mit einer Zündquelle in Kontakt kommt.
In bevorzugter Weise kann in dem fluiddichten Zwischenraum wenigstens eine fluiddichte Zusatzkammer ausgestaltbar sein, wobei eine Wandung der fluiddichten Zusatzkammer zumindest aus zwischen den Gehäusewandungen jeweils zwei nebeneinanderliegender Aufnahmen ausgestalteten Wänden und/oder zumindest abschnittsweise aus den Wandabschnitten der Gehäusewandungen ausgebildet ist, wobei insbesondere die Wandabschnitte, die die Wandungen der fluiddichten Zusatzkammer bilden, verstärkt sind. Durch die Anordnung von zusätzlichen Wänden zwischen den Aufnahmen in den fluiddichten Zwischenraum kann vorteilhaft eine zentral zwischen den Aufnahmen liegende Zusatzkammer ausgestaltet werden, um die herum in dem fluiddichten Zwischenraum vorteilhaft weitere Kammern ausgestaltet werden. Die zentral zwischen den Aufnahmen liegende fluiddichte Zusatzkammer, die abschnittsweise aus Wandabschnitten der Gehäusewandungen ausgebildet ist, ist vorzugsweise als Kühlwasserkanal ausgebildet, wobei die Wandabschnitte der Aufnahmen vorteilhaft eine dickere Wandstärke aufweisen oder durch Ausbildung von Stützstrukturen oder durch Stützelemente verstärkt sind, um vorteilhaft bei thermischer Ausdehnung der Batteriezellen eine Beschädigung der als Kühlwasserkanal ausgestalteten Zusatzkammer zu verhindern.
Wie bereits beschrieben, können zwischen den Wänden und den Wandabschnitten der Gehäusewandungen, welche nicht Teil der Wandungen der fluiddichten Zusatzkammer sind, vorteilhaft um die fluiddichte Zusatzkammer herum weitere Kammern, zumindest drei weitere und von der Zusatzkammer getrennte fluiddichte Kammern ausgestaltbar sein. Die Anzahl der weiteren Kammern, die um die Zusatzkammer in dem fluiddichten Zwischenraum zwischen den Aufnahmen ausgestaltet sind, ist dabei vorteilhaft gleich der Anzahl der um den fluiddichten Zwischenraum herum angeordneten Aufnahmen. Wird der fluiddichte Zwischenraum beispielsweise von jeweils einem Wandabschnitt von Gehäusewandungen von vier benachbarten Aufnahmen ausgebildet, werden durch die zentrale Anordnung einer Zusatzkammer zwischen den vier Aufnahmen um die Zusatzkammer herum vorteilhaft vier weitere und von der Zusatzkammer fluidtechnisch getrennte fluiddichte Kammern ausgestaltet.
In vorteilhafter Weise können die Wandabschnitte der Gehäusewandungen, welche nicht Teil der Wandung der fluiddichten Zusatzkammer sind, zumindest abschnittsweise als Sollbruchstellen ausgestaltet werden. Dabei sind vorteilhafter Weise die Wandabschnitte der Gehäusewandungen, welche nicht Teil der Wandungen der fluiddichten Zusatzkammer sind, als Sollbruchstellen zu den weiteren Kammern, die um die fluiddichte Zusatzkammer herum ausgestaltet sind, ausgebildet. Durch die als Sollbruchstellen ausgestalteten Wandabschnitte, die insbesondere als Sollbruchstellen zu den weiteren Kammern ausgestaltet sind, kann bei einer Entgasung einer Batteriezelle der zu den weiteren Kammern führende Wandabschnitt der Aufnahmen gezielt zerstört oder „gesprengt“ werden, so dass das aus den Aufnahmen von den Elektrolyten über die Sollbruchstellen austretende Gas über die weiteren Kammern, die vorteilhaft als Entgasungskanal ausgestaltet sind, gezielt abgeführt werden kann, um ein Kontakt des Gases mit einer Zündquelle zu verhindern.
Eine besonders bevorzugte Weiterbildung von an die gewickelten Elektrolyten angepasste formoptimierte Aufnahme sieht vor, dass die Aufnahmen vorteilhaft kreisförmig, einen zylinderförmigen Hohlkörper bildend, ausgestaltet sind. Dadurch, dass die Aufnahmen kreisförmig, einen zylinderförmigen Hohlkörper bildend, ausgestaltet sind, können diese den als Zellwickel aufgewickelten Elektrolyten vollumfassend umschließen, ohne dabei nicht nutzbare Bereiche innerhalb der Gehäusewandung der Aufnahmen auszusparen. Insofern umfasst die einfachste Variante eines erfindungsgemäßen Grundelements vorteilhaft drei kreisförmige Aufnahmen, die einen zylinderförmigen Hohlkörper bilden, welche jeweils mit ihren Gehäusewandungen einen zwischen den Aufnahmen ausgestalteten fluiddichten Zwischenraum umschließen. Um in die Aufnahmen des als vorteilhaft als Strangpressprofil ausgebildeten Grundelements die gewickelten Elektrolyten einführen zu können, sind die Aufnahmen vorzugsweise an zumindest einem ihrer Enden offen ausgestaltet. In besonders bevorzugter Weise sind die Aufnahmen des Grundelements an beiden Enden offen.
In vorteilhafter Weise können die Aufnahmen, insbesondere beide Enden der Aufnahmen, durch jeweils ein Abdeckelement verschließbar sein, wobei in zumindest einem Abdeckelement die Funktion des Batteriemoduls, insbesondere elektrische Verbindungen der Batteriezellen, Anschlüsse des Batteriemoduls an die Umgebung, zumindest vorteilhaft ein Kühlmittelkreislauf und/oder zumindest vorteilhaft ein Entgasungskanal ausgebildet sind. Dabei bildet zumindest ein Abdeckelement eine funktionale Stirnplatte, in der sämtliche Funktionen des Batteriemoduls abgebildet oder ausgebildet sind. Zudem bietet zumindest ein Abdeckelement einen Anschluss des Batteriemoduls an die Umgebung. In bevorzugter Weise kann die Abbildung der Funktionen des Batteriemoduls in nur einem Abdeckelement ausgestaltet sein. Es ist auch denkbar, wenigstens eine Funktion des Batteriemoduls in beiden Abdeckelementen auszubilden. In besonders bevorzugter Weise sind die Funktionen des Batteriemoduls auf beide Abdeckelemente aufgeteilt. In einer besonders bevorzugten Ausführungsvariante von Abdeckelementen, sind in einem Abdeckelement, welches die gemeinsame Stirnplatte zum Verschließen eines offenen Endes der Aufnahmen bildet, ein Kühlmittelkreislauf und/oder zumindest ein Entgasungskanal ausgebildet, wobei der Kühlmittelkreislauf und der Entgasungskanal fluidtechnisch mit den zwischen den Aufnahmen gebildeten fluiddichten Kammern verbunden sind. Das andere Abdeckelement, welches das andere offene Ende der Aufnahmen gemeinsam abdeckt, weist vorzugsweise die Funktionen der Kontaktierung und der elektrischen Anbindung der Elektroden des Batteriemoduls auf. Um beispielsweise die in dem Grundelement in den Aufnahmen aufgenommenen Batteriezellen miteinander in Reihe zu verschalten, um insgesamt eine höhere Ausgangsspannung des Batteriemoduls zu erreichen, sind vorteilhaft zur Kontaktierung der Batteriezellen miteinander, in unterschiedlichen Kontaktierebenen Kontaktelemente (ähnlich einer Stromschienenmatte;) ausgestaltet, wobei die Kontaktelemente elektrisch durch eine in dem Abdeckelement als Isolierschicht ausgestaltete Isolierung voneinander isoliert sind. Derartige Kontaktelemente können aus Stanzgittern aufgebaut sein.
Dadurch, dass die Funktionen für das Batteriemodul in zumindest einem der Abdeckelemente über die Fläche des Abdeckelements aufgeteilt werden, kann vorteilhaft die Bauhöhe des mit dem erfindungsgemäßen Grundelement ausgestalteten Batteriemoduls auf ein Minimum reduziert werden. Um die Stromtragfähigkeit der Anschlüsse zu gewährleisten, ist ein großer Querschnitt der vorteilhaft als Stromschienen ausgestalteten Kontaktelemente gefordert. Dabei ist eine Stromschienendicke in einem Bereich von 0,5 mm bis 1 mm vorteilhaft. Eine Höhe der Isolierung zwischen den Stromschienen wird bevorzugt mit 1 mm erachtet. Insgesamt ergibt sich daraus eine Bauhöhe des Abdeckelements, welche die Funktionen der Kontaktierung und der elektrischen Anbindung des Batteriemoduls an die Umgebung aufweist, von ca. 6 mm. Dem gegenüber weist der Kühlwasserkanal, bzw. der Kühlmittelkreislauf in dem Abdeckelement ca. eine Höhe von 3 mm auf. Bei einer Maximierung der Breite und Minimierung der Höhe ist eine Höhe des Entgasungskanals mit nur 3 mm möglich. Insgesamt ergibt sich daraus eine Reduzierung des Aufbaus der Abdeckelemente eines mit dem erfindungsgemäßen Grundelement ausgestalteten Batteriemoduls gegenüber bekannten Batteriemodulen von etwa 12 mm.
Das Verfahren zur Herstellung eines Batteriemoduls, insbesondere unter Verwendung des erfindungsgemäßen Grundelements umfasst die folgenden Schritte:

– Schließen der Aufnahmen des Grundelements an zumindest einem Ende der Aufnahmen durch ein Abdeckelement durch Ausbildung einer fluiddichten Verbindung zwischen den Aufnahmen und dem Abdeckelement,
– Einbringen von Elektroden und Einfüllen jeweils von Elektrolyten über das offene Ende in die Aufnahmen,
– Kontaktieren der Elektroden mit in dem Abdeckelement ausgebildeten Anschlüssen und
– Schließen der offenen Enden der Aufnahmen des Grundelements durch ein weiteres Abdeckelement unter Ausbildung einer fluiddichten Verbindung zwischen den Aufnahmen und dem Abdeckelement.

Optional kann das Einbringen der Elektrolyten und/oder der Elektroden nach dem Schließen beider Aufnahmeenden in die Aufnahmen durch zumindest eine in dem Abdeckelement ausgestaltete verschließbare Öffnung erfolgen. Die Ausbildung der fluiddichten Verbindung zwischen dem Abdeckelement und den Aufnahmen des Grundelements erfolgt vorzugsweise mittels der Ausbildung zumindest einer stoffschlüssigen Verbindung zwischen dem Abdeckelement und dem Grundelement, vorzugsweise durch Dicht-Schweißen, beispielsweise mittels Laser(durch)strahlschweißen. Ebenfalls ist es denkbar, zu dem Abdeckelement eine separate Dichtplatte mit den Aufnahmen des Grundelements fluiddicht, d. h. vorteilhaft zumindest stoffschlüssig mit den Aufnahmen zu verbinden, bevor anschließend ein Abdeckelement mit den entsprechenden Funktionen für das Batteriemodul auf die Dichtplatte aufgebracht wird. Um beispielsweise ein Dicht-Schweißen des Abdeckelements oder der Dichtplatte mit dem Grundelement zu ermöglichen, ist das Grundelement vorteilhaft zumindest im Bereich der offenen Enden der Aufnahmen aus einem Metall oder einer Metalllegierung ausgebildet.
Ein weiterer Erfindungsaspekt ist ein Batteriemodul, dass das erfindungsgemäße Grundelement umfasst und welches vorteilhaft mit dem erfindungsgemäßen Verfahren hergestellt wird.
Um hier Wiederholungen bezüglich weiterer Vorteile des erfindungsgemäßen Verfahrens, bzw. des erfindungsgemäßen Batteriemoduls zu vermeiden, wird auf die Beschreibung der vorteilhaften Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Grundelementes verwiesen und es wird vollumfänglich auf diese zurückgegriffen.
Bevorzugte Ausführungsbeispiele:
Weitere die Erfindung verbessernde Maßnahmen ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung von Ausführungsbeispielen der Erfindung, welche in den Figuren schematisch dargestellt sind. Sämtliche aus den Ansprüchen, der Beschreibung oder den Zeichnungen hervorgehenden Merkmale und/oder Vorteile, einschließlich konstruktiver Einzelheiten, räumliche Anordnungen und Verfahrensschritte, können sowohl für sich, als auch in verschiedensten Kombinationen erfindungswesentlich sein. Dabei ist zu beachten, dass die Figuren nur beschreibenden Charakter haben und nicht dazu gedacht sind, die Erfindungen in irgendeiner Form einzuschränken.
Es zeigen:
1 Ein Ausführungsbeispiel eines Grundelements zur Ausbildung eines Batteriemoduls mit drei benachbarten als Hohlraum ausgestalteten Aufnahmen in Draufsicht;
2 eine perspektivische Ansicht eines Grundelementes zur Ausbildung eines Batteriemoduls mit neun benachbarten als Hohlkörper ausgestalteten Aufnahmen;
3 Das Grundelement aus 2 in Draufsicht mit einer Detailansicht auf einen zwischen vier benachbarten Aufnahmen ausgebildeten fluiddichten Zwischenraum;
4 Ein Batteriemodul in einer seitlichen Schnittansicht und
5 Ein Baumdiagramm des erfindungsgemäßen Verfahrens.
In den unterschiedlichen Figuren sind gleiche Teile stets mit denselben Bezugszeichen versehen, weshalb diese in der Regel nur einmal beschrieben werden.
1 zeigt in Draufsicht ein Grundelement 1 zur Ausbildung eines Batteriemoduls 100. Das Grundelement 1 umfasst drei Aufnahmen 2, die kreisförmig einen zylinderförmigen Hohlraum 3 bildend, ausgestaltet sind. Die Hohlräume 3 der Aufnahmen 2 sind jeweils von einer Gehäusewandung 4 umschlossen. Die drei nebeneinanderliegenden Aufnahmen 2, insbesondere die Gehäusewandungen 4 sind an Kontaktstellen zwischen den Gehäusewandungen 4 der einzelnen Aufnahmen 2 abschnittsweise stoff- und/formschlüssig miteinander verbunden, wodurch zwischen den Aufnahmen 2 ein fluiddichter Zwischenraum 5 gebildet wird, der insbesondere in Form einer Kammer 6 ausgestaltet ist. Die Kammer 6 umfasst eine Kammerwandung 7, die um den fluiddichten Zwischenraum 5 herum von jeweils einem Wandabschnitt 8 jeder der Gehäusewandungen 4 der drei benachbarten Aufnahmen 2 ausgebildet ist. Dabei sind die als Kammerwandung 7 ausgestalteten Wandabschnitte 8 der Gehäusewandungen 4 der Aufnahmen 2 verstärkt ausgeführt. Vorliegend ist die Verstärkung der Kammerwandung 7 durch eine dickere Wandstärke der Wandabschnitte 8 der Gehäusewandungen 4 ausgebildet. Die Verstärkung der Wandabschnitte 8 der Gehäusewandungen 4, die die Kammerwandung 7 für den als Kammer 6 ausgebildeten fluiddichten Zwischenraum 5 bilden, können auch durch entsprechende Stützstrukturen, wie beispielsweise Stützelemente oder durch geeignete Materialauswahl verstärkt werden. Vorliegend ist zwischen den drei benachbarten Aufnahmen 2 ein fluiddichter Zwischenraum 5 gebildet, der beispielsweise als Kühlmittelkanal 17 oder als Entgasungskanal 15 ausgeführt und verwendet werden kann.
2 zeigt in perspektivischer Ansicht ein Grundelement 1 zur Ausbildung eines Batteriemoduls 100 welches neun zumindest abschnittsweise stoff- und/oder formschlüssig miteinander verbundene Aufnahmen 2 umfasst. Bei dieser Ausführungsvariante mit neun miteinander verbundenen Aufnahmen 2 ist jeweils zwischen vier benachbarten Aufnahmen 2 ein Zwischenraum 5 gebildet. Insgesamt sind somit vier Zwischenräume 5 ausgestaltet. Wie in der perspektivischen Ansicht in 2 zu erkennen ist, sind die Aufnahmen 2 kreisförmig, einen zylinderförmigen Hohlkörper bildend, ausgestaltet, wobei die Aufnahmen 2 an ihren Enden offen sind. Somit kann in die als Hohlkörper ausgestalteten Aufnahmen 2 durch wenigstens eines der beiden offenen Enden jeweils Elektroden und ein Elektrolyt in die Aufnahmen 2 eingebracht werden. Nachdem die Elektroden und die Elektrolyte jeweils in die Aufnahmen 2 eingebracht wurden, können die Aufnahmen 2, die zusammen das Grundelement 1 bilden, mit einem gemeinsamen Abdeckelement 18, 19, wie in 4 dargestellt, verschlossen werden. Die zwischen den Aufnahmen 2 gebildeten fluiddichten Zwischenräume 5 können beispielsweise als Kühlmittelkanal 17 oder Entgasungskanal 15 ausgestaltet und verwendet werden. Zur Anpassung der Größe des Grundelements 1 an das auszubildende Batteriemodul 100 können die miteinander verbundenen Grundelemente 1 vorteilhaft aus einem Strangpressprofil, wie es beispielsweise für Lüsterklemmen bekannt ist, oder aus einer Grundelementematte der Form und der Anzahl an das Gehäuse des Batteriemoduls 100 angepasst, herausgetrennt werden.
Die 3 zeigt die Ausführungsvariante des Grundelements 1 aus 2 in einer Draufsicht von oben und in einer Detailansicht eines fluiddichten Zwischenraums 5 in Form einer Kammer 6. Wie insbesondere in der Detailansicht des fluiddichten Zwischenraums 5, der in Form einer Kammer 6 ausgestaltet ist, zu erkennen ist, sind die die Kammerwandung 7 des fluiddichten Zwischenraums 5 bildenden Wandabschnitte 6 der Gehäusewandungen 4 der Aufnahmen 2 abschnittsweise durch eine Verstärkung 16 verstärkt und sind zwischen den Verstärkungen 16 und den Kontaktstellen der nebeneinander liegenden und form- und/oder stoffschlüssig miteinander verbundenen Aufnahmen 2 abschnittsweise als Sollbruchstellen 14 ausgestaltet. In dem fluiddichten Zwischenraum 5 ist eine zusätzliche Zusatzkammer 10 ausgestaltet, wobei die Wandung 11 der fluiddichten Zusatzkammer 10 aus Wänden 12 und den verstärkten Wandabschnitten 8 der Gehäusewandungen 4 ausgebildet ist. Die Wände 12 sind dabei zwischen jeweils zwei nebeneinanderliegenden Aufnahmen 2 in dem fluiddichten Zwischenraum 5 ausgestaltet. Durch Ausbildung der Zusatzkammer 10, die vorliegend als Kühlmittelkanal 17 ausgestaltet ist, sind zwischen den Wänden 12 und den Wandabschnitten 8 der Gehäusewandungen, welche nicht Teil der Wandungen 11 der fluiddichten Zusatzkammer 10 sind, weitere Kammern 13 ausgestaltet. Vorliegend sind vier weitere Kammern 13 um die fluiddichte Zusatzkammer 10 ausgestaltet. Die die weiteren Kammern 13 bildenden Wände umfassen dabei die Wände 12 und abschnittsweise Wandabschnitte 8 der Gehäusewandungen 4. Um die als Kühlmittelkanal 17 ausgestaltete Zusatzkammer 10 im Falle einer Entgasung oder bei einem kritischen „Thermal Runaway“ einer Batteriezelle nicht zu beschädigen, und um eventuell austretendes Gas abführen zu können, sind die um die Zusatzkammer 10 herum ausgestalteten weiteren Kammern 13 vorteilhaft als Entgasungskanäle 15 ausgestaltet. Dabei sind die Wandabschnitte 8 der Gehäusewandungen 4, die die Wände der weiteren Kammern 13 bilden, vorliegend als Sollbruchstellen 14 ausgestaltet, sodass bei einer Ausdehnung der Gehäusewandungen über die gesprengten Sollbruchstellen 14 das Gas aus den als Hohlkörper ausgestalteten Aufnahmen 2 austreten und über die als Entgasungskanal 15 ausgestalteten weiteren Kammern 13 gezielt abgeführt werden kann. Wie in der Gesamtdraufsicht der 3 auf das Grundelement 1 zu erkennen ist, ist die einfachste Ausführungsvariante, um einen fluiddichten Zwischenraum 5 in Form von zwei Kammern 6 auszubilden, durch das Einsetzen einer Zwischenwand 9, die in Längserstreckung des Zwischenraums 5, d. h. von einem offenen Ende der Aufnahme 2 bis zu dem anderen offenen Ende der Aufnahmen 2 verläuft, ausgebildet. Durch das Einsetzen der Zwischenwand 9, werden so zwei voneinander getrennte fluiddichte Zwischenräume 5 in Form von Kammern 6 ausgestaltet. Dabei bestehen die Kammerwandungen 7 der Kammern 6 jeweils aus Wandabschnitten 8 der Gehäusewandungen 4 der Aufnahmen 2 und der Zwischenwand 9. Unabhängig der Geometrie der Zusatzkammern 10, die beispielsweise kreisrund oder zumindest teilweise quadratisch sein kann, ist die Anzahl der weiteren Kammern 13 gleich der Anzahl der miteinander zumindest stoff- und/oder formschlüssig verbundenen Aufnahmen 2. Vorliegend werden durch Ausbildung des fluiddichten Zwischenraums 5 durch die Gehäusewandungen 4 von vier benachbarten Aufnahmen 2 um die in dem Zwischenraum 5 ausgestaltete Zusatzkammer 10 vier weitere Kammern 13 gebildet. Die Anzahl, Lage und Größe der Zusatzkammern 10 zwischen den Aufnahmen 2 kann für die jeweilige konkrete Anwendung optimiert werden, bspw. der Querschnitt des Kühlmittelkanals 22 angepasst werden oder die Lage des Entgasungskanals 15 kann optimiert werden.
4 zeigt ein aus dem erfindungsgemäßen Grundelement 1 ausgestaltetes Batteriemodul 100. Die Aufnahmen 2 sind an ihren offenen Enden durch jeweils ein gemeinsames Abdeckelement 18 und 19 verschlossen. Vorliegend ist jeweils zwischen dem Abdeckelement 19 und dem Abdeckelement 18 auf die offenen Enden der Aufnahmen 2 jeweils ein Dichtblech 23 eingesetzt. Die Verbindung zwischen den Abdeckelementen 19 und 18, bzw. zwischen den Dichtblechen 23 und den Aufnahmen 2 des Grundelements 1 kann beispielsweise durch Laserstrahl-Schweißen erfolgen. In dem unteren Abdeckelement 18, wie in 4 dargestellt, sind die Funktionen des Batteriemoduls 100, nämlich ein Kühlmittelkreislauf 22 und ein Entgasungskanal 15 ausgebildet. Dem gegenüber sind die elektrischen Funktionen des Batteriemoduls 100 in dem Abdeckelement 19 in Form von Anschlüssen 21 aufgenommen. Die Anschlüsse 20 und 21 liegen dabei in unterschiedlichen Kontaktierebenen, die durch eine Isolierung 24 voneinander getrennt sind. Der in dem unteren Abdeckelement 18 ausgestaltete Kühlmittelkreislauf 22 ist mit dem als Kühlmittelkanal 17 ausgestalteten fluiddichten Zwischenraum 5, hier beispielhaft dargestellt zwischen dem von links gesehen ersten beiden Aufnahmen 2, angeschlossen. Der in dem unteren Abdeckelement 18 ausgestaltete Entgasungskanal 15 führt beispielhaft in weitere Kammern 13, die in fluiddichten Zwischenräumen 5 zwischen den Aufnahmen 2 ausgestaltet sind.
Schließlich zeigt 5 ein Baumdiagramm des erfindungsgemäßen Verfahrens 30 zur Herstellung eines Batteriemoduls 100, welches insbesondere unter Verwendung des erfindungsgemäßen Grundelements 1 hergestellt wird. In einem ersten Verfahrensschritt 40 werden die Aufnahmen 2 des Grundelements 1 an zumindest einem Ende der Aufnahmen 2 durch ein Abdeckelement 18 oder 19 durch Ausbildung einer fluiddichten Verbindung zwischen den Aufnahmen 2 und dem Abdeckelement 18 und 19 verbunden. Im nächsten Schritt 50 werden über das noch offene Ende in die Aufnahmen 2 Elektroden und Elektrolyte in die Aufnahmen 2 eingeführt. In einem weiteren Schritt 60 werden die Elektroden der Aufnahmen 2 mit in dem Abdeckelement 18 oder 19 ausgebildeten Anschlüssen 20 und 21 kontaktiert und in einem abschließenden Schritt 70 wird das noch offene Ende der Aufnahmen 2 des Grundelements 1 durch ein weiteres Abdeckelement 18 oder 19 unter Ausbildung einer fluiddichten Verbindung zwischen den Aufnahmen 2 und dem Abdeckelement 18 oder 19 geschlossen. Dabei kann die Kontaktierung der Elektroden in dem Verfahrensschritt 60 mit dem Abdeckelement 19 auch in dem abschließenden Verfahrensschritt 70 erfolgen. Grundsätzlich können die Funktionen des Batteriemoduls, nämlich die elektrische Anbindung der Elektroden an die Anschlüsse 21 und der Kühlmittelkreislauf 22 und der Entgasungskanal 15 auch in nur einem Abdeckelement 18 oder 19 ausgestaltet sein.
In einem optionalen Verfahrensschritt 80 können die Elektrolyte und/oder die Elektroden nach dem Schließen 70 der beiden offenen Enden der Aufnahmen 2 durch zumindest eine in dem Abdeckelement 18 oder 19 ausgestaltete verschließbare Öffnung eingebracht werden. Insgesamt lässt sich so mittels des Verfahrens 30 ein Batteriemodul 100 herstellen, welches mittels Anschlüssen nach außen mit einem Verbraucher kontaktiert werden kann.
Das erfindungsgemäße Grundelement 1 zur Ausbildung eines Batteriemoduls 100 bzw. das erfindungsgemäße Batteriemodul 100 findet beispielsweise in Lithium-Batterien, insbesondere in Lithiumionen-Batterien Anwendung, welche beispielsweise in Kraftfahrzeugen, die als Hybrid- oder Elektrofahrzeuge ausgelegt sind, zum Einsatz kommen.

Claims

Grundelement (1) zur Ausbildung eines Batteriemoduls (100), insbesondere eines Lithiumionen-Batteriemoduls, umfassend Aufnahmen (2), insbesondere in Form von Hohlkörpern, zur Ausbildung von Batteriezellen, insbesondere Lithiumionen-Batteriezellen, mit jeweils einer einen Hohlraum (3) umschließenden Gehäusewandung (4), wobei die Gehäusewandungen (4) von nebeneinander liegenden Aufnahmen (2) zumindest abschnittsweise derart stoff- und/oder formschlüssig miteinander verbunden sind, dass zwischen zumindest drei benachbarten Aufnahmen (2) ein fluiddichter Zwischenraum (5), insbesondere in Form einer Kammer (6), mit einer Kammerwandung (7) ausgestaltbar ist, wobei die Kammerwandung (7) von jeweils einem Wandabschnitt (8) jeder der Gehäusewandungen (4) der drei benachbarten Aufnahmen (2) ausgebildet ist.
Grundelement (1) nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Wandabschnitte (8) der Gehäusewandungen (4), welche die Kammerwandung (7) für den fluiddichten Zwischenraum (5) bilden, zumindest abschnittsweise verstärkt sind.
Grundelement (1) nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass der fluiddichte Zwischenraum (5) durch zumindest eine in Längserstreckung des Zwischenraums (5) liegende Zwischenwand (9) in zumindest zwei fluiddichte und durch die Zwischenwand (9) voneinander getrennte Kammern (6) teilbar ist.
Grundelement (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass in dem fluiddichten Zwischenraum (5) wenigstens eine fluiddichte Zusatzkammer (10) ausgestaltbar ist, wobei eine Wandung (11) der fluiddichten Zusatzkammer (10) zumindest aus zwischen den Gehäusewandungen (4) jeweils zwei nebeneinander liegender Aufnahmen (2) ausgestalteten Wänden (12) und/oder zumindest abschnittweise aus den Wandabschnitten (8) der Gehäusewandungen (4) ausgebildet ist, wobei insbesondere die Wandabschnitte (8), die die Wandung (11) der fluiddichten Zusatzkammer (10) bilden, verstärkt sind.
Grundelement (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass zwischen den Wänden (12) und den Wandabschnitten (8) der Gehäusewandungen (4), welche nicht Teil der Wandung (11) der fluiddichten Zusatzkammer (10) sind, um die fluiddichte Zusatzkammer (10) herum, weitere Kammern (13), zumindest drei weitere und von der Zusatzkammer (10) getrennte fluiddichte Kammern (13) ausgestaltbar sind.
Grundelement (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Wandabschnitte (8) der Gehäusewandung (4) zumindest abschnittsweise als Sollbruchstellen (14) ausgestaltbar sind, wobei insbesondere die Wandabschnitte (8) der Gehäusewandungen (4), welche nicht Teil der Wandung (11) der fluiddichten Zusatzkammer (10) sind, als Sollbruchstellen (14) zu den weiteren Kammern (13) ausgestaltbar sind.
Grundelement (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Kammern (6, 10, 13) als Entgasungskanal (15) und/oder als Kühlmittelkanal (17) ausgebildet sind, wobei insbesondere die fluiddichte Zusatzkammer (10) als Entgasungskanal (15) und die um die fluiddichte Zusatzkammer (10) herum ausgestalteten weiteren Kammern (13) als Kühlmittelkanäle (17) ausgestaltbar sind.
Grundelement (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Aufnahmen (2) kreisförmig, einen zylinderförmigen Hohlkörper bildend, ausgestaltet sind, wobei die Aufnahmen (2) an zumindest einem ihrer Enden offen sind.
Grundelement (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Aufnahmen (2), insbesondere beide Enden der Aufnahmen (2), durch jeweils ein Abdeckelement (18, 19) verschließbar sind, wobei in zumindest einem Abdeckelement (18, 19) die Funktionen des Batteriemoduls (100), insbesondere elektrische Verbindungen (20) der Batteriezellen, Anschlüsse (21) des Batteriemoduls (100) an die Umgebung, zumindest ein Kühlmittelkreislauf (22) und/oder zumindest ein Entgasungskanal (15) ausgebildet sind.
Batteriemodul (100) umfassend ein Grundelement (1) nach einem der Ansprüche 1–9.
Verfahren (30) zur Herstellung eines Batteriemoduls (100), insbesondere unter Verwendung eines in einem der Ansprüche 1–9 beanspruchten Grundelements (1), umfassend die folgenden Schritte: – Schließen (40) der Aufnahmen (2) des Grundelements (1) an zumindest einem Ende der Aufnahmen (2) durch ein Abdeckelement (18, 19) durch Ausbildung einer fluiddichten Verbindung zwischen den Aufnahmen (2) und dem Abdeckelement (18, 19), – Einbringen von Elektroden und Einfüllen von Elektrolyten über das offene Ende in die Aufnahmen (2), – Kontaktieren (60) der Elektroden mit in dem Abdeckelement (18, 19) ausgebildeten Anschlüssen (21) und – Schließen (70) des offenen Endes der Aufnahmen (2) des Grundelements (1) durch ein weiteres Abdeckelement (18, 19) unter Ausbildung einer fluiddichten Verbindung zwischen den Aufnahmen (2) und dem Abdeckelement (18, 19).