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Die Erfindung betrifft ein Batteriemodul für ein Kraftfahrzeug, umfassend mehrere Batteriezellen, wobei jede Batteriezelle von einem Zellengehäuse umfasst ist, welches zwei parallel zueinander angeordnete Gehäusewände aufweist, die jeweils außenseitig eine Gehäusewandfläche aufweisen, wobei die Batteriezellen derart hintereinander als Zellenstapel angeordnet sind, dass die einander zugewandten außenseitigen Gehäusewandflächen benachbarter Batteriezellen aneinander anliegen, und wobei bei jedem Zellengehäuse zwischen den beiden Gehäusewänden ein senkrecht zu diesen Gehäusewänden stehender Gehäusedeckel angeordnet ist, der mindestens einen Anschluss für einen jeweiligen elektrischen Pol der jeweils durch das Zellengehäuse umfassten Batteriezelle aufweist. Zur Erfindung gehören außerdem eine derartige Batteriezelle sowie ein Kraftfahrzeug mit einem erfindungsgemäßen Batteriemodul.
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Eine Batterie für eine Fahrzeuganwendung, insbesondere zur Bereitstellung elektrischer Energie für einen Antrieb eines Fahrzeugs, ist bekannt. Diese Batterie umfasst mehrere Batteriemodule mit jeweils einer Mehrzahl an elektrisch miteinander verschalteten elektrochemischen Batteriezellen oder Einzelzellen, die zusammen mit einer entsprechenden Elektronik und Temperierungsvorrichtung in einem gemeinsamen Gehäuse zu dem jeweiligen Batteriemodul angeordnet sind.
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Elektrochemische Prozesse, die während des Betriebs einer Batteriezelle ablaufen, können dazu führen, dass die Batteriezelle anschwillt. Dieser Anschwellprozess wird auch „Swelling“ genannt. Um dem Anschwellen entgegenzuwirken, werden die aus mehreren Batteriezellen, insbesondere prismatischen Zellen, bestehenden Zellenstapel im Batteriemodul verspannt. Dies geschieht beispielsweise mechanisch mittels Druckplatten, beispielsweise aus Metall, und Zugankern oder mittels Metallspannbändern. Die Kraftübertragung findet dabei zumeist über zwei gegenüberliegende Stirnflächen des zu verspannenden Zellenstapels statt, so dass in erster Linie ein Anschwellen der Einzelzellen in Längsrichtung des Zellenstapels unterbunden wird. Ein Anschwellen der Einzelzellen in andere Richtungen, insbesondere nach oben, kann so nicht wirksam unterbunden werden.
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Die bekannten Batteriemodule müssen mit Hilfe von Temperierungsvorrichtungen, insbesondere Kühlvorrichtungen zum Kühlen und/oder Erwärmen der Einzelzellen, auf einer optimalen Betriebstemperatur gehalten werden. Eine Temperierungsvorrichtung kann beispielsweise ein Kühlkreislauf sein, der entlang einer Längserstreckungsrichtung eines Batteriemoduls verlegt ist. Eine Kühlung über andere Flächen des Batteriemoduls, insbesondere über die in Gebrauchsstellung oben angeordnete Fläche, kann aufgrund der dort platzierten elektrischen Anschlüsse der Einzelzellen nicht realisiert werden.
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Die Kontaktierung, das heißt die elektrische Verbindung, der elektrischen Anschlüsse der Einzelzellen findet bei den bekannten Batteriemodulen in aufwendiger Einzelverbindung der jeweiligen elektrischen Anschlüsse statt, z.B. mittels einzeln verlegter Kabel oder Stromschienen. Dies führt zu einem erhöhten Bauraumbedarf sowie zu einer bauartbedingten Unübersichtlichkeit der Anschlussstruktur. Die hierbei notwendigen zahlreichen Kupferverbindungen tragen ein hohes Gewicht zum Gesamtgewicht des jeweiligen Batteriemoduls bei. Eine Gewichtsreduktion der einzelnen Bauteile eines Elektrofahrzeugs ist jedoch beispielsweise im Sinne einer größeren Reichweite des Elektrofahrzeugs besonders erstrebenswert.
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Aus der
DE 10 2011 120 511 A1 ist ein Zellblock für eine Batterie bekannt, der eine Mehrzahl seriell und/oder parallel elektrisch miteinander verschalteter elektrochemischer Einzelzellen aufweist, welche als Flachzellen ausgebildet sind. Die Flachzellen sind hierbei im Zellblock im Wesentlichen parallel zueinander ausgerichtet und hintereinander angeordnet und mittels eines Spannelements miteinander verspannt. Das Spannelement ist hierbei als eine Temperierplatte zur Temperierung der Einzelzellen ausgebildet, welche an einer Längsseite des Zellblocks angeordnet und mit den Einzelzellen thermisch gekoppelt ist. Nachteilig hierbei ist die aufwendige Kontaktierung an der Zellblockoberseite sowie, dass eine Kühlung nur über die verhältnismäßig kleinen Längsseiten des Zellblocks möglich ist.
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Aus der
DE 10 2011 007 382 A1 ist ein Energiespeichermodul für eine Vorrichtung zur Spannungsversorgung, insbesondere eines Kraftfahrzeugs, aus mehreren prismatischen Speicherzellen bekannt. Die Speicherzellen sind dabei zu mindestens einer Reihe gestapelt, hintereinander angeordnet und zwischen zwei Endplatten über Zugelemente verspannt, wobei zumindest eine der beiden Endplatten zumindest eine Ausnehmung zum Einführen eines Befestigungsmittels zur Befestigung des Energiespeichermoduls in der Vorrichtung umfasst. Die Ausnehmung ist dabei im Inneren der Endplatte ausgebildet. Nachteilig ist auch hierbei, dass die Oberseite des Energiespeichermoduls weder zur Verspannung noch zur Temperierung oder zur Anordnung von beispielsweise Einfüll- oder Entgasungsöffnungen zur Verfügung steht.
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Die
DE 10 2012 222 699 A1 offenbart eine Speicherzelle, umfassend ein Gehäuse, einen das Gehäuse dicht verschließenden Deckel, zumindest ein im Gehäuse angeordnetes elektrochemisches Element mit einem ersten Stromkollektor und einem zweiten Stromkollektor, einen mit dem ersten Stromkollektor verbundenen ersten Stromabgriff und einen mit dem zweiten Stromkollektor verbundenen zweiten Stromabgriff. Hierbei weist der Deckel eine das Gehäuse verschließende Grundplatte und zumindest eine, von der Grundplatte abstehende Rippe auf. Der erste Stromkollektor und/oder der zweite Stromkollektor und/oder der erste Stromabgriff und/oder der zweite Stromabgriff liegen dabei an der Rippe an und/oder sind mit der Rippe verbunden. Auch hier ist nachteilig, dass die Oberseite der Speicherzelle bereits durch die dort angeordneten Komponenten belegt ist. Sie steht somit weder zu Zwecken der Temperierung, noch zur Anordnung von Verspannungselementen oder zur Anordnung von Einfüll- oder Entgasungsöffnungen zur Verfügung.
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Insgesamt ist dem Stand der Technik darüber hinaus gemein, dass die einzelnen Batteriezellen als solche in der Regel als einfach gezogene Näpfe aus Aluminiumblech ausgestaltet sind. Diese Näpfe werden in komplexen Tiefziehprozessen gezogen. Somit können die Seitenwände der Näpfe fertigungsbedingt nur glatt ausgeführt werden. Dies hat zur Folge, dass die Zellen nur wenig mechanische Belastung aufnehmen können und das Aluminiumblech keine Struktursteifigkeit besitzt, was das besagte Swelling begünstigt.
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Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine aufwandsarme Kontaktierung der elektrischen Anschlüsse der Batteriezellen, welche in einem Batteriemodul angeordnet sind, zu ermöglichen.
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Die Aufgabe wird durch die Gegenstände der unabhängigen Patentansprüche gelöst. Vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung sind durch die abhängigen Patentansprüche, die folgende Beschreibung sowie die Figuren beschrieben.
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Der Erfindung liegt dabei die Erkenntnis zugrunde, dass über eine Vereinfachung der Kontaktierung der Anschlüsse der Batteriezellen in einem Batteriemodul zugleich eine vereinfachte Verspannung der Batteriezellen und eine effizientere Temperierung des Batteriemoduls erzielt werden kann.
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Durch die Erfindung ist ein Batteriemodul für ein Kraftfahrzeug bereitgestellt, welches mehrere Batteriezellen umfasst, wobei jede Batteriezelle von einem Zellengehäuse umfasst ist, d.h. individuell in einem Zellengehäuse angeordnet ist. Ein solches Zellengehäuse weist hierbei zwei parallel zueinander angeordnete Gehäusewände auf, die jeweils außenseitig eine Gehäusewandfläche aufweisen. Die einzelnen Batteriezellen des Batteriemoduls sind dabei derart hintereinander als Zellenstapel angeordnet, dass die einander zugewandten außenseitigen Gehäusewandflächen benachbarter Batteriezellen aneinander anliegen. Mit anderen Worten sind die Batteriezellen, welche das Batteriemodul umfasst, so gestapelt oder angeordnet, dass sich der Zellenstapel ergibt. Die Gehäusewände, die aneinander anliegen, können insbesondere Breitseiten des Gehäuses sein.
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Bei jedem Zellengehäuse ist zwischen den beiden Gehäusewänden ein senkrecht zu diesen Gehäusewänden stehender Gehäusedeckel angeordnet. Mit anderen Worten sind die beiden zueinander parallel stehenden Gehäusewände durch die Breite des Gehäusedeckels voneinander beabstandet. Der Gehäusedeckel weist mindestens einen Anschluss für einen jeweiligen elektrischen Pol der jeweils durch das Zellengehäuse umfassten Batteriezelle auf. Mit anderen Worten ist mindestens ein Anschluss einer Batteriezelle an dem Gehäusedeckel angeordnet. Es kann beispielsweise zwei Gehäusedeckel geben, von denen jeder einen Anschluss aufweist oder ein Gehäusedeckel kann zwei Anschlüsse (Pluspol und Minuspol) bereitstellen.
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Ein wesentliches Merkmal des hier beschriebenen Batteriemoduls besteht darin, dass bei jeder der Batteriezellen in dem jeweiligen Gehäusedeckel der mindestens eine Anschluss als Rohr oder Rinne ausgestaltet ist. Die Längserstreckungsrichtung dieses Rohrs oder dieser Rinne verläuft dabei senkrecht zu den beiden parallel zueinander angeordneten Gehäusewandflächen des Zellengehäuses. Mit anderen Worten ist der jeweilige Anschluss nicht als Bolzen oder herausstehende Struktur ausgestaltet, sondern als eine Vertiefung oder Aussparung, die sich zwischen den beiden Gehäusewänden erstreckt. Die Ein- und Austrittsöffnungen des Rohrs oder der Rinne schlie-ßen dabei jeweils bündig mit den beiden parallel zueinander angeordneten Gehäusewandflächen des Gehäuses ab. Mit anderen Worten entspricht die Länge des Rohrs oder der Rinne in Längserstreckungsrichtung dem Abstand der beiden parallel zueinander angeordneten Gehäusewände des Batteriezellengehäuses.
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Ein weiteres wesentliches Merkmal des hier beschriebenen Batteriemoduls ist, dass bei dem aus den einzelnen Batteriezellen in beschriebener Weise bestehenden Zellenstapel die Anschlüsse zueinander fluchtend angeordnet sind. Mit anderen Worten bilden die Anschlüsse, die als Rohr oder Rinne ausgestaltet sind, aufgrund der Anordnung der einzelnen Batteriezellen in dem Zellenstapel einen sich durch den Zellenstapel erstreckenden Kanal. Dieser Kanal kann entlang seiner Längserstreckungsrichtung offen oder geschlossen sein. Mit anderen Worten kann der Kanal im Querschnitt eine konkav gekrümmte Kontur oder Innenwand aufweisen, sodass die Innenwand die Form der Mantelfläche eines Halbzylinders aufweisen kann. Er kann aber auch als rundum geschlossene Röhre ausgestaltet sein. Der Kanal kann also im Querschnitt sowohl ein Kreissegment beziehungsweise einen Kreis abbilden, als auch ein beliebiges anderes Profil, beispielsweise ein an einer Seite offenes beziehungsweise geschlossenes Rechteck oder Quadrat.
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Mindestens eine Batteriezelle des Zellenstapels ist in der oben beschriebenen Weise ausgestaltet, insbesondere zwei benachbarte Batteriezellen des Zellenstapels oder mehr als zwei oder alle Batteriezellen des Zellenstapels.
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Durch die Erfindung ergibt sich der Vorteil, dass die Kontaktierung der einzelnen elektrischen Anschlüsse der einzelnen Batteriezellen durch die fluchtend angeordneten rinnen- oder röhrenförmigen Anschlüsse deutlich vereinfacht wird. Des Weiteren ergibt sich der Vorteil, dass durch die beschriebene Anordnung der elektrischen Anschlüsse der Batteriezellen eine vereinfachte Verspannung der einzelnen Batteriezellen realisiert werden kann. In vorteilhafter Weise ergibt sich durch die beschriebene Anordnung der einzelnen elektrischen Anschlüsse der einzelnen Batteriezellen der Effekt, dass die gesamte Oberseite des Batteriemoduls, also die Seite des Zellenstapels, die in Gebrauchsstellung oben ist, für andere Zwecke zur Verfügung steht. Diese Zwecke können eine verbesserte Temperierung und/oder die Anordnung von Einfüll- und/oder Entgasungsöffnungen und/oder das Nutzen der Oberfläche des Batteriemoduls zum Zwecke der Verspannung sein.
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Zu der Erfindung gehören auch Ausführungsformen, durch die sich zusätzliche Vorteile ergeben.
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Eine Ausführungsform sieht vor, dass eine elektrisch leitfähige Stange in dem Kanal angeordnet ist, welche die Anschlüsse elektrisch verbindet. Mit anderen Worten kann als Kontaktierung eine elektrisch leitfähige Stange in den Kanal gesteckt oder eingeschoben sein. Hierdurch ergibt sich der Vorteil, dass eine aufwendige Kontaktierung entfällt. Die Kontaktierung kann als Stromschiene durch den Kanal geschoben sein und von außen beispielsweise mit Schraubkontakten angezogen sein. Die elektrisch leitfähige Stange kann zum Beispiel eine Kupferstange sein.
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In der oben beschriebenen Ausführungsform kann die Stange als Zuganker in einer mechanischen Verspannungsvorrichtung, welche einem Anschwellen der Zellengehäuse entgegenwirkt, bereitgestellt sein. Mit anderen Worten dient die elektrisch leitfähige Stange in dieser Ausführungsform gleichzeitig als Verspannungsvorrichtung der Batteriezellen. Dadurch kann in vorteilhafter Weise einem Anschwellen der Batteriezellen, dem sogenannten Swelling, welches sich durch elektrochemische Prozesse während des Betriebs einer Batteriezelle einstellt, entgegengewirkt werden. In vorteilhafter Weise wird hierbei vermieden, dass zusätzliche Bauteile verwendet werden müssen, um das Batteriemodul zu verspannen. Die Batteriezellen können auch in anderer Weise verspannt sein. Dies kann beispielsweise mit einer Gewindestange erfolgen.
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Eine weitere Ausführungsform sieht vor, dass das Batteriemodul ein Modulgehäuse aufweist. Das Modulgehäuse kann dabei den Zellenstapel zumindest teilweise umgeben. Das Modulgehäuse kann den Zellenstapel auch zu einem überwiegenden Teil oder komplett umgeben. Das Modulgehäuse kann dabei in besonders vorteilhafter Weise genutzt werden, um eine Verspannung der Batteriezellen weiter zu vereinfachen.
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In einer weiteren Ausführungsform ist es vorgesehen, dass bei den Zellengehäusen an zumindest einer Schmalseite ein jeweiliges Anpresselement anliegt, welches bei einem Anschwellen des jeweiligen Zellengehäuses diesem eine Rückhaltekraft entgegensetzt und sich dabei an dem Modulgehäuse abstützt. Mit anderen Worten können zwischen Batteriezellenstapel und Modulgehäuse Anpresselemente eingelegt sein, welche bei einem Anschwellen der einzelnen Batteriezellen zwischen Zellenstapel und Modulgehäuse eingeklemmt sind. Es kann je Batteriezelle ein Anpresselement eingelegt sein. Es kann auch ein Anpresselement für mehrere Batteriezellen eingelegt sein, welches sich über mehrere Batteriezellen erstreckt. In besonders vorteilhafter Weise kann das Anpresselement oder können die Anpresselemente durch die erfindungsgemäße Anordnung der Batteriezellenanschlüsse nun auch an der Oberseite der Batteriezelle oder an den Oberseiten mehrerer Batteriezellen des Zellenstapels angeordnet sein. Ein Aufschwellen der Batteriezellen nach oben kann demnach in besonders vorteilhafter Weise in der erfindungsgemäßen Anordnung verhindert werden. Die Verspannung kann auch über ein Federsystem erfolgen.
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In einer weiteren Ausführungsform kann zum Verspannen des Zellenstapels innerhalb des Modulgehäuses der Zwischenraum zwischen Zellenstapel und Innenseite des Modulgehäuses mit einem Füllmaterial, insbesondere einem Hartschaum, ausgefüllt sein. Mit anderen Worten kann die Verspannung des Zellenstapels innerhalb des Modulgehäuses unter Nutzung aller bestehender Hohlräume zwischen Zellenstapel und Innenseite des Modulgehäuses erfolgen. Dabei kann auf Anpresselemente oder ein Federsystem verzichtet werden. Die durch das Anschwellen der Batteriezellen entstehende Kraft ist somit gleichmäßig auf die gesamte Innenfläche des Modulgehäuses verteilt. Hierdurch wird insbesondere eine punktuelle Belastung des Modulgehäuses vermieden. Insbesondere die Anordnung mit geschlossenem Kanal kann hierzu in besonders vorteilhafter Weise genutzt werden, da die Anschlüsse in dieser Anordnung im Gehäusedeckel eingebettet und somit gegen den Schaum oder das andere Füllmaterial geschützt sind. Weiterhin ist bei dieser Ausführungsform besonders vorteilhaft, dass Hartschaum als Füllmaterial verwendet werden kann, welcher leicht, aber dennoch fest ist. Dadurch kann das Gesamtgewicht des Batteriemoduls mit Modulgehäuse und Verspannvorrichtung deutlich reduziert werden.
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In einer besonders vorteilhaften Ausführungsform ist es vorgesehen, dass der Kanal entlang einer durch die Seitenflächen der Zellengehäuse gebildeten Seitenfläche des Zellenstapels verläuft. Mit anderen Worten ist der Kanal nicht an der Oberseite des Zellengehäuses angeordnet. Die Oberseite des Zellengehäuses ist dabei die Seite des Zellengehäuses, die in Gebrauchsstellung des Batteriemoduls oben ist. Die Anordnung des Kanals an einer Seitenfläche bietet, neben den oben genannten Verspannmöglichkeiten, den Vorteil, dass die Oberseite nun frei ist für Entgasungs- oder Einfüllöffnungen. Optional kann auch an der Oberseite gekühlt werden beziehungsweise Wärme abgeführt werden, die ohnedies bevorzugt nach oben steigt.
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Eine Ausführungsform sieht vor, dass bei zumindest einem der Zellengehäuse der Gehäusedeckel des Zellengehäuses zwei Anschlüsse für jeweils einen elektrischen Pol der Batteriezelle aufweist. Hierbei ist vorteilhaft, dass durch die Anordnung beider Anschlüsse der Batteriezelle auf einer Seite Bauraum gespart werden kann. Es kann auch vorgesehen sein, dass bei zumindest einem der Zellengehäuse zwei gegenüberliegende Gehäusedeckel vorgesehen sind und jeder Gehäusedeckel jeweils einen Anschluss für jeweils einen elektrischen Pol der Batteriezelle aufweist. In dieser Anordnung können die beiden elektrisch leitfähigen Stangen, nach Einschub in die Kanäle, besonders vorteilhaft Zuganker zur Verspannung der Batteriezellen sein.
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Eine weitere Ausführungsform sieht vor, dass zumindest eines der Zellengehäuse ein Strangpressprofil ist, welches eine Versteifungsstruktur mit zumindest einer Versteifungsstrebe und/oder Versteifungsrippe aufweist. Mit anderen Worten ist zumindest ein Zellengehäuse als Strangpressprofil gefertigt. Strangpressprofile sind deutlich stabiler als Blechtiefziehlösungen. Die beschriebene Versteifungsstruktur mit zumindest einer Versteifungsstrebe und/oder Versteifungsrippe erhöht die Steifigkeit des Batteriezellengehäuses noch zusätzlich. Besonders vorteilhaft können dadurch deutlich mehr Kräfte beispielsweise bei einem Unfall oder bei Swelling der Batteriezellen übertragen werden. Das Zellengehäuse kann durch die Fertigung als Strangpressprofil eine um bis zu 50 Prozent erhöhte Steifigkeit im Vergleich zu einer Blech-Tiefziehlösung aufweisen. Zudem können Strangpressprofile als Meterware hergestellt werden. Die Fertigung ist somit kostengünstig. Auf beiden Seiten des Strangpressprofils können Gehäusedeckel fluidflüssig befestigt sein. Sie können beispielsweise gebördelt oder geschweißt oder anderweitig stoffschlüssig mit dem Strangpressprofil verbunden sein, beispielsweise durch Pressen in Kombination mit Laserschweißen.
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In einer weiteren Ausführungsform ist bei zumindest einem der Zellengehäuse an dem Gehäusedeckel des Zellengehäuses ein Zellwickel vormontiert. Mit anderen Worten ist der Zellwickel bereits am Gehäusedeckel des Zellengehäuses befestigt, bevor der Gehäusedeckel und das Zellengehäuse zusammengebaut sind. Der Zellwickel kann dabei auch mit beiden Gehäusedeckeln vormontiert sein. Der so vormontierte Verbund aus Gehäusedeckeln mit Zellwickel kann seitlich in das Strangpressprofil eingeschoben sein. Eine so modularisierte Herstellung ist mit wenigen Arbeitsschritten und somit günstiger zu realisieren, als eine Einzelmontage.
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Eine weitere Ausführungsform sieht vor, dass mindestens eines der Zellengehäuse mit Hohlkanälen versehen ist. Die Hohlkanäle enthalten ein Kühlmedium. Die Hohlkanäle erhöhen zum einen die Steifigkeit des Zellengehäuses zusätzlich, zum anderen können sie eine effektive Batteriezellenkühlung ermöglichen. Hierzu kann über entsprechende Anschlussstellen ein Kühlmittelkreislauf bereitgestellt sein, welcher den gesamten Zellenstapel kühlt. Ein Kühlmittel kann dabei zum Beispiel Luft oder Wasser oder ein Klimamittel (z.B. ein Wasser-Glykol-Gemisch) sein. Die Kühlkanäle beziehungsweise Hohlkanäle in den Zellengehäusen sind dabei nur einige Zehntel Millimeter groß.
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Die Erfindung betrifft zudem eine Batteriezelle mit einem Zellengehäuse. Das Zellengehäuse weist dabei zwei parallel zueinander angeordnete Gehäusewände auf, die jeweils außenseitig eine Gehäusewandfläche aufweisen. Zwischen den beiden Gehäusewänden ist ein senkrecht zu diesen Gehäusewänden stehender Gehäusedeckel angeordnet, der mindestens einen Anschluss für einen jeweiligen elektrischen Pol der jeweiligen Batteriezelle aufweist. Ein wesentliches Merkmal der Batteriezelle ist dabei, dass in dem jeweiligen Gehäusedeckel der mindestens eine Anschluss als Rohr oder Rinne mit einer Längserstreckungsrichtung ausgestaltet ist. Die Längserstreckungsrichtung verläuft dabei senkrecht zu den beiden parallel zueinander angeordneten Gehäusewandflächen des Zellengehäuses. Die Ein- und Austrittsöffnungen des Rohrs oder der Rinne schließen dabei jeweils bündig mit den beiden parallel zueinander angeordneten Gehäusewandflächen des Zellengehäuses ab.
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Die Erfindung betrifft zudem ein Kraftfahrzeug mit einem erfindungsgemäßen Batteriemodul zum Antreiben einer elektrischen Antriebsmaschine des Kraftfahrzeugs. Das Batteriemodul kann in das Kraftfahrzeug integriert sein oder zusätzlich zu dem Kraftfahrzeug bereitgestellt sein.
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Das erfindungsgemäße Kraftfahrzeug ist bevorzugt als Kraftwagen, insbesondere als Personenkraftwagen oder Lastkraftwagen, oder als Personenbus oder Motorrad ausgestaltet.
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Die Erfindung umfasst auch die Kombinationen der Merkmale der beschriebenen Ausführungsformen.
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Im Folgenden sind Ausführungsbeispiele der Erfindung beschrieben. Hierzu zeigen:
- 1 eine schematische Darstellung eines Zellenstapels mit seitlich angeordnetem Anschlusskanal;
- 2 eine schematische perspektivische Darstellung eines Batteriezellengehäuses mit seitlich angeordneten rinnenförmigen Anschlüssen an beiden Seitenflächen;
- 3 eine schematische Seitenansicht eines Batteriezellengehäuses mit seitlich angeordneten rinnenförmigen Anschlüssen an beiden Seitenflächen;
- 4 eine schematische Seitenansicht eines Batteriezellengehäuses mit seitlich angeordneten geschlossenen Anschlusskanälen an beiden Seitenflächen;
- 5 eine schematische Darstellung eines Zellwickels im Inneren eines Batteriezellengehäuses mit geschlossenen Kanälen als Anschlüsse;
- 6 eine schematische perspektivische Darstellung eines Batteriezellengehäuses mit geschlossenen Kanälen als Anschlüsse und einer Einführöffnung für eine Gewindestange; und
- 7 eine schematische Darstellung eines Querschnitts eines Batteriezellengehäuses mit Hohlkanälen.
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Bei den im Folgenden erläuterten Ausführungsbeispielen handelt es sich um bevorzugte Ausführungsformen der Erfindung. Bei den Ausführungsbeispielen stellen die beschriebenen Komponenten der Ausführungsformen jeweils einzelne, unabhängig voneinander zu betrachtende Merkmale der Erfindung dar, welche die Erfindung jeweils auch unabhängig voneinander weiterbilden und damit auch einzeln oder in einer anderen als den gezeigten Kombinationen als Bestandteil der Erfindung anzusehen sind. Des Weiteren sind die beschriebenen Ausführungsformen auch durch weitere der bereits beschriebenen Merkmale der Erfindung ergänzbar.
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In den Figuren bezeichnen gleiche Bezugszeichen jeweils funktionsgleiche Elemente.
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Im Folgenden ist anhand von 1, 2 und 3 eine mögliche Ausgestaltung eines Batteriemoduls erläutert.
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1 zeigt ein Batteriemodul 10, umfassend einen Zellenstapel 12 aus mehrere Batteriezellen 14, welche jeweils von einem Zellengehäuse 16 umfasst sind. Der Zellenstapel 12 kann von einem (nicht dargestellten) Modulgehäuse des Batteriemoduls 10 umgeben sein. Die einzelnen Batteriezellen 14 sind dabei zu einem Zellenstapel 12 angeordnet. Die einzelnen Zellengehäuse 16 weisen zwei parallel zueinander angeordnete Gehäusewände 18, 18' auf (nicht in 1 gezeigt). Die Gehäusewände 18, 18' weisen jeweils außenseitig eine Gehäusewandfläche 20, 20' auf. Die Batteriezellen 14 sind in 1 derart hintereinander als Zellenstapel 12 angeordnet, dass die einander zugewandten außenseitigen Gehäusewandflächen 20, 20' benachbarter Batteriezellen 14 aneinander anliegen. Bei jedem Zellengehäuse 16 ist zwischen den beiden Gehäusewänden 18, 18' ein senkrecht zu diesen Gehäusewänden 18, 18' stehender Gehäusedeckel 22 angeordnet.
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2 und 3 zeigen jeweils ein einzelnes der Zellengehäuse 16.
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In der in 1 bis 3 gezeigten Ausführungsform weisen die Batteriezellen 14 jeweils zwei Gehäusedeckel 22 auf. Jeder der beiden Gehäusedeckel 22 weist dabei einen Anschluss 24 (siehe 2 und 3) für den jeweiligen elektrischen Pol der jeweils durch das Zellengehäuse 16 umfassten Batteriezelle 14 auf. Jeder der in 1 gezeigten Anschlüsse 24 ist dabei als offene Rinne mit einer Längserstreckung ausgestaltet. Alternativ dazu kann eine Ausgestaltung als Rohr (nicht dargestellt) vorgesehen sein. Die Längserstreckungsrichtung des jeweiligen Anschlusses verläuft dabei senkrecht zu den beiden parallel zueinander angeordneten Gehäusewandflächen 20, 20' des Zellengehäuses 16.
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Bei dem in 1 gezeigten Zellenstapel 12 sind die Anschlüsse 24 zueinander fluchtend angeordnet. Hierdurch ergibt sich ein sich durch den Zellenstapel 12 erstreckender Kanal 26. Der Kanal 26 ist in 1 als offener Kanal dargestellt. In den Kanal 26 kann eine elektrisch leitfähige Stange eingeschoben oder eingesteckt sein, welche die Anschlüsse 24 elektrisch verbindet. Die Kontaktierung kann somit als Stromschiene durch den Kanal 26 geschoben sein.
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In der in 1 gezeigten Ausführungsform kann auf beiden Seiten des Zellenstapels 12 eine solche elektrisch leitfähige Stange eingesteckt oder eingeschoben sein. Diese beiden Stangen können gleichzeitig Zuganker in einer mechanischen Verspannungsvorrichtung sein, welche einem Anschwellen der Zellengehäuse 16 entgegenwirkt.
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Die 2 und 3 zeigen schematische Darstellungen eines Zellengehäuses 16. Das Zellengehäuse 16 ist in den hier gezeigten Ausführungsformen jeweils als Strangpressprofil ausgebildet. Das Strangpressprofil weist hierbei zwei seitliche Öffnungen auf, welche im Fertigungsprozess mit jeweils einem Gehäusedeckel 22 verschlossen sind. In 2 und 3 tragen beide Gehäusedeckel 22 jeweils einen Anschluss 24 der Batteriezelle 14. Die Gehäusedeckel 22 sind fluidschlüssig mit dem Rest des Zellengehäuses 16 verbunden. Die Gehäusedeckel 22 können mit einem Zellwickel 32 vormontiert sein. Es kann dabei ein Gehäusedeckel 22 mit dem Zellwickel 32 vormontiert sein, oder beide. In letzterem Fall muss darauf geachtet werden, dass einer der beiden Gehäusedeckel 22 das Untermaß des Strangpressprofils nicht überschreiten darf, um ein Einschieben der so vormontierten Gehäusedeckel 22 in das Strangpressprofil zu ermöglichen.
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4 zeigt ein Batteriezellengehäuse 16, wobei in dieser Ausführungsform die Anschlüsse 24 jeweils als geschlossener Kanal 26 ausgebildet sind. In der hier gezeigten Ausführungsform sind die Anschlüsse 24 geschützt im Inneren des jeweiligen Gehäusedeckels 22 angeordnet. In dem hier gezeigten Ausführungsbeispiel kann eine Verspannung des Zellenstapels 12 innerhalb des Modulgehäuses des Batteriemoduls 10 besonders vorteilhaft durch ein Ausschäumen des Modulgehäuses mit einem Hartschaum bereitgestellt sein.
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5 zeigt beispielhaft das Innere einer Batteriezelle 14. Der Zellwickel 32 ist dabei an zwei gegenüberliegenden Seitenflächen mit Anschlüssen 24 verbunden. Die Anschlüsse 24 sind dabei als geschlossene Kanäle 26 ausgebildet. Die geschlossenen Kanäle 26 sind in die Gehäusedeckel 22 eingebettet. Dadurch ergibt sich der Vorteil, dass die Anschlüsse 24 nach außen geschützt sind. Wie bereits ausgeführt, kann der Zellenstapel 12 in dieser Ausführungsform besonders vorteilhaft mittels eines Hartschaums innerhalb des Modulgehäuses verspannt sein.
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Die Verspannung des Zellenstapels 12 kann auch über eine Gewindestangenanordnung realisiert sein. Hierzu sind Einführöffnungen 30, wie in 6 gezeigt, seitlich in dem Gehäusedeckel 22 bereitgestellt.
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7 zeigt einen schematischen Querschnitt durch ein Zellengehäuse 16. Hierbei sind Hohlkanäle 34 eingezeichnet. In den Hohlkanälen kann ein Kühlmittel zirkulieren. Sie dienen des Weiteren zu einer zusätzlichen Versteifung des Zellengehäuses 16. Die Hohlkanäle 34 in den einzelnen Zellengehäusen 16 können im Zellenstapel 12 fluchtend angeordnet sein. Dadurch ergibt sich in vorteilhafter Weise ein Kühlkreislauf für das gesamte Batteriemodul 10.
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Batteriemodule, insbesondere Batteriemodule mit prismatischen Zellen, werden aktuell mit Druckplatten in Metall und Zugankern oder Metallspannbändern, welche außen um den Zellenstapel herumgeführt werden, hergestellt. In der Regel werden die Metallspannbänder verschweißt und die Zuganker verschraubt.
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Die bekannten Batteriezellen sind einfach gezogene Näpfe in Aluminiumblech mit einem Deckel. Nachteilig hierbei ist, dass die Näpfe in sehr komplexen Tiefziehprozessen gezogen werden, um die Tiefe der Batteriezellen fertigen zu können. Somit können die Seitenwände nur glatt ausgeführt werden.
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So gefertigte Batteriezellen können keine mechanische Belastung aufnehmen da das Aluminiumblech keine Struktursteifigkeit besitzt.
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In einem konkreten Ausführungsbeispiel sind die Batteriezellen in einem Strangpressprofil eingebettet, welches eine Struktur aufweist. Zudem befinden sich die Pole (also die Anschlüsse) seitlich.
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Vorteilhaft hierbei ist es, dass nun die in Gebrauchsstellung sich oben befindliche Fläche zur Verspannung des Batteriemoduls im Modulgehäuse genutzt werden kann, also keine Schrauben mehr benötigt werden. Zudem können so gefertigte Batteriemodule beispielsweise mit Schaum (also mit Hartschaum) verspannt werden, sobald der Deckel des Modulgehäuses montiert ist.
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Zusätzlich kann bei derartig gefertigten Batteriemodulen an der in Gebrauchsstellung sich oben befindlichen Fläche eine Kühleinrichtung angeordnet werden.
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Das Strangpressprofil kann deutlich mehr Kräfte übertragen, als eine Blech-Tiefziehlösung, beispielsweise im Falle eines Unfalls des Kraftfahrzeugs, oder auch Kräfte, die durch Swelling der Zellwicklung auftreten.
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Die Kühlung der Batteriezellen kann gemäß einem konkreten Ausführungsbeispiel direkt im Strangpressprofil erfolgen, indem im Strangpressprofil Hohlkammern oder Hohlkanäle angeordnet sind, in denen gezielt ein Kühlmedium zirkuliert. Ein Kühlmedium kann ein Klimamittel, Luft oder Wasser sein.
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Die Hohlkammern bzw. Hohlkanäle verbessern die Steifigkeit des Strangpressprofils zusätzlich.
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In einem konkreten Ausführungsbeispiel kann die Kontaktierung der Batteriezellen seitlich in den Kanal gesteckt oder eingeschoben sein, der sich durch die erfindungsgemäße Anordnung der Anschlüsse an den Batteriezellen ergibt. Die beiden Anschlüsse der Batteriezelle bilden hierbei jeweils einen Deckel, der auf das Strangpressprofil geschweißt ist. Die Kontaktierung kann beispielsweise mittels partieller Schrauben befestigt sein.
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Insgesamt zeigen die Beispiele, wie durch die Erfindung eine Batteriezelle mit seitlichen Anschlüssen und einer Strukturfunktion sowie ein Batteriemodul mit derartigen Batteriezellen bereitgestellt werden kann.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- DE 102011120511 A1 [0006]
- DE 102011007382 A1 [0007]
- DE 102012222699 A1 [0008]
