DE102019130916A1

DE102019130916A1 - Battery, motor vehicle with such a battery and method for producing such a battery

Info

Publication number: DE102019130916A1
Application number: DE102019130916.6A
Authority: DE
Inventors: Jürgen-Albert Holl; Stephan Rentenberger
Original assignee: Audi AG
Current assignee: Audi AG
Priority date: 2019-11-15
Filing date: 2019-11-15
Publication date: 2021-05-20

Abstract

Die Erfindung betrifft eine Batterie (18) mit einer Vielzahl an Batteriezellen (20), die mittels einer Verspannvorrichtung mechanisch zu Zellstapeln verspannt sind. Die Verspannvorrichtung überträgt einen Verspanndruck auf einen jeweiligen Zellstapel, der gemeinsam mit einem durch eine betriebsbedingte, fortschreitende Volumenzunahme (Δd) der Batteriezellen (20) erzeugten Anschwelldruck einen auf den Zellstapel wirkenden Gesamtdruck bildet. Zwischen zumindest zwei benachbart zueinander angeordneten Batteriezellen (20) ist jeweils zumindest ein Zwischenelement (24) angeordnet. Das Zwischenelement (24) beabstandet die Batteriezellen (20) voneinander und weist unter Einwirkung eines vorbestimmten Ausgangsdrucks eine Ausgangsform auf. In der Ausgangsform überdeckt das Zwischenelement (24) die jeweiligen Batteriezellen (20) nur zum Teil und innerhalb eines vorbestimmten Überdeckungsbereichs (26), wobei es dazu ausgebildet ist, in Abhängigkeit von einem jeweils aktuellen Gesamtdruck, der oberhalb des Ausgangsdrucks liegt, ausgehend von der Ausgangsform in einen Teilbereich außerhalb des vorbestimmten Überdeckungsbereichs (26) hinein verquetscht zu werden und hierbei dem jeweils aktuellen Gesamtdruck eine diesem entgegenwirkende Rückstellkraft entgegenzusetzen.The invention relates to a battery (18) with a multiplicity of battery cells (20) which are mechanically braced to form stacks of cells by means of a bracing device. The tensioning device transmits a tensioning pressure to a respective cell stack, which together with a swelling pressure generated by an operationally-related, progressive increase in volume (Δd) of the battery cells (20) forms a total pressure acting on the cell stack. At least one intermediate element (24) is arranged between at least two battery cells (20) arranged adjacent to one another. The intermediate element (24) separates the battery cells (20) from one another and has an initial shape under the action of a predetermined initial pressure. In the initial form, the intermediate element (24) covers the respective battery cells (20) only partially and within a predetermined overlap area (26), whereby it is designed to be dependent on a current total pressure which is above the initial pressure, starting from the Starting shape to be squeezed into a partial area outside the predetermined overlap area (26) and to counteract the current total pressure with a restoring force counteracting this.

Description

Die Erfindung betrifft eine Batterie mit einer Vielzahl an Batteriezellen. Die Erfindung betrifft darüber hinaus ein Kraftfahrzeug, insbesondere ein zumindest teilweise elektrisch angetriebenes Kraftfahrzeug, mit einer solchen Batterie sowie ein Verfahren zum Herstellen einer solchen Batterie.The invention relates to a battery with a plurality of battery cells. The invention also relates to a motor vehicle, in particular an at least partially electrically driven motor vehicle, with such a battery and a method for producing such a battery.

Im Zusammenhang mit der vorliegenden Erfindung ist die Batterie bevorzugt als eine sogenannte Hochvoltbatterie ausgebildet. Solche Hochvoltbatterien werden in der Regel in zumindest teilweise elektrisch angetriebenen Kraftfahrzeugen als Energiespeicher zum Speichern einer für einen Antrieb eines solchen Kraftfahrzeugs erforderlichen elektrischen Antriebsenergie bereitgestellt. Eine Hochvoltbatterie ist dazu ausgebildet, elektrische Spannungen im Bereich von mehr als 60 Volt, insbesondere mehreren Hundert Volt, bereitzustellen. Dies wird in der Regel realisiert durch eine elektrische Verschaltung einer Vielzahl einzelner Batteriezellen der Batterie in Reihe und/oder parallel. Solche Batteriezellen weisen in der Regel eine Einzelspannung von 3 bis 5 Volt, insbesondere von 3,5 Volt auf. Die Batteriezellen können als prismatische Zellen oder als Pouch-Zellen oder als Rundzellen ausgebildet sein. Im Zusammenhang mit der vorliegenden Erfindung sind die Batteriezellen bevorzugt als prismatische Zellen ausgebildet und mechanisch zu jeweiligen Zellstapeln miteinander verspannt.In connection with the present invention, the battery is preferably designed as a so-called high-voltage battery. Such high-voltage batteries are generally provided in at least partially electrically driven motor vehicles as an energy store for storing the electrical drive energy required to drive such a motor vehicle. A high-voltage battery is designed to provide electrical voltages in the range of more than 60 volts, in particular several hundred volts. This is usually implemented by electrically connecting a large number of individual battery cells of the battery in series and / or in parallel. Such battery cells generally have an individual voltage of 3 to 5 volts, in particular 3.5 volts. The battery cells can be designed as prismatic cells or as pouch cells or as round cells. In connection with the present invention, the battery cells are preferably designed as prismatic cells and mechanically braced with one another to form respective cell stacks.

Bekanntermaßen schwellen Batteriezellen der eingangs beschriebenen Art mit fortschreitendem Alter oder fortschreitender Lebensdauer an. Mit anderen Worten vergrößert sich ein jeweiliges Batteriezellenvolumen oder eine Dicke einer Batteriezelle mit zunehmendem Alter. Dieses Anschwellen oder Swelling wird zumindest teilweise durch physiko-chemische Prozesse im Inneren einer jeweiligen galvanischen Zelle, bestehend aus Anode und Kathode, einer jeweiligen Batteriezelle hervorgerufen. Das beschriebene graduelle Anwachsen einer jeweiligen Batteriezelle wird überlagert von An- und Abschwellintervallen, wobei ein jeweiliges Anschwellintervall zumeist mit einem elektrischen Aufladen einer jeweiligen Batteriezelle einhergeht und ein jeweiliges Abschwellintervall mit dem elektrischen Entladen der jeweiligen Batteriezelle in Zusammenhang steht. Das beschriebene An- und Abschwellen sowie der übergeordnete Dickenzuwachs der einzelnen Batteriezellen einer Batterie, die, wie oben beschrieben, zu Zellstapeln mechanisch miteinander verspannt sind, führen zu einer mechanischen Belastung der Batteriezellen und der gesamten Batterie.It is known that battery cells of the type described at the beginning swell with increasing age or increasing service life. In other words, a respective battery cell volume or a thickness of a battery cell increases with increasing age. This swelling or swelling is at least partially caused by physico-chemical processes inside a respective galvanic cell, consisting of anode and cathode, of a respective battery cell. The described gradual growth of a respective battery cell is superimposed by swelling and swelling intervals, a respective swelling interval mostly being associated with an electrical charging of a respective battery cell and a respective decreasing interval being related to the electrical discharging of the respective battery cell. The swelling and swelling described, as well as the superordinate increase in thickness of the individual battery cells of a battery, which, as described above, are mechanically braced to one another to form cell stacks, lead to mechanical stress on the battery cells and the entire battery.

Aus dem Stand der Technik sind verschiedene Ansätze bekannt, das genannte Anschwellen und Abschwellen zu kontrollieren oder zu kompensieren. Ein Ansatz besteht darin, bereits im Inneren einer galvanischen Zelle einer jeweiligen Batteriezelle eine elastische Separatorfolie bereitzustellen, die ihre Form elastisch anpassen kann, um Volumenänderungen der negativen Elektrode oder Anode und der positiven Elektrode oder Kathode zu kompensieren. Dieser Ansatz ist unter anderem Gegenstand der DE 11 2016 006 970 T5 . Der Einsatz einer solchen elastischen Separatorfolie erhöht in nachteiliger Weise die technische und physiko-chemische Komplexität im Inneren einer jeweiligen galvanischen Zelle.Various approaches are known from the prior art for controlling or compensating for said swelling and swelling. One approach is to provide an elastic separator film already inside a galvanic cell of a respective battery cell, which can adjust its shape elastically in order to compensate for changes in volume of the negative electrode or anode and the positive electrode or cathode. This approach is, among other things, the subject of DE 11 2016 006 970 T5 . The use of such an elastic separator film disadvantageously increases the technical and physico-chemical complexity inside a respective galvanic cell.

Ein weiterer bekannter Ansatz, um das beschriebene Phänomen des An- und Abschwellens der Batteriezellen zu kontrollieren oder zu unterdrücken, besteht darin, zwischen die einzelnen Batteriezellen eines beschriebenen Zellstapels vollflächige Zwischenelemente einzubringen, die in der Art eines Schaums oder eines anderweitig elastischen Materials ein jeweiliges An- und Abschwellen kontrolliert begleiten. In diesem Zusammenhang beschreibt beispielsweise die gattungsbildende WO 2018/022907 A1 eine Batterieanordnung mit einer Vielzahl von Lagen, beispielsweise einer Vielzahl von Schaumschichten und einer Vielzahl von thermisch leitenden Schichten. Die Schaumschichten sind dazu ausgebildet, ein Anschwellen der Batteriezellen zuzulassen und zugleich ein im Wesentlichen konstantes Druckniveau auf die Batteriezellen aufzubringen.Another known approach for controlling or suppressing the described phenomenon of swelling and swelling of the battery cells consists in introducing full-area intermediate elements between the individual battery cells of a described cell stack, which have a respective type of foam or some other elastic material - and accompany the swelling in a controlled manner. In this context, for example, describes the generic WO 2018/022907 A1 a battery assembly with a plurality of layers, for example a plurality of foam layers and a plurality of thermally conductive layers. The foam layers are designed to allow the battery cells to swell and at the same time to apply an essentially constant pressure level to the battery cells.

In ähnlicher Weise beschreibt die US 2015/0017504 A1 eine Batteriezellenanordnung, wobei ein Polstermaterial als ein elastischer Körper zwischen zwei Batteriezellen, welche zueinander benachbart angeordnet sind, eingelegt ist. Das Polstermaterial hat auch hier im Wesentlichen dieselbe Form wie die aneinander anliegenden Hauptflächen der Batteriezellen.Similarly, describes the US 2015/0017504 A1 a battery cell arrangement, wherein a cushioning material is inserted as an elastic body between two battery cells which are arranged adjacent to one another. Here, too, the cushioning material has essentially the same shape as the main surfaces of the battery cells that rest against one another.

Nachteilig bei den beiden letztgenannten Lösungen aus dem Stand der Technik ist es, dass durch die vollflächig eingefügten Zwischenlagen oder Zwischenelemente aus elastischem Material erhöhte Produktionskosten und ein erhöhtes Gesamtgewicht der Batterie erzeugt werden. Zudem werden besondere Erfordernisse an das jeweilige elastische Material dadurch gestellt, dass das Material bei einer Kompression nicht in einen Ausweichbereich ausweichen kann, sondern die Deformation der Batteriezellen durch eine reine Kompression aufnehmen muss.The disadvantage of the two last-mentioned solutions from the prior art is that the intermediate layers or intermediate elements made of elastic material inserted over the entire surface generate increased production costs and an increased overall weight of the battery. In addition, special requirements are placed on the respective elastic material in that the material cannot move into an avoidance area during compression, but has to absorb the deformation of the battery cells through pure compression.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, in einer Batterie der eingangs beschriebenen Art das beschriebene An- und Abschwellen der Batteriezellen und auch die beschriebene fortschreitende Volumenzunahme der Batteriezellen über ihre gesamte Lebensdauer unter kontrollierten Druckbedingungen zuzulassen, wobei ein Gesamtgewicht der Batterie vorteilhaft gegenüber dem Bekannten reduziert werden soll und zugleich eine Montage der jeweiligen Batterie vereinfacht werden soll.The invention is based on the object of permitting the described swelling and declining of the battery cells and also the described progressive increase in volume of the battery cells over their entire service life under controlled pressure conditions in a battery of the type described above, the overall weight of the battery advantageously being reduced compared to the known is to be and at the same time an assembly of the respective battery is to be simplified.

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.The object is achieved by the subjects of the independent claims. Advantageous further developments of the invention are described by the dependent claims, the following description and the figures.

Durch die Erfindung ist eine Batterie der eingangs beschriebenen Art bereitgestellt. Die erfindungsgemäße Batterie umfasst eine Vielzahl an Batteriezellen, wobei jeweils eine vorbestimmte Anzahl der Batteriezellen mittels einer Verspannvorrichtung mechanisch zu einem Zellstapel verspannt ist. Die Verspannvorrichtung kann als eine Vorrichtung mit endständig zu dem Zellstapel angeordneten Verspannplatten und die Verspannplatten verbindenden Zugankern oder Seitenbändern realisiert sein. In jedem Fall ist die Verspannvorrichtung dazu ausgebildet, einen Verspanndruck auf den Zellstapel zu übertragen. In der erfindungsgemäßen Batterie sind also der Verspanndruck und ein durch eine betriebsbedingte, fortschreitende Volumenzunahme der Batteriezellen erzeugter und ebenfalls fortschreitender Anschwelldruck zu einem auf den Zellstapel wirkenden Gesamtdruck addiert. Gemäß dem oben beschriebenen Effekt der sukzessiven Volumenzunahme der Batteriezellen über ihre gesamte Lebensdauer nimmt also der Gesamtdruck, der auf den Zellstapel wirkt, fortschreitend zu.The invention provides a battery of the type described at the outset. The battery according to the invention comprises a multiplicity of battery cells, a predetermined number of the battery cells in each case being mechanically braced to form a cell stack by means of a bracing device. The bracing device can be implemented as a device with bracing plates arranged at the end of the cell stack and tie rods or side straps connecting the bracing plates. In any case, the tensioning device is designed to transmit a tensioning pressure to the cell stack. In the battery according to the invention, the clamping pressure and a likewise progressive swelling pressure generated by an operationally induced, progressive increase in volume of the battery cells are added to a total pressure acting on the cell stack. In accordance with the above-described effect of the successive increase in volume of the battery cells over their entire service life, the total pressure that acts on the cell stack increases progressively.

Zwischen zumindest zwei benachbart zueinander angeordneten Batteriezellen und/oder zwischen einer jeweiligen endständigen Batteriezelle des Zellstapels und einer zu der jeweiligen endständigen Batteriezelle benachbart angeordneten Verspannplatte der Verspannvorrichtung ist jeweils zumindest ein Zwischenelement angeordnet. Mit anderen Worten wechseln sich Batteriezellen und Zwischenelemente innerhalb eines jeweiligen Zellstapels ab. Ein jeweiliger Zellstapel weist also einen geschichteten Aufbau aus Batteriezellen und Zwischenelementen auf. Ein Zwischenelement kann dabei zwischen jeder der Batteriezellen und der ihr benachbart angeordneten Batteriezelle angeordnet sein. Es ist allerdings auch denkbar, ein jeweiliges Zwischenelement nur zwischen jeder zweiten oder gar jeder dritten Batteriezelle und der ihr benachbart angeordneten Batteriezelle anzuordnen. In jedem Fall sind durch das jeweilige Zwischenelement die jeweiligen benachbarten Batteriezellen und/oder die jeweilige endständige Batteriezelle und die zu ihr benachbart angeordnete Verspannplatte voneinander beabstandet. Mit anderen Worten entspricht der Abstand zwischen den jeweiligen Batteriezellen und/oder der Abstand zwischen der jeweils endständigen Batteriezelle und der zu ihr benachbart angeordneten Verspannplatte einer Dicke des Zwischenelements.At least one intermediate element is in each case arranged between at least two battery cells arranged adjacent to one another and / or between a respective terminal battery cell of the cell stack and a clamping plate of the clamping device arranged adjacent to the respective terminal battery cell. In other words, battery cells and intermediate elements alternate within a respective cell stack. A respective cell stack thus has a layered structure of battery cells and intermediate elements. An intermediate element can be arranged between each of the battery cells and the battery cell arranged adjacent to it. However, it is also conceivable to arrange a respective intermediate element only between every second or even every third battery cell and the battery cell arranged adjacent to it. In any case, the respective adjacent battery cells and / or the respective terminal battery cell and the bracing plate arranged adjacent to it are spaced apart from one another by the respective intermediate element. In other words, the distance between the respective battery cells and / or the distance between the respective terminal battery cell and the bracing plate arranged adjacent to it corresponds to a thickness of the intermediate element.

Das jeweilige Zwischenelement weist unter Einwirkung eines vorbestimmten Ausgangsdrucks eine Ausgangsform auf. Der vorbestimmte Ausgangsdruck entspricht bevorzugt dem Verspanndruck, welcher bereits bei der Montage der Batterie auf den Zellstapel aufgebracht werden kann. Mit anderen Worten entspricht der vorbestimmte Ausgangsdruck bevorzugt dem anfänglich, also zu Beginn ihrer Lebenszeit, auf die Batteriezellen wirkenden Gesamtdruck. Der vorbestimmte Ausgangsdruck liegt bevorzugt in einem Bereich zwischen 1 und 20 kN, insbesondere bei 5 kN.The respective intermediate element has an initial shape under the action of a predetermined initial pressure. The predetermined output pressure preferably corresponds to the clamping pressure which can already be applied to the cell stack during assembly of the battery. In other words, the predetermined output pressure preferably corresponds to the total pressure acting on the battery cells initially, that is to say at the beginning of their life. The predetermined outlet pressure is preferably in a range between 1 and 20 kN, in particular 5 kN.

Die erfindungsgemäße Batterie ist dadurch gekennzeichnet, dass das jeweilige Zwischenelement in der genannten Ausgangsform die jeweiligen Batteriezellen nur zum Teil und innerhalb eines vorbestimmten Überdeckungsbereichs überdeckt. Mit anderen Worten überdeckt das jeweilige Zwischenelement in der Ausgangsform die jeweiligen Batteriezellen nicht vollflächig, sondern nur bereichsweise. Die Überdeckung beträgt bevorzugt 10 bis 30 Prozent der jeweiligen Batteriezelle oder der jeweiligen durch das Zwischenelement überdeckten Seitenfläche der Batteriezelle. Besonders bevorzugt beträgt die Überdeckung 50 Prozent, insbesondere bis zu 80 Prozent der genannten Seitenfläche. Das Zwischenelement ist erfindungsgemäß dazu ausgebildet, in Abhängigkeit von einem jeweils aktuellen Gesamtdruck, der oberhalb des Ausgangsdrucks liegt, ausgehend von der Ausgangsform in einen Teilbereich außerhalb des vorbestimmten Überdeckungsbereichs hinein verquetscht zu werden. Mit anderen Worten wird also das Zwischenelement unter Einwirkung des jeweils aktuellen Gesamtdrucks aus der Ausgangsform ausgelenkt oder aus ihr heraus verformt und hierbei in einen vormals freien oder nicht überdeckten Teilbereich außerhalb des vorbestimmten Überdeckungsbereichs hinein verquetscht oder ausgedrückt oder ausgedehnt oder ausgewalzt. Dabei ist das Zwischenelement aber bevorzugt noch immer innerhalb einer Außenkontur des jeweiligen Zellstapels oder der oben genannten Seitenfläche der Batteriezelle. Das Zwischenelement ist erfindungsgemäß dazu ausgebildet, hierbei dem jeweils aktuellen Gesamtdruck eine diesem entgegenwirkende Rückstellkraft entgegenzusetzen. Dies kann beispielsweise dadurch realisiert sein, dass das Zwischenelement eine Elastizität aufweist, die eine Bestrebung des Zwischenelements bedingt, wieder in die Ausgangsform zurückzukehren. Zugleich übt das erfindungsgemäße Zwischenelement in vorteilhafter Weise auf die sich ausdehnenden Batteriezellen einen Gegendruck aus. Hierdurch wird vorteilhaft ein unkontrolliertes Anschwellen der Batteriezellen vermieden.The battery according to the invention is characterized in that the respective intermediate element in the stated initial form only partially covers the respective battery cells and within a predetermined coverage area. In other words, the respective intermediate element in the initial form does not cover the respective battery cells over the entire area, but only in areas. The coverage is preferably 10 to 30 percent of the respective battery cell or of the respective side surface of the battery cell covered by the intermediate element. The overlap is particularly preferred 50 Percent, in particular up to 80 percent of the specified side area. According to the invention, the intermediate element is designed to be squeezed into a partial area outside the predetermined overlap area, starting from the original shape, depending on a current total pressure which is above the initial pressure. In other words, the intermediate element is deflected or deformed out of the initial shape under the action of the current total pressure and is squeezed or squeezed out, expanded or rolled out into a previously free or uncovered sub-area outside the predetermined overlap area. In this case, however, the intermediate element is preferably still within an outer contour of the respective cell stack or the abovementioned side surface of the battery cell. According to the invention, the intermediate element is designed to counteract the current total pressure with a restoring force that counteracts it. This can be implemented, for example, in that the intermediate element has an elasticity that causes the intermediate element to endeavor to return to its original shape. At the same time, the intermediate element according to the invention advantageously exerts a counterpressure on the expanding battery cells. This advantageously prevents uncontrolled swelling of the battery cells.

Durch die Erfindung ergibt sich also der Vorteil, dass unter einem im Vergleich zu den bekannten Lösungen reduzierten Materialeinsatz eine effektive Swelling-Kontrolle für die Batteriezellen bereitgestellt ist. Dadurch, dass das Zwischenelement im Gegensatz zu dem Bekannten die jeweiligen Batteriezellen nicht vollflächig überdeckt, besteht bei der Montage ein höherer Toleranzbereich für das Aufbringen des jeweiligen Zwischenelements, als dies bei den bekannten vollflächigen Zwischenelementen der Fall ist. Dies vereinfacht in vorteilhafterweise die Montage der erfindungsgemäßen Batterie. Durch den reduzierten Materialeinsatz können zudem vorteilhaft Produktionskosten und Gewicht eingespart werden.The invention thus results in the advantage that an effective swelling control for the battery cells is achieved with a reduced use of material compared to the known solutions is provided. Because the intermediate element, in contrast to what is known, does not completely cover the respective battery cells, there is a higher tolerance range for the application of the respective intermediate element during assembly than is the case with the known full-area intermediate elements. This advantageously simplifies the assembly of the battery according to the invention. Due to the reduced use of materials, production costs and weight can also be saved.

Zu der Erfindung gehören auch Ausführungsformen, durch die sich zusätzliche Vorteile ergeben.The invention also includes embodiments which result in additional advantages.

Wie eingangs beschrieben, schwellen die Batteriezellen im Zuge eines elektrischen Aufladeprozesses in der Regel an und im Zuge eines elektrischen Endladeprozesses wieder ab. Mit anderen Worten erfolgt die betriebsbedingte Volumenzunahme der Batteriezellen fortschreitend und in aufeinander folgenden Zyklen. Ein jeweiliger Zyklus umfasst dabei in der Regel ein Anschwellintervall mit einem Anschwellen einer jeweiligen Batteriezelle gegenüber einer Ausgangsdicke und ein Abschwellintervall mit einem Abschwellen einer jeweiligen Batteriezelle auf eine von der Ausgangsdicke verschiedene Enddicke. Die Ausgangsdicke entspricht einer Dicke der jeweiligen Batteriezelle zu Beginn des jeweiligen Zyklus, und die Enddicke entspricht der Dicke der jeweiligen Batteriezelle am Ende des jeweiligen Zyklus. Insbesondere ist die Enddicke größer als die Ausgangsdicke. Eine bevorzugte Ausführungsform der Erfindung sieht nun vor, dass das jeweilige Zwischenelement dazu ausgelegt ist, beim Anschwellen ausgehend von der Ausgangsform verquetscht zu werden und bei dem Abschwellen zumindest teilweise in die Ausgangsform zurückzukehren. Mit anderen Worten begleitet das Zwischenelement gemäß der hier beschriebenen Ausführungsform das An- und Abschwellen der jeweiligen Batteriezellen dynamisch. Hierdurch ergibt sich der Vorteil, dass stets ein dem jeweils aktuellen Gesamtdruck entgegenwirkender Gegendruck durch das Zwischenelement auf die Batteriezellen ausgeübt wird. Dieser Ausführungsform liegt die Erkenntnis zugrunde, dass es die Lebensdauer einer Batteriezelle erhöhen kann, wenn kein unkontrolliertes Anschwellen zugelassen wird.As described at the beginning, the battery cells swell in the course of an electrical charging process and swell again in the course of an electrical discharge process. In other words, the operation-related increase in volume of the battery cells takes place progressively and in successive cycles. A respective cycle generally comprises a swelling interval with a swelling of a respective battery cell compared to an initial thickness and a swelling interval with a swelling of a respective battery cell to a final thickness different from the initial thickness. The initial thickness corresponds to a thickness of the respective battery cell at the beginning of the respective cycle, and the final thickness corresponds to the thickness of the respective battery cell at the end of the respective cycle. In particular, the final thickness is greater than the initial thickness. A preferred embodiment of the invention now provides that the respective intermediate element is designed to be squeezed when swelling, starting from the initial shape, and to at least partially return to the original shape when swelling. In other words, according to the embodiment described here, the intermediate element dynamically accompanies the swelling and swelling of the respective battery cells. This has the advantage that a counterpressure that counteracts the current total pressure is always exerted on the battery cells by the intermediate element. This embodiment is based on the knowledge that it can increase the service life of a battery cell if no uncontrolled swelling is permitted.

Bevorzugt ist eine Elastizität des jeweiligen Zwischenelements derart ausgestaltet oder ausgewählt oder materialbedingt hergestellt, dass während einer gesamten Dauer des jeweiligen Zyklus ein dem jeweiligen aktuellen Gesamtdruck entgegengesetzter vorbestimmter Gegendruck auf die jeweilige Batteriezelle wirkt. Dem Fachmann sind vielfältige Materialzusammensetzungen bekannt, mittels derer er eine solche gewünschte Elastizität des Zwischenelements herstellen kann.Preferably, the elasticity of the respective intermediate element is designed or selected or produced as a result of the material in such a way that a predetermined counterpressure opposite to the respective current total pressure acts on the respective battery cell during an entire duration of the respective cycle. A variety of material compositions are known to the person skilled in the art, by means of which he can produce the desired elasticity of the intermediate element.

Gemäß einer vorteilhaften Ausführungsform ist das jeweilige Zwischenelement als eine Elastomermasse gemäß einem vorbestimmten Auftragsmuster innerhalb des vorbestimmten Überdeckungsbereichs auf zumindest eine der jeweiligen Batteriezellen aufgetragen. Das vorbestimmte Auftragsmuster kann sich beispielsweise an einer Zellgeometrie orientieren. Die Verwendung einer Elastomermasse ist im Hinblick auf ihre einfache Verarbeitung vorteilhaft. Das vorbestimmte Auftragsmuster ist also nicht durch eine vorgefertigte Form, beispielsweise einen vorgefertigten Zuschnitt eines jeweiligen Zwischenelements begrenzt, sondern kann flexibel und bedarfsgerecht angepasst werden.According to an advantageous embodiment, the respective intermediate element is applied as an elastomer compound according to a predetermined application pattern within the predetermined coverage area to at least one of the respective battery cells. The predetermined application pattern can be based, for example, on a cell geometry. The use of an elastomer compound is advantageous in terms of its ease of processing. The predetermined application pattern is therefore not limited by a prefabricated shape, for example a prefabricated blank of a respective intermediate element, but can be adapted flexibly and as required.

So kann das vorbestimmte Auftragsmuster beispielsweise zumindest einen Streifen und/oder zumindest eine Bahn und/oder zumindest eine im Wesentlichen kreisförmige Auftragsfläche umfassen. Die Elastomermasse kann also gemäß eines solchen Auftragsmusters aufgespritzt oder aufgestrichen oder aufgetupft sein.For example, the predetermined application pattern can comprise at least one strip and / or at least one path and / or at least one essentially circular application area. The elastomer compound can therefore be sprayed on or painted on or dabbed on in accordance with such an application pattern.

Bevorzugt ist das jeweilige Zwischenelement selbstklebend und dazu ausgebildet, als ein Kleber die jeweiligen durch es beabstandeten Batteriezellen aneinander zu befestigen. Dies erleichtert in vorteilhafterweise die Montage der erfindungsgemäßen Batterie zusätzlich. Das Zwischenelement kann beispielsweise mit einer selbsthaftenden Fläche an einer jeweiligen Batteriezelle aufgeklebt sein. Für den Fall, dass das Zwischenelement als eine Elastomermasse ausgebildet ist, kann dieser eine Kleberkomponente beigemischt werden, so dass die Elastomermasse als solche selbstklebend ausgebildet ist.The respective intermediate element is preferably self-adhesive and designed to attach the respective battery cells spaced apart by it to one another as an adhesive. This advantageously additionally facilitates the assembly of the battery according to the invention. The intermediate element can, for example, be glued to a respective battery cell with a self-adhesive surface. In the event that the intermediate element is designed as an elastomer compound, an adhesive component can be added to it, so that the elastomer compound as such is designed to be self-adhesive.

Wie oben bereits beschrieben, kann ein jeweiliges Auftragsmuster und/oder ein jeweiliger vorbestimmter Überdeckungsbereich entlang einer jeweiligen Fläche einer Batteriezelle flexibel gewählt werden. Batteriezellen der eingangs bestimmten Art, insbesondere prismatische Zellen, weisen oftmals eine strukturell bedingte und/oder eine durch eine jeweilige Zellgeometrie der Batteriezelle bedingte mechanische Schwächezone auf. Bevorzugt befindet sich eine solche Schwächezone im Wesentlichen zentral entlang einer jeweiligen Breitseite der prismatischen Batteriezellen. In diesem Bereich findet während des beschriebenen Anschwellens der Batteriezelle bevorzugt ein Ausbauchen oder Ausdehnen der jeweiligen Batteriezelle statt. Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform ist nun der vorbestimmte Überdeckungsbereich innerhalb einer solchen Schwächezone angeordnet. Hierdurch ergibt sich in vorteilhafter Weise eine mechanische Stärkung der genannten Schwächezone. Insbesondere können eine Menge an Elastomermasse (Elastomer-Menge) und/oder ein vorgesehener, von Elastomermasse freigehaltener (freier) Ausdehnungsbereich an ein lokal zu erwartendes Swelling angepasst werden.As already described above, a respective application pattern and / or a respective predetermined coverage area can be flexibly selected along a respective area of a battery cell. Battery cells of the type specified at the outset, in particular prismatic cells, often have a structural weakness zone and / or a mechanical weakness zone caused by a respective cell geometry of the battery cell. Such a weak zone is preferably located essentially centrally along a respective broad side of the prismatic battery cells. During the described swelling of the battery cell, a bulging or expansion of the respective battery cell preferably takes place in this area. According to a preferred embodiment, the predetermined coverage area is now arranged within such a weak zone. This advantageously results in a mechanical strengthening of the aforementioned zone of weakness. In particular, an amount of elastomer compound (amount of elastomer) and / or a provided (free) expansion area kept free of elastomer compound can be adapted to a locally expected swelling.

Gemäß einer weiteren bevorzugten Ausführungsform ist zwischen zwei zumindest benachbart zueinander angeordneten Batteriezellen und/oder zwischen einer jeweiligen endständigen Batteriezelle des Zellstapels und einer zu der jeweiligen endständigen Batteriezelle benachbart angeordneten Verspannplatte der Verspannvorrichtung jeweils zumindest ein thermisches Isolationselement angeordnet. Ein solches thermisches Isolationselement verhindert in vorteilhafter Weise einen thermischen Kurzschluss zwischen den benachbarten Batteriezellen.According to a further preferred embodiment, at least one thermal insulation element is arranged between two battery cells arranged at least adjacent to one another and / or between a respective terminal battery cell of the cell stack and a bracing plate of the bracing device arranged adjacent to the respective terminal battery cell. Such a thermal insulation element advantageously prevents a thermal short circuit between the adjacent battery cells.

Gemäß einer vorteilhaften Weiterbildung ist das thermische Isolationselement als ein Gewebe oder Gelege oder Gestricke aus thermisch isolierenden Fasern ausgebildet. Thermisch isolierende Fasern können beispielsweise durch Glasfasern realisiert sein. Gemäß der hier beschriebenen vorteilhaften Weiterbildung ist das Zwischenelement zumindest teilweise mit dem thermischen Isolationselement verbunden. Für den Fall, dass das Zwischenelement als eine Elastomermasse vorliegt, kann beispielsweise das thermische Isolationselement mit der Elastomermasse bestrichen sein. Ein so vormontiertes oder vorbereitetes thermisches Isolationselement kann also inklusive Zwischenelement in einem einzigen Montageschritt in der erfindungsgemäßen Batterie verbaut werden, was die Montage zusätzlich vereinfacht.According to an advantageous development, the thermal insulation element is designed as a woven fabric or scrim or knitted fabric made of thermally insulating fibers. Thermally insulating fibers can be implemented, for example, by glass fibers. According to the advantageous development described here, the intermediate element is at least partially connected to the thermal insulation element. In the event that the intermediate element is present as an elastomer compound, the thermal insulation element can, for example, be coated with the elastomer compound. A thermal insulation element preassembled or prepared in this way, including the intermediate element, can therefore be installed in the battery according to the invention in a single installation step, which additionally simplifies installation.

Die Erfindung betrifft darüber hinaus ein Kraftfahrzeug mit einer erfindungsgemäßen Batterie.The invention also relates to a motor vehicle with a battery according to the invention.

Außerdem betrifft die Erfindung ein Verfahren zum Herstellen einer Batterie. Das Herstellungsverfahren sieht vor, eine Vielzahl an Batteriezellen bereit zu stellen und diese mechanisch mittels einer Verspannvorrichtung zu einem Zellstapel zu verspannen. Die Verspannvorrichtung überträgt einen Verspanndruck auf den Zellstapel, wobei der Verspanndruck und ein durch eine betriebsbedingte, fortschreitende Volumenzunahme der Batteriezellen erzeugter, fortschreitender Anschwelldruck zu einem auf den Zellstapel wirkenden Gesamtdruck addiert werden. Das Herstellungsverfahren sieht weiter vor, zwischen zumindest zwei benachbart zueinander angeordneten Batteriezellen und/oder zwischen einer jeweiligen endständigen Batteriezelle des Zellstapels und einer zu der jeweiligen endständigen Batteriezelle benachbart angeordneten Verspannplatte der Verspannvorrichtung jeweils zumindest ein Zwischenelement anzuordnen. Das Zwischenelement kann beispielsweise in Form einer Elastomermasse auf eine oder beide der jeweiligen benachbarten Batteriezellen aufgespritzt oder aufgestrichen werden. Durch das jeweilige Zwischenelement werden die jeweiligen benachbarten Batteriezellen und/oder die jeweilige endständige Batteriezelle und die zu ihr benachbart angeordnete Verspannplatte voneinander beabstandet. Unter Einwirkung eines vorbestimmten Ausgangsdrucks weist das jeweilige Zwischenelement eine Ausgangsform auf, in welcher es erfindungsgemäß die jeweiligen Batteriezellen nur zum Teil und innerhalb eines vorbestimmten Überdeckungsbereichs überdeckt. Die Überdeckung beträgt bevorzugt 10 bis 30 Prozent der jeweiligen Batteriezelle oder der jeweiligen durch das Zwischenelement überdeckten Seitenfläche der Batteriezelle. Besonders bevorzugt beträgt die Überdeckung 50 Prozent, insbesondere bis zu 80 Prozent der genannten Seitenfläche. In Abhängigkeit von einem jeweils aktuellen Gesamtdruck, der sich bei der Herstellung oder im Betrieb der gemäß dem hier beschriebenen Verfahren hergestellten Batterie einstellt und der oberhalb des Ausgangsdrucks liegt, wird das Zwischenelement ausgehend von der Ausgangsform in einen Teilbereich außerhalb des vorbestimmten Überdeckungsbereichs hinein verquetscht und setzt hierbei dem jeweils aktuellen Gesamtdruck eine diesem entgegenwirkende Rückstellkraft entgegen.The invention also relates to a method for producing a battery. The manufacturing method provides for a large number of battery cells to be made available and for these to be mechanically braced by means of a bracing device to form a cell stack. The tensioning device transmits a tensioning pressure to the cell stack, the tensioning pressure and a progressive swelling pressure generated by an operational, progressive increase in volume of the battery cells being added to a total pressure acting on the cell stack. The manufacturing method further provides for at least one intermediate element to be arranged between at least two battery cells arranged adjacent to one another and / or between a respective terminal battery cell of the cell stack and a bracing plate of the bracing device arranged adjacent to the respective terminal battery cell. The intermediate element can be sprayed or painted onto one or both of the respective adjacent battery cells, for example in the form of an elastomer compound. The respective adjacent battery cells and / or the respective terminal battery cell and the bracing plate arranged adjacent to it are spaced apart from one another by the respective intermediate element. Under the action of a predetermined output pressure, the respective intermediate element has an initial shape in which, according to the invention, it only partially covers the respective battery cells and within a predetermined coverage area. The coverage is preferably 10 to 30 percent of the respective battery cell or of the respective side surface of the battery cell covered by the intermediate element. The overlap is particularly preferably 50 percent, in particular up to 80 percent of the side surface mentioned. Depending on a current total pressure that occurs during the manufacture or operation of the battery produced according to the method described here and that is above the initial pressure, the intermediate element is squeezed and set, starting from the initial shape, in a sub-area outside the predetermined overlap area in this case a restoring force counteracting the current total pressure.

Zu der Erfindung gehören auch Weiterbildungen des erfindungsgemäßen Kraftfahrzeugs und des erfindungsgemäßen Verfahrens, die Merkmale aufweisen, wie sie bereits im Zusammenhang mit den Weiterbildungen der erfindungsgemäßen Batterie beschrieben worden sind und umgekehrt. Aus diesem Grund sind die entsprechenden Weiterbildungen des erfindungsgemäßen Kraftfahrzeugs und des erfindungsgemäßen Verfahrens hier nicht noch einmal beschrieben.The invention also includes further developments of the motor vehicle according to the invention and of the method according to the invention which have features as they have already been described in connection with the further developments of the battery according to the invention and vice versa. For this reason, the corresponding developments of the motor vehicle according to the invention and of the method according to the invention are not described again here.

Das erfindungsgemäße Kraftfahrzeug ist bevorzugt als Kraftwagen, insbesondere als Personenkraftwagen oder Lastkraftwagen, oder als Personenbus oder Motorrad ausgestaltet.The motor vehicle according to the invention is preferably designed as a motor vehicle, in particular as a passenger vehicle or truck, or as a passenger bus or motorcycle.

Die Erfindung umfasst auch die Kombinationen der Merkmale der beschriebenen Ausführungsformen.The invention also includes the combinations of the features of the described embodiments.

Im Folgenden sind Ausführungsbeispiele der Erfindung beschrieben. Hierzu zeigen:

1 ein die betriebsbedingt fortschreitende Volumenzunahme einer jeweiligen Batteriezelle beispielhaft darstellendes Diagramm;
2 eine schematische Querschnittsdarstellung eines Paars benachbarter Batteriezellen mit zwischen den Batteriezellen angeordneten Zwischenelementen vor und nach einer Erhöhung des Gesamtdrucks;
3 eine schematische Querschnittsdarstellung eines Paars benachbarter Batteriezellen mit Zwischenelementen, die als im Wesentlichen kreisrunde Scheiben unterschiedlichen Durchmessers ausgebildet sind;
4 eine schematische Querschnittsdarstellung eines Paars benachbarter Batteriezellen mit Zwischenelementen, die als im Wesentlichen kreisrunde Scheiben unterschiedlichen Härtegrades ausgebildet sind;
5 eine schematische Längs- und Querschnittdarstellung einer Batteriezelle mit aufgetragenem Zwischenelement mit schematischer Andeutung jeweiliger Fließverläufe oder Fließfronten des Zwischenelements im Zuge einer Erhöhung des Gesamtdrucks;
6 eine schematische Darstellung des Herstellungsverfahrens.

Exemplary embodiments of the invention are described below. To do this, show:

1 a diagram showing the operationally progressive increase in volume of a respective battery cell by way of example;
2 a schematic cross-sectional illustration of a pair of adjacent battery cells with intermediate elements arranged between the battery cells before and after an increase in the total pressure;
3 a schematic cross-sectional representation of a pair of adjacent battery cells with intermediate elements which are designed as essentially circular disks of different diameters;
4th a schematic cross-sectional view of a pair of adjacent battery cells with intermediate elements, which are designed as substantially circular disks of different degrees of hardness;
5 a schematic longitudinal and cross-sectional representation of a battery cell with applied intermediate element with a schematic indication of respective flow courses or flow fronts of the intermediate element in the course of an increase in the total pressure;
6th a schematic representation of the manufacturing process.

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. Daher soll die Offenbarung auch andere als die dargestellten Kombinationen der Merkmale der Ausführungsformen umfassen. Des Weiteren sind die beschriebenen Ausführungsformen auch durch weitere der bereits beschriebenen Merkmale der Erfindung ergänzbar.The exemplary embodiments explained below are preferred embodiments of the invention. In the exemplary embodiments, the described components of the embodiments each represent individual features of the invention which are to be considered independently of one another and which also further develop the invention independently of one another. Therefore, the disclosure is also intended to include combinations of the features of the embodiments other than those illustrated. Furthermore, the described embodiments can also be supplemented by further features of the invention already described.

In den Figuren bezeichnen gleiche Bezugszeichen jeweils funktionsgleiche Elemente.In the figures, the same reference symbols denote functionally identical elements.

1 zeigt eine schematische Darstellung eines beispielhaften Verlaufs einer Dickenänderung Δd oder einer Volumenzunahme einer Batteriezelle 20 (vgl. 2) im Verlauf mehrerer Ladezyklen N. Konkret sind in 1 insgesamt fünf vollständige Ladezyklen N1 bis N5 dargestellt, wobei ein jeweiliger Ladezyklus N ein jeweiliges Anschwellintervall 10 und ein jeweiliges Abschwellintervall 12 umfasst. Der Übersichtlichkeit halber sind die jeweiligen Intervalle 10, 12 in der 1 nur für den ersten Zyklus N1 eingezeichnet. Der Ladezyklus N1 der 1 beginnt mit einer Ausgangsdicke d1 der Batteriezelle 20 und endet mit einer Enddicke d1', welche größer ist als die Ausgangsdicke d1. Von der Enddicke d1' ausgehend startet der zweite Ladezyklus N2. Die Ladezyklen N setzen sich in der beschriebenen Art und Weise über die gesamte Lebensdauer der Batteriezelle 20 fort. Zusätzlich findet eine altersbedingte Volumenzunahme 14 der Batteriezelle 20 statt. Die gesamte Volumenzunahme Δd über die Lebensdauer der Batteriezelle 20 setzt sich also zusammen aus der altersbedingten Volumenzunahme 14 und der ladebedingten Volumenzunahme 16. 1 shows a schematic representation of an exemplary profile of a change in thickness .DELTA.d or an increase in volume of a battery cell 20th (see. 2 ) in the course of several charging cycles N. Specifically, in 1 a total of five full charge cycles N1 to N5 shown, with a respective charging cycle N a respective swelling interval 10 and a respective decongestion interval 12th includes. The respective intervals are for the sake of clarity 10 , 12th in the 1 only for the first cycle N1 drawn. The charging cycle N1 the 1 begins with an initial thickness d1 of the battery cell 20th and ends with a final thickness d1 ', which is greater than the initial thickness d1. The second charging cycle starts from the final thickness d1 ' N2 . The charging cycles N are set in the manner described over the entire service life of the battery cell 20th away. In addition, there is an age-related increase in volume 14th the battery cell 20th instead of. The total increase in volume Δd over the life of the battery cell 20th is therefore composed of the age-related increase in volume 14th and the load-related increase in volume 16 .

In den 2 bis 4 ist schematisch dargestellt, wie sich die im Zusammenhang mit 1 beschriebene Volumenzunahme Δd auf die Batteriezellen 20 auswirkt. Die 2 bis 4 zeigen jeweils schematisch eine erfindungsgemäße Batterie 18 mit beispielhaft zwei Batteriezellen 20. Im jeweiligen oberen Bereich der 2 bis 4 ist hierbei die Batterie 18 zu Beginn ihrer Lebenszeit dargestellt und im unteren Bereich nach Ablauf einer gewissen Spanne ihrer gesamten Lebensdauer, beispielsweise nach einem Jahr oder nach Ablauf von 200 bis 300 Ladezyklen. Der Alterungsprozess ist in 2 bis 4 symbolhaft durch einen jeweiligen Pfeil 22 illustriert. Im Zuge des Alterungsprozesses 22 findet, wie im Zusammenhang mit 1 beschrieben, eine Dickenzunahme Δd von einer anfänglichen Dicke d1 auf eine Dicke d1' zu einem späteren Zeitpunkt statt. Zwischen den Batteriezellen 20 sind in den 2 bis 4 beispielhaft Zwischenelemente 24 angeordnet. Ein jeweiliges Zwischenelement 24 weist im jeweiligen oberen Bereich der 2 bis 4 eine anfängliche Längsausdehnung s1 auf. Im jeweiligen unteren Bereich der 2 bis 4 weist das gealterte Zwischenelement 24 eine Längsausdehnung s1' auf, die größer ist als s1. Mit anderen Worten fand im Zuge des Alterungsprozesses 22 der Batteriezellen 20 eine Volumenzunahme Δd statt, welche zu einem Ausquetschen der Zwischenelemente 24 über einen jeweiligen vorbestimmten Überlappungs- oder Überdeckungsbereich 26 hinaus stattfindet. Die Ausdehnung oder das Verquetschen ist im jeweiligen unteren Bereich der 2 bis 4 mittels Pfeilen 28 dargestellt. Eine Anlagefläche oder Kontaktfläche zwischen einem jeweiligen Zwischenelement und einer jeweiligen Batteriezelle 20 wird durch das Ausquetschen 28 vergrößert. Das Zwischenelement 24 kann also entlang einer größeren Anlagefläche dem auf die Batteriezelle 20 wirkenden Gesamtdruck eine Rückstellkraft entgegensetzen.In the 2 to 4th is shown schematically how the in connection with 1 described volume increase Δd on the battery cells 20th affects. The 2 to 4th each show schematically a battery according to the invention 18th with two battery cells as an example 20th . In the respective upper area of the 2 to 4th is the battery 18th shown at the beginning of their lifespan and in the lower area after a certain period of their entire lifespan, for example after a year or after 200 to 300 charging cycles. The aging process is in 2 to 4th symbolically by an arrow 22nd illustrated. In the course of the aging process 22nd finds how related to 1 described, an increase in thickness Δd from an initial thickness d1 to a thickness d1 'takes place at a later point in time. Between the battery cells 20th are in the 2 to 4th exemplary intermediate elements 24 arranged. A respective intermediate element 24 points in the respective upper area of the 2 to 4th an initial longitudinal extent s1. In the respective lower area of the 2 to 4th exhibits the aged intermediate element 24 a longitudinal extent s1 'which is greater than s1. In other words took place in the course of the aging process 22nd of the battery cells 20th an increase in volume .DELTA.d instead, which leads to a squeezing out of the intermediate elements 24 over a respective predetermined overlap or coverage area 26th addition takes place. The expansion or squeezing is in the respective lower area of the 2 to 4th by means of arrows 28 shown. A contact surface or contact surface between a respective intermediate element and a respective battery cell 20th is by squeezing 28 enlarged. The intermediate element 24 can therefore be applied to the battery cell along a larger contact surface 20th counteract the total pressure with a restoring force.

In 3 und 4 sind die Zwischenelemente 24 beispielhaft als im Wesentlichen kreisrunde elastische Scheiben gleicher Dicke ausgebildet. Die Scheiben können an einer Zwischenlage 25 angeordnet und entlang der Zwischenlage 25 bedarfsgerecht verteilt sein, um eine vorbestimmte, insbesondere gleichmäßige, Kraftverteilung auf die Batteriezellen 20 zu erreichen, obwohl im Verlauf des Anschwellens die Batteriezellen 20 sich nicht gleichmäßig ausdehnen. Bekanntermaßen erzeugt das Swelling in einem zentralen Bereich 21 einer Batteriezelle 20 eine größere Ausbeulung, als in einem äußeren Bereich 23.In 3 and 4th are the intermediate elements 24 for example designed as essentially circular elastic disks of the same thickness. The slices can be placed on an intermediate layer 25th arranged and along the intermediate layer 25th Be distributed as required in order to have a predetermined, in particular uniform, force distribution on the battery cells 20th to reach, although in the course of the swelling the battery cells 20th do not expand evenly. It is known that the swelling is generated in a central area 21 a battery cell 20th a larger bulge than in an outer area 23 .

Die bedarfsgerechte Verteilung ist in der beispielhaften Anordnung der 3 dadurch realisiert, dass in dem zentralen Bereich 21 der Zwischenlage 25 Scheiben mit einem kleineren Durchmesser angeordnet sind, als in dem außenliegenden Bereich 23. Nicht oder nur gering verformbare Abstandshalter 27 beabstanden die Zwischenlage 25 von den jeweils angrenzenden Batteriezellen 20. Geometriebedingt weisen die Scheiben mit kleinerem Durchmesser eine geringere Härte oder einen geringeren Härtegrad oder eine kleinere Federkraft (oder Federkonstante) auf, als die Scheiben mit größerem Durchmesser. Hierdurch wird in dem zentralen Bereich 21 eine größere Verformung der Batteriezellen 20 zugelassen, als in dem äußeren Bereich 23.The needs-based distribution is in the exemplary arrangement of the 3 realized by being in the central area 21 the liner 25th Disks with a smaller diameter are arranged than in the outer area 23 . Not deformable or only slightly deformable spacers 27 space the liner 25th from the respective adjacent battery cells 20th . Due to their geometry, the disks with a smaller diameter have a lower hardness or a lower degree of hardness or a smaller spring force (or spring constant) than the disks with a larger one Diameter. This is in the central area 21 greater deformation of the battery cells 20th admitted than in the outer area 23 .

Ein vergleichbarer Effekt kann durch eine entsprechende Materialauswahl der Scheiben erzielt werden. Hierzu zeigt 4 beispielhaft eine Scheibenanordnung aus im Wesentlichen gleichförmig ausgestalteten Scheiben, die jedoch materialbedingt unterschiedliche Härtegrade aufweisen können. So können die Scheiben im zentralen Bereich 21 weicher sein, als die Scheiben im äußeren Bereich 23.A comparable effect can be achieved by selecting the appropriate material for the panes. This shows 4th for example, a disk arrangement made up of essentially uniformly designed disks which, however, can have different degrees of hardness depending on the material. So the panes in the central area 21 be softer than the discs in the outer area 23 .

Durch eine Variation von Geometrie und/oder Verteilung und/oder Materialeigenschaften der Zwischenelemente 24 entlang der Batteriezellen 20 und/oder entlang der Zwischenlage 25 kann also eine jeweilige Rückstellkraft auf die Batteriezellen 20 beim Swelling bedarfsgerecht eingestellt werden.By varying the geometry and / or distribution and / or material properties of the intermediate elements 24 along the battery cells 20th and / or along the intermediate layer 25th can therefore apply a respective restoring force to the battery cells 20th can be adjusted as required during swelling.

Bedarfsgerecht verteilte elastische Scheiben gleicher Höhe können also zu einer Erreichung einer bestimmten Kraftverteilung beim Swelling genutzt werden. Insbesondere kann eine gleiche Kraft bei allen Scheiben trotz unterschiedlich großer Verformung der Batteriezelle 20 erreicht werden (stärkere Verformung im mittleren Bereich 21, schwächere Verformung im äußeren Bereich 23 der Batteriezelle 20). Insbesondere kann eine bedarfsgerechte Auslegung der elastischen Scheiben durch Einstellung unterschiedlicher Federkonstanten realisiert sein: Weiche Scheiben erzeugen bei großer Verformung die gleiche Kraft wie harte Scheiben bei kleiner Verformung. Diese Eigenschaften können auf unterschiedliche Weise eingestellt werden. Zum einen kann eine Variation der Geometrie bei gleichen Materialeigenschaften (siehe 3) dadurch erzeugt werden, dass ein Scheibendurchmesser innenliegender Scheiben kleiner (also weicher) und außen grösser (also härter) gewählt wird. Eine Variation der Materialeigenschaften bei gleicher Geometrie (siehe 4) kann dadurch realisiert sein, dass ein Scheibenmaterial im inneren Bereich 21 weicher, im äußeren Bereich 23 härter gewählt ist. Es ergibt sich aus der Variation von Geometrie und/oder Materialeigenschaften also der Effekt „innen weicher, außen härter“.Elastic disks of the same height, distributed as required, can therefore be used to achieve a specific force distribution during swelling. In particular, the same force can be applied to all panes despite the deformation of the battery cell of different magnitude 20th can be achieved (greater deformation in the middle area 21 , weaker deformation in the outer area 23 the battery cell 20th ). In particular, a needs-based design of the elastic disks can be implemented by setting different spring constants: soft disks generate the same force with large deformation as hard disks with small deformation. These properties can be set in different ways. On the one hand, a variation in the geometry with the same material properties (see 3 ) can be generated by choosing a smaller (i.e. softer) and outside larger (i.e. harder) pulley diameter for inner disks. A variation of the material properties with the same geometry (see 4th ) can be realized that a disc material in the inner area 21 softer in the outer area 23 harder is chosen. The variation in geometry and / or material properties results in the effect “softer inside, harder outside”.

Unter Bezugnahme auf die im Zusammenhang mit 2 bis 4 bezeichneten und beschriebenen Komponenten zeigt 5 eine schematische Längs- und Querschnittdarstellung einer Batteriezelle 20 mit einem Zwischenelement 24. In der Längsschnittdarstellung im oberen Bereich der 5 ist eine seitliche Ansicht auf eine Seitenfläche der Batteriezelle 20 dargestellt. Das Zwischenelement 24 ist innerhalb des vorbestimmten Überdeckungsbereichs 26 angeordnet. Im Laufe des Alterungsprozesses 22 (vgl. 2 bis 4) der Batteriezelle 20 und der damit einhergehenden Volumenzunahme Δd kommt es zu einem Ausquetschen des Zwischenelements 24 entlang der Pfeile 28. Hierbei stellen sich sukzessive die Umgrenzungen oder Fließfronten 26a und 26b ein.With reference to those related to 2 to 4th designated and described components shows 5 a schematic longitudinal and cross-sectional representation of a battery cell 20th with an intermediate element 24 . In the longitudinal section in the upper area of the 5 Fig. 3 is a side view of a side face of the battery cell 20th shown. The intermediate element 24 is within the predetermined coverage area 26th arranged. In the course of the aging process 22nd (see. 2 to 4th ) of the battery cell 20th and the associated increase in volume .DELTA.d, the intermediate element is squeezed out 24 along the arrows 28 . Here, the boundaries or flow fronts appear successively 26a and 26b a.

In der Querschnittdarstellung im unteren Bereich der 5 ist anschaulich illustriert, wie der Überdeckungsbereich 26 im Zuge des Alterunsgprozesses 22 (vgl. 2 bis 4) ausgedehnt wird.In the cross-section in the lower area of the 5 is clearly illustrated how the coverage area 26th in the course of the aging process 22nd (see. 2 to 4th ) is expanded.

In 6 ist eine beispielhafte Ausführungsform des erfindungsgemäßen Herstellungsverfahrens schematisch dargestellt. Das hier gezeigte Herstellungsverfahren sieht vor, in einem Schritt S1 eine Vielzahl an Batteriezellen 20 bereit zu stellen und zu einem Zellstapel aufzureihen. In einem Schritt S2 wird zwischen zumindest zwei benachbart zueinander angeordneten Batteriezellen 20 und/oder zwischen einer jeweiligen endständigen Batteriezelle 20 des Zellstapels und einer zu der jeweiligen endständigen Batteriezelle 20 benachbart angeordneten Verspannplatte der Verspannvorrichtung jeweils zumindest ein Zwischenelement 24 angeordnet. Das Zwischenelement 24 kann beispielsweise in Form einer Elastomermasse auf eine oder beide der jeweiligen benachbarten Batteriezellen 20 aufgespritzt oder aufgestrichen werden. Für den Fall, dass der Elastomermasse eine Kleberkomponente beigemischt ist, können in Schritt S2 die jeweiligen Batteriezellen 20, die mit der Elastomermasse bestrichen oder bespritzt sind, aneinander geklebt werden, um die weitere Montage zu erleichtern. Durch das jeweilige Zwischenelement 24 werden die jeweiligen benachbarten Batteriezellen 20 und/oder die jeweilige endständige Batteriezelle 20 und die zu ihr benachbart angeordnete Verspannplatte voneinander beabstandet. In einem Schritt S3 wird der aus den Batteriezellen 20 und den Zwischenelementen 24 gebildete Zellstapel mechanisch mittels einer Verspannvorrichtung verspannt. Die Verspannvorrichtung überträgt einen Verspanndruck auf den Zellstapel, wobei der Verspanndruck und ein durch eine betriebsbedingte, fortschreitende Volumenzunahme der Batteriezellen 20 erzeugter, fortschreitender Anschwelldruck zu einem auf den Zellstapel wirkenden Gesamtdruck addiert werden.In 6th an exemplary embodiment of the production method according to the invention is shown schematically. The manufacturing process shown here is in one step S1 a variety of battery cells 20th to be ready and lined up in a cell stack. In one step S2 is between at least two adjacent battery cells 20th and / or between a respective terminal battery cell 20th of the cell stack and one to the respective terminal battery cell 20th adjacently arranged bracing plate of the bracing device in each case at least one intermediate element 24 arranged. The intermediate element 24 can for example in the form of an elastomer compound on one or both of the respective neighboring battery cells 20th be sprayed on or painted on. In the event that an adhesive component is added to the elastomer compound, in step S2 the respective battery cells 20th that are coated or sprayed with the elastomer compound are glued to each other to facilitate further assembly. Through the respective intermediate element 24 become the respective neighboring battery cells 20th and / or the respective terminal battery cell 20th and the bracing plate arranged adjacent to it spaced apart from one another. In one step S3 becomes the one from the battery cells 20th and the intermediate elements 24 formed cell stacks mechanically braced by means of a bracing device. The tensioning device transmits a tensioning pressure to the cell stack, the tensioning pressure and a progressive increase in volume of the battery cells caused by operation 20th generated, progressive swelling pressure can be added to a total pressure acting on the cell stack.

Unter Einwirkung eines vorbestimmten Ausgangsdrucks weist das jeweilige Zwischenelement 24 eine Ausgangsform auf, in welcher es erfindungsgemäß die jeweiligen Batteriezellen 20 nur zum Teil und innerhalb eines vorbestimmten Überdeckungsbereichs 26 überdeckt. Die Überdeckung beträgt bevorzugt 10 bis 30 Prozent der jeweiligen Batteriezelle 20 oder der jeweiligen durch das Zwischenelement 24 überdeckten Seitenfläche der Batteriezelle 20. Besonders bevorzugt beträgt die Überdeckung 50 Prozent, insbesondere bis zu 80 Prozent der genannten Seitenfläche.Under the action of a predetermined outlet pressure, the respective intermediate element 24 an initial form in which there are the respective battery cells according to the invention 20th only partially and within a predetermined coverage area 26th covered. The coverage is preferably 10 to 30 percent of the respective battery cell 20th or the respective through the intermediate element 24 covered side surface of the battery cell 20th . The overlap is particularly preferred 50 Percent, in particular up to 80 percent of the specified side area.

In Abhängigkeit von einem jeweils aktuellen Gesamtdruck, der sich bei der Herstellung oder im Betrieb der gemäß dem in 6 schematisch dargestellten Verfahren hergestellten Batterie 18 einstellt und der oberhalb des Ausgangsdrucks liegt, wird das Zwischenelement 24 ausgehend von der Ausgangsform in einen Teilbereich außerhalb des vorbestimmten Überdeckungsbereichs 26 hinein verquetscht und setzt hierbei dem jeweils aktuellen Gesamtdruck eine diesem entgegenwirkende Rückstellkraft entgegen.Depending on a current total pressure, which is during the production or operation of the according to the in 6th schematically illustrated process produced battery 18th and which is above the outlet pressure, the intermediate element 24 starting from the initial shape in a sub-area outside the predetermined coverage area 26th squeezed into it and in this case opposes the current total pressure with a restoring force that counteracts it.

Durch die erfindungsgemäße Ausgestaltung kann eine Belastung der Batteriezellen 20 oder der Zellbehälter und der Batterie 18 oder der Modulstruktur verringert werden. Damit einhergehend können mechanische Schäden reduziert oder vermieden werden. Durch eine bedarfsgerechte Auslegung des Verspanndrucks oder der Vorspannkraft und der Elastizität des Zwischenelements 24 oder einer Federkonstante der elastischen Trennschicht kann zudem ein Gesundheitszustand (SOH - State of Health) der Batteriezellen 20 und/oder der Batterie 18 über eine längere Laufzeit oder Lebensdauer aufrecht erhalten werden.The configuration according to the invention can result in a load on the battery cells 20th or the cell container and the battery 18th or the module structure can be reduced. As a result, mechanical damage can be reduced or avoided. Through a needs-based design of the clamping pressure or the prestressing force and the elasticity of the intermediate element 24 or a spring constant of the elastic separating layer can also indicate a state of health (SOH) of the battery cells 20th and / or the battery 18th be maintained over a longer term or lifetime.

Insgesamt zeigen die Beispiele, wie durch die Erfindung ein Swelling-Ausgleich durch eine elastische Trennschicht oder ein elastisches Zwischenelement bei gleichzeitiger Gewichtseinsparung und Materialkosteneinsparung realisiert sein kann.Overall, the examples show how the invention can compensate for swelling by means of an elastic separating layer or an elastic intermediate element with simultaneous weight savings and material cost savings.

ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNGQUOTES INCLUDED IN THE DESCRIPTION

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Zitierte PatentliteraturPatent literature cited

DE 112016006970 T5 [0004]
WO 2018/022907 A1 [0005]
US 2015/0017504 A1 [0006]

Claims

Battery (18) with a plurality of battery cells (20), a predetermined number of the battery cells (20) being mechanically braced to form a cell stack by means of a bracing device, the bracing device being designed to transmit a bracing pressure to the cell stack so that the Clamping pressure and a progressive swelling pressure generated by an operational, progressive increase in volume (Δd) of the battery cells (20) are added to a total pressure acting on the cell stack, with between at least two adjacent battery cells (20) and / or between a respective terminal battery cell (20) of the cell stack and a tensioning plate of the tensioning device arranged adjacent to the respective terminal battery cell (20) each at least one intermediate element (24) is arranged, whereby the respective adjacent battery cells (20) and / or the respective ge terminal battery cell (20) and the tensioning plate arranged adjacent to it are spaced apart from one another, the respective intermediate element (24) having an initial shape under the action of a predetermined output pressure, characterized in that the respective intermediate element (24) in the initial shape the respective battery cells ( 20) covered only partially and within a predetermined overlap area (26), the intermediate element (24) being designed for this, depending on a current total pressure that is above the initial pressure, starting from the initial shape in a partial area outside the predetermined overlap area (26) to be squeezed into it and to counteract the current total pressure with a restoring force that counteracts it.

Battery (18) Claim 1 , wherein the operationally-related increase in volume (Δd) of the battery cells (20) takes place progressively and in successive cycles (N), each cycle (N) having a swelling interval (10) with a swelling of a respective battery cell (20) compared to an initial thickness (d1) and a swelling interval (12) with swelling of the respective battery cell (20) to a final thickness (d1 ') different from the initial thickness (d1), the initial thickness (d1) being a thickness of the respective battery cell (20) at the beginning of the respective cycle (N) corresponds, and wherein the final thickness (d1 ') corresponds to the thickness of the respective battery cell (20) at the end of the respective cycle (N) and is greater than the initial thickness (d1), the respective intermediate element (24) being designed for this to be squeezed by the swelling starting from the original shape and to return at least partially to the original shape during the decongestion.

Battery (18) Claim 2 , the elasticity of the respective intermediate element (24) being designed in such a way that a predetermined counter pressure opposite to the respective current total pressure acts on the respective battery cell (20) during the entire duration of the respective cycle (N).

Battery (18) according to one of the preceding claims, wherein the respective intermediate element (24) is applied as an elastomer compound according to a predetermined application pattern within the predetermined coverage area (26) to at least one of the respective battery cells (20).

Battery (18) Claim 4 , wherein the predetermined application pattern comprises at least one strip and / or at least one path and / or at least one essentially circular application area.

Battery (18) according to one of the preceding claims, wherein the respective intermediate element (24) is self-adhesive and designed to fasten the respective battery cells (20) to one another as an adhesive.

Battery (18) according to one of the preceding claims, wherein a respective battery cell (20) has a structurally determined and / or a weak zone caused by a respective cell geometry of the battery cell (20) and the predetermined coverage area (26) is arranged within the weak zone.

Battery (18) according to one of the preceding claims, wherein between at least two battery cells (20) arranged adjacent to one another and / or between a respective terminal battery cell (20) of the cell stack and a clamping plate of the clamping device arranged adjacent to the respective terminal battery cell (20) at least one thermal insulation element is arranged.

Battery (18) Claim 8 , wherein the thermal insulation element is designed as a woven or scrim or knitted fabric made of thermally insulating fibers and wherein the intermediate element (24) is at least partially connected to the thermal insulation element.

Motor vehicle with a battery (18) according to one of the preceding claims.

Method for producing a battery (18), wherein a plurality of battery cells (20) is provided and mechanically by means of a The bracing device is braced to form a cell stack, the bracing device transmitting a bracing pressure to the cell stack, the bracing pressure and a progressive swelling pressure generated by an operationally-related, progressive increase in volume (Δd) of the battery cells (20) being added to a total pressure acting on the cell stack, at least one intermediate element (24) being arranged between at least two battery cells (20) arranged adjacent to one another and / or between a respective terminal battery cell (20) of the cell stack and a clamping plate of the clamping device arranged adjacent to the respective terminal battery cell (20), wherein by the respective intermediate element (24) the respective adjacent battery cells (20) and / or the respective terminal battery cell (20) and the tensioning plate arranged adjacent to it are spaced apart from one another, the respective intermediate element (24) below egg Effect of a predetermined output pressure has an initial shape, characterized in that the respective intermediate element (24) in the initial shape covers the respective battery cells (20) only partially and within a predetermined coverage area (26), the intermediate element (24) depending on one The current total pressure, which is above the initial pressure, is squeezed, starting from the initial shape, into a sub-area outside the predetermined overlap area (26) and thereby opposes the current total pressure with a counteracting restoring force.