DE102019132528A1 - Battery cell group - Google Patents
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Abstract
Die Erfindung betrifft eine Batteriezellgruppe (22), umfassend mehrere Einzelzellen (10), eine einzige Deckelbaugruppe (30) und ein Gehäuse (24), wobei innerhalb des Gehäuses (24) mehrere Trennwände (32) angeordnet sind, die die Einzelzellen (10) innerhalb des Gehäuses (24) voneinander trennen, und wobei alle Einzelzellen (10) mit der Deckelbaugruppe (30) elektrisch verbunden sind. Das Gehäuse (24) weist einen sich in Längsrichtung (L) erstreckenden Mantel (26) sowie eine senkrecht zum Mantel (26) angeordnete erste Seite (28) auf, wobei die Länge des Mantels (26) in Längsrichtung (L) größer ist als die Breite (S) der ersten Seite (28) quer zur Längsrichtung (L). Ferner ist die Deckelbaugruppe (30) an der ersten Seite (28) des Gehäuses (24) angeordnet.The invention relates to a battery cell group (22), comprising a plurality of individual cells (10), a single cover assembly (30) and a housing (24), with a plurality of partition walls (32) being arranged within the housing (24), which separate the individual cells (10) separate from one another within the housing (24), and wherein all individual cells (10) are electrically connected to the cover assembly (30). The housing (24) has a jacket (26) extending in the longitudinal direction (L) and a first side (28) arranged perpendicular to the jacket (26), the length of the jacket (26) being greater than that in the longitudinal direction (L) the width (S) of the first side (28) transversely to the longitudinal direction (L). Furthermore, the cover assembly (30) is arranged on the first side (28) of the housing (24).
Description
Die Erfindung betrifft eine Batteriezellgruppe, insbesondere eine Batteriezellgruppe für einen Hochvoltspeicher in einem Kraftfahrzeug.The invention relates to a battery cell group, in particular a battery cell group for a high-voltage storage device in a motor vehicle.
In Elektrofahrzeugen und Hybridfahrzeugen werden geeignet dimensionierte Batteriesysteme als Hochvoltspeicher für den alleinigen oder unterstützenden elektrischen Antrieb des Kraftfahrzeugs eingesetzt. In den Hochvoltspeichern befinden sich mehrere Module, auch Batteriemodule genannt, in denen wiederum mehrere Batteriezellen zusammengefasst sind. Die einzelnen Batteriezellen können in Serie und/oder parallelgeschaltet sein. Typischerweise werden Lithium-Ionen-Akkumulatoren bzw. -Batterien als Batteriezellen eingesetzt.In electric vehicles and hybrid vehicles, suitably dimensioned battery systems are used as high-voltage storage devices for the sole or auxiliary electric drive of the motor vehicle. The high-voltage storage system contains several modules, also known as battery modules, in which several battery cells are combined. The individual battery cells can be connected in series and / or in parallel. Typically, lithium-ion accumulators or batteries are used as battery cells.
Das Batteriesystem stellt in Elektrofahrzeugen einen der größten Kostenpunkte dar. Aus diesem Grund ist es von entscheidender Bedeutung, dass die Kosten der einzelnen Batteriezellen, bezogen auf deren Energiegehalt, so weit wie möglich gesenkt werden.The battery system is one of the biggest cost items in electric vehicles. For this reason, it is of crucial importance that the costs of the individual battery cells, based on their energy content, are reduced as much as possible.
Gleichzeitig steigt jedoch bei zunehmender Energiedichte der Batteriezellen bzw. des Batteriesystems der Bedarf an Sicherheitseinrichtungen, um einen sicheren Betrieb zu ermöglichen.At the same time, however, as the energy density of the battery cells or the battery system increases, the need for safety devices increases in order to enable safe operation.
Entsprechend muss ein Kompromiss zwischen erzielbarer Energiedichte, Kosten und Sicherheit des Batteriesystems gefunden werden.Accordingly, a compromise has to be found between the achievable energy density, costs and safety of the battery system.
Darüber hinaus soll der zur Verfügung stehende Platz möglichst dicht mit Batteriezellen belegt werden, um die Reichweite des Kraftfahrzeugs entsprechend zu erhöhen.In addition, the available space should be occupied as densely as possible with battery cells in order to increase the range of the motor vehicle accordingly.
Die Aufgabe der Erfindung ist es, eine kostengünstige und in ihrer Energiedichte weiter optimierte Batteriezellgruppe bereitzustellen.The object of the invention is to provide a cost-effective battery cell group that is further optimized in terms of its energy density.
Die Aufgabe wird erfindungsgemäß gelöst durch eine Batteriezellgruppe, umfassend mehrere Einzelzellen, eine einzige Deckelbaugruppe und ein Gehäuse, wobei innerhalb des Gehäuses mehrere Trennwände angeordnet sind, die die Einzelzellen innerhalb des Gehäuses voneinander trennen, wobei alle Einzelzellen mit der Deckelbaugruppe elektrisch verbunden sind, wobei das Gehäuse einen sich in Längsrichtung erstreckenden Mantel sowie eine senkrecht zum Mantel angeordnete erste Seite aufweist, wobei die Länge des Mantels in Längsrichtung größer ist als die Breite der ersten Seite quer zur Längsrichtung, und wobei die Deckelbaugruppe an der ersten Seite des Gehäuses angeordnet ist.The object is achieved according to the invention by a battery cell group comprising a plurality of individual cells, a single cover assembly and a housing, with a plurality of partition walls being arranged within the housing which separate the individual cells from one another within the housing, with all the individual cells being electrically connected to the cover assembly Housing has a longitudinally extending shell and a first side arranged perpendicular to the shell, the length of the shell in the longitudinal direction being greater than the width of the first side transverse to the longitudinal direction, and wherein the cover assembly is arranged on the first side of the housing.
Ein Grundgedanke der Erfindung ist es, die Geometrie und den Aufbau der Batteriezellgruppe so zu wählen, dass gleichzeitig ein Optimum zwischen ausgenutztem Bauraum, erzielbarer Energiedichte und zuverlässiger Sicherheitsfunktion erreicht wird.A basic idea of the invention is to select the geometry and the structure of the battery cell group in such a way that at the same time an optimum is achieved between utilized installation space, achievable energy density and reliable safety function.
Üblicherweise weist jede Batteriezelle eines Batteriesystems eine eigene Deckelbaugruppe auf, die jeweils einen gewissen Bauraum benötigt, der nicht zur Erhöhung der Energiedichte der Batteriezelle zur Verfügung steht.Each battery cell of a battery system usually has its own cover assembly, each of which requires a certain amount of installation space that is not available for increasing the energy density of the battery cell.
Als Batteriezelle wird hier und im Folgenden die aus dem Stand der Technik bekannte elektrochemische Zelle bezeichnet, die ein eigenes Batteriezellengehäuse sowie eine eigene Deckelbaugruppe aufweist. Das Batteriezellengehäuse der einzelnen Batteriezelle dient typischerweise zur mechanischen Stabilisierung der jeweiligen Batteriezelle. Die Deckelbaugruppe weist zudem üblicherweise Leiterfahnen auf, mit denen die Batteriezelle mit einem Zellkontaktiersystem verbunden ist. Zusätzlich befinden sich an der Deckelbaugruppe sicherheitsrelevante Elemente, beispielsweise eine Berstmembran, auch als Sicherheitsventil oder Vent bezeichnet. Des Weiteren wird die in der Batteriezelle vorhandene elektrochemische Zelle vor äußeren Einflüssen wie Wasser und Sauerstoff geschützt. Eine Vielzahl von Batteriezellen kann wie im Stand der Technik beschrieben über das Zellkontaktiersystem zu einem Modul eines Hochvoltspeichers miteinander verbunden werden.The electrochemical cell known from the prior art, which has its own battery cell housing and its own cover assembly, is referred to here and below as the battery cell. The battery cell housing of the individual battery cell is typically used to mechanically stabilize the respective battery cell. The cover assembly also usually has conductor lugs with which the battery cell is connected to a cell contact system. In addition, there are safety-relevant elements on the cover assembly, for example a bursting membrane, also known as a safety valve or vent. Furthermore, the electrochemical cell in the battery cell is protected from external influences such as water and oxygen. As described in the prior art, a large number of battery cells can be connected to one another via the cell contacting system to form a module of a high-voltage storage system.
Unter dem Begriff Einzelzelle wird hingegen die erfindungsgemäße elektrochemische Zelle bezeichnet, die kein eigenes Gehäuse sowie keinen eigenen Deckel aufweist. Mit anderen Worten sind die Einzelzellen gehäusefrei ausgebildet.In contrast, the term single cell denotes the electrochemical cell according to the invention which does not have its own housing or its own cover. In other words, the individual cells are designed without a housing.
Erfindungsgemäß ist vorgesehen, dass diese Einzelzellen in ein gemeinsam genutztes Gehäuse eingesetzt werden, um die Batteriezellgruppe zu bilden.According to the invention, it is provided that these individual cells are inserted into a jointly used housing in order to form the battery cell group.
Die Batteriezellgruppe kann entsprechend selbst ein Modul eines Hochvoltspeichers bilden oder mehrere Batteriezellgruppen können zu einem Modul eines Hochvoltspeichers miteinander verbunden sein.The battery cell group can accordingly itself form a module of a high-voltage storage unit, or several battery cell groups can be connected to one another to form a module of a high-voltage storage unit.
Die Verwendung einer einzigen Deckelbaugruppe ermöglicht es, den zur Verfügung stehenden Bauraum optimal auszunutzen und gleichzeitig den Energiegehalt der Batteriezellgruppe zu erhöhen.The use of a single cover assembly makes it possible to optimally utilize the available installation space and at the same time to increase the energy content of the battery cell group.
Die Deckelbaugruppe kann auch in der erfindungsgemäßen Batteriezellgruppe die aus dem Stand der Technik bekannten Sicherheitseinrichtungen aufweisen, beispielsweise Sicherheitsventile, Überlasteinrichtungen und/oder Sicherungen, insbesondere Schmelzsicherungen.In the battery cell group according to the invention, the cover assembly can also have the safety devices known from the prior art, for example safety valves, overload devices and / or fuses, in particular fuses.
Zudem kann die Deckelbaugruppe eine Öffnung zum Zusetzen des Elektrolyten während der Herstellung der Batteriezellgruppe aufweisen.In addition, the cover assembly can have an opening for adding the electrolyte during manufacture of the battery cell group.
Die erfindungsgemäße Batteriezellgruppe ermöglicht es zudem, die einzige Deckelbaugruppe an der ersten Seite des Gehäuses der Batteriezellgruppe anzubringen, wobei die Länge des Mantels größer ist als die Breite der ersten Seite. Dadurch ergibt sich eine Form der Batteriezellgruppe, bei der sich die Gesamthöhe des Gehäuses der Batteriezellgruppe minimieren lässt, ohne den Energiegehalt senken zu müssen.The battery cell group according to the invention also makes it possible to attach the single cover assembly to the first side of the housing of the battery cell group, the length of the jacket being greater than the width of the first side. This results in a form of the battery cell group in which the total height of the housing of the battery cell group can be minimized without having to reduce the energy content.
Grundsätzlich erstrecken sich die erste Seite und die Mantelflächen des Mantels in zueinander senkrechte Richtungen.In principle, the first side and the jacket surfaces of the jacket extend in directions perpendicular to one another.
Die erste Seite des Gehäuses entspricht einer Stirnseite des Gehäuses, wobei die erste Seite des Gehäuses offen ist und im zusammengebauten Zustand der Batteriezellgruppe durch die Deckelbaugruppe verschlossen ist.The first side of the housing corresponds to an end face of the housing, the first side of the housing being open and being closed by the cover assembly in the assembled state of the battery cell group.
Die Einzelzellen sind durch die Trennwände voneinander getrennt. Somit verhindern die Trennwände eine direkte Berührung der Bauteile der Einzelzellen.The individual cells are separated from one another by the partition walls. The partition walls thus prevent direct contact with the components of the individual cells.
Ein elektrisches Übersprechen kann durch Isolation der Einzelzellen erfolgen, beispielsweise indem die Einzelzellen in Separatorfolie gewickelt sind und/oder die Einzelzellen eine zusätzliche Schicht aus einer isolierenden Polymerfolie aufweisen, beispielsweise aus Polyethylenterephthalat (PET).Electrical crosstalk can take place by isolating the individual cells, for example by wrapping the individual cells in separator film and / or the individual cells having an additional layer made of an insulating polymer film, for example made of polyethylene terephthalate (PET).
Auch kann die Trennwand selbst elektrisch nichtleitend sein und/oder eine elektrisch nichtleitende Schicht aufweisen, die ein elektrisches Übersprechen zur angrenzenden Einzelzelle verhindert.The partition itself can also be electrically non-conductive and / or have an electrically non-conductive layer which prevents electrical crosstalk to the adjoining individual cell.
Mit anderen Worten sind zwei benachbarte Einzelzellen jeweils durch nur eine Trennwand voneinander getrennt. Da die Einzelzellen im Gegensatz zu aus dem Stand der Technik bekannten Batteriezellen kein eigenes Gehäuse aufweisen, wird so die Dicke des trennenden Materials zwischen zwei benachbarten Einzelzellen reduziert.In other words, two adjacent individual cells are each separated from one another by only one partition. Since, in contrast to battery cells known from the prior art, the individual cells do not have their own housing, the thickness of the separating material between two adjacent individual cells is thus reduced.
Insbesondere hat die Trennwand eine Dicke, die weniger als das Doppelte einer üblichen Gehäusewand einer Batteriezelle entspricht.In particular, the partition wall has a thickness which corresponds to less than twice a conventional housing wall of a battery cell.
Die Einzelzellen sind bevorzugt Lithium-Ionen-Batterien, besonders bevorzugt Lithi um-I onen-Sekundärbatterien.The individual cells are preferably lithium-ion batteries, particularly preferably lithium-ion secondary batteries.
Die Einzelzellen können aus Stapeln und/oder Jelly-Rolls aufgebaut sein. Entsprechend weisen die Einzelzellen zumindest eine Kathode, zumindest eine Anode und zumindest einen Separator auf, der zwischen der Kathode und der Anode angeordnet ist.The individual cells can be made up of stacks and / or jelly rolls. Correspondingly, the individual cells have at least one cathode, at least one anode and at least one separator which is arranged between the cathode and the anode.
Als Kathodenmaterial kommen alle üblichen Kathodenmaterialien zum Einsatz. Insofern kann als Kathoden-Aktivmaterial LiCoO2, Lithium-Nickel-Kobalt-ManganVerbindungen (unter der Abkürzung NCM bzw. NMC bekannt), Lithium-Nickel-Kobalt-Aluminium-Oxid (NCA), Lithium-Eisenphosphat und andere Olivinverbindungen, Lithium-Mangan-Oxid-Spinell (LMS bzw. LMO) sowie manganreiche Mischoxide verwendet werden.All common cathode materials are used as the cathode material. In this respect, the cathode active material LiCoO 2 , lithium-nickel-cobalt-manganese compounds (known by the abbreviation NCM or NMC), lithium-nickel-cobalt-aluminum oxide (NCA), lithium iron phosphate and other olivine compounds, lithium manganese -Oxide spinel (LMS or LMO) and manganese-rich mixed oxides can be used.
Ebenso können als Anodenmaterial alle üblichen Anodenmaterialien verwendet werden, beispielsweise kann ein Anoden-Aktivmaterial ausgewählt sein aus der Gruppe, die aus Lithium-Metalloxiden, wie etwa Lithium-Titan-Oxid, Metalloxiden, wie Fe2O3, ZnO, ZnFe2O4, Lithium-Metall, kohlenstoffhaltigen Materialien, wie etwa Graphit, synthetischer Graphit, Naturgraphit, Graphen, Mesokohlenstoff, dotierter Kohlenstoff, Hardcarbon, Softcarbon, Fullerenen und Mischungen aus Silicium und Kohlenstoff, Silizium, Siliziumoxid, Lithiumlegierungen und Mischungen davon besteht.Likewise, all customary anode materials can be used as anode material, for example an anode active material can be selected from the group consisting of lithium metal oxides such as lithium titanium oxide, metal oxides such as Fe 2 O 3 , ZnO, ZnFe 2 O 4 , Lithium metal, carbonaceous materials such as graphite, synthetic graphite, natural graphite, graphene, mesocarbon, doped carbon, hard carbon, soft carbon, fullerenes and mixtures of silicon and carbon, silicon, silicon oxide, lithium alloys and mixtures thereof.
Als Separatoren können alle üblichen Materialien eingesetzt werden, beispielsweise ein Polymer ausgewählt aus der Gruppe bestehend aus Polyestern, insbesondere Polyethylenterephthalat, Polyolefinen, insbesondere Polyethylen oder Polypropylen, Polyacrylnitrilen, Polyvinylidenfluorid, Polyvinyliden-Hexafluoropropylen, Polyetherimid, Polyimid, Polyether, Polyetherketon oder Mischungen davon.All customary materials can be used as separators, for example a polymer selected from the group consisting of polyesters, in particular polyethylene terephthalate, polyolefins, in particular polyethylene or polypropylene, polyacrylonitriles, polyvinylidene fluoride, polyvinylidene-hexafluoropropylene, polyetherimide, polyimide, polyether, polyetherketone or mixtures thereof.
Jeder der Stapel und/oder Jelly-Rolls kann bereits mehrere Kathoden und Anoden aufweisen, die jeweils mittels eines Separators getrennt sind. Die Einzelzellen können entsprechend ihrerseits bereits Zellstapel darstellen.Each of the stacks and / or jelly rolls can already have several cathodes and anodes, each of which is separated by means of a separator. Correspondingly, the individual cells can in turn already represent cell stacks.
Das Gehäuse der Batteriezellgruppe kann aus einem Metall, beispielsweise Stahl oder Aluminium, oder einer Metallverbindung sein.The housing of the battery cell group can be made of a metal, for example steel or aluminum, or a metal compound.
Die Deckelbaugruppe kann wenigstens einen elektrischen Kontakt zur Kontaktierung der Batteriezellgruppe haben, der auf der zum Gehäuse entgegengesetzten Seite der Deckelbaugruppe vorgesehen ist, insbesondere zwei elektrische Kontakte. Insofern lassen sich die Einzelzellen der Batteriezellgruppe über die Deckelbaugruppe zumindest teilweise elektrisch kontaktieren. Da wenigstens ein elektrischer Kontakt an der Deckelbaugruppe vorgesehen ist, lässt sich die Batteriezellgruppe an einer der Stirnseiten der Batteriezellgruppe kontaktieren. Hierdurch kann die Kontaktierung entsprechend einfach und platzsparend erfolgen, da die Stirnseiten der Batteriezellgruppe einfach zugänglich und flächenmäßig kleiner sind als eine der Flächen des Mantels.The cover assembly can have at least one electrical contact for contacting the battery cell group, which contact is provided on the side of the cover assembly opposite to the housing, in particular two electrical contacts. In this respect, the individual cells of the battery cell group can be at least partially electrically contacted via the cover assembly. Since at least one electrical contact is provided on the cover assembly, the battery cell group can be contacted on one of the end faces of the battery cell group. This allows the contact to be made in a correspondingly simple and space-saving manner, since the end faces of the Battery cell group are easily accessible and smaller in area than one of the surfaces of the shell.
In einer Variante können die Einzelzellen jeweils eine Kathoden-Ableiterfahne und eine Anoden-Ableiterfahne aufweisen, die mit der Deckelbaugruppe elektrisch verbunden sind.In one variant, the individual cells can each have a cathode collector tab and an anode collector tab, which are electrically connected to the cover assembly.
Die Kathoden-Ableiterfahne und die Anoden-Ableiterfahne können auf entgegengesetzten Seiten der Einzelzellen aus diesen herausragen, sodass eine der beiden Ableiterfahnen, beispielsweise die Kathoden-Ableiterfahne, in Richtung der ersten Seite des Gehäuses aus den Einzelzellen herausragt, während die zweite der beiden Ableiterfahnen, beispielsweise die Anoden-Ableiterfahne, in Richtung der zweiten Seite des Gehäuses aus der Einzelzelle herausragt.The cathode arrester lug and the anode arrester lug can protrude from these on opposite sides of the individual cells, so that one of the two arrester lugs, for example the cathode arrester lug, protrudes from the individual cells in the direction of the first side of the housing, while the second of the two arrester lugs, For example, the anode arrester lug protrudes from the single cell in the direction of the second side of the housing.
In diesem Fall wird die zweite der beiden Ableiterfahnen über die gesamte Länge der Einzelzellen in Richtung der Deckelbaugruppe geführt, damit beide Ableiterfahnen mit der Deckelbaugruppe elektrisch verbunden werden können, insbesondere mit den beiden an der Deckelbaugruppe vorgesehenen elektrischen Kontakte.In this case, the second of the two conductor tabs is guided over the entire length of the individual cells in the direction of the cover assembly so that both conductor tabs can be electrically connected to the cover assembly, in particular to the two electrical contacts provided on the cover assembly.
Die Kathoden-Ableiterfahne und die Anoden-Ableiterfahne sind dann jeweils einem elektrischen Kontakt zugeordnet bzw. mit diesem elektrisch leitend verbunden.The cathode arrester lug and the anode arrester lug are then each assigned to an electrical contact or connected to it in an electrically conductive manner.
In einer weiteren Variante können die Einzelzellen jeweils eine Kathoden-Ableiterfahne und eine Anoden-Ableiterfahne aufweisen, wobei entweder die Kathoden-Ableiterfahnen oder die Anoden-Ableiterfahnen mit der Deckelbaugruppe und die jeweils anderen Ableiterfahnen mit der zur Deckelbaugruppe entgegengesetzten zweiten Seite des Gehäuses elektrisch verbunden ist.In a further variant, the individual cells can each have a cathode tab and an anode tab, either the cathode tab or the anode tab is electrically connected to the cover assembly and the other tab is electrically connected to the second side of the housing opposite the cover assembly .
Welche Ableiterfahnen mit dem Gehäuse verbunden werden, hängt vor allem von der elektrochemischen Stabilität des Gehäusematerials bei den resultierenden Potentialen ab.Which conductor tabs are connected to the housing depends primarily on the electrochemical stability of the housing material at the resulting potentials.
Insbesondere werden bei einem Gehäuse aus Stahl die Anoden-Ableiterfahnen mit dem Gehäuse und die Kathoden-Ableiterfahnen mit der Deckelbaugruppe verbunden.In particular, in the case of a housing made of steel, the anode tabs are connected to the housing and the cathode tabs are connected to the cover assembly.
Ist das Gehäuse hingegen aus Aluminium, werden insbesondere die Kathoden-Ableiterfahnen mit dem Gehäuse und die Anoden-Ableiterfahnen mit der Deckelbaugruppe verbunden.If, on the other hand, the housing is made of aluminum, in particular the cathode discharge tabs are connected to the housing and the anode discharge tabs are connected to the cover assembly.
Eine derartige Anordnung ermöglicht eine kürzere Anoden-Ableiterfahnen bzw. Kathoden-Ableiterfahnen, da die jeweils mit dem Gehäuse verbundenen Ableiterfahnen nicht über die gesamte Länge der Einzelzellen in Richtung Deckelbaugruppe geführt werden muss.Such an arrangement enables shorter anode tabs or cathode tabs, since the tabs connected to the housing do not have to be guided over the entire length of the individual cells in the direction of the cover assembly.
In einer solchen Variante sind alle Einzelzellen parallelgeschaltet.In such a variant, all individual cells are connected in parallel.
In einem solchen Fall resultiert ein Stromfluss über das metallische bzw. elektrisch leitende Gehäuse, was auch unter dem Begriff Can-Potential bekannt ist.In such a case, a current flows through the metallic or electrically conductive housing, which is also known under the term Can potential.
Weist die Einzelzelle bereits mehrere Kathoden und Anoden auf, kann jede dieser Kathoden und Anoden eine Ableiterfahne aufweisen, die in Form eines Kathoden-Sammelglieds und eines Anoden-Sammelglieds zusammengeführt werden. In dieser Ausgestaltung stellt das Kathoden- bzw. Anoden-Sammelglied die oben aufgeführten elektrischen Verbindungen her.If the single cell already has several cathodes and anodes, each of these cathodes and anodes can have an arrester lug, which are brought together in the form of a cathode collecting member and an anode collecting member. In this embodiment, the cathode or anode collecting member establishes the electrical connections listed above.
Hierdurch lässt sich die Anzahl der elektrischen Kontakte reduzieren, insbesondere auf einen elektrischen Kontakt für sämtliche Kathoden sowie einen elektrischen Kontakt für sämtliche Anoden.This allows the number of electrical contacts to be reduced, in particular to one electrical contact for all cathodes and one electrical contact for all anodes.
Zumindest eine der Einzelzellen kann eine Laminierung aufweisen, insbesondere jede der Einzelzellen. Die Laminierung kann eine Folie oder die Außenseite einer Jelly-Roll sein. Die Laminierung ist entsprechend dünnwandig ausgebildet, insbesondere dünnwandiger als die Trennwände.At least one of the individual cells can have a lamination, in particular each of the individual cells. The lamination can be a film or the outside of a jelly roll. The lamination is correspondingly thin-walled, in particular thinner-walled than the partition walls.
Die Laminierung sorgt für eine zusätzliche Fixierung der Einzelzellen und ist insbesondere vorteilhaft, wenn die Einzelzelle ihrerseits bereits aus mehreren Kathoden und Anoden aufgebaut ist.The lamination ensures an additional fixation of the individual cells and is particularly advantageous if the individual cell itself is already made up of several cathodes and anodes.
Zumindest eine der Trennwände kann ein thermisch isolierendes Material und/oder eine thermisch isolierende Beschichtung umfassen, insbesondere aus Glasfaser, Keramiken und/oder Polymer-Keramikverbunden.At least one of the partition walls can comprise a thermally insulating material and / or a thermally insulating coating, in particular made of glass fiber, ceramics and / or polymer-ceramic composites.
Thermisch isolierende Trennwände sorgen dafür, dass sich eine erhöhte Temperatur innerhalb einer Einzelzelle nicht oder nur verlangsamt auf die umgebenden Einzelzellen der Batteriezellgruppe auswirken kann. Mit anderen Worten können thermisch isolierende Trennwände die sie begrenzende Einzelzelle von den übrigen Einzelzellen thermisch trennen.Thermally insulating partition walls ensure that an increased temperature within an individual cell cannot affect the surrounding individual cells of the battery cell group or only has a slower effect. In other words, thermally insulating partition walls can thermally separate the individual cell that delimits them from the remaining individual cells.
Auf diese Weise kann ein Durchgehen der gesamten Batteriezellgruppe selbst beim Durchgehen einer Einzelzelle verhindert oder zumindest verzögert werden, sodass trotz der höheren Energiedichte der Batteriezellgruppe eine ausreichende Sicherheit gewährleistet bleibt.In this way, the entire battery cell group can be prevented or at least delayed even when an individual cell is passed through, so that adequate safety is ensured despite the higher energy density of the battery cell group.
Unter Durchgehen wird hier das sogenannte thermische Durchgehen („thermal runaway“) verstanden, also die sich selbst fortsetzende Zersetzung der elektrochemischen Zelle unter Temperaturanstieg, die durch lokale Überhitzung beginnen kann, beispielsweise nach einem Kurzschluss oder einer mechanischen Beschädigung der jeweiligen Einzelzelle.Runaway is understood here as the so-called thermal runaway, i.e. the self-continuing decomposition of the electrochemical cell with a rise in temperature, which can begin as a result of local overheating, for example after a short circuit or mechanical damage to the respective individual cell.
Ferner kann zumindest eine der Trennwände ein thermisch leitendes Material und/oder eine thermisch leitende Beschichtung umfassen, insbesondere aus Aluminium.Furthermore, at least one of the partition walls can comprise a thermally conductive material and / or a thermally conductive coating, in particular made of aluminum.
Thermisch leitende Trennwände sorgen dafür, dass sich eine erhöhte Temperatur besonders gut zwischen mehreren Einzelzellen verteilen kann und so eine lokale Überhitzung vermieden wird. Mit anderen Worten lässt sich über die thermisch leitenden Trennwände eine homogenere Temperaturverteilung über die mehreren Einzelzellen realisieren. Eine zu hohe Temperatur einer Einzelzelle kann demnach vermieden werden, da die entsprechende Wärme leicht abtransportiert werden kann.Thermally conductive partition walls ensure that an increased temperature can be distributed particularly well between several individual cells, thus avoiding local overheating. In other words, the thermally conductive partition walls can be used to achieve a more homogeneous temperature distribution over the multiple individual cells. A too high temperature of an individual cell can therefore be avoided, since the corresponding heat can be easily removed.
Ein solches Verhalten ist besonders während des Ladevorgangs der Batteriezellgruppe vorteilhaft, da während des Ladevorgangs erhöhte Temperaturen durch den Ladestrom zu erwarten sind.Such behavior is particularly advantageous during the charging process of the battery cell group, since increased temperatures due to the charging current are to be expected during the charging process.
Entsprechend ist eine gezielte Kombination von thermisch isolierenden und thermisch leitenden Trennwänden innerhalb des Gehäuses besonders vorteilhaft, da auf diese Weise sowohl ein ausreichender Temperaturausgleich zwischen den Einzelzellen stattfinden und gleichzeitig das Durchgehen der Batteriezellgruppe verhindert werden kann.Accordingly, a targeted combination of thermally insulating and thermally conductive partition walls within the housing is particularly advantageous, since in this way both a sufficient temperature equalization can take place between the individual cells and at the same time the passage of the battery cell group can be prevented.
Ebenso kann auch eine Kombination aus einem thermisch leitenden Material bzw. einer thermisch leitenden Beschichtung und einem thermisch isolierenden Material bzw. einer thermisch isolierenden Beschichtung verwendet werden.A combination of a thermally conductive material or a thermally conductive coating and a thermally insulating material or a thermally insulating coating can also be used.
In diesem Fall ergeben sich Sandwich-Strukturen der Trennwand, beispielsweise mit einer Abfolge an Materialien bzw. Beschichtung aus Aluminium/Glasfaser oder Aluminium/Glasfaser/Aluminium.In this case, the partition wall has sandwich structures, for example with a sequence of materials or a coating of aluminum / glass fiber or aluminum / glass fiber / aluminum.
In einer bevorzugten Variante ist die Dicke der Trennwände kleiner als die zweifache Dicke einer Außenwand des Gehäuses, insbesondere kleiner als die zweifache Dicke eines Gehäuses einer üblichen Batteriezelle.In a preferred variant, the thickness of the partition walls is less than twice the thickness of an outer wall of the housing, in particular less than twice the thickness of a housing of a conventional battery cell.
Auf diese Weise kann im Vergleich zu einem Modul mit mehreren unabhängigen Batteriezellen, die jeweils eine eigene Außenwand aufweisen müssten, weiterer Bauraum eingespart werden.In this way, compared to a module with several independent battery cells, each of which would have to have its own outer wall, additional installation space can be saved.
In einer weiteren Variante weisen die Trennwände eine Kompressionsschicht auf, die Volumenänderungen der Einzelzellen, wie sie beispielsweise bei Lade-und Entladevorgängen sowie durch alterungsbedingtes Ausdehnen der Elektrode auftreten, zumindest teilweise kompensieren kann.In a further variant, the partition walls have a compression layer which can at least partially compensate for changes in volume of the individual cells, such as occur, for example, during charging and discharging processes and due to aging-related expansion of the electrode.
Die Kompressionsschicht ist insbesondere aus einem Elastomer aufgebaut.The compression layer is composed in particular of an elastomer.
Eine solche Kompressionsschicht kann auch zusätzlich mit den thermisch leitenden und/oder thermisch isolierenden Schichten wie zuvor beschrieben kombiniert werden.Such a compression layer can also be combined with the thermally conductive and / or thermally insulating layers as described above.
Auch kann die Kompressionsschicht selbst thermisch isolierend oder thermisch leitend sein.The compression layer itself can also be thermally insulating or thermally conductive.
In einer weiteren Variante sind die Trennwände und etwaige Öffnungen zur Deckelbaugruppe undurchlässig für den Elektrolyten der Einzelzellen.In a further variant, the partition walls and any openings to the cover assembly are impermeable to the electrolyte of the individual cells.
In einer solchen Ausgestaltung findet kein Austausch von Elektrolyt zwischen den Einzelzellen statt. Dadurch ist es unter anderem möglich, die Einzelzellen der Batteriezellgruppe in Reihe zu schalten.In such a configuration, there is no exchange of electrolyte between the individual cells. This makes it possible, among other things, to connect the individual cells of the battery cell group in series.
Es können im Fall einer Lithium-Ionen-Zelle als Einzelzelle bereits einzelne Batteriezellgruppen eine höhere Spannung als 4,2 V aufweisen, indem mehrere Einzelzellen in Reihe geschaltet werden.In the case of a lithium-ion cell as an individual cell, individual battery cell groups can already have a voltage higher than 4.2 V by connecting several individual cells in series.
Ferner kann die Batteriezellgruppe eine Gesamthöhe aufweisen, die senkrecht zur Längsrichtung ist, wobei die Gesamthöhe durch das Gehäuse vorgegeben ist, das quer zur Längsrichtung direkt an den Einzelzellen anliegt, insbesondere wobei die Gesamthöhe im Wesentlichen 100 mm beträgt.Furthermore, the battery cell group can have an overall height that is perpendicular to the longitudinal direction, the overall height being predetermined by the housing, which rests directly on the individual cells transversely to the longitudinal direction, in particular the overall height being essentially 100 mm.
Die Gesamthöhe wird meist durch den zur Verfügung stehenden Bauraum begrenzt, wobei bei Anwendungen in Kraftfahrzeugen üblicherweise die zur Verfügung stehende Länge bzw. Breite deutlich größer ist als die zur Verfügung stehende Höhe. Durch die elektrische Kontaktierung an der Stirnseite der Batteriezellgruppe ergibt sich so ein Volumen, das mehr einem Kubus entspricht, wodurch das für die Einzelzellen zur Verfügung stehende Volumen maximiert ist. Mit anderen Worten lässt sich so der Füllfaktor erhöhen.The overall height is usually limited by the available installation space, with the available length or width usually being significantly greater than the available height for applications in motor vehicles. The electrical contact on the end face of the battery cell group results in a volume that corresponds more to a cube, whereby the volume available for the individual cells is maximized. In other words, the fill factor can be increased.
Die Höhe der Einzelzellen entspricht demnach im Wesentlichen derjenigen des Gehäuses.The height of the individual cells therefore essentially corresponds to that of the housing.
Entsprechend kann die erfindungsgemäße Batteriezellgruppe in besonders effektiver Weise den zur Verfügung stehenden Bauraum ausnutzen, wodurch eine insgesamt höhere Energiedichte des verbauten Batteriespeichers erzielt wird, also der Batteriezellgruppe.Accordingly, the battery cell group according to the invention can utilize the available installation space in a particularly effective manner, as a result of which an overall higher energy density of the built-in battery storage device, that is to say of the battery cell group, is achieved.
Insbesondere erstrecken sich die Einzelzellen (im Wesentlichen) über die gesamte Länge des Gehäuses, also von der ersten Seite zur zweiten Seite des Gehäuses.In particular, the individual cells extend (essentially) over the entire length of the housing, that is to say from the first side to the second side of the housing.
Weitere Vorteile und Eigenschaften der Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung sowie aus den Figuren. In diesen zeigen:
- -
1 eine separat dargestellte Einzelzelle sowie eine Anordnung von Einzelzellen für eine erfindungsgemäße Batteriezellgruppe; - -
2 die Anordnung der Einzelzellen aus1 in der erfindungsgemäße Batteriezellgruppe in einer teilweisen Explosionsansicht; - -
3 eine schematische Draufsicht auf eine Batteriezellgruppe; - -
4a eine schematische Seitenansicht der Batteriezellgruppe aus2 ; - -
4b eine schematische Frontansicht auf die Batteriezellgruppe aus2 ; und - -
5 schematische Draufsichten auf verschiedene Ausführungsformen von Trennwänden der Batteriezellgruppe aus1 .
- -
1 a separately shown single cell and an arrangement of single cells for a battery cell group according to the invention; - -
2 the arrangement of the individual cells1 in the battery cell group according to the invention in a partial exploded view; - -
3rd a schematic plan view of a battery cell group; - -
4a a schematic side view of the battery cell group2 ; - -
4b a schematic front view of the battery cell group2 ; and - -
5 schematic top views of various embodiments of partition walls of the battery cell group1 .
In
Zwischen den Kathoden
Bei der gezeigten Einzelzelle
Die Einzelzelle
In einer alternativen Ausführungsform könnte es sich jedoch auch um eine sogenannte Jelly-Roll handeln, bei der die Kathoden
In der in
Grundsätzlich können die mehreren Einzelzellen
Aus der Einzelzelle
Am in Längsrichtung der Einzelzelle
Das Anoden-Sammelglied
Ferner weist die Einzelzelle
Grundsätzlich könnte die Einzelzelle
In der unteren Darstellung in
Die Batteriezellgruppe
Bei der ersten Seite
Des Weiteren weist das Gehäuse
Wie in
Am zur Deckelbaugruppe
Das Gehäuse
Innerhalb des Gehäuses
Die Trennwände
Die Dicke der Trennwände
In die Kammern
Demnach ist zwischen zwei benachbarten Einzelzellen
In der gezeigten Ausführungsform weisen die Kathoden-Sammelglieder
Dort werden sie über ein Verbindungsstück
Alternativ kann auch vorgesehen sein, dass die elektrischen Kontakte
In weiteren Ausführungsformen werden die Anoden
In zusammengesetzten Zustand deckt die Deckelbaugruppe
In
Die Trennwände
Auf diese Weise wird einerseits verhindert, dass eine Überhitzung einer Einzelzelle
Je nach Anforderung können jedoch auch alle Trennwände
Es ist auch möglich, dass zumindest eine Trennwand
Zusätzlich kann zumindest eine Trennwand
Beispielhafte Kombinationen von thermisch leitenden Material
Bei Kombination aus thermisch leitenden Material
In
So ist zu sehen, dass in der gezeigten Ausführungsform für die Batteriezellgruppe
Insofern erstrecken sich die Einzelzellen
In
Entsprechend weist das Gehäuse
Eine solche Anordnung eignet sich in besonderem Maße für Kraftfahrzeuge, bei denen oft der verfügbare Bauraum, insbesondere in der Höhe, beschränkt ist. Durch die Batteriezellgruppe
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