DE102019209448A1

DE102019209448A1 - Batteriemodul

Info

Publication number: DE102019209448A1
Application number: DE102019209448.1A
Authority: DE
Inventors: Kay-Michael Günther; Marcus Lehnhardt
Original assignee: Volkswagen AG
Current assignee: Volkswagen AG
Priority date: 2019-06-28
Filing date: 2019-06-28
Publication date: 2020-12-31

Abstract

Die Erfindung betrifft ein Batteriemodul (1), wobei das Batteriemodul (1) ein Gehäuse (2), eine Vielzahl von elektrisch verschalteten Batteriezellen (3) und eine mechanische Fixierung der Batteriezellen (3) in dem Gehäuse (2) aufweist, wobei die mechanische Fixierung mindestens ein Stützelement aufweist, das mit mindestens einer Gehäusewand des Gehäuses (2) in Berührung ist, wobei zwischen dem Stützelement (5) und den Batteriezellen (3) mindestens ein Mindestabstand eingestellt ist, um einen Lichtbogen zwischen Batteriezellen (3) und der Gehäusewand zu verhindern und wobei der Abstand zwischen den Batteriezellen (3) und dem Stützelement (5) mindestens das 1,5-fache des Mindestabstandes beträgt.

Description

Die Erfindung betrifft ein Batteriemodul.
Batteriemodule weisen typischerweise ein Gehäuse auf, in dem eine Vielzahl von elektrisch verschalteten Batteriezellen angeordnet sind, die beispielsweise in Reihe geschaltet sind, um eine gewünschte Batteriespannung zu erzeugen. Die Batteriezellen können aber auch parallel geschaltet sein oder aber teilweise in Reihe und teilweise parallel verschaltet sein. Zur Vermeidung eines undefinierten Bewegens der Batteriezellen innerhalb des Gehäuses ist eine mechanische Fixierung vorgesehen. Dabei sind verschiedenste mechanische Fixierungen bekannt, wobei die Art der Fixierung typischerweise auch abhängig von der Form der Batteriezellen ist (zylindrisch oder prismatisch)
So wird beispielsweise in der DE 11 2015 001 861 T5 beschrieben, dass typischerweise die Batteriezellen eines Batteriemoduls in einem Stapel durch eine mechanische Fixierungsbaugruppe zusammengehalten werden, wobei die Fixierungsbaugruppe manchmal auch als Käfig bezeichnet wird. Der Käfig stellt eine strukturelle Stütze für die Zellen bereit, wobei sich wenigstens ein Metallhalteband um einen Stapel von Zellen anpasst. Abschnitte des Metallhaltebandes sind typischerweise zusammengeschweißt, -genietet oder-geschraubt. Der Käfig schließt ferner Flansche ein, durch die mit Gewinde versehene Befestigungselemente installiert sind, um den Käfig und die Zellen an einer Batteriepaketbasis zu befestigen.
Weiter ist aus der DE 11 2015 001 861 T5 ein Batteriemodul bekannt, umfassend wenigstens eine elektrochemische Zelle, die eine erste Seite und eine erste dielektrische Lage, aufweist, wobei diese aufeinander angeordnet sind.
Weiter definiert die erste dielektrische Lage ein erstes Fenster. Gegenüber der ersten Seite ist eine erste Seitenplatte angeordnet, die über eine erste Klebstofflage die erste Seite und die erste Seitenplatte verklebt.
Ein weiteres Batteriemodul ist aus der FR 2 986 374 A1 bekannt, wo eine Fixierung von zylindrischen Batteriezellen offenbart ist.
Dabei ist man stets bemüht, die Batteriemodule so kompakt wie möglich aufzubauen, um möglichst Bauraum einzusparen. Begrenzt wird dies durch die Abführung der Wärme sowie einen Mindestabstand zu den Gehäusewänden, um einen Lichtbogen zwischen Batteriezellen und Gehäusewand im Fehlerfall zu vermeiden, da das Gehäuse typischerweise auf Masse gelegt wird.
Der Erfindung liegt das technische Problem zugrunde, ein verbessertes Batteriemodul zu schaffen.
Die Lösung des technischen Problems ergibt sich durch ein Batteriemodul mit den Merkmalen des Anspruchs 1. Weitere vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung ergeben sich aus den Unteransprüchen.
Hierzu weist das Batteriemodul ein Gehäuse, eine Vielzahl von elektrisch verschalteten Batteriezellen und eine mechanische Fixierung der Batteriezellen in dem Gehäuse auf. Dabei weist die mechanische Fixierung mindestens ein Stützelement auf, das mit mindestens einer Gehäusewand des Gehäuses in Berührung ist, wobei zwischen dem Stützelement und den Batteriezellen ein Mindestabstand eingestellt ist, um einen Lichtbogen zwischen den Batteriezellen und der Gehäusewand zu verhindern. Dabei wird erfindungsgemäß der Abstand zwischen den Batteriezellen und dem Stützelement gezielt vergrößert und beträgt mindestens das 1,5-fache, vorzugsweise das Zweifache bzw. das Doppelte des Mindestabstandes. Dem liegt die Erkenntnis zugrunde, dass die kapazitive Kopplung zwischen den Batteriezellen und dem Stützelement über die Gehäusewand einen Beitrag zu einer Y-Kapazität eines Systems mit einer oder mehreren Batteriemodulen liefert. Y-Kondensatoren werden beispielsweise in Traktionsnetzen eines Kraftfahrzeuges zwischen den HV-Leitungen und Masse geschaltet und dienen zur Ableitung von HF-Störungen gegen Masse. Dabei kommen üblicherweise mehrere Y-Kondensatoren zum Einsatz, die lokal den Komponenten zugeordnet werden, die besonders viel Störstrahlung erzeugen, wie beispielsweise Wechselrichter oder Klimakompressoren. Andererseits ist zulässige Gesamt-Kapazität begrenzt, da diese hinsichtlich des Berührschutzes relevant ist. Daher sind parasitäre Y-Kapazitäten störend, da diese die zulässige Y-Kapazität zur Funkentstörung reduzieren. Hier setzt die Erfindung ein, um gezielt die parasitären Y-Kapazitäten aufgrund der kapazitiven Kopplung der Batteriezellen zu reduzieren. Durch die gezielte Vergrößerung des Abstandes der Batteriezellen zu dem Stützelement, das beispielsweise aus Metall ist oder Metallteile aufweist, wird die wirksame Kapazität verringert.
In einer weiteren Ausführungsform besteht das Stützelement aus einem Isolator, was zu einer Verringerung der kapazitiven Kopplung führt, da gedanklich die Gegenplatte des parasitären Kondensators zur Gehäusewand verschoben wird. Gemäß der Formel C = ε₀ ε_r . A/d wird dadurch d vergrößert und somit C verkleinert. Alternativ kann das Stützelement derart ausgebildet sein, dass dieses zwar noch einzelne metallische Bestandteile aufweist, diese aber soweit wie möglich reduziert sind, sodass die wirksame Fläche reduziert wird. Die Reduzierung der Metallteile bzw. deren vollständiger Ersatz durch einen Isolator ist auch unabhängig von der Vergrößerung des Abstandes zwischen Batteriezellen und Stützelement eine erfinderische Lösung des technischen Problems. Wie der Formel zu entnehmen ist, sollte ein Isolator mit einer möglichst kleinen relativen Permittivität ε_r gewählt werden.
In einer weiteren Ausführungsform ist zwischen den Batteriezellen und dem Stützelement ein elektrischer Isolator angeordnet. Vorzugsweise weist der Isolator dabei eine relative Permittivität kleiner 10 auf. Weiter vorzugsweise wird dabei die Dicke des Isolators möglichst groß gewählt, um d zu vergrößern. Dabei gilt, dass die Dicke D mindestens das 1,5-fache des Mindestabstandes beträgt, um einen Lichtbogen bzw. Durchschlag durch den Isolator zu vermeiden.
Ein bevorzugtes Anwendungsgebiet der Erfindung ist der Einsatz des Batteriemoduls in einem Traktionsnetz eines Elektrofahrzeuges.
Die Erfindung wird nachfolgend anhand eines bevorzugten Ausführungsbeispiels näher erläutert. Die einzige Figur zeigt eine schematische Darstellung eines Batteriemoduls.
In der 1 ist eine Draufsicht auf ein Batteriemodul 1 dargestellt, wobei ein Deckel entfernt wurde. Das Batteriemodul 1 weist ein Gehäuse 2, vier Batteriezellen 3, einen Isolator 4 und eine Stützstruktur 5 auf. Die Batteriezellen 3 sind über Kleberschichten 6 miteinander verbunden, wobei der Isolator 4 als Bandage um den Stapel der Batteriezellen 3 gewickelt ist. Dadurch hat der Isolator 4 eine Doppelfunktion, nämlich dient einerseits der mechanischen Befestigung des Batteriezellen-Stapels und andererseits der elektrischen Isolierung der Batteriezellen 3 gegenüber der Stützstruktur 5.Dabei wird die Dicke D des Isolators 4 bewusst größer ausgelegt als für die elektrische Isolation notwendig, um so die parasitäre Kapazität zwischen Batteriezellen 3 und Stützstruktur 5 zu reduzieren. Die Stützstruktur 5 weist Elemente 7 auf, mittels derer die Stützstruktur 5 mit dem Gehäuse 2 mechanisch verbunden ist (beispielsweise verklemmt). Weiter kann die Stützstruktur 5 derart ausgebildet sein, dass die Batteriezellen 3 gegeneinander verspannt sind. Die Stützstruktur 5 kann dabei aus Metall, Kunststoff oder teilweise aus Metall und teilweise aus Kunststoff bestehen. Vorzugsweise besteht das Stützelement vollständig aus Kunststoff, da dadurch die kapazitive Kopplung weiter reduziert wird, wenn die Permittivität des Kunststoffes ausreichend klein ist.
Dabei sei angemerkt, dass die elektrische Verschaltung der Batteriezellen 3 nicht dargestellt ist. Weiter sei angemerkt, dass zwischen den Batteriezellen 3 und Deckel bzw. Batteriezellen und Boden des Gehäuses weitere Isolationslagen angeordnet sein können.
Bezugszeichenliste

1): Batteriemodul
2): Gehäuse
3): Batteriezellen
4): Isolator
5): Stützstruktur
6): Kleberschichten
7): Elemente zur mechanischen Verbindung
D): Dicke von Isolator

ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

DE 112015001861 T5 [0003, 0004]
FR 2986374 A1 [0006]

Claims

Batteriemodul (1), wobei das Batteriemodul (1) ein Gehäuse (2), eine Vielzahl von elektrisch verschalteten Batteriezellen (3) und eine mechanische Fixierung der Batteriezellen (3) in dem Gehäuse (2) aufweist, wobei die mechanische Fixierung mindestens ein Stützelement aufweist, das mit mindestens einer Gehäusewand des Gehäuses (2) in Berührung ist, wobei zwischen dem Stützelement (5) und den Batteriezellen (3) mindestens ein Mindestabstand eingestellt ist, um einen Lichtbogen zwischen Batteriezellen (3) und der Gehäusewand zu verhindern, dadurch gekennzeichnet, dass der Abstand zwischen den Batteriezellen (3) und dem Stützelement (5) mindestens das 1,5-fache des Mindestabstandes beträgt.
Batteriemodul nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Abstand mindestens das Zweifache des Mindestabstandes beträgt.
Batteriemodul nach einem der vorangegangenen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Stützelement (5) aus einem elektrischen Isolator besteht.
Batteriemodul nach einem der vorangegangenen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass zwischen den Batteriezellen (3) und dem Stützelement (5) ein elektrischer Isolator (4) angeordnet ist.
Batteriemodul nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass der Isolator (4) eine relative Permittivität von kleiner als 10 aufweist.
Batteriemodul nach Anspruch 4 oder 5, dadurch gekennzeichnet, dass der Isolator (4) eine Dicke (D) größer 1 cm aufweist.