DE102019215006A1 - Batteriemodul mit einer Mehrzahl an Batteriezellen und Verfahren zur Herstellung eines solchen Batteriemoduls - Google Patents

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Abstract

Die Erfindung betrifft ein Batteriemodul mit einer Mehrzahl an Batteriezellen (2), insbesondere Lithium-Ionen-Batteriezellen (20), welche jeweils ein Batteriezellgehäuse (4) umfassen, in welchem elektrochemische Komponenten der jeweiligen Batteriezelle (2) aufgenommen sind, wobei ein Verspannelement (3) die Mehrzahl an Batteriezellen (2) miteinander verspannt, wobei das Verspannelement (3) um die Mehrzahl an Batteriezellen (2) gewickelt ist und einen in einen thermoplastischen oder duroplastischen Kunststoff (32) eingebetteten Heizdraht (33) umfasst.

Description

  • Stand der Technik
  • Die Erfindung geht aus von einem Batteriemodul mit einer Mehrzahl an Batteriezellen nach Gattung des unabhängigen Anspruchs. Gegenstand der vorliegenden Erfindung ist auch ein Verfahren zur Herstellung eines solchen Batteriemoduls.
  • Aus dem Stand der Technik ist es bekannt, dass Batteriemodule aus einer Mehrzahl an einzelnen Batteriezellen bestehen können, welche seriell und/oder parallel elektrisch leitend miteinander verschaltet sein können, so dass die einzelnen Batteriezellen zu dem Batteriemodul zusammengeschaltet sind. Weiterhin werden solche Batteriemodule zu Batterien bzw. Batteriesystemen zusammengeschaltet.
  • Weiterhin wird die Mehrzahl an Batteriezellen des Batteriemoduls üblicherweise miteinander mechanisch verspannt bzw. verpresst. Dadurch soll einer Verformung der Mehrzahl an Batteriezellen entgegengewirkt werden. Beispielsweise ist es hierbei bekannt, dass eine Mehrzahl an Batteriezellen zwischen zwei Endplatten angeordnet ist und die Endplatten mittels Seitenplatten miteinander verbunden sind. Eine solche Verbindung kann beispielsweise stoffschlüssig durch Schweißen oder form- und/oder kraftschlüssig Schrauben ausgebildet werden.
  • Offenbarung der Erfindung
  • Ein Batteriemodul mit einer Mehrzahl an Batteriezellen mit den Merkmalen des unabhängigen Anspruchs bietet den Vorteil, dass eine zuverlässige mechanische Verspannung der Mehrzahl an Batteriezellen und zugleich eine zuverlässige Temperierung ausgebildet werden kann.
  • Dazu wird ein Batteriemodul mit einer Mehrzahl an Batteriezellen zur Verfügung gestellt. Die Batteriezellen sind dabei bevorzugt als Lithium-Ionen-Batteriezellen ausgebildet.
  • Die Batteriezellen umfassen jeweils ein Batteriezellgehäuse.
  • In diesen Batteriezellgehäusen sind elektrochemische Komponenten der jeweiligen Batteriezelle aufgenommen.
  • Das Batteriemodul weist zudem ein Verspannelement auf, welches die Mehrzahl an Batteriezellen miteinander verspannt, insbesondere mechanisch miteinander verspannt.
  • Dabei ist das Verspannelement um die Mehrzahl an Batteriezellen gewickelt. Ferner umfasst das Verspannelement einen Heizdraht, welcher in einen thermoplastischen oder duroplastischen Kunststoff eingebettet sind.
  • Durch die in den abhängigen Ansprüchen aufgeführten Maßnahmen sind vorteilhafte Weiterbildungen und Verbesserungen der im unabhängigen Anspruch angegebenen Vorrichtung möglich.
  • Insbesondere sind ein erstes Ende des Verspannelements und ein zweites Ende des Verspannelements miteinander verbunden angeordnet, insbesondere sind das erste Ende des Verspannelements und das zweite Ende des Verspannelements stoffschlüssig miteinander verbunden. Bevorzugt Ist das Verspannelement dabei in der Weise angeordnet, dass das Verspannelement teilweise mit sich selbst überlappend angeordnet ist. Dadurch ist eine besonders einfache stoffschlüssige Verbindung des ersten Endes des Verspannelements und des zweiten Endes des Verspannelements möglich.
  • Vorzugsweise umfasst das Verspannelement weiterhin Fasern, welche in den thermoplastischen oder duroplastischen Kunststoff eingebettet sind. Dadurch kann die Zuverlässigkeit der Verspannung weiter erhöht werden.
  • Unter einem in den thermoplastischen oder duroplastischen Kunststoff eingebetteten Heizdraht bzw. unter in den thermoplastischen oder duroplastischen Kunststoff eingebetteten Fasern soll verstanden sein, dass der thermoplastische oder duroplastische Kunststoff den Heizdraht bzw. die Fasern aufnimmt und dabei den Heizdraht bzw. die Fasern zumindest teilweise, und insbesondere vollständig, den Umfang umlaufend angeordnet ist. Der Umfang ist dabei derjenige Umfang einer Querschnittsfläche, welche senkrecht zu einer Längsrichtung des Heizdrahtes bzw. der jeweiligen Faser angeordnet ist.
  • Der Heizdraht kann durch Verbindung mit einer Stromquelle für eine zuverlässige Erwärmung der Mehrzahl an Batteriezellen des Batteriemoduls sorgen.
  • Dabei kann der Heizdraht aus einem metallischen Werkstoff wie bspw. Kupfer, Stahl oder Konstantan ausgebildet sind oder aus einem leitfähigen Polymer ausgebildet sein. Bevorzugt umfasst der elektrisch Heizdraht als PTC-Widerstand mit einem positiven Temperaturkoeffizienten oder einen NTC-Widerstand mit einem negativen Temperaturkoeffizienten.
  • An dieser Stelle sei noch angemerkt, dass die Fasern bevorzugt unidirektional verlaufend angeordnet sind. Darunter soll verstanden sein, dass die Fasern im Wesentlichen parallel verlaufend angeordnet sind.
  • Von Vorteil ist es, wenn die Fasern ausgewählt sind aus Aramidfasern, Glasfasern und/oder Carbonfasern. Dies hat den Vorteil, dass insgesamt eine zuverlässige Verspannung der Mehrzahl an Batteriezellen ausgebildet werden kann.
  • Gemäß einem bevorzugten Aspekt der Erfindung ist das Verspannelement mehrlagig gewickelt angeordnet. Mit anderen Worten ausgedrückt bedeutet dies, dass das Verspannelement in mehreren Schichten übereinander angeordnet ist. Dadurch kann insgesamt eine zuverlässige Verspannung ausgebildet werden.
  • Insbesondere können dabei die einzelnen Schichten bzw. die einzelnen Lagen des Verspannelements zuverlässig miteinander verbunden werden.
  • An dieser Stelle sei insbesondere angemerkt, dass das Verspannelement dabei beispielsweise auch die gesamte Höhe des Batteriemoduls umlaufen kann. Insbesondere können die einzelnen Schichten bzw. die einzelnen Lagen des Verspannelements auch nebeneinander angeordnet sein. Dies bedeutet, dass übereinander angeordnete Schichten nicht deckungsgleich zueinander verlaufen. Dadurch ist es möglich, unterschiedlichen Anforderungen hinsichtlich einer Verpressung bzw. Verspannung sowie einer Temperierung gerecht zu werden.
  • Es ist zweckmäßig, wenn zwischen der Mehrzahl an Batteriezellen und dem Verspannelement zumindest abschnittsweise ein Schutzelement angeordnet ist. Dieses Schutzelement kann beispielsweise eine Schutzfolie, wie insbesondere eine Klebefolie, sein. Dadurch ist es möglich, dass der Heizdraht und insbesondere die Fasern des Verspannelements beispielsweise auch während einer Anordnung des Verspannelements nicht durch eine Batteriezelle oder ein sonstiges Element des Batteriemoduls beschädigt werden. Insbesondere kann ein solches Schutzelement an einer Seitenfläche des Batteriemoduls angeordnet sein.
  • Bevorzugt sind die Batteriezellen prismatisch ausgebildet. Prismatische Batteriezellen weisen ein prismatisch ausgebildetes Batteriezellgehäuse auf. Prismatisch ausgebildete Batteriezellgehäuse umfassen üblicherweise sechs Seitenflächen, von denen gegenüberliegend angeordnete Seitenflächen parallel zueinander angeordnet sind und gleich groß ausgebildet sind. Weiterhin sind benachbart zueinander angeordnete Seitenflächen rechtwinklig zueinander angeordnet.
  • Es ist weiterhin bevorzugt, wenn die Mehrzahl an Batteriezellen in einer Längsrichtung des Batteriemoduls benachbart zueinander angeordnet ist. Insbesondere sind die Batteriezellen mit ihren jeweils größten Seitenflächen benachbart zueinander angeordnet.
  • Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung ist unmittelbar benachbart zu einer endständig angeordneten Batteriezelle eine Endplatte des Batteriemoduls angeordnet.
  • Weiterhin bevorzugt ist die Mehrzahl an Batteriezellen zwischen zwei Endplatten angeordnet. Dabei sei angemerkt, dass das Verspannelement bevorzugt sowohl die Mehrzahl an Batteriezellen als auch die Endplatten bzw. die eine Endplatte umlaufend angeordnet ist.
  • Dies hat den Vorteil, dass eine noch zuverlässigere mechanische Verspannung ausgebildet werden kann. Insbesondere ist es möglich, mittels der Endplatten einwirkende Verspannkräfte gleichmäßiger zu verteilen.
  • Dabei ist es zweckmäßig, wenn die zumindest eine Endplatte aus einem metallischen Werkstoff ausgebildet ist und eine elektrische Isolierung aufweist. Es kann auch zweckmäßig sein, wenn die zumindest eine Endplatte aus einem Kunststoff, wie insbesondere einem faserverstärkten Kunststoff ausgebildet ist. Solche Ausführungsformen bieten den Vorteil einer zuverlässigen, gleichmäßigen Kraft übertragen.
  • Von Vorteil ist es weiterhin, wenn zwischen zwei unmittelbar benachbart zueinander angeordneten Batteriezellen weiterhin elektrische Isolationselemente angeordnet sind. Diese dienen dazu, die unmittelbar benachbart zueinander angeordneten beiden Batteriezellen elektrisch voneinander zu isolieren. Insbesondere können die elektrischen Isolationselemente ebenfalls prismatisch ausgebildet sein und weiterhin bevorzugt können die größten Seitenflächen der elektrischen Isolationselemente jeweils einer der größten Seitenflächen der Batteriezellen entsprechende Fläche aufweisen.
  • Gemäß einem besonders bevorzugten Aspekt der Erfindung sind die elektrischen Isolationselemente weiterhin als thermische Barriere zwischen zwei Batteriezellen ausgebildet. Dadurch ist es möglich, beispielsweise eine Übertragung von Wärme zwischen zwei unmittelbar benachbart zueinander angeordneten Batteriezellen zu unterbinden.
  • Gegenstand der vorliegenden Erfindung ist auch ein Verfahren zur Herstellung eines Batteriemoduls. Insbesondere ist dieses Verfahren zur Herstellung eines eben beschriebenen, erfindungsgemäßen Batteriemoduls ausgebildet.
  • Dabei wird eine Mehrzahl an Batteriezellen, welche insbesondere als Lithium-Ionen-Batteriezellen ausgebildet sind, gegeneinander mittels einer Verpresskraft gepresst. Die Batteriezellen umfassen dabei jeweils ein Batteriezellgehäuse, in welchem elektrochemische Komponenten der jeweiligen Batteriezelle aufgenommen sind. In dem verpressten Zustand wird ein Verspannelement um die Mehrzahl an Batteriezellen gewickelt. Das Verspannelement umfasst dabei einen in einem thermoplastischen oder duroplastischen Kunststoff eingebetteten Heizdraht und bevorzugt weiterhin Fasern, welche aus Aramidfasern, Glasfasern und/oder Carbonfasern ausgewählt sind. Dadurch ist die Mehrzahl an Batteriezellen miteinander verspannt.
  • Selbstverständlich ist es möglich, das erfindungsgemäße Verfahren durch im Zusammenhang mit dem erfindungsgemäßen Batteriemodul erwähnten Vorteile und Weiterbildungen weiterzubilden.
  • Ein erfindungsgemäßes Batteriemodul sowie ein erfindungsgemäßes Verfahren bieten den Vorteil, dass ein Batteriemodul mit einem vergleichbar geringen Platzbedarf und einem vergleichbar geringen Gewicht ausgebildet werden kann. Insbesondere können auch die Kosten reduziert werden.
  • Weiterhin ist der besondere Vorteil gegeben, dass eine direkte Integration der Temperierfunktion, wie insbesondere der Heizfunktion, in das Verspannelement möglich ist, wobei ein großflächiger Kontaktbereich ausgebildet werden kann.
  • Figurenliste
  • Ausführungsbeispiele der Erfindung sind in den Zeichnungen dargestellt und in der nachfolgenden Beschreibung näher erläutert.
  • Es zeigt
    • 1 einen Zustand eines Batteriemoduls vor einer Anordnung des Verspannelement in einer Explosionsdarstellung und
    • 2 eine Ausführungsform eines erfindungsgemäßen Batteriemoduls in einer perspektivischen Ansicht.
  • Die 1 zeigt einen Zustand eines Batteriemoduls 1 mit einer Mehrzahl an Batteriezellen 2 vor einer Anordnung eines in der 1 nicht zu erkennenden Verspannelements 3. Insbesondere sind die Batteriezellen 2 dabei als Lithium-Ionen-Batteriezellen 20 ausgebildet. Weiterhin bevorzugt sind die Batteriezellen 2 als prismatische Batteriezellen 200 ausgebildet.
  • Die Batteriezellen 2 umfassen jeweils ein Batteriezellgehäuse 4, in welchen in der 1 nicht zu erkennende elektrochemische Komponenten der jeweiligen Batteriezelle 2 aufgenommen sind.
  • Unmittelbar benachbart zu einer endständig angeordneten Batteriezelle 21 ist eine Endplatte 5 des Batteriemoduls 1 angeordnet. Gemäß dem in der 1 gezeigten Ausführungsbeispiel umfasst das Batteriemodul 1 zwei Endplatten 5, wobei die Mehrzahl an Batteriezellen 2 zwischen den zwei Endplatten 5 angeordnet ist. Insbesondere ist die Mehrzahl an Batteriezellen 2 dabei in einer Längsrichtung 6 des Batteriemoduls 1 nebeneinander angeordnet.
  • Die Endplatten 5 können dabei aus einem metallischen Werkstoff 51 ausgebildet sein, welcher eine elektrische Isolierung 52 umfasst. Weiterhin ist es auch möglich, dass die Endplatten 5 aus einem Kunststoff 53 ausgebildet sind und insbesondere aus einem faserverstärkten Kunststoff 54 ausgebildet sind.
  • Weiterhin ist aus der 1 auch zu erkennen, dass das Batteriemodul 1 elektrische Isolationselemente 7 aufweist, welche jeweils zwischen zwei unmittelbar benachbart zueinander angeordneten Batteriezellen 2 angeordnet sind. Weiterhin kann ein elektrisches Isolationselement 7 auch zwischen der endständig angeordneten Batteriezelle 21 und der Endplatte 5 angeordnet sein. Zudem ist es bevorzugt, wenn das elektrische Isolationselement 7 zugleich als thermische Barriere 70 zwischen jeweils 2 Batteriezellen ausgebildet ist. Dazu kann das elektrische Isolationselement 7 beispielsweise aus einem thermisch schlecht leitenden Material ausgebildet sein, welches weiterhin elektrisch isolierend ist oder das elektrische Isolationselement 7 kann aus einem thermisch schlecht leitenden Material ausgebildet sein und weiterhin eine elektrische Isolation umfassen.
  • Die 2 zeigt eine Ausführungsform eines erfindungsgemäßen Batteriemoduls 1 in einer perspektivischen Ansicht.
  • Dabei verspannt ein Verspannelement 3 die Mehrzahl an Batteriezellen 2 miteinander. Das Verspannelement 3 ist dabei gewickelt um die Mehrzahl an Batteriezellen 2 herum angeordnet. Dabei umfasst das Verspannelement 3 einen in einen thermoplastischen oder duroplastischen Kunststoff 32 eingebetteten Heizdraht 33.
  • Dabei umfasst das Verspannelement 3 zudem Fasern 31, welche in den thermoplastischen oder duroplastischen Kunststoff 32 eingebettet sind. Die Fasern 31 können dabei beispielsweise ausgewählt sein aus Aramidfasern, Glasfasern und/oder Carbonfasern. Bevorzugt ist das Verspannelement 3 dabei mehrlagig gewickelt angeordnet.
  • Zwischen der Mehrzahl an Batteriezellen 2 und dem Verspannelement 3 kann wie aus der 2 zu erkennen ist, zumindest abschnittsweise ein Schutzelement 8, wie insbesondere eine Schutzfolie 81, angeordnet sein.
  • Zur Herstellung des in der 2 gezeigten Batteriemoduls 1 wird ausgehend von der 1 die Mehrzahl an Batteriezellen 2, insbesondere Lithium-Ionen-Batteriezellen 20, welche jeweils ein Batteriezellgehäuse 4 umfassen, in welchem elektrochemische Komponenten Batteriezelle 2 aufgenommen sind, gegeneinander mittels einer Verpresskraft gepresst. In einem solchen verpressenden Zustand wird das Verspannelement 3 um die Mehrzahl an Batteriezellen 2 gewickelt. Dadurch ist die Mehrzahl an Batteriezellen 2 miteinander verspannt. Das Verspannelement 3 umfasst dabei in einem thermoplastischen Kunststoff 32 eingebettete Fasern 31.

Claims (11)

  1. Batteriemodul mit einer Mehrzahl an Batteriezellen (2), insbesondere Lithium-Ionen-Batteriezellen (20), welche jeweils ein Batteriezellgehäuse (4) umfassen, in welchem elektrochemische Komponenten der jeweiligen Batteriezelle (2) aufgenommen sind, wobei ein Verspannelement (3) die Mehrzahl an Batteriezellen (2) miteinander verspannt, dadurch gekennzeichnet, dass das Verspannelement (3) um die Mehrzahl an Batteriezellen (2) gewickelt ist und einen in einen thermoplastischen oder duroplastischen Kunststoff (32) eingebetteten Heizdraht (33) umfasst.
  2. Batteriemodul dem vorherigen Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das Verspannelement (3) weiterhin in den thermoplastischen oder duroplastischen Kunststoff eingebettete Fasern (31) umfasst.
  3. Batteriemodul nach dem vorherigen Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Fasern (32) ausgewählt sind aus Aramidfasern, Glasfasern und/oder Carbonfasern.
  4. Batteriemodul nach einem der vorherigen Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass das Verspannelement (3) mehrlagig gewickelt angeordnet ist.
  5. Batteriemodul nach einem der vorherigen Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass zwischen der Mehrzahl an Batteriezellen (2) und dem Verspannelement (3) zumindest abschnittsweise ein Schutzelement (8), insbesondere eine Schutzfolie (81), angeordnet ist.
  6. Batteriemodul nach einem der vorherigen Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass unmittelbar benachbart zu einer endständig angeordneten Batteriezelle (21) eine Endplatte (5) des Batteriemoduls (1) angeordnet ist.
  7. Batteriemodul nach dem vorherigen Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass die Mehrzahl an Batteriezellen (2) zwischen zwei Endplatten (5) angeordnet ist.
  8. Batteriemodul nach einem der beiden vorherigen Ansprüche 6 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass die zumindest eine Endplatte (51) aus einem metallischen Werkstoff (51) ausgebildet ist und eine elektrische Isolierung (52) aufweist oder dass die zumindest eine Endplatte (5) aus einem Kunststoff (53), insbesondere einem faserverstärkten Kunststoff (54), ausgebildet ist.
  9. Batteriemodul nach einem der vorherigen Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass das Batteriemodul (1) jeweils zwischen unmittelbar benachbart zueinander angeordneten Batteriezellen (2) elektrische Isolationselemente (7) aufweist.
  10. Batteriemodul nach dem vorherigen Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, dass das elektrische Isolationselement (7) weiterhin als thermische Barriere (70) zwischen jeweils zwei Batteriezellen (2) ausgebildet sind.
  11. Verfahren zur Herstellung eines Batteriemoduls, insbesondere nach einem der vorherigen Ansprüche 1 bis 10, wobei eine Mehrzahl an Batteriezellen (2), insbesondere Lithium-Ionen-Batteriezellen (20), welche jeweils ein Batteriezellgehäuse (4) umfassen, in welchem elektrochemische Komponenten der jeweiligen Batteriezelle (2) aufgenommen sind, gegeneinander mittels einer Verpresskraft gepresst werden und in dem verpressten Zustand ein Verspannelement (3), welches einen in einen thermoplastischen oder duroplastischen Kunststoff (31) eingebetteten Heizdraht (33) umfasst, um die Mehrzahl an Batteriezellen (2) gewickelt wird, sodass die Mehrzahl an Batteriezellen (2) miteinander verspannt ist.
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