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Die Erfindung betrifft einen Zellhalter für wenigstens eine Batteriezelle gemäß dem Oberbegriff von Patentanspruch 1 sowie ein Zellmodul.
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Die
DE 10 2014 019 092 A1 offenbart einen Zellhalter zur Aufnahme einer Einzelzelle mit flachseitig angeordneten Zellableitern. In einer äußeren Seitenfläche des Zellhalters ist ein Auflageelement zur Auflage abgewinkelter Zellableiter vorgesehen. Bei dieser Einzelzelle handelt es sich um eine Flachzelle in einer sogenannte Coffeebag- oder Pouchzellenbauweise. Hierbei ist ein elektrochemisch aktives Zellinneres von einer elektrisch isolierenden Verbundfolie als Zellgehäuse umgeben. Um diese Einzelzellen mechanisch zu fixieren, welche auf Grund der Verbundfolien ein vergleichsweise instabiles Zellgehäuse aufweisen, ist der Zellhalter vorgesehen. Dieser Zellhalter ist zwischen zwei Einzelzellen angeordnet und umschließt diese randseitig, wobei Einzelzellen und Zellhalter einen Zellblock bilden, welcher Bestandteil einer elektrischen Batterie ist.
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Die
US 2014/0 120 391 A1 beschreibt eine Batterieanordnung mit einem Rahmen, der ein Paar von Seitenplatten, die eine Vielzahl von Führungsnuten aufweisen, und eine mit den Seitenplatten verbundene Bodenplatte enthält; eine Mehrzahl von Barrieren, die jeweils ein Paar von Seitenplatten, eine untere Platte, eine obere Platte, eine Mehrzahl von Vorsprüngen, die von den Seitenplatten vorstehen, und eine Trennplatte umfassen, wobei die Mehrzahl von Vorsprüngen in die Mehrzahl von Führungsnuten eingesetzt sind, um sich gleitend entlang der Führungsnuten zu bewegen, wenn sie auf dem Rahmen montiert sind, und eine Mehrzahl von Batterien, die jeweils von den Barrieren aufgenommen werden, wobei die Barrieren so gestapelt sind, dass die Trennplatten der benachbarten Barrieren einander gegenüberliegen.
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Die
DE 11 2015 002 135 B4 offenbart ein Batteriemodul, das Folgendes aufweist: eine Vielzahl von ausgerichteten Batteriezellen, wobei jede Batteriezelle einen Anschluss und eine Fläche hat, auf der der Anschluss vorgesehen ist; eine Abdeckung, die den Flächen der Batteriezellen zugewandt ist, auf denen die Anschlüsse vorgesehen sind; einen Leiter, der mit den Batteriezellen verbunden ist und an der Abdeckung fixiert ist; eine erste Endplatte und eine zweite Endplatte, die die Batteriezellen von entgegengesetzten Enden in einer Ausrichtungsrichtung der Batteriezellen halten; einen elastischen Körper, der zwischen der zweiten Endplatte und der Batteriezelle angeordnet ist, die benachbart zu der zweiten Endplatte ist; und eine Fixierplatte, die zwischen dem elastischen Körper und der Batteriezelle angeordnet ist, die benachbart zu dem elastischen Körper ist, wobei der elastische Körper gestaltet ist, um elastisch deformiert zu werden, um eine Last zu absorbieren, die auf die erste und zweite Endplatte aufgebracht wird, wenn sich die Batteriezellen ausdehnen, und die Fixierplatte an der Abdeckung fixiert ist und gestaltet ist, um sich in der Ausrichtungsrichtung der Batteriezellen zusammen mit der Abdeckung zu bewegen, wenn sich die Batteriezellen ausdehnen.
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Die
DE 10 2010 012 935 A1 betrifft eine Batterie mit einem Zellverbund aus einer Mehrzahl parallel und/oder seriell miteinander verschalteter, aneinander angeordneter und mittels einer Spanneinrichtung miteinander verspannter Einzelzellen. Erfindungsgemäß ist am Zellverbund eine mit der Spanneinrichtung, welche elastisch ausgebildet ist, und mit den Einzelzellen mechanisch gekoppelte zellinnendruckgesteuerte Stromkreistrenneinrichtung angeordnet, mittels welcher ein Stromkreis, in welchen die Batterie eingebunden ist, trennbar ist.
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Ein Batteriezellenmodul gemäß der
DE 10 2012 222 732 A1 weist eine Batteriezelle, ein gleitendes Wiederholelement und eine Führungsschiene auf. Das Wiederholelement ist benachbart der Batteriezelle angeordnet. Ein Spalt ist zwischen der Batteriezelle und dem Wiederholelement festgelegt. Das Wiederholelement besitzt einen Hauptkörper mit zumindest einem daran gekoppelten Abstandhalter. Die Führungsschiene wirkt mit dem zumindest einen Abstandhalter zusammen und erlaubt eine Bewegung des Wiederholelements mit einer Expansion der Batteriezelle. Das Zusammenwirken der Führungsschiene mit dem zumindest einen Abstandhalter wirkt dadurch einer Überkompression der Batteriezelle entgegen.
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Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, einen Zellhalter für wenigstens eine Batteriezelle sowie ein Zellmodul zu schaffen, welche einen besonders vorteilhaften Schutz von aufgenommenen Batteriezellen ermöglichen.
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Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß durch einen Zellhalter für wenigstens eine Batteriezelle mit den Merkmalen von Patentanspruch 1 sowie durch ein Zellmodul mit den Merkmalen von Patentanspruch 7 gelöst. Vorteilhafte Ausgestaltungen mit zweckmäßigen Weiterbildungen der Erfindung sind in den jeweils abhängigen Ansprüchen sowie in der folgenden Beschreibung angegeben.
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Die Erfindung betrifft einen Zellhalter für wenigstens eine Batteriezelle, welcher eine Aufnahme bereitstellt, in welcher die wenigstens eine Batteriezelle aufnehmbar ist. Diese Aufnahme ist zumindest zu einer Richtung offen ausgestaltet, wodurch eine Volumenänderung einer in der Aufnahme aufgenommenen Batteriezelle ermöglicht wird. Der Zellhalter ist weiterhin mit weiteren Zellhaltern in einem Modulrahmen stapelbar, wodurch eine mehrere Batteriezellen umfassende Batterie bereitstellbar ist. Bei der Batterie handelt es sich insbesondere um eine Fahrzeugbatterie, mittels welcher ein elektrisch betreibbares Kraftfahrzeug antreibbar ist. Bei der Batteriezelle handelt es sich insbesondere um eine sogenannte Pouchzelle. Hierbei beschreibt die Bezeichnung Pouchzelle lediglich den technischen Aufbau der Batteriezelle. Bei Pouchzellen werden gestapelte oder gefaltete aktive Schichten von einer flexiblen Außenfolie eingeschlossen. Mehrere einzelne elektrische Pouchzellen können gestapelt werden, um in Reihenschaltung oder in Parallelschaltung miteinander verschaltet zu werden. Zellableiter als Anschlusselektroden ragen aus der Außenfolie der jeweiligen Pouchzelle heraus. Um eine Beschädigungsgefahr für die Batteriezellen, insbesondere deren Außenfolie besonders gering zu halten, ist es vorgesehen, dass die Batteriezellen besonders wenig mechanisch beansprucht werden sollen. Um zum einen einen besonders vorteilhaften Schutz der jeweiligen Batteriezellen zu ermöglichen und zum anderen eine Volumenänderung der Batteriezellen über deren Lebenszyklus beziehungsweise über deren Ladungszyklus zu ermöglichen, ist es erfindungsgemäß vorgesehen, dass der Zellhalter eine Führungseinrichtung aufweist, mittels welcher der Zellhalter in dem Modulrahmen relativ zu dem Modulrahmen führbar ist. Die Führbarkeit des Zellhalters relativ zu dem Modulrahmen über die Führungseinrichtung ermöglicht, dass eine Volumenänderung der mittels des Zellhalters aufgenommenen wenigstens einen Batteriezelle über eine Relativbewegung des Zellhalters zu dem Modulrahmen ausgeglichen wird, wodurch eine mechanische Beanspruchung der Batteriezelle bei der Volumenänderung besonders gering gehalten werden kann. Insbesondere bei einer gestapelten Anordnung mehrerer Zellhalter, in welchen jeweils wenigstens eine Batteriezelle aufgenommen ist, können die Zellhalter über deren Führungseinrichtung unabhängig voneinander relativ zu dem Modulrahmen bewegt werden, wodurch die Zellhalter relativ zueinander bewegt werden können. Hierbei liegt eine in einer ersten Aufnahme eines ersten Zellhalters aufgenommene Batteriezelle an einer Wand eines auf den ersten Zellhalter gestapelten zweiten Zellhalters an. Diese Wand des zweiten Zellhalters überdeckt die offene Seite der Aufnahme des ersten Zellhalters. Somit ist die in der Aufnahme angeordnete Batteriezelle entlang einer Stapelrichtung der Zellhalter in eine erste Richtung durch den ersten Zellhalter überdeckt und in einer zweiten Richtung durch den zweiten Zellhalter überdeckt. Dehnt sich wenigstens einer der in wenigstens einem der Zellhalter aufgenommenen Batteriezellen aus, dann können durch das Ausdehnen der Batteriezelle der die Batteriezelle aufnehmende Zellhalter und ein weiterer an der Batteriezelle anliegender Zellhalter auseinandergedrückt werden. Infolge des Auseinanderdrückens der Zellhalter erfolgt eine Relativbewegung der Zellhalter zueinander, welche durch die jeweiligen Führungseinrichtungen der Zellhalter ermöglicht wird, über welche die Zellhalter jeweils relativ zu dem Modulrahmen bewegbar sind. Ein Druckaufbau in der Batteriezelle infolge der Volumenzunahme kann über die Relativbewegung der Zellhalter zueinander unterbunden oder zumindest abgeschwächt werden. Eine Druckbelastung von der in dem Zellhalter aufgenommenen wenigstens einen Batteriezelle kann somit besonders gering gehalten werden. Hierdurch kann eine Beschädigungsgefahr für die wenigstens eine in dem Zellhalter aufgenommene Batteriezelle besonders gering gehalten werden.
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Ferner ist eine Umbiegekante vorgesehen, in welcher ein Zellableiter der aufgenommenen Batteriezelle umbiegbar ist. Der umgebogene Zellableiter kann mit einem Zellableiter einer weiteren Batteriezelle verbunden werden, wobei die Batteriezellen in Reihe oder parallel geschalten werden können. Über das Umbiegen der Zellableiter kann eine besonders kompakte Bauweise einer mehrere Zellhalter sowie mehrere Batteriezellen umfassenden Batterie erreicht werden.
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Des Weiteren ist vorgesehen, dass an der Umbiegekante ein Metalleinleger vorgesehen ist, an welchen der Zellableiter anlegbar und über welchen der Zellableiter mit dem Zellhalter stoffschlüssig verbindbar ist. Das bedeutet, dass an der Umbiegekante der Metalleinleger angeordnet ist, an welchen der wenigstens eine Zellableiter beim Umbiegen um die Umbiegekante anlegbar ist. Um ein besonders sicheres Halten der jeweiligen wenigstens einen Batteriezellen am Zellhalter sicherzustellen, ist der Zellableiter mit dem Metalleinleger stoffschlüssig verbindbar, insbesondere verschweißbar. Über die stoffschlüssige Verbindung kann ein positionsgenaues Fixieren des Zellableiters an dem Zellhalter sichergestellt werden. Hierdurch kann eine besonders einfache sichereVerschaltung mehrerer Batteriezellen erfolgen, welche in unterschiedlichen Zellhaltern aufgenommen sind.
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In weiterer Ausgestaltung der Erfindung hat es sich als vorteilhaft gezeigt, wenn die Führungseinrichtung als Schwalbenschwanzführung ausgebildet ist. Die Schwalbenschwanzführung ist dazu eingerichtet, eine Gleitführung mit dem Modulrahmen auszubilden. Für diese Gleitführung ist die Schwalbenschwanzführung dazu ausgebildet, eine Schwalbenschwanzverbindung mit dem Modulrahmen einzugehen. Über die Schwalbenschwanzverbindung kann eine formschlüssige Verbindung zwischen dem Zellhalter und dem Modulrahmen bereitgestellt werden. Somit kann über die Schwalbenschwanzführung zum einen der Zellhalter besonders sicher an dem Modulrahmen gehalten werden und zum anderen ermöglicht die Schwalbenschwanzführung ein besonders präzises Führen einer Relativbewegung des Zellhalters zu dem Modulrahmen.
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In einer weiteren Ausgestaltung der Erfindung hat es sich als vorteilhaft gezeigt, wenn wenigstens eine die Aufnahme begrenzende Wandung von einem Metallbauteil bereitgestellt wird, an welches die Batteriezelle in ihrem in der Aufnahme angenommenen Zustand anlegbar ist. Die in der Aufnahme aufgenommene Batteriezelle ist somit mit dem Metallbauteil kontaktierbar. Das Metallbauteil weist eine besonders hohe Wärmeleitfähigkeit auf und ermöglicht ein besonders vorteilhaftes Abführen von Wärme von der in der Aufnahme des Zellhalters aufgenommenen wenigstens einen Batteriezelle. Hierdurch ist die in der Aufnahme des Zellhalters aufgenommene wenigstens eine Batteriezelle besonders einfach mittels des Metallbauteils kühlbar. Darüber hinaus kann mittels des Metallbauteils eine Überhitzung der wenigstens einen in der Aufnahme aufgenommenen Batteriezelle zumindest im Wesentlichen unterbunden werden. Mittels des Metallbauteils kann beispielsweise eine jeweilige Temperatur mehrerer in aufeinandergestapelten Zellhaltern aufgenommenen Batteriezellen aneinander angeglichen werden und/oder Wärme von der wenigstens einen in der Aufnahme des Zellhalters aufgenommenen Batteriezelle abgeführt und einer Kühleinrichtung zugeführt werden. Das wenigstens eine Metallbauteil ermöglicht somit eine besonders vorteilhafte Temperierung von in der Aufnahme des Zellhalters aufgenommenen Batteriezellen.
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Es hat sich in einer Weiterbildung der Erfindung als vorteilhaft gezeigt, wenn an wenigstens einer die Aufnahme begrenzenden Wandung ein Heizelement, insbesondere ein Peltierelement angeordnet ist, an welches die Batteriezelle in ihrem in der Aufnahme aufgenommenen Zustand anlegbar ist. Mittels des Heizelements ist die Batteriezelle in ihrem in der Aufnahme angeordneten Zustand beheizbar. Hierdurch kann besonders einfach eine Mindesttemperatur der in der Aufnahme angeordneten Batteriezelle eingestellt werden, wodurch eine Beschädigungsgefahr für die Batteriezelle besonders gering gehalten werden kann. Überdies ermöglicht das Heizelement bei einer Inbetriebnahme der Batteriezelle ein besonders schnelles Einstellen einer Betriebstemperatur der Batteriezelle, wodurch die Batteriezelle besonders energieeffizient und schnell genutzt werden kann. Durch das schnelle Einstellen der Betriebstemperatur kann mittels des Heizelements des Zellhalters eine Beschädigungsgefahr für die Batteriezelle besonders gering gehalten werden, wodurch eine besonders hohe Lebensdauer der Batteriezelle erreicht werden kann und darüber hinaus ein besonders vorteilhafter Betrieb der in der Aufnahme aufgenommenen wenigstens einen Batteriezelle ermöglicht werden kann.
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Die Erfindung betrifft des Weiteren ein Zellmodul, mit einem wenigstens eine Führungsaufnahme aufweisenden Modulrahmen sowie mit wenigstens zwei Zellhaltern, wie sie bereits im Zusammenhang mit dem erfindungsgemäßen Zellhalter beschrieben worden sind. Die Zellhalter sind in einer Stapelrichtung aufeinander gestapelt und an dem Modulrahmen gehalten. Entlang der Stapelrichtung sind die Zellhalter mittels ihrer Führungseinrichtungen in der wenigstens einen Führungsaufnahme des Modulrahmens relativ zu dem Modulrahmen führbar. In den Aufnahmen der Zellhalter ist jeweils wenigstens eine Batteriezelle aufnehmbar. Aufgrund der gestapelten Anordnung der Zellhalter in dem Modulrahmen liegt eine in einem ersten der Zellhalter aufgenommene Batteriezelle an einer Rückwand des zweiten, auf den ersten Zellhalter in Stapelrichtung gestapelten Zellhalters an. Somit ist die wenigstens eine Batteriezelle in der Aufnahme des ersten Zellhalters angeordnet und wird in Stapelrichtung von der Rückwand des zweiten Zellhalters überdeckt. Folglich ist die wenigstens eine Batteriezelle bei deren Anordnung in der Aufnahme des ersten Zellhalters von dem ersten Zellhalter und dem zweiten Zellhalter zumindest im Wesentlichen umschlossen, zumindest entlang der Stapelrichtung nach oben und nach unten überdeckt.
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Die Führungseinrichtungen bilden mit der Führungsaufnahme beispielsweise eine Gleitführung aus, insbesondere eine Schwalbenschwanzverbindung. Als Führungsaufnahme kann der Modulrahmen wenigstens eine Führungsnut aufweisen, in welche jeweilige Führungselemente der Führungseinrichtungen der Zellhalter eingreifen, insbesondere formschlüssig eingreifen können. Die Zellhalter sind über die Führungseinrichtungen entlang der Stapelrichtung relativ zu dem Modulrahmen einzeln bewegbar, wodurch ein Abstand zwischen den Zellhaltern einstellbar ist. Der Abstand zwischen den jeweiligen Zellhaltern in Stapelrichtung kann in Abhängigkeit von einem jeweiligen Volumen von in den Zellhaltern aufgenommenen Batteriezellen eingestellt werden, wodurch eine Druckbelastung der Batteriezellen besonders gering gehalten werden kann. Insbesondere ermöglicht das Relativbewegen der Zellhalter zueinander entlang der Stapelrichtung ein Ausweichen der Zellhalter bei einer Volumenzunahme wenigstens einer der Batteriezellen, wodurch eine Beschädigungsgefahr für die in den Zellhaltern aufgenommenen Batteriezellen besonders gering gehalten werden kann. Das Zellmodul ermöglicht somit eine besonders hohe Lebensdauer der Batteriezellen, indem das Zellmodul eine Volumenänderung der Batteriezellen bei einer besonders geringen mechanischen Beanspruchung der Batteriezellen ermöglicht.
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Es hat sich als besonders vorteilhaft erwiesen, wenn das Metallbauteil an einer ersten Seite der Rückwand des ersten Zellhalters anliegt, wobei an einer der ersten Seite gegenüberliegenden, zweiten Seite der Rückwand eine in dem zweiten Zellhalter aufgenommene Batteriezelle anlegbar ist. Das bedeutet, dass das Metallbauteil in Stapelrichtung in Überdeckung mit wenigstens einer Aufnahme eines Zellhalters angeordnet ist, wodurch eine in der Aufnahme des Zellhalters angeordnete Batteriezelle in Stapelrichtung in Überdeckung mit dem Metallbauteil und an diesem anliegend anordenbar ist. Das Metallbauteil ermöglicht ein Ableiten von Wärme von der Batteriezelle, welche in der von dem Metallbauteil begrenzten Aufnahme aufgenommen ist und an dem Metallbauteil anliegt. Die mittels des Metallbauteils aufgenommene Wärme kann über die Rückwand in Stapelrichtung von der Aufnahme, beziehungsweise der Batteriezelle abgeführt werden. Sind in mehreren Stapelrichtungen aneinander angeordneten Zellhaltern jeweils wenigstens eine Batteriezelle angeordnet, dann kann über wenigstens ein Metallbauteil, welches in Stapelrichtung zwischen jeweiligen Batteriezellen angeordnet ist, ein Temperaturausgleich zwischen den Batteriezellen erfolgen. Hierdurch können Temperaturspitzen innerhalb des Zellmoduls zumindest im Wesentlichen vermieden, beziehungsweise besonders schnell ausgeglichen und eingeebnet werden. Einer Überhitzung des Zellmoduls kann somit besonders vorteilhaft vorgebeugt werden. Hierdurch kann eine Beschädigungsgefahr für das Zellmodul besonders gering gehalten werden.
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In weiterer Ausgestaltung der Erfindung hat es sich als vorteilhaft gezeigt, wenn eine Kühleinrichtung vorgesehen ist, welche an die gestapelten Zellhalter angelegt ist und mittels welcher Wärme von den Zellhaltern aufnehmbar ist. Die Kühleinrichtung liegt insbesondere an sämtlichen in Stapelrichtung gestapelten Zellhaltern gleichzeitig an. Hierfür kann die Kühleinrichtung an jeweiligen die Aufnahmen der Zellhalter senkrecht zur Stapelrichtung begrenzenden Bodenwände außenseitig anliegen. Mittels der Kühleinrichtung ist das Zellmodul besonders vorteilhaft kühlbar, indem direkt von den jeweiligen Zellhaltern die Wärme aufgenommen wird. Die Kühleinrichtung ermöglicht ein besonders vorteilhaftes gleichmäßiges Kühlen des Zellmoduls, wodurch ein Überhitzen sowie Temperaturspitzen im Zellmodul zumindest im Wesentlichen vermieden werden können. Alternativ oder zusätzlich zu der Kühleinrichtung kann eine Wärmeeinrichtung an alle gestapelten Zellhalter gleichzeitig angelegt sein, mittels welcher die Zellhalter erwärmbar sind, wodurch in jeweiligen Aufnahmen der Zellhalter aufgenommene Batteriezellen erwärmbar sind. Hierdurch können die in den Aufnahmen der Zellhalter aufgenommenen Batteriezellen auf eine Betriebstemperatur und/oder auf eine Mindesttemperatur erwärmt werden, wodurch eine Beschädigungsgefahr für die in dem Zellmodul aufgenommenen Batteriezellen besonders gering gehalten werden kann.
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Es hat sich als besonders vorteilhaft erwiesen, wenn das Metallbauteil an der der Kühleinrichtung zugewandten Bodenwand wenigstens eines der Zellhalter angeordnet ist. Hierbei liegt an einer ersten Seite der Bodenwand, welche der Aufnahme zugewandt ist, das Metallbauteil an. An einer der ersten Seite gegenüberliegenden, äußeren zweiten Seite der Bodenwand liegt die Kühleinrichtung an dem Zellhalter an. Alternativ kann die Bodenwand durch das Metallbauteil gebildet sein. Das Metallbauteil ermöglicht ein besonders vorteilhaftes Ableiten von Wärme von der wenigstens einen in der Aufnahme aufgenommenen Batteriezelle zu der Kühleinrichtung, wodurch ein besonders effizientes Kühlen der wenigstens einen in der Aufnahme aufgenommenen Batteriezelle erreicht werden kann.
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Weitere Vorteile, Merkmale und Einzelheiten der Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung eines bevorzugten Ausführungsbeispiels sowie anhand der Zeichnungen. Die vorstehend in der Beschreibung genannten Merkmale und Merkmalskombinationen sowie die nachfolgend in der Figurenbeschreibung genannten und/oder in den Figuren alleine gezeigten Merkmale und Merkmalskombinationen sind nicht nur in der jeweils angegebenen Kombination, sondern auch in anderen Kombinationen oder in Alleinstellung verwendbar, ohne den Rahmen der Erfindung zu verlassen.
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Dabei zeigt:
- 1 eine schematische Perspektivansicht eines Zellhalters für wenigstens eine Batteriezelle, welche mit weiteren Zellhaltern stapelbar und zu einem Zellmodul verbindbar ist; und
- 2 eine schematische Perspektivansicht mehrerer gestapelter Zellhalter, in welchen jeweils wenigstens eine Batteriezelle aufgenommen ist, wobei die gestapelten Zellhalter als Zellblock in einem Modulrahmen aufnehmbar sind, mit welchem diese gemeinsam ein Zellmodul bilden.
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In 1 ist ein Zellhalter 10 gezeigt, mittels welchem wenigstens eine Batteriezelle 12 aufnehmbar ist. Der Zellhalter 10 stellt somit eine Zellhülle für wenigstens eine Batteriezelle 12 bereit und ist dazu eingerichtet, die wenigstens eine Batteriezelle 12 zu fixieren. Der Zellhalter 10 ist vorliegend aus einem Polymer gebildet und kann somit auch als Polymer-Zellcase bezeichnet werden. Vorliegend ist der Zellhalter 10 in einem Spritzgussverfahren hergestellt, sodass es sich bei dem Zellhalter 10 um ein Spritzgussteil handelt. Der Zellhalter 10 weist eine Rückwand 14, eine Bodenwand 16, eine Deckenwand 18 sowie zwei Seitenwände 20 auf, welche gemeinsam eine Aufnahme 22 begrenzen. Die Bodenwand 16 und die Deckenwand 18 begrenzen die Aufnahme 22 zu jeweiligen einander gegenüberliegenden Seiten. Des Weiteren begrenzen die Seitenwände 20 die Aufnahme 22 zueinander gegenüberliegenden Seiten. Die Aufnahme 22 ist an einer der Rückwand 14 gegenüberliegenden Seite offen ausgebildet. In der Aufnahme 22 ist die wenigstens eine Batteriezelle 12 aufnehmbar, wobei die wenigstens eine Batteriezelle 12 durch die Wände 14, 16, 18, 20 stabilisiert und vor Beschädigungen geschützt ist.
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Um ein Zellmodul bereitstellen zu können, sind mehrere Zellhalter 10, wie in 2 gezeigt ist, in einer Stapelrichtung 24 aufeinander stapelbar. In jedem Zellhalter 10 ist wenigstens eine Batteriezelle 12 aufnehmbar. Durch das Stapeln der Zellhalter 10 in der Stapelrichtung 24 kann die jeweilige Aufnahme 22 eines ersten Zellhalters 10 an der der ersten Rückwand 14 des ersten Zellhalters 10 gegenüberliegenden Seite von einer zweiten Rückwand 14 eines zweiten Zellhalters 10, welcher in Stapelrichtung 24 auf den ersten Zellhalter 10 gestapelt ist, begrenzt werden. Hierdurch kann im gestapelten Zustand der Zellhalter 10 eine in einer ersten Aufnahme 22 des ersten Zellhalters 10 aufgenommenen Batteriezelle 12 besonders vorteilhaft von dem ersten Zellhalter 10 und dem zweiten Zellhalter 10 umschlossen werden. Um die Zellhalter 10 gestapelt aufeinander halten zu können, umfasst das Zellmodul zusätzlich zu den mehreren Zellhaltern 10 einen in den Figuren nicht gezeigten Modulrahmen, an welchem die Zellhalter 10 gehalten sind. Der Modulrahmen ist insbesondere aus einem Metall gebildet. Der Zellhalter 10 übernimmt eine Führungsaufgabe für die in der Aufnahme 22 aufgenommene Batteriezelle 12 relativ zu dem Modulrahmen. Die mehreren Zellhalter 10 können mit dem Modulrahmen zu dem Zellmodul verbunden werden, wobei wiederum mehrere Zellmodule zu einer Batterie verbunden werden können. Hierfür können die mehreren Batteriezellen 12 in dem Zellmodul miteinander verschaltet werden und die mehreren Zellmodule wiederum miteinander verschaltet werden.
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Bei den in den Zellhaltern 10 aufnehmbaren Batteriezellen 12 handelt es sich vorliegend um Lithiumionenbatteriezellen. Ein im Inneren der Batteriezellen 12 befindliches elektrochemisch aktives Elektrodenmaterial ändert seine Dicke über dessen Ladungszustand und dessen Lebensdauer. Ein typischer Wert für ein Dickenwachstum beim Aufladen der Batteriezelle 12 mit Lithiummetallanode liegt bei ca. 15% bei einem Aufladen von einem Ladungszustand von 0 % auf 100 %. Ein typischer Wert für ein Dickenwachstum beim Altern der Batteriezelle 12 mit Festkörperzellchemie oder konventioneller Lithiumionenzellchemie liegt bei ca. 5% über deren gesamte Lebensdauer. Insgesamt sind also beispielsweise ca. 20% Dickenänderung der Batteriezelle 12 zu kompensieren.
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Für eine derartige Kompensierung einer Dickenänderung der Batteriezellen 12 werden beim Stand der Technik elastische Federelemente wie Schaummatten oder Schraubenfedern in und/oder zwischen den Batteriezellen 12 angeordnet. Nachteilig ist hierbei ein durch eine Federkennlinie der Federelemente prinzipbedingtes Ansteigen einer Presskraft bei sich ausdehnenden Batteriezellen 12, sodass die Batteriezelle 12 oder das gesamte Zellmodul auf besonders hohe axiale Kräfte in Richtung der Dickenänderung auszulegen sind.
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Um eine Dickenänderung von mit Zellhaltern 10 aufgenommenen Batteriezellen 12 zu ermöglichen und dabei eine Kraft auf die Batteriezellen 12 und/oder das gesamte Zellmodul in der Stapelrichtung 24 besonders gering halten zu können, weist jeder Zellhalter 10 eine Führungseinrichtung 26 auf. Mittels der Führungseinrichtung 26 sind die Zellhalter 10 relativ zu dem Modulrahmen in der Stapelrichtung 24 bewegbar am Modulrahmen gehalten. Darüber hinaus ermöglichen die Führungseinrichtungen 26 der Zellhalter 10 eine Relativbewegung der Zellhalter 10 in der Stapelrichtung 24 zueinander, wodurch über die jeweilige der Rückwand 14 des jeweiligen Zellhalters 10 gegenüberliegende offene Seite der Aufnahme 22 eine Dickenänderung der in der Aufnahme 22 aufgenommenen Batteriezelle 12 ermöglicht wird. Vorliegend umfassen die jeweiligen Führungseinrichtungen26 jeweils zwei an jeder Seitenwand 20 des Zellhalters 10 angeordnete Führungselemente 28. Die jeweiligen an einer Seitenfläche 20 angeordneten Führungselemente 28 stellen gemeinsam eine Schwalbenschwanzform bereit, welche eine Schwalbenschwanzführung der Führungseinrichtung 26 in einer Führungsaufnahme des Modulrahmens ermöglicht. Diese Schwalbenschwanzführung ermöglicht, dass die Führungseinrichtung 26 in der Führungsaufnahme des Modulrahmens bei einer Wärmeausdehnung nicht verklemmt, sondern bei der Wärmeausdehnung vor einem Verklemmen aufgeht und somit die Führungseinrichtungen 26 aus der Führungsaufnahme gelöst werden.
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Aufgrund des Aufnehmens der Batteriezellen 12 in den jeweiligen Zellhaltern 10 erfahren die Batteriezellen 12 bei deren Volumenänderung beispielsweise infolge eines Ladens oder Entladens eine kontaktierte Relativbewegung lediglich zu dem Zellhalter 10. Hierdurch kann eine das elektrochemisch aktive Elektrodenmaterial umschließende Pouchfolie vor Beschädigungen geschützt werden.
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Um die jeweiligen Batteriezellen 12 in einem Zellmodul besonders vorteilhaft miteinander verbinden zu können, weist jeder Zellhalter 10 wenigstens eine Umbiegekante 30 auf, um welche wenigstens ein Zellableiter 32 der in der Aufnahme 22 angeordneten Batteriezelle 12 umbiegbar ist. Über das Umbiegen des Zellableiters 32 um die Umbiegekante 30 können jeweilige Zellableiter 32 unterschiedlicher Batteriezellen 12, welche in zueinander unterschiedlichen Zellhaltern 10 aufgenommen sind, in die Überdeckung miteinander gebracht werden, um elektrisch miteinander kontaktiert zu werden. Hierdurch kann eine Verschaltung der in einem Zellmodul in jeweiligen Zellhaltern 10 aufgenommenen Batteriezellen 12 erfolgen. Um ein besonders sicheres Fixieren der jeweiligen in der Aufnahme 22 aufgenommenen Batteriezelle 12 am Zellhalter 10 zu ermöglichen, ist an der Umbiegekante 30 ein seitlicher Metalleinleger 34 vorgesehen. Der wenigstens eine Zellableiter 32 der Batteriezelle 12 ist mit dem Metalleinleger 34 des Zellhalters 10 verschweißbar, wodurch der Zellableiter 32 an der Umbiegekante 30 fixierbar ist. Über die jeweiligen Zellableiter 32 können die in den gestapelten Zellhaltern 10 aufgenommenen Batteriezellen 12 besonders einfach miteinander verbunden und verschalten werden, wobei die Batteriezellen 12 in einer Reihenschaltung oder in einer Parallelschaltung verschalten werden können.
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Um eine besonders vorteilhafte Temperierung einer in der Aufnahme 22 des Zellhalters 10 aufgenommenen Batteriezelle 12 zu ermöglichen, ist an der Rückwand 14 an einer der Aufnahme 22 zugewandten Seite ein erstes Metallbauteil 36 angeordnet. Vorliegend überdeckt das erste Metallbauteil 36 die gesamte Rückwand 14 zur Aufnahme 22 hin. Folglich begrenzt das erste Metallbauteil 36 die Aufnahme 22. Mittels des ersten Metallbauteils 36 ist Wärme von einen der Aufnahme 22 angeordneten und an dem ersten Metallbauteil 36 anliegenden Batteriezelle 12 aufnehmbar oder an diese abgebbar. Die mittels des ersten Metallbauteils 36 von der in der ersten Aufnahme 22 des ersten Zellhalters 10 angeordneten Batteriezelle 12 wird über die erste Rückwand 14 des ersten Zellhalters 10 an eine an der ersten Rückwand 14 anliegende weitere Batteriezelle 12 abgegeben, welche in einer zweiten Aufnahme 22 des zweiten Zellhalters 10 angeordnet ist, welcher in Stapelrichtung 24 an den ersten Zellhalter 10 angestapelt ist. Hierdurch kann über das erste Metallbauteil 36 ein Wärmeaustausch zwischen den von dem ersten Zellhalter 10 und dem zweiten Zellhalter 10 aufgenommenen Batteriezellen 12 erfolgen. Alternativ oder zusätzlich zu dem ersten Metallbauteil 36 kann an der Rückwand 14 der Aufnahme 22 zugewandt eine Folie mit wenigstens einem, insbesondere einer Mehrzahl an Heizelemente, vorliegend Peltierelementen angeordnet sein. Hierbei kann die Folie die Rückwand 14 vollständig zur Aufnahme 22 hin überdecken. Mittels der Heizelemente ist die Aufnahme 22 und infolgedessen eine in der Aufnahme 22 aufgenommene Batteriezelle 12 beheizbar. Die Peltierelemente ermöglichen somit eine Heizfunktion, die es erlaubt die in der Aufnahme 22 aufgenommene Batteriezelle 12 zu beheizen, wodurch die in der Aufnahme 22 angeordnete Batteriezelle 12 in einen Bereich einer besonders vorteilhaften Leitfähigkeit bringbar ist.
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Der Zellhalter 10 umfasst vorliegend ein zweites Metallbauteil 38, welches an der Bodenwand 16 der Aufnahme 22 zugewandt angeordnet ist. Vorliegend überdeckt das zweite Metallbauteil 38 die Bodenwand 16 vollständig zur Aufnahme 22 hin. Mittels des zweiten Metallbauteils 38 ist aufgrund einer besonders hohen Leitfähigkeit eines jeweiligen Metallbauteils besonders vorteilhaft Wärme von der in der Aufnahme 22 angeordneten Batteriezelle 12 aufnehmbar und über die Bodenwand 16 abführbar. Insbesondere kann das Zellmodul eine Kühleinrichtung umfassen, welche an den Zellhalter 10 an eine der Aufnahme 22 abgewandte Seite der Bodenwand 16 angelegt wird. Insbesondere wird die Kühleinrichtung an sämtliche gestapelten Zellhalter 10 an deren jeweilige Bodenwände 16 angelegt. Das zweite Metallbauteil 38 ermöglicht eine besonders vorteilhafte Wärmeabfuhr von der in der Aufnahme 22 aufgenommenen Batteriezelle 12 über die Bodenwand 16 zu der Kühleinrichtung. Mittels der Kühleinrichtung ist das Zellmodul besonders gleichmäßig kühlbar. Mittels des zweiten Metallbauteils 38 kann eine besonders vorteilhafte thermische Verbindung zwischen der in der Aufnahme 22 aufgenommenen Batteriezelle 12 und der Bodenwand 16 erreicht werden. Hierdurch ermöglicht das zweite Metallbauteil 38 einen besonders vorteilhaften thermischen Kontakt zwischen der in der Aufnahme 22 aufgenommenen Batteriezelle 12 und der Kühleinrichtung, bei welcher es sich insbesondere um eine Bodenkühlung handelt.
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Die Zellhalter 10 ermöglichen ein Abfangen einer Relativbewegung der Batteriezellen 12, welche durch eine Volumenänderung der Batteriezellen 12 hervorgerufen wird, wodurch eine Pouchfolie der jeweiligen Batteriezellen 12 geschont werden kann. Hierdurch kann ein Abrieb der Pouchfolien der Batteriezellen 12, welcher zu Löchern in den Pouchfolien führen kann, zumindest im Wesentlichen vermieden werden. Mittels der Zellhalter 10 werden somit die jeweiligen Pouchfolien der in den Aufnahmen 22 aufgenommenen Batteriezellen 12 vor Reibung und Materialabrieb geschützt. Über die Metallbauteile 36, 38 kann eine thermische Anbindung der Batteriezelle 12 an die Kühleinrichtung sichergestellt werden. Über die die Heizelemente umfassende Folie kann eine Zellheizung in die Zellhalter 10 integriert werden, was insbesondere bei Zellchemien von Batteriezellen 12 vorteilhaft ist, welche eine Mindestbetriebstemperatur benötigen. Die Umbiegekante 30 des jeweiligen Zellhalters 10 ermöglicht, dass die Zellableiter 32 direkt am Zellhalter 10 umgebogen werden können, wodurch für das Umbiegen besonders wenige Montageschritte benötigt werden. Die Zellableiter 32 der jeweiligen in den Aufnahmen 22 aufgenommenen Batteriezellen 12 können direkt mit dem in die Seitenwand 20 eingelassenen Metalleinleger 34, bei welchem es sich vorliegend um ein Metallplättchen handelt, verschweißt werden. Hierdurch kann der Zellableiter 32 direkt mit dem Zellhalter 10 verbunden und an diesem fixiert werden. Zellclips können hierdurch eingespart werden. Der Zellhalter 10 ermöglicht, dass mehrere Batteriezellen 12 eines Zellmoduls besonders einfach und kostengünstig miteinander verbunden werden und darüber hinaus besonders einfach und kostengünstig an den jeweiligen zugeordneten Zellhaltern 10 fixiert werden können.
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Insgesamt zeigt die Erfindung wie ein Zellcase mit Führung, Ableiterfixierung, thermischer Anwendung und Heizung bereitgestellt werden kann.
