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Die Erfindung betrifft ein Batteriemodul nach den Merkmalen des Oberbegriffs des Anspruchs 1.
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Aus dem Stand der Technik ist, wie in der
DE 10 2018 201 632 A1 beschrieben, ein Batteriemodul mit mindestens einer Zelle bekannt. Die Zellen sind innerhalb eines Druckbehälters angeordnet. Der Druckbehälter weist ein Fluid auf, wobei in dem Fluid ein auf die mindestens eine Zelle wirkender Überdruck herrscht.
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Der Erfindung liegt die Aufgabe zu Grunde, ein gegenüber dem Stand der Technik verbessertes Batteriemodul anzugeben.
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Die Aufgabe wird erfindungsgemäß gelöst durch ein Batteriemodul mit den Merkmalen des Anspruchs 1.
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Vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung sind Gegenstand der Unteransprüche.
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Ein Batteriemodul, insbesondere ein Hochvoltbatteriemodul, insbesondere für eine Traktionsbatterie eines Fahrzeugs, insbesondere eines Elektrofahrzeugs, Hybridfahrzeugs oder Brennstoffzellenfahrzeugs, zur Energieversorgung mindestens einer elektrischen Antriebsmaschine des Fahrzeugs, umfasst mehrere elektrochemische Einzelzellen, welche in einem als ein Druckbehälter ausgebildeten Gehäuse angeordnet sind, wobei zum Verspannen der Einzelzellen ein Innenraum des Gehäuses mittels eines Fluids, d. h. mittels einer Flüssigkeit oder mittels eines Gases, mit einem Überdruck beaufschlagt oder beaufschlagbar ist.
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Erfindungsgemäß weisen die Einzelzellen ein beutelartiges Zellgehäuse auf, d. h. sie sind als so genannte Pouchzellen ausgebildet. Die Einzelzellen sind, insbesondere angeordnet in einem Zellstapel, voneinander beabstandet, wobei ein Abstand benachbart angeordneter Einzelzellen so klein wie möglich ist, jedoch so groß, dass sie sich auch bei einer maximal möglichen Ausdehnung, insbesondere Dickenzunahme, der Einzelzellen während ihrer Lebensdauer nicht berühren. Dies wird vorteilhafterweise dadurch erreicht, dass die Einzelzellen in einem Halterahmen beabstandet zueinander angeordnet sind. Dabei kann in einer möglichen Ausführungsform vorgesehen sein, dass in das Zellgehäuse der Einzelzellen jeweils mindestens ein Rahmenelement des Halterahmens integriert ist.
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Das Fluid ist erfindungsgemäß ein Temperiermedium, insbesondere Kühlmedium, zur Temperierung, insbesondere Kühlung, der Einzelzellen. Hierzu weist das Gehäuse vorteilhafterweise mindestens einen Fluideingang und mindestens einen Fluidausgang auf, welche mit einem Temperierkreislauf, insbesondere Kühlkreislauf, gekoppelt oder koppelbar sind.
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Die Einzelzellen sind somit in einem vorgegebenen Abstand voneinander beabstandet und werden vorteilhafterweise mittels einer hydraulischen oder pneumatischen Spanneinrichtung verspannt, die das flüssige oder gasförmige Fluid und somit ein hydraulisches oder pneumatisches Druckmedium verwendet. Der Abstand benachbarter Einzelzellen zueinander ist so gering wie möglich, aber vorteilhafterweise geringfügig größer als die erwartete Zunahme der Ausdehnung der benachbarten Einzelzellen über die Lebensdauer, so dass sie niemals miteinander in Kontakt kommen. Das hydraulische oder pneumatische Druckmedium, d. h. das Fluid, wird des Weiteren zum Kühlen der Einzelzellen verwendet.
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Durch die erfindungsgemäße Lösung wird erreicht, dass auf die Einzelzellen eine homogene Spannkraft einwirkt. Vorteilhafterweise kann diese Spannkraft flexibel und an eine jeweilige Situation angepasst geregelt werden, insbesondere indem der Überdruck regelbar ist. Da bei der erfindungsgemäßen Lösung keine mechanischen Spannkomponenten zur Verspannung der Einzelzellen erforderlich sind, wird eine verbesserte Nutzung eines im Gehäuse verfügbaren Bauraums erreicht. Beispielsweise kann dadurch eine größere Anzahl Einzelzellen im Gehäuse angeordnet werden, wodurch eine höhere Energiedichte erreicht wird. Alternativ kann das Gehäuse kleiner ausgebildet werden, wodurch ein erforderlicher Bauraum im Fahrzeug geringer ist. Da keine mechanische Verspannung erforderlich ist, werden weniger Einzelteile benötigt, wodurch eine Gewichtseinsparung, Kosteneinsparung und Montagevereinfachung erreicht wird.
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Ausführungsbeispiele der Erfindung werden im Folgenden anhand von Zeichnungen näher erläutert.
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Dabei zeigen:
- 1 schematisch eine perspektivische Darstellung einer Ausführungsform einer elektrochemischen Einzelzelle für ein Batteriemodul,
- 2 schematisch einen Ausschnitt einer Schnittdarstellung eines Batteriemoduls,
- 3 schematisch eine Schnittdarstellung einer weiteren Ausführungsform einer elektrochemischen Einzelzelle für ein Batteriemodul,
- 4 schematisch eine perspektivische Darstellung einer Mehrzahl von Einzelzellen und Rahmenelementen vor einem Stapeln zu einem Zellstapel,
- 5 schematisch eine perspektivische Darstellung eines Zellstapels,
- 6 schematisch eine perspektivische Schnittdarstellung des Zellstapels,
- 7 schematisch eine perspektivische Darstellung des in ein Gehäuse eingesetzten Zellstapels,
- 8 schematisch eine Schnittdarstellung des in das Gehäuse eingesetzten Zellstapels,
- 9 schematisch eine Ausschnittvergrößerung von 7,
- 10 schematisch eine Ausschnittvergrößerung von 8,
- 11 schematisch eine weitere Darstellung eines Ausschnitts der Schnittdarstellung des Batteriemoduls, und
- 12 schematisch eine Batterievorrichtung.
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Einander entsprechende Teile sind in allen Figuren mit den gleichen Bezugszeichen versehen.
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1 zeigt eine perspektivische Darstellung einer als eine so genannte Pouchzelle ausgebildeten elektrochemischen Einzelzelle 1 für ein Batteriemodul 2. Bei derartigen Pouchzellen sind elektrochemisch aktive Komponenten der Einzelzelle 1 in einem beutelartigen Zellgehäuse 3 angeordnet. Das Batteriemodul 2 ist insbesondere ein Hochvoltbatteriemodul, welches insbesondere für eine als Traktionsbatterie ausgebildete Batterie 4 eines Fahrzeugs, insbesondere eines Elektrofahrzeugs, Hybridfahrzeugs oder Brennstoffzellenfahrzeugs, zur Energieversorgung mindestens einer elektrischen Antriebsmaschine des Fahrzeugs vorgesehen ist. Die Batterie 4, beispielhaft dargestellt in 12, kann dabei ein solches Batteriemodul 2 oder mehrere solche Batteriemodule 2 aufweisen.
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2 zeigt einen Ausschnitt einer Schnittdarstellung eines solchen Batteriemoduls 2. Das Batteriemodul 2 umfasst mehrere solche Einzelzellen 1, welche in einem Zellstapel angeordnet sind, d. h. parallel zueinander ausgerichtet und hintereinander angeordnet. Dabei sind die Einzelzellen 1 voneinander beabstandet angeordnet. Ein vordefinierter Abstand benachbart angeordneter Einzelzellen 1 ist dabei so klein wie möglich, jedoch so groß, dass sie sich auch bei einer maximal möglichen Ausdehnung, insbesondere Dickenzunahme, der Einzelzellen 1 während ihrer Lebensdauer nicht berühren. D. h. unter Einhaltung dieser Bedingung ist der Abstand so klein wie möglich, somit vorteilhafterweise genau so groß, dass sich die benachbarten Einzelzellen 1 bei einer maximal möglichen Ausdehnung, insbesondere Dickenzunahme, während ihrer Lebensdauer nicht berühren.
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Die Einzelzellen 1 sind in einem als ein Druckbehälter ausgebildeten Gehäuse 5 des Batteriemoduls 2 angeordnet. Zum Verspannen der Einzelzellen 1 ist ein Innenraum des Gehäuses 5 mittels eines Fluids 6, d. h. mittels einer Flüssigkeit oder mittels eines Gases, mit einem Überdruck beaufschlagt oder beaufschlagbar, d. h. das Fluid 6 ist mit Überdruck in den Innenraum des Gehäuses 5 eingefüllt oder einfüllbar. Zudem ist vorteilhafterweise vorgesehen, dass dieses Fluid 6 ein Temperiermedium, insbesondere Kühlmedium, zur Temperierung, insbesondere Kühlung, der Einzelzellen 1 ist. Daher durchströmt das Fluid 6 vorteilhafterweise den Innenraum des Gehäuses 5 mit Überdruck. Hierzu weist das Gehäuse 5 des Batteriemoduls 2 mindestens einen Fluideingang und mindestens einen Fluidausgang auf, welche mit einem in 12 gezeigten Temperierkreislauf 8, insbesondere Kühlkreislauf, gekoppelt sind. In den 7 bis 10 ist schematisch jeweils eine Gehäuseöffnung 9 im Gehäuse 5 des Batteriemoduls 2 dargestellt, welche entweder den Fluideingang oder den Fluidausgang bildet.
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Der vordefinierte Abstand benachbarter Einzelzellen 1 des Zellstapels wird vorteilhafterweise durch einen Halterahmen 7 sichergestellt, in welchem die Einzelzellen 1 angeordnet sind. Durch diese zueinander beabstandete Anordnung der Einzelzellen 1 wird erreicht, dass jede einzelne Einzelzelle 1 von dem als Druckmedium wirkenden Fluid 6 direkt umströmt werden kann. Das Fluid 6, beispielsweise ein Gas oder eine Flüssigkeit, kann dadurch zwei Funktionen erfüllen, es wirkt als Druckmedium auf die Einzelzellen 1 ein und ist gleichzeitig das Temperiermedium zum Temperieren der Einzelzellen 1, insbesondere das Kühlmedium zum Kühlen der Einzelzellen 1.
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Die Einzelzellen 1 sind derart ausgebildet, dass die einzelnen elektrochemisch aktiven Komponenten der jeweiligen Einzelzelle 1, insbesondere mindestens eine Anode, mindestens eine Kathode und mindestens ein Elektrolyt, durch das beutelartige Zellgehäuse 3, auch als Pouchfolie bezeichnet, in Position gehalten werden. Das beutelartige Zellgehäuse 3 übt dabei einen solchen Druck auf diese elektrochemisch aktiven Komponenten aus, dass sie manuell nicht gegeneinander verschoben werden können, sondern beispielsweise nur durch eine stärkere Krafteinwirkung mechanisch gegeneinander verschoben werden könnten. Dieser Druck resultiert vorteilhafterweise aus einer Evakuierung eines Zellinnenraums des beutelartigen Zellgehäuses 3, so dass umgebende Luft bzw. ein normaler Luftdruck in der Umgebung der Einzelzelle 1 das beutelartige Zellgehäuse 3 und damit auch die elektrochemisch aktiven Komponenten in dessen Zellinnenraum stark zusammenpresst.
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Dieses Prinzip des Zusammenpressens wird zusätzlich verstärkt, indem durch das als Druckmedium wirkende Fluid 6 im Innenraum des Gehäuses 5 des Batteriemoduls 2 ein zusätzlicher Druck auf die einzelnen als Pouchzellen ausgebildeten Einzelzellen 1 ausgeübt wird. Der Vorteil dieser Lösung gegenüber herkömmlichen Spannvorrichtungen für solche als Pouchzellen ausgebildeten Einzelzellen 1, bei welchen mechanische Spannkomponenten, beispielsweise Spannplatten oder mechanische Druckeinrichtungen, zum Verspannen der Einzelzellen 1 verwendet werden, besteht darin, dass bei der hier beschriebenen Lösung zum Verspannen der Einzelzellen 1 das Fluid 6, d. h. ein Gas oder eine Flüssigkeit, auf die als Pouchzellen ausgebildeten Einzelzellen 1 einwirkt, welches sich perfekt an eine Oberfläche dieser Einzelzellen 1 anschmiegen kann, wodurch sämtliche Oberflächenunebenheiten ausgeglichen werden und ein Spanndruck perfekt homogen in die Einzelzellen 1 eingeleitet werden kann.
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Dies ist bei den bekannten mechanischen Spannvorrichtungen nicht möglich. Beispielsweise liegen Spannplatten stets auf Spitzen von Oberflächenunebenheiten auf, sodass die Spannkräfte insbesondere dort eingeleitet werden. Sie reichen jedoch nicht in Täler der Oberflächenunebenheiten, so dass dort keine oder nur geringere Spannkräfte eingeleitet werden können. Inhomogene Spannkräfte führen zu einem Performanceverlust und geringerer Lebensdauer dieser als Pouchzellen ausgebildeten Einzelzellen 1. Im Vergleich dazu führt somit die hier beschriebene Lösung zu einer Verbesserung von Performance und Lebensdauer.
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Mit der hier beschriebenen Lösung kann zudem der Druck auf die einzelnen als Pouchzellen ausgebildeten Einzelzellen 1 vorteilhafterweise flexibel eingestellt werden, insbesondere geregelt werden. So kann vorteilhafterweise stets der zu einem jeweiligen Zeitpunkt optimale Druck eingestellt werden, d. h. es kann stets ein jeweiliger so genannter Wohlfühldruck für diese als Pouchzellen ausgebildeten Einzelzellen 1 eingestellt werden, zum Beispiel mittels einer geeigneten Kombination aus einer beispielhaft in 12 gezeigten Pumpe 10 und Ventilen. Der Druck kann dabei vorteilhafterweise jeweils erhöht oder verringert werden, je nach Bedarf.
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Ferner hat die herkömmliche Verwendung von mechanischen Spannvorrichtungen und Spannmatten den Nachteil, dass die Spannkräfte bei Volumenzunahme der Einzelzellen 1 stark, insbesondere überproportional, ansteigen. Dies ist bei der hier beschriebenen Lösung, d. h. bei der Verwendung des Fluids 6, beispielsweise eines Gases oder einer Flüssigkeit, als Druckmedium nicht der Fall, denn hier kann der Druck geregelt werden und somit konstant gehalten werden und/oder jeweils optimal eingestellt werden.
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Durch die hier beschriebene Lösung können insbesondere Kühlbleche und Spannmatten zwischen den einzelnen als Pouchzellen ausgebildeten Einzelzellen 1, Zellrahmen, Kühler und Wärmeleitpaste und dadurch ein entsprechender Bauraumbedarf eingespart werden. Spannmatten haben den speziellen Nachteil, dass sie nur bis zu einem bestimmten Grad komprimiert werden können, so dass sie auch im Zustand maximaler Kompression noch eine gewisse Dicke haben. Sie verursachen somit einen so genannten Totraum, der nicht genutzt und nicht eingespart werden kann. Weiterhin ist bei Spanmatten mit zunehmender Kompression durch das Zelldickenwachstum mit einem Druckanstieg im Batteriemodul 2 zu rechnen. Zusätzlich werden das Batteriemodul 2 und insbesondere die Einzelzellen 1 durch Schwankungen des Drucks aufgrund eines Ladevorgangs und Entladevorgangs der Einzelzellen 1 belastet. Mit einem zunehmenden Energiedurchsatz führen diese Effekte zu einer verstärkten Alterung der Einzelzellen 1 und zum Verlust der Modulfestigkeit.
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Bei der hier beschriebenen Lösung mit dem Fluid 6, d. h. einem Gas oder einer Flüssigkeit, als Druckmedium ist dies nicht der Fall. Mit zunehmendem Wachstum der Einzelzellen 1 und auch beim Laden und Entladen kann mit einer entsprechenden Druckregelung die Belastung im Batteriemodul 2 und auf die Einzelzellen 1 geregelt werden. Daher kann durch die Verwendung des Fluids 6, d. h. eines Gases oder einer Flüssigkeit, als Druckmedium die Lebensdauer der Einzelzellen 1, des Batteriemoduls 2 und der Batterie 4 verlängert werden.
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Zudem kann bei der beschriebenen Lösung, durch die auf die oben beschriebene Weise beabstandete Anordnung der Einzelzellen 1, das Zellwachstum einen fluiddurchströmten Bauraum zwischen den Einzelzellen 1 vollständig ausfüllen, wodurch der vorhandene Bauraum optimal genutzt wird.
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Die Temperierung, insbesondere Kühlung, des Batteriemoduls 2 erfolgt vorteilhafterweise durch das druckbeaufschlagte Fluid 6, welches vorteilhafterweise die komplette Oberfläche der einzelnen Einzelzellen 1 umströmt und dadurch einen optimalen Wärmehaushalt im Batteriemodul 2 ermöglicht. Vorteilhafterweise ist eine Temperaturüberwachung des Fluids 6 und eine Steuerung und/oder Regelung des Durchflusses des Fluids 6 vorgesehen, wodurch eine homogene Temperatur im Batteriemodul 2 ermöglicht wird.
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Aktuelle Probleme, beispielsweise eine schnelle Alterung von randseitig angeordneten Einzelzellen 1 aufgrund eines hohen Temperaturgradienten von Endplatten, oder weitere modulspezifische Randbedingungen, die zu so genannten Coldspot- oder Hotspotproblemen innerhalb des Batteriemoduls 2 und dadurch zu einer schnellen Alterung einzelner Einzelzellen 1 führen, werden durch die beschriebene Lösung behoben.
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Ein weiterer Vorteil der hier beschriebenen Lösung ist, dass bei einem so genannten thermischen Durchgehen einer Einzelzelle 1 das Fluid 6 zu einer kontrollierten Abfuhr von Wärme aus dem Batteriemodul 2 beitragen kann. Bei einem intakten Kühlsystem kann durch einen hohen Fluidfluss ein kritischer Temperaturanstieg im Batteriemodul 2 deutlich verzögert oder sogar verhindert werden. Selbst bei einem vollständigen Ausfall des Kühlsystems kann das Fluid 6 innerhalb des Batteriemoduls 2 noch Wärme aufnehmen. Ist das Fluid 6 eine Flüssigkeit, kann die Wärme gespeichert werden, bis sich ein Aggregatszustand des Fluids 6 ändert, d. h. bis aus der Flüssigkeit ein Gas wird und dieses Gas einen höheren Druck aufbaut. Es sind dann vorteilhafterweise ein oder mehrere Sicherheitsventile, beispielsweise eine Berstmembran, im Gehäuse 5 des Batteriemoduls 2 vorgesehen. Durch das Öffnen dieses Sicherheitsventil oder dieser Sicherheitsventile kann dann das heiße Fluid 6 entweichen und die Wärme aus dem Batteriemodul 2 abführen. Dadurch kann die so genannte Thermal Propagation, d. h. die Wärmeausbreitung, deutlich verzögert werden.
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Wie bereits oben erwähnt, werden die Einzelzellen 1 vorteilhafterweise mittels des Halterahmens 7 auf dem vordefinierten Abstand gehalten. Der Abstand berücksichtigt die durch Laden und Entladen, aber auch durch den normalen Alterungsprozess entstehenden Volumenänderungen der als Pouchzellen ausgebildeten Einzelzellen 1. Er ist vorteilhafterweise derart bemessen, dass auch bei maximaler Volumenzunahme dieser Einzelzellen 1 infolge Alterung und Ladezustand stets noch ein vorgegebener Mindestabstand zwischen den einzelnen als Pouchzellen ausgebildeten Einzelzellen 1 für eine optimale Kühlung verbleibt. Alternativ könnte auch vorgesehen sein, dass der Halterahmen 7 derart bemessen ist, dass bei maximaler Volumenzunahme dieser Einzelzellen 1 infolge Alterung und Ladezustand ein Nullspalt zwischen jeweils benachbarten Einzelzellen 1 vorliegt, d. h. dass sich die benachbarten Einzelzellen 1 dann berühren. Dadurch wird die Bauraumausnutzung optimiert. Der Entscheidung der Umsetzung der jeweiligen Alternative liegt beispielsweise eine Abwägung zwischen maximaler Energiedichte und optimaler Kühlung zugrunde.
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Die beschriebene Lösung ist besondere vorteilhaft für Einzelzellen 1 mit Si-haltigen Elektroden und für Feststoffelektrolyt-Einzelzellen, da bei diesen Einzelzelltypen besonders große Volumenschwankungen auftreten.
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Wie insbesondere in den 2, 10 und 11 gezeigt, sind die Einzelzellen 1 in den Halterahmen 7 vorteilhafterweise jeweils mittels überstehender Ränder des beutelartigen Zellgehäuses 3 eingespannt. Das Pouchmaterial, d. h. die Pouchfolie des beutelartigen Zellgehäuses 3, ist so stabil, dass es die jeweilige Einzelzelle 1 in der jeweils vorgesehenen Positionen halten kann, und zudem auch dicht, denn auch bei einer herkömmlichen Verwendung solcher Einzelzellen 1 darf kein Elektrolyt austreten.
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Um Alterungseffekte durch Gasung zu minimieren, ist es besonders vorteilhaft, wenn nur die Zellkavität, d. h. der Bereich der Einzelzelle 1 mit den elektrochemisch aktiven Komponenten, mit Druck beaufschlagt wird, damit entstehende Gasblasen zwischen den Aktivmaterialschichten entweichen können. Daher kann in einer möglichen Ausführungsform vorgesehen sein, dass Rahmenelemente 11 des Halterahmens 7 direkt in die Pouchfolie des beutelartigen Zellgehäuses 3 der Einzelzellen 1 eingebracht sind, d. h. in das Zellgehäuse 3 der Einzelzellen 1 ist jeweils mindestens ein Rahmenelement 11 des Halterahmens 7 integriert, wie in 3 anhand einer Schnittdarstellung dieser Ausführungsform der Einzelzelle 1 gezeigt. Das Rahmenelement 11 umschließt dabei seitlich das gesamte Aktivmaterial, d. h. die gesamten elektrochemisch aktiven Komponenten, der jeweiligen Einzelzelle 1. Das Rahmenelement 11 bildet somit einen in der Einzelzelle 1 integrierten Spacer, d. h. Abstandshalter, wodurch die Einzelzellen 1 ohne zusätzliche Komponenten zu einem Zellstapel gestapelt und verspannt werden können. Damit die Gasblasen zwischen den Aktivmaterialschichten entweichen können, weist dieses in das Zellgehäuse 3 der Einzelzelle 1 integrierte Rahmenelement 11 eine Gastasche 12 auf, d. h. einen in Richtung der elektrochemisch aktiven Komponenten geöffneten Hohlraum.
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4 zeigt die Alternative, bei welcher die Rahmenelemente 11 des Halterahmens 7 nicht in die Einzelzellen 1 integriert sind. In diesem Fall werden die Rahmenelemente 11 jeweils zwischen zwei benachbarten Einzelzellen 1 sowie stirnseitig am Zellstapel angeordnet und die Einzelzellen 1 und Rahmenelemente 11 werden gestapelt.
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Die 5 und 6 zeigen den Zellstapel gestapelter Einzelzellen 1 mit integrierten oder, wie hier dargestellt, separaten dazwischen angeordneten Rahmenelementen 11, wobei 6 eine Schnittdarstellung zeigt. Um das Einströmen des Fluids 6 in die Zwischenräume zwischen den Einzelzellen 1 zu ermöglichen, weisen zumindest die separaten Rahmenelemente 11 jeweils mindestens eine Durchströmöffnung 13 auf, im dargestellten Beispiel jeweils zwei solche Durchströmöffnungen 13.
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Dieser Zellstapel wird dann in das Gehäuse 5 des Batteriemoduls 2 eingesetzt, wie in den 7 und 8 gezeigt, wobei dies in 8 in einer Schnittdarstellung gezeigt ist. Die 9 und 10 zeigen einen Detailausschnitt der 7 bzw. 8.
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11 zeigt eine weitere Darstellung eines Ausschnitts der Schnittdarstellung des Batteriemoduls 2. Der Zellstapel ist derart im Gehäuse 5 angeordnet, dass der Halterahmen 7 beidseits stirnseitig an einer Innenwand des Gehäuses 5 anliegt, wodurch eine Haltekraft F auf die Rahmenelemente 11 einwirkt, um diese zusammengepresst zu halten und dadurch die Einzelzellen 1 im Halterahmen 7 eingespannt zu halten. Dadurch werden die Einzelzellen 1 sicher in Position zueinander und beabstandet zueinander gehalten, so dass das Fluid 6 in die Zwischenräume zwischen den Einzelzellen 1 gelangen kann und diese mit Druck beaufschlagen kann.
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12 zeigt eine Batterievorrichtung 14, umfassend die Batterie 4 mit mindestens einem solchen Batteriemodul 2 oder mehreren solchen Batteriemodulen 2. Die Batterie 4 ist in den Temperierkreislauf 8, insbesondere Kühlkreislauf, eingebunden, umfassend im dargestellten Beispiel die Pumpe 10 und einen Kühler 15. Der Fluideingang des mindestens einen oder des jeweiligen Batteriemoduls 2 ist mit einem Zulauf 16 und der Fluidausgang des mindestens einen oder des jeweiligen Batteriemoduls 2 ist mit einem Rücklauf 17 des Temperierkreislaufs 8 gekoppelt. Zudem ist ein Fluidspeicher 18 für einen Volumenausgleich des Fluids 6 im Temperierkreislauf 8, insbesondere Kühlkreislauf, vorgesehen. Mittels der Pumpe 10 und vorteilhafterweise eines oder mehrerer Ventile wird eine Förderung des Fluids 6 durch den Temperierkreislauf 8, insbesondere Kühlkreislauf, und somit durch das Batteriemodul 2 oder die mehreren Batteriemodule 2 und zudem die Druckbeaufschlagung des Fluids 6 erreicht.
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Die beschriebene Lösung ermöglicht somit ein Batteriemodul 2 mit homogen verspannten Einzelzellen 1, über die Lebensdauer eine homogene Verspannung der Einzelzellen 1 unabhängig von der Zell- und Modulgeometrie und einen vorteilhafterweise beliebig einstellbaren homogenen Druck auf der Zellfläche der Einzelzellen 1 über die gesamte Lebensdauer. Dadurch wird eine aufgrund des Zelldickenwachstums zunehmende Druckbelastung über die Lebensdauer vermieden. Die beschriebene Lösung ermöglicht zudem eine Ausnutzung des maximalen Bauraums durch den Entfall beispielsweise von Schaumstoffen oder anderen Bauteilen zur mechanischen Verspannung. Zudem ermöglicht die beschriebene Lösung eine verbesserte Temperierung der Einzelzellen 1 durch die ermöglichte Zwischenraumkühlung aufgrund des Zwischenraums zwischen den zueinander beabstandeten Einzelzellen 1.
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Die beschriebene Lösung ermöglicht zudem eine Überwachung des Alterungszustandes, insbesondere des Zelldickenwachstums und der Gasung, der Batterie 4 durch die Ermittlung des Zellvolumens, beispielsweise mittels des archimedischen Prinzips, wodurch eine verbesserte Definition von Abschaltkriterien ermöglicht wird.
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Die beschriebene Lösung ermöglicht des Weiteren ein Erkennen des Lebensdauerendes durch eine Überwachung des Drucks des Fluids 6, so dass keine mechanische Detektion, beispielsweise mittels eines Endlagenschalters, und kein softwareseitiges Abschalten auf Basis aufwendiger Kapazitätsermittlung in einer Werkstatt erforderlich sind. Des Weiteren wird eine Verbesserung eines hygroskopischen Verhaltens der Batterie 4 durch den Entfall von Druckausgleichselementen und Spanmatten erreicht.
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Durch die beschriebene Lösung wird die aus dem Stand der Technik bekannte mechanische Verspannung durch Aufbringen einer an den äußeren Einzelzellen 1 des Zellstapels aufgebrachten Kraft vermieden. Auch wenn bei diesem mechanischen Verspannen die Spannkraft variabel gehalten wird, ergibt sich im Zellblock aufgrund Reibungen und Inhomogenität auf der Zelloberfläche und den Zellmodulbauteilen ein ungleichförmiger Kraftaufbau auf die einzelnen Einzelzellen 1. Auf die Zelloberfläche gesehen kann dies zu unterschiedlichem, lokal ausgeprägtem Zelldickenwachstum führen und damit die Lebensdauer der Einzelzelle 1 beeinflussen. Zudem liegt bei dieser mechanischen Verspannung, wie oben bereits beschrieben, eine ineffiziente Bauraumausnutzung vor, da ein Arbeitsweg zum Ausgleich des Zelldickenwachstums nur teilweise, beispielsweise bei Spannmatten nur zu 80%, genutzt werden kann. Bei Konzepten mit variabel geregelter Kraft wird zusätzlicher Bauraum für die Krafterzeugung benötigt. Zudem tritt bei dieser mechanischen Verspannung eine große Kraftdynamik innerhalb des Zellstapels während des reversiblen Zelldickenwachstums auf.
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Diese Nachteile werden durch die hier beschriebene Lösung, insbesondere durch die Druckbeaufschlagung und somit Verspannung mittels des Fluids 6, vermieden.
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Die Einzelzellen 1 können dabei beispielsweise, wie hier beschrieben und gezeigt, in einem gemeinsamen Innenraum des Gehäuses 5 des Batteriemoduls 2 angeordnet sein, so dass die Abdichtung durch das Gehäuse 5 des Batteriemoduls 2 erfolgt, oder der Innenraum ist in mehrere einzeln abgedichtete Kammern aufgeteilt, in welchen jeweils eine Einzelzelle 1 angeordnet ist. Die einzelnen Kammern oder das komplette Gehäuse 5 des Batteriemoduls 2 sind dann mit dem druckbeaufschlagbaren Fluid 6 (Pneumatik oder Hydraulik) gefüllt. Dadurch wirkt vorteilhafterweise ein konstanter Druck auf jede Einzelzelle 1.
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Der Druck im Innenraum des Gehäuses 5 oder in jeder einzelnen Kammer kann vorteilhafterweise geregelt werden, beispielsweise mittels eines Kompressors und/oder der Pumpe 10. Beispielsweise sind ein oder mehrere Druckspeicher mit Rückschlagventilen vorgesehen, um den Druck und somit die Spannkraft auch während des Stillstandes des Fahrzeugs aufrechtzuhalten.
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Die Batterie 4 mit dem mindestens einen Batteriemodul 2 oder den mehreren Batteriemodulen 2 ist vorteilhafterweise an den Temperierkreislauf 8, insbesondere Kühlkreislauf, angeschlossen, so dass das Fluid 6 diesen Temperierkreislauf 8, insbesondere Kühlkreislauf, durchströmt und somit gleichzeitig zur Temperierung, insbesondere Kühlung, der Einzelzellen 1 verwendet wird. Vorteilhafterweise ist eine Möglichkeit für eine Fixierung der Einzelzellen 1 vorgesehen, um ein dynamisches Verhalten einzuschränken. Die Fixierung erfolgt vorteilhafterweise außerhalb der Kavität der Einzelzellen 1, beispielsweise mittels des Halterahmens 7.
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Durch die beschriebene Lösung kann die Spannkraft über die Lebensdauer konstant gehalten oder beispielsweise beliebig variiert werden. Es wird eine homogene Belastung der Einzelzellen 1 erreicht, auch wenn das Zelldickenwachstum inhomogen erfolgt. Es wird eine maximale Ausnutzung des Bauraums erreicht, da sich zwischen den Einzelzellen 1 das Fluid 6 befindet, welches beim Zelldickenwachstum entweichen kann. Ein Sonderereignis, beispielsweise ein Durchgehen einer Einzelzelle 1, kann anhand einer Veränderung des Fluiddrucks und der Durchflussmenge erkannt werden. Zudem wird beispielsweise eine verbesserte Einstellung eines Rastermaßes ermöglicht, da beispielsweise die Position jeder einzelnen Einzelzelle 1 bei der Montage durch eine Veränderung des Drucks verändert werden kann. Durch den Entfall von Schaumstoffen und vielen weiteren mechanischen Spannkomponenten werden ein Bauraumvorteil und/oder eine höhere Energiedichte ermöglicht.
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Bezugszeichenliste
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- 1
- Einzelzelle
- 2
- Batteriemodul
- 3
- Zellgehäuse
- 4
- Batterie
- 5
- Gehäuse
- 6
- Fluid
- 7
- Halterahmen
- 8
- Temperierkreislauf
- 9
- Gehäuseöffnung
- 10
- Pumpe
- 11
- Rahmenelement
- 12
- Gastasche
- 13
- Durchströmöffnung
- 14
- Batterievorrichtung
- 15
- Kühler
- 16
- Zulauf
- 17
- Rücklauf
- 18
- Fluidspeicher
- F
- Haltekraft
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- DE 102018201632 A1 [0002]
