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Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf ein Batteriemodul, auf ein Verfahren zu dessen Herstellung und dessen Verwendung gemäß dem Oberbegriff der unabhängigen Patentansprüche.
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Stand der Technik
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Übliche Batterien im Bereich der Elektromobilität umfassen eine Mehrzahl an Batteriezellen, welche beispielsweise zu einem Zellstapel gruppiert und elektrisch miteinander verschaltet werden. Derartige Zellstapel werden abschließend in ein entsprechendes Batteriegehäuse eingefügt. Bedingt durch elektrochemische Wandlungsprozesse innerhalb der Batteriezellen erwärmen sich insbesondere Lithium-Ionen - und Lithium-Polymer-Batteriezellen vor allem bei einer schnellen Energieabgabe bzw. -aufnahme in Batteriesystemen stark. Je leistungsfähiger ein aus den Batteriezellen gebildeter Batteriepack ist, desto größer ist die entsprechende Freisetzung an Wärme und desto mehr bedarf es eines effizienten aktiven Thermomanagementsystems.
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Neben einer effizienten Kühlung der Batteriezellen ist jedoch zunehmend auch die Möglichkeit von Bedeutung, Batteriezellen insbesondere bei niedrigen Temperaturen unter 10°C erwärmen zu können, wobei diese bei derartigen Temperaturen nur bedingt geladen werden können, da sonst die Gefahr eines sogenannten Lithium-Platings besteht. Soll eine vollständige Energieaufnahme der Batteriezellen gewährleistet sein, bedarf es einer aktiven Aufheizung der Batteriezellen, um die Batteriezellen auf ein ausreichend hohes Temperaturniveau zu bringen.
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Die Temperierung von Batteriezellen geschieht heute üblicherweise durch eine Flüssigkeitstemperierung mit üblichen Wasser-Glykol-Gemischen. Dabei wird ein entsprechendes Fluid durch Kanäle eines beispielsweise unterhalb des Stapels aus Batteriezellen angeordneten Kühlelementes geleitet. Dieses Kühlelement ist Bestandteil eines entsprechenden Kühlkreislaufs.
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Üblicherweise werden Batteriezellen eines Batteriemoduls somit über die Bodenflächen der jeweiligen Batteriezellen entwärmt. Hierzu stehen die jeweiligen Bodenflächen der Batteriezellen beispielsweise mit einer von einem Kühlmedium durchströmten Kühlplatte in direktem physischen Kontakt, sodass ein entsprechender Wärmestrom von der Batteriezelle durch die entsprechende Bodenfläche des Batteriezellgehäuses und die Kühlplatte hindurch in das entsprechende Kühlmedium hinein erfolgen kann. Für eine verbesserte thermische Kontaktierung der Bodenfläche des Batteriezellgehäuses kann zusätzlich beispielsweise ein thermisches Interface-Material (TIM) vorgesehen sein, das eine verbesserte wärmeleitende Anbindung der Bodenfläche des Batteriezellgehäuses an die Oberfläche eines entsprechenden Kühlelements gewährleistet.
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Diesbezüglich ist aus der
US 2018/0053970 ein Batteriemodul bekannt, bei dem eine Mehrzahl von Batteriezellen einen Batteriezellenstapel ausbildet, wobei zwischen den Batteriezellen jeweils wärmeleitfähige Platten angeordnet sind. Weiterhin ist aus der
DE 10 2015 010 925 ein Batteriemodul mit einem Batteriezellenstapel bekannt, wobei der Batteriezellenstapel mit Hilfe einer Temperiereinheit, welche sich im Kopfbereich der Batteriezellen befindet, gekühlt bzw. erwärmt wird.
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Offenbarung der Erfindung
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Im Rahmen der Erfindung wird ein Batteriemodul, ein Verfahren zu dessen Herstellung und dessen Verwendung mit den kennzeichnenden Merkmalen der unabhängigen Patentansprüche zur Verfügung gestellt.
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Vorteile der Erfindung
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Das erfindungsgemäße Batteriemodul umfasst eine Mehrzahl an Batteriezellen, wobei diese in Form eines Stapels an Batteriezellen angeordnet sind. Bei den Batteriezellen handelt es sich beispielsweise um wiederaufladbare Lithium-Ionen-Batteriezellen oder Lithium-Polymer-Batteriezellen. Der Stapel an Batteriezellen ist auf seiner Außenfläche von einer mechanischen Verspannvorrichtung umfasst. Diese bewirkt zum einen eine ortsfeste Fixierung der Batteriezellen des Stapels an Batteriezellen bezüglich benachbarter Batteriezellen als auch eine Verhinderung einer übermäßigen Volumenzunahme der Batteriezellen im Betrieb bedingt durch die elektrochemischen Prozesse im Inneren der Batteriezellen.
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Zwischen der Außenfläche des Stapels an Batteriezellen und der mechanischen Verspannvorrichtung befindet sich eine Schicht eines wärmeleitenden Materials. Auf diese Weise wird erreicht, dass in den Batteriezellen erzeugte Wärmeenergie über die Außenwandung der entsprechenden Batteriezelle und das wärmeleitende Material hinweg in das Material der mechanischen Verspannvorrichtung, die insbesondere als Spannband ausgeführt sein kann, eingeleitet wird. Da die mechanische Verspannvorrichtung in einem entsprechend ausgestalteten thermischen Kontakt auch mit benachbarten Batteriezellen steht, kann somit die lokal in einer Batteriezelle entstehende Wärmeenergie gezielt auf benachbarte Batteriezellen verteilt und so abgeleitet werden.
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Weiterhin werden thermische Ungleichgewichte innerhalb des Stapels an Batteriezellen erfolgreich vermieden, da gegebenenfalls auftretende unterschiedliche Temperatur- und Wärmeniveaus innerhalb der Batteriezellen des Stapels an Batteriezellen über das wärmeleitfähige Material bzw. die mechanische Verspannvorrichtung ausgeglichen werden.
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Weitere vorteilhafte Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung sind Gegenstand der Unteransprüche.
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So ist es von Vorteil, wenn das wärmeleitende Material bzw. Thermal-Interface-Material (TIM) eine Wärmeleitpaste ist oder in Form eines sogenannten Gap-Fillers oder eines Gap-Pads ausgeführt ist. Dabei wird unter einem Gap-Pad ein elastischer, wärmeleitender, flächig ausgeführter Füllkörper verstanden, der aufgrund seiner Materialstärke und Elastizität beispielsweise auch Höhendifferenzen zwischen Bauteilen ausgleichen kann und zur Anbindung von zu entwärmenden Bauteilen beispielsweise an Kühlkörper geeignet ist. Weiterhin wird unter einem Gap-Filler eine Materialschicht verstanden, die ein wärmeleitendes Material umfasst, das eine gute Anformung unterschiedlicher Oberflächen gestattet, wobei das Material des Gap-Fillers reversibel seitwärts einem entsprechenden Druck ausweichen kann. Es kann pastöse oder vernetztende Strukturen aufweisen.
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Dies gestattet eine wirksame wärmeleitende Anbindung zu kühlender Komponenten beispielswiese an einen Kühlkörper unter Ausgleich möglicher Höhendifferenzen der Bauteile zueinander. Weiterhin kommt die Verwendung eines wärmeleitfähigen Klebstoffs als Adhäsivmaterial in Betracht, das zur mechanischen Fixierung der Batteriezellen des Stapels an Batteriezellen an die mechanische Verspannvorrichtung führt, wobei das Adhäsivmaterial zusätzlich Füllstoffe enthält, welche einen ausgeprägt wärmeleitfähigen Charakter aufweisen.
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Darüber hinaus ist von Vorteil, wenn die mechanische Verspannvorrichtung in Form eines metallischen Spannbandes ausgeführt ist. Dieses gewährleistet neben der Möglichkeit einer effektiven Verspannung der Batteriezellen des Stapels an Batteriezellen gleichzeitig einen effektiven Wärmetransport von einer Zelle des Stapels an Batteriezellen zu einer benachbarten oder weiter entfernt liegenden Batteriezelle aufgrund der hohen Wärmeleitfähigkeit üblicher metallischer Werkstoffe.
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Gemäß einer weiteren vorteilhaften Ausführungsform der vorliegenden Erfindung ist die mechanische Verspannvorrichtung in Form zweier Endplatten, die sich jeweils an einem Ende des Stapels an Batteriezellen des Batteriemoduls befinden, ausgeführt, welche jeweils stoffschlüssig oder formschlüssig mit seitlich an den Längsseiten des Stapels an Batteriezellen positionierten Spannbändern verbunden sind und auf diese Weise eine mechanische Verspannvorrichtung ausbilden, welche den Stapel an Batteriezellen vollumfänglich umgibt.
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Gemäß einer besonders vorteilhaften Ausführungsform der vorliegenden Erfindung befindet sich zwischen einzelnen oder allen Batteriezellen des Stapels an Batteriezellen jeweils zwischen den Batteriezellen eine wärmedämmende Trennschicht. Diese kann durch Auftrag eines wärmedämmenden Materials auf das Gehäuse der Batteriezellen erfolgen oder durch Einlegen eines flächig ausgeführten wärmedämmenden Pads zwischen die Gehäuse zweier Batteriezellen, beispielsweise bei Erzeugung des Stapels an Batteriezellen.
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Der Vorteil dieser Maßnahme besteht darin, dass ein direkter thermischer Kontakt zwischen zwei benachbarten Batteriezellen des Stapels an Batteriezellen erfolgreich vermieden wird. Sollte es beispielsweise in einer der Batteriezellen des Stapels an Batteriezellen zu einem thermischen Ereignis kommen, welches beispielsweise zur Zerstörung der betreffenden Batteriezelle führen kann, so greifen die dabei erzeugten übermäßigen Wärmemengen nicht unmittelbar auch auf benachbarte Batteriezellen über, die dann ihrerseits einer thermischen Zerstörung unterliegen könnten, sondern das thermische Ereignis bleibt auf die betreffende Batteriezelle räumlich beschränkt.
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Gleichzeitig ist jedoch die Abfuhr bei Betrieb üblicherweise in den Batteriezellen entstehender Wärmemengen über die wärmeleitfähig angebundene mechanische Verspannvorrichtung von einer Batteriezelle zu benachbarten Batteriezellen weiterhin möglich. Auf diese Weise können im Betrieb üblicherweise auftretende thermische Belastungsspitzen innerhalb einer Batteriezelle des Stapels an Batteriezellen an benachbarte Batteriezellen abgeführt werden. Dies führt zu einer Verlängerung der Lebens- und Betriebsdauer der Batteriezellen des Stapels an Batteriezellen.
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Es ist von Vorteil, wenn der Stapel an Batteriezellen bezogen auf die Gehäuseanordnung der betreffenden Batteriezellen bodenseitig in wärmeleitendem Kontakt mit einer Kühlvorrichtung steht, welche beispielsweise von einem Kühlmedium durchströmt ist.
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Auf diese Weise ist ein weiterer Transportpfad vorhanden für den An- bzw. Abtransport resultierender bzw. benötigter Wärmeenergie in und aus einer betreffenden Batteriezelle des Stapels an Batteriezellen heraus. Gleichzeitig dient die wärmeleitende Anbindung der Batteriezellen an einen entsprechenden Kühlkörper sowie die gleichzeitige wärmeleitende Anbindung der betreffenden Batteriezellen an die mechanische Verspannvorrichtung als zwei zueinander redundante Systeme, um Wärmeenergie aus den Batteriezellen heraus oder in diese hineinzutransportieren. Dies erhöht die Verfügbarkeit des entsprechenden Batteriemoduls. Sollte der thermische Kontakt einer der Batteriezellen zu der mechanischen Verspannvorrichtung oder zu dem Kühlkörper verlorengehen, so bleibt eine minimale Kühlwirkung über den jeweils anderen Wärme zu- oder ableitenden Pfad offen.
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Das erfindungsgemäße Batteriemodul lässt sich in vorteilhafter Weise verwenden in Batterien zum Einsatz in elektrisch oder teilelektrisch betriebenen Straßenfahrzeugen wie batterieelektrisch betriebenen Fahrzeugen, Hybridfahrzeugen oder Plug-In-Hybridfahrzeugen bzw. Brennstoffzellenfahrzeugen, in Batterien für Heimwerker- oder Küchengeräte sowie in Batterien für stationäre Speicher insbesondere regenerativ erzeugter elektrischer Energie.
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Figurenliste
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In der Zeichnung sind vorteilhafte Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung dargestellt und in der nachfolgenden Figurenbeschreibung näher erläutert. Es zeigt
- 1 eine schematische Darstellung eines Batteriemoduls gemäß einer ersten vorteilhaften Ausführungsform der vorliegenden Erfindung,
- 2 einen schematischen Längsschnitt eines Batteriemoduls gemäß 1,
- 3 einen schematischen Querschnitt eines Batteriemoduls gemäß 1.
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In 1 ist ein Batteriemodul 10 dargestellt, welches eine Mehrzahl von Batteriezellen 14 umfasst, welche einen Stapel 12 an Batteriezellen ausbildet. Zwischen den Batteriezellen 14 befinden sich bspw. Trennschichten oder Spacer 16, welche die Batteriezellen 14 des Stapels 12 aus Batteriezellen elektrisch und wärmeleitend voneinander isolieren. Dazu kann die Trennschicht 16 beispielsweise aus einem Material geringer elektrischer Leitfähigkeit und geringem thermischem Wärmedurchgangskoeffizienten durchgeführt sein. Hierfür kommen zum Beispiel Kunststoffmaterialien in Frage, welche als Folien, Beschichtungen oder Schäume ausgeführt sind. Alternativ kann die Trennschicht 16 auch in Form eines Luftspaltes ausgeführt werden.
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Weiterhin umfasst das Batteriemodul 10 vorzugsweise zwei Endplatten 18, welche jeweils den Stapel 12 an Batteriezellen endständig begrenzen. Die Endplatten 18 sind beispielsweise aus einem metallischen Material wie insbesondere Stahl oder Aluminium ausgeführt. Darüber hinaus umfasst das Batteriemodul 10 mindestens eine, insbesondere zwei Verspannvorrichtungen 20, welche beispielsweise jeweils an einer Längsseite des Stapels 12 an Batteriezellen 12 positioniert und mit den Endplatten 18 stoffschlüssig oder ggf. auch formschlüssig verbunden sind.
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Die Verspannvorrichtung 20 ist beispielsweise aus einem wärmeleitenden Material, wie beispielsweise einem metallischen Werkstoff ausgeführt. Als metallischer Werkstoff kommt beispielsweise Stahl oder Aluminium in Betracht. Die Verspannvorrichtung 20 kann beispielsweise als Spannband ausgeführt sein und für eine zusätzliche elektrische Isolation mit einer Beschichtung beispielsweise aus einem kathodischen Tauchlack (KTL), einer Isolationsfolie oder durch ein Eloxieren des Spannbandes versehen sein.
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Bevorzugt wird das Spannband mit den Endplatten 18 verschweißt. Der besondere Vorteil einer Verwendung von Stahlwerkstoffen für die Verspannungseinheit 20 bzw. die Endplatten 18 besteht darin, dass Stahlwerkstoffe eine hohe Zugfestigkeit, eine hohe Bruchdehnung und ein hohes Elastizitätsmodul aufweisen. Auf diese Weise können mechanische Kräfte innerhalb des Stapels 12 an Batteriezellen gut abgefangen werden. Weiterhin besitzt Stahl eine gute Wärmeleitfähigkeit. Die Endplatten 18 bzw. die Verspannungsvorrichtung 20 kann alternativ auch aus einer Aluminiumlegierung ausgeführt sein, da auch Aluminiumlegierungen eine entsprechende Zugfestigkeit, Bruchdehnung bzw. ein entsprechendes Elastizitätsmodul aufweisen. Wie Stahl hat auch Aluminium eine sehr gute Wärmeleitfähigkeit.
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Wie in 1 gezeigt, ist auch zwischen der Endplatte 18 und einer ersten Batteriezelle 14 des Stapels 12 aus Batteriezellen eine Trennschicht 16 vorgesehen. Diese bewirkt, dass ein Wärmeübergang von der Trennplatte 18 auf das Gehäuse der endständigen Batteriezelle 14 unterbunden wird und somit ein übermäßiger Eintrag von Wärmeenergie in die betreffende Batteriezelle 14 verhindert wird.
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Zwischen der Verspannvorrichtung 20 und der seitlichen Längsseite des Stapels 12 aus Batteriezellen befindet sich eine Schicht eines wärmeleitenden Materials 22. Über die Schicht eines wärmeleitenden Materials 22 wird Wärme aus den Batteriezellen 14 über deren seitliche Gehäusewand und die Schicht eines wärmeleitenden Materials 22 zur Verspannvorrichtung 20 transportiert. Innerhalb des Materials der Verspannvorrichtung 20 wird die Wärme auf benachbarte Batteriezellen 14 verteilt. Auf diese Weise kann eine lokale Überhitzung einzelner Batteriezellen 14 des Stapels 12 aus Batteriezellen wirksam vermieden werden. Als wärmeleitendes Material der Schicht aus einem wärmeleitenden Material 22 kann beispielsweise ein Thermal-Interface-Material (TIM) wie bspw. eine Wärmeleitpaste bzw. ein Gap-Filler verwendet werden oder auch ein entsprechender wäremleitender Klebstoff bzw. ein Gap-Pad.
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Im Rahmen der Herstellung des Batteriemoduls 10 kann dabei das Material der zu erzeugenden Schicht eines wärmeleitenden Materials 22 zunächst auf die Oberfläche der Verspannvorrichtung 20 aufgetragen werden und diese mit der darauf erzeugten Schicht eines wärmeleitenden Materials 22 an einer seitlichen Längsseite des Stapels 12 aus Batteriezellen positioniert und mit den Endplatten 18 stoffschlüssig verbunden werden. Diese Vorgehensweise erlaubt vorteilhafterweise eine Vorkonfektionierung der Verspannvorrichtung 20.
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Der Vorteil der genannten wärmeleitenden Materialien für die Schicht eines wärmeleitenden Materials 22 besteht darin, dass diese Materialien neben einer ausreichenden Wärmeleitfähigkeit zusätzlich Fertigungstoleranzen in Bezug auf eine Positionierung der Batteriezellen 14 innerhalb des Stapels 12 an Batteriezellen ausgleichen. Damit bleibt eine wirkungsvolle thermische Anbindung der Batteriezellen 14 an die Schicht aus einem wärmeleitenden Material 22 erhalten.
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Die Schicht eines wärmeleitenden Materials 22 wird aus diesem Grund mit einer Schichtdicke ausgestattet, die je nach erforderlicher Fertigungsgenauigkeit eine derartige Funktion ermöglicht. Die minimale Schichtdicke der Schicht eines wärmeleitfähigen Materials 22 ist so bemessen, dass je nach Vorgabe Verschmutzungspartikel auf der Oberfläche der Batteriezellen 14 kleiner dimensioniert sind als die Schichtdicke der Schicht eines wärmeleitenden Materials 22. Auf diese Weise ist eine Durchdringung der Schicht eines wärmeleitenden Materials 22 durch Schmutzpartikel ausgeschlossen. In einer vorteilhaften Ausführungsform ist die Schicht eines wärmeleitenden Materials 22 gleichzeitig aus einem elektrisch isolierenden Material ausgeführt, so dass die Verspannvorrichtung 20 elektrisch vom Zellgehäuse der Batteriezellen 14 getrennt ist.
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In einer besonders vorteilhaften Ausführungsform ist die Schicht eines wärmeleitenden Materials 22 in Form einer Schicht eines wärmeleitfähigen Klebstoffs ausgeführt. Der besondere Vorteil dieser Ausführungsform besteht darin, dass bei Verwendung eines wärmeleitfähigen Klebstoffs die Verspannvorrichtung 20 direkt mit einer seitlichen Längsseite des Stapels 12 an Batteriezellen stoffschlüssig verbunden werden kann und eine weitere Fixierung der Verspannvorrichtung 20 auf der Längsseite des Stapels 12 von Batteriezellen entfällt.
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Der Stapel 12 an Batteriezellen wird nach erfolgter Fertigung in einen Rahmen 24 des Batteriemoduls 10 eingefügt. Dies ist beispielsweise 2 zu entnehmen. Dort bezeichnen gleiche Bezugszeichen gleiche Bauteilkomponenten wie in 1.
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Wie in 2 zu erkennen ist, erfolgt im Betrieb ein Wärmetransfer, dargestellt durch Pfeile 26, primär aus den Batteriezellen 14 heraus durch deren jeweilige Bodenfläche in Richtung einer schematisch dargestellten Kühlvorrichtung 28, welche beispielsweise von einem Kühlmedium wie einem Kühlmittel auf Wasser-/Glykolbasis durchströmt wird. Dieser thermische Übergang setzt voraus, dass die Bodenflächen der Batteriezellen 14 thermisch leitend ausreichend an den Kühlkörper 28 angebunden sind.
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Aufgrund der zusätzlichen Entwärmung der Batteriezellen 14 über die Schicht eines wärmeleitenden Materials 22 bzw. der Verspannvorrichtung 20 ist auch dann, wenn im Einzelfall eine Batteriezelle 14 nicht mehr in thermisch leitendem Kontakt mit dem Kühlkörper 28 steht, eine minimale Entwärmung der entsprechenden Batteriezelle 14 wirksam gewährleistet. Dies ist in 2 beispielsweise für den Fall der Batteriezelle 14g dargestellt. Hier entfällt bspw. eine Entwärmung über deren Bodenfläche bzw. den Kühlkörper 28 durch einen Defekt. In diesem Fall greift, wie in 3 verdeutlicht, eine Entwärmung über die seitlichen Flächen der Batteriezelle 14g über die Schicht eines wärmeleitenden Materials 22 hinweg in die Verspannvorrichtung 20.
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Die Wärme wird in diesem Fall über beide Seitenflächen der Batteriezelle 14g und dann wiederum in beiden Längsrichtungen des Stapels 12 aus Batteriezellen über das Verspannband 20 hinweg zu benachbarten Batteriezellen 14 transportiert und dort aufgenommen. Auf diese Weise ist eine minimale Entwärmung der Batteriezelle 14g gewährleistet. Da sich zwischen den Batteriezellen 14 jedoch jeweils eine Trennschicht 16 befindet, ist ein direkter Transfer von Wärme von einer Batteriezelle 14 zu einer benachbarten Batteriezelle 14 innerhalb des Batteriemoduls 10 kaum möglich.
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Dies verhindert, dass ein thermisches Ereignis innerhalb einer einzigen Batteriezelle 14 zu einem Ketteneffekt in Form eines Übergreifens des thermischen Ereignisses auf benachbarte Batteriezellen führt. Gleichzeitig ist jedoch eine effektive Entwärmung einer derart betroffenen Batteriezelle über einen entsprechend längeren Zeitraum hinweg gewährleistet. Auf diese Weise kann ein thermisch unerwünschtes Ereignis einer einzelnen Batteriezelle 14 lokal begrenzt werden, Temperaturspitzen innerhalb einer Batteriezelle 14 des Stapels 12 aus Batteriezellen können jedoch wirksam durch Entwärmung der betreffenden Batteriezelle 14 in benachbarte Batteriezellen 14 bzw. in das Material des Kühlkörpers 28 abgebaut werden.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- US 2018/0053970 [0006]
- DE 102015010925 [0006]
