DE102020208018A1

DE102020208018A1 - Batteriemodul

Info

Publication number: DE102020208018A1
Application number: DE102020208018.6A
Authority: DE
Inventors: Fabian Hauser; Andreas Gleiter
Original assignee: Robert Bosch GmbH
Current assignee: Robert Bosch GmbH
Priority date: 2020-06-29
Filing date: 2020-06-29
Publication date: 2021-12-30

Abstract

Batteriemodul umfassend:- ein Batteriemodulgehäuse, wobei das Batteriemodulgehäuse auf der Innenseite eine Vielzahl von Rippen aufweist;- einen Batteriezellhalter zum Aufnahmen einer Mehrzahl von Batteriezellen;- Batteriezellverbinder zum elektrischen Kontaktieren der Batteriezellen;- thermische Zwischenelemente,wobei die thermischen Zwischenelemente jeweils zumindest teilweise an mindestens einem der Batteriezellverbinder und an mindestens einer der Rippen des Batteriemodulgehäuses anliegen,wobei die thermischen Zwischenelemente thermische Brücken zwischen den Batteriezellverbindern und den Rippen des Batteriemodulgehäuses ausbilden.

Description

Die Erfindung geht aus von einem Batteriemodul, einem Verfahren zur Herstellung eines Batteriemoduls sowie einer Verwendung des Batteriemodules gemäß dem Oberbegriff der unabhängigen Ansprüche.
Stand der Technik
Das Dokument US 2015 214 585 A1 offenbart ein Batteriepack mit einem Gehäuse, einer Anzahl von Batteriezellen, die in dem Gehäuse aufgenommen sind, und ein elektrisches Verbindungsplattenmodul zum Verbinden der Batteriezellen miteinander.
Das Dokument JP 2013 080 625 A offenbart ein Batteriemodul mit einer Vielzahl von Zellen, die durch eine Sammelschiene elektrisch miteinander verbunden sind.
Aufgrund von bauraumspezifischen Vorgaben weisen Batteriemodule häufig geometrische Formen auf, die dazu führen, dass Batteriezellen des Batteriemoduls, insbesondere in einer Mitte des Batteriemoduls angeordnete Batteriezellen, Wärme schwieriger nach außen abführen können, weil sich mehr thermisch isolierende Luft zwischen Batteriezellverbindern der Batteriezellen und dem Batteriemodul befindet, als beispielsweise an seitlichen Bereichen des Batteriemoduls.
Es ist Aufgabe der vorliegenden Erfindung, den Stand der Technik weiter zu verbessern. Diese Aufgabe wird gelöst durch die Merkmale der unabhängigen Ansprüche.
Offenbarung der Erfindung
Vorteile der Erfindung
Die erfindungsgemäße Vorgehensweise mit den kennzeichnenden Merkmalen der unabhängigen Ansprüche weist demgegenüber den Vorteil auf, dass das Batteriemodul umfasst:

- ein Batteriemodulgehäuse, wobei das Batteriemodulgehäuse auf der Innenseite eine Vielzahl von Rippen aufweist;
- einen Batteriezellhalter zum Aufnehmen einer Mehrzahl von Batteriezellen;
- Batteriezellverbinder zum elektrischen Kontaktieren der Batteriezellen;
- thermische Zwischenelemente,

Dadurch können Hotspots, also lokale Übertemperaturen, im Batteriemodul vermieden werden, eine verbesserte Wärmeverteilung innerhalb des Batteriemoduls sowie ein verbesserter Wärmetransfer erreicht werden.
Durch den verbesserten Wärmetransfer kann bei besonders warmen Umgebungsbedingungen ein zusätzlicher schneller Kühlvorgang durch eine vom Batteriemodul getrennte Kühlvorrichtung erreicht werden, die zumindest zeitweise in einem physischen, wärmeleitenden Kontakt mit dem Batteriemodul angeordnet ist und/oder thermische Energie mittels Konvektion vom Batteriemodul zu einer Umgebung des Batteriemoduls transportiert.
Weiter kann durch den verbesserten Wärmetransfer ein zusätzlicher Heizvorgang durch eine vom Batteriemodul getrennte Heizvorrichtung erreicht werden, die zumindest zeitweise in einem physischen, wärmeleitenden Kontakt mit dem Batteriemodul angeordnet ist und/oder thermische Energie mittels Konvektion von der Heizvorrichtung zum Batteriemodul transportiert.
Weitere vorteilhafte Ausführungsformen sind Gegenstand der Unteransprüche.
Die Rippen und/oder die Batteriezellverbinder sind verformbar, insbesondere elastisch verformbar. Dadurch können die Rippen und/oder die Batteriezellverbinder eine mechanische Federwirkung aufweisen, wodurch eine Anpresskraft auf die thermischen Zwischenelemente ausgeübt wird.
Zumindest zwei gegenüberliegende Seiten des Batteriemodulgehäuses und/oder des Batteriezellhalters weisen einen im Wesentlichen ovalen Querschnitt auf. Dadurch wird eine mechanisch besonders stabile Form erreicht.
Die thermischen Zwischenelemente umfassen ein wärmeleitfähiges Pad, ein wärmeleitfähiges Gel, eine wärmeleitfähige Vergussmasse und/oder einen wärmeleitfähigen Schaum. Durch Verwendung unterschiedlicher Füllmaterialien als thermische Zwischenelemente wird ein Abstand zwischen Batteriezellverbindern und Rippen des Batteriemodulgehäuses weiter verringert, wodurch ein besserer Wärmetransfer erreicht wird.
Die thermischen Zwischenelemente sind elektrisch isolierend, schwer entflammbar und/oder selbstverlöschend. Dadurch wird ein Brand bei einem thermischen Durchgehen der Batteriezellen verhindert oder zumindest verzögert.
Das Batteriemodulgehäuse ist einteilig, aus einem thermisch leitfähigen Metall, insbesondere Aluminium, gebildet. Dies gewährleistet eine besonders effektive Entwärmung bzw. Erwärmung des Batteriemoduls.
Der Batteriezellhalter ist mehrteilig, insbesondere zweiteilig, aus einem elektrisch isolierenden Kunststoff gebildet. Dies gewährleistet zum einen eine besonders effektive Montage des Batteriemoduls, zum anderen wird sichergestellt, dass die thermischen Zwischenelemente während der Montage nicht verrutschen.
Das erfindungsgemäße Verfahren zur Herstellung eines Batteriemoduls umfasst folgende Schritte:

a.) Einsetzen einer Mehrzahl von Batteriezellen in einen Batteriezellhalter, wodurch eine kraft- und formschlüssige Verbindung zwischen den Batteriezellen und dem Batteriezellhalter entsteht;
b.) Elektrisches Kontaktieren der Batteriezellen mit elektrisch leitenden Batteriezellverbindern;
c.) Aufbringen von thermischen Zwischenelementen, wodurch die thermischen Zwischenelemente jeweils zumindest teilweise an mindestens einem der Batteriezellverbinder anliegen;
d.) Einsetzen des Batteriezellhalters in ein Batteriemodulgehäuse, wobei das Batteriemodulgehäuse auf der Innenseite eine Vielzahl von Rippen aufweist, wodurch die thermischen Zwischenelemente jeweils zumindest teilweise an mindestens einer der Rippen des Batteriemodulgehäuses und/oder an dem Batteriemodulgehäuse anliegen;
e.) Elektrisches Kontaktieren der Batteriezellverbinder mit elektrischen Anschlusspolen des Batteriemoduls.

Das erfindungsgemäße Verfahren zur Herstellung eines Batteriemoduls umfasst ferner folgenden Schritt:

c.2) Aufbringen von thermischen Zwischenelementen, wodurch die thermischen Zwischenelemente jeweils zumindest teilweise an dem Batteriezellhalter anliegen;

Vorteilhafterweise findet das erfindungsgemäße Batteriemodul Verwendung in elektrischen Energiespeichern für Elektrofahrzeuge, Brennstoffzellenfahrzeuge, Hybridfahrzeuge, Plug-In-Hybridfahrzeuge, Luftfahrzeuge, Pedelecs oder E-Bikes, für portable Einrichtungen zur Telekommunikation oder Datenverarbeitung, für elektrische Handwerkzeuge oder Küchenmaschinen, sowie in stationären Speichern zur Speicherung insbesondere regenerativ gewonnener elektrischer Energie.
Figurenliste
Ausführungsbeispiele der Erfindung sind in der Zeichnung dargestellt und in der nachfolgenden Beschreibung näher erläutert.
Es zeigen:

1 eine schematische Darstellung einer ersten Ausführungsform eines erfindungsgemäßen Batteriemoduls; und
2 eine schematische Darstellung einer zweiten Ausführungsform eines erfindungsgemäßen Batteriemoduls; und
3 eine schematische Darstellung einer dritten Ausführungsform eines erfindungsgemäßen Batteriemoduls; und
4 eine schematische Darstellung einer vierten Ausführungsform eines erfindungsgemäßen Batteriemoduls; und
5 eine schematische Darstellung einer fünften Ausführungsform eines erfindungsgemäßen Batteriemoduls.

Detaillierte Beschreibung der Ausführungsbeispiele
Gleiche Bezugszeichen bezeichnen in allen Figuren gleiche Vorrichtungskomponenten.
1 zeigt eine schematische Darstellung einer ersten Ausführungsform eines erfindungsgemäßen Batteriemoduls 100. Das Batteriemodul 100 umfasst ein Batteriemodulgehäuse 101 mit einem ovalen Querschnitt sowie auf der Innenseite angeordneten Rippen 103, einen nicht dargestellten Batteriezellhalter zum Aufnehmen von Batteriezellen 102. Die Batteriezellen 102 sind mittels Batteriezellverbindern 105 elektrisch kontaktiert. An den Batteriezellverbindern 105 und den Rippen 103 des Batteriemodulgehäuses 101 liegen thermische Zwischenelemente 104 an, die eine thermische Brücke zwischen den Batteriezellverbindern 105 und den Rippen 103 des Batteriemodulgehäuses 101 ausbilden.
Durch die thermischen Zwischenelemente 104 wird Luft zwischen den Batteriezellverbindern 105 und dem Batteriemodulgehäuses 101 vorteilhafterweise überbrückt, die ansonsten die Batteriezellen 102 von einer Umgebung des Batteriemoduls 100 isoliert. Dadurch werden die Batteriezellen 102 bei einer elektrischen Zyklisierung thermisch gleichmäßig belastet, wodurch ein verlängerter Lebenszyklus der Batteriezellen 102 erreicht wird.
Die thermischen Zwischenelemente 104 umfassen in der gezeigten Ausführungsform beispielsweise ein wärmeleitfähiges Pad und/oder ein wärmeleitfähiges Gel. Das wärmeleitfähige Pad ist elektrisch isolierend und weist eine gute thermische Leitfähigkeit zwischen den Batteriezellverbindern 105 und den Rippen 103 des Batteriemodulgehäuses 101 auf.
Das Batteriemodulgehäuse 101 ist vorteilhafterweise als Strangpressprofil aus einem thermisch leitfähigen Metall, insbesondere Aluminium, ausgeführt. Eine Wand des Batteriemodulgehäuses 101 ist mit schmalen Rippen 103 geformt, die möglichst so gestaltet sind, dass sie einen kleinen Querschnitt, aber eine ausreichende Verbindung zum thermischen Zwischenelement 104 aufweisen.
2 zeigt eine schematische Darstellung einer zweiten Ausführungsform eines erfindungsgemäßen Batteriemoduls 200. Das Batteriemodul 200 umfasst ein Batteriemodulgehäuse 201 mit einem im Wesentlichen rechteckigen Querschnitt sowie auf der Innenseite angeordneten Rippen 203, einen Batteriezellhalter 206 zum Aufnehmen von Batteriezellen 202, die mittels nicht dargestellter Batteriezellverbinder elektrisch kontaktiert sind. An den Batteriezellhalter 206 und den Rippen 203 des Batteriemodulgehäuses 201 liegen thermischen Zwischenelemente 204 an, die eine thermische Brücke zwischen den Batteriezellhalter 206 und den Rippen 203 des Batteriemodulgehäuses 201 ausbilden.
Die thermischen Zwischenelemente 204 umfassen in der gezeigten Ausführungsform beispielsweise ein wärmeleitfähiges Pad, ein wärmeleitfähiges Gel, eine wärmeleitfähige Vergussmasse und/oder einen wärmeleitfähigen Schaum.
Durch den rechteckigen Querschnitt des Batteriemodulgehäuses 201 und des Batteriezellhalters 206 befindet sich weniger thermisch isolierende Luft im Batteriemodul 200, wodurch ein verbesserter Wärmetransfer und eine verbesserte Wärmeverteilung innerhalb des Batteriemoduls 200 erreicht wird. Weiter wird eine noch kompaktere Bauform erreicht.
3 zeigt eine schematische Darstellung einer dritten Ausführungsform eines erfindungsgemäßen Batteriemoduls 300. Das Batteriemodul 300 umfasst ein Batteriemodulgehäuse 301, einen nicht dargestellten Batteriezellhalter zum Aufnehmen von Batteriezellen 302, die mittels Batteriezellverbinder 305 elektrisch kontaktiert sind. An den Batteriezellverbindern 305 und nicht dargestellten Rippen des Batteriemodulgehäuses 301 sowie dem Batteriemodulgehäuse 301 liegen thermische Zwischenelemente 304 an, die eine thermische Brücke zwischen den Batteriezellverbindern 305 und den Rippen sowie dem Batteriemodulgehäuse 301 ausbilden.
Die thermischen Zwischenelemente 304 umfassen in der gezeigten Ausführungsform beispielsweise ein wärmeleitfähiges Pad, ein wärmeleitfähiges Gel, eine wärmeleitfähige Vergussmasse und/oder einen wärmeleitfähigen Schaum.
4 zeigt eine schematische Darstellung einer vierten Ausführungsform eines erfindungsgemäßen Batteriemoduls 400. Das Batteriemodul 400 umfasst ein Batteriemodulgehäuse 401 mit einem ovalen Querschnitt sowie auf der Innenseite angeordneten verformbaren Rippen 403 und einen nicht dargestellten Batteriezellhalter zum Aufnehmen von Batteriezellen 402. Die Batteriezellen 402 sind mittels Batteriezellverbindern 405 elektrisch kontaktiert. An den Batteriezellverbindern 405 und den Rippen 403 des Batteriemodulgehäuses 401 liegen thermischen Zwischenelemente 404 an, die eine thermische Brücke zwischen den Batteriezellverbindern 405 und den Rippen 403 des Batteriemodulgehäuses 401 ausbilden.
Die Rippen 403 sind verformbar und werden während einer Montage durch einen Biegevorgang 410 umgebogen, so dass eine physikalische, wärmeleitende Verbindung zwischen den Rippen 403 und den thermischen Zwischenelementen 404 entsteht.
In einer weiteren Ausführungsform sind die Rippen 403 elastisch verformbar, so dass diese nach der Montage ihre ursprüngliche Form annehmen und eine Anpresskraft auf die thermischen Zwischenelemente 404 ausüben, wodurch ein verbesserter Wärmetransfer sichergestellt wird.
5 zeigt eine schematische Darstellung einer ersten Ausführungsform eines erfindungsgemäßen Batteriemoduls 500. Das Batteriemodul 500 umfasst ein Batteriemodulgehäuse 501 mit einem ovalen Querschnitt sowie auf der Innenseite angeordneten Rippen 503, einen Batteriezellhalter 506 zum Aufnehmen von Batteriezellen 502. Die Batteriezellen 502 sind mittels Batteriezellverbindern 505 elektrisch kontaktiert. An den Batteriezellverbindern 505 liegen thermische Zwischenelemente 504 an, die nach einer Montage des Batteriemoduls 500 eine thermische Brücke zwischen den Batteriezellverbindern 505 und den Rippen 503 des Batteriemodulgehäuses 501 ausbilden.
Während eines Montage-Prozess bei einer Fertigung des Batteriemoduls 500 wird ein Frontdeckel 507 zusammen mit dem, insbesondere mehrteilig ausgeführten, Batteriezellhalter 506 und den Batteriezellen 502 in das Batteriemodulgehäuse 501 geschoben. Bei dieser Schiebebewegung rutschen die thermischen Zwischenelemente 504 an einer Innenfläche des Batteriemodulgehäuses 501 entlang. Die thermischen Zwischenelemente 504 weisen eine gute Gleiteigenschaft auf, damit der Batteriezellhalter 506 innerhalb des Batteriemodulgehäuses 501 korrekt fixiert wird und die thermischen Zwischenelemente 504 während der Schiebebewegung an den vorgesehenen Positionen auf den Batteriezellverbindern 505 bleiben.
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
Diese Liste der vom Anmelder aufgeführten Dokumente wurde automatisiert erzeugt und ist ausschließlich zur besseren Information des Lesers aufgenommen. Die Liste ist nicht Bestandteil der deutschen Patent- bzw. Gebrauchsmusteranmeldung. Das DPMA übernimmt keinerlei Haftung für etwaige Fehler oder Auslassungen.
Zitierte Patentliteratur

US 2015214585 A1 [0002]
JP 2013080625 A [0003]

Claims

Batteriemodul (100, 200, 300, 400. 500) umfassend: - ein Batteriemodulgehäuse (101, 201, 301, 401, 501), wobei das Batteriemodulgehäuse (101, 201, 301, 401, 501) auf der Innenseite eine Vielzahl von Rippen (103, 203, 403, 503) aufweist; - einen Batteriezellhalter (206. 506) zum Aufnehmen einer Mehrzahl von Batteriezellen (102, 202, 302, 402, 502); - Batteriezellverbinder (105, 305, 405. 505) zum elektrischen Kontaktieren der Batteriezellen (102, 202, 302, 402, 502); - thermische Zwischenelemente (104, 204, 304, 404, 504), wobei die thermischen Zwischenelemente (104, 204, 304, 404, 505) jeweils zumindest teilweise an mindestens einem der Batteriezellverbinder (105, 305, 405, 505) und an mindestens einer der Rippen (103, 203, 403, 503) des Batteriemodulgehäuses (101, 201, 301, 401, 501) anliegen, wobei die thermischen Zwischenelemente (104, 204, 304, 404, 504) thermische Brücken zwischen den Batteriezellverbindern (105, 305, 405, 505) und den Rippen (103, 203, 403, 503) des Batteriemodulgehäuses (101, 201, 301, 401, 501) ausbilden.
Batteriemodul (100, 200, 300, 400, 500) nach Anspruch 1, wobei die Rippen (103, 203, 403, 503) und/oder die Batteriezellverbinder (105, 305, 405, 505) verformbar, insbesondere elastisch verformbar, sind.
Batteriemodul (100, 200, 300, 400, 500) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei zumindest zwei gegenüberliegende Seiten des Batteriemodulgehäuses (101, 201, 301, 401, 501) und/oder des Batteriezellhalters (206, 506) einen im Wesentlichen ovalen Querschnitt aufweisen.
Batteriemodul (100, 200, 300, 400, 500) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die thermischen Zwischenelemente (104, 204, 304, 404, 504) ein wärmeleitfähiges Pad, ein wärmeleitfähiges Gel, eine wärmeleitfähige Vergussmasse und/oder einen wärmeleitfähigen Schaum umfassen.
Batteriemodul (100, 200, 300, 400, 500) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die thermischen Zwischenelemente (104, 204, 304, 404, 504) elektrisch isolierend, schwer entflammbar und/oder selbstverlöschend sind.
Batteriemodul (100, 200, 300, 400, 500) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei das Batteriemodulgehäuse (101, 201, 301, 401, 501) einteilig, aus einem thermisch leitfähigen Metall, insbesondere Aluminium, gebildet ist.
Batteriemodul (100, 200, 300, 400, 500) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei der Batteriezellhalter (206, 506) mehrteilig, insbesondere zweiteilig, aus einem elektrisch isolierenden Kunststoff gebildet ist.
Verfahren zur Herstellung eines Batteriemoduls (100, 200, 300, 400, 500) gemäß einem der Ansprüche 1 bis 7 umfassend folgende Schritte: a.) Einsetzen einer Mehrzahl von Batteriezellen (102, 202, 302, 402, 502) in einen Batteriezellhalter (206, 506), wodurch eine kraft- und formschlüssige Verbindung zwischen den Batteriezellen (102, 202, 302, 402, 502) und dem Batteriezellhalter (206, 506) entsteht; b.) Elektrisches Kontaktieren der Batteriezellen (102, 202, 302, 402, 502) mit elektrisch leitenden Batteriezellverbindern (105, 305, 405, 505); c.) Aufbringen von thermischen Zwischenelementen (104, 204, 304, 404, 504), wodurch die thermischen Zwischenelemente (104, 204, 304, 404, 504) jeweils zumindest teilweise an mindestens einem der Batteriezellverbinder (105, 305, 405, 505) anliegen; d.) Einsetzen des Batteriezellhalters (206, 506) in ein Batteriemodulgehäuse (101, 201, 301, 401, 501), wobei das Batteriemodulgehäuse (101, 201, 301, 401, 501) auf der Innenseite eine Vielzahl von Rippen (103, 203, 403, 503) aufweist, wodurch die thermischen Zwischenelemente (104, 204, 304, 404, 504) jeweils zumindest teilweise an mindestens einer der Rippen (103, 203, 403, 503) des Batteriemodulgehäuses (101, 201, 301, 401, 501) und/oder an dem Batteriemodulgehäuse (101, 201, 301, 401, 501) anliegen; e.) Elektrisches Kontaktieren der Batteriezellverbinder (105, 305, 405, 505) mit elektrischen Anschlusspolen des Batteriemoduls (100, 200, 300, 400, 500).
Verfahren zur Herstellung eines Batteriemoduls (100, 200, 300, 400, 500) gemäß Anspruch 8, ferner umfassend folgenden Schritt: c.2) Aufbringen von thermischen Zwischenelementen (104, 204, 304, 404, 504), wodurch die thermischen Zwischenelemente (104, 204, 304, 404, 504) jeweils zumindest teilweise an dem Batteriezellhalter (206, 506) anliegen;
Verwendung eines Batteriemoduls (100, 200, 300, 400, 500) gemäß einem der Ansprüche 1 bis 7 in elektrischen Energiespeichern für Elektrofahrzeuge, Brennstoffzellenfahrzeuge, Hybridfahrzeuge, Plug-In-Hybridfahrzeuge, Luftfahrzeuge, Pedelecs oder E-Bikes, für portable Einrichtungen zur Telekommunikation oder Datenverarbeitung, für elektrische Handwerkzeuge oder Küchenmaschinen, sowie in stationären Speichern zur Speicherung insbesondere regenerativ gewonnener elektrischer Energie.