DE102020208019A1

DE102020208019A1 - Batteriemodul

Info

Publication number: DE102020208019A1
Application number: DE102020208019.4A
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, wobei die Batteriezellverbinder jeweils mindestens ein Federelement umfassen;- thermische Zwischenelemente,wobei die thermischen Zwischenelemente jeweils zumindest teilweise an mindestens einem der Federelemente und an einer Seitenfläche mindestens einer der Rippen des Batteriemodulgehäuses anliegen,wobei die thermischen Zwischenelement thermische Brücken zwischen den Federelementen 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 Aufnahmen einer Mehrzahl von Batteriezellen;
- Batteriezellverbinder zum elektrischen Kontaktieren der Batteriezellen, wobei die Batteriezellverbinder jeweils mindestens ein Federelement umfassen;
- 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.
Vorteilhafterweise sind die Federelemente im Wesentlichen parallel zu den Rippen angeordnet.
Die Batteriezellverbinder sind verformbar, insbesondere elastisch verformbar. Dadurch können 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 umfassend jeweils mindestens ein Federelement, wobei das elektrische Kontaktieren vorzugsweise durch ein Widerstandsschweißverfahren, ein Laserschweißverfahren und/oder ein Bondverfahren erfolgt;
c.) Aufbringen von thermischen Zwischenelementen, wodurch die thermischen Zwischenelemente jeweils zumindest teilweise an mindestens einem der Federelemente der Batteriezellverbinder anliegen;
d.) Einsetzen des Batteriezellhalters in ein Batteriemodulgehäuse, wobei das Batteriemodulgehäuse auf der Innenseite eine Vielzahl von Rippen aufweist, wobei die thermischen Zwischenelemente durch die Federelemente gegen jeweils eine Seitenfläche der Rippen gepresst werden, wodurch die thermischen Zwischenelemente jeweils zumindest teilweise an mindestens einer der Rippen des Batteriemodulgehäuses anliegen;
e.) Elektrisches Kontaktieren der Batteriezellverbinder mit elektrischen Anschlusspolen des Batteriemoduls.

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 Ausführungsform eines erfindungsgemäßen Batteriemoduls.

Detaillierte Beschreibung der Ausführungsbeispiele
1 zeigt eine schematische Darstellung einer 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, wobei Batteriezellverbinder 105 jeweils mindestens ein Federelement 106 umfassen, welches in der gezeigten Ausführungsform im Wesentlichen parallel zu den Rippen 103 angeordnet ist. An den Federelementen 106 und Seitenflächen 107 der Rippen 103 des Batteriemodulgehäuses 101 liegen thermische Zwischenelemente 104 an, die eine thermische Brücke zwischen den Federelementen 106 und den Rippen 103 des Batteriemodulgehäuses 101 ausbilden.
Die Federelemente 106 werden bei einer Montage des Batteriemoduls 100 während einer Einschiebebewegung an die thermischen Zwischenelemente 104 und die Rippen 103 gepresst. Die Batteriezellverbinder 105 passen sich während der Einschiebebewegung an eine Höhe der thermischen Zwischenelemente 104 an und erzeugen über ihre Federwirkung eine Vorspannung. Die Batteriezellen 102 werden während der Montage durch ein Widerstandsschweißverfahren, ein Laserschweißverfahren und/oder ein Bondverfahren elektrische mit den Batteriezellverbindern 105 kontaktiert. Die Batteriezellverbinder 105 sind zusätzlich in der Art befestigt, dass keine mechanische Last auf elektrische Verbindungstellen zwischen Batteriezellen 102 und Batteriezellverbinder 105 übertragen wird.
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.
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) umfassend: - ein Batteriemodulgehäuse (101), wobei das Batteriemodulgehäuse (101) auf der Innenseite eine Vielzahl von Rippen (103) aufweist; - einen Batteriezellhalter zum Aufnahmen einer Mehrzahl von Batteriezellen (102); - Batteriezellverbinder (105) zum elektrischen Kontaktieren der Batteriezellen (102), wobei die Batteriezellverbinder (105) jeweils mindestens ein Federelement (106) umfassen; - thermische Zwischenelemente (104), wobei die thermischen Zwischenelemente (104) jeweils zumindest teilweise an mindestens einem der Federelemente (106) und an einer Seitenfläche (107) mindestens einer der Rippen (103) des Batteriemodulgehäuses (101) anliegen, wobei die thermischen Zwischenelemente (104) thermische Brücken zwischen den Federelementen (106) und den Rippen (103) des Batteriemodulgehäuses (101) ausbilden.
Batteriemodul (100) nach Anspruch 1, wobei die Federelemente (106) im Wesentlichen parallel zu den Rippen (103) angeordnet sind;
Batteriemodul (100) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die Batteriezellverbinder (105) verformbar, insbesondere elastisch verformbar, sind.
Batteriemodul (100) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei zumindest zwei gegenüberliegende Seiten des Batteriemodulgehäuses (101) und/oder des Batteriezellhalters einen im Wesentlichen ovalen Querschnitt aufweisen.
Batteriemodul (100) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die thermischen Zwischenelemente (104) ein wärmeleitfähiges Pad, ein wärmeleitfähiges Gel, eine wärmeleitfähige Vergussmasse und/oder einen wärmeleitfähigen Schaum umfassen.
Batteriemodul (100) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die thermischen Zwischenelemente (104) elektrisch isolierend, schwer entflammbar und/oder selbstverlöschend sind.
Batteriemodul (100) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei das Batteriemodulgehäuse (101) einteilig, aus einem thermisch leitfähigen Metall, insbesondere Aluminium, gebildet ist.
Batteriemodul (100) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei der Batteriezellhalter mehrteilig, insbesondere zweiteilig, aus einem elektrisch isolierenden Kunststoff gebildet ist.
Verfahren zur Herstellung eines Batteriemoduls (100) gemäß einem der Ansprüche 1 bis 8 umfassend folgende Schritte: a.) Einsetzen einer Mehrzahl von Batteriezellen (102) in einen Batteriezellhalter, wodurch eine kraft- und formschlüssige Verbindung zwischen den Batteriezellen (102) und dem Batteriezellhalter entsteht; b.) Elektrisches Kontaktieren der Batteriezellen (102) mit elektrisch leitenden Batteriezellverbindern (105) umfassend jeweils mindestens ein Federelement (106), wobei das elektrische Kontaktieren vorzugsweise durch ein Widerstandsschweißverfahren, ein Laserschweißverfahren und/oder ein Bondverfahren erfolgt; c.) Aufbringen von thermischen Zwischenelementen (104), wodurch die thermischen Zwischenelemente (104) jeweils zumindest teilweise an mindestens einem der Federelemente (106) der Batteriezellverbinder (105) anliegen; d.) Einsetzen des Batteriezellhalters in ein Batteriemodulgehäuse (101), wobei das Batteriemodulgehäuse (101) auf der Innenseite eine Vielzahl von Rippen (103) aufweist, wobei die thermischen Zwischenelemente (104) durch die Federelemente (106) gegen jeweils eine Seitenfläche (107) der Rippen (103) gepresst werden, wodurch die thermischen Zwischenelemente (104) jeweils zumindest teilweise an mindestens einer der Rippen (103) des Batteriemodulgehäuses (101) anliegen; e.) Elektrisches Kontaktieren der Batteriezellverbinder (105) mit elektrischen Anschlusspolen des Batteriemoduls (100).
Verwendung eines Batteriemoduls (100) gemäß einem der Ansprüche 1 bis 8 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.