DE102020208020A1

DE102020208020A1 - Batteriemodul

Info

Publication number: DE102020208020A1
Application number: DE102020208020.8A
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 dem Batteriezellhalter und den Rippen des Batteriemodulgehäuses anliegen,wobei die thermischen Zwischenelemente thermische Brücken zwischen dem Batteriezellhalter 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;
- 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 das Batteriemodulgehäuse 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 weisen einen im Wesentlichen ovalen Querschnitt auf. Dadurch wird eine mechanisch besonders stabile Form erreicht.
Der Batteriezellhalter weist einen im Wesentlichen rechtwinkligen Querschnitt auf. Dadurch wird ein verbesserter Wärmetransfer und eine besonders einfache Montage des Batteriemoduls ermöglicht.
Die thermischen Zwischenelemente umfassen eine wärmeleitfähige Matte, wobei die wärmeleitfähige Matte mehrschichtig ausgebildet ist und ein wärmeleitfähiges Pad, eine Graphitfolie, einen PU-Schaum, ein Elastomer und/oder ein Polymer, insbesondere Polytetrafluorethylen, umfasst. 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 zumindest teilweise 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 dem Batteriezellhalter anliegen;
d.) Erzeugen einer vorgegebenen Kraft auf zumindest zwei gegenüberliegende Seiten des Batteriemodulgehäuses;
e.) 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 den Rippen des Batteriemodulgehäuses und/oder an dem Batteriemodulgehäuse anliegen;
f.) 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 ersten Ausführungsform eines erfindungsgemäßen Batteriemoduls; und
2a eine schematische Darstellung einer ersten Ausführungsform eines erfindungsgemäßen thermischen Zwischenelements; und
2b eine schematische Darstellung einer zweiten Ausführungsform eines erfindungsgemäßen Batteriemoduls; und
3 eine schematische Darstellung einer zweiten Ausführungsform eines erfindungsgemäßen thermischen Zwischenelements; und
4 eine schematische Darstellung einer dritten Ausführungsform eines erfindungsgemäßen thermischen Zwischenelements.

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 mit einem im Wesentlichen rechtwinkligen Querschnitt zum Aufnehmen von nicht dargestellten Batteriezellen. Die Batteriezellen sind mittels Batteriezellverbindern elektrisch kontaktiert.
Die durch den ovalen Querschnitt bedingte Wölbung des Batteriemodulgehäuses 101 wird genutzt, um den Batteriezellhalter mit Batteriezellen, Batteriezellverbindern und einem aufgelegten thermischen Zwischenelement in das Batteriemodulgehäuses 101 einzuführen. Der Batteriezellhalter weist in der dargestellten Ausführungsform einen rechteckigen Querschnitt auf. Während der Montage wird eine Kraft 110 auf obere und untere Flächen des Batteriemodulgehäuses 101 ausgeübt, wodurch das Batteriemodulgehäuses 101 auf eine Größe des Batteriezellverbinders gedrückt wird, wodurch ein thermischer Kontakt über das dazwischen aufgelegte thermische Zwischenelement hergestellt wird.
Seitlich des Batteriezellhalters entsteht ein mit Luft gefüllter Hohlraum 111, der beispielsweise mit weiteren thermischen Zwischenelement gefüllt. Durch die thermischen Zwischenelemente wird Luft zwischen den Batteriezellen und dem Batteriemodulgehäuse 101 vorteilhafterweise überbrückt, die ansonsten die Batteriezellen von einer Umgebung des Batteriemoduls isoliert. Dadurch werden die Batteriezellen bei einer elektrischen Zyklisierung thermisch gleichmäßig belastet, wodurch ein verlängerter Lebenszyklus der Batteriezellen erreicht wird.
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 zu den thermischen Zwischenelementen aufweisen.
2a zeigt eine schematische Darstellung einer ersten Ausführungsform eines erfindungsgemäßen thermischen Zwischenelements 204. Das thermische Zwischenelement 204 ist als mehrschichtige wärmeleitfähige Matte ausgebildet und umfasst in der dargestellten Ausführungsform eine Graphitfolie 210 sowie einen PU-Schaum 211.
2b zeigt eine schematische Darstellung einer zweiten Ausführungsform eines erfindungsgemäßen Batteriemoduls mit dem thermischen Zwischenelement 204. Das Batteriemodul umfasst ein Batteriemodulgehäuse 101 mit einem ovalen Querschnitt sowie nicht dargestellten auf der Innenseite angeordneten Rippen, einen nicht dargestellten Batteriezellhalter mit einem im Wesentlichen rechtwinkligen Querschnitt zum Aufnehmen von Batteriezellen 202. Die Batteriezellen 202 sind mittels Batteriezellverbindern 205 elektrisch kontaktiert.
An den Batteriezellverbindern 205 und den Rippen 203 des Batteriemodulgehäuses 201 liegen thermische Zwischenelemente 204 an, die eine thermische Brücke zwischen den Batteriezellverbindern 205 und den Rippen 203 des Batteriemodulgehäuses 201 ausbilden.
3 zeigt eine schematische Darstellung einer zweiten Ausführungsform eines erfindungsgemäßen thermischen Zwischenelements 304. Das thermische Zwischenelement 304 ist als mehrschichtige wärmeleitfähige Matte ausgebildet und umfasst in der dargestellten Ausführungsform eine elektrisch leitfähige Graphitfolie 310, Elastomere 312 sowie ein elektrisch isolierendes Polymer 313, insbesondere eine Polytetrafluorethylen-Folie.
4 zeigt eine schematische Darstellung einer dritten Ausführungsform eines erfindungsgemäßen thermischen Zwischenelements 404. Das thermische Zwischenelement 404 ist als mehrschichtige wärmeleitfähige Matte ausgebildet und umfasst in der dargestellten Ausführungsform eine Graphitfolie 422 sowie ein wärmeleitfähiges Pad 423.
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, 201), wobei das Batteriemodulgehäuse (101, 201) auf der Innenseite eine Vielzahl von Rippen (103) aufweist; - einen Batteriezellhalter zum Aufnahmen einer Mehrzahl von Batteriezellen (202); - Batteriezellverbinder (205) zum elektrischen Kontaktieren der Batteriezellen (202); - thermische Zwischenelemente (204, 304, 404), wobei die thermischen Zwischenelemente (204, 304, 404) jeweils zumindest teilweise an dem Batteriezellhalter und den Rippen (103) des Batteriemodulgehäuses (101, 201) anliegen, wobei die thermischen Zwischenelemente (204, 304, 404) thermische Brücken zwischen dem Batteriezellhalter und den Rippen (103) des Batteriemodulgehäuses (101, 201) ausbilden.
Batteriemodul (100) nach Anspruch 1, wobei die Rippen (103) und/oder das Batteriemodulgehäuse (101, 201) verformbar, insbesondere elastisch verformbar, sind.
Batteriemodul (100) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei zumindest zwei gegenüberliegende Seiten des Batteriemodulgehäuses (101, 201) einen im Wesentlichen ovalen Querschnitt aufweisen.
Batteriemodul (100) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei der Batteriezellhalter einen im Wesentlichen rechtwinkligen Querschnitt aufweist.
Batteriemodul (100) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die thermischen Zwischenelemente (204, 304, 404) eine wärmeleitfähige Matte umfassen, wobei die wärmeleitfähige Matte mehrschichtig ausgebildet ist und ein wärmeleitfähiges Pad, eine Graphitfolie (210, 310), einen PU-Schaum (211), ein Elastomer (312) und/oder ein Polymer (313), insbesondere Polytetrafluorethylen, umfasst.
Batteriemodul (100) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die thermischen Zwischenelemente (204, 304, 404) zumindest teilweise elektrisch isolierend, schwer entflammbar und/oder selbstverlöschend sind.
Batteriemodul (100) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei das Batteriemodulgehäuse (101, 201) 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 (202) in einen Batteriezellhalter, wodurch eine kraft- und formschlüssige Verbindung zwischen den Batteriezellen (202) und dem Batteriezellhalter entsteht; b.) Elektrisches Kontaktieren der Batteriezellen (202) mit elektrisch leitenden Batteriezellverbindern (205); c.) Aufbringen von thermischen Zwischenelementen (204, 304, 404), wodurch die thermischen Zwischenelemente (204, 304, 404) jeweils zumindest teilweise an dem Batteriezellhalter anliegen; d.) Erzeugen einer vorgegebenen Kraft (110) auf zumindest zwei gegenüberliegende Seiten des Batteriemodulgehäuses (101, 201); e.) Einsetzen des Batteriezellhalters in ein Batteriemodulgehäuse (101, 201), wobei das Batteriemodulgehäuse (101, 201) auf der Innenseite eine Vielzahl von Rippen (103) aufweist, wodurch die thermischen Zwischenelemente (204, 304, 404) jeweils zumindest teilweise an den Rippen (103) des Batteriemodulgehäuses (101, 201) und/oder an dem Batteriemodulgehäuse (101, 201) anliegen; f.) Elektrisches Kontaktieren der Batteriezellverbinder (205) 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.