DE102020213244A1 - Cell arrangement for a high-voltage battery, in particular a cell pack or cell module - Google Patents

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Abstract

Die Erfindung betrifft eine Zellanordnung für eine Hochvoltbatterie, insbesondere Zellmodul oder Zellpack, in der eine Anzahl von baugleichen Pouch-Zellen (3) in einer Stapelrichtung (S) hintereinander zu einem Zellstapel (Z) gestapelt sind, wobei einander gegenüberliegende Stirnseiten (19, 25) der Pouch-Zelle (3) jeweils eine unterschiedliche Geometrie aufweisen, und wobei für eine doppelseitige thermische Ankopplung des Zellstapels (Z) die an einer ersten Zellstapel-Seite befindlichen Zell-Stirnseiten (19, 25) über ein erstes Wärmeleitmaterial (5) in thermischer Ankopplung mit einem Kühl-/Heizsystem (13) sind und die an einer gegenüberliegenden Zellstapel-Seite befindlichen Zell-Stirnseiten über ein zweites Wärmeleitmaterial (9) in thermischer Ankopplung mit dem Kühl-/Heizsystem (13) sind. Erfindungsgemäß liegen die geometrisch baugleichen Stirnseiten (19, 25) sämtlicher Pouch-Zellen (3) nicht an derselben Zellstapel-Seite der Zellanordnung, sondern an den einander gegenüberliegenden Zellstapel-Seiten, die jeweils eine Kühl-/Heizschnittstelle zum Kühl-/Heizsystem (13) bilden.The invention relates to a cell arrangement for a high-voltage battery, in particular a cell module or cell pack, in which a number of pouch cells (3) of identical construction are stacked one behind the other in a stacking direction (S) to form a cell stack (Z), with opposite end faces (19, 25 ) of the pouch cell (3) each have a different geometry, and for a double-sided thermal coupling of the cell stack (Z), the cell end faces (19, 25) located on a first cell stack side have a first thermally conductive material (5) in are thermally coupled to a cooling/heating system (13) and the cell end faces located on an opposite side of the cell stack are thermally coupled to the cooling/heating system (13) via a second thermally conductive material (9). According to the invention, the geometrically identical end faces (19, 25) of all pouch cells (3) are not on the same side of the cell stack of the cell arrangement, but on the opposite sides of the cell stack, each of which has a cooling/heating interface to the cooling/heating system (13 ) form.

Description

Die Erfindung betrifft eine Zellanordnung für eine Hochvoltbatterie gemäß dem Oberbegriff des Anspruches 1. Eine solche Zellanordnung kann als ein Zellmodul oder als ein Zellpack realisiert sein. Unter einem Zellpack ist eine vom Modul losgelöste Integration von Einzelzellen in einem Batteriegehäuse zu verstehen.The invention relates to a cell arrangement for a high-voltage battery according to the preamble of claim 1. Such a cell arrangement can be implemented as a cell module or as a cell pack. A cell pack is an integration of individual cells in a battery housing that is detached from the module.

Eine gattungsgemäße Zellanordnung für eine Hochvoltbatterie weist eine Anzahl von baugleichen Pouch-Zellen auf, die in einer Stapelrichtung hintereinander zu einem Zellstapel gestapelt sind. Jede der Pouch-Zellen weist ein Zellgehäuse mit jeweils gegenüberliegenden schmalen Stirnseiten sowie gegenüberliegenden Flachseitenwände auf. Zudem weist die Pouch-Zelle zwei einander gegenüberliegende Schmalseiten auf, von denen jeweils ein Ableiter abragt.A generic cell arrangement for a high-voltage battery has a number of structurally identical pouch cells, which are stacked one behind the other in a stacking direction to form a cell stack. Each of the pouch cells has a cell housing with opposite narrow end faces and opposite flat side walls. In addition, the pouch cell has two opposite narrow sides, from each of which a conductor protrudes.

Im Zellstapel sind die Pouch-Zellen an ihren Flachseitenwänden miteinander in Anlage. Die gegenüberliegenden Stirnseiten der Pouch-Zellen sind zueinander geometrisch unterschiedlich aufgebaut: Üblicherweise ist die eine Stirnseite als eine flache Siegelnaht (nachfolgend auch als Faltkante bezeichnet) und die andere Stirnseite als eine Falznaht ausgebildet. In einer aus dem Stand der Technik bekannten Zellanordnung liegen die geometrisch baugleichen Stirnseiten sämtlicher Pouch-Zellen jeweils an derselben Zellstapel-Seite.In the cell stack, the pouch cells are in contact with one another on their flat side walls. The opposite end faces of the pouch cells have a different geometric structure from one another: one end face is usually designed as a flat sealed seam (hereinafter also referred to as a fold edge) and the other end face as a folded seam. In a cell arrangement known from the prior art, the end faces of all pouch cells, which are geometrically identical in construction, lie on the same side of the cell stack.

Die thermische Ankopplung von Pouch-Zellen an Kühl-, Heizflächen stellt aufgrund des Konstruktionsprinzips im Bereich der Nahtstellen, die sich an den Stirnseiten der Pouch-Zellen befinden, eine besondere Herausforderung dar. Speziell müssen Wärmeleitmaterien zwischen Pouch-Zellen und Kühl-/Heizflächen die geometrischen Unterschiede und Toleranzen ausgleichen. Bei einer einseitigen thermischen Ankopplung des Zellstapel an das Thermomanagement mit Kühl- und/oder Heizfunktion wählt man die Zellstapel-Seite als thermische Schnittstelle aus, an der die für diese Zwecke geeigneteren flachen Siegelnähte der Pouch-Zellen liegen.The thermal coupling of pouch cells to cooling and heating surfaces poses a particular challenge due to the design principle in the area of the seams, which are located on the front sides of the pouch cells compensate for geometric differences and tolerances. In the case of a one-sided thermal coupling of the cell stack to the thermal management with cooling and/or heating function, the cell stack side is selected as the thermal interface, where the flat sealing seams of the pouch cells, which are more suitable for this purpose, are located.

Sobald allerdings bei diesem Zelltyp eine beidseitige thermische Ankopplung umgesetzt werden soll, muss die thermische Kontaktierung für die unterschiedlichen Stirnseiten auch unterschiedlich technisch gelöst werden. Dabei ist aufgrund der asymmetrischen Geometrien und Abstände eine thermische Ankopplung mit vergleichbaren Wärmeleitungseigenschaften nur schwer bzw. mit zusätzlichen Prozessschritten oder unterschiedlichen Materialeigenschaften des Wärmeleitmaterials zu realisieren. Für eine optimale Temperaturverteilung sind allerdings vergleichbare Wärmeleiteigenschaften gemittelt über alle Pouch-Zellen an den gegenüberliegenden Stirnseiten anzustreben.However, as soon as a double-sided thermal coupling is to be implemented with this cell type, the thermal contacting for the different end faces must also be technically solved differently. Due to the asymmetrical geometries and distances, a thermal coupling with comparable heat conduction properties is difficult to implement or requires additional process steps or different material properties of the heat-conducting material. For an optimal temperature distribution, however, comparable thermal conductivity properties should be aimed for, averaged over all pouch cells on the opposite end faces.

Aus der WO 2010/121831 A1 ist ein Batteriemodul bekannt.From the WO 2010/121831 A1 a battery module is known.

Die Aufgabe der Erfindung besteht darin, eine Zellanordnung für eine Hochvoltbatterie bereitzustellen, bei der im Vergleich zum Stand der Technik ein doppelseitige thermische Ankopplung homogener erfolgen kann.The object of the invention is to provide a cell arrangement for a high-voltage battery in which double-sided thermal coupling can take place more homogeneously than in the prior art.

Die Aufgabe ist durch die Merkmale des Anspruches 1 gelöst. Bevorzugte Weiterbildungen der Erfindung sind in den Unteransprüchen offenbart.The object is solved by the features of claim 1. Preferred developments of the invention are disclosed in the dependent claims.

Die Erfindung betrifft eine Zellanordnung für eine Hochvoltbatterie, in der eine Anzahl von baugleichen Pouch-Zellen in einer Stapelrichtung hintereinander zu einem Zellstapel gestapelt sind. Jede Pouch-Zelle weist gegenüberliegende Stirnseiten sowie gegenüberliegende Flachseitenwände auf. Im Zellstapel sind die Pouch-Zellen mit ihren Flachseitenwänden in Anlage. Die einander gegenüberliegenden Stirnseiten der Pouch-Zelle sind mit jeweils unterschiedlicher Geometrie gestaltet. Für eine doppelseitige thermische Ankopplung des Zellstapels sind die an einer ersten Zellstapel-Seite befindlichen Zell-Stirnseiten über ein erstes Wärmeleitmaterial in thermischer Ankopplung mit einem Kühl-/Heizsystem, während die an einer gegenüberliegenden Zellstapel-Seite befindlichen Zell-Stirnseiten über ein zweites Wärmeleitmaterial in thermischer Ankopplung mit dem Kühl-/Heizsystem sind.The invention relates to a cell arrangement for a high-voltage battery, in which a number of pouch cells of identical construction are stacked one behind the other in a stacking direction to form a cell stack. Each pouch cell has opposite end faces and opposite flat side walls. In the cell stack, the pouch cells are in contact with their flat side walls. The opposing end faces of the pouch cell each have a different geometry. For a double-sided thermal coupling of the cell stack, the cell end faces located on a first side of the cell stack are thermally coupled to a cooling/heating system via a first heat conducting material, while the cell end faces located on an opposite side of the cell stack are connected via a second heat conducting material in thermal coupling with the cooling/heating system.

Die Erfindung beruht auf dem folgenden Sachverhalt:

  1. 1. Die im Zellstapel gestapelten Pouch-Zellen weisen jeweils an ihrer einen Stirnseite eine Falznaht auf, die materialaufwendig sowie bauraumintensiv gestaltet ist, so dass sich eine entsprechende Wärmeleiteigenschaft einstellt. Demgegenüber weisen die Pouch-Zellen an ihrer gegenüberliegenden Stirnseite eine materialreduziert sowie bauraumreduziert gestaltete Siegelnaht (das heißt Faltkante) auf, so dass sich eine vergleichsweise unterschiedliche (typischerweise gesteigerte) Wärmeleiteigenschaft einstellt.
  2. 2. Werden solche Pouch-Zellen im Zellstapel in der Stapelrichtung deckungsgleich sowie mit gleicher Orientierung hintereinander verbaut, ergibt sich folgende Problematik:
    • Insgesamt weist der Zellstapel an seiner einen (eine thermische Schnittstelle bildenden) Zellstapel-Seite und an seiner gegenüberliegenden (eine thermische Schnittstelle bildenden) Zellstapel-Seite jeweils unterschiedliche (das heißt reduzierte oder gesteigerte) Wärmeleiteigenschaften auf. Dadurch ergibt sich im Stand der Technik eine Inhomogenität in der Zellkühlung an den gegenüberliegenden Flachseitenwänden, was gegebenenfalls die Leistungsfähigkeit bzw. die Lebensdauer der Pouch-Zellen beeinflussen kann.
The invention is based on the following facts:
  1. 1. The pouch cells stacked in the cell stack each have a folded seam on one end face, which is designed to be material-intensive and space-intensive, so that a corresponding heat-conducting property is established. In contrast, the pouch cells have a sealing seam (i.e. folding edge) that is designed with reduced material and space on their opposite end face, so that a comparatively different (typically increased) heat conduction property is established.
  2. 2. If such pouch cells are installed in the cell stack congruently in the stacking direction and one behind the other with the same orientation, the following problem arises:
    • Overall, the cell stack has different (i.e reduced or increased) thermal conductivity properties. In the prior art, this results in an inhomogeneity in the cell cooling on the opposite flat side walls, which can possibly affect the performance or the service life of the pouch cells.

Vor diesem Hintergrund liegen gemäß dem kennzeichnenden Teil des Anspruches 1 die geometrisch baugleichen Stirnseiten sämtlicher Pouch-Zellen nicht mehr an derselben Zellstapel-Seite der Zellanordnung. Vielmehr liegen die geometrisch baugleichen Stirnseiten sämtlicher Pouch-Zellen an den einander gegenüberliegenden Zellstapel-Seiten, die jeweils eine Kühl-/Heizschnittstelle zum Kühl-/Heizsystem bilden.Against this background, according to the characterizing part of claim 1, the geometrically identical end faces of all pouch cells are no longer on the same cell stack side of the cell arrangement. Rather, the geometrically identical end faces of all pouch cells lie on the opposite sides of the cell stack, each of which forms a cooling/heating interface to the cooling/heating system.

In einer technischen Umsetzung können die Pouch-Zellen im Zellstapel in zwei Gruppen unterteilt sein. Die Pouch-Zellen der ersten Gruppe sind im Zellstapel in einer ersten Einbaulage positioniert, während die Pouch-Zellen der zweiten Gruppe in einer zweiten Einbaulage im Zellstapel positioniert sind. In der zweiten Einbaulage sind die Pouch-Zellen im Vergleich zur ersten Einbaulage auf Umschlag positioniert, das heißt um 180° um eine in Stapelrichtung ausgerichtete Schwenkachse umgeschlagen. Auf diese Weise kann die Inhomogenität bei der Wärmeleiteigenschaft der einen Zellstapel-Seite und der Wärmeleiteigenschaft der anderen Zellstapel-Seite wesentlich reduziert werden.In a technical implementation, the pouch cells in the cell stack can be divided into two groups. The pouch cells of the first group are positioned in a first installation position in the cell stack, while the pouch cells of the second group are positioned in a second installation position in the cell stack. In the second installation position, the pouch cells are positioned upside down compared to the first installation position, that is to say turned over by 180° about a pivot axis aligned in the stacking direction. In this way, the inhomogeneity in the heat conduction property of one side of the cell stack and the heat conduction property of the other side of the cell stack can be significantly reduced.

Erfindungsgemäß wird also für die Umsetzung eines doppelseitigen Kühl-/Heizkonzeptes für Pouch-Zellen an den Flachseitenwänden (Stirnseiten) mit unterschiedlicher Geometrie bei dem Verbau zum Zellverbund statt einer sich wiederholenden gleichen Anordnung der Zellen, das heißt an einer Seite stets die gleichen Flachseitenwände (Stirnseiten), eine alternierende Anordnung der jeweils unterschiedlichen Stirnseiten gewählt.According to the invention, for the implementation of a double-sided cooling/heating concept for pouch cells on the flat side walls (end faces) with different geometries when installing the cell assembly, instead of a repeating identical arrangement of the cells, i.e. always the same flat side walls (end faces ), an alternating arrangement of the respective different end faces was chosen.

Da die Wärmeleiteigenschaften unterschiedlich sind, kann dieses Prinzip auch in anderen Anordnungsmustern umgesetzt werden, um auf diese Weise in Summe über alle Stirnseiten die Wärmeleiteigenschaften an beiden Kühl-/Heizflächen im Zellverbund quasi anforderungsgerecht einzustellen.Since the heat conduction properties are different, this principle can also be implemented in other arrangement patterns in order to set the heat conduction properties on both cooling/heating surfaces in the cell assembly in a way that meets the requirements over all end faces.

Bei dem Wärmeleitmechanismus wird vorausgesetzt, dass sich über den großflächigen Kontakt der Zellen zueinander die unterschiedlichen Wärmeleiteigenschaften an den Stirnflächen der einzelnen Zellen kompensieren. Auf diese Weise lässt sich ein Zellverbund realisieren, der gemittelt über alle Wärmeleiteigenschaften eine bedarfsangepasste Wärmeleitung an den jeweiligen Kühl-, Heizflächen aufweist.In the case of the heat conduction mechanism, it is assumed that the different heat conduction properties on the end faces of the individual cells are compensated for by the large-area contact between the cells. In this way, a cell assembly can be implemented which, averaged over all heat conduction properties, has a heat conduction that is adapted to the needs of the respective cooling and heating surfaces.

Durch eine wechselseitige Anordnung der thermisch unterschiedlichen Kontaktflächen einzelner Zellen wird im Zellverbundvergleichbare Wärmeleiteigenschaften realisiert; eine Anpassung durch unterschiedliche Prozessschritte oder unterschiedliche Wärmeleitmaterialen kann auf diese Weise vermieden werden.Through an alternating arrangement of the thermally different contact surfaces of individual cells, comparable thermal conductivity properties are achieved in the cell assembly; an adjustment through different process steps or different thermally conductive materials can be avoided in this way.

In einer technischen Umsetzung sind die Pouch-Zellen in der Stapelrichtung betrachtet alternierend jeweils in der ersten Einbaulage und in der zweiten Einbaulage positioniert.In a technical implementation, the pouch cells are positioned alternately in the first installation position and in the second installation position, viewed in the stacking direction.

Die Erfindung ist insbesondere bei dem nachfolgend beschriebenen Zellgehäuse-Aufbau von Relevanz: So kann das Zellgehäuse aus einem tiefgezogenen, taschenförmigen Folien-Zuschnitt gefertigt sein, bei dem zwei gegenüberliegende Flachseitenwände an einer Faltkante materialeinheitlich und einstückig (das heißt ohne Flanschverbindung) ineinander übergehen. In dem Zellgehäuse können die beiden Flachseitenwände an ihren Beschnittkanten in Flanschverbindung gebracht sein, und zwar unter Bildung eines Gehäuseflansches. Der Gehäuseflansch kann an der, der Faltkante gegenüberliegenden Gehäuse-Stirnseite zumindest eine Falznaht aufweisen, die durch Falzbearbeitung des Gehäuseflansches gebildet ist.The invention is particularly relevant for the cell housing structure described below: The cell housing can be made from a deep-drawn, pocket-shaped foil blank in which two opposite flat side walls merge into one another at a fold edge of the same material and in one piece (i.e. without a flange connection). In the cell housing, the two flat side walls can be brought into a flange connection at their cut edges, specifically with the formation of a housing flange. The housing flange can have at least one fold seam on the front side of the housing opposite the fold edge, which seam is formed by processing the fold of the housing flange.

Beim oben beschriebenen Zellgehäuse-Aufbau ist die Faltkante (im Vergleich zur gegenüberliegenden Falznaht) fertigungsbedingt materialreduziert sowie bauraumreduziert gestaltet, so dass an der Faltkante eine abweichende (typischerweise gesteigerte) thermische Ankopplung an das Wärmeleitmaterial bereitstellbar ist. Im Gegensatz dazu ist die Falznaht fertigungsbedingt materialaufwendig sowie bauraumintensiv gestaltet, so dass sich an der Falznaht eine abweichende (typischerweise reduzierte) thermische Ankopplung an das Wärmeleitmaterial ergibt. Erfindungsgemäß sind die in der Stapelrichtung hintereinander angeordneten Pouch-Zellen abwechselnd mit jeweils Faltkante und Falznaht sowie umgekehrt angeordnet, wodurch eine deckelseitige Wärmeabfuhr sowie eine bodenseitige Wärmeabfuhr aus dem Zellstapel homogenisiert werden kann.In the cell housing structure described above, the fold edge (compared to the opposite fold seam) has reduced material and space requirements due to production, so that a different (typically increased) thermal coupling to the heat-conducting material can be provided at the fold edge. In contrast to this, the fold seam requires a lot of material and space due to the manufacturing process, so that there is a different (typically reduced) thermal coupling to the thermally conductive material at the fold seam. According to the invention, the pouch cells arranged one behind the other in the stacking direction are arranged alternately with fold edges and fold seams and vice versa, whereby heat dissipation on the cover side and heat dissipation on the bottom side from the cell stack can be homogenized.

In einer technischen Realisierung kann der Gehäuseflansch an der, der Faltkante gegenüberliegenden Gehäuse-Stirnseite an einer ersten Falzkante in etwa um 90° abgekantet sein, und zwar unter Bildung eines gehäuseseitigen Falzschenkels, der an der ersten Falzkante in einen äußeren Falzschenkel übergeht. Ein freier Flanschrand des äußeren Falzschenkels kann an einer zweiten Falzkante um etwa 180° umgeschlagen sein, so dass der äußere Falzschenkel entsprechend materialaufwendig insgesamt vierlagig aufgebaut ist.In a technical implementation, the housing flange can be bent by approximately 90° at a first fold edge on the housing end face opposite the fold edge, specifically forming a fold leg on the housing side, which merges into an outer fold leg at the first fold edge. A free flange edge of the outer fold leg can be folded over by about 180° at a second fold edge, so that the outer fold leg is constructed in four layers in total, which requires a lot of material.

Nachfolgend ist ein Ausführungsbeispiel der Erfindung anhand der beigefügten Figuren beschrieben.An exemplary embodiment of the invention is described below with reference to the accompanying figures.

Es zeigen:

  • 1 in einer schematischen Seitenschnittansicht ein Zellmodul;
  • 2 und 3 jeweils Ansichten einer in dem Zellmodul verbauten Pouch-Zelle;
  • 4 eine Ansicht entsprechend der 1; und
  • 5 in einer Ansicht entsprechend der 1 eine nicht von der Erfindung umfasste Vergleichsform.
Show it:
  • 1 in a schematic side sectional view, a cell module;
  • 2 and 3 in each case views of a pouch cell installed in the cell module;
  • 4 a view according to the 1 ; and
  • 5 in a view according to the 1 a comparative form not covered by the invention.

In der 1 ist ein Zellmodul für eine Hochvoltbatterie insoweit dargestellt, als es für das Verständnis der Erfindung erforderlich ist. Demnach weist das Zellmodul ein Modulgehäuse 1 auf, in dem eine Anzahl von baugleichen Pouch-Zellen 3 in einer Stapelrichtung S hintereinander zu einem Zellstapel Z gestapelt sind. Für eine doppelseitige thermische Ankopplung ist die Zellstapel-Oberseite über ein deckelseitiges Wärmeleitmaterial 5 mit einem Modulgehäuse-Deckel 7 thermisch verbunden ist. Zudem ist die Zellstapel-Unterseite über ein bodenseitiges Wärmeleitmaterial 9 mit einem Modulgehäuse-Boden 11 thermisch verbunden. Sowohl der Modulgehäuse-Boden 11 als auch der Modulgehäuse-Deckel 7 sind Bestandteile eines angedeuteten Kühlsystems 13 oder bildet die thermische Schnittstelle zu einem separaten Kühlsystem.In the 1 a cell module for a high-voltage battery is shown to the extent necessary for understanding the invention. Accordingly, the cell module has a module housing 1 in which a number of identical pouch cells 3 are stacked one behind the other in a stacking direction S to form a cell stack Z. For double-sided thermal coupling, the top side of the cell stack is thermally connected to a module housing cover 7 via a heat-conducting material 5 on the cover side. In addition, the underside of the cell stack is thermally connected to a module housing base 11 via a heat-conducting material 9 on the base. Both the module housing base 11 and the module housing cover 7 are components of an indicated cooling system 13 or form the thermal interface to a separate cooling system.

Die in dem Zellstapel Z verbauten Pouch-Zellen 3 sind allesamt baugleich ausgeführt. Jede der Pouch-Zellen 3 weist gemäß der 2 und 3 ein Zellgehäuse 14 mit jeweils zwei in der Stapelrichtung S gegenüberliegende Flachseitenwände 15, 17 auf. Im Zellstapel Z sind die Pouch-Zellen 3 mit ihren Flachseitenwänden 15, 17 zueinander in Anlage. Das Zellgehäuse 14 ist in der 2 und 3 aus einem tiefgezogenen, taschenförmigen Folien-Zuschnitt gefertigt, bei dem die beiden gegenüberliegenden Flachseitenwänden 15, 17 an einer Faltkante 19 materialeinheitlich und einstückig ineinander übergehen. Die beiden Flachseitenwände 15, 17 sind an ihren Beschnittkanten 21 (nur in der 3 gezeigt) jeweils zum Beispiel durch ein Siegelverfahren in Flanschverbindung gebracht, und zwar unter Bildung eines Gehäuseflansches 23. Der Gehäuseflansch 23 weist in der 2 und 3 an der, der Faltkante 19 gegenüberliegenden Gehäuse-Stirnseite eine Falznaht 25 auf, die durch eine Falzbearbeitung des Gehäuseflansches 23 gebildet ist.The pouch cells 3 installed in the cell stack Z are all identical in design. Each of the pouch cells 3 has according to the 2 and 3 a cell housing 14 each with two opposite flat side walls 15, 17 in the stacking direction S. In the cell stack Z, the pouch cells 3 are in contact with one another with their flat side walls 15, 17. The cell housing 14 is in the 2 and 3 made from a deep-drawn, pocket-shaped foil blank, in which the two opposite flat side walls 15, 17 merge into one another at a fold edge 19 of the same material and in one piece. The two flat side walls 15, 17 are at their trimmed edges 21 (only in the 3 shown) each brought, for example, by a sealing process in flange connection, to form a housing flange 23. The housing flange 23 has in FIG 2 and 3 on the front side of the housing opposite the folding edge 19 there is a folded seam 25 which is formed by processing the housing flange 23 by folding.

Wie aus der 3 hervorgeht, ist der Gehäuseflansch 23 an der Falznaht 25 um eine erste Falzkante 27 um etwa 90° abgekantet, und zwar unter Bildung eines gehäuseseitigen Falzschenkels 29, der an der ersten Falzkante 27 in einen äußeren Falzschenkel 31 übergeht. Zudem weist die Falznaht 25 eine zweite Falzkante 33 auf, an der ein freier Flanschrand 35 um 180° umgeschlagen ist, so dass der äußere Falzschenkel 31 insgesamt vierlagig aufgebaut ist.How from the 3 As can be seen, the housing flange 23 is folded at the fold seam 25 by about 90° around a first fold edge 27, specifically with the formation of a fold leg 29 on the housing side, which merges into an outer fold leg 31 at the first fold edge 27. In addition, the fold seam 25 has a second fold edge 33 on which a free flange edge 35 is folded over by 180°, so that the outer fold leg 31 is constructed in four layers overall.

Innerhalb des Zellgehäuses 14 sind in der 3 in einem Materialschichtaufbau eine Anode 37 sowie eine Kathode 39 mit jeweils zwischengeordneten Separatoren 41 angeordnet.Within the cell housing 14 are in the 3 An anode 37 and a cathode 39 are arranged in a material layer structure, each with separators 41 arranged in between.

Erfindungsgemäß wurde erkannt, dass die materialaufwendige sowie bauraumintensive Gestaltung der Falznaht 25 eine entsprechend abweichende thermische Ankopplung an das jeweilige Wärmeleitmaterial 5, 9 gegenüber der vergleichsweise materialreduzierten/bauraumreduzierten Faltkante 19 an das jeweilige Wärmeleitmaterial 5, 9 ergibt.According to the invention, it was recognized that the material-intensive and space-intensive design of the fold seam 25 results in a correspondingly different thermal coupling to the respective heat-conducting material 5, 9 compared to the comparatively reduced material/space-reduced folded edge 19 to the respective heat-conducting material 5, 9.

Vor diesem Hintergrund sind in der 1 die Pouch-Zellen 3 im Zellstapel Z nicht deckungsgleich sowie mit gleicher Orientierung hintereinander in der Stapelrichtung S angeordnet. Vielmehr sind in der 1 und 2 die Pouch-Zellen 3 in der Stapelrichtung S alternierend in einer ersten Einbaulage E1 und in einer zweiten Einbaulage E2 positioniert. In der zweiten Einbaulage E2 ist die jeweilige Pouch-Zelle 3 im Vergleich zur ersten Einbaulage E1 auf Umschlag positioniert, das heißt um 180° um eine in Stapelrichtung S ausgerichtete Schwenkachse gedreht.Against this background are in the 1 the pouch cells 3 in the cell stack Z are not congruent and are arranged one behind the other in the stacking direction S with the same orientation. Rather are in the 1 and 2 the pouch cells 3 are positioned alternately in the stacking direction S in a first installation position E1 and in a second installation position E2. In the second installation position E2, the respective pouch cell 3 is positioned upside down compared to the first installation position E1, ie rotated by 180° about a pivot axis aligned in the stacking direction S.

Auf diese Weise werden gemäß der 4 die unterschiedlichen Wärmeströme QF, QS, QZ über die Stirnseiten der Pouch-Zellen 3 sowie in der Stapelrichtung S ausgeglichen, wodurch sich insgesamt eine homogene Temperaturverteilung bei vergleichbaren thermischen Eigenschaften der Kühlflächen in dem Zellstapel Z ergibt. Von daher ist der Zellstapel Z erfindungsgemäß quasi spiegelsymmetrisch bezüglich der gemittelten Wärmeübertragung. Alternativ zur dargestellten alternierenden Anordnung sind weitere Optimierungspotential durch eine Variation der Abfolge möglich, um gegebenenfalls unterschiedliche Eigenschaften der Kühlflächen anzupassen.In this way, according to the 4 the different heat flows Q F , Q S , Q Z are balanced over the end faces of the pouch cells 3 and in the stacking direction S, resulting in a homogeneous temperature distribution overall with comparable thermal properties of the cooling surfaces in the cell stack Z. Therefore, according to the invention, the cell stack Z is more or less mirror-symmetrical with respect to the averaged heat transfer. As an alternative to the alternating arrangement shown, further optimization potential is possible by varying the sequence in order to adapt different properties of the cooling surfaces if necessary.

In der 5 ist eine nicht von der Erfindung umfasste Vergleichsform dargestellt. Demnach sind die Pouch-Zellen 3 in der Stapelrichtung S betrachtet hintereinander deckungsgleich angeordnet. Die Faltkanten 19 der Pouch-Zellen 3 sind in der 5 allesamt auf der Zellstapel-Unterseite positioniert, während die Falznähte 25 allesamt auf der Zellstapel-Oberseite positioniert sind. Dadurch ergibt sich eine stark ausgeprägte deckelseitige thermische Ankopplung mit gesteigerter Wärmeübertragungsfähigkeit, während die bodenseitige thermische Ankopplung nur eine reduzierte Wärmeübertragungsfähigkeit aufweist. Eine solche unterschiedliche thermische Ankopplung einerseits zum Modulgehäuse-Boden 11 und andererseits zum Modulgehäuse-Deckel 7 führt zu einer Inhomogenität bei der Wärmeableitung aus dem Zellstapel Z, was die Lebensdauer sowie die Funktionsfähigkeit der Pouch-Zellen 3 beeinträchtigt.In the 5 a comparative form not covered by the invention is shown. Accordingly, the pouch cells 3 are arranged congruently one behind the other, viewed in the stacking direction S. The folded edges 19 of the pouch cells 3 are in the 5 all positioned on the cell stack bottom, while the fold seams 25 are all positioned on the cell stack top. This results in a strongly pronounced cover-side thermal coupling with increased heat transfer capability, while the bottom-side thermal coupling only has a reduced heat transfer capacity. Such a different thermal coupling to the module housing base 11 on the one hand and to the module housing cover 7 on the other leads to inhomogeneity in the heat dissipation from the cell stack Z, which impairs the service life and the functionality of the pouch cells 3 .

In dem in den 1 bis 4 gezeigten Ausführungsbeispiel sind die Pouch-Zellen 3 mit hochkant stehenden Flachseitenwänden 15, 17 angeordnet, während die beidseitigen Kühlschnittstellen 13 horizontal im Batteriegehäuse 1 angeordnet sind. Die Erfindung ist jedoch nicht auf eine solche Anordnung beschränkt. In einer alternativen Ausführungsvariante kann die Anordnung der Pouch-Zellen 3 kann prinzipiell auch um 90° gedreht erfolgen. In diesem Fall sind die Zellen 3 mit ihren Flachseitenwänden 15, 17 liegend angeordnet, während die beidseitigen Kühlschnittstellen 13 senkrecht im Modulgehäuse 1 angeordnet sind.In the in the 1 until 4 In the exemplary embodiment shown, the pouch cells 3 are arranged with upright flat side walls 15, 17, while the cooling interfaces 13 on both sides are arranged horizontally in the battery housing 1. However, the invention is not limited to such an arrangement. In an alternative embodiment variant, the pouch cells 3 can in principle also be arranged rotated by 90°. In this case, the cells 3 are arranged horizontally with their flat side walls 15, 17, while the cooling interfaces 13 on both sides are arranged vertically in the module housing 1.

BezugszeichenlisteReference List

11
Modulgehäusemodule housing
33
Pouch-Zellenpouch cells
55
deckelseitiges Wärmeleitmateriallid-side heat-conducting material
6, 86, 8
Ableiterarrester
77
Modulgehäuse-DeckelModule housing cover
99
bodenseitiges Wärmeleitmaterialbottom thermal conductive material
1111
Modulgehäuse-BodenModule housing bottom
1313
Kühlsystemcooling system
1414
Zellgehäusecell case
15, 1715, 17
Flachseitenwändeflat sidewalls
1919
Faltkantefolding edge
2121
Beschnittkantencrop edges
2323
Gehäuseflanschhousing flange
2525
Falznahtfolded seam
2727
erste Falzkantefirst folding edge
2929
gehäuseseitiger Falzschenkelcase-side fold leg
3131
äußerer Falzschenkelouter folding leg
3333
zweite Falzkantesecond fold edge
3535
freier Flanschrandfree flange edge
3737
Anodeanode
3939
Kathodecathode
4141
Separatorseparator
SS
Stapelrichtungstacking direction
ZZ
Zellstapelcell stack
ze.g
Gehäusehochrichtunghousing vertical direction
E1, E2E1, E2
Einbaulageninstallation positions

ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNGQUOTES INCLUDED IN DESCRIPTION

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Zitierte PatentliteraturPatent Literature Cited

  • WO 2010/121831 A1 [0006]WO 2010/121831 A1 [0006]

Claims (10)

Zellanordnung für eine Hochvoltbatterie, insbesondere Zellmodul oder Zellpack, in der eine Anzahl von baugleichen Pouch-Zellen (3) in einer Stapelrichtung (S) hintereinander zu einem Zellstapel (Z) gestapelt sind, wobei einander gegenüberliegende Stirnseiten (19, 25) der Pouch-Zelle (3) jeweils eine unterschiedliche Geometrie aufweisen, und wobei für eine doppelseitige thermische Ankopplung des Zellstapels (Z) die an einer ersten Zellstapel-Seite befindlichen Zell-Stirnseiten (19, 25) über ein erstes Wärmeleitmaterial (5) in thermischer Ankopplung mit einem Kühl-/Heizsystem (13) sind und die an einer gegenüberliegenden Zellstapel-Seite befindlichen Zell-Stirnseiten über ein zweites Wärmeleitmaterial (9) in thermischer Ankopplung mit dem Kühl-/Heizsystem (13) sind, dadurch gekennzeichnet, dass die geometrisch baugleichen Stirnseiten (19, 25) sämtlicher Pouch-Zellen (3) nicht an derselben Zellstapel-Seite der Zellanordnung liegen, sondern an den einander gegenüberliegenden Zellstapel-Seiten liegen, die jeweils eine Kühl-/Heizschnittstelle zum Kühl-/Heizsystem (13) bilden.Cell arrangement for a high-voltage battery, in particular a cell module or cell pack, in which a number of identical pouch cells (3) are stacked one behind the other in a stacking direction (S) to form a cell stack (Z), with opposite end faces (19, 25) of the pouch Cell (3) each have a different geometry, and for double-sided thermal coupling of the cell stack (Z), the cell end faces (19, 25) located on a first side of the cell stack are thermally coupled via a first heat-conducting material (5) to a cooling/heating system (13) and the cell end faces located on an opposite side of the cell stack are thermally coupled to the cooling/heating system (13) via a second heat-conducting material (9), characterized in that the end faces ( 19, 25) of all pouch cells (3) are not on the same cell stack side of the cell arrangement, but on the opposite cell stack Se Iten lie, each forming a cooling / heating interface to the cooling / heating system (13). Zellanordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Pouch-Zellen (3) im Zellstapel (Z) in zwei Gruppen unterteilt sind, von denen die Pouch-Zellen (3) der ersten Gruppe in einer ersten Einbaulage (E1) im Zellstapel (Z) positioniert sind und die Pouch-Zellen (3) der zweiten Gruppe in einer zweiten Einbaulage (E2) im Zellstapel (Z) positioniert sind, in der die Pouch-Zellen (3) im Vergleich zur ersten Einbaulage (E1) um 180° auf Umschlag positioniert sind.cell arrangement claim 1 , characterized in that the pouch cells (3) in the cell stack (Z) are divided into two groups, of which the pouch cells (3) of the first group are positioned in a first installation position (E1) in the cell stack (Z) and the pouch cells (3) of the second group are positioned in a second installation position (E2) in the cell stack (Z), in which the pouch cells (3) are positioned at an angle of 180° compared to the first installation position (E1). Zellanordnung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass die in der zweiten Einbaulage (E2) positionierten Pouch-Zellen (3) im Vergleich zu den, in der ersten Einbaulage (E1) positionierten Pouch-Zellen (3) um eine in Stapelrichtung (S) ausgerichtete Schwenkachse oder um eine quer zur Stapelrichtung (S) ausgerichteten Schwenkachse um 180° gedreht sind.cell arrangement claim 2 , characterized in that in the second installation position (E2) positioned pouch cells (3) compared to the, in the first installation position (E1) positioned pouch cells (3) in the stacking direction (S) aligned pivot axis or a pivot axis aligned transversely to the stacking direction (S) are rotated by 180°. Zellanordnung nach Anspruch 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, dass die jeweils benachbarten Pouch-Zellen (3) in der Stapelrichtung (S) alternierend in der ersten Einbaulage (E1) und in der zweiten Einbaulage (E2) positioniert sind.cell arrangement claim 2 or 3 , characterized in that the respective adjacent pouch cells (3) in the stacking direction (S) are positioned alternately in the first installation position (E1) and in the second installation position (E2). Zellanordnung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass jede Pouch-Zelle (3) gegenüberliegende Flachseitenwände (15, 17) aufweist, und dass die Pouch-Zellen (3) im Zellstapel (Z) mit ihren Flachseitenwänden (15, 17) in Anlage sind, und dass jede Pouch-Zelle (3) einander gegenüberliegende Schmalseiten aufweist, von denen jeweils ein Ableiter (6, 8) abragt.Cell arrangement according to one of the preceding claims, characterized in that each pouch cell (3) has opposite flat side walls (15, 17), and that the pouch cells (3) in the cell stack (Z) with their flat side walls (15, 17) in System are, and that each pouch cell (3) has opposite narrow sides, from each of which a conductor (6, 8) protrudes. Zellanordnung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass von den beiden Zell-Stirnseiten eine erste Zell-Stirnseite (25) fertigungsbedingt materialaufwendig und bauraumintensiv gestaltet ist, so dass sich eine erste, insbesondere reduzierte Wärmeleiteigenschaft ergibt, und dass eine zweite Zell-Stirnseite (19) fertigungsbedingt materialreduziert und bauraumreduziert gestaltet ist, so dass sich eine abweichende zweite, insbesondere gesteigerte Wärmeleiteigenschaft ergibt.Cell arrangement according to one of the preceding claims, characterized in that of the two cell end faces a first cell end face (25) is designed to be material-intensive and space-intensive for manufacturing reasons, so that a first, in particular reduced, thermal conductivity property results, and that a second cell end face (19) is designed with reduced material and space due to production, so that a different, second, in particular increased, thermal conductivity property results. Zellanordnung nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass das Zellgehäuse (14) einer jeden Pouch-Zelle (3) aus einem tiefgezogenen, taschenförmigen Folien-Zuschnitt gefertigt ist, bei dem die zwei gegenüberliegenden Flachseitenwände (15, 17) an einer Faltkante (19) materialeinheitlich und einstückig ineinander übergehen, und dass insbesondere die Faltkante (19) die zweite Zell-Stirnseite mit der abweichenden zweiten, insbesondere gesteigerten Wärmeleiteigenschaft ist.cell arrangement claim 6 , characterized in that the cell housing (14) of each pouch cell (3) is made from a deep-drawn, bag-shaped foil blank, in which the two opposite flat side walls (15, 17) are of the same material and integral with each other at a folded edge (19). go over, and that in particular the folded edge (19) is the second cell end face with the different second, in particular increased thermal conductivity property. Zellanordnung nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass im Zellgehäuse (14) die beiden Flachseitenwände (15, 17) an ihren Beschnittkanten (21) in Flanschverbindung sind, und zwar unter Bildung eines Gehäuseflansches (23), und dass der Gehäuseflansch (23) an der, der Faltkante (19) gegenüberliegenden Gehäuse-Stirnseite zumindest eine Falznaht (25) aufweist, die durch Falzbearbeitung des Gehäuseflansches (23) gebildet ist, und dass insbesondere die Falznaht (25) die erste Zell-Stirnseite mit der ersten, insbesondere reduzierten Wärmeleiteigenschaft ist.cell arrangement claim 7 , characterized in that in the cell housing (14) the two flat side walls (15, 17) are flanged at their trimmed edges (21), to be precise with the formation of a housing flange (23), and that the housing flange (23) at the fold edge (19) has at least one fold seam (25) on the opposite housing end face, which is formed by fold processing of the housing flange (23), and that in particular the fold seam (25) is the first cell end face with the first, in particular reduced, thermal conductivity property. Zellanordnung nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass der Gehäuseflansch (23) an der, der Faltkante (19) gegenüberliegenden Stirnseite an einer ersten Falzkante (27) um etwa 90° abgekantet ist, und zwar unter Bildung eines gehäuseseitigen Falzschenkels (29), der an der ersten Falzkante (27) in einen äußeren Falzschenkel (31) übergeht.cell arrangement claim 8 , characterized in that the housing flange (23) is bent by about 90° at a first folded edge (27) on the end face opposite the folded edge (19), specifically with the formation of a folded leg (29) on the housing side, which at the first folded edge (27) merges into an outer folding leg (31). Zellanordnung nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, dass ein freier Flanschrand (35) des äußeren Falzschenkels (31) an einer zweiten Falzkante (33) um etwa 180° umgeschlagen ist, so dass der äußere Falzschenkel (31) insgesamt vierlagig aufgebaut ist.cell arrangement claim 9 , characterized in that a free flange edge (35) of the outer fold leg (31) is turned over by about 180° at a second fold edge (33), so that the outer fold leg (31) is constructed in four layers.
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