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
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. 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. 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.
- 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. 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 und3 jeweils Ansichten einer in dem Zellmodul verbauten Pouch-Zelle; -
4 eine Ansicht entsprechend der1 ; und -
5 in einer Ansicht entsprechend der1 eine nicht von der Erfindung umfasste Vergleichsform.
-
1 in a schematic side sectional view, a cell module; -
2 and3 in each case views of a pouch cell installed in the cell module; -
4 a view according to the1 ; and -
5 in a view according to the1 a comparative form not covered by the invention.
In der
Die in dem Zellstapel Z verbauten Pouch-Zellen 3 sind allesamt baugleich ausgeführt. Jede der Pouch-Zellen 3 weist gemäß der
Wie aus der
Innerhalb des Zellgehäuses 14 sind in der
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
Vor diesem Hintergrund sind in der
Auf diese Weise werden gemäß der
In der
In dem in den
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
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- WO 2010/121831 A1 [0006]WO 2010/121831 A1 [0006]
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