DE102021103629A1 - battery module and battery cell - Google Patents
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Abstract
Batteriemodul (1), zumindest umfassend ein Modulgehäuse (2) und darin angeordnet zumindest eine Mehrzahl von Batteriezellen (3); wobei jede der Batteriezellen (3) ein elastisch verformbares, gasdicht ausgeführtes Zellengehäuse (4) und darin angeordnet mindestens einen Stapel (5) aufeinander angeordneter Elektrodenfolien (6, 7) aufweist; wobei der mindestens eine Stapel (5) in Abhängigkeit von einem Betrieb oder einer Alterung eine Hauptausdehnungsrichtung (8) aufweist, in der der mindestens eine Stapel (5) eine größte Veränderung einer Erstreckung (9) des mindestens einen Stapels (5) im Betrieb der Batteriezelle (3) aufweist; wobei die Batteriezellen (3) entlang der Hauptausdehnungsrichtung (8) aufeinander gestapelt angeordnet sind; wobei innerhalb der Zellengehäuse (4) jeweils mindestens ein erstes Ausdehnungskompensationselement (10) angeordnet ist, das die Veränderung der Erstreckung (9) des Stapels (5) in der Hauptausdehnungsrichtung (8) zumindest teilweise kompensiert.
Batteriezelle (3), zumindest aufweisend ein elastisch verformbares, gasdicht ausgeführtes Zellengehäuse (4) und darin angeordnet mindestens einen Stapel (5) aufeinander angeordneter Elektrodenfolien (6, 7).
Battery module (1), at least comprising a module housing (2) and arranged therein at least one plurality of battery cells (3); each of the battery cells (3) having an elastically deformable, gas-tight cell housing (4) and arranged therein at least one stack (5) of electrode foils (6, 7) arranged one on top of the other; wherein the at least one stack (5) has a main direction of extension (8), depending on operation or aging, in which the at least one stack (5) shows a greatest change in an extent (9) of the at least one stack (5) during operation of the battery cell (3); wherein the battery cells (3) are arranged stacked on top of one another along the main direction of extension (8); At least one first expansion compensation element (10) is arranged inside the cell housing (4) and at least partially compensates for the change in the extent (9) of the stack (5) in the main direction of expansion (8).
Battery cell (3), at least having an elastically deformable, gas-tight cell housing (4) and arranged therein at least one stack (5) of electrode foils (6, 7) arranged one on top of the other.
Description
Die Erfindung betrifft ein Batteriemodul, zumindest umfassend ein Modulgehäuse und darin angeordnet zumindest eine Mehrzahl von Batteriezellen, wobei jede der Batteriezellen ein elastisch verformbares, gasdicht ausgeführtes Zellengehäuse und darin angeordnet mindestens einen Stapel aufeinander angeordneter Elektrodenfolien aufweist. Die Erfindung betrifft auch eine Batteriezelle, zumindest aufweisend ein elastisch verformbares, gasdicht ausgeführtes Zellengehäuse und darin angeordnet mindestens einen Stapel aufeinander angeordneter Elektrodenfolien. Das Batteriemodul weist insbesondere eine Mehrzahl der beschriebenen Batteriezellen auf.The invention relates to a battery module, at least comprising a module housing and at least one plurality of battery cells arranged therein, each of the battery cells having an elastically deformable, gas-tight cell housing and arranged therein at least one stack of electrode foils arranged one on top of the other. The invention also relates to a battery cell, at least having an elastically deformable, gas-tight cell housing and arranged therein at least one stack of electrode foils arranged one on top of the other. The battery module has in particular a plurality of the battery cells described.
Eine Batteriezelle ist ein Stromspeicher, der z. B. in einem Kraftfahrzeug zum Speichern von elektrischer Energie eingesetzt wird. Insbesondere weist z. B. ein Kraftfahrzeug eine elektrische Maschine zum Antrieb des Kraftfahrzeuges auf, wobei die elektrische Maschine durch die in der Batteriezelle gespeicherte elektrische Energie antreibbar ist. In einer Batteriezelle sind Elektrodenfolien, also Anoden und Kathoden aufeinander gestapelt angeordnet, wobei unterschiedliche Elektrodenfolien durch Separatorfolien oder ein Separatormaterial voneinander getrennt angeordnet sind. Die Elektrodenfolien sind in einem Elektrolyt angeordnet.A battery cell is an electricity storage device that B. is used in a motor vehicle for storing electrical energy. In particular, z. B. a motor vehicle has an electric machine for driving the motor vehicle, wherein the electric machine can be driven by the electrical energy stored in the battery cell. In a battery cell, electrode foils, ie anodes and cathodes, are arranged stacked on top of one another, with different electrode foils being arranged separated from one another by separator foils or a separator material. The electrode foils are arranged in an electrolyte.
Es sind z. B. Batteriezellen mit flüssigen oder festen Elektrolyten (Feststoffbatterie) bekannt.There are e.g. B. battery cells with liquid or solid electrolytes (solid battery) are known.
Ein Batteriemodul umfasst insbesondere eine Mehrzahl von Batteriezellen, die miteinander elektrisch in Reihe oder parallel geschaltet und in einem Modulgehäuse angeordnet sind. Auch einzelne Batteriemodule können miteinander elektrisch in Reihe oder parallel geschaltet werden. Eine Batterie umfasst ein Batteriemodul oder eine Mehrzahl von Batteriemodulen.A battery module includes, in particular, a plurality of battery cells which are electrically connected to one another in series or in parallel and are arranged in a module housing. Individual battery modules can also be electrically connected to one another in series or in parallel. A battery includes a battery module or a plurality of battery modules.
Die Batteriezelle einer Batterie verändern während eines Belade- und Entladevorgangs und/oder infolge von Alterung über Lebensdauer ihr Volumen. Im Lebensalter einer Lithium-Ionen-Zelle (Prismatische, Pouch- oder Rund-Zelle) kommt es aufgrund der Zyklisierung zu einem Dickenwachstum innerhalb der Batteriezelle. Dieses Dickenwachstum tritt verstärkt entlang des Normalenvektors zur Batteriezelle, also quer zur Ebene der Elektrodenfolien, auf (im Folgenden auch als Hauptausdehnungsrichtung bezeichnet). Zusätzlich kommt es zu Längenänderungen, welche jedoch deutlich geringer ausfallen und damit zu vernachlässigen sind. Die Betriebscharakteristik von Lithium-Ionen-Pouchzellen hängt beispielsweise, aufgrund ihrer geringen mechanischen Stabilität, stark von den äußeren Bedingungen ab. Der äußere Druck auf die Zellen ist dabei ein entscheidender Faktor für Performance, Lebensdauer und Strukturstabilität einer Batterie bzw. eines Batteriemoduls einer Batterie.The battery cells of a battery change their volume during a charging and discharging process and/or as a result of aging over the service life. As a lithium-ion cell (prismatic, pouch or round cell) ages, the thickness within the battery cell increases due to cyclization. This growth in thickness occurs to an increased extent along the normal vector to the battery cell, i.e. transversely to the plane of the electrode foils (also referred to below as the main direction of expansion). In addition, there are changes in length, which, however, are significantly smaller and can therefore be ignored. The operating characteristics of lithium-ion pouch cells, for example, depend heavily on the external conditions due to their low mechanical stability. The external pressure on the cells is a decisive factor for the performance, service life and structural stability of a battery or a battery module of a battery.
Jede Batteriezelle weist ein in Abhängigkeit von einem in ihr gespeicherten Energieinhalt bestimmtes Volumen auf, das sich zwischen einem, bei einem geringen Energieinhalt bzw. geringem SOC (state-of-charge; also Ladezustand), geringen Volumen und einem, bei einem hohen Energieinhalt bzw. hohem SOC, großen Volumen verändert. Die Volumenänderung findet insbesondere im Wesentlichen im Bereich der mindestens einen Anode der Zellen statt. Die Anode, z. B. bestehend aus Graphit oder einem Metall, bzw. bei einem Lithium-Ionen-Akkumulator aus metallischem Lithium, verändert ihr Volumen durch die Abscheidung von reinem metallischem Lithium.Each battery cell has a specific volume depending on the energy content stored in it, which ranges between a low volume for a low energy content or low SOC (state-of-charge; i.e. state of charge) and a volume for a high energy content or .high SOC, large volume changed. The change in volume takes place in particular essentially in the area of the at least one anode of the cells. The anode, e.g. B. consisting of graphite or a metal, or in a lithium-ion battery of metallic lithium, changed their volume by the deposition of pure metallic lithium.
Verstärkt wird die Problematik des Dickenwachstums zusätzlich durch neue Zelltechnologien wie der Feststoffbatterie. Bei dieser Zelltechnologie treten erhebliche Volumenänderungen, beziehungsweise ein translatorisches Wachstum, insbesondere durch die Volumenänderung der Anode, auf. Im entladenen Zustand der Batteriezelle ist eine sehr geringe Menge Lithium auf der Anode und im geladenen Zustand eine sehr große Menge Lithium vorhanden. Der Mengenunterschied kann bei bestimmten Anodenmaterialien bis zu ca. 100 % Volumenänderung zwischen geladenem und entladenem Zustand ausmachen. Um zusätzlich die Grenzschichten, beziehungsweise die Kontaktflächen, der Einzellagen innerhalb der Batteriezelle aufrecht zu erhalten, müssen diese dauerhaft mechanisch verspannt werden.The problem of the increase in thickness is additionally intensified by new cell technologies such as the solid-state battery. With this cell technology, significant changes in volume or translational growth occur, in particular as a result of the change in volume of the anode. When the battery cell is discharged, there is a very small amount of lithium on the anode and when it is charged, there is a very large amount of lithium. With certain anode materials, the difference in quantity can be up to a 100% change in volume between the charged and discharged state. In order to also maintain the boundary layers, or the contact surfaces, of the individual layers within the battery cell, they must be permanently mechanically braced.
Das technische Problem besteht somit darin, die mechanische Verspannung Batteriezelle zu ermöglichen und gleichzeitig einen translatorischen Ausgleich zu gewährleisten. Eine zu jedem Zeitpunkt verspannte Anordnung der Batteriezellen in einem Modulgehäuse ist bevorzugt, um z. B. eine mechanische Beschädigung der Batteriezellen bzw. der elektrischen Anschlüsse durch eine Relativbewegung gegenüber dem Modulgehäuse zu verhindern. Dabei ist jedoch zu beachten, dass die Vorspannung einen Grenzwert nicht überschreitet. Wird der translatorische Ausgleich nicht geschaffen, kommt es zu Defiziten in der Zellperformance und im schlimmsten Fall zu einem Versagen der Batteriezelle.The technical problem is therefore to enable the battery cell to be mechanically braced and at the same time to ensure translational compensation. A strained at any time arrangement of the battery cells in a module housing is preferred to z. B. to prevent mechanical damage to the battery cells or the electrical connections by a relative movement relative to the module housing. However, care must be taken here that the preload does not exceed a limit value. If the translational balance is not created, there will be deficits in cell performance and, in the worst case, the battery cell will fail.
Die im Betrieb einer Batterie auftretende Volumenänderung ist insbesondere auszugleichen bzw. zu kompensieren. Dafür ist der Einsatz von Druckmatten zwischen den Batteriezellen oder die Verspannung der Batteriezellen in den Batteriemodulen einer Batterie über Federelemente oder über die Verschraubung von Endplatten der Batteriemodule bekannt.The change in volume that occurs during operation of a battery is to be balanced out or compensated for in particular. The use of pressure mats between the battery cells or the bracing of the battery cells in the battery modules of a battery using spring elements or by screwing the end plates of the battery modules is known for this.
Bei heutigen Batteriezellen, die eine sehr geringe Dickenänderung während einzelner Ladezyklen und ein Anschwellen über die Alterung von höchstens ca. 5% aufweisen, werden Druckmatten (sogenannte Gap-Pads) zwischen die Batteriezellen im Batteriemodul gelegt. Die Zellen werden in der Regel mit einem geringen Druck initial verspannt und somit in Position gehalten. Die Druckmatten und das Modulgehäuse nehmen die Dickenänderung von 5 % auf und erzeugen dabei einen stärkeren Druck als der initiale Verspanndruck. Zellengehäuse von Pouch- und Hardcase-Batteriezellen können diese geringe Dicken- und Druckänderung aushalten.With today's battery cells, which show a very small change in thickness during individual charging cycles and swelling of at most approx. 5% over aging, pressure mats (so-called gap pads) are placed between the battery cells in the battery module. The cells are usually initially braced with a small amount of pressure and thus held in position. The pressure mats and the module housing absorb the thickness change of 5% and generate a stronger pressure than the initial bracing pressure. Cell housings of pouch and hard case battery cells can withstand this small change in thickness and pressure.
Beim Laden und Entladen einer Batteriezelle mit SolidState-Technologie (also Feststoffbatterie) und Li-Metallanode ist eine Dickenänderung im Bereich von regelmäßig bis zu 20 % oder sogar mehr zu verzeichnen. Diese Dickenänderung erfordert eine neue Auslegung des Zellengehäuses als auch des Batteriemoduls. Das Zellengehäuse muss die Änderung der Erstreckung des Stapels von Elektrodenfolien und das Batteriemodul die Summe der Änderung der Erstreckungen aufnehmen. Das erfordert neben einem neuen Gehäusedesign eine geänderte Verspannung, zusätzlichen Bauraum sowie modifizierte Anschlüsse der Batteriezelle im Batteriemodul. Alle diese zu ändernden Merkmale eines Batteriemoduls müssen die durch das „Atmen“ der Batteriezelle hervorgerufenen Verschiebungen der einzelnen Komponenten aushalten und mitgehen.When charging and discharging a battery cell with solid-state technology (i.e. solid-state battery) and Li-metal anode, a change in thickness in the range of regularly up to 20% or even more can be observed. This change in thickness requires a new design of the cell housing and the battery module. The cell case must accommodate the change in extension of the stack of electrode foils and the battery module the sum of the change in extensions. In addition to a new housing design, this requires modified bracing, additional space and modified connections for the battery cell in the battery module. All of these characteristics of a battery module that need to be changed must be able to withstand and keep up with the displacements of the individual components caused by the "breathing" of the battery cell.
Die bekannten Druckmatten können diese Größenordnung der Dickenänderung nur bedingt auffangen. Ein weiteres Problem ist, dass das Modulgehäuse diesen starken Hub in der Hauptausdehnungsrichtung (der Dicke) für die hohen Zyklenzahlen nicht aushalten kann und es hierzu Beschädigungen kommt.The known pressure mats can only partially absorb this magnitude of the change in thickness. Another problem is that the module housing cannot withstand this strong stroke in the main direction of expansion (the thickness) for the high number of cycles, and this results in damage.
Der apparative Aufwand zum Kompensieren der Volumenänderung kann sehr kostenintensiv und fehleranfällig sein.The expenditure on equipment to compensate for the change in volume can be very expensive and error-prone.
Aus der
Aus der
Die
Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, die mit Bezug auf den Stand der Technik angeführten Probleme zumindest teilweise zu lösen. Insbesondere soll ein Batteriemodul und eine Batteriezelle vorgeschlagen werden, die eine Kompensation der Volumenänderung ermöglichen und gleichzeitig sicherstellen, dass eine Beschädigung des Batteriemoduls oder der Batteriezelle verhindert wird. Dabei sollen auch große Volumenänderungen sicher kompensierbar sein. Kosten und Montageaufwand sind möglichst gering zu halten.The object of the present invention is to at least partially solve the problems cited with reference to the prior art. In particular, a battery module and a battery cell are to be proposed which enable the volume change to be compensated for and at the same time ensure that damage to the battery module or the battery cell is prevented. It should also be possible to reliably compensate for large changes in volume. Costs and installation effort are to be kept as low as possible.
Zur Lösung dieser Aufgaben trägt ein Batteriemodul mit den Merkmalen gemäß Patentanspruch 1 und eine Batteriezelle gemäß Patentanspruch 6 bei. Vorteilhafte Weiterbildungen sind Gegenstand der abhängigen Patentansprüche. Die in den Patentansprüchen einzeln aufgeführten Merkmale sind in technologisch sinnvoller Weise miteinander kombinierbar und können durch erläuternde Sachverhalte aus der Beschreibung und/oder Details aus den Figuren ergänzt werden, wobei weitere Ausführungsvarianten der Erfindung aufgezeigt werden.A battery module with the features according to patent claim 1 and a battery cell according to
Es wird ein Batteriemodul vorgeschlagen, zumindest umfassend ein Modulgehäuse und darin angeordnet zumindest eine Mehrzahl von, insbesondere ausschließlich gleich ausgeführten, Batteriezellen. Jede der Batteriezellen weist ein, insbesondere elastisch, verformbares, gasdicht ausgeführtes Zellengehäuse und darin angeordnet mindestens einen Stapel aufeinander angeordneter Elektrodenfolien auf. Der mindestens eine Stapel weist in Abhängigkeit von einem Betrieb oder einer Alterung eine Hauptausdehnungsrichtung auf, in der der mindestens eine Stapel eine größte Veränderung einer Erstreckung des mindestens einen Stapels im Betrieb der Batteriezelle aufweist. Die Batteriezellen sind entlang der Hauptausdehnungsrichtung aufeinandergestapelt angeordnet. Innerhalb der Zellengehäuse ist jeweils mindestens ein erstes Ausdehnungskompensationselement angeordnet, das die Veränderung der Erstreckung des Stapels in der Hauptausdehnungsrichtung zumindest teilweise kompensiert.A battery module is proposed, at least comprising a module housing and arranged therein at least a plurality of battery cells, in particular exclusively identical battery cells. Each of the battery cells has, in particular, an elastically deformable, gas-tight cell housing and, arranged therein, at least one stack of electrode foils arranged one on top of the other. Depending on operation or aging, the at least one stack has a main direction of extension, in which the at least one stack has a greatest change in an extension of the at least one stack during operation of the battery cell. The battery cells are stacked on top of one another along the main direction of extension. At least one first expansion compensation element is arranged inside the cell housing, which at least partially compensates for the change in the extension of the stack in the main direction of expansion.
Ein Stapel von Elektrodenfolien weist in Abhängigkeit von einem Betrieb oder einer Alterung eine Hauptausdehnungsrichtung auf, in der eine Ausdehnung des Stapels vergleichsweise stärker auftritt als eine Ausdehnung in die anderen Richtungen. Die Ausdehnung in der Hauptausdehnungsrichtung ist insbesondere für den größten Anteil der Veränderung des Volumens des Stapels bzw. der Batteriezelle bzw. des sich dadurch vergrößernden Zellengehäuses verantwortlich.Depending on operation or aging, a stack of electrode foils has a main direction of expansion, in which an expansion of the stack is comparatively greater occurs as an extension in the other directions. The expansion in the main direction of expansion is responsible in particular for the largest proportion of the change in the volume of the stack or the battery cell or the cell housing, which increases in size as a result.
Jeder Stapel weist z. B. in Abhängigkeit von einem in ihm gespeicherten Energieinhalt ein bestimmtes Volumen auf, das sich zwischen einem, bei einem geringen Energieinhalt bzw. geringem SOC (state-of-charge; also Ladezustand), geringen Volumen und einem, bei einem hohen Energieinhalt bzw. hohem SOC, großen Volumen verändert. Die Volumenänderung findet insbesondere im Wesentlichen im Bereich der mindestens einen Anode des Stapels statt. Die Anode, z. B. bestehend aus Graphit oder einem Metall, bzw. bei einer Lithium-Ionen-Batteriezelle aus metallischem Lithium, verändert ihr Volumen durch die Interkalation der Lithium-Ionen bzw. die Abscheidung von reinem metallischem Lithium.Each stack has z. B. depending on the energy content stored in it, a certain volume, which ranges between a low volume with a low energy content or low SOC (state-of-charge; i.e. state of charge) and a low volume with a high energy content or high SOC, large volume changes. The change in volume takes place in particular essentially in the area of the at least one anode of the stack. The anode, e.g. B. consisting of graphite or a metal, or in the case of a lithium-ion battery cell of metallic lithium, changes its volume through the intercalation of the lithium ions or the deposition of pure metallic lithium.
Die Anode ist insbesondere flächig als Elektrodenfolie ausgebildet und erstreckt sich mit der größten Fläche quer zur Hauptausdehnungsrichtung. Die Volumenänderung wirkt sich insbesondere im Wesentlichen in der Hauptausdehnungsrichtung aus, d. h. das Maß einer Dicke der Anode verändert sich in Abhängigkeit von dem Anodenmaterial.The anode is designed in particular as a flat electrode film and extends with the largest area transverse to the main direction of extension. The change in volume essentially affects the main direction of expansion, i. H. the degree of thickness of the anode varies depending on the anode material.
Insbesondere sind in jeder Batteriezelle Elektrodenfolien, also Anoden und Kathoden, aufeinandergestapelt angeordnet, wobei unterschiedliche Elektrodenfolien durch Separatorfolien oder ein Separatormaterial voneinander getrennt angeordnet sind. Das Separatormaterial kann auch als Feststoffelektrolyt ausgeführt sein. Die Elektrodenfolien sind in einem Elektrolyt angeordnet. Über das Zellengehäuse werden elektrische Anschlüsse aus der Batteriezelle nach außerhalb der Batteriezelle geleitet.In particular, electrode foils, ie anodes and cathodes, are stacked one on top of the other in each battery cell, with different electrode foils being arranged separated from one another by separator foils or a separator material. The separator material can also be designed as a solid electrolyte. The electrode foils are arranged in an electrolyte. Electrical connections are routed from the battery cell to the outside of the battery cell via the cell housing.
Ein Stapel umfasst mindestens eine Anode, eine Kathode und einen dazwischen angeordneten Separator. Der Stapel kann mehrere dieser Komponenten enthalten oder es können mehrere dieser Stapel innerhalb der Batteriezelle enthalten sein. Die mehreren Komponenten bzw. Stapel können miteinander in Reihe oder parallel-geschaltet sein.A stack comprises at least an anode, a cathode and a separator arranged therebetween. The stack may contain multiple of these components or multiple of these stacks may be contained within the battery cell. The multiple components or stacks can be connected in series or in parallel with one another.
Das Modulgehäuse ist insbesondere formstabil ausgeführt und damit bei bestimmungsgemäßem Gebrauch des Batteriemoduls nicht oder nur unwesentlich, insbesondere nicht zur Kompensation der Änderung der Erstreckung ausreichend, verformbar.The module housing is in particular designed to be dimensionally stable and is therefore not or only slightly deformable when the battery module is used as intended, in particular not sufficiently to compensate for the change in the extension.
Das jeweilige Zellengehäuse ist insbesondere gerade kein formstabiles Hardcase sondern ein verformbares Gehäuse, z. B. nach Art einer Pouchfolie, also einer verformbaren Verbundfolie. Eine Pouchfolie ist ein bekanntes verformbares Gehäuseteil, dass als Gehäuse für sogenannte Pouchzellen eingesetzt wird. Es handelt sich dabei um ein Kompositmaterial, z. B. umfassend einen Kunststoff und Aluminium.In particular, the respective cell housing is not a dimensionally stable hard case but a deformable housing, e.g. B. in the manner of a pouch film, ie a deformable composite film. A pouch film is a well-known deformable housing part that is used as a housing for so-called pouch cells. It is a composite material, e.g. B. comprising a plastic and aluminum.
Verformbar heißt hier insbesondere, dass sich die Form des Gehäuses ändern kann bzw. dass sich die Form des Gehäuses an die Form der darin angeordneten Komponenten anpasst. Dabei ändert sich nicht zwingend das Volumen innerhalb des Gehäuses. Insbesondere wird durch das verformbare Gehäuse keine Gehäuseform vorgegeben, wohl aber ein nur begrenzt veränderbares Volumen, z. B. um höchstens 5 %, bevorzugt um höchstens 2 %, besonders bevorzugt um höchstens 1 %. Bei einem Hardcase würde sich die Form des Gehäuses, auch lokal, nicht verändern.Deformable here means in particular that the shape of the housing can change or that the shape of the housing adapts to the shape of the components arranged therein. The volume within the housing does not necessarily change in the process. In particular, no housing shape is specified by the deformable housing, but only a limited variable volume, z. B. by not more than 5%, preferably by not more than 2%, particularly preferably by not more than 1%. With a hard case, the shape of the case would not change, even locally.
Insbesondere ist das Zellengehäuse elastisch verformbar.In particular, the cell housing is elastically deformable.
Mit der Verformbarkeit des Zellengehäuses kann eine gasdichte Abdichtung der Batteriezelle auch bei Änderung der Form und/ oder des Volumens der Batteriezelle gewährleistet bleiben.With the deformability of the cell housing, a gas-tight seal of the battery cell can remain guaranteed even if the shape and/or the volume of the battery cell changes.
Insbesondere ist innerhalb der Zellengehäuse jeweils ein erstes Ausdehnungskompensationselement angeordnet, über das die Veränderung des mindestens einen Stapels zumindest teilweise oder vollständig kompensiert werden kann. Damit kann innerhalb eines Zellengehäuses eine Dickenveränderung des mindestens einen Stapels zumindest teilweise ausgeglichen werden. Bei der Anordnung einer Mehrzahl derartiger Batteriezellen innerhalb eines Batteriegehäuses wird sich eine Position der Batteriezelle innerhalb des Modulgehäuses trotz der Veränderung der Erstreckung nicht wesentlich verändern. Weiterhin können Batteriezellen einfacher in einem Modulgehäuse angeordnet werden, da die Kompensation der Veränderung der Erstreckung bereits durch die Batteriezellen selbst erfolgen kann und weitere (zweite) Ausdehnungskompensationselemente (außerhalb der Batteriezellen angeordnet) nicht erforderlich sind.In particular, a first expansion compensation element is arranged inside the cell housing, via which the change in the at least one stack can be at least partially or completely compensated. A change in the thickness of the at least one stack can thus be at least partially compensated for within a cell housing. When a plurality of such battery cells are arranged within a battery housing, a position of the battery cell within the module housing will not change significantly despite the change in extent. Furthermore, battery cells can be arranged more easily in a module housing, since the change in extent can already be compensated for by the battery cells themselves and further (second) expansion compensation elements (arranged outside the battery cells) are not required.
Insbesondere kann das Ausdehnungskompensationselement durch ein Energiespeicherelement gebildet sein, z. B. eine Feder. Die Verformung des Energiespeicherelements ermöglicht die Speicherung der Verformungsenergie, die durch die Rückverformung wieder abgegeben werden kann.In particular, the expansion compensation element can be formed by an energy storage element, e.g. B. a spring. The deformation of the energy storage element enables the storage of the deformation energy, which can be released again through the rebound.
Insbesondere ist das Ausdehnungskompensationselement eine Blattfeder. Eine Blattfeder stützt sich insbesondere über zwei Enden an einer Komponente, z. B. dem Zellengehäuse, und über einen zwischen den Enden angeordneten Bereich an einer gegenüber der einen Komponente beweglichen anderen Komponente, z. B. dem Stapel, ab. Das Ausdehnungskompensationselement kann aber auch als andere Federart ausgebildet sein, z. B. als Spiralfeder, als Zugfeder, als Druckfeder, etc.In particular, the expansion compensation element is a leaf spring. A leaf spring is based in particular on two ends of a component such. B. the cell housing, and arranged between the ends of a region relative to the one component movable other component, z. B. the stack from. However, the expansion compensation element can also be designed as a different type of spring, e.g. B. as a spiral spring, as a tension spring, as a compression spring, etc.
Zur Abstützung des Ausdehnungskompensationselements gegenüber dem Zellengehäuse und/ oder gegenüber dem Stapel kann eine, insbesondere formstabile, Auflageplatte vorgesehen sein. Über die Auflageplatte kann die Fläche vergrößert werden, über die das Zellengehäuse und/ oder der Stapel mit dem Ausdehnungskompensationselement zur Kraftübertragung, also zur gegenseitigen Abstützung, verbunden ist.In order to support the expansion compensation element in relation to the cell housing and/or in relation to the stack, a supporting plate, in particular a dimensionally stable one, can be provided. The area over which the cell housing and/or the stack is connected to the expansion compensation element for force transmission, ie for mutual support, can be enlarged via the support plate.
Insbesondere ist das Zellengehäuse so ausgeführt, dass es sich im Betrieb der Batteriezelle, also beim Laden und Entladen, auch ohne äußere Abstützung nicht wesentlich verformt, da die Änderung der Erstreckung des mindestens einen Stapels innerhalb des Zellengehäuses kompensiert wird.In particular, the cell housing is designed so that it does not deform significantly during operation of the battery cell, ie during charging and discharging, even without external support, since the change in the extent of the at least one stack within the cell housing is compensated.
Insbesondere ist das Zellengehäuse so ausgeführt, dass es sich im Betrieb der Batteriezelle, also bei Laden und Entladen und ohne äußere Abstützung, verformt. Diese Verformung kann über die Anordnung von mehreren Batteriezellen in dem Modulgehäuse durch das Modulgehäuse oder durch mindestens ein zweites Ausdehnungskompensationselement, dass außerhalb der Zellengehäuse aber innerhalb des Modulgehäuses angeordnet ist, kompensiert bzw. aufgefangen werden. Insbesondere können die Zellengehäuse so zueinander angeordnet werden, dass sich die Zellengehäuse gegeneinander abstützen und so eine Veränderung der Form der Zellengehäuse verhindern.In particular, the cell housing is designed in such a way that it deforms during operation of the battery cell, ie during charging and discharging and without external support. This deformation can be compensated or absorbed by the arrangement of several battery cells in the module housing by the module housing or by at least one second expansion compensation element that is arranged outside the cell housing but inside the module housing. In particular, the cell housings can be arranged relative to one another in such a way that the cell housings are supported against one another and thus prevent the shape of the cell housings from changing.
Insbesondere sind die Batteriezellen Feststoffbatterien, wobei die Elektrodenfolien und ein in den Batteriezellen vorliegender Elektrolyt jeweils aus festem Material bestehen und die maximale Veränderung der Erstreckung jeder Batteriezelle mindestens 10 %, bevorzugt mindestens 15 %, besonders bevorzugt mindestens 20 %, beträgt.In particular, the battery cells are solid-state batteries, the electrode foils and an electrolyte present in the battery cells each consisting of solid material and the maximum change in the extension of each battery cell is at least 10%, preferably at least 15%, particularly preferably at least 20%.
Insbesondere kontaktieren die (zueinander benachbart angeordneten) Zellengehäuse zumindest eines Teils der aufeinander gestapelten Batteriezellen, bevorzugt aller Batteriezellen, einander unmittelbar.In particular, the cell housings (arranged adjacent to one another) make direct contact with at least some of the battery cells stacked on top of one another, preferably all of the battery cells.
Insbesondere ist zwischen dem Zellengehäuse und zumindest eines Teils der aufeinander gestapelten Batteriezellen ein zweites Ausdehnungskompensationselement angeordnet.In particular, a second expansion compensation element is arranged between the cell housing and at least some of the battery cells stacked on top of one another.
Insbesondere kompensieren die Ausdehnungskompensationselemente, bevorzugt nur die ersten Ausdehnungskompensationselemente, die Veränderung der Erstreckungen der Stapel der Mehrzahl der Batteriezellen zu mindestens 90 %, bevorzugt zu mindestens 95 %.In particular, the expansion compensation elements, preferably only the first expansion compensation elements, compensate the change in the extents of the stacks of the plurality of battery cells by at least 90%, preferably by at least 95%.
Insbesondere können auch mehrere Batteriezellen bzw. Stapel von Batteriezellen nebeneinander in dem Batteriegehäuse angeordnet sein.In particular, several battery cells or stacks of battery cells can also be arranged next to one another in the battery housing.
Die Ausführungen zu dem ersten Ausdehnungskompensationselement gelten insbesondere auch für das zweite Ausdehnungskompensationselement. Das zweite Ausdehnungskompensationselement kann aber auch als Druckmatte ausgeführt sein.The statements regarding the first expansion compensation element also apply in particular to the second expansion compensation element. However, the second expansion compensation element can also be designed as a pressure mat.
Es wird weiter eine Batteriezelle vorgeschlagen, zumindest aufweisend ein verformbares, gasdicht ausgeführtes Zellengehäuse und darin angeordnet mindestens einen Stapel aufeinander angeordneter Elektrodenfolien. Der mindestens eine Stapel weist in Abhängigkeit von einem Betrieb oder einer Alterung eine Hauptausdehnungsrichtung auf, in der der mindestens eine Stapel eine größte Veränderung einer Erstreckung des mindestens einen Stapels im Betrieb der Batteriezelle aufweist. Innerhalb des Zellengehäuses ist jeweils mindestens ein erstes Ausdehnungskompensationselement angeordnet, das die Veränderung der Erstreckung des Stapels in der Hauptausdehnungsrichtung zumindest teilweise kompensiert.A battery cell is also proposed, at least having a deformable, gas-tight cell housing and arranged therein at least one stack of electrode foils arranged one on top of the other. Depending on operation or aging, the at least one stack has a main direction of extension, in which the at least one stack has a greatest change in an extension of the at least one stack during operation of the battery cell. At least one first expansion compensation element is arranged inside the cell housing, which at least partially compensates for the change in the extension of the stack in the main direction of expansion.
Die Ausführungen zu dem Batteriemodul gelten insbesondere in gleicher Weise für die Batteriezelle und umgekehrt.The statements on the battery module apply in particular in the same way to the battery cell and vice versa.
Die Batteriezelle ist in dem beschriebenen Batteriemodul einsetzbar bzw. ist darin angeordnet.The battery cell can be used in the battery module described or is arranged therein.
Insbesondere ist das mindestens eine erste Ausdehnungskompensationselement zwischen dem mindestens einen Stapel und dem Zellengehäuse angeordnet.In particular, the at least one first expansion compensation element is arranged between the at least one stack and the cell housing.
Insbesondere ist zwischen jeder in die Hauptausdehnungsrichtung weisenden Zellengehäuseseite und dem mindestens einen Stapel jeweils mindestens ein erstes Ausdehnungskompensationselement angeordnet.In particular, at least one first expansion compensation element is arranged between each cell housing side pointing in the main direction of expansion and the at least one stack.
Insbesondere weist die Batteriezelle eine Mehrzahl von entlang der Hauptausdehnungsrichtung aufeinander gestapelter Stapel auf, wobei zumindest zwischen zwei, benachbart zueinander angeordneten Stapeln ein erstes Ausdehnungskompensationselement angeordnet ist. Das mindestens eine Ausdehnungskompensationselement kann aber auch innerhalb eines Stapels angeordnet sein.In particular, the battery cell has a plurality of stacks stacked on top of one another along the main direction of expansion, a first expansion compensation element being arranged at least between two stacks arranged adjacent to one another. However, the at least one expansion compensation element can also be arranged within a stack.
Insbesondere umfasst das erste Ausdehnungskompensationselement ein elastisch verformbares Federelement.In particular, the first expansion compensation element comprises an elastically deformable spring element.
Insbesondere wird das Batteriemodul in einem Kraftfahrzeug eingesetzt bzw. verwendet, insbesondere zur Bereitstellung elektrischer Energie für einen Traktionsantrieb.In particular, the battery module is used in a motor vehicle, in particular to provide electrical energy for a traction drive.
Die Verwendung unbestimmter Artikel („ein“, „eine“, „einer“ und „eines“), insbesondere in den Patentansprüchen und der diese wiedergebenden Beschreibung, ist als solche und nicht als Zahlwort zu verstehen. Entsprechend damit eingeführte Begriffe bzw. Komponenten sind somit so zu verstehen, dass diese mindestens einmal vorhanden sind und insbesondere aber auch mehrfach vorhanden sein können.The use of indefinite articles (“a”, “an”, “an” and “an”), particularly in the claims and the description reflecting them, is to be understood as such and not as a numeral. Correspondingly introduced terms or components are to be understood in such a way that they are present at least once and in particular can also be present several times.
Vorsorglich sei angemerkt, dass die hier verwendeten Zahlwörter („erste“, „zweite“, ...) vorrangig (nur) zur Unterscheidung von mehreren gleichartigen Gegenständen, Größen oder Prozessen dienen, also insbesondere keine Abhängigkeit und/oder Reihenfolge dieser Gegenstände, Größen oder Prozesse zueinander zwingend vorgeben. Sollte eine Abhängigkeit und/oder Reihenfolge erforderlich sein, ist dies hier explizit angegeben oder es ergibt sich offensichtlich für den Fachmann beim Studium der konkret beschriebenen Ausgestaltung. Soweit ein Bauteil mehrfach vorkommen kann („mindestens ein“), kann die Beschreibung zu einem dieser Bauteile für alle oder ein Teil der Mehrzahl dieser Bauteile gleichermaßen gelten, dies ist aber nicht zwingend.As a precaution, it should be noted that the numerals used here (“first”, “second”, ...) primarily (only) serve to distinguish between several similar objects, sizes or processes, i.e. in particular no dependency and/or sequence of these objects, sizes or make processes mandatory for each other. Should a dependency and/or order be necessary, this is explicitly stated here or it is obvious to the person skilled in the art when studying the specifically described embodiment. If a component can occur several times (“at least one”), the description of one of these components can apply equally to all or part of the majority of these components, but this is not mandatory.
Die Erfindung sowie das technische Umfeld werden nachfolgend anhand der beiliegenden Figuren näher erläutert. Es ist darauf hinzuweisen, dass die Erfindung durch die angeführten Ausführungsbeispiele nicht beschränkt werden soll. Insbesondere ist es, soweit nicht explizit anders dargestellt, auch möglich, Teilaspekte der in den Figuren erläuterten Sachverhalte zu extrahieren und mit anderen Bestandteilen und Erkenntnissen aus der vorliegenden Beschreibung zu kombinieren. Insbesondere ist darauf hinzuweisen, dass die Figuren und insbesondere die dargestellten Größenverhältnisse nur schematisch sind. Es zeigen:
-
1 : eine bekannte Batteriezelle in ungeladenem Zustand in einer Seitenansicht im Schnitt; -
2 : die Batteriezelle nach1 in geladenem Zustand in einer Seitenansicht im Schnitt; -
3 : eine Batteriezelle nach einer ersten Ausführungsvariante in ungeladenem Zustand in einer Seitenansicht im Schnitt; -
4 : dieBatteriezelle nach 3 in geladenem Zustand in einer Seitenansicht im Schnitt; -
5 : eine Batteriezelle nach einer zweiten Ausführungsvariante in ungeladenem Zustand in einer Seitenansicht im Schnitt; -
6 : eine Batteriezelle nach einer dritten Ausführungsvariante in ungeladenem Zustand in einer Seitenansicht im Schnitt; -
7 : eine Batteriezelle nach einer vierten Ausführungsvariante in ungeladenem Zustand in einer Seitenansicht im Schnitt; und -
8 : ein Batteriemodul in einer Seitenansicht im Schnitt.
-
1 : a known battery cell in the uncharged state in a side view in section; -
2 : the battery cell after1 in the loaded state in a side view in section; -
3 1: a battery cell according to a first embodiment variant in the uncharged state in a side view in section; -
4 : the battery cell after3 in the loaded state in a side view in section; -
5 1: a battery cell according to a second embodiment variant in the uncharged state in a side view in section; -
6 1: a battery cell according to a third embodiment variant in the uncharged state in a side view in section; -
7 1: a battery cell according to a fourth embodiment variant in the uncharged state in a side view in section; and -
8th : a battery module in a side view in section.
Die
Die Batteriezelle 3 weist ein verformbares, gasdicht ausgeführtes Zellengehäuse 4 und darin angeordnet einen Stapel 5 aufeinander angeordneter Elektrodenfolien 6, 7 auf. Der Stapel 5 weist in Abhängigkeit von einem Betrieb oder einer Alterung eine Hauptausdehnungsrichtung 8 auf, in der der Stapel 5 eine größte Veränderung einer Erstreckung 9 des Stapels 5 im Betrieb der Batteriezelle 3 aufweist. Das Zellengehäuse 4 verändert die Form und das Volumen zur Kompensation der Veränderung der Erstreckung 9 des Stapels 5 in Abhängigkeit von dem Ladezustand der Batteriezelle 3.The
Die Batteriezelle 3 weist ein verformbares, gasdicht ausgeführtes Zellengehäuse 4 und darin angeordnet einen Stapel 5 aufeinander angeordneter Elektrodenfolien 6, 7. Der Stapel 5 weist in Abhängigkeit von einem Betrieb oder einer Alterung eine Hauptausdehnungsrichtung 8 auf, in der der Stapel 5 eine größte Veränderung einer Erstreckung 9 des Stapels 5 im Betrieb der Batteriezelle 3 aufweist. Das Zellengehäuse 4 verändert weder die Form noch das Volumen zur Kompensation der Veränderung der Erstreckung 9 des Stapels 5 in Abhängigkeit von dem Ladezustand der Batteriezelle 3.The
Der Stapel 5 weist in Abhängigkeit von einem Betrieb oder einer Alterung eine Hauptausdehnungsrichtung 8 auf, in der eine Ausdehnung des Stapels 5 vergleichsweise stärker auftritt als eine Ausdehnung in die anderen Richtungen. Die Ausdehnung in der Hauptausdehnungsrichtung 8 ist insbesondere für den größten Anteil der Veränderung des Volumens des Stapels 5 verantwortlich.Depending on operation or aging, the
In der Batteriezelle 3 sind erste Elektrodenfolien 6, also Anoden, und zweite Elektrodenfolien 7, also Kathoden, aufeinandergestapelt angeordnet, wobei unterschiedliche Elektrodenfolien 6, 7 durch Separatorfolien 14 getrennt sind. Das Separatormaterial kann als Feststoffelektrolyt ausgeführt sein. Die Elektrodenfolien 6, 7 sind in einem Elektrolyt 11 angeordnet. Über das Zellengehäuse 4 werden elektrische Anschlüsse (nicht dargestellt) in bekannter Weise aus der Batteriezelle 3 nach außerhalb der Batteriezelle 3 geleitet.In the
Innerhalb des Zellengehäuses 3 sind zwei erste Ausdehnungskompensationselemente 10 angeordnet, über das die Veränderung der Erstreckung 9 des Stapels 5 vollständig kompensiert werden kann. Beide erste Ausdehnungskompensationselemente 10 sind zwischen dem Stapel 5 und dem Zellengehäuse 3 angeordnet. Damit ist zwischen jeder in die Hauptausdehnungsrichtung 8 weisenden Zellengehäuseseite 13 und dem Stapel 5 jeweils ein erstes Ausdehnungskompensationselement 10 angeordnet.Two first
Damit kann innerhalb eines Zellengehäuses 3 eine Dickenveränderung des Stapels 5 ausgeglichen werden. Die ersten Ausdehnungskompensationselemente 10 sind jeweils durch ein als Blattfeder ausgeführtes Energiespeicherelement gebildet. Jede Blattfeder stützt sich über zwei Enden an einer Auflageplatte 15 und über die Auflageplatte 15 an dem Zellengehäuse 4, und über einen zwischen den Enden angeordneten Bereich an dem gegenüber dem Zellengehäuse 4 beweglichen Stapel 5 bzw. an einer an dem Stapel 5 angeordneten Auflageplatte 15 ab. Über die Auflageplatte 15 kann die Fläche vergrößert werden, über die das Zellengehäuse 4 und der Stapel 5 mit dem ersten Ausdehnungskompensationselement 10 zur Kraftübertragung, also zur gegenseitigen Abstützung, verbunden ist.A change in the thickness of the
Das Zellengehäuse 3 ist so ausgeführt, dass es sich im Betrieb der Batteriezelle 3, also beim Laden und Entladen, auch ohne äußere Abstützung nicht wesentlich verformt, da die Änderung der Erstreckung 9 des mindestens einen Stapels 5 innerhalb des Zellengehäuses 3 kompensiert wird.The
Das Batteriemodul 1 umfasst ein Modulgehäuse 2 und darin angeordnet drei ausschließlich gleich ausgeführte Batteriezellen 3. Jede der Batteriezellen 3 weist ein verformbares, gasdicht ausgeführtes Zellengehäuse 4 und darin angeordnet einen Stapel 5 aufeinander angeordneter Elektrodenfolien 6, 7 auf. Der Stapel 5 weist in Abhängigkeit von einem Betrieb oder einer Alterung eine Hauptausdehnungsrichtung 8 auf, in der der Stapel 5 eine größte Veränderung einer Erstreckung 9 des Stapels 5 im Betrieb der Batteriezelle 3 aufweist. Die Batteriezellen 3 sind entlang der Hauptausdehnungsrichtung 8 aufeinandergestapelt angeordnet. Innerhalb der Zellengehäuse 4 sind jeweils zwei erste Ausdehnungskompensationselemente 10 angeordnet, die die Veränderung der Erstreckung 9 des Stapels 5 in der Hauptausdehnungsrichtung 8 kompensieren.The battery module 1 comprises a
Die Zellengehäuse 4 sind so ausgeführt, dass sie sich im Betrieb der Batteriezellen 3, also bei Laden und Entladen und ohne äußere Abstützung, verformen würden. Diese Verformung wird über die Anordnung von mehreren Batteriezellen 3 in dem Modulgehäuse 2 durch das Modulgehäuse 2 oder durch das eine zweite Ausdehnungskompensationselement 12, das außerhalb der Zellengehäuse 4 aber innerhalb des Modulgehäuses 2 angeordnet ist, kompensiert bzw. aufgefangen. Die Zellengehäuse 3 sind so zueinander angeordnet, dass sich die Zellengehäuse 3 gegeneinander abstützen und so eine Veränderung der Form der Zellengehäuse 3 verhindern. Damit verändern sich weder die Form noch das Volumen der Zellengehäuse 3 zur Kompensation der Veränderung der Erstreckung 9 der Stapel 5 in Abhängigkeit von dem Ladezustand der Batteriezellen 3.The
Die zueinander benachbart angeordneten Zellengehäuse 3 der aufeinander gestapelten Batteriezellen 3 kontaktieren einander unmittelbar.The mutually
Das zweite Ausdehnungskompensationselement 12 ist als Druckmatte ausgeführt.The second
Das Modulgehäuse 2 ist formstabil ausgeführt und damit bei bestimmungsgemäßem Gebrauch des Batteriemoduls 1 nicht oder nur unwesentlich, insbesondere nicht zur Kompensation der Änderung der Erstreckung 9 ausreichend, verformbar.The
Das jeweilige Zellengehäuse 4 ist gerade kein formstabiles Hardcase sondern ein verformbares Gehäuse nach Art einer Pouchfolie, also einer verformbaren Verbundfolie.The
BezugszeichenlisteReference List
- 11
- Batteriemodulbattery module
- 22
- Modulgehäusemodule housing
- 33
- Batteriezellebattery cell
- 44
- Zellengehäusecell housing
- 55
- Stapelstack
- 66
- erste Elektrodenfoliefirst electrode foil
- 77
- zweite Elektrodenfoliesecond electrode foil
- 88th
- Hauptausdehnungsrichtungmain direction of expansion
- 99
- Erstreckungextent
- 1010
- erstes Ausdehnungskompensationselementfirst expansion compensation element
- 1111
- Elektrolytelectrolyte
- 1212
- zweites Ausdehnungskompensationselementsecond expansion compensation element
- 1313
- Zellengehäuseseitecell housing side
- 1414
- Separatorfolieseparator film
- 1515
- Auflageplattesupport plate
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNGQUOTES INCLUDED IN DESCRIPTION
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Zitierte PatentliteraturPatent Literature Cited
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- DE 102016206671 A1 [0015]DE 102016206671 A1 [0015]
- DE 102018212450 A1 [0016]DE 102018212450 A1 [0016]
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