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Die Erfindung betrifft ein Modulgehäuse für ein Batteriemodul zum Aufnehmen eines Zellstapels mit mehreren in einer Stapelrichtung nebeneinander angeordneten Batteriezellen des Batteriemoduls. Dabei weist das Modulgehäuse eine erste Endplatteneinheit und eine zweite Endplatteneinheit zur beidseitigen Begrenzung des Zellstapels in Stapelrichtung sowie zwei Seitenplatteneinheiten mit jeweils einer Seitenplatte auf, wobei die erste Endplatteneinheit und die zweite Endplatteneinheit durch die zwei sich in eine vorbestimmte Längserstreckungsrichtung erstreckenden und sich gegenüberliegenden Seitenplatten miteinander verbunden sind, wobei die erste und zweite Endplatteneinheit und die zwei Seitenplatteneinheiten derart zueinander angeordnet sind, dass durch diese ein Aufnahmebereich zur Aufnahme des Zellstapels umschossen ist. Die Erfindung betrifft auch ein Batteriemodul mit einem solchen Modulgehäuse, eine Seitenplatteneinheit für ein solches Modulgehäuse und ein Verfahren zum Bereitstellen eines Batteriemoduls.
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Hochvoltbatterien für Elektro- oder Hybridfahrzeuge sind in der Regel so aufgebaut, dass in einem Gesamtbatteriegehäuse mehrere Batteriemodule aufgenommen sind, die wiederum mehrere Batteriezellen umfassen. Die Batteriezellen eines Batteriemoduls sind dabei in der Regel in Form eines Zellstapels nebeneinander angeordnet und können zudem durch zwischen den jeweiligen Batteriezellen angeordnete Platten zur elektrischen und thermischen Isolierung voneinander separiert sein. Ein Modulgehäuse für ein solches Batteriemodul ist oftmals in Form eines Rahmens um den Zellstapel bereitgestellt. Ein solcher Rahmen kann dabei also zwei Endplatteneinheiten aufweisen, die dann den Zellstapel in Stapelrichtung begrenzen, sowie zwei Seitenplatten, über welche die Endplatteneinheiten miteinander verbunden sind. Ein solcher Rahmen kann dabei gleichzeitig auch die Funktion der Verspannung des Zellstapels übernehmen. Batteriemodule mit prismatischen Zellen und/oder Pouch-Zellen werden üblicherweise bei der Montage vorgespannt, das heißt, es wird eine Vorspannkraft auf den Zellstapel über die Endplatteneinheiten aufgebracht und diese Vorspannkraft dann über das Modulgehäuse beziehungsweise über eine mechanische Bandage oder Ähnliches fixiert. Diese Verspannung des Zellstapels dient als Maßnahme gegen zu schnelles Altern der Zellen und ermöglicht damit lange Lebensdauern. Insbesondere soll dabei die Spannkraft dem ladungsbedingten und alterungsbedingten Aufblähen der Batteriezellen entgegenwirken. Entsprechend wirken auf die Seitenplatten, über welche die Endplatteneinheiten miteinander verbunden sind, große Kräfte. Mit anderen Worten müssen diese Seitenplatten hohen mechanischen Anforderungen genügen. Entsprechend werden diese aus Metall, insbesondere aus Stahlblech oder Edelstahl, gefertigt, um diesen hohen Anforderungen gerecht zu werden. Da zudem die Zellgehäuse der Batteriezellen üblicherweise aus Metall sind, müssen die Seitenplatten sowie auch die Endplatteneinheiten elektrisch von den Batteriezellen isoliert werden. Dies erfolgt, indem beispielsweise zwischen den Endplatteneinheiten und dem Zellstapel ein zusätzlicher Kunststoffeinleger eingebracht ist oder die Endplatteneinheiten in Richtung des Aufnahmebereichs mit einer elektrisch isolierenden Isolierfolie beklebt sind. Auf diese Seitenplatten können entsprechend innenseitig, das heißt dem Aufnahmebereich zugewandt, mit einer Kunststofffolie beklebt sein, um eine elektrische Isolierung zu den Batteriezellen bereitzustellen. Wird eine solche Isolierung beschädigt, zum Beispiel im Falle eines Unfalls des Kraftfahrzeugs, so besteht die Gefahr eines Kurzschlusses zwischen Batteriezellen und dem Modulgehäuse. Zudem weisen übliche Modulgehäuse ein hohes Gewicht auf.
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Die
DE 10 2013 210 932 A1 beschreibt ein Batteriegehäuse zur Aufnahme einer Batteriezelle, wobei eine Wandung des Batteriegehäuses einen Kanal zur Aufnahme eines Temperiermittels umfasst, und die Batteriezelle mittels des Temperiermittels in dem Kanal temperiert werden kann. Dabei kann das Batteriegehäuse beziehungsweise die Wandung mit dem Kühlkanal einen Polymerwerkstoff, zum Beispiel einen faserverstärkten Polymerwerkstoff, umfassen.
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Des Weiteren beschreibt die
EP 3 053 206 B1 ein Batteriemodul mit einem Batteriemodulgehäuse, welches einen Batteriemodulinnenraum umschließt und welches batteriemodulinnenraumseitig Aufnahmen für eine vorgegebene Anzahl von Batteriezellen aufweist. Dabei weist das Batteriemodulgehäuse im Bereich mindestens einer Aufnahme einen Sicherheitswandabschnitt auf, dessen Materialeigenschaften und dessen Dicke derart beschaffen sind, dass der Sicherheitswandabschnitt ein möglichst schnelles Durchbrennen zeigt. Damit soll sich im Falle eines Batteriebrands eine Öffnung im Batteriemodulgehäuse bilden, so dass die durch die Flamme frei werdende Energie durch die entstandene Öffnung im Batteriemodulgehäuse aus dem Batteriemodul entweichen kann. Zu diesem Zweck kann der Sicherheitswandabschnitt aus einem entsprechenden Kunststoff gebildet sein.
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Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, ein Modulgehäuse, ein Batteriemodul, eine Seitenplatteneinheit und ein Verfahren bereitzustellen, die es ermöglichen, ein Modulgehäuse bereitzustellen, welches sehr hohen mechanischen Anforderungen genügen kann und gleichzeitig möglichst sicher und effizient ausgebildet ist.
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Diese Aufgabe wird gelöst durch ein Modulgehäuse, ein Batteriemodul, eine Seitenplatteneinheit und ein Verfahren mit den Merkmalen gemäß den jeweiligen unabhängigen Patentansprüchen. Vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung sind Gegenstand der abhängigen Patentansprüche, der Beschreibung sowie der Figuren.
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Ein erfindungsgemäßes Modulgehäuse für ein Batteriemodul zum Aufnehmen eines Zellstapels mit mehreren in einer Stapelrichtung nebeneinander angeordneten Batteriezellen des Batteriemoduls weist eine erste Endplatteneinheit und eine zweite Endplatteneinheit zur beidseitigen Begrenzung des Zellstapels in Stapelrichtung und zwei Seitenplatteneinheiten mit jeweils einer Seitenplatte auf, wobei die erste Endplatteneinheit und die zweite Endplatteneinheit durch die zwei sich in eine vorbestimmte Längserstreckungsrichtung erstreckenden und sich gegenüberliegenden Seitenplatten miteinander verbunden sind, wobei die erste und zweite Endplatteneinheit und die zwei Seitenplatteneinheiten derart zueinander angeordnet sind, dass durch diese ein Aufnahmebereich zur Aufnahme des Zellstapels umschlossen ist. Dabei weist die Seitenplatte mindestens einer der Seitenplatteneinheiten einen Grundkörper auf, der aus einem elektrisch isolierenden Material gebildet ist, und welcher unmittelbar an den Aufnahmebereich angrenzt, und ein sich mindestens über eine Gesamtlänge des Aufnahmebereichs in der Längserstreckungsrichtung erstreckendes Metallband, welches nicht an den Aufnahmebereich angrenzt.
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Die Erfindung beruht dabei auf der Erkenntnis, dass elektrisch isolierende Materialen, wie beispielsweise Kunststoffe, deutlich leichter sind als Metalle und auch eine deutlich kostengünstigere Ausbildung von Bauteilen erlauben als Metalle, und aufgrund ihrer elektrisch isolierenden Eigenschaften zudem besonders vorteilhaft für die Verwendung in einem Modulgehäuse sind, diese jedoch andererseits deutlich weniger stark mechanisch beanspruchbar sind als Bauteile aus metallischem Material. Durch die Kombination eines Grundkörpers aus einem elektrisch isolierenden Material, insbesondere aus einem Kunststoff, mit einem Metallband zu einer Seitenplatte, können gerade zur Bereitstellung eines Modulgehäuses die großen Vorteile sowohl von Kunststoff als auch von Metall vereint werden. Dadurch, dass die Seitenplatte nicht vollständig, insbesondere vorzugsweise noch nicht mal mehr zum Großteil bezogen auf ihr Gesamtvolumen aus Metall gefertigt ist, sondern stattdessen aus einem elektrisch isolierenden Material, insbesondere einem Kunststoff, kann enorm an Gewicht eingespart werden, und gleichzeitig kann durch den so bereitgestellten Grundkörper eine elektrische Isolierung des Metallbands zum Zellstapel bereitgestellt werden. Eine separate Isolationsfolie ist daher nicht mehr nötig. Durch das Metallband lässt sich dennoch vorteilhafterweise die erforderliche mechanische Stabilität einer solchen Seitenplatte bereitstellen. Somit können so bereitgestellten Seitenplatten ohne Weiteres den auf den Zellstapel auszuübenden Spannkräften standhalten. Ein besonders großer Vorteil dieser Ausbildung der Seitenplatte besteht zudem noch darin, dass durch dieses Metallband weiterhin die Möglichkeit einer besonders einfachen und stabilen Anbindung der Seitenplatte an die beiden Endplatteneinheiten gegeben ist. Insbesondere können zum Beispiel die Enden dieses Metallbands mit den Endplatteneinheiten, die vorzugsweise metallisch sind oder zumindest metallische Komponenten umfassen, verschweißt werden, wie dies später näher erläutert wird. Derart stabile Verbindungen lassen sich beispielsweise zwischen Kunststoffen und Metallen in der Regel nicht bereitstellen, zumindest nicht auf einfache Art und Weise. Daher ermöglicht es die Erfindung vorteilhafterweise, ein stabiles und mechanisch sehr strapazierfähiges Modulgehäuse für ein Batteriemodul bereitzustellen, welches eine deutlich höhere Isoliersicherheit durch den elektrisch isolierenden Grundkörper aufweist und zudem ein besonders geringes Gewicht und eine einfache und kostengünstige Herstellung ermöglicht.
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Das Batteriemodul, für welches das Modulgehäuse Anwendung finden soll, kann wie eingangs beschrieben aufgebaut sein. Dieses kann neben dem Modulgehäuse einen Zellstapel aufweisen, welcher im Modulgehäuse aufgenommen ist. Ein solcher Zellstapel kann wiederum mehrere in der Stapelrichtung nebeneinander angeordnete Batteriezellen, zum Beispiel Lithium-Ionen-Zellen, die zudem vorzugsweise als prismatische Zellen ausgebildet sind, aufweisen. Zwischen den einzelnen Batteriezellen können in Stapelrichtung wiederum wie eingangs ebenfalls beschrieben, Trennplatten beziehungsweise Zelltrennelemente zur elektrischen und thermischen Isolierung angeordnet sein. Ein solcher Zellstapel kann entsprechend nach Zusammensetzen eine im Wesentlichen quaderförmige Geometrie aufweisen. Der Aufnahmebereich kann somit ebenso eine quaderförmige Geometrie haben. Entsprechend kann von den Endplatteneinheiten und den jeweiligen Seitenplatten ein rechteckiger Bereich umschlossen sein.
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Ist ein solcher Zellstapel bestimmungsgemäß in einem erfindungsgemäßen Modulgehäuse oder einer seiner Ausgestaltungen aufgenommen, so korrespondiert die Stapelrichtung zur vorbestimmten Längserstreckungsrichtung. Die Endplatteneinheiten können weiterhin mehrere Einzelkomponenten umfassen, wie beispielsweise eine innere Endplatte, welche auf der dem Aufnahmebereich zugewandten Seite der entsprechenden Endplatteneinheit angeordnet ist, und eine äußere Endplatte, welche auf der dem Aufnahmebereich abgewandten Seite der inneren Endplatte an dieser inneren Endplatte angeordnet ist. In dieser äußeren Endplatte kann beispielsweise eine Steuereinheit, zum Beispiel ein Zellmanagementcontroller aufgenommen sein. Sowohl die innere als auch die äußere Endplatte können dabei aus Metall gefertigt sein oder metallische Komponenten umfassen. Unter einem Metall soll dabei auch eine Legierung aus verschiedenen Metallen verstanden werden können.
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Weiterhin ist es bevorzugt, dass das Modulgehäuse keinen Gehäuseboden aufweist. Dagegen kann das Modulgehäuse einen Deckel, der von oben auf den von den Seitenplatteneinheiten und Endplatteneinheiten bereitgestellten Rahmen aufgesetzt werden kann, aufweisen. Ist ein Zellstapel bestimmungsgemäß im Modulgehäuse angeordnet, so sind die Zellpole diesem Deckel zugewandt. Dadurch, dass das Modulgehäuse unterseitig offen ist, das heißt keinen Modulgehäuseboden aufweist, kann ein so bereitgestelltes Batteriemodul in einem Gesamtbatteriegehäuse, zum Beispiel zusammen mit anderen Batteriemodulen eingesetzt werden, wobei durch den durch dieses Gesamtbatteriegehäuse Gehäuseboden eine Kühleinrichtung bereitgestellt werden kann. Dies erlaubt es, die Batteriezellen des Batteriemoduls direkt an einen solchen Kühlboden des Gesamtbatteriegehäuses anzubinden.
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Weiterhin können auch beide Seitenplatten der beiden Seitenplatteneinheiten des Modulgehäuses gleich ausgebildet sein, was auch aufgrund der oben beschriebenen Vorteile bevorzugt ist. Nichtsdestoweniger ist es grundsätzlich denkbar, die beiden Seitenplatteneinheiten unterschiedlich auszubilden.
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Der Grundkörper der Seitenplatte ist weiterhin vorzugsweise so ausgebildet, dass dieser im Falle eines in das Modulgehäuse aufgenommenen Zellstapels die dem Grundkörper zugewandten Seiten der Batteriezellen vollständig abdeckt. Der Grundkörper kann also zum Beispiel als durchgehende Kunststoffplatte ausgebildet sein, die eine im Wesentlichen rechteckige Form hat. Gegebenenfalls können an einer Seite, beispielsweise einer Oberseite, Kunststoffausformungen zum Beispiel für eine Kabelführung in der Batterie vorhanden sein. Diese Kunststoffausformungen können zum Beispiel in der Form von Halterungen für Kabel oder auch als Kabelkanal bereitgestellt sein. Die Ausbildung des Grundkörpers der Seitenplatte aus einem Kunststoff, wie zum Beispiel PE (Polyethylen), hat folglich noch den weiteren großen Vorteil, dass sich Zusatzkomponenten, wie die beschriebenen Kabelführungselemente oder Halterungselement deutlich einfacher und kostengünstiger integrieren lassen. Sie können zum Beispiel im gleichen Fertigungsschritt wie zum Bereitstellen des Grundkörpers gleich mit gefertigt werden, beispielsweise durch ein Spritzgussverfahren. Bislang war es erforderlich solche Komponenten separat zu fertigen und an das Metallbauteil zur Bereitstellung der herkömmlichen Seitenplatten in zusätzlichen Fertigungsschritte zu montieren.
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Bei einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung ist das Metallband am Grundkörper auf einer dem Aufnahmebereich abgewandten Seite angeordnet, und insbesondere am Grundkörper befestigt. Beispielsweise kann das Metallband am Grundkörper durch Heißverstemmen oder einer anderen geeigneten Verbindungstechnik zur Verbindung von Metallteilen mit Kunststoffteilen befestigt sein. Beispielsweise kann das Metallband auch am Grundkörper angeklebt sein.
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Grundsätzlich ist es auch denkbar, dass das Metallband beispielsweise in den Grundkörper integriert ist, zumindest zum Großteil zum Beispiel in den Grundkörper beim Fertigen eingegossen wurde. Die aussenseitige Anbringung des Metallbands am Grundkörper hat jedoch den Vorteil, dass dies deutlich einfacher zu fertigen ist und zudem das Metallband dadurch einen größeren Abstand zu den im Modulgehäuse aufgenommenen Batteriezellen aufweist, wodurch gerade im Falle eines Unfalls mehr Sicherheit bereitgestellt werden kann.
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Weiterhin ist es bevorzugt, dass das Metallband aus Stahl oder Edelstahl gefertigt ist, besonders bevorzugt durch verzinkten Stahl. Dadurch kann eine besonders hohe mechanische Stabilität und eine kostengünstige Ausbildung bereitgestellt werden.
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Zudem kann die Seitenplatte nicht nur ein solches Metallband aufweisen, wenngleich dies auch bevorzugt ist, sondern es können auch mehrere parallel zueinander verlaufende Metallbänder vorgesehen sein.
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Bei einer weiteren, sehr vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung ist das Metallband in der Längserstreckungsrichtung länger als der Grundkörper und steht beidseitig in der Längserstreckungsrichtung über den Grundkörper hinaus. Diese hinausstehenden Enden können somit vorteilhafterweise zur Anbindung der Seitenplatte an den Endplatteneinheiten verwendet werden. Entsprechend ist es also weiterhin bevorzugt, dass jeweilige über den Grundkörper in der Längserstreckungsrichtung hinausstehende Teile des Metallbands an der ersten und zweiten Endplatteneinheit befestigt sind. Beispielsweise können diese hinausstehenden Teile an der Endplatteneinheit angeschweißt sein, zum Beispiel an der oben beschriebenen inneren oder äußere Endplatte der Endplatteneinheit. Dadurch kann eine besonders stabile und strapazierfähige Verbindung zwischen den Endplatteneinheiten und den Seitenplatten bereitgestellt werden. Diese hält insbesondere den typischerweise im Zellmodul beziehungsweise Batteriemodul auftretenden Spann- und Swellingkräften stand.
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Weiterhin ist es bevorzugt, dass das Metallband in einer Richtung senkrecht zur Längserstreckungsrichtung, also insbesondere in Richtung einer Höhe, kürzer ausgebildet ist als der Grundkörper. Die Höhe kann in eine Richtung von der offenen Modulgehäuseunterseite hin zum Modulgehäusedeckel definiert sein. Die Seitenplatten erstrecken sich in der Längserstreckungsrichtungsrichtung, wie beschrieben, während sich die Endplatten dazu senkrecht in Richtung der Breite erstrecken, wobei die Breite ebenfalls zur Höhe senkrecht ist. Dadurch, dass das Metallband eine geringere Höhe aufweist als der Grundkörper, kann es gewährleistet werden, dass das Metallband nicht in Kontakt mit den im Modulgehäuse aufgenommenen Batteriezellen gelangen kann. Zudem kann hierdurch zusätzlich Gewicht eingespart werden.
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Bei einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung weist das Metallband mindestens eine in der Längserstreckungsrichtung verlaufende Versteifungskontur, zum Beispiel eine Versteifungsrippe, auf. Durch derartige dreidimensional ausgeformte Konturen, die zum Beispiel einfach als Prägung bereitgestellt werden können, kann die Gesamtsteifigkeit und Robustheit eines solchen Metallbands erhöht werden. Insbesondere kann hierdurch vor allem die Spannkraft in der Längserstreckungsrichtung erhöht werden. Dies erlaub zudem eine reduzierte Höhe und/oder Dicke des Metallbands senkrecht zur Höhe und Längserstreckungsrichtung. Die Höhe des Metallbands kann beispielsweise in etwa der Hälfte der Höhe des Grundkörpers entsprechen, der zum Beispiel 115 mm hoch sein kann. Die dicke des Metallbands liegt vorzugsweise im einstelligen Millimeterbereich oder weniger, zum Beispiel bei ca. 1 mm bis 1, 5 mm.
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Bei einer weiteren sehr vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung weist die Seitenplatteneinheit eine Isolierplatte aus einem elektrisch isolierenden Material auf, die sich an ein Ende des Grundkörpers an diesen stoffschlüssig anschließt und einen Winkel mit diesem einschließt, insbesondere ca. 90°, wobei die Isolierplatte zwischen der ersten oder zweiten Endplatteneinheit und dem Aufnahmebereich angeordnet ist, insbesondere so, dass ein in den Aufnahmebereich aufgenommener Zellstapel die erste bzw. zweite Endplatteneinheit nicht berührt. Durch diese Isolierplatte kann vorteilhafterweise der eingangs erwähnte Kunststoffeinleger beziehungsweise die Isolierfolie zwischen der betreffenden Endplatteneinheit und dem Zellstapel eingespart werden. Der große Vorteil bei dieser Ausgestaltung besteht vor allem darin, dass nunmehr ein solcher Kunststoffeinleger nicht mehr separat gefertigt und eingesetzt werden muss, sondern dass dieser als Teil der Seitenplatteneinheit bereitgestellt werden kann. Insbesondere können beispielsweise der Grundkörper und diese Isolierplatte als ein gemeinsames flaches Kunststoffteil beziehungsweise als eine Kunststoffplatte gefertigt werden, wobei dann eine geradlinige Materialschwächung in diese Kunststoffplatte eingebracht werden kann, die den Grundkörper von der Isolierplatte abgrenzt. Diese Materialschwächung entlang dieser geradlinig verlaufenden Linie stellt entsprechend eine Knickkante im Kunststoff bereit, und kann zum Beispiel durch eine eingebrachte Nut oder Einprägelinie bereitgestellt sein. Diese Kunststoffplatte kann so entlang dieser Knickkante um 90° geknickt werden, wodurch dann letztendlich die an den Grundkörper angrenzende und stoffschlüssig mit diesem verbundene Isolierplatte bereitgestellt wird. Mit anderen Worten kann die Isolierplatte durch Knicken eines Teils einer ursprünglich bereitgestellten Kunststoffplatte bereitgestellt werden. Der restliche, nicht geknickte Teil stellt letztendlich den Grundkörper bereit, auf welchem das Metallband wie beschrieben angeordnet ist. So können sowohl die Seitenplatte als auch die Isolierplatte zwischen dem Zellstapel und der Endplatteneinheit durch ein Bauteil bereitgestellt werden. Dies hat den weiteren große Vorteil, dass hierdurch auch Spalte zwischen dem Grundkörper und der Isolierplatte, die aus einem gleichen Bauteil bereitgestellt und auch nach dem Knicken weitern stoffschlüssig miteinander verbunden bleiben, vermieden werden können. Dies ist gerade im Hinblick auf die Isoliersicherheit besonders vorteilhaft, da auch im Laufe der Zeit eine Kurzschlussgefahr durch sich verändernde Spaltbreiten zwischen Isolierteilen resultieren kann.
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Dabei sind die beiden Seitenplatteneinheiten vorzugsweise so ausgeführt, dass eine Seitenplatteneinheit eine Isolierplatte zwischen der ersten Endplatteneinheit und dem Aufnahmebereich bereitstellt, und die andere Seitenplatteneinheit eine korrespondierende Isolierplatte zwischen dem Aufnahmebereich und der zweiten Endplatteneinheit. Auf diese Weise lässt sich durch die beiden Seitenplatteneinheiten eine den Aufnahmebereich vollständig umschließende Isolierung bereitstellen. Dies erlaubt eine deutlich effizientere Fertigung und eine Reduzierung der Gesamtzahl erforderlicher einzelner Bauteile.
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Um Beispielsweise zu vermeiden, dass eventuell ein Spalt wischen der Isolierpatte einer ersten Seitenplatteneinheit und dem in Umlaufrichtung angrenzenden Grundkörper der anderen Seitenplatteneinheit entsteht, kann sich zum Beispiel an die Isolierplatte einer der Seitenplatteneinheiten ein weiterer um 90° geknickter Isolierabschnitt anschließen, der mit dem Grundkörper der anderen der Seitenplatten überlappt. Alternativ kann sich ein solcher um 90° geknickter Isolierabschnitt auch am Grundkörper auf der der Isolierplatte gegenüberliegenden Seite anschließen, so dass dieser Isolierabschnitt in Umlaufsrichtung zumindest zum Teil mit der Isolierplatte der anderen Seitenplatteneinheit überlappt. Durch solche Überlappungen kann entsprechend die Isoliersicherheit gerade an den Ecken des Aufnahmebereichs durch die Vermeidung von Spalten erhöht werden und auch im Laufe der Zeit, insbesondere auch beim Ausdehnen des Moduls im Laufe der Lebensdauer, sichergestellt werden.
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Wie bereits erwähnt, ist es vorteilhaft, wenn die Grenze zwischen dem Grundkörper und der Isolierplatte mit einer Materialschwächung, insbesondere einer Einkerbung, ausgebildet ist. Dadurch kann bei der Fertigung vorteilhafterweise eine Knickkante bereitgestellt werden, so dass sich die Isolierplatte einfach gegenüber dem Grundkörper umknicken beziehungsweise biegen lässt, um somit diesen in einem vorbestimmten Winkel, wie beispielsweise 90° einzuschießen. Entsprechendes gilt auch für den zusätzlichen Isolierabschnitt.
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Des Weiteren betrifft die Erfindung auch ein Batteriemodul mit einem erfindungsgemäßen Modulgehäuse oder eine seiner Ausgestaltungen. Die für das erfindungsgemäße Modulgehäuse und seine Ausgestaltungen beschriebenen Vorteile gelten in gleicher Weise für das erfindungsgemäße Batteriemodul. Zudem weist das erfindungsgemäße Batteriemodul vorzugsweise einen in dem Aufnahmeraum aufgenommenen Zellstapel auf, der, wie bereits zuvor beschrieben, ausgebildet sein kann. Die Stapelrichtung entspricht dabei der Längserstreckungsrichtung des Modulgehäuses beziehungsweise der Seitenplatten.
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Des Weiteren betrifft die Erfindung auch eine Seitenplatteneinheit für ein Modulgehäuse, insbesondere für ein erfindungsgemäßes Modulgehäuse oder eine seine Ausgestaltungen. Insbesondere kann diese Seitenplatteneinheit wie bereits zum erfindungsgemäßen Modulgehäuse oder zu seinen Ausführungsformen beschrieben ausgestaltet sein. Entsprechend wird eine Seitenplatteneinheit für ein Modulgehäuse für ein Batteriemodul zum Aufnehmen eines Zellstapels mit mehreren in einer Stapelrichtung nebeneinander angeordneten Batteriezellen des Batteriemoduls in einen Aufnahmebereich des Modulgehäuses bereitgestellt, wobei die Seitenplatteneinheit eine Seitenplatte umfasst, die zur Verbindung zweier Endplatteneinheiten des Modulgehäuses ausgelegt ist. Weiterhin weist die Seitenplatte einen aus einem elektrisch isolierenden Material gebildeten Grundkörper zur unmittelbaren Anordnung an dem Aufnahmebereich auf, und ein sich mindestens über eine Gesamtlänge des Grundkörpers in der Längserstreckungsrichtung erstreckendes Metallband, welches nicht an dem Aufnahmebereich angrenzt.
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Des Weiteren betrifft die Erfindung auch ein Verfahren zum Bereitstellen eines Batteriemoduls, wobei ein Zellstapel mit mehreren in einer Stapelrichtung nebeneinander angeordneten Batteriezellen bereitgestellt wird, zwei Endplatteneinheiten zur beidseitigen Begrenzung des Zellstapels in Stapelrichtung bereitgestellt werden und zwei Stapelplatteneinheiten mit jeweils einer Seitenplatte bereitgestellt werden. Weiterhin werden die beiden Endplatteneinheiten durch die zwei sich in eine vorbestimmte Längserstreckungsrichtung erstreckenden und sich gegenüberliegenden Seitenplatten verbunden, so dass die erste und zweite Endplatteneinheit und die zwei Seitenplatteneinheiten derart zueinander angeordnet sind, dass durch diese ein Aufnahmebereich umschlossen ist, in welchem der Zellstapel aufgenommen ist. Weiterhin weist die Seitenplatte mindestens einer der Seitenplatteneinheiten einen Grundkörper, der aus einem elektrisch isolierenden Material gebildet ist, und ein sich mindestens über eine Gesamtlänge des Aufnahmebereichs in der Längserstreckungsrichtung erstreckendes Metallband auf, wobei die Seitenplatte derart an den beiden Endplatteneinheiten angeordnet wird, dass der Grundkörper unmittelbar an den im Aufnahmebereich aufgenommenen Zellstapel angrenzt und das Metallband nicht an dem Zellstapel angrenzt.
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Auch hier gelten die in Bezug auf das erfindungsgemäße Modulgehäuse und seine Ausführungsformen beschriebenen Vorteile in gleicher Weise für das erfindungsgemäße Verfahren.
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Bei einer vorteilhaften Weiterbildungen des erfindungsgemäßen Verfahrens ist es vorgesehen, dass beim Bereitstellen der zwei Seitenplatteneinheiten die mindestens eine der Seitenplatteneinheiten mit einer Isolierplatte aus einem elektrisch isolierenden Material bereitgestellt wird, die sich in der Längserstreckungsrichtung an ein Ende des Grundkörpers an diesen stoffschlüssig anschließt und in einer Ebene mit dem Grundkörper liegt, wobei die Isolierplatte vor einer Befestigung der Seitenplatte an den Endplatteneinheiten um einen Winkel gegenüber dem Grundkörper geknickt wird, insbesondere um 90°, und die Seitenplatteneinheit derart am Zellstapel angeordnet wird, dass die Isolierplatte zwischen einer der Endplatteneinheiten und dem Zellstapel angeordnet ist, insbesondere so, dass ein in dem Aufnahmebereich aufgenommener Zellstapel die erste beziehungsweise zweite Endplatteneinheit nicht berührt.
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Bevor die Seitenplatten durch Befestigen der oben beschriebenen überstehenden Enden des Metallbands an den Endplatteneinheiten befestigt wird, kann der Zellstapel unter Kraftbeaufschlagung in Stapelrichtung zusammengepresst werden, insbesondere mit einer Kraft von 8 kN, und dann kann das Metallband mit den Endplatteneinheiten verschweißt werden. Anschließend kann die Kraftbeaufschlagung beendet werden. So kann der Zellstapel in den durch das Modulgehäuse bereitgestellten Rahmen eingespannt werden.
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Zu der Erfindung gehören auch Weiterbildungen des erfindungsgemäßen Verfahrens, die Merkmale aufweisen, wie sie bereits im Zusammenhang mit den Weiterbildungen des erfindungsgemäßen Modulgehäuses beschrieben worden sind. Aus diesem Grund sind die entsprechenden Weiterbildungen des erfindungsgemäßen Verfahrens hier nicht noch einmal beschrieben.
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Auch eine Batterie mit einem erfindungsgemäßen Batteriemodul, sowie ein Kraftfahrzeug mit einer solchen Batterie, die vorzugsweise als Hochvoltbatterie ausgebildet ist, soll als zur Erfindung gehörend angesehen werden. Das erfindungsgemäße Kraftfahrzeug ist bevorzugt als Kraftwagen, insbesondere als Personenkraftwagen oder Lastkraftwagen, oder als Personenbus oder Motorrad ausgestaltet.
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Die Erfindung umfasst auch die Kombinationen der Merkmale der beschriebenen Ausführungsformen. Die Erfindung umfasst also auch Realisierungen, die jeweils eine Kombination der Merkmale mehrerer der beschriebenen Ausführungsformen aufweisen, sofern die Ausführungsformen nicht als sich gegenseitig ausschließend beschrieben wurden.
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Im Folgenden sind Ausführungsbeispiele der Erfindung beschrieben. Hierzu zeigt:
- 1 eine schematische Explosionsdarstellung eines Batteriemoduls mit einem Modulgehäuse gemäß einem Ausführungsbeispiel der Erfindung; und
- 2 eine schematische Darstellung einer Seitenplatteneinheit für ein Modulgehäuse vor dem Zusammenbau gemäß einem Ausführungsbeispiel der Erfindung.
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Bei den im Folgenden erläuterten Ausführungsbeispielen handelt es sich um bevorzugte Ausführungsformen der Erfindung. Bei den Ausführungsbeispielen stellen die beschriebenen Komponenten der Ausführungsformen jeweils einzelne, unabhängig voneinander zu betrachtende Merkmale der Erfindung dar, welche die Erfindung jeweils auch unabhängig voneinander weiterbilden. Daher soll die Offenbarung auch andere als die dargestellten Kombinationen der Merkmale der Ausführungsformen umfassen. Des Weiteren sind die beschriebenen Ausführungsformen auch durch weitere der bereits beschriebenen Merkmale der Erfindung ergänzbar.
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In den Figuren bezeichnen gleiche Bezugszeichen jeweils funktionsgleiche Elemente.
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1 zeigt eine schematische Explosionsdarstellung eines Batteriemoduls 10 mit einem Modulgehäuse 12 gemäß einem Ausführungsbeispiel der Erfindung. Neben dem Modulgehäuse 12 weist das Batteriemodul 10 einen Zellstapel 14 mit mehreren in einer Stapelrichtung x nebeneinander angeordneten Batteriezellen 16 auf. Zwischen zwei jeweils nebeneinander angeordneten Batteriezellen 16 kann zudem ein Zelltrennelement 18 zur elektrischen und thermischem Isolation der Batteriezellen 16 voneinander angeordnet sein. Beispielsweise kann ein solches Batteriemodul 10 beziehungsweise ein solcher Zellstapel 14 sechzehn Batteriezellen 16 und entsprechend fünfzehn Zelltrennelemente 18 umfassen. Die Stapelrichtung x korrespondiert hierbei zu einer Längserstreckungsrichtung x des Modulgehäuses 12. Dieses umfasst zwei den Zellstapel 14 in Stapelrichtung x begrenzende Endplatteneinheiten 20a, 20b. Diese können jeweils eine innere Endplatte 22 umfassen, welche jeweils dem Aufnahmebereich 24, in welchem der Zellstapel 14 aufgenommen ist, zugewandt ist, sowie jeweils eine äußere Endplatte 26, die dem Aufnahmebereich 24 abgewandt angeordnet ist. Weiterhin kann beispielsweise an der äußeren Endplatte 26 der ersten der Endplatteneinheiten 20a noch eine Steuereinheit 28, zum Beispiel ein Zellmanagementcontroller, angeordnet sein. Diese beiden Endplatteneinheiten 20a sind weiterhin beidseitig über zwei Seitenplatten 30, die sich in Längserstreckungsrichtung x erstrecken, miteinander verbunden. Die Seitenplatten 20 sind dabei gegenüberliegend angeordnet. Die Seitenplatten 30 schließen zusammen mit den Endplatteneinheiten 20a, 20b einen quaderförmigen Aufnahmebereich 24 ein, in welchem der Zellstapel 14 angeordnet ist. Diese jeweiligen Seitenplatten 30 sind dabei Teil einer Seitenplatteneinheit 32. Eine solche Seitenplatte 30 weist dabei zum einen einen Grundkörper 34 aus einem elektrisch isolierenden Material auf. Dieser Grundkörper 34 ist vorzugsweise zumindest zum Großteil aus Kunststoff gebildet oder auch vollständig aus einem Kunststoff gebildet. Weiterhin weist eine jeweilige Seitenplatte 30 ein Metallband 36 auf. Dieses Metallband 36 ist außenseitig am Kunststoffkörper 34 angeordnet, das heißt auf einer dem Aufnahmebereich 24 abgewandten Seite des Grundkörpers 34. Weiterhin ist dieses Metallband 36 in z-Richtung kleiner ausgebildet als der Grundkörper 34. Dagegen ist das Metallband 36 in x-Richtung, das heißt in Längserstreckungsrichtung x, länger ausgebildet als der Grundkörper 34. Dadurch sind beidseitig am Grundkörper 34 überstehende Enden 36a des Metallbands bereitgestellt, über welche die Seitenplatten 36 jeweils vorteilhafterweise an den Endplatteneinheiten 20a, 20b befestigt werden können, zum Beispiel durch Schweißen. Ein solches Metallband 36 kann zum Beispiel aus verzinktem Stahl oder Edelstahl gefertigt sein. Das durch den Grundkörper 34 bereitgestellte Kunststoffteil deckt die ganze Seite des Moduls ab, das heißt der Grundkörper 34 erstreckt sich über die Gesamtheit der ihm zugewandten Seitenfläche des Zellstapels 14.
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Weiterhin schließt am Grundkörper 34 stoffschlüssig eine Isolierplatte 38 an, die in 1 lediglich schematisch gestrichelt angedeutet ist. 2 zeigt nochmal eine Detailansicht einer Seitenplatteneinheit 32 in einem Ausgangszustand vor dem Verbau. Der Grundkörper 34 und die Isolierplatte 38 können also aus einem gemeinsamen Kunststoffteil bereitgestellt sein. Dann kann der Isolierteil 38 durch Knicken um eine bereitgestellte Knickkante 40 um zum Beispiel circa 90° gegenüber dem Grundkörper 34 geknickt werden, um die in 1 dargestellte Form anzunehmen. Eine solche Knickkante 40 kann zum Beispiel durch eine entsprechende Materialschwächung in der Kunststoffplatte 34, 38 bereitgestellt sein. Vorzugsweise sind beide Seitenplatteneinheiten 32 des Modulgehäuses 12 auf diese Weise bereitgestellt. Dadurch wird der Zellstapel 14 umlaufend von einer Isolierung umgeben, die durch die beschriebenen Kunststoffteile der beiden Seitenplatteneinheiten 32 bereitgestellt ist. Diese Kunststoffteile, das heißt die jeweiligen Grundkörper 34, sowie die korrespondierenden daran angeschlossenen Isolierplatten 38 schützen das Batteriemodul beziehungsweise den Zellstapel 14 vor Fremdkörpern beziehungsweise Kurzschlüssen. Dadurch, dass eine Seite des Kunststoffteils der Seitenplatteneinheit 32 entsprechend verlängert ist und so ausgeführt ist, dass es um 90° geknickt werden kann, kann diese dadurch bereitgestellte Isolierplatte 38 vorteilhafterweise zur Isolierung der Endplatte beziehungsweise der Endplatteneinheit 20a, 20b dienen. Das Batteriemodul 10 wird entsprechend so zusammengebaut, dass sich letztendlich diese jeweiligen Isolierplatten 38 der jeweiligen Seitenplatteneinheiten 32 zwischen dem Zellstapel 14 und der inneren Endplatte 22 der jeweiligen Endplatteneinheiten 20a, 20b befinden. Dadurch werden für das Batteriemodul 10 zwei Teile eingespart. Um die Isoliersicherheit weiter zu steigern, kann sich auf der dem Grundkörper 34 gegenüberliegenden Seite der Isolierplatte 38 ein weiterer Isolierabschnitt 38` bereitgestellt sein, der gegenüber der Isolierplatte um 90° geknickt werden kann, so dass dieser ebenfalls weiterhin stoffschlüssig mit der Isolierplatte 38 verbunden bleibt, aber parallel zum Grundkörper 34 ausgerichtet ist. Dadurch überlappt dieser Isolierabschnitt 38 im zusammengebauten Modul 10 mit dem Grundkörper 34 der anderen Seitenplatteneinheit 32. Spalten in Eckbereichen können so vollständig vermieden werden. Alternativ kann dieser in 2 gestrichelt dargestellte Isolierabschnitt 38` auch am Grundkörper 34 auf der der Isolierplatte 38 gegenüberliegenden Seite angeordnet sein.
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Das Metallband 36 kann über eine oder mehrere Verbindungsstellen 42 mit dem Grundkörper 34 verbunden sein, zum Beispiel durch Heißverstemmen. Weiterhin weist das Metallband 36 vorzugsweise eine Versteifungskontur 44 auf, wodurch die Festigkeit des Metallbands 36 erhöht werden kann. Weiterhin können oberseitig im Grundkörper 36 noch Ausformungen 46 bereitgestellt sein, zum Beispiel in Form von Halterungen, die der Kabelführung in der Batterie dienen können. Im Übrigen kann das Modul 10, wie in 1 dargestellt, noch eine Zellverschaltungseinrichtung 50 oberhalb der Zellen 16, sowie einen Deckel 48 aufweisen, der das Modul 10 oberseitig verschließt.
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Insgesamt zeigen die Beispiele, wie durch die Erfindung eine optimierte Seitenplatte für prismatische Zellmodule bereitgestellt werden kann, die es ermöglicht, den Schutz der empfindlichen Zellen vor Kurzschlüssen zu erhöhen und mehrere Teile eines Batteriemoduls einzusparen. Zusätzlich kann ein deutlich geringeres Gewicht der Seitenplatten erreicht werden. Solche Seitenplatten beziehungsweise Seitenplatteneinheiten werden in der Batterie vierundzwanzig Mal verbaut. Dadurch kann enorm an Gewicht eingespart werden. Auch lassen sich hierdurch die Kosten reduzieren.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- DE 102013210932 A1 [0003]
- EP 3053206 B1 [0004]
