DE102021111629A1 - Electrical assembly of battery cells and method for producing the same - Google Patents

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Abstract

Es werden ein Herstellungsverfahren für einen elektrischen Verbund (1) sowie ein elektrischer Verbund (1) von Batteriezellen vorgeschlagen. Der elektrische Verbund umfasst eine erste Batteriezelle (2) mit einem ersten Zellmantel (3), eine zweite Batteriezelle (2) mit einem zweiten Zellmantel (3), und einen thermisch isolierenden Glasmantel (4) aus massivem Glas zwischen der ersten Batteriezelle (2) und der zweiten Batteriezelle (2).A manufacturing method for an electrical assembly (1) and an electrical assembly (1) of battery cells is proposed. The electrical assembly comprises a first battery cell (2) with a first cell casing (3), a second battery cell (2) with a second cell casing (3), and a thermally insulating glass casing (4) made of solid glass between the first battery cell (2) and the second battery cell (2).

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft einen elektrischen Verbund von Batteriezellen sowie ein Herstellungsverfahren für einen elektrischen Verbund von Batteriezellen. Insbesondere betrifft die vorliegende Erfindung eine Vermeidung einer Erwärmung von Batteriezellen innerhalb eines elektrischen Verbundes von Batteriezellen durch thermisch „durchgegangene“ Batteriezellen, welche eine überhöhte Temperatur aufweisen.The present invention relates to an electrical assembly of battery cells and a manufacturing method for an electrical assembly of battery cells. In particular, the present invention relates to preventing battery cells from heating up within an electrical network of battery cells due to thermally “runaway” battery cells that have an excessive temperature.

Das thermische Management eines elektrischen Energiespeichers stellt eine der Hauptsäulen eines elektrischen Energiespeichers dar. Das thermische Management hat Einfluss auf Lebensdauer, Performance und Betriebssicherheit des Energiespeichers. Der Energiespeicher und die in ihm als kleinste Einheiten enthaltenen Batteriezellen können je nach Bedarf gekühlt oder geheizt werden. Hierbei kommen verschiedene Medien und Technologien zum Einsatz. Ein Zielkonflikt des thermischen Managements besteht darin, dass einerseits die einzelne Batteriezelle gut an des Kühl-/Heizsystem angebunden sein soll, andererseits im Falle eines thermischen Ereignisses einer Batteriezelle die thermische Energie gezielt abgeführt und die Nachbarzellen gegen unerwünschten Wärmeeintrag geschützt werden müssen.The thermal management of an electrical energy store is one of the main pillars of an electrical energy store. The thermal management influences the service life, performance and operational reliability of the energy store. The energy storage and the battery cells contained in it as the smallest units can be cooled or heated as required. Various media and technologies are used for this. A conflict of objectives in thermal management is that, on the one hand, the individual battery cell should be well connected to the cooling/heating system, and on the other hand, in the event of a thermal event in a battery cell, the thermal energy must be dissipated in a targeted manner and the neighboring cells must be protected against unwanted heat input.

Grundsätzlich bestehen zwei Möglichkeiten, im Falle eines thermischen Ereignisses einer Batteriezelle die übermäßige Energieübertragung auf einzelne Nachbarzellen zu verzögern oder sogar zu stoppen. Beispielsweise wird die Wärme möglichst gleichmäßig auf die Nachbarzellen und angrenzenden thermischen Speicher (thermische Massen) verteilt. Hierbei ist zu beachten, dass die Nachbarzellen möglichst nicht oder nur sehr verzögert selbst eine thermische Anomalie (thermisches Event) erfahren. Alternativ wird die Wärme in der betroffenen Batteriezelle gehalten, wozu benachbarte Batteriezellen thermisch gegenüber der betroffenen Batteriezelle isoliert und zusätzlich an geeignete thermische Massen zur Wärmeabfuhr wärmeleitend angeschlossen werden müssen. Eine thermische Isolation wird im Stand der Technik beispielsweise über Silikon, Mica, Glimmer oder andere Isolationsstoffe erreicht.In principle, there are two ways of delaying or even stopping the excessive energy transfer to individual neighboring cells in the event of a thermal event in a battery cell. For example, the heat is distributed as evenly as possible to the neighboring cells and adjacent thermal storage (thermal masses). It should be noted here that the neighboring cells do not experience a thermal anomaly (thermal event) themselves, or only do so with a very long delay. Alternatively, the heat is retained in the affected battery cell, for which purpose neighboring battery cells must be thermally insulated from the affected battery cell and additionally connected to suitable thermal masses for heat dissipation. In the prior art, thermal insulation is achieved, for example, using silicone, mica, mica or other insulating materials.

GB 256,400 offenbart eine Batteriezelle vom Leclanche-Typ oder ähnlichen Typ, welche einen Becher aus Glas aufweist, in welchem die Zellchemie enthalten ist. Auch ein Deckel des Glasbechers kann selbst aus Glas gefertigt werden.GB 256,400 discloses a Leclanche or similar type battery cell having a glass can in which the cell chemistry is contained. A lid of the glass cup can also be made of glass yourself.

Im Stand der Technik verwendete Isolationsstoffe sind meist nicht formstabil, da der Schmelzpunkt nur eingeschränkt nach oben erweiterbar und die thermische Kapazität begrenzt ist.Insulating materials used in the prior art are usually not dimensionally stable, since the melting point can only be increased upwards to a limited extent and the thermal capacity is limited.

Ausgehend vom vorgenannten Stand der Technik ist es eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung, das thermische Management eines Verbundes elektrischer Energiespeicher bzw. Batteriezellen zu verbessern.Proceeding from the aforementioned prior art, it is an object of the present invention to improve the thermal management of an assembly of electrical energy stores or battery cells.

Erfindungsgemäß wird ein elektrischer Verbund von Batteriezellen vorgeschlagen, welcher auch als Akkumulator oder Batterie ausgestaltet sein kann. Insbesondere ist der elektrische Verbund von Batteriezellen zur Verwendung als Traktionsbatterie eines elektrisch antreibbaren Fortbewegungsmittels vorgesehen. Er umfasst eine erste Batteriezelle, welche einen ersten Zellmantel aufweist. Der Zellmantel ist dazu eingerichtet, die Zellchemie, also die Elektrolytlösungen und Feststoffe, aufzunehmen. Die erste Batteriezelle kann beispielsweise als Standard-Batteriezelle ausgestaltet sein, wie sie derzeit für die Verwendung in elektrisch antreibbaren Fortbewegungsmitteln, insbesondere PKWs, gefertigt werden. Derartige Batteriezellen können einen im Wesentlichen zylindrischen Körper aufweisen. In diesem Fall werden die Batteriezellen als Rundzellen oder zylindrische Batteriezellen bezeichnet. Ebenso umfasst der elektrische Verbund von Batteriezellen eine zweite Batteriezelle mit einem zweiten Zellmantel. Für die zweite Batteriezelle gilt das in Verbindung mit der ersten Batteriezelle Gesagte in entsprechender Weise. Insbesondere können beide Batteriezellen hinsichtlich ihrer Spezifikation identisch sein. Zusätzlich ist ein thermisch isolierender Glasmantel aus massivem Glas zwischen der ersten Batteriezelle und der zweiten Batteriezelle vorgesehen. Mit anderen Worten befindet sich der Glasmantel zwischen dem ersten Zellmantel und dem zweiten Zellmantel. Glas hat hierbei den Vorteil eines sehr hohen Schmelzpunktes sowie des weniger ausgeprägten exothermen Potentials. Der Zellmantel ist insbesondere als die zylindrische Mantelfläche der jeweiligen Batteriezelle zu verstehen. Die Längsachsen der jeweiligen Batteriezelle können parallel zueinander liegen, so dass die Stirnflächen der einzelnen Batteriezellen (erste Batteriezelle und zweite Batteriezelle) im Wesentlichen in einer identischen Ebene liegen. Auf diese Weise kann der Glasmantel eine thermische Isolation der ersten Batteriezelle gegenüber der zweiten Batteriezelle (und anders herum) bewirken, während die Stirnfläche der ersten Batteriezelle und der zweiten Batteriezelle thermisch an ein Heiz-/Kühlsystem gekoppelt sein können, ohne dass der Glasmantel eine Wärmezufuhr oder Wärmeabfuhr über die Stirnflächen verhindert.According to the invention, an electrical combination of battery cells is proposed, which can also be designed as an accumulator or battery. In particular, the electrical assembly of battery cells is provided for use as a traction battery of an electrically drivable means of transportation. It includes a first battery cell, which has a first cell casing. The cell coat is designed to absorb the cell chemistry, i.e. the electrolyte solutions and solids. The first battery cell can be designed, for example, as a standard battery cell, such as is currently manufactured for use in electrically driven means of transportation, in particular passenger cars. Such battery cells can have an essentially cylindrical body. In this case, the battery cells are referred to as round cells or cylindrical battery cells. The electrical assembly of battery cells also includes a second battery cell with a second cell casing. What was said in connection with the first battery cell applies to the second battery cell in a corresponding manner. In particular, both battery cells can be identical in terms of their specification. In addition, a thermally insulating glass jacket made of solid glass is provided between the first battery cell and the second battery cell. In other words, the glass jacket is located between the first cell jacket and the second cell jacket. Glass has the advantage of a very high melting point and a less pronounced exothermic potential. The cell jacket is to be understood in particular as the cylindrical jacket surface of the respective battery cell. The longitudinal axes of the respective battery cell can lie parallel to one another, so that the end faces of the individual battery cells (first battery cell and second battery cell) lie essentially in an identical plane. In this way, the glass jacket can thermally insulate the first battery cell from the second battery cell (and vice versa), while the end face of the first battery cell and the second battery cell can be thermally coupled to a heating/cooling system without the glass jacket supplying heat or prevents heat dissipation via the end faces.

Die Unteransprüche zeigen bevorzugte Weiterbildungen der Erfindung.The dependent claims show preferred developments of the invention.

Der Glasmantel kann einteilig oder mehrteilig ausgeführt sein. Die erste Batteriezelle kann beispielsweise einen ersten Glasmantel und die zweite Batteriezelle einen zweiten, nicht einstückig mit dem ersten Glasmantel gefertigten zweiten Glasmantel aufweisen. Jeder Glasmantel weist bevorzugt eine Ausnehmung auf, innerhalb welcher zumindest eine Batteriezelle des elektrischen Verbundes von Batteriezellen angeordnet ist. Somit ist sichergestellt, dass eine durchgehende Batteriezelle ihre überschüssige Wärme nicht an andere Batteriezellen, sondern in erster Linie an das Heiz-/Kühlsystem abgibt und Nachbarzellen thermisch geschützt sind. Die Stirnflächen der ersten Batteriezelle und der zweiten Batteriezelle können durch einen Deckel und/oder einen Boden thermisch an das Heiz-/Kühlsystem angeschlossen werden. Der Deckel und der Boden können gemeinsam mit dem Glasmantel ein Volumen definieren, innerhalb dessen die Batteriezelle und insbesondere sämtliche zu ihr gehörende Teile enthalten sind. Dies schließt optional der Batteriezelle zuzuordnende elektrische Anschlussleitungen zumindest anteilig nicht mit ein, welche durch den Deckel und/oder durch den Boden eine externe elektrische Kontaktierung der ersten Batteriezelle und der zweiten Batteriezelle (optional miteinander) ermöglichen.The glass jacket can be made in one piece or in several pieces. The first battery cell, for example, a first glass jacket and the second battery cell, a second, not integral with the first glass cladding have manufactured second glass cladding. Each glass jacket preferably has a recess, within which at least one battery cell of the electrical assembly of battery cells is arranged. This ensures that a continuous battery cell does not give off its excess heat to other battery cells, but primarily to the heating/cooling system and neighboring cells are thermally protected. The end faces of the first battery cell and the second battery cell can be thermally connected to the heating/cooling system by a cover and/or a base. The cover and the base, together with the glass jacket, can define a volume within which the battery cell and in particular all of the parts belonging to it are contained. This optionally does not include, at least in part, electrical connection lines to be assigned to the battery cell, which allow external electrical contacting of the first battery cell and the second battery cell (optionally with one another) through the cover and/or through the base.

Der Glasmantel kann ein einstückiger Glasmantel sein, der die erste Batteriezelle und/oder die zweite Batteriezelle umgibt. Insbesondere kann der Glasmantel eine Struktur aus massivem Glas sein, welche zwei oder mehr Ausnehmungen aufweist, wobei in den Ausnehmungen jeweils eine der Batteriezelle angeordnet ist. Man könnte einen solchen Glasmantel auch als „Monoblock“ bezeichnen, welcher zylindrische oder andersartige Bohrungen aufweist, deren Bohrachsen im Wesentlichen parallel zueinander liegen können. Auf diese Weise sind die einzelnen Batteriezellen auch mechanisch/räumlich mittels des Glasmantels zueinander sowie bezüglich ihrer Umgebung festgelegt.The glass jacket can be a one-piece glass jacket that surrounds the first battery cell and/or the second battery cell. In particular, the glass casing can be a structure made of solid glass, which has two or more recesses, one of the battery cells being arranged in each of the recesses. Such a glass jacket could also be referred to as a “monoblock”, which has cylindrical or other types of bores, the bore axes of which can lie essentially parallel to one another. In this way, the individual battery cells are also mechanically/spatially fixed to one another and in relation to their surroundings by means of the glass casing.

Der Glasmantel kann vorgefertigt sein. Beispielsweise kann der Glasmantel zunächst gegossen und/oder gepresst werden und erst in seiner endgültigen Form werden die erste Batteriezelle und die zweite Batteriezelle in ihn eingesetzt. Dies schließt nicht aus, dass der Glasmantel mehrere Glasmantelkörper bzw. Glasmantelsegmente aufweisen kann, welche den Glasmantel einer einzigen Batteriezelle oder den Glasmantel mehrerer Batteriezellen gemeinsam darstellen. Beispielsweise können Rohre (z.B. Hohlzylinder), Halbrohre, Viertelrohre oder anders geformte Segmente zu einem jeweiligen Glaszylinder zusammengesetzt werden. Dies schließt nicht aus, dass nach dem Zusammensetzen eine Vergussmasse, insbesondere Glas, verwendet werden kann, um die Isolation abermals zu verbessern und/oder die Glasmantelkörper miteinander zu verbinden bzw. räumlich festzulegen. Die erste Batteriezelle und die zweite Batteriezelle können vor dem vorgenannten Schritt des Vergießens in die Glasmäntel eingesetzt werden. Insbesondere für den Fall, dass die erste Batteriezelle und die zweite Batteriezelle bereits vor dem Vergießen in den Glasmantel eingesetzt werden, kann die Vergussmasse auch die jeweilige Batteriezelle innerhalb ihres (jeweiligen) Glasmantels festlegen, wodurch eine zusätzliche Verankerung entfallen kann.The glass jacket can be prefabricated. For example, the glass jacket can first be cast and/or pressed and only in its final form are the first battery cell and the second battery cell inserted into it. This does not preclude the glass jacket from being able to have a plurality of glass jacket bodies or glass jacket segments, which together represent the glass jacket of a single battery cell or the glass jacket of a plurality of battery cells. For example, tubes (e.g. hollow cylinders), half tubes, quarter tubes or segments of other shapes can be assembled into a respective glass cylinder. This does not rule out the possibility of using a casting compound, in particular glass, after assembly, in order to improve the insulation again and/or to connect the glass jacket bodies to one another or to spatially fix them. The first battery cell and the second battery cell may be inserted into the glass envelopes prior to the aforementioned potting step. Particularly in the event that the first battery cell and the second battery cell are already inserted into the glass casing before they are cast, the casting compound can also fix the respective battery cell within its (respective) glass casing, which means that additional anchoring can be omitted.

Als „Glasmantel“ im Sinne der vorliegenden Erfindung ist eine feste Struktur zur Isolation zweier elektrischer Batteriezellen des elektrischen Verbundes gegenüber einander zu verstehen, ohne eine bestimmte räumliche Struktur notwendigerweise zu implizieren. Vielmehr soll als Glasmantel im Sinne der vorliegenden Erfindung die Eignung des Merkmals verstanden werden, die thermisch isolierende Eigenschaft massiven Glases zur Verhinderung einer Wärmeübertragung von einer ersten Batteriezelle auf eine zweite Batteriezelle zu verwenden und zeitgleich eine thermische Ankopplung der ersten Batteriezelle und der zweiten Batteriezelle an ein Heiz-/Kühlsystem zu ermöglichen. Insbesondere befindet sich daher kein Glasmantel an derjenigen Position der ersten Batteriezelle und der zweiten Batteriezelle, an welcher die erste Batteriezelle bzw. die zweite Batteriezelle an keine weitere Batteriezelle unmittelbar angrenzt („Stirnfläche“).A “glass jacket” within the meaning of the present invention is to be understood as a solid structure for isolating two electrical battery cells of the electrical assembly from one another, without necessarily implying a specific spatial structure. Rather, as a glass jacket in the sense of the present invention, the suitability of the feature should be understood to use the thermally insulating property of solid glass to prevent heat transfer from a first battery cell to a second battery cell and at the same time a thermal coupling of the first battery cell and the second battery cell to a enable heating/cooling system. In particular, therefore, there is no glass jacket at that position of the first battery cell and the second battery cell at which the first battery cell or the second battery cell is not directly adjacent to any other battery cell (“front face”).

Der Glasmantel kann aus Glas bestehen. Mit anderen Worten kann der Glasmantel im Wesentlichen kein weiteres Material außer Glas aufweisen. Dies schließt nicht aus, dass der Glasmantel zur Erhöhung seiner thermischen Isolationsfähigkeit eine Beschichtung, insbesondere eine metallische Beschichtung, aufweisen kann. Die Beschichtung kann beispielsweise aufgedampft werden. Sie kann insbesondere eine glänzende Oberfläche aufweisen, um Strahlungswärme bzw. Wärmestrahlung zu reflektieren. Die Präsenz eines ersten Glasmantels um die erste Batteriezelle bzw. die zweite Batteriezelle schließt eine Präsenz eines zweiten Glasmantels um die betreffende Batteriezelle nicht aus. Mit anderen Worten kann ein erster Glasmantel durch einen zweiten Glasmantel thermisch gegenüber der Umgebung bzw. gegenüber weiteren Batteriezellen isoliert werden. Hierbei kommt auch ein Luftspalt der Isolation zugute, welcher aufgrund der Wärmeübergangseigenschaften zwischen Glas und Luft die thermische Isolation verbessern kann. In dem vorgenannten Spalt kann auch ein anderes, zur thermischen Isolation beitragendes Gas vorgesehen sein.The glass jacket can be made of glass. In other words, the glass jacket can essentially have no further material apart from glass. This does not preclude the glass jacket from being able to have a coating, in particular a metallic coating, to increase its thermal insulation capacity. The coating can be vapor-deposited, for example. In particular, it can have a glossy surface in order to reflect radiant heat or thermal radiation. The presence of a first glass jacket around the first battery cell or the second battery cell does not rule out the presence of a second glass jacket around the battery cell in question. In other words, a first glass jacket can be thermally insulated from the environment or from other battery cells by a second glass jacket. An air gap also benefits the insulation, which can improve thermal insulation due to the heat transfer properties between glass and air. Another gas that contributes to the thermal insulation can also be provided in the aforementioned gap.

Der Glasmantel kann eine stabilisierende Struktur nach Art eines Drahtgeflechtes oder eines Kunststoff inlays aufweisen. Derartige Fremdkörper im Glas können den Glasmantel mechanisch stabilisieren bzw. die Folgen einer mechanischen Überbeanspruchung lindern, wie es bei Sicherheitsglas beispielsweise für den Automobilbau der Fall ist.The glass jacket can have a stabilizing structure in the manner of a wire mesh or a plastic inlay. Foreign bodies of this kind in the glass can mechanically stabilize the glass jacket or alleviate the consequences of mechanical overload, as is the case with safety glass for example in automobile construction.

Auch kommt die Verwendung farbigen Glases für den Glasmantel infrage, um beispielsweise besonders kostengünstiges Recyclingglas verwenden zu können oder Wärmestrahlung abermals zu verringern. Mit anderen Worten stellt das Glas einen optischen Filter dar, der die Erscheinung des durch ihn hindurchtretenden sichtbaren Lichtes verändert.The use of colored glass for the glass jacket is also an option, for example in order to be able to use particularly inexpensive recycled glass or to further reduce thermal radiation. In other words, the glass provides an optical filter that changes the appearance of visible light passing through it.

Der Zellmantel der ersten Batteriezelle und der Zellmantel der zweiten Batteriezelle können jeweils Kunststoff und/oder Aluminium und/oder Stahl und/oder Verbundstoffe, umfassend die vorgenannten Materialien, umfassen. Während Kunststoff günstig und chemisch resistent ist, können metallische Werkstoffe eine äußere Homogenisierung der Wärmeabgabe der ersten Batteriezelle bzw. der zweiten Batteriezelle bewirken, um eine thermische Überbeanspruchung einer unmittelbar benachbarten Batteriezelle zu verhindern. The cell casing of the first battery cell and the cell casing of the second battery cell can each comprise plastic and/or aluminum and/or steel and/or composite materials, comprising the aforementioned materials. While plastic is cheap and chemically resistant, metallic materials can bring about an external homogenization of the heat dissipation of the first battery cell or the second battery cell in order to prevent thermal overstressing of an immediately adjacent battery cell.

Der Glasmantel kann eine hohlzylindrische Gestalt, eine hohlprismatische Gestalt (Zylinder mit pentagonalem oder hexagonalem Querschnitt) und/oder eine rotationssymmetrische Gestalt und/oder eine kantrohrförmige Gestalt aufweisen. Hierbei kann die Innenfläche des Glasmantels und/oder die Außenfläche des Glasmantels gekantet oder rund (insbesondere zylindrisch) geformt sein. Während ein hexagonaler Außenquerschnitt des Glasmantels eine besonders dichte Packung einer Vielzahl erfindungsgemäß ummantelter Batteriezellen ermöglicht, kann eine hohlzylindrische Gestalt der Glasmäntel Vorteile beim anschließenden Vergießen der erfindungsgemäß ummantelten Batteriezellen aufweisen.The glass jacket can have a hollow-cylindrical shape, a hollow-prismatic shape (cylinder with a pentagonal or hexagonal cross-section) and/or a rotationally symmetrical shape and/or a square-tubular shape. In this case, the inner surface of the glass jacket and/or the outer surface of the glass jacket can be canted or round (in particular cylindrical) in shape. While a hexagonal external cross-section of the glass jacket enables a particularly dense packing of a large number of battery cells encased according to the invention, a hollow-cylindrical shape of the glass jackets can have advantages in the subsequent encapsulation of the battery cells encased according to the invention.

Der Glasmantel kann, beispielsweise als stranggepresstes und/oder stranggegossenes Profil, einen im Wesentlichen konstanten Querschnitt aufweisen. Mit anderen Worten variiert die Querschnittsfläche des Glasmantels zwischen seinen einander gegenüberliegenden Stirnflächen bzw. zwischen dem Deckel und dem Boden um die Batteriezelle nicht. Dies ermöglicht eine besonders dichte Packung und eine günstige Herstellung.The glass jacket can have a substantially constant cross section, for example as an extruded and/or continuously cast profile. In other words, the cross-sectional area of the glass jacket does not vary between its opposing end faces or between the cover and the base around the battery cell. This allows a particularly dense packing and a cheap production.

Eine elektrische Kontaktierung der ersten Batteriezelle und der zweiten Batteriezelle kann insbesondere durch einen metallischen Deckel und/oder einen metallischen Boden erfolgen. Beispielsweise kann ein erster Pol der Batteriezelle über den Deckel metallisch nach außen geführt werden, während ein zweiter Pol elektrisch über den metallischen Boden nach außen geführt wird. Selbstverständlich können auch der Deckel und/oder der Boden mehrere Segmente aufweisen, welche elektrisch gegeneinander isoliert sind, so dass jeweils der Boden oder der Deckel beide elektrische Anschlüsse aufweisen kann.Electrical contacting of the first battery cell and the second battery cell can take place in particular through a metallic cover and/or a metallic base. For example, a first pole of the battery cell can be routed to the outside via the metal cover, while a second pole is routed to the outside electrically via the metal base. Of course, the cover and/or the base can also have a number of segments which are electrically insulated from one another, so that the base or the cover can have both electrical connections.

Wenn im Rahmen der vorliegenden Offenbarung von „Glas“ die Rede ist, so ist hierbei insbesondere ein Glaskörper zu verstehen, welcher beispielsweise Borosilikatglas aufweist oder aus einem solchen besteht. Dieses ist besonders hitze- und temperaturwechselbeständig, weist einen niedrigen thermischen Längenausdehnungskoeffizienten sowie eine hohe mechanische Festigkeit auf. Alternativ oder zusätzlich kann auch Temperglas als Werkstoff des Glasmantels verwendet werden.When “glass” is mentioned in the context of the present disclosure, this means in particular a glass body which, for example, has borosilicate glass or consists of such. This is particularly resistant to heat and temperature changes, has a low coefficient of linear thermal expansion and high mechanical strength. Alternatively or additionally, tempered glass can also be used as the material for the glass jacket.

Zwischen der ersten Batteriezelle und ihrem Glasmantel können Abstandshalter vorgesehen werden, um einen Luftspalt und eine zusätzliche Luftspaltisolierung bereitzustellen, wie sie von Thermoskannen bekannt ist. Entsprechendes gilt für die zweite Batteriezelle und ihren Glasmantel bzw. jede weitere Batteriezelle des elektrischen Verbundes.Spacers may be provided between the first battery cell and its glass envelope to provide an air gap and additional air gap insulation as is known from thermos flasks. The same applies to the second battery cell and its glass jacket or each additional battery cell of the electrical network.

Insbesondere können Schockabsorber außen am Glasmantel vorgesehen sein, um die umgebenden und tragenden Strukturen mechanisch zu entkoppeln und eine Beschädigung der Glasmäntel zu verhindern. Beispielsweise können die Glasmäntel in ein Gehäuse eingesetzt werden, um den elektrischen Verbund darzustellen. Die Glasmäntel können in das Gehäuse eingegossen und/oder eingeschäumt werden.In particular, shock absorbers can be provided on the outside of the glass jacket in order to mechanically decouple the surrounding and supporting structures and to prevent damage to the glass jackets. For example, the glass jackets can be used in a housing to represent the electrical network. The glass jackets can be cast and/or foamed into the housing.

Gemäß einem zweiten Aspekt der vorliegenden Erfindung wird ein Verfahren zur Herstellung eines elektrischen Verbundes gemäß den obigen Ausführungen vorgeschlagen. Das Verfahren umfasst zunächst ein Einsetzen einer ersten Batteriezelle, welche die Zellchemie und einen Zellmantel und gegebenenfalls elektrische Anschlüsse aufweist, in einen ersten thermisch isolierenden Glasmantel aus massivem Glas. Entsprechend wird mit einer zweiten Batteriezelle und einem zweiten thermisch isolierenden Glasmantel verfahren. Der zweite thermisch isolierende Glasmantel kann dem ersten thermisch isolierenden Glasmantel identisch sein oder sogar ein und derselbe sein. In letzterem Fall hat er jedoch eine zweite Ausnehmung zur Einbringung der zweiten Batteriezelle aufzuweisen. Zusätzlich werden die erste Batteriezelle und die zweite Batteriezelle elektrisch miteinander verknüpft, um den elektrischen Verbund zu ergeben. Dieser Schritt kann bereits vor dem Einsetzen der ersten Batteriezelle in den ersten thermisch isolierenden Glasmantel und/oder vor einem Einsetzen der zweiten Batteriezelle in den zweiten thermisch isolierenden Glasmantel vorgenommen werden. Alternativ kann das elektrische Verknüpfen der ersten Batteriezelle und der zweiten Batteriezelle nach dem Einsetzen der ersten Batteriezelle in den ersten thermisch isolierenden Glasmantel und der zweiten Batteriezelle in den zweiten thermisch isolierenden Glasmantel erfolgen. Optional kann der erste thermisch isolierende Glasmantel gegenüber dem zweiten thermisch isolierenden Glasmantel durch eine Vergussmasse fixiert werden. Dies kann vor einem Einsetzen der ersten Batteriezelle in den ersten thermisch isolierenden Glasmantel und einem Einsetzen der zweiten Batteriezelle in den zweiten thermisch isolierenden Glasmantel erfolgen. Alternativ kann dies nach dem Einsetzen der ersten und zweiten Batteriezelle in den jeweiligen Glasmantel erfolgen. Optional kann auch die erste Batteriezelle in dem ersten thermisch isolierenden Glasmantel vergossen werden. Entsprechendes gilt für die zweite Batteriezelle und den zweiten thermisch isolierenden Glasmantel.According to a second aspect of the present invention, a method for producing an electrical compound according to the above statements is proposed. The method initially includes inserting a first battery cell, which has the cell chemistry and a cell casing and, if appropriate, electrical connections, into a first thermally insulating glass casing made of solid glass. The same procedure is used with a second battery cell and a second thermally insulating glass jacket. The second thermally insulating glass envelope may be identical to the first thermally insulating glass envelope or even one and the same. In the latter case, however, it has to have a second recess for introducing the second battery cell. In addition, the first battery cell and the second battery cell are electrically connected to one another in order to produce the electrical network. This step can be carried out before the first battery cell is inserted into the first thermally insulating glass jacket and/or before the second battery cell is inserted into the second thermally insulating glass jacket. Alternatively, the first battery cell and the second battery cell can be electrically connected after the first battery cell has been inserted into the first thermally insulating glass jacket and the second battery cell into the second thermally insulating glass jacket. Optionally, the first thermally insulating glass jacket compared to the second thermally insulating glass jacket are fixed by a casting compound. This can be done before inserting the first battery cell into the first thermally insulating glass jacket and before inserting the second battery cell into the second thermally insulating glass jacket. Alternatively, this can be done after the first and second battery cells have been inserted into the respective glass casing. Optionally, the first battery cell can also be encapsulated in the first thermally insulating glass jacket. The same applies to the second battery cell and the second thermally insulating glass jacket.

Weiter optional kann der erste Glasmantel an dem zweiten Glasmantel mechanisch angebunden werden. Dies kann infolge eines Vergießens der beiden Glasmäntel erfolgen. Alternativ oder zusätzlich kann das mechanische Verbinden vor einem Einsetzen der ersten Batteriezelle in den ersten Glasmantel und einem Einsetzen der zweiten Batteriezelle in den zweiten Glasmantel erfolgen. Alternativ kann das mechanische Verbinden nach einem Einsetzen der ersten Batteriezelle in den ersten Glasmantel und einem Einsetzen der zweiten Batteriezelle in den zweiten Glasmantel erfolgen.Further optionally, the first glass jacket can be mechanically connected to the second glass jacket. This can occur as a result of the two glass jackets being cast. Alternatively or additionally, the mechanical connection can take place before the first battery cell is inserted into the first glass casing and the second battery cell is inserted into the second glass casing. Alternatively, the mechanical connection can take place after the first battery cell has been inserted into the first glass casing and the second battery cell has been inserted into the second glass casing.

Vor oder nach dem Vergießen kann die Anordnung umfassend die erste Batteriezelle und den ersten Glasmantel sowie die zweite Batteriezelle und den zweiten Glasmantel in ein Gehäuse des elektrischen Verbundes eingesetzt werden. Optional können die Glasmäntel auch zuvor in das Gehäuse eingesetzt werden und die erste Batteriezelle und die zweite Batteriezelle erst anschließend in ihren jeweiligen Glasmantel eingesetzt werden. Ein im Wesentlichen geschlossenes Gehäuse kann beim Vergießen behilflich sein, indem die Vergussmasse in das Gehäuse eingefüllt wird und die Glasmäntel durch die Vergussmasse mechanisch zueinander sowie mechanisch innerhalb des Gehäuses fixiert werden.Before or after the encapsulation, the arrangement comprising the first battery cell and the first glass casing and the second battery cell and the second glass casing can be inserted into a housing of the electrical assembly. Optionally, the glass jackets can also be inserted into the housing beforehand and the first battery cell and the second battery cell can only then be inserted into their respective glass jacket. A substantially closed housing can help with the encapsulation, in that the encapsulation compound is filled into the housing and the glass jackets are mechanically fixed to one another and mechanically within the housing by the encapsulation compound.

In dem Gehäuse können Positionierhilfen z.B. nach Art eines Bierkastens enthalten sein, durch welche die Glasmäntel mechanisch/räumlich im Gehäuse (temporär bzw. notdürftig) fixiert werden, bis ein anschließender Vergussschritt eine endgültige Fixierung der Glasmäntel im Gehäuse bewirkt. Selbstverständlich ist jede andere geeignete Fixierung der Glasmäntel im Gehäuse möglich. Insbesondere kann das Gehäuse einen Gehäusedeckel aufweisen, welcher eine mechanische Fixierung der Glasmäntel im Gehäuse bewirkt.The housing can contain positioning aids, e.g. in the manner of a beer crate, through which the glass jackets are mechanically/spatially fixed in the housing (temporarily or makeshift) until a subsequent casting step causes the glass jackets to be finally fixed in the housing. Of course, any other suitable fixation of the glass jackets in the housing is possible. In particular, the housing can have a housing cover which mechanically fixes the glass jackets in the housing.

Weitere Einzelheiten, Merkmale und Vorteile der Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung und den Figuren. Es zeigen:

  • 1 eine perspektivische Darstellung eines Ausführungsbeispiels eines elektrischen Verbundes mit im Wesentlichen quaderförmigen Batteriezellen, zwischen welchen jeweils im Wesentlichen quaderförmige Zellmantelsektionen vorgesehen sind;
  • 2 eine perspektivische Darstellung eines Ausführungsbeispiels, in welchem im Wesentlichen zylindrische Batteriezellen durch im Wesentlichen hohlzylindrische Glasmäntel thermisch einander gegenüber isoliert und thermisch an ein Heiz-/Kühlsystem angeschlossen sind;
  • 3 eine perspektivische Darstellung eines Glasmantels in Form eines Monoblocks mit zylindrischen Bohrungen; und
  • 4 ein Flussdiagramm veranschaulichend Schritte eines Ausführungsbeispiels eines erfindungsgemäßen Verfahrens zur Herstellung eines elektrischen Verbundes von Batteriezellen.
Further details, features and advantages of the invention result from the following description and the figures. Show it:
  • 1 a perspective view of an exemplary embodiment of an electrical assembly with essentially cuboid battery cells, between which essentially cuboid cell casing sections are provided;
  • 2 a perspective view of an embodiment in which essentially cylindrical battery cells are thermally insulated from one another by essentially hollow-cylindrical glass jackets and are thermally connected to a heating/cooling system;
  • 3 a perspective view of a glass jacket in the form of a monoblock with cylindrical bores; and
  • 4 a flowchart illustrating steps of an exemplary embodiment of a method according to the invention for producing an electrical assembly of battery cells.

1 zeigt einen elektrischen Verbund 1 von Batteriezellen 2, welche einen jeweiligen Zellmantel 3 und an einer oberen Stirnfläche angeordnete elektrische Kontakte 9, 10 aufweisen. Zwischen den elektrischen Kontakten 9, 10 sind jeweilige Zellventile (Zellvents) 6 vorgesehen. Um eine laterale Wärmeausbreitung in Richtung der Pfeile P von einer defekten Batteriezelle auf Nachbarzellen zu vermindern, sind zwischen den Zellmänteln 3 anteilig dargestellte Glasmäntel 4 angeordnet, welche ähnlich einer planen Glasscheibe ausgestaltet sind. Indem die Glasmäntel 4 die Stirnfläche der Batteriezellen 2 nicht bedecken, können die Batteriezellen 2 nach oben und nach unten Wärme an ein (nicht dargestelltes) Heiz-/Kühlsystem abführen. 1 shows an electrical assembly 1 of battery cells 2, which have a respective cell casing 3 and electrical contacts 9, 10 arranged on an upper end face. Between the electrical contacts 9, 10 respective cell valves (cell vents) 6 are provided. In order to reduce lateral heat propagation in the direction of the arrow P from a defective battery cell to neighboring cells, glass jackets 4 , which are shown proportionately, are arranged between the cell jackets 3 and are configured similarly to a flat pane of glass. Because the glass jackets 4 do not cover the end face of the battery cells 2, the battery cells 2 can dissipate heat upwards and downwards to a heating/cooling system (not shown).

2 zeigt eine perspektivische Darstellung auf einem elektrischen Verbund 1 von Batteriezellen 2, welche an ihrer Stirnseite ein Zellvent 6 aufweisen. Die obere Stirnfläche weist einen jeweiligen elektrischen Kontakt 9 auf und ist der Anschaulichkeit halber nicht an ein an der unteren Stirnfläche vorgesehenes Heiz-/Kühlsystem angeschlossen. Die im Wesentlichen zylindrischen Batteriezellen 2 weisen einen jeweiligen Glasmantel 4 aus massivem Glas auf. Beispielhaft ist ein Glasmantel durch zwei Glasmantelkörper 4a, 4b zusammengesetzt. Aufgrund eines Abstandes der Glasmäntel 4 zueinander, kann eine Vergussmasse zwischen die Glasmäntel gegossen werden, um die Glasmäntel innerhalb des elektrischen Verbundes 1 mechanisch zu fixieren und einer thermischen Isolation der Batteriezellen 2 zueinander dienlich zu sein. 2 shows a perspective view of an electrical assembly 1 of battery cells 2, which have a cell vent 6 on their end face. The upper face has a respective electrical contact 9 and for the sake of clarity is not connected to a heating/cooling system provided on the lower face. The essentially cylindrical battery cells 2 each have a glass jacket 4 made of solid glass. By way of example, a glass jacket is composed of two glass jacket bodies 4a, 4b. Due to the distance between the glass jackets 4, a casting compound can be poured between the glass jackets in order to mechanically fix the glass jackets within the electrical assembly 1 and to thermally insulate the battery cells 2 from one another.

3 zeigt einen in Monoblock-Bauweise gefertigten Glasmantel 4, welcher mehrere Ausnehmungen 5 in Form zylindrischer Durchgangsbohrungen aufweist. In die Ausnehmungen 5 können in einem weiteren Fertigungsschritt (nicht dargestellte) Batteriezellen 2 eingesetzt, vergossen und anschließend elektrisch miteinander verbunden werden. Exemplarisch weist eine vordere Ausnehmung 5 einen zweiten Glasmantel 41 auf, zu welchem sich innerhalb der Ausnehmung 5 ein umlaufender und über die gesamte Höhe des Glasmantels 4 erstreckender Luftspalt 8 ergibt, um die thermische Isolation abermals zu erhöhen. 3 shows a glass jacket 4 made in monoblock construction, which has a plurality of recesses 5 in the form of cylindrical through-holes. In a further manufacturing step, battery cells 2 (not shown) can be inserted into the recesses 5, encapsulated and then electrically connected to one another. For example, a front recess 5 has a second glass jacket 41, to which there is a circumferential air gap 8 within the recess 5, which extends over the entire height of the glass jacket 4, in order to further increase the thermal insulation.

4 zeigt ein Verfahren veranschaulichend Schritte eines Ausführungsbeispiels eines erfindungsgemäßen Verfahrens zur Herstellung eines elektrischen Verbundes von Batteriezellen. In Schritt 100 wird eine erste Batteriezelle mit einem ersten Zellmantel in einen thermisch isolierenden Glasmantel aus massivem Glas eingesetzt. Die Batteriezelle ist hierbei grundsätzlich elektrisch bereits voll funktionstüchtig. Mit anderen Worten hat der thermisch isolierende Glasmantel keine die Zellchemie und die mechanischen Bauteile zueinander definierende Wirkung. In Schritt 200 wird mit einer zweiten Batteriezelle und einem zweiten thermisch isolierenden Glasmantel in entsprechender Weise verfahren. In Schritt 300 wird der erste Glasmantel mit dem zweiten Glasmantel mechanisch verbunden. Dies kann das Einbringen einer Vergussmasse zwischen dem ersten Glasmantel und dem zweiten Glasmantel umfassen, wobei sich auch eine mechanische Fixierung der beiden Glasmäntel bezüglich einer sie umgebenden Gehäusestruktur ergibt. In Schritt 400 wird schließlich die erste Batteriezelle mit der zweiten Batteriezelle elektrisch verknüpft. Anschließend kann ein Gehäuse des elektrischen Verbundes geschlossen und als Traktionsbatterie in ein elektrisch antreibbares Fortbewegungsmittel eingesetzt werden. 4 shows a method illustrating steps of an embodiment of a method according to the invention for producing an electrical assembly of battery cells. In step 100, a first battery cell with a first cell casing is inserted into a thermally insulating glass casing made of solid glass. In principle, the battery cell is already fully functional electrically. In other words, the thermally insulating glass jacket has no effect that defines the cell chemistry and the mechanical components in relation to one another. In step 200, a second battery cell and a second thermally insulating glass jacket are processed in a corresponding manner. In step 300, the first glass cladding is mechanically connected to the second glass cladding. This can include the introduction of a casting compound between the first glass jacket and the second glass jacket, which also results in a mechanical fixation of the two glass jackets with respect to a housing structure surrounding them. Finally, in step 400, the first battery cell is electrically linked to the second battery cell. A housing of the electrical assembly can then be closed and used as a traction battery in an electrically drivable means of transportation.

BezugszeichenlisteReference List

11
elektrischer Verbund von Batteriezellenelectrical network of battery cells
22
Batteriezellebattery cell
33
Zellmantelcell coat
44
Glasmantelglass jacket
4a, 4b4a, 4b
Glasmantelkörperglass jacket body
55
Ausnehmungrecess
66
Zellventcell vent
77
Bodenfloor
88th
Luftspaltair gap
9, 109, 10
elektrische Anschlüsseelectrical connections
1111
Heiz-/Kühlsystemheating/cooling system
4141
weiterer Glasmantelanother glass coat
100 bis 400100 to 400
Verfahrensschritteprocess steps
PP
PfeilArrow

Claims (13)

Elektrischer Verbund von Batteriezellen umfassend - eine erste Batteriezelle (2) mit einem ersten Zellmantel (3), - eine zweite Batteriezelle (2) mit einem zweiten Zellmantel (3), und - einen thermisch isolierenden Glasmantel (4) aus massivem Glas zwischen der ersten Batteriezelle (2) und der zweiten Batteriezelle (2).Electrical network comprising battery cells - a first battery cell (2) with a first cell casing (3), - A second battery cell (2) with a second cell jacket (3), and - A thermally insulating glass jacket (4) made of solid glass between the first battery cell (2) and the second battery cell (2). Elektrischer Verbund nach Anspruch 1, wobei der Glasmantel (4) zwischen dem ersten Zellmantel (3) und dem zweiten Zellmantel (3) angeordnet ist.Electrical connection according to claim 1 , wherein the glass jacket (4) is arranged between the first cell jacket (3) and the second cell jacket (3). Elektrischer Verbund nach Anspruch 1 oder 2, wobei der Glasmantel (4) einteilig oder mehrteilig ausgeführt ist und eine Ausnehmung aufweist, - welche oben durch einen Deckel abgeschlossen ist, welcher gegenüber dem Glasmantel (4) eine hohe Wärmeleitfähigkeit aufweist und/oder - welche unten durch einen Boden (7) abgeschlossen ist, welcher gegenüber dem Glasmantel (4) eine hohe Wärmeleitfähigkeit aufweist.Electrical connection according to claim 1 or 2 , the glass jacket (4) being made in one piece or in several parts and having a recess - which is closed off at the top by a cover which has a high thermal conductivity compared to the glass jacket (4) and/or - which is closed off at the bottom by a base (7). is, which compared to the glass jacket (4) has a high thermal conductivity. Elektrischer Verbund nach einem der vorstehenden Ansprüche, wobei der Glasmantel (4) ein einstückiger Glasmantel ist, der die erste Batteriezelle (2) und/oder die zweite Batteriezelle (2) umgibt.Electrical assembly according to one of the preceding claims, wherein the glass casing (4) is a one-piece glass casing which surrounds the first battery cell (2) and/or the second battery cell (2). Elektrischer Verbund nach einem der vorstehenden Ansprüche, wobei der Glasmantel (4) vorgefertigt ist und insbesondere mehrere Glasmantelkörper (4a, 4b) aufweist.Electrical assembly according to one of the preceding claims, in which the glass jacket (4) is prefabricated and in particular has a plurality of glass jacket bodies (4a, 4b). Elektrischer Verbund nach einem der vorstehenden Ansprüche, wobei der Glasmantel (4) aus Glas besteht.Electrical assembly according to one of the preceding claims, in which the glass jacket (4) consists of glass. Elektrischer Verbund nach einem der vorstehenden Ansprüche, wobei das Glas des Glasmantels (4) zur thermischen Isolation eine metallische Beschichtung aufweist.Electrical assembly according to one of the preceding claims, wherein the glass of the glass jacket (4) has a metallic coating for thermal insulation. Elektrischer Verbund nach einem der vorstehenden Ansprüche, wobei der Glasmantel (4) einen Luftspalt (8) aufweist, welcher eingerichtet ist, einen inneren Glasmantel und einen äußeren Glasmantel (4) thermisch voneinander zu entkoppeln.Electrical assembly according to one of the preceding claims, wherein the glass jacket (4) has an air gap (8) which is set up to thermally decouple an inner glass jacket and an outer glass jacket (4) from one another. Elektrischer Verbund nach einem der vorstehenden Ansprüche, wobei der Glasmantel (4) - eine hohlzylindrische Gestalt und/oder - eine rotationssymmetrische Gestalt und/oder - eine kantrohrförmige Gestalt aufweist.Electrical assembly according to one of the preceding claims, wherein the glass jacket (4) - A hollow cylindrical shape and / or - a rotationally symmetrical shape and/or - Has a tubular shape. Elektrischer Verbund nach einem der vorstehenden Ansprüche, wobei ein Querschnitt des Glasmantels (4) zwischen einander gegenüberliegenden Stirnflächen nicht variiert.Electrical assembly according to one of the preceding claims, in which a cross section of the glass jacket (4) does not vary between opposite end faces. Elektrischer Verbund nach einem der vorstehenden Ansprüche, welcher eingerichtet ist, eine externe elektrische Kontaktierung der Batteriezellen (2) durch den Deckel (6) und/oder den Boden (7) zu gewähren.Electrical assembly according to one of the preceding claims, which is set up to allow external electrical contacting of the battery cells (2) through the cover (6) and/or the base (7). Verfahren zur Herstellung eines elektrischen Verbundes von Batteriezellen nach einem der vorstehenden Ansprüche umfassend die Schritte: - Einsetzen (100) einer ersten Batteriezelle (2) mit einem ersten Zellmantel (3) in einen ersten thermisch isolierenden Glasmantel (4) aus massivem Glas, - Einsetzen (200) einer zweiten Batteriezelle (2) mit einem zweiten Zellmantel (3) in einen zweiten thermisch isolierenden Glasmantel (4) aus massivem Glas, und - elektrisches Verknüpfen (400) der ersten Batteriezelle (2) und der zweiten Batteriezelle (2).Method for producing an electrical assembly of battery cells according to one of the preceding claims, comprising the steps: - Insertion (100) of a first battery cell (2) with a first cell casing (3) in a first thermally insulating glass casing (4) made of solid glass, - Insertion (200) of a second battery cell (2) with a second cell casing (3) in a second thermally insulating glass casing (4) made of solid glass, and - Electrically linking (400) the first battery cell (2) and the second battery cell (2). Verfahren nach Anspruch 12 weiter umfassend: - mechanisches Verbinden (300) des ersten und des zweiten Glasmantels (4).procedure after claim 12 further comprising: - mechanically connecting (300) the first and the second glass cladding (4).
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