DE102021127618A1

DE102021127618A1 - Zellanordnung mit Abstandshülle und Batterie

Info

Publication number: DE102021127618A1
Application number: DE102021127618.7A
Authority: DE
Inventors: Alexander Pratsch; Daniel Schmid; Thomas Weiss
Original assignee: Audi AG
Current assignee: Audi AG
Priority date: 2021-10-25
Filing date: 2021-10-25
Publication date: 2023-04-27

Abstract

Die Erfindung betrifft eine Zellanordnung (20) mit mindestens einer Batteriezelle (22), die eine erste Seite (22b) zur Anordnung auf einem Träger (34, 36), eine der ersten Seite (22b) gegenüberliegende zweite Seite (22a) und eine ein Inneres der Batteriezelle (22) in einer Umfangsrichtung (U) vollständig umgebende Zellgehäusewandung (22d) mit einer dem Inneren der Batteriezelle (22) abgewandten Gehäuseaußenfläche (22d) aufweist. Dabei weist die Zellanordnung (20) eine Abstandshülle (24) auf, die sich an die Gehäuseaußenfläche (22d) der mindestens einen Batteriezelle (22) anschmiegend an der Gehäuseaußenfläche (22d) angeordnet ist und dabei die Gehäuseaußenfläche (22d) in Umfangsrichtung (U) vollständig zusammenhängend umgibt. Dabei ist die Abstandshülle (24) als eine Gitterstrukturhülle (24) ausgebildet, die vielzählige, die Gitterstrukturhülle (24) in einer zweiten Richtung (z) senkrecht zur Gehäuseaußenfläche (22d) vollständig durchdringende, über die gesamte Abstandshülle (24) zumindest in Umfangsrichtung (U) verteilt angeordnete Löcher (28) und einen die Löcher (28) voneinander separierenden Strukturbereich (26) aufweist.

Description

Die Erfindung betrifft eine Zellanordnung mit mindestens einer Batteriezelle, die eine erste Seite zur Anordnung auf einem Träger aufweist, eine der ersten Seite bezüglich einer ersten Richtung gegenüberliegende zweite Seite, und eine die erste Seite und die zweite Seite miteinander verbindende, ein Inneres der Batteriezelle in einer zur ersten Richtung senkrechten Umfangsrichtung vollständig umgebende Zellgehäusewandung mit einer dem Inneren der Batteriezelle abgewandten Gehäuseaußenfläche, wobei die Zellanordnung eine Abstandshülle aufweist, die sich an die Gehäuseaußenfläche der mindestens einen Batteriezelle anschmiegend an der Gehäuseaußenfläche angeordnet ist und dabei die Gehäuseaußenfläche in Umfangsrichtung vollständig zusammenhängend umgibt. Des Weiteren betrifft die Erfindung auch eine Batterie.
Bei BEV(Battery-Electric-Vehicles)-Fahrzeugen wird die Energie in Hochvoltbatterien gespeichert. Diese wird üblicherweise in der Plattform in der unteren Karosseriestruktur zwischen Vorder- und Hinterachse positioniert und besitzt Abmessungen in der Größenordnung von 2 m in der Länge, 1 m in der Breite und 0,2 m in der Höhe. Die am weitesten verbreiteten Zellformate sind Pouchzellen, prismatische Zellen und zylindrische Zellen. Konzeptionell können Zellen in Module gepackt und der Hochvoltbatterie platziert werden, was auch als Cell-to-Pack-Ansatz bezeichnet wird, oder die Zellen werden direkt auf einem Träger, zum Beispiel einer Kühlplatte, befestigt, was auch als Cell-to-Car-Ansatz bezeichnet wird. Alternativ können auch Teilumfänge vorpositioniert oder fixiert werden und somit ein Zellpaket gleichzeitig auf der Kühlplatte beziehungsweise dem Träger positioniert werden. Um zum Beispiel Rundzellen auf dem Träger zu positionieren, werden diese an diesem befestigt, beispielsweise durch einen wärmeleitfähigen Klebstoff. Um die Zellen in der angedachten Position zu halten, müssen Abstandshalter eingesetzt werden. Die elektrische Trennung der einzelnen Zellen zueinander erfolgt bislang durch den sich ergebenden Luftspalt von circa 1 mm tangential umlaufend zur nächsten anliegenden Zelle. Dieser entstandene Luftspalt sichert eine Durchschlagsfestigkeit von circa 3 bis 4 kV ab.
Große Belastungen, welche beispielsweise durch einen Fahrzeugcrash hervorgerufen werden, können bei starker Intrusion oder hohen Beschleunigungskräften zu einem Kontakt von mindestens zwei Zellen führen. Durch die Bildung von Kontaktflächen ist die Durchschlagsfestigkeit nicht mehr gegeben, und es kann zu einem Spannungsüberschlag kommen.
Die DE 10 2019 217 668 A1 beschreibt eine Vorrichtung zum Schutz mindestens einer zylindrischen Batteriezelle, die einen Lastverteiler aus einem deformierbaren Material aufweist. Dieser fasst die Batteriezelle zumindest abschnittsweise entlang deren Außenumfang ein und erstreckt sich vollständig über die axiale Länge der mindestens einen Batteriezelle. Das Material des Lastverteilers ist so ausgelegt, dass, wenn eine bestimmte Belastung auftritt, der Lastverteiler an einer der Batteriezelle abgewandten Außenseite zumindest teilweise deformiert oder zerstört wird und dadurch die Batteriezelle an einer dieser zugewandten Innenseite des Lastverteilers im Wesentlichen homogen belastet wird. Der Lastverteiler kann zum Beispiel als Kunststoffspritzgussteil ausgeführt sein. Das Material kann zudem mit einer Mikrostrukturierung versehen sein. Zudem kann der Lastverteiler zum Beispiel als Hohlzylinder ausgebildet sein, wobei die zu schützende Batteriezelle koaxial in den Lastverteiler eingesetzt ist. Aufgrund der starren Ausbildung des Lastverteilers kann dieser sich nicht an die Batteriezelle anschmiegen. Ein solcher Lastverteiler erfordert zudem viel Bauraum, was den durch eine Batterie insgesamt bereitstellbaren Gesamtenergieinhalt deutlich mindert.
Weiterhin beschreibt die US 2019/0372173 A1 einen Energiespeicher mit mehreren Zellen mit Seitenflächen. Die Zellen sind in einem bestimmten Muster angeordnet und weisen einen bestimmten Abstand zueinander auf. An den Außenseiten der Zellen ist ein expandierbares Material angeordnet, das sich innerhalb des bestimmten Abstands zwischen den Zellen ausdehnt. Das Material kann in Form eines Klebebands die Außenfläche der Zellen umlaufend an diesen angeordnet sein. Ein solches Klebeband ist entsprechend vollflächig ausgebildet. Eine durch ein solches Klebeband bereitgestellte Hülle kann sich dabei nur über einen Teil der Höhe einer Zelle erstrecken. Die Hüllen benachbarter Zellen können dabei in der Höhe versetzt zueinander angeordnet sein, um die Zellen näher aneinander anordnen zu können. Das Material kann dazu ausgebildet sein, sich flexibel unter der Einwirkung äußerer Kräfte zu verformen, um eine bessere Kraftverteilung im Falle eines Aufpralls zu ermöglichen. Die Lücken zwischen den Zellen können zudem mit einem festen Material befüllt sein. Dieses Material soll verbesserte thermische und elektrische Eigenschaften bereitstellen.
Ist jedoch ein Teil der Außenfläche der Zellen von dem expandierbaren Material bedeckt, so ist eine Benetzung der Außenflächen mit dem festen Material in diesem Bereich nicht möglich. Verbesserte thermische Eigenschaften können in diesem Bereich beispielsweise nicht bereitgestellt werden.
Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es daher, eine Zellanordnung und eine Batterie bereitzustellen, die eine möglichst kompakte und sichere Anordnung von Batteriezellen zueinander ermöglichen und die gleichzeitig eine möglichst große Benetzungsfläche für ein Füllmaterial bereitstellen.
Diese Aufgabe wird gelöst durch eine Zellanordnung und eine Batterie mit den Merkmalen gemäß den jeweiligen unabhängigen Patentansprüchen. Vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung sind Gegenstand der abhängigen Patentansprüche, der Beschreibung sowie der Figuren.
Eine erfindungsgemäße Zellanordnung weist mindestens eine Batteriezelle auf, die eine erste Seite zur Anordnung auf einem Träger umfasst, eine der ersten Seite bezüglich einer ersten Richtung gegenüberliegende zweite Seite, und eine die erste Seite und die zweite Seite miteinander verbindende, ein Inneres der Batteriezelle in einer zur ersten Richtung senkrechten Umfangsrichtung vollständig umgebende Zellgehäusewandung mit einer dem Inneren der Batteriezelle abgewandten Gehäuseaußenfläche. Weiterhin weist die Zellanordnung eine Abstandshülle auf, die an der Gehäuseaußenfläche der mindestens einen Batteriezelle anschmiegend an der Gehäuseaußenfläche angeordnet ist und dabei die Gehäuseaußenfläche in Umfangsrichtung vollständig zusammenhängend umgibt. Zudem ist die Abstandshülle als eine Gitterstrukturhülle ausgebildet, die vielzählige, die Gitterstrukturhülle in einer zweiten Richtung senkrecht zur Gehäuseaußenfläche vollständig durchdringende, über die gesamte Abstandshülle zumindest in Umfangsrichtung verteilt angeordnete Löcher und einen die Löcher voneinander separierenden Strukturbereich aufweist.
Die Gitterstrukturhülle weist also vielzählige Löcher auf sowie einen Strukturbereich, der die jeweiligen Löcher voneinander separiert. Die Löcher sind dabei als Durchgangsöffnungen in der Gitterstrukturhülle ausgebildet, das heißt, sie durchdringen die Gitterstrukturhülle vollständig in einer Richtung senkrecht zur Gehäuseaußenfläche. Zudem sind die Löcher über die gesamte Abstandshülle zumindest in Umfangsrichtung und insbesondere auch in der ersten Richtung verteilt angeordnet, insbesondere möglichst homogen verteilt angeordnet. Durch eine solche Ausbildung einer Gitterstrukturhülle als Abstandshülle wird es vorteilhafterweise ermöglicht, dass eine Vergussmasse, die zum Beispiel in Zwischenräume zwischen Zellen eingebracht werden kann, die Gehäuseaußenflächen der Zellen nicht nur in Bereichen benetzen kann, in denen keine Abstandshülle angeordnet ist, sondern vorteilhafterweise nun auch in Bereichen dieser als Gitterstrukturhülle ausgebildeten Abstandshülle selbst, da eine solche Vergussmasse vorteilhafterweise die in der Gitterstrukturhülle vorgesehenen Löcher durchdringen kann. Die Löcher sind also von einer Vergussmasse durchdringbar ausgebildet, sodass durch die Vergussmasse die Gehäuseaußenfläche der mindestens einen Batteriezelle benetzbar ist. Eine solche Vergussmasse kann verschiedene Funktionen bereitstellen, zum Beispiel sowohl eine Optimierung hinsichtlich thermischer Eigenschaften als auch die Erhöhung der Struktursteifigkeit des Gesamtzellverbunds. Zu diesem Zweck kann die Vergussmasse auch klebend ausgebildet sein. Durch die Erfindung ist es nun vorteilhafterweise möglich, diese vorteilhaften, durch die Vergussmasse bereitgestellten Wirkungen auch im Bereich der Abstandshülle zu ermöglichen und dadurch zu verstärken. Somit kann zum Beispiel die strukturelle Verklebung der Batteriezellen zueinander in deutlich verbesserter Weise bereitgestellt werden, zum Beispiel für den eingangs genannten Cell-to-Car-Ansatz, da die Fläche, die für eine solche strukturelle Klebung genutzt werden kann, durch die Gitterstrukturhülle mit der bereitgestellten Gitterstruktur maximiert werden kann. Die Gitterstrukturhülle kann also beispielsweise in Form einer Netzstruktur oder Gitterstruktur, zum Beispiel in Form eines Netzschlauchs, bereitgestellt sein. Gleichzeitig kann durch die Gitterstrukturhülle ein gewisser Mindestabstand zwischen den Zellen mechanisch gewährleistet werden. Dies ist durch die endliche Dicke der Gitterstrukturhülle senkrecht zur Gehäuseaußenfläche betrachtet bereitgestellt. Die Erfindung gewährleistet folglich eine zuverlässige Beabstandung der Zellen untereinander, auch im Falle eines Unfalls oder im Allgemeinen einer äußeren, starken Krafteinwirkung, wobei gleichzeitig nur ein geringer Teil der Mantelfläche der Zellen beziehungsweise der Gehäuseaußenfläche der Zellen bedeckt wird, wodurch wiederum genügend Fläche für eine großflächige Verklebung von Zelle zu Zelle zur Verfügung steht. Ein weiterer großer Vorteil einer solchen Gitterstrukturhülle besteht zudem noch darin, dass auch die Füllmasse, wenn zum Beispiel mehrere Zellanordnungen auf einem Träger angeordnet sind, besonders einfach in die Zwischenräume zwischen die Zellanordnungen eingebracht werden kann, selbst wenn die jeweiligen Zellanordnungen so nahe beieinander angeordnet sind, dass sich die jeweiligen Gitterstrukturhüllen benachbart angeordneter Batteriezellen beziehungsweise Zellanordnungen berühren. Durch die Vielzahl an Löchern beziehungsweise durch die Ausbildung als Netz kann die Füllmasse, wenn diese im flüssigen Zustand eingefüllt wird, sehr einfach durch die kleinen Zwischenräume, die durch Netzstruktur bereitgestellt sind, hindurchfließen. Dadurch ist ein besonders einfaches und gleichmäßiges Befüllen der Zwischenräume zwischen den Zellen beziehungsweise Zellanordnungen mit der Vergussmasse möglich. Die Anzahl an Applikationspunkten für die Vergussmasse, die im Rahmen der Erfindung auch teilweise als Vergussmaterial oder Füllmasse oder Füllmaterial bezeichnet wird, kann zum Beispiel reduziert werden.
Bei der mindestens einen Batteriezelle kann es sich zum Beispiel um eine Lithium-Ionen-Batteriezelle handeln. Die Pole der Batteriezelle sind vorzugsweise an der zweiten Seite der Batteriezelle angeordnet. Im Falle einer Rundzelle kann einer der Pole randseitig und einer zentral in Bezug auf die zweite Seite, die dann vorzugsweise eine kreisförmige Stirnseite der Rundzelle darstellt, angeordnet sein. Unter vielzähligen Löchern soll dabei eine Anzahl an Löchern verstanden werden, die mindestens im zweistelligen Bereich, vorzugsweise mindestens im dreistelligen Bereich liegt. Die Anzahl kann auch im vierstelligen Bereich liegen. Grundsätzlich ist es auch denkbar, dass die Löcher dabei zufällig verteilt über die gesamte Abstandshülle angeordnet sind. Herstellungstechnisch einfacher lässt sich jedoch ein periodisches Lochmuster realisieren. Auf diese Weise kann auch eine besonders homogene Verteilung der Löcher über die gesamte Abstandshülle bereitgestellt werden. Dabei ist es weiterhin bevorzugt, dass der Großteil der Gitterstrukturhülle aus Löchern besteht. Mit anderen Worten ist die Gesamtfläche, die durch die Summe aller Lochflächen bereitgestellt wird, vorzugsweise mindestens genauso groß, bevorzugt größer, als die durch den Strukturbereich bereitgestellte Gesamtfläche. Dadurch kann vorteilhafterweise der Benetzungsgrad der Gehäuseaußenfläche durch das Füllmaterial beziehungsweise die Füllmasse maximiert werden. Unter einer homogenen Verteilung der Löcher ist dabei insbesondere zu verstehen, dass die durch die Gesamtheit der Löcher bereitgestellte Lochfläche für jedes Vierteil oder für jedes Achtel der Gehäuseaußenfläche, insbesondere bezüglich der Umfangsrichtung und/oder der ersten Richtung, gleich ist oder zumindest näherungsweise gleich ist. Dadurch kann vorteilhafterweise erreicht werden, dass auch die Benetzung der Gehäuseaußenfläche der Batteriezelle durch die Füllmasse besonders homogen um die Batteriezelle herum erfolgen kann.
Bei einer vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung ist die mindestens eine Batteriezelle als eine zylindrische Batteriezelle ausgebildet. Zylindrische Batteriezellen werden üblicherweise auch als Rundzellen bezeichnet. Dabei können dann die erste und die zweite Seite der mindestens einen Batteriezelle jeweils eine Stirnseite der Rundzelle darstellen. Die beiden Stirnseiten der Rundzelle werden durch die in Umfangsrichtung umlaufende Mantelfläche miteinander verbunden. Die Mantelfläche stellt entsprechend die Gehäuseaußenfläche dar und hat im Falle einer Rundzelle eine im Wesentlichen zylindrische Geometrie. Eine solche Rundzelle kann zum Beispiel einen Durchmesser im Bereich zwischen 20 und 50 mm aufweisen. Weiterhin kann die Höhe der Rundzelle bezogen auf die erste Richtung im Bereich zwischen 5 und 15 cm liegen, zum Beispiel zwischen 7 und 11 cm, zum Beispiel bei 8 cm. Gerade bei der Anwendung auf Rundzellen zeigt die Erfindung ihre besonders großen Vorteile. Bei prismatischen Zellen beispielsweise ist es deutlich einfacher, Abstandshalter zwischen die Zellen einzufügen, da diese zum Beispiel einfach als Platten ausgebildet werden können, was durch die vereinfachte Geometrie der prismatischen Zellen der Fall ist. Auch zur Stabilisierung der prismatischen Zellen können diese beispielsweise durch einen Rahmen gehalten oder verspannt sein. Bei Rundzellen ist dies in der Regel nicht möglich. Gerade bei Rundzellen kann es nun vorteilhafterweise erreicht werden, dass diese immer sicher, auch im Falle eines Unfalls, einen gewissen Mindestabstand zueinander einhalten und sich die Zellhöhen, das heißt die Gehäuseaußenflächen der jeweiligen Rundzellen, nicht berühren können, wenn gleichzeitig ein sehr großer Teil dieser Gehäuseaußenfläche durch ein Füllmaterial beziehungsweise eine Füllmasse benetzt werden kann, um die Zellen direkt miteinander strukturell zu verbinden.
Gemäß einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung ist die Gitterstrukturhülle elastisch ausgebildet und aus einem elektrisch isolierenden Material, insbesondere aus einem Kunststoff. Die Elastizität der Gitterstrukturhülle kann beispielsweise auch allein auf Basis der Struktur an sich bereitgestellt sein, ähnlich einem dehnbaren Netzschlauch, oder der Strukturbereich an sich kann aus einem elastischen Material gebildet sein. Dadurch lässt sich die anschmiegende Wirkung an die Gehäuseaußenfläche besonders einfach bereitstellen. Dieses anschmiegende Verhalten hat dabei den großen Vorteil, dass so ein sicherer Sitz der Gitterstrukturhülle an der Gehäuseaußenfläche gewährleistet werden kann, der Bauraum minimiert werden kann und auch die Herstellung vereinfacht ist, dass so zum Beispiel zunächst eine Batteriezelle mit einer Gitterstrukturhülle versehen werden kann und so die bereitgestellte Zellanordnung auf einem Träger zusammen mit weiteren so bereitgestellten Zellanordnungen positioniert werden kann. Durch die elastischen Eigenschaften kann sich die Gitterstrukturhülle auch passgenau an die Gehäuseaußenflächengeometrie anpassen, und Fertigungstoleranzen von Zelle zu Zelle können einfach ausgeglichen werden. Auch können bessere Anpassungen bei Veränderungen der Zellegeometrie im Laufe der Zeit, zum Beispiel beim Laden der Zelle oder beim Erwärmen der Zelle, durch die elastische Gitterstrukturhülle bereitgestellt werden.
Bei einer weiteren sehr vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung bedeckt der der von den Löchern verschiedene Strukturbereich der Gitterstrukturhülle mindestens 5% und maximal 50% der Gehäuseaußenfläche. Insbesondere können sich dabei die Prozentangaben auch auf den Anteil des Strukturbereichs an der gesamten an der Gehäuseaußenfläche angeordneten Gitterstrukturhülle beziehen. Der Anteil der Löcher an der Gitterstrukturhülle beträgt demnach zwischen 50% und 95%. Sofern nicht die gesamte Gehäuseaußenfläche von der Gitterstrukturhülle bedeckt ist, so stellen zwischen 50% und 95% der Gehäuseaußenfläche entweder Bereiche dar, die zu Löchern korrespondieren oder Bereiche, die überhaupt nicht von der Gitterstrukturhülle bedeckt sind. In jedem Fall sind zwischen 50% und 95% der Gehäuseaußenfläche von der Füllmasse benetzbar. Damit kann ein extrem hohes Maß an Stabilität durch die direkte Verklebung von Zellen untereinander erreicht werden.
Dabei ist es bevorzugt, dass die Gitterstrukturhülle nicht die gesamte Gehäuseaußenfläche bedeckt. Gemäß einer vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung erstreckt sich die Gitterstrukturhülle in der ersten Richtung nur über einen Teil der Gehäuseaußenfläche, insbesondere wobei die Gitterstrukturhülle nicht in einem ersten unmittelbar an die erste Seite der Zelle angrenzenden Bereich der Gehäuseaußenfläche angeordnet ist und/oder nicht in einem zweiten unmittelbar an die zweite Seite der Batteriezelle angrenzenden Bereich der Gehäuseaußenfläche angeordnet ist. Beispielsweise kann die Gitterstrukturhülle bezogen auf die erste Richtung einen Abstand von 5 bis 10 mm zu den jeweiligen Stirnseiten der Rundzelle beziehungsweise der ersten und zweiten Seite der mindestens einen Batteriezelle haben. Dies vereinfacht die Anordnung auf einem Träger sowie eine oberseitige Verschaltung der Zellen. Dabei muss sich die Gitterstrukturhülle nicht notwendigerweise als Ganzes über den restlichen Zwischenbereich bezogen auf die erste Richtung über die Gehäuseaußenfläche erstrecken. Neben einer durchgängigen Netzstruktur ist auch das Aufteilen der Gitterstruktur in verschiedene Ebenen möglich. Mit anderen Worten kann die Zellanordnung beispielsweise auch mehrere solcher Gitterstrukturen umfassen, die in Bezug auf die erste Richtung übereinander angeordnet sind und einen Abstand zueinander aufweisen. Auf diese Weise lässt sich die durch die Füllmasse benetzbare Fläche noch weiter erhöhen.
Der Strukturbereich kann im Allgemeinen flächig ausgebildet sein, zum Beispiel als eine Art Folie, in welche dann die entsprechenden vielzähligen kleinen Löcher eingebracht sind. Alternativ und bevorzugt ist der Strukturbereich jedoch als ein Netz ausgebildet. Dieser kann also beispielsweise durch faserförmige, dünne Verbindungselemente gebildet sein. Gerade durch eine solche Netzstruktur lässt sich ein besonders hoher Benetzungsgrad realisieren.
Bei einer weiteren sehr vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung weist der Strukturbereich eine Dicke in einer zur ersten Richtung und zur Umfangsrichtung senkrechten zweiten Richtung, insbesondere einer radialen Richtung im Falle einer Rundzelle, auf, die maximal 5mm, insbesondere maximal 2 mm, vorzugsweise maximal 1 mm beträgt. Dadurch lassen sich besonders kleine Abstände zwischen den Zellen und auch entsprechend zwischen den Zellanordnungen realisieren, wenn diese auf einem gemeinsamen Träger angeordnet werden. Der Strukturbereich kann zum Beispiel auch eine Dicke kleiner 1 mm aufweisen, zum Beispiel 0,5 mm. Beispielsweise kann die Gitterstrukturhülle als Netz ausgebildet sein, welches Strukturbereichsfasern oder Stege mit einer Stegdicke von 0,5 mm aufweist.
Somit wird gegenüber den Anlageflächen, welche die Mantelflächen der Rundzellen bilden, ein Abstand von 1 mm gewährleistet. Somit können vielzählige Zellen auf engstem Raum angeordnet werden und gleichzeitig ein sicherer Abstand von 1 mm gewährleistet werden, der wie eingangs erwähnt eine gewisse Spannungsdurchschlagsfestigkeit sichert.
Bei einer weiteren sehr vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung weisen die Löcher jeweils eine maximale Abmessung auf, die im Bereich zwischen einschließlich 0,3 mm und einschließlich 5 mm liegt. Durch eine solche Größe der Löcher lässt sich einerseits ein sicheres Benetzen der dahinterliegenden Gehäuseaußenfläche erreichen, und gleichzeitig lässt es sich hierdurch bewerkstelligen, dass Abschnitte des Strukturbereichs, die durch ein Loch voneinander separiert sind, nicht so weit voneinander entfernt sind, um immer zu gewährleisten, dass eine direkte Anlage der einzelnen Gehäuseaußenflächen zweier benachbart angeordneter Zellanordnungen nicht möglich ist, wenn die Zellanordnungen kontaktierend aneinander angeordnet werden. Somit ist also gewährleistet, dass ein Strukturbereichselement einer Zellanordnung immer ein Strukturbereichselement einer anderen Zellanordnung berührt, wenn zwei Zellanordnungen berührend aneinander angeordnet werden.
Sind die Löcher zum Beispiel kreisförmig ausgebildet, so bezieht sich die maximale Abmessung auf den Durchmesser dieser Löcher. Ist ein Loch beispielsweise rechteckig oder rautenförmig ausgebildet, so bezieht sich die größte Abmessung zum Beispiel auf die größere Diagonale.
Des Weiteren betrifft die Erfindung auch eine Batterie mit einer erfindungsgemäßen Zellanordnung oder eine ihrer Ausgestaltungen. Vorzugsweise weist die Batterie dabei mehrere erfindungsgemäße Zellanordnungen oder mehrere ihrer Ausgestaltungen auf. Dabei ist es weiter bevorzugt, dass die jeweiligen Batteriezellen auf einem Träger angeordnet sind, so dass ihre jeweiligen ersten Seiten dem Träger zugewandt sind. Der Träger kann zum Beispiel gleichzeitig auch als eine Kühleinrichtung oder ein Kühlboden ausgebildet sein und zu diesem Zweck von einem Kühlmittel durchströmbare Kühlkanäle aufweisen. Die Batteriezellen können so vorteilhafterweise über den Träger gekühlt werden. Um die Batteriezellen auf dem Träger anzuordnen beziehungsweise auf diesem zu befestigen, können die Batteriezellen auch dem Träger mit ihren jeweiligen ersten Seiten dem Träger zugewandt angeklebt sein, zum Beispiel mit einem sehr gut thermisch leitfähigen Klebstoff.
Dabei ist es weiterhin bevorzugt, dass die jeweiligen Zellanordnungen derart nah zueinander angeordnet sind, dass sich die Abstandshüllen von je zwei zueinander benachbart angeordneten Zellanordnungen berühren. Dadurch kann der zur Verfügung stehende Bauraum maximal effizient ausgenutzt werden. Die Anordnung der Batteriezellen beziehungsweise der Zellanordnungen zueinander auf dem Träger ist dabei grundsätzlich beliebig. Beispielsweise können die Zellanordnungen matrixförmig angeordnet sein, das heißt in Reihen und Spalten, oder zum Beispiel auch bienenwabenförmig, so dass jede Zellanordnung, die sich nicht am Rand befindet, von sechs weiteren Zellanordnungen umgeben ist. Damit lässt sich eine noch höhere Packungsdichte erzielen.
Gemäß einer weiteren sehr vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung sind Zwischenräume zwischen den Zellanordnungen zumindest zum Teil mit einer Vergussmasse ausgefüllt, die die jeweiligen Abstandshüllen im Bereich der Löcher der Abstandshülle durchdringt und die die Gehäuseaußenflächen der jeweiligen Batteriezellen im Bereich der Löcher der Abstandshülle benetzt. Die Anordnung der mehreren Zellanordnungen auf dem Träger kann zum Beispiel durch einen umlaufenden Rahmen begrenzt sein. Die übrigen Zwischenräume können dann entsprechend mit der Vergussmasse ausgefüllt werden. Dabei wird vorzugsweise so viel Vergussmasse in die jeweiligen Zwischenräume eingefüllt, dass diese mindestens bis zur Hälfte der Höhe der Batteriezelle, vorzugsweise bis nahezu ihrer gesamten Höhe, mit der Vergussmasse befüllt sind. Die Vergussmasse härtet nach dem Einfüllen aus. Dadurch werden die Batteriezellen miteinander verklebt. Durch die Gitterstrukturhülle ist es möglich, dass ein sehr großer Teil der Gehäuseaußenfläche der jeweiligen Batteriezellen von der Vergussmasse benetzt wird und somit stabil mit den anderen umgebenden Batteriezellen verklebt werden kann. Insgesamt entsteht so ein äußerst stabiler Gesamtverbund mit sehr guten und vor allem auch homogenen mechanischen und thermischen Eigenschaften.
Des Weiteren soll auch ein Kraftfahrzeug mit einer erfindungsgemäßen Batterie oder einer ihrer Ausgestaltungen als zur Erfindung gehörend angesehen werden.
Das erfindungsgemäße Kraftfahrzeug ist bevorzugt als Kraftwagen, insbesondere als Personenkraftwagen oder Lastkraftwagen, oder als Personenbus oder Motorrad ausgestaltet. Allgemein kann die erfindungsgemäße Batterie oder eine ihrer Ausgestaltungen Teil eines Landfahrzeugs, insbesondere auch eines schienengebundenen Landfahrzeugs, eines Wasserfahrzeugs, z.B. eines Boots, oder eines Luftfahrzeugs, z.B. eines Flugzeugs, sein. Darüber hinaus kann die erfindungsgemäße Batterie oder eine ihrer Ausgestaltungen auch Außerhalb eines Fahrzeugs Anwendung finden, d.h. als Energiespeicher wie Akkumulatoren allgemein.
Des Weiteren kann auch ein Verfahren zum Herstellen einer Batterie mit mindestens einer erfindungsgemäßen Zellanordnung oder eine ihrer Ausgestaltungen als zur Erfindung gehörend angesehen werden. Im Zuge dieses Verfahrens kann zunächst eine Batteriezelle bereitgestellt werden, anschließend eine als Gitterstrukturhülle ausgebildete Abstandshülle an der Gehäuseaußenfläche der Batteriezelle sich an diese Gehäuseaußenfläche anschmiegend angeordnet werden, sodass die Abstandshülle im an der Batteriezelle angeordneten Zustand die Gehäuseaußenfläche in Umfangsrichtung vollständig zusammenhängend umgibt. Die Gitterstrukturhülle sowie die Batteriezelle können dabei wie zur erfindungsgemäßen Zellanordnung und ihren Ausgestaltungen beschrieben ausgebildet sein. Anschließend kann die so bereitgestellte Zellanordnung auf einem Träger angeordnet werden, indem die Batteriezelle mit ihrer ersten Seite auf einer Oberfläche des Trägers angeklebt wird.
Analog können weitere Zellanordnungen auf dem Träger angeordnet werden, insbesondere wie bereits zur erfindungsgemäßen Batterie und ihren Ausgestaltungen beschrieben. Dann können die Zwischenräume zwischen den Zellanordnungen mit der Vergussmasse befüllt werden.
Zu der Erfindung gehören auch Weiterbildungen des erfindungsgemäßen Verfahrens, die Merkmale aufweisen, wie sie bereits im Zusammenhang mit den Weiterbildungen der erfindungsgemäßen Zellanordnung beschrieben worden sind. Aus diesem Grund sind die entsprechenden Weiterbildungen des erfindungsgemäßen Verfahrens hier nicht noch einmal beschrieben.
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.
Im Folgenden sind Ausführungsbeispiele der Erfindung beschrieben. Hierzu zeigt:

1 eine schematische Darstellung einer Anordnung mehrere Rundzellen auf einem Träger;
2 eine schematische Darstellung der Anordnung in 1 in einer Crashsituation;
3 eine schematische Darstellung einer als Gitterstrukturhülle ausgebildeten Abstandshülle für eine Zellanordnung gemäß einem Ausführungsbeispiel der Erfindung;
4 eine schematische Darstellung einer Zellanordnung mit einer Batteriezelle und einer Gitterstrukturhülle gemäß einem Ausführungsbeispiel der Erfindung;
5 eine schematische Darstellung einer Zellanordnung gemäß einem weiteren Ausführungsbeispiel der Erfindung;
6 eine schematische Darstellung einer Zellanordnung mit flächigem Strukturbereich der Gitterstrukturhülle gemäß einem Ausführungsbeispiel der Erfindung;
7 ein Beispiel eines weiteren Strukturmusters für eine Gitterstrukturhülle gemäß einem Ausführungsbeispiel der Erfindung;
8 eine schematische Darstellung eines weiteren Strukturmusters für eine Gitterstrukturhülle gemäß einem weiteren Ausführungsbeispiel der Erfindung;
9 eine schematische Darstellung eines weiteren Strukturmusters für eine Gitterstrukturhülle gemäß einem weiteren Ausführungsbeispiel der Erfindung; und
10 eine Batterie mit mehreren Zellanordnungen in einer Draufsicht gemäß einem Ausführungsbeispiel der Erfindung.

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.
In den Figuren bezeichnen gleiche Bezugszeichen jeweils funktionsgleiche Elemente.
1 zeigt eine schematische Darstellung einer Anordnung 10 mit mehreren als Rundzellen 12 ausgebildeten Batteriezellen, die auf einem Träger 14 angeordnet sind gemäß einem nicht zur Erfindung gehörenden Beispiel. Der Träger 14 kann zum Beispiel eine Kühlplatte 16 darstellen. Die Rundzellen 12 sind auf der Kühlplatte 16 positioniert und befestigt, beispielsweise durch wärmeleitfähigen Klebstoff. Um die Zellen in der angedachten Position zu halten, müssen Abstandshalter eingesetzt werden. Diese können zum Beispiel durch Gitterstrukturen bereitgestellt sein, die an den Oberseiten der Zellen 12 angeordnet werden. Die elektrische Trennung der einzelnen Zellen 12 zueinander erfolgt bislang durch den sich ergebenden Luftspalt 18 mit einer Breite d von circa 1 mm tangential umlaufend zur nächsten anliegenden Zelle 12. Aus Gründen der Übersichtlichkeit ist in 1 nur eine solche Breite d mit einem Bezugszeichen versehen. Dieser entstandene Luftspalt 18 sichert eine Durchschlagsfestigkeit von circa 3 bis 4 kV ab.
Für große Belastungen, die beispielsweise durch einen Fahrzeugcrash hervorgerufen werden, können bei starker Intrusion oder hohen Beschleunigungskräften zu einem Kontakt von mindestens zwei Zellen 12 führen, wie dies in 2 schematisch veranschaulicht ist. Hier kommt es zu einer Einwirkung einer Kraft F auf die Anordnung 10, wie dies zu 1 beschrieben wurde. Dadurch können die Zellen 12 ihre ursprüngliche Position verlassen, wodurch eben die Gefahr besteht, dass ihre Gehäuseaußenflächen miteinander in Kontakt geraten. Durch die Bildung von Kontaktflächen ist die Durchschlagsfestigkeit nicht mehr gegeben, und es kommt zum Spannungsüberschlag S. Solche Berührpunkte im Batteriepaket können nun vorteilhafterweise durch eine mechanische Verblockung verhindert werden, wie diese durch die Erfindung oder ihre Ausführungsformen erreicht werden kann.
Erreicht wird dies durch eine Zellanordnung 20 (vergleiche zum Beispiel 4), die eine Batteriezelle 22 aufweist und an welcher eine Abstandshülle 24 angeordnet ist, die gleichzeitig als Gitterstrukturhülle 24 ausgebildet ist. Diese stellt eine mechanische Verblockung in Form einer Gitterstruktur auf der zylindrischen Zellhaut 22d bereit. Diese Gitterstrukturhülle 24 ist exemplarisch nochmals in 3 dargestellt. Diese ist aus einem elastischen Material gebildet und gleichzeitig elektrisch isolierend. Beispielsweise kann die Gitterstrukturhülle 24 aus einem Kunststoff gebildet sein. Genauer gesagt ist dabei der Strukturbereich 26 der Gitterstrukturhülle aus diesem elastischen und elektrisch isolierenden Material, insbesondere Kunststoff, gebildet. Die Gehäusestruktur 24 umfasst dabei mehrere, insbesondere vielzählige Löcher 28, von welchen aus Gründen der Übersichtlichkeit nur einige mit einem Bezugszeichen versehen sind. Diese Löcher 28 der Gitterstrukturhülle 24 werden dabei vom besagten Strukturbereich 26 voneinander separiert. Der Strukturbereich 26 ist sozusagen in diesem Beispiel durch die Netzfasern bereitgestellt, die so miteinander verbunden sind, dass zwischen den Faserabschnitten die Löcher 28 entstehen, in diesem Beispiel rautenförmige Löcher 28. Die die einzelnen Löcher 28 umrahmenden Stege des Strukturbereichs 26 können dabei eine Dicke von mehreren Millimetern aufweisen, zum Beispiel eine Dicke von maximal 1 bis 2 mm, zum Beispiel 0,5 mm. Eine solche Gitterstrukturhülle kann nun sehr einfach an einer Batteriezelle 22 angebracht beziehungsweise appliziert werden, was zu einer Zellanordnung 20 führt, wie diese zum Beispiel in 4 dargestellt ist.
Die Batteriezelle 22 ist in den vorliegenden Beispielen als Rundzelle 22 ausgebildet. Wie in 4 dargestellt, umfasst eine solche Rundzelle 22 eine erste Seite 22a sowie eine der ersten Seite 22a bezüglich einer ersten Richtung, die zur dargestellten z-Richtung korrespondiert, gegenüberliegende zweite Seite 22b. Diese erste und zweite Seite 22a, 22b stellen dabei Stirnseiten der Rundzelle 22 dar. An diesen können auch die Zellpole 22c angeordnet sein. Die beiden Stirnseiten 22a, 22b werden dabei von einer Gehäuseaußenfläche 22d miteinander verbunden. Diese Gehäuseaußenfläche 22d umgibt dabei ein nicht näher dargestelltes Inneres der Batteriezelle 22 in einer zur ersten Richtung z senkrechten Umfangsrichtung U vollständig zusammenhängend. An dieser Gehäuseaußenfläche 22d ist nun die bereits beschriebene Abstandshülle 24 angeordnet, und zwar so, dass auch diese die Gehäuseaußenfläche 22d in Umfangsrichtung U vollständig zusammenhängend umgibt. Die Hülle der Batteriezelle 22 in z-Richtung ist dabei mit H bezeichnet. Die Gitterstrukturhülle 24 kann sich dabei über die gesamte Höhe H der Zelle 22 erstrecken. Bevorzugt ist es jedoch, dass sich die Gitterstrukturhülle 24 nicht über die gesamte Höhe H erstreckt, sondern nur über einen Teil davon. Dies ist zum Beispiel in 5 illustriert.
5 zeigt eine Zellanordnung 20 gemäß einem weiteren Ausführungsbeispiel der Erfindung. Die Zellanordnung 20 kann bis auf die nachfolgend beschriebenen Unterschiede genauso wie zuvor bereits beschrieben ausgebildet sein. In diesem Beispiel erstreckt sich nun die Gitterstrukturhülle 24 nicht über die volle Höhe H der Batteriezelle 22, sondern weist in der ersten Richtung z einen Abstand d1 zur ersten Stirnseite 22a auf und einen zweiten Abstand d2 zur zweiten Stirnseite 22b. Diese Abstände d1 und d2 können zum Beispiel im Bereich zwischen 5 und 10 mm betragen. Die Höhe H der Batteriezelle 20 kann zum Beispiel 8 cm und beträgt im Allgemeinen zwischen 5 und 15 cm. Der Durchmesser einer solchen Rundzelle 22 beträgt vorzugsweise zwischen 20 mm und 50 mm, zum Beispiel 46 mm.
Die Gitterstrukturhülle 24 ist damit weiterhin so ausgestaltet, dass der Strukturbereich 26 zwischen 5% und 50% der Manteloberfläche, das heißt der Gehäuseaußenfläche 22d der Batteriezelle 22 bedeckt. Durch das Vorsehen einer solchen netzartigen Gitterstrukturhülle 24 lassen sich nun vielzählige Vorteile erzielen. Im Falle einer Deformation der Fahrzeugplattform, welche das Batteriepaket beinhaltet, kann eine ausreichend hohe elektrische Durchschlagsfestigkeit garantiert werden. Eine solche Verwendung einer Gitterstrukturhülle 24, wie beispielsweise eines Gitterstrukturschlauchs, ermöglicht das genaue Einstellen von Spaltmaßen zwischen den Rundzellen 22, wenn diese zusammen auf einem Träger angeordnet werden und verhindert im Lastfall eine Kontaktbildung. Die mechanische Verblockung der einzelnen Zellen, welche nur Teilflächen der Rundzellen 22 betrifft, führt dazu, dass weiterhin eine Verklebung der Zellen 22 ermöglicht werden kann. Eine solche Verklebung kann durch eine Vergussmasse bereitgestellt werden, die in die Zwischenräume zwischen die Zellen beziehungsweise Zellanordnungen 20 eingebracht werden kann, wie dies später näher erläutert wird. Durch die durch die Gitterstrukturhülle 24 bereitgestellten Löcher 28 ist nun vorteilhafterweise die Zugänglichkeit zur Zelle 22 gewährleistet, um diese mit zumeist polymeren Füllstoffen mit adhäsiven Eigenschaften als Füllmasse benetzen zu können. Die im Hohlraum zu den Zellen 22 vergossenen Füllstoffe können neben einer zusätzlichen strukturellen auch eine thermische Funktion erfüllen. Neben den prozessualen Vorteilen können die Materialeigenschaften der Gitterstruktur der Gitterstrukturhülle 24 konzeptneutral gezielt eingestellt werden. Somit kann mit einer Vielzahl an Parametern genau auf die gewünschten Eigenschaften eingegangen werden. Diese Parameter sind zum Beispiel die erwähnte Stegdicke des Strukturbereichs 26, der Anteil der Mantelfläche 22d, der von dem Strukturbereich 26 bedeckt wird, sowie auch die Geometrie und Größe der Löcher 28 selbst. Um zum Beispiel den eingangs geforderten Abstand der einzelnen Zellekörper beziehungsweise Zellen 22 von 1 mm zu gewährleisten, kann eine Struktur der Gitterstrukturhülle 24 mit einer Stegdicke von 0,5 mm verwendet werden. Somit wird gegenüber den Anlageflächen, welche die Rundzellen 22 bilden, ein Abstand von 1 mm gewährleistet.
Die Löcher 28, die durch Netzmaschen eines Netzes als Gitterstrukturhülle 24 bereitgestellt werden können, können je nach Anwendungsfall und Anforderungen eine Größe von 0,3 mm bis 5 mm erreichen. Auch eine Mischstruktur unterschiedlicher Maschen beziehungsweise Löcher 28 unterschiedlicher Größe und Geometrie ist möglich.
Die Positionierung der Gitterstrukturhülle 24, insbesondere der als Netz 24a ausgebildeten Gitterstrukturhülle 24, findet auf der Mantelfläche 22d der Rundzelle 22 statt, wie dies bereits beschrieben wurde. Die Netzhöhe h ist dabei vorzugsweise stets kleiner als die Höhe H der Mantelfläche 22d der Rundzelle 22, wie dies in 5 veranschaulicht ist, und befindet sich somit in einem Bereich von vorzugsweise 5 bis 10 mm unterhalb der Stirnseiten 22a, 22b der Rundzelle 22.
Neben einer durchgängigen Netzstruktur beziehungsweise Gitterstrukturhülle 28 ist auch das Aufteilen der Gitterstrukturhülle 28 in verschiedene Ebenen bezüglich der z-Richtung möglich. Somit ist auch das Applizieren von mehreren zylindrischen Ringen der Gitterstruktur zur Bildung der Gitterstrukturhülle 28 auf eine Rundzelle 22 möglich, um zusätzliche Freiräume für weitere Applikationen wie Füllstoffe zu erhalten.
Wie bereits beschrieben, bedeckt die applizierte Gitterstruktur, genauer gesagt der Strukturbereich 26, dabei vorzugsweise 5 bis 50% der zylindrischen Außenhaut 22d, sodass 50% bis 95% der Mantelfläche 22d der Rundzellen 22 für eine polymere Benetzung zur Verfügung stehen.
6 zeigt ein weiteres Beispiel einer Zellanordnung 20 gemäß einem Ausführungsbeispiel der Erfindung. Auch diese kann wie zuvor beschrieben ausgebildet sein bis auf die nachfolgend beschriebenen Unterschiede, die sich hierbei lediglich auf die Struktur der Gitterstrukturhülle 24 beziehen. Neben der Ausbildung der Gitterstrukturhülle 24 mit einer Netzstruktur 24 ist es auch denkbar, dass der Strukturbereich 26 nicht faserförmig bereitgestellt ist, sondern vielmehr flächig. Dies führt vielmehr zu einem Flächengitter 24b als Gitterstrukturhülle 24. Die in diesem Beispiel kreisförmigen Löcher 28 legen dabei Bereiche der Mantelfläche 22d der Rundzelle 22 frei, die somit vorteilhafterweise von Füllstoffen benetzt werden können. Wenngleich auch nicht explizit dargestellt, so weist auch wiederum die Gitterstrukturhülle 24 einen gewissen Abstand zu den Stirnseiten 22a, 22b auf.
7, 8 und 9 zeigen weitere Beispiele für Strukturmuster 30a, 30b, 30c der Gitterstrukturhülle 24. Von dieser ist in 7, 8, 9 nur ein exemplarischer Teil dargestellt. 7 zeigt dabei insbesondere eine Wabenstruktur 30a, 8 eine Rautenstruktur 30b und 9 eine Kreisnoppenstruktur 30c der Gitterstrukturhülle 24.
7 zeigt ein Muster 30a, gemäß welchem die Löcher 28 unterschiedliche Geometrie und Größe besitzen, insbesondere wobei die Gitterstrukturhülle 24 dabei sowohl rautenförmige Löcher als auch sechseckförmige Löcher, d. h. mit wabenförmiger Geometrie, aufweist.
8 zeigt ein Beispiel, gemäß welchem die Gitterstrukturhülle 24 mit einem Muster 30b ausgebildet ist, gemäß welchem die Löcher 28 ausschließlich eine rautenförmige Geometrie haben.
9 zeigt ein Beispiel einer Gitterstrukturhülle 24, die mit einem Strukturmuster 30c ausgebildet ist, insbesondere mit einer Kreisnoppenstruktur 30c, gemäß welcher die Löcher 28 eine dreieckige Geometrie haben und die Verbindungspunkte der einzelnen Stege der Strukturbereichs 26 mit Verstärkungen ausgebildet sind. Darüber hinaus sind auch vielzählige weitere Muster und Mischstrukturen denkbar.
10 zeigt eine schematische Darstellung einer Batterie 32 mit mehreren Zellanordnungen 20 gemäß einem Ausführungsbeispiel der Erfindung. Eine jeweilige Zellanordnung kann dabei wie zuvor bereits beschrieben ausgebildet sein. 10 zeigt dabei die Anordnung mehrerer solcher Zellanordnungen 20 zueinander in einer Draufsicht. Diese sind wie eingangs bereits beschrieben, auf einem gemeinsamen Träger 34 angeordnet, der vorzugsweise als Kühlboden 36 ausgebildet ist. Eine jeweilige Zellanordnung 20 umfasst dabei eine Batteriezelle 22 und eine Gitterstrukturhülle 24, welche an der Gehäuseaußenfläche 22d der Batteriezelle 22 angeordnet ist. Der materielle Strukturbereich 26 definiert dabei durch seine Dicke b senkrecht zur Mantelfläche 22d den halben Abstand D zwischen zwei benachbart angeordneten Batteriezellen 22. Der Abstand D bezeichnet hierbei den minimalen Abstand zwischen zwei benachbart angeordneten Batteriezellen 22. Die Batteriezellen 22 werden also vorzugsweise derart nahe beieinander angeordnet, dass sich die an ihren Mantelflächen 22d angeordneten Gitterstrukturhüllen 24 berühren. Im Falle von Rundzellen 22 ergeben sich dabei automatisch Zwischenräume 38, die wie beschrieben mit einem Füllstoff 40 befüllt sind. Eine solche Füllung 40 kann sich auch zwischen Außenbereichen der Zellen 22 und einem nicht näher dargestellten Rahmen befinden, der alle Zellanordnungen 20 der Batterie 32 umgibt. Durch die Löcher 28 in der Gitterstrukturhülle 24, wobei hierbei nur drei solcher Löcher 28 exemplarisch für drei benachbart angeordnete Batteriezellen 22 dargestellt sind, ist es nun vorteilhafterweise möglich, dass ein solcher Füllstoff 40 die Gitterstrukturhülle 24 im Bereich dieser Löcher 28 durchdringt und damit die Mantelfläche 22d der Zellen 22 direkt kontaktiert. Zudem ermöglichen die Löcher 28 beziehungsweise die Ausbildung der Abstandshülle 24 als Gitterstrukturhülle auch eine einfache Verteilung und Einfüllung dieser Vergussmasse 40 in die Zwischenräume 38, da diese zum Beispiel von dem Zwischenraum 38 zu dem Zwischenraum 38 hindurchfließen kann, da selbst im Kontaktbereich K zwischen zwei Gitterstrukturhüllen 24 bedingt durch die Löcher 28 Durchgangsmöglichkeiten beziehungsweise Durchgangsöffnungen für diese Füllmasse 40 geschaffen sind. Die Befüllung dieser Füllmasse 40 erfolgt dabei vorzugsweise über die gesamte Höhe H oder zumindest nahezu über die gesamte Höhe H in der Batteriezelle 22. Wie bereits beschrieben kann diese Füllmasse 40 als ein polymerer Füllstoff, insbesondere mit adhäsiven Eigenschaften, bereitgestellt sein.
Insgesamt zeigen die Beispiele, wie durch die Erfindung ein Strukturabstandshalter für Rundzellen bereitgestellt werden kann, der eine Erhöhung der Steifigkeit durch mechanische Sicherstellung von definierten Zellabständen ermöglicht. Die Bereitstellung einer Abstandshülle in Form einer Gitterstrukturhülle beziehungsweise eines Gitterstrukturschlauchs ermöglicht das genaue Einstellen von Spaltmassen zwischen den Rundzellen und verhindert im Lastfall eine Kontaktbildung. Zudem ermöglicht die Gitterstrukturhülle sehr große Klebeflächen mit möglichst gleichmäßiger Benetzung und möglichst wenig Störkonturen durch feine Netzstrukturen. Dies führt zu einer sehr hohe Klebefläche, guten Adhäsionseigenschaften, guten Kohäsionseigenschaften, keiner Trennfläche und einer Isolation. Eine Entscheidung zwischen elektrischem Isolieren oder strukturellem Verkleben muss hierbei nicht mehr getroffen werden, denn die Erfindung ermöglicht es, beide Aspekte auf vorteilhafte Weise zu vereinen.
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

DE 102019217668 A1 [0004]
US 2019/0372173 A1 [0005]

Claims

Zellanordnung (20) mit mindestens einer Batteriezelle (22), die aufweist: - eine erste Seite (22b) zur Anordnung auf einem Träger (34, 36); - eine der ersten Seite (22b) bezüglich einer ersten Richtung (z) gegenüberliegende zweite Seite (22a); und - eine die erste Seite (22b) und die zweite Seite (22a) miteinander verbindende, ein Inneres der Batteriezelle (22) in einer zur ersten Richtung (z) senkrechten Umfangsrichtung (U) vollständig umgebende Zellgehäusewandung (22d) mit einer dem Inneren der Batteriezelle (22) abgewandten Gehäuseaußenfläche (22d); wobei die Zellanordnung (20) eine Abstandshülle (24) aufweist, die sich an die Gehäuseaußenfläche (22d) der mindestens einen Batteriezelle (22) anschmiegend an der Gehäuseaußenfläche (22d) angeordnet ist und dabei die Gehäuseaußenfläche (22d) in Umfangsrichtung (U) vollständig zusammenhängend umgibt, dadurch gekennzeichnet, dass die Abstandshülle (24) als eine Gitterstrukturhülle (24) ausgebildet ist, die vielzählige, die Gitterstrukturhülle (24) in einer zweiten Richtung (z) senkrecht zur Gehäuseaußenfläche (22d) vollständig durchdringende, über die gesamte Abstandshülle (24) zumindest in Umfangsrichtung (U) verteilt angeordnete Löcher (28) und einen die Löcher (28) voneinander separierenden Strukturbereich (26) aufweist.
Zellanordnung (20) nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die mindestens eine Batteriezelle (22) als eine zylindrische Batteriezelle (22) ausgebildet ist, wobei die erste und die zweite Seite (22b, 22a) der mindestens einen Batteriezelle (22) Stirnseiten (22b, 22a) darstellen.
Zellanordnung (20) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Gitterstrukturhülle (24) elastisch ausgebildet ist und aus einem elektrisch isolierendem Material ist, insbesondere aus einem Kunststoff.
Zellanordnung (20) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der von den Löchern (28) verschiedene Strukturbereich (26) der Gitterstrukturhülle (24) mindestens 5% und maximal 50% der Gehäuseaußenfläche (22d) bedeckt.
Zellanordnung (20) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass sich die Gitterstrukturhülle (24) in der ersten Richtung (z) nur über einen Teil der Gehäuseaußenfläche (22d) erstreckt, insbesondere wobei die Gitterstrukturhülle (24) nicht in einem ersten unmittelbar an die erste Seite (22b) der Batteriezelle (22) angrenzenden Bereich der Gehäuseaußenfläche (22d) angeordnet ist und/oder nicht in einem zweiten unmittelbar an die zweite Seite (22a) der Batteriezelle (22) angrenzenden Bereich der Gehäuseaußenfläche (22d) angeordnet ist.
Zellanordnung (20) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Strukturbereich (26) eine Dicke (b) in einer zur ersten Richtung (z) und zur Umfangsrichtung (U) senkrechten zweiten Richtung, insbesondere einer radialen Richtung, aufweist, die maximal 5mm, insbesondere maximal 2 mm, vorzugsweise maximal 1 mm beträgt.
Zellanordnung (20) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Löcher (28) jeweils eine maximale Abmessung aufweisen, die im Bereich zwischen einschließlich 0,3 mm und einschließlich 5 mm liegt.
Batterie (32) mit mehreren Zellanordnung (20) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die jeweiligen Batteriezellen (22) auf einem Träger (34, 36) angeordnet sind, so dass ihre jeweiligen ersten Seiten (22b) dem Träger (34, 36) zugewandt sind.
Batterie (32) nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass die jeweiligen Zellanordnung (20) derart nah zueinander angeordnet sind, dass sich die Abstandshüllen (24) von je zwei zueinander benachbart angeordneten Zellanordnung (20) berühren.
Batterie (32) nach einem der Ansprüche 8 oder 9, dadurch gekennzeichnet, dass Zwischenräume (38) zwischen den Zellanordnungen (20) zumindest zum Teil mit einer Vergussmasse (40) ausgefüllt sind, die die jeweiligen Abstandshüllen (24) im Bereich der Löcher (28) der Abstandshülle (24) durchdringt und die Gehäuseaußenflächen (22d) der jeweiligen Batteriezellen (22) im Bereich der Löcher (28) der Abstandshülle (24) benetzt.