DE102021205610A1 - Batteriemodul, Verfahren zur Herstellung eines solchen und Kraftfahrzeug - Google Patents

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Abstract

Die Erfindung betrifft ein Batteriemodul mit einer Mehrzahl an Batteriezellen (5), insbesondere Lithium-Ionen-Batteriezellen (50), die jeweils ein Gehäuse (51) umfassen, in welchem elektrochemische Komponenten der Batteriezelle (5) aufgenommen sind, wobei das Batteriemodul (1) zudem einen Zellhalter (2) umfasst, welcher eine Mehrzahl an Zellaufnahmen (3) ausbildet, in welchen jeweils eine Batteriezelle (5) aufgenommen ist, wobei der Zellhalter (2) aus einem elastisch verformbaren Material (6) ausgebildet ist und die Zellaufnahmen (3) jeweils in der Art ausgebildet sind, dass die jeweils in einer Zellaufnahme (3) aufgenommene Batteriezelle (5) den Zellhalter (2) in der Art dauerhaft elastisch verformt, sodass eine auf die Batteriezelle (5) einwirkende Kraft (7) die Batteriezelle (5) kraftschlüssig in der Zellaufnahme (3) befestigt.

Description

  • Stand der Technik
  • Die Erfindung geht aus von einem Batteriemodul nach Gattung des unabhängigen Anspruchs. Gegenstand der vorliegenden Erfindung sind auch ein Verfahren zu einer Herstellung eines solchen und ein Fahrzeug.
  • Aus dem Stand der Technik ist es bekannt, dass Batteriemodule aus einer Mehrzahl an einzelnen Batteriezellen bestehen können, welche seriell und/oder parallel elektrisch leitend miteinander verschaltet sein können, so dass die einzelnen Batteriezellen zu dem Batteriemodul zusammengeschaltet sind.
  • Weiterhin werden solche Batteriemodule zu Batterien bzw. zu gesamten Batteriesystemen zusammengeschaltet. Insbesondere sind die Batteriezellen dabei als Lithium-Ionen-Batteriezellen ausgebildet. Mit solchen Lithium-Ionen-Batteriezellen können vergleichbar hohe Energiedichten erreicht werden, die eine kompaktere Bauweise der Batterie erlauben.
  • Eine elektrische Verschaltung der Mehrzahl an Batteriezellen ist überwiegend durch sogenannte Zellverbinder ausgebildet.
  • Stand der Technik sind bspw. WO 2020/102833 und US 2007/0232154 .
  • Offenbarung der Erfindung
  • Ein Batteriemodul mit den Merkmalen des unabhängigen Anspruchs bietet den Vorteil, dass eine Aufnahme einer Mehrzahl an Batteriezellen auf zuverlässige und vergleichbar einfache Weise ausgebildet werden kann.
  • Dazu wird ein Batteriemodul mit einer Mehrzahl an Batteriezellen, welche insbesondere als Lithium-Ion-Batteriezellen ausgebildet sind, zur Verfügung gestellt. Die Batteriezellen umfassen dabei jeweils ein Gehäuse, in welchem elektrochemische Komponenten der jeweiligen Batteriezelle aufgenommen sind. Zudem umfasst das Batteriemodul einen Zellhalter, welcher eine Mehrzahl an Zellaufnahmen ausbildet. In diesen Zellaufnahmen ist dabei jeweils eine Batteriezelle aufgenommen. Dabei ist der Zellhalter aus einem elastisch verformbaren Material ausgebildet. Weiterhin sind die Zellaufnahmen jeweils in der Art ausgebildet, dass die jeweils in einer Zellaufnahme aufgenommene Batteriezelle den Zellhalter in der Art dauerhaft elastisch verformt, sodass eine auf die Batteriezelle einwirkende Kraft die Batteriezelle kraftschlüssig in der Zellaufnahme befestigt.
  • Durch die in den abhängigen Ansprüchen aufgeführten Maßnahmen sind vorteilhafte Weiterbildungen und Verbesserungen der im unabhängigen Anspruch angegebenen Vorrichtung möglich.
  • Es ist zweckmäßig, wenn das elastisch verformbar ausgebildete Material ausgewählt ist als vulkanisierter natürlicher oder synthetischer Kautschuk oder als elastomerer Werkstoff. Diese Werkstoffe bieten jeweils beispielsweise den Vorteil, dass auf zuverlässige Weise eine dauerhafte elastische Verformung möglich ist und insbesondere, dass ein vergleichbar hoher Reibwert zwischen der jeweiligen Batteriezelle und der Zellaufnahme zur Verfügung gestellt werden kann, sodass eine vergleichbar zuverlässigere kraftschlüssige Befestigung ausbildbar ist.
  • Von Vorteil ist es, wenn der Zellhalter weiterhin als Vollmaterial ausgebildet ist. Darunter soll an dieser Stelle verstanden sein, dass der Zellhalter beispielsweise einzig mit Ausnahme der Zellaufnahmen gänzlich aus dem Werkstoff ausgebildet ist. Insbesondere kann der Zellhalter als quaderförmiger Block ausgebildet sein, in welchem die Zellaufnahmen ausgebildet sind.
  • Ferner ist es auch zweckmäßig, wenn der Zellhalter weiterhin einen Kühlkanal umfasst, welcher insbesondere unmittelbar benachbart zu einer Batteriezelle angeordnet ist. An dieser Stelle sei angemerkt, dass der Kühlkanal beispielsweise zusätzlich zu den Zellaufnahmen in dem quaderförmigen Block ausgebildet sein kann.
  • Besonders bevorzugt ist es, wenn die kraftschlüssige Befestigung als Pressung ausgebildet ist. Darunter soll verstanden sein, dass die Abmessungen der Zellaufnahmen jeweils kleiner ausgebildet sind als die Abmessungen der in den jeweiligen Zellaufnahmen aufgenommen bzw. aufzunehmenden Batteriezelle. Insbesondere weisen die Zellaufnahmen jeweils eine senkrecht zu einer Einführrichtung der Batteriezelle, welcher der Längsrichtung der Zellaufnahmen und der Längsrichtung der Batteriezelle entspricht, angeordnete Querschnittsfläche auf. Dabei ist insbesondere diese Querschnittsfläche mit einer geringeren Größe ausgebildet als die senkrecht zu der Einführrichtung der Batteriezelle angeordnete Querschnittsfläche der jeweiligen Batteriezelle. Hierdurch ist bei einem Einführen der Batteriezelle in die Zellaufnahme in der Längsrichtung eine Kraft aufzubringen, welche dazu führt, dass der Zellhalter bzw. die Zellaufnahme senkrecht zu der Einrichtung elastisch verformt wird. Die hierdurch entstehende elastische Rückstellkraft des elastisch verformbaren Materials des Zellhalters wirkt auf die Batteriezelle insbesondere über deren gesamten Höhe und befestigt diese kraftschlüssig.
  • Gemäß einem bevorzugten Aspekt der Erfindung bildet das Gehäuse einen ersten Spannungsabgriff der Batteriezelle aus, wie beispielsweise einen negativen Spannungsabgriff. Weiterhin weist die Batteriezelle jeweils einen elektrisch von dem Gehäuse isolierten zweiten Spannungsabgriff auf, wie beispielsweise einen positiven Spannungsabgriff. Die Mehrzahl an Batteriezellen kann hierbei beispielsweise mittels Zellverbindern elektrisch leitend parallel und/oder seriell miteinander verschaltet sein.
  • Besonders zweckmäßig sind die Batteriezellen jeweils als zylindrische Batteriezellen ausgebildet. Zylindrische Batteriezellen umfassen üblicherweise eine Mantelfläche und zwei gegenüberliegende und parallel zueinander angeordnete Grundflächen. Des Weiteren weisen diese beiden Grundflächen jeweils eine kreisförmige Gestalt auf und schließen die Mantelfläche ab. Besonders bevorzugt ist dabei insbesondere die Mantelfläche als erster Spannungsabgriff der jeweiligen zylindrischen Batteriezelle ausgebildet und weist eine Grundfläche der jeweiligen zylindrischen Batteriezelle den zweiten Spannungsabgriff auf. Eine solche Ausführungsform bietet den Vorteil, dass der erste Spannungsabgriff über die gesamte Mantelfläche kontaktiert werden kann. An dieser Stelle sei angemerkt, dass der zweite Spannungsabgriff von dem ersten Spannungsabgriff elektrisch isoliert ist. Beispielsweise können die zylindrischen Batteriezellen als sogenannte 18650-Zellen oder 20700-Zellen ausgebildet sein.
  • Von Vorteil ist es, wenn die Zellaufnahmen jeweils als Öffnung im Zellhalter ausgebildet sind und insbesondere eine runde Querschnittsfläche aufweisen, insbesondere eine kreisrunde oder auch ovale Querschnittsfläche. Dadurch kann eine einfache Aufnahme der Mehrzahl an Batteriezellen, welche insbesondere als zylindrische Batteriezellen ausgebildet sind, ausgebildet werden. Dieser Stelle sei angemerkt, dass bei einer als Pressung ausgebildeten kraftschlüssigen Befestigung die runde Querschnittsfläche der Zellaufnahmen eine geringere Größe aufweist als eine runde Querschnittsfläche der Mantelfläche, insbesondere kreisrunde oder auch ovale Querschnittsfläche, der jeweiligen zylindrischen Batteriezelle.
  • Gegenstand der vorliegenden Erfindung ist auch ein Verfahren zur Herstellung eines eben beschriebenen erfindungsgemäßen Batteriemoduls mit einer Mehrzahl an Batteriezellen, welche insbesondere als Lithium-Ionen-Batteriezellen ausgebildet sind. Dabei umfassen die Batteriezellen jeweils ein Gehäuse, in welchem elektrochemische Komponenten der Batteriezelle aufgenommen sind. In den Zellaufnahmen eines Zellhalters wird dabei jeweils eine Batteriezelle aufgenommen. Dabei ist der Zellhalter aus einem elastisch verformbaren Material ausgebildet und die Zellaufnahmen sind jeweils in der Art ausgebildet, dass die jeweils in einer Zellaufnahme aufgenommene Batteriezelle den Zellhalter in der Art dauerhaft elastisch verformt, sodass eine auf die Batteriezelle einwirkende Kraft die Batteriezelle kraftschlüssig in der Zellaufnahme befestigt.
  • Ferner ist auch ein Kraftfahrzeug, welches ein eben beschriebenes erfindungsgemäßes Batteriemodul umfasst und/oder welches nach einem eben beschriebenen erfindungsgemäßen Verfahren hergestellt worden ist, Gegenstand der Erfindung.
  • Selbstverständlich können das Verfahren und das Kraftfahrzeug entsprechend dem Batteriemodul erfindungsgemäß weitergebildet werden.
  • Kurze Beschreibung der Zeichnungen
  • Ausführungsbeispiele der Erfindung sind in den Zeichnungen dargestellt und in der nachfolgenden Beschreibung näher erläutert.
  • Es zeigt:
    • 1 in einer Schnittansicht eine Ausführungsform eines erfindungsgemäßen Batteriemoduls und
    • 2 in einer perspektivischen Ansicht eine Ausführungsform eines Zellhalters eines erfindungsgemäßen Batteriemoduls.
  • Die 1 zeigt in einer Schnittansicht eine Ausführungsform eines erfindungsgemäßen Batteriemoduls 1.
  • Das Batteriemodul 1 umfasst eine Mehrzahl an Batteriezellen 5, von denen in der 1 exemplarisch eine Batteriezelle 5 gezeigt. Bevorzugt sind die Batteriezellen 5 dabei als Lithium-Ion-Batteriezellen 50 ausgebildet. Weiterhin sind die Batteriezellen 5 gemäß dem in der 1 gezeigten Ausführungsbeispiel als zylindrische Batteriezellen 10 ausgebildet.
  • Die Batteriezellen 5 umfassen dabei jeweils ein Gehäuse 51, in welchem in der 1 nicht zu erkennende elektrochemische Komponenten der Batteriezelle 5 aufgenommen sind. Das Gehäuse 51 bildet dabei einen ersten Spannungsabgriff 61 der Batteriezelle 5 aus. Weiterhin weisen die Batteriezellen 5 jeweils einen elektrisch von dem Gehäuse 51 isolierten zweiten Spannungsabgriff 62 auf. Dabei kann die Mehrzahl an Batteriezellen 5 elektrisch leitend parallel und/oder seriell miteinander verschaltet sein. Eine Mantelfläche 101 der Batteriezelle 5 bildet dabei den ersten Spannungsabgriff 61 aus. Eine Grundfläche 102 Batteriezelle 5 weist dabei den zweiten Spannungsabgriff 62 auf.
  • Zudem umfasst das Batteriemodul 1 einen Zellhalter 2. Dieser Zellhalter 2 ist dabei aus einem elastisch verformbaren Material 6 ausgebildet. Insbesondere ist das elastisch verformbar Material ausgewählt als vulkanisierter natürliche oder synthetischer Kautschuk oder auch als elastomerer Werkstoff. Der Zellhalter 2 ist dabei weiterhin, wie in der 1 zu erkennen ist, als Vollmaterial 8 ausgebildet.
  • Der Zellhalter 2 bildet dabei eine Mehrzahl an Zellaufnahmen 3 aus. In den Zellaufnahmen 3 ist dabei jeweils eine Batteriezelle 5 der Mehrzahl an Batteriezellen aufgenommen.
  • Erfindungsgemäß sind die Zellaufnahmen 3 jeweils in der Art ausgebildet, dass die jeweils in der Zellaufnahme 3 aufgenommene Batteriezelle 5 den Zellhalter 2 in der Art dauerhaft elastisch verformt, sodass eine auf die Batteriezelle 5 einwirkende Kraft 7 die Batteriezelle 5 kraftschlüssig in der Zellaufnahme 3 befestigt. An dieser Stelle sei angemerkt, dass die Kraft 7 in der 1 exemplarisch gezeigt ist und insbesondere über die ganze Höhe der Batteriezelle 5 wirkt. Die kraftschlüssige Befestigung ist dabei als Pressung ausgebildet.
  • Gemäß dem in der 1 gezeigten Ausführungsbeispiel umfasst der Zellhalter 2 weiterhin an Kühlkanal 9, welcher bei dieser erfindungsgemäßen Ausführungsform unmittelbar benachbart zu der Batteriezelle 5 angeordnet ist.
  • Die Zellaufnahmen 3 sind dabei als Öffnungen 30 in dem Zellhalter 2 ausgebildet. Insbesondere kann diese Öffnung 30 auch den Zellhalter 2 vollständig durchlaufend ausgebildet sein. Bevorzugt weisen die Öffnungen 30 eine runde Querschnittsfläche 35 auf, sodass die Öffnungen 30 insbesondere eine zylindrische Form aufweisen.
  • Zudem zeigt die 1, dass weiterhin ein Entgasungsschutz 11 angeordnet sein kann, welcher bspw. aus Silikon ausgebildet ist. Dieser kann dazu dienen, ein Ausströmen von Gas aus der Batteriezelle 5 zu unterbinden.
  • Die 2 zeigt in einer perspektivischen Ansicht eine Ausführungsform eines Zellhalter 2 eines erfindungsgemäßen Batteriemoduls 1.
  • Der aus dem elastisch verformbaren Material 6 ausgebildete Zellhalter 2 ist dabei als quaderförmiger Block 20 ausgebildet und als Vollmaterial 8 ausgebildet.
  • Der Zellhalter 2 weist dabei bspw. in regelmäßigen Abständen zueinander angeordnete Zellaufnahmen 3 auf, welche als Öffnungen 30 in dem Zellhalter 2 ausgebildet sind.
  • Aus der 2 ist dabei zu erkennen, dass die Öffnungen 30 jeweils eine runde Querschnittsfläche 35 aufweisen. Insbesondere ist die Querschnittsfläche 35 kreisrund ausgebildet. Dabei sind die Öffnungen 30 durchgehend durch den quaderförmigen Block 20 verlaufend ausgebildet. Die in der 1 zu erkennende Batteriezelle 5 weist dabei eine Querschnittsfläche 40 auf, welche eine größere Abmessung aufweist als die Querschnittsfläche 35, sodass eine als Pressung ausgebildete kraftschlüssige Verbindung ausgebildet ist.
  • ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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  • Zitierte Patentliteratur
    • WO 2020/102833 [0005]
    • US 2007/0232154 [0005]

Claims (10)

  1. Batteriemodul mit einer Mehrzahl an Batteriezellen (5), insbesondere Lithium-Ionen-Batteriezellen (50), die jeweils ein Gehäuse (51) umfassen, in welchem elektrochemische Komponenten der Batteriezelle (5) aufgenommen sind, wobei das Batteriemodul (1) zudem einen Zellhalter (2) umfasst, welcher eine Mehrzahl an Zellaufnahmen (3) ausbildet, in welchen jeweils eine Batteriezelle (5) aufgenommen ist, dadurch gekennzeichnet, dass der Zellhalter (2) aus einem elastisch verformbaren Material (6) ausgebildet ist und die Zellaufnahmen (3) jeweils in der Art ausgebildet sind, dass die jeweils in einer Zellaufnahme (3) aufgenommene Batteriezelle (5) den Zellhalter (2) in der Art dauerhaft elastisch verformt, sodass eine auf die Batteriezelle (5) einwirkende Kraft (7) die Batteriezelle (5) kraftschlüssig in der Zellaufnahme (3) befestigt.
  2. Batteriemodul nach dem vorhergehenden Anspruch, dadurch gekennzeichnet, dass das elastisch verformbare Material (6) ausgewählt ist als vulkanisierter natürlicher oder synthetischer Kautschuk oder als elastomerer Werkstoff.
  3. Batteriemodul nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Zellhalter (2) weiterhin als Vollmaterial (8) ausgebildet ist.
  4. Batteriemodul nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Zellhalter (2) weiterhin einen Kühlkanal (9) umfasst, welcher insbesondere unmittelbar benachbart zu einer Batteriezelle (5) angeordnet ist.
  5. Batteriemodul nach einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die kraftschlüssige Befestigung als Pressung ausgebildet ist.
  6. Batteriemodul nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Gehäuse (51) einen ersten Spannungsabgriff (61) der Batteriezelle (5) ausbildet, und die Batteriezelle (5) weiterhin jeweils einen elektrisch von dem Gehäuse (51) isolierten zweiten Spannungsabgriff (62) aufweist, wobei die Mehrzahl an Batteriezellen (5) elektrisch leitend parallel und/oder seriell miteinander verschaltet ist.
  7. Batteriemodul nach den vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Batteriezellen (5) als zylindrische Batteriezellen (10) ausgebildet sind, wobei insbesondere eine Mantelfläche (101) den ersten Spannungsabgriff (61) ausbildet und eine Grundfläche (102) den zweiten Spannungsabgriff (62) aufweist.
  8. Batteriemodul nach einem der vorhergehenden Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass die Zellaufnahmen (3) als Öffnung (30) in dem Zellhalter (2) ausgebildet sind und insbesondere eine runde Querschnittsfläche (35) aufweisen.
  9. Verfahren zur Herstellung eines Batteriemoduls (1) mit einer Mehrzahl an Batteriezellen (5), insbesondere Lithium-Ionen-Batteriezellen (50), nach einem der vorhergehenden Ansprüche 1 bis 8, wobei die Batteriezellen (5) jeweils ein Gehäuse (51) umfassen, in welchem elektrochemische Komponenten der Batteriezelle (5) aufgenommen sind, wobei in den Zellaufnahmen (3) eines Zellhalters (2) jeweils eine Batteriezelle (5) aufgenommen wird, wobei der Zellhalter (2) aus einem elastisch verformbaren Material (6) ausgebildet ist und die Zellaufnahmen (3) jeweils in der Art ausgebildet sind, dass die jeweils in einer Zellaufnahme (3) aufgenommene Batteriezelle (5) den Zellhalter (2) in der Art dauerhaft elastisch verformt, sodass eine auf die Batteriezelle (5) einwirkende Kraft die Batteriezelle (5) kraftschlüssig in der Zellaufnahme (3) befestigt.
  10. Kraftfahrzeug umfassend ein Batteriemodul (1) nach einem der Ansprüche 1 bis 8 und/oder hergestellt nach Anspruch 9.
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