-
Stand der Technik
-
Die Erfindung geht aus von einem Batteriemodul nach Gattung des unabhängigen Anspruchs. Gegenstand der vorliegenden Erfindung ist auch ein Verfahren zur Herstellung eines solchen.
-
Aus dem Stand der Technik ist bekannt, dass ein Batteriemodul eine Mehrzahl an einzelnen Batteriezellen aufweist, welche jeweils einen positiven Spannungsabgriff und einen negativen Spannungsabgriff aufweisen, wobei zu einer elektrisch leitenden seriellen und/oder parallelen Verbindung der Mehrzahl an Batteriezellen untereinander die jeweiligen Spannungsabgriffe elektrisch leitend miteinander verbunden werden und somit zu dem Batteriemodul zusammengeschaltet werden können. Batteriemodule ihrerseits werden ferner zu Batterien bzw. zu gesamten Batteriesystemen zusammengeschaltet.
-
Insbesondere Lithium-lonen-Batteriezellen oder Li-Polymer-Batteriezellen erwärmen sich bedingt durch chemische Wandlungsprozesse in ihrem Inneren vor allem bei der schnellen Energieabgabe bzw. -aufnahme in Batteriesystemen. Je leistungsfähiger das Batteriesystem ist, desto größer ist auch seine Erwärmung und damit einhergehend ein effizientes aktives Thermomanagementsystem notwendig.
-
Die Temperierung ist überwiegend als eine Flüssigkeitstemperierung bspw. mit einem Wasser/Glykol-Gemisch ausgebildet. Das Temperierfluid wird z.B. durch Kanäle eines unterhalb der Batteriezellen angeordneten Kühlelements geleitet. Diese Kühlelemente sind zudem an einen Kühlkreislauf angeschlossen.
-
Aus dem Stand der Technik ist dabei zudem bekannt, die Batteriezellen über deren Zellboden zu entwärmen, wobei der Wärmestrom durch den Boden des Zellgehäuses und eine Kühlplatte in das Kühlmedium gelangt. Die thermische Kontaktierung des Zellbodens zum Kühlelement wird mittels eines sogenannten thermischen Ausgleichsmaterials (zu Englisch thermal interface material auch bekannt als TIM) realisiert, was z.B. ein thermisch leitfähiger Klebstoff, ein sogenannter Gap-Filler oder ein sogenanntes Gap-Pad sein kann.
-
-
Offenbarung der Erfindung
-
Ein Batteriemodul mit den Merkmalen des unabhängigen Anspruchs bietet den Vorteil, dass insgesamt eine zuverlässige elektrische Isolation einer Mehrzahl an Batteriezellen über deren Lebensdauer von dem Gehäuse des Batteriemoduls ausgebildet ist.
-
Dazu wird erfindungsgemäß ein Batteriemodul mit einer Mehrzahl an prismatisch ausgebildeten Batteriezellen, welche insbesondere als Lithium-Ionen-Batteriezellen ausgebildet sind, zur Verfügung gestellt. Dabei sind die Batteriezellen in einer Längsrichtung des Batteriemoduls nebeneinander angeordnet. Weiterhin ist die Mehrzahl an Batteriezellen in einem Innenraum eines Gehäuses des Batteriemoduls aufgenommen. Zudem sind eine Bodenfläche des Gehäuses des Batteriemoduls und eine Bodenfläche der Batteriezellen jeweils stoffschlüssig miteinander verbunden. Insbesondere ist diese Verbindung mittels eines Klebstoffs, der bevorzugt thermisch leitfähig ausgebildete Zusatzstoffe aufweisen kann, geklebt ausgebildet. In der Längsrichtung des Batteriemoduls ist zwischen dem Gehäuse des Batteriemoduls und der Mehrzahl an Batteriezellen ein Verpresselement und/oder ein Abstützelement angeordnet, so dass ein definierter Abstand zu einer elektrischen Isolation zum Gehäuse ausgebildet ist.
-
Durch die in den abhängigen Ansprüchen aufgeführten Maßnahmen sind vorteilhafte Weiterbildungen und Verbesserungen der im unabhängigen Anspruch angegebenen Vorrichtung möglich.
-
An dieser Stelle sei angemerkt, dass prismatisch ausgebildete Batteriezellen jeweils ein Batteriezellengehäuse mit insgesamt sechs Seitenflächen umfassen, welche paarweise einander gegenüberliegend und im Wesentlichen parallel zueinander angeordnet sind. Weiterhin sind benachbart zueinander angeordnete Seitenflächen rechtwinklig zueinander angeordnet. In einem Inneren des Batteriezellengehäuses sind die elektrochemischen Komponenten der jeweiligen Batteriezelle aufgenommen. Üblicherweise sind an einer als Deckelfläche bezeichneten oberen Seitenfläche zwei Spannungsabgriffe, wie insbesondere ein positiver Spannungsabgriff und ein negativer Spannungsabgriff, angeordnet. Die der oberen Seitenfläche gegenüberliegend angeordnete untere Seitenflächen ist als Bodenfläche bezeichnet.
-
Bei einer Anordnung der Batteriezellen in einer Längsrichtung des Batteriemoduls nebeneinander sind die Batteriezellen mit ihren jeweils größten Seitenflächen, welche jeweils insbesondere rechtwinklig zu der oberen Seitenfläche und der unteren Seitenfläche angeordnet sind, benachbart zueinander angeordnet. An dieser Stelle sei bemerkt, dass die Längsrichtung des Batteriemoduls in diesem Fall demnach senkrecht zu den größten Seitenflächen der Batteriezellen angeordnet ist.
-
An dieser Stelle sei angemerkt, dass zu einer Ausbildung einer geklebt ausgebildeten stoffschlüssigen Verbindung zwischen der Bodenfläche des Gehäuses des Batteriemoduls und der Bodenfläche der Batteriezellen mittels eines Klebstoffs entweder bevorzugt zunächst der Klebstoff in das Gehäuse des Batteriemoduls bzw. auf die Bodenfläche des Gehäuses des Batteriemoduls dispenst werden kann und/oder auch der Klebstoff auf die jeweilige Batteriezelle dispenst werden kann. Die geklebt ausgebildete stoffschlüssige Verbindung dient hierbei einerseits einer Verbesserung der Wärmeleitung zwischen der Bodenfläche der Batteriezelle und der Bodenfläche des Gehäuses und andererseits einem mechanischen Lastabtrag sowie insbesondere auch zu einer elektrischen Isolation.
-
Es ist zweckmäßig, wenn das Verpresselement sich hierbei senkrecht zu der Längsrichtung des Batteriemoduls in Richtung der Bodenfläche des Gehäuses des Batteriemoduls verjüngt. Insbesondere weist das Verpresselement zwei Anlageflächen auf. Eine erste der beiden Anlageflächen ist dabei insbesondere mechanisch kontaktierend mit dem Gehäuse des Batteriemoduls angeordnet und eine zweite der beiden Anlageflächen ist dabei insbesondere mechanisch kontaktierend mit einer endständig angeordneten Batteriezelle der Mehrzahl an Batteriezellen oder einer nachfolgend noch beschriebenen Endplatte angeordnet. Die zwei Anlageflächen sind dabei unter einem Winkel von mindestens vier Grad zueinander angeordnet. Die Anlageflächen sind dabei weiterhin insbesondere in einer solchen Dimensionierung ausgeführt, dass eine thermische Entkopplung zwischen dem Gehäuse und der Mehrzahl an Batteriezellen gewährleistet ist. Insbesondere sind die Anlageflächen dabei in einer solchen Größe auszuführen, dass zu Beginn der Lebenszeit eine sichere Anlage und Positionierung der Mehrzahl an Batteriezellen in dem Gehäuse des Batteriemoduls bis zu einer Aushärtung des thermisch leitfähig ausgebildeten Klebstoffes erreicht ist, und dass zum Ende der Lebenszeit auftretende Schwellkräfte der Mehrzahl an Batteriezellen sicher an das Gehäuse des Batteriemoduls übertragen werden können, ohne dass das Verpresselement selbst mechanisch geschädigt wird. Weiterhin dient das Verpresselement dazu, sowohl Toleranzen des Gehäuses als auch der Mehrzahl an Batteriezellen auszugleichen. Um dies sicherzustellen, wird das Verpresselement in der Höhenrichtung des Batteriemoduls in Richtung der Bodenfläche des Gehäuses des Batteriemoduls eingeführt, insbesondere bis eine definierte Verpressung der Mehrzahl an Batteriezellen ausgebildet ist.
-
Von Vorteil ist es, wenn das Verpresselement formschlüssig in einer Aufnahme des Gehäuses des Batteriemoduls aufgenommen ist. Hierdurch ist eine zuverlässige Befestigung des Verpresselements ausbildbar. Insbesondere bildet die Aufnahme einen Winkel von mindestens vier Grad zu einer senkrecht zur Längsrichtung angeordneten Höhenrichtung des Batteriemoduls aus. Hierdurch kann die Aufnahme des Verpresselements vereinfacht werden. An dieser Stelle sei angemerkt, dass die Aufnahme eine weitere Anlagefläche ausbildet, an welcher insbesondere die erste der beiden Anlagenflächen des Verpresselements mechanisch kontaktierend angeordnet ist. Insbesondere bildet eben diese Anlagefläche den Winkel von mindestens vier Grad zu der senkrecht zur Längsrichtung angeordneten Höhenrichtung des Batteriemoduls aus. Besonders bevorzugt ist das Verpresselement linienförmig kontaktierend mit dem Gehäuse bzw. der Aufnahme des Gehäuses angeordnet.
-
An dieser Stelle sei angemerkt, dass das Gehäuse des Batteriemoduls bevorzugt als Druckgussbauteil ausgeführt ist, bspw. aus einem metallischen Werkstoff. Weiterhin kann insbesondere das Innere des Gehäuses elektrisch isolierend ausgebildet sein. Bevorzugt kann das Gehäuse eine elektrisch isolierende Beschichtung, wie zum Beispiel eine katholische Tauchlackierung oder ein Eloxal, aufweisen. Insbesondere kann die elektrisch isolierende Beschichtung auch als elektrisch isolierende Folie ausgebildet sein. Weiterhin kann auch der zwischen der Bodenfläche des Gehäuses und der Bodenfläche der Mehrzahl an Batteriezellen angeordnete, insbesondere thermisch leitfähig ausgebildete, Klebstoff zu dem elektrisch isolierend ausgebildet sein. Insbesondere könnte ein solcher Klebstoff dabei eine thermische und mechanische Verbindung zwischen der Bodenfläche des Gehäuses und der Bodenfläche der Mehrzahl an Batteriezellen ausbilden, welche zudem elektrisch isolierend ausgebildet ist. Hierzu kann beispielsweise zu einer thermischen und/oder mechanischen Anbindung der Mehrzahl an Batteriezellen an das Innere des Gehäuses ein elektrisch nicht leitfähig ausgebildetes Ausgleichsmaterial, wie bevorzugt ein thermisch leitfähig ausgebildeter Klebstoff oder ein elektrisch isolierender Strukturklebstoff, genutzt werden. Hierdurch kann über die Lebensdauer eine elektrische Isolation zwischen der Bodenfläche des Gehäuses und der Bodenfläche der Mehrzahl an Batteriezellen ausgebildet sein.
-
Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung ist in der Längsrichtung des Batteriemoduls gegenüberliegend zu dem Verpresselement ein Abstützelement angeordnet. Das Abstützelement ist dabei zwischen dem Gehäuse des Batteriemoduls und der Mehrzahl an Batteriezellen angeordnet. Insbesondere ist das Abstützelement zwischen dem Gehäuse und einer endständig angeordneten Batteriezelle der Mehrzahl an Batteriezellen oder einer nachfolgend noch beschriebenen Endplatte angeordnet.
-
Bevorzugt weist das Abstützelement eine Öffnung und Anlageflächen auf. Insbesondere weist das Abstützelement erste Anlageflächen auf, welche ausgebildet sind, das Gehäuse des Batteriemoduls mechanisch zu kontaktieren und zweite Anlageflächen, welche ausgebildet sind, eine endständig angeordnete Batteriezelle der Mehrzahl an Batteriezellen oder eine nachfolgend noch beschriebene Endplatte mechanisch zu kontaktieren. Durch die Ausbildung mit einer Öffnung können vergleichbar kleine Kontaktflächen zu einer mechanischen Kontaktierung zwischen der endständig angeordneten Batteriezelle bzw. der noch zu beschreibenden Endplatte und dem Gehäuse ausgebildet werden, wodurch eine thermische Entkopplung gewährleistet ist. Insbesondere sind die Anlageflächen dabei in einer solchen Größe auszuführen, dass zu Beginn der Lebenszeit eine sichere Anlage und Positionierung der Mehrzahl an Batteriezellen in dem Gehäuse des Batteriemoduls bis zu einer Aushärtung des thermisch leitfähig ausgebildeten Klebstoffes erreicht ist, und dass zum Ende der Lebenszeit auftretende Schwellkräfte der Mehrzahl an Batteriezellen sicher an das Gehäuse des Batteriemoduls übertragen werden können, ohne dass das Abstützelement selbst mechanisch geschädigt wird. Besonders bevorzugt ist das Abstützelement aus einem polymeren Werkstoff, wie beispielsweise als Kunststoffspritzgussteil, ausgeführt.
-
An dieser Stelle sei zudem angemerkt, dass das Abstützelement in der Art ausgeführt ist, dass Toleranzen zwischen dem Gehäuse des Batteriemoduls und der Mehrzahl an Batteriezellen zuverlässig ausgeglichen werden können.
-
Besonders zweckmäßig ist es, wenn das Batteriemodul zwei Verpresselemente aufweist. Die zwei Verpresselemente sind dabei am selben Ende der Mehrzahl an Batteriezellen angeordnet. Dies bietet den besonderen Vorteil, dass ein noch besserer Ausgleich möglich ist, wobei die zwei Verpresselemente insbesondere unabhängig voneinander und jeweils eigenständig zuverlässig angeordnet werden können. Beispielsweise können die zwei Verpresselemente unterschiedlich weit eingeführt werden. Zudem können hierdurch auftretende Schwellkräfte der Batteriezellen gleichmäßig über die zwei Verpresselemente an das Gehäuse des Batteriemoduls übertragen werden, wodurch einseitig unterschiedlich auftretende Reaktionskräfte vermieden werden.
-
Ferner ist es auch zweckmäßig, wenn das Gehäuse des Batteriemoduls unmittelbar benachbart zu der Bodenfläche der Batteriezellen ein Temperierelement umfasst. Insbesondere ist dieses Temperierelement als von Temperierfluid durchströmbarer Temperierraum ausgebildet. Beispielsweise kann das Gehäuse des Batteriemoduls hierzu einen integrierten Temperierraum aufweisen. Bei einer bevorzugten Ausführungsform ist die Mehrzahl an Batteriezellen insbesondere mittels eines thermisch leitfähig ausgebildeten Klebstoffs wärmeleitend an die Bodenfläche des Gehäuses angebunden, wodurch Wärme von der Bodenfläche der jeweiligen Batteriezelle auf das Temperierelement übertragen werden kann. Der thermisch leitfähig ausgebildete Klebstoff dient also zu einer thermischen Kontaktierung zwischen dem Temperierelement und der Mehrzahl an Batteriezellen.
-
Besonders bevorzugt ist die Mehrzahl an Batteriezellen weiterhin miteinander verspannt.
-
Bevorzugt ist hierbei die Mehrzahl an Batteriezellen zwischen zwei Endplatten angeordnet. An dieser Stelle sei angemerkt, dass die in der Längsrichtung des Batteriemoduls gegenüberliegend angeordneten endständig angeordneten Batteriezellen jeweils benachbart zu einer der zwei Endplatten angeordnet sind. Die zwei Endplatten sind mittels zumindest einem Spannelement miteinander verspannt. Insbesondere ist das Spannelement als ein Spannband ausgebildet. Das zumindest eine Spannelement ist dabei bevorzugt stoffschlüssig mit den Endplatten verbunden. Beispielsweise kann diese Verbindung bevorzugt geschweißt ausgebildet sein. Besonders bevorzugt umfasst das Batteriemodul zwei Spannelemente, welche bevorzugt jeweils als Spannband ausgebildet sind und/oder welche gegenüberliegend an der Mehrzahl an Batteriezellen angeordnet sind, wobei ein erstes Ende des jeweiligen Spannelements jeweils mit einer ersten der beiden Endplatten verbunden ist und ein zweites Ende des jeweiligen Spannelements jeweils mit einer zweiten der beiden Endplatten verbunden ist. Diese Verbindungen sind dabei bevorzugt stoffschlüssig wie insbesondere geschweißt ausgebildet. Eine stoffschlüssige Verbindung zwischen dem zumindest einen Spannelement und den Endplatten kann vorteilhafterweiße vergleichbar hohe Kräfte übertragen. An dieser Stelle sei angemerkt, dass aufgrund der mittels des Spannelements ausgebildeten Vorspannung bzw. Vorpressung der Mehrzahl an Batteriezellen zu Beginn der Lebensdauer eine vergleichbar geringe initiale Vorspannkraft durch das Verpresselement auszubilden ist.
-
Besonders bevorzugt ist zwischen einer Seitenfläche einer Batteriezelle und dem Spannelement ein Klebstoff angeordnet. Dabei kann der Klebstoff weiterhin thermisch leitfähig ausgebildete Zusatzstoffe aufweisen. Besonders bevorzugt ist es also, wenn der Klebstoff als thermisch leitfähiger Klebstoff ausgebildet ist. Insbesondere kann dieser als gleicher Klebstoff ausgewählt sein, wie der Klebstoff, der eine stoffschlüssige Verbindung zwischen der Bodenfläche des Gehäuses des Batteriemoduls und der Bodenfläche der Batteriezelle ausbildet. An dieser Stelle sei angemerkt, dass die Seitenfläche der Batteriezelle dabei jeweils senkrecht zu den größten Seitenflächen der Batteriezelle angeordnet ist. Zur Herstellung kann der Klebstoff dabei zunächst entweder auf die jeweilige Seitenfläche der Batteriezelle oder auch auf das Spannelement aufgebracht werden. Die geklebt ausgebildete Verbindung zwischen einer Seitenfläche einer Batteriezelle und dem Spannelement dient dazu, dass insgesamt die Klebeverbindung zwischen der Bodenfläche des Gehäuses des Batteriemoduls und der Bodenfläche einer Batteriezelle geringere Belastungen während des Betriebs des Batteriemoduls erfährt.
-
Es ist zweckmäßig, wenn das Spannelement gegenüber der Mehrzahl an Batteriezellen elektrisch isoliert ist. Insbesondere kann das Spannelement grundsätzlich aus einem metallischen Werkstoff ausgebildet sein. Bevorzugt kann das Spannband eine elektrisch isolierende Beschichtung, wie zum Beispiel eine katholische Tauchlackierung oder ein Eloxal, aufweisen. Insbesondere kann die elektrisch isolierende Beschichtung auch als elektrisch isolierende Folie ausgebildet sein. Weiterhin kann auch der zwischen dem Spannelement und der Mehrzahl an Batteriezellen angeordnete, insbesondere thermisch leitfähig ausgebildete, Klebstoff zudem elektrisch isolierend ausgebildet sein. Insbesondere könnte ein solcher Klebstoff dabei eine thermische und mechanische Verbindung zwischen dem Spannelement und der Mehrzahl an Batteriezellen ausbilden, welche zudem elektrisch isolierend ausgebildet ist.
-
An dieser Stelle sei angemerkt, dass auch die Endplatten gegenüber der Mehrzahl an Batteriezellen elektrisch isoliert sein können. Insbesondere können die Endplatten grundsätzlich aus einem metallischen Werkstoff ausgebildet sein. Bevorzugt können die Endplatten eine elektrisch isolierende Beschichtung, wie zum Beispiel eine katholische Tauchlackierung oder ein Eloxal, aufweisen. Insbesondere kann die elektrisch isolierende Beschichtung auch als elektrisch isolierende Folie ausgebildet sein. Weiterhin kann auch der zwischen einer Endplatte und der Mehrzahl an Batteriezellen angeordnete, insbesondere thermisch leitfähig ausgebildete, Klebstoff zudem elektrisch isolierend ausgebildet sein. Insbesondere könnte ein solcher Klebstoff dabei eine thermische und mechanische Verbindung zwischen einer Endplatte und der Mehrzahl an Batteriezellen ausbilden, welche zudem elektrisch isolierend ausgebildet ist.
-
Insbesondere sind das Spannelement und eine Endplatte stoffschlüssig miteinander verbunden, wodurch neben einer thermischen Kopplung auch eine elektrisch leitende Verbindung ausgebildet ist, sodass eine elektrische Isolation einer Endplatte die Sicherheit zuverlässig deutlich erhöhen kann.
-
Vorteilhafterweiße ist das Abstützelement formschlüssig oder stoffschlüssig mit einer Endplatte oder dem Gehäuse verbunden. Dies ermöglicht eine vergleichbar einfache Herstellung des Batteriemoduls.
-
Besonders bevorzugt ist das Verpresselement und/oder das Abstützelement aus einem polymeren Werkstoff, wie beispielsweise als Kunststoffspritzgussteil, ausgeführt.
-
Zwischen zwei benachbart zueinander angeordneten Batteriezellen ist bevorzugt jeweils ein Abstandselement angeordnet, welche eine elektrische Isolation zwischen den zwei benachbart zueinander angeordneten Batteriezellen ausbilden. Insbesondere ist das solche Abstandselement demnach benachbart zu den jeweils größten Seitenflächen der Batteriezellen angeordnet, zwischen denen das Abstandselement angeordnet ist. Solche Abstandselemente können insbesondere einen direkten Kontakt der jeweils benachbart zueinander angeordneten Batteriezellen verhindern und bilden somit einen definierten Abstand zwischen den solchen Batteriezellen aus. Hierdurch kann eine thermische Isolierung und/oder elektrische Isolierung ausgebildet werden.
-
Weiterhin ist insbesondere auch zwischen einer endständig angeordneten Batteriezelle und einer Endplatte ein Abstandselement angeordnet, welches eine elektrische Isolation zwischen der endständig angeordneten Batteriezelle und der Endplatte ausbildet. Weiterhin ist es auch möglich, dass zwischen einer Endplatte und einer endständig angeordneten Batteriezelle ein thermisches Ausgleichsmaterial angeordnet sein kann, welches elektrisch isolierend ausgebildet ist.
-
An dieser Stelle sei angemerkt, dass hierzu ein Abstandselement aus einem elektrisch nicht leitfähigen Werkstoff ausgebildet sein kann. Weiterhin ist es auch möglich, dass ein beispielsweise aus einem metallischen Werkstoff ausgebildetes Abstandselement eine elektrisch isolierende Beschichtung, wie beispielsweise eine elektrisch isolierend ausgebildete Isolationsfolie aufweist. Selbstverständlich können diese Ausbildungen auch miteinander kombiniert werden.
-
Insgesamt bietet eine erfindungsgemäße Ausführungsform des Batteriemoduls den Vorteil, dass das Verpresselement, insbesondere dessen zwei Anlageflächen, an dem Gehäuse und der Mehrzahl an Batteriezellen bzw. der jeweiligen Endplatte mechanisch kontaktierend anliegt und dass gegenüberliegend das Abstützelement, insbesondere dessen zwei Anlageflächen, an dem Gehäuse und der Mehrzahl an Batteriezellen bzw. der jeweiligen Endplatte mechanisch kontaktierend anliegt, wodurch eine Positionierung und Fixierung der Mehrzahl an Batteriezellen in dem Gehäuse sowohl zu Beginn der Lebensdauer (zu Englisch beginn of life oder kurz BoL) als auch zum Ende der Lebensdauer (zu Englisch end of life oder kurz EoL) sichergestellt ist.
-
Insbesondere üben das Verpresselement und das Abstützelement zu Beginn der Lebensdauer vergleichbar geringe Vorspannkräfte auf die Mehrzahl an Batteriezellen aus. Während des Betriebes des Batteriemoduls steigen die Schwellkräfte der Batteriezellen vom Beginn der Lebensdauer zum Ende der Lebensdauer vergleichbar stark an. Insbesondere die Spannungen innerhalb der stoffschlüssigen Verbindung zwischen den endständig angeordneten Batteriezellen und dem Gehäuse erhöhen sich vergleichbar stark. Um auftretende Spannungen innerhalb der stoffschlüssigen Verbindung, wie insbesondere innerhalb der geklebt ausgebildeten Verbindung, zwischen der Bodenfläche des Gehäuses des Batteriemoduls und der Bodenfläche der Batteriezellen sowie zwischen dem Spannelement und den Seitenflächen der Batteriezellen zu reduzieren und dadurch zu begrenzen, stützen sich das Verpresselement und das Abstützelement an dem Gehäuse ab. Hierdurch wird insgesamt die mechanische Belastung innerhalb der stoffschlüssigen Verbindung insbesondere zum Ende der Lebensdauer reduziert und ein Versagen der solchen verhindert, wodurch insgesamt die Sicherheit des Batteriemoduls erhöht werden kann. Zudem kann bevorzugt die Gefahr, dass aufgrund eines Versagens der stoffschlüssigen Verbindung eine ausreichende Temperierung der Batteriezellen nicht mehr zur Verfügung gestellt werden, deutlich reduziert werden. Weiterhin können dadurch die Eigenschaften des Klebstoffes, wie beispielsweise dessen Festigkeit bis zur Bruchdehnung, in einem vergleichbar größeren Bereich ausgewählt werden. Beispielsweise könnte ein thermisch leitfähig ausgebildeter Klebstoff mit geringeren Festigkeitswerten und einer besseren Wärmeleitfähigkeit ausgewählt werden. Insgesamt wird hierdurch eine zuverlässige elektrische Isolation ausgebildet.
-
Insbesondere ist das Verpresselement in der Art mechanisch kontaktierend mit dem Gehäuse angeordnet, dass stets ein Abstand zwischen dem Gehäuse und der Endplatte bzw. der endständigen Batteriezelle ausgebildet ist. Hierdurch ist ein thermisch isolierend wirkender Luftspalt ausgebildet.
-
Ferner sei noch bemerkt, dass sowohl das Verpresselement als auch das Abstützelement auch aus einem metallischen Werkstoff ausgebildet sein könnten, wodurch insbesondere noch höhere Kräfte übertragbar wären. Hierbei sollten eine thermische Isolierung und/oder elektrische Isolierung angebracht sein, um die Mehrzahl an Batteriezellen thermisch und/oder elektrisch gegenüber dem Gehäuse des Batteriemoduls zu isolieren.
-
Eine erfindungsgemäße Ausführungsform des Batteriemoduls bietet hierbei den besonderen Vorteil, dass die Mehrzahl an Batteriezellen sowohl in der Längsrichtung als auch in der Querrichtung von dem Gehäuse des Batteriemoduls insbesondere während der Montage beabstandet ist und eine zuverlässige elektrische Isolation ausgebildet ist, insbesondere bis der thermisch leitfähig ausgebildete Klebstoff ausgehärtet ist. Hierbei können auch die Abstände in der Art so eingestellt werden, dass insbesondere auch die Anforderungen an Luft- und Kriechstrecken über die gesamte Lebensdauer des Batteriemoduls eingehalten sind. Nach dem Aushärten beispielsweise des thermisch leitfähig ausgebildeten Klebstoffs zwischen der Bodenfläche der Batteriezellen und der Bodenfläche des Gehäuses des Batteriemoduls sind keine relativen Bewegungen zwischen der Mehrzahl an Batteriezellen und dem Gehäuse möglich, so dass eine Positionierung der Mehrzahl an Batteriezellen bereits während der Montage sicher und zuverlässig einzustellen ist. Das Verpresselement und das Abstützelemente können die hierbei erforderlichen Abstände einstellen.
-
Weiterhin kann auch bei Fehlern in der Isolation, beispielsweise des Gehäuses, der Endplatten, das Spannelements oder der Mehrzahl an Batteriezellen eine zuverlässige elektrische Isolation ausgebildet sein.
-
Insbesondere kann die Gefahr einer elektrischen Kontaktierung zwischen der Mehrzahl an Batteriezellen, dem Spannelement sowie den Endplatten und dem Gehäuse beispielsweise beim Auftreten metallischer Partikel, wie zum Beispiel bei der stoffschlüssigen Anbringung von Zellverbindern zu einer elektrisch leitend ausgebildeten Verbindung der Spannungsabgriffe der Mehrzahl an Batteriezellen miteinander, verhindert werden. Hierbei können die ausgebildeten Abstände so eingestellt werden, dass eine elektrische Kontaktierung bis zu einer definierten Partikelgröße ausgeschlossen ist.
-
Durch die Einhaltung der notwendigen Abstände zwischen den Endplatten, den Spannelementen sowie der Mehrzahl an Batteriezellen zum Gehäuse des Batteriemoduls können überdies auch Reibungen zwischen den Endplatten, den Spannelementen, der Mehrzahl an Batteriezellen und dem Gehäuse des Batteriemoduls bei auftretenden geringfügigen relativen Bewegungen verhindert werden. Ein solches Scheuern könnte die elektrische Isolationen beschädigen, wodurch Isolationsfehler auftreten könnten.
-
Gegenstand der vorliegenden Erfindung ist auch ein Verfahren zur Herstellung eines eben beschriebenen Batteriemoduls mit einer Mehrzahl an prismatisch ausgebildeten Batteriezellen, welche insbesondere als Lithium-Ionen-Batteriezellen ausgebildet sind, und welche in einer Längsrichtung des Batteriemoduls nebeneinander angeordnet und weiterhin bevorzugt miteinander verspannt werden. Dabei wird die Mehrzahl an Batteriezellen in einem Innenraum eines Gehäuses des Batteriemoduls aufgenommen und zudem werden eine Bodenfläche des Gehäuses des Batteriemoduls und eine Bodenfläche der Batteriezellen jeweils stoffschlüssig, insbesondere mittels eines Klebstoffs geklebt, miteinander verbunden. Weiterhin wird in der Längsrichtung des Batteriemoduls zwischen dem Gehäuse und der Mehrzahl an Batteriezellen ein Verpresselement und/oder ein Abstützelement angeordnet.
-
Besonders bevorzugt ist dabei, wenn die Mehrzahl an Batteriezellen miteinander verspannt wird und insbesondere zwischen zwei Endplatten angeordnet wird, welche insbesondere mit einem Spannelement miteinander verspannt werden, wodurch zu Beginn eine initiale Verpressung bzw. Vorspannung ausgebildet werden kann.
-
Weiterhin wird bevorzugt dem Verpresselement in der Längsrichtung der Mehrzahl an Batteriezellen gegenüberliegend ein Abstützelement angeordnet.
-
Es ist zweckmäßig, wenn zur Herstellung des Batteriemoduls die Mehrzahl an miteinander verspannten Batteriezellen insbesondere zusammen mit den zwischen benachbarten Batteriezellen angeordneten Abstandselementen, den zwei Endplatten und dem zumindest einen Spannelement als gesamte Einheit soweit in Richtung des Abstützelements geschoben wird, bis dieses zur Anlage an dem Gehäuse kommt und auch bevor beispielsweise der thermisch leitfähig ausgebildete Klebstoff ausgehärtet ist. Mit anderen Worten ausgedrückt werden die genannten Elemente bzw. die gesamte Einheit auf dem Klebstoff verschoben. Anschließend wird das Verpresselement solange in das Batteriemodul eingeführt, bis eine definierte Verpressung ausgebildet ist. Insbesondere kann hierbei das Verpresselement beispielsweise schon am Zellstapel vorfixiert sein oder auch erst nach dem endgültigen Einfügen des Verpresselements fixiert werden. Durch die Anordnung des Verpresselements können hierbei Toleranzen bei der Anordnung der Mehrzahl an Batteriezellen und/oder des Gehäuses ausgeglichen werden.
-
Figurenliste
-
Ausführungsbeispiele der Erfindung sind in den Zeichnungen dargestellt und in der nachfolgenden Beschreibung näher erläutert.
-
Es zeigt:
- 1 in einer Explosionsdarstellung eine Mehrzahl an miteinander verspannten Batteriezellen,
- 2 in einer perspektivischen Ansicht die Mehrzahl an miteinander verspannten Batteriezellen gemäß 1,
- 3 in einer Schnittansicht von einer Seite eine Ausführungsform eines erfindungsgemäßen Batteriemoduls,
- 4 in einer Schnittansicht von einer weiteren Seite die Ausführungsform des erfindungsgemäßen Batteriemoduls gemäß 3,
- 5 eine Ausführungsform eines Abstützelements,
- 6 eine Ausführungsform eines Verpresselements und
- 7 eine Ausführungsform eines Gehäuses des Batteriemoduls.
-
Die 1 zeigt in einer Explosionsdarstellung eine Mehrzahl an miteinander verspannten Batteriezellen 2, welche jeweils als prismatisch ausgebildete Batteriezellen 20 ausgebildet sind. Insbesondere sind die Batteriezellen 2 weiterhin bevorzugt als Lithium-lonen-Batteriezellen 200 ausgebildet.
-
Die 2 zeigt in einer perspektivischen Ansicht die Mehrzahl an miteinander verspannten Batteriezellen 2 gemäß 1. Die 1 und 2 sollen daher im Folgenden gemeinsam beschrieben sein.
-
Die Batteriezellen 2 sind dabei in einer Längsrichtung 4 des Batteriemoduls 1 nebeneinander angeordnet. Zudem sind die Batteriezellen 2 miteinander verspannt.
-
Weiterhin ist zu erkennen, dass die Mehrzahl an Batteriezellen 2 zwischen zwei Endplatten 5 angeordnet ist. Die zwei Endplatten 5 und die Mehrzahl an Batteriezellen 2 sind dabei mit Spannelementen 6 miteinander verspannt. Insbesondere sind die Spannelemente 6 dabei jeweils als Spannband 60 ausgebildet. Insbesondere aus der 2 ist zu erkennen, dass das Spannelement 6 stoffschlüssig, wie insbesondere geschweißt mittels einer Schweißverbindung 7, mit den Endplatten 5 verbunden ist.
-
Zwischen dem Spannelement 6 und einer Seitenfläche 23 einer Batteriezelle 2 ist ein Klebstoff 8 angeordnet, der besonders bevorzugt thermisch leitfähig ausgebildete Zusatzstoffe aufweist. Weiterhin ist das Spannelement 6 gegenüber der Mehrzahl an Batteriezellen 2 elektrisch isoliert ist.
-
Zudem ist zwischen zwei benachbart zueinander angeordneten Batteriezellen 2 jeweils ein Abstandselement 9 angeordnet, welche eine elektrische Isolation zwischen den zwei benachbart zueinander angeordneten Batteriezellen 2 ausbilden. Auch zwischen einer Endplatte 5 und einer endständig angeordneten Batteriezelle 2 ist ein Abstandselement 9 angeordnet, welches eine elektrische Isolation zwischen der endständig angeordneten Batteriezelle 2 und der Endplatte 5 ausbildet.
-
Die 3 zeigt in einer Schnittansicht von einer Seite eine Ausführungsform eines erfindungsgemäßen Batteriemoduls 1.
-
Dabei ist zu erkennen, dass die Mehrzahl an Batteriezellen 2 in einem Innenraum 30 eines Gehäuses 3 des Batteriemoduls 1 aufgenommen ist.
-
Weiterhin sind eine Bodenfläche 31 des Gehäuses 3 des Batteriemoduls 1 und eine Bodenfläche 21 der Batteriezellen 2 jeweils stoffschlüssig miteinander verbunden. Insbesondere kann diese Verbindung mittels eines Klebstoffs 81 ausgebildet sein.
-
Dabei umfasst das Gehäuse 3 des Batteriemoduls 1 unmittelbar benachbart zu den Bodenflächen 41 der Batteriezellen 2 ein Temperierelement 13.
-
In der Längsrichtung 4 des Batteriemoduls 1 ist zwischen dem Gehäuse 3 des Batteriemoduls 1 und der Mehrzahl an Batteriezellen 2 ein Verpresselement 11 angeordnet. Das Verpresselement 11 verjüngt sich dabei senkrecht zu der Längsrichtung 4 des Batteriemoduls 1 in Richtung der Bodenfläche 31 des Gehäuses 3 des Batteriemoduls 1. Insbesondere ist diese Verjüngung in einer Höhenrichtung 41, welche senkrecht zu der Längsrichtung 4 angeordnet ist, ausgebildet.
-
Weiterhin ist zu erkennen, dass in der Längsrichtung 4 des Batteriemoduls 1 gegenüberliegend zu dem Verpresselement 11 zwischen dem Gehäuse 3 des Batteriemoduls 1 und der Mehrzahl an Batteriezellen 2 ein Abstützelement 12 angeordnet ist.
-
Weiterhin ist in der 3 der bereits beschriebene primäre mechanische Lastpfad zu erkennen, bei welchem am Boden des Gehäuses 3 des Batteriemoduls 1 während des Betriebes eine mechanische Last von der Mehrzahl an Batteriezellen 2 über die stoffschlüssige Verbindung an die Bodenfläche 31 des Gehäuses 3 des Batteriemoduls 1 übertragen wird. Weiterhin wird eine Kraft über das Abstützelement 12 sowie das Verpresselement 11 auf das Gehäuse 3 des Batteriemoduls 1 übertragen.
-
Hierdurch ist ein definierter Abstand, insbesondere zwischen einer Endplatte 5 und dem Gehäuse 3, zu einer elektrischen Isolation ausgebildet.
-
Die 4 zeigt in einer Schnittansicht von einer weiteren Seite die Ausführungsform des erfindungsgemäßen Batteriemoduls 1 gemäß 3.
-
Dabei sind das Spannelement 6, das Gehäuse 3, der Klebstoff 81 und eine Batteriezelle 2 zu erkennen. Weiterhin ist eine Querrichtung 42 gezeigt, welche senkrecht zu der Längsrichtung 4 und der Höhenrichtung 41 angeordnet ist.
-
Zwischen dem Gehäuse 3 und der Batteriezelle 2 ist hierbei auch ein definierter Abstand ausgebildet.
-
Die 5 zeigt eine Ausführungsform eines Abstützelements 12.
-
Dabei ist in der linken Darstellung eine erste Ansicht mit Anlageflächen 121 zu erkennen, welche dazu ausgebildet sind, die Endplatten 5 mechanisch zu kontaktieren. Weiterhin ist in der rechten Darstellung eine zweite Ansicht mit Anlageflächen 122 zu erkennen, welche dazu ausgebildet sind, das Gehäuse 3 des Batteriemoduls 1 mechanisch zu kontaktieren.
-
Weiterhin weist das Abstützelement 12 eine Öffnung 123 auf. Diese Öffnung 123 dient dazu, eine thermische Entkopplung zu gewährleisten.
-
Die 6 zeigt eine Ausführungsform eines Verpresselements 11.
-
Dabei ist in der linken Darstellung eine erste Ansicht mit einer ersten Anlagefläche 111 zu erkennen, welche dazu ausgebildet ist, die Endplatten 5 mechanisch zu kontaktieren. Weiterhin ist in der rechten Darstellung eine zweite Ansicht mit einer zweiten Anlagefläche 112 zu erkennen, welche dazu ausgebildet ist, das Gehäuse 3 des Batteriemoduls 1 mechanisch zu kontaktieren. Insbesondere ist die zweite Anlagefläche 112 dabei als Linienkontakt ausgeführt.
-
Dabei ist zu erkennen, dass die erste Anlagefläche 111 und die zweite Anlagefläche 112 unter einem Winkel 113 zueinander angeordnet sind, wobei der Winkel insbesondere einen Wert von mindestens vier Grad aufweist.
-
Besonders bevorzugt ist ein solches Verpresselement 11 aus einem polymeren Werkstoff ausgebildet.
-
Die 7 zeigt eine Ausführungsform eines Gehäuses 3 des Batteriemoduls 1.
-
Dabei ist in der linken Darstellung diejenige Innenseite 151 des Gehäuses 3 des Batteriemoduls 1 gezeigt, an welcher das Abstützelement 12 angeordnet wird.
-
In der rechten Darstellung ist dabei diejenige Innenseite 152 des Gehäuses 3 des Batteriemoduls 1 gezeigt, an welcher das Verpresselement 11 angeordnet wird bzw. die Verpresselemente 11 angeordnet werden.
-
Dabei ist zu erkennen, dass das Gehäuse 3 des Batteriemoduls 1 Aufnahmen 153 umfasst, in welcher jeweils ein Verpresselement 11 formschlüssig aufgenommen werden kann. Insbesondere sind die Aufnahmen 153 hierbei als Führungsnuten ausgebildet, in welchen bevorzugt der Linienkontakt des Verpresselements 11 aufgenommen werden kann. Zwischen der Aufnahme 153 und dem Verpresselement 11 ist also ein linienförmiger bzw. mit anderen Worten ein sehr schmaler Kontakt ausgeführt.
-
Weiterhin kann eine Aufnahme 153 auch einen Winkel 154 ausbilden, welcher zu einer senkrecht zu der Längsrichtung 4 des Batteriemoduls 1 angeordneten Höhenrichtung 41 des Batteriemoduls 1 ausgebildet ist und einen Wert von mindestens vier Grad aufweist.
-
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
-
Diese Liste der vom Anmelder aufgeführten Dokumente wurde automatisiert erzeugt und ist ausschließlich zur besseren Information des Lesers aufgenommen. Die Liste ist nicht Bestandteil der deutschen Patent- bzw. Gebrauchsmusteranmeldung. Das DPMA übernimmt keinerlei Haftung für etwaige Fehler oder Auslassungen.
-
Zitierte Patentliteratur
-
- US 20140087231 [0006]
- EP 3694036 [0006]
- KR 100739841 [0006]
- US 20170170510 [0006]
- JP 20160085895 [0006]