DE102022104370A1

DE102022104370A1 - Batteriezelleneinheit und Energiespeicher für ein Kraftfahrzeug

Info

Publication number: DE102022104370A1
Application number: DE102022104370.3A
Authority: DE
Inventors: Walter Schmieder; Christian Gert Voigt
Original assignee: Audi AG
Current assignee: Audi AG
Priority date: 2022-02-24
Filing date: 2022-02-24
Publication date: 2023-08-24

Abstract

Die Erfindung betrifft eine Batteriezelleneinheit (10) mit einer Batteriezelle (12, 12`), die ein Zellgehäuse (14) und eine im Zellgehäuse (14) angeordnete Zellchemieeinheit (18) aufweist, wobei der Batteriezelleneinheit (10) zumindest in einer bestimmten Betriebsposition (P) eine erste Breite (b1) in einer ersten Richtung (x) zugeordnet ist. Dabei weist die Batteriezelleneinheit (10) mindestens eine in der ersten Richtung (x) zumindest zum Teil komprimierbare, erste Funktionsschicht (20a, 20b) auf, die fest in Bezug auf die Batteriezelle (12, 12`) und bezüglich der ersten Richtung (x) neben der Zellchemieeinheit (18) angeordnet ist, und die dazu ausgelegt ist, im Falle eines Ausdehnens der Zellchemieeinheit (18) in der ersten Richtung (x) das Ausdehnen derart zu kompensieren, dass die Batteriezelleneinheit (10) die ihr zugeordnete erste Breite (b1) in der bestimmten Betriebsposition (P) nicht überschreitet.

Description

Die Erfindung betrifft eine Batteriezelleneinheit mit einer Batteriezelle, die ein Zellgehäuse und eine im Zellgehäuse angeordnete Zellchemieeinheit aufweist, wobei der Batteriezelleneinheit zumindest in einer bestimmten Betriebsposition eine erste Breite in einer ersten Richtung zugeordnet ist. Des Weiteren betrifft die Erfindung auch einen Energiespeicher für ein Kraftfahrzeug mit einer solchen Batteriezelleneinheit.
Üblicherweise werden Batteriezellen für Kraftfahrzeugbatterien, wie zum Beispiel Hochvoltbatterien, über Abmessung, Energieinhalt, Temperaturbereich und weitere Eigenschaften definiert. Entsprechend spezifizieren Automobilhersteller die gewünschten Zellen zur Verwendung im Energiespeicher durch die Angabe solcher Parameter bei den Zellenherstellern. Beim Verbau von Batteriezellen in einem Energiespeicher müssen jedoch noch weitere Aspekte berücksichtigt werden. Beispielsweise schwellen Batteriezellen ladezustandsabhängig an und ab, und schwellen zudem im Laufe ihrer Lebensdauer zunehmend und irreversibel an. Daher kommen zwischen Batteriezellen oftmals Zwischenschichten zum Einsatz, die einer solchen Swelling-Kompensation dienen und zum Beispiel entsprechend komprimierbar ausgebildet sind, damit ein Batteriemodul im Laufe seiner Lebensdauer nicht mehr Bauraum in Anspruch nimmt als initial veranschlagt. Außerdem sollte eine Energiespeicher auch bestimmte Sicherheitsanforderungen erfüllen. Gerade im Hinblick auf ein mögliches thermisches Durchgehen einer Batteriezelle ist es vorteilhaft, Eindämmungsmaßnahmen vorzusehen, zum Beispiel thermisch isolierende Zwischenschichten zwischen den Zellen. Das Brandverhalten einzelner Batteriezellen, sowie auch das Swelling-Verhalten solcher Batteriezellen, hängt jedoch sehr stark von der Zellchemie und vom Zelltyp ab. Damit muss in einem Kraftfahrzeug beziehungsweise in einem Energiespeicher für Zellen verschiedener Hersteller ein definierter Bauraum vorgehalten werden, jedoch besteht nicht die Möglichkeit, einen solchen notwendigen Bauraum insbesondere unter Berücksichtigung weiterer Maßnahmen in Bezug auf das oben beschrieben Swelling oder das Brandverhalten vorab und für alle Zellen einheitlich zu spezifizieren. Außerdem werden oftmals Hersteller von Zellen, die eine hohe Energiedichte liefern, jedoch viel Bauraum für Swelling und Brandverhinderungsmaßnahmen benötigen, gegenüber Herstellen von Zellen mit geringem Swelling und guten Brandeindämmungsmaßnahmen bevorzugt. Damit bekommen Zellhersteller auch keinen Anreiz, das Swellingverhalten und das Propagationsverhalten der Zellen zu optimieren.
Die DE 24 34 598 A1 beschreibt ein aufladbares Trockenelement, zwischen dessen Elektroden eine aus gequollenen Kunststoffen bestehende Separatorschicht angeordnet ist. Als Elektroden werden dabei eine Kohleelektrode und eine Zinkelektrode verwendet, um einer schnellen Selbstentladung entgegenzuwirken. Die oben genannten Probleme werden hierdurch jedoch nicht gelöst.
Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es daher, eine Batteriezelleneinheit und einen Energiespeicher bereitzustellen, die es ermöglichen, den erforderlichen Bauraum besser planen zu können.
Diese Aufgabe wird gelöst durch eine Batteriezelleneinheit und einen Energiespeicher mit den Merkmalen gemäß den jeweiligen unabhängigen Patentansprüchen. Vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung sind Gegenstand der abhängigen Patentansprüche, der Beschreibung sowie der Figuren.
Eine erfindungsgemäße Batteriezelleneinheit weist eine Batteriezelleneinheit auf, die ein Zellgehäuse und eine im Zellgehäuse angeordnete Zellchemieeinheit aufweist, wobei der Batteriezelleneinheit zumindest in einer bestimmten Betriebsposition eine erste Breite in einer ersten Richtung zugeordnet ist. Dabei weist die Batteriezelleneinheit mindestens eine in der ersten Richtung zumindest zum Teil komprimierbare, erste Funktionsschicht aufweist, die fest in Bezug auf die Batteriezelle und bezüglich der ersten Richtung neben der Zellchemieeinheit angeordnet ist, und die dazu ausgelegt ist, im Falle eines Ausdehnens der Zellchemieeinheit in der ersten Richtung das Ausdehnen derart zu kompensieren, dass die Batteriezelleneinheit die ihr zugeordnete erste Breite in der bestimmten Betriebsposition nicht überschreitet.
Durch die Bereitstellung einer Batteriezelleneinheit, die nicht nur eine Batteriezelle, sondern zusätzlich auch mindestens eine Funktionsschicht umfasst, und die zudem durch eine zugeordnete erste Breite in einer bestimmten ersten Richtung charakterisiert ist, ist es vorteilhafterweise möglich, den erforderlichen Bauraum zum Verbau einer solchen Batteriezelleneinheit deutlich besser zu planen. Mit anderen Worten weist die Batteriezelleneinheit in der ersten Richtung eine Breite auf, die auch während des Betriebs der Batteriezelle und insbesondere auch im Laufe der Lebensdauer im Wesentlichen konstant bleibt und sich entsprechend nicht verändert. Diese Breite bezieht sich dabei vorteilhafterweise nicht auf die Breite der Batteriezelle selbst, sondern auf die Breite der Batteriezelleneinheit als Ganzes, die eben zusätzlich auch die erste Funktionsschicht umfasst. Die Funktionsschicht ist dabei vorteilhafterweise so ausgestaltet bzw. angepasst, dass sie aufgrund ihrer Komprimierbarkeit das Ausdehnen der Zellchemieeinheit, welche von der Batteriezelle umfasst ist, kompensieren kann. Zusätzlich können durch die Funktionsschicht bei Bedarf noch andere Funktionen umgesetzt werden, z.B. zum Zwecke der thermischen und/oder elektrischen Isolation, wie dies später näher beschrieben ist. Funktionsschicht dabei auch lediglich als Freiraum bereitgestellt sein, in welchen die Batteriezelle im Laufe der Lebensdauer hinein expandieren kann, bzw. die Funktionsschicht kann einen solchen Freiraum umfassen. Die Batteriezelleneinheit ist dann so ausgebildet, dass dieser Freiraum auch in der bestimmten Betriebsposition, und wenn die Batteriezelleneinheit mit weiteren Zellen oder weiteren Batteriezelleneinheiten in einem Zellstapel angeordnet ist, zumindest zum Teil erhalten bleibt, so dass die Batteriezelle im Betrieb sich in diesen Freiraum hinein ausdehnen kann. Hierzu können zum Beispiel Abstandshalter vorgesehen sein, wie diese später näher beschrieben werden. Entsprechend stellt es eine weitere Ausgestaltung der Erfindung dar, wenn die erste Funktionsschicht einen außerhalb des Zellgehäuses angeordneten Freiraum darstellt oder umfasst, insbesondere dessen Erstreckung in der ersten Richtung mittels eines Abstandshalters der Batteriezelleneinheit festgelegt ist. Der Abstandshalter sorgt dann dafür, dass dieser Freiraum nicht verschwindet, wenn die Batteriezelleneinheit in einem Zellstapel verbaut und verspannt wird. In diesem Fall kann die Zelle in den Hohlraum swellen, was insbesondere relativ schnell geschieht, und kompensiert das alterungsbedingte Swelling und ladungsbedingte Swelling nur noch über die eigene Elastizität des Stacks bzw. Wickels. Bevorzugt ist die Funktionsschicht jedoch als materielle Schicht bereitgestellt.
Bei der Zellchemieeinheit kann es sich beispielsweise um einen Zellwickel handeln, der eine Anodenschicht, eine Kathodenschicht und einen diese beiden Schichten separierenden Separator umfasst. Ein solcher Zellwickel kann dabei in einem Elektrolyt getaucht sein. Wie eingangs beschrieben schwellen Batteriezellen, und insbesondere ihre Zellchemieeinheiten, ladungsabhängig an und ab, das heißt beim Aufladen an und beim Entladen wieder ab. Zusätzlich ist dieses ladungsbedingte Swelling von einem alterungsbedingten Swelling überlagert, welches zu einem zunehmenden Anschwellen der Batteriezelle beziehungsweise ihrer Zellchemieeinheit im Laufe ihrer Lebensdauer führt. Beides kann vorteilhafterweise durch die erste Funktionsschicht kompensieren werden, so dass die Batteriezelleneinheit nach außen hin immer die gleichen Abmessungen in der ersten Richtung aufweist. Dadurch lassen sich auch die Einbaumaße für eine solche Batteriezelleneinheit auf einfache und zuverlässige Weise vorgeben und planen. Dies ermöglicht es zudem auch, unterschiedliche Zelltypen in einem Energiespeicher zu vereinen und beispielsweise auch Zellen unterschiedlicher Hersteller miteinander zu kombinieren. Automobilhersteller können somit einfach Vorgaben bezüglich der ersten Breite der Batteriezelleneinheit für die jeweiligen Zellhersteller machen, die dann entsprechend eine solche Batteriezelleneinheit entsprechend konzipieren können. Somit können Batteriezelleneinheiten von unterschiedlichen Herstellern bereitgestellt werden, die sich beispielsweise in den Eigenschaften der Batteriezellen unterscheiden, nach außen hin jedoch immer den gleichen Formfaktor aufweisen. Damit ist in eine solche Batteriezelleneinheit eine bereits an die Batteriezelle und deren Zellchemie angepasste Funktionsschicht integriert, so dass zur Bereitstellung eines Energiespeichers die jeweiligen Batteriezelleneinheiten lediglich in den gewünschten vorgesehenen Bauraum eingebracht werden müssen. Dadurch, dass nunmehr die Möglichkeit besteht, eine Vorgabe bezüglich der ersten Breite zu machen, die sich auf eine solche Batteriezelleneinheit als Ganzes bezieht und nicht nur auf die Batteriezelle selbst, wird Zellherstellern zudem ein Anreiz geboten, Zellen nicht nur hinsichtlich ihres Energieinhalts zu optimieren, sondern auch unter anderen Aspekten, nämlich insbesondere in Bezug auf das Swellingverhalten und das Verhalten bei thermischem Durchgehen der Zelle. Dies hat den Hintergrund, dass die Funktionsschicht nicht nur für Swellingkompensation genutzt werden kann, sondern dass diese auch für die Optimierung des thermischen Verhaltens der Batteriezelleneinheit als Ganzes genutzt werden kann, wie dies später näher erläutert wird. Somit lässt sich durch die Erfindung vorteilhafterweise durch die Batteriezelleneinheit sozusagen eine Integralzelle bereitstellen, in welche nicht nur eine Batteriezelle selbst integriert ist, sondern auch eine oder mehrere Funktionsschichten auf gegebenem Bauraum. Energiedichte, Swellingkompensation und Verhalten im Falle einer thermischen Propagation der Zelle können damit auf einen gegebenen definierten Bauraum ausgelegt werden. Ein weiterer Vorteil ist, das bei Einsatz einer verbesserten Zellchemiegeneration die Erprobung des Gesamtsystems Batterie bzw. Fahrzeug nicht vollumfänglich wiederholt werden muss. Im Regelfall gibt es im Verlauf einer Batterieentwicklung mehrere Generationen von Zellchemie, was bislang jeweils zu einer kostenintensiven und zeitaufwendigen Delta-Qualifizierung führt.
Bei einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung weist die Batteriezelle eine erste Seite und eine zweite Seite auf, die der ersten Seite bezüglich der ersten Richtung gegenüberliegt, wobei die erste Seite und die zweite Seite eine bestimmte gleiche Geometrie, zum Beispiel rechteckig, aufweisen, insbesondere wobei die Batteriezelle als eine prismatische Batteriezelle oder als eine Pouchzelle ausgebildet ist. Gerade die Ausbildung der Batteriezelle als prismatische Batteriezelle oder Pouchzelle ist besonders vorteilhaft, da solche Zellen oftmals zu Zellstapeln zusammengefasst werden. Ein Ausdehnen der Batteriezellen im Zuge des Swellings macht sich daher bei solchen Zellstapeln besonders stark bemerkbar. Durch die Bereitstellung der Batteriezelle als Bestandteil einer Batteriezelleneinheit mit integrierter Funktionsschicht lässt sich damit gerade für einen solchen Zellstapel, der mehrere solcher in einer Stapelrichtung nebeneinander angeordnete Batteriezelleneinheiten umfasst, auf einfache Weise eine definierte Stapellänge bereitstellen, die sich auch im Laufe der Lebensdauer nicht ändert. Vor allem aber variiert diese Stapellänge nicht, wenn z.B. Batteriezelleneinheiten anderer oder verschiedener Hersteller verwendet werden, da die zulässige erste Breite für die betreffenden Batteriezelleneinheiten vorgegeben werden kann. Da jede der Batteriezelleneinheiten bereits eine integrierte Funktionsschicht aufweist, müssen zur Ausbildung eines solchen Zellstapels auch keine weiteren Schichten zwischen den Zellen beziehungsweise Batteriezelleneinheiten eingeplant oder vorgesehen werden, so dass auch die Größe und der für einen solchen Zellstapel erforderliche Bauraum besonders einfach planbar ist, unabhängig davon, welche Batteriezellentypen in den einzelnen Batteriezelleneinheiten Verwendung finden.
Pouchzellen und prismatische Zellen weisen typischerweise eine im Wesentlichen rechteckige Geometrie senkrecht zur Stapelrichtung beziehungsweise senkrecht zur ersten Richtung auf. Grundsätzlich ist es auch denkbar, prismatische Zellen oder Pouchzellen miteinander einer beliebig anderen geometrischen Form auszubilden. Sollen mehrere Batteriezelleneinheiten zu einem Stapel gestapelt werden beziehungsweise zur Bildung eines Batteriemoduls kombiniert werden, so korrespondiert eine solche Stapelrichtung, in welche mehrere solcher Batteriezellen nebeneinander angeordnet sind, zur oben definierten ersten Richtung, in welche auch die der Batteriezelleneinheit zugeordnete erste Breite definiert ist, zumindest in der bestimmten Betriebsposition. Diese Betriebsposition kann sich zum Beispiel, wie später näher erläutert, auf die bestimmungsgemäße Einbauposition einer Batteriezelleneinheit in einem Zellstapel beziehungsweise einem Zellmodul beziehen, in welchem eine bestimmte, definierte Spannkraft in und/oder entgegen der ersten Richtung auf die Batteriezelleneinheiten wirken kann. In dieser Betriebsposition kann die Funktionsschicht zum Teil komprimiert sein, so dass die erste Breite der Batteriezelleneinheit in der Betriebsposition auch kleiner sein kann als in einem nicht komprimierten bzw. nicht verspannten Ausgangszustand der Batteriezelleneinheit.
Bei der Batteriezelleneinheit kann es sich zum Beispiel um eine Lithium-Ionen-Zelle handeln oder auch um eine Eisenphosphatzelle oder eine Batteriezelleneinheit mit einer beliebig anderen Zellchemie. Die Zellchemie ist dabei durch die Zellchemieeinheit bereitgestellt. Grundsätzlich ist es denkbar, die oben genannte erste Funktionsschicht dabei auch in die Batteriezelle, das heißt in deren Zellgehäuse zu integrieren. Das Ausdehnen der Batteriezelle im Zuge des Swellings ist dabei durch ein Ausdehnen der Zellchemieeinheit im Zellgehäuse bedingt. Entsprechend kann durch Integration einer Funktionsschicht in das Zellgehäuse ebenso dieses Swelling der Zellchemieeinheit kompensieren werden, wie außerhalb. Nichtsdestoweniger ist es bevorzugt, so wie dies gemäß einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung vorgesehen ist, dass die erste Funktionsschicht außerhalb des Zellgehäuses angeordnet ist und außenseitig am Zellgehäuse der Batteriezelle befestigt ist, insbesondere angeklebt ist. Die erste Funktionsschicht kann also beispielsweise an der oben definierten ersten Seite oder an der oben definierten zweiten Seite des Zellgehäuses angeordnet sein und an dieser beispielsweise angeklebt sein oder mittels einer anderweitigen Befestigungsmöglichkeit am Zellgehäuse befestigt sein. Dies hat den großen Vorteil, dass so die Funktionsschicht deutlich einfacher in Bezug auf ihre zu erfüllenden Funktionen optimiert werden kann. Würde man die Funktionsschicht in die Zelle integrieren, so sind weitere Rahmenbedingungen von dieser Funktionsschicht zu erfüllen, die die Optimierungsmöglichkeiten einschränken, wie zum Beispiel eine gewissen Beständigkeit gegenüber der verwendeten Zellchemie oder Ähnliches. Außerdem lassen sich durch eine solche Funktionsschicht zusätzlich auch thermische Isolationseigenschaften und Brandschutzeigenschaften deutlich einfacher umsetzen, wenn diese Funktionsschicht außerhalb der Batteriezelle angeordnet ist. Ein weiterer großer Vorteil besteht zudem darin, dass durch eine solche Funktionsschicht optional auch gleichzeitig eine elektrische Isolierung der einzelnen Batteriezellen von nebeneinander angeordneten Batteriezelleneinheiten bereitgestellt werden kann.
Bei einer weiteren sehr vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung weist die erste Funktionsschicht mehrere Teilschichten auf, die in der ersten Richtung nebeneinander angeordnet sind, wobei sich die Teilschichten in ihren Materialeigenschaften unterscheiden, und insbesondere wobei die mehreren Teilschichten eine zumindest teilweise in der ersten Richtung elastisch komprimierbare Swelling-Schicht und eine thermische Isolationsschicht umfassen. Die thermische Isolationsschicht dient dabei der Hemmung der Ausbreitung einer Ausbreitung einer thermischen Propagation. Entsprechend kann die thermische Isolationsschicht auch als Stop-Thermal-Propagation-Schicht bezeichnet werden oder kurz alsSTP-Schicht. Die Schicht kann zum Beispiel ein sogenanntes Mica-Sheet darstellen und zum Beispiel Glimmer umfassen oder aus Glimmer bestehen oder Glasfasern umfassen oder Ähnliches. Die thermische Isolationsschicht muss dabei nicht notwendigerweise komprimierbar in der ersten Richtung ausgebildet, sondern kann auch inkompressibel sein. Zur Swellingkompensation ist dagegen die komprimierbare Swelling-Schicht vorgesehen. Diese ist aber in der ersten Richtung nicht nur komprimierbar ausgebildet, sondern auch elastisch. Somit kann auch das ladungsbedingte Swelling ausgeglichen werden. Dies ermöglicht es nicht nur, dass die Batteriezelleneinheit die definierte erste Breite in der ersten Richtung nicht nur nicht überschreitet, sondern den in der ersten Richtung durch die definierte erste Breite zur Verfügung stehenden Raum vollständig ausfüllt. Die Swelling-Schicht kann sich also dadurch auszeichnen, dass sie elastischer ist und komprimierbarer als die thermische Isolationsschicht, während die thermische Isolationsschicht beispielsweise einen höheren thermischen Widerstand aufweisen kann als die komprimierbare Swelling-Schicht. Optional kann die erste Funktionsschicht auch noch weitere Teilschichten aufweisen, sofern weder die thermische Isolationsschicht noch die komprimierbare Swelling-Schicht elektrisch isolierend ausgebildet sind. Somit können über die Funktionsschicht bereits alle bauraum- und sicherheitsrelevanten Funktionen für die Batteriezelle integriert werden. Dies erlaubt zudem eine optimale Abstimmung dieser Schichten auf den jeweilig verwendeten Zelltyp.
Gemäß einer weiteren sehr vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung weist die Batteriezelleneinheit eine zweite Funktionsschicht auf, die bezüglich der ersten Richtung auf einer der ersten Funktionsschicht gegenüberliegenden Seite der Zellchemieeinheit, insbesondere einer der ersten Funktionsschicht gegenüberliegenden zweiten Seite der Batteriezelle, angeordnet ist. Dadurch ist es vorteilhafterweise möglich, die Batteriezelleneinheit beidseitig hinsichtlich Brandschutz- und Swellingverhalten optimiert auszulegen. Die zweite Funktionsschicht kann dabei insbesondere wie zur ersten Funktionsschicht bereits beschrieben ausgebildet sein und insbesondere auch mehrere Teilschichten umfassen. Besonders vorteilhaft ist es, wenn die zweite Funktionsschicht beispielsweise spiegelsymmetrisch zur ersten Funktionsschicht ausgebildet ist. Die erste Funktionsschicht kann beispielsweise auf der ersten Seite der Batteriezelle angeordnet sein und die zweite Funktionsschicht dann entsprechend auf der zweiten Seite der Batteriezelle.
Weiterhin ist es zudem bevorzugt, dass sich die erste und/oder zweite Funktionsschicht zumindest über einen Großteil der Seitenfläche der ersten Seite und/oder zweiten Seite des Zellgehäuses erstreckt. Dadurch lassen sich ein besonders effizienter Brandschutz und eine besonders effiziente Swellingkompensation bereitstellen. Auch können die Geometrien dieser Funktionsschichten zur oben genannten Zellgeometrie der ersten Seite und/oder der zweiten Seite korrespondieren. Sind also die erste und zweite Seite der Batteriezelle rechteckig, so ist es vorteilhaft, wenn auch die erste und/oder zweite Funktionsschicht rechteckig ausgebildet sind. Dabei können die Höhe und Länge einer solchen Funktionsschicht jedoch geringfügig geringer ausfallen als die Länge und Höhe der jeweiligen Seiten des Zellgehäuses. Dies hat den Vorteil, dass sich dann auf einfache Weise noch ein nachfolgend näher beschriebener Abstandshalter integrieren lässt.
Entsprechend stellt es eine weitere vorteilhafte Ausgestaltung der Erfindung dar, wenn die Batteriezelleneinheit mindestens einen Abstandshalter aus einem nicht komprimierbaren Material aufweist, der die erste Breite der Batteriezelleneinheit in der ersten Richtung festlegt. Wird also beispielsweise eine solche Batteriezelleneinheit neben einer weiteren Batteriezelleneinheit angeordnet, so liegen ihre jeweiligen Abstandshalter aneinander an. Dadurch ist ein definierter Abstand zwischen den Batteriezellen der jeweiligen Batteriezelleneinheiten vorgegeben und entsprechend auch die erste Breite der Batteriezelleneinheit bestimmt. Werden also die Batteriezelleneinheiten zusammengepresst beziehungsweise miteinander verspannt, so können diese Batteriezelleneinheiten maximal so nahe beieinander angeordnet werden, bis sich ihre jeweiligen Abstandshalter berühren beziehungsweise aneinander anliegen. Eine weitere Kompression eines solchen Zellstapels ist dann nicht mehr möglich. Dies stellt eine besonders vorteilhafte und einfache Möglichkeit dar, die erste Breite der Batteriezelleneinheit festzulegen und auch ein Unterschreiten dieser Breite durch zu starkes Verspannen zu verhindern. Dies erlaubt es, insbesondere in Anpassung an die bereitgestellte erste und/oder zweite Funktionsschicht, auch eine definierte Vorspannkraft auf die Batteriezelle einzustellen, denn der Abstandshalter kann gleichzeitig definieren, wie stark die erste und zweite Funktionsschicht maximal bei Verspannen der Batteriezelleneinheiten zueinander komprimiert werden dürfen. Dies wird später noch näher erläutert. Ein solcher Abstandshalter definiert dabei auch die Position der Zelle und deren elektrischer Anschlüsse innerhalb des Moduls bzw. der Batterie. Dies ist von Vorteil, da eine hohe Toleranz der elektrischen Anschlüsse bzw. der Zellpole große Probleme im Produktionsprozess und den definierten elektrischen Isolationen, insbesondere im Hinblick auf Luft- und Kriechstrecken, hervorruft. Durch einen oder mehrere solcher Abstandshalter bleibt die Position der jeweiligen Zelle und ihrer Zellpole und damit auch die der Anschlüsse im Betrieb, insbesondere über Lebensdauer, im Wesentlichen immer die Gleiche.
Gemäß einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung weist der mindestens eine Abstandshalter einen ersten Abstandsrahmen auf, der an einem geschlossen, umlaufenden Randbereich der ersten Seite der Batteriezelle angeordnet ist, wobei die erste Funktionsschicht bezüglich einer zweiten und dritten Richtung, die jeweils zueinander und zur ersten Richtung senkrecht sind, innerhalb des ersten Abstandsrahmens angeordnet ist. In gleicher Weise kann es auch vorgesehen sein, dass der mindestens eine Abstandshalter einen zweiten Abstandsrahmen aufweist, der an einem geschlossen umlaufenden Randbereich der zweiten Seite der Batteriezelle angeordnet ist, wobei die zweite Funktionsschicht bezüglich der zweiten und dritten Richtung innerhalb des zweiten Abstandsrahmens angeordnet ist. Es kann also beidseitig auf dem Zellgehäuse, das heißt sowohl auf der ersten als auch auf der zweiten Seite, ein solcher Abstandsrahmen vorgesehen sein. Werden mehrere Batteriezelleneinheiten nebeneinander in der ersten Richtung angeordnet und verspannt, so kommen ihre jeweiligen Abstandsrahmen zueinander zur Anlage. Auch ihre jeweiligen innerhalb dieser Abstandsrahmen angeordneten Funktionsschichten können sich berühren. Im Zuge der Verspannung kann eine solche Funktionsschicht sogar etwas komprimiert werden. Es kann also sein, dass die Funktionsschicht bezüglich der ersten Richtung weiter von der betreffenden Seite des Zellgehäuses absteht als der Abstandsrahmen. Dies ist vorteilhaft, da durch das zumindest teilweise Komprimieren dieser Funktionsschichten beim Verspannen der Batteriezelleneinheiten eine definierte Vorspannkraft auf die jeweiligen Batteriezelle ausgeübt und eingestellt werden kann. Dies hat sich als vorteilhaft für die Lebensdauer der Batteriezellen erwiesen.
Im Randbereich der Batteriezelle äußert sich das Swelling der Batteriezelle dabei typischerweise am geringsten. Daher ist es sehr vorteilhaft, einen solchen Abstandshalter gerade in diesem Randbereich vorzusehen. Durch die umlaufend Ausführung kann eine allseitige Einhaltung des definierten Abstands sichergestellt werden. Nichtsdestoweniger könnten anstelle eines Rahmens auch zwei Abstandsbalken verwendet werden, die im Randbereich zum Beispiel oben und unten oder links und rechts an einer betreffenden Seite, das heißt an der ersten Seite und/oder zweiten Seite des Zellgehäuses, angeordnet sind.
Daher stellt es eine weitere vorteilhafte Ausgestaltung der Erfindung dar, wenn sich die erste Funktionsschicht, wenn sich die Batteriezelleneinheit in der bestimmten Betriebsposition befindet, in einem zum Teil in der ersten Richtung komprimierten Zustand befindet, wobei, wenn sich die Batteriezelleneinheit in einer von der bestimmten Betriebsposition verschiedenen Ausgangsposition befindet, die Batteriezelleneinheit eine zweite Breite in der ersten Richtung aufweist, die größer ist als die erste Breite, insbesondere wobei die erste Funktionsschicht, wenn sich die Batteriezelleneinheit in der Ausgangsposition befindet, nicht komprimiert ist und von der ersten Seite bezüglich der ersten Richtung weiter absteht als der mindestens eine Abstandshalter. Gleiches kann analog auch für die zweite Funktionsschicht und der zweiten Seite der Batteriezelle gelten. Ob und wie viel diese Funktionsschicht dabei über den Abstandshalter hinaussteht, kann wiederum in Anpassung an den verwendeten Zelltyp und die Zellchemie der Batteriezelle erfolgen. Dadurch lässt sich für jede Batteriezelle individuell eine vorteilhafte Vorspannkraft einstellen. Die äußere Formgebung und Geometrie, insbesondere die erste Breite, die die Batteriezelleneinheit dann letztendlich in der Betriebsposition einnimmt, bleiben davon vollständig unberührt.
Bei einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung weist die erste Seite der Batteriezelle einen zentralen Bereich und einen um den zentralen Bereich geschlossen umlaufende Dehnungskontur zur Reduktion einer Krümmung des zentralen Bereichs der ersten Seite beim Ausdehnen der Zellchemieeinheit auf, insbesondere wobei die Dehnungskontur an den Randbereich der ersten Seite angrenzt. Weist also beispielsweise die Batteriezelleneinheit einen oben beschriebenen Abstandsrahmen auf der ersten Seite auf, so kann diese Dehnungskontur an diesen Abstandsrahmen angrenzen und bezüglich des zentralen Bereichs der ersten Seite innerhalb dieses Abstandsrahmens verlaufen. Gleiches gilt auch wieder für die zweite Seite der Batteriezelle. Eine solche Dehnungskontur kann zum Beispiel als zick-zack-förmige oder wellenförmige Prägung ausgebildet, wobei sich der zick-zack-förmige oder wellenförmige Verlauf hierbei auf die Richtung vom Randbereich zum zentralen Bereich bezieht, also auf einen Querschnitt senkrecht zur Längserstreckung der Kontur. Bei herkömmlichen Batteriezellen, insbesondere prismatischen Batteriezellen, bei denen die Zellseiten typischerweise als ebene Bleche ausgebildet sind, äußert sich das Swelling typischerweise in einem Ausbauchen dieser Zellen in der ersten Richtung. Mit anderen Worten wölben sich dabei die Zellgehäuse in die erste Richtung konvex nach außen. Die Zelle ist entsprechend im zentralen Bereich bezüglich der ersten Richtung am dicksten, oben und unten jedoch, sowie auch links und rechts, deutlich dünner. Diese Krümmung lässt sich dabei durch eine solche umlaufende Dehnungskontur reduzieren. Dies ermöglicht es nämlich, dass sich der zentrale Bereich beim Ausdehnen ziehharmonikaartig von der Zellmitte bezüglich der ersten Richtung wegbewegen kann. Der zentrale Bereich der ersten Zellgehäuseseite kann dabei weiterhin vollkommen oder nahezu eben bleiben. Dies führt zu einer deutlich gleichmäßigeren Kräfteverteilung auf die Zelle. Auch können hierdurch die Funktionsschichten einfacher ausgebildet werden, da nicht mehr versucht werden muss, solche Inhomogenität zumindest zum Teil durch eine spezielle Ausbildung der Funktionsschichten auszugleichen. Auch eine solche Dehnungskontur kann nicht nur an der ersten Seite, sondern ganz analog auch auf der zweiten Seite der Batteriezelle beziehungsweise der Zellgehäuse vorgesehen sein.
Die Dehnungskontur kann dabei auch wie in der DE 10 2020 107 303 A1 bezüglich des Dehnungsabschnitts des dort beschriebenen Gehäuses ausgebildet sein. Insbesondere sollen die in der DE 10 2020 107 303 A1 mit Bezug auf das Gehäuse gemäß den Ansprüche 1 bis 8, und der 1 und der zugehörigen Beschreibung in den Absätzen [0055] bis einschließlich [0061] beschriebenen Ausgestaltungen als optionale Weiterbildungen des Zellgehäuses der Batteriezelle der Batterieeinheit im Rahmen der vorliegenden Erfindung gelten.
Des Weiteren betrifft die Erfindung auch einen Energiespeicher für ein Kraftfahrzeug mit einer erfindungsgemäßen Batteriezelleneinheit oder einer ihrer Ausgestaltungen. Der Energiespeicher kann dabei auch mehrere solcher Batteriezelleneinheiten aufweisen. Diese können sich zum Beispiel auch hinsichtlich der Art der verwendeten Batteriezelle unterscheiden und insbesondere auch hinsichtlich der Auslegung der jeweiligen Funktionsschichten. Nichtsdestoweniger kann allen Batteriezelleneinheiten eine gleiche erste Breite zugeordnet sein.
Der Energiespeicher kann dabei als Batteriemodul ausgebildet sein oder auch mehrere solcher Batteriemodule aufweisen, die wiederum ihrerseits jeweils mindestens eine Batteriezelleneinheit, vorzugsweise jedoch mehrere Batteriezelleneinheiten, umfassen. Beispielsweise kann der Energiespeicher als ein Hochvoltenergiespeicher, insbesondere eine Hochvoltbatterie, für das Kraftfahrzeug ausgebildet sein, die als Traktionsbatterie für das Kraftfahrzeug fungieren kann.
Des Weiteren soll auch ein Kraftfahrzeug mit einem solchen Energiespeicher als zur Erfindung gehörend angesehen werden.
Zu der Erfindung gehören auch Weiterbildungen des erfindungsgemäßen Energiespeichers, die Merkmale aufweisen, wie sie bereits im Zusammenhang mit den Weiterbildungen der erfindungsgemäßen Batteriezelleneinheit beschrieben worden sind. Aus diesem Grund sind die entsprechenden Weiterbildungen des erfindungsgemäßen Energiespeichers hier nicht noch einmal beschrieben.
Das erfindungsgemäße Kraftfahrzeug ist bevorzugt als Kraftwagen, insbesondere als Personenkraftwagen oder Lastkraftwagen, oder als Personenbus oder Motorrad ausgestaltet.
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 Querschnittsdarstellung einer Batteriezelleneinheit gemäß einem Ausführungsbeispiel der Erfindung;
2 eine schematische Darstellung einer Batteriezelleneinheit in einer Draufsicht gemäß einem Ausführungsbeispiel der Erfindung;
3 eine schematische Darstellung eines Batteriemoduls mit mehreren Batteriezelleneinheiten gemäß einem Ausführungsbeispiel der Erfindung;
4 eine schematische Querschnittsdarstellung einer Batteriezelleneinheit, die eine Pouchzelle umfasst, gemäß einem Ausführungsbeispiel der Erfindung; und
5 eine schematische Querschnittsdarstellung einer Batteriezelleneinheit, die eine Pouchzelle umfasst, gemäß einem weiteren 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 Batteriezelleneinheit 10 gemäß einem Ausführungsbeispiel der Erfindung. Die Batteriezelleneinheit 10 weist dabei zum einen eine Batteriezelle 12 auf, die in diesem Beispiel als eine prismatische Batteriezelle 12 ausgebildet ist. Alternativ könnte die Batteriezelle 12 auch als eine Pouchzelle 12` ausgebildet sein, wie dies später zu 4 und 5 näher beschreiben ist. Die Batteriezelle 12 weist dabei ein Zellgehäuse 14 und einen vom Zellgehäuse umschlossenen Innenraum 16 auf, in welchem eine Zellchemie angeordnet ist, die vorliegend auch als Zellchemieeinheit 18 bezeichnet wird. Eine solche Zellchemieeinheit 18 kann zum Beispiel durch einen in einen Elektrolyt getauchten Zellwickel bereitgestellt sein. Im Allgemeinen kann es sich bei der Batteriezelle 12 zum Beispiel um eine Lithium-Ionen-Zelle oder irgendeine andere Batteriezelle handeln. Die Batteriezelle 12, insbesondere das Zellgehäuse 14, weist dabei eine erste Seite 14a und eine der ersten Seite 14a gegenüberliegende zweite Seite 14b auf. Diese beiden Seiten 14a, 14b liegen sich insbesondere bezüglich einer ersten Richtung gegenüber, die vorliegend als x-Richtung bezeichnet ist. Zellpole der Zelle 12, die vorliegend jedoch nicht dargestellt sind, können zum Beispiel an einer bezüglich der z-Richtung definierten Ober- oder Unterseite der Zelle 12 vorgesehen sein. Denkbar wäre auch die Anordnung der Pole an einer die Zelle 12 in y oder entgegen y begrenzenden Seite.
Herkömmliche Batteriezellen, wie auch die vorliegend beschriebene Batteriezelle 12, schwellen typischerweise in x-Richtung an, insbesondere im Laufe ihrer Lebensdauer, sowie auch zyklisch an und ab, korrespondierend zum Ladezustand der Zelle 12. Auch weisen typischerweise unterschiedliche Zellen 12 unterschiedliche Eigenschaften bezüglich einer thermischen Propagation auf. Dies erfordert bei herkömmlichen Zellanordnungen weitere Zwischenschichten, die wiederum an die spezielle Zelle angepasst werden, so dass der sich letztendlich für ein Batteriemodul ergebende Bauraum nicht vorhersagbar ist und schwer planungsfähig ist und davon abhängt, wie die jeweiligen Zellen, die von Zellherstellern geliefert werden, ausgelegt sind. Dieses Problem kann nun vorteilhafterweise durch die nachfolgend näher erläuterte Batteriezelleneinheit 10 behoben werden.
Diese Batteriezelleneinheit 10 umfasst nämlich neben der Batteriezelle 12 noch mindestens eine weitere integrierte Funktionsschicht. In diesem Beispiel umfasst die Batteriezelleneinheit 10 eine erste Funktionsschicht 20a, die auf der ersten Seite 14a der Batteriezelle 12 angeordnet ist, und eine zweite Funktionsschicht 20b, die auf der gegenüberliegenden zweiten Seite 14b der Batteriezelle 12 angeordnet ist. In diese Funktionsschichten 20a, 20b können die beschriebenen Eigenschaften für die Swellingkompensation und für die Optimierung der Brandeigenschaften bereits integriert werden. Zudem können diese Schichten 20a, 20b auf die jeweilige Batteriezelle 12, das heißt den Zelltyp und die verwendete Zellchemie abgestimmt ausgeführt werden. Die Zelle 12 sowie die zugehörigen Funktionsschichten 20a, 20b können dann insgesamt auf einem definierten Bauraum bereitgestellt werden. Dieser ist insbesondere durch eine definierte erste Breite b1 in x-Richtung vorgegeben, wobei sich diese erste Breite b1 auf die Breite der gesamten Batteriezelleneinheit 10 in einer bestimmten Betriebsposition P (vergleiche 3) bezieht, während die Batteriezelleneinheit 10 in 1 in ihrer entspannten Ausgangsposition A dargestellt ist. Die Funktionsschichten 20a, 20b sind dabei in x-Richtung komprimierbar, insbesondere elastisch komprimierbar, ausgebildet und werden zur Überführung der Batteriezelleneinheit 10 von der Ausgangsposition A in ihre bestimmungsgemäße Einbaulage, die zur Betriebsposition P korrespondiert, zumindest zum Teil in x-Richtung komprimiert, in diesem Beispiel um die Strecke Δs, bis die Batteriezelleneinheit 10 die genannte vorgegebene erste Breite b1 aufweist (vgl. 3). Im Ausgangszustand A dagegen, wie in 1 dargestellt, weist die Batteriezelleneinheit 10 im vorliegenden Beispiel eine zweite Breite b2 auf, die größer ist als die erste Breite b1.
Weiterhin können die Funktionsschichten 20a, 20b zur Umsetzung jeweiliger Funktionen mehrere Teilschichten umfassen. Im vorliegenden Beispiel umfasst zum Beispiel die erste Funktionsschicht 20a eine Schicht 22 zur Swellingkompensation, die im Folgenden daher auch als Swellingschicht 22 bezeichnet wird, sowie eine weitere Schicht 24, die dem Brandschutz und der Hemmung einer thermischen Propagation dient und daher im Folgenden auch als STP-Schicht 24 bezeichnet wird. Die Swellingschicht 22 ist dabei elastisch komprimierbar in x-Richtung ausgebildet, was nicht notwendigerweise für die STP-Schicht 24 der Fall sein muss. Diese ist dagegen nicht brennbar ausgebildet, was wiederum nicht notwendigerweise für die Swellingschicht 22 der Fall sein muss. Zusätzlich ist es vorteilhaft, wenn die STP-Schicht 24 zum Beispiel einen sehr großen thermischen Widerstand aufweist, der insbesondere größer ist als der der Swellingschicht 22. Dadurch können nebeneinander angeordnete Batteriezelleneinheiten 10 sehr gut voneinander thermisch isoliert werden. Die Hitze einer thermisch durchgehenden Zelle überträgt sich dann nicht so schnell auf benachbart angeordnete Batteriezellen 12. Eine thermische Propagation wird dadurch gehemmt. Um die erste Breite b1 vorzugeben, ist zudem noch ein Abstandshalter 26 vorgesehen. In diesem Beispiel weist der Abstandshalter 26 einen ersten Abstandsrahmen 28a auf, der umlaufend im Randbereich der ersten Seite 14a der Zelle 12 angeordnet, und einen zweiten Abstandsrahmen 28b, der im Randbereich umlaufend an der zweiten Seite 14b der Batteriezelle angeordnet ist. Die Funktionsschichten 20a befinden sich dabei bezüglich der y- und z-Richtung innerhalb dieses jeweiligen Rahmens 28a, 28b. Dies ist nochmal in einer Draufsicht in 2 veranschaulicht.
Insbesondere zeigt 2 nochmal die Batteriezelleneinheit 10 aus 1 in einer Draufsicht auf beziehungsweise entgegen der dargestellten x-Richtung und entsprechend in einer Draufsicht auf die erste Funktionsschicht 20a und den ersten Rahmen 28a als Teil des Abstandshalters 26. Die Rahmen 28a, 28b sind dabei aus einem nicht komprimierbaren Material gebildet. Werden also mehrere solcher Batteriezelleneinheiten 10 in x-Richtung nebeneinander angeordnet und zueinander in x-Richtung verspannt, so werden die entsprechenden Funktionsschichten 20a, 20b bis auf die erste Breite b1 in x-Richtung komprimiert.
Dies ist beispielsweise in 3 anhand eines Batteriemoduls 30 illustriert, welches mehrere solcher Batteriezelleneinheiten 10 aufweist. Die Batteriezelleneinheiten 10 können wie zuvor beschreiben ausgebildet sein. Aus Gründen der Übersichtlichkeit ist die oben beschriebene Dehnungskontur 40 nur für die zweite Seite 14b der rechten Zelle 12 mit einem Bezugszeichen versehen. Die Batteriezelleneinheiten 10 sind dabei in x-Richtung zueinander verspannt. Die Verspannung erfolgt über zwei Endplatten 32, die den Zellstapel 34, der durch die mehreren in x-Richtung nebeneinander angeordneten Batteriezelleneinheiten 10 gebildet ist, in oder entgegen x-Richtung begrenzen. Die beiden Endplatten 32 können dabei zudem durch eine Spanneinrichtung miteinander verspannt sein, zum Beispiel über in x-Richtung verlaufende Seitenplatten miteinander verbunden sein, die vorliegend jedoch nicht dargestellt sind. Weiterhin sind in diesem Beispiel die Batteriezelleneinheiten 10 auf einem Gehäuseboden 36 eines Batteriegehäuses angeordnet, der gleichzeitig als Kühlboden ausgebildet ist, insbesondere indem der Gehäuseboden 36 von einem Kühlmittel durchströmbare Kühlkanäle 38 aufweist. Beim Zusammenbau eines solchen Batteriemoduls 30 werden die Batteriezelleneinheiten 10 also in x-Richtung über die Endplatten 32 so weit miteinander verpresst, bis ihre jeweiligen Abstandsrahmen 28a, 28b zueinander zur Anlage kommen. Diese sind in x-Richtung nicht komprimierbar und bestimmen somit das Endmaß des Zellstapels 34 in Summe in x-Richtung. In dieser bestimmten Betriebsposition P sind also die jeweiligen Funktionsschichten 20a, 20b zumindest zum Teil komprimiert, insbesondere nur zum Teil und nicht vollständig. Dies ermöglicht eine weitere Kompression dieser Schichten 20a, 20b, insbesondere der genannten Swellingschichten 22, wenn sich die Zellen 12 im Laufe ihre Betriebs und im Laufe ihrer Alterung ausdehnen.
Um dabei die Swellingkräfte, die auf die Zellen 12 wirken, homogener zu gestalten, ist es zudem vorteilhaft, wenn die Zellgehäuse auf den jeweiligen Seiten 14a, 14b über eine umlaufende geschlossene Dehnungskontur 40 verfügen. Diese ist in der Querschnittsdarstellung in 1 und in 2 schematisch als gestrichelte Linie dargestellt, da sie sich in Bezug auf die in 2 dargestellte Draufsicht hinter der Funktionsschicht 20a befindet. Diese Dehnungskontur 40 kann zum Beispiel als eine Art Ausgleichswelle bereitgestellt sein und ebenfalls ähnlich einem umlaufenden Rahmen in die Oberfläche der ersten Seite 14a sowie analog auch in die zweite Seite 14b des Zellgehäuses 14 eingeprägt sein. Dies ermöglicht ein ziehharmonikaartiges Ausdehnen der Zelle 12, ohne dass sich dabei die Oberflächen dieser Gehäuseseiten 14a, 14b krümmen, oder zumindest kann eine solche Krümmung in ihrem Ausmaß durch solche Dehnungskonturen deutlich reduziert werden. Beim Ausdehnen der Zelle 12 im Zuge des Swellings verschieben sich die zentralen Bereiche Z (vergleiche 1) der Gehäuseseiten 14a, 14b im Wesentlichen parallel zueinander nach außen, während der Bereich der Seiten 14a, 14b, in welchem die Dehnungskontur 40 verläuft, gedehnt wird. Die Zelloberseite 14c sowie die Zellunterseite 14d bleiben dabei in Position, durch die durch die Dehnungskontur bereitgestellte Ausgleichswelle wird also ein homogenes Stackswelling ermöglicht.
4 zeigt eine schematische Darstellung einer Batteriezelleneinheit 10 gemäß einem weiteren Ausführungsbeispiel der Erfindung, die in diesem Beispiel als Batteriezelle eine Pouchzelle 12` umfasst. Im Übrigen kann die Batteriezelleneinheit 10 jedoch wie zuvor bereits beschreiben ausgebildet sein. Die Pouchzelle 12` weist also ebenfalls ein Zellgehäuse 14 und einen vom Zellgehäuse 14 umschlossenen Innenraum 16 auf, in welchem eine Zellchemie angeordnet ist, die vorliegend wieder als Zellchemieeinheit 18 bezeichnet wird. Das Zellgehäuse 14 ist vorliegend beutelartig ausgebildet und weist dabei eine erste Seite 14a und eine der ersten Seite 14a gegenüberliegende zweite Seite 14b auf. Diese beiden Seiten 14a, 14b liegen sich insbesondere wieder bezüglich der ersten Richtung x gegenüber.
Auch diese Batteriezelleneinheit 10 umfasst neben der Pochzelle 12` noch mindestens eine weitere integrierte Funktionsschicht. In diesem Beispiel umfasst die Batteriezelleneinheit 10 wieder eine erste Funktionsschicht 20a, die auf der ersten Seite 14a der Batteriezelle 12` angeordnet ist, und eine zweite Funktionsschicht 20b, die auf der gegenüberliegenden zweiten Seite 14b der Batteriezelle 12' angeordnet ist. Diese Funktionsschichten 20a, 20b können wie oben bereits beschreiben ausgebildet sein. Auch in diesem Beispiel umfassen die Funktionsschichten 20a, 20b zur Umsetzung jeweiliger Funktionen mehrere Teilschichten, insbesondere wieder eine erste eine Schicht 22 zur Swellingkompensation und eine weitere Schicht 24, die dem Brandschutz und der Hemmung einer thermischen Propagation dient, also eine STP-Schicht 24, wobei in diesem Beispiel die Swelling-Schichten 22 näher an der Zelle 12` angeordnet sind als die STP-Schichten 24. Die Anordnung der Teilschichten kann im Allgemeinen auch beliebig vertauscht sein.
Der Batteriezelleneinheit 10 ist wiederum eine definierte erste Breite b1 zugeordnet, die sich wieder auf die Breite b1 der gesamten Batteriezelleneinheit 10 in einer bestimmten Betriebsposition bezieht. Vorliegend ist die Batteriezelleneinheit 10 wieder in ihrer entspannten Ausgangsposition A dargestellt ist. Zur Überführung der Batteriezelleneinheit 10 von der Ausgangsposition A in ihre bestimmungsgemäße Einbaulage, die zur Betriebsposition korrespondiert, werden die Funktionsschichten 20a, 20b zumindest zum Teil in x-Richtung komprimiert, in diesem Beispiel um die Strecke Δs, bis die Batteriezelleneinheit 10 die genannte vorgegebene erste Breite b1 aufweist.
Um die erste Breite b1 vorzugeben, ist zudem auch hier wieder ein Abstandshalter 26 vorgesehen. Dieser kann zum Beispiel an dem oberseitigen Ende der Pouchzelle 12' wie dargestellt befestigt sein und ein weiterer nicht dargestellter Abstandshalter 26 kann analog an einem gegenüberliegenden unterseitigen Ende der Pouchzelle 12' angeordnet sein. Der untere Teil der Batteriezelleneinheit 10, der vorliegend nicht dargestellt ist, kann wie der dargestellte obere Teil an der x-y-Ebene gespiegelt ausgebildet sein.
5 zeigt eine schematische Darstellung einer Batteriezelleneinheit 10 gemäß einem weiteren Ausführungsbeispiel der Erfindung, die in diesem Beispiel als Batteriezelle wieder eine Pouchzelle 12' umfasst, wobei hierbei nun die Funktionsschichten 20a, 20b in die Pouchzelle 12`, d.h. in das Zellgehäuse 14 integriert sind. Die Funktionsschichten 20a, 20b sind also nicht außenseitig an der ersten und zweiten Seite 14a, 14b der Zelle 12' angeordnet, sondern stattdessen innenseitig an der jeweilige ersten Seite 14a und zweiten Seite 14b. Auch in diesem Fall weist die Batteriezelleneinheit 10 im Ausgangszustand A eine um die Strecke Δs größere Breite b2 auf als die durch den Abstandshalter 26 definierte erste Breite b1. Im Übrigen kann die Batteriezelleneinheit 10 wie zuvor, insbesondere wie zu 4, beschrieben ausgebildet sein.
Insgesamt zeigen die Beispiel, wie durch die Erfindung eine Integralzelle bereitgestellt werden kann, gemäß welcher die Zelle innerhalb eines definierten Bauraums für die Energiedichte, die Swellingkompensation und STP (Stop Thermal Propagation) verantwortlich ist. Dies ermöglicht es, dass der Zellhersteller eine integrierte Funktionseinheit aus Zelle, Swellingkompensation und STP liefert. Gleichzeitig bekommt der Zellhersteller einen Anreiz, mit geringem Swelling und guten STP-Eigenschaften zu entwickeln, um im Gesamtpaket ein gutes Produkt zu liefern. Die Auslegung der Swellingkompensation obliegt damit dem Zelllieferanten. Alle Zellen lassen sich dann im gleichen Bauraum unter gleichen Bedingungen verbauen, besser gesagt alle Batteriezelleneinheiten. Die finale Energiedichte der unterschiedlichen Hersteller ist damit deutlich besser vergleichbar. Damit ist ein echtes Cell-to-Pack technisch möglich. Somit können auf einfache Weise einem Zelllieferanten Vorgaben für die Batteriezelleneinheiten gemacht werden, wie Außenabmessungen. Die Zelle wird mit einer definierten Kraft verbaut, und der Rahmen muss auf Block gehen. Die Zelle darf über ihre Lebensdauer eine vorgebbare Maximalkraft nicht überschreiten, und STP bei nebeneinander verbauten Zellen muss sichergestellt sein. Diese Randbedingungen können damit ebenfalls als weitere Vorgaben den Zellliferanten gemacht werden, die dann eine Batteriezelleneinheit bereitstellen können, in der dieser Vorgaben durch entsprechende Konzeption der Funktionsschichten berücksichtigt sind und gleichzeitig weist diese Batteriezelleneinheit die vorgegebene erste Breite auf. Dies steigert die Planbarkeit des Bauraums für Energiespeicher und deren Auslegung enorm. Zudem ist mit der Integralzelle ist ein realistischer Preis-Leistungs-Vergleich zwischen den Zellherstellern möglich, da kostenintensive Umgebungsparameter mit einbezogen werden.
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

DE 2434598 A1 [0003]
DE 102020107303 A1 [0020]

Claims

Batteriezelleneinheit (10) mit einer Batteriezelle (12, 12`), die ein Zellgehäuse (14) und eine im Zellgehäuse (14) angeordnete Zellchemieeinheit (18) aufweist, wobei der Batteriezelleneinheit (10) zumindest in einer bestimmten Betriebsposition (P) eine erste Breite (b1) in einer ersten Richtung (x) zugeordnet ist, dadurch gekennzeichnet, dass die Batteriezelleneinheit (10) mindestens eine in der ersten Richtung (x) zumindest zum Teil komprimierbare, erste Funktionsschicht (20a, 20b) aufweist, die fest in Bezug auf die Batteriezelle (12, 12`) und bezüglich der ersten Richtung (x) neben der Zellchemieeinheit (18) angeordnet ist, und die dazu ausgelegt ist, im Falle eines Ausdehnens der Zellchemieeinheit (18) in der ersten Richtung (x) das Ausdehnen derart zu kompensieren, dass die Batteriezelleneinheit (10) die ihr zugeordnete erste Breite (b1) in der bestimmten Betriebsposition (P) nicht überschreitet.
Batteriezelleneinheit (10) nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Batteriezelle (12, 12`) eine erste Seite (14a, 14b) und eine zweite Seite (14b, 14a) aufweist, die der ersten Seite (14a, 14b) bezüglich der ersten Richtung (x) gegenüberliegt, wobei die erste Seite (14a, 14b) und die zweite Seite (14b, 14a) eine bestimmte gleiche Geometrie aufweisen, insbesondere wobei die Batteriezelle (12, 12`) als eine prismatische Batteriezelle (12) oder als eine Pouchzelle (12`) ausgebildet ist.
Batteriezelleneinheit (10) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das die erste Funktionsschicht (20a, 20b) außerhalb des Zellgehäuses (14) angeordnet ist und außenseitig am Zellgehäuse (14) der Batteriezelle (12, 12`) befestigt ist, insbesondere angeklebt ist, und/oder wobei die erste Funktionsschicht (20a, 20b) einen außerhalb des Zellgehäuses (14) angeordneten Freiraum darstellt oder umfasst, insbesondere dessen Erstreckung in der ersten Richtung mittels eines Abstandshalters der Batteriezelleneinheit festgelegt ist.
Batteriezelleneinheit (10) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die erste Funktionsschicht (20a, 20b) mehrere Teilschichten (22, 24) aufweist, die in der ersten Richtung (x) nebeneinander angeordnet sind, wobei sich die Teilschichten (22, 24) in ihren Materialeigenschaften unterscheiden, insbesondere wobei die mehreren Teilschichten (22, 24) eine zumindest teilweise in der ersten Richtung (x) elastisch komprimierbare Swelling-Schicht (22) und eine thermische Isolationsschicht (24) umfassen.
Batteriezelleneinheit (10) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Batteriezelleneinheit (10) eine zweite Funktionsschicht (20b, 20a) aufweist, die bezüglich der ersten Richtung (x) auf einer der ersten Funktionsschicht (20a, 20b) gegenüberliegenden Seite (14b, 14a) der Zellchemieeinheit (18), insbesondere einer der ersten Funktionsschicht (20a, 20b) gegenüberliegenden zweiten Seite (14b, 14a) der Batteriezelle (12, 12`), angeordnet ist.
Batteriezelleneinheit (10) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Batteriezelleneinheit (10) mindestens einen Abstandshalter (28; 28a, 28b) aus einem nicht komprimierbaren Material aufweist, der die erste Breite (b1) der Batteriezelleneinheit (10) in der ersten Richtung (x) festlegt.
Batteriezelleneinheit (10) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der mindestens eine Abstandshalter (28; 28a, 28b) einen ersten Abstandsrahmen (28a, 28b) aufweist, der an einem geschlossen umlaufenden Randbereich der ersten Seite (14a, 14b) der Batteriezelle (12, 12`) angeordnet ist, wobei die erste Funktionsschicht (20a, 20b) bezüglich einer zweiten und dritten Richtung (y, z), die jeweils zueinander und zur ersten Richtung (x) senkrecht sind, innerhalb des ersten Abstandsrahmens (28a, 28b) angeordnet ist, insbesondere wobei der mindestens eine Abstandshalter (28; 28a, 28b) einen zweiten Abstandsrahmen (28b, 28a) aufweist, der an einem geschlossen umlaufenden Randbereich der zweiten Seite (14a, 14b) der Batteriezelle (12, 12`) angeordnet ist, wobei die zweite Funktionsschicht (20b, 20a) bezüglich der zweiten und dritten Richtung (y, z) innerhalb des zweiten Abstandsrahmens (28b, 28a) angeordnet ist.
Batteriezelleneinheit (10) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass sich die erste Funktionsschicht (20a, 20b), wenn sich die Batteriezelleneinheit (10) in der bestimmten Betriebsposition (P) befindet, in einem zum Teil in der ersten Richtung (x) komprimierten Zustand befindet, wobei, wenn sich die Batteriezelleneinheit (10) in einer von der bestimmten Betriebsposition (P) verschiedenen Ausgangsposition (A) befindet, die Batteriezelleneinheit (10) eine zweite Breite (b2) in der ersten Richtung (x) aufweist, die größer ist als die erste Breite (b1), insbesondere wobei die erste Funktionsschicht (20a, 20b), wenn sich die Batteriezelleneinheit (10) in der Ausgangsposition (A) befindet, nicht komprimiert ist und von der ersten Seite (14a, 14b) bezüglich der ersten Richtung (x) weiter absteht als der mindestens eine Abstandshalter (28; 28a, 28b).
Batteriezelleneinheit (10) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die erste Seite (14a, 14b) der Batteriezelle (12, 12`) einen zentralen Bereich (Z) und einen um den zentralen Bereich (Z) geschossen umlaufende Dehnungskontur (40) zur Reduktion einer Krümmung des zentralen Bereichs (Z) der ersten Seite (14a, 14b) beim Ausdehnen der Zellchemieeinheit (18) aufweist, insbesondere wobei die Dehnungskontur (40) an den Randbereich der ersten Seite (14a, 14b) angrenzt.
Energiespeicher (30) für ein Kraftfahrzeug mit einer Batteriezelleneinheit (10) nach einem der vorhergehenden Ansprüche.