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Die Erfindung betrifft ein Batteriemodul mit einem Zellstapel, der mehrere in einer Stapelrichtung nebeneinander angeordnete Batteriezellen aufweist, wobei die Batteriezellen eine erste und zweite Batteriezelle umfassen, die in der Stapelrichtung zueinander benachbart angeordnet sind. Weiterhin ist zumindest zwischen der ersten und zweiten Batteriezelle ein Zelltrennelement zur elektrischen und thermischen Isolierung der ersten und zweiten Batteriezelle voneinander angeordnet, wobei das Zelltrennelement an der ersten und zweiten Batteriezelle flächig anliegt. Des Weiteren betrifft die Erfindung auch ein Verfahren zum Herstellen eines Batteriemoduls.
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Beim Aufbau von Zellmodulen, die vorliegend auch als Batteriemodule bezeichnet werden, werden einzelne Zellen zu einem Stapel, einem sogenannten Stack, zusammengefügt. Die Zellgehäuse werden dabei von einem sogenannten Zelltrennelement separiert. Dieses hat eine Reihe von Aufgaben, wie zum Beispiel die Zellen stabil zusammenzuhalten, Zellen thermisch voneinander zu trennen, und die Zellen auch elektrisch voneinander zu isolieren, und so weiter. Grundsätzlich sollten die Batteriezellen stabil zusammengehalten werden, sodass diese bei Belastungen, zum Beispiel im Crashfall mit bis zu 50 g, d.h. der 50-fachen Erdbeschleunigung, nicht verrutschen und sich das Zellmodul oder der Zellstapel dadurch verformt. Dazu werden die Zellen normalerweise gestapelt, indem eine Zelle beginnt, dann ein Zelltrennelement einseitig aufgeklebt wird, dann wird die andere Seite des Zelltrennelements ebenfalls mit einem Klebstoff versehen oder der Schutzfilm eines Transferklebebands abgezogen und die nächste Zelle angeklebt. Darauf wird dann wieder ein Trennelement geklebt und darauf wieder eine Zelle, bis der gesamte Zellstapel fertig ist. Anschließend wird der Zellstapel verpresst und geprüft, ob dieser in Ordnung ist. Insbesondere wird dabei geprüft, dass es keinen Isolationswiderstands-Fehler zwischen den einzelnen Zellen gibt, da dieser später zu gefährlichen Kurzschlüssen oder einer schleichenden Selbstentladung bis hin zu Liegenbleibern und Werkstattaufenthalten oder gar Reaktionen innerhalb des Zellmoduls führen kann. Dies kann zum Beispiel vorkommen, wenn Verunreinigungen, wie Partikel, Span oder dergleichen zwischen die Zellen kommen. Ein solcher Fehler kann zwar erkannt werden, aber der Zellstapel dann nicht nachgearbeitet werden, da die Zellen bereits zusammen untrennbar miteinander verklebt sind. Wenn man nun versucht, die Verklebung zu lösen, würde die empfindliche Zellisolationsschicht beschädigt werden und der Schaden noch größer werden. Ein solcher Zellstapel mit beispielsweise 15 großvolumigen Zellen hätte einen Wert von etwa 1.000,00 Euro, was ein großer wirtschaftlicher Schaden durch einen kleinen Partikel ist und außerdem wäre dies kein nachhaltiges und umweltfreundliches Vorgehen, wenn wegen einem solchen Vorfall neue, wertvolle Zellen entsorgt werden müssten, nur weil es keine mögliche Nacharbeit gibt.
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Wünschenswert wäre es daher also, ein Nacharbeiten im Falle eines detektierten Isolationsfehlers oder anderen Fehlers eines Batteriemoduls zu erleichtern.
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Die
WO 2010/031857 A2 beschreibt eine Kühleinheit für eine Energiespeichereinheit, die mehrere in einem Stapel angeordnete Flachzellen aufweist. Die Kühleinheit umfasst zumindest eine Basisplatte, die mit den wesentlichen planaren und parallel zueinander angeordneten, voneinander beabstandeten Kühlelementen in thermisch leitender Verbindung steht. Die Kühleinheit umfasst weiterhin einen der Basisplatte zugeordneten Wärmetauscher, der eine der Basisplatte zugewandte Montagefläche aufweist. Die Kühlelemente stehen dabei in flächigem Kontakt mit den Flachzellen, um eine gute thermische Kopplung zwischen diesen Komponenten herzustellen. Um zu verhindern, dass die Flachzellen seitlich aus den Kühlmodulen herausgeschoben werden können, sind an der der Basisplatte gegenüberliegenden Seite der Kühleinheit Verschlussplatten vorgesehen.
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Um die Zellen in Position zu halten, sind zusätzliche Bauteile in Form von Platten erforderlich.
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Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es daher, ein Batteriemodul und ein Verfahren bereitzustellen, die die Bereitstellung eines möglichst stabilen Batteriemoduls auf möglichst einfache Weise erlauben und zudem ein Nacharbeiten im Falle eines detektierten Defekts auf möglichst einfache Weise ermöglichen.
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Diese Aufgabe wird gelöst durch ein Batteriemodul und ein Verfahren mit den Merkmalen gemäß den jeweiligen unabhängigen Patentansprüchen. Vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung sind Gegenstand der abhängigen Patentansprüche, der Beschreibung sowie der Figur.
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Ein erfindungsgemäßes Batteriemodul weist einen Zellstapel auf, der mehrere in einer Stapelrichtung nebeneinander angeordnete Batteriezellen umfasst, wobei die Batteriezellen eine erste Batteriezelle und eine zweite Batteriezelle umfassen, die in der Stapelrichtung zueinander benachbart angeordnet sind. Dabei ist zumindest zwischen der ersten und zweiten Batteriezelle ein Zelltrennelement zur elektrischen und thermischen Isolierung der ersten und zweiten Batteriezelle voneinander angeordnet, wobei das Zelltrennelement an der ersten und zweiten Batteriezelle flächig anliegt. Dabei besteht zwischen dem Zelltrennelement und zumindest der ersten Batteriezelle eine reibschlüssige Verbindung, die einer Relativbewegung der mindestens einen ersten Batteriezelle und dem Zelltrennelement senkrecht zur Stapelrichtung entgegenwirkt, wobei zudem keine materialschlüssige Verbindung zwischen der ersten Batteriezelle und dem Zelltrennelement besteht.
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Das Zelltrennelement und die erste Batteriezelle sind folglich also weder durch eine Klebeverbindung noch eine Schweißverbindung noch eine sonstige materialschlüssige Verbindung miteinander verbunden, sondern mittels einer reibschlüssigen Verbindung, insbesondere mittels ausschließlich einer reibschlüssigen Verbindung. Dies erlaubt vorteilhafterweise im Falle eines detektierten Defekts ein einfaches Nacharbeiten, da in diesem Fall die Verbindung zwischen dem Zelltrennelement und der ersten Batteriezelle wieder einfach gelöst werden kann. Insbesondere kann diese Verbindung zerstörungsfrei gelöst werden, und der Schaden beim Lösen der Verbindung wird entsprechend nicht noch größer. Die Erfindung beruht dabei auf der Erkenntnis, dass ein Zellstapel, wie eingangs beschrieben, mittels einer Spanneinrichtung verspannt wird, um den Zellstapel im Laufe seiner Lebensdauer trotz Ausdehnens der einzelnen Batteriezellen, was auch als Swelling bezeichnet wird, in einem definierten Bauraum in Stapelrichtung zu halten. Damit werden auch die erste und die zweite Batteriezelle folglich sehr stark beidseitig gegen das Zelltrennelement gedrückt beziehungsweise das Zelltrennelement zwischen der ersten und zweiten Batteriezelle eingeklemmt. Dadurch erhöht sich die Reibkraft zwischen dem Zelltrennelement und zumindest der ersten Batteriezelle, und zudem erhöht sich diese zusätzlich im Laufe der Lebensdauer des Batteriemoduls, was ein umso effizienteres Entgegenwirken einer Relativbewegung zwischen der ersten Batteriezelle und dem Zelltrennelement senkrecht zur Stapelrichtung ermöglicht. Weiterhin beruht die Erfindung auf der Erkenntnis, dass es zahlreiche Möglichkeiten gibt, den Reibwert zwischen dem Zelltrennelement und der ersten Batteriezelle zu erhöhen beziehungsweise einen möglichst hohen Reibwert zwischen diesen Bauteilen bereitzustellen, wie zum Beispiel Hochreibwert-Beschichtungen, Oberflächenstrukturierungen, Gummierungen der Oberflächen und so weiter. Diese Maßnahmen erfordern keinen oder kaum zusätzlichen Bauraum und ermöglichen allesamt die Bereitstellung eines stabilen Batteriemoduls ohne die Notwendigkeit zusätzlicher Halterungen oder Halteplatten oder ähnliches, um die Zellen im Zellstapel in Position zu halten. Dies lässt sich vorteilhafterweise allein aufgrund der reibschlüssigen Verbindung zwischen Zelltrennelementen und den angrenzenden Batteriezellen bereitstellen und ermöglicht zudem ein sehr einfaches Nacharbeiten, da der Zellstapel im Falle eines detektierten Defekts ohne Weiteres und ohne Beschädigungen an den Zellen oder Zelltrennelementen wieder in seine einzelnen Bestandteile, insbesondere den Zellen und die Zelltrennelemente, zerlegt werden kann.
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Damit das Zelltrennelement eine elektrische und thermische Isolierung zwischen den beiden angrenzenden Batteriezellen bereitstellen kann, ist dieses bevorzugt aus einem elektrisch isolierenden Material gebildet oder weist zumindest eine äußere Schicht aus einem elektrisch isolierenden Material auf. Zur Bereitstellung einer möglichst guten thermischen Isolation ist die vollständige Ausbildung aus einem elektrisch isolierenden Material, insbesondere einem Kunststoff, sehr von Vorteil, da Kunststoffe in der Regel sehr gut thermisch isolieren. Aber auch andere Materialen kommen infrage, wie beispielsweise Glimmer oder Mica oder ähnliches. Zumindest ist es bevorzugt, dass das Zelltrennelement nicht aus einem metallischen Material gebildet ist und insbesondere auch kein solches umfasst.
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Die Batteriezellen können zum Beispiel als prismatische Batteriezellen und/oder Pouchzellen ausgebildet sein, und z.B. Lithium-Ionen-Zellen darstellen. Darüber hinaus ist es bevorzugt, dass zwischen je zwei in Stapelrichtung benachbart angeordneten Batteriezellen ein solches Zelltrennelement vorgesehen ist, welches der elektrischen und thermischen Isolierung der beiden an dieses Zelltrennelement angrenzenden Batteriezellen dient. Diese weiteren Zelltrennelemente können darüber hinaus wie zum vorliegenden Zelltrennelement beschrieben ausgebildet sein. Auch die Batteriezellen können gleichartig ausgebildet sein, sowie insbesondere auch die Anbindung der Batteriezellen an diese angrenzenden Zelltrennelemente.
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Dass durch das Zelltrennelement im Übrigen auch eine gute thermische Isolierung zwischen den angrenzenden Zellen bereitgestellt werden soll, hat den Hintergrund, dass eine solche thermische Isolierung gerade im Falle eines thermischen Durchgehens einer Batteriezelle sehr von Vorteil ist, da ein thermisches Übergreifen eines solchen thermischen Durchgehens einer Batteriezelle auf die benachbarte Batteriezelle durch die dazwischen befindliche durch das Zelltrennelement bereitgestellte thermische Isolation erschwert ist und damit deutlich hinausgezögert werden kann oder sogar verhindert werden kann. Einer thermischen Propagation kann damit besonders effizient entgegengewirkt werden.
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Grundsätzlich ist es denkbar, wenngleich auch nicht bevorzugt, dass sich zwischen dem Zelltrennelement und der zweiten Batteriezelle, die an das Zelltrennelement angrenzt beziehungsweise ebenfalls an diesem anliegt, eine materialschlüssige Verbindung in Form einer Klebung besteht. Auch dann wird es ermöglicht, das Batteriemodul, insbesondere den Zellstapel, zum Beispiel zum Nacharbeiten in einzelne Batterieeinheiten zu zerlegen, die durch jeweils eine einzelne Batteriezelle mit einem angeklebten Zelltrennelement bereitgestellt sind. So können zumindest solche Batterieeinheiten einzeln ausgetauscht werden, was ebenfalls den wirtschaftlichen Schaden im Falle eines Defekts deutlich minimiert, insbesondere im Gegensatz zur Aussortierung und Vernichtung eines gesamten Batteriemoduls.
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Da aber durch eine reibschlüssige Verbindung zwischen Batteriezellen und Zelltrennelementen ein ebenso stabiles Batteriemodul bereitgestellt werden kann, wie dies durch Klebungen möglich ist, so ist es bevorzugt, im Batteriemodul überhaupt keine Klebeverbindungen zwischen Zelltrennelementen und Batteriezellen vorzusehen. Entsprechend stellt es eine weitere sehr vorteilhafte Ausgestaltung der Erfindung dar, wenn auch zwischen dem Zelltrennelement und der zweiten Batteriezelle eine reibschlüssige Verbindung besteht, die einer Relativbewegung der mindestens einen Batteriezelle und dem Zelltrennelement senkrecht zur Stapelrichtung entgegenwirkt, und wobei keine materialschlüssige Verbindung zwischen der zweiten Batteriezelle und dem Zelltrennelement besteht. Es soll also auch keine Klebeverbindung oder Schweißverbindung oder ähnliches zwischen dem Zelltrennelement und der zweiten Batteriezelle vorgesehen sein. Dadurch kann im Reparaturfall oder für Nacharbeiten des Batteriemoduls jede Batteriezelle von den an sie angrenzenden Zelltrennelementen und umgekehrt zerstörungsfrei und beschädigungsfrei gelöst werden.
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Bei einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung weist das Batteriemodul eine Spanneinrichtung auf, mittels welcher der Zellstapel in Stapelrichtung verspannt ist, sodass durch die Spanneinrichtung eine Spannkraft auf die Batteriezellen in und entgegen der Stapelrichtung ausgeübt wird, die den Zellstapel zusammendrückt. Die Spanneinrichtung hat den Vorteil, dass durch diese einem Ausdehnen des Zellstapels durch ein Swelling der einzelnen Batteriezellen, vor allem im Laufe der Lebensdauer, effizient entgegengewirkt werden kann. Zusätzlich kann nun vorteilhafterweise durch die Spanneinrichtung auch eine ausreichend hohe Kraft auf die Batteriezellen in und entgegen der Stapelrichtung ausgeübt werden, die den Zellstapel zusammendrückt, und somit die Reibkraft zwischen den Zellen und den Zelltrennelementen noch zusätzlich erhöht. Zudem vergrößert sich durch die im Laufe der Lebensdauer zunehmende Spannkraft bedingt durch das Ausdehnen der Zellen auch die Reibkraft zwischen den Zellen und Zelltrennelementen. Im Laufe der Lebensdauer werden also das Batteriemodul und der Zellstapel noch umso stabiler. Die Spanneinrichtung kann zum Beispiel als ein das Batteriemodul umgebender Spannrahmen oder Spannband oder ähnliches ausgebildet sein. Das Batteriemodul kann zum Beispiel zwei Endplatten aufweisen, die den Zellstapel in und entgegen der Stapelrichtung beidseitig begrenzen, und die mittels einer Spannvorrichtung, zum Beispiel zwei Seitenplatten oder einem umlaufenden Spannband, miteinander verspannt sind und dadurch auf den Zellstapel in Richtung der Stapelmittel gepresst werden. Diese zusätzliche Spannvorrichtung kann das Batteriemodul beispielsweise in und entgegen einer zweiten zur Stapelrichtung senkrechten Richtung begrenzen, wenn dann zum Beispiel in und entgegen einer dritten zur zweiten Richtung senkrechten Richtung und zur Stapelrichtung senkrechten Richtung kein weiteres Modulgehäusebauteil erforderlich ist. Das Batteriemodul kann beispielsweise in ein Gesamtbatteriegehäuse eingesetzt werden, sodass eine Unterseite des Batteriemoduls, die in Bezug auf diese dritte Richtung definiert ist, auf einem Gehäuseboden des Gesamtbatteriegehäuses aufgesetzt wird. Durch die reibschlüssige Verbindung zwischen den Zelltrennelementen und den Batteriezellen wird entsprechend ein Herausrutschen einer Zelle oder eines Zelltrennelements aus diesem Zellverbund bezüglich der dritten Richtung auf einer dem Gehäuseboden gegenüberliegenden Seite verhindert.
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Bei einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung weist die erste Batteriezelle eine erste Kontaktfläche auf und das Zelltrennelement weist eine zweite Kontaktfläche auf, wobei die erste und die zweite Kontaktfläche vollständig aneinander anliegen, insbesondere wobei die erste Kontaktfläche die gesamte das Zelltrennelement berührende Fläche der ersten Batteriezelle darstellt und die zweite Kontaktfläche die gesamte die erste Batteriezelle berührende Fläche des Zelltrennelements darstellt. Durch einen solchen vollflächigen Kontakt zwischen der ersten Batteriezelle und dem Zelltrennelement kann eine besonders große Reibfläche bereitgestellt werden. Die Batteriezelle, insbesondere die erste, sowie auch alle übrigen Batteriezellen können zum Beispiel eine Vorder- und Rückseite bezogen auf die Stapelrichtung aufweisen. Diese Vorder- und Rückseite können zum Beispiel auch die flächenmäßig größten Seiten der Batteriezellen darstellen. Dabei ist es bevorzugt, wenn ein Großteil einer solchen Vorderseite, und insbesondere auch Rückseite, sofern die betreffende Batteriezelle keine Randzelle des Zellstapels darstellt, die eine erste oder letzte Batteriezelle des Zellstapels ist, zum Großteil oder auch vollständig die erste Kontaktfläche bildet. Die erste Batteriezelle kann also beispielsweise mit ihrer Vorderseite als Kontaktfläche vollständig am Zelltrennelement anliegen. Das Zelltrennelement kann darüber hinaus mit ähnlichen oder gleichen Dimensionen ausgebildet sein, wie diese Vorderseite der ersten Batteriezelle. Das Zelltrennelement kann also eine Länge bezogen auf die oben definierte zweite Richtung aufweisen, die zu einer Länge der Vorderseite der Batteriezelle korrespondiert und eine Breite bezogen auf die dritte Richtung, die zu einer Breite der Batteriezelle in dieser dritten Richtung korrespondiert.
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Bei einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung weist die erste und/oder zweite Kontaktfläche eine reibwerterhöhende Folie auf. Die Verwendung einer Folie zur Bereitstellung eines möglichst hohen Reibwerts ist dabei sehr vorteilhaft, da sich eine solche Folie sehr flexibel auf jede beliebige Fläche aufbringen lässt. Beispielsweise kann eine solche reibwerterhöhende Folie auf eine Seite des Zelltrennelements aufgeklebt sein und/oder in entsprechender Weise auf einer Seite der ersten Batteriezelle, insbesondere ihrer Vorderseite. Natürlich kann auch eine entsprechende Folie auf einer der Vorderseite der ersten Batteriezelle gegenüberliegende Rückseite aufgebracht sein, wenn an dieser Rückseite der Batteriezelle ebenfalls ein weiteres Zelltrennelement angrenzt. Auch das Zelltrennelement kann beidseitig mit einer solchen Folie versehen sein. Grundsätzlich ist es ausreichend, wenn nur eine der beiden Kontaktflächen zwischen Batteriezelle und Zelltrennelement mit einer solchen reibwerterhöhenden Folie ausgebildet ist. Wenn beide dieser Kontaktflächen mit einer solchen Folie versehen sind, lässt sich insgesamt noch ein höherer Reibwert bereitstellen. Die Aufbringung einer solchen Folie auf eine Seite der Batteriezelle, die die erste Kontaktfläche bereitstellt, hat zudem den Vorteil, dass diese reibwerterhöhende Folie, die insbesondere auch elektrisch isolierend ausgebildet ist, die elektrische Isolierung für die erste Batteriezelle, und in entsprechender Weise auch für alle übrigen Batteriezellen, bereitstellen kann. Wie eingangs beschrieben, weisen Batteriezellen typischerweise eine elektrisch isolierende Folie auf, um die Batteriezellen nach außen hin elektrisch zu isolieren. Auf diese kann nunmehr verzichtet werden beziehungsweise diese kann durch die reibwerterhöhende Folie ersetzt werden. Dadurch kann vor allem in Stapelrichtung Bauraum gespart werden, oder anders ausgedrückt, erhöht sich durch die reibwerterhöhende Folie der benötigte Bauraum in Stapelrichtung nicht, wenn stattdessen auf die normale isolierende Folie verzichtet wird.
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Bei einer weiteren sehr vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung ist die reibwerterhöhende Folie mit einer Gummibeschichtung, insbesondere aus einem natürlichen oder künstlichen Gummi, und/oder einer Silikonbeschichtung oder ähnlichem ausgebildet. Gerade Gummibeschichtungen oder gummiartige Beschichtungen, oder im Allgemeinen Beschichtungen aus Elastomeren oder anderen zumindest zum Teil elastischen Kunststoffen eignen sich sehr gut, um einen möglichst hohen Reibwert bereitstellen zu können. Zudem sind derartige Gummibeschichtungen auch elektrisch isolierend, wodurch gleichzeitig durch die Folie wiederum vorteilhafterweise auch gleichzeitig eine elektrische Isolierung bereitgestellt werden kann. Eine solche beschichtete Folie kann dann auf die gewünschte Kontaktfläche beziehungsweise Seite des Zelltrennelements und/oder der betreffenden Batteriezelle zur Bereitstellung der entsprechenden Kontaktfläche aufgebracht werden, zum Beispiel aufgeklebt werden. Durch eine Gummierung kann beispielsweise ein sehr hoher Reibwert zu der typischerweise verwendeten Zellisolationsfolie einer jeweiligen Batteriezelle bereitgestellt werden.
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Anstelle eine solche Beschichtung auf einer Trägerfolie aufzubringen und diese Folie dann entsprechend an der Seite des Zelltrennelements und/oder der Batteriezelle anzuordnen, kann eine solche Beschichtung beziehungsweise Gummierung auch direkt auf die entsprechende Seite zur Bereitstellung der ersten und/oder zweiten Kontaktfläche aufgebracht werden.
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Entsprechend stellt es eine weitere vorteilhafte Ausgestaltung der Erfindung dar, wenn die erste und/oder zweite Kontaktfläche mit einer reibwerterhöhenden Beschichtung ausgebildet ist, insbesondere einer Gummibeschichtung und/oder Silikonbeschichtung. Die Beschichtung kann also z.B. in Form einer Gummierung bereitgestellt sein. Diese Beschichtung ist dabei nicht zunächst auf einer Trägerfolie angeordnet und wird dann durch Anbringen der Trägerfolie auf die entsprechende Kontaktfläche aufgebracht, sondern wird direkt auf die entsprechende Seite aufgebracht, die die Kontaktfläche bereitstellt.
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Im Falle der Batteriezelle kann die üblicherweise ohnehin vorhandene Isolationsfolie als Trägerfolie für eine solche Beschichtung fungieren.
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Besonders vorteilhaft ist es vor allem, wenn die zweite Kontaktfläche entweder mit einer solchen reibwerterhöhenden Beschichtung ausgebildet ist oder durch eine Folie mit einer solchen reibwerterhöhenden Beschichtung bereitgestellt ist, und nicht die erste Kontaktfläche. Dies ermöglicht es nämlich vorteilhafterweise, die Ausbildung der Batteriezellen, wie diese bislang üblich ist, beizubehalten und lediglich die entsprechenden Zelltrennelemente mit Folien und/oder Beschichtungen zu versehen, oder sogar aus einem Vollmaterial mit hohem Reibwert gegenüber den Zellkontaktflächen auszubilden, wie dies später beschrieben ist.
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Bei einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung ist die reibschlüssige Verbindung durch eine Klettverbindung bereitgestellt, insbesondere wobei die erste Kontaktfläche mit einem ersten Klettverbindungsteil ausgebildet ist und die zweite Kontaktfläche mit einem zum ersten Klettverbindungsteil korrespondierenden zweiten Klettverbindungsteil ausgebildet ist. Soll also die reibschlüssige Verbindung durch eine Klettverbindung bereitgestellt werden, so ist es bevorzugt, dass beide Kontaktflächen einen entsprechenden Klettverbindungsteil aufweisen. Durch eine Klettverbindung kann ein extrem hoher Reibschluss senkrecht zur Stapelrichtung bereitgestellt werden. Beispielsweise kann eines der beiden Klettverbindungsteile als Hakenband und das andere als Flauschband oder Filzband ausgebildet sein. Die entsprechenden Bänder sind mit einer Fläche ausgebildet, die zur jeweiligen Kontaktfläche korrespondiert. Neben der Kombination aus Haken- und Flauschband gibt es aber auch noch mehrere weitere Klettverbindungstechniken, wie zum Beispiel Pilzkopfband und Velourband, Pilzkopfband und Flauschband, Pilzkopfband auf Pilzkopfband und extrudierte Haken beziehungsweise Pilze auf Wirkware.
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Derartige Klettverschlüsse können zudem auch als Mikroklettverbindungen bereitgestellt werden. Diese bauen sehr dünn und entsprechend kann hierdurch der in Stapelrichtung benötigte Bauraum wiederum auf ein Minimum reduziert werden.
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Die zuvor beschriebenen Möglichkeiten zur Ausbildung der ersten Kontaktfläche der ersten Batteriezelle können ganz analog auch auf alle Kontaktflächen aller Batteriezellen des Batteriemoduls, die mit einer korrespondierenden zweiten Kontaktfläche eines Zelltrennelements in Kontakt stehen, übertragen werden beziehungsweise in gleicher Weise angewendet werden. Entsprechend können auch die für die zweite Kontaktfläche des Zelltrennelements beschriebenen Ausbildungsmöglichkeiten in gleicher Weise auch für die gegenüberliegende Seite des Zelltrennelements, und insbesondere auch für alle übrigen optionalen weiteren Zelltrennelemente und deren Kontaktseiten beziehungsweise Kontaktflächen, die mit einer benachbart angeordneten Batteriezelle in Kontakt stehen, angewandt und übertragen werden. Auch Randzellen des Zellstapels können beispielsweise mit einer solchen reibwerterhöhenden Folie oder Beschichtung versehen sein, selbst wenn diese nicht an ein Zelltrennelement angrenzen, sondern auf die oben beschriebenen Endplatten, um die Reibung zu diesen Endplatten entsprechend zu erhöhen. Auch dadurch wird die Stabilität des Batteriemoduls weiter gesteigert.
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Insbesondere die Zelltrennelemente können jedoch nicht nur mit einer speziell ausgebildeten Oberfläche auf ihren Kontaktseiten beziehungsweise Kontaktflächen bereitgestellt werden, sondern sie können auch aus einem entsprechenden Vollmaterial gebildet sein, welches einen möglichst hohen Reibwert zur ersten Kontaktfläche der angrenzenden Batteriezellen ermöglicht.
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Unter einem hohen Reibwert soll dabei im Allgemeinen ein Reibwert von mindestens 0,3, insbesondere mindestens 0,4, bevorzugt mindestens 0,5 besonders bevorzugt von mindestens 0,6 verstanden werden können.
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Entsprechend stellt es eine weitere vorteilhafte Ausgestaltung der Erfindung dar, wenn das Zelltrennelement aus einem formstabilen, elektrisch isolierenden, zumindest zum Teil elastischen Vollmaterial gebildet ist, insbesondere aus einem Gummi oder einem Silikon. Gerade Gummi oder Silikon haben sehr gute Reibeigenschaften, sind außerdem elektrisch und vor allem auch thermisch sehr gut isolierend. Durch die teilweisen elastischen Eigenschaften wird eine besonders gleichmäßige Druckverteilung auf die Zellen beim Zusammenpressen des Batteriemoduls durch die oben beschriebene Spanneinrichtung ermöglicht. Außerdem kann hierdurch die Kontaktfläche maximiert werden, da sich ein elastisches Material kleinen mikroskopischen Unebenheiten sehr gut anpassen kann.
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Die zuvor beschriebenen Möglichkeiten zur Bereitstellung einer Verbindung mit möglichst hohem Reibwert können auch in beliebiger Weise miteinander kombiniert werden.
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Des Weiteren betrifft die Erfindung auch eine Batterie, insbesondere eine Hochvoltbatterie, mit einem erfindungsgemäßen Batteriemodul oder einer seiner Ausgestaltungen. Auch ein Kraftfahrzeug mit einem erfindungsgemäßen Batteriemodul oder einer erfindungsgemäßen Hochvoltbatterie oder einer ihrer Ausgestaltungen soll als zur Erfindung gehörend angesehen werden.
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Eine solche Hochvoltbatterie kann insbesondere mehrere der beschriebenen Batteriemodule umfassen. Diese können in einem gemeinsamen Batteriegehäuse angeordnet sein. Jedes Batteriemodul kann wiederum vielzählige Batteriezellen umfassen, wobei zwischen je zwei zueinander benachbart angeordneten Batteriezellen ein Zelltrennelement wie beschrieben angeordnet und reibschlüssig befestigt ist.
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Das erfindungsgemäße Kraftfahrzeug ist bevorzugt als Kraftwagen, insbesondere als Personenkraftwagen oder Lastkraftwagen, oder als Personenbus oder Motorrad ausgestaltet.
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Des Weiteren betrifft die Erfindung auch ein Verfahren zum Herstellen eines Batteriemoduls, wobei ein Zellstapel, der mehrere in einer Stapelrichtung nebeneinander angeordnete Batteriezellen aufweist, bereitgestellt wird, wobei die Batteriezellen eine erste und eine zweite Batteriezelle umfassen, die in der Stapelrichtung zueinander benachbart angeordnet sind. Dabei wird beim Bereitstellen des Zellstapels ein Zelltrennelement zur elektrischen und thermischen Isolierung der ersten und zweiten Batteriezelle voneinander zwischen der ersten und zweiten Batteriezelle angeordnet, sodass das Zelltrennelement an der ersten und zweiten Batteriezelle flächig anliegt. Dabei wird das Zelltrennelement derart angeordnet, dass zwischen dem Zelltrennelement und zumindest der ersten Batteriezelle eine reibschlüssige Verbindung besteht, die einer Relativbewegung der mindestens einen ersten Batteriezelle und dem Zelltrennelement senkrecht zur Stapelrichtung entgegenwirkt, und zudem so, dass keine materialschlüssige Verbindung zwischen der ersten Batteriezelle und dem Zelltrennelement hergestellt wird.
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Die für das erfindungsgemäße Batteriemodul und seine Ausführungsformen beschriebenen Vorteile gelten in gleicher Weise für das erfindungsgemäße Verfahren.
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Zu der Erfindung gehören auch Weiterbildungen des erfindungsgemäßen Verfahrens, die Merkmale aufweisen, wie sie bereits im Zusammenhang mit den Weiterbildungen des erfindungsgemäßen Batteriemoduls beschrieben worden sind. Aus diesem Grund sind die entsprechenden Weiterbildungen des erfindungsgemäßen Verfahrens hier nicht noch einmal beschrieben.
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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.
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Im Folgenden sind Ausführungsbeispiele der Erfindung beschrieben. 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.
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Dabei zeigt die einzige Fig. eine schematische Darstellung eines Batteriemoduls 10 gemäß einem Ausführungsbeispiel der Erfindung. Das Batteriemodul 10 weist dabei einen Zellstapel 12 mit mehreren in einer Stapelrichtung x nebeneinander angeordneten Batteriezellen 14 auf. Für eine jeweilige Batteriezelle 14 ist dabei exemplarisch nur ein Zellpol 14a dargestellt, aus Gründen der Übersichtlichkeit nur einer der dargestellten Zellpole 14a mit einem Bezugszeichen versehen ist. Der andere nicht dargestellte Zellpol 14a einer jeweiligen Batteriezelle 14 kann sich zum Beispiel auf der bezüglich der x-Richtung gegenüberliegenden Seite befinden. Alternativ kann er auch auf der gleichen Seite wie der vorliegend dargestellte Zellpol 14a angeordnet sein. Weiterhin weist jede Batteriezelle 14 eine elektrisch isolierende Folie 16 auf, die das Zellgehäuse 18 einer jeweiligen Batteriezelle 14 umgibt und die Batteriezelle 14 entsprechend nach außen hin elektrisch isoliert. Zwischen den jeweiligen Batteriezellen 14, insbesondere zwischen je zwei in x-Richtung benachbart angeordneten Batteriezellen 14, ist als Teil des Batteriemoduls 10 weiterhin ein Zelltrennelement 20 angeordnet. Dieses dient zur elektrischen und thermischen Isolierung der an das betreffende Zelltrennelement 20 angrenzenden Batteriezellen 14. Dadurch kann eine elektrische Isolierung der Zellen 14 voneinander zusätzlich sichergestellt werden, sowie vor allem auch ein thermisches Übergreifen eines thermischen Durchgehens einer der Batteriezellen 14.
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Üblicherweise werden solche Zelltrennelemente mit den angrenzenden Batteriezellen verklebt. Dabei kann Klebstoff direkt auf die Zelltrennelemente aufgebracht werden oder ein Transferklebeband verwendet werden, welches diese Verklebung zwischen Zelltrennelementen und Batteriezellen bewerkstelligt. Im Falle eines Defekts verhindert eine solche Verklebung jedoch eine zerstörungsfreie Demontage eines solchen Batteriemoduls und insbesondere eine Zerlegung des Zellstapels in seine einzelnen Komponenten, nämlich die einzelnen Zellen in Zelltrennelemente.
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Vorliegend ist nun als Verbindung zwischen den Zelltrennelementen 20 und den angrenzenden Batteriezellen 14 keinerlei materialschlüssige Verbindung vorgesehen. Die Verbindung zwischen den Zelltrennelementen 20 und den jeweils an diese angrenzenden Batteriezellen 14 wird vorliegend allein auf Basis eines Reibschlusses realisiert. Zu diesem Zweck jede Seite 20a, 20b eines solchen Zelltrennelements 20, die gleichzeitig auch eine Kontaktfläche 20a, 20b bereitstellt, die jeweils an korrespondierenden Kontaktflächen 22a, 22b der angrenzenden Batteriezellen 14 anliegen, mit einer dünnen Schicht mit einer Gummierung, also mit einer als Gummierung ausgeführten Beschichtung 24, oder mit einer Folie 26 mit einer solchen Gummierung oder einer anderweitigen Beschichtung ausgebildet sein, z.B. indem eine solche Beschichtung 24 beziehungsweise Folie 26, die einen sehr hohen Reibwert zu der Zellisolationsfolie 16 der angrenzenden Batteriezellen 14 aufweist, auf die betreffenden Seiten 20a, 20b des Zelltrennelements 20 aufgebracht wird.
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Im Übrigen ist auch hier aus Gründen der Übersichtlichkeit nur eine jeweilige Seite 20a, 20b und eine Beschichtung 24 bzw. Folie 26 nur eines einzigen Zelltrennelements mit einem Bezugszeichen versehen, die anderen Zelltrennelemente 20 können aber ebenso ausgebildet sein.
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Eine jeweilige Kontaktfläche 20a, 20b eines Zelltrennelements 20 stellt also diejenige Fläche des Zelltrennelements 20 dar, die an den angrenzenden Zellen 14 anliegt. Die korrespondierenden Kontaktflächen 22a, 22b der Zellen 14 erstrecken sich bevorzugt über einen Großteil oder die ganze Vorderseite 14b beziehungsweise Rückseite 14c einer solchen Batteriezelle 14 bezogen auf die x-Richtung.
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Anstelle einer solchen Beschichtung 24 oder Folie 26 auf die Zelltrennelemente 20 aufzubringen beziehungsweise die Zelltrennelemente 20 mit einer solchen Beschichtung 24 beziehungsweise Folie 26 auszubilden, könnten analog auch die Kontaktflächen 22a, 22b der angrenzenden Zellen 14 entsprechend ausgebildet werden, das heißt diese können ebenfalls mit einer solchen Beschichtung 24 und/oder Folie 26 ausgebildet sein. Dabei kann auch ein Teil der Isolationsfolie 16 oder die gesamte Isolationsfolie 16 mit einer solchen Folie mit Gummierungsbeschichtung ersetzt werden. Die beschichtete Folie 26 kann somit gleichzeitig auch die elektrische Isolierung der Zelle 14 nach außen übernehmen.
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Neben Beschichtungen und Folien mit Beschichtungen sind auch andere Reibschlussverbindungen denkbar, wie zum Beispiel Klettverbindungen. Auch eine solche Klettverbindung könnte durch die jeweiligen Kontaktflächen 20a, 20b, 22a, 22b umgesetzt sein.
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Damit gibt es vorteilhafterweise vielzählige Möglichkeiten, um ohne eine materialschlüssige Verbindung zwischen Zelltrennelementen 20 und Zellen 14 ein stabiles Batteriemodul 10 bereitzustellen, welches zu Reparatur- und Wartungszwecken entsprechend auf einfache und zerstörungsfreie Weise wieder in seine Einzelkomponenten zerlegbar ist.
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Wird der Zellstapel 12 zusammengepresst und in diesem Zustand zum Beispiel mittels einer Spanneinrichtung oder einem Zugband fixiert, wirken große Kräfte auf die Zellen 14 und entsprechend auch zwischen den Zellen 14. Diese durch die Spanneinrichtung erzeugten Kräfte sind durch die Pfeile P veranschaulicht. Diese Kräfte P in Verbindung mit der speziellen Beschichtung 24 beziehungsweise Folie 26 sorgt dafür, dass die Zellen 14 nicht mehr verrutschen oder sich bei Extrembelastung verschieben können. Die konstruktiven Eigenschaften und auch die Kosten bleiben ungefähr gleich, allerdings wird hiermit erreicht, dass der zusammengepresste Zellstapel 12 auch wieder auf Einzelzellebenen zerstörungsfrei zerlegt werden kann.
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Diese Eigenschaft kann sowohl für den Erstaufbau, wenn unmittelbar nach dem Verpressen durch eine Messung ein Fehler von Zelle 14 zu Zelle 14 oder innerhalb einer Zelle 14 festgestellt werden sollte, genutzt werden, aber gegebenenfalls auch später, wenn der Zellmodulaufbau weiter vorangeschritten ist oder bis hin zum fertigen Zellmodul 10 in der Hochvoltbatterie, gegebenenfalls schon eingebaut im Fahrzeug. Wenn hier nun ein Fehler in oder an einer Zelle 14 bekannt wird, muss nicht mehr das gesamte Zellmodul 10 für 1.000,00 Euro oder mehrere 1.000,00 Euro Einkaufspreis ersetzt werden, sondern es kann im besten Fall bis auf Einzelzellebene repariert werden. Dies schont nicht nur den Geldbeutel, sondern fördert auch die Nachhaltigkeit und reduziert die Fertigungs- und Gewährleistungskosten.
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Insgesamt zeigen die Beispiele, wie durch die Erfindung ein wieder lösbares Zelltrennelement für Batteriemodule bereitgestellt werden kann.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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