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Die Erfindung betrifft einen Moduldeckel für ein Batteriemodul, das eine Zelleinheit mit mindestens einer Batteriezelle aufweist, die eine freigebbare Entgasungsöffnung umfasst. Weiterhin weist der Moduldeckel einen ersten Bereich auf, welcher einem Entgasungsöffnungsbereich der Zelleinheit zugeordnet ist, in welcher die freigebbare Entgasungsöffnung der mindestens einen Batteriezelle angeordnet ist, wobei der Moduldeckel mindestens einen vom ersten Bereich verschiedenen zweiten Bereich aufweist, der einem vom Entgasungsöffnungsbereich der Zelleinheit verschiedenen Zellbereich der Zelleinheit zugeordnet ist, wobei der erste Bereich und der mindestens eine zweite Bereich des Moduldeckels jeweils ein Kunststoffmaterial umfassen. Des Weiteren betrifft die Erfindung auch ein Batteriemodul mit einem solchen Moduldeckel und ein Verfahren zum Herstellen eines Moduldeckels.
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Batteriemodule weisen oftmals mehrere Batteriezellen auf, die zum Beispiel in Form eines Zellstapels bereitgestellt sein können. Die Batteriezellen können miteinander verspannt werden, wobei die Verspannung durch ein Modulgehäuse eines solchen Batteriemoduls bereitgestellt sein kann. Ein solches Modulgehäuse kann darüber hinaus auch einen Moduldeckel aufweisen. Batterien für Kraftfahrzeuge, insbesondere Hochvoltbatterien, können zudem mehrere solcher Batteriemodule umfassen. Diese können in einem gemeinsamen Batteriegehäuse angeordnet sein. Im Rahmen der vorliegenden Erfindung geht es bevorzugt um den Deckel eines einzelnen Batteriemoduls, das heißt also nicht um den Deckel des Gesamtbatteriegehäuses, in welchem mehrere solcher Batteriemodule mit jeweils mehreren Batteriezellen aufgenommen sind.
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Batteriezellen weisen zudem typischerweise auch freigebbare Entgasungsöffnungen auf. Im Falle eines thermischen Durchgehens einer solchen Batteriezelle kann das in der Batteriezelle entstehende Gas beziehungsweise Gas-Partikel-Gemisch kontrolliert aus einer solchen freigebbaren Entgasungsöffnung austreten. Diese kann zum Beispiel in Form einer Sollbruchstelle im Zellgehäuse ausgebildet sein. Um ein solches Gas auch kontrolliert aus dem Batteriemodul und insbesondere aus der gesamten Hochvoltbatterie ableiten zu können, können entsprechend auch die Moduldeckel mit entsprechenden Öffnungen versehen sein.
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Beispielsweise beschreibt die
US 2021/0074974 A1 ein Batteriemodul mit einem Gehäusedeckel, der an den Stellen, die oberhalb der freigebbaren Entgasungsöffnungen der Zellen gelegen sind, Öffnungen oder Löcher aufweist. Der Deckel ist dabei weiterhin aus einem hitzebeständigen Kunststoff hergestellt.
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Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, einen Moduldeckel, ein Batteriemodul und ein Verfahren bereitzustellen, die es erlauben, die Sicherheit im Falle eines thermischen Durchgehens einer Batteriezelle eines Batteriemoduls weiter zu steigern.
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Diese Aufgabe wird gelöst durch einen Moduldeckel, durch ein Batteriemodul und durch ein Verfahren mit den Merkmalen gemäß den jeweiligen unabhängigen Patentansprüchen. Vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung sind Gegenstand der abhängigen Patentansprüche, der Beschreibung, sowie der Figuren.
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Ein erfindungsgemäßer Moduldeckel für ein Batteriemodul, das eine Zelleinheit mit mindestens einer Batteriezelle aufweist, die eine freigebbare Entgasungsöffnung umfasst, weist einen ersten Bereich auf, welcher einem Entgasungsöffnungsbereich der Zelleinheit zugeordnet ist, in welcher die freigebbare Entgasungsöffnung der mindestens einen Batteriezelle angeordnet ist. Zudem umfasst der Moduldeckel mindestens einen vom ersten Bereich verschiedenen zweiten Bereich, der einem vom Entgasungsöffnungsbereich der Zelleinheit verschiedenen Zellbereich der Zelleinheit zugeordnet ist, wobei der erste Bereich und der mindestens eine zweite Bereich des Moduldeckels jeweils ein Kunststoffmaterial umfassen. Dabei ist der mindestens eine zweite Bereich mit einer in das Kunststoffmaterial eingebetteten Endlosfaserverstärkung ausgebildet und der erste Bereich ist ohne eine Endlosfaserverstärkung ausgebildet.
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Die Erfindung beruht auf der Erkenntnis, dass sich durch die Einbettung einer Endlosfaserverstärkung in einen Kunststoff die Robustheit und auch die Temperaturbeständigkeit deutlich erhöhen lassen. Im ersten Bereich des Moduldeckels, welcher dem Entgasungsöffnungsbereich der Zelleinheit zugeordnet ist, soll jedoch die Möglichkeit gegeben sein, dass ein aus der Batteriezelle austretendes Gas diesen ersten Bereich möglichst einfach durchdringen kann, um aus dem Batteriemodul und insbesondere auch aus dem das Batteriemodul umfassenden Energiespeicher abgeleitet zu werden. Eine entsprechend robustere Ausbildung des Moduldeckels als Ganzes hätte jedoch zur Folge, dass eine einfache Durchführung von aus einer Batteriezelle austretenden Gasen nicht mehr möglich wäre. Darüber hinaus beruht die Erfindung auf der Erkenntnis, dass es zur Steigerung der Sicherheit sehr vorteilhaft ist, die aus einer Batteriezelle austretenden Gase möglichst von den Zellpolen fernzuhalten. Diese sind jedoch gerade oftmals auf der gleichen Seite einer Batteriezelle angeordnet, wie auch die freigebbare Entgasungsöffnung. Durch das Vorsehen eines ersten Bereichs des Moduldeckels, in welchem dieser ohne eine Endlosfaserverstärkung ausgebildet ist, sowie gleichzeitig durch das Vorsehen mindestens eines zweiten Bereichs des Moduldeckels, in welchem dieser mit einer eingebetteten Endlosfaserverstärkung ausgebildet ist, lässt es sich nun vorteilhafterweise erreichen, gerade die Bereiche des Moduldeckels, welche beispielsweise Zellpolen zugeordnet sind und zum Beispiel in Bezug auf eine bestimmte Richtung direkt oberhalb solcher Zellpole angeordnet sind, durch die eingebettete Endlosfaserverstärkung deutlich temperaturbeständiger und robuster auszubilden, als den ersten Bereich, welcher dem Entgasungsöffnungsbereich der Zelleinheit zugeordnet ist. Dieser kann im Entgasungsfall folglich also besonders einfach von den aus einer Zelle austretenden Gasen durchdrungen werden, z.B. Durchschmelzen, während die dann letztendlich ausgetretenen Gase bedingt durch die im mindestens einen zweiten Bereich vorgesehene Endlosfaserverstärkung umso sicherer und zuverlässiger von den Zellpolen abgeschirmt werden können. Würde das Gas in Kontakt mit den Zellpolen gelangen, so könnte dies zu zusätzlichen Kurzschlüssen, Spannungsdurchschlägen oder ähnlichem führen und würde die Brandbildung zusätzlich fördern. Diese Gefahr kann nun zusätzlich durch die beschriebene Ausbildung des Moduldeckels reduziert werden. Die Sicherheit im Zusammenhang mit Energiespeichern für Kraftfahrzeuge kann folglich erhöht werden. Die Einbettung einer Endlosfaserverstärkung zur Ausbildung des zweiten Bereichs erlaubt darüber hinaus eine besonders gewichtssparende Ausbildungsmöglichkeit des Moduldeckels, zum Beispiel im Gegensatz zur Verwendung metallischer Materialien oder keramischer Materialien. Auch die Fertigung des Moduldeckels gestaltet sich hierdurch sehr einfach.
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Bei dem Kunststoffmaterial, welches für den ersten Bereich und den mindestens einen zweiten Bereich des Moduldeckels verwendet wird, kann es sich um das gleiche Kunststoffmaterial handeln oder auch um verschiedene Kunststoffmaterialien, die dann zumindest bezüglich der Möglichkeit zur Bildung einer stoffschlüssigen Verbindung kompatibel sind, da dies die Fertigung vereinfacht. Die Kunststoffmaterialien sind bevorzugt die gleichen, da dies den Vorteil hat, dass sich der erste und der mindestens eine zweite Bereich des Moduldeckels bei der Fertigung besonders einfach verbinden lassen, insbesondere durch eine stoffschlüssige Verbindung dieser Kunststoffmaterialien. Der erste Bereich, z.B. bis auf die später erwähnte optionale Folie, lässt sich damit zum Beispiel einfach durch ein Überspritzen des zumindest einen zweiten Endlosfaserbereichs oder ein Anspritzen an diesen bereitstellen. Bei den Kunststoffmaterialien kann es sich zum Beispiel um Polypropylen oder Polyamid handeln. Auch beliebig andere, insbesondere thermoplastische, Kunststoffe sind denkbar. Durch die Wahl des gleichen Kunststoffs für die Ausbildung des ersten Bereichs sowie des mindestens einen zweiten Bereichs lässt es sich also automatisch bewerkstelligen, dass die polymere Matrix des Spritzgussmaterials, das heißt das Kunststoffmaterial des ersten Bereichs, kompatibel beziehungsweise arteigen für einen stoffschlüssigen Verbund beziehungsweise ein Überspritzen der Endlosfaserbereiche, das heißt des mindestens einen zweiten Bereichs, ist.
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Um den zweiten Bereich mit einer Endlosfaserverstärkung bereitzustellen, gibt es verschiedene Möglichkeiten. Der zweite Bereich kann zum Beispiel eines oder mehrere Organobleche umfassen, als ein Schichtaufbau aus UD(unidirektionalen)-Tapes bereitgestellt sein oder ähnliches. Der mindestens eine zweite Bereich ist also bevorzugt aus mehreren Schichten aufgebaut, wobei eine jeweilige Schicht mit einer Endlosfaserverstärkung bereitgestellt sein kann.
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Als Endlosfasern eignen sich dabei zum Beispiel Glasfasern und/oder Karbonfasern und/oder Kevlarfasern. Diese sind äußerste temperaturbeständig und nicht oder nur schwer entflammbar. Damit kann die Robustheit des mindestens einen zweiten Bereichs gegenüber einer herkömmlichen Ausbildung aus Kunststoff deutlich gesteigert werden. Denkbar ist es auch, dass der erste Bereich als nicht faserverstärkter Kunststoff oder faserverstärkter Kunststoff ausgebildet ist, jedoch nicht mit meiner Endlosfaserverstärkung. Eine Endlosfaserverstärkung zeichnet sich durch deutlich längere Fasern als im Falle eines herkömmlichen faserverstärkten Kunststoffs aus. Insbesondere können sich dabei die Fasern in Längserstreckungsrichtung der Fasern über das gesamte Bauteil erstrecken, in diesem Fall über den gesamten mindestens einen mit dieser Endlosfaserverstärkung ausgebildeten zweiten Bereich des Moduldeckels, wobei die Richtung der Faserverlaufs dabei unerheblich ist. Die Faserverlaufsrichtung unterschiedlicher Schichten, sollte der zweite Bereich zum Beispiel mehrschichtig aufgebaut sein, kann sich dabei voneinander auch unterscheiden. Die Faserverlaufsrichtung der Fasern einer gleichen Schicht kann dabei gleich sein oder die Fasern können in Form einer Art Gewebe oder ähnliches miteinander verwoben sein und sich dadurch überkreuzen bzw. auch unterschiedliche Verlaufsrichtungen aufweisen. Im Falle eines UD-Tapes verlaufen die Fasern innerhalb einer solchen Tape-Schicht alle in die selbe Richtung. Werden mehrere solcher Tape-Schichten bzw. Bandschichten übereinander zur Bildung des mindestens einen zweiten Bereichs angeordnet, können die Fasern unterschiedlicher Schichten in die gleiche Richtungen verlaufen oder auch in unterschiedlichen Richtungen.
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Wie später noch näher erläutert, kann es sich bei der Zelleinheit zum Beispiel um einen Zellstapel mit mehreren in einer Stapelrichtung nebeneinander angeordneten Batteriezellen handeln. Theoretisch ist es aber auch denkbar, dass die Zelleinheit lediglich durch eine einzelne Batteriezelle bereitgestellt ist. Das Batteriemodul kommt bevorzugt in einem Energiespeicher für ein Kraftfahrzeug, insbesondere eine Hochvoltbatterie, zur Anwendung. Bei der Batteriezelle kann es sich zum Beispiel um eine Lithium-Ionen-Zelle handeln. Die freigebbare Entgasungsöffnung kann wie eingangs beschrieben ausgebildet sein, zum Beispiel in Form einer Sollbruchstelle, zum Beispiel als Berstmembran, in einem Zellgehäuse der Batteriezelle. Diese freigebbare Entgasungsöffnung kann entsprechend so ausgebildet sein, dass diese grundsätzlich verschlossen ist und erst ab einem bestimmten Überdruck innerhalb der Batteriezelle freigegeben wird, zum Beispiel birst.
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Dass der erste Bereich des Moduldeckel einem Entgasungsöffnungsbereich der Zelleinheit zugeordnet ist und dass der mindestens eine zweite Bereich des Moduldeckels dem Zellbereich der Zelleinheit zugeordnet ist, der vorzugsweise einen Polbereich der Zelleinheit darstellt, in welchem zumindest ein Pol der Batteriezelle der Zelleinheit angeordnet ist, soll dabei vorzugweise so verstanden werden, dass bei einer bestimmungsgemäßen Anordnung des Moduldeckels relativ zur Zelleinheit der erste Bereich bezüglich einer bestimmten Richtung, die später auch als dritte Richtung definiert ist, direkt über dem Entgasungsöffnungsbereich der Zelleinheit angeordnet ist und der mindestens eine zweite Bereich über dem Zellbereich, insbesondere einem Polbereich, der Zelleinheit angeordnet ist, der vom Zellentgasungsbereich verschieden ist, und in welchem also keine freigebbaren Entgasungsöffnungen von von der Zelleinheit umfassten Batteriezellen angeordnet sind.
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Besonders vorteilhaft ist es zudem, wenn der Moduldeckel für ein Batteriemodul mit Batteriezellen ausgebildet ist, deren Zellpole sich auf der gleichen Seite wie diese freigebbare Entgasungsöffnung befinden. Denn dann kann gerade für die Zellpole ein besonders guter Schutz durch die darüber liegend angeordneten zweiten Bereiche des Moduldeckels bereitgestellt werden. Beispielsweise können solche Batteriezellen so aufgebaut sein, dass sich die freigebbare Entgasungsöffnung zwischen den zwei Zellpolen der Batteriezelle an einer ersten Seite der Batteriezelle befindet. Der Zellbereich der Zelleinheit kann dann wie erwähnt einen Polbereich definieren.
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Daher stellt es eine weitere besonders vorteilhafte Ausgestaltung der Erfindung dar, wenn der Moduldeckel zwei zweite Bereiche aufweist, der erste Bereich sich in einer ersten Richtung erstreckt und bezüglich einer zweiten zur ersten senkrechten Richtung zwischen den zwei zweiten Bereichen angeordnet ist, insbesondere wobei sich die ersten und zweiten Bereiche von einem ersten Ende des Moduldeckels bezogen auf die erste Richtung bis zu einem bezüglich der ersten Richtung gegenüberliegenden zweiten Ende des Moduldeckels erstrecken. Der erste Bereich sowie auch die beiden zweiten Bereiche können also zum Beispiel im Wesentlichen rechteckig ausgebildet sein und sich über die gesamte Länge des Batteriemoduldeckels in der ersten Richtung erstrecken. Damit lässt es sich auf einfache und vorteilhafte Weise bewerkstelligen, dass der erste Bereich alle freigebbaren Entgasungsöffnungen der vom Batteriemodul umfassten Batteriezellen abdeckt bez. überdeckt, während die beiden zweiten Bereiche des Moduldeckels die beiden Zellpolbereiche beidseitig vom Entgasungsöffnungsbereich der Zelleinheit abdecken. Mit anderen Worten kann es sich also bei dem vom Entgasungsöffnungsbereich der Zelleinheit verschiedenen Zellbereich der Zelleinheit um einen Zellpolbereich handeln, in welchem einer der der Zellpole der mindestens einen Batteriezelle angeordnet ist, insbesondere jeweils einer der Zellpole von einer jeweiligen Batteriezelle, im Falle dass die Zelleinheit mehrere Batteriezellen umfasst. Zudem kann die Zelleinheit wie beschrieben zwei solche Zellbereiche beidseitig vom Entgasungsöffnungsbereich aufweisen, und der Moduldeckel kann zwei korrespondierende zweite Bereiche aufweisen, die zum Beispiel bezüglich einer dritten Richtung direkt oberhalb dieser Zellpolbereiche der Zelleinheit angeordnet sind. Beide zweiten Bereiche können also besonders robust mit der oben beschriebenen Endlosfaserverstärkung ausgebildet sein. Damit können beide Zellpolbereiche der Zelleinheit zuverlässig geschützt werden.
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Bei einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung ist der Moduldeckel im ersten und mindestens einem zweiten Bereich vollständig geschlossen, das heißt ohne Öffnungen oder Durchbrechungen, ausgebildet, die den Moduldeckel in der dritten Richtung durchdringen. Im Normalzustand, wenn also kein Gas aus einer Batteriezelle austritt, so soll der Moduldeckel keinerlei Öffnungen im ersten oder mindestens einem zweiten Bereich aufweisen. Eine solche Öffnung kann erst im Falle eines Gasaustritts aus einer der Zellen entstehen, insbesondere durch das austretende Gas selbst erzeugt bzw. hervorgerufen werden. Diese vollständig geschlossene Ausbildung des Moduldeckels, zumindest in ersten Bereich und bevorzugt auch den beiden zweiten Bereichen, im normalen Betriebszustand ist besonders vorteilhaft, da hierdurch vor allem die sensiblen freigebbaren Entgasungsöffnungen der Batteriezellen deutlich besser geschützt werden können. Der Moduldeckel ist stattdessen bevorzugt ebenfalls mit freigebbaren Durchbrechungsstellen ausgebildet, die jedoch erst im Falle eines Ausgasens der darunterliegenden Batteriezelle freigegeben werden, insbesondere bedingt durch den Gasdruck beziehungsweise die Temperatur des aus der betreffenden Batteriezelle austretenden Gases. Dadurch, dass gerade der erste Bereich des Moduldeckels, welcher zum Zellentgasungsbereich der Zelleinheit korrespondiert, nicht mit einer Endlosfaserverstärkung ausgebildet ist, kann ein Durchdringen des Moduldeckels in diesem Bereich durch ein aus einer Zelle austretendes Gas besonders einfach und zuverlässig bewerkstelligt werden.
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Bei einer weiteren sehr vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung gliedert sich der erste Bereich in mindestens einen ersten Unterbereich, der zur Zellentgasungsöffnung der mindestens einen Batteriezelle korrespondiert, und einen zweiten Unterbereich, der den mindestens einen ersten Unterbereich bezüglich der ersten und zweiten Richtung umgibt. Weiterhin ist der erste Unterbereich als eine Sollbruchstelle im ersten Bereich ausgebildet, insbesondere wobei der erste Unterbereich in einer zur ersten und zweiten Richtung senkrechten dritten Richtung eine maximale Dicke aufweist, die geringer ist als eine minimale Dicke des zweiten Bereichs des Moduldeckels und insbesondere auch geringer als eine Dicke des zweiten Unterbereichs bezüglich der dritten Richtung. Durch die geringere Wandstärke im ersten Unterbereich, der geometrisch zur freigebbaren Entgasungsöffnung der Batteriezelle korrespondieren kann, kann vorteilhafterweise eine Sollbruchstelle bereitgestellt werden. Der erste Bereich lässt sich also vorteilhafterweise mit einer Sollbruchstelle ausbilden, die zur freigebbaren Zellentgasungsöffnung der Batteriezelle korrespondiert, und die durch den ersten Unterbereich realisiert ist. Dieser erste Unterbereich kann also hinsichtlich seiner Geometrie auf die Geometrie der freigebbaren Entgasungsöffnung der Batteriezelle angepasst sein. Dies bezieht sich insbesondere auf die Dimensionen dieser freigebbaren Entgasungsöffnung, das heißt also ihre Länge und ihre Breite in der ersten und zweiten Richtung. Umfasst die Zelleinheit mehrere Batteriezellen, so können auch mehrere der Anzahl der Batteriezellen entsprechende erste Unterbereiche im ersten Bereich vorgesehen sein. Die mehreren ersten Unterbereiche bilden dann zusammen mit dem zweiten Unterbereich den ersten Bereich. Mit anderen Worten stellt der zweite Unterbereich den von den ersten Unterbereichen verschiedenen Rest des ersten Bereichs dar.
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Um diesen ersten Unterbereich als Sollbruchstelle auszubilden, ist es vorliegend zum einen besonders vorteilhaft, wenn dieser erste Unterbereich mit einer geringeren Wandstärke ausgebildet ist, als der diesen ersten Unterbereich umgebende zweite Unterbereich. Mit anderen Worten wird durch die geringere Wandstärke erreicht, dass der erste Unterbereich durch ein aus einer Zelle austretendes Gas sehr einfach durchbrochen werden kann. Die Wandstärke, das heißt die Dicke in der dritten Richtung, des zweiten Unterbereichs kann dabei der Dicke des zweiten Bereichs beziehungsweise der beiden zweiten Bereiche entsprechen, genauer gesagt einer minimalen Dicke der zweiten Bereiche. Wie später noch näher erläutert, können auf einer Seite des Moduldeckels zusätzliche Strukturen, zum Beispiel Schottwände und/oder abstehende Rastelemente, vorgesehen sein. Die Dicke des zweiten Bereichs im Bereich dieser bezüglich der dritten Richtung abstehenden oder sich erhebenden Zusatzelemente kann entsprechend noch größer sein.
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Gemäß einer weiteren sehr vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung weist der erste Unterbereich zusätzlich eine lokale Materialschwächung aufweist, zum Beispiel in Form einer Einkerbung. Diese kann innerhalb des ersten Unterbereichs entlang einer Linie, insbesondere einer offenen oder auch geschlossenen Linie oder entlang mehrerer Linien verlaufen, die beliebig zueinander angeordnet sein können, z.B. sich Kreuzend, tangierend oder nicht kreuzend oder nicht berührend oder sich verzweigend, usw.
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Eine zusätzliche lokale Materialschwächung, zum Beispiel in Form einer Einkerbung oder Einritzung oder ähnlichem erleichtert das Durchbrechen im Entgasungsfall. Hierdurch kann die Wandstärke im ersten Unterbereich lokal nochmal dünner ausgebildet werden, z.b. mit einer Dicke von ca. 0,3 Millimeter, als im restlichen ersten Unterbereich, der z.B. eine Dicke von 0,5 Millimeter aufweisen kann. Die Materialschwächung kann auch in Form einer Perforation bereitgestellt sein, die jedoch den ersten Unterbereich in der dritten Richtung nicht vollständig durchdringt. Dies ist wie oben beschrieben für den Schutz der darunterliegenden Zellen und ihrer freigebbaren Entgasungsöffnungen besonders vorteilhaft. Durch die beschriebenen Maßnahmen kann dennoch auf einfache Weise gewährleistet werden, dass ein aus der Zelle austretendes Gas den Moduldeckel im Bereich des ersten Unterbereichs einfach durchdringen kann, indem dieser im Bereich der vorgesehenen lokalen Materialschwächung aufreißt.
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Die Wandstärke, insbesondere die maximale Wandstärke im Bereich des ersten Unterbereichs, kann zum Beispiel zirka 0,5 Millimeter betragen oder im Allgemeinen kleiner sein als ein Millimeter, insbesondere kleiner als 0,7 Millimeter und bevorzugt kleiner als 0,6 Millimeter. Im zweiten Unterbereich sowie im zweiten Bereich kann die minimale Wandstärke größer sein als die Wandstärke im ersten Unterbereich. Die Endlosfaserverstärkung bzw. ein jeweiliger zweiter Bereich ist zwischen 0,5 Millimeter und 2,5 Millimeter dick und liegt wie beschreiben oberhalb der Kontaktierungen der HV-Zellen und schützt diese vor einem direktem Kontakt mit Partikeln bzw. einem Kurzschluss im Falle eines thermischen Events. Bevorzugt ist die minimale Wandstärke im zweiten Bereich bzw. den zweiten Bereichen kleiner als 1,5 Millimeter und besonders bevorzugt kleiner als 1,2 Millimeter.
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Bei einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung ist der erste Unterbereich durch einen Teil einer Folie bereitgestellt, die auf einem Grundelement angeordnet ist, in welchem eine von der Folie vollständig überdeckte zum ersten Unterbereich korrespondierende Durchgangsöffnung angeordnet ist. Der erste Bereich muss also nicht als einstückiges Spritzgussbauteil bereitgestellt sein, wie dies gemäß den zuvor beschriebenen Ausführungsformen möglich bzw. bevorzugt ist, sondern kann sich bei dieser Variante aus dem Grundelement, welches bevorzugt als z.B. einstückiges Spritzgussbauteil bereitgestellt ist, und der Folie zusammensetzen. Im Grundelement können dann an den Stellen des mindestens einen ersten Unterbereichs bzw. der mehreren ersten Unterbereiche, die zu den Vent-Öffnungen der darunter liegenden Batteriezellen korrespondieren, wenn der Moduldeckel bestimmungsgemäß in Bezug auf die Zelleinheit angeordnet ist, eine das Grundelement vollständig in der dritten Richtung durchdringende Durchgangsöffnung vorgesehen sein bzw. mehrere zueinander beabstandete, z.B. in der ersten Richtung entlang einer Linie, angeordnete, das Grundelement in der dritten Richtung vollständig durchdringende Durchgangsöffnungen vorgesehen sein, die bevorzugt außenseitig von der Folie überdeckt sind. Dabei wird bevorzugt zur Überdeckung mehrerer dieser Öffnungen eine einzige Folie verwendet, da dies die Herstellung vereinfacht. Theoretisch wäre es auch denkbar, jede Öffnung mit einer separaten Folie zu überdecken. Die außenseitige Anordnung der Folie, die entsprechend dann einen Teil der später definierten Außenseite des Moduldeckels bereitstellt, hat den Vorteil, dass diese die innenseitige Ausbildung weiterer Strukturen nicht beeinträchtig, z.B. der nachfolgend noch beschriebenen Schottwände.
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Die Bereitstellung der ersten Unterbereiche als Teil einer solchen Folie hat den großen Vorteil, dass eine Folie sehr dünn ausgebildet sein kann, insbesondere deutlich dünner als dies bei der Ausbildung der ersten Unterbereiche in einem Spritzgussprozess möglich wäre. Die Folie kann eine Dicke von z.B. 0,3 mm oder weniger, insbesondere 0,2 mm oder auch 0,1 mm oder weniger aufweisen. Das zusätzliche Vorsehen einer Einkerbung oder ähnliches im ersten Unterbereich ist dann nicht mehr erforderlich.
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Die Folie ist bevorzugt ebenfalls aus einem Kunststoff und als Teil des ersten Bereichs entsprechend ebenfalls ohne eine Endlosfaserverstärkung ausgebildet. Zudem ist der Kunststoff, aus dem die Folie ist oder den die Folie umfasst, vorzugswiese der gleiche oder bezüglich eines stoffschlüssigen Verbindens zumindest kompatibel mit dem Kunststoff des Grundelements im ersten Bereich. Zur Verbindung der Folie mit dem Grundelement bzw. zur Fixierung der Folie am Grundelement ist es bevorzugt, diese am Grundelement anzuschweißen. Grundsätzlich ist auch ein Kleben oder anderweitiges Befestigen denkbar. Die Folie ist zudem luftdicht am Grundelement angeordnet, und zudem so, dass der Moduldeckel im fertig hergestellten Zustand bzw. im normalen Betriebszustand als Teil eines Batteriemoduls keine Öffnungen oder Durchbrechungen oder Löcher aufweist, zumindest nicht im ersten Bereich.
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Bei einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung weist der Moduldeckel eine erste Seite auf, die eine Innenseite definiert, und eine zweite Seite, die eine Außenseite definiert. In einem bestimmungsgemäß im Batteriemodul verwendeten Zustand des Moduldeckels soll entsprechend die Innenseite der Zelleinheit zugewandt sein und die Außenseite der Zelleinheit abgewandt sein. Dabei weist der Moduldeckel weiterhin eine dem ersten Unterbereich zugeordnete Schottwand auf, die auf der Innenseite des Moduldeckels angeordnet ist und von dieser bezüglich der dritten Richtung absteht und den ersten Unterbereich entlang dessen Begrenzung zum zweiten Unterbereich zumindest zum Teil oder vollständig umläuft. Durch diese Schottwand kann eine Art vollständig oder partiell um den ersten Unterbereich umlaufender Kragen oder eine abstehende partiell oder vollständig umlaufende Rippe bereitgestellt werden, die dazu dient, ein aus der darunterliegenden Zelle austretendes Gas in Richtung des ersten Unterbereichs zu lenken beziehungsweise zu leiten. Dadurch kann das Risiko verringert werden, dass Gas in einem Bereich zwischen dem Moduldeckel und der Zelleinheit gelangt. Dabei kann diese Schottwand so ausgebildet sein, dass bei bestimmungsgemäßer Anordnung des Moduldeckels in Bezug auf die Zelleinheit die Schottwand zumindest nahezu bis zur Batteriezelle reicht.
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Umfasst die Zelleinheit mehrere Batteriezellen, so weist auch der Moduldeckel im ersten Bereich mehrere zu den jeweiligen Zellentgasungsöffnungen korrespondierende erste Unterbereiche auf. Die jeweiligen ersten Unterbereiche sind entsprechend voneinander räumlich separiert. Der restliche Bereich des ersten Bereichs, der von diesen ersten Unterbereichen verschieden ist, bildet den zweiten Unterbereich. Dieser stellt folglich einen alle ersten Unterbereiche umgebenden, zusammenhängenden zweiten Unterbereich dar. Weist der Moduldeckel folglich also mehrere erste Unterbereiche auf, so ist eine solche Schottwand zumindest an einem der ersten Unterbereiche vorgesehen. Es können aber auch mehrere Unterbereiche, insbesondere auch alle Unterbereiche, des Moduldeckels mit einer solchen teilweise oder vollständig umlaufenden Schottwand ausgebildet sein, je nach vorhandener Bauraumsituation. Somit kann eine solche Schottwand auch mit bereichsweisen Unterbrechungen entlang ihres Verlaufs um den zugeordneten ersten Unterbereich ausgebildet sein. Auch können die unterschiedlichen ersten Unterbereichen zugeordneten jeweiligen Schottwände unterschiedlich ausgebildet sein. Manche können zum Beispiel den zugeordneten ersten Unterbereich vollständig umlaufen, während andere diesen nur partiell oder unterbrochen umlaufen. Zudem können manche oder alle dieser Schottwände mit Verrastungsnasen ausgebildet sein, wie nachfolgend näher erläutert.
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Entsprechend stellt es eine weitere vorteilhafte Ausgestaltung der Erfindung dar, wenn der Moduldeckel an der Innenseite einen Clip-Verbindungsmechanismus zum Verbinden des Moduldeckels mit einem Batteriemodulunterteil des Batteriemoduls aufweist, insbesondere wobei die Schottwand eine dem ersten Unterbereich abgewandte Nase zum Bereitstellen eines Teils des Clip-Verbindungsmechanismus aufweist. Dabei kann die Schottwand eine vollständig diese entlang laufende Nase beziehungsweise einen entsprechenden Vorsprung aufweisen, oder auch nur partiell bzw. lokal mit einer solchen Nase ausgebildet sein. Auch wenn die Schottwand den ersten Unterbereich nur partiell umläuft, kann eine solche Schottwand mit einer solchen Nase ausgebildet sein, die sich wiederum entlang der gesamten Schottwand erstrecken kann oder nur partiell oder lokal an der Schottwand ausgebildet sein kann. Diese Nase kann dann beim Anordnen des Moduldeckels auf der Zelleinheit mit einem komplementären Rastelement verrastet werden. Dies erlaubt es vorteilhafterweise, den Moduldeckel auf der Zelleinheit anzuordnen, ohne diesen zum Beispiel verschrauben oder verkleben zu müssen. Durchbrüche im Moduldeckel können somit vorteilhafterweise vermieden werden. Gleichzeitig ermöglicht die Ausbildung als Clip-Verbindungsmechanismus eine zerstörungsfrei lösbare Anordnung des Moduldeckels auf der Zelleinheit.
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Denkbar ist es zudem auch, dass ein solcher Clip-Verbindungsmechanismus durch andere Rastelemente ausgebildet ist, die nicht durch die Schottwände selbst bereitgestellt werden, sondern durch separate an der Innenseite des Moduldeckels vorgesehene Rastelemente. Auch können solche von der Schottwand separate Rastelemente zusätzlich zu den an der Schottwand ausgebildeten Nasen vorgesehen sein. Außerdem muss im Falle mehrerer erster Unterbereiche und korrespondierend erster Schottwände nicht jede dieser Schottwände mit einer solchen Verrastungsnase ausgeführt sein. Solche Verrastungsnasen können auch entsprechend nur an einer oder nur manchen der Schottwände vorgesehen sein.
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Vorteilhaft ist es zudem, wenn die entsprechenden an den Schottwänden ausgebildeten Nasen dem ersten Unterbereich abgewandt sind. Im Falle eines Gasaustritts aus einer Zelle ragen die Nasen dann entsprechend nicht in den den ersten Unterbereich durchströmenden Gasstrom. Außerdem können so die komplementären Rastelemente auf der Zelleinheit außerhalb des Entgasungspfads angeordnet werden.
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Bei einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung weist der Moduldeckel, vorzugsweise am ersten und/oder zweiten Ende des Moduldeckels, einen in einem von Null verschiedenen Winkel gegenüber dem ersten und zweiten Bereich gewinkelt abstehenden Rand auf, wobei der Rand zumindest einen dem mindestens einen zweiten Bereich zugeordneten Randabschnitt aufweist, der einen einstückig mit dem zweiten Bereich ausgebildeten ersten Teil aufweist, der ebenfalls mit einer Endlosfaserverstärkung ausgebildet ist, und einen dem zweiten Bereich abgewandten Teil, der durch eine an den ersten Teil angespritzte oder den ersten Teil teilweise umspritzte Kunststoffkante darstellt. Der Rand kann sich, wenn dieser am ersten und/oder zweiten Ende des Moduldeckels angeordnet ist, in der zweiten Richtung über die gesamte Breite des Moduldeckels durchgehend erstrecken oder unterbrochen oder nur über einen Teil der Breite in der zweiten Richtung. Gleiches gilt für den Rand in Bezug auf die Länge des Moduldeckels in der ersten Richtung wenn der Rand an einem dritten und/oder vierten Ende des Moduldeckels angeordnet ist, wobei das dritte und das vierte Ende den Moduldeckel in und entgegen der zweiten Richtung begrenzen.
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Das Vorsehen eines solchen abstehenden Rands ist vor allem am ersten und/oder zweiten Ende des Moduldeckels besonders vorteilhaft, da im Fall eines thermischen Ereignisses eine Gasabführung oftmals oberhalb des Moduldeckels in einem sich in der ersten Richtung erstreckenden Entgasungskanals erfolgt. Damit wird das abgeführte Gas also auch über das erste und/oder zweite Ende des Moduldeckels hinweg geführt. Dadurch, dass nunmehr der Moduldeckel am ersten und/oder zweiten Ende mit einem solchen abstehenden Rand, insbesondere in Richtung Innenseite abstehenden Rand, ausgebildet ist, kann die Zelleinheit noch zuverlässiger vor einem eventuellen Gaseintritt, zum Beispiel über den Randbereich des Moduldeckels, geschützt werden. Der Rand des Moduldeckels ist also bei bestimmungsgemäßer Anordnung an der Zelleinheit in Richtung der Zelleinheit geknickt. Der Winkel kann zum Beispiel 90 Grad betragen, ist aber bevorzugt von 90 Grad verschieden, zum Beispiel um fünf bis zehn Grad von 90 Grad verschieden. Weiterhin kann der Rand als Fortsetzung des ersten beziehungsweise mindestens einen zweiten Bereichs des Moduldeckels aufgefasst werden. Der Randabschnitt des Rands, der zum zweiten Bereich korrespondiert beziehungsweise an diesen unmittelbar angrenzt, kann also ebenfalls mit einer Endlosfaserverstärkung ausgebildet sein. Genauer gesagt setzt sich die Endlosfaserverstärkung des zweiten Bereichs auch im angrenzenden Randabschnitt ununterbrochen fort. Ein Randabschnitt, welcher sich zum Beispiel unmittelbar an einen ersten Bereich des Moduldeckels anschließt, ist ebenfalls ohne Endlosfaserverstärkung ausgebildet.
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Wie bereits erwähnt, muss sich der Rand zudem in oder entgegen der zweiten Richtung nicht durchgehend über die gesamte Breite des Moduldeckels erstrecken, sondern kann ebenfalls bezüglich der zweiten Richtung nur partiell vorgesehen sein oder mit Durchbrechungen ausgebildet sein. Durch solche Durchbrechungen können zum Beispiel Kabel beziehungsweise Leitungen vom Batteriemodul nach außen geführt sein.
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Dadurch, dass gerade der zum zweiten Bereich korrespondierende Randabschnitt mit einer Kunststoffkante umspritzt ist beziehungsweise eine angespritzte Kunststoffkante aufweist, kann vorteilhafterweise auch im Bereich der Endlosfaserverstärkung eine glatte Kante bereitgestellt werden.
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Alternativ oder zusätzlich kann der Moduldeckel auch am oben genannten dritten und/oder vierten Ende einen solchen gewinkelt abstehenden Rand aufweisen. Dieser schließt sich dann ebenfalls an einen jeweiligen zweiten Bereich an und ist entsprechend bevorzugt ebenfalls mit einer Endlosfaserverstärkung ausgebildet. Entsprechend können auch diese Ränder mit einer angespritzten Kunststoffkante ausgeführt sein.
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Die umspritzte beziehungsweise angespritzte Kunststoffkante kann dabei wiederum aus einem gleichen Kunststoffmaterial sein, wie das, welches für den ersten und die zweiten Bereiche verwendet wird, oder das zumindest zu diesen kompatibel ist, um mit diesen eine stoffschlüssige Verbindung auszubilden.
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Des Weiteren betrifft die Erfindung auch ein Batteriemodul mit einem erfindungsgemäßen Moduldeckel oder einer seiner Ausgestaltungen.
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Die für den erfindungsgemäßen Moduldeckel und seine Ausgestaltungen genannten Vorteile gelten in gleicher Weise für das erfindungsgemäße Batteriemodul.
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Bei einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung weist das Batteriemodul die Zelleinheit mit der mindestens einen Batteriezelle auf, die die freigebbare Entgasungsöffnung umfasst, wobei die Zelleinheit einen Entgasungsöffnungsbereich aufweist, in dem die freigebbare Entgasungsöffnung der mindestens einen Batteriezelle angeordnet ist, wobei der Moduldeckel derart relativ zur Zelleinheit angeordnet ist, dass der erste Bereich bezüglich der dritten Richtung oberhalb des Entgasungsöffnungsbereichs angeordnet ist, insbesondere wobei die Zelleinheit als Zellstapel mit mehreren in der ersten Richtung nebeneinander angeordneten Batteriezellen ausgebildet ist, die jeweils eine freigebbare Zellentgasungsöffnung aufweisen, wobei der Entgasungsöffnungsbereich alle der freigebbaren Zellentgasungsöffnungen umfasst. Der Entgasungsöffnungsbereich ist also als der Bereich eines Zellstapels aufzufassen, in welchem alle freigebbaren Zellentgasungsöffnungen aller vom Zellstapel umfassten Batteriezellen angeordnet sind. Der Entgasungsöffnungsbereich ist dabei ein zusammenhängender Bereich, der sich über alle Zellentgasungsöffnungen hinweg erstreckt und diese sozusagen miteinander verbindet. Der Entgasungsöffnungsbereich ist also ein im Wesentlichen rechteckiger Bereich, der sich über den gesamten Zellstapel hinweg erstreckt, insbesondere mittig bezüglich der zweiten Richtung. Der erste Bereich des Moduldeckels ist also korrespondierend, das heißt geometrisch korrespondierend, zu diesem Entgasungsöffnungsbereich ausgebildet, und vorzugsweise bezüglich der dritten Richtung direkt oberhalb dieses Entgasungsöffnungsbereichs angeordnet, wobei der erste Bereich einen Abstand zum Entgasungsöffnungsbereich der Zelleinheit aufweisen kann. Der erste Bereich erstreckt sich also ebenfalls in der ersten Richtung über den gesamten Zellstapel und ist rechteckig ausgebildet, insbesondere mit einer Breite in der zweiten Richtung, die zur Breite des Entgasungsöffnungsbereichs korrespondiert.
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Gemäß einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung ist die Zellentgasungsöffnung auf einer ersten Seite der Batteriezelle angeordnet, wobei die Batteriezelle mindestens einen auf der ersten Seite angeordneten Zellpol aufweist, wobei der mindestens eine zweite Bereich des Moduldeckels bezüglich der dritten Richtung oberhalb des Zellpols angeordnet ist, insbesondere wobei die Zelleinheit einen ersten Polbereich aufweist, in welchem von jeder Batteriezelle ein erster Zellpol angeordnet ist, wobei der mindestens eine zweite Bereich bezüglich der dritten Richtung oberhalb des ersten Polbereichs angeordnet ist. In korrespondierender Weise kann die Zelleinheit auch einen zweiten Polbereich aufweisen, in welchem von jeder Batteriezelle der andere zweite Zellpol angeordnet ist. Der andere zweite Bereich des Moduldeckels korrespondiert dann entsprechend zum zweiten Polbereich und ist bezüglich der dritten Richtung direkt oberhalb von diesem angeordnet. Die beiden zweiten Bereiche des Moduldeckels können also ebenfalls rechteckig ausgebildet sein und sich über die gesamte Länge des Zellstapels in der ersten Richtung erstrecken.
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Daraus ergeben sich die oben bereits beschriebenen Vorteile des optimalen Schutzes der Zellpole im Falle eines thermischen Events, indem durch die besonders robust mittels der Endlosfaserverstärkung ausgebildeten zweiten Bereiche eine zuverlässige Barriere zwischen dem überströmenden Gas und den darunterliegenden Zellpolen bereitgestellt ist.
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Des Weiteren soll auch eine Batterie, insbesondere eine Hochvoltbatterie mit einem erfindungsgemäßen Batteriemodul oder eines seiner Ausgestaltungen als zur Erfindung gehörend angesehen werden. Die Batterie kann dabei auch mehrere erfindungsgemäße Batteriemodule aufweisen bzw. mehrere Batteriemodule gemäß Ausführungsbeispielen der Erfindung.
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Auch ein Kraftfahrzeug mit einer erfindungsgemäßen Batterie oder eine ihrer Ausgestaltungen, sowie ein Kraftfahrzeug mit einem erfindungsgemäßen Batteriemodul oder eines seiner Ausgestaltungen soll als zur Erfindung gehörend angesehen werden.
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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 Moduldeckels für ein Batteriemodul, das eine Zelleinheit mit mindestens einer Batteriezelle aufweist, die eine freigebbare Entgasungsöffnung umfasst. Dabei wird ein erster Bereich für den Moduldeckel und ein zweiter Bereich für den Moduldeckel jeweils zumindest teilweise aus einem Kunststoffmaterial hergestellt. Weiterhin wird beim Herstellen des mindestens einen zweiten Bereichs dieser mit einer in das Kunststoffmaterial eingebetteten Endlosfaserverstärkung ausgebildet und der erste Bereich ohne eine Endlosfaserverstärkung ausgebildet.
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Die für den erfindungsgemäßen Moduldeckel und seine Ausführungsformen beschriebenen Vorteile gelten auch hier in gleicher Weise für das erfindungsgemäße Verfahren.
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Außerdem ist es bevorzugt, dass zunächst der mindestens eine zweite Bereich mit der Endlosfaserverstärkung bereitgestellt wird, vorzugsweise die beiden zweiten Bereiche, und anschließend der erste Bereich zwischen den beiden zweiten Bereichen oder an dem zumindest einen zweiten Bereich in der zweiten Richtung danach in einem Spritzgussprozess ausgebildet wird, in welchem dann letztendlich auch der erste Bereich gleichzeitig an den mindestens eine zweiten Bereich gefügt wird.
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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 Moduldeckels und 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. Hierzu zeigt:
- 1 eine schematische Querschnittsdarstellung eines Teils eines Energiespeichers mit einem Batteriemodul gemäß einem Ausführungsbeispiel der Erfindung;
- 2 eine schematische Darstellung einer Draufsicht auf einen Moduldeckel für ein Batteriemodul gemäß einem Ausführungsbeispiel der Erfindung;
- 3 eine schematische Darstellung einer Untenansicht des Moduldeckels für ein Batteriemodul gemäß einem Ausführungsbeispiel der Erfindung;
- 4 eine schematische Darstellung einer Untenansicht auf den Moduldeckel gemäß einem Ausführungsbeispiel der Erfindung;
- 5 eine schematische Querschnittsdarstellung eines Teils des Moduldeckels gemäß einem Ausführungsbeispiel der Erfindung; und
- 6 eine schematische Darstellung eines Randbereichs des Moduldeckels gemäß einem Ausführungsbeispiel der Erfindung.
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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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In den Figuren bezeichnen gleiche Bezugszeichen jeweils funktionsgleiche Elemente.
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1 zeigt eine schematische Darstellung eines Teils eines Energiespeichers 10 mit einem Batteriemodul 12 gemäß einem Ausführungsbeispiel der Erfindung. Vom Energiespeicher 10, der insbesondere als eine Hochvoltbatterie ausgebildet sein kann, ist neben dem Batteriemodul 12 ein Teil eines Batteriegehäuses 14 mit einem Gehäuseboden 16 und einem Gehäusedeckel 18 dargestellt. Der Energiespeicher 10 kann dabei nicht nur ein Batteriemodul 12, sondern auch mehrere Batteriemodule 12 aufweisen, die zum Beispiel in x-Richtung nebeneinander angeordnet sein können. Die Batteriemodule 12 können dabei gleichartig aufgebaut beziehungsweise ausgebildet sein.
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Das Batteriemodul 12 weist dabei eine Batterieeinheit 20 auf, die mindestens eine Batteriezelle 22 umfasst. Im vorliegenden Beispiel ist die Batterieeinheit 20 als ein Zellstapel 20 mit mehreren in y-Richtung nebeneinander angeordneten Batteriezellen 22 ausgebildet. Eine jeweilige Batteriezelle 22 weist dabei an einer ersten Seite 24 eine freigebbare Zellentgasungsöffnung 26 auf, die auch als Vent-Öffnung 26 oder einfach nur als Vent 26 bezeichnet werden kann. Weiterhin können an der ersten Seite 24, insbesondere beidseitig bezüglich der Vent-Öffnung 26 zwei Zellpole 28, 30 der Batteriezelle 22 angeordnet sein. Einer der beiden Zellpole 28, 30 ist dabei als Pluspol und der andere als Minuspol ausgebildet. Weiterhin umfasst das Batteriemodul 12 einen Moduldeckel 32. Dieser ist bezüglich der hier dargestellten z-Richtung oberhalb des Zellstapels 20 angeordnet. Über einen später näher erläuterten Clip-Mechanismus kann der Deckel 32 dabei auf dem Zellstapel 20 aufgeclipst sein. Der Deckel 32 sitzt also bevorzugt mechanisch verbunden über Clipse oder ähnlichem auf dem Hochvoltmodul, das heißt dem Zellstapel 20, im Batteriekasten, das heißt dem Batteriegehäuse 14. Oberhalb des Moduldeckels 32 bezüglich der hier dargestellten z-Richtung ist entsprechend der Deckel 18 des Batteriekastens 14, zum Beispiel mit einem Abstand von bevorzugt weniger als fünf Millimetern, angeordnet.
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Im Allgemeinen ist der Deckel 32 aus einem elektrisch isolierenden Material gefertigt, insbesondere aus Kunststoff. Dabei lässt sich der Deckel 32 insbesondere in x-Richtung in drei Bereiche gliedern, nämlich einen ersten Bereich 32a und zwei zweiten Bereichen 32b. Diese bilden zusammen eine im Wesentlichen rechteckige, ebene Platte mit vorzugsweise lokal unterschiedlicher Dicke und zumindest unterseitig daran vorgesehenen Vorsprüngen bzw. Erhebungen in Form der Später näher erläuterten Clipse und/oder Schottwände. Der erste Bereich 32a korrespondiert dabei zu einem Zellentgasungsbereich 20a des Zellstapels 20, in welchem also die Vent-Öffnungen 26 der Batteriezellen 22 angeordnet sind, und die beiden zweiten Bereiche 32b korrespondieren jeweils zu einem Polbereich 20b des Zellstapels 20, in welchem die jeweiligen Pole 28 beziehungsweise 30 der Batteriezellen 22 des Zellstapels 20 angeordnet sind. Der erste Bereich 32a des Deckels 32 ist entsprechend in Bezug auf die X-Richtung zwischen den beiden zweiten Bereichen 32b angeordnet. Weiterhin erstrecken sich die drei Bereiche 32a, 32b in y-Richtung über den gesamten Zellstapel 20. Das Bauteil, nämlich der Deckel 32, wird bevorzugt in einem Spritzgussprozess mit lokaler Endlosfaserverstärkung umgesetzt. Lokal bedeutet hierbei, dass nicht der gesamte Deckel 32 eine solche Endlosfaserverstärkung aufweist, sondern diese lediglich in den beiden zweiten Bereichen 32b umgesetzt ist, nicht jedoch im ersten Bereich 32a. Hierdurch lässt sich ein Kunststoff-HV (Hochvolt)-Moduldeckel 32 bereitstellen, der im Falle eines Thermal Events definierte Funktionen übernimmt, die in den nachfolgenden Merkmalen noch näher beschrieben sind. Grundsätzlich können in diesen verschiedenen Bereichen 32a, 32b auch verschiedene Wandstärken umgesetzt sein.
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2 zeigt nochmal eine schematische und perspektivische Darstellung des Deckels 32 in einer Draufsicht von schräg oben, das heißt auf eine Außenseite 34 des Deckels, und 3 zeigt eine schematische Darstellung des Deckels 32 von schräg unten, das heißt auf eine Unterseite bzw. Innenseite 36 des Deckels 32, und 4 zeigt eine schematische Darstellung einer Draufsicht von zentral unten auf den Deckel 32, das heißt wiederum auf die Unterseite beziehungsweise Innenseite 36 des Deckels. Die Oberseite beziehungsweise Außenseite 34 des Deckels 32 ist im Wesentlichen eben ausgebildet. Die Unterseite 36 beziehungsweise Innenseite 36 dagegen nicht vollständig, wie in 3 und 4 dargestellt.
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Zur besseren Beschreibung lässt sich der erste Bereich 32a dabei nochmal in erste Unterbereiche 38 und einen zweiten Unterbereich 40 gliedern. Der zweite Unterbereich 40 umgibt dabei die ersten Unterbereiche 38, die im Wesentlichen geometrisch korrespondierend zu den Vent-Öffnungen 26 der Zellen 22 ausgebildet sind. Jeder erste Unterbereich 38 ist zudem bezüglich der z-Richtung direkt oberhalb einer solchen Vent-Öffnung 26 angeordnet und korrespondiert auch hinsichtlich der Länge und Breite in Bezug auf die x- und y-Richtung zu den Abmessungen der jeweiligen Vent-Öffnungen 26 der jeweiligen Zellen 22. Diese Bereiche, das heißt also die ersten Unterbereiche 38, die direkt oberhalb der Vents 26 der Zellen 22 sitzen, haben vorzugsweise eine besonders geringe Wandstärke, zum Beispiel im Bereich von 0,5 Millimetern oder weniger, sodass sie im Falle eines Entgasens der Zelle 22 schnell durchschmelze. Der Abstand dieser ersten Unterbereiche 38 zu den bezüglich der z-Richtung direkt darunter liegenden Vents 26 der Zellen 22 beträgt dabei weniger als 25 Millimeter. Weiterhin ist der erste Bereich 32a, das heißt auch inklusive aller ersten Unterbereiche 38 sowie des zweiten Unterbereichs 40, als durchgehende Fläche aus Spritzgussmaterial gefertigt, die die Vents 26 schützt beziehungsweise nach oben abdichtet. Mit anderen Worten weist dieser erste Bereich 32a sowie auch die zweiten Bereiche 32b des Deckels 32 keinerlei Öffnungen, Durchbrechungen, Löcher oder ähnliches auf, die den Deckel 32 in z-Richtung vollständig durchdringen. Dadurch sind die Vents 26 besonders gut geschützt. Weiterhin können die ersten Unterbereiche 38 im Bereich der dargestellten Linien 42 bzw. entlang der dargestellten Linien 42 mit einer zusätzlichen Materialschwächung in Form einer in z-Richtung nicht durchgehenden Perforierung, besser gesagt in Form einer Einkerbung oder Einritzung ausgebildet sein, um das Durchbrechen im Falle eines Ausgasens einer Zelle 22 zusätzlich zu erleichtern. Die Wandstärke im Bereich dieser Einkerbung 42 entlang der gezeichneten Linien 42 kann dabei nochmal geringer sein als im Bereich der übrigen ersten Unterbereiche 38, zum Beispiel nur 0,3 Millimeter betragen.
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Weiterhin ist es sehr vorteilhaft, wenn an mindestens einem der ersten Unterbereiche 38 und vorzugsweise an mehreren dieser Unterbereiche 38 eine jeweilige Schottwand 44 an der Innenseite 36 des Deckels 32 angeordnet ist. Diese verlaufen entlang der Konturgrenze zwischen dem zugeordneten ersten Unterbereich 38 und dem angrenzenden zweiten Unterbereich 40. Mit anderen Worten verlaufen diese Schottwände 44 entlang der Begrenzungskontur der jeweiligen ersten Unterbereiche 38. Dabei muss nicht an jedem der Unterbereiche 38 eine solche Schottwand 44 angeordnet sein. Manche der ersten Unterbereiche 38 sind vorliegend nicht von einer solchen Schottwand 44 umgeben, was bauraumtechnische Gründe hat. Manche der Schottwände umgeben den zugeordneten Unterbereich 38 auch nicht vollständig, sondern nur partiell und weisen ebenfalls lokale seitliche Öffnungen auf, was ebenfalls bauraumbedingte Gründe haben kann. Diese Schottwände 44 dienen dabei der verbesserten Gasführung aus dem Vent 26 einer Zelle 32 zum darüber liegenden ersten Unterbereich 38 und verhindern, dass Gas in den Zwischenbereich 46 (vergleiche 1) zwischen den Moduldeckel 32 und der Zelleinheit 20 gelangen kann. Im Querschnitt bilden die ersten Unterbereiche 38 mit einer solchen die Schottwände 44 bereitstellenden Spritzgussrippe 44 die Vent-Öffnung 26 ab und leiten so das Gas im Falle eines thermischen Events gezielt der gewünschten Position zu, wo der Deckel 32 durchgebrannt werden soll, damit das Gas entweicht.
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Diese Schottwände 44 können dabei eine Länge bezogen auf die z-Richtung von wenigen Millimetern, zum Beispiel zwischen vier und fünf Millimetern, aufweisen, zum Beispiel 4,3 Millimeter. Aufgrund bauteilbedingter Toleranzen ist es bevorzugt, dass diese Schottwände 44 die darunterliegenden Zellen 22 nicht kontaktieren.
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Die Bereiche des Deckels 32, das heißt also die zweiten Bereiche 32b des Deckels 32, die oberhalb der Kontakte, das heißt der Pole 28, 30 der Zellen 22 liegen, haben eine Wandstärke von vorzugsweise kleiner 1,5 Millimeter, zum Beispiel kleiner als 1,2 Millimeter, und sind, wie beschrieben, als endlosfaserverstärkte Bereiche aufgebaut, zum Beispiel aus Organoblechen und/oder aus einem Schichtaufbau aus UD-Tapes, oder ähnlichem. Die polymere Matrix des Spritzgussmaterials im ersten Bereich 32a ist dabei bevorzugt kompatibel oder arteigen für einen stoffschlüssigen Verbund beziehungsweise ein Überspritzen der Endlosfaserbereiche 32b.
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Weiterhin ist es sehr vorteilhaft, wie dies schematisch in 6 dargestellt ist, wenn der Deckel 32 an mindestens zwei Seiten, bevorzugt im Bereich eines ersten Endes 50 und eines zweiten Endes 52 des Deckels 32 bezogen auf die y-Richtung, eine Abstellung 54 nach unten, d.h. in Richtung der Zelleinheit 20, aufweist, die in Teilen aus Endlosfaser ausgeführt ist, wobei der Rand überspritzt wird, sodass das Teil werkzeugfallend ist und nicht gearbeitet werden muss. Die Abstellung 54 verhindert, dass im Falle eines Thermal Events Partikel hier ungehindert nach außen treten können. 6 zeigt dabei insbesondere eine schematische Querschnittsdarstellung eines Teils des Deckels 32, zum Beispiel im Bereich des ersten Endes 50 des Deckels 32. Dort weist der Deckel 32 einen Rand 54 auf, wobei vorliegend ein Randabschnitt 54a dieses Rands 54 dargestellt ist, der sich unmittelbar an einen der zweiten Bereiche 32b des Deckels 32 anschließt. In diesem Randabschnitt 54a ist der Rand 54 ebenfalls mit einer Endlosfaserverstärkung ausgebildet und weist eine mit Kunststoff überspritzte Kante 56 auf. Weiterhin steht der Rand 54 bevorzugt nicht senkrecht zum zweiten Bereich 32b des Deckels 32, sondern ist mit Bezug auf eine solche Senkrechte S um einen Winkel α im Bereich zwischen fünf und zehn Grad nach außen gezeigt.
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Weiterhin ist es sehr vorteilhaft, wenn verschiedene Bereiche des Deckels 32 mit Clipsen oder Rastnasen an mindestens einer Position zur Befestigung des Deckels auf dem Modul, das heißt auf der Zelleinheit 20, ausgeführt sind. Wie in 5 dargestellt, ist eine solche Rastnase 58 exemplarisch als Teil einer Schottwand 44 ausgeführt. In diesem Fall weist die Rastnase 58 vom an die Schottwand 44 angrenzenden ersten Unterbereich 38 weg. In 5 ist im Übrigen auch die Einkerbung 42 in einer Querschnittsdarstellung zu erkennen. Die Dicke d des ersten Unterbereichs 38 in z-Richtung ist dabei kleiner als eine minimale Dicke D im zweiten Unterbereich 40. Die Schottwand 44 separiert wie vorliegend dargestellt den ersten Unterbereich 38 vom zweiten Unterbereich 40. Die Zelleinheit 20 kann mit einer entsprechenden komplementären Raststruktur 60 ausgebildet sein, in welcher die Rastnasen 58 des Deckels 32 einrasten können.
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Wie zudem auch in 3 zu sehen ist, können mehrere der Schottwände 44 mit solchen Rastnasen 58 ausgebildet sein, jedoch muss nicht jede Schottwand 44 eine solche Rastnase 58 aufweisen. Außerdem können diese Rastnasen 58 bezüglich der y-Richtung nur auf einer Seite einer jeweiligen Schottwand 44, die einem ersten Unterbereich 38 zugeordnet ist, angeordnet sein, oder beidseitig in Bezug auf den ersten Unterbereich 38.
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Insgesamt zeigen die Beispiele, wie durch die Erfindung Merkmale eines Hochvoltmoduldeckels und eine Anordnung im Batteriekasten bereitgestellt werden können.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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