DE102022126590A1

DE102022126590A1 - Einlageelement für ein Batteriemodul sowie Batteriemodul

Info

Publication number: DE102022126590A1
Application number: DE102022126590.0A
Authority: DE
Inventors: Stefan Reichle
Original assignee: Parker Hannifin EMEA SARL
Current assignee: Parker Hannifin EMEA SARL
Priority date: 2022-10-12
Filing date: 2022-10-12
Publication date: 2024-04-18
Also published as: WO2024079133A1

Abstract

Die vorliegende Erfindung betrifft ein Einlageelement zur Einlage zwischen zwei benachbarte Batteriezellen eines Batteriemoduls sowie ein solches Batteriemodul. Zur Verbesserung solcher Einlageelemente, insbesondere hinsichtlich der Flexibilität ihres Einsatzes und ihrer Ausgestaltung, wird ein Einlageelement vorgeschlagen umfassend zwei starre Deckplatten und eine zwischen den zwei Deckplatten angeordnete Zwischenlage, die elastisch komprimierbar ist und aus einer Vielzahl von einzelnen über die gesamte Zwischenlage verteilt angeordneten Kompressionselementen aufgebaut ist. Die Kompressionselemente sind jeweils zumindest teilweise schlauch- oder röhrenförmig ausgestaltet und weisen eine oder mehrere Sollknickstellen in einem Bereich zwischen den Deckplatten auf, die sich bei Kompression der Zwischenlage durch Verringerung des Abstandes zwischen den Deckplatten in einer Richtung quer zu einer Verbindungslinie zwischen den Deckplatten bewegen.

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft ein Einlageelement zur Einlage zwischen zwei benachbarte Batteriezellen eines Batteriemoduls sowie ein entsprechendes Batteriemodul.
Festkörperbatteriezellen (solid state battery cells) ändern ihr Volumen / ihre Atmung in Abhängigkeit von der Ladestufe. Daher werden Festkörperbatteriezellen in sogenannten Pouch-Zellen (Gehäusen mit flexibler Struktur) untergebracht. Um Risse im Festelektrolyt der Batterie aufgrund von Volumenänderungen zu vermeiden, müssen Festkörperbatterien unter konstanter Last gehalten werden. Auch Nicht-Festkörperbatteriezellen können sich aufgrund von Temperaturschwankungen oder einer Beschädigung innerhalb der Zelle ausdehnen. Aus diesem Grund werden Schwellkissen (swelling pads) in Form von verformbaren Kissen zwischen den Batteriezellen eines Batteriestapels platziert, um Volumenänderungen auszugleichen und eine definierte Belastung der Batteriezellen zu erzeugen.
Eine solches Schwellkissen ist beispielsweise aus der US 2022/0037714 A1 bekannt. Darin ist ein Batteriemodul beschrieben, das einen Zellstapel mit einer Vielzahl von Batteriezellen und mindestens ein zwischen benachbarten Batteriezellen angeordnetes Kissen (pad) aufweist. Das Kissen weist ein Paar von quellenden Absorptionskissen auf, die bei einer Volumenausdehnung der Batteriezelle entsprechend zusammengepresst werden. Ein Hitzeschutzkissen ist zwischen dem Paar von quellenden Absorptionskissen angeordnet ist, das die Wärmeübertragung zwischen den benachbarten Batteriezellen blockiert und so konfiguriert ist, dass es sich bei einer voreingestellten Referenztemperatur oder darüber ausdehnt.
Vor diesem Hintergrund liegt der vorliegenden Erfindung die Aufgabe zugrunde, die bekannten Lösungen von Schwellkissen oder vergleichbaren Mitteln zur Einlage zwischen benachbarten Batteriezellen eines Batteriemoduls zu verbessern, insbesondere hinsichtlich der Flexibilität ihres Einsatzes und ihrer Ausgestaltung, um beispielsweise eine Einstellung des gewünschten Lastverlaufs bei der Ausdehnung der benachbarten Batteriezellen zu ermöglichen und so die Batteriezelle besser vor Beschädigungen zu schützen.
Gemäß einem Aspekt der vorliegenden Erfindung wird ein Einlageelement zur Einlage zwischen zwei benachbarte Batteriezellen eines Batteriemoduls bereitgestellt, das, umfassend:

- zwei starre Deckplatten und
- eine zwischen den zwei Deckplatten angeordnete Zwischenlage, die elastisch komprimierbar ist und aus einer Vielzahl von einzelnen über die gesamte Zwischenlage verteilt angeordneten Kompressionselementen aufgebaut ist,

Gemäß einem weiteren Aspekt der vorliegenden Erfindung wird ein Batteriemodul bereitgestellt, umfassend einen Zellenstapel mit mehreren Batteriezellen; mindestens ein Einlageelement nach einem der vorstehenden Ansprüche, das zwischen benachbarten Batteriezellen angeordnet ist; und ein Modulgehäuse, in dem der Zellenstapel angeordnet ist.
Die bekannten Schwellkissen sind meist aus schaumartigen Materialien aufgebaut, wobei deren Verhalten hauptsächlich von den Eigenschaften der Schaumstoffstruktur und des Basismaterials abhängt bzw. durch diese begrenzt wird. Es besteht meist keine Möglichkeit, die Eigenschaften von Schwellkissen durch konstruktive Anpassungen zu verbessern oder zu verändern. Das erfindungsgemäße Einlageelement, das auch als Einlageplatte, Schwellplatte oder Schwellkissen bezeichnet werden könnte, weist ein Sandwich aus zwei Deckplatten (z.B. aus Metall oder Kunststoff) zur konstanten Lastverteilung und dazwischen liegende Kompressionselemente (z.B. als elastomere Strukturen) in einer Zwischenlage zur Lastverteilung auf. Die Kompressionselemente weisen Sollknickstellen auf, an denen bei Belastung des jeweiligen Einlageelements die Kompressionselemente jeweils beginnen einzuknicken und sich dadurch in ihrer Form verändern. Die Sollknickstellen verändern somit bei Belastung ihre Position und wandern quasi in einer Richtung quer zur Verbindung zwischen den Deckplatten. Vor allem durch die Position, Anzahl Lage und Ausgestaltung der Sollknickstellen ergeben sich vielfältige Möglichkeiten, das Verhalten des Einlageelements an die Anforderungen der Anwendung bzw. des Kunden anzupassen.
Insbesondere gewinnen Lösung die Einlageelemente mit der erfindungsgemäßen Sandwich-Lösung zusätzliche Freiheitsgrade bei der Gestaltung und Anpassung der Eigenschaften je nach Anwendungsanforderungen. Beispielsweise können Aufbau, Anzahl, Anordnung und Material der Kompressionselemente variiert und angepasst werden, um das gewünschte Verhalten einzustellen. Darüber hinaus können durch Beschichtung, z.B. der Deckplatten, oder andere Verfahren zusätzliche Eigenschaften hinzugefügt werden, um z.B. die Wärmeleitfähigkeit, das Entflammbarkeitsrisiko oder die EMI-Abschirmung zu verbessern.
In einer bevorzugten Ausgestaltung ist vorgesehen, dass die Kompressionselemente jeweils eine gerade Anzahl von Sollknickstellen aufweisen, von denen sich jeweils zwei in einer Richtung quer zu der Verbindungslinie zwischen den Deckplatten gegenüber liegen. Eine solche symmetrische Anordnung der Sollknickstellen lässt sich das Verhalten des Einlageelements bei Belastung und somit ihr Lastverlauf besser vorhersagen.
Die Sollknickstellen können, je nach Anwendung des Einlageelements, unterschiedlich ausgestaltet und angeordnet sein. In einer Ausgestaltung ist vorgesehen, dass eine Sollknickstelle gebildet ist durch eine Einkerbung an einer Oberfläche und/oder durch lokale Materialverschlankung und/oder durch Bildung eines Winkels kleiner als 180° zwischen den auf beiden Seiten der Sollknickstelle benachbarten Bereichen des jeweiligen Kompressionselements. Solche Sollknickstellen sind einfach herzustellen und bewirken effektiv die gewünschte Einknickung der Kompressionselemente.
Die Deckplatten sind bevorzugt parallel zueinander angeordnet und die Sollknickstellen sind bevorzugt in einer Ebene parallel zu den Deckplatten angeordnet, insbesondere liegen sie in einer mittig zwischen den Deckplatten angeordneten Ebene. Die Sollknickstellen können aber auch in einer anderen Ebene oder in mehreren Ebenen angeordnet sein, beispielsweise wenn jedes Knickelemente mehr als zwei Sollknickstellen aufweist. Die bevorzugt symmetrische Anordnung lässt die Lastverteilung im Betrieb einfacher vorherbestimmen.
Die Kompressionselemente können voneinander getrennt oder miteinander verbunden angeordnet sein. Beide Ausgestaltungen haben jeweils Vorteile. Getrennte Kompressionselemente ermöglichen eine einfache Fertigung (z.B. als Endlosextrutat) und interagieren nicht (oder nur geringfügig) mit dem Nachbarelement bzw. ermöglichen eine gezielt verspätete Interaktion / Abstützung. Dies stellt einen zusätzlichen Freiheitsgrad im Design dar und ermöglicht eine einfachere Auslegung des Verlaufs der Kraft-Weg-Kurve, die die Kraft auf das Kompressionselement über der Verringerung der Dicke des Kompressionselements darstellt. Verbundene Kompressionselemente ermöglichen eine einfachere Montage, da die Elemente in einem Stück gefertigt und montiert werden können. Ferner müssen keine einzelnen Elemente separat aufgebraucht (z.B. aufgeklebt) und ausgerichtet werden. Eine Interaktion mit den Nebenelementen kann dabei ferner gezielt genutzt werden, um den Verlauf der Kraft-Weg Kurve einzustellen.
Grundsätzlich können unterschiedliche Kompressionselemente eingesetzt werden. Bevorzugt sind die Kompressionselemente jedoch identisch ausgestaltet und/oder identisch ausgerichtet. Dies ermöglicht insbesondere eine einfache und kostengünstigere Herstellung des Einlageelements.
Die Kompressionselemente weisen in einer Ausgestaltung mehrere durchgängige Bohrungen in Längsrichtung auf, so dass ein Kompressionselement quasi mehrere Teilelemente aufweist. Dies bietet mehr Möglichkeiten, die gewünschte Lastverteilung durch Ausgestaltung und Anordnung der Kompressionselemente einzustellen.
Bei einer solchen Ausgestaltung können die Kompressionselemente beispielsweise jeweils ein zentrales schlauch- oder röhrenförmiges Zentralelement und zwei oder mehr seitlich daran anschließende Seitenelemente aufweisen, wobei die Seitenelemente mit dem Zentralelement verbunden sein können oder bei Kompression der Zwischenlage mit dem Zentralelement und/oder einem benachbarten Kompressionselement in Berührung kommen können. Dadurch kann etwa eine Begrenzung der Ausdehnung eines Kompressionselements bei Verringerung des Abstandes zwischen den Deckplatten eingestellt sowie eine Abstützung benachbarter Kompressionselemente bewirkt werden. Die Lastverteilung kann damit ab einer bestimmten Last in einen gesättigten Bereich übergehen, z.B. als eine Art Anschlag oder wenn ab einer bestimmten Verpressung eine Veränderung im Verlauf der Kraft-Weg-Kurve gewünscht oder erforderlich ist.
Ferner können die Seitenelemente als stabförmige oder schlauchförmige oder röhrenförmige Verbindungselemente zwischen den Deckplatten ausgestaltet sein und das Zentralelement kann schlauch- oder röhrenförmig ausgestaltet sein. Eine solche Ausgestaltung hat beispielsweise Vorteile in der Herstellung, da diese Strukturen im Endlosverfahren (z.B. mit einem Extruder) gefertigt werden können und die Teile nicht in einem Werkzeug mit einzelnen Kavitäten gefertigt werden müssen. Beide Verfahren sind möglich, wobei das Extrusionsverfahren Kostenvorteile aufweist.
In einer weiteren Ausgestaltung ist vorgesehen, dass die Sollknickstellen jeweils an der zu dem Zentralelement hin ausgerichteten Oberfläche der Verbindungselemente und/oder an der zu den Verbindungselementen hin ausgerichteten äußeren Oberfläche des Zentralelements angeordnet sind. In einer alternativen Ausgestaltung ist vorgesehen, dass die Sollknickstellen jeweils an der von dem Zentralelement weg weisenden Oberfläche der Verbindungselemente und/oder an der von den Verbindungselementen hin weg weisenden inneren Oberfläche des Zentralelements angeordnet sind. In einer weiteren Ausgestaltung können Sollknickstellen auch an beiden Stellen vorgesehen sein. Mit diesen Ausgestaltungen lässt sich einstellen, ob das Kompressionselement nach innen oder nach außen knickt, und somit in Richtung parallel zu den Deckplatten breiter oder schmäler wird. Je nach Abstand zwischen den einzelnen Elementen kann das Einknicken der Strukturen nur durch Einknicken nach innen begrenzt werden, da ggf. das nächste Element zu weit weg ist. Auch die Steifigkeit kann je nach Form der knickenden Struktur nach innen oder außen unterschiedlich sein.
Allgemein können die Sollknickstellen angeordnet und ausgestaltet sein, sich bei Kompression der Zwischenlage durch Verringerung des Abstandes zwischen den Deckplatten weg vom Zentrum des jeweiligen Kompressionselements oder in Richtung des Zentrums des jeweiligen Kompressionselements zu bewegen.
Grundsätzlich können die Kompressionselemente unterschiedlich geformt sein. In einer Ausgestaltung ist vorgesehen, dass die Kompressionselemente einen runden, ovalen oder mehreckigen, insbesondere rechteckigen oder wabenförmigen, Querschnitt aufweisen. Grundsätzlich hat jede Struktur eine andere Kraft-Weg-Charakteristik und kann somit mehr oder weniger für den jeweiligen Anwendungsfall geeignet sein.
Die Kompressionselemente sind in einer Ausgestaltung zu den Deckplatten hin abgeflacht und können plan an den Deckplatten anliegen. Dies verhindert, dass die Kompressionselemente bei steigender Belastung sich gegenüber den Deckplatten bewegen und aus ihrer Anfangsposition verrutschen.
Die Kompressionselemente bestehen bevorzugt aus Kunststoff und/oder Gummi, um eine gewisse Elastizität zu gewährleisten, und die Deckplatten bestehen bevorzugt aus Kunststoff und/oder Metall, um eine gewisse Festigkeit zu gewährleisten. Andere Materialien, die die jeweils gewünschte Funktion gewährleisten, können ebenfalls eingesetzt werden.
Die Deckplatten sind vorzugsweise rechteckförmig ausgestaltet und die Kompressionselemente sind vorzugsweise längsförmig ausgestaltet und quer zur Längsrichtung oder in Längsrichtung der Deckplatten angeordnet. Dies erleichtert die Herstellung und Montage.
Es versteht sich, dass die vorstehend genannten und die nachstehend noch zu erläuternden Merkmale nicht nur in der jeweils angegebenen Kombination, sondern auch in anderen Kombinationen oder in Alleinstellung verwendbar sind, ohne den Rahmen der vorliegenden Erfindung zu verlassen.
Ausführungsbeispiele der Erfindung sind in den nachfolgenden Zeichnungen dargestellt und werden in der nachfolgenden Beschreibung näher erläutert. Es zeigen:

1 zeigt eine perspektivische Ansicht eines ersten Ausführungsbeispiels eines erfindungsgemäßen Einlageelements.
2 zeigt eine Draufsicht auf ein Ausführungsbeispiel eines erfindungsgemäßen Batteriemoduls.
3 zeigt ein Diagramm mit dem Verlauf des Oberflächendrucks über der Dicke des Einlageelements für verschiedene Ausfaltungen von Zwischenlagen.
4 zeigt eine erste Ausgestaltung eines Kompressionselements im Querschnitt.
5 zeigt eine zweite Ausgestaltung eines Kompressionselements im Querschnitt.
6 zeigt eine dritte Ausgestaltung eines Kompressionselements im Querschnitt.
7 zeigt eine vierte Ausgestaltung eines Kompressionselements im Querschnitt.
8 zeigt das in 6 gezeigte Kompressionselement in leicht zusammengepresstem Zustand sowie den Verlauf der Kraft auf das Kompressionselement über der Dicke.
9 zeigt das in 6 gezeigte Kompressionselement in stark zusammengepresstem Zustand sowie den Verlauf der Kraft auf das Kompressionselement über der Dicke.

1 zeigt eine perspektivische Ansicht eines ersten Ausführungsbeispiels eines erfindungsgemäßen Einlageelements 1 zur Einlage zwischen zwei benachbarte Batteriezellen eines Batteriemoduls. Das Einlageelement 1 ist als Sandwich aus zwei starren Deckplatten 2, 3 und einer zwischen den zwei Deckplatten 2,3 angeordneten Zwischenlage 4 ausgestaltet. Die Deckplatten 2, 3 sind bevorzugt relativ starr und stabil ausgestaltet, beispielweise aus steifem Material wie etwa Kunststoff oder Metall. Die Zwischenlage 4 ist elastisch komprimierbar und aus einer Vielzahl von einzelnen über die gesamte Zwischenlage 4 verteilt angeordneten Kompressionselementen 5 aufgebaut. Die Zwischenlage 4 ist beispielsweise als Elastomerstruktur ausgestaltet, bei der die Kompressionselemente 5 beispielsweise im Wesentlichen oder vollständig aus Kunststoff und/oder Gummi bestehen.
Die Kompressionselemente 5 sind grundsätzlich jeweils zumindest teilweise schlauch- oder röhrenförmig ausgestaltet. Im gezeigten Ausführungsbespiel sind die Kompressionselemente 5 als schlauchförmige Elemente ausgestaltet, die nebeneinander entlang der Längsrichtung des Einlageelements 1 angeordnet sind, ohne sich dabei (im drucklosen Zustand) gegenseitig zu berühren, und die jeweils über die gesamte Breite des Einlageelements 1 verlaufen.
Die Kompressionselemente 5 weisen jeweils eine oder mehrere (im vorliegenden Ausführungsbeispiel zwei) Sollknickstellen 6, 7 auf, die in einem Bereich zwischen den Deckplatten 2, 3 liegen und über die gesamte Länge des jeweiligen Kompressionselements 5 verlaufen. Bei einer Kompression der Zwischenlage 4 durch Verringerung des Abstandes zwischen den Deckplatten 2, 3, insbesondere in Folge einer Ausdehnung einer oder mehrerer benachbarter Batteriezellen, bewegen sich die Sollknickstellen 6, 7 eines oder mehrerer (bevorzugt aller) Kompressionselemente 5 in einer Richtung quer zu einer Verbindungslinie V zwischen den Deckplatten 2, 3. Dadurch kann der gewünschte Lastverlauf erreicht werden, wie nachfolgend noch genauer gezeigt wird.
Es sei an dieser Stelle erwähnt, dass die in 1 gezeigte Größe, Anzahl, Anordnung und Ausgestaltung der Deckplatten 2, 3, Kompressionselemente 5 und Sollknickstellen 6, 7 lediglich als Beispiel zu verstehen sind. Diverse Variationen dieser Parameter sind möglich. Insbesondere können die Dicke der Deckplatten 2, 3 und die Größe, die Anzahl, die Ausgestaltung / Form, die Anordnung und das Material der Kompressionselemente 5 an die Anforderungen einer spezifischen Anwendung des Einlageelements 1 angepasst werden. Dadurch bestehen zusätzliche Freiheitsgrade, unabhängig von den Materialeigenschaften, um etwa ein kundenspezifisches und verbessertes Kraft-Weg-Design zu ermöglichen. Zudem können etwa durch geeignete Beschichtung(en) der Deckplatten 1,2 und/oder der Kompressionselemente 5 weitere Verbesserungen etwa hinsichtlich der Entflammbarkeit, EMI-Abschirmung und/oder Reduzierung der Wärmeleitfähigkeit ermöglicht werden.
2 zeigt eine Draufsicht auf ein Ausführungsbeispiel eines erfindungsgemäßen Batteriemoduls 10. Dieses weist einen Zellenstapel mit mehreren Batteriezellen 11 (oft eine zwei- oder dreistellige Anzahl) auf, wobei zwischen benachbarten Batteriezellen jeweils ein Einlageelement 12, beispielsweise der in 1 gezeigten Art, angeordnet ist. Der Zellenstapel ist zumeist in einem Modulgehäuse 13 angeordnet. Die Batteriezellen 11 sind bevorzugt als Festkörperbatteriezellen in sogenannten Pouch-Zellen untergebracht. Die Einlageelemente 12 zwischen benachbarten Batteriezellen 11 dienen insbesondere dazu, die Batteriezellen im Betrieb unter konstanter Last zu halten, um so Risse im Festelektrolyt der Batterie aufgrund von Volumenänderungen zu vermeiden. Die Einlageelemente 12 gleichen Volumenänderungen aus der Batteriezellen 11 aus und erzeugen eine definierte Belastung der Batteriezellen 11.
3 zeigt ein Diagramm mit dem Verlauf des Oberflächendrucks („surface pressure“) (in MPa) über der Dicke des Einlageelements (in mm) für verschiedene Ausgestaltungen von Zwischenlagen 4. Erkennbar ist, dass der Verlauf für jede Ausgestaltung einen linearen Bereich, angefangen bei der größten Dicke (in drucklosem Zustand) bis zu einer bestimmten (geringeren) Grenzdicke bei einem Grenzdruck aufweist. Dies verdeutlicht, dass es mittels der vorliegenden Erfindung möglich ist, die Steigung und Form der Kurve nach Bedarf zu verändern / anzupassen bis hin zu einem Verlauf mit einer oder mehreren Stufen, wo im Bereich des Plateaus keine bzw. nur eine geringe Kraftzunahmen erfolgt, obwohl die Verpressung des Pads zunimmt.
Wie oben erwähnt, können die Kompressionselemente 5 unterschiedlich ausgestaltet sein. Die 4 bis 7 zeigen vier unterschiedliche Ausgestaltungen im Querschnitt, jeweils in drucklosem (unmontiertem oder montiertem) Ausgangszustand (4A, 5A, 6A, 7A), in montiertem, leicht zusammengedrücktem Zustand (4B, 5B, 6B, 7B) und in (nahezu oder vollständig) zusammengedrücktem Zustand (4C, 5C, 6C, 7C).
Das in 4 gezeigte Kompressionselement 20 entspricht in seinem Querschnitt etwa dem in 1 gezeigten Kompressionselement 5. Es weist einen sechseckigen (wabenförmigen) Querschnitt auf und ist innen hohl. Zu den Deckplatten 2, 3 hin ist das Kompressionselement 20 in Anlagebereichen 21, 22 abgeflacht und liegt in drucklosem Zustand plan an den Deckplatten 2, 3 an. Die Sollknickstellen 22, 24 liegen in einer Mittelebene E, die etwa in der Mitte zwischen und parallel zu den Deckplatten 2, 3 verläuft, und sind als Eckbereiche gebildet, an denen die benachbarten Bereich 25, 26 bzw. 27, 28 unter einem Winkel beispielsweise im Bereich von 60° bis 120° zueinander verlaufen. Je weiter die Deckplatten 2, 3 zusammengedrückt werden, desto weiter werden die Sollknickstellen 23, 24 entlang der Mittelebene E auseinander gedrückt, so dass sich der Winkel zwischen den benachbarten Bereich 25, 26 bzw. 27, 28 zunehmend verringert, wie in den 4B und 4C zu erkennen ist. Auch die Anlagebereiche 21, 22 liegen dann nicht mehr komplett plan an den Deckplatten 2, 3 an, sondern liegen nur noch bereichs- oder gar punktweise an. Es handelt sich hierbei um ein Zusammenspiel der Spannungen, die in den einzelnen Bereichen der Formen bei der Verpressung entstehen. Einzelne Bereiche werden gedehnt oder gestaucht und werden durch Kontakt mit anderen Elementen behindert oder können sich bei mangelndem Kontakt frei bewegen. Dieses Zusammenspiel ergibt dann den gewünschten Lastverlauf.
Das in 5 gezeigte Kompressionselement 30 weist ein schlauch- oder röhrenförmiges Zentralelement 31 und zwei seitlich (an gegenüberliegenden Seiten) daran anschließende Seitenelemente 32, 33 auf. Die Seitenelemente 32, 33 sind bei diesem Ausführungsbeispiel - im Querschnitt - als stabförmige Verbindungselemente ausgestaltet, können aber auch schlauchförmig oder röhrenförmig ausgestaltet sein. Sowohl die Seitenelemente 32, 33 als auch das Zentralelement 31 liegen bereichsweise an den Druckplatten 2, 3 an. An vorstehenden Verbindungsstellen 34, 35, die gleichzeitig auch Sollknickstellen darstellen, sind die Seitenelemente 32, 33 mit dem Zentralelement 31 verbunden. Die Sollknickstellen 34, 35 sind somit in der Mittelebene E jeweils an einer zu dem Zentralelement 31 hin ausgerichteten Oberfläche 36, 37 der stabförmigen Seitenelemente 32, 33 angeordnet. Je weiter die Deckplatten 2, 3 zusammengedrückt werden, desto weiter werden die Sollknickstellen 34, 35 (und auch die angrenzende Stelle des Zentralelements 31) innerhalb der Mittelebene E auseinander bewegt, bis die inneren Oberflächen 36, 37 der Seitenelemente 32, 33 und die gegenüber liegenden äußeren Oberflächen 38, 39 des Zentralelements 31 aneinander anliegen, wie in 5C erkennbar ist.
6 zeigt eine weitere Ausgestaltung eines Kompressionselements 40, das ebenfalls ein Zentralelement 41 und zwei Seitenelement 42, 43 aufweist. Bei dieser Ausgestaltung weist das Zentralelement 41 einen zentralen, parallel zu den Deckplatten 2, 3 verlaufenden Verbindungssteg 44 auf zwischen den zwischen den Deckplatten 2, 3 verlaufenden Stegen 45, 46 des Zentralelements 41. Die Seitenelemente 42, 43 sind entlang der Deckplatten 2, 3 mit den Stegen 45, 46 des Zentralelements 41 verbunden. An der dem Zentralelement 41 gegenüber liegenden Oberfläche 47, 48 ist jeweils eine Sollknickstelle 49, 50, etwa im Bereich der Mittelebene E in Form einer in Längsrichtung des Kompressionselements 40 verlaufenden Rille (oder Materialverengung des jeweiligen Seitenelements 42, 43) angeordnet. An dieser Sollknickstelle knicken die Seitenelement 42, 43 bei Druckbeaufschlagung des Kompressionselements 40 ein, so dass sich die Sollknickstellen 49a, 49b auseinander bewegen. Bei größerer Druckbeaufschlagung wird das Zentralelement 41 komplett zusammengepresst, wie in 6C gezeigt ist.
7 zeigt eine weitere Ausgestaltung eines Kompressionselements 50, das - ähnlich wie das in 4 gezeigte Kompressionselement 20 - schlauchförmig mit einem sechseckförmigen Querschnitt ausgestaltet ist. In Längsrichtung verläuft eine durchgängige Bohrung 51, die bei dieser Ausgestaltung schlitzförmig ausgestaltet ist, wobei der Schlitz parallel zu den Deckplatten 2, 3 verläuft. Dünne Stege 52, 53 seitlich an der schlitzförmigen Bohrung 51 bilden dabei die Sollknickstellen. Bei zunehmender Druckbeaufschlagung verengt sich zunächst die schlitzförmige Bohrung 51 und die Sollknickstellen 52, 53 bewegen sich auseinander in einer Richtung parallel zu den Deckplatten 2, 3. Von der schlitzförmigen Bohrung 51 bleiben schließlich nur noch zwei seitliche kleine Bohrungen 54, 55 übrig.
An dieser Stelle sei erwähnt, dass bei den in den 5 und 6 gezeigten Ausgestaltungen bei Kompression der Zwischenlage die Seitenelemente ggf. mit dem Zentralelement und/oder einem benachbarten Kompressionselement (beispielsweise mit dessen einem Seitenelement) in Berührung, so dass sich die in Berührung gelangenden Elemente dann gegenseitig abstützen können. Grundsätzlich können bei diesen Ausgestaltungen die Sollknickstellen jeweils an der zu dem Zentralelement hin ausgerichteten Oberfläche der Verbindungselemente und/oder an der zu den Verbindungselementen hin ausgerichteten äußeren Oberfläche des Zentralelements angeordnet sein. Ferner können die Sollknickstellen jeweils an der von dem Zentralelement weg weisenden Oberfläche der Verbindungselemente und/oder an der von den Verbindungselementen hin weg weisenden inneren Oberfläche des Zentralelements angeordnet sein.
Ferner sei erwähnt, dass bei den in den 4 bis 7 gezeigten Ausgestaltungen bei Kompression der Zwischenlage benachbarte Kompressionselemente ggf. in Berührung kommen, um sich so ggf. gegenseitig abzustützen und die Stabilität zu erhöhen. Die Sollknickstellen können grundsätzlich so angeordnet und ausgestaltet sein, dass sie sich bei Kompression der Zwischenlage durch Verringerung des Abstandes zwischen den Deckplatten weg vom Zentrum des jeweiligen Kompressionselements (also weg voneinander) oder in Richtung des Zentrums des jeweiligen Kompressionselements (also aufeinander zu) bewegen.
Zusammenfassend zeigt 4 somit eine Variante mit geringem Kraftanstieg über einem weiten Bereich (flachen Kurvenverlauf) der Verpressung und einer starken / exponentiellen Kraftzunahme ab einer bestimmten Verpressung (d.h. mit einem plötzlichen starken Anstieg). 5 zeigt eine Variante mit flachem Kurvenverlauf mit angrenzendem kleinen Plateaubereich über einem großen Bereich der Verpressung mit spätem deutlichem (exponentiellem) Kraftanstieg. 6 zeigt einen schnellen Kraftanstieg bis zu einem gewünschten Zielwert, mit anschließender großer Plateauphase mit näherungsweiser konstanter Kraft bei zunehmender Verpressung, mit anschließender exponentieller Kraftzunahme bei Erreichen einer definierten Verpressungsgrenze. 7 zeigt eine Variante mit kurzem Bereich, in dem die Kraft langsam mit der Verpressung zunimmt, aber relativ schnell ein großer Kraftanstieg mit zunehmender Verpressung erreicht wird.
Bevorzugt ist der Querschnitt der Kompressionselemente symmetrisch ausgestaltet, und die Kompressionselemente weisen bevorzugt jeweils eine gerade Anzahl von Sollknickstellen auf, von denen sich jeweils zwei in einer Richtung quer zu der Verbindungslinie zwischen den Deckplatten gegenüber liegen. Bevorzugt sind die Deckplatten parallel zueinander angeordnet und die Sollknickstellen liegen in einer Ebene parallel zu den Deckplatten, insbesondere in einer mittig zwischen den Deckplatten angeordneten Ebene liegen. Sie können aber auch in einer anderen Ebene oder in mehrere Ebenen liegen, die parallel zu einer oder beiden Deckplatten verlaufen.
Für die Ausgestaltung der Sollknickstellen sind unterschiedliche Ausgestaltungen möglich. Beispielsweise kann eine Sollknickstelle gebildet werden durch eine Einkerbung an einer Oberfläche und/oder durch eine lokale Materialverschlankung und/oder durch Bildung eines Winkels kleiner als 180° zwischen den auf beiden Seiten der Sollknickstelle benachbarten Bereichen des jeweiligen Kompressionselements.
Die Kompressionselemente können voneinander getrennt oder miteinander verbunden angeordnet sein. Bevorzugt werden identisch ausgestaltete und/oder angeordnete Kompressionselemente verwendet, was eine einfachere Herstellung und Montage ermöglicht. Ferner können die Kompressionselemente eine oder mehrere durchgängige Bohrungen in Längsrichtung aufweisen. Auch für den Querschnitt der Kompressionselemente sind unterschiedliche Ausgestaltungen möglich, wie etwa ein runder, ovaler oder mehreckiger, insbesondere rechteckiger oder wabenförmiger, Querschnitt. Auch für den Querschnitt einer oder mehrerer Bohrungen bestehen entsprechende unterschiedliche Gestaltungsmöglichkeiten.
8 zeigt das in 6 gezeigte Kompressionselement 40 in dem in 6B gezeigten leicht zusammengepressten Zustand sowie den Verlauf („Kraft-Weg-Kurve“) der Kraft auf das Kompressionselement (in Newton x1000) über der Verringerung der Dicke des Kompressionselements (in mm; beginnend bei 0 entsprechend dem Ausgangszustand bis -2 entsprechend einer Verringerung der Dicke um 2 mm). Erkennbar ist bei einem Zusammendrücken des Kompressionselements 40 in dieser Größenordnung der lineare Verlauf der Kurve.
9 zeigt das in 6 gezeigte Kompressionselement 40 in dem in 6C gezeigten stärker zusammengepressten Zustand sowie den Verlauf („Kraft-Weg-Kurve“) der Kraft auf das Kompressionselement über der Verringerung der Dicke des Kompressionselements (in mm; beginnend bei 0 entsprechend dem Ausgangszustand bis -6,8 entsprechend einer Verringerung der Dicke um 6,8 mm). Erkennbar ist bei einem Zusammendrücken des Kompressionselements 40 in dieser Größenordnung die Stufe bzw. Plateauphase, bei der die Kraft auf einem nahezu konstanten Niveau bleibt, obwohl die Verpressung zunimmt.
Grundsätzlich sind unterschiedliche Kurvenverläufe für die Kraft-Weg-Kurve und entsprechende Ausgestaltungen des Einlageelements erfindungsgemäß nutzbar. Die Kurve kann beispielsweise einen flachen Anstieg zu Beginn gefolgt von einem starken Anstieg aufweisen, oder der Verlauf kann ein oder mehrere Stufen und/oder Plateaubereiche aufweisen, oder ein starker Anstieg am Anfang kann gefolgt sein mit einem phasenweise geringeren Anstieg der Kurve. Ggf. kann auch eine phasenweise abfallende Kurve mit einem über weite Strecken linearen Verlauf genutzt werden.
Das erfindungsgemäße Einlageelement bietet gegenüber den bekannten Schwellkissen eine Reihe von Vorteilen. Dazu zählen insbesondere eine einfachere Handhabung und Herstellung und eine höhere Flexibilität hinsichtlich des Aufbaus und gewünschter Eigenschaften, die nicht nur von den Materialeigenschaften verwendeter Materialien abhängig sind.
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

US 20220037714 A1 [0003]

Claims

Einlageelement zur Einlage zwischen zwei benachbarte Batteriezellen eines Batteriemoduls, umfassend: - zwei starre Deckplatten und - eine zwischen den zwei Deckplatten angeordnete Zwischenlage, die elastisch komprimierbar ist und aus einer Vielzahl von einzelnen über die gesamte Zwischenlage verteilt angeordneten Kompressionselementen aufgebaut ist, wobei die Kompressionselemente jeweils zumindest teilweise schlauch- oder röhrenförmig ausgestaltet sind und eine oder mehrere Sollknickstellen in einem Bereich zwischen den Deckplatten aufweisen, die sich bei Kompression der Zwischenlage durch Verringerung des Abstandes zwischen den Deckplatten in einer Richtung quer zu einer Verbindungslinie zwischen den Deckplatten bewegen.
Einlageelement nach Anspruch 1, wobei die Kompressionselemente jeweils eine gerade Anzahl von Sollknickstellen aufweisen, von denen sich jeweils zwei in einer Richtung quer zu der Verbindungslinie zwischen den Deckplatten gegenüber liegen.
Einlageelement nach einem der vorstehenden Ansprüche, wobei eine Sollknickstelle gebildet ist durch: - eine Einkerbung an einer Oberfläche, und/oder - lokale Materialverschlankung, und/oder - Bildung eines Winkels kleiner als 180° zwischen den auf beiden Seiten der Sollknickstelle benachbarten Bereichen des jeweiligen Kompressionselements.
Einlageelement nach einem der vorstehenden Ansprüche, wobei die Deckplatten parallel zueinander angeordnet sind und die Sollknickstellen in einer Ebene parallel zu den Deckplatten angeordnet sind, insbesondere in einer mittig zwischen den Deckplatten angeordneten Ebene liegen.
Einlageelement nach einem der vorstehenden Ansprüche, wobei die Kompressionselemente voneinander getrennt oder miteinander verbunden angeordnet sind.
Einlageelement nach einem der vorstehenden Ansprüche, wobei die Kompressionselemente identisch ausgestaltet und/oder identisch ausgerichtet sind.
Einlageelement nach einem der vorstehenden Ansprüche, wobei die Kompressionselemente mehrere durchgängige Bohrungen in Längsrichtung aufweisen.
Einlageelement nach einem der vorstehenden Ansprüche, wobei die Kompressionselemente jeweils ein zentrales schlauch- oder röhrenförmiges Zentralelement und zwei oder mehr seitlich daran anschließende Seitenelemente aufweisen.
Einlageelement nach Anspruch 8, wobei die Seitenelemente mit dem Zentralelement verbunden sind oder bei Kompression der Zwischenlage mit dem Zentralelement und/oder einem benachbarten Kompressionselement in Berührung kommen.
Einlageelement nach Anspruch 8, wobei die Seitenelemente als stabförmige oder schlauchförmige oder röhrenförmige Verbindungselemente zwischen den Deckplatten ausgestaltet sind und das Zentralelement schlauch- oder röhrenförmig ausgestaltet ist.
Einlageelement nach Anspruch 10, wobei die Sollknickstellen jeweils an der zu dem Zentralelement hin ausgerichteten Oberfläche der Verbindungselemente und/oder an der zu den Verbindungselementen hin ausgerichteten äußeren Oberfläche des Zentralelements angeordnet sind.
Einlageelement nach Anspruch 10 oder 11, wobei die Sollknickstellen jeweils an der von dem Zentralelement weg weisenden Oberfläche der Verbindungselemente und/oder an der von den Verbindungselementen hin weg weisenden inneren Oberfläche des Zentralelements angeordnet sind.
Einlageelement nach einem der vorstehenden Ansprüche, wobei die Sollknickstellen angeordnet und ausgestaltet sind, sich bei Kompression der Zwischenlage durch Verringerung des Abstandes zwischen den Deckplatten weg vom Zentrum des jeweiligen Kompressionselements oder in Richtung des Zentrums des jeweiligen Kompressionselements zu bewegen.
Einlageelement nach einem der vorstehenden Ansprüche, wobei die Kompressionselemente einen runden, ovalen oder mehreckigen, insbesondere rechteckigen oder wabenförmigen, Querschnitt aufweisen.
Einlageelement nach einem der vorstehenden Ansprüche, wobei die Kompressionselemente zu den Deckplatten hin abgeflacht sind und plan an den Deckplatten anliegen.
Einlageelement nach einem der vorstehenden Ansprüche, wobei die Kompressionselemente aus Kunststoff und/oder Gummi bestehen.
Einlageelement nach einem der vorstehenden Ansprüche, wobei die Deckplatten aus Kunststoff und/oder Metall bestehen.
Einlageelement nach einem der vorstehenden Ansprüche, wobei die Deckplatten rechteckförmig ausgestaltet sind und die Kompressionselemente längsförmig ausgestaltet und quer zur Längsrichtung oder in Längsrichtung der Deckplatten angeordnet sind.
Batteriemodul umfassend: - einen Zellenstapel mit mehreren Batteriezellen; - mindestens ein Einlageelement nach einem der vorstehenden Ansprüche, das zwischen benachbarten Batteriezellen angeordnet ist; und - ein Modulgehäuse, in dem der Zellenstapel angeordnet ist.