DE102022128909A1

DE102022128909A1 - Batteriemodul für eine Traktionsbatterie eines Kraftfahrzeugs, Traktionsbatterie und Verfahren zum Herstellen eines Batteriemoduls

Info

Publication number: DE102022128909A1
Application number: DE102022128909.5A
Authority: DE
Inventors: Philipp Berendes; Bernhard Wiedemann
Original assignee: Dr Ing HCF Porsche AG
Current assignee: Dr Ing HCF Porsche AG
Priority date: 2022-11-02
Filing date: 2022-11-02
Publication date: 2024-05-02

Abstract

Die Erfindung betrifft ein Batteriemodul (1) für eine Traktionsbatterie eines Kraftfahrzeugs, mit einem Batteriemodulgehäuse (4), mit einem in dem Batteriemodulgehäuse (4) angeordneten Batteriezellenstapel (2), wobei der Batteriezellenstapel (2) mindestens zwei in einer Stapelrichtung (X) hintereinander angeordneten Batteriezellen (3) aufweist, wobei das Batteriemodulgehäuse (4) ein erstes Gehäuseteil (6; 8) und ein zweites Gehäuseteil (7) aufweist, wobei die beiden Gehäuseteile (6; 8) im montierten Zustand des Batteriemodulgehäuses (4) in der Stapelrichtung (X) der Batteriezellen (3) ineinander geschoben sind, derart, dass die beiden Gehäuseteile (6, 7; 7, 8) eine Kraft auf den Batteriezellenstapel (2) ausüben, sodass die Batteriezellen (3) parallel zu der Stapelrichtung (X) mit einer Vorspannkraft beaufschlagt sind.

Description

Die Erfindung betrifft ein Batteriemodul für eine Traktionsbatterie eines Kraftfahrzeugs. Ferner betrifft die Erfindung eine Traktionsbatterie und ein Verfahren zum Herstellen eines Batteriemoduls.
Traktionsbatterie eines Kraftfahrzeugs verfügt in der Regel über mehrere Batteriemodule. Jedes Batteriemodul verfügt über ein Batteriemodulgehäuse sowie über mehrere in dem Batteriemodulgehäuse angeordnete Batteriezellen. Die Batteriezellen eines Batteriemoduls sind elektrisch miteinander verschaltet. Ferner sind in der Regel die einzelnen Batteriemodule der Traktionsbatterie elektrisch miteinander verschaltet.
Um einen sicheren Betrieb von Batteriezellen, bei denen es sich zum Beispiel Pouch-Zellen oder prismatische Zellen handeln könnte, gewährleisten zu können, werden diese mit einer mechanischen Kraft beaufschlagt, wobei dabei in der Regel von einer Vorspannung oder Vorkomprimierung der Batteriezellen gesprochen wird. Um die Dickenzunahme der Batteriezellen vom Auslieferungszeitpunkt (Begin of life (BOL)) und dem Zeitpunkt, zu dem zuvor definierte Werte durch Alterung unterschritten werden (End of life (EOL)), kompensieren zu können, sind in einem Batteriezellenverbund in der Regel sowohl Batteriezellen als auch sogenannte Compression-Pads angeordnet. Dieser Verbund wird in ein Batteriemodulgehäuse eingebettet. Durch den sogenannten Swelling-Prozess dehnen sich die Zellen im Betrieb und mit der Zeit aus, wobei dies durch eine Kompression der Compression-Pads ausgeglichen wird. Die einzelnen Batteriezellen sind in der Regel zu einem Batteriezellenstapel, auch als Batteriezellenpaket oder Zell-Stack bezeichnet, zusammengefasst, wobei dieser Batteriezellenstapel zudem auch die Compression-Pads beinhalten kann. Nach derzeitigem Stand der Technik werden diese Batteriezellenstapel häufig in ein Batteriemodulgehäuse von oben, unten oder seitlich eingeschoben, wobei das Einschieben in der Regel senkrecht zu der Stapelrichtung der Batteriezellenstapel erfolgt. Beim Einschieben wird eine gewisse Vorspannung auf den Batteriezellenstapel gegeben, der, wie bereits ausgeführt, förderlich für die Lebensdauer der Batteriezellen ist, wobei sich zur Aufrechterhaltung der Vorspannung der Batteriezellenstapel in Stapelrichtung an dem Batteriemodulgehäuse, genauer gesagt an gegenüberliegenden Wänden des Batteriemodulgehäuses, abstützt. Häufig sind die Batteriemodulgehäuse als Extrusionsprofile ausgebildet, wobei die Batteriezellenstapel unter Vorspannung in des Batteriemodulgehäuse eingeschoben werden.
Aus der DE 10 2013 204 180 A1 ist ferner ein Batteriemodulgehäuse bekannt, das eine Seitenwand aufweist, die als Kunststoffbauteil ausgeführt ist, wobei die Seitenwand eine erste Aufnahme und eine zweite Aufnahme aufweist und wobei das Batteriemodulgehäuse eine metallische Rahmenstruktur zum Vorspannen eines Zellpakets aufweist, wobei die Rahmenstruktur eine in der ersten Aufnahme befestigte erste Schiene und eine in der zweiten Aufnahme befestigte zweite Schiene aufweist, wobei die erste Schiene und die zweite Schiene quer zu der Seitenwand ausgerichtet sind.
Extrusionsprofile, insbesondere Aluminium-Extrusionsprofile, haben den Nachteil, dass die Formgebung in Auszugsrichtung prozessbedingt beschränkt ist. Zudem ist das Einbringen der Batteriezellenpakete in das Extrusionsprofil aufwendig und Komplex. Des Weiteren besteht eine Problematik darin, dass die auf das Batteriezellenpaket ausgeübte Vorspannung weggesteuert erfolgt. Insbesondere erfolgt das Verspannen derart, dass das Batteriezellenpaket auf eine vorgegebene Abmessung komprimiert wird. Fertigungstoleranzen der einzelnen Batteriezellen werden daher in der Regel nicht berücksichtigt. Prozessbedingt unterliegen Extrusionsprofile wie auch die Batteriezellen als solche recht hohen Toleranzen. Da die Vorspannung auf das Batteriezellenpaket weggesteuert erfolgt, können grundsätzlich zwei Grenzfälle auftreten. Wenn beispielsweise das Batteriezellenpaket aus Batteriezellen besteht, die im oberen Toleranzbereich liegen, und umgekehrt das Batteriemodulgehäuse sich im unteren Bereich des Toleranzbereichs befindet, somit das Batteriezellenpaket relativ groß und das Batteriemodulgehäuse relativ klein ist, liegt eine oberhalb der optimalen Vorspannkraft liegende Vorspannkraft an dem Batteriezellenpaket an, was sich negativ auf die Lebensdauer der Batteriezellen auswirken kann, insbesondere da die Vorspannkraft durch alterungsbedingtes Swelling der Batteriezellen noch zunehmen kann. Der andere Extremfall liegt vor, wenn das Batteriezellenpaket aus Batteriezellen besteht, die im unteren Bereich des Toleranzbereichs liegen, und das Batteriemodulgehäuse im oberen Bereich des Toleranzbereichs liegt. In diesem Fall liegt nur eine geringe oder gar keine Vorspannkraft an dem Batteriezellenpaket an. Aufgrund der geringeren Vorspannung kann es zu einer frühzeitigen Alterung der Batteriezellen kommen. Zudem kann es zu einer Verschiebung des Batteriezellenpakets beispielsweise aufgrund von mechanischem Zittern des Batteriemoduls kommen, insbesondere bei einem geringen Ladezustand der Batteriezellen.
Vor diesem Hintergrund wird mit der vorliegenden Erfindung ein Batteriemodul für eine Traktionsbatterie eines Kraftfahrzeugs, weiterhin eine Traktionsbatterie und ein Verfahren zum Herstellen eines Batteriemoduls gemäß den unabhängigen Patentansprüchen vorgestellt. Vorteilhafte Ausgestaltungen ergeben sich aus den jeweiligen Unteransprüchen und der nachfolgenden Beschreibung.
Das erfindungsgemäße Batteriemodul dient zur Verwendung in einer Traktionsbatterie eines Kraftfahrzeugs. Das Batteriemodul weist ein Batteriemodulgehäuse und einen in dem Batteriemodulgehäuse angeordneten Batteriezellenstapel auf. Der Batteriezellenstapel weist mindestens zwei in einer Stapelrichtung hintereinander angeordnete Batteriezellen auf. Das Batteriemodulgehäuse weist ein erstes Gehäuseteil und ein zweites Gehäuseteil auf, wobei die beiden Gehäuseteile im montierten Zustand des Batteriemodulgehäuses in der Stapelrichtung der Batteriezellen ineinandergeschoben sind, derart, dass die beiden Gehäuseteile eine Kraft auf den Batteriezellenstapel ausüben, sodass die Batteriezellen parallel zu der Stapelrichtung mit einer Vorspannkraft beaufschlagt sind.
Unter „montiert“ wird vorliegend insbesondere verstanden, dass die beiden Gehäuseteile zunächst separat gehandhabt werden können und beim Montieren ineinander geschoben werden können und dann miteinander verbunden werden. Im montierten bzw. verbunden Zustand ist dann kein Verschieben der Gehäuseteile zueinander mehr möglich. Durch das Ineinanderschieben der beiden Gehäuseteile kann die auf den Batteriezellenstapel ausgeübte Vorspannkraft initial eingestellt werden, indem die beiden Gehäuseteile mehr oder weniger weit ineinandergeschoben werden. Insbesondere kann das Ineinanderschieben der beiden Gehäuseteile kraftgesteuert erfolgen, sodass beim Montieren des Batteriemoduls der Batteriezellenstapel mit einer vordefinierten Vorspannkraft beaufschlagt wird. Wenn diese Vorspannkraft erreicht ist oder in einem bestimmten Bereich liegt, werden die beiden Gehäuseteile in diesem Zustand miteinander verbunden. Dadurch ist es möglich, Toleranzen in den Abmessungen der einzelnen Batteriezellen in Stapelrichtung des Batteriezellenstapels auszugleichen. Dies hat zudem den Vorteil, dass eine genauere Alterungsvorhersage der Batteriezellen möglich ist, da die Vorspannung der einzelnen Batteriezellen sehr genau bekannt ist.
Das zweite Gehäuseteil kann beispielsweise auf das erste Gehäuseteil aufgeschoben sein, insofern eine Außenwand das zweiten Gehäuseteils eine Außenwand des ersten Gehäuseteils überdecken. Das zweite Gehäuseteil kann aber auch in das erste Gehäuseteil eingeschoben sein, insofern eine Außenwand das ersten Gehäuseteils eine Außenwand des zweiten Gehäuseteils überdecken.
Bei den Gehäuseteilen kann es sich durchaus um Gehäuseteile aus einem Metall oder einer Metalllegierung handeln. Vorzugsweise handelt es sich bei den beiden Gehäuseteilen allerdings um Gehäuseteile aus einem Kunststoff, insbesondere aus einem faserverstärktem Kunststoff. Die Gehäuseteile sind vorzugsweise als Pressteile ausgebildet. Pressteile haben den Vorteil, dass diese eine sehr genaue Maßhaltigkeit aufweisen.
Die Gehäuseteile weisen vorzugsweise einen U-förmigen bzw. C-förmigen Querschnitt auf.
Bei den Batteriezellen handelt es sich vorzugsweise um Lithium-lonen-Zellen.
Die Batteriezellen sind vorzugsweise als Pouch-Zellen oder prismatische Zellen ausgebildet.
Als besonders vorteilhaft wird es angesehen, wenn das erste und das zweite Gehäuseteil jeweils einen Fügeabschnitt aufweisen, wobei die Fügeabschnitte in der Stapelrichtung überlappen, d.h. dass sich ein Überlappungsbereich, in dem die Fügeabschnitte überlappen, in der Stapelrichtung erstreckt, und die Fügeabschnitte im Überlappungsbereich miteinander verbunden sind.
Vorzugsweise sind die Fügeabschnitte im Überlappungsbereich stoffschlüssig miteinander verbunden, beispielsweise verschweißt oder verklebt. Insofern wird es als besonders vorteilhaft angesehen, wenn im montierten Zustand im Überlappungsbereich zwischen den beiden Fügeabschnitten eine Klebeschicht ausgebildet ist.
Bei dem verwendeten Klebstoff kann es sich beispielsweise um ein Epoxidharz, Phenolharz, Mehrkomponentenklebstoff oder einen Reaktionsklebstoff handeln.
Vorzugsweise beträgt eine Abmessung des Überlappungsbereichs in Stapelrichtung der Batteriezellen 10 bis 30 mm.
Als besonders vorteilhaft wird es angesehen, wenn das erste und das zweite Gehäuseteil jeweils einen senkrecht zu der Stapelrichtung ausgebildeten Wandabschnitt und sich von dem Wandabschnitt parallel zu der Stapelrichtung erstreckende Seitenwände aufweist, wobei die Seitenwände an ihrem distalen Ende zueinander korrespondierende Fügeflächen, beispielsweise in Form von Ausnehmungen und/oder Rücksprünge, aufweisen, wobei die Ausnehmungen und/oder Rücksprünge die Fügeabschnitte bilden.
Als besonders vorteilhaft wird es angesehen, wenn die Fügeabschnitte in Art einer Blattstoßverbindung, insbesondere einer geraden Blattstoßverbindung, und/oder Nut-Feder-Verbindung, beispielsweise einer Zapfenstoßverbindung, ausgebildet sind. Derartige Gestaltungen der Fügeabschnitte ermöglichen ein einfaches Ineinanderschieben der beiden Gehäuseteile in Stapelrichtung der Batteriezellen und dennoch ein sicheres und dauerhaftes Verbinden der Gehäuseteile miteinander, beispielsweise durch eine Verklebung.
Vorzugsweise sind die Gehäuseteile frei von in Stapelrichtung ineinandergreifenden Formschlussverbindungen. Diese würden ein freies Ineinanderschieben der Gehäuseteile beim Vorgang der Montage behindern.
Als besonders vorteilhaft wird es angesehen, wenn die Überlappung der Fügeabschnitte in der Stapelrichtung geringer ist als eine maximal mögliche Überlappung der Fügeabschnitte in der Stapelrichtung. Bei einer solchen Gestaltung ist daher bei der Montage des Batteriemodulgehäuses bzw. des Batteriemoduls noch ein weiteres Ineinanderschieben der Gehäuseteile möglich gewesen. Ein solches maximales Ineinanderschieben wird in der Regel nur benötigt, wenn sämtliche Batteriezellen im unteren Toleranzbereich liegen. Daher wird die tatsächliche Überlappung der Fügeabschnitte in der Stapelrichtung stets geringer sein als die maximal mögliche Überlappung der Fügeabschnitte. Ein weiterer Vorteil bei einer solchen Gestaltung besteht auch darin, dass bei der Montage die optimale Einschiebetiefe überfahren werden kann. Es kann dann geprüft werden, wie sich dies auf die Vorspannkraft auswirkt. Dann kann wieder zurückgefahren werden, um die Vorspannkraft zu erniedrigen. Dieses Vorgehen hat sich als vorteilhaft erwiesen, um die Vorspannkraft optimal einzustellen. Auf diese Weise können auch Hystereseeffekte berücksichtigt werden.
Vor diesem Hintergrund wird es als besonders vorteilhaft angesehen, wenn die beiden Gehäuseteile in der Stapelrichtung des Batteriezellenstapels stoßfrei angeordnet sind, insofern kein Stoß zwischen den Gehäuseteilen in der Stapelrichtung besteht.
Um die Fügestelle, beispielsweise die Klebeverbindung oder Schweißverbindung, vor äußeren Einflüssen zu schützen und zusätzlich zu stabilisieren, wird es als besonders vorteilhaft angesehen, wenn an einer Außenseite der beiden Gehäuseteile ein flächiges Verstärkungselement angebracht ist, wobei das flächige Verstärkungselement in der Stapelrichtung aneinander angrenzende Bereiche der beiden Gehäuseteile überlappt. Das flächige Verstärkungselement kann beispielsweise als selbstklebendes Flächenelement ausgebildet sein. Vorzugsweise besteht das flächige Verstärkungselement aus einem Kunststoff, insbesondere aus einem faserverstärktem Kunststoff.
In einer besonders bevorzugten Ausführungsform ist vorgesehen, dass das Batteriemodulgehäuse zumindest zwei in der Stapelrichtung der Batteriezellen hintereinander ausgebildete Aufnahmekammern aufweist, wobei in der jeweiligen Aufnahmekammer zumindest ein Batteriezellenstapel mit zumindest zwei in Stapelrichtung hintereinander angeordneten Batteriezellen angeordnet ist, wobei ein senkrecht zu der Stapelrichtung ausgebildeter Wandabschnitt des ersten Gehäuseteils eine Außenwand des Batteriemodulgehäuses bildet, wobei die zwei Aufnahmekammern durch einen senkrecht zu der Stapelrichtung ausgebildeten Wandabschnitt des zweiten Gehäuseteils voneinander getrennt sind, wobei ein Abstand des Überlappungsbereichs in der Stapelrichtung von der Zwischenwand geringer ist als ein Abstand des Überlappungsbereichs in der Stapelrichtung von der Außenwand. Insofern befindet sich der Überlappungsbereich in der Stapelrichtung der Batteriezellenstapel näher an der Zwischenwand als an der Außenwand. Insofern ist der Überlappungsbereich außermittig zu einer Mitte des in der entsprechenden Aufnahmekammer befindlichen Batteriezellenstapels ausgebildet. Es hat sich gezeigt, dass eine derartige Gestaltung bzw. Anordnung des Überlappungsbereichs besonders vorteilhaft hinsichtlich einer möglichst geringen Belastung der Fügestelle ist. Insbesondere bei Verwendung einer Klebeverbindung wird bei einer derartigen Anordnung bzw. Ausbildung des Überlappungsbereichs die Klebeverbindung nur minimal auf Schälung belastet. Dies hat insbesondere dahingehend Vorteile, dass mit zunehmendem Alter des Batteriezellenstapels bzw. der verwendeten Batteriezellen eine Belastung des Batteriemodulgehäuses zunimmt, wobei aufgrund einer etwaigen Verformung des Batteriemodulgehäuses es zu einer Beanspruchung der Verbindung, insbesondere der Klebeverbindung, auf Schälung kommen kann, wobei eine außermittige Anordnung des Überlappungsbereichs dazu führt, dass diese Belastung auf Schälung besonders gering ist.
In diesem Zusammenhang wird es als besonders vorteilhaft angesehen, wenn ein Verhältnis (V1) des Abstands (A1) des Überlappungsbereichs in der Stapelrichtung von der Zwischenwand zu dem Abstand (A2) des Überlappungsbereichs in der Stapelrichtung von der Außenwand zwischen 0,25 und 0,55 beträgt. $V 1 = \frac{A 1}{A 2} = 0,25 b i s 0,55$
Ein Verhältnis (V2) des Abstands (A1) des Überlappungsbereichs in der Stapelrichtung von der Zwischenwand zu dem Abstand der Zwischenwand in der Stapelrichtung von der Außenwand beträgt dementsprechend vorzugsweise zwischen 0,2 und 0,35. $V 2 = \frac{A 1}{A 1 + A 2} = 0,2 b i s 0,35$
Vorzugsweise beträgt das Verhältnis V1 0,5 und das Verhältnis V2 dementsprechend 0,33. Der Abstand wird bei einem ausgedehnten Überlappungsbereich von einer Mitte des Überlappungsbereichs aus gemessen zu einer Mitte des jeweiligen Wandabschnitts.
Als besonders vorteilhaft wird es angesehen, wenn das Batteriemodulgehäuse ein dritte Gehäuseteil aufweist, wobei das zweite Gehäuseteil zwischen dem ersten Gehäuseteil und dem dritten Gehäuseteil angeordnet ist. Insofern ist die erste Aufnahmekammer zwischen dem ersten Gehäuseteil und dem zweiten Gehäuseteil ausgebildet und die andere Aufnahmekammer zwischen dem zweiten Gehäuseteil und dem dritten Gehäuseteil ausgebildet. Das zweite Gehäuseteil und das dritte Gehäuseteil können in der gleichen Art und Weise wie das erste Gehäuseteil und das zweite Gehäuseteil ineinandergeschoben und miteinander verbunden sein. Dementsprechend gelten die Ausführungen zu dem ersten Gehäuseteil und dem zweiten Gehäuseteil entsprechend für die Gestaltung des zweiten Gehäuseteils und des dritten Gehäuseteils.
Es ist durchaus denkbar, dass die Anzahl der Batteriezellen des in der ersten Aufnahmekammer angeordneten Batteriezellenstapels unterschiedlich ist zu der Anzahl der Batteriezellen des in der zweiten Aufnahmekammer angeordneten Batteriezellenstapels.
Die erfindungsgemäße Traktionsbatterie für ein Kraftfahrzeug weist zumindest zwei Batteriemodule auf, wobei das jeweilige Batteriemodul ein Batteriemodulgehäuse mit einem in dem Batteriemodulgehäuse angeordneten Batteriezellenstapel aufweist, wobei der jeweilige Batteriezellenstapel mindestens zwei in einer Stapelrichtung hintereinander angeordnete Batteriezellen aufweist, wobei das Batteriemodulgehäuse ein erstes Gehäuseteil und ein zweites Gehäuseteil aufweist, wobei die beiden Gehäuseteile im montierten Zustand des Batteriemodulgehäuses in der Stapelrichtung der Batteriezellen ineinandergeschoben sind, derart, dass die beiden Gehäuseteile eine Kraft auf den Batteriezellenstapel ausüben, sodass die Batteriezellen parallel zu der Stapelrichtung mit einer Vorspannkraft beaufschlagt sind, wobei das erste und das zweite Gehäuseteil der Batteriemodule unterschiedlich weit ineinandergeschoben sind. Insofern wird bei dem einen Batteriemodul ein Batteriezellenstapel verwendet, der eine geringere Abmessung in der Stapelrichtung hat, als dies bei dem Batteriezellenstapel des anderen Batteriemoduls der Fall ist. Durch das unterschiedliche weite Ineinanderschieben der Gehäuseteile des jeweiligen Batteriemoduls kann gewährleistet werden, dass die Batteriezellenstapel trotz ihrer unterschiedlichen Abmessung in Stapelrichtung dennoch mit der gleichen oder annähernd gleichen Vorspannkraft beaufschlagt sind.
Das erfindungsgemäße Verfahren zum Herstellen des Batteriemoduls weist die folgenden Verfahrensschritte auf:

- Bereitstellen eines ersten Gehäuseteils eines Batteriemodulgehäuses und eines zweiten Gehäuseteils des Batteriemodulgehäuses,
- Bereitstellen eines Batteriezellenstapels, wobei der Batteriezellenstapel, mindestens zwei in einer Stapelrichtung hintereinander angeordneten Batteriezellen aufweist,
- Einbringen des Batteriezellenstapels in das erste Gehäuseteil,
- Ineinanderschieben des ersten Gehäuseteils und des zweiten Gehäuseteils in Stapelrichtung der Batteriezellen, wobei das Ineinanderschieben kraftgesteuert erfolgt, derart, dass die beiden Gehäuseteile eine vordefinierte Kraft auf den Batteriezellenstapel ausüben, sodass die Batteriezellen parallel zu der Stapelrichtung mit einer vordefinierten Vorspannkraft beaufschlagt sind,
- Verbinden der beiden Gehäuseteile miteinander.

Neben der Tatsache, dass die Vorkomprimierung bzw. das Aufbringen der Vorspannkraft kraftgesteuert und nicht etwa weggesteuert erfolgt, hat das erfindungsgemäße Verfahren zudem den Vorteil, dass das Einbringen des Batteriezellenstapels in das erste Gehäuseteil besonders einfach möglich ist, da zu diesem Zweck, im Unterschied zur Verwendung eines Extrusionsprofils, kein Vorkomprimieren des Batteriezellenstapels notwendig ist. Insbesondere erfolgt das Einbringen des Batteriezellenstapels in das erste Gehäuseteil parallel zu der Stapelrichtung des Batteriezellenstapels. Hingegen erfolgt bei Extrusionsprofilen das Einbringen in der Regel senkrecht zu der Stapelrichtung der Batteriezellen.
Bei der Verwendung einer Klebeverbindung zwischen dem ersten Gehäuseteil und dem zweiten Gehäuseteil wird es als besonders vorteilhaft angesehen, wenn der Klebstoff bereits vor dem Ineinanderschieben der Gehäuseteile im Bereich der Fügeabschnitte aufgebracht ist.
Die Ausführungen zu dem Batteriemodul gelten entsprechend für die Traktionsbatterie und das Verfahren zum Herstellen eines Batteriemoduls und umgekehrt.
In den nachfolgenden Figuren wird die Erfindung anhand von Ausführungsbeispielen näher erläutert, ohne auf diese beschränkt zu sein. Es zeigen:

1 eine Ausführungsform eines Batteriemoduls in einer Explosionsdarstellung in einer perspektivischen Ansicht,
2 ein Batteriemodulgehäuse des Batteriemoduls gemäß 1,
3 das Batteriemodulgehäuse gemäß 2 in einer Explosionsdarstellung in einer perspektivischen Ansicht,
4 einen Teilbereich der 3 in einer vergrößerten Darstellung,
5 eine schematische Darstellung einer Fügestelle einer ersten Ausführungsform des Batteriemodulgehäuses,
6 eine schematische Darstellung einer Fügestelle einer zweiten Ausführungsform des Batteriemodulgehäuses,
7 eine schematische Darstellung Fügestelle einer dritten Ausführungsform des Batteriemodulgehäuses,
8 eine Ausführungsform des Batteriemodulgehäuses in einer Schnittansicht in einer schematischen Darstellung,
9 ein Teilbereich eines Gehäusezwischenteils des Batteriemodulgehäuses in einer isolierten Darstellung in einer perspektivischen Ansicht.

Die 1 zeigt ein Batteriemodul 1 in einer Explosionsdarstellung. Das Batteriemodul 1 weist vorliegend zweimal vier, somit in Summe acht, Batteriezellenstapel 2a, 2b auf, wobei jeweils vier der Batteriezellenstapel 2a, 2b identisch ausgebildet und in der Y-Richtung hintereinander angeordnet sind. Es sind jeweils nur die in Y-Richtung äußeren Batteriezellenstapel 2a, 2b mit einem Bezugszeichen versehen. Die in der 1 oben dargestellten Batteriezellenstapel 2a weisen jeweils zehn Batteriezellen 3 auf, wobei jeweils fünf Batteriezellen 3 der zehn Batteriezellen 3 in der Stapelrichtung X, die vorliegend identisch ist mit einer Fahrzeuglängsrichtung, hintereinander angeordnet sind. Die in der 1 unteren Batteriezellenstapel 2b weisen jeweils acht Batteriezellen 3 auf, wobei jeweils vier der acht Batteriezellen 3 in der Stapelrichtung X hintereinander angeordnet sind. Die Batteriezellenstapel 2a, 2b sind jeweils als Einheit handhabbar. Die Batteriezellenstapel 2a, 2b sind in einem Batteriemodulgehäuse 4 angeordnet, wobei dieses Batteriemodulgehäuse 4 zwei Aufnahmekammern 5a und 5b aufweist, wobei diese Kammern 5a, 5b in der Stapelrichtung X aneinander angrenzen. Die Aufnahmekammer 5a dient dabei der Aufnahme der beiden Batteriezellenstapel 2a, die jeweils zehn Batteriezellen 3 aufweisen, und die Kammer 5b dient der Aufnahme der beiden Batteriezellenstapel 2b, die jeweils acht Batteriezellen 3 aufweisen. Das Batteriemodulgehäuse 4 weist ein erstes Gehäuseteil 6 in Form eines ersten Gehäuseaußenteils 6, ein zweites Gehäuseteil 7 in Form eines Gehäusezwischenteils 7 und ein drittes Gehäuseteil 8, in Form eines zweiten Gehäuseaußenteils 8 auf. Die Gehäuseteile 6, 7, 8 begrenzen die Aufnahmekammern 5a, 5b Die beiden Gehäuseaußenteile 6, 8 weisen einen U-förmigen Querschnitt auf, wohingegen das Gehäusezwischenteit 7 einen H-förmigen Querschnitt aufweist. Das Gehäusezwischenteil weist vorliegend zwei im Querschnitt U-förmige Bestandteile auf, die flächig miteinander verklebt sind. Im montierten Zustand des Batteriemodulgehäuses 4 ist das jeweilige Gehäuseaußenteil 6 bzw. 8 in der Stapelrichtung X der Batteriezellen 3 in das Gehäusezwischenteil 7 eingeschoben, derart, dass die beiden Gehäuseteile 6, 7 bzw. 7, 8 eine Kraft auf den jeweiligen Batteriezellenstapel 2a, 2b ausüben, sodass die Batteriezellen 3 des Batteriezellenstapels 2a, 2b parallel zu der Stapelrichtung X mit einer Vorspannkraft beaufschlagt sind. Die Batteriezellen 3 sind vorliegend direkt gekühlt, beispielsweise werden die Batteriezellen 3 unmittelbar von einem dielektrischen Fluid umströmt. Daher muss das Batteriemodulgehäuse 4 keine besonders hohe Wärmeleitfähigkeit aufweisen und das Batteriemodulgehäuse 4 kann im Wesentlichen aus einem Kunststoff, beispielsweise einem faserverstärkten Kunststoff, bestehen.
Das Verfahren zur Montage des Batteriemoduls 1 wird nachfolgend unter Bezugnahme auf die Figuren näher beschrieben. Zunächst werden die beiden Batteriezellenstapel 2b, die acht Batteriezellen 3 aufweisen, parallel zu der Stapelrichtung X bzw. in Richtung der Pfeile 17 in das Gehäuseaußenteil 8 eingebracht, anschließend wird das Gehäusezwischenteil 7 parallel zu der Stapelrichtung X bzw. in Richtung der Pfeile 17 kraftgesteuert auf das Gehäuseaußenteil 8 aufgeschoben bis die beiden Gehäuseteile 7, 8 eine vordefinierte Vorspannkraft auf die Batteriezellenstapel 2b ausüben. In diesem Zustand werden dann die beiden Gehäuseteile 7, 8 miteinander gefügt, insofern verbunden, wobei dies vorliegend mittels einer Klebeverbindung erfolgt. Anschließend werden die Batteriezellenstapel 2a, die jeweils zehn Batteriezellen 3 aufweisen, parallel zu der Stapelrichtung X bzw. in Richtung der Pfeile 17 in das Gehäusezwischenteil 7 eingebracht und anschließend das Gehäuseaußenteil 6 parallel zu der Stapelrichtung X bzw. in Richtung der Pfeile 17 kraftgesteuert in das Gehäuseteil 7 eingeschoben, bis wiederum eine vordefinierte Vorspannkraft auf die beiden Batteriezellenstapel 2a wirkt. Dann werden die beiden Gehäuseteile 6, 7 wiederum mittels einer Klebeverbindung miteinander verbunden. Insofern ermöglicht die Gestaltung der Gehäuseteile 6, 7, 8 ein kraftgesteuertes Montieren des Batteriemodulgehäuses 5, sodass eine vordefinierte Vorspannkraft auf den jeweiligen Batteriezellenstapel 2a, 2b wirkt. Alternativ kann der Batteriezellenstapel 2a auch in das Gehäuseaußenteil 6 eingebracht werden und die um 180° gedrehte Anordnung aus Batteriezellenstapel 2b, Gehäusezwischenteil 7 und Gehäuseaußenteil 8 in das Gehäuseteil 6 eingeschoben werden.
Um ein unterschiedlich weites Einschieben der Gehäusteile 6, 7, 8 ineinander zu ermöglichen, weist das jeweilige Gehäuseteil 6, 7, 8 einen senkrecht der Stapelrichtung X ausgebildeten Wandabschnitt 9 auf, wobei dieser Wandabschnitt 9 bei den beiden Gehäuseaußenteilen 6, 8 eine Außenwand des Batteriemodulgehäuses 4 bildet und der Wandabschnitt 9 des Gehäusezwischenteils 7 eine Zwischenwand des Batteriemodulgehäuses 4 bildet, wobei diese Zwischenwand die beiden Aufnahmekammern 5a, 5b in der Stapelrichtung X voneinander trennt. Von dem jeweiligen Wandabschnitt 9 erstrecken sich Seitenwände 10 parallel zu der Stapelrichtung X, wobei die Seitenwände 10 an ihrem distalen Ende zueinander korrespondierende Ausnehmungen aufweisen, wobei diese Ausnehmungen Fügeabschnitte 11 der Seitenwände 10 bilden. Wie insbesondere den schematischen Darstellungen der in den 5 bis 8 dargestellten Ausführungsformen zu entnehmen ist, überlappen die Fügeabschnitte 11 in der Stapelrichtung X und die Fügeabschnitte 11 sind im Überlappungsbereich 12 stoffschlüssig miteinander verbunden. Vorliegend ist die stoffschlüssige Verbindung dadurch gebildet, dass im Überlappungsbereich 12 zwischen den Fügeabschnitten 11 eine Klebstoffschicht 13 ausgebildet ist. Wie den 5 bis 8 zu entnehmen ist, ermöglicht es die Gestaltung der Fügeabschnitte 11, die Gehäuseteile 6, 7, 8 in der Stapelrichtung X unterschiedlich weit ineinander zu schieben. Bei den in den 5 bis 8 dargestellten Ausführungsformen ist die Überlappung der Fügeabschnitte 11 in der Stapelrichtung X geringer als eine maximal mögliche Überlappung der Fügeabschnitte 11 in der Stapelrichtung X.
Die in den 5, 6 und 8 dargestellten Fügeabschnitte 11 sind in Art einer Blattstoßverbindung ausgebildet, wohingegen die in der 7 dargestellte Ausführungsform in Art einer Nut-Feder-Verbindung bzw. Zapfenstoßverbindung ausgebildet ist. Da in der X-Richtung keine formschlüssige Verbindung zwischen den Gehäuseteilen 6, 7, 8 vorliegt, ist es besonders einfach möglich, die Gehäuseteile 6, 7, 8 vor dem Aushärten des Klebstoffs 13 in Stapelrichtung X zueinander zu verschieben, um die Vorspannkraft einzustellen.
Bei den in den 1 bis 4 sowie 6 dargestellten Ausführungsformen des Batteriemodulgehäuses 5 ist jeweils noch ein flächiges Verstärkungselement 14 an Außenseiten der Gehäuseteile 6, 7, 8 angebracht, wobei das Verstärkungselement 14 die beiden Gehäuseteile 6, 7 bzw. 7, 8 in der Stapelrichtung X überlappt. Dadurch wird eine zusätzliche Stabilisierung der Fügestelle erreicht.
Wie bereits ausgeführt, sind die zwei Aufnahmekammern 5a, 5b durch den senkrecht zu der Stapelrichtung X ausgebildeten Wandabschnitt 9 des zweiten Gehäuseteils 7 voneinander getrennt. Wie insbesondere der schematischen Darstellung der 8 zu entnehmen ist, ist ein Abstand A1 des Überlappungsbereichs 12 in der Stapelrichtung X von dem Wandabschnitt 9 des Gehäuseteils 7 geringer als ein Abstand A2 des Überlappungsbereichs 12 in der Stapelrichtung X von dem Wandabschnitt 9 der Gehäuseaußenwand 6. Vorliegend beträgt ein Verhältnis V1 des Abstands A1 von dem Wandabschnitt 9 des Gehäusezwischenteils 7 zu dem Abstand A2 des Überlappungsbereichs 12 von der Außenwand 9 des Gehäuseteils 6 ungefähr 1 zu 2, somit $V 1 = \frac{A 1}{A 2} = 0,5.$
Die Messung des Abstands erfolgt jeweils von der geometrischen Mitte zur geometrischen Mitte der jeweiligen Komponenten.
Als besonders vorteilhaft wird es angesehen, wenn die Seitenwände 10 und die Wandabschnitte 9 des jeweiligen Gehäuseteils 6, 7, 8 als einteiliges Bauteil ausgebildet sind. Hingegen können die stirnseitigen Öffnungen der Gehäuseteile 6, 7, 8 durchaus mit einem separaten Bauteil verschlossen sein. Vorzugsweise sind allerdings die die Stirnseiten verschließenden Wandabschnitte integraler Bestandteil des jeweiligen Gehäuseteils 6, 7, 8.
Es ist durchaus denkbar, dass die Fügeabschnitte 11 angrenzend an die Stirnseiten des jeweiligen Gehäuseteils 6, 7, 8 anders gestaltet sind als die Fügeabschnitte 11 im Bereich zwischen den beiden stirnseitigen Enden. So ist beispielsweise bei der in den 4 gezeigten Ausführungsform vorgesehen, dass an den stirnseitigen Enden die Fügeabschnitte 11 in Art einer Nut-Feder-Verbindung ausgebildet sind, wohingegen im Bereich zwischen den beiden stirnseitigen Enden die Fügeabschnitte 11 in Art einer Blattstoßverbindung ausgebildet sind. Dementsprechend weist der Fügeabschnitt 11 der Seitenwand 10 des Gehäusezwischenteils 7 im an die Stirnseite angrenzenden Bereich eine Nut 15 auf, wie insbesondere der 9 zu entnehmen ist. Die Nut 15 ist vorliegend zwischen einem Abschnitt eines stirnseitigen Deckels 16 und der Seitenwand 10 ausgebildet.
Bezugszeichenliste

1: Batteriemodul
2a: Batteriezellenstapel
2b: Batteriezellenstapel
3: Batteriezelle
4: Batteriemodulgehäuse
5a: erste Aufnahmekammer
5b: zweite Aufnahmekammer
6: Gehäuseaußenteil
7: Gehäusezwischenteil
8: Gehäuseaußenteil
9: Wandabschnitt
10: Seitenwand
11: Fügeabschnitt
12: Überlappungsbereich
13: Klebeverbindung
14: Verstärkungselement
15: Nut
16: Deckel
17: Pfeil
X: Stapelrichtung
A1: Abstand
A2: Abstand

ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

DE 102013204180 A1 [0004]

Claims

Batteriemodul (1) für eine Traktionsbatterie eines Kraftfahrzeugs, mit einem Batteriemodulgehäuse (4), mit einem in dem Batteriemodulgehäuse (4) angeordneten Batteriezellenstapel (2), wobei der Batteriezellenstapel (2) mindestens zwei in einer Stapelrichtung (X) hintereinander angeordneten Batteriezellen (3) aufweist, wobei das Batteriemodulgehäuse (4) ein erstes Gehäuseteil (6; 8) und ein zweites Gehäuseteil (7) aufweist, wobei die beiden Gehäuseteile (6; 8) im montierten Zustand des Batteriemodulgehäuses (4) in der Stapelrichtung (X) der Batteriezellen (3) ineinander geschoben sind, derart, dass die beiden Gehäuseteile (6, 7; 7, 8) eine Kraft auf den Batteriezellenstapel (2) ausüben, sodass die Batteriezellen (3) parallel zu der Stapelrichtung (X) mit einer Vorspannkraft beaufschlagt sind.
Batteriemodul (1) nach Anspruch 1, wobei das erste und das zweite Gehäuseteil (6, 7; 7, 8) jeweils einen Fügeabschnitt (11) aufweisen, wobei die Fügeabschnitte (11) in der Stapelrichtung (X) überlappen und die Fügeabschnitte (11) im Überlappungsbereich (12) miteinander verbunden sind.
Batteriemodul nach Anspruch 2, wobei die Fügeabschnitte (11) im Überlappungsbereich (12) stoffschlüssig miteinander verbunden sind.
Batteriemodul nach Anspruch 2 oder 3, wobei das erste und das zweite Gehäuseteil (6, 7; 7, 8) einen senkrecht zu der Stapelrichtung (X) ausgebildeten Wandabschnitt (9) und sich von dem Wandabschnitt (9) parallel zu der Stapelrichtung erstreckende Seitenwände (10) aufweist, wobei die Seitenwände (10) an ihrem distalen Ende zueinander korrespondierende Ausnehmungen und/oder Rücksprünge aufweisen, wobei die Ausnehmungen und/oder Rücksprünge die Fügeabschnitte (11) bilden.
Batteriemodul nach Anspruch 4, wobei die Fügeabschnitte (11) in Art einer Blattstoßverbindung und/oder Nut-Feder-Verbindung ausgebildet sind.
Batteriemodul nach einem der Ansprüche 2 bis 5, wobei die Überlappung der Fügeabschnitte (11) in der Stapelrichtung (X) geringer ist als eine maximal mögliche Überlappung der Fügeabschnitte (11) in der Stapelrichtung (X).
Batteriemodul nach einem der Ansprüche 2 bis 6, wobei an einer Außenseite der beiden Gehäuseteile (6, 7; 7, 8) ein Verstärkungselement (14) angebracht ist, wobei das Verstärkungselement (14) die beiden Gehäuseteile (6, 7; 7, 8) in der Stapelrichtung (X) überlappt.
Batteriemodul nach einem der Ansprüche 1 bis 7, wobei das Batteriemodulgehäuse (4) zumindest zwei in Stapelrichtung (X) hintereinander ausgebildete Aufnahmekammern (5a, 5b) aufweist, wobei in der jeweiligen Aufnahmekammer (5a, 5b) zumindest ein Batteriezellenstapel (2) mit zumindest zwei in Stapelrichtung (X) hintereinander angeordneten Batteriezellen (3) angeordnet ist, wobei ein senkrecht zu der Stapelrichtung (X) ausgebildeter Wandabschnitt (9) des ersten Gehäuseteils (6; 8) eine Außenwand des Batteriemodulgehäuses (4) bildet, wobei die zwei Aufnahmekammern (5a, 5b) durch einen senkrecht zu der Stapelrichtung (X) ausgebildeten Wandabschnitt (9) des zweiten Gehäuseteils (7) voneinander getrennt sind, wobei ein Abstand (A1) des Überlappungsbereichs (12) in der Stapelrichtung (X) von der Zwischenwand (9) geringer ist als ein Abstand (A2) des Überlappungsbereichs (12) in der Stapelrichtung (X) von der Außenwand (9).
Batteriemodul nach Anspruch 8, wobei ein Verhältnis (V1) des Abstands (A1) des Überlappungsbereichs (12) in der Stapelrichtung (X) von der Zwischenwand (9) zu dem Abstand (A2) des Überlappungsbereichs (12) in der Stapelrichtung von der Außenwand (9) zwischen 0,25 bis 0,55 beträgt, vorzugsweise 0,5 beträgt: $V 1 = \frac{A 1}{A 2} = 0,25 b i s 0,55.$
Traktionsbatterie für ein Kraftfahrzeug, wobei die Traktionsbatterie zumindest zwei Batteriemodule (1) aufweist, wobei das jeweilige Batteriemodul (1) ein Batteriemodulgehäuse (4) mit einem in dem Batteriemodulgehäuse (4) angeordneten Batteriezellenstapel (2) aufweist, wobei der jeweilige Batteriezellenstapel (2) mindestens zwei in einer Stapelrichtung (X) hintereinander angeordneten Batteriezellen (3) aufweist, wobei das Batteriemodulgehäuse (4) ein erstes Gehäuseteil (6; 8)und ein zweites Gehäuseteil (7) aufweist, wobei die beiden Gehäuseteile (6, 7; 7, 8) im montierten Zustand des Batteriemodulgehäuses (4) in der Stapelrichtung (X) der Batteriezellen (3) ineinander geschoben sind, derart, dass die beiden Gehäuseteile (6, 7; 7, 8) eine Kraft auf den Batteriezellenstapel (2) ausüben, sodass die Batteriezellen (3) parallel zu der Stapelrichtung (X) mit einer Vorspannkraft beaufschlagt sind, wobei das erste und das zweite Gehäuseteil (6, 7; 7, 8) des jeweiligen Batteriemoduls (1) unterschiedlich weit ineinandergeschoben sind.
Verfahren zum Herstellen eines Batteriemoduls (1), wobei das Verfahren die folgenden Verfahrensschritte aufweist: - Bereitstellen eines ersten Gehäuseteils (6; 8) eines Batteriemodulgehäuses (4) und eines zweiten Gehäuseteils (7) des Batteriemodulgehäuses (4), - Bereitstellen eines Batteriezellenstapels (2), wobei der Batteriezellenstapel (2), mindestens zwei in einer Stapelrichtung (X) hintereinander angeordneten Batteriezellen (2) aufweist, - Einbringen des Batteriezellenstapels (2) in das erste Gehäuseteil (6; 8), - Ineinanderschieben des ersten Gehäuseteils (6; 8) und des zweiten Gehäuseteils (7) in Stapelrichtung (X) der Batteriezellen (2), wobei das Ineinanderschieben kraftgesteuert erfolgt, derart, dass die beiden Gehäuseteile (6, 7; 7, 8) eine vordefinierte Kraft auf den Batteriezellenstapel (2) ausüben, sodass die Batteriezellen (2) parallel zu der Stapelrichtung (X) mit einer vordefinierten Vorspannkraft beaufschlagt sind, - Verbinden der beiden Gehäuseteile (6, 7; 7, 8) miteinander.