DE102022129393A1

DE102022129393A1 - Zelltrennelement zur Anordnung zwischen zwei Batteriezellen, Verfahren zum Herstellen eines Zelltrennelements und Verfahren zum Herstellen eines Batteriemoduls

Info

Publication number: DE102022129393A1
Application number: DE102022129393.9A
Authority: DE
Inventors: Jürgen Gerbrand; Özgür Aktas; Jürgen Stegmaier; Christian Gert Voigt
Original assignee: Audi AG; Volkswagen AG
Current assignee: Audi AG; Volkswagen AG
Priority date: 2022-11-08
Filing date: 2022-11-08
Publication date: 2024-05-08

Abstract

Die Erfindung betrifft ein Zelltrennelement (11) zur Anordnung zwischen zwei Batteriezellen (28) einer Batterie (26), wobei das Zelltrennelement (11) ein mit einem Gas (16) gefülltes Kissen (10) umfasst, das eine Länge (L) in einer ersten Richtung (x), eine Breite (H) in einer zweiten Richtung (z) und eine Dicke (D; D1, D2, D3, D4) in einer dritten Richtung (y) aufweist, und das eine erste Wand (12) mit einem ersten geschlossen umlaufenden Randbereich (12a) aufweist, und eine bezüglich der dritten Richtung (y) gegenüberliegende zweite Wand (14), die einen geschlossen umlaufenden zweiten Randbereich (14a) aufweist, wobei die erste und zweite Wand (12, 14) derart flexibel ausgebildet sind, dass die Dicke (D; D1, D2, D3, D4) des Kissens (10) bei Kraftbeaufschlagung (K) des Kissens (10) von außen in der dritten Richtung (y) änderbar ist. Dabei ist der erste Randbereich (12a) mit dem zweiten Randbereich (14a) durch eine durchgehende Fügeverbindung (20, 20') gasdicht gefügt ist.

Description

Die Erfindung betrifft ein Zelltrennelement zur thermischen Abschirmung zweier Batteriezellen und zur Anordnung zwischen den zwei Batteriezellen einer Batterie, wobei das Zelltrennelement ein mit einem Gas gefülltes Kissen umfasst, das eine Länge in einer ersten Richtung, eine Breite in einer zweiten Richtung und eine Dicke in einer dritten Richtung aufweist, wobei das Kissen eine erste Wand mit einem ersten geschlossenen umlaufenden Randbereich aufweist, der die erste Wand in und entgegen der ersten Richtung und in und entgegen der zweiten Richtung begrenzt, wobei das Kissen eine der ersten Wand bezüglich der dritten Richtung gegenüberliegende zweite Wand aufweist, die einen geschlossenen, umlaufenden zweiten Randbereich aufweist, der die zweite Wand in und entgegen der ersten Richtung und in und entgegen der zweiten Richtung begrenzt, wobei zwischen der ersten und zweiten Wand ein mit dem Gas befüllter Hohlraum gebildet ist. Dabei sind die erste und zweite Wand derart flexibel ausgebildet, dass eine Dicke des Kissens bei Kraftbeaufschlagung des Kissens von außen in der dritten Richtung änderbar ist. Des Weiteren betrifft die Erfindung auch ein Verfahren zum Herstellen eines Zelltrennelements, sowie ein Verfahren zum Herstellen eines Batteriemoduls.
Batteriezellen für Kraftfahrzeugbatterien, insbesondere Hochvolt-Batterien, wie zum Beispiel Lithium-Ionen-Zellen, schwellen im Laufe ihrer Lebensdauer typischerweise an. Aufgrund solcher alterungsbedingten Vergrößerungen der Batteriezellen, die auch als Swelling bezeichnet werden, und der ladebedingten Vergrößerung, die auch als Breathing bezeichnet wird, treten in einem solchen Hochvoltmodul sehr große Kräfte und damit Deformationen zur ursprünglichen Geometrie auf. Um die Ausdehnung der Zellen zu kompensieren, werden dabei typischerweise Spacer aus unterschiedlichsten Materialien zwischen die Zellen eingesetzt, die vorliegend auch als Zelltrennelemente bezeichnet werden. Vorteilhaft wäre es dabei, wenn solche Elemente sehr gute thermische Isolationseigenschaften besitzen würden, um im Falle einer thermisch durchgehenden Zelle ein thermisches Übergreifen auf Nachbarzellen zu verhindern oder zumindest zeitlich hinauszuzögern. Daher werden solche Spacer im Stand der Technik aus Fasermaterialien hergestellt. Dadurch ergeben sich jedoch sehr schlechte Deformationseigenschaften und ein großes Blockmaß, um die Ausdehnung der Zellen zu kompensieren.
Weiterhin ist es aus dem Stand der Technik bekannt, einen Beutel zwischen zwei Batteriezellen in einem Batteriemodul zu positionieren und diesen mit einem Fluid über ein im Beutel vorgesehenes Ventil zu befüllen, zum Beispiel mit Luft. Dies ist beispielsweise in der DE 10 2020 110 635 A1 beschrieben. Hierdurch sollen die Batteriezellen zueinander fixiert und miteinander verspannt werden. Eine ähnliche Vorgehensweise ist auch in der DE 10 2008 037 039 A1 beschrieben.
Weiterhin beschreibt die DE 10 2019 204 652 A1 einen Akkumulator mit Akkumulatorzellen und einem Wandel-Zwischenstück, das im zweiten Zustand eine größere Dicke aufweist als im ersten Zustand. Hierdurch wird ein vereinfachtes Anordnen der Akkumulatorzellen und des Zwischenelements beziehungsweise Zwischenstücks erzielt, wenn ein Beaufschlagen beziehungsweise Vorspannen der Akkumulatorzellen erst dann durch Überführen des Zwischenstücks in den zweiten Zustand mit der größeren Dicke erfolgt, wenn die Akkumulatorzellen und das Zwischenstück im Gehäuse bereits angeordnet sind.
Grundsätzlich können durch ein mit Gas befülltes Kissen sehr gute thermisch isolierende Eigenschaften bereitgestellt werden. Die beschriebenen Beutel, die aus dem Stand der Technik bekannt sind, sind einerseits jedoch sehr aufwendig und komplex zu fertigen, und auch die Anordnung im Modul gestaltet sich sehr aufwendig. Beispielsweise muss jeder Beutel mit einem eigenen Ventil versehen sein oder mit einer ähnlichen Befüllungsschnittstelle und andererseits müssen all diese Beutel, wenn diese in ihrer bestimmungsgemäßen Position innerhalb des Batteriemoduls angeordnet sind, in geeigneter Weise mit einem Fluid befüllt werden. Dadurch gestaltet sich die Fertigung eines Batteriemoduls insgesamt sehr langwierig und aufwendig.
Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es daher, ein Zelltrennelement und ein Verfahren bereitzustellen, die es ermöglichen, auf möglichst einfache und kostengünstige Weise für eine gute thermische Isolation zwischen Batteriezellen und für gute Deformationseigenschaften zu sorgen.
Diese Aufgabe wird gelöst durch ein Zelltrennelement und ein Verfahren mit den Merkmalen gemäß den jeweiligen unabhängigen Patentansprüchen. Vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung sind Gegenstand der abhängigen Patentansprüche, der Beschreibung sowie der Figuren.
Ein erfindungsgemäßes Zelltrennelement zur thermischen Abschirmung zweier Batteriezellen und zur Anordnung zwischen den zwei Batteriezellen einer Batterie umfasst ein mit einem Gas gefülltes Kissen, das eine Länge in einer ersten Richtung, eine Breite in einer zweiten Richtung und eine Dicke in einer dritten Richtung aufweist, wobei das Kissen eine erste Wand mit einem ersten geschlossenen umlaufenden Randbereich aufweist, der die erste Wand in und entgegen der ersten Richtung und in und entgegen der zweiten Richtung begrenzt, wobei das Kissen eine der ersten Wand bezüglich der dritten Richtung gegenüberliegende zweite Wand aufweist, die einen geschlossenen, umlaufenden zweiten Randbereich aufweist, der die zweite Wand in und entgegen der ersten Richtung und in und entgegen der zweiten Richtung begrenzt, wobei zwischen der ersten und zweiten Wand ein mit dem Gas befüllter Hohlraum gebildet ist. Dabei sind die erste und zweite Wand derart flexibel ausgebildet, dass die Dicke des Kissens bei Kraftbeaufschlagung des Kissens von außen in der dritten Richtung änderbar ist. Weiterhin ist der erste Randbereich mit dem zweiten Randbereich durch eine durchgehende Fügeverbindung gasdicht gefügt.
Die Erfindung beruht dabei auf der Erkenntnis, dass das im Hohlraum befindliche Gas zwischen den beiden Kissenwänden bereits während des Fügevorgangs zum Fügen der beiden Randbereiche der Wände eingeschlossen werden kann und nicht erst nachträglich eingefüllt werden muss. Damit kann das Kissen also derart bereitgestellt werden, insbesondere bereits in einem noch nicht verbauten oder im Batteriemodul angeordneten Zustand, dass es mit Gas gefüllt und im Randbereich mit einer durchgehenden Fügeverbindung gasdicht gefügt ist. Dies hat den großen Vorteil, dass keine Einfüllstelle am Kissen vorgesehen werden muss. Das Kissen muss also nicht mit einem Ventil oder einer sonstigen Öffnung, auch keiner selbstverschließbaren Öffnung, ausgestaltet werden. Die Kissenwände können beispielsweise ausbauchend vorgeformt werden und dann miteinander durch eine umlaufende Fügeverbindung miteinander gefügt werden. Dadurch befindet sich dann automatisch auch Gas, zum Beispiel Luft, in dem zwischen den Wänden befindlichen Hohlraum. Dies erlaubt zudem eine besonders einfache Herstellung eines solchen Kissens. Zusätzliche Elemente und aufwendige Fügestellen, in die Ventile oder ähnliches integriert sind, können somit vermieden werden. Außerdem ermöglicht dies eine besonders einfache Herstellung eines Batteriemoduls, denn ein solches Kissen kann in einem bereits mit Gas befüllten Zustand in ein Batteriemodul eingebracht werden. Um die Kissen zwischen den Zellen zu positionierenden, können Zellen und Kissen zum Beispiel einfach abwechselnd aneinander gestapelt werden. Anschließend kann ein solcher Zellstapel durch eine herkömmliche Verspanneinrichtung in Stapelrichtung verspannt werden. Ein aufwendiges Befüllen solcher Kissen mit Gas in einem bereits im Modul angeordneten Zustand kann somit ebenfalls vorteilhafterweise vermieden werden. Somit können vorteilhafterweise die großen Vorteile eines mit Gas gefüllten Kissens genutzt werden, nämlich die guten thermisch isolierenden Eigenschaften in Kombination mit den guten Deformationseigenschaften bei externer Kraftbeaufschlagung, und gleichzeitig lässt sich ein solches Kissen auf besonders einfache und kostengünstige und vor allem schnelle Weise herstellen und in ein Batteriemodul integrieren.
Bei dem Gas kann es sich zum Beispiel um Luft handeln oder auch um ein Edelgas, zum Beispiel Krypton oder Xenon. Die Verwendung eines Edelgases hat gegenüber Luft noch den großen Vorteil, dass sich hierdurch die Wärmeleitfähigkeit des Kissens nochmals deutlich reduzieren lässt. Die thermisch isolierenden Eigenschaften können dadurch weiter verbessert werden.
Ein Gas kann im Allgemeinen als eine Substanz definiert sein, die bei Standardbedingungen oder Normalbedingungen gasförmig ist. Als Standardbedingungen oder Normalbedingungen kann zum Beispiel eine Temperatur von 0 Grad Celsius und ein Umgebungsdruck von 1 bar definiert sein oder auch eine Temperatur von 20 Grad Celsius und ein Umgebungsdruck von einer Atmosphäre, das heißt 1,01325 bar.
Dass das Kissen dabei mit Gas befüllt ist, soll dabei so vorzugsweise so verstanden werden, dass im Kissen bzw. im Hohlraum ausschließlich oder im Wesentlichen ausschließlich Gas ist und kein makroskopischer Festkörper oder eine größere Menge an Flüssigkeit. Dabei kann im Kissen auch ein Gasgemisch aufgenommen sein kann, welches sich aus verschiedenen Gasen zusammensetzt, jedoch soll im Kissen, genauer gesagt in dem zwischen der ersten und zweiten Wand gebildeten Hohlraum, keine nennenswerte Menge einer von einem Gas verschiedenen Substanz, zum Beispiel einer Flüssigkeit oder einem Feststoff beziehungsweise Festkörper aufgenommen sein. Eventuell in einem Gas enthaltene Festkörperpartikel, wie zum Beispiel Staub oder ähnliches, sollen dabei nicht ausgeschlossen sein, genauso wenig wie eine gewisse Luftfeuchtigkeit. Als Gas kann somit auch ein Gas-Partikel-Gemisch mit Kleinstteilchen aufgefasst werden oder auch Luft mit einer gewissen Luftfeuchtigkeit. Grundsätzlich soll aber ein Gas den Großteil dessen ausmachen, was sich im Hohlraum befindet bezogen auf eine Gesamtmasse der Füllung des Hohlraums. Grundsätzlich ist es aber auch denkbar, dass zumindest ein Teil des Hohlraums mit einer Flüssigkeit, z.B. Wasser, befüllt ist. Gerade im Falle eines thermischen Durchgehens einer zum Zelltrennelement benachbart angeordneten Batteriezelle ist dies besonders vorteilhaft, da durch die Erhitzung die Flüssigkeit verdampft. Durch diesen Phasenübergang wird sehr viel Energie, vorliegend thermische Energie absorbiert. Damit isoliert das Zelltrennelement thermisch besonders gut.
Grundsätzlich kann das Kissen jede beliebige Geometrie aufweisen, und zum Beispiel auch kreisförmig ausgebildet sein. Die Geometrie des Kissens ist jedoch bevorzugt an die Geometrie der Batteriezellen angepasst, zwischen denen das Kissen angeordnet werden soll. Das Kissen wird dabei bevorzugt zwischen Zellen angeordnet, die als Pouchzellen oder prismatische Batteriezellen ausgebildet sind. Diese Batteriezellen weisen typischerweise eine im Wesentlichen rechteckige Seitenflächen senkrecht zur Stapelrichtung betrachtet auf. Entsprechend ist es bevorzugt, dass auch das Kissen eine rechteckige Geometrie aufweist. Bei einer bestimmungsgemäßen Einbaulage des Kissens in einem Batteriemodul korrespondiert dabei die dritte Richtung zur Stapelrichtung. Entsprechend ist es bevorzugt, dass die erste Wand sowie auch die zweite Wand jeweils eine rechteckige Geometrie aufweisen. Weiterhin ist es bevorzugt, dass die oben definierten ersten, zweiten und dritten Richtungen zueinander senkrecht stehen. Mit anderen Worten soll die erste Richtung bevorzugt senkrecht zur zweiten und dritten Richtung sein, sowie auch die zweite Richtung bevorzugt senkrecht zur dritten Richtung. Des Weiteren ist es sehr vorteilhaft, wenn eine Länge und Breite des Kissens deutlich größer ist als eine Dicke des Kissens in der dritten Richtung, insbesondere um mindestens eine Faktor 10. Die Länge und Breite kann dabei im Allgemeinen mehrere Zentimeter betragen, während die Dicke des Kissens an der dicksten Stelle bevorzugt maximal ein Zentimeter, vorzugsweise jedoch deutlich weniger beträgt.
Unter einem geschlossen umlaufenden Randbereich soll dabei ein Randbereich verstanden werden, der entlang einer geschlossenen Randkontur verläuft, z.B. um eine Mitte der jeweiligen und zweiten Wand bezogen auf die erste und zweite Richtung. Im Falle eines rechteckigen Kissens beziehungsweise im Falle von rechteckigen Seitenwänden ist entsprechend auch der geschlossen umlaufende Randbereich rechteckig. Im Falle eines runden Kissens beispielsweise wäre entsprechend auch der Randbereich rund. Der Randbereich kann dabei einen Rand bzw. eine Kante der betreffenden Wand umfassen, zum Beispiel den oberen und unteren sowie auch den linken und rechten Rand der ersten Wand beziehungsweise zweiten Wand, muss jedoch auf diesen Rand nicht beschränkt sein, sondern kann ein Stück weit in Richtung der Mitte der betreffenden Wand erstecken. Beispielsweise kann sich der Randbereich ausgehend vom Rand der jeweiligen Wand in Richtung der Mitte um eine Länge erstrecken, die vorzugsweise ebenfalls nur wenige Millimeter beträgt, zum Beispiel maximal 10 Millimeter.
Weiterhin ist es bevorzugt, dass das Kissen in der dritten Richtung nicht nur flexibel, sondern elastisch deformierbar ist. Dadurch kann vor allem auch ein Breathing der Zellen sehr gut kompensiert werden. Das Kissen kann sich damit in der dritten Richtung dem zyklischen An- und Abschwellen der Zellen durch ein korrespondierendes, elastisches Variieren seiner Dicke sehr gut anpassen.
Die erste und die zweite Wand grenzen weiterhin bevorzugt direkt an den durch diese begrenzten Hohlraum an. Außerdem wird der Hohlraum ausschließlich durch Bereiche der ersten und der zweiten Wand begrenzt. Das Kissen weist damit also keine weiteren den Hohlraum begrenzenden Elemente auf. Durch die luftdichte bzw. gasdichte Fügeverbindung ist dieser Hohlraum hermetisch abgeschlossen. Auch die Wände an sich sind luftdicht bzw. gasdicht ausgebildet und weise keine Schnittstell, oder Ventile oder ähnliches auf, um dem Kissen Gas zuzuführen oder aus diesem abzuführen, zumindest nicht ohne die Funktion des Kissens zu beinträchtigen oder dieses zu zerstören. Es ist also nicht möglich, ohne eine Zerstörung des Kissens weitere Luft in das Kissen, insbesondere in dessen Hohlraum, einzubringen, oder Luft aus dem Hohlraum abzulassen. Das Kissen weist also keinerlei Ventile oder andere selbstverschließende Öffnungen oder ähnliches auf. Das Befüllen des Hohlraums mit Gas erfolgt also bereits vor oder während des Fügevorgangs zum Fügen der beiden Randbereiche der ersten und zweiten Wand, und nicht nachträglich.
Unter einem Kissen kann im Allgemeinen auch ein Beutel oder eine Tasche oder ähnliches verstanden werden. Ein solches gasgefülltes Kissen hat als Zelltrennelement den großen Vorteil, dass sich dadurch genau einstellbare Druckverhältnisse als Gegenkraft der Zelle bereitstellen lassen, perfekte elastische Eigenschaften über Lebenszeit durch die Gasfüllung bereitstellen lassen, zudem sehr gute Isolationseigenschaften durch das Gaspolster zwischen den Zellen bereitstellen lassen und außerdem kann eine zusätzliche Ausdehnung des Gaspolsters bei einem thermischen Durchgehen einer Zelle durch die Volumenvergrößerung des Gases über die hohe Temperatursteigerung und dadurch eine noch bessere Isolation und ein Wegdrücken der heißen Zelle von den zu schützenden Zellen erreicht werden. Durch das gasgefüllte Kissen lässt sich also zusätzlich noch ein Sicherheitsmechanismus im Falle eines thermischen Durchgehens einer Batteriezelle integrieren, wie dieser nachfolgend noch näher erläutert wird.
Die Dicke des Kissens in der dritten Richtung muss dabei im unverbauten Zustand des Zelltrennelements, das heißt ohne zusätzliche externe Kraftbeaufschlagung, abgesehen von einem vorherrschenden zu Standardbedingungen korrespondierenden Umgebungsdruck, nicht notwendigerweise über das Kissen hinweg, d.h. im Verlauf in der ersten und/oder zweiten Richtung, konstant sein, sondern kann zum Beispiel im Verlauf in der ersten und/oder zweiten Richtung variieren. Insbesondere kann die Dicke des Kissens ausgehend von einer Mitte des Kissens bezogen auf die erste und zweite Richtung hin zum ersten beziehungsweise zweiten Randbereich abnehmen.
Bei einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung ist die erste Wand durch eine erste Folie und die zweite Wand durch eine zweite Folie bereitgestellt, die jeweils aus einem Material gebildet sind, welches temperaturbeständig bis zu einer Temperatur von mindestens 800 °C ausgebildet ist. Dies hat den großen Vorteil, dass das Zelltrennelement zusätzlich eine Sicherheitsfunktion im Falle eines thermischen Durchgehens einer Batteriezelle übernehmen kann. Im Zuge eines solchen thermischen Durchgehens können in einer Zelle sehr hohe Temperaturen, insbesondere bis 800 °C und mehr entstehen. Entsprechend ist es sehr vorteilhaft, wenn die erste und zweite Wand aus einem sehr temperaturbeständigen Material gebildet sind, welches solchen hohen Temperaturen folglich standhält. Auch die Fügeverbindung zwischen der ersten und zweiten Wand soll entsprechend temperaturbeständig ausgebildet sein. Als Fügeverbindung ist also entsprechend eine Klebeverbindung weniger bevorzugt. Grundsätzlich ist es denkbar, dass die erste und zweite Wand aus verschiedenen Materialien gebildet sind, vorzugsweise sind sie jedoch aus dem gleichen Material. Durch die Ausbildung als Folie sind die jeweiligen Wände extrem dünn ausgestaltet. Die Wandstärke einer solchen Folie kann, wie nachfolgend noch näher erläutert, beispielsweise nur 100 µm betragen. Damit ist es vorteilhafterweise möglich, auch bei Verwendung eines sehr temperaturstabilen Materials für die erste und die zweite Wand, zum Beispiel Stahl oder Edelstahl, dennoch ein Kissen mit ausreichend hoher Flexibilität und Elastizität bereitzustellen.
Entsprechend stellt es eine weitere sehr vorteilhafte Ausgestaltung der Erfindung dar, wenn das Material ein Metall oder eine Legierung mit einem Schmelzpunkt oberhalb von 800 °C ist, insbesondere Stahl oder Edelstahl. Die erste und die zweite Wand sind also bevorzugt als Stahlfolien und/oder Edelstahlfolien ausgebildet. Dadurch lässt sich vorteilhafterweise ein gasgefülltes Kissen bereitstellen, welches auch Temperaturen standhält, wie sie typischerweise im Falle eines thermischen Durchgehens einer Batteriezelle auftreten. Dadurch kann das Kissen so ausgelegt werden, dass dieses auch im Falle eines thermischen Durchgehens einer Batteriezelle seine Gasdichtigkeit nicht verliert, selbst wenn das Kissen dabei direkt an die thermisch durchgehende Batteriezelle angrenzt und diese physisch kontaktiert. Durch die in einer solchen thermisch durchgehenden Batteriezelle entstehende Hitze erwärmt sich das Gas, welches im Hohlraum des Kissens aufgenommen ist. Dadurch dehnt sich das Volumen des Gases aus, was zu einem Aufblähen des Kissens führt. Dadurch wird die angrenzende Batteriezelle von der thermisch durchgehenden Batteriezelle weggedrückt. Dies schafft eine zusätzliche thermische Barriere zwischen der thermisch durchgehenden Batteriezelle und zum Beispiel den Nachbarzellen.
Bei einer weiteren sehr vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung stellt die Fügeverbindung eine Schweißverbindung und/oder eine Umformverbindung dar, insbesondere eine luftdichte bzw. gasdichte Bördelverbindung und/oder Falzverbindung. Bevorzugt ist die Fügeverbindung als eine Schweißverbindung ausgestaltet. Durch eine solche Schweißverbindung lässt sich eine sehr stabile Fügeverbindung zwischen den beiden Folien beziehungsweise Wänden des Kissens bereitstellen, die zudem auch sehr hohen Drücken standhalten kann. Außerdem ist eine Schweißverbindung sehr einfach luftdicht bzw. gasdicht auszuführen. Ein besonders großer Vorteil des Vorsehens einer solchen Schweißverbindung besteht vor allem aber darin, dass sich eine solche Schweißverbindung mittels neuester Schweißtechniken auf extrem schnelle Weise bereitstellen lässt. Da für die Herstellung eines Batteriemoduls beziehungsweise einer gesamten Hochvolt-Batterie für ein Kraftfahrzeug vielzählige Zellen und entsprechend auch Zelltrennelemente von Nöten sind, kann durch eine zeitsparende Herstellmöglichkeit insgesamt sehr viel Fertigungszeit eingespart werden. Nichts desto weniger ist es auch denkbar, die Fügeverbindung als eine Umformverbindung auszubilden, zum Beispiel als Bördelverbindung und/oder Falzverbindung. Gemäß einer solchen Umformverbindung können die die beiden Randbereiche mehrfach miteinander bzw. zueinander gefaltet werden und dieser Faltbereich verpresst werden. Im Zuge eines solchen Umformverfahrens können dann ähnlich wie beim luftdichten Verschließen von Konservenbüchsen oder Konservendosen die Randbereiche der ersten und zweiten Wand miteinander geeignet umgebogen und gefaltet werden, um eine luftdichte bzw. gasdichte Fügeverbindung herzustellen. Auch derartige Umformverbindungen lassen sich extrem einfach und kostengünstig herstellen. Dies macht wiederum die Herstellung eines solchen Zelltrennelements auf besonders kostengünstige Weise möglich.
Bei einer weiteren sehr vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung ist durch den ersten und zweiten Randbereich ein Gesamtrandbereich bereitgestellt, wobei das Kissen einen geschlossenen umlaufenden Rahmen, insbesondere aus Elastomer, aufweist, der den einen durch den ersten und zweiten Randbereich bereitgestellten Gesamtrandbereich einfasst und dabei einen ersten Abschnitt aufweist, der durchgehend umlaufend auf dem ersten Randbereich aufliegt und einen zweiten Abschnitt aufweist, der durchgehend umlaufend auf dem zweiten Randbereich aufliegt.
Beispielsweise kann dieser Rahmen, insbesondere Elastomerrahmen, eine Nut aufweisen, in welcher der Gesamtrandbereich angeordnet ist. Der Rahmen kann dabei sowohl einteilig als auch zweiteilig ausgeführt sein. Im Falle einer zweiteiligen Ausführung kann zum Beispiel der erste Abschnitt auf dem ersten Randbereich und der zweite Abschnitt auf dem zweiten Randbereich angeordnet sein, ohne dass die beiden Abschnitte miteinander verbunden sein müssen oder sich überhaupt berühren müssen. Der Rahmen kann aber auch einen Verbindungsabschnitt aufweisen, der den ersten und den zweiten Abschnitt, insbesondere stoffschlüssig bzw. materialschlüssig, miteinander verbindet. Der Rahmen kann zum Beispiel in einem Querschnitt senkrecht zur ersten und/oder zweiten Richtung eine U-förmige Querschnittsfläche bzw. Querschnittsgeometrie aufweisen. Das Vorsehen eines solchen Rahmens hat den großen Vorteil, dass, wenn das Kissen zwischen zwei Zellen angeordnet und zwischen den Zellen verspannt ist, durch die ausgehend von den Zellen auf das Kissen ausgeübten Druckkräfte auch eine entsprechende Druckkraft auf diesen Rahmen, insbesondere in und entgegen der dritten Richtung, ausgeübt werden kann, wodurch der Rahmen diese Druckkraft auf die im Gesamtrandbereich befindliche Fügeverbindung überträgt. Mit anderen Worten wird durch den Rahmen zusätzlich die Stabilität der Fügeverbindung erhöht. Der Rahmen verbreitert sozusagen das Kissen im Randbereich, dessen Dicke wie oben beschrieben in Richtung des Randbereichs abnehmen kann. Der Rahmen ist dabei von seinen Abmessungen bezogen auf die dritte Richtung so dick ausgeführt, dass er in einem Zustand des Kissens, in welchem das Kissen bestimmungsgemäß zwischen zwei Batteriezellen in einem verspannten Batteriemodul angeordnet ist, beide benachbarten Batteriezellen berührt und insbesondere an diesen anliegt. Damit ist auch eine Kraftübertragung von den Zellen auf den Rahmen und damit auf die Fügeverbindung möglich. Vor allem im Laufe der Alterung der Batteriezellen schwellen diese zunehmend an, wodurch das Kissen im zentralen Bereich zunehmen komprimiert wird. Dadurch erhöht sich auch die Beanspruchung der Fügestelle durch das in Richtung des Randbereichs verdrängten Gases im Hohlraum des Kissens. Durch den umlaufenden Rahmen kann die Fügestelle also zusätzlich entlastet bzw. stabilisiert werden und ein Gegendruck aufgebaut werden. Die Ausbildung aus einem Elastomer ist dabei sehr vorteilhaft, da vor allem Batteriezellen im Randbereich sehr sensibel sein können und eine Beschädigung der anliegenden Batteriezellen durch die Elastizität und/oder Nachgiebigkeit des Rahmenmaterials damit verhindert werden kann.
Bei einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung weist die erste und/oder zweite Wand eine Wandstärke von weniger als 1 mm und mehr als 1 µm auf, insbesondere eine Wandstärke zwischen 50 µm und 150 µm, zum Beispiel 100 µm. Dies erlaubt eine besonders schmale Ausbildung des Kissens in der dritten Richtung an sich, sowie die Bereitstellung einer ausreichenden mechanischen Stabilität, selbst bei starker Erhitzung. Zudem kann hierdurch eine sehr gute thermische Isolation im Falle eines thermischen Durchgehens einer angrenzenden Batteriezelle bereitgestellt werden, da die Wandstärke der metallischen Wände sehr klein ist im Vergleich zur Gesamtdicke des Kissen, vor allem wenn sich dieses erhitzt und das Gas sich ausdehnt. Zudem ist es durch eine solche Wandstärke, vor allem in Kombination mit einer metallischen Ausbildung der Wände möglich, diese Wände vorzuformen. Die Wände können z.B. so ausgebildet sein, dass sie unter ihrem eigenen Gewicht ausreichend formstabil sind, und nicht in sich zusammenfallen oder ähnliches, so dass es möglich ist, die Wände erst vorzuformen und dann aneinander zu fügen und dabei gleichzeitig das Gas im Innenraum beziehungsweise Hohlraum einzuschließen, ohne dass dafür grundsätzlich noch irgendwelche Zusatzmaßnahmen erforderlich wären. Aber es ist auch möglich, die Wände während des Vorformens zu stabilisieren oder zu stützen, vorzugsweise durch Unterdruck in Position zu halten während die Randbereiche aneinander gefügt werden. Dies erlaubt eine sehr einfache Fertigung.
Bei einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung weist das Kissen unter Standardbedingungen und ohne zusätzliche externe Kraftbeaufschlagung eine maximale Dicke in der ersten Richtung zwischen 1 mm und 10 mm auf, insbesondere zwischen 1 mm und 5 mm, zum Beispiel 3 mm. Insbesondere ist es bevorzugt, dass das Kissen im nicht verbauten Zustand, das heißt wie hier beschrieben unter Standardbedingungen und ohne zusätzliche externe Kraftbeaufschlagung beispielsweise eine maximale Dicke von 3 mm aufweist, das heißt, das Kissen hat an seiner dicksten Stelle eine Dicke von 3 mm, und im verbauten Zustand zu Beginn der Lebensdauer eines Batteriemoduls wird dieses auf eine Dicke bezogen auf die gleiche Stelle, z.B. der Mitte des Kissens in Bezug auf die zweite und erste Richtung, von 1 mm komprimiert. Am Ende der Lebensdauer verringert sich die Dicke an dieser Stelle auf einen Wert, der zum Beispiel im Bereich von 0,3 mm liegen kann. So kann insgesamt ein sehr bauraumeffizientes Zelltrennelement bereitgestellt werden.
Gemäß einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung ist vorgesehen, dass das Kissen ein erstes Kissen darstellt und das Zelltrennelement ein mit einem Gas gefülltes zweites Kissen umfasst, das bezüglich der dritten Richtung neben dem ersten Kissen angeordnet ist, so dass sich in der dritten Richtung zwischen dem ersten und dem zweiten Kissen ein Zwischenraum befindet. Durch das Vorsehen eines zusätzlichen zweiten Kissens ist es möglich, mehr Anpassungsmöglichkeiten bezüglich der Kompressionseigenschaften, Deformationseigenschaft, Elastizitätseigenschaften und thermischen Isolationseigenschaften bereitzustellen. Vor allem die thermische Isolation, die durch das Zelltrennelement bereitgestellt werden kann, lässt sich hierdurch enorm steigern. Die thermischen Isolationseigenschaften lassen sich vor allen Dingen durch den Zwischenraum zwischen den beiden Kissen erhöhen.
Das zweite Kissen kann wie das erste Kissen ausgebildet sein. Die zuvor beschriebenen Ausführungsformen des Kissens, insbesondere des ersten Kissens, sollen entsprechend auch alle für das zweite Kissen gelten. Zur Bereitstellung dieses Zwischenraums gibt es mehrere Möglichkeiten, die nachfolgend noch näher erläutert werden. Der Zwischenraum kann dabei vollständig oder nur teilweise offen sein, so dass ein Luftaustausch und Druckausglich mit der Umgebung möglich ist, oder er kann auch vollständig oder nur teilweise geschlossen sein, so dass zumindest für die geschlossenen Teile kein Luftaustausch mit der Umgebung möglich ist. Dies ermöglicht es wiederum, den Zwischenraum oder zumindest einen Teil davon, mit einem von Luft verschiedenen Fluid, insbesondere einem Gas und/oder einer Flüssigkeit zu befüllen, wie später erläutert. Die beiden vom Zelltrennelement umfassten Kissen können sich trotz des vorhandenen Zwischenraums berühren. Beispielsweise könne die einander zugewandten Kissenwände mit geeigneten Abstützausformungen gebildet sein, zwischen denen sich beim aneinander Anordnen der beiden Kissen Freiräume bzw. Zwischenräume ergeben. Die Kissen können aber auch in der dritten Richtung beabstandet sein und sich nicht berühren. Zwischen den Kissen kann z.B. ein Distanzelement angeordnet sein.
Gemäß einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung ist vorgesehen, dass zwischen dem ersten und zweiten Kissen ein Distanzelement angeordnet ist, das sich über einen Großteil der Länge und/oder Breite des ersten und zweiten Kissens und insbesondere im Wesentlichen über die gesamte Länge und/oder Breite des ersten und zweiten Kissens erstreckt. Ein solches Distanzelement hat den großen Vorteil, dass sich hierdurch andere Kompressions- und Steifigkeitseigenschaften bereitstellen lassen, als durch die Kissen alleine. Insbesondere kann hierdurch die durch das Zelltrennelement als Ganzes bereitgestellte Federhärte bei Kompression des Zelltrennelements in der dritten Richtung abhängig von der Kompressionslänge, insbesondere auch nichtlinear, gestaltet werden. Damit lässt es sich beispielsweise bewerkstelligen, dass such das Distanzelement eine weitere elastische Kompression möglich ist, selbst wenn sich die jeweiligen beiden Wände eines gleichen Kissens bereits durch starke Kompression, z.B. in der Mitte des Kissen, berühren.
Gemäß einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung ist vorgesehen, dass das zweite Kissen eine dritte Wand aufweist, die dem ersten Kissen zugewandt ist, und eine der dritten Wand bezüglich der dritten Richtung gegenüberliegende vierte Wand aufweist, die dem ersten Kissenabgewandt ist, und wobei zwischen der dritten und vierten Wand ein mit dem Gas befüllter zweiter Hohlraum gebildet ist.
Dabei ist es zudem vorteilhaft, wenn das Distanzelement als Klebstoff ausgebildet ist, der die zweite und dritte Wand miteinander klebend verbindet. Der Klebstoff ist dabei nicht vollflächig zwischen der zweiten und dritten Wand angeordnet, sondern nur bereichswiese oder punktuell, so dass zwischen durch den Klebstoff bereitgestellten Klebstoffbereiche noch mindestens ein Zwischenraum zwischen den Kissen gebildet ist. Dieser kann ein zusammen hängender Zwischenraum sein, z.B. wenn der Klebstoff punktuell aufgetragen ist, oder er kann auch durch z.B. parallele Klebstofflinien segmentiert sein, wobei die einzelnen Segmente nicht notwendigerweise luftdicht verschlossen sein müssen, sondern ebenfalls mit der Umgebung fluidisch verbunden sein können. Durch die Verwendung eines Klebstoffs können die beiden Kissen gleichzeitig miteinander gefügt werden. Der Klebstoff kann elastisch sein. Außerdem können die zweite und dritte Wand eine größere Wandstärke aufweisen als die erste und vierte Wand und dadurch etwas steifer sein.
Gemäß einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung ist es vorgesehen, dass das Distanzelement als gewellte oder mäanderförmig verlaufende oder zick-zack-förmig verlaufende Platte, insbesondere als ein Wellblech, ausgebildet ist, das in seinem Verlauf in der erste oder zweiten Richtung Erhebungen und Vertiefungen im Wechsel aufweist, wobei die Erhebungen an der zweiten Wand abgestützt sind und die Vertiefungen an der dritten Wand abgestützt sind. Die Platte kann also in ihrem Verlauf in der ersten Richtung mäanderförmig oder wellenförmig oder zick-zack-förmig variieren und in der zweiten Richtung hinsichtlich ihres Querschnitts geometrisch translationsinvariant ausgebildet sein, oder umgekehrt in ihrem Verlauf in der zweiten Richtung mäanderförmig oder wellenförmig oder zick-zack-förmig variieren und in der ersten Richtung hinsichtlich ihres Querschnitts geometrisch translationsinvariant ausgebildet sein. Die Wandstärke der Platte ist dabei gleichzeitig sehr gering, und beträgt z.B. nur weniger Millimeter oder nur ein Millimeter oder weniger, so dass die Platte flexibel ist und insbesondere durch ihre Geometrie zudem elastisch.
Außerdem kann die Platte aus einem metallischen Werkstoff sein oder aus einem nichtmetallischen Werkstoff, z.B. Kunststoff. Dies gilt für das Distanzelement im Allgemeinen. Eine Ausführung aus Kunststoff hat zudem den Vorteil einer sehr guten thermischen Isolierung der beiden Kissen voneinander.
Gemäß einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung ist es vorgesehen, dass das Distanzelement als ein Vierkantrohr ausgebildet ist. Dies ermöglich eine sehr einfache Ausbildung des Distanzelements. Im Querschnitt senkrecht zur ersten oder zweiten Richtung ist dieses Rohr also rechteckig. Zwei Seiten dieses Rechtecks können zudem durch die zweite und dritte Wand der jeweiligen Kissen selbst bereitgestellt sein oder auch von diesen verschieden sein. DH. Das Vierkantroh kann auch als von den Kissen separates Bauteil bereitgestellt sein und mit den Kissen beidseitig gefügt sein.
Gemäß einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung ist es vorgesehen, dass das Distanzelement zum einen durch einen Teil der zweiten Wand bereitgestellt ist, welche mit einer oder mehrerer Erhebungen, insbesondere Prägungen, in der dritten Richtung ausgebildet ist, und zum andere durch einen Teil der dritten Wand bereitgestellt ist, die mit einer oder mehreren zweiten Erhebungen, insbesondere zweiten Prägungen, ausgebildet ist, wobei die ersten Erhebungen außenseitig die dritte Wand kontaktieren, und die zweiten Erhebungen außenseitig die zweite Wand kontaktieren, wobei insbesondere in der erste oder zweiten Richtung Zwischenräume zwischen den ersten und zweiten Erhebungen gebildet sind die nicht Teil des Hohlraums des ersten und zweiten Kissens sind. Damit kann das Distanzelement vorteilhafterweise durch Wände der Kissen selbst bereitgestellt werden. Eine Bereitstellung eines zusätzlichen, separaten Bauteils und ein Fügen dieses mit den Kissen ist dann nicht erforderlich.
Gemäß einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung ist es vorgesehen, dass das Distanzelement und/oder die zweite und dritte Wand eine größere Wandstärke, insbesondere in der dritten Richtung, aufweisen, als die erste und vierte Wand. Dies ist vor allem von Vorteil, wenn die zweite und dritte Wand Teil des Distanzelements sein sollen. Hierdurch lässt sich eine höhere Steifigkeit und Federhärte durch das Distanzelement bereitstellen. Außerdem ermöglicht dies z.B. auch, die dritte und zweite Wand nicht nur durch elastische Verformung sondern plastische Verformung mit höherer Struktursteifigkeit auszubilden.
Daher stellt es eine weitere vorteilhafte Ausgestaltung der Erfindung dar, wenn die zweite und dritte Wand tiefgezogen sind. Die zweite und dritte Wand bleiben dann z.B. im Wesentlichen formstabil, insbesondere unter ihrem Eigengewicht. Dies ermöglichet ein nachträgliches Fügen mit den jeweils anderen Wände, ohne dass die zweite und dritte Wand dabei währenddessen in Form gehalten werden muss. Außerdem können hierdurch besonders vorteilhafte elastische Eigenschaften und Kompressibilitätseigenschaften realisiert werden.
Im Übrigen kann ein jeweiliges Kissen auch bezüglich einer Mittelebene, die senkrecht zur dritten Richtung ist und die bezogen auf die dritte Richtung durch die Mitte des jeweiligen Kissens verläuft, geometrisch asymmetrisch ausgebildet sein. Umfass das Zelltrennelement nur ein einziges Kissen, ist dieses bevorzugt symmetrisch bezogen auf die oben definierte Mittelebene ausgebildet. Vielmehr ist es bevorzugt, auch wenn das Zelltrennelement zwei Kissen umfasst, dass das Zelltrennelement, oder zumindest die vom Zelltrennelement umfassten Kissen, spiegelsymmetrisch bezüglich einer Mittelebene ist bzw. sind, die zur dritten Richtung senkrecht ist und die bezogen auf die dritte Richtung durch die Mitte des gesamten Zelltrennelements verläuft.
Gemäß einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung ist vorgesehen, dass zumindest ein Teil des Zwischenraums zwischen dem ersten und zweiten Kissen fluiddicht geschlossen ist und zumindest zum Teil mit einer Flüssigkeit, insbesondere umfassend Wasser, gefüllt ist. Eine solche Flüssigkeit kann als Phasenwechselmaterial genutzt werden. Gerade im Falle eines thermischen Durchgehens einer zum Zelltrennelement benachbart angeordneten Batteriezelle ist dies besonders vorteilhaft, da durch die Erhitzung die Flüssigkeit verdampft. Durch diesen Phasenübergang wird sehr viel Energie, vorliegend thermische Energie absorbiert. Damit isoliert das Zelltrennelement thermisch besonders gut.
Im Übrigen kann das Zelltrennelement auch mehr als zwei Kissen aufweisen, die in der dritten Richtung nebeneinander angeordnet sind, z.B. drei Kissen, vier Kissen, usw. Die jeweiligen zueinander in der dritten Richtung benachbarten Kissen können durch entsprechende Distanzelemente voneinander separiert sein, wie oben beschrieben.
Des Weiteren betrifft die Erfindung auch ein Batteriemodul mit einem erfindungsgemäßen Zelltrennelement oder eine seiner Ausgestaltungen. Dabei kann das Batteriemodul einen Zellstapel mit mehreren in einer Stapelrichtung, insbesondere der dritten Richtung, nebeneinander angeordnete Batteriezellen aufweisen, wobei zwischen je zwei in der Stapelrichtung benachbart angeordneten Batteriezellen mindestens ein oder genau ein erfindungsgemäßen Zelltrennelement oder eines seiner Ausführungsformen angeordnet sein kann. Es können zwischen je zwei benachbart angeordneten Zellen auch mehrere, z.B. zwei oder drei oder mehr als drei, erfindungsgemäße Zelltrennelemente oder Zelltrennelemente gemäß Ausführungsbeispielen der Erfindung angeordnet sein.
Zudem soll auch eine Hochvolt-Batterie mit einem solchen Batteriemodul als zur Erfindung gehörend angesehen werden. Auch ein Kraftfahrzeug mit einem solchen Batteriemodul, insbesondere mit einer Hochvolt-Batterie, die mehrere solcher Batteriemodule umfasst, soll als zur Erfindung gehörend angesehen werden.
Das erfindungsgemäße Kraftfahrzeug ist bevorzugt als Kraftwagen, insbesondere als Personenkraftwagen oder Lastkraftwagen, oder als Personenbus oder Motorrad ausgestaltet.
Des Weiteren betrifft die Erfindung auch ein Verfahren zum Herstellen eines Zelltrennelements in Form eines mit einem Gas gefüllten Kissens, das eine Länge in einer ersten Richtung, eine Breite in einer zweiten Richtung und eine Dicke in einer dritten Richtung aufweist. Dabei wird eine erste Wandfolie und eine zweite Wandfolie bereitgestellt. Weiterhin werden die ersten und die zweite Wandfolie derart zueinander angeordnet, dass diese sich entlang einer geschlossenen umlaufenden Kontur berühren und innerhalb der Kontur ein mit dem Gas befüllter Hohlraum gebildet ist. Weiterhin werden die erste und die zweite Wandfolie miteinander entlang der geschlossen umlaufenden Kontur durch eine luftdichte bzw. gasdichte Fügeverbindung gefügt.
Damit lässt es sich vorteilhafterweise bereitstellen, dass die Fügeverbindung gleichzeitig mit oder nach dem Einschließen des Gases im Hohlraum erfolgt. Mit anderen Worten muss nicht erst das Kissen hergestellt werden und dieses dann mit dem Gas befüllt werden, sondern das Befüllen mit dem Gas und das Fügen erfolgt im Wesentlichen zeitgleich oder zumindest zeitlich überlappend.
Die erste Wandfolie korrespondiert dabei zur ersten Wand des im Rahmen der Erfindung beschriebenen Zelltrennelements und die zweite Wandfolie korrespondiert zur zweiten Wand. Der Unterschied zwischen der ersten Wandfolie und der finalen ersten Wand des als Kissen ausgebildeten fertigen Zelltrennelements kann darin bestehen, dass die erste Wandfolie ggf. andere und insbesondere größere Abmessungen in der ersten und zweiten Richtung aufweist als die finale erste Wand. Beispielsweise kann das gemäß oben beschriebenem Verfahren bereitgestellte Kissen noch nachbearbeitet werden, in dem zum Beispiel die über die Fügeverbindung hinausstehenden Folienteile eingekürzt bzw. abgeschnitten werden. Gleiches gilt entsprechend auch für die zweite Wandfolie und die zweite Wand. Es kann also noch ein weiterer optionaler Verfahrensschritt vorgesehen sein, der darin besteht das ein über die Fügeverbindung hinausstehende Folienabschnitte der ersten und/oder zweiten Folienwand zumindest zum Teil abgeschnitten bzw. entfernt werden, wodurch ein erfindungsgemäßes Kissen oder eines seiner Ausführungsbeispiele bereitgestellt wird, insbesondere ein Kissen bereitgestellt wird, das dann die Abmessungen des im Rahmen der Erfindung beschriebenen Kissens hat. Gemäß einer weiteren Variante kann der letzte Schritt des Zurechtschneidens auch entfallen und die beiden Wandfolien können bereits mit den gewünschten Abmessungen bereitgestellt werden. Dies ist vor allem vorteilhaft, wenn das Fügen in Form eines Umformens der Folienränder erfolgt, z.B. durch Falzen und/oder durch Bördeln.
Im Allgemeinen ist das Verfahren dazu ausgelegt, ein erfindungsgemäßes Zelltrennelement oder eines seiner Ausführungsformen herzustellen.
Zu der Erfindung gehören entsprechen auch Weiterbildungen des erfindungsgemäßen Verfahrens, die Merkmale aufweisen, wie sie bereits im Zusammenhang mit den Weiterbildungen des erfindungsgemäßen Zelltrennelements beschrieben worden sind. Aus diesem Grund sind die entsprechenden Weiterbildungen des erfindungsgemäßen Verfahrens hier nicht noch einmal beschrieben.
Gemäß einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung wird die erste und/oder zweite Wandfolie vor dem Fügen vorgeformt und dabei wird eine von einer Ebene verschiedene, konvexe Wandgeometrie ausgebildet. Die Folie wird sozusagen nach außen ausgebaucht. Nach außen bedeutet hierbei in eine vom Hohlraum, der zwischen der ersten und zweiten Wandfolie gebildet wird, abgewandte Richtung. Im fertig hergestellten Zustand des Kissens können die Seiten der beiden Wände, die dem Hohlraum zugewandt sind, als Innenwände bezeichnet werden, während die gegenüberliegenden und dem Hohlraum abgewandten Seiten der jeweiligen Wände als Außenwände beziehungsweise Außenseiten bezeichnet werden können. Durch die Vorformung der Wandfolie mit einer Wölbung nach außen, insbesondere einer konvexen Wandgeometrie, kann es also vorteilhafterweise erreicht werden, dass beim Fügen der beiden Wandfolien automatisch ein mit Gas gefüllter Hohlraum zwischen den beiden Wandfolien gebildet wird.
Dabei kann es zudem vorgesehen sein, dass die Wandfolien ausreichend formstabil sind, um zunächst vorgeformt zu werden und anschließend gefügt werden. Es kann aber auch vorgesehen sein, dass die Wandfolien zum Vorformen mit einer entsprechenden Druck- oder Zugkraft beaufschlagt werden, die so lange aufrechterhalten wird, bis die beiden Wandfolien in ihrem jeweiligen Randbereich miteinander gefügt sind.
Daher stellt es eine weitere sehr vorteilhafte Ausgestaltung der Erfindung dar, wenn die erste und/oder zweite Wandfolie dadurch vorgeformt wird, dass die erste beziehungsweise zweite Wandfolie mittels eines erzeugten Unterdrucks an ein Anlageelement gesaugt wird, insbesondere wobei ein Formwerkzeug bereitgestellt ist, das eine erste Formhälfte mit einem ersten Anlageelement und einem ersten Formrand aufweist, sowie eine zweite Formhälfte mit einem zweiten Anlageelement und einem zweiten Formrand aufweist, wobei das Formwerkzeug so ausgebildet ist, dass die Formhälften derart aneinander anordenbar sind, dass zwischen den Formhälften eine geschlossene Kavität gebildet ist, in welcher das erste und zweite Anlageelement angeordnet sind. Weiterhin werden die erste und zweite Wandfolie in das Formwerkzeug derart eingelegt, dass sie zwischen dem ersten und zweiten Formrand entlang einer geschlossenen Konturlinie gasdicht eingeklemmt sind und die Kavität in mindestens zweit oder genau zwei Teilkavitäten teilen, wobei in jeder der Teilkavitäten ein Unterdruck erzeugt wird, durch welchen der in der Kavität befindliche Teil der ersten Wandfolie an das erste Anlageelement und in der Kavität befindliche Teil der zweiten Wandfolie an das zweite Anlageelement gesaugt wird.
Die Anlageelemente dienen damit gleichzeitig als Anschlag, an welchem die jeweilige Folie zur Anlage kommt, wenn diese ihre durch das Ansaugen zu erreichende Endposition erreicht hat. Die jeweiligen Anlageelemente können auch beweglich ausgebildet sein, wodurch festgelegt werden kann, wie stark die Folien nach außen gewölbt werden bzw. wie groß die Ausgangsdicke der Folie bemessen sein soll. Das jeweilige Anlageelement kann also zum Beispiel in der Kavität beweglich angeordnet sein und mehr oder weniger tief in die Kavität hineinragen beziehungsweise in Richtung der entsprechenden anzusaugenden Wandfolie ragen. Dadurch kann letztendlich auch das Volumen, welches durch den Hohlraum zwischen den beiden Wandfolien bereitgestellt werden soll, definiert oder eingestellt werden.
Die Unterdruckerzeugung kann beispielsweise durch das Anlageelement selbst bereitgestellt werden. Beispielsweise kann das Anlageelement mit einem Kanal ausgebildet sein, z.B. als ein Rohr, wobei der Kanal zu einer Unterdruckpumpe führt. Über diese kann dann entsprechend in der Kavität ein Unterdruck erzeugt werden, der dazu führt, dass der entsprechende Wandfolienbereich an das Anlageelement gesaugt wird. Die beiden Wandfolienbereiche der ersten und zweiten Wandfolie können durch die jeweiligen Anlageelemente und die daran angelegten Unterdrücke entsprechend auseinander gezogen beziehungsweise auseinander gesaugt werden.
Das Ansaugen der jeweiligen Wandfolienbereiche kann dann zum Beispiel so lange aufrechterhalten werden, bis deren Randbereiche aneinander gefügt wurden, zum Beispiel mittels Laserschweißen. Wird dann der Unterdruck entsprechend wieder abgeschaltet, so behalten die Wandfolien ihre geometrische Form aufgrund des nunmehr in diese eingeschlossenen Gases bei.
Des Weiteren betrifft die Erfindung auch ein Verfahren zum Herstellen eines Batteriemoduls, wobei ein Zellstapel mit mehreren in einer Stapelrichtung nebeneinander angeordneten Batteriezellen bereitgestellt wird und der Zellstapel in Stapelrichtung mittels einer Spanneinrichtung verspannt wird.
Dabei wird mindestens ein mit einem Gas befülltes Kissen, das gasdicht abgedichtet ist, bereitgestellt, das vor dem Verspannen des Zellstapels zwischen zwei der Batteriezellen angeordnet wird.
Insbesondere kann zwischen je zwei in Stapelrichtung benachbart angeordneten Batteriezellen ein solches Kissen angeordnet werden. Der Zellstapel kann auch nach und nach gebildet werden, indem zunächst eine erste Zelle in Position gebracht wird, an dieser ein Kissen angeordnet wird, anschließend an diesem Kissen in Stapelrichtung eine weitere Zelle angeordnet wird, an dieser in Stapelrichtung ein weiteres Kissen angeordnet wird, bis letztendlich der Zellstapel die vorgegebene Menge an Batteriezellen umfasst. Anschließend kann der Zellstapel mittels einer Verspanneinrichtung verspannt werden, zum Beispiel mittels eines den Zellstapel umgebenden Spannrahmens. Das Kissen ist dabei insbesondere nicht nur vor dem Verspannen bereits mit dem Gas befüllt, sondern bereits bevor es in seine bestimmungsgemäße Position im Zellstapel bzw. im Batteriemodul bzw. relativ zu einer Batteriezelle des Zellstapels angeordnet wird. Bevorzugt wird das mit dem Gas befüllte Kissen im mit Gas befüllten Zustand zwischen zwei Batteriezellen angeordnet. Wie beschrieben, kann hierzu auch zunächst eine Batteriezelle bereitgestellt werden, dann das Kissen relativ zur ersten Batteriezelle in seine bestimmungsgemäße Position gebracht werden, anschließend eine weitere Batteriezelle an ihrer bestimmungsgemäßen Position relativ zum Kissen positioniert werden, sodass sich das Kissen zwischen den beiden Batteriezellen befindet. Vorteilhaft ist dabei vor allem, dass das Kissen nicht erst mit einem Gas befüllt wird, wenn sich dieses bereits in einem zwischen zwei Batteriezellen angeordneten Zustand befindet, sondern bereits vorher.
Bei dem mit Gas befüllten Kissen handelt es sich bevorzugt um ein erfindungsgemäßes Zelltrennelement oder eines seiner Ausgestaltungen.
Zu der Erfindung gehören auch Weiterbildungen des erfindungsgemäßen Verfahrens zum Herstellen eines Batteriemoduls, die Merkmale aufweisen, wie sie bereits im Zusammenhang mit den Weiterbildungen des erfindungsgemäßen Zelltrennelements beschrieben worden sind. Aus diesem Grund sind die entsprechenden Weiterbildungen des erfindungsgemäßen Verfahrens hier nicht noch einmal beschrieben.
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.
Die Erfindung umfasst auch die Kombinationen der Merkmale der beschriebenen Ausführungsformen. Die Erfindung umfasst also auch Realisierungen, die jeweils eine Kombination der Merkmale mehrerer der beschriebenen Ausführungsformen aufweisen, sofern die Ausführungsformen nicht als sich gegenseitig ausschließend beschrieben wurden.
Im Folgenden sind Ausführungsbeispiele der Erfindung beschrieben. Hierzu zeigt:

1 eine schematische Darstellung eines Zelltrennelements in einer Draufsicht gemäß einem Ausführungsbeispiel der Erfindung;
2 eine schematische Darstellung eines Zelltrennelements in einer Querschnittsdarstellung gemäß einem Ausführungsbeispiel der Erfindung;
3 eine schematische Darstellung einer Querschnittsdarstellung des Zelltrennelements gemäß einem weiteren Ausführungsbeispiel der Erfindung;
4 eine schematische Querschnittsdarstellung eines Batteriemoduls mit einem Zelltrennelement in einem unverspannten Zustand gemäß einem Ausführungsbeispiel der Erfindung;
5 eine schematische Darstellung des Batteriemoduls aus 4 im verspannten Zustand zu Beginn der Lebensdauer des Batteriemoduls gemäß einem Ausführungsbeispiel der Erfindung;
6 eine schematische Darstellung des Batteriemoduls aus 4 am Ende der Lebensdauer gemäß einem Ausführungsbeispiel der Erfindung;
7 eine schematische Darstellung des Batteriemoduls aus 4 im Fall eines thermischen Durchgehens einer Batteriezelle gemäß einem Ausführungsbeispiel der Erfindung;
8 eine schematische Darstellung der Herstellung eines Zelltrennelements gemäß einem Ausführungsbeispiel der Erfindung;
9 eine schematische Darstellung der Herstellung eines Zelltrennelements gemäß einem weiteren Ausführungsbeispiel der Erfindung;
10 eine schematische Querschnittsdarstellung eines Batteriemoduls mit einem Zelltrennelement in einem unverspannten Zustand gemäß einem weiteren Ausführungsbeispiel der Erfindung;
11 eine schematische Querschnittsdarstellung eines Zelltrennelements mit zwei Kissen gemäß einem weiteren Ausführungsbeispiel der Erfindung;
12 eine schematische Querschnittsdarstellung eines Zelltrennelements mit zwei Kissen gemäß einem weiteren Ausführungsbeispiel der Erfindung;
13 eine schematische Querschnittsdarstellung eines Zelltrennelements mit zwei Kissen gemäß einem weiteren Ausführungsbeispiel der Erfindung; und
14 eine schematische Querschnittsdarstellung eines Zelltrennelements mit zwei Kissen gemäß einem weiteren Ausführungsbeispiel der Erfindung.

Bei den im Folgenden erläuterten Ausführungsbeispielen handelt es sich um bevorzugte Ausführungsformen der Erfindung. Bei den Ausführungsbeispielen stellen die beschriebenen Komponenten der Ausführungsformen jeweils einzelne, unabhängig voneinander zu betrachtende Merkmale der Erfindung dar, welche die Erfindung jeweils auch unabhängig voneinander weiterbilden. Daher soll die Offenbarung auch andere als die dargestellten Kombinationen der Merkmale der Ausführungsformen umfassen. Des Weiteren sind die beschriebenen Ausführungsformen auch durch weitere der bereits beschriebenen Merkmale der Erfindung ergänzbar.
In den Figuren bezeichnen gleiche Bezugszeichen jeweils funktionsgleiche Elemente.
1 zeigt eine schematische Darstellung eines Zelltrennelements 11 in Form eines mit einem Gas gefüllten Kissens 10 in einer Draufsicht gemäß einem Ausführungsbeispiel der Erfindung. Das Zelltrennelement 11 weist in diesem Beispiel eine rechteckige Geometrie auf und insbesondere eine Länge L in x-Richtung und eine Breite, die nun auch als Höhe H bezeichnet, wird, in z-Richtung. Die x-Richtung korrespondiert beispielsweise zur zuvor genannten ersten Richtung und die z-Richtung zur zuvor genannten zweiten Richtung. Entsprechend korrespondiert die vorliegend dargestellte y-Richtung zur zuvor genannten dritten Richtung. Das Zelltrennelement 11, insbesondere das Kissen 10, weist dabei eine erste Wand 12 auf, die vorliegend in einer Draufsicht zu sehen ist, und eine in y-Richtung dahinterliegende zweite Wand 14 (vergleiche 2 oder 3). Die erste Wand 12 ist dabei durch eine Folie 12 bereitgestellt und wird daher auch als erste Wandfolie 12 bezeichnet. Gleiches gilt für die zweite Wand 14. Die erste und die zweite Wand 12, 14 können im Wesentlichen gleichartig ausgebildet sein, das heißt gleiche oder ähnliche Abmessungen aufweisen, und vor allem aus einem gleichen Material gefertigt sein. Bevorzugt sind die erste und die zweite Wand 12, 14 aus einem sehr temperaturbeständigen Material, insbesondere temperaturbeständig bis mindestens 800 Grad Celsius. Hierfür eignen sich vor allem Stahl oder Edelstahl. Die erste Wand 12 weist weiterhin einen ersten Randbereich 12a auf, der umlaufend und geschlossen ausgebildet ist und insbesondere einen Rand 12b der ersten Wand 12 umfasst. Der erste Randbereich 12a kann sich ausgehend vom ersten Rand 12b der ersten Wand 12 in Richtung einer Mitte M der ersten Wand 12 bezogen auf die z- und x-Richtung erstrecken, reicht jedoch nicht bis zur Mitte M.
2 zeigt eine schematische Darstellung des Kissens 10 aus 1 in einem Querschnitt senkrecht zur x-Richtung. Auch die zweite Wand 14 weist einen Randbereich 14a auf, der zum Randbereich 12a der ersten Wand 12 korrespondiert, insbesondere geometrisch korrespondiert, und der ebenfalls einen Rand 14b der Wand 14 umfasst. Auch dieser ist geschlossen umlaufend ausgebildet, insbesondere umlaufend um eine Mitte M' der zweiten Wand 14 bezogen auf die x- und z-Richtung.
Die beiden Wände 12, 14 sind durch eine geschlossen umlaufende Fügeverbindung 20 miteinander verbunden, und zwar in ihren jeweiligen Randbereichen 12a, 14a. In diesem Beispiel sind die beiden Randbereiche 12a, 14a umlaufend durch eine Schweißverbindung 20 miteinander gasdicht gefügt. Diese geschlossen umlaufende Schweißverbindung 20 ist in 1 zudem durch die gestrichelte Linie illustriert.
3 zeigt dabei ein weiteres Beispiel eines Zelltrennelements 11, welches insbesondere wie zuvor beschrieben ausgebildet sein kann, bis auf den Unterschied, dass hier die Fügeverbindung 20' in den Randbereichen 12a, 14a, über welche die Randbereiche 12a, 14a also miteinander gasdicht gefügt sind, als Bördelverbindung 20' beziehungsweise Falzverbindung 20' ausgeführt ist.
Die folgende Beschreibung bezieht sich auf das Kissen 10 aus 2 und 3 in gleicher Weise.
Weiterhin weist das Kissen 10 bezüglich der y-Richtung eine Dicke D auf, die in diesem Beispiel im Bereich der Mitte M, M' des Kissens 10 maximal ist und zu den Randbereichen 12a, 14a hin abnimmt. Die Wandstärke d der beiden Wandfolien 12, 14 liegt dabei im Bereich von zirka 100 Mikrometern. Dadurch sind die Kissenwände 12, 14 sehr flexibel. Bedingt durch den mit Gas 16 gefüllten Hohlraum 18 zwischen den beiden Wänden 12, 14 besitzt das Kissen zudem sehr gute Deformationseigenschaften. Dies bedeutet, dass die Dicke D des Kissens 10 bei Kraftbeaufschlagung von außen veränderbar ist. Insbesondere kann die Dicke D durch Druckausübung auf beide Seiten 12, 14 zum Beispiel in y-Richtung bezogen auf die erste Wand 12 und entgegen y-Richtung auf die zweite Wand 14 verringert werden.
Wird ein solches Zelltrennelement 11 zwischen zwei Batteriezellen eingebracht, wie später näher erläutert, und wird dieses Zelltrennelement 11 dann anschließend zwischen diesen Batteriezellen verspannt, so kommt es zu einer Druckausübung auf beide Wände 12, 14, wie beschrieben. Dadurch verringert sich die Dicke D entsprechend auf einen korrespondierend verminderten Wert. Der Gasdruck des Gases 16 im Hohlraum 18 nimmt dabei gemäß der Gasgleichung zu. Der erhöhte Gasdruck im Hohlraum 18 übt entsprechend auch mehr Druck auf die Fügeverbindung 20, 20' aus. Daher ist es sehr vorteilhaft, wenn das Kissen 10 zudem einen Rahmen 22, insbesondere einen Elastomerrahmen 22, aufweist, der den Gesamtrandbereich 24, der durch den gefügten ersten Randbereich 12a mit dem zweiten Randbereich 14 gebildet ist, einfasst. Der Rahmen 22 ist dabei so ausgebildet, dass dieser auf dem ersten Randbereich 12a sowie auf dem zweiten Randbereich 14a umlaufend aufliegt. Im Querschnitt, wie in 2 dargestellt, ist der Rahmen 22 U-förmig ausgebildet. Der Rahmen 22 kann aber auch zweigeteilt ausgebildet sein und einen ersten Rahmenteil aufweisen, der nur auf dem ersten Randbereich 12a aufliegt und einen zweiten Rahmenbereich, der auf dem zweiten Randbereich 14a aufliegt. Wird das Zelltrennelement 11 zwischen zwei Zellen eingespannt, so wird durch den Rahmen 22 zusätzlich Druck in und entgegen y-Richtung auf die Fügeverbindung 20 ausgeübt, wodurch diese stabilisiert wird. Auch das Zelltrennelement 11, wie dieses in 3 dargestellt ist, kann zusätzlich einen solchen Rahmen 22 umfassen, wenngleich hier auch nicht explizit dargestellt.
4 zeigt eine schematische Querschnittsdarstellung eines Batteriemoduls 26 mit einem Zelltrennelement 11 gemäß einem Ausführungsbeispiel der Erfindung. Das Batteriemodul 26 weist in diesem Beispiel zwei Batteriezellen 28 auf. Das Batteriemodul 26 kann im Allgemeinen deutlich mehr als zwei Batteriezellen 28 umfassen, jedoch kann anhand dieser beiden Batteriezellen 28 das Funktionsprinzip des Zelltrennelements 11 ausreichend veranschaulicht werden. Das Batteriemodul 26 ist in und entgegen y-Richtung durch zwei Endplatten 30 in seiner Ausdehnung begrenzt. 4 zeigt zudem das Batteriemodul 26 in einem noch nicht verspannten Zustand. Das Zelltrennelement 11, wie dieses zuvor beschrieben wurde, wird zunächst an seiner bestimmungsgemäßen Position im Batteriemodul 26 zwischen den zwei dargestellten Batteriezellen 28 angeordnet. Erst anschließend erfolgt das Verspannen des Batteriemoduls 26 durch Aufbringen einer Spannkraft K, die vorliegend durch Pfeile veranschaulicht ist. Im noch nicht verspannten Zustand weist das Zelltrennelement 11 eine maximale Dicke D1 in y-Richtung auf, die zum Beispiel drei Millimeter beträgt.
5 zeigt das Batteriemodul 26 aus 4 in einem nunmehr verspannten Zustand. Durch die Spannkraft K wird das Zelltrennelement 11 in y-Richtung komprimiert und dabei insbesondere elastisch deformiert. Dadurch hat sich seine maximale Dicke auf einen geringeren Wert D2 reduziert, der beispielsweise zu Beginn der Lebensdauer des Batteriemoduls 26 zirka ein Millimeter beträgt. Durch das Verspannen erhöht sich entsprechend auch der Gasdruck im Hohlraum 18, wodurch entsprechend auf jede Zelle 28 beidseitig bezüglich der y-Richtung eine entsprechende Spannkraft aufgebracht werden kann. Dies fördert die Lebensdauer der jeweiligen Zellen 28. Weiterhin schwellen Batteriezellen 28 im Laufe ihrer Lebensdauer typischerweise an. 6 zeigt eine schematische Darstellung des Batteriemoduls 26 aus 4 am Ende dessen Lebensdauer. Hierbei sind die Zellen 28 nunmehr in y-Richtung angeschwollen, wodurch sich die Dicke des Zelltrennelements 11 weiter verringert hat, und zwar auf einen dritten Wert D3, der dann zum Beispiel nur noch 0,3 Millimeter beträgt. Dabei ist noch anzumerken, dass Batteriezellen 28 typischerweise im Bereich ihrer Mitte bezogen auf die hier dargestellte z- und x-Richtung mehr anschwellen als in ihrem jeweiligen Randbereich. Entsprechend wird auch das Zelltrennelement 11 hauptsächlich in seiner Mitte M, M' komprimiert. Durch diese Kompression nimmt auch die Kraft auf die Fügestellen 20, 20' des Zelltrennelements 11 zu. Dass das Kissen 10 dabei dennoch zuverlässig gasdicht bleibt, wird unter anderem durch den beschriebenen Rahmen 22 erreicht, auf den, wie hier dargestellt, durch die Zellen 28 ebenfalls beidseitig bezüglich der y-Richtung eine entsprechende Druckkraft aufgebracht wird, die sich entsprechend auf die Fügestelle 20 überträgt. Mit anderen Worten kann es durch den Rahmen 22 erreicht werden, dass durch die Spannkraft K auch die Randbereiche 12a, 14a der Folienwände 12, 14 zuverlässig zusammengedrückt werden, wodurch die Fügeverbindung 20, 20' stabilisiert wird.
Zusätzlich hat das beschriebene Zelltrennelement 11 den großen Vorteil, dass hierdurch eine zusätzliche Sicherheitsfunktion im Falle eines thermischen Durchgehens einer Batteriezelle 28 umgesetzt werden kann, wie in 7 schematisch dargestellt. Auch 7 zeigt dabei wiederum eine schematische Darstellung des Batteriemoduls 26 aus 4, wobei nunmehr die links dargestellte Batteriezelle 28 thermisch durchgeht. Das thermische Durchgehen ist durch den Pfeil 32 veranschaulicht. Im Zuge dessen erhöht sich die Temperatur dieser Batteriezelle 28 zum Beispiel auf 800 Grad Celsius oder mehr. Entsprechend erhitzt sich auch das im Hohlraum 18 befindliche Gas 16. Bedingt durch diesen Temperaturanstieg des Gases dehnt sich dieses aus, was dazu führt, dass die maximale Dicke des Zelltrennelements 11 auf einen vierten Wert D4 zunimmt, der deutlich größer ist als die zweite Dicke D2 zu Beginn der Lebensdauer des Batteriemoduls 26. Dadurch werden die beiden Batteriezellen 28 auseinander gedrückt und es kann eine sehr gute thermische Barriere zwischen den beiden Batteriezellen 28 hergestellt werden. Ein thermisches Übergreifen auf die rechte, noch nicht thermisch durchgegangene Batteriezelle 28 kann somit verhindert oder zumindest deutlich hinausgezögert werden. Für die im Falle eines thermischen Durchgehens einer Batteriezelle 28 bedingte Volumenänderung des Zelltrennelements 11 ergibt sich bei einer Temperaturänderung von Δt = 800 K gemäß dem Gesetz von Boyle-Mariotte basierend auf der idealen Gasgleichung näherungsweise ein Faktor von ca. 2,94.Zelltrennelement 11 Zelltrennelement 11 Mit anderen Worten verdreifacht sich hierbei das Volumen des Hohlraums 18 beziehungsweise das Gasvolumen des Gases 16 im Zelltrennelement 11. Im Falle eines thermischen Durchgehens einer Zelle 28 entleert diese Zelle 28 sich also entsprechend und wird durch das Zelltrennelement 11 von der zu schützenden Zelle 28 weggedrückt. Die Wärmeleitfähigkeit von Luft liegt dabei bei 0,0261 W/(m K). Die Wärmeleitfähigkeit von Krypton ist um einen Faktor 2,5 geringer und beträgt 0,00949 W/(m K), und die Wärmeleitfähigkeit von Xenon beträgt 0,0055 W/(m K) und liegt damit um einen Faktor 5 unter dem von Luft. Wird also beispielsweise als Gas 16 für das Zelltrennelement 11 nicht Luft, sondern zum Beispiel ein Edelgas wie beispielsweise Krypton oder Xenon verwendet, so kann die thermische Isolation zwischen den beiden Zellen 28 zusätzlich um einen Faktor 2,5 bis einen Faktor 5 gesteigert werden.
8 zeigt eine schematische Darstellung der Herstellung eines Zelltrennelements 11 gemäß einem Ausführungsbeispiel der Erfindung. Hierzu ist ein Formwerkzeug 34 bereitgestellt, welches zwei Formhälften 36, 38 aufweist, insbesondere in diesem Beispiel eine obere Formhälfte 36 und eine untere Formhälfte 38. Jede der Formhälften 36, 38 verfügt über einen Formrand 36a, 38a. Das Formwerkzeug 34 ist dabei so ausgestaltet, dass, wenn die Formhälften 36, 38 bestimmungsgemäß geschlossen sind, die entsprechenden Formränder 36a, 38a aufeinanderliegen und sich kontaktieren können. Optional können diese auch so eingestellt werden, dass zwischen ihnen eine Belüftungsplatte bzw. Belüftungsrahmen positioniert werden kann, wie später zu 9 beschrieben. Die Wandfolien 12, 14 können also so in das Formwerkzeug 36 eingelegt werden, so dass deren Randbereiche 12a, 14a mittels der Formränder 36a, 38a zusammengepresst werden und entsprechend zwischen den Formrändern 36a, 38a eingeklemmt werden. Weiterhin sind die Formhälften 36, 38 so ausgestaltet, dass im geschlossenen Zustand des Formwerkzeugs 34 zwischen diesen Formhälften 36, 38 eine Kavität 40 gebildet ist. Die innerhalb der Randbereiche 12a, 14a angeordneten Teile der entsprechenden Wandfolien 12, 14 sind entsprechend innerhalb dieser Kavität 40 angeordnet. Weiterhin umfassen die jeweiligen Formhälften 36, 38 jeweils ein Anlageelement 42, 44, über welches gleichzeitig auch ein Unterdruck erzeugbar ist. Mit anderen Worten kann über diese Anlageelemente 42, 44, die zum Beispiel jeweils mit einem entsprechenden Kanal 46, 48 ausgebildet sein können, Gas 16' abgesaugt werden. Dadurch werden die jeweiligen in der Kavität 40 befindlichen Teile der Wandfolien 12, 14 in Richtung der Anlageelemente 42, 44 gesaugt, bis sie letztendlich an diesen zum Anliegen kommen. Die Anlageelemente 42, 44 können zudem als Rohre beziehungsweise Rohrelemente oder Enden von Rohren bereitgestellt sein. Eine Dichtung 50 zur Abdichtung der Anlageflächen der Anlageelemente 42, 44 kann entsprechend zum Beispiel als O-Ring ausgebildet sein. Auch die Formränder 36a, 38a können an ihren Kontaktflächen mit einem Element 52 ausgebildet sein, zum Beispiel in Form einer Butylschnur. Diese kann ebenfalls als Dichtung fungieren, muss dies aber nicht. Diese kann auch verwendet werden, um ein temporäres, reversibles Anhaften der Wandfolien 12, 14 zu erreichen, wenn z.B. die Werkzeughälften 36, 38 auseinander bewegt werden, wie später beschrieben.
Dabei kann das Werkzeug 34 so ausgebildet sein, dass ein Einströmen von Gas 16 von außerhalb in den Zwischenbereich der Wandfolien 12, 14 möglich ist, während diese angesaugt bzw. auseinandergezogen werden.
Weiterhin können die Anlageelemente 42, 44 auch in ihrer Stellung bezüglich der y-Richtung verstellbar ausgebildet sein, was durch die Pfeile 64 veranschaulicht ist (vgl. 9). Dadurch lässt sich sozusagen die Dicke D des Zelltrennelements 11 im initialen Zustand geeignet einstellen. Durch dieses Vorformen der Wände 12, 14 des Zelltrennelements 11 füllt sich dieses automatisch mit Gas 16, insbesondere dem initial in der Kavität 40 befindlichen Gas 16. Haben die Wände 12, 14 ihre finale Position durch das Ansaugen über die Anlageelemente 42, 44 erreicht, so können diese im Randbereich 12a, 14a verschweißt werden, das heißt es kann die Fügeverbindung 20, 20' ausgebildet werden. Das Verschweißen ist vorliegend mit 56 bezeichnet.
9 zeigt eine schematische Darstellung der Herstellung eines Zelltrennelements 11 gemäß einem weiteren Ausführungsbeispiel der Erfindung. Dieses kann wiederum mittels eines Formwerkzeugs 34 erfolgen, welches bis auf die nachfolgend beschriebenen Unterschiede wie zuvor ausgebildet sein kann. Hierbei wird nunmehr in einem Zwischenschritt noch eine Belüftungsplatte 58 bzw. ein Belüftungsrahmen vorgesehen, welche zwischen den beiden Wandfolien 12, 14 und den beiden Formrändern 36a, 38a angeordnet wird. Während die entsprechenden Teile der Wandfolien 12, 14 wie beschrieben an die Anlageelemente 42, 44 gesaugt werden, kann über die Belüftungsplatte 58, welche eine fluidische Verbindung zwischen dem Zwischenraum 60, zwischen den Wandfolien 12, 14 im Inneren der Kavität 40 und einer Umgebung 62 des Formwerkzeugs 34 herstellt, gezielt Gas 16 in diesen Zwischenbereich 60 eingeleitet werden. Durch Aufrechterhalten des Unterdrucks an den entsprechenden Anlageelementen 42, 44 können die jeweiligen Wandfolien 12, 14 in Position gehalten werden. Die Belüftungsplatte 58 kann entfernt werden und anschließend können die Formhälften 36, 38 bezüglich der y-Richtung aufeinander zubewegt werden, bis die Folien 12, 14 in ihren jeweiligen Randbereichen 12a, 14a aneinander zur Anlage kommen und mittels der entsprechenden Formränder 36a, 38a aneinander gepresst werden. Anschließend kann wiederum ein Verschweißen 56 erfolgen, wie zu 8 beschrieben.
Anschließend kann das Kissen 10 in seiner gewünschten Form außerhalb der Fügeverbindung 20 ausgestanzt werden beziehungsweise überstehende Ränder der Folien 12, 14 abgeschnitten werden.
Durch dieses beschriebene Vorformen der Folien 12, 14 kann es unter Umständen, je nach Ausmaß der Verformung, zu einer plastischen Verformung der jeweiligen Folien 12, 14 kommen. Bevorzugt ist dieses Vorformen so ausgestaltet, dass der plastische Verformungsanteil möglichst gering ist und der elastische Verformungsanteil sehr groß. Insbesondere kann dieses Vorformen so ausgestaltet sein, dass die jeweiligen Wände 12, 14 dabei fast ausschließlich oder ausschließlich elastisch verformt werden.
Zusammengefasst kann der Herstellungsablauf wie folgt aussehen: Zunächst wird das Luftvolumen an Einstellschrauben zum Bewegen der Anlageelemente 42, 44 eingestellt. Weiterhin kann die Butylschnur 52 eingelegt werden, die Bleche, das heißt die entsprechenden Wandfolien 12, 14 aufgelegt werden, die Belüftungsplatte 58 eingelegt werden, die Vorrichtung zusammengefahren werden und dann entsprechend evakuiert werden. Während die Wandfolien 12, 14 an den Anlageelementen 42, 44 festgesaugt bleiben, kann die Vorrichtung 34 wieder öffnen, die Belüftungsplatte 58 entfernt werden, die Vorrichtung 34, das heißt die Hälften 36, 38 wieder zusammengefahren werden und anschließend das Laserschweißen 56 wie in 8 dargestellt erfolgen.
10 zeigt eine schematische Querschnittsdarstellung eines Batteriemoduls 26 mit einem Zelltrennelement 11 gemäß einem weiteren Ausführungsbeispiel der Erfindung. Dieses Zelltrennelement 11 umfasst nicht nur ein Kissen 10, wie in den zuvor beschriebenen Beispielen, sondern zwei Kissen 10, 10', zwischen denen sich ein Zwischenraum Z befindet. Dieser kann z.B. durch ein vom Zelltrennelement 11 umfasstes Distanzelement 66 bereitgestellt werden, das in diesem Beispiel durch einen Klebstoff 66a, bereitgestellt ist, der bereichsweise zwischen den Kissen 10, 10' angeordnet ist. Das zweite Kissen 10' kann wie zum Kissen 10 zuvor beschrieben ausgebildet sein. Auch das zweite Kissen 10' weist zwei Wände, nämlich eine dritte Wand 68 und eine vierte Wand 70 auf. Auch diese sind in ihrem umlaufenden Randbereich miteinander gefügt, so dass zwischen diesen Wänden 68, 70 ein fluiddichter, z.B. mit Gas 16 gefüllter Raum 18' gebildet ist. Der Zwischenraum Z kann offen sein oder geschlossen und ebenfalls mit einem Gas und/oder einer Flüssigkeit gefüllt sein. Die gestrichelten Linien 12' und 70' illustrieren die Verformung der Außenwände 12 und 70 der beiden Kissen 10, 10' nach einem Anschwellen der Zellen 28.
Für die Ausbildung des Distanzelements 66 gibt es noch weitere alternative Möglichkeiten, wie in 11, 12, 13 und 14 illustriert. In diesen Figuren ist jeweils ein Zelltrennelement 11 dargestellt, das wie zu 10 beschreiben ausgebildet sein kann, bis auf die nachfolgend beschriebenen Unterschiede.
In 11 ist das Distanzelement 66 als ein Vierkantrohr 66b ausgebildet. Die Wände 14 und 68 können dabei gleichzeitig auch Rohrwandungen des Vierkantrohrs 66b darstellen oder nicht. Auch kann das Vierkantrohr 66b bezüglich der x-Richtung fluiddicht ausgebildet sein oder offen sein.
In 12 ist das Distanzelement 66 als ein Wellblech 66c bzw. als eine wellenförmig verlaufende Platte 66c ausgebildet. Die Platte 66c weist in der z-Richtung einen wellenförmigen Verlauf auf und ist in x-Richtung geometrisch invariant ausgebildet. Außerdem sind in diesem Beispiel die zweite Wand 14 und die dritte Wand 68, wie auch in 10, im Wesentlichen eben ausgebildet und nur die Außenwände 12 und 70 sind ausgebaucht bzw. konvex nach außen gekrümmt.
In 13 ist das Distanzelement 66 durch eine bestimmte geometrische Ausbildung 66d der Innenwände 14, 68 der Kissen 10, 10' bereitgestellt. Insbesondere sind die zweite Wand 14 und die dritte Wand 68 mit aufgeprägten Sicken ausgebildet. Die Sicken 14a der zweiten Wand 14 liegen auf der Außenseite der dritten Wand 68 an bzw. sind mit dieser fest verbunden, z.B. angeschweißt, und die Sicken 68a der dritten Wand 68 liegen an der Außenseite der zweiten Wand 14 an. Zwischen den Sicken 14a und 68a sind in z-Richtung Abstände durch welche die Zwischenräume Z bereitgestellt sind. Die Sicken 14a, 68a erstrecken sich in bzw. entgegen x-Richtung nicht ganz bis zum Rand bzw. Randbereich. Dadurch können die Wände 12, 14 des erste Kissens 10 und die Wände 68, 70 des zweiten Kissens 10` problemlos gasdicht im Randbereich jeweils geschlossen umlaufend gefügt werden.
In 14 sind die zweite Wand 14 und die dritte Wand 68 im Gegensatz zur ersten und vierten Wand 12, 70 tiefgezogen ausgebildet und weisen eine größere Wandstärke auf. Dies ermöglicht es die Außenwände 12 und 70 nach innen zu überdehnen, wie durch die gestrichelten Linien 12' und 70' veranschaulicht. Die inneren, quasistarren nicht bewegliche Wände 14, 68 können also als Tiefziehteil ausgeformt werden. Hierdurch generieren sie einen Teil des Initialvolumens der Kissen 10, 1und bilden einen erhöhten Flansch aus. Mit dieser Maßnahme wird die Deformationsspannung an den äußeren beweglichen Wänden 12 und 70 verringert. Weiter wird das Gasfederverhalten zusätzlich um das Membranfederverhalten der äußeren Wand 12 bzw. 70 nach unterschreiten des Sockels, d.h. der verbindungsebene in welcher erste und zweite Wand 12 und 14 gefügt sein und in welcher die dritte und vierte Wand 68 und 70 miteinander gefügt sind, erweitert. Durch die Dimensionierung der Flanschhöhe und der Wandstärke der beweglichen Wand 12, 70 kann die zusätzliche Erhöhung der Gesamtfederkonstante wegabhängig ausgelegt werden.
Das Distanzelement 66 kann im Sockelbereich 72 dicker in der y-Richtung sein als zwischen den Kissen 10, 10' im zentralen Bereich bezogen auf die z-Richtung. Dadurch werden die Fügeverbindungen im Randbereich stabilisiert. Das Distanzelement 66 kann auch nur durch diese Sockelelemente 72 bereitgestellt sein. Außerdem können die Sockelelemente 72 als jeweilige Vierkant-Rohrprofile ausgebildet sein, die optional in z-Richtung durch ein weiteres Vierkantrohr, ähnlich wie zu 11 beschrieben, verbunden sein können. Außerdem können die Kissen 10, 10' jeweils auch symmetrisch sein.
Insgesamt zeigen die Beispiele, wie durch die Erfindung ein Dämpfungs- und Isolationselement als Folientasche mit Gasfüllung bereitgestellt werden kann. Diese erlaubt genau einstellbare Druckverhältnisse als Gegenkraft zur Zelle, ermöglicht perfekte elastische Eigenschaften über Lebenszeit durch die Gasfüllung, sowie sehr gute Isolationseigenschaften durch das Gaspolster zwischen den Zellen, und erlaubt eine zusätzliche Ausdehnung des Gaspolsters bei einem Durchgehen einer Zelle durch die Volumenvergrößerung des Gases über die hohe Temperatursteigerung und dadurch eine noch bessere Isolation und ein Wegdrücken der heißen Zelle von der zu schützenden Zelle.
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

DE 102020110635 A1 [0003]
DE 102008037039 A1 [0003]
DE 102019204652 A1 [0004]

Claims

Zelltrennelement (11) zur thermischen Abschirmung zweier Batteriezellen (28) und zur Anordnung zwischen den zwei Batteriezellen (28) einer Batterie (26), wobei das Zelltrennelement (11) ein mit einem Gas (16) gefülltes Kissen (10) umfasst, das eine Länge (L) in einer ersten Richtung (x), eine Breite (H) in einer zweiten Richtung (z) und eine Dicke (D; D1, D2, D3, D4) in einer dritten Richtung (y) aufweist, - wobei das Kissen (10) eine erste Wand (12) mit einem ersten geschlossen umlaufenden Randbereich (12a) aufweist, der die erste Wand (12) in und entgegen der ersten Richtung (x) und in und entgegen der zweiten Richtung (z) begrenzt, - wobei das Kissen (10) eine der ersten Wand (12) bezüglich der dritten Richtung (y) gegenüberliegende zweite Wand (14) aufweist, die einen geschlossen umlaufenden zweiten Randbereich (14a) aufweist, der die zweite Wand (14) in und entgegen der ersten Richtung (x) und in und entgegen der zweiten Richtung (z) begrenzt, - wobei zwischen der ersten und zweiten Wand (12, 14) ein mit dem Gas (16) befüllter Hohlraum (18) gebildet ist; - wobei die erste und zweite Wand (12, 14) derart flexibel ausgebildet sind, dass die Dicke (D; D1, D2, D3, D4) des Kissens (10) bei Kraftbeaufschlagung (K) des Kissens (10) von außen in der dritten Richtung (y) änderbar ist; dadurch gekennzeichnet, dass der erste Randbereich (12a) mit dem zweiten Randbereich (14a) durch eine durchgehende Fügeverbindung (20, 20') gasdicht gefügt ist.
Zelltrennelement (11) nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet dass die erste Wand (12) durch eine erste Folie (12) und die zweite Wand (14) durch eine zweite Folie (12) bereitgestellt ist, die jeweils aus einem Material gebildet sind, welches temperaturbeständig bis zu einer Temperatur von mindestens 800°C ausgebildet ist.
Zelltrennelement (11) nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet dass das Material ein Metall oder eine Legierung mit einem Schmelzpunkt oberhalb von 800°C ist, insbesondere Stahl oder Edelstahl.
Zelltrennelement (11) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet dass die Fügeverbindung (20, 20') eine Schweißverbindung (20) und/oder eine Umformverbindung (20`) darstellt, insbesondere eine gasdichte Bördelverbindung (20') und/oder Falzverbindung (20') darstellt.
Zelltrennelement (11) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet dass durch den ersten und zweiten Randbereich (12a, 14a) ein Gesamtrandbereich (24) bereitgestellt ist, wobei das Kissen (10) einen geschlossen umlaufenden Rahmen (22), insbesondere aus Elastomer, aufweist, der den einen durch den ersten und zweiten Randbereich (12a, 14a) bereitgestellten Gesamtrandbereich (24) einfasst und dabei einen ersten Abschnitt aufweist, der durchgehend umlaufend auf dem ersten Randbereich (12a) aufliegt und einen zweiten Abschnitt aufweist, der durchgehend umlaufend auf dem zweiten Randbereich (14a) aufliegt.
Zelltrennelement (11) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet dass - die erste und/oder zweite Wand (12, 14) eine Wandstärke (d) von weniger als 1 Millimeter und mehr als 1 Mikrometer aufweist, insbesondere eine Wandstärke (d) zwischen 50 Mikrometern und 150 Mikrometern, z.B. 100 Mikrometern; und/oder - wobei das Kissen (10) unter Standardbedingungen ohne zusätzliche externe Kraftbeaufschlagung (K) eine maximale Dicke (D; D1) in der dritten Richtung (y) zwischen 1 Millimeter und 10 Millimeter, insbesondere zwischen 1 Millimeter und 5 Millimeter, z.B. 3 Millimeter aufweist.
Zelltrennelement (11) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet dass das Kissen (10) ein erstes Kissen (10) darstellt und das Zelltrennelement (11) ein mit einem Gas (16) gefülltes zweites Kissen (10`) umfasst, das bezüglich der dritten Richtung (y) neben dem ersten Kissen (10) angeordnet ist, so dass sich in der dritten Richtung (y) zwischen dem ersten und dem zweiten Kissen (10, 10') ein Zwischenraum (Z) befindet.
Zelltrennelement (11) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet dass zwischen dem ersten und zweiten Kissen (10, 10') ein Distanzelement (66) angeordnet ist, das sich über einen Großteil der Länge (L) und/oder Breite (H) des ersten und zweiten Kissens (10, 10') und insbesondere im Wesentlichen über die gesamte Länge (L) und/oder Breite (H) des ersten und zweiten Kissens (10, 10') erstreckt.
Zelltrennelement (11) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet dass das zweite Kissen (10) eine dritte Wand (68) aufweist, die dem ersten Kissen (10) zugewandt ist, und eine der dritten Wand (68) bezüglich der dritten Richtung (y) gegenüberliegende vierte Wand (70) aufweist, die dem ersten Kissen (10) abgewandt ist, wobei zwischen der dritten und vierten Wand (68, 70) ein mit dem Gas (16) befüllter zweiter Hohlraum (18') gebildet ist, wobei das Distanzelement (66), - als Klebstoff (66a) ausgebildet ist, der die zweite und dritte Wand (14, 68) miteinander klebend verbindet; - als gewellte oder mäanderförmig verlaufende oder zick-zack-förmig verlaufende Platte (66c), insbesondere als ein Wellblech (66c), ausgebildet ist, das in seinem Verlauf in der erste oder zweiten Richtung Erhebungen und Vertiefungen im Wechsel aufweist, wobei die Erhebungen an der zweiten Wand (14) abgestützt sind und die Vertiefungen an der dritten Wand (68) abgestützt sind; - als ein Vierkantrohr (66b) ausgebildet ist; - zum einen durch einen Teil (14a) der zweiten Wand (14) bereitgestellt ist, welche mit einer oder mehrerer Erhebungen (14a), insbesondere Prägungen, in der dritten Richtung (y) ausgebildet ist, und zum andere durch einen Teil (68a) der dritten Wand (68) bereitgestellt ist, die mit einer oder mehreren zweiten Erhebungen (68a), insbesondere zweiten Prägungen, ausgebildet ist, wobei die ersten Erhebungen (14a) außenseitig die dritte Wand (68) kontaktieren, und die zweiten Erhebungen (68a) außenseitig die zweite Wand (14) kontaktieren, wobei insbesondere in der erste oder zweiten Richtung (x, z) Zwischenräume (Z) zwischen den ersten und zweiten Erhebungen (14a, 68a) gebildet sind die nicht Teil des Hohlraums (18, 18') des ersten und zweiten Kissens (10, 10') sind.
Zelltrennelement (11) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet dass - das Distanzelement (66) und/oder die zweite und dritte Wand (14, 68) eine größere Wandstärke, insbesondere in der dritten Richtung (y), aufweisen, als die erste und vierte Wand (12, 70); und/oder - die zweite und dritte Wand (14, 68) tiefgezogen sind.
Zelltrennelement (11) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet dass zumindest ein Teil des Zwischenraums (Z) zwischen dem ersten und zweiten Kissen (10, 10') fluiddicht geschlossen ist und zumindest zum Teil mit einer Flüssigkeit, insbesondere umfassend Wasser, gefüllt ist.
Verfahren zum Herstellen eines Zelltrennelements (11) in Form eines mit einem Gas (16) gefüllten Kissens (10), das eine Länge (L) in einer ersten Richtung (x), eine Breite (H) in einer zweiten Richtung (z) und eine Dicke (D; D1, D2, D3, D4) in einer dritten Richtung (y) aufweist, aufweisend die Schritte: - Bereitstellen einer ersten Wandfolie (12), - Bereitstellen einer zweiten Wandfolie (14), gekennzeichnet durch die Schritte: - Anordnen der ersten und zweiten Wandfolie (12, 14) derart zueinander, dass diese sich entlang einer geschossen umlaufenden Kontur berühren und innerhalb der Kontur ein mit dem Gas (16) befüllter Hohlraum (18) gebildet ist; - Fügen der ersten und zweiten Wandfolie (12, 14) miteinander entlang der geschossen umlaufenden Kontur durch eine gasdichte Fügeverbindung (20, 20').
Verfahren nach Anspruch 13, dadurch gekennzeichnet, dass die erste und/oder zweite Wandfolie (12, 14) vor dem Fügen vorgeformt wird und dabei eine von einer Ebene verschiedene, konvexe Wandgeometrie ausgebildet wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 13 oder 14, dadurch gekennzeichnet, dass die erste und/oder zweite Wandfolie (12, 14) dadurch vorgeformt wird, dass die erste bzw. zweite Wandfolie (12, 14) mittels eines erzeugten Unterdrucks an ein Anlageelement (42, 44) gesaugt wird, insbesondere wobei ein Formwerkzeug (34) bereitgestellt ist, das eine erste Formhälfte (36) mit einem ersten Anlageelement (42) und einem ersten Formrand (36a) aufweist, sowie eine zweite Formhälfte (38) mit einem zweiten Anlageelement (44) und einem zweiten Formrand (38a) aufweist, wobei das Formwerkzeug (34) so ausgebildet ist, dass die Formhälften (36, 38) derart aneinander anordenbar sind, dass zwischen den Formhälften (36, 38) eine geschlossene Kavität (40) gebildet ist, in welcher das erste und zweite Anlageelement (42, 44) angeordnet sind, wobei die erste und zweite Folienwand (12, 14) in das Formwerkzeug (36) derart eingelegt werden und zwischen dem ersten und zweiten Formrand (36a, 38a) entlang einer geschlossenen Konturlinie gasdicht eingeklemmt werden und die Kavität (40) in mindestens oder genau zwei Teilkavitäten teilen, wobei in jeder der Teilkavitäten ein Unterdruck erzeugt wird, durch welchen der in der Kavität (40) befindliche Teil der ersten Wandfolie (12) an das erste Anlageelement (42) und der in der Kavität (40) befindliche Teil der zweiten Wandfolie (14) an das zweite Anlageelement (44) gesaugt wird.
Verfahren zum Herstellen eines Batteriemoduls (26), aufweisend die Schritte: - Bereitstellen eines Zellstapels mit mehreren in einer Stapelrichtung (y) nebeneinander angeordneten Batteriezellen (28); - Verspannen des Zellstapels in Stapelrichtung (y) mittels einer Spanneinrichtung (30); dadurch gekennzeichnet, dass mindestens ein mit einem Gas (16) befülltes Kissen (10), das gasdicht abgedichtet ist, bereitgestellt wird, das vor dem Verspannen des Zellstapels zwischen zwei der Batteriezellen (28) angeordnet wird.