DE102022208233A1 - Cell assembly for a battery system - Google Patents
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Abstract
Die Erfindung betrifft einen Zellverband für ein Batteriesystem, mit einer Anzahl von Batteriezellen (7), die in Stapelrichtung hintereinander gestapelt sind, wobei dem Batteriezellstapel (1) eine Spanneinheit (3) zugeordnet ist, die an den gegenüberliegenden Stapelenden angeordnete Druckplatten (19) aufweist, über die der Batteriezellstapel (1) mit einer Vorspannung (FV) beaufschlagt ist. Erfindungsgemäß sind die beiden Druckplatten (19) der Spanneinheit (3) über zumindest ein Scherengestänge miteinander verbunden, das mittels Zug- und/oder Druckfedern (23, 25) federvorgespannt ist. The invention relates to a cell assembly for a battery system, with a number of battery cells (7) which are stacked one behind the other in the stacking direction, with the battery cell stack (1) being assigned a clamping unit (3) which has pressure plates (19) arranged at the opposite stack ends , via which the battery cell stack (1) is subjected to a bias voltage (F V ). According to the invention, the two pressure plates (19) of the clamping unit (3) are connected to one another via at least one scissor linkage, which is spring-loaded by means of tension and/or compression springs (23, 25).
Description
Die Erfindung betrifft einen Zellverband für ein Batteriesystem nach dem Oberbegriff des Anspruches 1.The invention relates to a cell assembly for a battery system according to the preamble of
Ein gattungsgemäßer Zellverband kann ein Batteriemodul mit einem Modulgehäuse sein, in dem ein Batteriezellstapel mit einer Anzahl von Batteriezellen angeordnet ist, die in einer Stapelrichtung hintereinander gestapelt sind. Dem Batteriezellstapel ist eine Spanneinheit zugeordnet. Diese weist an den gegenüberliegenden Stapelenden jeweils eine Druckplatte auf, über die der Batteriezellstapel mit einer Vorspannung beaufschlagbar ist. Alternativ dazu kann der Zellverband ein Cell-to-pack-System sein, das kein Modulgehäuse aufweist und daher weniger Bauteilgewicht als das Batteriemodul aufweist.A generic cell assembly can be a battery module with a module housing in which a battery cell stack with a number of battery cells is arranged, which are stacked one behind the other in a stacking direction. A clamping unit is assigned to the battery cell stack. This has a pressure plate at each of the opposite stack ends, via which the battery cell stack can be subjected to a pre-voltage. Alternatively, the cell assembly can be a cell-to-pack system that does not have a module housing and therefore has less component weight than the battery module.
Es ist bekannt, dass sich die Zelle beim Laden ausdehnt und beim Entladen zusammenzieht. Dies geschieht hauptsächlich auf der Anodenseite. Da sich Lithium in die Graphitstruktur einlagert, kommt es zu einer Expansion der Graphitstruktur. Sobald das Lithium vollständig in den Graphit eingelagert ist, kann man bei LiC6 mit einer Expansion von etwa 20% rechnen. Wenn die Anode auf Graphitbasis entladen wird, komprimiert sich die Zelle um den gleichen Betrag.It is known that the cell expands when charging and contracts when discharging. This mainly happens on the anode side. Since lithium is incorporated into the graphite structure, the graphite structure expands. As soon as the lithium is completely embedded in the graphite, an expansion of around 20% can be expected for LiC 6 . When the graphite-based anode is discharged, the cell compresses by the same amount.
Für eine Hochgeschwindigkeitsladung wird der Siliziumanteil im aktiven Anodenmaterial erhöht. Silizium kann Lithium absorbieren, indem es die Legierung Li22Si6 bildet. Das bedeutet, dass 6 Siliziumatome 22 Lithiumatome aufnehmen können. Dies führt automatisch zu einer größeren Expansion der Zelle. Bei 100 % Silizium ist daher eine Expansion der Zelle von etwa 300 % zu erwarten. Silizium in der Anode kann zu einer schnellen Aufladung führen. Das bedeutet, dass der Siliziumanteil im aktiven Anodenmaterial in Zukunft zunehmen wird.For high-speed charging, the silicon content in the active anode material is increased. Silicon can absorb lithium by forming the Li 22 Si 6 alloy. This means that 6 silicon atoms can accommodate 22 lithium atoms. This automatically leads to greater expansion of the cell. With 100% silicon, an expansion of the cell of around 300% can therefore be expected. Silicon in the anode can cause rapid charging. This means that the silicon content in the active anode material will increase in the future.
Je älter die Zelle wird, desto mehr Gas wird aufgrund der Zersetzung des Elektrolyts in der Zelle produziert. Dieses Gas verursacht einen Innendruck und eine Schwellung in der Zelle. In der Kathode kommt es ebenfalls zu einer Expansion und Kontraktion, wenn Lithium im aktiven Material interkaliert und wenn Lithium außerhalb des aktiven Materials deinterkaliert wird. Die Expansion und Kontraktion ist jedoch viel geringer, da das Kathodenmaterial viel steifer ist und einem höheren Innendruck standhalten kann. Hier beträgt die Expansion 2 bis 5 %.The older the cell gets, the more gas is produced due to the decomposition of the electrolyte in the cell. This gas causes internal pressure and swelling in the cell. Expansion and contraction also occur in the cathode when lithium intercalates within the active material and when lithium deintercalates outside the active material. However, the expansion and contraction is much less because the cathode material is much stiffer and can withstand higher internal pressure. Here the expansion is 2 to 5%.
Ein erstes Problem besteht in der unkontrollierten Expansion der Zelle und damit des Moduls: Durch die Expansion vergrößert sich der Abstand zwischen den Partikeln im Aktivmaterial, was zu einem Verlust des elektrischen Kontakts führt. Zudem baut sich vermehrt eine nichtleitende SEI-Schicht auf, die die elektrische Leitfähigkeit weiter verringert. Eine Siliziumanode hat aufgrund dieses Problems nur eine Lebensdauer von etwa 750 Zyklen.A first problem is the uncontrolled expansion of the cell and thus the module: The expansion increases the distance between the particles in the active material, which leads to a loss of electrical contact. In addition, a non-conductive SEI layer increasingly builds up, which further reduces electrical conductivity. Because of this problem, a silicon anode only has a lifespan of about 750 cycles.
Ein zweites Problem besteht darin, dass sich bei der Expansion die Abmessungen des Moduls ändern: Aufgrund der Expansion der Zelle im Inneren des Moduls entsteht ein Innendruck auf die Wände des Moduls. Infolgedessen wird eine Schweißnaht zwischen der oberen Platte des Moduls und dem Modulgehäuse einer hohen Zugspannung ausgesetzt. Dies kann zu Rissen führen. Das Modul kann mit Schrauben am Gehäuse des Batteriesystems befestigt werden. Die Expansion des Batteriemoduls kann die Befestigungslöcher verschieben, so dass die Module nicht lagegenau im Batteriepaket befestigt werden können. Die Befestigungsschraube steht zudem unter Scherspannung.A second problem is that the dimensions of the module change during expansion: due to the expansion of the cell inside the module, internal pressure is created on the walls of the module. As a result, a weld between the top plate of the module and the module housing is subjected to high tensile stress. This can lead to cracks. The module can be attached to the battery system housing with screws. The expansion of the battery module can shift the mounting holes so that the modules cannot be secured in the battery pack in the correct position. The fastening screw is also under shear stress.
Ein drittes Problem besteht in der hohen Druckkraft bzw. Vorspannung, die auf die Zelle wirkt: Wenn die Zelle durch einen übermäßig hohen Druck bzw. Vorspannung komprimiert wird, kann dies zwar zu einer geringeren Expansion führen, jedoch besteht die Gefahr, dass der Separator oder das Foliengehäuse der Pouchzelle beschädigt werden. Wenn die Zelle mit geringem Druck komprimiert wird, erfolgt die Schwellung ungleichmäßig. Es ist wichtig, dass der Druck auf die Zelle in allen Bereichen gleichmäßig ist und während der Expansions- und Kompressionsphase konstant bleibt. Dabei hat es sich gezeigt, dass eine Kompression durch eine Feder problematisch ist, da die Feder mehr Druck ausübt, wenn sie über einen Federweg zusammengedrückt wird. Das bedeutet, dass die an den Stirnseiten der Pouchzelle angeordneten Federn während der Kompressionsphase keinen Druck bzw. Vorspannung ausüben und während der vollen Expansion mehr als den erforderlichen Druck ausüben. Der Druck bzw. die Vorspannung sollte jedoch sowohl während der Zell-Kompression als auch während der Zell-Expansion gleichmäßig sein. Das bedeutet, dass die Zelle während des gesamten SOC (Ladezustand) der gleichen gleichmäßigen Kompression ausgesetzt sein sollte. Dies ist durch Federdruck nicht möglich.A third problem is the high compressive force or preload acting on the cell: if the cell is compressed by an excessively high pressure or preload, this can lead to less expansion, but there is a risk that the separator or the foil housing of the pouch cell can be damaged. When the cell is compressed with low pressure, the swelling occurs unevenly. It is important that the pressure on the cell is uniform in all areas and remains constant during the expansion and compression phases. It has been shown that compression by a spring is problematic because the spring exerts more pressure when it is compressed over a spring travel. This means that the springs arranged on the end faces of the pouch cell do not exert any pressure or preload during the compression phase and exert more than the required pressure during full expansion. However, the pressure or preload should be uniform during both cell compression and cell expansion. This means that the cell should be subjected to the same uniform compression throughout the SOC (state of charge). This is not possible with spring pressure.
Ein viertes Problem besteht darin, dass die Kontaktstelle, an der der jeweilige Zellableiter mit einer Busbar verschweißt ist, aufgrund der Zell-Expansion und der Zell-Kompression der Pouchzellen hohen mechanischen Spannungen ausgesetzt ist: Wenn die Zelle stärker anschwillt, als es der Platz im Modul zulässt, erfährt die Schweißverbindung des Zellableiters mit der Busbar eine Scherspannung und reißt. Die Schweißverbindung zwischen der Busbar und dem Zellableiter steht unter Scherspannung und kann zu einem Spannungsriss führen.A fourth problem is that the contact point at which the respective cell arrester is welded to a busbar is exposed to high mechanical stresses due to the cell expansion and cell compression of the pouch cells: If the cell swells more than the space in the module allows, the welded connection between the cell arrester and the busbar experiences shear stress and tears. The welded connection between the busbar and the cell arrester is below Shear stress and can lead to a stress crack.
Aus der
Die Aufgabe der Erfindung besteht darin, einen Zellverband, insbesondere ein Batteriemodul oder ein Cell-to-pack-System, für ein Batteriesystem bereitzustellen, der mit einer im Vergleich zum Stand der Technik gesteigerten Betriebssicherheit betreibbar ist.The object of the invention is to provide a cell assembly, in particular a battery module or a cell-to-pack system, for a battery system, which can be operated with increased operational reliability compared to the prior art.
Die Aufgabe ist durch die Merkmale des Anspruches 1 gelöst. Bevorzugte Weiterbildungen der Erfindung sind in den Unteransprüchen offenbart.The task is solved by the features of
Nachfolgend werden die Funktion und die vorteilhaften Wirkungen der Erfindung beispielhaft anhand eines Batteriemoduls erläutert. Es versteht sich jedoch, dass die Erfindung nicht auf ein Batteriemodul mit Modulgehäuse beschränkt ist, sondern auch zum Beispiel ein Cell-to-pack-System ohne Modulgehäuse umfasst.The function and the advantageous effects of the invention are explained below using a battery module as an example. However, it is understood that the invention is not limited to a battery module with a module housing, but also includes, for example, a cell-to-pack system without a module housing.
So ist im Modulgehäuse eines Batteriemoduls aus, in dessen Modulgehäuse ein Batteriezellstapel angeordnet, der aus einer Anzahl von in Stapelrichtung hintereinander gestapelten Batteriezellen besteht. Dem Batteriezellstapel ist eine Spanneinheit zugeordnet. Diese weist an gegenüberliegenden Stapelenden jeweils Druckplatten auf, über die der Batteriezellstapel mit einer Vorspannung beaufschlagt wird. Die Spanneinheit kann bevorzugt innerhalb des Modulgehäuses sowie funktionell unabhängig vom Modulgehäuse angeordnet. Auf diese Weise kann das Modulgehäuse im Wesentlichen vorspannungsfrei bleiben, und zwar während der Expansion sowie Kontraktion des Batteriezellstapels im Batteriebetrieb. Der erfindungsgemäße Batteriezellstapel, insbesondere bestehend aus Batteriepouchzellen, steht während der gesamten Expansions- und Kontraktionsphase unter Vorspannung.In the module housing of a battery module, a battery cell stack is arranged in the module housing, which consists of a number of battery cells stacked one behind the other in the stacking direction. A clamping unit is assigned to the battery cell stack. This has pressure plates at opposite stack ends, via which the battery cell stack is subjected to a preload. The clamping unit can preferably be arranged within the module housing and functionally independent of the module housing. In this way, the module housing can remain essentially free of bias during the expansion and contraction of the battery cell stack in battery operation. The battery cell stack according to the invention, in particular consisting of battery pouch cells, is under tension during the entire expansion and contraction phase.
Die Batteriezellstapel ist zusammengesetzt aus den Batteriezellen mit zwischengeordneten Kompressionspads. Diese helfen lediglich dabei, eine gleichmäßige Kompression zu erzeugen. Sie tragen jedoch nicht dazu bei, eine Vorspannung auf die Zellen auszuüben. Der Zellenstapel befindet sich in einer Spanneinheit. Zwischen der Spanneinheit und dem Modulgehäuse ist ein Freiraum vorhanden. Die Spanneinheit kann am Modulgehäuse durch Positionierstreifen bzw. Metallstreifen befestigt, die sich je nach Abstand zwischen Spanneinheit und Modulgehäuse biegen und ausrichten können. Es ist hervorzuheben, dass die Metallstreifen nicht als Federn wirken. Sie verbinden lediglich den Zellstapel mit dem Modulgehäuse. Der Freiraum zwischen Spanneinheit und Modulgehäuse kann für die Luftkühlung des Zellstapels genutzt werden.The battery cell stack is composed of the battery cells with intermediate compression pads. These just help create even compression. However, they do not contribute to exerting a bias on the cells. The cell stack is located in a clamping unit. There is free space between the clamping unit and the module housing. The clamping unit can be attached to the module housing using positioning strips or metal strips that can bend and align depending on the distance between the clamping unit and the module housing. It should be emphasized that the metal strips do not act as springs. You simply connect the cell stack to the module housing. The free space between the clamping unit and the module housing can be used for air cooling of the cell stack.
Ein Kern der Erfindung besteht darin, dass beiden stirnseitigen Druckplatten der Spanneinheit durch ein Gestänge sowie durch eine Federkombination so verbunden sind. In der Zellstapel-Expansion bzw. der Zellstapel-Kontraktion dehnt sich die eine Feder aus, dass sich die eine Feder aus, während sich die andere Feder zusammenzieht. Auf diese Weise wird der effektive Gesamt-Federdruck während der Bewegung des Gestänges (verursacht durch die Zellstapel-Expansion bzw. der Zellstapel-Kontraktion) konstant gehalten. Das Gestänge mit den Federn steht immer unter Federspannung. Das Gestänge kann sich sowohl auf der oberen als auch auf der unteren Seite des Zellstapels befinden. Die Druckplatten der Spanneinheit bewegen sich nach außen, wenn sich der Zellstapel ausdehnt. Das Modulgehäuse bleibt dagegen frei von der Zellstapel-Vorspannung. Wenn sich die Zellstapel zusammenzieht, bewegen sich die Druckplatten der Spanneinheit nach innen. Das Modulgehäuse wird nicht spannungsbeaufschlagt. Das bedeutet, dass die Expansion und Kontraktion des Zellstapels keinen Einfluss auf das Modulgehäuse haben. Das Modulgehäuse kann am Batteriesystem befestigt werden, ohne dass die Gefahr besteht, dass sich die Abmessungen des Moduls und des Systems spannungsbedingt ändern.A core of the invention is that the two front pressure plates of the clamping unit are connected by a linkage and a spring combination. In cell stack expansion or cell stack contraction, one spring expands, one spring expands while the other spring contracts. In this way, the effective total spring pressure is kept constant during the movement of the rod (caused by cell stack expansion or cell stack contraction). The linkage with the springs is always under spring tension. The linkage can be located on both the top and bottom sides of the cell stack. The clamping unit pressure plates move outward as the cell stack expands. The module housing, on the other hand, remains free of the cell stack bias. As the cell stack contracts, the pressure plates of the clamping unit move inward. The module housing is not subject to voltage. This means that the expansion and contraction of the cell stack has no impact on the module housing. The module housing can be attached to the battery system without the risk of the dimensions of the module and the system changing due to voltage.
Ein weiterer Aspekt betrifft die in dem Batteriemodul verbaute, zumindest eine Busbar. Die Busbar ist so ausgelegt, dass sie den Expansions- bzw. Kontraktionswegen des Zellstapels folgen kann. Bevorzugt kann die Busbar mit den beweglichen Druckplatten der Spanneinheit verbunden sein. Auf diese Weise entstehen an der Schweißverbindung zwischen dem jeweiligen Zellableiter und der Busbar keine Scherspannungen. Die Busbar besteht aus einem Kunststoffteil und einem Metallteil. Das Metallteil kann Falten bzw. Schlaufen aufweisen, die sich bei der Expansion der Busbar abflachen können. Das Kunststoffteil kann aus zumindest zwei Komponenten bestehen, von denen eine beweglich und die andere ortsfest am Modulgehäuse angebracht ist. Auf diese Weise kann sich auch das Kunststoffteil ausdehnen. Das bedeutet, dass die Busbar der Expansion und Kontraktion des Zellstapels spannungsfrei folgen kann.Another aspect concerns the at least one busbar installed in the battery module. The busbar is designed so that it can follow the expansion or contraction paths of the cell stack. The busbar can preferably be connected to the movable pressure plates of the clamping unit. In this way, no shear stresses arise at the welded connection between the respective cell arrester and the busbar. The busbar consists of a plastic part and a metal part. The metal part may have folds or loops that can flatten as the busbar expands. The plastic part can consist of at least two components, one of which is movable and the other is fixedly attached to the module housing. In this way, the plastic part can also expand. This means that the busbar can follow the expansion and contraction of the cell stack without any tension.
Durch die Kombination von Druckplatten, Gestänge und Federn ist es möglich, während des gesamten SOC-Bereichs einen gleichmäßigen Kompressionsdruck auf die Zellstapel auszuüben. Der gesamte Mechanismus ist dehnbar, d.h. er kann eine sehr hohe Zellstapel-Expansion aufnehmen, wie sie bei Verwendung von Siliziumanoden auftritt. Die Abmessungen des Modulgehäuses bleiben unverändert. Es erfährt keine Expansions- und Kontraktionskräfte. Zumindest eine Positionierleiste verbindet die Druckplatten der Spanneinheit mit dem festen Modulgehäuse. Die Positionierleiste wird während der Zellstapel-Expansion bzw. Zellstapel-Kontraktion im Wesentlichen nicht belastet.By combining pressure plates, rods and springs, it is possible to apply uniform compression pressure to the cell stacks throughout the entire SOC range. The entire mechanism is stretchable, meaning it can accommodate a very high cell stack expansion, as occurs when using silicon anodes. The dimensions of the module housing remain unchanged. It does not experience expansion and contraction forces. At least one positioning bar connects the pressure plates of the clamping unit to the fixed module housing. The positioning bar is essentially not loaded during cell stack expansion or cell stack contraction.
Das Gestänge der Spanneinheit kann ein Scherengestänge aus zwei Koppelstangen sein, die zueinander diagonal angeordnet sind und über einen mittigen Gelenkpunkt miteinander drehgelenkig verbunden sind. Beispielhaft kann das Scherengestänge vier Federn aufweisen. Diese können in jedem Quadranten des Scherengestänges positioniert sein. Alternativ dazu können jeweils zwei Federn in einem Quadranten angeordnet werden. Ein bodenseitig angeordnetes Gestänge kann über eine Abdeckung von einer Wärmeleitpaste getrennt sein. Auf diese Weise kann die Wärmeleitpaste nicht in Kontakt mit dem Gestänge treten.The linkage of the clamping unit can be a scissor linkage made up of two coupling rods, which are arranged diagonally to one another and are pivotally connected to one another via a central pivot point. For example, the scissor linkage can have four springs. These can be positioned in any quadrant of the scissor linkage. Alternatively, two springs can be arranged in a quadrant. A linkage arranged on the bottom can be separated from a thermal paste via a cover. In this way, the thermal paste cannot come into contact with the rod.
Der Spanneinheit besteht aus Aluminium und kann daher auch Wärme von der Zellstapel auf die Modulplatte übertragen. Wenn bei der Montage des Spanneinheit eine auf den Zellstapel wirkende Soll-Vorspannung eingestellt wird, bleibt dies Soll-Vorspannung während der der betriebsbedingten Expansion und Kontraktion des Zellstapels unverändert.The clamping unit is made of aluminum and can therefore also transfer heat from the cell stack to the module plate. If a target preload acting on the cell stack is set during assembly of the clamping unit, this target preload remains unchanged during the operational expansion and contraction of the cell stack.
Die Busbar kann beispielhaft dreiteilig aufgebaut sein, und zwar aus zwei Kunststoffteilen und einem Metallteil. Von den beiden Kunststoffteilen ist ein Kunststoffteil ortsfest am Modulgehäuse montiert, während das andere Kunststoffteil in der Stapelrichtung beweglich am ortsfesten Kunststoffteil angeordnet ist. Das bewegliche Kunststoffteil kann mit den Druckplatten der Spanneinheit verbunden sein, so dass es sich bewegt, wenn sich die Druckplatten der Spanneinheit bewegen. Das Metallteil ist mit den Zellableitern der Batteriezellen verschweißt. Es hat im Wesentlichen die Form eines geprägten oder gebogenen Metallstreifens. Dieser ist ebenfalls mit dem beweglichen Kunststoffteil und schließlich mit dem Spanneinheit verbunden. Wenn sich der Spanneinheit ausdehnt, dehnt sich das Metallband aus, und die Biegung wird flach. Wenn sich die Zellstapel zusammenzieht, zieht sich das Metallband zusammen und biegt sich durch. Auf diese Weise kommt es bei der Expansion und der Kontraktion der Zellstapel nicht zu mechanischen Spannungen an den Kontaktstellen zwischen der Busbar und den Zellableitern.The busbar can, for example, be constructed in three parts, namely two plastic parts and one metal part. Of the two plastic parts, one plastic part is mounted in a stationary manner on the module housing, while the other plastic part is arranged on the stationary plastic part so that it can move in the stacking direction. The movable plastic part can be connected to the pressure plates of the clamping unit so that it moves when the pressure plates of the clamping unit move. The metal part is welded to the cell conductors of the battery cells. It essentially takes the form of an embossed or curved strip of metal. This is also connected to the movable plastic part and finally to the clamping unit. As the tensioner expands, the metal band stretches and the bend becomes flat. As the cell stack contracts, the metal band contracts and flexes. In this way, there is no mechanical stress at the contact points between the busbar and the cell conductors during the expansion and contraction of the cell stacks.
Die Spanneinheit kann jeweils an der Zellstapel-Oberseite und an der Zellstapel-Unterseite ein Gestänge aufweisen. Es ist auch möglich, das Gestänge an nur einer Zellstapelseite anzuordnen.The clamping unit can have a linkage on the top of the cell stack and on the bottom of the cell stack. It is also possible to arrange the linkage on only one side of the cell stack.
Auf der Zellstapel-Oberseite kann sich zudem eine Vertiefung befinden, in der ein Sensorbaugruppe mit Temperatursensoren befestigt ist. Es ist ferner möglich, das obere Gestänge sowie die Sensorbaugruppe mit dem oberen Modulgehäuse-Deckel zu schließen, so dass kein Staub in das Modul eindringen kann.There may also be a recess on the top side of the cell stack in which a sensor assembly with temperature sensors is attached. It is also possible to close the upper linkage and the sensor assembly with the upper module housing cover so that no dust can penetrate into the module.
Die im Zellstapel eingesetzten Kompressionspads bauen keine Vorspannung auf, sondern bewirken nur einen gleichmäßigen Druck zwischen den Batteriezellen. Daher kann man die Anzahl der Kompressionspads reduzieren. Es kann zum Beispiel nach jeweils drei Zellstapeln angebracht werden.The compression pads used in the cell stack do not build up any preload, but only create an even pressure between the battery cells. Therefore you can reduce the number of compression pads. For example, it can be applied after every three cell stacks.
In der Anode kann ein höherer Siliziumgehalt verwendet werden, ohne dass die Gefahr besteht, dass sich die Zykluszeit aufgrund der starken Expansion verringert.A higher silicon content can be used in the anode without the risk of reducing cycle time due to large expansion.
Die Komponenten der Spanneinheit, d.h. Koppelstangen, Druckplatten und Federn, können aus rostfreiem Stahl hergestellt sein. Zudem kann zwischen dem Gestänge und dem Zellstapel ein Freigang vorhanden sein, so dass Bewegung des Gestänges störkonturfrei erfolgt.The components of the tensioning unit, i.e. coupling rods, pressure plates and springs, can be made of stainless steel. In addition, there can be a clearance between the rod and the cell stack, so that movement of the rod takes place without interference contours.
Der erfindungsgemäße Zellstapel hat über den gesamten SOC-Bereich eine gleichmäßige Vorspannung. Dadurch wird der Überdruck während des höchsten SOC-Wertes reduziert und die Gefahr des Eindringens in den Separator ist minimal. Die Schwellung erfolgt weitgehend gleichmäßig, was bedeutet, dass auch die Leitfähigkeit der Zellen gleichmäßig bleibt. Zudem lässt sich die Spanneinheit mitsamt dem Zellstapel einfach in das Modul einbauen. Das Modulgehäuse sowie die front-/rückseitige Abdeckung erfahren durch die Kompression und Expansion des Zellstapels keine Dimensionsänderung. Dadurch wird auch die Belastung der Befestigungsschrauben verringert. Die erfindungsgemäß verwendete Busbar ist flexibel mit Bezug auf Änderungen der Zellstapelgröße. Das bedeutet, dass an en Kontaktstellen zwischen den Zellableitern und der Busbar keine Scherspannung aufgrund der Expansion und Kontraktion der Zellstapel auftreten. Dadurch ergibt sich für den Zellstapel eine aufgrund der konstanten Vorspannung eine höhere Lebensdauer.The cell stack according to the invention has a uniform bias over the entire SOC range. This reduces the overpressure during the highest SOC value and minimizes the risk of penetration into the separator. The swelling is largely uniform, which means that the conductivity of the cells also remains uniform. In addition, the clamping unit and the cell stack can be easily installed in the module. The module housing and the front/back cover do not experience any dimensional changes due to the compression and expansion of the cell stack. This also reduces the load on the fastening screws. The busbar used according to the invention is flexible with respect to changes in cell stack size. This means that no shear stress occurs at the contact points between the cell conductors and the busbar due to the expansion and contraction of the cell stacks. This results in a longer lifespan for the cell stack due to the constant preload.
Da das Gestänge der Spanneinheit, das mit dem Zellstapel in Berührung kommt, metallisch ist, kann dieses schneller Wärme von der Zellstapel aufnehmen. Das bedeutet, dass die Kühlung mit diesem modifizierten Moduldesign effizienter ist. Außerdem ergibt sich ein geringerer Bedarf an Kompressionspads, was zu einer Gewichtseinsparung führt. Für den Aufbau der Vorspannung sind keine Federn im Modul erforderlich. Im vorliegenden Fall wird die Vorspannung nur durch die im Gestänge verbauten Federn realisiert, sobald sich die Zellstapel ausdehnt oder zusammenzieht, wobei der stets mit einer konstanten Vorspannung beaufschlagt ist, und zwar im gesamten SOC-Bereich (d.h. im gesamten Kompressions- und Expansionsbereich).Since the linkage of the clamping unit, which comes into contact with the cell stack, is metallic, it can absorb heat more quickly from the cell stack. This means that cooling is more efficient with this modified module design. There is also less need for compression pads, which leads to weight savings. No springs are required in the module to create the preload. In the present case the pre tension is only realized by the springs built into the linkage as soon as the cell stack expands or contracts, whereby the cell stack is always subjected to a constant preload, namely in the entire SOC range (ie in the entire compression and expansion range).
Mit der erfindungsgemäßen Spanneinheit kann in der Anode ein hoher Siliziumanteil verwendet werden, ohne die Lebensdauer zu beeinträchtigen. Silizium in der Anode hilft, die Zellstapel schneller zu laden.With the clamping unit according to the invention, a high proportion of silicon can be used in the anode without affecting the service life. Silicon in the anode helps charge the cell stacks faster.
Die im Gestänge verbauten Federn benötigen keinen zusätzlichen Platz im Modul, da sie direkt an der Oberseite und der Unterseite des Zellstapels angeordnet sind. Ferner sind die Schweißstellen im Modulgehäuse (zum Beispiel Schweißstellen zur Anbindung der vorderen/hinteren Modulabdeckung) weitgehend spannungsfrei.The springs built into the linkage do not require any additional space in the module as they are arranged directly on the top and bottom of the cell stack. Furthermore, the welds in the module housing (for example welds for connecting the front/rear module cover) are largely stress-free.
Nachfolgend sind die wesentlichen Aspekte der Erfindung nochmals im Einzelnen hervorgehoben: So können die beiden Druckplatten der Spanneinheit über zumindest ein Scherengestänge miteinander verbunden sein. Das Scherengestänge ist mit Hilfe von Zug- und/oder Druckfedern federvorgespannt.The essential aspects of the invention are highlighted again in detail below: The two pressure plates of the clamping unit can be connected to one another via at least one scissor linkage. The scissor linkage is spring-loaded with the help of tension and/or compression springs.
In einer technischen Umsetzung kann das Scherengestänge zwei Koppelstangen aufweisen. Diese können zueinander diagonal über Kreuz angeordnet sein und an einem gemeinsamen mittleren Gelenkpunkt miteinander verbunden sein. Ausgehend von dem mittleren Gelenkpunkt können zwei Koppelstangenarme je Koppelstange diagonal beziehungsweise sternförmig nach außen abragen. Zudem kann jeder der Druckplatten eine Linearführung zugeordnet sein, in der die Armenden der Koppelstangenarme linear verstellbar geführt sind.In a technical implementation, the scissor linkage can have two coupling rods. These can be arranged diagonally across each other and connected to one another at a common central hinge point. Starting from the central pivot point, two coupling rod arms can protrude diagonally or star-shaped outwards for each coupling rod. In addition, each of the pressure plates can be assigned a linear guide in which the arm ends of the coupling rod arms are guided in a linearly adjustable manner.
Zwischen in Umfangsrichtung benachbarten Koppelstangenarmen kann eine Druck- und/oder Zugfeder abgestützt sein. Zudem können die in den Druckplatten ausgebildeten Linearführungen sich in der Stapelrichtung oder quer zur Stapelrichtung erstrecken.A compression and/or tension spring can be supported between coupling rod arms adjacent in the circumferential direction. In addition, the linear guides formed in the pressure plates can extend in the stacking direction or transversely to the stacking direction.
Die im Batteriezellstapel gestapelten Batteriezellen weisen in gängiger Praxis seitlich abragende Zellableiter auf. Diese sind an Anschlußstellen, insbesondere durch Schweißung, mit zumindest einem elektrisch leitfähigen Metallteil zumindest einer Busbar elektrisch verbunden. Mit Hilfe der Busbar können die Batteriezellen elektrisch miteinander verschaltet werden. Bevorzugt kann das Metallteil der Busbar zwischen den Anschlußstellen schlaufenförmig beziehungsweise U-förmig mit einer Metallteil-Falte ausgebildet sein. Mit Hilfe der Metallteil-Falte ist ein Längenausgleich bei einer Expansion oder Kontraktion des Batteriezellstapels ermöglicht. Bevorzugt kann die Busbar dreiteilig ausgebildet sein, und zwar aus einem ortsfest am Modulgehäuse befestigten Busbar-Kunststoffteil, zumindest einem darin in Stapelrichtung verstellbar geführten Busbar-Kunststoffteil sowie dem bereits erwähnten elektrisch leitfähigen Metallteil. Das Metallteil kann bevorzugt am verstellbar geführten Busbar-Kunststoffteil angebunden sein, während die im Metallteil ausgebildete Metallteil-Falte anbindungsfrei bleibt, um während der Expansion beziehungsweise Kontraktion des Batteriezellstapels durch Verformung einen Längenausgleich zu ermöglichen.In common practice, the battery cells stacked in the battery cell stack have cell conductors that project laterally. These are electrically connected at connection points, in particular by welding, to at least one electrically conductive metal part of at least one bus bar. With the help of the busbar, the battery cells can be electrically connected to one another. Preferably, the metal part of the busbar can be loop-shaped or U-shaped with a metal part fold between the connection points. With the help of the metal part fold, length compensation is possible when the battery cell stack expands or contracts. The busbar can preferably be designed in three parts, namely from a busbar plastic part fixed in place on the module housing, at least one busbar plastic part guided therein in an adjustable manner in the stacking direction, and the already mentioned electrically conductive metal part. The metal part can preferably be connected to the adjustable busbar plastic part, while the metal part fold formed in the metal part remains free of connection in order to enable length compensation through deformation during the expansion or contraction of the battery cell stack.
Die Druckplatten der Spanneinheit können über Positionierleisten innenseitig am Modulgehäuse angebunden sein. Die Positionierleisten können eine Expansion beziehungsweise eine Kontraktion des Batteriezellstapels während des Batteriebetriebes durch Verformung ausgleichen.The pressure plates of the clamping unit can be connected to the inside of the module housing via positioning strips. The positioning strips can compensate for expansion or contraction of the battery cell stack during battery operation through deformation.
Nachfolgend sind Ausführungsbeispiele der Erfindung anhand der beigefügten Figuren beschrieben. Es zeigen:
-
1 bis8 unterschiedliche Ausführungsvarianten eines Batteriemoduls.
-
1 until8th different design variants of a battery module.
In der
Es ist hervorzuheben, dass die Erfindung nicht auf ein Batteriemodul beschränkt ist, sondern auch auf ein Cell-to-pack-System ohne Modulgehäuse anwendbar ist.It should be emphasized that the invention is not limited to a battery module, but can also be applied to a cell-to-pack system without a module housing.
Mit Hilfe der Spanneinheit 3 kann während der im Batteriebetrieb erfolgenden Expansion sowie Kontraktion der Batteriezellen 7 in der Stapelrichtung eine gleichmäßige sowie konstante Vorspannung Fv auf dem Batteriestapel 1 ausgeübt werden. Hierzu weist die Spanneinheit 3 an jedem Stapelende eine Druckplatte 19 auf. Die beiden Druckplatten 19 sind oberhalb und unterhalb des Batteriezellstapels 1 über ein Scherengestänge, bestehend aus zwei Koppelstangen 27, miteinander verbunden. Das Scherengestänge ist mittels Zug- und/oder Druckfedern 23, 25 federvorgespannt.With the help of the
Wie aus der
Während einer Zellstapel-Expansion bzw. Zellstapel-Kontraktion dehnen sich die einen Federn aus, während sich die anderen Federn zusammenziehen. Das bedeutet, dass die auf den Zellstapel wirkende Vorspannung unabhängig von der Zellstapel-Expansion bzw. Zellstapel-Kontraktion stets konstant bleibt, so dass in allen SOC-Bereichen stets eine konstante Vorspannung auf den Zellstapel ausgeübt wird.During cell stack expansion or cell stack contraction, one spring expands while the other springs contract. This means that the prestress acting on the cell stack always remains constant regardless of the cell stack expansion or contraction, so that a constant prestress is always exerted on the cell stack in all SOC areas.
Bei einer Zellstapel-Expansion dreht sich beispielhaft die in der
In der
In der
In der
Das in der
Wie aus der
Gemäß der
In den
Der Spanneinheit 3 kann durch Luftkühlung im Modul oder durch herkömmliche Wasserkühlung unter dem Modulgehäuse 5 gekühlt werden. Der Spanneinheit 3 besteht bevorzugt aus metallischem Material, so dass der Zellstapel 1 schneller gekühlt werden kann. Die front-/rückseitige Modul-Abdeckungen 55, 57 können als Aluminium-Druckgussteile gefertigt sein. Sie wird mit dem festen Kunststoffteil 45 der Busbar 17 verschraubt und dann mit den weiteren Komponenten 51, 53 des Modulgehäuses 5 verschweißt.The
In der
BezugszeichenlisteReference symbol list
- 11
- BatteriezellstapelBattery cell stack
- 33
- SpanneinheitClamping unit
- 55
- ModulgehäuseModule housing
- 77
- BatteriezellenBattery cells
- 99
- KompressionspadsCompression pads
- 1111
- ZellableiterCell arrester
- 1313
- AnschlußstellenConnection points
- 1515
- elektrisch leitfähiges Metallteilelectrically conductive metal part
- 1717
- BusbarBus bar
- 1919
- Druckplattenprinting plates
- 23,23,
- 25 Zug- und/oder Druckfedern25 tension and/or compression springs
- 2727
- KoppelstangenCoupling rods
- 2929
- GelenkpunktArticulation point
- 3131
- KoppelstangenarmCoupling rod arm
- 3333
- LinearführungLinear guide
- 3535
- FührungsstiftGuide pin
- 3737
- ModulgehäusebodenModule housing base
- 3939
- WärmeleitpasteThermal paste
- 4141
- Abdeckungcover
- 4343
- Metallteil-FalteMetal part fold
- 4545
- ortsfestes Busbar-Kunststoffteilstationary busbar plastic part
- 4747
- verstellbar geführte Busbar-Kunststoffteileadjustable guided busbar plastic parts
- 4949
- PositionierleistePositioning bar
- 5151
- unteres U-Profilteillower U-profile part
- 5353
- DeckplatteCover plate
- 55, 5755, 57
- Modul-AbdeckungenModule covers
- 5959
- SensorbaugruppeSensor assembly
- 6161
- SensorabdeckungSensor cover
- FvFv
- Vorspannungpreload
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNGQUOTES INCLUDED IN THE DESCRIPTION
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Zitierte PatentliteraturCited patent literature
- DE 102018114226 A1 [0010]DE 102018114226 A1 [0010]
- US 2022/0029190 A1 [0010]US 2022/0029190 A1 [0010]
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DE102022208233A1 true DE102022208233A1 (en) | 2024-02-08 |
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-
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