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Die vorliegende Erfindung betrifft ein Batteriemodul mit einem Modulgehäuse und mehreren in dem Modulgehäuse angeordneten Batteriezellen, insbesondere ein flüssigkeitsgekühltes Batteriemodul mit direkt von einem flüssigen Kühlmittel umströmten Batteriezellen, sowie ein Verfahren zur Herstellung eines derartigen Batteriemoduls.
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Batteriemodule eingangs genannter Art sind im Stand der Technik hinlänglich bekannt und werden insbesondere für Traktionsbatterien von elektrisch oder teilelektrisch angetriebenen Fahrzeugen verwendet.
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Der vorliegenden Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine relativ einfache Herstellung eines Batteriemoduls eingangs genannter Art zu ermöglichen.
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Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß durch ein Batteriemodul mit den Merkmalen des Anspruchs 1 gelöst.
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Das erfindungsgemäße Batteriemodul umfasst ein im Allgemeinen flüssigkeitsdichtes, vorzugsweise gasdichtes Modulgehäuse. Das Modulgehäuse umfasst im Allgemeinen mehrere Gehäuseteile, die aneinander befestigt sind. Typischerweise besteht das Modulgehäuse zumindest teilweise aus einem Metall.
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Das erfindungsgemäße Batteriemodul umfasst mehrere Batteriezellen, die in dem Modulgehäuse angeordnet sind. Vorzugsweise sind die Batteriezellen im Wesentlichen plattenförmig oder quaderförmig ausgebildet und parallel zueinander angeordnet. Die Batteriezellen umfassen im Allgemeinen ein gasdichtes Zellgehäuse, in dem Aktivmaterialien der Batteriezelle angeordnet sind.
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Erfindungsgemäß ist in dem Modulgehäuse mindestens eine Expansionsmatte angeordnet, die aus einem sich unter Einwirkung eines Ausdehnungsmediums ausdehnenden Material besteht, wobei jede Expansionsmatte im ausgedehnten Zustand flächig an einer Gehäusewand des Modulgehäuses anliegt und mindestens eine Batteriezelle in einer von der Gehäusewand wegweisenden Richtung belastet. Das Ausdehnungsmedium kann beispielsweise eine Flüssigkeit, insbesondere ein flüssiges Kühlmittel, oder ein Fett beziehungsweise einer oder mehrere darin enthaltene Bestandteile sein.
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Die mindestens eine sich ausdehnende Expansionsmatte ermöglicht es Montagespalte, welche, um die Batteriezellen in das Modulgehäuse einsetzen zu können, zwangsweise zwischen dem Modulgehäuse und den Batteriezellen vorgesehen werden müssen, auf einfache Weise zu überbrücken. Ferner können die Batteriezellen durch die mindestens eine sich ausdehnende Expansionsmatte auch auf einfache Weise in dem Modulgehäuse verspannt und dadurch im Modulgehäuse fixiert werden. Dies ermöglicht eine relativ einfache Montage der Batteriezellen in dem Modulgehäuse und somit eine relativ einfache Herstellung des Batteriemoduls.
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Vorzugsweise ist die mindestens eine Expansionsmatte derart angeordnet, dass jede Batteriezelle im ausgedehnten Zustand der mindestens einen Expansionsmatte zwischen einer Expansionsmatte und einer Gehäusewand oder zwischen mehreren Expansionsmatten verpresst ist. Dies ermöglicht es, die Batteriezellen auf einfache Weise und zuverlässig in dem Modulgehäuse zu fixieren. Bevorzugt sind in dem Modulgehäuse mindestens zwei Expansionsmatten angeordnet, wobei die mindestens zwei Expansionsmatten derart auf gegenüberliegenden Seiten der Batteriezellen angeordnet sind, dass jede Batteriezelle im ausgedehnten Zustand der mindestens zwei Expansionsmatten zwischen zwei gegenüberliegenden Expansionsmatten verpresst ist. Besonders bevorzugt sind in dem Modulgehäuse genau zwei Expansionsmatten angeordnet, zwischen denen im ausgedehnten Zustand alle Batteriezellen verpresst sind.
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Bevorzugt ist die mindestens eine Expansionsmatte derart ausgestaltet, dass im ausgedehnten Zustand der mindestens einen Expansionsmatte ein Gehäuseinnenraum des Modulgehäuses durch die mindestens eine Expansionsmatte flüssigkeitsdicht, vorzugsweise gasdicht, gegen die Umgebung des Modulgehäuses abgedichtet ist, sodass hierfür keine zusätzlichen Dichtmittel vorgesehen werden müssen.
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Da sich die Batteriezellen im Betrieb stark erwärmen können, ist das Modulgehäuse vorzugsweise eingerichtet, zur Kühlung der Batteriezellen im Bereich des Gehäuseinnenraums mit einem flüssigen, typischerweise dielektrischen, Kühlmittel befüllt zu werden. Hierbei ist die mindestens eine Expansionsmatte vorteilhafterweise derart angeordnet, dass diese im befüllten Zustand des Modulgehäuses, also wenn der Gehäuseinnenraum des Modulgehäuses mit dem Kühlmittel befüllt ist, in unmittelbarem Kontakt mit dem Kühlmittel steht. Dies ermöglicht es, das flüssige Kühlmittel als Ausdehnungsmedium zum Ausdehnen der mindestens einen Expansionsmatte zu verwenden, sodass hierfür bei der Herstellung des Batteriemoduls kein zusätzlicher Prozessschritt vorgesehen werden muss.
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Typischerweise weist jede Batteriezelle eine Entgasungseinrichtung auf, durch die im Falle einer Überhitzung der Batteriezelle ein Fluid, welches sowohl flüssige als auch gasförmige Anteile aufweisen kann, relativ kontrolliert aus der Batteriezelle austreten kann, um ein Explodieren der Batteriezelle zu vermeiden. Vorteilhafterweise sind im ausgedehnten Zustand der mindestens einen Expansionsmatte die relativ empfindlichen Entgasungseinrichtungen aller Batteriezellen durch eine Expansionsmatte abgedeckt, und somit - beispielsweise vor dem Kontakt mit dem Kühlmittel oder Umgebungseinflüssen wie Salzsprühnebel - geschützt. Die Entgasungseinrichtung kann beispielsweise eine Berstscheibe umfassen.
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Bevorzugt weist die mindestens eine Expansionsmatte hierbei im Bereich der Entgasungseinrichtung der Batteriezellen jeweils eine Sollbruchstelle oder eine Öffnung auf, um im Falle einer Überhitzung der Batteriezelle einen relativ ungehinderten und kontrollierten Austritt des Fluids aus der Batteriezelle zu ermöglichen. Beispielsweise kann die mindestens eine Expansionsmatte im Bereich der Entgasungseinrichtungen perforiert oder lokal ausgedünnt sein.
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Um im Falle einer Überhitzung einer Batteriezelle eine Einwirkung des aus der Batteriezelle austretenden heißen Fluids auf benachbarte Batteriezellen zu minimieren, weist das Modulgehäuse typischerweise mindestens eine Entgasungsöffnung auf, über die von der überhitzten Batteriezelle freigesetztes Fluid aus dem Modulgehäuse austreten kann. Vorteilhafterweise ist im ausgedehnten Zustand der mindestens einen Expansionsmatte jede Entgasungsöffnung durch eine Expansionsmatte verschlossen, um ein Eindringen von Verunreinigungen in das Batteriemodul über die mindestens eine Entgasungsöffnung und - im Falle eines mit einem Kühlmittel befüllten Modulgehäuses - einen Austritt von Kühlmittel über die Entgasungsöffnung zu verhindern, ohne dass hierfür zusätzliche Dichtmittel an der mindestens einen Entgasungsöffnung vorgesehen werden müssen. Vorzugsweise weist das Modulgehäuse eine der Anzahl von Batteriezellen entsprechende Anzahl von Entgasungsöffnungen auf, die jeweils benachbart zu einer Entgasungseinrichtung einer Batteriezelle angeordnet sind. Selbst wenn die Expansionsmatte hierbei im Bereich der Entgasungseinrichtungen wie oben beschrieben Öffnungen aufweist, müssen keine zusätzlichen Dichtmittel vorgesehen werden, da der Gehäuseinnenraum des Modulgehäuses durch um die Öffnungen umlaufende Bereiche der mindestens einen Expansionsmatte dennoch zumindest flüssigkeitsdicht, vorzugsweise gasdicht, gegen die Entgasungsöffnungen abgedichtet ist, sodass auch in diesem Fall durch die mindestens eine Expansionsmatte ein Austritt von Kühlmittel aus dem Gehäuseinnenraum über die Entgasungsöffnungen verhindert wird.
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Bevorzugt sind im ausgedehnten Zustand der mindestens einen Expansionsmatte Endbereiche der Batteriezellen jeweils derart von einer Expansionsmatte umschlossen, dass die Endbereiche der Batteriezellen durch die entsprechende Expansionsmatte lateral fixiert, also lateral festgelegt, sind. Besonders bevorzugt sind mindestens zwei Expansionsmatten vorhanden und sind im ausgedehnten Zustand der mindestens zwei Expansionsmatten beide gegenüberliegenden Endbereiche jeder Batteriezelle durch die mindestens zwei Expansionsmatten umschlossen und lateral fixiert, sodass die Batteriezellen durch die mindestens zwei Expansionsmatten in allen Raumrichtungen in dem Modulgehäuse fixiert sind und folglich keine zusätzlichen Befestigungsmittel zum Fixieren der Batteriezellen vorgesehen werden müssen.
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Ein besonders einfach montierbares Batteriemodul kann realisiert werden, indem das Modulgehäuse in einer bevorzugten Ausführung ein als Hohlprofil, vorzugsweise als Strangpressprofil, ausgebildetes Gehäuseteil umfasst, dessen offene Seiten nach dem Einbringen der Batteriezellen und allen anderen im Modulgehäuse vorgesehenen Komponenten typischerweise durch Anbringen entsprechend ausgestalteter Deckel verschlossen werden. Vorteilhafterweise liegen in diesem Fall im ausgedehnten Zustand der mindestens einen Expansionsmatte alle Expansionsmatten an einer durch das Hohlprofil gebildeten Gehäusewand an, um zu vermeiden, dass die am Hohlprofil angebrachten Deckel durch die mindestens eine Expansionsmatte im ausgedehnten Zustand belastet werden.
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Die oben genannte Aufgabe wird erfindungsgemäß ferner durch ein Verfahren zur Herstellung eines Batteriemoduls, mit den Merkmalen des Anspruchs 9 gelöst.
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Erfindungsgemäß werden mehrere Batteriezellen und mindestens eine Expansionsmatte, die aus einem sich unter Einwirkung eines Ausdehnungsmediums ausdehnenden Material besteht, in einem Modulgehäuse des Batteriemoduls angeordnet und wird anschließend das Ausdehnungsmedium, vorzugsweise ein flüssiges Kühlmittel, in das Modulgehäuse eingebracht, um die mindestens eine Expansionsmatte auszudehnen und dadurch die Batteriezellen in dem Modulgehäuse zu fixieren. Dies ermöglicht - wie oben beschrieben - eine relativ einfache Montage der Batteriezellen in dem Modulgehäuse und somit eine relativ einfache Herstellung des Batteriemoduls.
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Typischerweise werden bei der Montage vor dem Einbringen in das Modulgehäuse mehrere Batteriezellen zu einem Batteriezellstapel zusammengefügt. Vorzugsweise wird mindestens eine Expansionsmatte an dem zusammengefügten Batteriezellstapel angeordnet, und der Batteriezellstapel zusammen mit der mindestens einen daran angeordneten Expansionsmatte in das Modulgehäuse eingesetzt. Dies ermöglicht eine besonders einfache Herstellung des Batteriemoduls.
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Ein Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung wird nachfolgend anhand der beigefügten Figuren beschrieben. Hierbei zeigt:
- 1 einen schematischen Querschnitt eines erfindungsgemäßen Batteriemoduls,
- 2 einen schematischen Längsschnitt des Batteriemoduls aus 1,
- 3 einen schematischen Querschnitt einer Batteriezellstapelmontagegruppe des Batteriemoduls aus den 1 und 2, und
- 4 einen schematischen Querschnitt des Batteriemoduls aus den 1 und 2 vor einem Befüllen mit einem flüssigen Kühlmittel.
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1 und 2 zeigen ein erfindungsgemäßes Batteriemodul 100 mit einem Modulgehäuse 10, in dem ein Batteriezellstapel 11 und zwei Expansionsmatten 12 angeordnet sind.
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Der Batteriezellstapel umfasst mehrere im Wesentlichen quaderförmige Batteriezellen 111, die in einer x-Richtung nebeneinanderliegend in dem Modulgehäuse 10 angeordnet sind. Jede Batteriezelle 111 weist eine Entgasungseinrichtung 1111 auf, durch die im Falle einer Überhitzung der Batteriezelle 111 ein Fluid relativ kontrolliert aus der Batteriezelle 111 austreten kann.
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Das Modulgehäuse 10 umfasst ein als Hohlprofil, im Speziellen als Strangpressprofil, ausgebildetes Gehäuseteil 101, dessen offene Seiten jeweils durch einen Deckel 102 zumindest flüssigkeitsdicht, vorzugsweise gasdicht, verschlossen sind. In dem Gehäuseteil 101 sind eine der Anzahl von Batteriezellen 111 entsprechende Anzahl von Entgasungsöffnungen 1011 ausgebildet, die jeweils gegenüberliegend zu einer Entgasungseinrichtung 1111 einer Batteriezelle 111 angeordnet sind.
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Die beiden Expansionsmatten 12 sind auf bezogen auf eine z-Richtung gegenüberliegenden Seiten der Batteriezellen 111 angeordnet und bestehen aus einem Material, das sich unter Einwirkung eines Ausdehnungsmediums, hier ein flüssiges Kühlmittel K, ausdehnt. 1 und 2 zeigen die Expansionsmatten 12 in einem ausgedehnten Zustand, in welchem die Expansionsmatten 12 jeweils flächig an einer der in der z-Richtung gegenüberliegenden Gehäusewände 1012 des Gehäuseteils 101 anliegen und die Batteriezellen 111 in einer von der jeweiligen Gehäusewand 1012 wegweisenden Richtung belasten, sodass die Batteriezellen 111 in z-Richtung zwischen den beiden gegenüberliegenden Expansionsmatten 12 verpresst und somit in z-Richtung fixiert sind.
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Ferner umschließen die beiden Expansionsmatten 12 im ausgedehnten Zustand in der z-Richtung gegenüberliegende Endbereiche der Batteriezellen 111 derart, dass die beiden Endbereiche der Batteriezellen 111 und somit auch die gesamten Batteriezellen 111 durch die beiden Expansionsmatten 12 lateral, also sowohl in der x-Richtung als auch in einer y-Richtung, in dem Modulgehäuse 10 fixiert sind.
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Des Weiteren sind durch die in 1 und 2 untenliegende Expansionsmatte 12 die Entgasungseinrichtungen 1111 aller Batteriezellen 111 abgedeckt und alle Entgasungsöffnungen 1011 des Gehäuseteils 101 zumindest flüssigkeitsdicht, vorzugsweise gasdicht, verschlossen, wobei die in 1 und 2 untenliegende Expansionsmatte 12 in den zwischen einer Entgasungseinrichtungen 1111 und einer Entgasungsöffnung 1011 liegenden Bereichen 121 jeweils eine Sollbruchstelle, beispielsweise in Form einer nicht dargestellten Ausdünnung aufweist. Alternativ ist es auch vorstellbar, dass die in 1 und 2 untenliegende Expansionsmatte 12 in den Bereichen 121 jeweils eine hier nicht dargestellte Öffnung aufweist. In diesem Fall ist ein Gehäuseinnenraum 103 des Modulgehäuses 10 durch um die in den Bereichen 121 vorhandenen Öffnungen umlaufende Bereiche der Expansionsmatte 12 dennoch zumindest flüssigkeitsdicht, vorzugsweise gasdicht, gegen die Entgasungsöffnungen 1011 abgedichtet.
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Das Modulgehäuse 10 ist eingerichtet, im Bereich des zwischen den beiden Expansionsmatten 12 befindlichen Gehäuseinnenraums 103 zur Kühlung der Batteriezellen 111 mit einem flüssigen Kühlmittel K befüllt zu werden, wobei die beiden Expansionsmatten 12 im befüllten Zustand des Modulgehäuses 10 in unmittelbarem Kontakt mit dem Kühlmittel K stehen und, zumindest im ausgedehnten Zustand, den mit dem Kühlmittel K befüllten Gehäuseinnenraum 103 zumindest flüssigkeitsdicht, vorzugsweise gasdicht, abdichten und somit ein Austreten des Kühlmittels K aus dem Modulgehäuse 10 verhindern. Durch die in 1 und 2 untenliegende Expansionsmatte 12 wird ferner im Falle einer Überhitzung einer Batteriezelle 111 ein Kontakt zwischen dem über die Entgasungseinrichtung 1111 der jeweiligen Batteriezelle 111 austretenden Fluid und dem Kühlmittel K verhindert.
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Bei der Herstellung des Batteriemodul 100 wird eine in 3 dargestellte Batteriezellstapelmontagegruppe 13, welche den Batteriezellstapel 11 und die beiden Expansionsmatten 12 umfasst, außerhalb des Modulgehäuses 10 vormontiert, indem die Batteriezellen 111 zu dem Batteriezellstapel 11 zusammengefügt werden und die beiden Expansionsmatten 12 in einem nichtausgedehnten Zustand an dem Batteriezellstapel 11 angeordnet werden.
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Die vormontierte Batteriezellstapelmontagegruppe 13 wird wie in 4 dargestellt in das Modulgehäuse 10 eingesetzt, indem die Batteriezellstapelmontagegruppe 13 von einer offenen Seite in das Gehäuseteil 101 eingeschoben wird.
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Danach wird das Modulgehäuse 10 mit dem flüssigen Kühlmittel K, also dem Ausdehnungsmedium, befüllt, indem das Kühlmittel K in den zwischen den beiden Expansionsmatten 12 befindlichen Gehäuseinnenraum 103 eingefüllt wird. Durch den Kontakt mit dem Kühlmittel K dehnen sich die beiden Expansionsmatten 12 wie in 1 dargestellt aus, wodurch die Batteriezellen 111 wie oben beschrieben in dem Modulgehäuse 10 fixiert werden und der Gehäuseinnenraum 103 des Modulgehäuses 10 zumindest flüssigkeitsdicht, vorzugsweise gasdicht, abgedichtet wird.
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Bezugszeichenliste
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- 100
- Batteriemodul
- 10
- Modulgehäuse
- 101
- Gehäuseteil
- 1011
- Entgasungsöffnungen
- 1012
- Gehäusewände
- 102
- Deckel
- 103
- Gehäuseinnenraum
- 11
- Batteriezellstapel
- 111
- Batteriezellen
- 1111
- Entgasungseinrichtungen
- 12
- Expansionsmatten
- 121
- Bereiche
- 13
- Batteriezellstapelmontagegruppe
- K
- Kühlmittel
