DE202022104235U1

DE202022104235U1 - Battery assembly with improved thermal and mechanical durability

Info

Publication number: DE202022104235U1
Application number: DE202022104235.7U
Authority: DE
Original assignee: NIES KLAUS DIETER
Current assignee: NIES KLAUS DIETER
Priority date: 2022-07-26
Filing date: 2022-07-26
Publication date: 2022-08-04
Anticipated expiration: 2032-07-27

Abstract

Batterieanordnung (100), insbesondere für den Einsatz in Elektrofahrzeugen, umfassend zwei oder mehr elektrisch miteinander verbundene Batterieeinheiten (102a, 102b),
wobei zwischen wenigstens zwei benachbarten Batterieeinheiten (102a, 102b) ein flächiges Trennelement (104) angeordnet ist, welches die Batterieeinheiten (102a, 102b) zumindest abschnittsweise voneinander separiert,
wobei das flächige Trennelement (104) ein textiles Flächengebilde (106) umfasst, das ausgewählt ist aus der Gruppe bestehend aus Filzstoffen und Vliesstoffen,
wobei das textile Flächengebilde (106) eine oder mehrere Materialfasern umfasst, die ausgewählt sind aus der Gruppe bestehend aus nichtbrennbaren Materialien und schwerentflammbaren Materialien.

Battery arrangement (100), in particular for use in electric vehicles, comprising two or more battery units (102a, 102b) electrically connected to one another,
wherein a flat separating element (104) is arranged between at least two adjacent battery units (102a, 102b), which separates the battery units (102a, 102b) from one another at least in sections,
wherein the flat separating element (104) comprises a textile fabric (106) which is selected from the group consisting of felt fabrics and nonwoven fabrics,
wherein the fabric (106) comprises one or more material fibers selected from the group consisting of non-combustible materials and flame retardant materials.

Description

Die Erfindung betrifft eine Batterieanordnung, insbesondere für den Einsatz in Elektrofahrzeugen, ein Fahrzeug umfassend eine entsprechende Batterieanordnung sowie eine Verwendung eines flächigen Trennelements als Zwischenraumfüllung zwischen elektrisch miteinander verbundenen Batterieeinheiten einer Batterieanordnung zur Steigerung der Brandsicherheit bei guter Zyklisierbarkeit im Ladezyklus durch Ermöglichung einer reversibel ausgleichenden Verfüllung der Zwischenräume zwischen einzelnen Batterieeinheiten.The invention relates to a battery arrangement, in particular for use in electric vehicles, a vehicle comprising a corresponding battery arrangement and the use of a flat separating element as a space filling between electrically interconnected battery units of a battery arrangement to increase fire safety with good cyclability in the charging cycle by enabling a reversibly compensating filling of the Spaces between individual battery units.

Im Zuge eines steigenden Bewusstseins für einen nachhaltigeren Umgang mit fossilen Ressourcen und einer Vermeidung von Treibhausgasemissionen rückt in den letzten Jahren die Verbesserung von Elektrofahrzeugen und die Entwicklung neuer Konzepte der Elektromobilität zunehmend in dem Fokus vieler Industriezweige.In the wake of growing awareness of the need for more sustainable use of fossil resources and avoidance of greenhouse gas emissions, the improvement of electric vehicles and the development of new electromobility concepts have increasingly become the focus of many branches of industry in recent years.

Ein wesentlicher Bestandteil von Elektrofahrzeugen, der in vielen Fällen maßgeblich für die mit dem Fahrzeug erreichbaren Distanzen verantwortlich ist, ist das zur Speicherung der elektrischen Energie genutzte Batteriesystem, auf welches entsprechend auch viel Forschungs- und Entwicklungsaufwand gerichtet wird. Moderne Batterieanordnungen für Elektrofahrzeuge bestehen zumeist aus einer Vielzahl von elektrisch miteinander verbundene Batterieeinheiten, beispielsweise in der Form von sogenannten Pouch-Zellen, die beispielsweise in einem Batteriegehäuse angeordnet sind.An essential component of electric vehicles, which in many cases is largely responsible for the distances that can be reached by the vehicle, is the battery system used to store the electrical energy, on which a great deal of research and development effort is accordingly directed. Modern battery arrangements for electric vehicles usually consist of a large number of battery units that are electrically connected to one another, for example in the form of so-called pouch cells, which are arranged in a battery housing, for example.

Diese Batterieeinheiten umfassen in ihrem Inneren die Bestandteile der jeweiligen elektrochemischen Zellen, die der elektrochemischen Speicherung und Gewinnung von Energie dienen.Inside, these battery units contain the components of the respective electrochemical cells, which are used for the electrochemical storage and production of energy.

Die einzelnen Batterieeinheiten, welche beispielsweise als Lithium-Ionen-Batterien ausgeführt sein können, stellen dabei chemisch komplexe und vergleichsweise störungsanfällige Systeme dar, in denen bei der Zyklisierung zumindest teilweise exotherme Reaktionen ablaufen. Solche Batterieeinheiten sind, insbesondere da sie in vielen Fällen brennbare Substanzen umfassen, insbesondere Elektrolyte, und im Betrieb hohe Temperaturen auftreten können, anfällig für Fehlfunktionen. Infolgedessen kann es in einer Batterieeinheit im schlechtesten Fall zu einem sogenannten thermischen Durchgehen kommen. Im Zuge eines solchen thermischen Durchgehens kommt es neben einem möglichen Druckaufbau in der Batterieeinheit in den meisten Fällen insbesondere auch zu einer starken Temperatursteigerung und ggf. sogar zu einer Flammenbildung.The individual battery units, which can be embodied as lithium-ion batteries, for example, represent chemically complex systems that are comparatively susceptible to faults, in which at least some exothermic reactions take place during cycling. Such battery units are prone to malfunction, particularly as they in many cases comprise flammable substances, in particular electrolytes, and high temperatures can occur during operation. As a result, in the worst case, a so-called thermal runaway can occur in a battery unit. In the course of such a thermal runaway, in addition to a possible pressure build-up in the battery unit, in most cases there is also a sharp increase in temperature and possibly even the formation of a flame.

Das thermische Durchgehen einer Batterieeinheit kann dabei potentiell eine Kettenreaktion auslösen, bei der die Temperatursteigerung einer defekten Batterieeinheit das fragile Gleichgewicht der benachbarten Batterieeinheiten stört und auch in diesen ein thermisches Durchgehen auslöst. Aus diesem Grund werden Batterieeinheiten in entsprechenden Batterieanordnungen in vielen Fällen durch Trennelemente voneinander separiert, die insbesondere eine möglichst gute thermische Isolation zwischen den Batterieeinheiten gewährleisten müssen, um im Fall der Fälle eine Kettenreaktion des thermischen Durchgehens bestmöglich zu verhindern oder wenigstens zu verlangsamen.The thermal runaway of a battery unit can potentially trigger a chain reaction in which the temperature increase of a defective battery unit disturbs the fragile balance of the neighboring battery units and also triggers a thermal runaway in them. For this reason, battery units in corresponding battery arrangements are in many cases separated from one another by separating elements, which in particular must ensure the best possible thermal insulation between the battery units in order to prevent or at least slow down a chain reaction of thermal runaway as best as possible.

Da es im Zuge des thermischen Durchgehens jedoch auch zu einer Flammenbildung kommen kann, müssen die Trennelemente in den meisten Fällen zudem feuerfest sein, um im Störungsfall nicht selbst als Brandmaterial zu wirken und die Kettenreaktion weiter voranzutreiben.However, since thermal runaway can also lead to flames, the separating elements must in most cases also be fireproof so that they do not act as fire material themselves in the event of a fault and further advance the chain reaction.

Zu diesen Grundanforderungen kommt hinzu, dass Batterieeinheiten moderner Batterieanordnungen auch im regulären Betrieb Volumenänderungen erfahren, die durch die zumeist flexible Ummantelung der Batterieeinheiten an die Umgebung weitergegeben wird. Eine solche Volumenänderung durchlaufen viele der heutzutage kommerziell erhältlichen Batterieeinheiten insbesondere beim Laden und Entladen der Batterieeinheiten, also im Zuge eines Vorganges, der über die Lebensdauer einer Batterieanordnung sehr häufig und, insbesondere beim Laden, auf einer vergleichsweise kurzen Zeitskala erfolgt.In addition to these basic requirements, battery units of modern battery arrangements also experience changes in volume during regular operation, which are passed on to the environment through the mostly flexible casing of the battery units. Many of the battery units commercially available today undergo such a change in volume, in particular when charging and discharging the battery units, ie in the course of a process which occurs very frequently over the service life of a battery arrangement and, particularly when charging, on a comparatively short time scale.

Zur Lösung dieses Problems mit starren Isolierungen bei der Anordnung der Batterieeinheiten hinreichend Abstand zwischen den einzelnen Komponenten vorzusehen, ist in der Praxis aus Platzgründen häufig nicht wünschenswert. Dadurch muss ein zwischen zwei Batterieeinheiten angeordnetes Trennelement als zusätzliche Anforderung zumeist in der Lage sein, die Volumenänderungen der angrenzenden Batterieeinheiten zu erlauben bzw. diese selbst nachzuvollziehen. Hierbei darf das Trennelement der entsprechenden Volumenänderung keinen zu großen Widerstand entgegensetzen. Darüber hinaus muss das Trennelement aber auch hinreichend elastisch sein, um nach einer Kompression bei einer Volumenverringerung der Batterieeinheit wieder zu expandieren, damit idealerweise ein optimaler Kontakt zwischen der Batterieeinheit und dem Trennelement erhalten bleibt.In order to solve this problem with rigid insulation when arranging the battery units, it is often not desirable in practice to provide sufficient spacing between the individual components for reasons of space. As an additional requirement, a separating element arranged between two battery units must usually be able to allow the volume changes of the adjacent battery units or to reproduce them itself. In this case, the separating element must not offer too much resistance to the corresponding change in volume. In addition, however, the separating element must also be sufficiently elastic to expand again after compression when the volume of the battery unit decreases, so that optimal contact between the battery unit and the separating element is ideally maintained.

Unglücklicherweise weisen viele feuerfesten Materialien weder eine hinreichende Isolierungsleistung noch die nötige Verformbarkeit auf. Umgekehrt sind manche Materialien, welche vorteilhafte Isolationseigenschaften aufweisen, nicht hinreichend feuerfest und/oder ausreichend kompressibel bzw. elastisch. Abschließend sind viele Materialien mit vorteilhaften Deformationseigenschaften nicht ausreichend feuerfest und/oder nur unzulängliche thermische Isolatoren. Vor diesem Hintergrund besteht entsprechend ein Zielkonflikt zwischen drei separaten Eigenschaften, die ein Trennelement erfüllen muss, nämlich der Feuerfestigkeit, der Wärmeleitfähigkeit und der Kompressibilität bzw. der Rückstellkraft.Unfortunately, many refractories lack adequate insulation performance and ductility. Conversely, some materials that have advantageous insulating properties are not sufficient fireproof and/or sufficiently compressible or elastic. Finally, many materials with favorable deformation properties are not sufficiently refractory and/or are only inadequate thermal insulators. Against this background, there is a corresponding conflict of objectives between three separate properties that a separating element must meet, namely fire resistance, thermal conductivity and compressibility or restoring force.

Nach Einschätzung des Erfinder werden die vorstehenden Anforderung in der Praxis heutzutage weit überwiegend durch den Einsatz von Silikonschaum gelöst, welcher nach Einschätzung des Erfinders die Stellung als relevantestes Trennmaterial weiterhin verteidigt. Die hohe Relevanz von Silikonschaum bleibt dabei bestehen, obwohl zuletzt alternative Lösungen vorgeschlagen wurden, welche zumeist auf den Einsatz anderer Polymerschäume setzen, insbesondere in Kombination mit isolierenden Füllstoffen, beispielsweise pyrogene Kieselsäure. Viele dieser Lösungen werden dabei jedoch hinsichtlich verschiedener Faktoren als nachteilig empfunden. Nach Einschätzung des Erfinders wird bei vielen der ausgefeilteren Alternativen zum Silikonschaum insbesondere der zumeist hohe Fertigungsaufwand und die damit verbundenen Fertigungskosten einen großflächigen Einsatz als Ersatz für Silikonschaum verhindern. Zudem haben viele der alternativen Lösungen, insbesondere Materialien mit hohen Füllstoffgehalten, nach Einschätzung des Erfinders eine zu hohe Dichte, was angesichts eines starken Bedürfnisses zur Gewichtsminimierung in der Branche zu einem Ausschlusskriterium werden kann.According to the inventor's assessment, the above requirements are largely solved in practice today by the use of silicone foam, which, according to the inventor's assessment, continues to defend its position as the most relevant separating material. The high relevance of silicone foam remains, although alternative solutions have recently been proposed, which mostly rely on the use of other polymer foams, especially in combination with insulating fillers, such as pyrogenic silica. However, many of these solutions are felt to be disadvantageous with regard to various factors. According to the inventor's assessment, in the case of many of the more sophisticated alternatives to silicone foam, the mostly high production effort and the associated production costs will prevent large-scale use as a replacement for silicone foam. In addition, many of the alternative solutions, particularly materials with high filler contents, are considered by the inventor to have too high a density, which may become a disqualifying factor given a strong need for weight minimization in the industry.

Es war die Aufgabe der vorliegenden Erfindung, die vorstehend beschriebenen Nachteile des Standes der Technik zu beheben oder zumindest abzuschwächen.It was the object of the present invention to eliminate or at least alleviate the disadvantages of the prior art described above.

Insbesondere war es eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung, eine Batterieanordnung anzugeben, in der die Batterieeinheiten durch ein Trennelement möglichst gut vor einem Übergreifen des thermischen Durchgehens geschützt sind.In particular, it was an object of the present invention to specify a battery arrangement in which the battery units are protected as well as possible by a separating element against thermal runaway spreading.

Dabei war es eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung, eine Batterieanordnung anzugeben, in der die Batterieeinheiten durch ein Trennelement möglichst gut vor Flammenbildung geschützt sind.It was an object of the present invention to specify a battery arrangement in which the battery units are protected as well as possible from the formation of flames by a separating element.

Zudem war es eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung, eine Batterieanordnung anzugeben, in der die Batterieeinheiten durch ein Trennelement separiert werden, welches eine Volumenexpansion der Batterieeinheiten einen möglichst geringen Widerstand entgegensetzt, in Folge einer anschließenden Volumenabnahme der Batterieeinheiten jedoch möglichst weitgehend wieder expandiert, so dass eine gute Zyklisierbarkeit der Batterieeinheiten im Ladezyklus erreicht wird, wobei wünschenswerterweise eine möglichst gleichbleibende Kontaktierung der Batterieeinheiten mit dem Trennelement gewährleistet sein sollte, um in synergistischer Weise eine mechanische Fixierung der Batterieeinheiten als Schutz gegen mechanische Belastungen der Batterieanordnung zu erreichen.In addition, it was an object of the present invention to specify a battery arrangement in which the battery units are separated by a separating element which opposes a volume expansion of the battery units with the lowest possible resistance, but expands again as far as possible as a result of a subsequent decrease in volume of the battery units, so that a good cyclability of the battery units is achieved in the charging cycle, it being desirable for the battery units to be in contact with the separating element as consistently as possible in order to synergistically achieve mechanical fixation of the battery units as protection against mechanical loads on the battery arrangement.

Somit war es eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung, den Zielkonflikt zwischen der Feuerfestigkeit, der Wärmeleitfähigkeit und der Kompressibilität bzw. der Rückstellkraft bestmöglich zu lösen.It was therefore an object of the present invention to solve the conflict of objectives between the fire resistance, the thermal conductivity and the compressibility or the restoring force in the best possible way.

Hierbei war es eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung, dass die anzugebende Batterieanordnung und das eingesetzte Trennelement besonders zeit- und kosteneffizient herstellbar sein sollte, wobei idealerweise die mögliche Rohstoffbasis für die Materialauswahl des Trennelements gegenüber den aus dem Stand der Technik bekannten Materialien erweitert werden sollte.It was an object of the present invention that the battery arrangement to be specified and the separating element used should be able to be produced in a particularly time- and cost-efficient manner, with the possible raw material basis for the material selection of the separating element ideally being expanded compared to the materials known from the prior art.

Zudem war es eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung, dass die anzugebende Batterieanordnung und das eingesetzte Trennelement besonders effizient mit einem niedrigen Gewicht ausgeführt werden können sollten.In addition, it was an object of the present invention that the battery arrangement to be specified and the separating element used should be able to be designed particularly efficiently with a low weight.

Es war eine weitere Aufgabe der vorliegenden Erfindung, ein Fahrzeug anzugeben, welches die anzugebende Batterieanordnung umfasst.It was a further object of the present invention to specify a vehicle which includes the battery arrangement to be specified.

Abschließend war es eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung, eine Verwendung für ein flächiges Trennelement zur Steigerung der Brandsicherheit und Verringerung des Gewichts bei guter Zyklisierbarkeit im Ladezyklus anzugeben.Finally, it was an object of the present invention to specify a use for a flat separating element to increase fire safety and reduce the weight with good cyclability in the loading cycle.

Der Erfinder der vorliegenden Erfindung hat erkannt, dass die vorstehend beschriebenen Aufgaben überraschenderweise gelöst werden können, wenn in einer Batterieanordnung mit zwei oder mehr elektrisch miteinander verbundene Batterieeinheiten ein spezifisches Trennelement vorgesehen wird, welches als Filz- oder Vliesstoff ausgeführt ist, wenn diese aus spezifischen Materialien ausgebildet werden, wie es in den Ansprüchen definiert ist.The inventor of the present invention has recognized that the objects described above can surprisingly be achieved if a specific separator is provided in a battery assembly with two or more battery units electrically connected to one another, which is designed as a felt or non-woven material if these are made of specific materials be formed as defined in the claims.

Überraschenderweise ermöglicht es der Einsatz von Filz- oder Vliesstoff aus nichtbrennbaren und/oder schwerentflammbaren Materialien als Trennelement, Batterieanordnungen zu erhalten, in denen die Batterieeinheiten sehr gut vor einer thermischen Kettenreaktion sowie einem Überschlagen von Flammen geschützt sind. Die Ausführung als Filz- oder Vliesstoff erlaubt es hierbei, eine optimale Kompressibilität und minimale permanente Deformation zu großen Teilen unabhängig von den intrinsischen mechanischen Materialeigenschaften der eingesetzten Materialfasern zur erreichen, so dass eine ausgezeichnete Zyklisierbarkeit im Ladezyklus erreicht wird. Zudem verringert die vorteilhafte poröse Struktur die Gesamtwärmeleitfähigkeit der Trennlage, so dass auch insoweit eine breitere Palette von Materialien zugänglich wird.Surprisingly, the use of felt or non-woven fabric made of non-combustible and/or flame-retardant materials as a separating element makes it possible to obtain battery arrangements in which the battery units are very well protected from a thermal chain reaction and from flames flashing over. The design as a felt or non-woven material allows optimal compressibility and minimal permanent deformation to a large extent independently of the intrinsi mechanical material properties of the material fibers used, so that excellent cyclability in the charging cycle is achieved. In addition, the advantageous porous structure reduces the overall thermal conductivity of the separating layer, so that a wider range of materials is also available in this respect.

Überraschenderweise ist die Struktur des eingesetzten textilen Flächengebildes beim Einsatz von nichtbrennbaren und schwerentflammbaren Materialien auch ausreichend, um ein ungewolltes Überschlagen von Flammen sehr weitgehend zu verhindern. Als besonderer Vorteil hat es sich dabei erwiesen, dass die Trennelemente nicht nur besonders leicht zu fertigen sind, sondern auch ein günstiges Verhältnis von Isolierwirkung zu Dichte aufweisen, so dass entsprechende Batterieanordnungen besonders zeit- und kosteneffizient sowie mit besonders geringem Gewicht ausgeführt werden können.Surprisingly, the structure of the textile fabric used is also sufficient when using non-combustible and flame-retardant materials to very largely prevent unintentional flashover of flames. It has proven to be a particular advantage that the separating elements are not only particularly easy to manufacture, but also have a favorable ratio of insulating effect to density, so that corresponding battery arrangements can be designed in a particularly time- and cost-efficient manner and with a particularly low weight.

Die vorstehend genannten Aufgaben werden entsprechend durch den Gegenstand der Erfindung gelöst, wie er in den Ansprüchen definiert ist. Bevorzugte erfindungsgemäße Ausgestaltungen ergeben sich aus den Unteransprüchen und den nachfolgenden Ausführungen.The above objects are accordingly achieved by the subject matter of the invention as defined in the claims. Preferred configurations according to the invention result from the dependent claims and the following statements.

Solche Ausführungsformen, die nachfolgend als bevorzugt bezeichnet sind, werden in besonders bevorzugten Ausführungsformen mit Merkmalen anderer als bevorzugt bezeichneter Ausführungsformen kombiniert. Ganz besonders bevorzugt sind somit Kombinationen von zwei oder mehr der nachfolgend als besonders bevorzugt bezeichneten Ausführungsformen. Ebenfalls bevorzugt sind Ausführungsformen, in denen ein in irgendeinem Ausmaß als bevorzugt bezeichnetes Merkmal einer Ausführungsform mit einem oder mehreren weiteren Merkmalen anderer Ausführungsformen kombiniert wird, die in irgendeinem Ausmaß als bevorzugt bezeichnet werden. Merkmale bevorzugter Fahrzeuge und Verwendungen ergeben sich aus den Merkmalen bevorzugter Batterieanordnungen.Such embodiments, which are referred to below as preferred, are combined in particularly preferred embodiments with features of other embodiments referred to as preferred. Combinations of two or more of the embodiments described below as particularly preferred are therefore very particularly preferred. Also preferred are embodiments in which a feature of one embodiment identified as preferred to some extent is combined with one or more further features of other embodiments identified as preferred to some extent. Features of preferred vehicles and uses result from the features of preferred battery assemblies.

Die Erfindung betrifft eine Batterieanordnung, insbesondere für den Einsatz in Elektrofahrzeugen, umfassend zwei oder mehr elektrisch miteinander verbundene Batterieeinheiten,
wobei zwischen wenigstens zwei benachbarten Batterieeinheiten ein flächiges Trennelement angeordnet ist, welches die Batterieeinheiten zumindest abschnittsweise, bevorzugt im Wesentlichen vollständig, voneinander separiert,
wobei das flächige Trennelement ein textiles Flächengebilde umfasst, das ausgewählt ist aus der Gruppe bestehend aus Filzstoffen und Vliesstoffen,
wobei das textile Flächengebilde eine oder mehrere Materialfasern umfasst, die ausgewählt sind aus der Gruppe bestehend aus nichtbrennbaren Materialien und schwerentflammbaren Materialien.The invention relates to a battery arrangement, in particular for use in electric vehicles, comprising two or more battery units electrically connected to one another,
wherein a flat separating element is arranged between at least two adjacent battery units, which separates the battery units from one another at least in sections, preferably essentially completely,
wherein the flat separating element comprises a textile fabric selected from the group consisting of felt fabrics and nonwoven fabrics,
wherein the textile fabric comprises one or more material fibers selected from the group consisting of non-combustible materials and flame-retardant materials.

Die erfindungsgemäße Batterieanordnung ist insbesondere für den Einsatz in Elektrofahrzeugen bzw. deren Batteriesystemen geeignet. Batterieanordnungen für den Einsatz in Elektrofahrzeugen sind dem Fachmann grundsätzlich bekannt.The battery arrangement according to the invention is particularly suitable for use in electric vehicles or their battery systems. Battery arrangements for use in electric vehicles are known in principle to those skilled in the art.

Die großen Vorteile erfindungsgemäßer Batterieanordnungen ergeben sich insbesondere aus der spezifischen Ausgestaltung des Trennelements. Entsprechend sind erfindungsgemäße Batterieanordnung hinsichtlich der Zellchemie in den Batterieeinheiten prinzipiell nicht beschränkt, wobei der Einsatz von Lithium-Ionen-Batterien wegen deren hoher industriellen Relevanz bevorzugt ist.The great advantages of battery arrangements according to the invention result in particular from the specific configuration of the separating element. Accordingly, the battery arrangement according to the invention is not limited in principle with regard to the cell chemistry in the battery units, with the use of lithium-ion batteries being preferred because of their high industrial relevance.

Um einem Elektrofahrzeug die notwendige Energie bereitstellen zu können, sind die Batterieeinheiten in entsprechenden Batterieanordnungen regelmäßig elektrisch miteinander verbunden wobei das Laden und Entladen des resultierenden Zellenstapels häufig durch eine Batteriekontrolleinheit gesteuert wird. Typisch ist beispielsweise eine erfindungsgemäße Batterieanordnung, wobei die Batterieeinheiten parallel und/oder seriell miteinander verschaltet sind. In order to be able to provide an electric vehicle with the necessary energy, the battery units in corresponding battery arrangements are regularly electrically connected to one another, with the charging and discharging of the resulting cell stack often being controlled by a battery control unit. A typical example is a battery arrangement according to the invention, the battery units being connected to one another in parallel and/or in series.

Typisch ist auch eine erfindungsgemäße Batterieanordnung, wobei die Batterieanordnung in einem Gehäuse angeordnet ist und/oder wobei die Batterieanordnung mit einer Schutzummantelung umgeben ist.A battery arrangement according to the invention is also typical, the battery arrangement being arranged in a housing and/or the battery arrangement being surrounded by a protective casing.

In Übereinstimmung mit dem fachmännischen Verständnis kann es sich bei den Batterieeinheiten der erfindungsgemäßen Batterieanordnung um einzelne Batteriezellen handeln, die jeweils durch Trennelemente separiert sind, oder um Pakete aus mehreren individuellen Batteriezellen, die untereinander entweder nicht oder lediglich durch alternative Trennelemente, beispielsweise aus Silikonschaum, getrennt sind. Insoweit erachtet es der Erfinder mit Blick auf die Sicherheit der resultierenden Batterieanordnung jedoch für besonders vorteilhaft, wenn jeweils einzelne Batteriezellen mit entsprechenden Trennelementen separiert werden. Beispielhaft ist somit eine erfindungsgemäße Batterieanordnung, wobei die Batterieeinheiten eine Batteriezelle oder zwei oder mehr elektrisch miteinander verbundene Batteriezellen, bevorzugt eine Batteriezelle, umfassen.In accordance with the expert understanding, the battery units of the battery arrangement according to the invention can be individual battery cells, each of which is separated by separating elements, or packages of several individual battery cells, which are either not separated from one another or only separated by alternative separating elements, for example made of silicone foam are. In this respect, however, the inventor considers it to be particularly advantageous with regard to the safety of the resulting battery arrangement if individual battery cells are separated with corresponding separating elements. A battery arrangement according to the invention is thus exemplary, wherein the battery units comprise one battery cell or two or more battery cells electrically connected to one another, preferably one battery cell.

In der Praxis eignen sich die spezifischen Trennelemente der vorliegenden Erfindung insbesondere, um damit Pouch-Zellen voneinander zu separieren. Bevorzugt ist entsprechend eine erfindungsgemäße Batterieanordnung, wobei die Batterieeinheiten Pouch-Zellen sind oder Pouch-Zellen umfassen, bevorzugt Pouch-Zellen sind.In practice, the specific separating elements of the present invention are particularly suitable for separating pouch cells from one another. A battery arrangement according to the invention is preferred in accordance with the invention, wherein the batte Units are pouch cells or include pouch cells, preferably are pouch cells.

In der Praxis weisen entsprechende Batterieanordnungen zumeist eine Vielzahl an Batterieeinheiten und eine komplementäre Zahl von Trennelementen auf. Typisch ist deshalb auch eine erfindungsgemäße Batterieanordnung, wobei die Batterieanordnung vier oder mehr, bevorzugt sechs oder mehr, elektrisch miteinander verbundene Batterieeinheiten umfasst, und/oder wobei die Batterieanordnung drei oder mehr, bevorzugt fünf oder mehr, flächige Trennelemente umfasst.In practice, corresponding battery arrangements usually have a large number of battery units and a complementary number of separators. A battery arrangement according to the invention is therefore also typical, the battery arrangement comprising four or more, preferably six or more, battery units electrically connected to one another, and/or the battery arrangement comprising three or more, preferably five or more, flat separating elements.

Das spezifische Trennelement der erfindungsgemäßen Batterieanordnungen umfasst ein textiles Flächengebilde, bei dem es sich um einen Filz- oder Vliesstoff handelt. Die Grenzen zwischen Filz- und Vliesstoffen sind dabei in der Praxis fließend, so dass viele Filze auch als Vliese angesehen werden können. The specific separator of the battery assemblies according to the invention comprises a textile fabric, which is a felt or non-woven fabric. In practice, the boundaries between felt and nonwovens are fluid, so that many felts can also be regarded as nonwovens.

Filz- und Vliesstoffe sind dem Fachmann ausgehend von seinem Fachwissen bekannt und stellen eine Teilklasse der textilen Flächengebilde dar, die sich durch ihre im Wesentlichen ungeordnete Struktur charakteristisch von anderen textilen Flächengebilden, insbesondere den Geweben, unterscheiden und die nach dem englischen Begriff auch als „nonwoven fabrics“ oder kurz „nonwovens“ bezeichnet werden. Von Filzen spricht der Fachmann üblicherweise bei dickeren und dichteren Materialien, wobei beispielsweise auch Nonwovens mit Flächengewichten von 200 bis 1000 g/m² zuweilen als Filze bezeichnet werden.Felt and non-woven fabrics are known to those skilled in the art based on their specialist knowledge and represent a subclass of textile fabrics which, due to their essentially disordered structure, are characteristically different from other textile fabrics, in particular woven fabrics, and are also referred to as “nonwoven fabrics” or “nonwovens” for short. The person skilled in the art usually speaks of felts in the case of thicker and denser materials, nonwovens with basis weights of 200 to 1000 g/m ² , for example, sometimes also being referred to as felts.

Vliesstoffe sind eine sehr Vielfältige Klasse von Stoffen. Vliesstoffe werden häufig hinsichtlich der Art der Faserlänge, der Faserfeinheit oder der Faserorientierung sowie hinsichtlich der zur Vliesbildung verwendeten Technik, beispielsweise nach mechanischer, aerodynamischer, hydrodynamischer oder elektrostatischer Vliesbildung, unterschieden. Insoweit haben die Versuche des Erfinder jedoch keine Präferenz für eines dieser Verfahren ergeben. Es hat sich jedoch gezeigt, dass es für im Wesentlichen alle Ausgestaltungen bevorzugt ist, ein verfestigtes Vlies einzusetzen, was beispielsweise durch Vernadeln der gebildeten Vliesstoffe oder durch eine Wasserstrahlverfestigung erfolgen kann. Dabei wurde in den Experimenten beim Einsatz von Nadelvliesen die beste Funktionalität und eine optimale Lösung des vorstehend beschriebenen Zielkonfliktes erreicht. Bevorzugt ist vor diesem Hintergrund eine erfindungsgemäße Batterieanordnung, wobei das textile Flächengebilde ein Vliesstoff, bevorzugt ein mechanisch verfestigter Vliesstoff, besonders bevorzugt ein durch Kombination von Reib- und Formschlussbindung verfestigter Vliesstoff, besonders bevorzugt ein Nadelvlies oder ein Spunlace-Vlies, besonders bevorzugt ein Nadelvlies, ist.Nonwovens are a very diverse class of fabrics. Nonwovens are often differentiated in terms of the type of fiber length, fiber fineness or fiber orientation and in terms of the technology used to form the nonwoven, for example mechanical, aerodynamic, hydrodynamic or electrostatic nonwoven formation. In this respect, however, the inventor's experiments have not revealed any preference for one of these methods. However, it has been shown that it is preferable for essentially all configurations to use a bonded nonwoven, which can be done, for example, by needling the nonwoven fabrics formed or by water jet bonding. The best functionality and an optimal solution to the conflict of goals described above was achieved in the experiments when using needle felts. Against this background, a battery arrangement according to the invention is preferred, wherein the textile fabric is a nonwoven, preferably a mechanically bonded nonwoven, particularly preferably a nonwoven material bonded by a combination of friction and form-fitting bonding, particularly preferably a needled nonwoven or a spunlace nonwoven, particularly preferably a needled nonwoven, is.

Auch wenn es nach Einschätzung des Erfinders denkbar ist, das textile Flächengebilde im Trennelement mit anderen Komponenten zu kombinieren, ist es mit Blick auf einen einfachen Aufbau und eine effiziente Fertigung angesichts der inhärenten Leistungsfähigkeit der Trennelemente bevorzugt, ausschließlich die textilen Flächengebilde einzusetzen. Bevorzugt ist entsprechend eine erfindungsgemäße Batterieanordnung, wobei das flächige Trennelement aus dem textilen Flächengebilde besteht.Even if, according to the inventor's assessment, it is conceivable to combine the textile fabric in the separating element with other components, it is preferable to use only the textile fabric in view of the inherent performance of the separating elements in view of a simple structure and efficient production. Accordingly, a battery arrangement according to the invention is preferred, wherein the flat separating element consists of the textile fabric.

Dem Erfinder ist es gelungen, in eigenen Versuchen besonders geeignete Materialstärken für das textile Flächengebilde zu identifizieren, mit denen in der Praxis besonders leistungsfähige erfindungsgemäße Batterieanordnungen erhalten werden. Bevorzugt ist nämlich eine erfindungsgemäße Batterieanordnung, wobei das textile Flächengebilde eine mittlere Dicke im Bereich von 0,2 bis 5,0 mm, bevorzugt im Bereich von 0,5 bis 3,0 mm, besonders bevorzugt im Bereich von 0,8 bis 2,0 mm, aufweist.In his own experiments, the inventor has succeeded in identifying particularly suitable material thicknesses for the textile fabric, with which particularly powerful battery arrangements according to the invention can be obtained in practice. Namely, a battery arrangement according to the invention is preferred, wherein the textile fabric has an average thickness in the range from 0.2 to 5.0 mm, preferably in the range from 0.5 to 3.0 mm, particularly preferably in the range from 0.8 to 2. 0mm.

In vorteilhafter Weise unterstützt die Ausführung des Trennelements als filz- oder vliesartiges textiles Flächengebilde die Einstellung der erwünschten Kompressibilität, wobei zugleich eine vorteilhafte Rückstellung erreicht wird, durch die eine zu stark ausgeprägte permanente Deformationen des Trennelements vermieden werden kann. Der Erfinder schlägt vor, dass diese intrinsisch vorteilhaften Eigenschaften des Vliesstoffes durch geeignete Maßnahmen weiter verstärkt werden können. Ausgezeichnete Ergebnisse werden nach Einschätzung des Erfindern insoweit beispielsweise mit Vliesstoffen erreicht, deren Fasern zumindest teilweise eine inhärente Verdrehung bzw. Kräuselung aufweisen, was vermutlich auf die zusätzliche Wirkung als Federelement zurückgeführt werden kann. Zudem ist es möglich, das textile Flächengebilde durch Nähte gezielt in eine Form zu bringen, in der die auf Spannung vernähten makroskopischen Abschnitte des vernähten Materials eine zusätzliche Federwirkung erzeugen, die die Rückstellwirkung befördert, wobei dies angesichts des gesteigerten Verarbeitungsaufwandes insbesondere für bestimmte Hochleistungsanwendungen bevorzugt sein dürfte. Bevorzugt ist somit zum einen eine erfindungsgemäße Batterieanordnung, wobei das textile Flächengebilde hergestellt ist aus einer oder mehreren in sich gekringelten Materialfasern. Bevorzugt ist zusätzlich oder alternativ eine erfindungsgemäße Batterieanordnung, wobei das textile Flächengebilde ein durch Nähte strukturiertes textiles Flächengebilde ist. Bevorzugt ist zusätzlich oder alternativ auch eine erfindungsgemäße Batterieanordnung, wobei das textile Flächengebilde eine gefaltete oder gewellte, bevorzugt eine gewellte, Struktur aufweist, wobei die Struktur des textilen Flächengebildes bevorzugt durch eine Fixierung, besonders bevorzugt durch eine Naht, fixiert ist.Advantageously, the design of the separating element as a felt or fleece-like textile fabric supports the setting of the desired compressibility, while at the same time an advantageous recovery is achieved, through which excessively pronounced permanent deformation of the separating element can be avoided. The inventor proposes that these intrinsically advantageous properties of the nonwoven can be further enhanced by suitable measures. According to the inventor, excellent results are achieved, for example, with nonwovens whose fibers at least partially have an inherent twist or crimp, which can presumably be attributed to the additional effect as a spring element. In addition, it is possible to use seams to bring the textile fabric into a shape in which the macroscopic sections of the sewn material sewn under tension produce an additional spring effect that promotes the resilience, with this being preferred in view of the increased processing effort, in particular for certain high-performance applications should. Thus, on the one hand, a battery arrangement according to the invention is preferred, wherein the textile fabric is produced from one or more material fibers that are curled in themselves. Additionally or alternatively, a battery arrangement according to the invention is preferred, wherein the textile fabric is a textile fabric structured by seams. Additionally or alternatively, a battery arrangement according to the invention is also preferred, wherein the textile fabric has a folded or corrugated, preferably corrugated, structure. wherein the structure of the textile fabric is preferably fixed by a fixation, particularly preferably by a seam.

Darüber hinaus lassen sich die Deformationseigenschaften des flächigen Trennelements in vorteilhafter Weise gezielt durch eine Oberflächenstrukturierung beeinflussen, die beispielsweise durch eine gezielte Vernähung des textielen Flächengebildes erzeugt werden kann, wobei diese Oberflächenstrukturierung beispielsweise in der Form von regelmäßigen Erhebungen, wie bei einer Steppung, oder oberflächlichen Rillenstrukturen erfolgen kann, die einer initialen Expansion der Batterieeinheiten weniger Widerstand entgegen setzen. Bevorzugt ist somit auch eine erfindungsgemäße Batterieanordnung, wobei das textile Flächengebilde eine makroskopische Oberflächenstrukturierung aufweist.In addition, the deformation properties of the flat separating element can be advantageously influenced in a targeted manner by surface structuring, which can be produced, for example, by targeted sewing of the textile fabric, with this surface structuring being in the form of regular elevations, such as quilting, or superficial groove structures can take place, which offer less resistance to an initial expansion of the battery units. A battery arrangement according to the invention is therefore also preferred, in which case the textile fabric has a macroscopic surface structure.

Die spezifische Ausführung des Trennelements erlaubt es, für die Materialfasern auf solche Materialien zurückzugreifen, die als Blockmaterial nicht die notwendigen mechanischen und/oder thermischen Eigenschaften liefern würden. Dies gilt insbesondere für eine breite Palette an nichtbrennbaren Materialien, d.h. Materialien mit Klasse A1 und A2 nach DIN 4102-1:1985-05, die gerade wegen ihrer Feuerfestigkeit besonders bevorzugt sind. Von diesen Materialien konnten in den Versuchen des Erfinders insbesondere mit Vliesstoffen aus Glasfasern, insbesondere einem Wasserstrahlvlies aus Glasfasern, ausgezeichnete Ergebnisse erzielt werden. Bevorzugt ist entsprechend eine erfindungsgemäße Batterieanordnung, wobei das textile Flächengebilde eine oder mehrere Materialfasern umfasst, die ausgewählt sind aus der Gruppe bestehend aus nichtbrennbaren Materialien. Besonders bevorzugt ist dabei eine erfindungsgemäße Batterieanordnung, wobei das textile Flächengebilde eine oder mehrere Materialfasern umfasst, die ausgewählt sind aus der Gruppe bestehend aus Glasfasern.The specific design of the separating element makes it possible to use materials for the material fibers that would not provide the necessary mechanical and/or thermal properties as block material. This applies in particular to a wide range of non-combustible materials, i.e. materials with class A1 and A2 according to DIN 4102-1:1985-05, which are particularly preferred precisely because of their fire resistance. Excellent results were obtained from these materials in the inventor's experiments, in particular with nonwovens made from glass fibers, in particular a water jet nonwoven made from glass fibers. Accordingly, a battery arrangement according to the invention is preferred, wherein the textile fabric comprises one or more material fibers that are selected from the group consisting of non-combustible materials. A battery arrangement according to the invention is particularly preferred, wherein the textile fabric comprises one or more material fibers which are selected from the group consisting of glass fibers.

Der Erfinder hat erkannt, dass es bei der Ausbildung des Trennmaterials als Filz- oder Vliesstoff in vorteilhafter Weise auch möglich ist, statt nichtbrennbaren Materialien nur schwerentflammbare Materialien, d.h. Materialien mit Klasse B1 nach DIN 4102-1:1985-05, einzusetzen, um die branchentypischen Sicherheitsanforderungen zu erfüllen, wobei der Erfinder auch insoweit vermutet, dass ein synergistischer Beitrag der spezifischen Ausgestaltung des Trennmaterials als „Nonwoven“ besteht. Diese Materialien sind häufig kostengünstiger als nichtbrennbare Materialien und/oder leichter in der Form von Filz- oder Vliesstoffen zu fertigen. Bevorzugt ist somit eine erfindungsgemäße Batterieanordnung, wobei das textile Flächengebilde eine oder mehrere Materialfasern umfasst, die ausgewählt sind aus der Gruppe bestehend aus schwerentflammbaren Materialien. Bevorzugt ist dabei zusätzlich oder alternativ eine erfindungsgemäße Batterieanordnung, wobei das textile Flächengebilde eine oder mehrere Materialfasern umfasst, die ausgewählt sind aus der Gruppe bestehend aus Materialfasern mit einem Sauerstoffindex (LOI) gemäß DIN EN ISO 4589 :2017-11 von 22 oder mehr, bevorzugt von 25 oder mehr.The inventor has recognized that it is also possible in the formation of the separating material as a felt or non-woven fabric in an advantageous manner, instead of non-combustible materials, only flame-retardant materials, i.e. use materials with class B1 according to DIN 4102-1: 1985-05, in order to to meet industry-typical security requirements, whereby the inventor also suspects that a synergistic contribution of the specific design of the separating material as "nonwoven" exists. These materials are often less expensive than non-combustible materials and/or easier to manufacture in the form of felt or non-woven fabrics. A battery arrangement according to the invention is therefore preferred, in which the textile fabric comprises one or more material fibers which are selected from the group consisting of flame-retardant materials. Preference is additionally or alternatively given to a battery arrangement according to the invention, in which the textile fabric comprises one or more material fibers selected from the group consisting of material fibers with an oxygen index (LOI) according to DIN EN ISO 4589:2017-11 of 22 or more of 25 or more.

Unter den schwerentflammbaren Materialien erachtet der Erfinder für im Wesentlichen alle Ausführungsformen den Einsatz von flammhemmenden Materialien als besonders bevorzugt an. Flammhemmende Materialien sind dem Fachmann ausgehend von seinem Fachwissen bekannt und in einer breiten Vielfalt kommerziell erhältlich, wobei beispielsweise das Material Nomex der Firma Dupont ein besonders prominentes Beispiel für eine flammhemmendes Material ist. Der Fachmann versteht, dass die flammhemmende Wirkung entsprechender Materialien auf einer Vielzahl von Mechanismen beruhen kann, beispielsweise auf einer endothermen Degradation des Materials, einer Intumeszenz oder der Freisetzung von Gasen, durch die der Partialdruck von Luft lokal reduziert wird. Flammhemmende Eigenschaften können beispielsweise durch eine geeignete Beschichtung eigentlich leichter brennbarer Materialien erreicht werden. Nach Einschätzung des Erfinders ist es jedoch gerade mit Blick auf das Alterungsverhalten und die langfristige Gewährleistung der flammhemmenden Eigenschaften bevorzugt, solche Materialien einzusetzen, die inhärent flammhemmend sind. Besonders bevorzugt ist demgemäß eine erfindungsgemäße Batterieanordnung, wobei das textile Flächengebilde eine oder mehrere Materialfasern umfasst, die ausgewählt sind aus der Gruppe bestehend aus flammhemmenden Materialfasern, bevorzugt inhärent flammhemmenden Materialfasern.Among the low-flammability materials, the inventor considers the use of flame-retardant materials to be particularly preferred for essentially all embodiments. Flame-retardant materials are known to those skilled in the art based on their specialist knowledge and are commercially available in a wide variety, with the material Nomex from Dupont being a particularly prominent example of a flame-retardant material. The person skilled in the art understands that the flame-retardant effect of corresponding materials can be based on a large number of mechanisms, for example on endothermic degradation of the material, intumescence or the release of gases, as a result of which the partial pressure of air is reduced locally. Flame-retardant properties can be achieved, for example, by applying a suitable coating to materials that are actually more easily combustible. According to the inventor's assessment, however, it is preferable to use materials that are inherently flame-retardant, especially with regard to the aging behavior and the long-term guarantee of the flame-retardant properties. Accordingly, a battery arrangement according to the invention is particularly preferred, wherein the textile fabric comprises one or more material fibers that are selected from the group consisting of flame-retardant material fibers, preferably inherently flame-retardant material fibers.

Dem Erfinder ist es in umfassenden Anwendungsversuchen gelungen, besonders geeignete Materialien für die Materialfasern zu identifizieren, mit denen sich insbesondere die anspruchsvollen Sicherheitsanforderungen im Automobilbereich ausgezeichnet erfüllen lassen. Bevorzugt ist nämlich eine erfindungsgemäße Batterieanordnung, wobei das textile Flächengebilde eine oder mehrere Materialfasern umfasst, die ausgewählt sind aus der Gruppe bestehend aus Phenolharzfasern, Melaminharzfasern und Polyamidfasern, bevorzugt aus der Gruppe bestehend aus Phenolformaldehydharzfasern und Aramidfasern, besonders bevorzugt aus der Gruppe bestehend aus Phenolformaldehydharzfasern und para-Aramidfasern wobei die entsprechenden Fasern jeweils zu einem Massenanteil von 80 % oder mehr, bevorzugt 90 % oder mehr, besonders bevorzugt 95 % oder mehr, aus den jeweiligen Kunststoffen bestehen.In comprehensive application tests, the inventor succeeded in identifying particularly suitable materials for the material fibers, with which the demanding safety requirements in the automotive sector in particular can be excellently met. A battery arrangement according to the invention is preferred, in which the textile fabric comprises one or more material fibers selected from the group consisting of phenolic resin fibers, melamine resin fibers and polyamide fibers, preferably from the group consisting of phenolformaldehyde resin fibers and aramid fibers, particularly preferably from the group consisting of phenolformaldehyde resin fibers and para-aramid fibers, the corresponding fibers each consisting of the respective plastics to a mass fraction of 80% or more, preferably 90% or more, particularly preferably 95% or more.

Hierbei erlaubt es die Kombination von unterschiedlichen Fasern, die physikalisch-chemischen Eigenschaften des Trennelements gezielt auf die jeweiligen Anforderungen eines Anwendungszwecks abzustimmen. Bevorzugt ist deshalb für bestimmte Anwendungen auch eine erfindungsgemäße Batterieanordnung, wobei das textile Flächengebilde zwei oder mehr unterschiedliche Materialfasern umfasst.The combination of different fibers allows the physico-chemical properties of the separating element to be specifically tailored to the respective requirements of an application. A battery arrangement according to the invention is therefore also preferred for certain applications, in which case the textile fabric comprises two or more different material fibers.

Die erfindungsgemäß einzusetzenden Materialfasern können zum Zwecke einer möglichst flexiblen Anpassung der physikalisch-chemischen Eigenschaften auch mit anderen Fasern kombiniert werden, die im Sinne der DIN 4102-1:1985-05 ein schlechteres Brandverhalten zeigen, wobei insbesondere der Einsatz von Kohlefasern in Kombination mit schwerentflammbaren Materialien in Versuchen des Erfinders vielversprechende Ergebnisse gezeigt hat. Grundsätzlich versteht der Fachmann jedoch, dass es mit Blick auf eine ausreichend gute Feuerfestigkeit überaus bevorzugt ist, wenn die entsprechenden textilen Flächengebilde möglichst weitgehend aus Materialien bestehen, die nicht brennbar oder zumindest schwer entflammbar sind. Für bestimmte Anwendungen bevorzugt ist somit eine erfindungsgemäße Batterieanordnung, wobei das textile Flächengebilde zusätzlich zu der einen oder den mehreren Materialfasern ein oder mehrere weitere Fasern aus einem Material umfasst, welches ausgewählt ist aus der Gruppe bestehend aus normalentflammbaren Materialien und leichtentflammbaren Materialien, bevorzugt normalentflammbaren Materialien, besonders bevorzugt Kohlefasern, bevorzugt in einem kombinierten Massenanteil im Bereich von 0,1 bis 50 %, bevorzugt im Bereich von 0,5 bis 40 %, besonders bevorzugt im Bereich von 1 bis 30 %. Für im Wesentlichen alle Ausführungsformen bevorzugt ist jedoch eine erfindungsgemäße Batterieanordnung, wobei das textile Flächengebilde die eine oder die mehreren Materialfasern in einem kombinierten Massenanteil von 50 % oder mehr, bevorzugt 70 % oder mehr, besonders bevorzugt 90 % oder mehr, ganz besonders bevorzugt im Wesentlichen 100 %, umfasst.The material fibers to be used according to the invention can also be combined with other fibers that have poorer fire behavior within the meaning of DIN 4102-1:1985-05 for the purpose of adapting the physicochemical properties as flexibly as possible, with carbon fibers in particular being used in combination with flame-retardant ones Materials in experiments by the inventor has shown promising results. In principle, however, the person skilled in the art understands that, with a view to sufficiently good fire resistance, it is extremely preferable if the corresponding textile fabrics consist as far as possible of materials that are non-combustible or at least flame-retardant. A battery arrangement according to the invention is therefore preferred for certain applications, the textile fabric comprising, in addition to the one or more material fibers, one or more other fibers made of a material which is selected from the group consisting of normally flammable materials and easily flammable materials, preferably normally flammable materials, more preferably carbon fibers, preferably in a combined mass fraction in the range 0.1 to 50%, preferably in the range 0.5 to 40%, most preferably in the range 1 to 30%. For essentially all embodiments, however, a battery arrangement according to the invention is preferred, wherein the textile fabric contains the one or more material fibers in a combined mass fraction of 50% or more, preferably 70% or more, particularly preferably 90% or more, very particularly preferably substantially 100%, includes.

Auch wenn dies aus fertigungstechnischer Sicht nach Einschätzung des Erfinders weniger bevorzugt ist, lassen sich die textilen Flächengebilde im Trennelement potentiell mit anderen Lagen kombinieren, mit denen potentiell weitere Funktionalitäten realisiert werden können, beispielsweise hinsichtlich der Wirkung als Diffusionsbarriere. Für bestimmte Anwendungen bevorzugt ist in diesem Fall eine erfindungsgemäße Batterieanordnung, wobei das flächige Trennelement eine oder mehrere weitere Funktionslagen umfasst, wobei die Funktionslage bevorzugt ein offenzelliger Kunststoffschaum ist, wobei der offenzellige Kunststoffschaum bevorzugt ein Material umfasst, das ausgewählt ist aus der Gruppe bestehend aus duroplastischen Kunststoffen, bevorzugt aus der Gruppe bestehend aus Aminoplasten, wobei der offenzellige Kunststoffschaum bevorzugt aus diesen Materialien besteht.Even if the inventor believes that this is less preferable from a manufacturing point of view, the textile fabrics in the separating element can potentially be combined with other layers with which further functionalities can potentially be implemented, for example with regard to the effect as a diffusion barrier. In this case, a battery arrangement according to the invention is preferred for certain applications, the flat separating element comprising one or more further functional layers, the functional layer preferably being an open-cell plastic foam, the open-cell plastic foam preferably comprising a material which is selected from the group consisting of duroplastics Plastics, preferably from the group consisting of aminoplasts, the open-cell plastic foam preferably consisting of these materials.

Zudem können zur weiteren Anpassung der Wärmeleitfähigkeiten auch Füllstoffe vorgesehen werden, wobei dies nach Einschätzung des Erfinders vor allem für solche Anwendungen relevant werden dürfte, bei denen mit einer ungewöhnlich hohen thermischen Belastung zu rechnen ist. Eher für sehr spezialisierte Anwendungen bevorzugt ist somit auch eine erfindungsgemäße Batterieanordnung, wobei das flächige Trennelement zumindest einen partikulären organischen oder anorganischen Füllstoff umfasst, wobei der Füllstoff zumindest teilweise in den Poren des textilen Flächengebildes angeordnet ist. Bevorzugt ist dabei zum einen eine erfindungsgemäße Batterieanordnung, wobei der Füllstoff ein organischer Füllstoff ist, wobei der Füllstoff bevorzugt ausgewählt ist aus der Gruppe bestehend aus zumindest teilweise expandierten Mikroballons und Kunststoffhohlkugeln, insbesondere Kunststoffhohlkugeln aus einem duroplastischen Kunststoff. Bevorzugt ist zusätzlich oder alternativ eine erfindungsgemäße Batterieanordnung, wobei der Füllstoff ein anorganischer Füllstoff ist, wobei der Füllstoff bevorzugt ausgewählt ist aus der Gruppe bestehend aus anorganischen Silicium-Verbindungen und Glashohlkugeln, bevorzugt aus der Gruppe bestehend aus anorganischen Silicium-Verbindungen. Bevorzugt ist zusätzlich oder alternativ eine erfindungsgemäße Batterieanordnung, wobei der Füllstoff ein poröser Füllstoff ist.In addition, fillers can also be provided for further adjustment of the thermal conductivities, whereby, according to the inventor's assessment, this should be relevant above all for those applications in which an unusually high thermal load is to be expected. A battery arrangement according to the invention is therefore also preferred for very specialized applications, the flat separating element comprising at least one particulate organic or inorganic filler, the filler being at least partially arranged in the pores of the textile fabric. On the one hand, a battery arrangement according to the invention is preferred, wherein the filler is an organic filler, wherein the filler is preferably selected from the group consisting of at least partially expanded microballoons and hollow plastic spheres, in particular hollow plastic spheres made of a duroplastic material. Additionally or alternatively, a battery arrangement according to the invention is preferred, wherein the filler is an inorganic filler, wherein the filler is preferably selected from the group consisting of inorganic silicon compounds and hollow glass spheres, preferably from the group consisting of inorganic silicon compounds. Additionally or alternatively, a battery arrangement according to the invention is preferred, wherein the filler is a porous filler.

Nach Einschätzung des Erfinders ist es jedoch ganz besonders bevorzugt, wenn das flächige Trennelement möglichst frei von Füllstoffen ist, da sich damit die besten Deformationseigenschaften erhalten lassen. Entsprechend ist eine erfindungsgemäße Batterieanordnung besonders bevorzugt, wobei der kombinierte Massenanteil an Füllstoffen im flächigen Trennelement 10 % oder weniger, bevorzugt 5 % oder weniger, besonders bevorzugt 1 % oder weniger, beträgt, wobei das flächige Trennelement besonders bevorzugt im Wesentlichen frei von Füllstoffen ist.According to the inventor's assessment, however, it is very particularly preferred if the flat separating element is as free as possible of fillers, since the best deformation properties can be obtained in this way. Accordingly, a battery arrangement according to the invention is particularly preferred, wherein the combined mass fraction of fillers in the flat separating element is 10% or less, preferably 5% or less, particularly preferably 1% or less, with the flat separating element particularly preferably being essentially free of fillers.

Es kann als großer Vorteil der erfindungsgemäßen Batterieanordnungen gesehen werden, dass sich die Deformations- und Rückstelleigenschaften des textilen Flächengebildes über dessen Struktur und Ausgestaltung sehr präzise, und in großen Teilen auch unabhängig von den Materialeigenschaften der eingesetzten Materialfasern, einstellen lassen. Insoweit ist es dem Erfinder gelungen, optimierte Stauchhärten, gemessen nach DIN EN ISO 3386-2:2010-09 zu identifizieren, mit denen Trennelemente erhalten werden, die sich ausgezeichnet für den Einsatz in Batterieanordnungen von Fahrzeugen eignen und die insbesondere optimal auf die Volumenänderung von typischen Lithium-Ionen-Batterie-Pouch-Zellen abgestimmt sind, wobei es zweckmäßig ist, für verschiedene Kompressionen Stauchhärten anzugeben, um so den besonders bevorzugten Parameterraum aufzuspannen.It can be seen as a great advantage of the battery arrangements according to the invention that the deformation and resilience properties of the textile fabric can be set very precisely via its structure and design, and to a large extent also independently of the material properties of the material fibers used. To this extent, the inventor has succeeded in identifying optimized compressive strengths, measured according to DIN EN ISO 3386-2:2010-09, with which separating elements are obtained which are excellently suited for use in battery assemblies in vehicles and which in particular are optimally matched to the change in volume of typical lithium-ion battery pouch cells, it being expedient to specify compressive strengths for different compressions in order to open up the particularly preferred parameter space.

Bevorzugt ist nämlich zunächst eine erfindungsgemäße Batterieanordnung, wobei das textile Flächengebilde eine effektive Stauchhärte der Deformation auf 40 % der Ausgangsdicke im Bereich von 5 bis 300 kPa, bevorzugt im Bereich von 20 bis 250 kPa, besonders bevorzugt im Bereich von 25 bis 200 kPa, aufweist. Bevorzugt ist zusätzlich oder alternativ eine erfindungsgemäße Batterieanordnung, wobei das textile Flächengebilde eine effektive Stauchhärte der Deformation auf 90 % der Ausgangsdicke im Bereich von 1 bis 50 kPa, bevorzugt im Bereich von 2 bis 40 kPa, besonders bevorzugt im Bereich von 5 bis 30 kPa, aufweist. Bevorzugt ist zusätzlich oder alternativ eine erfindungsgemäße Batterieanordnung, wobei das textile Flächengebilde eine effektive Stauchhärte der Deformation auf 30 % der Ausgangsdicke im Bereich von 10 bis 400 kPa, bevorzugt im Bereich von 15 bis 350 kPa, besonders bevorzugt im Bereich von 20 bis 300 kPa, aufweist.First of all, a battery arrangement according to the invention is preferred, the textile fabric having an effective compression hardness of the deformation at 40% of the initial thickness in the range from 5 to 300 kPa, preferably in the range from 20 to 250 kPa, particularly preferably in the range from 25 to 200 kPa . Additionally or alternatively, a battery arrangement according to the invention is preferred, wherein the textile fabric has an effective compression hardness of the deformation to 90% of the initial thickness in the range from 1 to 50 kPa, preferably in the range from 2 to 40 kPa, particularly preferably in the range from 5 to 30 kPa. having. Additionally or alternatively, a battery arrangement according to the invention is preferred, wherein the textile fabric has an effective compression hardness of the deformation to 30% of the initial thickness in the range from 10 to 400 kPa, preferably in the range from 15 to 350 kPa, particularly preferably in the range from 20 to 300 kPa, having.

Darüber hinaus ist es möglich, das Flächengewicht und die Wärmeleitfähigkeit des textilen Flächengebildes bzw. des gesamten Trennelements, über dessen Struktur und Ausgestaltung sowie die Materialauswahl zu steuern. Auch insoweit ist es dem Erfinder gelungen, besonders geeignete Bereiche zu identifizieren, die in eigenen Versuchen in vorteilhaften erfindungsgemäßen Batterieanordnungen resultiert sind und deren Einstellung der Fachmann nach Einschätzung des Erfinders zumindest als Ausgangspunkt einer eigenen Optimierung austesten sollten. Bevorzugt ist dabei nämlich zunächst eine erfindungsgemäße Batterieanordnung, wobei das textile Flächengebilde bei einer Dicke von 2 mm eine mittleres Flächengewicht im Bereich von 100 bis 450 g/m², bevorzugt im Bereich von 150 bis 400 g/m², besonders bevorzugt im Bereich von 180 bis 320 g/m², aufweist. Bevorzugt ist zusätzlich oder alternativ eine erfindungsgemäße Batterieanordnung, wobei das flächige Trennelement eine mittlere Gesamtwärmeleitfähigkeit durch das flächige Trennelement hindurch von 0,08 W/mK oder weniger, bevorzugt von 0,06 W/mK oder weniger, besonders bevorzugt von 0,04 W/mK oder weniger, aufweist, wobei die Gesamtwärmeleitfähigkeit bevorzugt gemäß DIN EN ISO 22007 aus 2018 bestimmt wird.In addition, it is possible to control the weight per unit area and the thermal conductivity of the textile fabric or of the entire separating element via its structure and configuration as well as the choice of material. In this respect, too, the inventor has succeeded in identifying particularly suitable areas which have resulted in advantageous battery arrangements according to the invention in his own tests and the setting of which the person skilled in the art should try out, at least as a starting point for his own optimization, in the inventor's opinion. First of all, a battery arrangement according to the invention is preferred, the textile fabric having a thickness of 2 mm and an average basis weight in the range from 100 to 450 g/m ² , preferably in the range from 150 to 400 g/m ² , particularly preferably in the range from 180 to 320 g/m ² . Additionally or alternatively, a battery arrangement according to the invention is preferred, wherein the flat separating element has an average overall thermal conductivity through the flat separating element of 0.08 W/mK or less, preferably 0.06 W/mK or less, particularly preferably 0.04 W/mK. mK or less, with the total thermal conductivity preferably being determined in accordance with DIN EN ISO 22007 from 2018.

Die Erfindung betrifft auch ein Fahrzeug, umfassend einen Elektromotor und zumindest eine erfindungsgemäße Batterieanordnung.The invention also relates to a vehicle comprising an electric motor and at least one battery arrangement according to the invention.

Die Erfindung betrifft auch die Verwendung eines flächigen Trennelements als Zwischenraumfüllung zwischen elektrisch miteinander verbundenen Batterieeinheiten einer Batterieanordnung, bevorzugt einer erfindungsgemäßen Batterieanordnung, zur Steigerung der Brandsicherheit bei guter Zyklisierbarkeit im Ladezyklus, wobei das flächige Trennelement ein textiles Flächengebilde aus einem Vliesstoff oder Filzstoff umfasst, wobei das textile Flächengebilde eine oder mehrere Materialfasern umfasst, die ausgewählt sind aus der Gruppe bestehend aus nichtbrennbaren Materialien und schwerentflammbaren Materialien.The invention also relates to the use of a flat separating element as a space filling between electrically interconnected battery units of a battery arrangement, preferably a battery arrangement according to the invention, to increase fire safety with good cyclability in the charging cycle, the flat separating element comprising a textile fabric made of a nonwoven fabric or felt material, the textile fabric comprises one or more material fibers selected from the group consisting of non-combustible materials and flame-retardant materials.

Nachfolgend werden die Erfindung und bevorzugte Ausführungsformen der Erfindung unter Bezugnahme auf die beiliegenden Figuren näher erläutert und beschrieben. In den Figuren zeigen dabei:

1 eine schematische Querschnittsdarstellung einer bevorzugten erfindungsgemäßen Batterieanordnung in einem ersten Ladezustand;
2 eine schematische Querschnittsdarstellung der bevorzugten erfindungsgemäßen Batterieanordnung der 2 in einem zweiten Ladezustand.

The invention and preferred embodiments of the invention are explained and described in more detail below with reference to the attached figures. The figures show:

1 a schematic cross-sectional view of a preferred battery assembly according to the invention in a first state of charge;
2 a schematic cross-sectional view of the preferred battery assembly according to the invention 2 in a second state of charge.

1 zeigt eine vereinfachte schematische Querschnittsdarstellung einer bevorzugten erfindungsgemäßen Batterieanordnung 100. In dem gezeigten Beispiel sind zwei Batterieeinheiten 102a, 102b elektrisch miteinander verbunden, wobei das Batteriemanagement über eine Batteriekontrolleinheit 108 erfolgt, die in 1 schematisch gezeigt ist. 1 shows a simplified schematic cross-sectional view of a preferred battery arrangement 100 according to the invention. In the example shown, two battery units 102a, 102b are electrically connected to one another, with the battery management taking place via a battery control unit 108, which is shown in FIG 1 is shown schematically.

Im gezeigten Beispiel handelt es sich bei den Batterieeinheiten 102a, 102b um Lithium-Ionen-Batteriezellen, die als Pouch-Zellen ausgeführt sind. Zwischen den Batterieeinheiten 102a, 102b ist ein Trennelement 104 angeordnet, durch welches die zwei Batterieeinheiten 102a, 102b so vollständig voneinander separiert werden, dass kein unmittelbarer Kontakt zwischen den Batterieeinheiten 102a, 102b besteht.In the example shown, the battery units 102a, 102b are lithium-ion battery cells that are designed as pouch cells. A separating element 104 is arranged between the battery units 102a, 102b, by means of which the two battery units 102a, 102b are so completely separated from one another that there is no direct contact between the battery units 102a, 102b.

Die 1 zeigt dabei beispielhaft einen Ausschnitt, der Teil einer größeren Batterieanordnung 100 sein kann, welche beispielsweise weitere durch Trennelemente 104 separierte Batterieeinheiten 102a, 102b umfassen kann, die gemeinsam in einem Batteriegehäuse angeordnet sind.the 1 shows an example of a section that can be part of a larger battery arrangement 100, which can include, for example, further separated by separating elements 104 battery units 102a, 102b, which are arranged together in a battery housing.

Im gezeigten Beispiel der 1 besteht das Trennelement 104 vollständig aus einem mechanisch verfestigten Vliesstoff als textiles Flächengebilde 106, welcher bezogen auf die Verbindungsachse zwischen den Batterieeinheiten 102a, 102b beispielsweise ein mittele Dicke von etwa 1,8 mm und ein Flächengewicht von etwa 220 g/m² aufweisen kann. Die Stauchhärte des beispielhaften Vliesstoffes kann dabei durch die Wahl der Verarbeitungsparameter so eingestellt werden, dass bei einer Deformation um 10 % bzw. 70 % eine effektive Stauchhärte von etwa 20 kPa bzw. etwa 250 kPa erhalten wird. Zudem können durch die Materialauswahl von nichtbrennbaren und schwerentflammbaren Materialien leicht vorteilhafte Wärmeleitfähigkeiten von 0,04 W/mK oder weniger erhalten werden können.In the example shown 1 the separating element 104 consists entirely of a mechanically bonded nonwoven fabric as a textile fabric 106 which, based on the connection axis between the battery units 102a, 102b, can have, for example, an average thickness of approximately 1.8 mm and a basis weight of approximately 220 g/m ² . The compressive strength of the exemplary fleece By selecting the processing parameters, toffes can be set in such a way that with a deformation of 10% or 70%, an effective compressive strength of around 20 kPa or around 250 kPa is obtained. In addition, advantageous thermal conductivities of 0.04 W/mK or less can easily be obtained by the material selection of non-combustible and flame-retardant materials.

2. visualisiert schematisch, wie ausgehend von 1. eine Volumenzunahme der Batterieeinheiten 102a, 102b durch das Trennelement 104 bzw. das textile Flächengebilde 106 ermöglicht wird, ohne dass diese der Volumenänderung einen zu großen Widerstand entgegensetzten würden, so dass insbesondere ein vorteilhaftes Laden und Entladen der Batterieeinheiten 102a, 102b im Ladezyklus möglich wird, ohne die vom Trennelement 104 geleistete thermische Isolation, die mechanische Stabilisierung und den Flammschutz nachteilig zu beeinflussen. 2 . visualized schematically as starting from 1 . an increase in volume of the battery units 102a, 102b is made possible by the separating element 104 or the textile fabric 106 without the latter offering too much resistance to the change in volume, so that in particular an advantageous charging and discharging of the battery units 102a, 102b in the charging cycle is possible, without adversely affecting the thermal insulation provided by the separating element 104, the mechanical stabilization and the flame protection.

In umfassenden Versuchen des Erfinders konnten verschiedene textile Flächengebilde 106 identifiziert werden, mit denen gerade für industrietypische Lithium-Ionen-Pouch-Zellen in an 1 und 2 angelehnten Aufbauten ausgezeichnete Ergebnisse erhalten wurden. Insbesondere mit einem Nadelvlies aus einen inhärent flammhemmenden Phenolharz, wie es beispielsweise unter dem Handelsnamen Kynol 302 kommerziell erhältlich ist, konnte eine besonders vorteilhafte Funktionalität und optimale Brand- und Wärmeschutzeigenschaften in Kombination mit einem vorteilhaften Rückstellverhalten beobachtet werden. Auch ein Vliesstoff, welcher zwei unterschiedliche Materialfasern umfasst, nämlich flammhemmendes Meta-Aramid in Kombination mit Karbonfasern, zeigte eine vorteilhafte Lösung des beschriebenen Zielkonfliktes. Insbesondere mit Blick auf vorteilhafte Eigenschaften bei der Feuerfestigkeit konnten mit einem wasserstrahlverfestigten Vliesstoff aus Glasfasern ausgezeichnete Ergebnisse erhalten werden, wobei die überlegene Feuerfestigkeit nach Einschätzung des Erfinders ausgleichen müssen, dass sich die Rückstellkräfte etwas schwerer optimieren lassen als in den kunststoffhaltigen Systemen.In comprehensive tests by the inventor, various textile fabrics 106 could be identified, with which just for industry-typical lithium-ion pouch cells in on 1 and 2 leaning structures excellent results were obtained. Particularly advantageous functionality and optimal fire and heat protection properties in combination with advantageous resilience could be observed with a needle mat made from an inherently flame-retardant phenolic resin, such as is commercially available under the trade name Kynol 302, for example. A nonwoven fabric, which comprises two different material fibers, namely flame-retardant meta-aramid in combination with carbon fibers, also showed an advantageous solution to the conflict of objectives described. Excellent results were obtained with a hydroentangled nonwoven fabric made of glass fibers, particularly with regard to advantageous properties in terms of fire resistance. According to the inventor, the superior fire resistance must compensate for the fact that the restoring forces are somewhat more difficult to optimize than in systems containing plastic.

BezugszeichenlisteReference List

100100: Batterieanordnungbattery arrangement
102a-b102a-b: Batterieeinheitenbattery units
104104: Trennelementseparator
106106: Textiles FlächengebildeTextile fabric
108108: Batteriekontrolleinheitbattery control unit

Claims

Battery arrangement (100) after claim 1 , wherein the textile fabric (106) is a nonwoven, a needled nonwoven or a spunlace nonwoven.

Battery arrangement (100) according to one of Claims 1 or 2 , wherein the textile fabric (106) comprises one or more material fibers selected from the group consisting of non-combustible materials, preferably consisting of glass fibers.

Battery arrangement (100) according to one of Claims 1 until 3 , wherein the textile fabric (106) comprises one or more material fibers which are selected from the group consisting of flame retardant materials.

Battery arrangement (100) according to one of Claims 1 until 4 wherein the fabric (106) comprises one or more material fibers selected from the group consisting of flame retardant material fibers.

Battery arrangement (100) according to one of Claims 1 until 5 , wherein the textile fabric (106) has an effective compression strength of the deformation at 40% of the initial thickness in the range from 5 to 300 kPa.

Battery arrangement (100) according to one of Claims 1 until 6 , wherein the textile fabric (106) has a thickness of 2 mm and an average basis weight in the range from 100 to 450 g/m ² .

Battery arrangement (100) according to one of Claims 1 until 7 , The flat separating element (104) having an average overall thermal conductivity through the planar separating element (104) of 0.08 W/mK or less.

Vehicle comprising an electric motor and at least one battery arrangement (100) according to one of Claims 1 until 8th .