EP4052324A1 - Schocksicheres batteriemodul, insbesondere für den einsatz in einem unterseeboot - Google Patents

Schocksicheres batteriemodul, insbesondere für den einsatz in einem unterseeboot

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EP4052324A1
EP4052324A1 EP20817218.9A EP20817218A EP4052324A1 EP 4052324 A1 EP4052324 A1 EP 4052324A1 EP 20817218 A EP20817218 A EP 20817218A EP 4052324 A1 EP4052324 A1 EP 4052324A1
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EP
European Patent Office
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housing part
module housing
accumulators
module
battery module
Prior art date
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Pending
Application number
EP20817218.9A
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English (en)
French (fr)
Inventor
Marc Pein
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Tkms GmbH
ThyssenKrupp AG
Original Assignee
ThyssenKrupp AG
ThyssenKrupp Marine Systems GmbH
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Filing date
Publication date
Application filed by ThyssenKrupp AG, ThyssenKrupp Marine Systems GmbH filed Critical ThyssenKrupp AG
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Pending legal-status Critical Current

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    • Y02P70/50—Manufacturing or production processes characterised by the final manufactured product

Definitions

  • Shock-proof battery module especially for use in a submarine
  • the invention relates to a battery module, in particular for accumulators based on lithium.
  • Lithium-based batteries are increasingly interesting, for example because of their high energy density.
  • lead-sulfuric acid batteries for large energy storage systems in particular.
  • the individual cells cannot simply be enlarged at will. This means that a large number of accumulators are regularly combined to form a larger module.
  • thermal runaway with these accumulators Since a large amount of gas is also produced here, this means a great risk, especially in critical environments, as has been shown, for example, on accumulators in aircraft.
  • a solid-state secondary battery is known from JP 02 174 077 A.
  • the object of the invention is to provide a battery module which ensures a high level of safety even when an individual accumulator runs through the heat.
  • the battery module according to the invention is a shock-resistant battery module which is particularly suitable for use in a submarine.
  • the battery module has at least a first accumulator and a second accumulator.
  • the battery module preferably has 20 to 500, particularly preferably 50 to 200, accumulators.
  • All accumulators have a cylindrical design. This means that the individual accumulators are not designed as pouch cells, which can usually compensate for a larger change in volume. For that you can Accumulators in cylindrical shape can be easily produced and also connected in large numbers to form a module.
  • All accumulators have at least two electrical contacts, preferably exactly two, one for the anode and one for the cathode.
  • All accumulators have at least one electrical contact on a first cylinder end face. For example, the other electrical contact can be contacted via the jacket surface.
  • all accumulators have a bursting membrane on a second cylinder face.
  • all of the accumulators are arranged parallel to one another, with all of the first cylinder end faces being arranged in the same direction. This allows the electrical energy to be dissipated centrally on one side. All accumulators are arranged in a module housing.
  • the module housing has a first module housing part and a second module housing part.
  • the first module housing part has a flat design and is arranged perpendicular to the longitudinal direction of the accumulators.
  • the second module housing part is also designed to be flat and is arranged perpendicular to the longitudinal direction of the accumulators.
  • the first module housing part has first recesses for receiving part of the accumulators in each case in the area of the first cylinder end faces. In the area of the first recesses, the first module housing part has openings for carrying out the electrical connections. This is necessary in order to be able to make electrical contact with the batteries and to be able to dissipate the power.
  • the second module housing part has second recesses for receiving a part of the accumulators in each case in the area of the second cylinder end faces.
  • a potting compound is arranged between the first module housing part, the second module housing part and the accumulators.
  • the sealing compound ensures a shock-proof positioning of the accumulators with respect to one another.
  • the second module housing part has bursting points in the area of the second recesses.
  • a cavity is arranged between the bursting points of the second module housing part and the bursting membranes of the second cylinder end faces.
  • the cavity can, for example and preferably, be gas-filled, in particular air-filled or inert gas-filled, in particular filled with nitrogen or argon.
  • all accumulators have at least two electrical contacts on the first cylinder end face.
  • a seal is arranged between the first module housing part and the accumulators.
  • the seals mean that the accumulators cannot come into contact between the casting compound and the openings of the first recesses of the first module housing part and the electrical contacts. In particular, this prevents the openings or contacts from being closed or inaccessible by the potting compound itself and thus preventing electrical contact.
  • one or more closures are placed on the electrical contacts leading through the openings. These serve to prevent the ingress of moisture, for example, and thus corrosion.
  • the distance between the second module housing part and the outer surfaces of the accumulators is 0.1 mm to 5 mm, preferably 0.2 mm to 2 mm. This gap width is optimal, since the potting compound can penetrate a little into the gap in order to establish the mechanical connection between the accumulators and the second module housing part, but not penetrate completely and thus prevent the formation of the cavity.
  • the electrical contacts of the accumulators protrude from the battery module through the openings of the first recesses in the first module housing part.
  • the electrical contacts are electrically connected by means of a busbar located in the first module housing part and the power is thus dissipated from the battery module.
  • the first module housing part has, for example, at least one first busbar in order to contact one of the two contacts on each accumulator.
  • the first module housing preferably also has at least one second busbar in order to contact the other of the two contacts on each accumulator.
  • the accumulators can also be connected in series in order to achieve a higher output voltage. The disadvantage here is that the failure of an accumulator would interrupt the electrical functionality. A combination of series connection and parallel connection can also be made.
  • contact is made with one contact in each case via a first busbar and the second contact is led out and contacted outside the battery module.
  • the first module housing part and the second module housing part consist of a fiber-reinforced plastic, preferably a fiber-reinforced epoxy, in particular of glass fiber-reinforced epoxy.
  • the potting compound is a thermoset, preferably an epoxy.
  • the casting compound preferably has a modulus of elasticity of 25 to 200 MPa, more preferably 50 to 125 MPa, particularly preferably 60 to 90 MPa, according to ISO 527.
  • the casting compound preferably has a tensile strength of 2 to 20 MPa, more preferably 3 to 15 MPa, particularly preferably 4 to 9 MPa, according to ISO 527.
  • the potting compound preferably has a hardness of 20 to 100 Shore D according to ISO 53505, preferably from 35 to 80, particularly preferably from 50 to 75.
  • the accumulators are separated from the potting compound by a polyimide film, in particular a film made of a polycondensate of 1,2,4,5-benzene tetracarboxylic acid dianhydride and 4,4'-diaminodiphenyl ether.
  • Polyimide is particularly puncture-resistant and thus leads to a further separation and thus securing of the accumulators from one another.
  • the thermal conductivity of the casting compound is greater than 0.03 W / (m K), preferably greater than 0.2 W / (m K), more preferably greater than 0.5 W / (m ⁇ K) ), particularly preferably greater than 0.8 W / (m K). Even if an arbitrarily high thermal conductivity would be desirable, the potting compound realistically has a thermal conductivity that is less than 20 W / (m K), more likely less than 5 W / (mK), even more likely less than 2 W / (m ⁇ K). In particular, the thermal conductivity is determined in accordance with ISO 8894-1. In a further embodiment of the invention, the distance between the bursting points of the second module housing part and the bursting membranes of the second cylinder end faces is 0.5 mm to 2 mm.
  • the bursting points of the second module housing part have a thickness of 0.1 mm to 0.4 mm.
  • the bursting points of the second module housing part are particularly preferably made of the same material as the second module housing part.
  • the bursting points are particularly preferably produced by reducing the wall thickness in this area of the second module housing part.
  • a circular groove is arranged around the bursting point.
  • the second module housing part has at least one first gas channel, the first gas channel having at least the bursting point of the second module housing part, which is arranged behind the first accumulator, and the bursting point of the second module housing part, which is arranged behind the second accumulator the side opposite the cavities connects to one another.
  • gases which arise in the event of a thermal runaway or other exothermic chemical reaction of an accumulator can thus be specifically discharged, for example discharged upwards. This is particularly preferred if several battery modules are to be set up next to one another so that the gases produced do not come into contact with the electrical contacts of another battery module, since they could damage them.
  • a large battery module is formed from two battery modules.
  • the battery modules are preferably designed in accordance with one of the above embodiments.
  • the two battery modules are arranged in the large battery module in such a way that the first cylinder end faces of all the accumulators are arranged towards the center of the large battery module and thus directly opposite one another.
  • the distance between the battery modules is between 1/20 and 1/1 of the extent of the battery module in the direction of the longitudinal axis of the accumulators, for example between 10 cm and 20 cm.
  • all electrical lines run in the middle, preferably mirror-symmetrically from both sides. This enables cabling that has a very low electromagnetic signature and thus reduces the probability of detection for a submarine with such a large battery module.
  • At least the electrical contact is therefore arranged in an intermediate space between the two battery modules. Furthermore, the gap is potted with the potting compound and cured. It can be advantageous to apply a boundary around the space before the potting in order to prevent the potting compound from leaking out. The limitation can then be removed again. Although this makes it practically impossible to carry out maintenance work or repairs, it is advantageous that this stabilizes all contacts within the potting compound and is therefore shock-proof. The contacts cannot, or can hardly, become detached from the contact and the potting compound prevents a detached contact from moving freely in the space. A short circuit caused by a released contact is practically impossible.
  • the large battery module has a base plate, the base plate being glued and / or encapsulated to the two battery modules.
  • the two battery modules can also be screwed together, for example for a first fixation before potting. Gluing and / or potting creates a large-area connection between the base plate and the battery modules so that the forces that occur in the event of a shock can be transmitted safely and non-destructively .
  • the connection to a guide rail can be established via the base plate.
  • a cooling water supply and a cooling water discharge are arranged cast in the intermediate space in the potting compound.
  • the invention relates to a method for producing a battery module, the method having the following steps: a) Providing a first module housing part, the first module housing part having first recesses for receiving a part of the accumulators in each case in the area of the first end faces, the first module housing part having openings in the area of the first recesses for carrying out at least one electrical connection, b) providing a second Module housing part, the second module housing part having second recesses for receiving a part of the accumulators in each case in the area of the second end faces, the second module housing part having bursting points in the area of the second recesses, c) arranging the first module housing part in such a way that the first recesses are arranged upwards, wherein the openings are arranged downward, d) arranging accumulators in the first recesses, wherein the first cylinder end faces with each at least one electrical contact are arranged downward, e) arranging the second module housing Partly in such a way that the accumulators are
  • the mixture of epoxy resin and hardener is introduced into the area between the first module housing part and the second module housing part in such a way that gas is trapped in the area between the bursting points of the second module housing part and the bursting membrane of the accumulator.
  • the first module housing part is first placed in such a way that the first recesses point upwards, into which the accumulators are then inserted in such a way that the electrical contacts point downwards.
  • the second module housing part is then placed on top of the accumulators and the area between the module housing part with a mixture of epoxy resins and hardener decays and this is then cured. This then creates the finished battery module.
  • a sealing adhesive is introduced into the gap between the outer surfaces of the accumulators and the first module housing part between step d) and step e).
  • the sealing adhesive is intended to prevent the liquid mixture of epoxy resins and hardener from reaching and blocking the openings of the first module housing part and / or the electrical contacts of the accumulators.
  • Another positive side effect is that the accumulators are fixed relative to the first module housing part and thus stability is already ensured. This makes it easier to put on the second module housing part, since all the accumulators hold their relative position.
  • an O-ring is applied to each accumulator before step d), which O-ring is arranged in step d) in the gap between the outer surfaces of the accumulators and the first module housing.
  • a casting mold is arranged before step f) and is removed again after step g).
  • an outer lateral border is used as a casting mold for the battery module is attached, which prevents the potting compound from being brought out to the side.
  • This shape preferably also has an introduction device for introducing the potting compound.
  • a trough-shaped casting mold for example, can be provided before step c), into which the first module housing part is then inserted in step c). This is followed by the further build-up and hardening of the mixture as well as the subsequent removal of the casting mold.
  • a lateral sealing of the housing is alternatively also achieved in that the module housing parts touch each other circumferentially or are temporarily closed on the side by covers, the covers being removed again after the potting.
  • the accumulators are wrapped with a polyimide film, in particular a film made of a polycondensate of 1,2,4,5-benzene-tetracarboxylic acid dianhydride and 4,4'-diaminodiphenyl ether.
  • the invention relates to a method for producing a large battery module according to the invention.
  • the following steps are carried out after step g): h) providing a second battery module which was produced according to method steps a) to g), i) arranging the two battery modules with the first cylinder end face to one another, so that a gap is created between the two battery modules, j) introducing a mixture of epoxy resin and hardener into the gap between the two battery modules and curing the mixture.
  • electrical connections are made on the contacts of the accumulators. This can take place before step h), after step i) or partially before step h) and after step i).
  • cooling water connections are attached to the battery modules. This can take place before step h), after step i) or partially before step h) and after step i).
  • the invention relates to an energy storage device.
  • the energy storage device has a load output for transferring electrical energy to at least one consumer.
  • this is a busbar that collects the electrical energy from various accumulators and transfers it to the on-board network, for example of a submarine.
  • the energy storage device has at least one first battery module according to the invention.
  • a plurality of modules are preferably arranged grouped in strings.
  • a plurality of strands are more preferably arranged.
  • a submarine usually has an energy storage device that has about 10 to 50 strings, each string having about 4 to 10 modules.
  • a module can have 20 to 500 accumulators, for example.
  • the invention relates to a watercraft with an energy storage device according to the invention.
  • the watercraft is preferably a military watercraft.
  • the military watercraft is selected from the group comprising submarines, aircraft carriers, helicopter carriers, cruisers, destroyers, frigates, corvettes, landing ships, mine layers, mine clearance vehicles, mine hunters, patrol boats, speed boats, escort boats, air cushion boats and reconnaissance ships.
  • the military watercraft is particularly preferably selected from the group comprising submarines, cruisers, destroyers, frigates, corvettes, speed boats and escort boats.
  • the military watercraft is very particularly preferably a submarine.
  • the battery module according to the invention is shown below using a device shown in FIG.
  • the battery module 10 is shown in a schematic cross section.
  • the battery module 10 has six accumulators 20, shown by way of example.
  • the accumulators 20 each have two electrical contacts 24 via which electrical energy can be delivered.
  • a bursting membrane 20 of the accumulator 20 is arranged on the opposite side of the cylindrically constructed accumulators.
  • the accumulators 20 are located in a module housing which consists of a first module housing part 30, a second module housing part 40 and a potting compound 50.
  • the first module housing part 30 has first recesses, which can be seen in FIG. 1 as those depressions facing downwards.
  • the accumulators 20 each protrude a little into these first recesses.
  • the electrical contacts 24 of the accumulators 20 protrude through openings in the first recesses to the outside, so that electrical contacting of the entire battery module 10 via the individual electrical contacts 24 on one side is possible.
  • the electrical contact can be made independently within the first module housing part 30 without the electrical contacts 24 protruding from the first module housing part 30 in order to provide a closed surface.
  • electrical lines can then be arranged in the first module housing part 30.
  • the second module housing part 40 flat mirror-image recesses compared to the first module housing part 30, since both are placed on the opposite sides of the accumulators.
  • the bursting point 44 is produced by thinning out the second module housing part 40, for example when drilling out the second recesses from the second module housing part 40.
  • the battery module 10 would be operated rotated by 90 ° counterclockwise, for example.
  • the accumulators 20 come into a lying position, the electrical contacts 24 can all be tapped on one side.
  • FIG. 2 additionally shows seals 70 between the accumulators 20 and the first module housing part 30.
  • the battery module 10 additionally has a gas duct 90.
  • the gas duct 90 is arranged in such a way that it runs behind the bursting points 44 in such a way that it absorbs and discharges the escaping gases. If an accumulator 20 thermally ruptures, its rupture membrane 22 bursts. The gases produced reach the cavity 60, whereby its internal pressure rises and the burst point 44 of the second module housing part 40 also bursts, thus directing the gases produced into the gas duct 90. The gases produced are discharged via the gas duct 90. If the battery module is operated in a state rotated 90 ° counterclockwise, the gas duct 90 points upwards, which is beneficial for the discharge of hot gases through the gas duct 90.
  • the gas channel 90 is closed on the underside and open on the upper side, closed by a valve or closed by a further closure membrane.
  • the sealing membrane can be designed in such a way that it closes the opening and is opened when the gas escapes. It is, for example, a thin adhesive film.
  • FIG. 4 shows a battery module 10 with a first busbar 100.
  • the accumulators 20 are rotated by 90 ° compared to FIGS. 1 to 3, so that the second electrical contact 24 lies behind the first.
  • a second busbar is arranged behind the first busbar 100, so that both poles are tapped separately.
  • the electrical contacts 24 can when introducing the Batteries 20 are electrically and mechanically connected to the busbars 100, for example by means of conductive silver adhesive.
  • FIGS. 5 to 10 The method for producing a battery module 10 is shown schematically in FIGS. 5 to 10.
  • 5 shows the first module housing part 30, which is arranged horizontally so that the first recesses are arranged pointing upwards and the openings are arranged pointing downwards.
  • the accumulators 20 are inserted into the first recesses of the first module housing part 30 in such a way that the electrical contacts 24 protrude downward through the openings.
  • a seal in particular in the form of a sealing adhesive, is introduced into the area between the outer surface of the accumulators 20 and the first module housing part 30 in the area of the first recesses, as shown in FIG. 7. On the one hand, this ensures that the accumulators 20 are already mechanically fixed.
  • a large battery module 110 is shown.
  • the large battery module 110 has two battery modules 10, which are each arranged in such a way that the first cylinder end faces of all the accumulators 20 point towards the center, where the electrical contacting 130 is arranged in the space.
  • This gap is cast with a casting compound 50.
  • the base plate 120 can, for example, be glued to the battery modules 10 prior to the assembly of the large battery module 110 or, when the intermediate space is cast, it can be connected to the potting compound 50 by potting compound flowing under the battery modules 10.
  • the base plate 120 can also, for example, firstly be glued to the battery modules 10 at the edge and then through penetrating potting compound 50 to be further potted. In all cases, a full-area connection between the battery modules 10 and the base plate 120 is desirable.

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Abstract

Die vorliegende Erfindung betrifft ein Batteriemodul (10), wobei das Batteriemodul (10) wenigstens einen ersten Akkumulator (20) und einen zweiten Akkumulator (20) aufweist, wobei alle Akkumulatoren (20) eine zylindrische Bauform aufweisen, wobei alle Akkumulatoren (20) auf einer ersten Zylinderstirnfläche wenigstens einen elektrischen Kontakt (24) aufweisen, wobei alle Akkumulatoren (20) auf einer zweiten Zylinderstirnfläche eine Berstmembran (22) aufweisen, wobei alle Akkumulatoren (20) parallel zueinander angeordnet sind, wobei alle ersten Zylinderstirnflächen in die gleiche Richtung angeordnet sind, wobei alle Akkumulatoren (20) in einem Modulgehäuse angeordnet sind, wobei das Modulgehäuse ein erstes Modulgehäuseteil (30) und ein zweites Modulgehäuseteil (40) aufweist, wobei das erste Modulgehäuseteil (30) flächig ausgeführt und senkrecht zur Längsrichtung der Akkumulatoren (20) angeordnet ist, wobei das zweite Modulgehäuseteil (40) flächig ausgeführt und senkrecht zur Längsrichtung der Akkumulatoren (20) angeordnet ist, wobei das erste Modulgehäuseteil (30) erste Ausnehmungen zur Aufnahme jeweils eines Teils der Akkumulatoren (20) im Bereich der ersten Zylinderstirnflächen aufweist, wobei das erste Modulgehäuseteil (30) im Bereich der ersten Ausnehmungen Öffnungen zur Durchführung der elektrischen Verbindungen aufweist, wobei das zweite Modulgehäuseteil (40) zweite Ausnehmungen zur Aufnahme jeweils eines Teils der Akkumulatoren (20) im Bereich der zweiten Zylinderstirnflächen aufweist, wobei das zweite Modulgehäuseteil (40) im Bereich der zweiten Ausnehmungen Berststellen (44) aufweist, wobei zwischen dem ersten Modulgehäuseteil (30), den zweiten Modulgehäuseteil (40) und den Akkumulatoren (20) eine Vergussmasse (50) angeordnet ist, wobei zwischen den Berststellen (44) des zweiten Modulgehäuseteils (40) und den Berstmembranen (22) der zweiten Zylinderstirnflächen jeweils ein Hohlraum (60) angeordnet ist.

Description

Schocksicheres Batteriemodul, insbesondere für den Einsatz in einem Unterseeboot
Die Erfindung betrifft ein Batteriemodul insbesondere für Akkumulatoren auf Lithium- Basis.
Akkumulatoren auf Lithium-Basis sind zunehmend interessant, beispielsweise aufgrund der hohen Energiedichte. Gerade für große Energiespeicher gibt es jedoch zwei grundlegende Unterschiede beispielsweise zum Blei-Schwefelsäure-Akkumulator. Zum einen können die einzelnen Zellen nicht einfach beliebig vergrößert werden. Dieses führt dazu, dass regelmäßig eine Vielzahl von Akkumulatoren zu einem größeren Modul zusammengestellt wird. Zum anderen ist gerade bei diesen Akkumulatoren das Problem des thermischen Durchgehens gegeben. Da hierbei auch eine große Menge an Gas entsteht, bedeutet dieses ein großes Risiko, insbesondere in kritischen Umgebungen, wie sich beispielsweise an Akkumulatoren in Luftfahrzeugen gezeigt hat.
Unterseeboote haben traditionell für die Fahrt unter Wasser Batterien mit großer Kapazität, die dadurch eine lebenswichtige Energieversorgung darstellen. Es muss auch im Notfall immer sichergestellt sein, dass Energie bereitgestellt wird, um die Besatzung am Leben zu erhalten und aufzutauchen. Daher ist gerade im Bereich Unterseeboot wichtig, dass alle wichtigen Bauteile schockfest ausgelegt sind, also eine Schockwelle ausgelöst durch eine Detonation in unmittelbarer Nähe überstehen und danach noch funktionsfähig sein. Hierbei treten kurzfristig extrem hohe Kräfte auf.
Gleichzeitig ist die Sicherheit gerade von Lithiumzellen in einem Unterseeboot sehr viel wichtiger als beispielsweise in einem Personenkraftwagen. Während dort Personen das Fahrzeug praktisch sofort und ungefährdet verlassen können, ist dieses bei einem getauchten Unterseeboot unmöglich. Erschwerend kommt hinzu, dass ein getauchtes Unterseeboot auch nur eine sehr kleine atembare Atmosphäre zur Verfügung stellt, Schadstoffe also nicht schnell abgegeben und verdünnt werden.
Aus der US 2012/0003508 A1 ist eine Batterie mit Lithiumzellen mit einem flammenhemmenden Füllschaum zwischen den Lithiumzellen bekannt.
Bestätigungskopie Aus der DE 102017214289 A1 ist ein Batteriemodul mit mindestens zwei Batteriezellen und jeweils mindestens einem Sicherheitsventil bekannt.
Aus der DE 102015 219 280 A1 ist ein mit einer Vergussmasse vergossenes Batteriesystem mit mehreren Batteriezellen bekannt.
Aus der DE 102008 013 188 A1 ist ein elektrochemischer Akkumulator mit einem Entgasungsraum zur Aufnahme eines in einem Störfall aus den Zellen austretenden Gasen bekannt.
Aus der JP 02 174 077 A ist eine Festkörper-Sekundärbatterie bekannt.
Aus der DE 10 2016 001 287 A1 ist ein Akkublock mit mehreren Akkuzellen und einer Vergussmasse bekannt, wobei die Akkuzellen von einer Polyimidschicht umgeben sind.
Aufgabe der Erfindung ist es, ein Batteriemodul zur Verfügung zu stellen, welches eine hohe Sicherheit selbst beim thermischen Durchgehen eines einzelnen Akkumulators gewährleistet.
Gelöst wird diese Aufgabe durch das Batteriemodul mit den in Anspruch 1 angegebenen Merkmalen, das Batteriegroßmodul mit den in Anspruch 11 angegebenen Merkmalen sowie durch das Verfahren zur Herstellung eines Batteriemoduls mit den in Anspruch 14 angegebenen Merkmalen. Vorteilhafte Weiterbildungen ergeben sich aus den Unteransprüchen, der nachfolgenden Beschreibung sowie den Zeichnungen.
Das erfindungsgemäße Batteriemodul ist ein schockfestes Batteriemodul, welches insbesondere für den Einsatz in einem Unterseeboot geeignet ist. Das Batteriemodul weist wenigstens einen ersten Akkumulator und einen zweiten Akkumulator auf. Bevorzugt weist das Batteriemodul 20 bis 500, besonders bevorzugt 50 bis 200, Akkumulatoren auf. Alle Akkumulatoren weisen eine zylindrische Bauform auf. Das bedeutet, die einzelnen Akkumulatoren sind nicht als Pouch-Zellen ausgeführt, die üblicherweise eine größere Volumenveränderung kompensieren können. Dafür können Akkumulatoren in zylindrischer Form leicht hergestellt und auch in großer Anzahl zu einem Modul verbunden werden. Alle Akkumulatoren weisen wenigstens zwei elektrische Kontakte auf, bevorzugt genau zwei, einen für die Anode und einen für die Kathode. Alle Akkumulatoren weisen auf einer ersten Zylinderstirnfläche wenigstens einen elektrischen Kontakt auf. Beispielsweise kann der andere elektrische Kontakt über die Mantelfläche kontaktiert werden. Weiter weisen alle Akkumulatoren auf einer zweiten Zylinderstirnfläche eine Berstmembran auf.
Im Batteriemodul sind alle Akkumulatoren parallel zueinander angeordnet, wobei alle ersten Zylinderstirnflächen in die gleiche Richtung angeordnet sind. Hierdurch kann die elektrische Energie zentral auf einer Seite abgeführt werden. Alle Akkumulatoren sind in einem Modulgehäuse angeordnet.
Das Modulgehäuse weist ein erstes Modulgehäuseteil und ein zweites Modulgehäuseteil auf. Das erste Modulgehäuseteil ist flächig ausgeführt und senkrecht zur Längsrichtung der Akkumulatoren angeordnet. Auch das zweite Modulgehäuseteil ist flächig ausgeführt und senkrecht zur Längsrichtung der Akkumulatoren angeordnet.
Das erste Modulgehäuseteil weist erste Ausnehmungen zur Aufnahme jeweils eines Teils der Akkumulatoren im Bereich der ersten Zylinderstirnflächen auf. Das erste Modulgehäuseteil weist im Bereich der ersten Ausnehmungen Öffnungen zur Durchführung der elektrischen Verbindungen auf. Dieses ist notwendig, um die Akkumulatoren elektrisch kontaktieren und die Leistung abführen zu können. Das zweite Modulgehäuseteil weist zweite Ausnehmungen zur Aufnahme jeweils eines Teils der Akkumulatoren im Bereich der zweiten Zylinderstirnflächen auf.
Zwischen dem ersten Modulgehäuseteil, den zweiten Modulgehäuseteil und den Akkumulatoren ist eine Vergussmasse angeordnet. Durch die Vergussmasse ist eine schocksichere Positionierung der Akkumulatoren zueinander sichergestellt.
Das zweite Modulgehäuseteil weist im Bereich der zweiten Ausnehmungen Berststellen auf. Zwischen den Berststellen des zweiten Modulgehäuseteils und den Berstmembranen der zweiten Zylinderstirnflächen ist jeweils ein Hohlraum angeordnet. Der Hohlraum kann beispielsweise und bevorzugt gasgefüllt, insbesondere luftgefüllt oder Schutzgas-gefüllt, insbesondere mit Stickstoff oder Argon gefüllt, sein.
Durch die Anordnung aller Akkumulatoren in dem Modulgehäuse sind alle Akkumulatoren gegenüber der Umgebung geschützt. Kommt es nun zum thermischen Durchgehen eines Akkumulators, so produziert dieser großen Mengen heißer Gase, welche bei direkten Kontakt leicht dazu führen können, dass benachbarte Akkumulatoren ebenfalls kritisch werden und selber thermischen durchgehen. Da die Akkumulatoren jedoch innerhalb des Modulgehäuses geschützt sind, kann ein einzelner durchgehender Akkumulator nicht benachbarte Akkumulatoren ebenfalls kritisch werden lassen. Ein einfaches und vollständiges Einbauen würde jedoch dazu führen, dass der entstehende Druck nicht abgeführt werden kann. Kommt es bei einem einzelnen Akkumulator nun zu einem thermischen Durchgehen, so entsteht im Inneren des Akkumulators ein Druck dieser lässt die Berstmembran an der zweiten Zylinderstirnfläche bersten. Hierdurch steigt der Druck im Hohlraum, welcher zu dem Akkumulator benachbart ist ansteigen. Dieser Druckanstieg führt dazu, dass auch die Berststelle im Bereich der zweiten Ausnehmungen des zweiten Modulgehäuse Teils birst, sodass die entstehenden Gase nach außen abgeführt werden und der Druck abgebaut wird, ohne dass weiterer Schaden erzeugt wird.
In einer weiteren Ausführungsform der Erfindung weisen alle Akkumulatoren wenigstens zwei elektrische Kontakte auf der ersten Zylinderstirnfläche auf.
In einer weiteren Ausführungsform der Erfindung ist zwischen dem ersten Modulgehäuseteil und den Akkumulatoren jeweils eine Abdichtung angeordnet. Die Abdichtungen führen dazu, dass das zwischen der Gussmasse und den Öffnungen der ersten Ausnehmungen des ersten Modulgehäuseteils sowie den elektrischen Kontakten Akkumulatoren es zu keinem Kontakt kommen kann. Insbesondere wird dadurch verhindert, dass die Öffnungen oder Kontakte durch die Vergussmasse selbst verschlossen oder unzugänglich werden und so eine elektrische Kontaktierung verhindert wird. In einer weiteren Ausführungsform der Erfindung werden auf die durch die Öffnungen führenden elektrischen Kontakte eine oder mehrere Verschlüsse aufgesetzt. Diese dienen dazu, ein Eindringen beispielsweise von Feuchtigkeit und somit Korrosion zu verhindern.
In einer weiteren Ausführungsform der Erfindung beträgt der Abstand zwischen dem zweiten Modulgehäuseteil und den Mantelflächen der Akkumulatoren 0,1 mm bis 5 mm, bevorzugt von 0,2 mm bis 2 mm. Diese Spaltbreite ist optimal, da die Vergussmasse ein wenig in den Spalt eindringen kann, um die mechanische Verbindung zwischen den Akkumulatoren und dem zweiten Modulgehäuseteil herzustellen, jedoch nicht vollständig einzudringen und somit die Bildung des Hohlraums zu verhindern.
In einer weiteren Ausführungsform der Erfindung ragen die elektrischen Kontakte der Akkumulatoren durch die Öffnungen der ersten Ausnehmungen in dem ersten Modulgehäuseteil aus dem Batteriemodul heraus.
In einer weiteren alternativen Ausführungsform der Erfindung werden die elektrische Kontakte mittels einer in dem ersten Modulgehäuseteil liegenden Sammelschienen elektrisch verbunden und so die Leistung aus dem Batteriemodul abgeführt. Hierzu weist das erste Modulgehäuseteil beispielsweise wenigstens eine erste Sammelschiene um einen der beiden Kontakte an jedem Akkumulator zu kontaktieren. Vorzugsweise weißt das erste Modulgehäuse weiter wenigstens eine zweite Sammelschiene auf, um den anderen der beiden Kontakte an jedem Akkumulator zu kontaktieren. Dieses entspricht einer elektrischen Parallelschaltung. Alternativ können die Akkumulatoren auch in Reihe geschaltet werden, um eine höhere Ausgangsspannung zu erzielen. Nachteil hierbei ist, dass der Ausfall eines Akkumulators die elektrische Funktionalität unterbrechen würde. Es kann auch eine Kombination aus Reihenschaltung und Parallelschaltung vorgenommen sein.
In einer weiteren Ausführungsform der Erfindung wird jeweils ein Kontakt über eine erste Sammelschiene kontaktiert und der zweite Kontakt herausgeführt und außerhalb des Batteriemoduls kontaktiert. In einer weiteren Ausführungsform der Erfindung bestehen das erste Modulgehäuseteil und das zweite Modulgehäuseteil aus einem faserverstärktem Kunststoff, bevorzugt einem faserverstärkten Epoxid, insbesondere aus glasfaserverstärkten Epoxid.
In einer weiteren Ausführungsform der Erfindung ist die Vergussmasse ein Duroplast, bevorzugt ein Epoxid.
Bevorzugt weist die Vergussmasse ein Elastizitätsmodul von 25 bis 200 MPa, weiter bevorzugt von 50 bis 125 MPa, besonders bevorzugt von 60 bis 90 MPa, nach ISO 527 auf.
Bevorzugt weist die Vergussmasse eine Zugfestigkeit von 2 bis 20 MPa, weiter bevorzugt von 3 bis 15 MPa, besonders bevorzugt von 4 bis 9 MPa, nach ISO 527 auf.
Bevorzugt weist die Vergussmasse eine Härte von 20 bis 100 Shore D nach ISO 53505 auf, bevorzugt von 35 bis 80, besonders bevorzugt von 50 bis 75.
In einer weiteren Ausführungsform der Erfindung sind die Akkumulatoren durch eine Polyimidfolie, insbesondere einer Folie aus einem Polykondensat aus 1, 2,4,5- Benzoltetracarbonsäuredianhydrid und 4,4'-Diaminodiphenylether, von der Vergussmasse getrennt. Polyimid ist besonders durchschlagsfest und führt somit zu einerweiteren Trennung und somit Sicherung der Akkumulatoren gegeneinander.
In einer weiteren Ausführungsform der Erfindung ist die Wärmeleitfähigkeit der Vergussmasse größer ist als 0,03 W / (m K), bevorzugt größer als 0,2 W / (m K), weiter bevorzugt größer als 0,5 W / (m · K), besonders bevorzugt größer als 0,8 W / (m K). Auch wenn eine beliebig hohe Wärmeleitfähigkeit wünschenswert wäre, so weist jedoch realistisch die Vergussmasse eine Wärmeleitfähigkeit auf, welche kleiner ist als 20 W / (m K), wahrscheinlicher kleiner als 5 W / (m · K), noch wahrscheinlicher kleiner als 2 W / (m · K). Insbesondere wird die Wärmeleitfähigkeit gemäß ISO 8894-1 bestimmt. In einer weiteren Ausführungsform der Erfindung beträgt der Abstand zwischen den Berststellen des zweiten Modulgehäuseteils und den Berstmembranen der zweiten Zylinderstirnflächen 0,5 mm bis 2 mm.
In einer weiteren Ausführungsform der Erfindung weisen die Berststellen des zweiten Modulgehäuseteils eine Dicke von 0,1 mm bis 0,4 mm auf. Besonders bevorzugt bestehen die Berststellen des zweiten Modulgehäuseteils aus dem gleichen Material, aus dem auch das zweite Modulgehäuseteil besteht. Besonders bevorzugt sind die Berststellen durch eine Verringerung der Wandstärke in diesem Bereich des zweiten Modulgehäuseteils erzeugt. In einer Weiterbildung der Ausführungsform ist eine kreisförmige Nut um die Berststelle angeordnet.
In einer weiteren Ausführungsform der Erfindung weist das zweite Modulgehäuseteil wenigstens einen ersten Gaskanal auf, wobei der erste Gaskanal wenigsten die Berststelle des zweiten Modulgehäuseteils, welche hinter dem ersten Akkumulator angeordnet ist, und die Berststelle des zweiten Modulgehäuseteils, welche hinter dem zweiten Akkumulator angeordnet ist auf der den Hohlräumen gegenüberliegenden Seite miteinander verbindet. Durch den ersten Gaskanal können somit Gase, welche bei einem thermischen Durchgehen oder anderer exothermen chemischen Reaktion eines Akkumulators entstehen, gezielt abgeführt werden, beispielsweise nach oben abgeführt werden. Dieses ist besonders bevorzugt, wenn mehrere Batteriemodule nebeneinander aufgestellt werden sollen, damit die entstehenden Gase nicht mit den elektrischen Kontakten eines anderen Batteriemoduls in Kontakt kommen, da sie diese beschädigen könnten.
In einer weiteren Ausführungsform der Erfindung wird aus zwei Batteriemodulen ein Batteriegroßmodul gebildet. Die Batteriemodule sind dabei vorzugsweise entsprechend einer der vorstehenden Ausführungsformen ausgestaltet. Die beiden Batteriemodule sind in dem Batteriegroßmodul derart angeordnet, dass die ersten Zylinderstirnflächen aller Akkumulatoren zur Mitte des Batteriegroßmoduls und damit einander direkt gegenüberliegend angeordnet sind. Der Abstand der Batteriemodule zueinander ist dabei zwischen 1/20 und 1/1 der Ausdehnung des Batteriemoduls in Richtung der Längsachse der Akkumulatoren, also beispielsweise zwischen 10 cm und 20 cm. Hierdurch verlaufen alle elektrischen Leitungen in der Mitte, vorzugsweise spiegelsymmetrisch von beiden Seiten. Hierdurch ist eine Verkabelung möglich, welche eine sehr geringe elektromagnetische Signatur aufweist und somit die Entdeckungswahrscheinlichkeit für ein Unterseeboot mit einem solchen Batteriegroßmodul verringert. In einem Zwischenraum zwischen den beiden Batteriemodulen ist daher wenigstens die elektrische Kontaktierung angeordnet. Weiter ist der Zwischenraum mit der Vergussmasse vergossen und ausgehärtet. Es kann vorteilhaft sein, vor dem Verguss eine Begrenzung um den Zwischenraum anzubringen, um ein Auslaufen der Vergussmasse zu verhindern. Die Begrenzung kann anschließend wieder entfernt werden. Zwar ist es hierdurch praktisch unmöglich, Wartungsarbeiten oder Reparaturen vorzunehmen, vorteilhaft ist jedoch, dass dadurch alle Kontakte innerhalb der Vergussmasse stabilisiert und damit schocksicher sind. Die Kontakte können sich also nicht oder kaum von der Kontaktierung lösen und die Vergussmasse verhindert, dass sich ein gelöster Kontakt im Zwischenraum frei bewegen kann. Ein Kurzschluss durch einen gelösten Kontakt ist damit praktisch ausgeschlossen.
In einer weiteren Ausführungsform der Erfindung weist das Batteriegroßmodul eine Bodenplatte auf, wobei die Bodenplatte mit den beiden Batteriemodulen verklebt und/oder vergossen ist. Die beiden Batteriemodule können zusätzlich verschraubt sein, beispielsweise auch zu einer ersten Fixierung vor dem Vergießen.. Durch das Verkleben und/oder Vergießen wird eine großflächige Verbindung zwischen der Bodenplatte und den Batteriemodulen hergestellt, sodass die im Schockfall auftretenden Kräfte sicher und zerstörungsfrei übertragen werden können. Über die Bodenplatte kann beispielsweise die Verbindung zu einer Führungsschiene hergestellt werden.
In einer weiteren Ausführungsform der Erfindung ist eine Kühlwasserzuführung und eine Kühlwasserabführung im Zwischenraum in der Vergussmasse vergossen angeordnet.
In einem weiteren Aspekt betrifft die Erfindung ein Verfahren zur Herstellung eines Batteriemoduls, wobei das Verfahren die folgenden Schritte aufweist: a) Bereitstellen eines ersten Modulgehäuseteils, wobei das erste Modulgehäuseteil erste Ausnehmungen zur Aufnahme jeweils eines Teils der Akkumulatoren im Bereich der ersten Stirnflächen aufweist, wobei das erste Modulgehäuseteil im Bereich der ersten Ausnehmungen Öffnungen zur Durchführung wenigstens einer elektrischen Verbindung aufweist, b) Bereitstellen eines zweiten Modulgehäuseteils, wobei das zweite Modulgehäuseteil zweite Ausnehmungen zur Aufnahme jeweils eines Teils der Akkumulatoren im Bereich der zweiten Stirnflächen aufweist, wobei das zweite Modulgehäuseteil im Bereich der zweiten Ausnehmungen Berststellen aufweist, c) Anordnen des ersten Modulgehäuseteils derart, dass die ersten Ausnehmungen nach oben angeordnet, wobei die Öffnungen nach unten angeordnet sind, d) Anordnen von Akkumulatoren in den ersten Ausnehmungen, wobei die ersten Zylinderstirnflächen mit dem jeweils wenigstens einen elektrischen Kontakt nach unten angeordnet werden, e) Anordnen des zweiten Modulgehäuseteils derart, dass die Akkumulatoren mit den zweiten Stirnflächen in die zweiten Ausnehmungen des zweiten Modulgehäuseteils eingefügt werden, f) Einbringen eines Gemisches aus Epoxidharz und Härter in den Bereich zwischen dem ersten Modulgehäuseteil und dem zweiten Modulgehäuseteil, g) Aushärten des Gemisches zur Vergussmasse.
Das Einbringen des Gemisches aus Epoxidharz und Härter in den Bereich zwischen dem ersten Modulgehäuseteil und dem zweiten Modulgehäuseteil erfolgt insbesondere derart, dass im Bereich zwischen den Berststellen des zweiten Modulgehäuseteils und den Berstmembranen des Akkumulators ein Gaseinschluss entsteht.
Anders ausgedrückt wird zunächst das erste Modulgehäuseteil so hingelegt, dass die ersten Ausnehmungen nach oben zeigen, in welche dann die Akkumulatoren so eingesetzt werden, dass die elektrischen Kontakte nach unten zeigen. Anschließend wird das zweite Modulgehäuseteil oben auf die Akkumulatoren aufgesetzt und der Bereich zwischen den Modulgehäuseteil mit einem Gemisch aus Epoxidharze und Härter verfällt und dieses anschließend ausgehärtet. Hierdurch entsteht dann das fertige Batteriemodul. io
Diese Vorgehensweise und insbesondere auch die räumliche Anordnung führen dazu, dass sich beim Verfüllen in den zweiten Ausnehmungen des zweiten Modulgehäuseteils Gaseinschlüsse bilden, welche dann nach dem Aushärten des Materials, gewünschte Hohlräume bilden, die Teile der Akkumulatoren unbedeckt lassen. Durch das partielle Eindringen des Epoxid-Materials von unten in die zweiten Ausnehmungen kann das Gas in diesen Bereichen nicht entweichen, sodass der Druck langsam ansteigt und eine Gegenkraft gegen das Eindringen des Epoxid-Materials erzeugt. Hierdurch wird ein Eindringen von Vergussmasse zwischen die Berstmembranen und Berststellen verhindert und die Sicherheit des Batteriemoduls gewährleistet. Für den Betrieb des Batteriemoduls würde man üblicherweise dieses Batteriemodul anschließend um 90° drehen, sodass die einzelnen Akkumulatoren nicht senkrecht stehen, sondern waagerecht liegend angeordnet sind. Würde man das Batteriemodul jedoch in dieser Orientierung hersteilen, so würden sich die Hohlräume nicht oder wenigstens nicht mit der gleichen Zuverlässigkeit ausbilden.
In einer weiteren Ausführungsform der Erfindung wird zwischen Schritt d) und Schritt e) ein Abdichtkleber in den Spalt zwischen den Mantelflächen der Akkumulatoren und dem ersten Modulgehäuseteile eingebracht. Der Abdichtkleber soll verhindern, dass das flüssige Gemisch aus Epoxidharze und Härter die Öffnungen des ersten Modulgehäuseteils und oder die elektrischen Kontakte der Akkumulatoren erreicht und blockiert. Als weiterer positiver Nebeneffekt wird gleichzeitig erreicht, dass die Akkumulatoren relativ zum ersten Modulgehäuseteil fixiert werden und somit bereits für Stabilität gesorgt ist. Hierdurch ist es einfacher, das zweite Modulgehäuseteil aufzusetzen, da alle Akkumulatoren ihre relative Position halten.
In einer alternativen Ausführungsform der Erfindung wird vor Schritt d) ein O-Ring auf jeden Akkumulator aufgebracht, welcher in Schritt d) in dem Spalt zwischen den Mantelflächen der Akkumulatoren und dem ersten Modulgehäuse angeordnet wird.
In einer weiteren Ausführungsform der Erfindung wird vor Schritt f) eine Gießform angeordnet, welche nach Schritt g) wieder entfernt wird. Beispielsweise und insbesondere wird nach Schritt e) eine äußere seitliche Umrandung als Gießform für das Batteriemodul angebracht, welche ein seitliches rausbringen der Vergussmasse verhindert. Bevorzugter Weise weist diese dies Form zusätzlich eine Einbringvorrichtung zum Einbringen der Vergussmasse auf. Alternativ kann vor Schritt c) eine beispielsweise wannenförmige Gießform bereitgestellt werden, in welche dann in Schritt c) das erste Modulgehäuseteil eingelegt wird. Anschließend erfolgt der weitere Aufbau und das Aushärten des Gemisches sowie das anschließende Entfernen der Gießform.
Eine seitliche Abdichtung des Gehäuses wird alternativ auch dadurch erreicht, dass die Modulgehäuseteile sich umfänglich berühren oder vorrübergehend an der Seite durch Abdeckungen geschlossen werden, wobei die Abdeckungen nach dem Verguss wieder entfernt werden.
In einer weiteren Ausführungsform der Erfindung werden vor Schritt d) die Akkumulatoren mit einer Polyimidfolie, insbesondere einer Folie aus einem Polykondensat aus 1 ,2,4,5-Benzoltetracarbonsäuredianhydrid und 4,4'- Diaminodiphenylether, umwickelt.
In einem weiteren Aspekt betrifft die Erfindung ein Verfahren zur Herstellung eines erfindungsgemäßen Batteriegroßmoduls. Zusätzlich zu den Schritten des Verfahren zur Herstellung eines Batteriemoduls werden nach Schritt g) folgende Schritte durchgeführt werden: h) Bereitstellen eines zweiten Batteriemoduls das gemäß den Verfahrensschritten a) bis g) hergestellt wurde, i) Anordnen der zwei Batteriemodule mit der ersten Zylinderstirnfläche zueinander, so dass ein Zwischenraum zwischen den zwei Batteriemodulen entsteht, j) Einbringen eines Gemisches aus Epoxidharz und Härter in den Zwischenraum zwischen den zwei Batteriemodulen und Aushärten des Gemisches.
In einer weiteren Ausführungsform der Erfindung erfolgt ein Anbringen von elektrischen Verbindungen an den Kontakten der Akkumulatoren. Dieses kann vor Schritt h), nach Schritt i) oder teilweise vor Schritt h) und nach Schritt i) erfolgen. In einer weiteren Ausführungsform der Erfindung erfolgt ein Anbringen von Kühlwasseranschlüssen an die Batteriemodule. Dieses kann vor Schritt h), nach Schritt i) oder teilweise vor Schritt h) und nach Schritt i) erfolgen.
In einem weiteren Aspekt betrifft die Erfindung eine Energiespeichervorrichtung. Die Energiespeichervorrichtung weist einen Lastausgang zur Übergabe elektrischer Energie an wenigstens einen Verbraucher auf. Beispielsweise handelt es sich hierbei um eine Sammelschiene, welche die elektrische Energie von verschiedenen Akkumulatoren sammelt und an das Bordnetz beispielsweise eines Unterseebootes übergibt. Die Energiespeichervorrichtung weist wenigstens ein erstes erfindungsgemäßes Batteriemodul auf. Bevorzugt sind mehrere Module in Strängen gruppiert angeordnet. Weiter bevorzugt sind mehrere Stränge angeordnet. Ein Unterseeboot weist beispielsweise üblicherweise eine Energiespeichervorrichtung auf, welche etwa 10 bis 50 Stränge aufweist, wobei jeder Strang etwa 4 bis 10 Module aufweist. Ein Modul kann beispielsweise 20 bis 500 Akkumulatoren aufweisen.
In einem weiteren Aspekt betrifft die Erfindung mit Wasserfahrzeug mit einer erfindungsgemäßen Energiespeichervorrichtung. Bevorzugt handelt es sich bei dem Wasserfahrzeug um ein militärisches Wasserfahrzeug. Insbesondere ist das militärische Wasserfahrzeug ausgewählt aus der Gruppe umfassend Unterseeboot, Flugzeugträger, Hubschrauberträger, Kreuzer, Zerstörer, Fregatte, Korvette, Landungsschiffe, Minenleger, Minenräumfahrzeug, Minenjagdfahrzeug, Patrouillenboot, Schnellboot, Geleitboot, Luftkissenboot und Aufklärungsschiff. Besonders bevorzugt ist das militärische Wasserfahrzeug ausgewählt aus der Gruppe umfassend Unterseeboot, Kreuzer, Zerstörer, Fregatte, Korvette, Schnellboot und Geleitboot. Ganz besonders bevorzugt ist das militärische Wasserfahrzeug ein Unterseeboot.
Nachfolgend ist das erfindungsgemäße Batteriemodul anhand eines in den
Zeichnungen dargestellten Ausführungsbeispiels näher erläutert.
Fig. 1 Batteriemodul
Fig. 2 Batteriemodul mit Abdichtung
Fig. 3 Batteriemodul mit Gaskanal Fig. 4 Batteriemodul mit Sammelschiene Fig. 5 Schritt c)
Fig. 6 Schritt d)
Fig. 7 Einbringung der Abdichtung
Fig. 8 Schritt e)
Fig. 9 Anbringung der Gießform
Fig. 10 Schritt f)
Fig. 11 Batteriegroßmodul
In Fig. 1 ist das Batteriemodul 10 schematischen Querschnitt gezeigt. Das Batteriemodul 10 weist beispielhaft gezeigte sechs Akkumulatoren 20 auf. Die Akkumulatoren 20 weisen jeweils zwei elektrische Kontakte 24 auf, über die elektrische Energie abgegeben werden kann. Auf der gegenüberliegenden Seite der zylindrisch aufgebauten Akkumulatoren ist jeweils eine Berstmembran 20 des Akkumulators 20 angeordnet. Die Akkumulatoren 20 befinden sich in einem Modulgehäuse, welches aus einem ersten Modulgehäuseteil 30, einem zweiten Modulgehäuseteil 40 und einer Vergussmasse 50 besteht. Das erste Modulgehäuseteil 30 weist erste Ausnehmungen auf, welche in Fig. 1 als nach unten jene Vertiefungen zu erkennen sind. In diese ersten Ausnehmungen ragen die Akkumulatoren 20 jeweils ein Stück hinein. Die elektrischen Kontakte 24 der Akkumulatoren 20 ragen durch Öffnungen in den ersten Ausnehmungen an die Außenseite, sodass eine elektrische Kontaktierung des gesamten Batteriemoduls 10 über die einzelnen elektrischen Kontakte 24 an einer Seite möglich ist. Alternativ kann selbstständig die elektrische Kontaktierung innerhalb des ersten Modulgehäuseteil 30 erfolgen, ohne dass die elektrischen Kontakte 24 aus dem ersten Modulgehäuseteil 30 herausragen, um so eine geschlossene Oberfläche bereitzustellen. In dieser Alternative können dann im ersten Modulgehäuseteil 30 elektrische Leitungen angeordnet sein.
Das zweite Modulgehäuseteil 40 Flat spiegelbildliche Ausnehmungen im Vergleich zum ersten Modulgehäuseteil 30, da beide auf die gegenüberliegenden Seiten der Akkumulatoren aufgesetzt werden. Beispielsweise wird die Berststelle 44 durch Ausdünnen des zweiten Modulgehäuseteils 40 hergestellt, beispielsweise beim Ausbohren der zweiten Ausnehmungen aus dem zweiten Modulgehäuseteil 40.
Üblicherweise würde man das Batteriemodul 10 beispielsweise um 90 ° gegen den Uhrzeigersinn gedreht betreiben. Hierdurch kommen die Akkumulatoren 20 in eine liegende Position, die elektrischen Kontakte 24 sind alle auf einer Seite abgreifbar.
Fig. 2 zeigt zusätzlich Abdichtungen 70 zwischen den Akkumulatoren 20 und dem ersten Modulgehäuseteil 30.
In Fig. 3 weist das Batteriemodul 10 zusätzlich einen Gaskanal 90 auf. Der Gaskanal 90 ist so angeordnet, dass dieser hinter den Berststellen 44 derart verläuft, dass er die austretenden Gase aufnimmt und ableitet. Kommt es zum thermischen Durchgehen eines Akkumulators 20, so birst dessen Berstmembran 22. Die entstehenden Gase gelangen den Hohlraum 60, wodurch dessen Innendruck ansteigt und die Berststelle 44 des zweiten Modulgehäuseteils 40 ebenfalls birst und so die entstehenden Gase in den Gaskanal 90 leitet. Über den Gaskanal 90 werden die entstehenden Gase abgeführt. Wird das Batteriemodul im 90 ° gegen den Uhrzeigersinn gedrehten Zustand betrieben, so weist der Gaskanal 90 nach oben, was der Abführung heißer Gase durch den Gaskanal 90 zuträglich ist. Der Gaskanal 90 ist in diesem Fall an der Unterseite geschlossen und an der Oberseite offen, durch ein Ventil verschlossen oder durch eine weitere Verschlussmembran geschlossen. Die Verschlussmembran kann derart ausgeführt sein, dass sie die Öffnung verschließt und bei austretendem Gas geöffnet wird. Es handelt sich beispielsweise durch einen dünnen Klebefilm. Durch den beidseitigen Verschluss des Gaskanals 90 wird in einer feuchten oder nassen Umgebung vermieden, dass sich Feuchtigkeit im Gaskanal 90 sammelt.
In Fig. 4 ist ein Batteriemodul 10 mit einer ersten Sammelschiene 100 gezeigt. Die Akkumulatoren 20 sind im Vergleich zu den Fig. 1 bis Fig. 3 um 90 ° gedreht, sodass der zweite elektrische Kontakt 24 hinter dem ersten liegt. Eine zweite Sammelschiene ist hinter der ersten Sammelschiene 100 angeordnet, sodass beide Pole getrennt abgegriffen werden. Die elektrischen Kontakte 24 können beim Einbringen der Akkumulatoren 20 beispielsweise mittels Silberleitkleber mit den Sammelschienen 100 elektrisch und mechanisch verbunden werden.
In den Fig. 5 bis Fig. 10 ist das Verfahren zur Herstellung eines Batteriemoduls 10 schematisch dargestellt. Fig. 5 zeigt das erste Modulgehäuseteil 30, welches liegend angeordnet ist, sodass die ersten Ausnehmungen nach oben weisend angeordnet sind und die Öffnungen nach unten weisend angeordnet sind. In Fig. 6 sind die Akkumulatoren 20 so in die ersten Ausnehmungen des ersten Modulgehäuseteil 30 eingesetzt, sodass die elektrischen Kontakte 24 nach unten durch die Öffnungen ragen. Als nächstes wird eine Abdichtung, insbesondere in Form eines Abdichtklebers, in den Bereich zwischen der Mantelfläche der Akkumulatoren 20 und dem ersten Modulgehäuseteil 30 im Bereich der ersten Ausnehmungen eingebracht, wie in Fig. 7 gezeigt. Hierdurch wird zum einen erreicht, dass die Akkumulatoren 20 bereits mechanisch fixiert sind. Zum anderen wird verhindert, dass der Gussmasse in tiefer gelegene Bereiche Vordringen kann. Nach dem Aufsetzen des Modulgehäuseteils 40 auf die Akkumulatoren 20, ergibt sich das in Fig. 8 gezeigte Bild. Damit beim Verfüllen des Innenbereichs mit Vergussmasse keine Vergussmasse nach außen gelangt, wird wie in Fig. 9 gezeigt, eine Gießform 80 außen angebracht. Anschließend wird ein Gemisch 52 aus Harz und Härter eingebracht, wie in Fig. 10 gezeigt. Dieses wird ausgehärtet und nach dem Aushärten die Gießform 80 entfernt. Nach dem Entfernen der Gießform 80 erhält man das in Fig. 1 gezeigte Batteriemodul 10.
In Fig. 11 ist ein Batteriegroßmodul 110 gezeigt. Das Batteriegroßmodul 110 weist zwei Batteriemodule 10 auf, welche jeweils so angeordnet sind, dass die ersten Zylinderstirnflächen aller Akkumulatoren 20 zur Mitte zeigen, wo in dem Zwischenraum die elektrische Kontaktierung 130 angeordnet ist. Dieser Zwischenraum ist mit einer Vergussmasse 50 vergossen. Die Bodenplatte 120 kann beispielsweise vor dem Zusammenbau des Batteriegroßmoduls 110 mit den Batteriemodulen 10 verklebt werden oder beim Vergießen des Zwischenraums mit der Vergussmasse 50 durch unter die Batteriemodule 10 fließende Vergussmasse mit diesen verbunden werden. Alternativ kann die Bodenplatte 120 auch beispielsweise zunächst am Rand mit den Batteriemodulen 10 verklebt und anschließend durch eindringende Vergussmasse 50 weiter vergossen werden. In allen Fällen ist eine vollflächige Verbindung zwischen den Batteriemodulen 10 und der Bodenplatte 120 wünschenswert.
Bezugszeichen 10 Batteriemodul
20 Akkumulator
22 Berstmembran
24 elektrischer Kontakt
30 erstes Modulgehäuseteil 40 zweites Modulgehäuseteil
44 Berststelle
50 Vergussmasse
52 Gemisch aus Harz und Härter 60 Hohlraum 70 Abdichtung
80 Gießform
90 Gaskanal
100 Sammelschiene
110 Batteriegroßmodul 120 Bodenplatte
130 elektrische Kontaktierung

Claims

Patentansprüche
1. Batteriemodul (10), wobei das Batteriemodul ein schockfestes Batteriemodul für einen Einsatz in einem Unterseeboot ist, wobei das Batteriemodul (10) wenigstens einen ersten Akkumulator (20) und einen zweiten Akkumulator (20) aufweist, wobei alle Akkumulatoren (20) eine zylindrische Bauform aufweisen, wobei alle Akkumulatoren (20) wenigstens zwei elektrische Kontakte (24) aufweisen, wobei alle Akkumulatoren (20) auf einer ersten Zylinderstirnfläche wenigstens einen elektrischen Kontakt (24) aufweisen, wobei alle Akkumulatoren (20) auf einer zweiten Zylinderstirnfläche eine Berstmembran (22) aufweisen, wobei alle Akkumulatoren (20) parallel zueinander angeordnet sind, wobei alle ersten Zylinderstirnflächen in die gleiche Richtung angeordnet sind, wobei alle Akkumulatoren (20) in einem Modulgehäuse angeordnet sind, wobei das Modulgehäuse ein erstes Modulgehäuseteil (30) und ein zweites Modulgehäuseteil (40) aufweist, wobei das erste Modulgehäuseteil (30) flächig ausgeführt und senkrecht zur Längsrichtung der Akkumulatoren (20) angeordnet ist, wobei das zweite Modulgehäuseteil (40) flächig ausgeführt und senkrecht zur Längsrichtung der Akkumulatoren (20) angeordnet ist, wobei das erste Modulgehäuseteil (30) erste Ausnehmungen zur Aufnahme jeweils eines Teils der Akkumulatoren (20) im Bereich der ersten Zylinderstirnflächen aufweist, wobei das erste Modulgehäuseteil (30) im Bereich der ersten Ausnehmungen Öffnungen zur Durchführung der elektrischen Verbindungen aufweist, wobei das zweite Modulgehäuseteil (40) zweite Ausnehmungen zur Aufnahme jeweils eines Teils der Akkumulatoren (20) im Bereich der zweiten Zylinderstirnflächen aufweist, wobei das zweite Modulgehäuseteil (40) im Bereich der zweiten Ausnehmungen Berststellen (44) aufweist, wobei zwischen dem ersten Modulgehäuseteil (30), den zweiten Modulgehäuseteil (40) und den Akkumulatoren (20) eine Vergussmasse (50) angeordnet ist, wobei die Vergussmasse (50) eine schocksichere Positionierung der Akkumulatoren (20) zueinander sicherstellt, wobei zwischen den Berststellen (44) des zweiten Modulgehäuseteils (40) und den Berstmembranen (22) der zweiten Zylinderstirnflächen jeweils ein Hohlraum (60) angeordnet ist.
2. Batteriemodul (10) nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass zwischen dem ersten Modulgehäuseteil (30) und den Akkumulatoren (20) jeweils eine Abdichtung (70) angeordnet ist.
3. Batteriemodul (10) nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass zwischen dem zweiten Modulgehäuseteil (40) und den Mantelflächen der Akkumulatoren (20) ein Abstand von 0,1 mm bis 5 mm, bevorzugt von 0,2 mm bis 2 mm, ist.
4. Batteriemodul (10) nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die elektrischen Kontakte (24) der Akkumulatoren (20) durch die Öffnungen der ersten Ausnehmungen in dem ersten Modulgehäuseteil (30) aus dem Batteriemodul (10) herausragen.
5. Batteriemodul (10) nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Vergussmasse (50) ein Duroplast, bevorzugt ein Epoxidharz, ist.
6. Batteriemodul (10) nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Akkumulatoren (20) durch eine Polyimidfolie, insbesondere einer Folie aus einem Polykondensat aus 1 ,2,4,5- Benzoltetracarbonsäuredianhydrid und 4,4'-Diaminodiphenylether, zumindest teilweise von der Vergussmasse (50) getrennt sind.
7. Batteriemodul (10) nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Wärmeleitfähigkeit der Vergussmasse (50) größer ist als 0,03 W / (m K), bevorzugt größer als 0,2 W / (m K).
8. Batteriemodul (10) nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Abstand zwischen den Berststellen (44) des zweiten Modulgehäuseteils (40) und den Berstmembranen (22) der zweiten Zylinderstirnflächen 0,5 mm bis 2 mm beträgt.
9. Batteriemodul (10) nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Berststellen (44) des zweiten Modulgehäuseteils (40) eine Dicke von 0,1 mm bis 0,4 mm aufweist.
10. Batteriemodul (10) nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das zweite Modulgehäuseteil (40) wenigstens einen ersten Gaskanal (90) aufweist, wobei der erste Gaskanal (90) wenigsten die Berststelle (44) des zweiten Modulgehäuseteils (40), welche hinter dem ersten Akkumulator (20) angeordnet ist, und die Berststelle (44) des zweiten Modulgehäuseteils (40), welche hinter dem zweiten Akkumulator (20) angeordnet ist auf der den Hohlräumen gegenüberliegenden Seite miteinander verbindet.
11. Batteriegroßmodul (110), wobei das Batteriegroßmodul (110) aus zwei Batteriemodulen (10) nach einem der vorstehenden Ansprüche gebildet wird, wobei die beiden Batteriemodule (10) derart angeordnet sind, dass die ersten Zylinderstirnflächen aller Akkumulatoren (20) zur Mitte des Batteriegroßmoduls (110) und damit einander direkt gegenüberliegend angeordnet sind, wobei ein Zwischenraum zwischen den beiden Batteriemodulen (10) wenigstens die elektrische Kontaktierung (130) aufweist, wobei der Zwischenraum mit der Vergussmasse (50) vergossen ist.
12. Batteriegroßmodul (110) nach Anspruch 11 , dadurch gekennzeichnet, dass das Batteriegroßmodul (110) eine Bodenplatte (120) aufweist, wobei die Bodenplatte (120) mit den beiden Batteriemodulen (10) verklebt und/oder vergossen ist.
13. Batteriegroßmodul (110) nach einem der Ansprüche 11 bis 12, dadurch gekennzeichnet, dass eine Kühlwasserzuführung und eine Kühlwasserabführung im Zwischenraum in der Vergussmasse (50) vergossen angeordnet sind
14. Verfahren zur Herstellung eines Batteriemoduls (10) nach einem der Ansprüche 1 bis 10, wobei das Verfahren die folgenden Schritte aufweist: a) Bereitstellen eines ersten Modulgehäuseteils (30), wobei das erste Modulgehäuseteil (30) erste Ausnehmungen zur Aufnahme jeweils eines Teils der Akkumulatoren (20) im Bereich der ersten Stirnflächen aufweist, wobei das erste Modulgehäuseteil (30) im Bereich der ersten Ausnehmungen Öffnungen zur Durchführung wenigstens einer elektrischen Verbindung aufweist, b) Bereitstellen eines zweiten Modulgehäuseteils (40), wobei das zweite Modulgehäuseteil (40) zweite Ausnehmungen zur Aufnahme jeweils eines Teils der Akkumulatoren (20) im Bereich der zweiten Stirnflächen aufweist, wobei das zweite Modulgehäuseteil (40) im Bereich der zweiten Ausnehmungen Berststellen (44) aufweist, c) Anordnen des ersten Modulgehäuseteils (30) derart, dass die ersten Ausnehmungen nach oben angeordnet, wobei die Öffnungen nach unten angeordnet sind, d) Anordnen von Akkumulatoren (20) in den ersten Ausnehmungen, wobei die ersten Zylinderstirnflächen mit dem jeweils wenigstens einen elektrischen Kontakt (24) nach unten angeordnet werden, e) Anordnen des zweiten Modulgehäuseteils (40) derart, dass die Akkumulatoren (20) mit den zweiten Stirnflächen in die zweiten Ausnehmungen des zweiten Modulgehäuseteils (40) eingefügt werden, f) Einbringen eines Gemisches (52) aus Epoxidharz und Härter in den Bereich zwischen dem ersten Modulgehäuseteil (30) und dem zweiten Modulgehäuseteil (40), g) Aushärten des Gemisches (52) zur Vergussmasse (50).
15. Verfahren nach Anspruch 14, dadurch gekennzeichnet, dass zwischen Schritt d) und Schritt e) ein Abdichtkleber in den Spalt zwischen den Mantelflächen der Akkumulatoren (20) und dem ersten Modulgehäuse eingebracht wird.
16. Verfahren nach Anspruch 14, dadurch gekennzeichnet, dass vor Schritt d) ein O-Ring auf jeden Akkumulator (20) aufgebracht wird, welcher in Schritt d) in dem Spalt zwischen den Mantelflächen der Akkumulatoren (20) und dem ersten Modulgehäuse angeordnet wird.
17. Verfahren nach einem der Ansprüche 14 bis 16, dadurch gekennzeichnet, dass vor Schritt f) eine Gießform (80) angeordnet wird, welche nach Schritt g) wieder entfernt wird.
18. Verfahren nach einem der Ansprüche 14 bis 17, dadurch gekennzeichnet, dass vor Schritt d) die Akkumulatoren (20) mit einer Polyimidfolie, insbesondere einer Folie aus einem Polykondensat aus 1, 2,4,5- Benzoltetracarbonsäuredianhydrid und 4,4'-Diaminodiphenylether, umwickelt werden.
19. Verfahren zur Herstellung eines Batteriegroßmoduls nach einem der Ansprüche 11 bis 13, wobei das Verfahren zusätzlich zu dem Verfahren zur Herstellung eines Batteriemoduls nach einem der Ansprüche 14 bis 18, dadurch gekennzeichnet, dass nach Schritt g) folgende Schritte durchgeführt werden: h) Bereitstellen eines zweiten Batteriemoduls das gemäß den Verfahrensschritten a) bis g) hergestellt wurde, i) Anordnen der zwei Batteriemodule (10) mit der ersten Zylinderstirnfläche zueinander, so dass ein Zwischenraum zwischen den zwei Batteriemodulen entsteht, j) Einbringen eines Gemisches (52) aus Epoxidharz und Härter in den Zwischenraum zwischen den zwei Batteriemodulen und Aushärten des Gemisches.
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