EP4173075A1 - Zellhalter für wenigstens eine batteriezelle sowie zellmodul - Google Patents

Zellhalter für wenigstens eine batteriezelle sowie zellmodul

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Publication number
EP4173075A1
EP4173075A1 EP21731757.7A EP21731757A EP4173075A1 EP 4173075 A1 EP4173075 A1 EP 4173075A1 EP 21731757 A EP21731757 A EP 21731757A EP 4173075 A1 EP4173075 A1 EP 4173075A1
Authority
EP
European Patent Office
Prior art keywords
cell
battery
holder
receptacle
cell holder
Prior art date
Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
Pending
Application number
EP21731757.7A
Other languages
English (en)
French (fr)
Inventor
Anselm Mülberger
Holger Rothenburger
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Mercedes Benz Group AG
Original Assignee
Mercedes Benz Group AG
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Mercedes Benz Group AG filed Critical Mercedes Benz Group AG
Publication of EP4173075A1 publication Critical patent/EP4173075A1/de
Pending legal-status Critical Current

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    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01M—PROCESSES OR MEANS, e.g. BATTERIES, FOR THE DIRECT CONVERSION OF CHEMICAL ENERGY INTO ELECTRICAL ENERGY
    • H01M10/00—Secondary cells; Manufacture thereof
    • H01M10/60—Heating or cooling; Temperature control
    • H01M10/61—Types of temperature control
    • H01M10/613—Cooling or keeping cold
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01M—PROCESSES OR MEANS, e.g. BATTERIES, FOR THE DIRECT CONVERSION OF CHEMICAL ENERGY INTO ELECTRICAL ENERGY
    • H01M10/00—Secondary cells; Manufacture thereof
    • H01M10/60—Heating or cooling; Temperature control
    • H01M10/65—Means for temperature control structurally associated with the cells
    • H01M10/659—Means for temperature control structurally associated with the cells by heat storage or buffering, e.g. heat capacity or liquid-solid phase changes or transition
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01M—PROCESSES OR MEANS, e.g. BATTERIES, FOR THE DIRECT CONVERSION OF CHEMICAL ENERGY INTO ELECTRICAL ENERGY
    • H01M50/00—Constructional details or processes of manufacture of the non-active parts of electrochemical cells other than fuel cells, e.g. hybrid cells
    • H01M50/20—Mountings; Secondary casings or frames; Racks, modules or packs; Suspension devices; Shock absorbers; Transport or carrying devices; Holders
    • H—ELECTRICITY
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    • H01M50/20—Mountings; Secondary casings or frames; Racks, modules or packs; Suspension devices; Shock absorbers; Transport or carrying devices; Holders
    • H01M50/204—Racks, modules or packs for multiple batteries or multiple cells
    • H01M50/207—Racks, modules or packs for multiple batteries or multiple cells characterised by their shape
    • H01M50/211—Racks, modules or packs for multiple batteries or multiple cells characterised by their shape adapted for pouch cells
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01M—PROCESSES OR MEANS, e.g. BATTERIES, FOR THE DIRECT CONVERSION OF CHEMICAL ENERGY INTO ELECTRICAL ENERGY
    • H01M50/00—Constructional details or processes of manufacture of the non-active parts of electrochemical cells other than fuel cells, e.g. hybrid cells
    • H01M50/20—Mountings; Secondary casings or frames; Racks, modules or packs; Suspension devices; Shock absorbers; Transport or carrying devices; Holders
    • H01M50/289—Mountings; Secondary casings or frames; Racks, modules or packs; Suspension devices; Shock absorbers; Transport or carrying devices; Holders characterised by spacing elements or positioning means within frames, racks or packs
    • Y—GENERAL TAGGING OF NEW TECHNOLOGICAL DEVELOPMENTS; GENERAL TAGGING OF CROSS-SECTIONAL TECHNOLOGIES SPANNING OVER SEVERAL SECTIONS OF THE IPC; TECHNICAL SUBJECTS COVERED BY FORMER USPC CROSS-REFERENCE ART COLLECTIONS [XRACs] AND DIGESTS
    • Y02—TECHNOLOGIES OR APPLICATIONS FOR MITIGATION OR ADAPTATION AGAINST CLIMATE CHANGE
    • Y02E—REDUCTION OF GREENHOUSE GAS [GHG] EMISSIONS, RELATED TO ENERGY GENERATION, TRANSMISSION OR DISTRIBUTION
    • Y02E60/00—Enabling technologies; Technologies with a potential or indirect contribution to GHG emissions mitigation
    • Y02E60/10—Energy storage using batteries

Definitions

  • Cell holder for at least one battery cell and cell module
  • the invention relates to a cell holder for at least one battery cell according to the preamble of patent claim 1 and a cell module.
  • DE 102014 019 092 A1 discloses a cell holder for receiving an individual cell with cell arresters arranged on the flat side.
  • a support element for supporting angled cell arresters is provided in an outer side surface of the cell holder.
  • This single cell is a flat cell in a so-called coffee bag or pouch cell design.
  • an electrochemically active cell interior is surrounded by an electrically insulating composite film as a cell housing.
  • the cell holder is provided in order to mechanically fix these individual cells, which have a comparatively unstable cell housing due to the composite foils.
  • This cell holder is arranged between two individual cells and encloses them at the edge, with the individual cells and cell holder forming a cell block which is part of an electrical battery.
  • the object of the present invention is to create a cell holder for at least one battery cell and a cell module which enable particularly advantageous protection of the battery cells that have been received.
  • the invention relates to a cell holder for at least one battery cell, which provides a receptacle in which the at least one battery cell can be received.
  • This recording is designed to be open at least in one direction, whereby a Volume change of a battery cell received in the receptacle is made possible.
  • the cell holder can also be stacked with further cell holders in a module frame, whereby a battery comprising several battery cells can be provided.
  • the battery is, in particular, a vehicle battery by means of which an electrically operated motor vehicle can be driven.
  • the battery cell is in particular a so-called pouch cell.
  • the term pouch cell only describes the technical structure of the battery cell. With pouch cells, stacked or folded active layers are enclosed by a flexible outer film.
  • the invention provides that the cell holder has a guide device by means of which the cell holder in the module frame relative to the module frame can be guided.
  • the ability of the cell holder to be guided relative to the module frame via the guide device enables a change in volume of the at least one battery cell accommodated by the cell holder to be compensated for by moving the cell holder relative to the module frame, whereby mechanical stress on the battery cell can be kept particularly low when the volume changes.
  • the cell holders can be moved relative to the module frame independently of one another via their guide device, whereby the cell holders can be moved relative to one another.
  • a battery cell accommodated in a first receptacle of a first cell holder rests against a wall of a second cell holder stacked on the first cell holder.
  • This wall of the second cell holder covers the open side of the receptacle of the first cell holder.
  • the battery cell arranged in the receptacle is covered in a first direction by the first cell holder along a stacking direction of the cell holder and covered in a second direction by the second cell holder. If at least one of the battery cells accommodated in at least one of the cell holders expands, the cell holder accommodating the battery cell and another cell holder resting on the battery cell can be pushed apart by the expansion of the battery cell. As a result When the cell holders are pushed apart, the cell holders move relative to one another, which is made possible by the respective guide devices of the cell holders, via which the cell holders can each be moved relative to the module frame.
  • a pressure build-up in the battery cell as a result of the increase in volume can be prevented or at least weakened by the relative movement of the cell holders to one another.
  • a pressure load from the at least one battery cell accommodated in the cell holder can thus be kept particularly low.
  • the risk of damage to the at least one battery cell accommodated in the cell holder can be kept particularly low.
  • a bent edge is provided in which a cell conductor of the battery cell that is received can be bent.
  • the bent cell arrester can be connected to a cell arrester of another battery cell, whereby the battery cells can be connected in series or in parallel.
  • a metal insert is provided on the bent edge, against which the cell arrester can be placed and via which the cell arrester can be materially connected to the cell holder.
  • the metal insert is arranged on the bent edge, against which the at least one cell arrester can be placed when bent around the bent edge.
  • the cell arrester can be materially connected to the metal insert, in particular it can be welded. A positionally accurate fixing of the cell arrester to the cell holder can be ensured via the material connection. This enables a particularly simple, secure connection of several battery cells which are held in different cell holders.
  • the guide device is designed as a dovetail guide.
  • the dovetail guide is set up to form a sliding guide with the module frame.
  • the dovetail guide is designed to enter into a dovetail connection with the module frame.
  • a form-fitting connection between the cell holder and the module frame can be provided via the dovetail connection.
  • At least one wall delimiting the receptacle is provided by a metal component against which the battery cell can be placed in its assumed state in the receptacle.
  • the battery cell accommodated in the receptacle can thus be contacted with the metal component.
  • the metal component has a particularly high thermal conductivity and enables a particularly advantageous dissipation of heat from the at least one battery cell accommodated in the receptacle of the cell holder.
  • the at least one battery cell accommodated in the receptacle of the cell holder can be cooled particularly easily by means of the metal component.
  • overheating of the at least one battery cell accommodated in the receptacle can be at least substantially prevented by means of the metal component.
  • the metal component for example, a respective temperature of several battery cells accommodated in stacked cell holders can be adjusted to one another and / or heat can be dissipated from the at least one battery cell accommodated in the receptacle of the cell holder and fed to a cooling device.
  • the at least one metal component thus enables particularly advantageous temperature control of the battery cells accommodated in the receptacle of the cell holder.
  • a heating element in particular a Peltier element, is arranged on at least one wall delimiting the receptacle, against which the battery cell can be placed in its state received in the receptacle.
  • the heating element By means of the heating element, the battery cell can be heated when it is arranged in the receptacle.
  • a minimum temperature of the battery cell arranged in the receptacle can be set in a particularly simple manner, whereby the risk of damage to the battery cell can be kept particularly low.
  • the heating element enables an operating temperature of the battery cell to be set particularly quickly, as a result of which the battery cell can be used particularly energy-efficiently and quickly.
  • the risk of damage to the battery cell can be kept particularly low by means of the heating element of the cell holder, as a result of which a particularly long service life of the battery cell can be achieved and beyond
  • a particularly advantageous operation of the at least one battery cell accommodated in the receptacle can be made possible.
  • the invention further relates to a cell module with a module frame having at least one guide receptacle and with at least two cell holders, as they have already been described in connection with the cell holder according to the invention.
  • the cell holders are stacked on top of one another in a stacking direction and held on the module frame.
  • the cell holders can be guided along the stacking direction by means of their guide devices in the at least one guide receptacle of the module frame relative to the module frame.
  • At least one battery cell can be accommodated in each of the receptacles in the cell holder.
  • a battery cell accommodated in a first of the cell holders rests on a rear wall of the second cell holder stacked on the first cell holder in the stacking direction.
  • the at least one battery cell is thus arranged in the receptacle of the first cell holder and is covered in the stacking direction by the rear wall of the second cell holder. Consequently, when the at least one battery cell is arranged in the receptacle of the first cell holder, it is at least substantially enclosed by the first cell holder and the second cell holder, at least covered upwards and downwards along the stacking direction.
  • the guide devices form with the guide receptacle, for example, a sliding guide, in particular a dovetail connection.
  • the module frame can have at least one guide groove into which respective guide elements of the guide devices of the cell holder engage, in particular can engage in a form-fitting manner.
  • the cell holders can be moved individually along the stacking direction relative to the module frame via the guide devices, as a result of which a distance between the cell holders can be adjusted.
  • the distance between the respective cell holders in the stacking direction can be adjusted as a function of a respective volume of battery cells accommodated in the cell holders, as a result of which the pressure load on the battery cells can be kept particularly low.
  • the cell module thus enables a particularly long service life of the battery cells, in that the cell module enables a change in volume of the battery cells with a particularly low mechanical stress on the battery cells. It has proven to be particularly advantageous if the metal component rests on a first side of the rear wall of the first cell holder, a battery cell accommodated in the second cell holder being able to be placed on a second side of the rear wall opposite the first side.
  • the metal component is arranged in overlap with at least one receptacle of a cell holder in the stacking direction, whereby a battery cell arranged in the receptacle of the cell holder can be arranged in the stacking direction in overlap with and adjacent to the metal component.
  • the metal component enables heat to be dissipated from the battery cell, which is received in the receptacle delimited by the metal component and rests against the metal component.
  • the heat absorbed by means of the metal component can be dissipated from the receptacle or the battery cell via the rear wall in the stacking direction.
  • a temperature equalization between the battery cells can take place via at least one metal component which is arranged between the respective battery cells in the stacking direction.
  • temperature peaks within the cell module can at least essentially be avoided or evened out and leveled particularly quickly. Overheating of the cell module can thus be prevented in a particularly advantageous manner. In this way, the risk of damage to the cell module can be kept particularly low.
  • a cooling device which is applied to the stacked cell holders and by means of which heat can be absorbed by the cell holders.
  • the cooling device is in contact with all of the cell holders stacked in the stacking direction at the same time.
  • the cooling device can rest on the outside of each of the base walls delimiting the receptacles of the cell holders perpendicular to the stacking direction.
  • the cell module can be cooled particularly advantageously by means of the cooling device, in that the heat is absorbed directly by the respective cell holders.
  • the cooling device enables a particularly advantageous, uniform cooling of the cell module, as a result of which overheating and temperature peaks in the cell module can at least essentially be avoided.
  • a heating device can be applied to all stacked cell holders at the same time, by means of which the cell holders can be heated, whereby battery cells accommodated in the respective receptacles of the cell holders can be heated.
  • the battery cells accommodated in the receptacles of the cell holder can be increased to an operating temperature and / or to an Minimum temperature are heated, whereby the risk of damage to the battery cells accommodated in the cell module can be kept particularly low.
  • the metal component is arranged on the bottom wall facing the cooling device of at least one of the cell holders.
  • the metal component rests on a first side of the bottom wall facing the receptacle.
  • the cooling device rests against the cell holder on an outer, second side of the bottom wall opposite the first side.
  • the bottom wall can be formed by the metal component.
  • the metal component enables a particularly advantageous dissipation of heat from the at least one battery cell accommodated in the receptacle to the cooling device, as a result of which particularly efficient cooling of the at least one battery cell accommodated in the receptacle can be achieved.
  • FIG. 1 shows a schematic perspective view of a cell holder for at least one
  • Battery cell which can be stacked with other cell holders and connected to form a cell module
  • FIG. 2 shows a schematic perspective view of a plurality of stacked cell holders, in each of which at least one battery cell is accommodated, the stacked cell holders being able to be accommodated as a cell block in a module frame with which they jointly form a cell module.
  • a cell holder 10 is shown, by means of which at least one battery cell 12 can be received.
  • the cell holder 10 thus provides a cell envelope for at least one Battery cell 12 ready and is set up to fix the at least one battery cell 12.
  • the cell holder 10 is formed in the present case from a polymer and can therefore also be referred to as a polymer cell case.
  • the cell holder 10 is manufactured in an injection molding process, so that the cell holder 10 is an injection molded part.
  • the cell holder 10 has a rear wall 14, a bottom wall 16, a top wall 18 and two side walls 20 which together delimit a receptacle 22.
  • the bottom wall 16 and the top wall 18 delimit the receptacle 22 on respective opposite sides.
  • the side walls 20 delimit the receptacle 22 on mutually opposite sides.
  • the receptacle 22 is designed to be open on a side opposite the rear wall 14.
  • the at least one battery cell 12 can be received in the receptacle 22, the at least one battery cell 12 being stabilized by the walls 14, 16, 18, 20 and protected from damage.
  • FIG. 2 In order to be able to provide a cell module, several cell holders 10, as shown in FIG. 2, can be stacked on top of one another in a stacking direction 24. At least one battery cell 12 can be accommodated in each cell holder 10.
  • the respective receptacle 22 of a first cell holder 10 can be placed on the side opposite the first rear wall 14 of the first cell holder 10 from a second rear wall 14 of a second cell holder 10, which is placed on the first cell holder 10 in the stacking direction 24 is stacked, limited.
  • the cell module comprises, in addition to the multiple cell holders 10, a module frame, not shown in the figures, on which the cell holders 10 are held.
  • the module frame is formed in particular from a metal.
  • the cell holder 10 takes on a guiding task for the battery cell 12 received in the receptacle 22 relative to the module frame.
  • the plurality of cell holders 10 can be connected to the module frame to form the cell module, wherein in turn a plurality of cell modules can be connected to form a battery.
  • the multiple battery cells 12 in the cell module can be interconnected and the multiple cell modules can in turn be interconnected.
  • the battery cells 12 that can be accommodated in the cell holders 10 are lithium-ion battery cells in the present case.
  • An electrochemically active electrode material located in the interior of the battery cells 12 changes its thickness over the latter State of charge and its service life.
  • a typical value for a growth in thickness when charging the battery cell 12 with a lithium metal anode is approximately 15% when charging from a state of charge from 0% to 100%.
  • a typical value for a growth in thickness on aging of the battery cell 12 with solid-state cell chemistry or conventional lithium-ion cell chemistry is approximately 5% over its entire service life.
  • a change in thickness of the battery cell 12 of approximately 20% must be compensated for.
  • a disadvantage here is an increase in a pressing force due to the principle of a spring characteristic of the spring elements when the battery cells 12 expand, so that the battery cell 12 or the entire cell module must be designed for particularly high axial forces in the direction of the change in thickness.
  • each cell holder 10 has a guide device 26.
  • the guide device 26 By means of the guide device 26, the cell holders 10 are held on the module frame so as to be movable relative to the module frame in the stacking direction 24.
  • the guide devices 26 of the cell holders 10 enable the cell holders 10 to move relative to one another in the stacking direction 24, as a result of which a change in the thickness of the battery cell 12 accommodated in the holder 22 is made possible via the respective open side of the receptacle 22 opposite the rear wall 14 of the respective cell holder 10.
  • the respective guide devices 26 each include two guide elements 28 arranged on each side wall 20 of the cell holder 10.
  • the respective guide elements 28 arranged on a side surface 20 together provide a dovetail shape which enables the guide device 26 to be dovetailed in a guide receptacle of the module frame.
  • This dovetail guide enables the guide device 26 not to jam in the guide receptacle of the module frame during thermal expansion, but rather to open prior to jamming during thermal expansion and thus the guide devices 26 to be released from the guide receptacle. Due to the accommodation of the battery cells 12 in the respective cell holders 10, the battery cells 12 experience a contacted relative movement only to the cell holder 10 when their volume changes, for example as a result of charging or discharging.
  • each cell holder 10 has at least one bent edge 30, around which at least one cell conductor 32 of the battery cell 12 arranged in the receptacle 22 can be bent.
  • respective cell arresters 32 of different battery cells 12, which are received in mutually different cell holders 10 can be brought into overlap with one another in order to make electrical contact with one another.
  • the battery cells 12 accommodated in a cell module in the respective cell holders 10 can be interconnected.
  • a lateral metal insert 34 is provided on the bent edge 30.
  • the at least one cell arrester 32 of the battery cell 12 can be welded to the metal insert 34 of the cell holder 10, as a result of which the cell arrester 32 can be fixed on the bent edge 30.
  • the battery cells 12 accommodated in the stacked cell holders 10 can be connected to one another and interconnected particularly easily via the respective cell arresters 32, the battery cells 12 being able to be interconnected in a series connection or in a parallel connection.
  • a first metal component 36 is arranged on the rear wall 14 on a side facing the receptacle 22.
  • the first metal component 36 covers the entire rear wall 14 towards the receptacle 22. Consequently, the first metal component 36 delimits the receptacle 22.
  • heat can be absorbed or emitted to a battery cell 12 arranged in the receptacle 22 and resting against the first metal component 36.
  • the battery cell 12 arranged in the first receptacle 22 of the first cell holder 10 by means of the first metal component 36 is delivered via the first rear wall 14 of the first cell holder 10 to a further battery cell 12 lying on the first rear wall 14, which is in a second receptacle 22 of the second cell holder 10 is arranged, which is stacked in the stacking direction 24 on the first cell holder 10.
  • heat can be exchanged via the first metal component 36 take place between the battery cells 12 received by the first cell holder 10 and the second cell holder 10.
  • a film with at least one, in particular a plurality of heating elements in the present case Peltier elements, can be arranged on the rear wall 14 facing the receptacle 22.
  • the film can completely cover the rear wall 14 towards the receptacle 22.
  • the receptacle 22 and consequently a battery cell 12 received in the receptacle 22 can be heated by means of the heating elements.
  • the Peltier elements thus enable a heating function which allows the battery cell 12 accommodated in the receptacle 22 to be heated, whereby the battery cell 12 arranged in the receptacle 22 can be brought into a range of particularly advantageous conductivity.
  • the cell holder 10 comprises a second metal component 38, which is arranged on the bottom wall 16 facing the receptacle 22.
  • the second metal component 38 completely covers the bottom wall 16 towards the receptacle 22.
  • heat can particularly advantageously be absorbed by the battery cell 12 arranged in the receptacle 22 and removed via the bottom wall 16.
  • the cell module can comprise a cooling device which is placed on the cell holder 10 on a side of the bottom wall 16 facing away from the receptacle 22.
  • the cooling device is applied to all of the stacked cell holders 10 on their respective bottom walls 16.
  • the second metal component 38 enables particularly advantageous heat dissipation from the battery cell 12 received in the receptacle 22 via the bottom wall 16 to the cooling device.
  • the cell module can be cooled particularly evenly by means of the cooling device.
  • a particularly advantageous thermal connection between the battery cell 12 received in the receptacle 22 and the bottom wall 16 can be achieved by means of the second metal component 38.
  • the second metal component 38 enables a particularly advantageous thermal contact between the battery cell 12 received in the receptacle 22 and the cooling device, which is in particular a floor cooling.
  • the cell holders 10 enable a relative movement of the battery cells 12, which is caused by a change in volume of the battery cells 12, to be intercepted, whereby a pouch film of the respective battery cells 12 can be protected.
  • abrasion of the pouch foils of the battery cells 12, which can lead to holes in the pouch foils, can at least essentially be avoided.
  • the respective pouch foils of the battery cells 12 accommodated in the receptacles 22 are thus protected from friction and material abrasion.
  • a thermal connection of the battery cell 12 to the cooling device can be ensured via the metal components 36, 38.
  • a cell heater can be integrated into the cell holder 10 via the film comprising the heating elements, which is particularly advantageous in the case of cell chemistries of battery cells 12 which require a minimum operating temperature.
  • the bent edge 30 of the respective cell holder 10 enables the cell arresters 32 to be bent over directly on the cell holder 10, which means that particularly few assembly steps are required for the bending.
  • the cell arresters 32 of the respective battery cells 12 accommodated in the receptacles 22 can be welded directly to the metal insert 34 embedded in the side wall 20, which in the present case is a metal plate. As a result, the cell arrester 32 can be connected directly to the cell holder 10 and fixed to it. Cell clips can be saved as a result.
  • the cell holder 10 enables several battery cells 12 of a cell module to be connected to one another in a particularly simple and cost-effective manner and, moreover, to be fixed to the respective associated cell holders 10 in a particularly simple and cost-effective manner.
  • the invention shows how a cell case with guidance, arrester fixation, thermal application and heating can be provided.

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Abstract

Die Erfindung betrifft einen Zellhalter (10) für wenigstens eine Batteriezelle (12), welcher eine Aufnahme (22) bereitstellt, in welcher die wenigstens eine Batteriezelle (12) aufnehmbar ist, und welcher mit weiteren Zellhaltern (10) in einem Modulrahmen stapelbar ist, wodurch eine mehrere Batteriezellen (12) umfassende Batterie bereitstellbar ist, wobei der Zellhalter (10) eine Führungseinrichtung (26) aufweist, mittels welcher der Zellhalter (10) in dem Modulrahmen relativ zum Modulrahmen führbar ist.

Description

Zellhalter für wenigstens eine Batteriezelle sowie Zellmodul
Die Erfindung betrifft einen Zellhalter für wenigstens eine Batteriezelle gemäß dem Oberbegriff von Patentanspruch 1 sowie ein Zellmodul.
Die DE 102014 019 092 A1 offenbart einen Zellhalter zur Aufnahme einer Einzelzelle mit flachseitig angeordneten Zellableitern. In einer äußeren Seitenfläche des Zellhalters ist ein Auflageelement zur Auflage abgewinkelter Zellableiter vorgesehen. Bei dieser Einzelzelle handelt es sich um eine Flachzelle in einer sogenannte Coffeebag- oder Pouchzellenbauweise. Hierbei ist ein elektrochemisch aktives Zellinneres von einer elektrisch isolierenden Verbundfolie als Zellgehäuse umgeben. Um diese Einzelzellen mechanisch zu fixieren, welche auf Grund der Verbundfolien ein vergleichsweise instabiles Zellgehäuse aufweisen, ist der Zellhalter vorgesehen. Dieser Zellhalter ist zwischen zwei Einzelzellen angeordnet und umschließt diese randseitig, wobei Einzelzellen und Zellhalter einen Zellblock bilden, welcher Bestandteil einer elektrischen Batterie ist.
Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, einen Zellhalter für wenigstens eine Batteriezelle sowie ein Zellmodul zu schaffen, welche einen besonders vorteilhaften Schutz von aufgenommenen Batteriezellen ermöglichen.
Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß durch einen Zellhalter für wenigstens eine Batteriezelle mit den Merkmalen von Patentanspruch 1 sowie durch ein Zellmodul mit den Merkmalen von Patentanspruch 7 gelöst. Vorteilhafte Ausgestaltungen mit zweckmäßigen Weiterbildungen der Erfindung sind in den jeweils abhängigen Ansprüchen sowie in der folgenden Beschreibung angegeben.
Die Erfindung betrifft einen Zellhalter für wenigstens eine Batteriezelle, welcher eine Aufnahme bereitstellt, in welcher die wenigstens eine Batteriezelle aufnehmbar ist. Diese Aufnahme ist zumindest zu einer Richtung offen ausgestaltet, wodurch eine Volumenänderung einer in der Aufnahme aufgenommenen Batteriezelle ermöglicht wird. Der Zellhalter ist weiterhin mit weiteren Zellhaltern in einem Modulrahmen stapelbar, wodurch eine mehrere Batteriezellen umfassende Batterie bereitstellbar ist. Bei der Batterie handelt es sich insbesondere um eine Fahrzeugbatterie, mittels welcher ein elektrisch betreibbares Kraftfahrzeug antreibbar ist. Bei der Batteriezelle handelt es sich insbesondere um eine sogenannte Pouchzelle. Hierbei beschreibt die Bezeichnung Pouchzelle lediglich den technischen Aufbau der Batteriezelle. Bei Pouchzellen werden gestapelte oder gefaltete aktive Schichten von einer flexiblen Außenfolie eingeschlossen. Mehrere einzelne elektrische Pouchzellen können gestapelt werden, um in Reihenschaltung oder in Parallelschaltung miteinander verschaltet zu werden. Zellableiter als Anschlusselektroden ragen aus der Außenfolie der jeweiligen Pouchzelle heraus. Um eine Beschädigungsgefahr für die Batteriezellen, insbesondere deren Außenfolie besonders gering zu halten, ist es vorgesehen, dass die Batteriezellen besonders wenig mechanisch beansprucht werden sollen. Um zum einen einen besonders vorteilhaften Schutz der jeweiligen Batteriezellen zu ermöglichen und zum anderen eine Volumenänderung der Batteriezellen über deren Lebenszyklus beziehungsweise über deren Ladungszyklus zu ermöglichen, ist es erfindungsgemäß vorgesehen, dass der Zellhalter eine Führungseinrichtung aufweist, mittels welcher der Zellhalter in dem Modulrahmen relativ zu dem Modulrahmen führbar ist. Die Führbarkeit des Zellhalters relativ zu dem Modulrahmen über die Führungseinrichtung ermöglicht, dass eine Volumenänderung der mittels des Zellhalters aufgenommenen wenigstens einen Batteriezelle über eine Relativbewegung des Zellhalters zu dem Modulrahmen ausgeglichen wird, wodurch eine mechanische Beanspruchung der Batteriezelle bei der Volumenänderung besonders gering gehalten werden kann. Insbesondere bei einer gestapelten Anordnung mehrerer Zellhalter, in welchen jeweils wenigstens eine Batteriezelle aufgenommen ist, können die Zellhalter über deren Führungseinrichtung unabhängig voneinander relativ zu dem Modulrahmen bewegt werden, wodurch die Zellhalter relativ zueinander bewegt werden können. Hierbei liegt eine in einer ersten Aufnahme eines ersten Zellhalters aufgenommene Batteriezelle an einer Wand eines auf den ersten Zellhalter gestapelten zweiten Zellhalters an. Diese Wand des zweiten Zellhalters überdeckt die offene Seite der Aufnahme des ersten Zellhalters. Somit ist die in der Aufnahme angeordnete Batteriezelle entlang einer Stapelrichtung der Zellhalter in eine erste Richtung durch den ersten Zellhalter überdeckt und in einer zweiten Richtung durch den zweiten Zellhalter überdeckt. Dehnt sich wenigstens einer der in wenigstens einem der Zellhalter aufgenommenen Batteriezellen aus, dann können durch das Ausdehnen der Batteriezelle der die Batteriezelle aufnehmende Zellhalter und ein weiterer an der Batteriezelle anliegender Zellhalter auseinandergedrückt werden. Infolge des Auseinanderdrückens der Zellhalter erfolgt eine Relativbewegung der Zellhalter zueinander, welche durch die jeweiligen Führungseinrichtungen der Zellhalter ermöglicht wird, über welche die Zellhalter jeweils relativ zu dem Modulrahmen bewegbar sind. Ein Druckaufbau in der Batteriezelle infolge der Volumenzunahme kann über die Relativbewegung der Zellhalter zueinander unterbunden oder zumindest abgeschwächt werden. Eine Druckbelastung von der in dem Zellhalter aufgenommenen wenigstens einen Batteriezelle kann somit besonders gering gehalten werden. Hierdurch kann eine Beschädigungsgefahr für die wenigstens eine in dem Zellhalter aufgenommene Batteriezelle besonders gering gehalten werden.
In einer Weiterbildung der Erfindung ist eine Umbiegekante vorgesehen, in welcher ein Zellableiter der aufgenommenen Batteriezelle umbiegbar ist. Der umgebogene Zellableiter kann mit einem Zellableiter einer weiteren Batteriezelle verbunden werden, wobei die Batteriezellen in Reihe oder parallel geschalten werden können. Über das Umbiegen der Zellableiter kann eine besonders kompakte Bauweise einer mehrere Zellhalter sowie mehrere Batteriezellen umfassenden Batterie erreicht werden.
Es hat sich in diesem Zusammenhang als besonders vorteilhaft erwiesen, wenn an der Umbiegekante ein Metalleinleger vorgesehen ist, an welchen der Zellableiter anlegbar und über welchen der Zellableiter mit dem Zellhalter stoffschlüssig verbindbar ist. Das bedeutet, dass an der Umbiegekante der Metalleinleger angeordnet ist, an welchen der wenigstens eine Zellableiter beim Umbiegen um die Umbiegekante anlegbar ist. Um ein besonders sicheres Halten der jeweiligen wenigstens einen Batteriezellen am Zellhalter sicherzustellen, ist der Zellableiter mit dem Metalleinleger stoffschlüssig verbindbar, insbesondere verschweißbar. Über die stoffschlüssige Verbindung kann ein positionsgenaues Fixieren des Zellableiters an dem Zellhalter sichergestellt werden. Hierdurch kann eine besonders einfache sichereVerschaltung mehrerer Batteriezellen erfolgen, welche in unterschiedlichen Zellhaltern aufgenommen sind.
In weiterer Ausgestaltung der Erfindung hat es sich als vorteilhaft gezeigt, wenn die Führungseinrichtung als Schwalbenschwanzführung ausgebildet ist. Die Schwalbenschwanzführung ist dazu eingerichtet, eine Gleitführung mit dem Modulrahmen auszubilden. Für diese Gleitführung ist die Schwalbenschwanzführung dazu ausgebildet, eine Schwalbenschwanzverbindung mit dem Modulrahmen einzugehen. Über die Schwalbenschwanzverbindung kann eine formschlüssige Verbindung zwischen dem Zellhalter und dem Modulrahmen bereitgestellt werden. Somit kann über die Schwalbenschwanzführung zum einen der Zellhalter besonders sicher an dem Modulrahmen gehalten werden und zum anderen ermöglicht die Schwalbenschwanzführung ein besonders präzises Führen einer Relativbewegung des Zellhalters zu dem Modulrahmen.
In einerweiteren Ausgestaltung der Erfindung hat es sich als vorteilhaft gezeigt, wenn wenigstens eine die Aufnahme begrenzende Wandung von einem Metallbauteil bereitgestellt wird, an welches die Batteriezelle in ihrem in der Aufnahme angenommenen Zustand anlegbar ist. Die in der Aufnahme aufgenommene Batteriezelle ist somit mit dem Metallbauteil kontaktierbar. Das Metallbauteil weist eine besonders hohe Wärmeleitfähigkeit auf und ermöglicht ein besonders vorteilhaftes Abführen von Wärme von der in der Aufnahme des Zellhalters aufgenommenen wenigstens einen Batteriezelle. Hierdurch ist die in der Aufnahme des Zellhalters aufgenommene wenigstens eine Batteriezelle besonders einfach mittels des Metallbauteils kühlbar. Darüber hinaus kann mittels des Metallbauteils eine Überhitzung der wenigstens einen in der Aufnahme aufgenommenen Batteriezelle zumindest im Wesentlichen unterbunden werden. Mittels des Metallbauteils kann beispielsweise eine jeweilige Temperatur mehrerer in aufeinandergestapelten Zellhaltern aufgenommenen Batteriezellen aneinander angeglichen werden und/oder Wärme von der wenigstens einen in der Aufnahme des Zellhalters aufgenommenen Batteriezelle abgeführt und einer Kühleinrichtung zugeführt werden. Das wenigstens eine Metallbauteil ermöglicht somit eine besonders vorteilhafte Temperierung von in der Aufnahme des Zellhalters aufgenommenen Batteriezellen.
Es hat sich in einer Weiterbildung der Erfindung als vorteilhaft gezeigt, wenn an wenigstens einer die Aufnahme begrenzenden Wandung ein Heizelement, insbesondere ein Peltierelement angeordnet ist, an welches die Batteriezelle in ihrem in der Aufnahme aufgenommenen Zustand anlegbar ist. Mittels des Heizelements ist die Batteriezelle in ihrem in der Aufnahme angeordneten Zustand beheizbar. Hierdurch kann besonders einfach eine Mindesttemperatur der in der Aufnahme angeordneten Batteriezelle eingestellt werden, wodurch eine Beschädigungsgefahr für die Batteriezelle besonders gering gehalten werden kann. Überdies ermöglicht das Heizelement bei einer Inbetriebnahme der Batteriezelle ein besonders schnelles Einstellen einer Betriebstemperatur der Batteriezelle, wodurch die Batteriezelle besonders energieeffizient und schnell genutzt werden kann. Durch das schnelle Einstellen der Betriebstemperatur kann mittels des Heizelements des Zellhalters eine Beschädigungsgefahr für die Batteriezelle besonders gering gehalten werden, wodurch eine besonders hohe Lebensdauer der Batteriezelle erreicht werden kann und darüber hinaus ein besonders vorteilhafter Betrieb der in der Aufnahme aufgenommenen wenigstens einen Batteriezelle ermöglicht werden kann.
Die Erfindung betrifft des Weiteren ein Zellmodul, mit einem wenigstens eine Führungsaufnahme aufweisenden Modulrahmen sowie mit wenigstens zwei Zellhaltern, wie sie bereits im Zusammenhang mit dem erfindungsgemäßen Zellhalter beschrieben worden sind. Die Zellhalter sind in einer Stapelrichtung aufeinander gestapelt und an dem Modulrahmen gehalten. Entlang der Stapelrichtung sind die Zellhalter mittels ihrer Führungseinrichtungen in der wenigstens einen Führungsaufnahme des Modulrahmens relativ zu dem Modulrahmen führbar. In den Aufnahmen der Zellhalter ist jeweils wenigstens eine Batteriezelle aufnehmbar. Aufgrund der gestapelten Anordnung der Zellhalter in dem Modulrahmen liegt eine in einem ersten der Zellhalter aufgenommene Batteriezelle an einer Rückwand des zweiten, auf den ersten Zellhalter in Stapelrichtung gestapelten Zellhalters an. Somit ist die wenigstens eine Batteriezelle in der Aufnahme des ersten Zellhalters angeordnet und wird in Stapelrichtung von der Rückwand des zweiten Zellhalters überdeckt. Folglich ist die wenigstens eine Batteriezelle bei deren Anordnung in der Aufnahme des ersten Zellhalters von dem ersten Zellhalter und dem zweiten Zellhalter zumindest im Wesentlichen umschlossen, zumindest entlang der Stapelrichtung nach oben und nach unten überdeckt.
Die Führungseinrichtungen bilden mit der Führungsaufnahme beispielsweise eine Gleitführung aus, insbesondere eine Schwalbenschwanzverbindung. Als Führungsaufnahme kann der Modulrahmen wenigstens eine Führungsnut aufweisen, in welche jeweilige Führungselemente der Führungseinrichtungen der Zellhalter eingreifen, insbesondere formschlüssig eingreifen können. Die Zellhalter sind über die Führungseinrichtungen entlang der Stapelrichtung relativ zu dem Modulrahmen einzeln bewegbar, wodurch ein Abstand zwischen den Zellhaltern einstellbar ist. Der Abstand zwischen den jeweiligen Zellhaltern in Stapelrichtung kann in Abhängigkeit von einem jeweiligen Volumen von in den Zellhaltern aufgenommenen Batteriezellen eingestellt werden, wodurch eine Druckbelastung der Batteriezellen besonders gering gehalten werden kann. Insbesondere ermöglicht das Relativbewegen der Zellhalter zueinander entlang der Stapelrichtung ein Ausweichen der Zellhalter bei einer Volumenzunahme wenigstens einer der Batteriezellen, wodurch eine Beschädigungsgefahr für die in den Zellhaltern aufgenommenen Batteriezellen besonders gering gehalten werden kann. Das Zellmodul ermöglicht somit eine besonders hohe Lebensdauer der Batteriezellen, indem das Zellmodul eine Volumenänderung der Batteriezellen bei einer besonders geringen mechanischen Beanspruchung der Batteriezellen ermöglicht. Es hat sich als besonders vorteilhaft erwiesen, wenn das Metallbauteil an einer ersten Seite der Rückwand des ersten Zellhalters anliegt, wobei an einer der ersten Seite gegenüberliegenden, zweiten Seite der Rückwand eine in dem zweiten Zellhalter aufgenommene Batteriezelle anlegbar ist. Das bedeutet, dass das Metallbauteil in Stapelrichtung in Überdeckung mit wenigstens einer Aufnahme eines Zellhalters angeordnet ist, wodurch eine in der Aufnahme des Zellhalters angeordnete Batteriezelle in Stapelrichtung in Überdeckung mit dem Metallbauteil und an diesem anliegend anordenbar ist. Das Metallbauteil ermöglicht ein Ableiten von Wärme von der Batteriezelle, welche in der von dem Metallbauteil begrenzten Aufnahme aufgenommen ist und an dem Metallbauteil anliegt. Die mittels des Metallbauteils aufgenommene Wärme kann über die Rückwand in Stapelrichtung von der Aufnahme, beziehungsweise der Batteriezelle abgeführt werden. Sind in mehreren Stapelrichtungen aneinander angeordneten Zellhaltern jeweils wenigstens eine Batteriezelle angeordnet, dann kann über wenigstens ein Metallbauteil, welches in Stapelrichtung zwischen jeweiligen Batteriezellen angeordnet ist, ein Temperaturausgleich zwischen den Batteriezellen erfolgen. Hierdurch können Temperaturspitzen innerhalb des Zellmoduls zumindest im Wesentlichen vermieden, beziehungsweise besonders schnell ausgeglichen und eingeebnet werden. Einer Überhitzung des Zellmoduls kann somit besonders vorteilhaft vorgebeugt werden. Hierdurch kann eine Beschädigungsgefahr für das Zellmodul besonders gering gehalten werden.
In weiterer Ausgestaltung der Erfindung hat es sich als vorteilhaft gezeigt, wenn eine Kühleinrichtung vorgesehen ist, welche an die gestapelten Zellhalter angelegt ist und mittels welcher Wärme von den Zellhaltern aufnehmbar ist. Die Kühleinrichtung liegt insbesondere an sämtlichen in Stapelrichtung gestapelten Zellhaltern gleichzeitig an. Hierfür kann die Kühleinrichtung an jeweiligen die Aufnahmen der Zellhalter senkrecht zur Stapelrichtung begrenzenden Bodenwände außenseitig anliegen. Mittels der Kühleinrichtung ist das Zellmodul besonders vorteilhaft kühlbar, indem direkt von den jeweiligen Zellhaltern die Wärme aufgenommen wird. Die Kühleinrichtung ermöglicht ein besonders vorteilhaftes gleichmäßiges Kühlen des Zellmoduls, wodurch ein Überhitzen sowie Temperaturspitzen im Zellmodul zumindest im Wesentlichen vermieden werden können. Alternativ oder zusätzlich zu der Kühleinrichtung kann eine Wärmeeinrichtung an alle gestapelten Zellhalter gleichzeitig angelegt sein, mittels welcher die Zellhalter erwärmbar sind, wodurch in jeweiligen Aufnahmen der Zellhalter aufgenommene Batteriezellen erwärmbar sind. Hierdurch können die in den Aufnahmen der Zellhalter aufgenommenen Batteriezellen auf eine Betriebstemperatur und/oder auf eine Mindesttemperatur erwärmt werden, wodurch eine Beschädigungsgefahr für die in dem Zellmodul aufgenommenen Batteriezellen besonders gering gehalten werden kann.
Es hat sich als besonders vorteilhaft erwiesen, wenn das Metallbauteil an der der Kühleinrichtung zugewandten Bodenwand wenigstens eines der Zellhalter angeordnet ist. Hierbei liegt an einer ersten Seite der Bodenwand, welche der Aufnahme zugewandt ist, das Metallbauteil an. An einer der ersten Seite gegenüberliegenden, äußeren zweiten Seite der Bodenwand liegt die Kühleinrichtung an dem Zellhalter an. Alternativ kann die Bodenwand durch das Metallbauteil gebildet sein. Das Metallbauteil ermöglicht ein besonders vorteilhaftes Ableiten von Wärme von der wenigstens einen in der Aufnahme aufgenommenen Batteriezelle zu der Kühleinrichtung, wodurch ein besonders effizientes Kühlen der wenigstens einen in der Aufnahme aufgenommenen Batteriezelle erreicht werden kann.
Weitere Vorteile, Merkmale und Einzelheiten der Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung eines bevorzugten Ausführungsbeispiels sowie anhand der Zeichnungen. Die vorstehend in der Beschreibung genannten Merkmale und Merkmalskombinationen sowie die nachfolgend in der Figurenbeschreibung genannten und/oder in den Figuren alleine gezeigten Merkmale und Merkmalskombinationen sind nicht nur in der jeweils angegebenen Kombination, sondern auch in anderen Kombinationen oder in Alleinstellung verwendbar, ohne den Rahmen der Erfindung zu verlassen.
Dabei zeigt:
Fig. 1 eine schematische Perspektivansicht eines Zellhalters für wenigstens eine
Batteriezelle, welche mit weiteren Zellhaltern stapelbar und zu einem Zellmodul verbindbar ist; und
Fig. 2 eine schematische Perspektivansicht mehrerer gestapelter Zellhalter, in welchen jeweils wenigstens eine Batteriezelle aufgenommen ist, wobei die gestapelten Zellhalter als Zellblock in einem Modulrahmen aufnehmbar sind, mit welchem diese gemeinsam ein Zellmodul bilden.
In Fig. 1 ist ein Zellhalter 10 gezeigt, mittels welchem wenigstens eine Batteriezelle 12 aufnehmbar ist. Der Zellhalter 10 stellt somit eine Zellhülle für wenigstens eine Batteriezelle 12 bereit und ist dazu eingerichtet, die wenigstens eine Batteriezelle 12 zu fixieren. Der Zellhalter 10 ist vorliegend aus einem Polymer gebildet und kann somit auch als Polymer-Zellcase bezeichnet werden. Vorliegend ist der Zellhalter 10 in einem Spritzgussverfahren hergestellt, sodass es sich bei dem Zellhalter 10 um ein Spritzgussteil handelt. Der Zellhalter 10 weist eine Rückwand 14, eine Bodenwand 16, eine Deckenwand 18 sowie zwei Seitenwände 20 auf, welche gemeinsam eine Aufnahme 22 begrenzen. Die Bodenwand 16 und die Deckenwand 18 begrenzen die Aufnahme 22 zu jeweiligen einander gegenüberliegenden Seiten. Des Weiteren begrenzen die Seitenwände 20 die Aufnahme 22 zueinander gegenüberliegenden Seiten. Die Aufnahme 22 ist an einer der Rückwand 14 gegenüberliegenden Seite offen ausgebildet. In der Aufnahme 22 ist die wenigstens eine Batteriezelle 12 aufnehmbar, wobei die wenigstens eine Batteriezelle 12 durch die Wände 14, 16, 18, 20 stabilisiert und vor Beschädigungen geschützt ist.
Um ein Zellmodul bereitstellen zu können, sind mehrere Zellhalter 10, wie in Fig. 2 gezeigt ist, in einer Stapelrichtung 24 aufeinander stapelbar. In jedem Zellhalter 10 ist wenigstens eine Batteriezelle 12 aufnehmbar. Durch das Stapeln der Zellhalter 10 in der Stapelrichtung 24 kann die jeweilige Aufnahme 22 eines ersten Zellhalters 10 an der der ersten Rückwand 14 des ersten Zellhalters 10 gegenüberliegenden Seite von einer zweiten Rückwand 14 eines zweiten Zellhalters 10, welcher in Stapelrichtung 24 auf den ersten Zellhalter 10 gestapelt ist, begrenzt werden. Hierdurch kann im gestapelten Zustand der Zellhalter 10 eine in einer ersten Aufnahme 22 des ersten Zellhalters 10 aufgenommenen Batteriezelle 12 besonders vorteilhaft von dem ersten Zellhalter 10 und dem zweiten Zellhalter 10 umschlossen werden. Um die Zellhalter 10 gestapelt aufeinander halten zu können, umfasst das Zellmodul zusätzlich zu den mehreren Zellhaltern 10 einen in den Figuren nicht gezeigten Modulrahmen, an welchem die Zellhalter 10 gehalten sind. Der Modulrahmen ist insbesondere aus einem Metall gebildet. Der Zellhalter 10 übernimmt eine Führungsaufgabe für die in der Aufnahme 22 aufgenommene Batteriezelle 12 relativ zu dem Modulrahmen. Die mehreren Zellhalter 10 können mit dem Modulrahmen zu dem Zellmodul verbunden werden, wobei wiederum mehrere Zellmodule zu einer Batterie verbunden werden können. Hierfür können die mehreren Batteriezellen 12 in dem Zellmodul miteinander verschaltet werden und die mehreren Zellmodule wiederum miteinander verschaltet werden.
Bei den in den Zellhaltern 10 aufnehmbaren Batteriezellen 12 handelt es sich vorliegend um Lithiumionenbatteriezellen. Ein im Inneren der Batteriezellen 12 befindliches elektrochemisch aktives Elektrodenmaterial ändert seine Dicke über dessen Ladungszustand und dessen Lebensdauer. Ein typischer Wert für ein Dickenwachstum beim Aufladen der Batteriezelle 12 mit Lithiummetallanode liegt bei ca. 15% bei einem Aufladen von einem Ladungszustand von 0 % auf 100 %. Ein typischer Wert für ein Dickenwachstum beim Altern der Batteriezelle 12 mit Festkörperzellchemie oder konventioneller Lithiumionenzellchemie liegt bei ca. 5% über deren gesamte Lebensdauer. Insgesamt sind also beispielsweise ca. 20% Dickenänderung der Batteriezelle 12 zu kompensieren.
Für eine derartige Kompensierung einer Dickenänderung der Batteriezellen 12 werden beim Stand der Technik elastische Federelemente wie Schaummatten oder Schraubenfedern in und/oder zwischen den Batteriezellen 12 angeordnet. Nachteilig ist hierbei ein durch eine Federkennlinie der Federelemente prinzipbedingtes Ansteigen einer Presskraft bei sich ausdehnenden Batteriezellen 12, sodass die Batteriezelle 12 oder das gesamte Zellmodul auf besonders hohe axiale Kräfte in Richtung der Dickenänderung auszulegen sind.
Um eine Dickenänderung von mit Zellhaltern 10 aufgenommenen Batteriezellen 12 zu ermöglichen und dabei eine Kraft auf die Batteriezellen 12 und/oder das gesamte Zellmodul in der Stapelrichtung 24 besonders gering halten zu können, weist jeder Zellhalter 10 eine Führungseinrichtung 26 auf. Mittels der Führungseinrichtung 26 sind die Zellhalter 10 relativ zu dem Modulrahmen in der Stapelrichtung 24 bewegbar am Modulrahmen gehalten. Darüber hinaus ermöglichen die Führungseinrichtungen 26 der Zellhalter 10 eine Relativbewegung der Zellhalter 10 in der Stapelrichtung 24 zueinander, wodurch über die jeweilige der Rückwand 14 des jeweiligen Zellhalters 10 gegenüberliegende offene Seite der Aufnahme 22 eine Dickenänderung der in der Aufnahme 22 aufgenommenen Batteriezelle 12 ermöglicht wird. Vorliegend umfassen die jeweiligen Führungseinrichtungen26 jeweils zwei an jeder Seitenwand 20 des Zellhalters 10 angeordnete Führungselemente 28. Die jeweiligen an einer Seitenfläche 20 angeordneten Führungselemente 28 stellen gemeinsam eine Schwalbenschwanzform bereit, welche eine Schwalbenschwanzführung der Führungseinrichtung 26 in einer Führungsaufnahme des Modulrahmens ermöglicht. Diese Schwalbenschwanzführung ermöglicht, dass die Führungseinrichtung 26 in der Führungsaufnahme des Modulrahmens bei einer Wärmeausdehnung nicht verklemmt, sondern bei der Wärmeausdehnung vor einem Verklemmen aufgeht und somit die Führungseinrichtungen 26 aus der Führungsaufnahme gelöst werden. Aufgrund des Aufnehmens der Batteriezellen 12 in den jeweiligen Zellhaltern 10 erfahren die Batteriezellen 12 bei deren Volumenänderung beispielsweise infolge eines Ladens oder Entladens eine kontaktierte Relativbewegung lediglich zu dem Zellhalter 10. Hierdurch kann eine das elektrochemisch aktive Elektrodenmaterial umschließende Pouchfolie vor Beschädigungen geschützt werden.
Um die jeweiligen Batteriezellen 12 in einem Zellmodul besonders vorteilhaft miteinander verbinden zu können, weist jeder Zellhalter 10 wenigstens eine Umbiegekante 30 auf, um welche wenigstens ein Zellableiter 32 der in der Aufnahme 22 angeordneten Batteriezelle 12 umbiegbar ist. Über das Umbiegen des Zellableiters 32 um die Umbiegekante 30 können jeweilige Zellableiter 32 unterschiedlicher Batteriezellen 12, welche in zueinander unterschiedlichen Zellhaltern 10 aufgenommen sind, in die Überdeckung miteinander gebracht werden, um elektrisch miteinander kontaktiert zu werden. Hierdurch kann eine Verschaltung der in einem Zellmodul in jeweiligen Zellhaltern 10 aufgenommenen Batteriezellen 12 erfolgen. Um ein besonders sicheres Fixieren der jeweiligen in der Aufnahme 22 aufgenommenen Batteriezelle 12 am Zellhalter 10 zu ermöglichen, ist an der Umbiegekante 30 ein seitlicher Metalleinleger 34 vorgesehen. Der wenigstens eine Zellableiter 32 der Batteriezelle 12 ist mit dem Metalleinleger 34 des Zellhalters 10 verschweißbar, wodurch der Zellableiter 32 an der Umbiegekante 30 fixierbar ist. Über die jeweiligen Zellableiter 32 können die in den gestapelten Zellhaltern 10 aufgenommenen Batteriezellen 12 besonders einfach miteinander verbunden und verschalten werden, wobei die Batteriezellen 12 in einer Reihenschaltung oder in einer Parallelschaltung verschalten werden können.
Um eine besonders vorteilhafte Temperierung einer in der Aufnahme 22 des Zellhalters 10 aufgenommenen Batteriezelle 12 zu ermöglichen, ist an der Rückwand 14 an einer der Aufnahme 22 zugewandten Seite ein erstes Metallbauteil 36 angeordnet. Vorliegend überdeckt das erste Metallbauteil 36 die gesamte Rückwand 14 zur Aufnahme 22 hin. Folglich begrenzt das erste Metallbauteil 36 die Aufnahme 22. Mittels des ersten Metallbauteils 36 ist Wärme von einen der Aufnahme 22 angeordneten und an dem ersten Metallbauteil 36 anliegenden Batteriezelle 12 aufnehmbar oder an diese abgebbar. Die mittels des ersten Metallbauteils 36 von der in der ersten Aufnahme 22 des ersten Zellhalters 10 angeordneten Batteriezelle 12 wird über die erste Rückwand 14 des ersten Zellhalters 10 an eine an der ersten Rückwand 14 anliegende weitere Batteriezelle 12 abgegeben, welche in einer zweiten Aufnahme 22 des zweiten Zellhalters 10 angeordnet ist, welcher in Stapelrichtung 24 an den ersten Zellhalter 10 angestapelt ist. Hierdurch kann über das erste Metallbauteil 36 ein Wärmeaustausch zwischen den von dem ersten Zellhalter 10 und dem zweiten Zellhalter 10 aufgenommenen Batteriezellen 12 erfolgen. Alternativ oder zusätzlich zu dem ersten Metallbauteil 36 kann an der Rückwand 14 der Aufnahme 22 zugewandt eine Folie mit wenigstens einem, insbesondere einer Mehrzahl an Heizelemente, vorliegend Peltierelementen angeordnet sein. Hierbei kann die Folie die Rückwand 14 vollständig zur Aufnahme 22 hin überdecken. Mittels der Heizelemente ist die Aufnahme 22 und infolgedessen eine in der Aufnahme 22 aufgenommene Batteriezelle 12 beheizbar. Die Peltierelemente ermöglichen somit eine Heizfunktion, die es erlaubt die in der Aufnahme 22 aufgenommene Batteriezelle 12 zu beheizen, wodurch die in der Aufnahme 22 angeordnete Batteriezelle 12 in einen Bereich einer besonders vorteilhaften Leitfähigkeit bringbar ist.
Der Zellhalter 10 umfasst vorliegend ein zweites Metallbauteil 38, welches an der Bodenwand 16 der Aufnahme 22 zugewandt angeordnet ist. Vorliegend überdeckt das zweite Metallbauteil 38 die Bodenwand 16 vollständig zur Aufnahme 22 hin. Mittels des zweiten Metallbauteils 38 ist aufgrund einer besonders hohen Leitfähigkeit eines jeweiligen Metallbauteils besonders vorteilhaft Wärme von der in der Aufnahme 22 angeordneten Batteriezelle 12 aufnehmbar und über die Bodenwand 16 abführbar. Insbesondere kann das Zellmodul eine Kühleinrichtung umfassen, welche an den Zellhalter 10 an eine der Aufnahme 22 abgewandte Seite der Bodenwand 16 angelegt wird. Insbesondere wird die Kühleinrichtung an sämtliche gestapelten Zellhalter 10 an deren jeweilige Bodenwände 16 angelegt. Das zweite Metallbauteil 38 ermöglicht eine besonders vorteilhafte Wärmeabfuhr von der in der Aufnahme 22 aufgenommenen Batteriezelle 12 über die Bodenwand 16 zu der Kühleinrichtung. Mittels der Kühleinrichtung ist das Zellmodul besonders gleichmäßig kühlbar. Mittels des zweiten Metallbauteils 38 kann eine besonders vorteilhafte thermische Verbindung zwischen der in der Aufnahme 22 aufgenommenen Batteriezelle 12 und der Bodenwand 16 erreicht werden. Hierdurch ermöglicht das zweite Metallbauteil 38 einen besonders vorteilhaften thermischen Kontakt zwischen der in der Aufnahme 22 aufgenommenen Batteriezelle 12 und der Kühleinrichtung, bei welcher es sich insbesondere um eine Bodenkühlung handelt.
Die Zellhalter 10 ermöglichen ein Abfangen einer Relativbewegung der Batteriezellen 12, welche durch eine Volumenänderung der Batteriezellen 12 hervorgerufen wird, wodurch eine Pouchfolie der jeweiligen Batteriezellen 12 geschont werden kann. Hierdurch kann ein Abrieb der Pouchfolien der Batteriezellen 12, welcher zu Löchern in den Pouchfolien führen kann, zumindest im Wesentlichen vermieden werden. Mittels der Zellhalter 10 werden somit die jeweiligen Pouchfolien der in den Aufnahmen 22 aufgenommenen Batteriezellen 12 vor Reibung und Materialabrieb geschützt. Über die Metallbauteile 36, 38 kann eine thermische Anbindung der Batteriezelle 12 an die Kühleinrichtung sichergestellt werden. Über die die Heizelemente umfassende Folie kann eine Zellheizung in die Zellhalter 10 integriert werden, was insbesondere bei Zellchemien von Batteriezellen 12 vorteilhaft ist, welche eine Mindestbetriebstemperatur benötigen. Die Umbiegekante 30 des jeweiligen Zellhalters 10 ermöglicht, dass die Zellableiter 32 direkt am Zellhalter 10 umgebogen werden können, wodurch für das Umbiegen besonders wenige Montageschritte benötigt werden. Die Zellableiter 32 der jeweiligen in den Aufnahmen 22 aufgenommenen Batteriezellen 12 können direkt mit dem in die Seitenwand 20 eingelassenen Metalleinleger 34, bei welchem es sich vorliegend um ein Metallplättchen handelt, verschweißt werden. Hierdurch kann der Zellableiter 32 direkt mit dem Zellhalter 10 verbunden und an diesem fixiert werden. Zellclips können hierdurch eingespart werden. Der Zellhalter 10 ermöglicht, dass mehrere Batteriezellen 12 eines Zellmoduls besonders einfach und kostengünstig miteinander verbunden werden und darüber hinaus besonders einfach und kostengünstig an den jeweiligen zugeordneten Zellhaltern 10 fixiert werden können.
Insgesamt zeigt die Erfindung wie ein Zellcase mit Führung, Ableiterfixierung, thermischer Anwendung und Heizung bereitgestellt werden kann.
Bezugszeichenliste
10 Zellhalter
12 Batteriezelle
14 Rückwand
16 Bodenwand
18 Deckenwand
20 Seitenwand
22 Aufnahme
24 Stapelrichtung
26 Führungseinrichtung
28 Führungselement
30 Umbiegekante
32 Zellableiter
34 Metalleinleger
36 erstes Metallbauteil
38 zweites Metallbauteil

Claims

Patentansprüche
1. Zellhalter (10) für wenigstens eine Batteriezelle (12), welcher eine Aufnahme (22) bereitstellt, in welcher die wenigstens eine Batteriezelle (12) aufnehmbar ist, und welcher mit weiteren Zellhaltern (10) in einem Modulrahmen stapelbar ist, wodurch eine mehrere Batteriezellen (12) umfassende Batterie bereitstellbar ist, dadurch gekennzeichnet, dass der Zellhalter (10) eine Führungseinrichtung (26) aufweist, mittels welcher der Zellhalter (10) in dem Modulrahmen relativ zum Modulrahmen führbar ist.
2. Zellhalter (10) nach Anspruch 1 , dadurch gekennzeichnet, dass eine Umbiegekante (30) vorgesehen ist, an welcher ein Zellableiter (32) der aufgenommenen Batteriezelle (12) umbiegbar ist.
3. Zellhalter (10) nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass an der Umbiegekante (30) ein Metalleinleger (34) vorgesehen ist, an welchen der Zellableiter (32) anlegbar und über welchen der Zellableiter (32) mit dem Zellhalter (10) stoffschlüssig verbindbar ist.
4. Zellhalter (10) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Führungseinrichtung (26) als Schwalbenschwanzführung ausgebildet ist.
5. Zellhalter (10) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass wenistens eine die Aufnahme (22) begrenzende Wandung von einem Metallbauteil (36, 38) bereitgestellt wird, an welches die Batteriezelle (12) in ihrem in der Aufnahme (22) aufgenommenen Zustand anlegbar ist.
6. Zellhalter (10) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass an wenistens einer die Aufnahme (22) begrenzenden Wandung ein Heiz-Element angeordnet ist, an welches die Batteriezelle (12) in ihrem in der Aufnahme (22) aufgenommenen Zustand anlegbar ist.
7. Zellmodul, mit einem wenigstens eine Führungsaufnahme (26) aufweisenden Modulrahmen, und mit wenigstens zwei Zellhaltern (10) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, welche an dem Modulrahmen in einer Stapelrichtung (24) aufeinander gestapelt gehalten sind, entlang welcher die Zellhalter (10) mittels ihrer Führungseinrichtungen (26) in der wenigstens einen Führungsaufnahme relativ zu dem Modulrahmen führbar sind, und in welchen jeweils wenigstens eine Batteriezelle (12) aufnehmbar ist.
8. Zellmodul nach Anspruch 7 in seinem Rückbezug auf Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass das Metallbauteil (36) an einer ersten Seite einer Rückwand (14) eines ersten Zellhalters (10) anliegt, wobei an einer der ersten Seite gegenüberliegenden zweiten Seite der Rückwand (14) eine in einem zweiten Zellhalter (10) aufgenommene Batteriezelle (12) anlegbar ist.
9. Zellhalter nach Anspruch 7 oder 8, dadurch gekennzeichnet, dass eine Kühleinrichtung an die gestapelten Zellhalter (10) angelegt ist, mittels welcher Wärme von den Zellhaltern (10) aufnehmbar ist.
10. Zellmodul nach Anspruch 9 in seinem Rückbezug auf Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass das Metallbauteil (38) an einer der Kühleinrichtung zugewandten Bodenwand (16) der Zellhalter (10) angeordnet ist.
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