EP4393028A1 - Batteriezellenpaket für eine batterie und batterie - Google Patents

Batteriezellenpaket für eine batterie und batterie

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EP4393028A1
EP4393028A1 EP22761458.3A EP22761458A EP4393028A1 EP 4393028 A1 EP4393028 A1 EP 4393028A1 EP 22761458 A EP22761458 A EP 22761458A EP 4393028 A1 EP4393028 A1 EP 4393028A1
Authority
EP
European Patent Office
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battery cell
battery
cell pack
pack
frame elements
Prior art date
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Pending
Application number
EP22761458.3A
Other languages
English (en)
French (fr)
Inventor
Christoph Warkotsch
Robert Loch
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.)
Bayerische Motoren Werke AG
Original Assignee
Bayerische Motoren Werke AG
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Filing date
Publication date
Application filed by Bayerische Motoren Werke AG filed Critical Bayerische Motoren Werke AG
Publication of EP4393028A1 publication Critical patent/EP4393028A1/de
Pending legal-status Critical Current

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    • H01M50/20—Mountings; Secondary casings or frames; Racks, modules or packs; Suspension devices; Shock absorbers; Transport or carrying devices; Holders
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    • H01M2220/20—Batteries in motive systems, e.g. vehicle, ship, plane
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    • 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

  • a motor vehicle that can be driven or moved at least partially electrically for example a hybrid motor vehicle, an electric motor vehicle, etc.
  • a battery in particular a secondary battery, for storing and providing electrical energy for driving the motor vehicle by means of an electromechanical energy converter.
  • the battery has a large number of battery cells, which are designed, for example, as respective pouch cells.
  • the battery cells are repeatedly charged and discharged during operation of the motor vehicle, with the respective battery cell having different external dimensions, ie different dimensional dimensions, in the discharged state and in the charged state. Due to this change in expansion that occurs during operation of the respective battery cell, design measures must be taken to absorb or compensate for the spatial change in expansion in the installed position of the battery cells.
  • the spatial change in expansion is reflected in a volume difference of up to 10% per battery cell between the charged and the discharged state.
  • DE 10 2017 008 390 A1 proposes a battery with at least one battery cell and an electrical conductor.
  • the electrical conductor is arranged in a meandering pattern, whereby the electrical conductor can carry out a dimensional change in the battery cell without causing damage.
  • DE 11 2012 002 517 T5 and DE 11 2012 002 518 T5 each propose a battery assembly that has two cell units that are adjacent to one another, the cell units adjoining one another via a spacer element. In this case, a cooling channel is formed by the spacer element. In order to prevent the cooling channel formed by the spacer element from being disadvantageously compressed by the adjacent cell units expanding, the spacer element has means which prevent the cell units from stretching.
  • Solid-state battery cells have advantages in terms of a particularly high specific energy density and improved operational reliability.
  • the battery cell pack also has a multiplicity of frame elements that correspond geometrically to the battery cells, with a battery cell being fixed in position by means of two of the frame elements that are directly adjacent to one another.
  • the frame elements that are directly adjacent to one another are arranged next to one another in such a way that a battery cell space is formed by these frame elements or between these frame elements.
  • the battery cell is inserted into this battery cell space and is thereby fastened or fixed in position in/on the frame elements directly adjacent to one another.
  • the intermediate layer is intended to be elastically compressible in a non-destructive manner. Accordingly, the intermediate layer is intended to be elastically compressible by the battery cell in a non-destructive manner, in that the battery cell, which is inserted into the battery cell space and thereby borders on the intermediate layer or layers, swells to a degree of swelling.
  • the degree of swelling of the corresponding battery cell is larger than a basic size of the corresponding battery cell.
  • the swelling of the battery cell from its basic size to the swelling size is related, for example, to a current state of charge (SOC: state of charge).
  • the battery cell in the charged state (SOC>0) has the swelling size.
  • the battery cell has the swelling dimension, it is larger in at least one spatial direction than if the battery cell has the basic dimension. To put it simply, the battery cell is wider and/or longer and/or deeper when it has the swelling dimension than when the battery cell has the basic dimension.
  • the frame elements which together form the battery cell space, remain stationary relative to one another, so that the swelling of the battery cell on the outside of the battery cell space is not reflected in a change in size.
  • the geometry and external dimensions of the frame elements therefore remain constant on the outside, regardless of whether the battery cell has the basic size or the swelling size. Dimensions of the frame elements, in particular dimensions of the battery cell space, therefore do not change during cycling of the battery cell.
  • a cell-to-pack structure can thus be advantageously represented at the system level.
  • the battery cell pack which has the multiplicity of battery cells
  • the battery cell pack which has the multiplicity of battery cells
  • a sandwich construction and in particular to bond it to a housing and/or carrier element, for example by gluing it.
  • glue it is possible in this way to glue the battery cell pack to a housing top and to a housing bottom of a battery housing.
  • This sandwich construction allows the battery cell pack to function as a supporting element for the battery and/or for the motor vehicle that has the battery.
  • a body structure is reinforced due to the sandwich construction of the battery cell pack.
  • the battery cells, the frame members and the interlayers can be arranged according to the following order: pressure plate (if any) - interlayer - battery cell - interlayer - frame member - interlayer - battery cell - interlayer - frame member, etc.
  • the battery cell pack is formed in particular mirror-symmetrically, so that at a corresponding end of the battery cell pack, a “last” battery cell is followed by a “last” intermediate layer, followed by the corresponding pressure plate.
  • the frame elements are fastened to one another by means of a connecting element.
  • the connecting element is a non-positive, positive and/or material connection element, in particular an adhesive element.
  • the frame elements are glued together, for example.
  • the respective frame element of the battery cell pack can be made of a plastic.
  • the frame elements are materially connected to one another by means of plastic welding.
  • it generally applies to the respective frame element that it has a base plate and a band attached along an outer edge of the base plate. The band protrudes beyond the base plate on both sides, so that two opposite shells are formed by the base plate and the band. Accordingly, the respective frame element has a double-T shape in a sectional view.
  • the respective frame element has an upper chord and a lower chord and a web connecting the upper chord and the lower chord, with the chords being formed by the band and the web by the base plate. If - as already explained - two of the frame elements (one arranged on the left and one arranged on the right) are directly adjacent to one another, the battery cell space is delimited on the inside by the two webs and the respective straps, with a left-hand shell of the right-hand frame element and a right-hand shell of the left frame element together form the battery cell space.
  • the frame elements are attached to the respective upper chord and the respective lower chord
  • the invention also relates to a motor vehicle that has at least one battery designed in accordance with the above description.
  • Features, advantages and advantageous configurations of the battery according to the invention are to be regarded as features, advantages and advantageous configurations of the motor vehicle according to the invention and vice versa.
  • FIG. 4 shows a plan view of a battery having two battery cell packs.
  • a battery cell pack 1, a battery 2 having the battery cell pack 1 and a motor vehicle (not shown) are set out in a joint description below.
  • 1 shows a perspective view of the battery cell pack 1, which has a multiplicity of battery cells 3 arranged next to one another. Only a few of the battery cells 3 are provided with the corresponding reference numbers in FIG. 1 .
  • the respective battery cell 3 is designed as a respective solid-state battery cell. This includes the respective battery cell 3 if it only has a solid electrolyte and no liquid component—but the invention is not limited to battery cells free of liquids. Rather, the term "battery cell" includes all forms of pouch cells that expand during operation. Accordingly, the respective battery cell 3 or solid-state battery cell is a so-called ASSB cell.
  • the battery cell pack 1 has two pressure plates 4, 5 and two clamping elements 6, 7 in the present example.
  • the pressure plates 4, 5 By the pressure plates 4, 5, the battery cell pack 1 is laterally delimited along a longitudinal direction 8 in each case.
  • the clamping elements 6 , 7 which in the present case are designed as a respective clamping strap, extend completely along the longitudinal extension direction 8 of the battery cell pack 1 and are connected to the pressure plates 4 , 5 in a force-fitting, form-fitting and/or material-locking manner.
  • the clamping elements 6, 7 or clamping straps and the pressure plates 4, 5 are riveted together.
  • Corresponding rivet points 9 can be seen in FIG. 1, of which only a few are provided with the corresponding reference numbers for reasons of clarity.
  • Fig. 2 shows an exploded view of the battery cell pack 1 cut along a sectional plane II-II (see Fig. 1).
  • Battery cell 3 is fixed in position by the corresponding battery cell 3 being inserted into a battery cell space 11 formed by the two frame elements 10 directly adjacent to one another.
  • the respective frame element 10 has a double-shell shape with two opposite shells or shells pointing away from one another and consequently in the sectional view a cross-sectional figure in the form of a double T-beam.
  • the present battery cell 3 is according to a flat Cuboid, with respective narrow sides 12 of the battery cell 3 being arranged parallel to the longitudinal direction 8 , and respective broad sides 13 of the battery cell 3 being arranged perpendicular to the longitudinal direction 8 .
  • a respective upper chord 14 and a respective lower chord 15 of the respective frame element 10 adjoin each other directly in the assembled state (see FIG. 3 ), with the respective battery cell 3 being arranged parallel to a respective web 16 of the respective frame element 10 .
  • the respective battery cell 3 is arranged between the webs 16 of the frame elements 10 .
  • the battery cell pack 1 has at least one intermediate layer 17 for each battery cell 3, in this case two intermediate layers 17, which are arranged directly between the respective battery cell 3 and the frame elements 10, so that the respective battery cell 3 is held in the battery cell chamber 11 by means of the intermediate layers 17.
  • the battery cell pack 1 may end in a frame element 10 , in an intermediate layer 17 or in a battery cell 3 .
  • the battery cell pack 1 in the present example ends laterally by means of the pressure plates 4, 5, so that the battery cell pack 1 in the present example has two battery cells 3 which only adjoin one of the frame elements 10 on one side via an intermediate layer 17. In this case, these “last” battery cells 3 adjoin the respective pressure plate 4, 5 on the corresponding other side.
  • the respective intermediate layer 17 is designed to be non-destructively elastically compressible.
  • the respective intermediate layer 17 is at least partially formed by the material that has the particularly low Poisson's ratio p.
  • the respective intermediate layer has a foamed material, in particular a polyurethane foam. This means that the respective intermediate layer 17 is formed at least partially from the foamed material, for example the polyurethane foam.
  • the intermediate layer 17 is elastically compressed as intended and non-destructively, so that despite the swelling of the corresponding battery cell 3, the size of the battery cell chamber 11 and consequently the external dimensions, in particular the length 18, of the battery cell pack 1 remain constant.
  • the battery cells 3, the frame elements 10 and the intermediate layers 17 are clamped together along the direction of longitudinal extent 8 between the pressure plates 4, 5.
  • the units 20 are clamped to one another along the direction of longitudinal extent 8 between the pressure plates 4, 5.
  • the clamping elements 6, 7 or the clamping straps and the pressure plates 4, 5 are riveted to one another at the riveting points 9 and/or are otherwise connected to one another in a non-positive, positive and/or material-locking manner.
  • the clamping elements 6, 7 are subjected to tensile loads, so that at least the frame elements 10 on the respective upper flange 14 and/or are clamped together on the respective lower flange 15.
  • first connecting element 21 in each case two frame elements 10 directly adjacent to one another along the direction of longitudinal extension 8 are connected to one another in a non-positive, form-fitting and/or material-locking manner by means of a first connecting element 21 .
  • the first connecting element 21 can be designed as a plastic weld.
  • the first connecting element 21 can be designed as an adhesive point.
  • the two frame elements 10 directly adjacent to one another are fastened or fixed to one another via their respective upper flange 14 and/or via their respective lower flange 15 .
  • the frame elements 10 are fastened to the clamping elements 6 , 7 by means of a second connecting element 22 .
  • the second connecting element 22 is, for example, an adhesive element or an adhesive layer, which is arranged between the straps 14, 15 and the tensioning elements or straps 6, 7.
  • Both the respective connection between the two directly adjacent frame elements 10 and the connection between the frame elements 10 and the clamping elements 6, 7 can be realized by means of the first connecting element 21 or by means of the second connecting element 22.
  • This means that the battery cell pack 1 can only have the first connecting element 21 or only the second connecting element 22, the corresponding connecting element 21, 22 then having a dual functionality.
  • the respective intermediate layer 17 is configured in such a way that an initial pressure of up to 10 bar, preferably up to 5 bar, in particular up to 1 bar, acts on the respective battery cell 3 if it is not swollen. This ensures reliable operation of the battery cell 3 .
  • the respective battery cell 3 swells from its basic size to its swelling size, at least one of the intermediate layers 17 arranged together with the battery cell 3 in the battery cell space 11, in particular both intermediate layers 17, is compressed by the expanding battery cell 3, whereby the geometry and dimensions of the Battery cell space 11 are not affected.
  • the respective intermediate layer 17 is compressed to an extent by which the battery cell 3 when swelling is increased. In this way, the swelling or an increase in size of the battery cell 3 is advantageously absorbed or compensated for.
  • FIG. 4 shows a plan view of the battery 2, which has two battery cell packs 1 in the present case.
  • the battery 2 is designed in particular for a motor vehicle that can be driven at least partially electrically, ie for a hybrid motor vehicle, for an electric motor vehicle, etc., and can function as a traction battery for the motor vehicle.
  • the battery 2 can be referred to as a high-voltage storage device.
  • the battery 2 has a battery housing 23 which is formed from a lower housing part 24 and at least one upper housing part 25 .
  • the respective battery cell pack 1 is held in a materially bonded manner both on the lower housing part 24 and on the upper housing part 25 . This means that the respective battery cell pack 1 is materially connected both to the lower housing part 24 and to the upper housing part 25 .
  • the respective battery cell pack 1 is bonded to the housing parts 24 , 25 by means of bonding devices 26 , 27 .
  • the housing parts 24, 25 and the gluing devices 26, 27 are shown in FIG. 2 and in FIG. It can also be seen in FIG. 2 and in FIG. 3 that in the present example the battery cell pack 1 is glued to the lower housing part 24 or the upper housing part 25 via its clamping straps or clamping elements 6 , 7 .
  • the adhesive device 26 is located between the upper housing part 25 and the clamping element 6 of the battery cell pack 1.
  • the adhesive device 27 is located between the clamping element 7 and the lower housing part 24.
  • the battery 2 does not have a separately formed battery housing 23 .
  • the pressure plates 4, 5 and the clamping elements 6, 7 function as the outer surface of the battery 2, as a housing for the battery 2, so to speak.
  • the particularly stable structure of the battery cell pack 1 means that the battery housing 23, which is designed separately, can be dispensed with, resulting in a mass advantage is achieved.
  • the invention shows possibilities for using or arranging the battery cells 3, which change between an electrically charged state and an electrically discharged state in terms of their spatial extent, in a particularly advantageous manner.
  • the use or arrangement of the battery cells 3 is advantageous in particular with regard to a cell-to-pack structure at the system level that is now possible.
  • On conventional process steps by means of which conventional battery cells are initially cell-to- Modules are arranged in order to then arrange the resulting modules according to module-to-pack to form a battery module pack can be dispensed with, which is economically and ecologically favorable.
  • the pressure plates 4, 5 and the clamping elements 6, 7 also mean that the battery cell pack 1 has a particularly strong or stable structure, so that the battery cell pack 1 can even serve as a supporting structure.

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Abstract

Die Erfindung betrifft ein Batteriezellenpaket (1) sowie eine Batterie (2). Das Batteriezellenpaket (1) weist auf: eine Vielzahl von nebeneinander angeordneten Batteriezellen (3); eine Vielzahl von mit den Batteriezellen (3) geometrisch korrespondierenden Rahmenelementen (10), wobei mittels zweier direkt zueinander benachbarter der Rahmenelemente (10) eine Batteriezelle (3) positionell fixiert ist, indem die entsprechende Batteriezelle (3) in einen durch die zwei direkt zueinander benachbarten Rahmenelemente (10) gebildeten Batteriezellraum (11) eingesetzt ist; und je Batteriezelle (3) eine Zwischenschicht (17), die direkt zwischen der jeweiligen Batteriezelle (3) und den Rahmenelementen (10) angeordnet ist, sodass die jeweilige Batteriezelle (3) mittels der Zwischenschicht (17) in dem Batteriezellraum (11) gehalten ist. Die Zwischenschicht (17) ist bestimmungsgemäß durch ein Anschwellen der direkt angrenzenden Batteriezelle (3) auf ein Schwellungsmaß zerstörungsfrei elastisch komprimierbar, wodurch trotz des Anschwellens der entsprechenden Batteriezelle (3) eine Größe des Batteriezellraums (11) und infolgedessen Außenabmessungen (18) des Batteriezellenpakets (1) konstant bleibt.

Description

Batteriezellenpaket für eine Batterie und Batterie
Die vorliegende Erfindung betrifft ein Batteriezellenpaket, insbesondere mit Festkörperbatteriezellen, sowie eine Batterie, insbesondere für ein zumindest teilweise elektrisch antreibbares bzw. fortbewegbares Kraftfahrzeug.
Ein zumindest teilweise elektrisch antreibbares bzw. fortbewegbares Kraftfahrzeug, beispielsweise ein Hybrid-Kraftfahrzeug, ein Elektro-Kraftfahrzeug etc., weist eine Batterie, insbesondere Sekundärbatterie, zum Speichern und Bereitstellen von elektrischer Energie zum Antreiben des Kraftfahrzeugs mittels eines elektromechanischen Energiewandlers auf. Hierzu weist die Batterie eine Vielzahl von Batteriezellen auf, die beispielsweise als jeweilige Pouch-Zellen ausgebildet sind. Die Batteriezellen werden während eines Betriebs des Kraftfahrzeugs wiederholt geladen und entladen, wobei die jeweilige Batteriezelle im entladenen Zustand und im geladenen Zustand unterschiedliche Außenabmessungen, das heißt unterschiedliche dimensionale Ausdehnungen, aufweist. Aufgrund dieser im Betrieb der jeweiligen Batteriezelle auftretenden Ausdehnungsänderung sind konstruktive Maßnahmen zu ergreifen, um die räumliche Ausdehnungsänderung in Einbaulage der Batteriezellen aufzufangen bzw. auszugleichen. Die räumliche Ausdehnungsänderung äußert sich in bis zu 10 % Volumenunterschied je Batteriezelle zwischen dem geladenen und dem entladenen Zustand.
Die DE 10 2017 008 390 A1 schlägt eine Batterie mit wenigstens einer Batteriezelle und einem elektrischen Leiter vor. Dabei ist der elektrische Leiter mäanderförmig angeordnet, wodurch der elektrische Leiter eine dimensionale Änderung der Batteriezelle schadfrei mitausführen kann. Die DE 11 2012 002 517 T5 und die DE 11 2012 002 518 T5 schlagen jeweils eine Batteriebaugruppe vor, die zwei zueinander benachbarte Zelleinheiten aufweist, wobei die Zelleinheiten über ein Abstandselement aneinander angrenzen. Dabei ist durch das Abstandselement ein Kühlkanal gebildet. Um zu vermeiden, dass der durch das Abstandselement gebildete Kühlkanal in nachteiliger Weise zusammengedrückt wird, indem die benachbarten Zelleinheiten sich ausdehnen, weist das Abstandselement Mittel auf, die die Dehnung der Zelleinheiten verhindern.
Diese herkömmlichen Batterievorrichtungen sind jedoch besonders aufwendig hinsichtlich deren Konstruktion und lassen eine Cell-to-Pack-Integration mit Sandwichaufbau nicht zu. Stattdessen ist bei diesen herkömmlichen Batterievorrichtungen zumindest eine Cell-to- Module-Anordnung erforderlich, und erst dann ist eine Module-to-Pack-Integration möglich.
Es ist die Aufgabe der Erfindung, Batteriezellen, die sich zwischen einem elektrisch geladenen Zustand und einem elektrisch entladenen Zustand hinsichtlich ihrer räumlichen Ausdehnung verändern, besonders vorteilhaft einzusetzen bzw. anzuordnen.
Diese Aufgabe wird durch die Gegenstände der unabhängigen Patentansprüche gelöst. Weitere mögliche Ausgestaltungen der Erfindung sind in den Unteransprüchen, der Beschreibung und den Figuren offenbart.
Erfindungsgemäß wird ein Batteriezellenpaket für eine Batterie, insbesondere Kraftfahrzeugbatterie, vorgeschlagen. In bestimmungsgemäßer Einbaulage des Batteriezellenpakets weist die Batterie bzw. Kraftfahrzeugbatterie das Batteriezellenpaket auf. Das Batteriezellenpaket weist eine Vielzahl von nebeneinander angeordneten Batteriezellen, insbesondere Sekundärbatteriezellen, auf. In einer Weiterbildung des Batteriezellenpakets ist vorgesehen, dass die jeweilige Batteriezelle als eine Festkörperbatteriezelle ausgebildet ist. Die jeweilige Batteriezelle weist also in diesem Fall ein Festkörperelektrolyt auf. Insbesondere ist die jeweilige Batteriezelle zudem frei von jeglicher Flüssigkeit. Derart ausgeführte Batteriezellen werden als ASSB-Zellen bezeichnet (ASSB: All-Solid-State-Battery - Festkörperbatterie). Festkörperbatteriezellen haben Vorteile hinsichtlich einer besonders hohen spezifischen Energiedichte und hinsichtlich verbesserter Betriebssicherheit. Jedenfalls weist das Batteriezellenpaket weiter eine Vielzahl von mit den Batteriezellen geometrisch korrespondierenden Rahmenelementen auf, wobei mittels zweier direkt zueinander benachbarter der Rahmenelemente eine Batteriezelle positionell fixiert ist. Hierzu sind die direkt zueinander benachbarten Rahmenelemente derart aneinander angeordnet, dass durch diese Rahmenelemente bzw. zwischen diesen Rahmenelementen ein Batteriezellraum gebildet ist. In diesem Batteriezellraum ist die Batteriezelle eingesetzt und dadurch positionell in/an den direkt zueinander benachbarten Rahmenelementen befestigt bzw. fixiert.
Zudem weist das Batteriezellenpaket generell je Batteriezelle wenigstens eine Zwischenschicht auf, die direkt zwischen der jeweiligen Batteriezelle und wenigstens einem der Rahmenelemente, mittels derer die entsprechende Batteriezelle positionell fixiert ist, angeordnet ist. Hierdurch ist die jeweilige Batteriezelle mittels der Zwischenschicht in dem Batteriezellraum gehalten. Anders ausgedrückt berührt die Batteriezelle mittels der Zwischenschicht eines der Rahmenelemente oder beide Rahmenelemente, die miteinander den Batteriezellraum bilden, in welchem die Batteriezelle bestimmungsgemäß eingesetzt ist.
Die Zwischenschicht ist bestimmungsgemäß zerstörungsfrei elastisch komprimierbar ausgebildet. Dementsprechend ist die Zwischenschicht bestimmungsgemäß durch die Batteriezelle zerstörungsfrei elastisch komprimierbar, indem die Batteriezelle, die in den Batteriezellraum eingesetzt ist und dadurch an die Zwischenschicht oder an die Zwischenschichten angrenzt, auf ein Schwellungsmaß anschwillt. Hierbei ist das Schwellungsmaß der entsprechenden Batteriezelle größer als ein Grundmaß der entsprechenden Batteriezelle. Das Anschwellen der Batteriezelle von dessen Grundmaß auf das Schwellungsmaß hängt beispielsweise mit einem aktuellen Ladezustand (SOC: state of charge) zusammen. So weist die Batteriezelle in einem entladenen Zustand (SOC = 0) das Grundmaß auf, wohingegen die Batteriezelle in geladenem Zustand (SOC > 0) das Schwellungsmaß aufweist. Weist die Batteriezelle das Schwellungsmaß auf, ist sie in wenigstens einer Raumrichtung größer, als wenn die Batteriezelle das Grundmaß aufweist. Vereinfacht ausgedrückt ist die Batteriezelle, wenn diese das Schwellungsmaß aufweist, breiter und/oder länger und/oder tiefer, als wenn die Batteriezelle das Grundmaß aufweist.
Bei dem Batteriezellenpaket bleiben also trotz des Anschwellens der entsprechenden Batteriezelle eine Größe des Batteriezellraums - insbesondere in den drei Raumrichtungen - und infolgedessen Außenabmessungen des Batteriezellenpakets konstant. Denn beim Anschwellen der entsprechenden Batteriezelle wird dessen Größenänderung innerhalb des Batteriezellraums durch die Zwischenschicht oder die Zwischenschichten aufgefangen bzw. ausgeglichen, indem die jeweilige Zwischenschicht durch das Anschwellen der entsprechenden Batteriezelle innerhalb des Batteriezellraums komprimiert wird. Das bedeutet, dass zum Beispiel eine Dicke der jeweiligen Zwischenschicht geändert wird, indem die anschwellende oder angeschwollene Batteriezelle eine Kompressionskraft auf die jeweilige Zwischenschicht ausübt. Durch diese Kompressionskraft wird die Zwischenschicht verformt, beispielsweise zusammengepresst. Dabei verbleiben die Rahmenelemente, die miteinander den Batteriezellraum bilden, relativ zueinander unbewegt, sodass das Anschwellen der Batteriezelle außenseitig des Batteriezellraums sich nicht in einer Größenänderung niederschlägt. Geometrie und Außenabmessungen der Rahmenelemente bleiben also außenseitig konstant, unabhängig davon, ob die Batteriezelle das Grundmaß oder das Schwellungsmaß aufweist. Abmessungen der Rahmenelemente, insbesondere Abmessungen des Batteriezellraums, ändern sich somit während einer Zyklisierung der Batteriezelle nicht.
Somit kann in vorteilhafter Weise ein Cell-to-Pack-Aufbau auf Systemebene dargestellt werden. Insbesondere ist es ermöglicht, das Batteriezellenpaket, das die Vielzahl der Batteriezellen aufweist, in Sandwichbauweise anzuordnen und insbesondere mit einem Gehäuse- und/oder Trägerelement stoffschlüssig zu verbinden, beispielsweise zu verkleben. Beispielsweise ist es so ermöglicht, das Batteriezellenpaket mit einer Gehäuseoberseite und mit einer Gehäuseunterseite eines Batteriegehäuses zu verkleben. Durch diese Sandwichbauweise kann das Batteriezellenpaket als ein tragendes Element für die Batterie und/oder für das die Batterie aufweisende Kraftfahrzeug fungieren. Beispielsweise wird eine Karosseriestruktur aufgrund der Sandwichbauweise des Batteriezellenpakets versteift. Kommt ein derartiges Batteriezellenpaket oder eine dieses Batteriezellenpaket aufweisende Batterie in dem Kraftfahrzeug zum Einsatz, führt dies zu einer besonders vorteilhaften NVH-Qualität (NVH: noise, vibrations, harshness), da das Batteriezellenpaket bzw. die Batterie besonders wenige, insbesondere keine, Bauelemente aufweist, die Störgeräusche erzeugen können. Durch die beschriebene Struktur des Batteriezellenpakets ist es des Weiteren möglich, das Batteriezellenpaket selbst als ein Trägerelement einzusetzen. Des Weiteren ist das Batteriezellenpaket in vorteilhafter Weise bei der Herstellung von Batterien bzw. Kraftfahrzeugen in bestehende Integrationsprozesse einbindbar, ohne dass diese Integrationsprozesse in großem Maße an das Batteriezellenpaket angepasst werden müssen.
Eine inhomogene Verteilung des auf die jeweilige Batteriezelle wirkenden Drucks begünstigt Dendritenwachstum im Inneren der Batteriezelle und letztlich eine Zerstörung der Batteriezelle. Mittels der Zwischenschicht, die insbesondere vollflächig auf/an der Batteriezelle angebracht ist, sodass eine gesamte Breitseite der Batteriezelle von der Zwischenschicht bedeckt ist, wird eine flächig möglichst gleichmäßige Druckverteilung auf die Zelle sichergestellt.
In weiterer Ausgestaltung des Batteriezellenpakets weist die jeweilige Zwischenschicht ein Material auf, dessen Querkontraktionszahl bzw. Poissonzahl (p) kleiner als 0,3 ist, das heißt p < 0,3, insbesondere p < 0,2, beispielsweise p = 0,1. Insbesondere ist die jeweilige Zwischenschicht aus einem solchen, diese niedrige Querkontraktionszahl p aufweisenden Material gebildet. Aufgrund dieser besonders kleinen Querkontraktionszahl p erfährt die Zwischenschicht beim Komprimieren entlang einer Kompressionsachse keinen oder einen lediglich geringen Zuwachs eines Maßes quer zu der Kompressionsachse. Dadurch ist sichergestellt, dass die Zwischenschicht beim Anschwellen der Batteriezelle nicht in unerwünschter Weise quer zu einer Anschwellungsrichtung der Batteriezelle gegen das Rahmenelement bzw. gegen die Rahmenelemente drückt. Dadurch ist das Batteriezellenpaket besonders formstabil, unabhängig davon, ob die jeweilige Batteriezelle das Grundmaß oder das Schwellungsmaß aufweist.
In einer Weiterbildung des Batteriezellenpakets ist vorgesehen, dass die jeweilige Zwischenschicht ein geschäumtes Material, insbesondere einen Polyurethanschaum, aufweist. Dabei kommt insbesondere ein offenzelliges geschäumtes Material, insbesondere ein offenzelliger Polyurethanschaum, zum Einsatz, sodass die Größenänderung durch das Anschwellen der Batteriezelle von deren Grundmaß auf deren Schwellungsmaß besonders effizient aufgenommen bzw. ausgeglichen werden kann.
Um eine besonders lange Lebensdauer und einen besonders zuverlässigen Betrieb des Batteriezellenpakets zu gewährleisten, ist gemäß einer Weiterbildung des Batteriezellenpakets vorgesehen, dass die Zwischenschichten jeweils so konfiguriert, das heißt ausgebildet und angeordnet sind, dass auf die jeweilige Batteriezelle ein Initialdruck wirkt, selbst wenn diese nicht angeschwollen ist, das heißt das Grundmaß aufweist. Dieser Initialdruck beträgt bis zu 10 bar, vorzugsweise bis zu 5 bar, insbesondere bis zu 1 bar.
Das Batteriezellenpaket weist gemäß einer weiteren Ausgestaltung zwei Druckplatten und zwei Spannelemente, insbesondere Spannbänder, auf. Dabei begrenzen die Druckplatten das Batteriezellenpaket entlang dessen Längserstreckungsrichtung und sind mittels der Spannelemente bzw. Spannbänder entlang der Längserstreckungsrichtung zueinander hingespannt. Hierzu sind die Spannelemente und die Druckplatten kraft-, form- und/oder stoffschlüssig miteinander verbunden. Beispielsweise sind die Spannelemente und die Druckplatten miteinander verschweißt, insbesondere laserverschweißt, geclincht, verschraubt, vernietet, verklebt etc. Dabei sind die Batteriezellen, die Rahmenelemente und die Zwischenschichten entlang der Längserstreckungsrichtung zwischen den Druckplatten angeordnet, sodass die Batteriezellen, die Rahmenelemente und die Zwischenschichten mittels der Druckplatten und mittels der Spannelemente aneinandergespannt sind. Hierzu sind die Spannelemente zwischen den Druckplatten auf Zug belastet, wenn die Batteriezellen, die Rahmenelemente und die Zwischenschichten bestimmungsgemäß zwischen den Druckplatten angeordnet sind.
Generell gilt für das Batteriezellenpaket, dass die Batteriezellen, die Rahmenelemente und die Zwischenschichten gemäß folgender Reihenfolge angeordnet sein können: Druckplatte (sofern vorhanden) - Zwischenschicht - Batteriezelle - Zwischenschicht - Rahmenelement - Zwischenschicht - Batteriezelle - Zwischenschicht - Rahmenelement usw. Hinsichtlich der Anordnung der Batteriezellen, der Rahmenelemente und der Zwischenschichten ist das Batteriezellenpaket insbesondere spiegelsymmetrisch ausgebildet, sodass an einem entsprechenden Ende des Batteriezellenpakets auf eine „letzte“ Batteriezelle eine „letzte“ Zwischenschicht danach die entsprechende Druckplatte folgt.
In Weiterbildung des Batteriezellenpakets ergeben sich weitere/andere Reihenfolgen für die Anordnung der Druckplatten, der Batteriezellen, der Rahmenelemente und der Zwischenschichten. Beispielsweise: Druckplatte (sofern vorhanden) - Zwischenschicht - Batteriezelle - Zwischenschicht - Batteriezelle - Zwischenschicht - Rahmenelement - Zwischenschicht - Batteriezelle - Zwischenschicht - Batteriezelle - Zwischenschicht - Rahmenelement usw. oder Druckplatte (sofern vorhanden) - Batteriezelle - Zwischenschicht - Batteriezelle - Rahmenelement - Batteriezelle - Zwischenschicht - Batteriezelle - Rahmenelement usw. Durch die Ausgestaltung des Batteriezellenpakets mit den Druckplatten und den Spannelementen ergibt sich eine besonders starke bzw. stabile Struktur des Batteriezellenpakets, sodass dieses, beispielsweise im Kraftfahrzeugbau, besonders ressourcen- und/oder bauraumeffizient als ein Tragelement des Kraftfahrzeugs oder für das Kraftfahrzeug dienen kann.
In weiterer Ausgestaltung des Batteriezellenpakets - beispielsweise, um die in vorteilhafterweise besonders stabile Struktur des Batteriezellenpakets noch weiter zu unterstützten
- ist vorgesehen, dass die Rahmenelemente mittels eines Verbindungselements aneinander befestigt sind. Bei dem Verbindungselement handelt es sich um ein Kraft-, Form- und/oder Stoffschlusselement, insbesondere um ein Klebeelement. Das bedeutet, dass die Rahmenelemente zum Beispiel miteinander verklebt sind. Generell kann das jeweilige Rahmenelement des Batteriezellenpakets aus einem Kunststoff hergestellt sein. In diesem Fall ist es dann denkbar, dass die Rahmenelemente mittels eines Kunststoffschweißens stoffschlüssig miteinander verbunden sind. Des Weiteren gilt generell für das jeweilige Rahmenelement, dass dieses eine Grundplatte und ein entlang einer Außenkante der Grundplatte angebrachtes Band aufweist. Dabei überragt das Band die Grundplatte beidseitig, sodass durch die Grundplatte und das Band zwei entgegengesetzte Schalen gebildet sind. Demnach weist das jeweilige Rahmenelement in Schnittansicht eine Doppel-T- Form auf. Das bedeutet, dass das jeweilige Rahmenelement einen Obergurt und einen Untergurt sowie einen den Obergurt und den Untergurt verbindenden Steg aufweist, wobei die Gurte durch das Band und der Steg durch die Grundplatte gebildet sind. Sind dann - wie bereits dargelegt - zwei der Rahmenelemente (ein links angeordnetes und ein rechts angeordnetes Rahmenelement) direkt zueinander benachbart, ist der Batteriezellraum innenseitig durch die beiden Stege und die jeweiligen Gurte begrenzt, wobei eine linksseitige Schale des rechten Rahmenelements und eine rechtsseitige Schale des linken Rahmenelements miteinander den Batteriezellraum bilden. Im Fall der kraft-, form- und/oder stoffschlüssigen Verbindung der Rahmenelemente miteinander kann vorgesehen sein, dass die Rahmenelemente am jeweiligen Obergurt und am jeweiligen Untergurt
- das heißt über das jeweilige Band - miteinander verbunden sind.
In Weiterbildung des Batteriezellenpakets weist dieses ein weiteres Verbindungselement auf, mittels dessen die Rahmenelemente an den Spannelementen befestigt sind. Das weitere Verbindungselement kann gleich oder ähnlich zu dem zuvor dargelegten (ersten) Verbindungselement ausgebildet sein. Ferner kann vorgesehen sein, dass das erste Verbindungselement und/oder das weitere bzw. zweite Verbindungselement eine Doppelfunktionalität aufweist, nämlich - erstens - zum gegenseitigen Verbinden der Rahmenelemente eingesetzt wird und - zweitens - zum Verbinden der Rahmenelemente mit den Spannelementen eingesetzt wird. Insoweit kann vorgesehen sein, dass das Batteriezellenpaket lediglich ein einziges Verbindungselement aufweist, nämlich entweder das erste Verbindungselement oder das zweite Verbindungselement.
Indem die Rahmenelemente mittels des ersten und/oder des zweiten Verbindungselements an den Spannelementen befestigt sind, ist die in vorteilhafter Weise besonders starke bzw. stabile Struktur des Batteriezellenpakets nochmals unterstützt.
Zudem betrifft die Erfindung eine Batterie, insbesondere für ein Kraftfahrzeug, die ein gemäß der vorstehenden Beschreibung ausgebildetes Batteriezellenpaket aufweist. Die Batterie, insbesondere Sekundärbatterie, kann als Hochvoltspeicher bezeichnet werden. Beispielsweise kann die Batterie, die das Batteriezellenpaket oder mehrere Batteriezellenpakete aufweist, als eine Traktionsbatterie für das Kraftfahrzeug dienen, wobei dann das Kraftfahrzeug zumindest teilweise elektrisch antreibbar bzw. fortbewegbar ausgebildet ist. Insoweit handelt es sich bei dem Kraftfahrzeug zum Beispiel um ein Hybrid-Kraftfahrzeug, um ein Elektro-Kraftfahrzeug etc. Das Kraftfahrzeug ist insbesondere als ein Personenkraftwagen und/oder Lastkraftwagen ausgebildet. Hierdurch ist ein Einsatz der Batterie bzw. des Batteriezellenpakets für andere Anwendungen (Marinebereich, Luftfahrtbereich etc.) jedoch nicht ausgeschlossen.
Merkmale, Vorteile und vorteilhafte Ausgestaltungen des erfindungsgemäßen Batteriezellenpakets sind als Merkmale, Vorteile und vorteilhafte Ausgestaltungen der erfindungsgemäßen Batterie anzusehen und umgekehrt.
Einer Weiterbildung der Batterie zufolge weist diese ein Batteriegehäuse auf, das durch ein Gehäuseunterteil und zumindest ein Gehäuseoberteil gebildet ist. Dabei sind das Batteriezellenpaket oder die Batteriezellenpakete und das Gehäuseunterteil mittels einer ersten Klebeeinrichtung miteinander verklebt, wobei das Batteriezellenpaket und das Gehäuseoberteil mittels einer zweiten Klebeeinrichtung miteinander verklebt sind. Insbesondere ist dabei vorgesehen, dass das Batteriezellenpaket das Gehäuseunterteil bzw. das Gehäuseoberteil mittels der Spannelemente bzw. Spannbänder miteinander verklebt sind. Das bedeutet, dass die Klebeeinrichtung einerseits direkt das Gehäuseunterteil bzw. Gehäuseoberteil und andererseits das entsprechende Spannband berührt. Mit wieder anderen Worten sind das Gehäuseunterteil und das Batteriezellenpaket sowie das Gehäuseoberteil und das Batteriezellenpaket stoffschlüssig miteinander verbunden, indem zwischen einem oberen der Spannelemente und dem Gehäuseoberteil und zwischen einem unteren der Spannelemente und dem Gehäuseunterteil die Klebeeinrichtung angeordnet ist.
Die Erfindung betrifft des Weiteren ein Kraftfahrzeug, das wenigstens eine gemäß der vorstehenden Beschreibung ausgebildete Batterie aufweist. Merkmale, Vorteile und vorteilhafte Ausgestaltungen der erfindungsgemäßen Batterie sind als Merkmale, Vorteile und vorteilhafte Ausgestaltungen des erfindungsgemäßen Kraftfahrzeugs anzusehen und umgekehrt.
Weitere Merkmale der Erfindung können sich aus den Ansprüchen, den Figuren und der Figurenbeschreibung ergeben. Die vorstehend in der Beschreibung genannten Merkmale und Merkmalskombinationen sowie die nachfolgend in der Figurenbeschreibung und/oder in den Figuren allein 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.
Die Zeichnung zeigt in:
Fig. 1 eine perspektivische Ansicht eines Batteriezellenpakets;
Fig. 2 eine entlang einer Schnittebene ll-ll (siehe Fig. 1) geschnittene Explosionsdarstellung des Batteriezellenpakets;
Fig. 3 eine entlang der Schnittebene ll-ll geschnittene Ansicht des Batteriezellenpakets in zusammengesetztem Zustand; und
Fig. 4 eine Draufsicht auf eine zwei Batteriezellenpakete aufweisende Batterie.
In den Figuren sind gleiche und funktionsgleiche Elemente mit den gleichen Bezugszeichen versehen. Im Folgenden werden ein Batteriezellenpaket 1, eine das Batteriezellenpaket 1 aufweisende Batterie 2 sowie ein Kraftfahrzeug (nicht dargestellt) in gemeinsamer Beschreibung dargelegt. Hierzu zeigt Fig. 1 eine perspektivische Ansicht des Batteriezellenpakets 1, das eine Vielzahl von nebeneinander angeordneten Batteriezellen 3 aufweist. Von den Batteriezellen 3 sind in der Fig. 1 lediglich einige wenige mit dem entsprechenden Bezugszeichen versehen. Im vorliegenden Bespiel ist die jeweilige Batteriezelle 3 als eine jeweilige Festkörperbatteriezelle ausgebildet. Hierunter fällt die jeweilige Batteriezelle 3, wenn sie lediglich ein Festkörperelektrolyt und keinen flüssigen Bestandteil aufweist - die Erfindung ist aber nicht auf von Flüssigkeiten freie Batteriezellen beschränkt. Vielmehr sind durch den Begriff „Batteriezelle“ hierin alle Formen von Pouchzellen umfasst, die sich im Betrieb ausdehnen. Demnach handelt es sich bei der jeweiligen Batteriezelle 3 bzw. Festkörperbatteriezelle um eine sogenannte ASSB-Zelle.
Es ist in Fig. 1 des Weiteren zu erkennen, dass das Batteriezellenpaket 1 im vorliegenden Beispiel zwei Druckplatten 4, 5 und zwei Spannelemente 6, 7 aufweist. Durch die Druckplatten 4, 5 ist das Batteriezellenpaket 1 entlang einer Längserstreckungsrichtung 8 jeweils seitlich begrenzt. Dabei erstrecken sich die Spannelemente 6, 7, die vorliegend als ein jeweiliges Spannband ausgebildet sind, vollständig entlang der Längserstreckungsrichtung 8 des Batteriezellenpakets 1 und sind kraft-, form- und/oder stoffschlüssig mit den Druckplatten 4, 5 verbunden. Im vorliegenden Beispiel sind die Spannelemente 6, 7 bzw. Spannbänder und die Druckplatten 4, 5 miteinander vernietet. In Fig. 1 sind entsprechende Nietstellen 9 erkennbar, von denen aus Übersichtlichkeitsgründen nur einige wenige mit dem entsprechenden Bezugszeichen versehen sind.
Fig. 2 zeigt eine entlang einer Schnittebene ll-ll (siehe Fig. 1) geschnittene Explosionsdarstellung des Batteriezellenpakets 1. Das Batteriezellenpaket 1 weist eine Vielzahl von mit den Batteriezellen 3 geometrisch korrespondierenden Rahmenelementen 10 auf, wobei mittels zweier direkt zueinander benachbarter der Rahmenelemente 10 eine Batteriezelle 3 positionell fixiert ist, indem die entsprechende Batteriezelle 3 in eine durch die zwei direkt zueinander benachbarten Rahmenelemente 10 gebildeten Batteriezellraum 11 eingesetzt ist. Vorliegend weist das jeweilige Rahmenelement 10 eine Doppelschalenform mit zwei einander entgegengesetzten bzw. voneinander weg weisenden Schalen und infolgedessen in der Schnittansicht eine Querschnittsfigur in der Form eines Doppel-T-Trägers auf. Des Weiteren ist vorliegend die jeweilige Batteriezelle 3 gemäß einem flachen Quader ausgebildet, wobei jeweilige Schmalseiten 12 der Batteriezelle 3 parallel zu der Längserstreckungsrichtung 8 angeordnet sind, und jeweilige Breitseiten 13 der Batteriezelle 3 senkrecht zur Längserstreckungsrichtung 8 angeordnet sind. Ein jeweiliger Obergurt 14 und ein jeweiliger Untergurt 15 des jeweiligen Rahmenelements 10 grenzen in zusammengesetztem Zustand (siehe Fig. 3) direkt aneinander an, wobei die jeweilige Batteriezelle 3 parallel zu einem jeweiligen Steg 16 des jeweiligen Rahmenelements 10 angeordnet ist. Dabei ist die jeweilige Batteriezelle 3 zwischen den Stegen 16 der Rahmenelemente 10 angeordnet.
Je Batteriezelle 3 weist das Batteriezellenpaket 1 wenigstens eine Zwischenschicht 17, vorliegend zwei Zwischenschichten 17, auf, die direkt zwischen der jeweiligen Batteriezelle 3 und den Rahmenelementen 10 angeordnet sind, sodass die jeweilige Batteriezelle 3 mittels der Zwischenschichten 17 in dem Batteriezellraum 11 gehalten ist. Bei dem Batteriezellenpaket 1 kann vorgesehen sein, dass dieses durch ein Rahmenelement 10, durch eine Zwischenschicht 17 oder durch eine Batteriezelle 3 endet. Wie bereits dargelegt ist, endet das Batteriezellenpaket 1 im vorliegenden Beispiel seitlich mittels der Druckplatten 4, 5, sodass das Batteriezellenpaket 1 im vorliegenden Beispiel zwei Batteriezellen 3 aufweist, die lediglich auf einer Seite über eine Zwischenschicht 17 an eines der Rahmenelemente 10 angrenzen. In diesem Fall grenzen diese „letzten“ Batteriezellen 3 auf der entsprechend anderen Seite an die jeweilige Druckplatte 4, 5 an. Das bedeutet, dass im vorliegenden Beispiel zwei Batteriezellräume 11 geschaffen sind, die zum einen durch ein Rahmenelement 10 und zum anderen durch die entsprechende Druckplatte 4, 5 gebildet sind. Insoweit kann vorgesehen sein, dass die jeweilige „letzte“ Batteriezelle 3 zumindest teilweise durch die jeweilige Druckplatte 4, 5 umfasst ist.
Die jeweilige Batteriezelle 3 weist ein Grundmaß, das heißt eine Grundbreite, eine Grundlänge und eine Grundtiefe auf, wobei die Batteriezelle 3 zum einen über ihre Lebensdauer und zum anderen unter einem elektrischen Laden auf ein Schwellungsmaß anschwillt. Für eine neue bzw. frische Batteriezelle 3 gilt also, dass diese in ungeladenem Zustand (SOC = 0) das Grundmaß, das heißt dem Grundmaß entsprechende Außenabmessungen, aufweist. Wird die Batteriezelle 3 elektrisch geladen, schwillt die Batteriezelle 3 hinsichtlich Breite und/oder Länge und/oder Tiefe an. Des Weiteren vergrößert sich die Breite und/oder die Länge und/oder die Tiefe der Batteriezelle während eines Alterns der Batteriezelle 3. Um aber unabhängig vom Ladezustand der Batteriezellen 3 des Batteriezellenpakets 1 sowie unabhängig von einem jeweiligen Alter der Batteriezellen 3 des Batteriezellenpakets 1 eine konstante bzw. gleichbleibende Länge 18 des Batteriezellenpakets 1 zu gewährleisten, ist die jeweilige Zwischenschicht 17 bestimmungsgemäß zerstörungsfrei elastisch komprimierbar ausgebildet. Hierbei weist die jeweilige Zwischenschicht 17 ein Material auf, dessen Querkontraktionszahl p kleiner als 0,3 ist, das heißt p < 0,3, insbesondere p < 0,2, beispielsweise p = 0,1. Mit anderen Worten ist die jeweilige Zwischenschicht 17 durch das Material, das die besonders niedrige Querkontraktionszahl p aufweist, zumindest teilweise gebildet. Vorliegend weist die jeweilige Zwischenschicht ein geschäumtes Material, insbesondere einen Polyurethanschaum, auf. Das bedeutet, dass die jeweilige Zwischenschicht 17 zumindest teilweise aus dem geschäumten Material, zum Beispiel dem Polyurethanschaum, gebildet ist.
Durch ein Anschwellen der jeweiligen Batteriezelle 3 auf deren Schwellungsmaß wird also die Zwischenschicht 17 bestimmungsgemäß und zerstörungsfrei elastisch komprimiert, sodass trotz des Anschwellens der entsprechenden Batteriezelle 3 eine Größe des Batteriezellraums 11 und infolgedessen Außenabmessungen, insbesondere die Länge 18, des Batteriezellenpakets 1 konstant bleibt.
Fig. 3 zeigt eine entlang der Schnittebene ll-ll geschnittene Ansicht des Batteriezellenpakets 1 in zusammengesetztem Zustand. Wie bereits in Fig. 2 durch das Auslassungszeichen 19 angedeutet ist, kann das Batteriezellenpaket 1 entlang dessen Längserstre- ckungsrichtung 8 mit beliebig vielen Einheiten 20 hergestellt werden, wobei die jeweilige Einheit 20 zumindest eine Batteriezelle 3 und eine Zwischenschicht 17 sowie insbesondere eine weitere Zwischenschicht 17 aufweist. Dabei berühren sich zwei entlang der Längserstreckungsrichtung 8 aufeinanderfolgende Einheiten 20 jeweils mittels eines Rahmenelements 10. Es ergibt sich also entlang der Längserstreckungsrichtung 8 bei dem Batteriezellenpaket 1 folgende Anordnung: Druckplatte 4 - Einheit 20 - Rahmenelement 10 - Einheit 20 - Rahmenelement 10 usw. Nach einem „letzten“ Rahmenelement 10 folgt eine „letzte“ Einheit 20 und hiernach die Druckplatte 5. Entlang der Längserstreckungsrichtung 8 sind zwischen den Druckplatten 4, 5 die Batteriezellen 3, die Rahmenelemente 10 und die Zwischenschichten 17 aneinandergespannt. Mit anderen Worten sind entlang der Längserstreckungsrichtung 8 zwischen den Druckplatten 4, 5 die Einheiten 20 aneinandergespannt. Hierzu sind die Spannelemente 6, 7 bzw. die Spannbänder und die Druckplatten 4, 5 an den Nietstellen 9 miteinander vernietet und/oder anderweitig kraft-, form- und/oder stoffschlüssig miteinander verbunden. Dabei sind die Spannelemente 6, 7 auf Zug belastet, sodass zumindest die Rahmenelemente 10 am jeweiligen Obergurt 14 und/oder am jeweiligen Untergurt 15 aneinandergespannt sind. Alternativ oder zusätzlich sind jeweils zwei entlang der Längserstreckungsrichtung 8 direkt zueinander benachbarte Rahmenelemente 10 mittels eines ersten Verbindungselements 21 kraft-, form- und/oder stoffschlüssig miteinander verbunden. Da das jeweilige Rahmenelement 10 im vorliegenden Beispiel aus einem Kunststoff hergestellt ist, kann das erste Verbindungselement 21 als eine Kunststoffschweißung ausgebildet sein. Ferner kann das erste Verbindungselement 21 als eine Klebestelle ausgebildet sein. Insbesondere sind die beiden direkt zueinander benachbarten Rahmenelemente 10 über deren jeweiligen Obergurt 14 und/oder über deren jeweiligen Untergurt 15 aneinander befestigt bzw. fixiert.
Wie in Fig. 2 und Fig. 3 zu erkennen ist, ist im vorliegenden Beispiel des Weiteren vorgesehen, dass die Rahmenelemente 10 mittels eines zweiten Verbindungselements 22 an den Spannelementen 6, 7 befestigt sind. Bei dem zweiten Verbindungselement 22 handelt es sich zum Beispiel um ein Klebeelement bzw. um eine Klebeschicht, die zwischen den Gurten 14, 15 und den Spannelementen bzw. -bändern 6, 7 angeordnet ist. Mittels des ersten Verbindungselements 21 oder mittels des zweiten Verbindungselements 22 können sowohl die jeweilige Verbindung zwischen den beiden direkt zueinander benachbarten Rahmenelementen 10 als auch die Verbindung zwischen den Rahmenelementen 10 und den Spannelementen 6, 7 realisiert sein. Das bedeutet, dass das Batteriezellenpaket 1 lediglich das erste Verbindungselement 21 oder lediglich das zweite Verbindungselement 22 aufweisen kann, wobei das entsprechende Verbindungselement 21, 22 dann eine Doppelfunktionalität innehat.
Die jeweilige Zwischenschicht 17 ist so konfiguriert, dass auf die jeweilige Batteriezelle 3 ein Initialdruck von bis zu 10 bar, vorzugsweise bis zu 5 bar, insbesondere bis zu 1 bar, wirkt, wenn diese nicht angeschwollen ist. Hierdurch wird ein zuverlässiger Betrieb der Batteriezelle 3 gewährleistet.
Schwillt also die jeweilige Batteriezelle 3 von deren Grundmaß auf deren Schwellungsmaß an, wird wenigstens eine der gemeinsam mit der Batteriezelle 3 in dem Batteriezellraum 11 angeordnete Zwischenschicht 17, insbesondere beide Zwischenschichten 17, durch die sich ausdehnende Batteriezelle 3 komprimiert, wobei eine Geometrie und Abmessungen des Batteriezellraums 11 nicht beeinflusst werden. Insbesondere wird die jeweilige Zwischenschicht 17 um ein Maß komprimiert, um das die Batteriezelle 3 beim Anschwellen vergrößert wird. So wird in vorteilhafter weise das Anschwellen bzw. eine Maßzunahme der Batteriezelle 3 aufgefangen bzw. ausgeglichen.
Fig. 4 zeigt eine Draufsicht auf die Batterie 2, die vorliegend zwei Batteriezellenpakete 1 aufweist. Die Batterie 2 ist insbesondere für ein zumindest teilweise elektrisch antreibbares Kraftfahrzeug, das heißt für ein Hybrid-Kraftfahrzeug, für ein Elektro-Kraftfahrzeug etc., ausgebildet und kann als eine Traktionsbatterie für das Kraftfahrzeug fungieren. Die Batterie 2 kann als Hochvoltspeicher bezeichnet werden. Gemäß Fig. 4 weist die Batterie 2 ein Batteriegehäuse 23 auf, das aus einem Gehäuseunterteil 24 und zumindest einem Gehäuseoberteil 25 ausgebildet ist. Das jeweilige Batteriezellenpaket 1 ist dabei stoffschlüssig sowohl an dem Gehäuseunterteil 24 als auch an dem Gehäuseoberteil 25 gehalten. Das bedeutet, dass das jeweilige Batteriezellenpaket 1 stoffschlüssig sowohl mit dem Gehäuseunterteil 24 als auch mit dem Gehäuseoberteil 25 verbunden ist. Im vorliegenden Beispiel ist das jeweilige Batteriezellenpaket 1 mittels Klebeeinrichtungen 26, 27 mit den Gehäuseteilen 24, 25 verklebt. Die Gehäuseteile 24, 25 und die Klebeeinrichtungen 26, 27 sind in Fig. 2 und in Fig. 3 dargestellt. In Fig. 2 und in Fig. 3 ist des Weiteren zu erkennen, dass im vorliegenden Beispiel das Batteriezellenpaket 1 über dessen Spannbänder bzw. Spannelemente 6, 7 mit dem Gehäuseunterteil 24 bzw. dem Gehäuseoberteil 25 verklebt sind. Insoweit befindet sich die Klebeeinrichtung 26 zwischen dem Gehäuseoberteil 25 und dem Spannelement 6 des Batteriezellenpakets 1. Dahingegen befindet sich die Klebeeinrichtung 27 zwischen dem Spannelement 7 und dem Gehäuseunterteil 24.
Es ist ferner denkbar, dass die Batterie 2 kein separat ausgebildetes Batteriegehäuse 23 aufweist. In diesem Fall fungieren die Druckplatten 4, 5 und die Spannelemente 6, 7 als Außenoberfläche der Batterie 2, sozusagen als Gehäuse für die Batterie 2. Durch die besonders stabile Struktur des Batteriezellenpakets 1 kann auf das separat ausgebildete Batteriegehäuse 23 verzichtet werden, wodurch ein Massevorteil erzielt wird.
Insgesamt zeigt die Erfindung Möglichkeiten auf, die Batteriezellen 3, die sich zwischen einem elektrisch geladenen Zustand und einem elektrisch entladenen Zustand hinsichtlich ihrer räumlichen Ausdehnung verändern, besonders vorteilhaft einzusetzen bzw. anzuordnen. Der Einsatz bzw. die Anordnung der Batteriezellen 3 ist insbesondere hinsichtlich eines nunmehr möglichen Cell-to-Pack-Aufbaus auf Systemebene vorteilhaft. Auf herkömmliche Prozessschritte, mittels derer herkömmliche Batteriezellen zunächst gemäß Cell-to- Module angeordnet werden, um die so entstandenen Module dann gemäß Module-to- Pack zu einem Batteriemodulpaket anzuordnen, kann verzichtet werden, was ökonomisch und ökologisch günstig ist. Durch die Druckplatten 4, 5 und die Spannelemente 6, 7 ergibt sich des Weiteren für das Batteriezellenpaket 1 , dass dieses eine besonders starke bzw. stabile Struktur aufweist, sodass das Batteriezellenpaket 1 sogar als eine Tragstruktur dienen kann.
Bezugszeichenliste
1 Batteriezellenpaket
2 Batterie
3 Batteriezelle
4 Druckplatte
5 Druckplatte
6 Spannelement
7 Spannelement
8 Längserstreckungsrichtung
9 Nietstelle
10 Rahmenelement
11 Batteriezellraum
12 Schmalseite
13 Breitseite
14 Obergurt
15 Untergurt
16 Steg
17 Zwischenschicht
18 Länge
19 Auslassungszeichen
20 Einheit
21 erstes Verbindungselement
22 zweites Verbindungselement
23 Batteriegehäuse
24 Gehäuseunterteil
25 Gehäuseoberteil
26 Klebeeinrichtung
27 Klebeeinrichtung

Claims

Patentansprüche
1. Batteriezellenpaket (1), aufweisend:
- eine Vielzahl von nebeneinander angeordneten Batteriezellen (3);
- eine Vielzahl von mit den Batteriezellen (3) geometrisch korrespondierenden Rahmenelementen (10), wobei mittels zweier direkt zueinander benachbarter der Rahmenelemente (10) eine Batteriezelle (3) positionell fixiert ist, indem die entsprechende Batteriezelle (3) in einen durch die zwei direkt zueinander benachbarten Rahmenelemente (10) gebildeten Batteriezellraum (11) eingesetzt ist;
- je Batteriezelle (3) eine Zwischenschicht (17), die direkt zwischen der jeweiligen Batteriezelle (3) und den Rahmenelementen (10) angeordnet ist, sodass die jeweilige Batteriezelle (3) mittels der Zwischenschicht (17) in dem Batteriezellraum (11) gehalten ist; wobei die Zwischenschicht (17) bestimmungsgemäß durch ein Anschwellen der direkt angrenzenden Batteriezelle (3) auf ein Schwellungsmaß zerstörungsfrei elastisch komprimierbar ist, wodurch trotz des Anschwellens der entsprechenden Batteriezelle (3) eine Größe des Batteriezellraums (11) und infolgedessen Außenabmessungen (18) des Batteriezellenpakets (1) konstant bleibt.
2. Batteriezellenpaket (1) nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die jeweilige Batteriezelle (3) als eine Festkörperbatteriezelle ausgebildet ist.
3. Batteriezellenpaket (1) nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die jeweilige Zwischenschicht (17) ein Material aufweist, dessen Querkontraktionszahl (p) kleiner als 0,3 ist.
4. Batteriezellenpaket (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die jeweilige Zwischenschicht (17) ein geschäumtes Material aufweist. Batteriezellenpaket (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Zwischenschichten (17) jeweils so konfiguriert sind, dass auf die jeweilige Batteriezelle (3) ein Initialdruck von bis zu 10 bar, vorzugsweise bis zu 5 bar, insbesondere bis zu 1 bar, wirkt, wenn diese nicht angeschwollen ist. Batteriezellenpaket (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, gekennzeichnet durch zwei Druckplatten (4, 5) und zwei Spannelemente (6, 7), wobei die Druckplatten (4, 5) das Batteriezellenpaket (1) entlang dessen Längserstreckungsrichtung (8) begrenzen und mittels der Spannelemente (6, 7) entlang der Längserstreckungsrichtung (8) zueinander hin gespannt sind, sodass die entlang der Längserstreckungsrichtung (8) zwischen den Druckplatten (4, 5) angeordneten Batteriezellen (3), Rahmenelemente (10) und Zwischenschichten (17) aneinandergespannt sind. Batteriezellenpaket (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Rahmenelemente (10) mittels eines Verbindungselements (21) aneinander befestigt sind. Batteriezellenpaket (1) nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass die Rahmenelemente (10) mittels eines weiteren Verbindungselements (22) an den Spannelementen (6, 7) befestigt sind. Batterie (2), die ein nach einem der vorhergehenden Ansprüche ausgebildetes Batteriezellenpaket (1) aufweist. Batterie (2) nach Anspruch 9, gekennzeichnet durch ein Batteriegehäuse (23), das ein Gehäuseunterteil (24) und ein Gehäuseoberteil (25) aufweist, wobei das Batteriezellenpaket (1) und das Gehäuseunterteil (24) mittels einer Klebeeinrichtung (27) miteinander verklebt sind, und wobei das Batteriezellenpaket (1) und das Gehäuseoberteil (25) mittels einer weiteren Klebeeinrichtung (26) miteinander verklebt sind.
EP22761458.3A 2021-08-26 2022-08-02 Batteriezellenpaket für eine batterie und batterie Pending EP4393028A1 (de)

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