EP4602676A1 - Einlageelement für ein batteriemodul sowie batteriemodul - Google Patents

Einlageelement für ein batteriemodul sowie batteriemodul

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EP4602676A1
EP4602676A1 EP23789569.3A EP23789569A EP4602676A1 EP 4602676 A1 EP4602676 A1 EP 4602676A1 EP 23789569 A EP23789569 A EP 23789569A EP 4602676 A1 EP4602676 A1 EP 4602676A1
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EP
European Patent Office
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cover plates
elements
compression
insert element
element according
Prior art date
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Pending
Application number
EP23789569.3A
Other languages
English (en)
French (fr)
Inventor
Stefan Reichle
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.)
Parker Hannifin EMEA SARL
Original Assignee
Parker Hannifin EMEA SARL
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Filing date
Publication date
Application filed by Parker Hannifin EMEA SARL filed Critical Parker Hannifin EMEA SARL
Publication of EP4602676A1 publication Critical patent/EP4602676A1/de
Pending legal-status Critical Current

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    • 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

Definitions

  • the present invention relates to an insert element for insertion between two adjacent battery cells of a battery module and a corresponding battery module.
  • Solid state battery cells change their volume/breathing depending on the charging level. Therefore, solid state battery cells are housed in so-called pouch cells (housings with a flexible structure). To avoid cracks in the battery's solid electrolyte due to volume changes, solid state batteries must be kept under constant load. Non-solid state battery cells can also expand due to temperature fluctuations or damage within the cell. For this reason, swelling pads in the form of deformable cushions are placed between the battery cells of a battery stack to compensate for volume changes and create a defined load on the battery cells. [0003] Such a swelling cushion is known, for example, from US 2022/0037714 A1.
  • This describes a battery module that has a cell stack with a plurality of battery cells and at least one pad arranged between adjacent battery cells.
  • the pad has a pair of swelling absorption pads that are compressed accordingly when the battery cell expands in volume.
  • a heat protection pad is arranged between the pair of swelling absorption pads, which blocks the heat transfer between the adjacent battery cells and is configured to expand at a preset reference temperature or above.
  • the present invention is based on the object of improving the known solutions of swelling pads or comparable means for insertion between adjacent battery cells of a battery module, in particular with regard to the flexibility of their use and their design, for example to enable adjustment of the desired load profile when expanding the adjacent battery cells and thus to better protect the battery cell from damage.
  • a battery module comprising a cell stack with a plurality of battery cells; at least one An insert element according to any preceding claim, arranged between adjacent battery cells; and a module housing in which the cell stack is arranged.
  • the known swelling cushions are usually made of foam-like materials, whereby their behavior depends mainly on the properties of the foam structure and the base material or is limited by them. There is usually no possibility of improving or changing the properties of swelling cushions through structural adjustments.
  • the insert element according to the invention which could also be referred to as an insert plate, swelling plate or swelling cushion, has a sandwich of two cover plates (e.g. made of metal or plastic) for constant load distribution and compression elements (e.g. as elastomer structures) in between in an intermediate layer for load distribution.
  • the compression elements have predetermined bending points at which the compression elements begin to buckle when the respective insert element is loaded and thus change their shape. The predetermined bending points therefore change their position when loaded and move in a direction transverse to the connection between the cover plates. Above all, the position, number, location and design of the predetermined bending points result in a wide range of possibilities for adapting the behavior of the insert element to the requirements of the application or the customer.
  • the insert elements with the sandwich solution according to the invention gain additional degrees of freedom in the design and adaptation of the properties depending on the application requirements.
  • the structure, number, arrangement and material of the compression elements can be varied and adapted in order to set the desired behavior.
  • additional properties can be added by coating, e.g. the cover plates, or other methods in order to improve, for example, the thermal conductivity, the flammability risk or the EMI shielding.
  • the compression elements each have an even number of predetermined bending points, two of which are located opposite each other in a direction transverse to the connecting line between the cover plates.
  • the predetermined bending points can be designed and arranged differently depending on the application of the insert element.
  • a predetermined bending point is formed by a notch on a surface and/or by local material slimming and/or by forming an angle of less than 180° between the adjacent areas of the respective compression element on both sides of the predetermined bending point.
  • Such predetermined bending points are easy to produce and effectively bring about the desired bending of the compression elements.
  • the cover plates are preferably arranged parallel to one another and the predetermined bending points are preferably arranged in a plane parallel to the cover plates, in particular they are located in a plane arranged centrally between the cover plates.
  • the predetermined bending points can also be arranged in a different plane or in several planes, for example if each bending element has more than two predetermined bending points.
  • the preferably symmetrical arrangement makes it easier to predetermine the load distribution during operation.
  • the compression elements can be arranged separately from one another or connected to one another. Both designs have advantages. Separate compression elements enable simple production (e.g. as a continuous extrusion) and do not interact (or only slightly) with the neighboring element or enable a deliberately delayed interaction/support. This represents an additional degree of freedom in the design and enables a simpler design of the course of the force-displacement curve, which represents the force on the compression element over the reduction in the thickness of the compression element. Connected compression elements enable simpler assembly, since the elements can be manufactured and assembled in one piece. Furthermore, individual elements do not have to be used up separately (e.g. glued on) and aligned. Interaction with the secondary elements can also be used specifically to adjust the course of the force-displacement curve. [0013] In principle, different compression elements can be used. Preferably, however, the compression elements are identically designed and/or aligned identically. This enables, in particular, simple and cost-effective production of the insert element.
  • the compression elements have several continuous bores in the longitudinal direction, so that one compression element has several sub-elements. This offers more options for setting the desired load distribution through the design and arrangement of the compression elements.
  • the compression elements can, for example, each have a central hose- or tube-shaped central element and two or more side elements adjoining it at the sides, whereby the side elements can be connected to the central element or can come into contact with the central element and/or an adjacent compression element when the intermediate layer is compressed.
  • This can, for example, limit the expansion of a compression element when the distance between the cover plates is reduced and support can be provided for adjacent compression elements.
  • the load distribution can thus move into a saturated area from a certain load, e.g. as a type of stop or if a change in the course of the force-displacement curve is desired or required from a certain compression.
  • the side elements can be designed as rod-shaped or hose-shaped or tubular connecting elements between the cover plates and the central element can be hose-shaped or tubular.
  • Such a design has advantages in production, for example, since these structures can be manufactured in a continuous process (e.g. with an extruder) and the parts do not have to be manufactured in a tool with individual cavities. Both processes are possible, with the extrusion process having cost advantages.
  • the predetermined bending points are each on the surface of the connecting elements oriented towards the central element and/or on the outer surface of the central element facing the connecting elements. In an alternative embodiment, the predetermined bending points are each arranged on the surface of the connecting elements facing away from the central element and/or on the inner surface of the central element facing away from the connecting elements. In a further embodiment, predetermined bending points can also be provided at both points. With these embodiments, it is possible to set whether the compression element bends inwards or outwards, and thus becomes wider or narrower in the direction parallel to the cover plates. Depending on the distance between the individual elements, the buckling of the structures can only be limited by buckling inwards, as the next element may be too far away. The rigidity can also vary inwards or outwards depending on the shape of the buckling structure.
  • the predetermined bending points can be arranged and designed to move away from the center of the respective compression element or towards the center of the respective compression element upon compression of the intermediate layer by reducing the distance between the cover plates.
  • the compression elements can have different shapes.
  • the compression elements have a round, oval or polygonal, in particular rectangular or honeycomb-shaped, cross-section.
  • each structure has a different force-displacement characteristic and can therefore be more or less suitable for the respective application.
  • the compression elements are flattened towards the cover plates and can lie flat against the cover plates. This prevents the compression elements from moving relative to the cover plates and slipping out of their initial position as the load increases.
  • the compression elements are preferably made of plastic and/or rubber to ensure a certain elasticity
  • the cover plates are preferably made of plastic Fabric and/or metal to ensure a certain strength. Other materials that ensure the desired function can also be used.
  • the cover plates are preferably rectangular in shape and the compression elements are preferably longitudinally shaped and arranged transversely to the longitudinal direction or in the longitudinal direction of the cover plates. This facilitates manufacture and assembly.
  • Fig. 1 shows a perspective view of a first embodiment of an insert element according to the invention.
  • Fig. 2 shows a plan view of an embodiment of a battery module according to the invention.
  • Fig. 3 shows a diagram with the course of the surface pressure over the thickness of the insert element for different foldings of intermediate layers.
  • Fig. 4 shows a first embodiment of a compression element in cross section.
  • Fig. 5 shows a second embodiment of a compression element in cross section.
  • Fig. 6 shows a third embodiment of a compression element in cross section.
  • Fig. 7 shows a fourth embodiment of a compression element in cross section.
  • Fig. 8 shows the compression element shown in Fig. 6 in a slightly compressed state as well as the course of the force on the compression element over the thickness.
  • Fig. 9 shows the compression element shown in Fig. 6 in a strongly compressed state as well as the course of the force on the compression element over the thickness.
  • Fig. 1 shows a perspective view of a first embodiment of an insert element 1 according to the invention for insertion between two adjacent battery cells of a battery module.
  • the insert element 1 is designed as a sandwich made of two rigid cover plates 2, 3 and an intermediate layer 4 arranged between the two cover plates 2, 3.
  • the cover plates 2, 3 are preferably designed to be relatively rigid and stable, for example made of rigid material such as plastic or metal.
  • the intermediate layer 4 is elastically compressible and is made up of a large number of individual compression elements 5 distributed over the entire intermediate layer 4.
  • the intermediate layer 4 is designed, for example, as an elastomer structure in which the compression elements 5 consist, for example, essentially or completely of plastic and/or rubber.
  • the compression elements 5 are basically each at least partially designed as a hose or tube.
  • the compression elements 5 are designed as hose-shaped elements that are arranged next to one another along the longitudinal direction of the insert element 1 without touching one another (in the pressure-free state), and that each run across the entire width of the insert element 1.
  • the compression elements 5 each have one or more (in the present embodiment two) predetermined bending points 6, 7, which are located in a region between the cover plates 2, 3 and extend over the entire length of the respective compression element. merits 5.
  • the predetermined bending points 6, 7 of one or more (preferably all) compression elements 5 move in a direction transverse to a connecting line V between the cover plates 2, 3. In this way, the desired load profile can be achieved, as will be shown in more detail below.
  • the size, number, arrangement and design of the cover plates 2, 3, compression elements 5 and predetermined bending points 6, 7 shown in Fig. 1 are to be understood merely as an example.
  • the thickness of the cover plates 2, 3 and the size, number, design/shape, arrangement and material of the compression elements 5 can be adapted to the requirements of a specific application of the insert element 1. This provides additional degrees of freedom, independent of the material properties, in order to enable a customer-specific and improved force-displacement design, for example.
  • further improvements can be made possible, for example with regard to flammability, EMI shielding and/or reduction of thermal conductivity, for example by means of suitable coating(s) of the cover plates 1, 2 and/or the compression elements 5.
  • Fig. 2 shows a plan view of an embodiment of a battery module 10 according to the invention.
  • This has a cell stack with several battery cells 11 (often a two- or three-digit number), with an insert element 12, for example of the type shown in Fig. 1, being arranged between adjacent battery cells.
  • the cell stack is usually arranged in a module housing 13.
  • the battery cells 11 are preferably housed as solid-state battery cells in so-called pouch cells.
  • the insert elements 12 between adjacent battery cells 11 serve in particular to keep the battery cells under constant load during operation in order to avoid cracks in the solid electrolyte of the battery due to volume changes.
  • the insert elements 12 compensate for volume changes from the battery cells 11 and generate a defined load on the battery cells 11.
  • FIG. 3 shows a diagram with the course of the surface pressure (in MPa) over the thickness of the insert element (in mm) for various designs of intermediate layers 4. It can be seen that the course for each design has a linear range, starting with the greatest thickness (in the pressure-free state) up to a certain (smaller) limit thickness at a limit pressure. This makes it clear that by means of the present invention it is possible to change/adapt the slope and shape of the curve as required up to a course with one or more steps, where in the area of the plateau there is no or only a slight increase in force, although the compression of the pad increases.
  • Figures 4 to 7 show four different designs in cross section, each in a pressure-free (unmounted or mounted) initial state ( Figures 4A, 5A, 6A, 7A), in an assembled, slightly compressed state ( Figures 4B, 5B, 6B, 7B) and in a (nearly or completely) compressed state ( Figures 4C, 5C, 6C, 7C).
  • the compression element 20 shown in Fig. 4 corresponds in its cross section approximately to the compression element 5 shown in Fig. 1. It has a hexagonal (honeycomb-shaped) cross section and is hollow inside. Towards the cover plates 2, 3, the compression element 20 is flattened in contact areas 21, 22 and lies flat against the cover plates 2, 3 in the pressure-free state.
  • the predetermined bending points 22, 24 lie in a center plane E, which runs approximately in the middle between and parallel to the cover plates 2, 3, and are formed as corner areas, at which the adjacent areas 25, 26 and 27, 28 run at an angle to one another, for example in the range of 60° to 120°.
  • the compression element 30 shown in Fig. 5 has a hose- or tubular-shaped central element 31 and two side elements 32, 33 adjoining it laterally (on opposite sides).
  • the side elements 32, 33 are designed - in cross section - as rod-shaped connecting elements, but can also be hose- or tubular-shaped. Both the side elements 32, 33 and the central element 31 rest in regions on the pressure plates 2, 3.
  • the side elements 32, 33 are connected to the central element 31 at protruding connection points 34, 35, which at the same time also represent predetermined bending points.
  • the predetermined bending points 34, 35 are thus arranged in the center plane E on a surface 36, 37 of the rod-shaped side elements 32, 33 that is directed towards the central element 31.
  • FIG. 6 shows a further embodiment of a compression element 40, which also has a central element 41 and two side elements 42, 43.
  • the central element 41 has a central connecting web 44 running parallel to the cover plates 2, 3 between the webs 45, 46 of the central element 41 running between the cover plates 2, 3.
  • the side elements 42, 43 are connected along the cover plates 2, 3 to the webs 45, 46 of the central element 41.
  • a predetermined bending point 49, 50 is arranged approximately in the region of the center plane E in the form of a groove running in the longitudinal direction of the compression element 40 (or material constriction of the respective side element 42, 43).
  • FIG. 7 shows a further embodiment of a compression element 50 which - similar to the compression element 20 shown in Fig. 4 - is designed in a tubular shape with a hexagonal cross-section.
  • a continuous bore 51 runs in the longitudinal direction, which in this embodiment is designed in the shape of a slot, with the slot running parallel to the cover plates 2, 3.
  • Thin webs 52, 53 on the side of the slot-shaped bore 51 form the predetermined bending points.
  • the slot-shaped bore 51 initially narrows and the predetermined bending points 52, 53 move apart in a direction parallel to the cover plates 2, 3.
  • only two small lateral bores 54, 55 remain of the slot-shaped bore 51.
  • the side elements may come into contact with the central element and/or an adjacent compression element (for example with one of its side elements), so that the elements that come into contact can then support each other.
  • the predetermined bending points can each be arranged on the surface of the connecting elements facing the central element and/or on the outer surface of the central element facing the connecting elements. Furthermore, the predetermined bending points can each be arranged on the surface of the connecting elements facing away from the central element and/or on the inner surface of the central element facing away from the connecting elements.
  • Fig. 4 shows a variant with a small increase in force over a wide range (flat curve) of the compression and a strong/exponential increase in force from a certain compression (i.e. with a sudden strong increase).
  • FIG. 5 shows a variant with a flat curve with an adjacent small plateau area over a large range of compression with a late, clear (exponential) increase in force.
  • Fig. 6 shows a rapid increase in force up to a desired target value, followed by a large plateau phase with approximately constant force with increasing compression, followed by an exponential increase in force when a defined compression limit is reached.
  • Fig. 7 shows a variant with a short range in which the force increases slowly with compression, but a large increase in force is achieved relatively quickly with increasing compression.
  • the cross-section of the compression elements is designed symmetrically, and the compression elements preferably each have an even number of predetermined bending points, two of which are opposite each other in a direction transverse to the connecting line between the cover plates.
  • the cover plates are arranged parallel to each other and the predetermined bending points lie in a plane parallel to the cover plates, in particular in a plane arranged centrally between the cover plates. However, they can also lie in another plane or in several planes that run parallel to one or both cover plates.
  • a predetermined bending point can be formed by a notch on a surface and/or by local material slimming and/or by forming an angle of less than 180° between the adjacent areas of the respective compression element on both sides of the predetermined bending point.
  • the compression elements can be arranged separately from one another or connected to one another. Preferably, identically designed and/or arranged compression elements are used, which enables easier manufacture and assembly. Furthermore, the compression elements can have one or more continuous bores in the longitudinal direction. Different designs are also possible for the cross-section of the compression elements, such as a round, oval or multi- angular, particularly rectangular or honeycomb-shaped, cross-section. There are also different design options for the cross-section of one or more holes.
  • Fig. 8 shows the compression element 40 shown in Fig. 6 in the slightly compressed state shown in Fig. 6B and the course (“force-displacement curve”) of the force on the compression element (in Newton x 1000) over the reduction in the thickness of the compression element (in mm; starting at 0 corresponding to the initial state to -2 corresponding to a reduction in thickness of 2 mm).
  • the linear course of the curve can be seen when the compression element 40 is compressed to this extent.
  • Fig. 9 shows the compression element 40 shown in Fig. 6 in the more strongly compressed state shown in Fig. 6C as well as the course (“force-displacement curve”) of the force on the compression element over the reduction in the thickness of the compression element (in mm; starting at 0 corresponding to the initial state to -6.8 corresponding to a reduction in thickness of 6.8 mm).
  • the compression element 40 is compressed to this extent, the step or plateau phase can be seen in which the force remains at an almost constant level, although the compression increases.
  • curve profiles for the force-displacement curve and corresponding designs of the insert element can be used according to the invention.
  • the curve can, for example, have a flat rise at the beginning followed by a sharp rise, or the profile can have one or more steps and/or plateau areas, or a sharp rise at the beginning can be followed by a phased, smaller rise in the curve. If necessary, a phased, falling curve with a linear profile over long stretches can also be used.
  • the insert element according to the invention offers a number of advantages over the known swelling cushions. These include, in particular, easier handling and production and greater flexibility with regard to the structure and desired properties. shafts that do not only depend on the material properties of the materials used.

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Abstract

Die vorliegende Erfindung betrifft ein Einlageelement zur Einlage zwischen zwei benachbarte Batteriezellen eines Batteriemoduls sowie ein solches Batteriemodul. Zur Verbesserung solcher Einlageelemente, insbesondere hinsichtlich der Flexibilität ihres Einsatzes und ihrer Ausgestaltung, wird ein Einlageelement vorgeschlagen umfassend zwei starre Deckplatten und eine zwischen den zwei Deckplatten angeordnete Zwischenlage, die elastisch komprimierbar ist und aus einer Vielzahl von einzelnen über die gesamte Zwischenlage verteilt angeordneten Kompressionselementen aufgebaut ist. Die Kompressionselemente sind jeweils zumindest teilweise schlauch- oder röhrenförmig ausgestaltet und weisen eine oder mehrere Sollknickstellen in einem Bereich zwischen den Deckplatten auf, die sich bei Kompression der Zwischenlage durch Verringerung des Abstandes zwischen den Deckplatten in einer Richtung quer zu einer Verbindungslinie zwischen den Deckplatten bewegen.

Description

Einlaqeelement für ein Batteriemodul sowie Batteriemodul
[0001] Die vorliegende Erfindung betrifft ein Einlageelement zur Einlage zwischen zwei benachbarte Batteriezellen eines Batteriemoduls sowie ein entsprechendes Batteriemodul.
[0002] Festkörperbatteriezellen (solid state battery cells) ändern ihr Volumen / ihre Atmung in Abhängigkeit von der Ladestufe. Daher werden Festkörperbatteriezellen in sogenannten Pouch-Zellen (Gehäusen mit flexibler Struktur) untergebracht. Um Risse im Festelektrolyt der Batterie aufgrund von Volumenänderungen zu vermeiden, müssen Festkörperbatterien unter konstanter Last gehalten werden. Auch Nicht-Festkörperbatteriezellen können sich aufgrund von Temperaturschwankungen oder einer Beschädigung innerhalb der Zelle ausdehnen. Aus diesem Grund werden Schwellkissen (swelling pads) in Form von verformbaren Kissen zwischen den Batteriezellen eines Batteriestapels platziert, um Volumenänderungen auszugleichen und eine definierte Belastung der Batteriezellen zu erzeugen. [0003] Eine solches Schwellkissen ist beispielsweise aus der US 2022/0037714 A1 bekannt.
Darin ist ein Batteriemodul beschrieben, das einen Zellstapel mit einer Vielzahl von Batteriezellen und mindestens ein zwischen benachbarten Batteriezellen angeordnetes Kissen (pad) aufweist. Das Kissen weist ein Paar von quellenden Absorptionskissen auf, die bei einer Volumenausdehnung der Batteriezelle entsprechend zusammengepresst werden. Ein Hitzeschutzkissen ist zwischen dem Paar von quellenden Absorptionskissen angeordnet ist, das die Wärmeübertragung zwischen den benachbarten Batteriezellen blockiert und so konfiguriert ist, dass es sich bei einer voreingestellten Referenztemperatur oder darüber ausdehnt.
[0004] Vor diesem Hintergrund liegt der vorliegenden Erfindung die Aufgabe zugrunde, die bekannten Lösungen von Schwellkissen oder vergleichbaren Mitteln zur Einlage zwischen benachbarten Batteriezellen eines Batteriemoduls zu verbessern, insbesondere hinsichtlich der Flexibilität ihres Einsatzes und ihrer Ausgestaltung, um beispielsweise eine Einstellung des gewünschten Lastverlaufs bei der Ausdehnung der benachbarten Batteriezellen zu ermöglichen und so die Batteriezelle besser vor Beschädigungen zu schützen.
[0005] Gemäß einem Aspekt der vorliegenden Erfindung wird ein Einlageelement zur Einlage zwischen zwei benachbarte Batteriezellen eines Batteriemoduls bereitgestellt, das, umfassend: zwei starre Deckplatten und eine zwischen den zwei Deckplatten angeordnete Zwischenlage, die elastisch komprimierbar ist und aus einer Vielzahl von einzelnen über die gesamte Zwischenlage verteilt angeordneten Kompressionselementen aufgebaut ist, wobei die Kompressionselemente jeweils zumindest teilweise schlauch- oder röhrenförmig ausgestaltet sind und eine oder mehrere Sollknickstellen in einem Bereich zwischen den Deckplatten aufweisen, die sich bei Kompression der Zwischenlage durch Verringerung des Abstandes zwischen den Deckplatten in einer Richtung quer zu einer Verbindungslinie zwischen den Deckplatten bewegen.
[0006] Gemäß einem weiteren Aspekt der vorliegenden Erfindung wird ein Batteriemodul bereitgestellt, umfassend einen Zellenstapel mit mehreren Batteriezellen; mindestens ein Einlageelement nach einem der vorstehenden Ansprüche, das zwischen benachbarten Batteriezellen angeordnet ist; und ein Modulgehäuse, in dem der Zellenstapel angeordnet ist.
[0007] Die bekannten Schwellkissen sind meist aus schaumartigen Materialien aufgebaut, wobei deren Verhalten hauptsächlich von den Eigenschaften der Schaumstoffstruktur und des Basismaterials abhängt bzw. durch diese begrenzt wird. Es besteht meist keine Möglichkeit, die Eigenschaften von Schwellkissen durch konstruktive Anpassungen zu verbessern oder zu verändern. Das erfindungsgemäße Einlageelement, das auch als Einlageplatte, Schwellplatte oder Schwellkissen bezeichnet werden könnte, weist ein Sandwich aus zwei Deckplatten (z.B. aus Metall oder Kunststoff) zur konstanten Lastverteilung und dazwischen liegende Kompressionselemente (z.B. als elastomere Strukturen) in einer Zwischenlage zur Lastverteilung auf. Die Kompressionselemente weisen Sollknickstellen auf, an denen bei Belastung des jeweiligen Einlageelements die Kompressionselemente jeweils beginnen einzuknicken und sich dadurch in ihrer Form verändern. Die Sollknickstellen verändern somit bei Belastung ihre Position und wandern quasi in einer Richtung quer zur Verbindung zwischen den Deckplatten. Vor allem durch die Position, Anzahl Lage und Ausgestaltung der Sollknickstellen ergeben sich vielfältige Möglichkeiten, das Verhalten des Einlageelements an die Anforderungen der Anwendung bzw. des Kunden anzupassen.
[0008] Insbesondere gewinnen Lösung die Einlageelemente mit der erfindungsgemäßen Sandwich-Lösung zusätzliche Freiheitsgrade bei der Gestaltung und Anpassung der Eigenschaften je nach Anwendungsanforderungen. Beispielsweise können Aufbau, Anzahl, Anordnung und Material der Kompressionselemente variiert und angepasst werden, um das gewünschte Verhalten einzustellen. Darüber hinaus können durch Beschichtung, z.B. der Deckplatten, oder andere Verfahren zusätzliche Eigenschaften hinzugefügt werden, um z.B. die Wärmeleitfähigkeit, das Entflammbarkeitsrisiko oder die EMI-Abschirmung zu verbessern.
[0009] In einer bevorzugten Ausgestaltung ist vorgesehen, dass die Kompressionselemente jeweils eine gerade Anzahl von Sollknickstellen aufweisen, von denen sich jeweils zwei in einer Richtung quer zu der Verbindungslinie zwischen den Deckplatten gegenüber liegen. Eine solche symmetrische Anordnung der Sollknickstellen lässt sich das Verhalten des Einlageelements bei Belastung und somit ihr Lastverlauf besser Vorhersagen.
[0010] Die Sollknickstellen können, je nach Anwendung des Einlageelements, unterschiedlich ausgestaltet und angeordnet sein. In einer Ausgestaltung ist vorgesehen, dass eine Sollknickstelle gebildet ist durch eine Einkerbung an einer Oberfläche und/oder durch lokale Materialverschlankung und/oder durch Bildung eines Winkels kleiner als 180° zwischen den auf beiden Seiten der Sollknickstelle benachbarten Bereichen des jeweiligen Kompressionselements. Solche Sollknickstellen sind einfach herzustellen und bewirken effektiv die gewünschte Einknickung der Kompressionselemente.
[0011] Die Deckplatten sind bevorzugt parallel zueinander angeordnet und die Sollknickstellen sind bevorzugt in einer Ebene parallel zu den Deckplatten angeordnet, insbesondere liegen sie in einer mittig zwischen den Deckplatten angeordneten Ebene. Die Sollknickstellen können aber auch in einer anderen Ebene oder in mehreren Ebenen angeordnet sein, beispielsweise wenn jedes Knickelemente mehr als zwei Sollknickstellen aufweist. Die bevorzugt symmetrische Anordnung lässt die Lastverteilung im Betrieb einfacher vorherbestimmen.
[0012] Die Kompressionselemente können voneinander getrennt oder miteinander verbunden angeordnet sein. Beide Ausgestaltungen haben jeweils Vorteile. Getrennte Kompressionselemente ermöglichen eine einfache Fertigung (z.B. als Endlosextrutat) und interagieren nicht (oder nur geringfügig) mit dem Nachbarelement bzw. ermöglichen eine gezielt verspätete Interaktion / Abstützung. Dies stellt einen zusätzlichen Freiheitsgrad im Design dar und ermöglicht eine einfachere Auslegung des Verlaufs der Kraft-Weg-Kurve, die die Kraft auf das Kompressionselement über der Verringerung der Dicke des Kompressionselements darstellt. Verbundene Kompressionselemente ermöglichen eine einfachere Montage, da die Elemente in einem Stück gefertigt und montiert werden können. Ferner müssen keine einzelnen Elemente separat aufgebraucht (z.B. aufgeklebt) und ausgerichtet werden. Eine Interaktion mit den Nebenelementen kann dabei ferner gezielt genutzt werden, um den Verlauf der Kraft-Weg Kurve einzustellen. [0013] Grundsätzlich können unterschiedliche Kompressionselemente eingesetzt werden. Bevorzugt sind die Kompressionselemente jedoch identisch ausgestaltet und/oder identisch ausgerichtet. Dies ermöglicht insbesondere eine einfache und kostengünstigere Herstellung des Einlageelements.
[0014] Die Kompressionselemente weisen in einer Ausgestaltung mehrere durchgängige Bohrungen in Längsrichtung auf, so dass ein Kompressionselement quasi mehrere Teilelemente aufweist. Dies bietet mehr Möglichkeiten, die gewünschte Lastverteilung durch Ausgestaltung und Anordnung der Kompressionselemente einzustellen.
[0015] Bei einer solchen Ausgestaltung können die Kompressionselemente beispielsweise jeweils ein zentrales schlauch- oder röhrenförmiges Zentralelement und zwei oder mehr seitlich daran anschließende Seitenelemente aufweisen, wobei die Seitenelemente mit dem Zentralelement verbunden sein können oder bei Kompression der Zwischenlage mit dem Zentralelement und/oder einem benachbarten Kompressionselement in Berührung kommen können. Dadurch kann etwa eine Begrenzung der Ausdehnung eines Kompressionselements bei Verringerung des Abstandes zwischen den Deckplatten eingestellt sowie eine Abstützung benachbarter Kompressionselemente bewirkt werden. Die Lastverteilung kann damit ab einer bestimmten Last in einen gesättigten Bereich übergehen, z.B. als eine Art Anschlag oder wenn ab einer bestimmten Verpressung eine Veränderung im Verlauf der Kraft-Weg-Kurve gewünscht oder erforderlich ist.
[0016] Ferner können die Seitenelemente als stabförmige oder schlauchförmige oder röhrenförmige Verbindungselemente zwischen den Deckplatten ausgestaltet sein und das Zentralelement kann schlauch- oder röhrenförmig ausgestaltet sein. Eine solche Ausgestaltung hat beispielsweise Vorteile in der Herstellung, da diese Strukturen im Endlosverfahren (z.B. mit einem Extruder) gefertigt werden können und die Teile nicht in einem Werkzeug mit einzelnen Kavitäten gefertigt werden müssen. Beide Verfahren sind möglich, wobei das Extrusionsverfahren Kostenvorteile aufweist.
[0017] In einer weiteren Ausgestaltung ist vorgesehen, dass die Sollknickstellen jeweils an der zu dem Zentralelement hin ausgerichteten Oberfläche der Verbindungselemente und/oder an der zu den Verbindungselementen hin ausgerichteten äußeren Oberfläche des Zentralelements angeordnet sind. In einer alternativen Ausgestaltung ist vorgesehen, dass die Sollknickstellen jeweils an der von dem Zentralelement weg weisenden Oberfläche der Verbindungselemente und/oder an der von den Verbindungselementen hin weg weisenden inneren Oberfläche des Zentralelements angeordnet sind. In einer weiteren Ausgestaltung können Sollknickstellen auch an beiden Stellen vorgesehen sein. Mit diesen Ausgestaltungen lässt sich einstellen, ob das Kompressionselement nach innen oder nach außen knickt, und somit in Richtung parallel zu den Deckplatten breiter oder schmäler wird. Je nach Abstand zwischen den einzelnen Elementen kann das Einknicken der Strukturen nur durch Einknicken nach innen begrenzt werden, da ggf. das nächste Element zu weit weg ist. Auch die Steifigkeit kann je nach Form der knickenden Struktur nach innen oder außen unterschiedlich sein.
[0018] Allgemein können die Sollknickstellen angeordnet und ausgestaltet sein, sich bei Kompression der Zwischenlage durch Verringerung des Abstandes zwischen den Deckplatten weg vom Zentrum des jeweiligen Kompressionselements oder in Richtung des Zentrums des jeweiligen Kompressionselements zu bewegen.
[0019] Grundsätzlich können die Kompressionselemente unterschiedlich geformt sein. In einer Ausgestaltung ist vorgesehen, dass die Kompressionselemente einen runden, ovalen oder mehreckigen, insbesondere rechteckigen oder wabenförmigen, Querschnitt aufweisen. Grundsätzlich hat jede Struktur eine andere Kraft-Weg-Charakteristik und kann somit mehr oder weniger für den jeweiligen Anwendungsfall geeignet sein.
[0020] Die Kompressionselemente sind in einer Ausgestaltung zu den Deckplatten hin abgeflacht und können plan an den Deckplatten anliegen. Dies verhindert, dass die Kompressionselemente bei steigender Belastung sich gegenüber den Deckplatten bewegen und aus ihrer Anfangsposition verrutschen.
[0021] Die Kompressionselemente bestehen bevorzugt aus Kunststoff und/oder Gummi, um eine gewisse Elastizität zu gewährleisten, und die Deckplatten bestehen bevorzugt aus Kunst- Stoff und/oder Metall, um eine gewisse Festigkeit zu gewährleisten. Andere Materialien, die die jeweils gewünschte Funktion gewährleisten, können ebenfalls eingesetzt werden.
[0022] Die Deckplatten sind vorzugsweise rechteckförmig ausgestaltet und die Kompressionselemente sind vorzugsweise längsförmig ausgestaltet und quer zur Längsrichtung oder in Längsrichtung der Deckplatten angeordnet. Dies erleichtert die Herstellung und Montage.
[0023] Es versteht sich, dass die vorstehend genannten und die nachstehend noch zu erläuternden Merkmale nicht nur in der jeweils angegebenen Kombination, sondern auch in anderen Kombinationen oder in Alleinstellung verwendbar sind, ohne den Rahmen der vorliegenden Erfindung zu verlassen.
[0024] Ausführungsbeispiele der Erfindung sind in den nachfolgenden Zeichnungen dargestellt und werden in der nachfolgenden Beschreibung näher erläutert. Es zeigen:
Fig. 1 zeigt eine perspektivische Ansicht eines ersten Ausführungsbeispiels eines erfindungsgemäßen Einlageelements.
Fig. 2 zeigt eine Draufsicht auf ein Ausführungsbeispiel eines erfindungsgemäßen Batteriemoduls.
Fig. 3 zeigt ein Diagramm mit dem Verlauf des Oberflächendrucks über der Dicke des Einlageelements für verschiedene Ausfaltungen von Zwischenlagen.
Fig. 4 zeigt eine erste Ausgestaltung eines Kompressionselements im Querschnitt.
Fig. 5 zeigt eine zweite Ausgestaltung eines Kompressionselements im Querschnitt.
Fig. 6 zeigt eine dritte Ausgestaltung eines Kompressionselements im Querschnitt. Fig. 7 zeigt eine vierte Ausgestaltung eines Kompressionselements im Querschnitt.
Fig. 8 zeigt das in Fig. 6 gezeigte Kompressionselement in leicht zusammengepresstem Zustand sowie den Verlauf der Kraft auf das Kompressionselement über der Dicke.
Fig. 9 zeigt das in Fig. 6 gezeigte Kompressionselement in stark zusammengepresstem Zustand sowie den Verlauf der Kraft auf das Kompressionselement über der Dicke.
[0025] Fig. 1 zeigt eine perspektivische Ansicht eines ersten Ausführungsbeispiels eines erfindungsgemäßen Einlageelements 1 zur Einlage zwischen zwei benachbarte Batteriezellen eines Batteriemoduls. Das Einlageelement 1 ist als Sandwich aus zwei starren Deckplatten 2, 3 und einer zwischen den zwei Deckplatten 2,3 angeordneten Zwischenlage 4 ausgestaltet. Die Deckplatten 2, 3 sind bevorzugt relativ starr und stabil ausgestaltet, beispielweise aus steifem Material wie etwa Kunststoff oder Metall. Die Zwischenlage 4 ist elastisch komprimierbar und aus einer Vielzahl von einzelnen über die gesamte Zwischenlage 4 verteilt angeordneten Kompressionselementen 5 aufgebaut. Die Zwischenlage 4 ist beispielsweise als Elastomerstruktur ausgestaltet, bei der die Kompressionselemente 5 beispielsweise im Wesentlichen oder vollständig aus Kunststoff und/oder Gummi bestehen.
[0026] Die Kompressionselemente 5 sind grundsätzlich jeweils zumindest teilweise schlauchöder röhrenförmig ausgestaltet. Im gezeigten Ausführungsbespiel sind die Kompressionselemente 5 als schlauchförmige Elemente ausgestaltet, die nebeneinander entlang der Längsrichtung des Einlageelements 1 angeordnet sind, ohne sich dabei (im drucklosen Zustand) gegenseitig zu berühren, und die jeweils über die gesamte Breite des Einlageelements 1 verlaufen.
[0027] Die Kompressionselemente 5 weisen jeweils eine oder mehrere (im vorliegenden Ausführungsbeispiel zwei) Sollknickstellen 6, 7 auf, die in einem Bereich zwischen den Deckplatten 2, 3 liegen und über die gesamte Länge des jeweiligen Kompressionsele- merits 5 verlaufen. Bei einer Kompression der Zwischenlage 4 durch Verringerung des Abstandes zwischen den Deckplatten 2, 3, insbesondere in Folge einer Ausdehnung einer oder mehrerer benachbarter Batteriezellen, bewegen sich die Sollknickstellen 6, 7 eines oder mehrerer (bevorzugt aller) Kompressionselemente 5 in einer Richtung quer zu einer Verbindungslinie V zwischen den Deckplatten 2, 3. Dadurch kann der gewünschte Lastverlauf erreicht werden, wie nachfolgend noch genauer gezeigt wird.
[0028] Es sei an dieser Stelle erwähnt, dass die in Fig. 1 gezeigte Größe, Anzahl, Anordnung und Ausgestaltung der Deckplatten 2, 3, Kompressionselemente 5 und Sollknickstellen 6, 7 lediglich als Beispiel zu verstehen sind. Diverse Variationen dieser Parameter sind möglich. Insbesondere können die Dicke der Deckplatten 2, 3 und die Größe, die Anzahl, die Ausgestaltung / Form, die Anordnung und das Material der Kompressionselemente 5 an die Anforderungen einer spezifischen Anwendung des Einlageelements 1 angepasst werden. Dadurch bestehen zusätzliche Freiheitsgrade, unabhängig von den Materialeigenschaften, um etwa ein kundenspezifisches und verbessertes Kraft-Weg-Design zu ermöglichen. Zudem können etwa durch geeignete Beschichtung(en) der Deckplatten 1 ,2 und/oder der Kompressionselemente 5 weitere Verbesserungen etwa hinsichtlich der Entflammbarkeit, EMI-Abschirmung und/oder Reduzierung der Wärmeleitfähigkeit ermöglicht werden.
[0029] Fig. 2 zeigt eine Draufsicht auf ein Ausführungsbeispiel eines erfindungsgemäßen Batteriemoduls 10. Dieses weist einen Zellenstapel mit mehreren Batteriezellen 11 (oft eine zwei- oder dreistellige Anzahl) auf, wobei zwischen benachbarten Batteriezellen jeweils ein Einlageelement 12, beispielsweise der in Fig. 1 gezeigten Art, angeordnet ist. Der Zellenstapel ist zumeist in einem Modulgehäuse 13 angeordnet. Die Batteriezellen 11 sind bevorzugt als Festkörperbatteriezellen in sogenannten Pouch-Zellen untergebracht. Die Einlageelemente 12 zwischen benachbarten Batteriezellen 11 dienen insbesondere dazu, die Batteriezellen im Betrieb unter konstanter Last zu halten, um so Risse im Festelektrolyt der Batterie aufgrund von Volumenänderungen zu vermeiden. Die Einlageelemente 12 gleichen Volumenänderungen aus der Batteriezellen 11 aus und erzeugen eine definierte Belastung der Batteriezellen 11. [0030] Fig. 3 zeigt ein Diagramm mit dem Verlauf des Oberflächendrucks („surface pressure“) (in MPa) über der Dicke des Einlageelements (in mm) für verschiedene Ausgestaltungen von Zwischenlagen 4. Erkennbar ist, dass der Verlauf für jede Ausgestaltung einen linearen Bereich, angefangen bei der größten Dicke (in drucklosem Zustand) bis zu einer bestimmten (geringeren) Grenzdicke bei einem Grenzdruck aufweist. Dies verdeutlicht, dass es mittels der vorliegenden Erfindung möglich ist, die Steigung und Form der Kurve nach Bedarf zu verändern / anzupassen bis hin zu einem Verlauf mit einer oder mehreren Stufen, wo im Bereich des Plateaus keine bzw. nur eine geringe Kraftzunahmen erfolgt, obwohl die Verpressung des Pads zunimmt.
[0031] Wie oben erwähnt, können die Kompressionselemente 5 unterschiedlich ausgestaltet sein. Die Figuren 4 bis 7 zeigen vier unterschiedliche Ausgestaltungen im Querschnitt, jeweils in drucklosem (unmontiertem oder montiertem) Ausgangszustand (Figuren 4A, 5A, 6A, 7A), in montiertem, leicht zusammengedrücktem Zustand (Figuren 4B, 5B, 6B, 7B) und in (nahezu oder vollständig) zusammengedrücktem Zustand (Figuren 4C, 5C, 6C, 7C).
[0032] Das in Fig. 4 gezeigte Kompressionselement 20 entspricht in seinem Querschnitt etwa dem in Fig. 1 gezeigten Kompressionselement 5. Es weist einen sechseckigen (wabenförmigen) Querschnitt auf und ist innen hohl. Zu den Deckplatten 2, 3 hin ist das Kompressionselement 20 in Anlagebereichen 21 , 22 abgeflacht und liegt in drucklosem Zustand plan an den Deckplatten 2, 3 an. Die Sollknickstellen 22, 24 liegen in einer Mittelebene E, die etwa in der Mitte zwischen und parallel zu den Deckplatten 2, 3 verläuft, und sind als Eckbereiche gebildet, an denen die benachbarten Bereich 25, 26 bzw. 27, 28 unter einem Winkel beispielsweise im Bereich von 60° bis 120° zueinander verlaufen. Je weiter die Deckplatten 2, 3 zusammengedrückt werden, desto weiter werden die Sollknickstellen 23, 24 entlang der Mittelebene E auseinander gedrückt, so dass sich der Winkel zwischen den benachbarten Bereich 25, 26 bzw. 27, 28 zunehmend verringert, wie in den Figuren 4B und 4C zu erkennen ist. Auch die Anlagebereiche 21 , 22 liegen dann nicht mehr komplett plan an den Deckplatten 2, 3 an, sondern liegen nur noch bereichsöder gar punktweise an. Es handelt sich hierbei um ein Zusammenspiel der Spannungen, die in den einzelnen Bereichen der Formen bei der Verpressung entstehen. Einzelne Bereiche werden gedehnt oder gestaucht und werden durch Kontakt mit anderen Elemen- ten behindert oder können sich bei mangelndem Kontakt frei bewegen. Dieses Zusammenspiel ergibt dann den gewünschten Lastverlauf.
[0033] Das in Fig. 5 gezeigte Kompressionselement 30 weist ein schlauch- oder röhrenförmiges Zentralelement 31 und zwei seitlich (an gegenüberliegenden Seiten) daran anschließende Seitenelemente 32, 33 auf. Die Seitenelemente 32, 33 sind bei diesem Ausführungsbeispiel - im Querschnitt - als stabförmige Verbindungselemente ausgestaltet, können aber auch schlauchförmig oder röhrenförmig ausgestaltet sein. Sowohl die Seitenelemente 32, 33 als auch das Zentralelement 31 liegen bereichsweise an den Druckplatten 2, 3 an. An vorstehenden Verbindungsstellen 34, 35, die gleichzeitig auch Sollknickstellen darstellen, sind die Seitenelemente 32, 33 mit dem Zentralelement 31 verbunden. Die Sollknickstellen 34, 35 sind somit in der Mittelebene E jeweils an einer zu dem Zentralelement 31 hin ausgerichteten Oberfläche 36, 37 der stabförmigen Seitenelemente 32, 33 angeordnet. Je weiter die Deckplatten 2, 3 zusammengedrückt werden, desto weiter werden die Sollknickstellen 34, 35 (und auch die angrenzende Stelle des Zentralelements 31) innerhalb der Mittelebene E auseinander bewegt, bis die inneren Oberflächen 36, 37 der Seitenelemente 32, 33 und die gegenüber liegenden äußeren Oberflächen 38, 39 des Zentralelements 31 aneinander anliegen, wie in Fig. 5C erkennbar ist.
[0034] Fig. 6 zeigt eine weitere Ausgestaltung eines Kompressionselements 40, das ebenfalls ein Zentralelement 41 und zwei Seitenelement 42, 43 aufweist. Bei dieser Ausgestaltung weist das Zentralelement 41 einen zentralen, parallel zu den Deckplatten 2, 3 verlaufenden Verbindungssteg 44 auf zwischen den zwischen den Deckplatten 2, 3 verlaufenden Stegen 45, 46 des Zentralelements 41. Die Seitenelemente 42, 43 sind entlang der Deckplatten 2, 3 mit den Stegen 45, 46 des Zentralelements 41 verbunden. An der dem Zentralelement 41 gegenüber liegenden Oberfläche 47, 48 ist jeweils eine Sollknickstelle 49, 50, etwa im Bereich der Mittelebene E in Form einer in Längsrichtung des Kompressionselements 40 verlaufenden Rille (oder Materialverengung des jeweiligen Seitenelements 42, 43) angeordnet. An dieser Sollknickstelle knicken die Seitenelement 42, 43 bei Druckbeaufschlagung des Kompressionselements 40 ein, so dass sich die Sollknickstellen 49a, 49b auseinander bewegen. Bei größerer Druckbeaufschlagung wird das Zentralelement 41 komplett zusammengepresst, wie in Fig. 6C gezeigt ist. [0035] Fig. 7 zeigt eine weitere Ausgestaltung eines Kompressionselements 50, das - ähnlich wie das in Fig. 4 gezeigte Kompressionselement 20 - schlauchförmig mit einem sechseckförmigen Querschnitt ausgestaltet ist. In Längsrichtung verläuft eine durchgängige Bohrung 51, die bei dieser Ausgestaltung schlitzförmig ausgestaltet ist, wobei der Schlitz parallel zu den Deckplatten 2, 3 verläuft. Dünne Stege 52, 53 seitlich an der schlitzförmigen Bohrung 51 bilden dabei die Sollknickstellen. Bei zunehmender Druckbeaufschlagung verengt sich zunächst die schlitzförmige Bohrung 51 und die Sollknickstellen 52, 53 bewegen sich auseinander in einer Richtung parallel zu den Deckplatten 2, 3. Von der schlitzförmigen Bohrung 51 bleiben schließlich nur noch zwei seitliche kleine Bohrungen 54, 55 übrig.
[0036] An dieser Stelle sei erwähnt, dass bei den in den Figuren 5 und 6 gezeigten Ausgestaltungen bei Kompression der Zwischenlage die Seitenelemente ggf. mit dem Zentralelement und/oder einem benachbarten Kompressionselement (beispielsweise mit dessen einem Seitenelement) in Berührung, so dass sich die in Berührung gelangenden Elemente dann gegenseitig abstützen können. Grundsätzlich können bei diesen Ausgestaltungen die Sollknickstellen jeweils an der zu dem Zentralelement hin ausgerichteten Oberfläche der Verbindungselemente und/oder an der zu den Verbindungselementen hin ausgerichteten äußeren Oberfläche des Zentralelements angeordnet sein. Ferner können die Sollknickstellen jeweils an der von dem Zentralelement weg weisenden Oberfläche der Verbindungselemente und/oder an der von den Verbindungselementen hin weg weisenden inneren Oberfläche des Zentralelements angeordnet sein.
[0037] Ferner sei erwähnt, dass bei den in den Figuren 4 bis 7 gezeigten Ausgestaltungen bei Kompression der Zwischenlage benachbarte Kompressionselemente ggf. in Berührung kommen, um sich so ggf. gegenseitig abzustützen und die Stabilität zu erhöhen. Die Sollknickstellen können grundsätzlich so angeordnet und ausgestaltet sein, dass sie sich bei Kompression der Zwischenlage durch Verringerung des Abstandes zwischen den Deckplatten weg vom Zentrum des jeweiligen Kompressionselements (also weg voneinander) oder in Richtung des Zentrums des jeweiligen Kompressionselements (also aufeinander zu) bewegen. [0038] Zusammenfassend zeigt Fig. 4 somit eine Variante mit geringem Kraftanstieg über einem weiten Bereich (flachen Kurvenverlauf) der Verpressung und einer starken / exponentiellen Kraftzunahme ab einer bestimmten Verpressung (d.h. mit einem plötzlichen starken Anstieg). Fig. 5 zeigt eine Variante mit flachem Kurvenverlauf mit angrenzendem kleinen Plateaubereich über einem großen Bereich der Verpressung mit spätem deutlichem (exponentiellem) Kraftanstieg. Fig. 6 zeigt einen schnellen Kraftanstieg bis zu einem gewünschten Zielwert, mit anschließender großer Plateauphase mit näherungsweiser konstanter Kraft bei zunehmender Verpressung, mit anschließender exponentieller Kraftzunahme bei Erreichen einer definierten Verpressungsgrenze. Fig. 7 zeigt eine Variante mit kurzem Bereich, in dem die Kraft langsam mit der Verpressung zunimmt, aber relativ schnell ein großer Kraftanstieg mit zunehmender Verpressung erreicht wird.
[0039] Bevorzugt ist der Querschnitt der Kompressionselemente symmetrisch ausgestaltet, und die Kompressionselemente weisen bevorzugt jeweils eine gerade Anzahl von Sollknickstellen auf, von denen sich jeweils zwei in einer Richtung quer zu der Verbindungslinie zwischen den Deckplatten gegenüber liegen. Bevorzugt sind die Deckplatten parallel zueinander angeordnet und die Sollknickstellen liegen in einer Ebene parallel zu den Deckplatten, insbesondere in einer mittig zwischen den Deckplatten angeordneten Ebene liegen. Sie können aber auch in einer anderen Ebene oder in mehrere Ebenen liegen, die parallel zu einer oder beiden Deckplatten verlaufen.
[0040] Für die Ausgestaltung der Sollknickstellen sind unterschiedliche Ausgestaltungen möglich. Beispielsweise kann eine Sollknickstelle gebildet werden durch eine Einkerbung an einer Oberfläche und/oder durch eine lokale Materialverschlankung und/oder durch Bildung eines Winkels kleiner als 180° zwischen den auf beiden Seiten der Sollknickstelle benachbarten Bereichen des jeweiligen Kompressionselements.
[0041] Die Kompressionselemente können voneinander getrennt oder miteinander verbunden angeordnet sein. Bevorzugt werden identisch ausgestaltete und/oder angeordnete Kompressionselemente verwendet, was eine einfachere Herstellung und Montage ermöglicht. Ferner können die Kompressionselemente eine oder mehrere durchgängige Bohrungen in Längsrichtung aufweisen. Auch für den Querschnitt der Kompressionselemente sind unterschiedliche Ausgestaltungen möglich, wie etwa ein runder, ovaler oder mehr- eckiger, insbesondere rechteckiger oder wabenförmiger, Querschnitt. Auch für den Querschnitt einer oder mehrerer Bohrungen bestehen entsprechende unterschiedliche Gestaltungsmöglichkeiten.
[0042] Fig. 8 zeigt das in Fig. 6 gezeigte Kompressionselement 40 in dem in Fig. 6B gezeigten leicht zusammengepressten Zustand sowie den Verlauf („Kraft-Weg-Kurve“) der Kraft auf das Kompressionselement (in Newton x1000) über der Verringerung der Dicke des Kompressionselements (in mm; beginnend bei 0 entsprechend dem Ausgangszustand bis -2 entsprechend einer Verringerung der Dicke um 2 mm). Erkennbar ist bei einem Zusammendrücken des Kompressionselements 40 in dieser Größenordnung der lineare Verlauf der Kurve.
[0043] Fig. 9 zeigt das in Fig. 6 gezeigte Kompressionselement 40 in dem in Fig. 6C gezeigten stärker zusammengepressten Zustand sowie den Verlauf („Kraft-Weg-Kurve“) der Kraft auf das Kompressionselement über der Verringerung der Dicke des Kompressionselements (in mm; beginnend bei 0 entsprechend dem Ausgangszustand bis -6,8 entsprechend einer Verringerung der Dicke um 6,8 mm). Erkennbar ist bei einem Zusammendrücken des Kompressionselements 40 in dieser Größenordnung die Stufe bzw. Plateauphase, bei der die Kraft auf einem nahezu konstanten Niveau bleibt, obwohl die Verpressung zunimmt.
[0044] Grundsätzlich sind unterschiedliche Kurvenverläufe für die Kraft-Weg-Kurve und entsprechende Ausgestaltungen des Einlageelements erfindungsgemäß nutzbar. Die Kurve kann beispielsweise einen flachen Anstieg zu Beginn gefolgt von einem starken Anstieg aufweisen, oder der Verlauf kann ein oder mehrere Stufen und/oder Plateaubereiche aufweisen, oder ein starker Anstieg am Anfang kann gefolgt sein mit einem phasenweise geringeren Anstieg der Kurve. Ggf. kann auch eine phasenweise abfallende Kurve mit einem über weite Strecken linearen Verlauf genutzt werden.
[0045] Das erfindungsgemäße Einlageelement bietet gegenüber den bekannten Schwellkissen eine Reihe von Vorteilen. Dazu zählen insbesondere eine einfachere Handhabung und Herstellung und eine höhere Flexibilität hinsichtlich des Aufbaus und gewünschter Eigen- schäften, die nicht nur von den Materialeigenschaften verwendeter Materialien abhängig sind.

Claims

Patentansprüche Einlageelement zur Einlage zwischen zwei benachbarte Batteriezellen eines Batteriemoduls, umfassend: zwei starre Deckplatten und eine zwischen den zwei Deckplatten angeordnete Zwischenlage, die elastisch komprimierbar ist und aus einer Vielzahl von einzelnen über die gesamte Zwischenlage verteilt angeordneten Kompressionselementen aufgebaut ist, wobei die Kompressionselemente jeweils zumindest teilweise schlauch- oder röhrenförmig ausgestaltet sind und eine oder mehrere Sollknickstellen in einem Bereich zwischen den Deckplatten aufweisen, die sich bei Kompression der Zwischenlage durch Verringerung des Abstandes zwischen den Deckplatten in einer Richtung quer zu einer Verbindungslinie zwischen den Deckplatten bewegen. Einlageelement nach Anspruch 1 , wobei die Kompressionselemente jeweils eine gerade Anzahl von Sollknickstellen aufweisen, von denen sich jeweils zwei in einer Richtung quer zu der Verbindungslinie zwischen den Deckplatten gegenüber liegen. Einlageelement nach einem der vorstehenden Ansprüche, wobei eine Sollknickstelle gebildet ist durch: eine Einkerbung an einer Oberfläche, und/oder lokale Materialverschlankung, und/oder
Bildung eines Winkels kleiner als 180° zwischen den auf beiden Seiten der Sollknickstelle benachbarten Bereichen des jeweiligen Kompressionselements. Einlageelement nach einem der vorstehenden Ansprüche, wobei die Deckplatten parallel zueinander angeordnet sind und die Sollknickstellen in einer Ebene parallel zu den Deckplatten angeordnet sind, insbesondere in einer mittig zwischen den Deckplatten angeordneten Ebene liegen. Einlageelement nach einem der vorstehenden Ansprüche, wobei die Kompressionselemente voneinander getrennt oder miteinander verbunden angeordnet sind. Einlageelement nach einem der vorstehenden Ansprüche, wobei die Kompressionselemente identisch ausgestaltet und/oder identisch ausgerichtet sind. Einlageelement nach einem der vorstehenden Ansprüche, wobei die Kompressionselemente mehrere durchgängige Bohrungen in Längsrichtung aufweisen. Einlageelement nach einem der vorstehenden Ansprüche, wobei die Kompressionselemente jeweils ein zentrales schlauch- oder röhrenförmiges Zentralelement und zwei oder mehr seitlich daran anschließende Seitenelemente aufweisen. Einlageelement nach Anspruch 8, wobei die Seitenelemente mit dem Zentralelement verbunden sind oder bei Kompression der Zwischenlage mit dem Zentralelement und/oder einem benachbarten Kompressionselement in Berührung kommen. Einlageelement nach Anspruch 8, wobei die Seitenelemente als stabförmige oder schlauchförmige oder röhrenförmige Verbindungselemente zwischen den Deckplatten ausgestaltet sind und das Zentralelement schlauch- oder röhrenförmig ausgestaltet ist. Einlageelement nach Anspruch 10, wobei die Sollknickstellen jeweils an der zu dem Zentralelement hin ausgerichteten Oberfläche der Verbindungselemente und/oder an der zu den Verbindungselementen hin ausgerichteten äußeren Oberfläche des Zentralelements angeordnet sind. Einlageelement nach Anspruch 10 oder 11 , wobei die Sollknickstellen jeweils an der von dem Zentralelement weg weisenden Oberfläche der Verbindungselemente und/oder an der von den Verbindungselementen hin weg weisenden inneren Oberfläche des Zentralelements angeordnet sind. Einlageelement nach einem der vorstehenden Ansprüche, wobei die Sollknickstellen angeordnet und ausgestaltet sind, sich bei Kompression der Zwischenlage durch Verringerung des Abstandes zwischen den Deckplatten weg vom Zentrum des jeweiligen Kompressionselements oder in Richtung des Zentrums des jeweiligen Kompressionselements zu bewegen. Einlageelement nach einem der vorstehenden Ansprüche, wobei die Kompressionselemente einen runden, ovalen oder mehreckigen, insbesondere rechteckigen oder wabenförmigen, Querschnitt aufweisen. Einlageelement nach einem der vorstehenden Ansprüche, wobei die Kompressionselemente zu den Deckplatten hin abgeflacht sind und plan an den Deckplatten anliegen. Einlageelement nach einem der vorstehenden Ansprüche, wobei die Kompressionselemente aus Kunststoff und/oder Gummi bestehen. Einlageelement nach einem der vorstehenden Ansprüche, wobei die Deckplatten aus Kunststoff und/oder Metall bestehen. Einlageelement nach einem der vorstehenden Ansprüche, wobei die Deckplatten rechteckförmig ausgestaltet sind und die Kompressionselemente längsförmig ausgestaltet und quer zur Längsrichtung oder in Längsrichtung der Deckplatten angeordnet sind. Batteriemodul umfassend: einen Zellenstapel mit mehreren Batteriezellen; mindestens ein Einlageelement nach einem der vorstehenden Ansprüche, das zwischen benachbarten Batteriezellen angeordnet ist; und ein Modulgehäuse, in dem der Zellenstapel angeordnet ist.
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