EP4665604A1 - Batterie, verfahren zur montage einer batterie und kraftfahrzeug - Google Patents

Batterie, verfahren zur montage einer batterie und kraftfahrzeug

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EP4665604A1
EP4665604A1 EP24701097.8A EP24701097A EP4665604A1 EP 4665604 A1 EP4665604 A1 EP 4665604A1 EP 24701097 A EP24701097 A EP 24701097A EP 4665604 A1 EP4665604 A1 EP 4665604A1
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EP
European Patent Office
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battery cells
battery
individual battery
housing
individual
Prior art date
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Pending
Application number
EP24701097.8A
Other languages
English (en)
French (fr)
Inventor
Kai Steiner
Felix Radeck
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Mercedes Benz Group AG
Original Assignee
Mercedes Benz Group AG
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Filing date
Publication date
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Pending legal-status Critical Current

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    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
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    • Y02E60/10—Energy storage using batteries

Definitions

  • Batteries with a housing and at least one battery module are known from the prior art.
  • DE 102016213 138 A1 and DE 102008 010 828 A1 describe various individual battery cells that can be combined to form a module, which can then be inserted into a housing as a combination of individual battery cells.
  • Such a module as a combination of individual battery cells is described, for example, in DE 102008 010 824 A1.
  • the typical structure which is familiar to those skilled in the art, provides for the individual battery cells to be assembled into the module, for example using the clamping elements and typically end plates shown in the document mentioned, and inserted into a housing.
  • this module can be fixed in the housing using a structural casting.
  • the module itself can then have its own cooling plate, as described in the document mentioned, or, as has now become established in the general state of the art, can be glued to a base surface of the housing using a thermally conductive adhesive, which in turn is cooled.
  • the object of the present invention is to avoid these disadvantages and to provide an improved battery with the features in the preamble of claim 1. Furthermore, the object of the present invention is to provide an improved assembly method and a motor vehicle with such a battery.
  • this object is achieved by a battery having the features in claim 1, and here in particular in the characterizing part of claim 1.
  • a method according to claim 9 and a motor vehicle according to claim 10 solve the problem.
  • the assembly of the individual battery cells between the stacked individual battery cells has an elastic, flexible sealing band, by means of which the side surfaces of adjacent individual battery cells are kept at a distance from one another.
  • the elastic, flexible sealing band is therefore located between the individual battery cells and keeps them at a defined distance from one another, so that a change in the thickness of the individual battery cells during charging and discharging can be absorbed by the elasticity of the sealing band.
  • the elastic sealing band also ensures that no mass of the structural casting can get into the area lying between the individual battery cells in the stacking direction, which could impair the free mobility of the individual battery cells with regard to a change in thickness, the so-called "breathing" of the individual battery cells. This alone achieves an improved structure with good performance and an extended service life of the individual battery cells.
  • the elastic, flexible sealing tape also allows a certain degree of flexibility across the stacking direction, so that the individual battery cells can, for example, be lowered onto a base plate of a housing that is not completely flat. This means that with a comparatively small amount of thermally conductive adhesive and a small distance between the individual battery cells and the base plate, a good thermally conductive connection can be achieved, even with correspondingly large manufacturing tolerances of the base plate.
  • the sealing tape itself can be made of individual sheets or of endless tape folded back and forth in a Z shape between the individual battery cells.
  • the sealing tape can have a thermal barrier.
  • a thermal barrier in the sealing tape can ensure that a thermal influence on neighboring individual battery cells is prevented, which is particularly advantageous if one of the individual battery cells thermally runs away, i.e. heats up excessively due to a fault.
  • the effect on the neighboring individual battery cells can be minimized by a thermal barrier integrated into the sealing tape.
  • the composite itself can have at least one detachable or removable alignment element with spacers that protrude between the individual battery cells.
  • a removable alignment element can, for example, be arranged transversely to the stacking direction on the right and left of the composite or stack of the individual battery cells in order to ensure a defined thickness of the elastic sealing tape when stacking over the spacers.
  • the composite can also have a fixing aid.
  • the alignment element and fixing aid can be used together so that the composite of the individual battery cells is stacked accordingly with sealing tape placed between them, whereby a defined mechanical distance between the individual battery cells and thus a defined mechanical size of the composite is achieved via the at least one alignment element and its spacers. It can then be fixed accordingly with at least one fixing aid, after which the alignment element can already be removed.
  • the fixing aid can comprise an adhesive tape that is flexible in a height direction transverse to the stacking direction of the composite or can be designed as such. In particular, the fixing aid is designed to absorb forces in the stacking direction.
  • the fixing aid can also Have reinforcing fibers, for example an adhesive tape provided with reinforcing fibers such as glass fibers, natural fibers, Kevlar fibers, carbon fibers or the like.
  • reinforcing fibers for example an adhesive tape provided with reinforcing fibers such as glass fibers, natural fibers, Kevlar fibers, carbon fibers or the like.
  • its extension in the vertical direction is relatively small, so that a certain flexibility is created in this direction.
  • several thin strips of adhesive tape can be arranged adjacent to each other in the vertical direction but at a distance from each other.
  • the composite of the individual battery cells which is held together at least by the fixing aid and has the elastic sealing band between the individual battery cells, optionally with a thermal barrier in it, is correspondingly simple and efficient in its construction and can in particular completely dispense with the heavy end plates and, unlike the structures in the prior art, achieves the possibility of the individual battery cells sinking to the bottom of a housing after being inserted into it due to the described flexibility in the height direction.
  • this composite can then be fixed as a structural casting using a suitable casting compound, whereby this structural casting can, according to a very advantageous development, comprise polyurethane or consist of a polyurethane material.
  • the method according to the invention for assembling a battery in one of the described embodiments provides that the assembly of individual battery cells with intermediate sealing tape is stacked while maintaining a predetermined distance between the individual battery cells and is fixed along the stacking direction.
  • a thermally conductive adhesive is then applied to a first inner surface of the housing, in particular its base surface, after which the assembly is introduced into the housing in such a way that its stacking direction extends parallel to the first inner surface.
  • the individual battery cells of the assembly can then be moved individually in the direction of the first inner surface. If the first inner surface is designed as a base as described above, of the battery housing and this is arranged at the bottom during assembly, then this movement will occur automatically due to gravity, so that the individual battery cells will automatically sink towards the first inner surface due to gravity.
  • this inner surface for which rather rough manufacturing tolerances can typically be applied, the distance between the respective individual battery cells of the assembly and this first inner surface is therefore minimized in any case, so that a relatively small amount of thermally conductive adhesive can be used to achieve a good connection of the individual battery cells to this inner surface, which is then cooled.
  • this also has the decisive advantage that the cooling of the individual battery cells is more homogeneous and better, since a significantly better thermal connection to the corresponding inner surface can be achieved by using the thinnest possible layers of thermally conductive adhesive than if relatively thick and possibly still relatively different amounts of thermally conductive adhesive are arranged between the respective individual battery cell and the first inner surface of the housing.
  • the composite is then fixed in the housing by means of a casting compound, as is already known in principle from the state of the art.
  • Such a battery can be used ideally for various applications.
  • the structure and the assembly process are suitable, among other things, for individual battery cells in lithium-ion technology, and here in particular for prismatic individual battery cells, which are constructed without a frame or the like between the individual battery cells, so that the assembly consists only of the individual battery cells, the sealing tape and the fixing aid.
  • Such a battery can be constructed accordingly compactly and easily, since elements such as module end plates, heavy tension anchors and the like can be dispensed with.
  • the heat-conducting connection to the housing is improved, as already described above.
  • a motor vehicle according to the invention therefore envisages the use of such a battery, which is electrically coupled to its at least partially electrically driven drive train.
  • Fig. 2 shows the basic structure of a battery assembly in a possible embodiment for a battery according to the invention
  • Fig. 3 the composite according to Fig. 2 with alignment elements in a side view
  • Fig. 4 shows the representation according to Fig. 3 in a plan view
  • Fig. 5 is a schematic representation of an alternative embodiment of an alignment element
  • Fig. 6 is a representation of the composite according to Fig. 3 with additional fixing aids;
  • Fig. 7 the introduction of the composite according to Fig. 6 into a battery housing
  • Fig. 8 shows a battery analogous to the representation in Fig. 1 in an embodiment according to the invention.
  • a battery designated 1 can be seen in a structure according to the state of the art.
  • This battery essentially consists of a battery housing designated 2, which is made up of side walls 2.1 and a base plate 2.2.
  • a battery module 3 is then placed in this battery housing 2, which consists of several prismatic individual battery cells 4, which are stacked in a stacking direction S with intermediate frame elements 5.
  • the module 3 is firmly clamped between two module end plates 6 via clamping elements, which cannot be seen here, and forms a mechanically rigid unit in which the individual battery cells 4 are positioned at their predetermined location.
  • the Individual battery cells 4 are fixed within the module 3 and, if necessary, the module 3 within the battery housing 2 via a structural casting 7, with a thermally conductive adhesive 8 also being arranged between the base plate 2.2 and the individual battery cells 4 in order to thermally connect the individual battery cells to the cooled base plate 2.2. Due to the comparatively large manufacturing tolerances of the housing 2 or its base plate 2.2, a large amount of thermally conductive adhesive 8 is required in places in order to connect all of the individual battery cells 4 accordingly and to compensate for the tolerances of the base plate 2.2 compared to the rigid module 3 of the individual battery cells 4.
  • this also ensures that the thermal connection of those individual battery cells 4 which are a comparatively large distance from the base plate 2.2 is not as good as that of those individual battery cells 4 which are only a small distance from the base plate 2.2.
  • a composite 11 of individual battery cells 4 can be seen, which consists of the individual battery cells 4 stacked in the stacking direction S and a flexible sealing tape 12 arranged between them.
  • This flexible sealing tape 12 can optionally comprise a thermal barrier 13, which is shown here between the individual battery cells, but not at the end of the stack in the sealing tape 12.
  • This sealing tape 12 thanks to its flexibility, allows the stack to be mobile both in the stacking direction S, when the individual battery cells 4 expand and contract in this direction during charging and discharging, and in particular also to be flexible transversely thereto, in particular in a height direction designated here as H, whereby this flexibility is also present analogously to a width direction which is perpendicular to both the stacking direction and the height direction.
  • This assembly 11 of the individual battery cells 4 is now positioned, as can be seen in the illustration in Figures 3 and 4, using alignment elements 14 with a defined distance between the individual battery cells 4.
  • the flexible elastic sealing strip 12 is located between the individual battery cells 4, which could also have the thermal barrier 13 here, although this is not shown in Figures 3 ff. to simplify the illustration.
  • individual spacers 15 of the alignment elements 14 can be seen, which protrude between the individual battery cells and thus define the distance and ultimately the thickness of the elastic sealing tape 12 present in the composite 11.
  • rigid alignment aids 14 which can be removed from the composite 11 again during the further course of assembly, it would also be conceivable to use a bubble wrap, which is inserted via a roll 16 shown in Figure 5.
  • the alignment element would then consist of a type of bubble wrap, which, however, enables a function essentially comparable to that of the rigid alignment elements 14.
  • the illustration in Figure 6 takes up the illustration in Figure 3 again.
  • the two alignment elements 14 can be seen here, which hold the individual battery cells 4 of the assembly 11 at their predetermined distance.
  • three fixing aids 17 can be seen between the two alignment elements 14 and adjacent to them above and below in the height direction H.
  • These fixing aids 17 serve to absorb forces, in particular in the stacking direction S, and to enable the greatest possible flexibility in the height direction H.
  • the alignment aids therefore preferably consist of adhesive tapes which have a comparatively small width in the height direction H and which are preferably reinforced by glass fibers or other types of fibers in the stacking direction S.
  • After attaching these fixing aids 17, a manageable assembly 11 is created, the alignment elements of which can be removed.
  • the film can simultaneously form the fixing aid 17, but this does not have to be the case.
  • This composite 11 can now, as can be seen in the illustration in Figure 7, be inserted from above in the height direction H into the housing 2 of a battery 10 according to the invention. Due to the flexibility of the fixing aids 17 on the one hand and the elastic sealing tape 12 on the other hand in the height direction H, the individual battery cells 4 can now lower themselves onto the base plate 2.2 of the housing 2 and thus ensure a comparatively good thermal connection with the minimum necessary amount of thermally conductive adhesive 8 between the base plate 2.2 and the respective battery cell 4. This deliberate allowance of lowering in the height direction H thus enables an improved thermal connection without the need for an expensive increase in the manufacturing tolerances of the base plate 2.2. By saving large amounts of thermally conductive adhesive 8 and by saving the module end plates 6 that are usual in the prior art and the tension anchors that connect them, weight and installation space are also saved in the battery 10 according to the invention.
  • the structure known from Figure 7 is then fixed with a structural casting 7, analogous to the prior art, which fixes it within the housing 2.
  • the structural casting 7 can be used to fix the individual battery cells 4, which are already connected via the thermally conductive adhesive, in the housing 2, i.e. in particular to connect them to one another and to connect them to the housing walls 2.1.

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Abstract

Die Erfindung betrifft eine Batterie (10) mit einem Gehäuse (2) und wenigstens einem Modul von Batterieeinzelzellen (4), welche als Verbund (11) in das Gehäuse (2) eingesetzt sind, mit wenigstens einer Schicht eines Wärmeleitklebers (8) sowie einem Strukturverguss (7). Die erfindungsgemäße Batterieeinzelzelle ist dadurch gekennzeichnet, dass der Verbund (11) der Batterieeinzelzellen (4) zwischen den aufgestapelten Batterieeinzelzellen (4) in Stapelrichtung (S) ein elastisches flexibles Dichtband (12) aufweist, über welches die Seitenflächen benachbarter Batterieeinzelzellen (4) jeweils beabstandet voneinander gehalten sind.

Description

Batterie, Verfahren zur Montage einer Batterie und Kraftfahrzeug
Die Erfindung betrifft eine Batterie nach der im Oberbegriff von Anspruch 1 näher definierten Art. Außerdem betrifft die Erfindung ein Verfahren zur Montage einer derartigen Batterie. Die Erfindung betrifft außerdem ein Kraftfahrzeug mit einer derartigen Batterie.
Batterien mit einem Gehäuse und wenigstens einem Batteriemodul sind soweit aus dem Stand der Technik bekannt. So beschreiben beispielsweise die DE 102016213 138 A1 sowie die DE 102008 010 828 A1 verschiedene Batterieeinzelzellen, welche zu einem Modul zusammengefasst werden können, welches dann als Verbund der Batterieeinzelzellen in ein Gehäuse eingesetzt werden kann. Ein derartiges Modul als Verbund von Batterieeinzelzellen ist beispielsweise in der DE 102008 010 824 A1 beschrieben.
Der typische und dem Fachmann geläufige Aufbau sieht es dabei vor, dass die Batterieeinzelzellen beispielsweise über die in der genannten Schrift gezeigten Spannelemente und typischerweise Endplatten zu dem Modul komplettiert und in ein Gehäuse eingesetzt werden. Zur Befestigung und mechanischen Sicherung kann dieses Modul über einen Strukturverguss in dem Gehäuse fixiert werden. Das Modul selbst kann dann wie es in der genannten Schrift beschrieben ist eine eigene Kühlplatte aufweisen oder wird, so wie es sich mittlerweile im allgemeinen Stand der Technik etabliert hat, über einen Wärmeleitkleber auf eine Bodenfläche des Gehäuses aufgeklebt, welche ihrerseits gekühlt wird.
In der Praxis ergibt sich hier der Nachteil, dass einerseits diese Module relativ starr, groß und schwer ausgebildet sind. Darüber hinaus ist es so, dass eventuelle Toleranzen in dem Batteriegehäuse, welches häufiger aus dünnen Blechen aufgebaut ist, über den Wärmeleitkleber ausgeglichen werden müssen, sodass letztlich alle in dem Verbund des Moduls starr verbauten Batterieeinzelzellen mit dem eine vergleichsweise hohe Toleranz hinsichtlich seiner Ebenheit aufweisenden Boden des Gehäuses in wärmeleitendem Kontakt stehen.
Letztlich führt dies zu einer vergleichsweise aufwändigen Montage und zu einer unnötig schweren und großen Batterie.
Die Aufgabe der hier vorliegenden Erfindung besteht nun darin diese genannten Nachteile zu vermeiden und eine verbesserte Batterie mit den Merkmalen im Oberbegriff des Anspruchs 1 anzugeben. Darüber hinaus ist es die Aufgabe der hier vorliegenden Erfindung ein verbessertes Montageverfahren sowie ein Kraftfahrzeug mit einer derartigen Batterie anzugeben.
Erfindungsgemäß wird diese Aufgabe durch eine Batterie mit den Merkmalen im Anspruch 1 , und hier insbesondere im kennzeichnenden Teil des Anspruchs 1 , gelöst. Außerdem löst ein Verfahren gemäß Anspruch 9 sowie ein Kraftfahrzeug gemäß Anspruch 10 die Aufgabe.
Bei der erfindungsgemäßen Batterie ist es nun so, dass der Verbund der Batterieeinzelzellen zwischen den aufgestapelten Batterieeinzelzellen ein elastisches, flexibles Dichtband aufweist, über welches die Seitenflächen benachbarter Batterieeinzelzellen jeweils beabstandet voneinander gehalten sind. Hierdurch wird es möglich über das elastische flexible Dichtband einerseits Toleranzen auszugleichen und eine Bewegung der Batterieeinzelzellen in Stapelrichtung einerseits ebenso wie quer zur Stapelrichtung andererseits zu ermöglichen. Das elastische flexible Dichtband liegt also zwischen den Batterieeinzelzellen und hält diese in einem definierten Abstand zueinander, sodass eine Dickenänderung der Batterieeinzelzellen beim Laden und Entladen durch die Elastizität des Dichtbandes aufgenommen werden kann. Das elastische Dichtband sorgt außerdem dafür, dass in den in Stapelrichtung zwischen den Batterieeinzelzellen liegenden Bereich keine Masse des Stukturvergusses gelangen kann, welche dort die freie Beweglichkeit der Batterieeinzelzellen hinsichtlich einer Dickenänderung, dem sogenannten „Atmen“ der Batterieeinzelzellen, beeinträchtigen könnte. Schon hierdurch wird ein verbesserter Aufbau mit guter Performance der und verlängerter Lebensdauer der Batterieeinzelzellen erreicht. Ferner ist es so, dass das elastische flexible Dichtband auch eine gewisse Flexibilität quer zur Stapelrichtung zulässt, sodass die Batterieeinzelzellen sich beispielsweise auf ein nicht vollständig ebenes Bodenblech eines Gehäuses absenken können. Hierdurch kann mit einer vergleichsweise geringen Menge an Wärmeleitkleber und geringem Abstand der einzelnen Batterieeinzelzellen zu der Bodenplatte eine gute wärmeleitende Anbindung, auch bei entsprechend groben Fertigungstoleranzen der Bodenplatte, realisiert werden.
Das Dichtband selbst kann dabei aus einzelnen Blättern oder aus Z-förmig zwischen den einzelnen Batterieeinzelzellen hin und her gefaltetem Endlosband ausgebildet sein.
Gemäß einer sehr vorteilhaften Ausgestaltung der Batterie gemäß der Erfindung kann das Dichtband eine thermische Barriere aufweisen. Eine solche thermische Barriere in dem Dichtband kann dafür sorgen, dass eine thermische Beeinflussung benachbarter Batterieeinzelzellen unterbunden wird, was insbesondere dann von Vorteil ist, wenn eine der Batterieeinzelzellen thermisch durchgeht, sich also aufgrund eines Fehlers übermäßig stark erhitzt. Durch eine in das Dichtband integrierte thermische Barriere kann die Auswirkung auf die benachbarten Batterieeinzelzellen minimiert werden.
Der Verbund selbst kann dabei wenigstens ein lösbares bzw. entfernbares Ausrichtungselement mit zwischen die Batterieeinzelzellen ragenden Abstandshaltern aufweisen. Ein solches entfernbares Ausrichtungselement kann beispielsweise quer Stapelrichtung rechts und links an dem Verbund bzw. Stapel der Batterieeinzelzellen angeordnet sein, um beim Aufstapeln über die Abstandshalter eine definierte Dicke des elastischen Dichtbandes zu gewährleisten.
Gemäß einer weiteren sehr vorteilhaften Ausgestaltung kann der Verbund außerdem eine Fixierhilfe aufweisen. Insbesondere lassen sich Ausrichtungselement und Fixierhilfe zusammen einsetzen, sodass der Verbund aus den Batterieeinzelzellen mit zwischengelegtem Dichtband entsprechend aufgestapelt wird, wobei über das wenigstens eine Ausrichtungselement und seine Abstandshalter ein definierter mechanischer Abstand der Batterieeinzelzellen und damit eine definierte mechanische Größe des Verbunds realisiert wird. Er lässt sich dann mit wenigstens einer Fixierhilfe entsprechend fixieren, wonach das Ausrichtungselement bereits abgenommen werden kann. Die Fixierhilfe kann dabei ein in einer Höhenrichtung quer zur Stapelrichtung des Verbunds flexibles Klebeband umfassen oder als solches ausgebildet sein. Insbesondere ist die Fixierhilfe dazu eingerichtet Kräfte in Stapelrichtung aufzunehmen. Die Fixierhilfe kann dafür auch Verstärkungsfasern aufweisen, beispielsweise ein mit Verstärkungsfasern wie beispielsweise Glasfasern, Naturfasern, Kevlarfasern, Kohlefasern oder dergleichen versehenes Klebeband sein. Insbesondere ist seine Ausdehnung in Höhenrichtung relativ klein, sodass in diese Richtung eine gewisse Flexibilität entsteht. Es können insbesondere mehrere dünne Streifen von Klebeband in Höhenrichtung benachbart aber beabstandet zueinander angeordnet werden.
Eine Alternative könnte es auch sein die Fixierhilfe und das Ausrichtungselement entsprechend zusammenzufassen, sodass dieses beispielsweise aus einer Art Noppenfolie besteht, wobei die Noppen die Abstandshalter ausbilden und durch ein Umwickeln des Verbunds mit der Noppenfolie dieser entsprechend fixiert wird.
Der Verbund aus den Batterieeinzelzellen, welcher zumindest über die Fixierhilfe zusammengehalten wird und das elastische Dichtband zwischen den Batterieeinzelzellen, optional mit einer thermischen Barriere darin aufweist, ist entsprechend einfach und effizient in seinem Aufbau und kann insbesondere auf die schweren Endplatten vollständig verzichten und erreicht, anders als die Aufbauten im Stand der Technik, durch die beschriebene Flexibilität in Höhenrichtung die Möglichkeit, dass die einzelnen Batterieeinzelzellen sich nach dem Einsetzen in ein Gehäuse auf dessen Gehäuseboden absenken.
In der Batterie lässt sich dieser Verbund dann über eine geeignete Vergussmasse als Strukturverguss fixieren, wobei dieser Strukturverguss gemäß einer sehr vorteilhaften Weiterbildung Polyurethan aufweisen oder aus einem Polyurethanmaterial bestehen kann.
Das erfindungsgemäße Verfahren zur Montage einer Batterie in einer der beschriebenen Ausführungsformen sieht es dabei vor, dass der Verbund von Batterieeinzelzellen mit zwischenliegendem Dichtband unter Einhaltung eines vorgegebenen Abstands der Batterieeinzelzellen aufgestapelt und entlang der Stapelrichtung fixiert wird. Im Anschluss wird ein Wärmeleitkleber auf eine erste Innenfläche des Gehäuses, insbesondere dessen Bodenfläche, aufgebracht, wonach der Verbund in der Art in das Gehäuse eingebracht wird, dass sich dessen Stapelrichtung parallel zu der ersten Innenfläche erstreckt. Die Batterieeinzelzellen des Verbunds lassen sich dann einzeln in Richtung der ersten Innenfläche bewegen. Ist die erste Innenfläche wie oben bereits beschrieben als Boden des Batteriegehäuses ausgebildet und ist dieser während der Montage unten angeordnet, dann wird diese Bewegung aufgrund der Schwerkraft von alleine erfolgen, sodass die Batterieeinzelzellen sich aufgrund der Schwerkraft selbsttätig in Richtung der ersten Innenfläche absenken. Ungeachtet der exakten Ausgestaltung dieser Innenfläche, für welche typischerweise eher grobe Fertigungstoleranzen angesetzt werden können, wird der Abstand zwischen den jeweiligen Batterieeinzelzellen des Verbunds und dieser ersten Innenfläche also in jedem Fall minimiert, sodass mit einer relativ geringen Menge an Wärmeleitkleber eine gute Anbindung der Batterieeinzelzellen an diese Innenfläche, welche dann gekühlt wird, erfolgen kann. Neben der reinen Einsparung von Klebstoff und Masse bei der Montage der Batterie hat dies auch den entscheidenden Vorteil, dass die Kühlung der Batterieeinzelzellen dabei homogener und besser wird, da durch möglichst dünne Schichten an Wärmeleitkleber eine deutlich bessere thermische Anbindung an die entsprechenden Innenfläche erzielt werden kann, als wenn relativ dicke und gegebenenfalls noch in ihrer Dicke relativ unterschiedliche Mengen an Wärmeleitkleber zwischen der jeweiligen Batterieeinzelzelle und der ersten Innenfläche des Gehäuses angeordnet sind.
Zum Abschluss des Montageverfahrens wird der Verbund dann in dem Gehäuse mittels einer Vergussmasse fixiert, wie dies prinzipiell auch aus dem Stand der Technik bereits bekannt ist.
Eine derartige Batterie lässt sich für verschiedene Anwendungen ideal einsetzten. Der Aufbau und das Montageverfahren eignen sich, unter anderem, für Batterieeinzelzellen in Lithium-Ionen-Technologie, und hier insbesondere für prismatische Batterieeinzelzellen, welche ohne einen Rahmen oder dergleichen zwischen den Batterieeinzelzellen aufgebaut sind, sodass der Verbund lediglich aus den Batterieeinzelzellen, dem Dichtband und der Fixierhilfe besteht. Eine derartige Batterie lässt sich entsprechend kompakt und leicht aufbauen, da auf Elemente wie Modul-Endplatten, schwere Spannanker und dergleichen verzichtet werden kann. Gleichzeitig wird die wärmeleitende Anbindung an das Gehäuse, wie es oben schon beschrieben worden ist, verbessert. Neben dem allgemeinen Einsatz einer solchen Batterie ist diese nun insbesondere für den Einsatz in Fahrzeugen geeignet, da hier ein geringes Bauvolumen, ein geringes Baugewicht und eine dementsprechend hohe Batteriekapazität je Volumen- oder Gewichtseinheit von entscheidendem Vorteil ist. Ein erfindungsgemäßes Kraftfahrzeug sieht deshalb den Einsatz einer derartigen Batterie vor, welche mit seinem zumindest teilweise elektrisch angetriebenen Antriebsstrang elektrisch gekoppelt ist.
Weitere vorteilhafte Ausgestaltungen der erfindungsgemäßen Batterie und des Herstellungsverfahrens ergeben sich auch aus dem Ausführungsbeispiel, welches nachfolgend unter Bezugnahme auf die Figuren näher beschrieben ist.
Dabei zeigen:
Fig. 1 eine Batterie in einer Ausführung gemäß dem Stand der Technik;
Fig. 2 der Grundaufbau eines Batterieverbunds in einer möglichen Ausgestaltung für eine Batterie gemäß der Erfindung;
Fig. 3 der Verbund gemäß Fig. 2 mit Ausrichtungselementen in einer Seitenansicht;
Fig. 4 die Darstellung gemäß Fig. 3 in einer Draufsicht;
Fig. 5 eine schematische Darstellung einer alternativen Ausführungsform eines Ausrichtungselements;
Fig. 6 eine Darstellung des Verbunds gemäß Fig. 3 mit zusätzlichen Fixierhilfen;
Fig. 7 das Einbringen des Verbunds gemäß Fig. 6 in ein Batteriegehäuse; und
Fig. 8 eine Batterie analog zur Darstellung in Fig. 1 in einer erfindungsgemäßen Ausführungsform.
In der Darstellung der Figur 1 ist eine mit 1 bezeichnete Batterie in einem Aufbau gemäß dem Stand der Technik zu erkennen. Diese Batterie besteht im Wesentlichen aus einem mit 2 bezeichneten Batteriegehäuse, welches aus Seitenwänden 2.1 sowie einer Bodenplatte 2.2 aufgebaut ist. In dieses Batteriegehäuse 2 wird nun ein Batteriemodul 3 eingestellt, welches aus mehreren prismatischen Batterieeinzelzellen 4 besteht, welche in einer Stapelrichtung S mit zwischenliegenden Rahmenelementen 5 aufgestapelt sind. Das Modul 3 ist dabei zwischen zwei Modulendplatten 6 über Spannelemente, welche hier nicht zu erkennen sind, fest verspannt und bildet eine mechanisch starre Einheit, bei welcher die Batterieeinzelzellen 4 an ihrem vorgegebenen Ort positioniert sind. Die Batterieeinzelzellen 4 sind dabei innerhalb des Moduls 3 sowie gegebenenfalls das Modul 3 innerhalb des Batteriegehäuses 2 über einen Strukturverguss 7 fixiert, wobei zwischen der Bodenplatte 2.2 und den Batterieeinzelzellen 4 außerdem ein Wärmeleitkleber 8 angeordnet ist, um die Batterieeinzelzellen thermisch an die gekühlte Bodenplatte 2.2 anzubinden. Aufgrund der vergleichsweise großen Fertigungstoleranzen des Gehäuses 2 bzw. seiner Bodenplatte 2.2 ist hier stellenweise sehr viel Wärmeleitkleber 8 notwendig, um alle Batterieeinzelzellen 4 entsprechend anzubinden und die Toleranzen der Bodenplatte 2.2 gegenüber dem starren Modul 3 der Batterieeinzelzellen 4 auszugleichen. Neben dem zusätzlichen Gewicht und Bauraum dieser dicken Schicht an Wärmeleitkleber 8 sorgt dies auch dafür, dass die thermische Anbindung derjenigen Batterieeinzelzellen 4, welche einen vergleichsweise großen Abstand zu der Bodenplatte 2.2 aufweisen, nicht so gut ist, wie die derjenigen Batterieeinzelzellen 4, welche lediglich einen geringen Abstand zu der Bodenplatte 2.2 haben.
In der Darstellung der Figur 2 ist nun ein Verbund 11 aus Batterieeinzelzellen 4 zu erkennen, welcher aus den in Stapelrichtung S aufgestapelten Batterieeinzelzellen 4 und einem dazwischen angeordneten flexiblen Dichtband 12 besteht. Dieses flexible Dichtband 12 kann optional eine thermische Barriere 13 umfassen, welche hier jeweils zwischen den Batterieeinzelzellen, nicht jedoch an dem Ende des Stapels in dem Dichtband 12 dargestellt ist. Dieses Dichtband 12 erlaubt über seine Flexibilität nun eine Beweglichkeit des Stapels sowohl in Stapelrichtung S, wenn die Batterieeinzelzellen 4 sich beim Laden und Entladen in dieser Richtung ausdehnen und zusammenziehen, als insbesondere auch eine Flexibilität quer hierzu, insbesondere in einer hier mit H bezeichneten Höhenrichtung, wobei diese Flexibilität analog hierzu auch zu einer Breitenrichtung, welche senkrecht sowohl auf der Stapelrichtung als auch der Höhenrichtung steht, vorhanden ist.
Dieser Verbund 11 der Batterieeinzelzellen 4 wird nun, wie es in der Darstellung der Figuren 3 und 4 zu erkennen ist, über Ausrichtungselemente 14 mit definiertem Abstand der Batterieeinzelzellen 4 zueinander positioniert. Zwischen den Batterieeinzelzellen 4 liegt dabei das flexible elastische Dichtband 12, welches auch hier die thermische Barriere 13 aufweisen könnte, wobei diese zur Vereinfachung der Abbildung in den Figuren 3 ff. nicht eingezeichnet ist. In der Draufsicht der Figur 4 sind dabei einzelne Abstandshalter 15 der Ausrichtungselemente 14 zu erkennen, welche zwischen die Batterieeinzelzellen ragen und damit den Abstand und letztlich die in dem Verbund 11 vorliegende Dicke des elastischen Dichtbandes 12 entsprechend definieren. Anstelle des Einsatzes starrer Ausrichtungshilfen 14, welche im weiteren Verlauf der Montage wieder von dem Verbund 11 abgenommen werden können, wäre auch der Einsatz einer Noppenfolie denkbar, welche über eine in Figur 5 dargestellte Rolle 16 eingebracht wird. Das Ausrichtungselement bestünde dann aus einer Art Noppenfolie, welche jedoch eine im Wesentlichen vergleichbare Funktion wie die starren Ausrichtungselemente 14 ermöglicht.
In der Darstellung der Figur 6 wird nochmals die Darstellung aus Figur 3 aufgegriffen. Dabei sind die beiden Ausrichtungselemente 14 zu erkennen, welche die Batterieeinzelzellen 4 des Verbunds 11 auf ihrem vorgegebenen Abstand halten. Außerdem sind drei Fixierhilfen 17 zwischen den beiden Ausrichtungselementen 14 und benachbart zu diesen oberhalb und unterhalb in der Höhenrichtung H erkennbar. Diese Fixierhilfen 17 dienen dazu Kräfte insbesondere in Stapelrichtung S aufzunehmen und eine möglichst hohe Flexibilität in der Höhenrichtung H zu ermöglichen. Vorzugsweise bestehen die Ausrichtungshilfen deshalb aus Klebebändern, welche in Höhenrichtung H eine vergleichsweise geringe Breite haben, und welche in der Stapelrichtung S vorzugsweise durch Glasfasern oder andersartige Fasern verstärkt sind. Nach dem Anbringen dieser Fixierhilfen 17 entsteht somit ein handhabbarer Verbund 11, dessen Ausrichtungselemente abgenommen werden können. Beim Einsatz einer Noppenfolie als Ausrichtungselemente 14 kann die Folie gleichzeitig die Fixierhilfe 17 mit ausbilden, muss dies jedoch nicht.
Dieser Verbund 11 kann nun, wie es in der Darstellung der Figur 7 zu erkennen ist, in der Höhenrichtung H von oben in das Gehäuse 2 einer erfindungsgemäßen Batterie 10 eingesetzt werden. Aufgrund der Flexibilität der Fixierhilfen 17 einerseits und des elastischen Dichtbandes 12 andererseits in der Höhenrichtung H können sich die einzelnen Batterieeinzelzellen 4 nun auf die Bodenplatte 2.2 des Gehäuses 2 absenken und sorgen so für eine vergleichsweise gute thermische Anbindung mit der jeweils minimalen notwendigen Menge an Wärmeleitkleber 8 zwischen der Bodenplatte 2.2 und der jeweiligen Batterieeinzelzelle 4. Dieses bewusste zulassen der Absenken in der Höhenrichtung H ermöglicht also eine verbesserte thermische Anbindung, ohne dass hierfür eine teure Steigerung der Fertigungstoleranzen der Bodenplatte 2.2 notwendig wäre. Durch die Einsparung von großen Mengen an Wärmeleitkleber 8 und durch die Einsparung der im Stand der Technik üblichen Modulendplatten 6 sowie der sie verbindenden Spannanker wird außerdem Gewicht und Bauraum bei der erfindungsgemäßen Batterie 10 eingespart.
In einem weiteren Montagschritt wird dann, wie es in der Darstellung der Figur 8 abschließend zu erkennen ist, der aus Figur 7 bekannt Aufbau, analog zum Stand der Technik, mit einem Strukturverguss 7 fixiert, wodurch eine Fixierung innerhalb des Gehäuses 2 erfolgt. Durch das elastische flexible Dichtband 12, welches in der Darstellung der Figur 8 wieder mit den optionalen thermischen Barrieren 13 dargestellt ist, wird dabei verhindert, dass der Strukturverguss 7 großflächig zwischen die Batterieeinzelzellen 4 eindringt und diese an ihrer beim Laden und Entladen entstehenden Bewegung, dem sogenannten Atmen, hindert. Dennoch kann über den Strukturverguss 7 jedoch die Fixierung der über den Wärmeleitkleber bereits angebundenen Batterieeinzelzellen 4 in dem Gehäuse 2, also insbesondere ihre Verbindung untereinander und ihre Verbindung mit den Gehäusewänden 2.1, ermöglicht werden.

Claims

Patentansprüche
1. Batterie (10) mit einem Gehäuse (2) und wenigstens einem Modul von Batterieeinzelzellen (4), welche als Verbund (11) in das Gehäuse (2) eingesetzt sind, mit wenigstens einer Schicht eines Wärmeleitklebers (8) sowie einem Strukturverguss (7), dadurch gekennzeichnet, dass der Verbund (11) der Batterieeinzelzellen (4) zwischen den aufgestapelten Batterieeinzelzellen (4) in Stapelrichtung (S) ein elastisches flexibles Dichtband (12) aufweist, über welches die Seitenflächen benachbarter Batterieeinzelzellen (4) jeweils beabstandet voneinander gehalten sind.
2. Batterie (10) nach Anspruch 1 , dadurch gekennzeichnet, dass das Dichtband (12) eine thermische Barriere (13) aufweist.
3. Batterie (10) nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass der Verbund (11) wenigstens ein lösbares Ausrichtungselement (14) mit zwischen die Batterieeinzelzellen (4) ragenden Abstandshaltern (15) aufweist.
4. Batterie (10) nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass der Verbund (11) wenigstens eine Fixierhilfe (17) aufweist.
5. Batterie (10) nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass die Fixierhilfe (17) wenigstens ein in einer Höhenrichtung (H) flexibles Klebeband aufweist.
6. Batterie (10) nach einem der Ansprüche 4 oder 5, dadurch gekennzeichnet, dass die Fixierhilfe (17) Verstärkungsfasern aufweist.
7. Batterie (10) nach Anspruch 4, 5 oder 6, dadurch gekennzeichnet, dass die Fixierhilfe (17) dazu ausgebildet ist, Kräfte in Stapelrichtung (S) aufzunehmen.
8. Batterie (10) nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass der Strukturverguss (7) Polyurethan aufweist.
9. Verfahren zur Montage einer Batterie (10) nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass der Verbund (11) von Batterieeinzelzellen (4) mit zwischenliegendem Dichtband (12) unter Einhaltung eines vorgegebenen Abstandes der Batterieeinzelzellen (4) in Stapelrichtung (S) zueinander aufgestapelt und entlang der Stapelrichtung (S) fixiert wird, wonach Wärmeleitkleber (8) auf eine erste Innenfläche des Gehäuses (2) aufgebracht wird, wonach der Verbund (11) in der Art in das Gehäuse (2) eingebracht wird, dass sich dessen Stapelrichtung parallel zu der ersten Innenfläche erstreckt, wobei die Batterieeinzelzellen (4) einzeln in Richtung der ersten Innenfläche bewegt werden oder sich aufgrund der Schwerkraft in diese Richtung absenken, und wonach der Verbund (11) in dem Gehäuse (2) mittels eines Strukturvergusses (7) fixiert wird.
10. Kraftfahrzeug mit einer Batterie (10) nach einem der Ansprüche 1 bis 8, welches einen zumindest teilweise elektrisch betriebenen Antriebsstrang aufweist, welcher mit der Batterie (10) zur Leistungsübertagung verbunden ist.
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