WO2013117446A1 - GEHÄUSE FÜR EINE BATTERIEZELLE MIT EINER THERMOGEFORMTEN AUßENSCHALE AUS KUNSTSTOFF, BATTERIEZELLE, BATTERIEMODUL SOWIE KRAFTFAHRZEUG - Google Patents

GEHÄUSE FÜR EINE BATTERIEZELLE MIT EINER THERMOGEFORMTEN AUßENSCHALE AUS KUNSTSTOFF, BATTERIEZELLE, BATTERIEMODUL SOWIE KRAFTFAHRZEUG Download PDF

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Michael Gless
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Robert Bosch Gmbh
Samsung Sdi Co., Ltd.
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    • Y02E—REDUCTION OF GREENHOUSE GAS [GHG] EMISSIONS, RELATED TO ENERGY GENERATION, TRANSMISSION OR DISTRIBUTION
    • Y02E60/00—Enabling technologies; Technologies with a potential or indirect contribution to GHG emissions mitigation
    • Y02E60/10—Energy storage using batteries

Definitions

  • the present invention relates to a housing for a battery cell, a
  • Battery cell Battery cell, a battery module and a motor vehicle.
  • Housings for lithium-ion cells are usually made of deep-drawn
  • Such cases are called hardcase cases.
  • Such a metallic housing is electrically conductive.
  • Electrode is placed on the housing.
  • the housing has to be electrically insulated for itself. Only then is it possible to group the cells connected in series in a battery module cell by cell without short circuits.
  • the insulation of the housing of the cell takes place via an electrically insulating surface, for example by packaging the cell with self-adhesive polyester film.
  • Insulation fault monitoring issues an error message.
  • a housing for a battery cell preferably a lithium-ion battery cell
  • the housing according to the invention of a metallic inner part and the inner part partially surrounding thermoformed outer shell made of plastic, which is electrically insulating.
  • the outer shell For the design of the outer shell a variety of options are given, which ultimately is crucial that short circuits are reliably avoided, the outer shell must be provided in extreme cases only at the touching points of the battery cells including a surcharge for the creepage distances.
  • Embodiments described below relate to housing for prismatic battery cells or for battery cells with a prismatic inner part, which of course are also applicable in a modified form for other forms of battery cells.
  • the outer shell surrounds the metallic inner part of the housing on five sides, wherein preferably the side of the metallic inner part, which carries the terminals of the battery cell, is not covered by the outer shell.
  • the outer shell therefore also has a prismatic shape or has a prismatic body, with one side being open.
  • the outer shell covers the inner part of the housing only on three sides, so that it has a U-shaped cross-section.
  • each battery cell is a separate one
  • Outer shell designed such that at least two prismatic, open to one side body or shells are given, each of which is like the embodiment described above.
  • the least two prismatic, open to one side body or shells are given, each of which is like the embodiment described above.
  • prismatic bodies are connected to each other via a web or along an edge of the open side, thereby forming a common outer shell for at least two battery cells.
  • the outer shell or the respective prismatic body to cover the inner part of the housing only on three sides, so that it in each case has a U-shaped cross section.
  • the battery cells can be arranged in a row or else in at least two parallel rows.
  • the connecting web (s) project beyond the surface formed by the open sides of the outer shell, thus creating a kind of "expansion crease" with which the distance between the individual prismatic bodies of the outer shell is variable
  • the outer shell as in the embodiment described above, is designed such that at least two prismatic, open to one side body are given, which are connected to each other via a web or along an edge of the open side.
  • the web is dimensioned in this embodiment such that its surface corresponds to the open side of a prismatic body.
  • the web has two passage openings for the passage of the terminals of battery cells.
  • a part of the battery cells is introduced into the open on one side prismatic body of the outer shell and the other part is positioned from the opposite side in the region or below the web.
  • the respective prismatic body can also cover the inner part of the housing only on three sides.
  • the battery cells may be arranged depending on the configuration of the common outer shell in a row or in at least two parallel rows.
  • thermoformed outer shell of the housing consists of a
  • thermoplastic Suitable plastics or plastic films or boards are known in the art, such as polyolefins, polyesters and the like.
  • fiber-reinforced films possible to advantageously increase the mechanical stability of the outer shell again.
  • the outer shell of the housing according to the invention advantageously has a higher mechanical strength and elongation at break and a higher dielectric strength compared to other solutions for the isolation of housings for battery cells, such as applied by dipping or painting materials or heat shrink tubing, due to the experienced in the production stretching on.
  • the outer shell of the housing allows cost-effective isolation of battery cells through the use of tested, technically proven
  • the outer shells for the housing according to the invention advantageously have no weld lines or overlapping splices, which may be the cause of defects in the insulation.
  • the films used can also be easily checked for errors.
  • thermoforming The methods used for the production of thermoforming or
  • Stretch forming are familiar to the person skilled in the art. This is an automated, production-ready and process-reliable processing or
  • Leave the film lead can be avoided.
  • the outer shells can be manufactured with the help of a simple tool and are also suitable for the safe transport of the battery cells.
  • the battery cells can be used directly as a positive mold.
  • a battery cell module with at least two battery cells and a
  • Motor vehicle in particular an electric motor driven motor vehicle, provided, which has at least one inventive battery cell module, which is connected to a drive system of the motor vehicle.
  • Figure 1 is a perspective view of an outer shell for a
  • Figure 2 is a perspective view of an outer shell for a
  • Figure 3 is a perspective view of an outer shell for a
  • Figure 4 is a perspective view of an outer shell for a
  • the outer shell 10 is shown for receiving a metallic inner part of a housing for a battery cell.
  • This outer shell 10 has a prismatic body 1 1 with five closed sides and an open side 12, via which the inner part of the housing, not shown, is introduced.
  • the outer shell 10 shown in Figure 2 is provided for receiving two inner parts of housings on the open side 12.
  • a web 13 is provided between the two prismatic bodies 1 1, which extends from an open side 12 of a prismatic body 1 1 to the next open side 12 of the other prismatic body 1 1.
  • the webs 13 have the same area as the open sides 12 and two through holes 14 for the passage of terminals of the battery cells, not shown here, so that below the webs 13 two further internal parts can be arranged.
  • the outer shell 10 shows a series of prismatic bodies 1 1, which are each connected to a web 13, but here extends beyond the plane formed by the open side 12 and a kind
  • the outer shell 10 of Figure 4 corresponds substantially to the outer shell 10 of Figure 3, except here are two other lateral surfaces 15 and 16 of the prismatic body 1 1 also designed open, so that an inner part in the respective prismatic body 1 1 is enclosed in a U-shape ,

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Abstract

Es wird ein Gehäuse für eine Batteriezelle mit einem metallischen Innenteil und einer das Innenteil teilweise umgebenden thermogeformten Außenschale (10) aus Kunststoff beschrieben, das elektrisch isolierend ist. Eine thermogeformte Außenschale(10)weist eine erhöhte mechanische Festigkeit und Reißdehnung sowie eine erhöhte Durchschlagsfestigkeit im Vergleich zu Tauchlackierungen oder dergleichen auf. Ferner werdeneine Batteriezelle, ein Batteriezellenmodul und ein Kraftfahrzeug vorgeschlagen.

Description

Beschreibung Titel
Gehäuse für eine Batteriezelle mit einer thermogeformten Außenschale aus Kunststoff, Batteriezelle, Batteriemodul sowie Kraftfahrzeug
Die vorliegende Erfindung betrifft ein Gehäuse für eine Batteriezelle, eine
Batteriezelle, ein Batteriemodul sowie ein Kraftfahrzeug.
Stand der Technik
Gehäuse für Lithium-Ionen-Zellen bestehen üblicherweise aus tiefgezogenem
Aluminium-Blech. Derartige Gehäuse sind sogenannte Hardcase-Gehäuse.
Naturgemäß ist ein derartiges metallisches Gehäuse elektrisch leitend. Um
ungewollte elektrochemische Prozesse am Gehäuse zu minimieren, wird das
Potential des Gehäuses definiert, indem das positive Potential der inneren
Elektrode auf das Gehäuse gelegt wird.
Dadurch muss das Gehäuse für sich elektrisch isoliert werden. Nur so ist es möglich, die bei einem Batteriemodul in Reihe geschalteten Zellen, Zelle an Zelle ohne Kurzschlüsse zu gruppieren. Die Isolierung des Gehäuses der Zelle erfolgt über eine elektrisch isolierende Oberfläche, beispielsweise durch Verpacken der Zelle mit selbstklebender Polyesterfolie.
Es besteht bei der seriellen Verschaltung derartiger Zellen zu Modulen das
Problem, dass Spannungen zwischen den einzelnen Zellen durchschlagen
können, wobei die Zellen beschädigt und unbrauchbar werden bzw. eine
Isolationsfehler-Überwachung eine Fehlermeldung ausgibt.
Aus der DE 199 10 433 A1 sind Batterien und ein Verfahren zu deren Herstellung bekannt, wobei die Batterien in einem Beutel angeordnet sind, der zumindest teilweise aus einem nicht leitenden Material, wie einer Kunststofffolie besteht. Offenbarung der Erfindung
Erfindungsgemäß wird ein Gehäuse für eine Batteriezelle, vorzugsweise eine Lithium-Ionen-Batteriezelle, zur Verfügung gestellt, wobei das Gehäuse erfindungsgemäß aus einem metallischen Innenteil und einer das Innenteil teilweise umgebenden thermogeformten Außenschale aus Kunststoff, die elektrisch isolierend ist, besteht.
Zur Gestaltung der Außenschale sind verschiedenste Möglichkeiten gegeben, wobei letztlich entscheidend ist, dass Kurzschlüsse sicher vermieden werden, wobei die Außenschale im Extremfall nur an den sich berührenden Stellen der Batteriezellen inklusive eines Zuschlags für die Kriechstrecken vorgesehen sein muss. Nachstehend beschriebene Ausführungsformen beziehen sich auf Gehäuse für prismatische Batteriezellen bzw. für Batteriezellen mit einem prismatischen Innenteil, wobei diese natürlich in abgewandelter Form auch für andere Formen von Batteriezellen anwendbar sind. Bei einer Ausführungsform der Erfindung umgibt die Außenschale das metallische Innenteil des Gehäuses auf fünf Seiten, wobei vorzugsweise die Seite des metallischen Innenteils, das die Anschlüsse der Batteriezelle trägt, nicht von der Außenschale bedeckt wird. Die Außenschale besitzt daher ebenfalls eine prismatische Form bzw. weist einen prismatischen Körper auf, wobei eine Seite offen ist.
Alternativ ist es auch möglich, dass die Außenschale das Innenteil des Gehäuses lediglich auf drei Seiten bedeckt, so dass diese einen U-förmigen Querschnitt besitzt.
Bei diesen Ausführungsformen ist jede Batteriezelle mit einer separaten
Außenschale versehen, in die die Batteriezelle mit dem metallischen Innenteil leicht einschiebbar ist. Diese Batteriezellen können beliebig assembliert und anschließend verschaltet werden. Nach einer anderen bevorzugten Ausführungsform der Erfindung ist die
Außenschale derart gestaltet, dass zumindest zwei prismatische, nach einer Seite offene Körper bzw. Schalen gegeben sind, die jeweils wie die voranstehend beschriebene Ausführungsform beschaffen sind. Die zumindest zwei
prismatischen Körper sind dabei über einen Steg bzw. entlang einer Kante der offenen Seite miteinander verbunden, so dass dadurch eine gemeinsame Außenschale für zumindest zwei Batteriezellen gebildet wird.
Auch bei dieser Ausführungsform ist es alternativ möglich, dass die Außenschale bzw. der jeweilige prismatische Körper das Innenteil des Gehäuses lediglich auf drei Seiten bedeckt, so dass diese jeweils einen U-förmigen Querschnitt besitzt.
Die Batteriezellen können je nach Ausgestaltung der gemeinsamen Außenschale in einer Reihe oder auch in zumindest zwei parallelen Reihen angeordnet sein.
Vorzugsweise ragt/ragen der oder die verbindenden Steg/Stege über die durch die offenen Seiten der Außenschale gebildete Fläche hinaus, so dass eine Art „Dehnungsfalte" geschaffen wird, mit der der Abstand zwischen den einzelnen prismatischen Körpern der Außenschale veränderlich ist. Dadurch ist
vorteilhafterweise ein Dickenausgleich möglich.
Nach einer weiteren bevorzugten Ausführungsform ist die Außenschale, wie bei der voranstehend beschriebenen Ausführungsform derart gestaltet, dass zumindest zwei prismatische, nach einer Seite offene Körper gegeben sind, die über einen Steg bzw. entlang einer Kante der offenen Seite miteinander verbunden sind. Der Steg ist bei dieser Ausführungsform derart dimensioniert, dass dessen Fläche der offenen Seite eines prismatischen Körpers entspricht. Zudem weist der Steg zwei Durchgangsöffnungen zur Hindurchführung der Anschlüsse von Batteriezellen auf.
Bei dieser vorteilhaften Ausgestaltung wird ein Teil der Batteriezellen in die an einer Seite offenen prismatischen Körper der Außenschale eingebracht und der andere Teil wird von der entgegengesetzten Seite im Bereich bzw. unterhalb des Steges positioniert. Der jeweilige prismatische Körper kann das Innenteil des Gehäuses auch lediglich auf drei Seiten bedecken.
Auch hier können die Batteriezellen je nach Ausgestaltung der gemeinsamen Außenschale in einer Reihe oder auch in zumindest zwei parallelen Reihen angeordnet sein.
Die thermogeformte Außenschale des Gehäuses besteht aus einem
thermoplastischen Kunststoff. Geeignete Kunststoffe bzw. Kunststofffolien oder -tafeln sind dem Fachmann bekannt, wie beispielsweise Polyolefine, Polyester und dergleichen.
Es ist auch möglich, mehrere Folien aufeinanderliegend zu verarbeiten, beispielsweise beim Einsatz von in unterschiedlichen Richtungen (biaxial) gereckten Folien. Ebenso ist die Verwendung von beispielsweise
faserverstärkten Folien möglich, um vorteilhafterweise die mechanische Stabilität der Außenschale nochmals zu erhöhen.
Die Außenschale des erfindungsgemäßen Gehäuses weist vorteilhafterweise aufgrund der bei der Herstellung erfahrenen Reckung eine höhere mechanische Festigkeit und Reißdehnung sowie eine höhere Durchschlagsfestigkeit im Vergleich zu anderen Lösungen zur Isolierung von Gehäusen für Batteriezellen, wie beispielsweise durch Tauchen oder Lackieren aufgebrachte Werkstoffe oder Versehen mit einem Schrumpfschlauch, auf.
Durch die Erwärmung der zur Herstellung der Außenschale verwendeten Kunststofffolie bei der Verarbeitung können auch dickere Folien als üblicherweise nach dem Stand der Technik verarbeitet werden, so dass eine erhöhte Sicherheit erreicht wird. Nach dem Stand der Technik müssen bei Bedarf mehrere Folien aufeinandergelegt werden, um eine zuverlässige Isolierung zu gewährleisten.
Die Außenschale des Gehäuses ermöglicht eine kostengünstige Isolation von Batteriezellen durch den Einsatz von geprüften, technisch bewährten
Standardfolien auf Rollen. Die Außenschalen für das erfindungsgemäße Gehäuse weisen vorteilhafterweise keine Bindenähte oder überlappende Klebestellen auf, die Ursache für Mängel der Isolierung darstellen können. Die eingesetzten Folien können zudem leicht auf Fehler geprüft werden.
Die zur Herstellung verwendeten Verfahren zur Thermoformung oder
Streckformung sind dem Fachmann aus dem Stand der Technik geläufig. Damit ist eine automatisierte, serientaugliche und prozesssichere Verarbeitung bzw.
Herstellung möglich, so dass die Zuverlässigkeit der Isolierung gewährleistet ist und Fehler beim sonst üblichen manuellen Einpacken der Batteriezelle durch beispielsweise die Entstehung von Blasen oder Beschädigungen, die zum
Ablösen der Folie führen, vermieden werden können. Zudem lässt sich
vorteilhafterweise der hohe Arbeitsaufwand beim manuellen Einpacken der Zelle mit selbstklebender Polyesterfolie reduzieren.
Die Außenschalen können mit Hilfe eines einfachen Werkzeugs hergestellt werden und sind auch für den sicheren Transport der Batteriezellen geeignet.
Dabei können die Batteriezellen direkt als Positivform benutzt werden. Zudem wird erfindungsgemäß eine Batteriezelle mit einem vorbeschriebenen
Gehäuse, ein Batteriezellenmodul mit zumindest zwei Batteriezellen und ein
Kraftfahrzeug, insbesondere ein elektromotorisch angetriebenes Kraftfahrzeug, zur Verfügung gestellt, welches wenigstens ein erfindungsgemäßes Batteriezellenmodul aufweist, das mit einem Antriebssystem des Kraftfahrzeugs verbunden ist.
Vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung sind in den Unteransprüchen
angegeben und in der Beschreibung beschrieben.
Zeichnungen
Ausführungsbeispiele der Erfindung werden anhand der Zeichnungen und der nachfolgenden Beschreibung näher erläutert. Es zeigen:
Figur 1 in einer perspektivischen Ansicht eine Außenschale für ein
erfindungsgemäßes Batteriegehäuse, Figur 2 in einer perspektivischen Ansicht eine Außenschale für ein
erfindungsgemäßes Batteriegehäuse nach einer zweiten Ausführungsform,
Figur 3 in einer perspektivischen Ansicht eine Außenschale für ein
erfindungsgemäßes Batteriegehäuse nach einer dritten Ausführungsform, und
Figur 4 in einer perspektivischen Ansicht eine Außenschale für ein
erfindungsgemäßes Batteriegehäuse nach einer vierten Ausführungsform.
In Figur 1 ist die Außenschale 10 zur Aufnahme eines metallischen Innenteils eines Gehäuses für eine Batteriezelle dargestellt. Diese Außenschale 10 weist einen prismatischen Körper 1 1 mit fünf geschlossenen Seiten und einer offenen Seite 12 auf, über die das nicht dargestellte Innenteil des Gehäuses eingebracht wird.
Die in Figur 2 gezeigte Außenschale 10 ist zur Aufnahme von zwei Innenteilen von Gehäusen auf der offenen Seite 12 vorgesehen. Dazu ist zwischen den beiden prismatischen Körpern 1 1 ein Steg 13 vorgesehen, der sich von einer offenen Seite 12 des einen prismatischen Körpers 1 1 zur nächsten offenen Seite 12 des anderen prismatischen Körpers 1 1 erstreckt. Die Stege 13 weisen die gleiche Fläche wie die offenen Seiten 12 sowie zwei Durchgangsöffnungen 14 zur Durchführung von Anschlüssen der hier nicht dargestellten Batteriezellen auf, so dass unterhalb der Stege 13 zwei weitere Innenteile angeordnet werden können.
Auch die Außenschale 10 gemäß Figur 3 zeigt eine Reihe von prismatischen Körpern 1 1 , die jeweils mit einem Steg 13 verbunden sind, der hier jedoch über die durch die offene Seite 12 gebildete Ebene hinausragt und eine Art
Dehnungsfalte bildet, so dass Dickendifferenzen der Innenteile ausgeglichen werden können.
Die Außenschale 10 der Figur 4 entspricht im Wesentlichen der Außenschale 10 nach Figur 3, nur sind hier zwei weitere seitliche Flächen 15 und 16 der prismatischen Körper 1 1 ebenfalls offen gestaltet, so dass ein Innenteil im jeweiligen prismatischen Körper 1 1 U-förmig umschlossen wird.

Claims

Ansprüche
Ein Gehäuse für eine Batteriezelle, dadurch gekennzeichnet, dass das Gehäuse aus einem metallischen Innenteil und einer das Innenteil teilweise umgebenden thermogeformten Außenschale (10) aus Kunststoff besteht, das elektrisch isolierend ist.
Das Gehäuse nach Anspruch 1 , wobei die Außenschale (10) das metallische Innenteil des Gehäuses auf fünf Seiten umgibt, so dass ein an einer Seite (12) offener prismatischer Körper (1 1 ) gegeben ist.
Das Gehäuse nach Anspruch 1 , wobei die Außenschale (10) das metallische Innenteil des Gehäuses auf drei benachbarten Seiten umgibt, so dass der Querschnitt der Außenschale (10) U-förmig ist und ein an drei Seiten offener prismatischer Körper (1 1 ) gegeben ist.
Das Gehäuse nach Anspruch 2 oder 3, wobei die Außenschale (10) die Außenschalen (10) für zumindest zwei Innenteile ausbildet, die jeweils über einen Steg (13) miteinander verbunden sind.
Das Gehäuse nach Anspruch 4, wobei der Steg (13) über die durch die offenen Seiten (12) der Außenschale (10) gebildete Fläche hinausragt.
Das Gehäuse nach Anspruch 4, wobei die Fläche des Stegs (13) der Fläche der offenen Seite (12) des prismatischen Körpers (1 1 ) entspricht und wobei der Steg (13) zwei Durchgangsöffnungen (14) aufweist.
Eine Batteriezelle, ein Gehäuse nach einem der Ansprüche 1 bis 6 aufweisend.
8. Die Batteriezelle nach Anspruch 7, wobei die Batteriezelle eine
Lithium-Ionen-Batteriezelle ist
9. Ein Batteriezellenmodul, mindestens zwei Batteriezellen nach Anspruch 7 oder 8 aufweisend.
10. Ein Kraftfahrzeug, insbesondere elektromotorisch antreibbares
Kraftfahrzeug, mit einem Batteriezellenmodul nach Anspruch 9, wobei das Batteriezellenmodul mit einem Antriebssystem des Kraftfahrzeuges verbunden ist.
PCT/EP2013/051530 2012-02-10 2013-01-28 GEHÄUSE FÜR EINE BATTERIEZELLE MIT EINER THERMOGEFORMTEN AUßENSCHALE AUS KUNSTSTOFF, BATTERIEZELLE, BATTERIEMODUL SOWIE KRAFTFAHRZEUG WO2013117446A1 (de)

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