WO2014072119A1 - Batteriemodul mit zwei zugplatten und zwei spannplatten - Google Patents

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WO2014072119A1
WO2014072119A1 PCT/EP2013/069891 EP2013069891W WO2014072119A1 WO 2014072119 A1 WO2014072119 A1 WO 2014072119A1 EP 2013069891 W EP2013069891 W EP 2013069891W WO 2014072119 A1 WO2014072119 A1 WO 2014072119A1
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clamping plate
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Oliver Gerundt
Martin Maier
Andreas Eichendorf
Martin Zywietz
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Robert Bosch Gmbh
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    • Y02P70/50—Manufacturing or production processes characterised by the final manufactured product

Definitions

  • the invention relates to battery modules.
  • the invention relates to a
  • Battery module and a battery unit for an electric power engine are provided.
  • Hybrid vehicles for example, lithium-ion cells for providing electrical energy and be constructed as follows:
  • Battery cells form a battery module and a plurality of battery modules form a battery unit.
  • prismatic such as cuboid
  • Battery modules are summarized.
  • the battery cells can be arranged in the summary to a battery module so that the battery cells with the larger side surface of the two side surfaces in a prismatic structure of the battery cells each adjacent to the adjacent battery cell.
  • Battery module can be a pressure force on the first battery cell and the last battery cell in each case in the direction of the adjacent battery cells, which can extend the life of the individual battery cells. This results from the fact that in particular in the case of lithium-ion cells in the course of the life of such a battery cell and by an increasing number of
  • Charging and discharging an increase in volume can be determined, which can adversely affect the life of these battery cells.
  • the pressure on the battery cells of a battery module can counteract this volume increase of the individual battery cells and thus increase the life and performance of the battery cells and the battery module.
  • curved sheets can be provided on the respective sides of the battery module, which are tensioned by means of tension elements in the direction of the pressure force to be exerted.
  • the plate is, for example, a stable steel plate, since the corresponding compressive forces can be between 10 kN and 15 kN, for example. Due to its mechanical strength, steel is well suited for use in such a plate.
  • Battery module which is used for the power supply of an electric motor.
  • a battery module which is characterized by a lower weight compared to conventional battery modules, so that in particular when using such a battery module in vehicles, a lower total weight of the vehicle can be made possible.
  • the battery module and the battery unit can be used in particular for the power supply of an electric motor.
  • a battery module with a tension element, a clamping plate and a plurality of battery cells is specified.
  • the tension member and the tension plate are designed to comprise the battery cells in an assembled state, wherein the tension plate has a convex shape in an initial state with respect to the battery cells and executed in the mounted state, a compressive force on the plurality of
  • the battery module is characterized in that the clamping plate has a layer which is executed in the mounted state To distribute compressive force on a contact surface of the layer with a battery cell arranged adjacent to the clamping plate.
  • the use of a plate for the pressure distribution can be avoided on the battery cells, so that the corresponding weight of this pressure distribution plate can be saved.
  • a weight of 4.8 kg per battery unit can be saved by dispensing with the pressure distribution plates with two pressure distribution plates per battery module.
  • the tension element and the tension plate can be arranged in the assembled state, in particular at right angles to each other.
  • the layer on the clamping plate can be elastic and / or plastically deformable.
  • the layer may in particular be mechanically connected to the clamping plate.
  • the layer may be adhesively bonded to the clamping plate or be mechanically coupled to the clamping plate via a fastening element.
  • the layer can distribute the pressure force of the clamping plate on the battery cell arranged next to the clamping plate in particular evenly.
  • That the tension plate has a convex shape with respect to the adjacent battery cells means that the tension plate is curved in the unassembled state.
  • the course of the tension plate is curved in the unassembled state.
  • clamping plate describe a portion of a circular path or an elliptical course, wherein the clamping plate so on the first
  • Battery cell rests that the side surface of the battery cell, on which the clamping plate is applied, a tangential surface to the clamping plate.
  • the layer provided on the clamping plate has a fiber composite.
  • the fiber composite may be, for example, fiber-reinforced polyamide, which has, for example, a glass fiber content of 30%.
  • the fiber composite has a high mechanical strength, so that it can be well suited for use and use in the pressure forces present in the battery module.
  • the layer provided on the clamping plate has a plastic, wherein the fiber composite surrounds the plastic.
  • the plastic is an inner core and the fiber composite an outer sheath of the core. This structure of the layer can allow a uniform pressure distribution of the pressure exerted by the clamping plate pressure on the battery cell.
  • the plastic comprises a polypropylene.
  • the polypropylene may be characterized in that it is plastically or elastically deformable, so that the layer between the clamping plate and the adjacent battery cell arranged or deformed so that a uniform pressure distribution on the side surface of the battery cell is made possible.
  • the layer is designed to be electrically insulating.
  • clamping plate which may be made of steel, is separated by an electrically insulating layer of the battery cell. This can in particular the safety during the assembly and the
  • the layer has a tapering cross section at least in sections in a transverse direction of the battery module running transversely to the longitudinal direction.
  • the transversely tapered cross-section can be said as
  • Sectionally tapered cross section contribute to the fact that just at the beginning of the assembly process, the clamping force does not rest on a small contact surface, but that just this contact surface is increased.
  • each battery cell of the plurality of battery cells is a rechargeable battery.
  • the battery module as described above and below is particularly suitable for use with rechargeable batteries, since such a battery module allows multiple use over a long period of time.
  • the rechargeable battery is a lithium-ion
  • the battery module as described above and below is designed to exert a compressive force on the battery cells by the tension element and the clamping plate in such a way that it counteracts a volume increase typical of lithium-ion cells during their lifetime. By reducing or even preventing this increase in volume, the lifetime of the lithium-ion cells is also increased.
  • the battery cells are prismatic.
  • the increase in volume during the lifetime of particular lithium-ion cells can in particular be increased by the prismatic structure of battery cells increased.
  • the increase in volume may result from the prismatic construction of a battery cell, since the housing of the battery cell may not be able to cope with the volume increase
  • the battery module as described above and below can reduce or prevent the increase in volume of, in particular prismatic battery cells, so that they
  • Battery cells can have an increased life.
  • a battery unit for an electric power engine having a plurality of battery modules as described above and hereinafter.
  • the battery unit can be provided for example as energy storage for the drive of electric motors.
  • the battery pack may be used for use in vehicles powered by such an electric motor.
  • the weight of the battery unit saved by the construction of the battery modules can thereby benefit the energy consumption of such a vehicle, as this can also reduce the weight of the vehicle.
  • the battery modules are prismatic in an assembled state.
  • the prismatic shape achieved in the mounted state of the battery modules can also enable a space-saving use or a space-saving installation of the battery modules in the battery unit.
  • Fig. 1 shows a battery unit according to an embodiment.
  • Fig. 2 shows a battery module according to an embodiment.
  • FIG. 3A shows a schematic illustration of a battery module according to an exemplary embodiment in an unassembled state.
  • FIG. 3B shows a schematic representation of a battery module according to FIG.
  • Embodiment in an assembled state Embodiment in an assembled state.
  • FIG. 4A shows a sectional representation of a side view of a battery module according to one exemplary embodiment.
  • FIG. 4B shows a plan view of a battery module according to FIG.
  • Fig. 5 shows a schematic representation of a clamping plate for a
  • Fig. 1 shows a battery unit 300, wherein the battery unit eight
  • Battery modules 200 each of which has six battery cells 100.
  • a battery unit may also have more or less than eight battery modules, and that a battery module may also have more or less than six battery cells.
  • Fig. 2 shows a schematic representation of a plan view of a battery module
  • the battery module 200 has six battery cells, which in Longitudinal direction 231 of the battery module are arranged side by side.
  • the battery cells each have a first voltage terminal 1 10 and a second voltage terminal 120, wherein each of the first
  • Battery cells 100 of the battery module 200 represent a series circuit, so that results for the battery module 200, a first voltage terminal 210 and a second voltage terminal 220.
  • the voltage terminals thereof are electrically connected to a battery cell connector 15.
  • volume growth of the individual battery cells along the longitudinal direction 231 of the battery module results. This would, for example, change the expansion of the entire battery module in the longitudinal direction 231, that is to say increase it, and additionally the power of the individual battery cells would be reduced as a result of the volume increase.
  • a compressive force 150 must act on the side surfaces of the battery cells, the pressure direction of the compressive force 150 running along the longitudinal direction 231 of the battery module.
  • the battery module 200 has two longitudinally extending tension members 230, wherein the tension members at each of its ends with one
  • Clamping plate 240 are mechanically connected at the connection point 235.
  • the two tension elements 230 and the two clamping plates 240 surround the six battery cells 100 of the battery module 200.
  • the clamping plates 240 each have a curved course and are arranged so that the edge lying battery cells touch the outer edge of the curved course of the clamping plates, the means that each curvature outer edges of the two clamping plates point to the respective opposite clamping plate.
  • the clamping plates are loaded in the region of the joint 235 with a compressive force in the direction of each opposite clamping plate until the two clamping plates, for example, have a straight course, so that one to the
  • Clamping plate adjacent battery cell is touched over its entire width, and then a mechanical connection between the clamping plates and the tension element is produced. Due to the preformed or curved course of the clamping plates in the unassembled state, a pressure force is exerted on the battery cells in the assembled state, the clamping plates each exerting a compressive force in the direction of the opposite clamping plate.
  • Each clamping plate 240 has a layer 245 which is between the
  • the layer 245 can thereby allow a uniform distribution of the pressure of the clamping plate 240 on the side surface of the battery cell, so that damage to the side surface of the battery cell can be avoided by a punctual pressure load. It is therefore in this embodiment, just that not a existing steel or other metal clamping plate with a clamping plate facing side surface of a
  • Fig. 3A shows a detailed schematic representation of a part of a
  • a surface 246 of the layer 245 of the clamping plate 240 forms a contact surface 130 with a first side surface 101 of the adjacent to the clamping plate 240 battery cell 100.
  • FIG. 3B shows a representation of a battery module corresponding to FIG. 3A, wherein the clamping plate 240 is in the assembled state in FIG. 3B.
  • the clamping plate 240 has no curved course, so that the contact surface
  • the layer 245 and in particular the surface 246 of the layer 245 thereby enables a uniform pressure distribution of the pressure force 150 on the first side surface 101 of the battery cell 100.
  • the layer 245 is shown in each case as an adhesive element on the clamping plate 240, wherein the layer 245 is located between the clamping plate 240 and the battery cell adjacent to the clamping plate.
  • FIG. 4A shows a schematic side view of a clamping plate 240 and a battery cell 100a.
  • the clamping plate 240 has a layer 245, wherein the layer 245 envelops or surrounds the clamping plate 240 and leaves only a partial section of the clamping plate 240 for producing a mechanical connection to a tension element.
  • the mechanical connection of the clamping plate with the tension element may be, for example, a welded connection.
  • FIG. 4B shows a schematic plan view of a clamping plate 240 and two tension elements 230, wherein the clamping plate 240 in an assembled state bears against the battery cell 100a with the layer 245.
  • the layer 245 is fastened to the clamping plate 240 by means of two retaining lugs, wherein the retaining lugs engage in each case through a recess of the clamping plate, so that the layer 245 is mechanically coupled to the clamping plate 240.
  • FIG. 5 shows a schematic representation of a clamping plate 240 with a layer 245.
  • the layer 245 has a fiber composite 248 and a plastic 247, wherein the fiber composite as an outer jacket or
  • Envelope of the layer 245 is shown and the plastic 247 wrapped as the core of the layer.
  • the layer 245 has a cross-section that tapers in the transverse direction 241 of the clamping plate 240, that is to say that a first thickness 249a of the layer in the longitudinal direction of the battery module is greater than a second thickness 249b of the layer likewise in the longitudinal direction of the battery module.
  • the thickness of the layer 245 can in particular, starting from an edge region of the
  • the plastic 247 may in this embodiment be plastically more deformable than the fiber composite 248, so that the entire layer 245 is plastically deformable and thus the surface 246 can adapt to a side surface of an adjacent battery cell or to the contour of this side surface, so that a even pressure is distributed to the adjacent battery cell.
  • the clamping plates may consist of a pre-formed and preformed spring plate, which is designed for a maximum spring force of, for example, 15 kN.
  • the clamping plate can be in a fiber composite or in a
  • the fibers form a fabric or a knit that is located between the clamping plate and a battery cell adjacent to the clamping plate.
  • the fiber composite material By the fiber composite material, a uniform pressure distribution in the tensioned or mounted state of the clamping plate can be achieved. This can also be achieved in that the fiber composite material directs the compressive forces in the transverse direction of the clamping plate in the edge regions of the clamping plate and the adjacent battery cell.

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Abstract

Es ist ein Batteriemodul (200) mit einem Zugelement (230), einer Spannplatte (240) und einer Mehrzahl von Batteriezellen (100) angegeben. Das Zugelement (230) und die Spannplatte (240) sind ausgeführt, in einem montierten Zustand die Batteriezellen (100) zu umfassen. Die Spannplatte (240) weist in einem Ausgangszustand mit Bezug zu den Batteriezellen (100) einen konvexen Verlauf auf und ist ausgeführt, in dem montierten Zustand eine Druckkraft (150) auf die Mehrzahl von Batteriezellen (100) in einer Richtung entlang einer Längsrichtung (231) des Batteriemoduls (200) auszuüben. Die Spannplatte (240) weist eine Schicht (245) auf, welche ausgeführt ist, in dem montierten Zustand die Druckkraft (150) auf eine Berührfläche (130) der Schicht (245) mit einer zu der Spannplatte (240) benachbart angeordneten Batteriezelle (100A) zu verteilen.

Description

Batteriemodul mit zwei Zugplatten und zwei Spannplatten
Gebiet der Erfindung Die Erfindung betrifft Batteriemodule. Insbesondere betrifft die Erfindung ein
Batteriemodul und eine Batterieeinheit für eine elektrische Kraftmaschine.
Stand der Technik Batterieeinheiten, insbesondere Batterieeinheiten für Elektro- und
Hybridfahrzeuge, können beispielsweise Lithium-Ionen-Zellen zur Bereitstellung von elektrischer Energie aufweisen und wie folgt aufgebaut sein: Mehrere Batteriezellen bilden ein Batteriemodul und mehrere Batteriemodule bilden eine Batterieeinheit. Dabei sind prismatische, beispielsweise quaderförmige
Batteriezellen bekannt, die aus Lebensdauer- und Handhabungsgründen zu
Batteriemodulen zusammengefasst werden. Die Batteriezellen können bei der Zusammenfassung zu einem Batteriemodul so angeordnet werden, dass die Batteriezellen mit der größeren Seitenfläche der beiden Seitenflächen bei einem prismatischen Aufbau der Batteriezellen jeweils an die benachbarte Batteriezelle angrenzen. Bei der Zusammenfassung der Batteriezellen zu einem
Batteriemodul kann dabei eine Druckkraft auf die erste Batteriezelle und auf die letzte Batteriezelle jeweils in Richtung der benachbarten Batteriezellen erfolgen, was die Lebensdauer der einzelnen Batteriezellen verlängern kann. Dies resultiert daraus, dass insbesondere bei Lithium-Ionen-Zellen im Laufe der Lebensdauer einer solchen Batteriezelle und durch eine zunehmende Anzahl der
Lade- und Entladevorgänge ein Volumenzuwachs festgestellt werden kann, welcher die Lebensdauer dieser Batteriezellen negativ beeinflussen kann. Der Druck auf die Batteriezellen eines Batteriemoduls kann diesem Volumenzuwachs der einzelnen Batteriezellen entgegenwirken und so die Lebensdauer und die Leistungsfähigkeit der Batteriezellen und des Batteriemoduls erhöhen.
Um den entsprechenden Druck bereitzustellen, können beispielsweise gekrümmte Bleche an den entsprechenden Seiten des Batteriemoduls bereitgestellt werden, welche mit Hilfe von Zugelementen in Richtung der auszuübenden Druckkraft gespannt werden. Um eine gleichmäßige
Druckverteilung auf die Batteriezellen, welche sich an den Rändern eines Batteriemoduls befinden, zu gewährleisten, werden auf jeder Seite des
Batteriemoduls zu jedem der Druckelemente eine Platte zwischen der
Batteriezelle und dem Druckelement vorgesehen. Bei der Platte handelt es sich beispielsweise um eine stabile Stahlplatte, da die entsprechenden Druckkräfte beispielsweise zwischen 10 kN und 15 kN liegen können. Stahl eignet sich aufgrund seiner mechanischen Belastbarkeit gut für die Verwendung in einer solchen Platte.
DE 10 2009 000 660 AI beschreibt den allgemeinen Aufbau eines
Batteriemoduls, welches für die Energieversorgung einer Elektrokraftmaschine verwendet wird.
Zusammenfassung der Erfindung
Mit der Erfindung wird ein Batteriemodul bereitgestellt, welches sich durch ein im Vergleich zu herkömmlichen Batteriemodulen geringeres Gewicht auszeichnet, so dass insbesondere bei der Verwendung eines solchen Batteriemoduls in Fahrzeugen ein geringeres Gesamtgewicht des Fahrzeugs ermöglicht werden kann.
Es ist ein Batteriemodul und eine Batterieeinheit gemäß den Merkmalen der unabhängigen Patentansprüche angegeben. Weiterbildungen der Erfindung ergeben sich aus den abhängigen Ansprüchen und aus der folgenden
Beschreibung. Das Batteriemodul und die Batterieeinheit können insbesondere zur Energieversorgung einer Elektrokraftmaschine eingesetzt werden.
Gemäß einem ersten Aspekt ist ein Batteriemodul mit einem Zugelement, einer Spannplatte und einer Mehrzahl von Batteriezellen angegeben. Dabei sind das Zugelement und die Spannplatte ausgeführt, in einem montierten Zustand die Batteriezellen zu umfassen, wobei die Spannplatte in einem Ausgangszustand mit Bezug zu den Batteriezellen einen konvexen Verlauf aufweist und ausgeführt ist, in dem montierten Zustand eine Druckkraft auf die Mehrzahl von
Batteriezellen in einer Richtung entlang einer Längsrichtung des Batteriemoduls auszuüben. Das Batteriemodul ist dadurch gekennzeichnet, dass die Spannplatte eine Schicht aufweist, welche ausgeführt ist, in dem montierten Zustand die Druckkraft auf eine Berührfläche der Schicht mit einer zu der Spannplatte benachbart angeordneten Batteriezelle zu verteilen.
Durch diesen Aufbau der Spannplatte kann beispielsweise der Einsatz einer Platte für die Druckverteilung auf die Batteriezellen vermieden werden, so dass das entsprechende Gewicht dieser Druckverteilungsplatte eingespart werden kann. Bei einer Masse von z.B. 300 g pro Druckverteilungsplatte und bei acht Batteriemodulen pro Batterieeinheit kann bei jeweils zwei Druckverteilungsplatten pro Batteriemodul ein Gewicht von 4,8 kg pro Batterieeinheit durch den Verzicht auf die Druckverteilungsplatten eingespart werden.
Das Zugelement und die Spannplatte können in dem montierten Zustand insbesondere rechtwinklig zueinander angeordnet sein. Die Schicht auf der Spannplatte kann elastisch sein und/oder plastisch verformbar sein. Dabei kann die Schicht insbesondere mechanisch mit der Spannplatte verbunden sein. Beispielsweise kann die Schicht auf die Spannplatte aufgeklebt sein oder mit der Spannplatte über ein Befestigungselement mechanisch gekoppelt sein. In dem montierten Zustand kann die Schicht die Druckkraft der Spannplatte auf die neben der Spannplatte angeordnete Batteriezelle insbesondere gleichmäßig verteilen.
Dass die Spannplatte einen konvexen Verlauf mit Bezug zu den benachbarten Batteriezellen aufweist, bedeutet, dass die Spannplatte in dem nicht montierten Zustand gekrümmt ist. In einer Ausführungsform kann der Verlauf der
Spannplatte beispielsweise einen Abschnitt einer Kreisbahn oder einen elliptischen Verlauf beschreiben, wobei die Spannplatte so an der ersten
Batteriezelle anliegt, dass die Seitenfläche der Batteriezelle, an welcher die Spannplatte anliegt, eine Tangentialfläche zu der Spannplatte darstellt.
Gemäß einer Ausführungsform weist die an der Spannplatte vorgesehene Schicht einen Faserverbundstoff auf.
Bei dem Faserverbundstoff kann es sich beispielsweise um faserverstärktes Polyamid handeln, welches beispielsweise einen Glasfaseranteil von 30 % aufweist. Der Faserverbundstoff weist eine hohe mechanische Festigkeit auf, so dass er sich für den Einsatz und die Verwendung bei den in dem Batteriemodul vorliegenden Druckkräften gut eignen kann.
Gemäß einer weiteren Ausführungsform weist die an der Spannplatte vorgesehene Schicht einen Kunststoff auf, wobei der Faserverbundstoff den Kunststoff umgibt.
Der Kunststoff stellt dabei einen inneren Kern und der Faserverbundstoff eine äußere Umhüllung des Kerns dar. Dieser Aufbau der Schicht kann eine gleichmäßige Druckverteilung des durch die Spannplatte ausgeübten Drucks auf die Batteriezelle ermöglichen.
Gemäß einer weiteren Ausführungsform weist der Kunststoff ein Polypropylen auf.
Das Polypropylen kann sich dadurch auszeichnen, dass es plastisch oder elastisch verformbar ist, so dass sich die Schicht zwischen der Spannplatte und der daneben angeordneten Batteriezelle so anordnet bzw. verformt, dass eine gleichmäßige Druckverteilung auf die Seitenfläche der Batteriezelle ermöglicht wird.
Gemäß einer weiteren Ausführungsform ist die Schicht elektrisch isolierend ausgeführt.
Damit wird ermöglicht, dass die Spannplatte, welche aus Stahl gefertigt sein kann, durch eine elektrisch isolierende Schicht von der Batteriezelle getrennt wird. Dies kann insbesondere die Sicherheit bei der Montage und der
Verwendung des Batteriemoduls verbessern. Auch kann dies einen
Montagevorgang des Batteriemoduls vereinfachen, da keine zusätzliche isolierende Schicht zwischen die Spannplatte und die Batteriezelle eingebracht werden muss.
Gemäß einer weiteren Ausführungsform weist die Schicht in einer quer zu der Längsrichtung verlaufenden Querrichtung des Batteriemoduls zumindest abschnittsweise einen sich verjüngenden Querschnitt auf. Der sich in Querrichtung verjüngende Querschnitt kann sozusagen als
Gegenstück zu dem gekrümmten Verlauf der Spannplatte ausgeführt sein und zusätzlich die gleichmäßige Druckverteilung auf die zu der Spannplatte benachbart angeordnete Batteriezelle ermöglichen. Insbesondere zu Beginn des Montagevorgangs, wenn die Spannplatte noch in ihrem Ausgangszustand ist und durch die Spannkraft der Zugelemente noch nicht zumindest teilweise entgegen des Krümmungsverlaufs der Spannplatte gebogen wurde, kann der
abschnittsweise sich verjüngende Querschnitt dazu beitragen, dass gerade zu Beginn des Montagevorgangs die Spannkraft nicht auf einer kleinen Berührfläche aufliegt, sondern dass gerade diese Berührfläche vergrößert wird.
Gemäß einer weiteren Ausführungsform ist jede Batteriezelle der Mehrzahl von Batteriezellen eine aufladbare Batterie. Das Batteriemodul wie oben und im Folgenden beschrieben eignet sich insbesondere für die Verwendung zusammen mit aufladbaren Batterien, da ein solches Batteriemodul eine mehrfache Verwendung über einen längeren Zeitraum ermöglicht. Gemäß einer Ausführungsform ist die aufladbare Batterie eine Lithium-Ionen-
Zelle.
Das Batteriemodul wie oben und im Folgenden beschrieben ist ausgeführt, durch das Zugelement und die Spannplatte eine Druckkraft auf die Batteriezellen so auszuüben, dass einem Volumenzuwachs, wie er für Lithium-Ionen-Zellen während ihrer Lebenszeit typisch ist, entgegengewirkt wird. Indem dieser Volumenzuwachs reduziert oder gar verhindert werden kann, erhöht sich so auch die Lebensdauer der Lithium-Ionen-Zellen. Gemäß einer weitern Ausführungsform sind die Batteriezellen prismatisch geformt.
Dies bedeutet, dass gegenüberliegende Flächen der Batteriezellen zueinander parallel verlaufen, wie dies beispielsweise bei einem rechteckigen bzw.
quaderförmigen Aufbau der Batteriezellen der Fall ist. Der Volumenzuwachs während der Lebensdauer insbesondere von Lithium-Ionen-Zellen kann insbesondere durch den prismatischen Aufbau von Batteriezellen erhöht ausfallen. In diesem Fall kann der Volumenzuwachs aus dem prismatischen Aufbau einer Batteriezelle resultieren, da das Gehäuse der Batteriezelle möglicherweise nicht in der Lage ist, dem Volumenzuwachs die nötigen
Druckkräfte entgegenzusetzen, um den Volumenzuwachs zu vermindern oder gar komplett zu verhindern. Das Batteriemodul wie oben und im Folgenden beschrieben kann den Volumenzuwachs von insbesondere prismatisch aufgebauten Batteriezellen vermindern oder verhindern, so dass diese
Batteriezellen eine erhöhte Lebensdauer aufweisen können.
Gemäß einem weiteren Aspekt ist eine Batterieeinheit für eine elektrische Kraftmaschine angegeben, welche eine Mehrzahl von Batteriemodulen wie oben und im Folgenden beschrieben aufweist.
Die Batterieeinheit kann beispielsweise als Energiespeicher für den Antrieb von Elektromotoren bereitgestellt werden. Insbesondere kann die Batterieeinheit für die Verwendung in von einem solchen Elektromotor angetriebenen Fahrzeugen verwendet werden. Das durch den Aufbau der Batteriemodule eingesparte Gewicht der Batterieeinheit kann dabei dem Energieverbrauch eines solchen Fahrzeuges zugute kommen, da sich dadurch auch das Gewicht des Fahrzeugs reduzieren lässt.
Gemäß einer Ausführungsform sind die Batteriemodule in einem montierten Zustand prismatisch geformt.
Dies bedeutet, dass die Spannplatte eines Batteriemoduls in einem in der Batterieeinheit montierten Zustand aufgrund einer durch die Zugelemente anliegenden Spannkraft gerade gebogen sind, wobei diese Biegung aus dem gekrümmten Zustand in den geraden Zustand aufgrund der Materialelastizität der Spannplatte ermöglicht wird. Die in dem montierten Zustand der Batteriemodule erreichte prismatische Form kann auch einen platzsparenden Einsatz bzw. eine platzsparende Montage der Batteriemodule in der Batterieeinheit ermöglichen.
Im Folgenden werden mit Verweis auf die Figuren Ausführungsbeispiele der Erfindung beschrieben. Kurze Beschreibung der Zeichnungen
Fig. 1 zeigt eine Batterieeinheit gemäß einem Ausführungsbeispiel. Fig. 2 zeigt ein Batteriemodul gemäß einem Ausführungsbeispiel.
Fig. 3A zeigt eine schematische Darstellung eines Batteriemoduls gemäß einem Ausführungsbeispiel in einem nicht montierten Zustand. Fig. 3B zeigt eine schematische Darstellung eines Batteriemoduls gemäß einem
Ausführungsbeispiel in einem montierten Zustand.
Fig. 4A zeigt eine Schnittdarstellung einer Seitenansicht eines Batteriemoduls gemäß einem Ausführungsbeispiel.
Fig. 4B zeigt eine Draufsicht eines Batteriemoduls gemäß einem
Ausführungsbeispiel.
Fig. 5 zeigt eine schematische Darstellung einer Spannplatte für ein
Batteriemodul gemäß einem Ausführungsbeispiel.
Die Darstellungen in den Figuren sind schematisch und nicht maßstabsgetreu. Werden in der folgenden Figurenbeschreibung gleiche Bezugsziffern verwendet, so betreffen diese gleiche oder ähnliche Elemente.
Ausführungsformen der Erfindung
Fig. 1 zeigt eine Batterieeinheit 300, wobei die Batterieeinheit acht
Batteriemodule 200 aufweist, von denen jedes sechs Batteriezellen 100 aufweist.
Es sei darauf hingewiesen, dass eine Batterieeinheit auch mehr oder weniger als acht Batteriemodule aufweisen kann, und dass ein Batteriemodul auch mehr oder weniger als sechs Batteriezellen aufweisen kann. Fig. 2 zeigt eine schematische Darstellung einer Draufsicht auf ein Batteriemodul
200. Das Batteriemodul 200 weist sechs Batteriezellen auf, welche in Längsrichtung 231 des Batteriemoduls nebeneinander angeordnet sind. Die Batteriezellen weisen jeweils einen ersten Spannungsanschluss 1 10 und einen zweiten Spannungsanschluss 120 auf, wobei jeweils der erste
Spannungsanschluss einer Batteriezelle mit dem zweiten Spannungsanschluss der benachbarten Batteriezelle elektrisch so verbunden ist, dass sämtliche
Batteriezellen 100 des Batteriemoduls 200 eine Reihenschaltung darstellen, so dass sich für das Batteriemodul 200 ein erster Spannungsanschluss 210 und ein zweiter Spannungsanschluss 220 ergibt. Dabei sind die Batteriezellen bzw.
deren Spannungsanschlüsse mit einem Batteriezellenverbinder 1 15 elektrisch verbunden.
Insbesondere bei der Verwendung von wieder aufladbaren Lithium-Ionen-Zellen kann sich durch eine zunehmende Anzahl von Ladevorgängen ein
Volumenzuwachs von Batteriezellen mit rechteckigem Querschnitt ergeben, wobei sich in dem in Fig. 2 dargestellten Ausführungsbeispiel ein
Volumenzuwachs der einzelnen Batteriezellen entlang der Längsrichtung 231 des Batteriemoduls ergibt. Damit würde sich beispielsweise die Ausdehnung des gesamten Batteriemoduls in Längsrichtung 231 verändern, das heißt zunehmen, und zusätzlich würde die Leistung der einzelnen Batteriezellen durch den Volumenzuwachs reduziert.
Um diesem Volumenzuwachs entgegenzuwirken, muss also eine Druckkraft 150 auf die Seitenflächen der Batteriezellen wirken, wobei die Druckrichtung der Druckkraft 150 entlang der Längsrichtung 231 des Batteriemoduls verläuft.
Das Batteriemodul 200 weist zwei in Längsrichtung verlaufende Zugelemente 230 auf, wobei die Zugelemente an jedem ihrer Enden mit jeweils einer
Spannplatte 240 an der Verbindungsstelle 235 mechanisch verbunden sind. Die beiden Zugelemente 230 und die beiden Spannplatten 240 umgeben dabei die sechs Batteriezellen 100 des Batteriemoduls 200. Die Spannplatten 240 weisen jeweils einen gekrümmten Verlauf auf und sind so angeordnet, dass die am Rande liegenden Batteriezellen den äußeren Rand des gekrümmten Verlaufs der Spannplatten berühren, das heißt dass die jeweils krümmungsäußeren Ränder der beiden Spannplatten auf die jeweils gegenüberliegende Spannplatte weisen. Um aus dem in Fig. 2 dargestellten unmontierten Zustand der Spannplatten in den montierten Zustand zu gelangen, werden die Spannplatten in dem Bereich der Verbindungsstelle 235 mit einer Druckkraft in Richtung jeweils der gegenüberliegenden Spannplatte belastet, bis die beiden Spannplatten beispielsweise einen geraden Verlauf aufweisen, so dass eine an die
Spannplatte angrenzende Batteriezelle über ihre gesamte Breite berührt wird, und dann eine mechanische Verbindung zwischen den Spannplatten und dem Zugelement hergestellt wird. Durch den vorgeformten bzw. gekrümmten Verlauf der Spannplatten in dem unmontierten Zustand wird in dem montierten Zustand eine Druckkraft auf die Batteriezellen ausgeübt, wobei die Spannplatten jeweils eine Druckkraft in Richtung der gegenüberliegenden Spannplatte ausüben.
Hiermit kann ein Volumenzuwachs der Batteriezellen in Längsrichtung 231 des Batteriemoduls 200 vermieden werden.
Jede Spannplatte 240 weist eine Schicht 245 auf, welche zwischen der
Spannplatte und der benachbarten Batteriezelle 100a angeordnet ist. Die Schicht 245 kann dabei eine gleichmäßige Verteilung des Drucks der Spannplatte 240 auf die Seitenfläche der Batteriezelle ermöglichen, so dass eine Beschädigung der Seitenfläche der Batteriezelle durch eine punktuelle Druckbelastung vermieden werden kann. Es geht also in diesem Ausführungsbeispiel gerade darum, dass nicht eine aus Stahl oder einem sonstigen Metall bestehende Spannplatte mit einer der Spannplatte zugewandten Seitenfläche einer
Batteriezelle in Berührung kommt.
Fig. 3A zeigt eine detaillierte schematische Darstellung eines Teils eines
Batteriemoduls in unmontiertem Zustand. Eine Oberfläche 246 der Schicht 245 der Spannplatte 240 bildet eine Berührfläche 130 mit einer ersten Seitenfläche 101 der zu der Spannplatte 240 benachbart angeordneten Batteriezelle 100. An der zweiten Seitenfläche 102 der Batteriezelle 100 grenzt eine weitere
Batteriezelle an, welche aus Übersichtlichkeitsgründen in Fig. 3A nicht dargestellt ist.
Fig. 3B zeigt eine der Fig. 3A entsprechende Darstellung eines Batteriemoduls, wobei die Spannplatte 240 sich in Fig. 3B in montiertem Zustand befindet. Die Spannplatte 240 weist keinen gekrümmten Verlauf auf, so dass die Berührfläche
130 mit der ersten Seitenfläche 101 der Batteriezelle 100 im Vergleich zu der Fig. 3A über die gesamte erste Seitenfläche 101 der Batteriezelle 100 verläuft. Die Schicht 245 und insbesondere die Oberfläche 246 der Schicht 245 ermöglicht dabei eine gleichmäßige Druckverteilung der Druckkraft 150 auf die erste Seitenfläche 101 der Batteriezelle 100.
In den Figuren 2, 3A und 3B ist die Schicht 245 jeweils als anhaftendes Element auf der Spannplatte 240 dargestellt, wobei der Schicht 245 sich zwischen der Spannplatte 240 und der zu der Spannplatte benachbarten Batteriezelle befindet.
Fig. 4A zeigt eine schematische Seitenansicht einer Spannplatte 240 und einer Batteriezelle 100a. Die Spannplatte 240 weist dabei eine Schicht 245 auf, wobei die Schicht 245 die Spannplatte 240 umhüllt bzw. ummantelt und von der Spannplatte 240 lediglich einen Teilabschnitt zum Herstellen einer mechanischen Verbindung mit einem Zugelement freilässt. Bei der mechanischen Verbindung der Spannplatte mit dem Zugelement kann es sich beispielsweise um eine Schweißverbindung handeln.
Fig. 4B zeigt eine schematische Draufsicht auf eine Spannplatte 240 und zwei Zugelemente 230, wobei die Spannplatte 240 in einem montierten Zustand an der Batteriezelle 100a mit der Schicht 245 anliegt.
Die Schicht 245 ist dabei mit der Spannplatte 240 mittels zweier Haltenasen befestigt, wobei die Haltenasen jeweils durch eine Ausnehmung der Spannplatte durchgreifen, so dass die Schicht 245 mechanisch mit der Spannplatte 240 gekoppelt ist.
Fig. 5 zeigt eine schematische Darstellung einer Spannplatte 240 mit einer Schicht 245. Die Schicht 245 weist einen Faserverbundstoff 248 und einen Kunststoff 247 auf, wobei der Faserverbundstoff als äußerer Mantel bzw.
Umhüllung der Schicht 245 dargestellt ist und den Kunststoff 247 als Kern der Schicht umhüllt.
Die Schicht 245 weist einen in Querrichtung 241 der Spannplatte 240 sich verjüngenden Querschnitt auf, das heißt dass eine erste Dicke 249a der Schicht in Längsrichtung des Batteriemoduls größer ist als eine zweite Dicke 249b der Schicht ebenfalls in Längsrichtung des Batteriemoduls. Die Dicke der Schicht 245 kann dabei insbesondere ausgehend von einem Randbereich der
Spannplatte 240 in Querrichtung 241 bis zur Mitte der Spannplatte abnehmen und dann wieder zunehmen bis hin zu dem gegenüberliegenden Rand der Schicht 245 bzw. der Spannplatte 240. Dies kann dazu führen, dass eine Oberfläche 246 der Schicht einen größeren Krümmungsradius aufweist als dies die Spannplatte 240 tut. Damit kann insbesondere zu Beginn eines
Montagevorgangs eine vergrößerte Berührfläche mit einer an der Oberfläche 246 angrenzenden Batteriezelle geschaffen werden.
Der Kunststoff 247 kann in diesem Ausführungsbeispiel plastisch stärker verformbar sein als der Faserverbundstoff 248, so dass die gesamte Schicht 245 plastisch verformbar ist und sich somit die Oberfläche 246 an eine Seitenfläche einer angrenzenden Batteriezelle bzw. an die Kontur dieser Seitenfläche anpassen kann, so dass eine gleichmäßige Druckverteilung auf die angrenzende Batteriezelle erfolgt.
In anderen Worten bietet damit das Batteriemodul wie oben beschrieben eine Kombination aus optimaler Druckverteilung, Gewichtseinsparung und einer fertigungsgerechten Schweißverbindung der Spannplatten mit den
Zugelementen, wobei allerdings alternativ zu der Schweißverbindung auch eine Schraubverbindung oder eine sonstige mechanisch koppelnde bzw. fixierende Verbindung zwischen der Spannplatte und den Zugelementen möglich ist. Die Spannplatten können aus einem vorgeprägten und vorgeformten Federblech bestehen, das auf eine maximale Federkraft von beispielsweise 15 kN ausgelegt ist. Die Spannplatte kann in einen Faserverbundstoff bzw. in einen
Faserverbundwerkstoff eingebettet sein, so dass die Fasern ein Gewebe oder ein Gestrick bilden, das sich zwischen der Spannplatte und einer an die Spannplatte angrenzenden Batteriezelle befindet. Durch den Faserverbundwerkstoff kann eine gleichmäßige Druckverteilung im gespannten bzw. montierten Zustand der Spannplatte erreicht werden. Dies kann auch dadurch erreicht werden, dass der Faserverbundwerkstoff die Druckkräfte in Querrichtung der Spannplatte in die Randbereiche der Spannplatte bzw. der angrenzenden Batteriezelle leitet.

Claims

Ansprüche
1. Batteriemodul (200), aufweisend:
ein Zugelement (230);
eine Spannplatte (240); und
eine Mehrzahl von Batteriezellen (100);
wobei das Zugelement (230) und die Spannplatte (240) ausgeführt sind, in einem montierten Zustand die Batteriezellen (100) zu umfassen;
wobei die Spannplatte (240) in einem Ausgangszustand mit Bezug zu den Batteriezellen (100) einen konvexen Verlauf aufweist und ausgeführt ist, in dem montierten Zustand eine Druckkraft (150) auf die Mehrzahl von
Batteriezellen (100) in einer Richtung entlang einer Längsrichtung (231 ) des Batteriemoduls (200) auszuüben;
dadurch gekennzeichnet, dass
die Spannplatte (240) eine Schicht (245) aufweist, welche ausgeführt ist, in dem montierten Zustand die Druckkraft (150) auf eine Berührfläche (130) der Schicht (245) mit einer zu der Spannplatte (240) benachbart angeordneten Batteriezelle (100A) zu verteilen.
2. Batteriemodul (200) nach Anspruch 1 ,
wobei die Schicht (245) einen Faserverbundstoff (248) aufweist.
3. Batteriemodul (200) nach Anspruch 2,
wobei die Schicht (245) einen Kunststoff (247) aufweist; und
wobei der Faserverbundstoff (248) den Kunststoff (247) umgibt.
4. Batteriemodul (200) nach Anspruch 3,
wobei der Kunststoff (247) ein Polypropylen aufweist.
5. Batteriemodul (200) nach einem der vorhergehenden Ansprüche,
wobei die Schicht (245) elektrisch isolierend ausgeführt ist.
6. Batteriemodul (200) nach einem der vorhergehenden Ansprüche,
wobei die Schicht (245) in einer quer zu der Längsrichtung (231 )
verlaufenden Querrichtung (241 ) des Batteriemoduls (200) zumindest abschnittsweise einen sich verjüngenden Querschnitt aufweist.
7. Batteriemodul (200) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei jede Batteriezelle (100) der Mehrzahl von Batteriezellen (100) eine aufladbare Batterie ist.
8. Batteriemodul (200) nach Anspruch 7,
wobei die aufladbare Batterie eine Lithium-Ionen-Zelle ist.
9. Batteriemodul nach Anspruch 8,
wobei die Batteriezellen (100) prismatisch geformt sind.
10. Batterieeinheit (300) für eine elektrische Kraftmaschine,
aufweisend eine Mehrzahl von Batteriemodulen (200) nach einem der Ansprüche 1 bis 9.
1 1 . Batterieeinheit (300) nach Anspruch 10,
wobei die Batteriemodule (200) in einem montierten Zustand prismatisch geformt sind.
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