WO2018224451A1 - Batteriemodul, insbesondere für ein kraftfahrzeug, mit wenigstens einer kraftbeaufschlagten batteriezelle und wenigstens einer lwrt-zwischenlage - Google Patents

Abstract

Die vorliegende Erfindung betrifft ein Batteriemodul (10), insbesondere für ein Kraftfahrzeug, umfassend wenigstens eine Batteriezelle (12), welche zwischen zwei längs einer Abstandsachse (A) mit Abstand voneinander angeordneten und aufeinander zu gespannten Druckflächen (14a, 16a) längs der Abstandsachse (A) mit Druckkraft beaufschlagt aufgenommen ist, wobei längs der Abstandsachse (A) zwischen den Druckflächen (14a, 16a) zusätzlich wenigstens eine Zwischenlage (24, 26) vorgesehen ist. Erfindungsgemäß ist vorgesehen, dass die Zwischenlage (24, 26) als LWRT-Zwischenlage (24, 26) ein poröses LWRT-Material mit thermoplastisch gebundenem Fasergewirr umfasst.

Description

Batteriemodul, insbesondere für ein Kraftfahrzeug, mit wenigstens einer kraftbeaufschlagten Batteriezelle und wenigstens einer LWRT -Zwischenlage

Beschreibung Die vorliegende Erfindung betrifft ein Batteriemodul, umfassend wenigstens eine Batteriezelle, welche zwischen zwei längs einer Abstandsachse mit Abstand voneinander angeordneten und aufeinander zu gespannten Druckflächen längs der Abstandsachse mit Druckkraft beaufschlagt aufgenommen ist, wobei längs der Abstandsachse zwischen den Druckflächen zusätzlich wenigstens eine Zwischenlage vorgesehen ist. Das Batteriemodul ist bevorzugt zur Verwendung als Energiequelle in einem Kraftfahrzeug ausgebildet.

Ein gattungsgemäßes Batteriemodul ist beispielsweise aus der DE 102 60 798 B4 bekannt. Diese Druckschrift zeigt eine flächige, mit Druckkraft beaufschlagte Batte- riezelle, welche zwischen zwei aufeinander zu gespannten Druckplatten angeordnet ist. Zwischen den beiden Druckplatten und jeder einer Druckplatte zugewandten Seite der Batteriezelle ist eine Gummiplatte als Zwischenlage angeordnet. Die aus der DE 120 60 789 B4 bekannten Gummiplatten sind vorgesehen, um eine von den Druckplatten auf die Batteriezelle ausgeübte Druckkraft möglichst gleichmäßig über die der jeweiligen Druckplatte zugewandte Fläche der Batteriezelle zu verteilen.

Auch aus der DE 10 2014 221 493 A1 ist ein Batteriemodul mit allen Merkmalen des Oberbegriffs des Anspruchs 1 bekannt. Dieses bekannte Batteriemodul weist mehrere zwischen zwei endseitigen Druckplatten angeordnete Batteriezellen auf, wobei sowohl zwischen den Druckplatten und der ihnen jeweils nächstgelegenen Batteriezelle als auch zwischen zwei längs der Abstandsachse aufeinander folgenden Batteriezellen jeweils eine Zwischenlage aufgenommen ist. Die aus dieser Druckschrift bekannten Zwischenlagen liegen ausdrücklich nicht vollflächig an einer der Zwischenlage unmittelbar benachbarten Batteriezelle an, um so nur in einem Anlagebereich, in welchem die Zwischenlage und die Batteriezelle einander unmittelbar berührend an- einander anliegen, Druckkraft auf die Batteriezelle auszuüben, und um in einem Abstandsbereich, in welchen eine Grenzfläche der Zwischenlage mit Abstand von der nächstgelegenen Batteriezelle angeordnet ist, der Batteriezelle Raum für eine Volumenausdehnung bereitzustellen.

Bei den hier diskutierten Batteriemodulen tritt nämlich im Betrieb des Batteriemoduls an den Batteriezellen eine Volumenausdehnung auf, der man konstruktiv versucht, durch Druckkraftbeaufschlagung entgegenzuwirken. Daher sind Batteriezellen bzw. Batteriezellenstapel üblicherweise zwischen zwei Druckflächen eingespannt.

Eine Ursache für eine stetige Volumenzunahme von Batteriezellen während ihres Betriebs ist eine in chemischen Speichern für elektrische Energie auftretende Kristallbildung und Kristallanlagerung in den Batteriezellen. Der Kristallbildung bzw. Kristallanlagerung kann man durch Ausübung von Druckkraft, also durch Erhöhung des in der Batteriezelle herrschenden Drucks, entgegenwirken. Dadurch lässt sich die Kristallbildung bzw. das Kristallwachstum zwar verlangsamen, jedoch nicht vollständig ausschalten. Es kommt daher auch bei zwischen Druckflächen eingespannten Batteriezellen über deren Betriebsdauer hinweg zu einer Volumenzunahme, was für die Leistungsfähigkeit der Batterien zu Nachteilen führt. Sind die Batteriezellen nämlich starr zwischen Druckflächen eingespannt, führt die geschilderte Kristallbildung und die damit verbundene Volumenzunahme der Batteriezellen zu einer weiteren Druckerhöhung in den Batteriezellen eines Batteriemoduls über den durch die Druckflächen bei der Herstellung des Batteriemoduls eingestellten bereits erhöhten Druck hinaus. Durch den so weiter ansteigenden Druck in den Batteriezellen über deren Betriebsdauer hinweg können die Batteriezellen beschädigt werden, was sich negativ auf deren Betriebsdauer auswirkt.

Eine weitere Ursache für eine zyklische Volumenänderung einer Batteriezelle sind die an der Batteriezelle ablaufenden Lade- und Entladevorgänge, die an dem chemi- sehen Energiespeicher, den eine Batterie darstellt, zu Volumenzunahmen und wieder zu Volumenabnahmen führen. Die Volumenänderung einer Batteriezelle ist daher modellhaft eine Überlagerung von stetiger Volumenzunahme und zyklischer Volumenzunahme und Volumenabnahme.

Die durch die in der DE 102 60 798 B4 beschriebenen Gummiplatten auf die Batte- riezellen ausübbare Druckkraft ist begrenzt, wenn die durch die Druckplatten vorgespannten Gummiplatten wenigstens eine Rest-Elastizität behalten sollen, um den Volumenausdehnungsanteil der ladungszustandsabhängigen zyklischen Volumenänderung von Batteriezellen Rechnung zu berücksichtigen. Werden die Gummiplatten dagegen bis an ihrer Elastizitätsgrenze vorgespannt, muss auch hier eine Aus- dehnungsreserve für die kristallisationsinduzierte Volumenausdehnung der Batteriezellen vorgehalten werden. Somit sind die Batteriezellen dieses bekannten Batteriemoduls nur suboptimal vorgespannt.

Die in der DE 10 2014 221 493 A1 beschriebene Lösung stellt für die Batteriezellen zwar einen Ausdehnungsraum bereit, jedoch nur unter Inkaufnahme einer verringerten Fläche der Druckkraftbeaufschlagung und damit einer inhomogenen Druckkraftbeaufschlagung der Batteriezellen über ihre Erstreckungsfläche hinweg. Dadurch kann zwar eine druckinduzierte Beschädigung der Batteriezellen vermieden werden, jedoch wird der beschriebenen Kristallbildung weniger effektiv entgegengewirkt als bei vollflächiger Anlage der Zwischenlagen an den Batteriezellen.

Aus der DE 10 2014 225 367 A1 ist ein Batteriemodul bekannt, bei welchem eine Mehrzahl von Batteriezellen zwar ohne Vorsehen von Zwischenlagen zwischen den die Batteriezellen mit Druckkraft beaufschlagenden Druckflächen angeordnet sind. Jedoch ist bei diesem bekannten Batteriemodul eine eine Druckfläche aufweisende Druckplatte durch eine lastveränderliche Druckvorrichtung mit Druckkraft beaufschlagbar, so dass bei diesem Batteriemodul die Kraft, mit welcher die beiden Druckflächen aufeinander zu gespannt sind, veränderlich ist. Damit kann zwar der von den Druckflächen auf die Batteriezellen ausgeübte Druck um den durch die Kristallbildung in den Batteriezellen erhöhten Druck vermindert werden, so dass der Druck in den Batteriezellen über deren Betriebsdauer etwa kon- stant gehalten werden kann. Jedoch ninnnnt das bekannte Batteriemodul aufgrund der lastveränderlichen Druckvorrichtung ein unerwünscht großes Bauraumvolumen ein.

Es ist daher Aufgabe der vorliegenden Erfindung, ein Batteriemodul der eingangs ge- nannten Art derart weiterzubilden, dass der Druck in der wenigstens einen Batteriezelle über deren Betriebsdauer etwa konstant gehalten werden kann, so dass der Kristallbildung in der Batteriezelle über deren im Wesentlichen gesamten Betriebslebensdauer durch eine im Wesentlichen konstante Druckbeaufschlagung dauerhaft optimal entgegengewirkt wird. So kann die Kristallbildung in den Batteriezellen über einen möglichst langen Zeitraum auf sehr geringe Bildungsraten reduziert werden, was einerseits die Betriebslebensdauer des Batteriemoduls erhöht und andererseits ermöglicht, dass das Batteriemodul über seine Betriebslebensdauer hinweg eine möglichst konstante Leistungsfähigkeit aufweist. Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß gelöst durch ein Batteriemodul der eingangs genannten Art, bei welchem die Zwischenlage als LWRT-Zwischenlage ein poröses LWRT-Material mit thermoplastisch gebundenem Fasergewirr umfasst.

Es hat sich nämlich überraschend herausgestellt, dass poröses LWRT-Material, also poröses thermoplastisch gebundenes Fasergewirr, aufgrund seines Materialverhaltens unter Last für einen Einsatz in Batteriemodulen optimal geeignet ist. Das LWRT- Material zeigt bei äußerer Belastung in für Batteriemodule üblichen Wertebereichen gleichzeitig plastisches und elastisches Verformungsverhalten. Die eingangs erläuterten ladungszustandsabhängigen zyklischen Volumenänderungen können somit durch das elastische Materialverhalten von LWRT aufgefangen werden, so dass sich die LWRT umfassende Zwischenlage mit den zyklischen Volumenänderungen bei Energieaufnahme und Energieabgabe durch die wenigstens eine Batteriezelle mitverformen kann und sich die Zwischenlage wieder reversibel zurückstellt. Die plastische Verformung von LWRT-Material erfolgt, verglichen mit der elastischen, langsam und daher über einen längeren Zeitraum. Die, verglichen mit der langsamen und stetigen kristallisationsinduzierten Volumenzunahme, kurzfristigen zyklischen Volumenänderungen bewirken daher wegen ihrer verhältnismäßig kurzen Zyklus- zeiten keine nennenswerte plastische Verformung. Umgekehrt bewirkt die langsame aber stetige Volumenzunahme durch die Kristallbildung keine elastische Verformung, sondern die durch die Kristallbildung induzierte Volumenzunahme bewirkte Belastung des LWRT-Materials wird von diesem durch plastisches Fließen wieder abgebaut.

Somit kann durch Verwendung von LWRT-Material umfassenden Zwischenlagen ein Batteriemodul geschaffen werden, das eine Druckbelastung der wenigstens einen Batteriezelle trotz der genannten an der wenigstens einen Batteriezelle auftretenden Volumenänderungseffekte über die Lebensdauer der wenigstens einen Batteriezelle hinweg im Wesentlichen konstant hält und dabei keinen größeren Bauraum beansprucht als ein herkömmliches Batteriemodul gleicher Nenn-Kapazität.

Notwendig ist dabei, dass das LWRT-Material porös ist. Es darf daher nicht vollständig zu einem massiven faserverstärktem Kunststoffblock kompaktiert sein. Die Porosität ist notwendig, um das für die Verwendung in einem vorgespannten Batteriemodul vorteilhafte elastisch-plastische Materialverhalten zu bewirken.

Als Batteriemodul im Sinne der vorliegenden Anmeldung gilt jeder entsprechend den Vorgaben der vorliegenden Anmeldung aufgebaute chemische Speicher elektrischer Energie. Dieser muss nicht zwingend wiederaufladbar sein, ist dies jedoch bevorzugt.

Das vorliegend beschriebene erfindungsgemäße Batteriemodul kann überall dort eingesetzt werden, wo ein Vorrat elektrischer Energie benötigt wird. Bevorzugt ist das erfindungsgemäße Batteriemodul zur Verwendung als mobiles Batteriemodul ausgebildet, besonders bevorzugt als elektrischer Energiespeicher in Fahrzeugen mit elektrischem Antrieb. Der elektrische Antrieb kann alleiniger Antrieb sein oder kann einen Antrieb durch eine Brennkraftmaschine ergänzen. Die vorliegende Erfindung betrifft daher auch ein Fahrzeug mit einem wie vorliegend beschriebenen Batteriemodul.

"LWRT" steht für "Low Weight Reinforced Thermoplastics", also für einen verstärkten Thermoplasten niedrigen Gewichts. Darunter sollen allgemein thermoplastisch gebundene gerichtete Fasern oder Fasergewirre verstanden werden, wobei als thermoplastisches Bindermaterial in der Regel Polyolefine, also entweder Polypropylen oder Polyethylen, zum Einsatz kommen. Andere thermoplastische Bindermaterialien sind selbstverständlich nicht ausgeschlossen. Als Fasern sind beliebige Fasern denkbar, solange sie bei Temperaturen, bei welchen das thermoplastische Bindermaterial erweicht oder schmilzt, formbeständig vorliegen. Derartige Fasern sind bevorzugt Glasfasern oder Carbonfasern. Jedoch sind ebenso Mineralfasern, wie etwa Steinwolle, Naturfasern, insbesondere carbonisierte Naturfasern, oder auch Kunststofffasern aus oder mit einem Kunststoff mit höherem Erweichungs- oder/und Schmelzpunkt als jener des Bindematerials denkbar. Auch die Kunststofffasern können zur Erzielung hoher Zugfestigkeiten carbonisiert sein. Beispielsweise können als Kunststofffasern Polyesterfasern, insbesondere aus PET, eingesetzt werden.

Wenngleich es zur Erzielung der erfindungsgemäßen Vorteile ausreichen kann, dass die LWRT-Zwischenlage den porösen LWRT-Werkstoff lediglich aufweist und darüber hinaus auch andere Werkstoffe umfasst oder nicht-poröse Abschnitte aus einem der auch im LWRT-Material verwendeten Werkstoffe oder/und einem anderen Werkstoff umfasst, ist es zur Erzielung der erfindungsgemäßen Vorteile in möglichst großem Umfang vorteilhaft, wenn die LWRT-Zwischenlage aus porösem LWRT- Material gebildet ist. Bevorzugt ist die LWRT-Zwischenlage eine flächige, besonders bevorzugt eine ebene Zwischenlage. "Flächig" bedeutet dabei, dass die Abmessung der LWRT-Zwischenlage in ihrer Flächenerstreckung wesentlich größer ist, etwa um den Faktor 10 oder mehr, als in ihrer zur Flächenerstreckung orthogonalen Dickenrichtung.

Wenngleich das erfindungsgemäße Batteriemodul lediglich eine einzige Batteriezelle aufweisen kann, ist es zur Erhöhung der Kapazität des Batteriemoduls vorteilhaft, wenn zwischen den Druckflächen eine Mehrzahl von längs der Abstandsachse hintereinander angeordneten Batteriezellen aufgenommen sind.

Bei bevorzugter Anordnung einer Mehrzahl von Batteriezellen zwischen den Druck- flächen bilden diese Batteriezellen einen Batteriezellenstapel, wobei die Batteriezellen längs einer im Batteriemodul zur Abstandsachse parallelen oder mit dieser zusammenfallenden Stapelachse gestapelt sind. Auch die Batteriezellen sind bevorzugt flächige Batteriezellen im oben definierten Sinne, wobei jede Batteriezelle eine Kathode, eine Anode und ein zwischen Kathode und Anode vorgesehenes Separatorbauteil aufweist.

Ganz grundsätzlich kann eine LWRT-Zwischenlage sowohl zwischen zwei längs der Abstandsachse benachbarten Batteriezellen angeordnet sein als auch zwischen einer Druckfläche und einer dieser längs der Abstandsachse benachbarten Batterie- zelle. Da üblicherweise die Druckflächen bzw. die die Druckflächen aufweisenden Bauteile gehäuse- oder gestellfeste Bauteile sind, führt die Anordnung der LWRT- Zwischenlage mit zunehmendem Abstand von den Druckflächen aufgrund ihrer Verformbarkeit zu einer Verlagerbarkeit der an ihr angrenzenden Batteriezellen nicht nur längs der Abstandsachse, sondern auch orthogonal dazu. Zur Erzielung eines mög- liehst stabilen Batteriemoduls ist es daher bevorzugt, wenn eine LWRT-Zwischenlage längs der Abstandsachse zwischen Druckfläche und der wenigstens einen Batteriezelle angeordnet ist. Im Falle der oben genannten Mehrzahl von Batteriezellen ist die LWRT-Zwischenlage zwischen der Druckfläche und der der Druckfläche längs der Abstandsachse nächstgelegenen Batteriezelle angeordnet. Dies ermöglicht eine stabile Verbindung der Zwischenlage mit der Druckfläche, so dass diese tatsächlich nur längs der Abstandsachse verformbar ist. Die LWRT-Zwischenlage kann dann fest und sicher auf der Druckfläche oder an einem die Druckfläche aufweisenden Bauteil, wie etwa einer Druckplatte, festgelegt werden, etwa durch Verklebung. Durch Volumenänderungen der wenigstens einen Batteriezelle induzierte Belastungen können in noch größerem Umfang abgebaut werden, wenn zwischen jeder der beiden Druckflächen und der wenigstens einen Batteriezelle je eine LWRT-Zwi- schenlage angeordnet ist. Dementsprechend kann das Batteriemodul eine Mehrzahl von LWRT-Zwischenlagen aufweisen. Bevorzugt die genannten zwei LWRT- Zwischenlagen, an jeder Druckfläche eine. In an sich bekannter Weise kann wenigstens eine der Druckflächen an einer Druckplatte ausgebildet sein. Die andere Druckfläche kann an einem Abschnitt eines Batteriemodulgehäuses, etwa an einem Gehäuseboden eines Batteriemodulgehäuses ausgebildet sein. Die Aussage in der vorliegenden Anmeldung, dass die Druckflächen aufeinander zu gespannt sind, soll nicht anzeigen, dass jede der Druckflächen durch ein eigenes ihm zugeordnetes Kraftgerät zur jeweils anderen Druckfläche hin belastet ist. Es reicht hierzu nach dem Grundsatz actio = reactio aus, wenn eine Druckfläche an einem gehäuse- oder gestellfesten Bauteil realisiert ist und nur das die jeweils andere Druckfläche aufweisende Bauteil zu der einen Druckfläche hin durch ein Kraftgerät mit Kraft beaufschlagt ist. "Aufeinander zu gespannt" sind Druckflächen im Sinne der vorliegenden Anmeldung bereits dann, wenn an jeder der Druckflächen eine zur jeweils anderen Druckfläche hin gerichtete Kraft wirkt. Bei Anordnung beider Druckflächen an jeweils einer Druckplatte können die Druckplatten über Verbindungsstreben, etwa in Form von Gewindestangen oder Stangen mit jeweils endseitigen Gewinden oder durch Schrauben miteinander verbunden sein, wobei durch die Verwendung von wenigstens Gewinde-Endabschnitten an den Streben die Druckplatten besonders einfach mechanisch aufeinander zu gespannt werden können. Durch Spannmuttern an den Verbindungsstreben kann eine zwischen den Druckflächen wirkende Spannkraft sehr genau eingestellt werden. Die Verbindungsstreben können auch schraubenartig ausgebildet sein, d. h. mit einem Kopf in einem Endbereich und mit einem Gewinde am anderen Endbereich. Bevorzugt sind beide Druckflächen an je einer Druckplatte ausgebildet. Zur besonders sicheren und stabilen Aufnahme einer LWRT -Zwischenlage an einer Druckplatte ist es vorteilhaft, wenn für jede einer LWRT-Zwischenlage längs der Abstands- achse unmittelbar benachbarte Druckplatte gilt, dass die Druckplatte die ihr längs der Abstandsachse nächstgelegene LWRT-Zwischenlage orthogonal zur Abstandsachse längs wenigstens einer Erstreckungsachse überragt. Da die Druckplatte in der Regel stabiler als die LWRT-Zwischenlage ausgebildet ist, d. h. sie wird bei gleicher Belastung weniger stark verformt, treten bei dem genannten Überragen der LWRT-Zwischenlage durch die Druckplatte auch am Rand der LWRT-Zwischenlage keine Randeffekte, wie Verlagerung eines Randbereichs der LWRT-Zwischenlage anstelle von dessen Verformung und dergleichen ein. Aus dem genannten Grund überragt die Druckplatte die ihr längs der Abstandsachse nächstgelegene LWRT-Zwischenlage orthogonal zur Abstandsachse längs von wenigstens zwei zueinander orthogonalen Erstreckungsachsen.

Aus den genannten Gründen gilt bevorzugt das zum Überragen der LWRT-Zwi- schenlage durch die Druckplatte Gesagte entsprechend für die Anlagefläche, längs welcher eine Batteriezelle an einer LWRT-Zwischenlage anliegt. In diesem Falle überragt bevorzugt die LWRT-Zwischenlage die Anlagefläche orthogonal zur Abstandsachse längs wenigstens einer Anlageachse, vorzugsweise längs zweier zueinander orthogonaler Anlageachsen.

Somit umgibt vorzugsweise die Druckplatte die ihr nächtgelegene LWRT-Zwischenlage in einer Umlaufrichtung um die Abstandsachse vollständig und geschlossen. Ebenso umgibt die LWRT-Zwischenlage die Anlagefläche, längs welcher eine Batteriezelle an ihr anliegt, in der Umlaufrichtung bevorzugt vollständig und geschlossen.

Bevorzugt ist die LWRT-Zwischenlage nicht nur zwischen zwei Bauteilen, bevorzugt einer Druckplatte einerseits und einer Batteriezelle andererseits eingelegt, sondern ist an wenigstens einem der Bauteile fixiert. Besonders einfach kann die LWRT-Zwischenlage mit einem ihr längs der Abstandsachse unmittelbar benachbarten Bauteil verklebt sein. Dieses Bauteil kann ein eine Druckfläche tragendes Bauteil sein, wie etwa eine Druckplatte oder ein Gehäuseabschnitt eines Batteriemodulgehäuses, wie es oben bereits erläutert wurde. Dieses Bauteil kann auch eine Batteriezelle sein. Möglich, aber weniger bevorzugt, kann die LWRT-Zwischenlage auch sandwichartig zwischen zwei Batteriezellen angeordnet sein und dann mit beiden Batteriezellen verklebt oder sonstwie verbunden sein. Je nach verwendeten Materialien können die an der LWRT-Zwischenlage anliegenden Bauteile mit einem Haftvermittler beschichtet sein, um eine adhäsive Verbindung zwischen dem Bauteil und der LWRT-Zwischenlage zu fördern. Wie oben bereits dargelegt wurde, sind eine oder mehrere LWRT-Zwischenlagen bevorzugt nur unmittelbar den beiden Druckflächen benachbart angeordnet. Ein aus einer Mehrzahl von Batteriezellen gebildeter Batteriezellenstapel kann, etwa in seiner Stapelmitte, oder in regelmäßigen Abständen, längs der Abstandsachse zwischen zwei benachbarten Batteriezellen eine LWRT-Zwischenlage aufweisen, bevorzugt ist der Batteriezellenstapel jedoch frei von LWRT-Zwischenlagen, so dass bevorzugt für wenigstens eine Untergruppe aus der Mehrzahl von Abstandsachse hintereinander angeord- neten Batteriezellen gilt, dass zwischen je zwei längs der Abstandsachse hintereinander angeordneten Batteriezellen der Untergruppe keine LWRT-Zwischenlage vorgesehen ist.

Die vorliegende Erfindung wird nachfolgend anhand der beiliegenden Figuren näher erläutert werden. Es stellt dar:

Fig .1 eine grobschematische Aufrissansicht einer erfindungsgemäßen Ausführungsform eines Batteriemoduls In Fig. 1 ist ein in einer grobschematischen Aufrissansicht dargestelltes erfindungsgemäßes Batteriemodul allgemein mit 10 bezeichnet.

Das Batteriemodul umfasst im dargestellten Beispiel einen Stapel von beispielhaft zehn längs einer Stapelachse S aufeinander gestapelten gleichartigen Batteriezellen 12. Die vorzugsweise baugleichen Batteriezellen 12 sind bevorzugt ohne Zwischenanordnung irgendwelcher Zwischenlagen unmittelbar einander berührend längs der Stapelachse S gestapelt. Die Batteriezellen 12, bei welchen es sich jeweils um einen chemischen Speicher für elektrische Energie handelt, verändern während ihrer Betriebslebensdauer ihr Volumen. Zum einen bilden sich aufgrund der in den Batteriezellen 12 vorhandenen Sub- stanzen über die Lebensdauer der Batteriezellen 12 hinweg Kristalle, welche ein größeres Volumen einnehmen als die gleiche Masse an Substanz in flüssiger oder nicht-kristallisierter Phase.

Zum anderen nimmt das Volumen einer Batteriezelle 12 zyklisch mit der Verände- rung des Zustands elektrischer Ladung zu und wieder ab.

Der Kristallisation in den Batteriezellen 12 kann durch Beaufschlagung der Batteriezellen 12 mit Druckkraft zumindest insoweit entgegengewirkt werden, dass die Kristallisationsvorgänge langsamer als ohne Druckkraftbeaufschlagung ablaufen.

Daher umfasst das Batteriemodul 10 zwei Druckplatten 14 und 16, welche längs einer mit der Stapelachse S der Batteriezellen 22 zusammenfallenden Abstandsachse A mit Abstand voneinander angeordnet sind. Jede der Druckplatten 14 und 16 weist eine zur jeweils anderen Druckplatte 16 bzw. 14 weisende Druckfläche 14a bzw. 16a auf. Die Druckplatten 14 und 16 und mit diesen die jeweils zugehörige Druckfläche 14a und 16a sind längs der Abstandsachse A durch Spannmittel 18 aufeinander zu gespannt. Sie üben daher auf die zwischen ihnen liegenden Batteriezellen 12 eine Druckkraft aus.

Die Spannmittel 18, welche grundsätzlich beliebig ausgestaltet sein können, sind im vorliegenden Beispiel bauraumsparend mechanische Spannmittel 18 und umfassen jeweils eine Schraube 20 und eine Mutter 22. Der Schraubenkopf 20a der Schraube 20 liegt an der der Druckfläche 16a entgegengesetzten Außenfläche 16b der Druck- platte 16 an, die Mutter 22 liegt an der der Druckfläche 14a entgegengesetzten, von der Druckplatte 16 und den Batteriezellen 12 weg weisenden Außenfläche 14b der Druckplatte 14 an. Anstelle einer Schraube und einer Mutter kann die mechanische Spannvorrichtung 18 auch durch eine Gewindestange und zwei Muttern gebildet sein. Weiter alternativ können anstelle der Verschraubung ein oder mehrere Zugstäbe unter Zugspannung stehend mit den Druckplatten verschweißt sein.

Um die Batteriezellen 12 möglichst gleichförmig mit Druckkraft zu beaufschlagen, umfasst das Batteriemodul 10 mehrere Spannmittel 18, im Falle von Batteriezellen 12 mit rechteckiger Grundfläche und von ebenso rechteckigen Druckplatten 14 und 16 etwa je ein Spannmittel 18 in jedem Eckbereich der rechteckigen Druckplatten 14 und 16.

Vorzugsweise sind die Druckplatten 14 und 16 baugleich. Um die Batteriezellen 12 über ihre Lebensdauer hinweg mit etwa konstanter Druckkraft beaufschlagen zu können, ist zwischen jeder Druckplatte 14 und 16 und der ihr jeweils nächstgelegenen Batteriezelle 12 je eine LWRT-Zwischenlage 24 (siehe Druckplatte 14) und 26 (siehe Druckplatte 16) angeordnet. Eine oder beide der LWRT-Zwischenlagen 24 und 26 können mehrschichtig ausgebildet sein.

Die LWRT-Zwischenlagen 24 und 26 sind wiederum vorzugsweise baugleich, das heißt sie sind aus einer identischen Materialzusammensetzung sowie mit im Zustand vor der Montage gleichen Bauteilabmessungen hergestellt. Die LWRT-Zwischenlagen 24 und 26 sind gebildet aus thermoplastisch gebundenem Fasergewirr, vorzugsweise aus Glasfasern, welche mit einem Polyolefin, etwa Polypropylen oder Polyethylen, thermoplastisch zu einem porösen LWRT gebunden sind.

Aufgrund der Porosität der LWRT-Zwischenlagen 24 und 26 weisen diese ein gleich- zeitig elastisches und plastisches Verformungsverhalten mit für den vorliegenden Anwendungsfall ausreichenden Verformungsbeträgen auf. Die plastische Verformung des LWRT-Materials erfolgt dabei sehr langsam, langsamer als die elastische Verformung.

Die vom elektrischen Ladungszustand abhängige zyklische Volumenänderung der Batteriezellen 12 kann daher durch den elastischen Verformungsanteil der LWRT- Zwischenlagen 24 und 26 ausgeglichen werden. Mit einer Volumenausdehnung aufgrund einer Ladungsänderung werden die LWRT-Zwischenlagen 24 und 26 zunächst elastisch komprimiert. Ändert sich der Ladungszustand dann im entgegengesetzten Sinne, entspannen sich die LWRT-Zwischenlagen 24 und 26 wieder in ihren Aus- gangszustand und folgen somit den sich in ihren Volumina wieder verringernden Batteriezellen 12.

Eine Erhöhung der mechanischen Spannung im Batteriemodul, welche bewirkt ist durch verglichen mit der zyklischen Volumenänderung langsam ablaufende Kristalli- sation und damit verbunden einen langsamen aber stetigen Volumenzuwachs der Batteriezellen 12 über ihre Lebensdauer hinweg, wird dagegen in den LWRT- Zwischenlagen 24 und 26 durch plastisches Fließen abgebaut.

Der Ausgangszustand, von welchem ausgehend sich die LWRT-Zwischenlagen 24 und 26 durch die zyklische Ladungszustandsänderung der Batteriezellen 12 elastisch verformen, ist daher über die Lebensdauer des Batteriemoduls 10 hinweg betrachtet zu unterschiedlichen Zeiten jeweils ein anderer.

Würden die Batteriezellen - hypothetisch, wie erfindungsgemäß jedoch nicht - ohne Zwischenanordnung der LWRT-Zwischenlagen 24 und 26 unmittelbar an den beispielsweise aus Metall oder einem verstärkten Kunststoff gebildeten Druckplatten 14 und 16 anliegen, dann müsste der von den Druckplatten 14 und 16 auf die Batteriezellen 12 ausgeübte Druck (Druckkraft) bei der Herstellung der Batteriezellen so gewählt werden, dass er durch die unvermeidliche kristallisationsinduzierte Volumen- ausdehnung der Batteriezellen 12 und die damit in dem von den Druckplatten 14 und 16 begrenzten Aufnahmeraum unvermeidlich hervorgerufene Druckerhöhung in den Batteriezellen 12 nicht so stark erhöht wird, dass die Batteriezellen 12 zerstört werden und somit ihre Lebensdauer unnötig verkürzt wird.

Ein ohne Anordnung der hier vorgestellten LWRT-Zwischenlagen 24 und 26 gebil- detes Batteriemodul 10 würde daher zu Beginn der Lebensdauer des Batteriemoduls 10 eine geringere Druckkraft auf die Batteriezellen 12 ausüben als möglich und nötig wäre, um die Kristallisation im Inneren der Batteriezellen 12 optimal zu verzögern. Die Folge wäre, dass die Kristallisation zunächst schneller als gewünscht abläuft, da der sie behindernde Druck in den Batteriezellen 12 zunächst zu gering ist. Erst mit fortschreitender Kristallisation wird durch Volumenausdehnung der Batteriezellen 12 in dem durch die Druckplatten 14 und 16 eingegrenzten Aufnahmevolumen des Batteriemoduls 10 allmählich ein Druck erzeugt, welcher der Kristallisation in den Batteriezellen 12 zunehmend wirksam entgegenwirkt. Dann ist jedoch schon ein Maß an Kristallbildung und Kristallanlagerungen in den Batteriezellen 12 erreicht, die eine Lebensdauer der Batteriezellen 12 gegenüber der Lebensdauer gleichartiger Batteriezellen 12 in einem erfindungsgemäßen Batteriemodul 10 verkürzt ist.

Dadurch, dass die LWRT-Zwischenlagen 24 und 26 eine durch Volumenausdehnung der Batteriezellen 12 bewirkte Druckerhöhung im Batteriemodul 10 durch plastisches Fließen abbauen, kann das erfindungsgemäße Batteriemodul 10 bereits zu Beginn seiner Betriebslebensdauer mit der für eine Verzögerung von Kristallwachstum in den Batteriezellen 12 optimalen Druckkraft beaufschlagt werden. Die Kristallisation in den Batteriezellen 22 erfolgt somit langsamer und gegen einen durch das plastische Fließen der LWRT-Zwischenlagen 24 und 26 im Wesentlichen konstanten Gegen- druck. Die nutzbare Betriebslebensdauer des Batteriemoduls 10, verglichen mit einem kapazitäts- und baugleichen Batteriemodul ohne LWRT-Zwischenlagen, ist somit erhöht.

Die LWRT-Zwischenlagen 24 und 26 sind mit den Druckplatten 14 bzw. 16 bevorzugt durch Verklebung verbunden und auf den jeweiligen Druckflächen 14a und 16a der Druckplatten 14 bzw. 16 fixiert. Die Druckplatten 14 und 16 überragen die LWRT- Zwischenlagen 24 und 26 vorteilhafterweise in einer Richtung orthogonal zur Stapel- achse S und zur koaxialen Abstandsachse A vorzugsweise allseits, etwa längs der zueinander orthogonalen Erstreckungsachsen E1 und E2.

Die LWRT-Zwischenlagen 24 und 26 liegen an den ihnen längs der Abstandsachse A nächstgelegenen Batteriezellen 12 längs einer Anlagefläche 28 bzw. 30 an. Um eine von den Druckplatten 14 und 16 auf die Batteriezellen 12 ausgeübte Druckkraft möglichst gleichmäßig über diese Anlageflächen 28 und 30 in die Batteriezellen 12 einzuleiten, überragen die LWRT-Zwischenlagen 24 und 26 die ihnen zugeordneten Anlageflächen 28 bzw. 30 in einer Richtung orthogonal zur Abstandsachse A eben- falls vorzugsweise allseits, etwa längs der zueinander orthogonalen Anlageachsen B1 und B2.

Im dargestellten Beispiel von Fig. 1 sind die dargestellten Bauteile: Druckplatten 14 und 16, LWRT-Zwischenlagen 24 und 26 und Batteriezellen 12 vorzugsweise recht- eckig, so dass eine Ansicht des Batteriemoduls 10 aus einer um 90° um die Abstandsachse A gedrehten Richtung im Wesentlichen so aussieht wie die Darstellung von Fig. 1 . Der Abstand der Spannmittel 18 voneinander kann kürzer oder länger sein, da die Druckplatten 14 und 16, LWRT-Zwischenlagen 24 und 26 sowie die Batteriezellen 12 in einer Richtung orthogonal zur Zeichenebene von Fig. 1 eine zur Darstellung von Fig. 1 abweichende Abmessung aufweisen können, aber nicht müssen.

Claims

Ansprüche

Batteriemodul (10), insbesondere für ein Kraftfahrzeug, umfassend wenigstens eine Batteriezelle (12), welche zwischen zwei längs einer Abstandsachse (A) mit Abstand voneinander angeordneten und aufeinander zu gespannten Druckflächen (14a, 16a) längs der Abstandsachse (A) mit Druckkraft beaufschlagt aufgenommen ist, wobei längs der Abstandsachse (A) zwischen den Druckflächen (14a, 16a) zusätzlich wenigstens eine Zwischenlage (24, 26) vorgesehen ist,

dadurch gekennzeichnet, dass die Zwischenlage (24, 26) als LWRT- Zwischenlage (24, 26) ein poröses LWRT-Material mit thermoplastisch gebundenem Fasergewirr umfasst.

Batteriemodul (10) nach Anspruch 1 ,

dadurch gekennzeichnet, dass wenigstens eine LWRT-Zwischenlage (24, 26) aus porösem LWRT-Material gebildet ist.

Batteriemodul (10) nach Anspruch 1 oder 2,

dadurch gekennzeichnet, dass zwischen den Druckflächen (14, 16) eine Mehrzahl von längs der Abstandsachse (A) hintereinander angeordneten Batteriezellen (12) aufgenommen sind.

Batteriemodul (10) nach einem der vorhergehenden Ansprüche,

dadurch gekennzeichnet, dass eine LWRT-Zwischenlage (24, 26) längs der Abstandsachse (A) zwischen einer Druckfläche (14a, 16a) und der wenigstens einen Batteriezelle (12) angeordnet ist.

Batteriemodul (10) nach einem der vorhergehenden Ansprüche,

dadurch gekennzeichnet, dass zwischen jeder Druckfläche (14a, 16a) und der wenigstens einen Batteriezelle (12) je eine LWRT-Zwischenlage (24, 26) angeordnet ist. Batteriemodul (10) nach Anspruch 4 oder 5,

dadurch gekennzeichnet, dass wenigstens eine der Druckflächen (14a, 16a) an einer Druckplatte (14, 16) ausgebildet ist, wobei die Druckplatte (14, 16) die ihr längs der Abstandsachse (A) nächstgelegene LWRT-Zwischenlage (24, 26) orthogonal zur Abstandsachse (A) längs wenigstens einer Erstreckungsachse (E1 , E2), vorzugsweise längs zweier zueinander orthogonaler Erstreckungsachsen (E1 , E2) überragt.

Batteriemodul (10) nach einem der vorhergehenden Ansprüche,

dadurch gekennzeichnet, dass eine an einer Batteriezelle (12) in einer Anlagefläche (28, 30) anliegende LWRT-Zwischenlage (24, 26) die Anlagefläche (28, 30) längs wenigstens einer Anlageachse, vorzugsweise längs zweier zueinander orthogonaler Anlageachsen (B1 , B2) überragt.

Batteriemodul (10) nach einem der vorhergehenden Ansprüche,

dadurch gekennzeichnet, dass die wenigstens eine LWRT-Zwischenlage (24, 26) mit wenigstens einem ihr längs der Abstandsachse (A) unmittelbar benachbarten Bauteil (12, 14, 16) verklebt ist.

Batteriemodul (10) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, unter Einbeziehung des Anspruchs 3,

dadurch gekennzeichnet, dass für wenigstens eine Untergruppe aus der Mehrzahl von längs der Abstandsachse (A) hintereinander angeordneten Batteriezellen (12) gilt, dass zwischen je zwei längs der Abstandsachse (A) hintereinander angeordneten Batteriezellen (12) der Untergruppe keine LWRT- Zwischenlage (24, 26) vorgesehen ist.

10. Batteriemodul (10) nach einem der vorhergehenden Ansprüche,

dadurch gekennzeichnet, dass das Fasergewirr der LWRT-Zwischenlage (24, 26) Glasfasern oder/und Mineralfaser oder/und Naturfasern oder/und

Kunststofffasern umfasst.