WO2024115614A1 - Cell separator and battery module - Google Patents

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WO2024115614A1
WO2024115614A1 PCT/EP2023/083628 EP2023083628W WO2024115614A1 WO 2024115614 A1 WO2024115614 A1 WO 2024115614A1 EP 2023083628 W EP2023083628 W EP 2023083628W WO 2024115614 A1 WO2024115614 A1 WO 2024115614A1
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cell
frame
battery module
storage cells
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PCT/EP2023/083628
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Peter Schölzel
Bernd Ell
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Elringklinger Ag
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Definitions

  • the present invention relates to a cell separator which is arranged in a battery module between adjacent elementary storage cells, and to a battery module constructed therewith, which is intended in particular for a high-voltage battery system, as is intended for electric vehicles.
  • cell separators are used between adjacently arranged storage cells in a battery module, particularly between elementary storage cells in a prismatic design. Depending on the size of the battery, between 80 and over 100 cell separators are required. Thin-walled, flexible and thermally insulating or insulating materials are used as cell separators in order to fulfil the following functions, among others:
  • thermal insulation leads to a delay in the heat transfer from cell to cell. This is to ensure that in extreme cases a burning cell does not directly infect neighboring cells through a cell separator as thermal decoupling and a thermal event or thermal runaway event is at least slowed down.
  • the present invention has the object of improving a cell separator and a battery module constructed therewith.
  • the present invention is based on the knowledge that the disadvantage of the known approach outlined above is that all developments of cell separators are aimed only at passive thermal decoupling between neighboring cells within a battery module by means of a cell separator. This means that the main function of a cell separator is only to protect the storage cells from excessively high temperatures and to create an even temperature distribution while avoiding so-called hot spots and temperature gradients from cell to a neighboring cell ⁇ 5K as well as ⁇ I OK within the cell across all cells of a battery module.
  • a major disadvantage of previous solutions is that at low temperatures of ⁇ 20 °C the performance and durability of storage cells are negatively affected.
  • a battery management system (BMS) regulates the available electrical power of a battery system according to the coldest storage cell, with optimum efficiency only being available in a temperature window between 20 °C and 60 °C. This means that at low ambient temperatures and especially with cold elementary storage cells, there is a loss in the capacity of a battery module and therefore at least a significant reduction in the range of an electric vehicle.
  • a cell separator is now used as an existing component by integrating an active heating measure as a functional extension in order to effectively counteract the negative influences of low temperatures on the elementary storage cells by quickly setting an ideal working temperature range.
  • An existing, purely passive solution is thus supplemented by an active heating measure in a largely unchanged component and achieves immediate added value for an end user or driver, e.g. by increasing battery capacity and thus range even in low ambient conditions or during a cold start.
  • At least one electrical resistor with a surface distribution is arranged in a cell separator as an active heating measure. This means that an area between two adjacently arranged elementary storage cells can be used almost completely for effective and rapid heating of these storage cells.
  • this electrical heating resistor is realized as a printed layer.
  • this electrical heating resistor is implemented by at least one electrical resistor with a meandering course, preferably as a heating wire with a meandering course.
  • the resistance wire is preferably fixed to a surface made of thermal insulation, in particular to a layer of insulating paper.
  • the heating wire is fixed between two surfaces made of thermal insulation, the thermal insulation being formed as intercell insulation, in particular by a so-called insulating paper.
  • two surfaces made of thermal insulation are connected to one another via adhesive points.
  • the heating resistance between the surfaces of thermal insulation is also via adhesive joints in its shape and
  • Adhesive dots intended for connecting surfaces made of thermal insulation material.
  • the cell separator is specially designed for arrangement between the lateral surfaces of adjacent storage cells in that the cell separator is designed to cover at least one large side of a prismatic lateral surface of an elementary storage cell.
  • the cell separator In the case of storage cells with an elongated cuboid-shaped outer body, their large lateral surface makes up the largest proportion in relation to the total surface area. Since the end faces are very narrow, heating in direct contact with a large lateral surface is also most effective.
  • the cell separator preferably has a frame in the form of an injection-molded part in which the surfaces made of thermal insulation are fixed.
  • the use of polycarbonate is preferred for the injection-molded part, with the surfaces made of thermal insulation being fixed in the frame, preferably in the form of a lower and an upper part of the frame, by locking the lower and upper parts together.
  • the cell separator has two contacts, each with an electrical resistance, which are designed as spring elements or connection springs arranged on the frame.
  • the frame is thus characterized by contact springs oriented downwards towards the bottom of a module tray in an installed position, to which the electrical resistance heater is connected.
  • the frame of the cell separator is designed to be fixed to a storage cell arranged adjacent to it in an installation situation.
  • a thermal insulation held in the frame itself is not fixed to the storage cell.
  • the frame thus defines a distance between neighboring cells, which cannot be changed by the so-called swelling of the neighboring storage cells that occurs during charging and discharging processes.
  • the frame of the cell separator is fixed by gluing.
  • a battery module constructed from elementary storage cells is advantageously characterized in that elementary storage cells arranged adjacently in a column are separated from one another by a cell separator according to one of the preceding features, wherein within the battery module a column of n elementary storage cells of prismatic design advantageously has n-1 cell separators.
  • each cell separator is connected via its frame to both adjacently arranged storage cells by gluing. This results in a row of n storage cells when installed in a housing or a module tray as a structurally one-piece unit.
  • such a battery module is characterized in that at least two supply conductors per row of elementary storage cells are arranged on the inside of a base of a module tray of the module housing to supply the respective electrical resistance heaters of the cell separators through the contacts each designed as connection springs.
  • a heating output can thus be regulated by means of a current regulation through the two supply conductors. With more than two supply conductors, a selective control of resistance heaters of the cell separators is also possible.
  • Figure 1 a plan view of a cell separator
  • Figure 2 a three-dimensional representation of another embodiment of a cell separator
  • Figure 3 a three-dimensional representation of a known battery module with a cell separator with an extension corresponding to a cell separator according to the embodiment of Figure 2.
  • elementary storage cells 3 of prismatic design are generally constructed with directly adjacent elementary storage cells 3 separated in a row or column by a cell separator 4, as indicated in the three-dimensional exploded view of Figure 3.
  • Each cell separator 4 extends between directly adjacent elementary storage cells 3 from a module base 5 over a large side surface of the elementary storage cells 3, which are designed here as narrow prisms, to a cover (not shown in more detail). Only after this assembly does an electrical connection of the elementary storage cells 3 follow, before a module housing 1 is closed off by a type of cover.
  • FIG. 1 shows a top view of a cell separator 4 in which an active heating measure is integrated to improve the properties of a battery module.
  • a known cell separator 4 has thermal insulation 6 in the form of insulating paper that is held fixed in a plastic frame 7, this cell separator 4 is now used as an existing component by integrating an active heating measure in order to effectively counteract the negative influences of low temperatures on adjacent storage cells 3 in an installation situation by quickly setting an ideal working temperature range.
  • the existing installation space is used largely unchanged with a known basic structure consisting of insulating material 6 with a fixing frame 7 made of polycarbonate and supplemented by a meandering heating wire 8 of a resistance heater.
  • the cell separator 4 has also been further developed to be a carrier of an active heating measure.
  • an existing manufacturing process is adapted accordingly. Accordingly, an appropriately cut piece of insulation paper 6 is inserted into a lower half 7a of a fixing frame 7 made of polycarbonate. An electrical resistor is placed on top of this in the form of a heating wire 8 pre-formed in meanders and fixed in place with adhesive dots 9, in order to be covered directly afterwards by a second piece of insulation paper 6, whereby in Figure 1 this second piece of insulation paper 6 has been omitted for the sake of better illustration.
  • the adhesive dots 9 provided in a regular grid thus also connect the two pieces of insulation paper 6 to one another and at the same time fix a layer of the heating wire 8.
  • the view in Figure 2 shows a cell separator in which the known manufacturing process is merely supplemented by a partial coating of the insulating paper 6 with a thermally insulating paste 11, with the heating wire 8 being integrated or inserted and fixed in recesses in the coating. It is also possible to cover the heating wire 8 with the thermally insulating paste 11, since this simultaneously forms an electrical insulation layer.
  • An electrical connection of the heating wire 8 as a thermal active component is again made via current collectors integrated between the frame parts 7a, 7b in the form of two connection springs 10 on the frame 7 of the cell separator 4, which in an installation situation in the base area 5 of the module housing 1 are in contact with electrical supply conductors 12.
  • These supply conductors 12 are electrically insulated from the housings of the elementary storage cells 3, as indicated as extensions compared to known module housings 1 in the illustration of Figure 3. In this case, a good thermal coupling of the elementary storage cells 3 to the module base 5 of the module housing 1 is maintained for any necessary cooling or heat dissipation of electrical losses of the elementary storage cells 3 with dissipation via the module housing 1.
  • the heating measure is designed to be controllable via a current flow.
  • more than just one heating wire 8 is provided for each cell separator 4, so that heating can be further intensified.
  • a separate connection spring is provided for separate control and, in coordination with this, only an additional supply conductor that is spatially separate from the supply conductor 12' already described is to be provided in the module base 5.
  • a second connection can be used for all heating circuits together as a return flow conductor. This would then allow the heating circuits to be controlled separately.
  • the insulating paper 6 is overmolded in an injection mold.
  • a construction of a heating measure on the insulating paper 6 is expediently already completed with the contacting of connection springs 10 before this construction is inserted into a plastic die-casting tool.
  • a battery module 1 offers novel and very flexible possibilities for effective and rapid protection of the elementary Storage cells are protected from operating temperatures that are too low by the controlled supply of a specific amount of heat.
  • Known measures for cooling the elementary storage cells during charging and/or discharging processes via a module housing or cooling on a module base remain unaffected by this.
  • Plastic frame made of locked upper and lower halves
  • connection spring 10' additional supply conductor on the module base 5 in coordination with connection spring 10'.

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Abstract

The present invention relates to a cell separator which is arranged between adjacent elementary storage cells in a battery module, and to a battery module which is constructed with the cell separator and is provided in particular for a high-voltage battery system, as is provided for electric vehicles. In order to improve a cell separator and a battery module which is constructed with the cell separator, the invention proposes that an active heating measure is arranged integrated in the cell separator (4).

Description

Zell -Separator und Batteriemodul Cell separator and battery module
Die vorliegende Erfindung betri f ft einen Zell-Separator, der in einem Batteriemodul zwischen benachbarten elementaren Speicherzellen angeordnet ist , und ein damit aufgebautes Batteriemodul , das insbesondere für ein Hochvolt-Batteriesystem vorgesehen ist , wie es Elektrofahrzeugen vorgesehen ist . The present invention relates to a cell separator which is arranged in a battery module between adjacent elementary storage cells, and to a battery module constructed therewith, which is intended in particular for a high-voltage battery system, as is intended for electric vehicles.
Aktuell werden insbesondere bei zwischen elementaren Speicherzellen in prismatischer Bauform Zell-Separatoren zwischen benachbart angeordneten Speicherzellen in einem Batteriemodul eingesetzt . Je nach Batterie-Größe sind ab 80 bis über 100 Zell-Separaten vorzusehen . Als Zell-Separatoren werden dünnwandige , flexible und thermisch isolierende bzw . dämmende Materialien eingebracht , um u . a . folgende Funktionen zu erfüllen : Currently, cell separators are used between adjacently arranged storage cells in a battery module, particularly between elementary storage cells in a prismatic design. Depending on the size of the battery, between 80 and over 100 cell separators are required. Thin-walled, flexible and thermally insulating or insulating materials are used as cell separators in order to fulfil the following functions, among others:
- Flexibilität lässt eine Ausdehnung der Zellen in Querrichtung zu und beugt zugleich elektrischen Defekten aufgrund andauernder Reibung benachbarter Zellen vor ; - Flexibility allows cells to expand transversely while preventing electrical defects due to constant friction between neighboring cells;
- Dünnwandigkeit trägt zur Kompaktheit des Batteriemoduls bei ;- Thin walls contribute to the compactness of the battery module;
- Thermische Dämmung führt im Fall einer thermischen Überlast einer einzelnen Zelle zu einer Verzögerung des Wärmeübertrags von Zelle zu Zelle . So soll sichergestellt werden, dass im Extremfall eine abbrennende Zelle die Nachbarzellen durch einen Zell- Separator als thermische Entkopplung nicht direkt mit ansteckt und ein thermisches Ereignis bzw . Thermal runaway event zumindest verlangsamt wird . - In the event of thermal overload of an individual cell, thermal insulation leads to a delay in the heat transfer from cell to cell. This is to ensure that in extreme cases a burning cell does not directly infect neighboring cells through a cell separator as thermal decoupling and a thermal event or thermal runaway event is at least slowed down.
Die vorliegende Erfindung hat die Aufgabe , einen Zell-Separator und ein damit aufgebautes Batteriemodul zu verbessern . The present invention has the object of improving a cell separator and a battery module constructed therewith.
Die vorstehend genannte Aufgabe wird erfindungsgemäß durch die Merkmale von Anspruch 1 dadurch gelöst , dass in dem Zell- Separator eine aktive Hei zmaßnahme bzw . elektrische Widerstandshei zung integriert ist . Ferner wird diese Aufgabe auch durch ein Batteriemodul mit den Merkmalen von Anspruch 12 gelöst . The above-mentioned object is achieved according to the invention by the features of claim 1 in that in the cell Separator an active heating measure or electrical resistance heating is integrated. Furthermore, this object is also achieved by a battery module with the features of claim 12.
Die vorliegende Erfindung baut auf der Erkenntnis auf , dass an dem vorstehend ski z zierten bekannten Ansatz nachtei lig ist , dass alle Entwicklungen von Zell-Separatoren nur auf eine passive thermische Entkopplung zwischen benachbarten Zellen innerhalb eines Batteriemoduls durch einen Zell-Separator abzielen . Das bedeutet , dass die Haupt funktion für einen Zell-Separator nur darin besteht , die Speicherzellen vor zu hohen Temperaturen zu schützen und eine gleichmäßige Temperaturverteilung unter Vermeidung von sog . HotSpots und Temperaturgradienten von Zelle zu einer j eweilig benachbarten Zelle < 5K sowie < I OK innerhalb der Zelle über alle Zellen eines Batteriemodul zu schaf fen . The present invention is based on the knowledge that the disadvantage of the known approach outlined above is that all developments of cell separators are aimed only at passive thermal decoupling between neighboring cells within a battery module by means of a cell separator. This means that the main function of a cell separator is only to protect the storage cells from excessively high temperatures and to create an even temperature distribution while avoiding so-called hot spots and temperature gradients from cell to a neighboring cell < 5K as well as < I OK within the cell across all cells of a battery module.
Ein wesentlicher Nachteil bisherigen Lösungen besteht darin, dass bei niedrigen Temperaturen von < 20 ° C ein Leistungsgrad sowie eine Dauerhaltbarkeit von Speicherzellen negativ beeinflusst werden . Ein Batteriemanagementsystem BMS regelt eine zur Verfügung stehende elektrische Leistung eines Batteriesystems nach einer kältesten Speicherzelle , wobei ein optimaler Wirkungsgrad nur in einem Temperaturf enster zwischen 20 ° C und 60 ° C zur Verfügung steht . Damit kommt es bei geringen Umgebungstemperaturen und speziell bei kalten elementaren Speicherzellen zu Einbußen in der Kapazität eines Batteriemoduls und mithin zumindest zu einer deutlichen Reduzierung einer Reichweite eines Elektrofahrzeugs . A major disadvantage of previous solutions is that at low temperatures of < 20 °C the performance and durability of storage cells are negatively affected. A battery management system (BMS) regulates the available electrical power of a battery system according to the coldest storage cell, with optimum efficiency only being available in a temperature window between 20 °C and 60 °C. This means that at low ambient temperatures and especially with cold elementary storage cells, there is a loss in the capacity of a battery module and therefore at least a significant reduction in the range of an electric vehicle.
Erfindungsgemäß wird nun ein Zell-Separator als bereits bestehendes Bauteil durch Integration einer aktiven Hei zmaßnahme als funktionale Erweiterung genützt , um den negativen Einflüssen niedriger Temperaturen auf die elementaren Speicherzellen ef fektiv durch schnelle Einstellung eines idealen Arbeit stemperaturbe- reichs entgegenzuwirken . Eine bestehende , rein pass ive Lösung wird damit durch eine aktive Hei zmaßnahme in einem weitgehend unveränderten Bauteil ergänzt und erzielt einen unmittelbaren Mehrwert für einen Endverbraucher bzw . Fahrer z . B . durch Steigerung einer Batteriekapazität und dadurch Reichweite auch bei niedrigen Umgebungsbedingungen bzw . einem Kaltstart . According to the invention, a cell separator is now used as an existing component by integrating an active heating measure as a functional extension in order to effectively counteract the negative influences of low temperatures on the elementary storage cells by quickly setting an ideal working temperature range. An existing, purely passive solution is thus supplemented by an active heating measure in a largely unchanged component and achieves immediate added value for an end user or driver, e.g. by increasing battery capacity and thus range even in low ambient conditions or during a cold start.
Vorteilhafte Weiterbildungen sind Gegenstand der abhängigen Ansprüche . Demnach ist in einen Zell-Separator mindestens ein elektrischer Widerstand mit einer flächigen Verteilung als aktive Hei zmaßnahme angeordnet . Damit kann eine Fläche zwi schen zwei benachbart angeordneten elementaren Speicherzellen fast vollständig für ein ef fektives und schnelles Behei zen dieser Speicherzellen genutzt werden . In einer Aus führungs form der Erfindung ist dieser elektrische Hei zwiderstand als gedruckte Schicht realisiert . Advantageous further developments are the subject of the dependent claims. Accordingly, at least one electrical resistor with a surface distribution is arranged in a cell separator as an active heating measure. This means that an area between two adjacently arranged elementary storage cells can be used almost completely for effective and rapid heating of these storage cells. In one embodiment of the invention, this electrical heating resistor is realized as a printed layer.
Gemäß einer bevorzugten Aus führungs form der Erfindung ist dieser elektrische Hei zwiderstand durch mindestens einen elektrischen Widerstand mit einem mäanderf örmigen Verlauf realis iert , vorzugsweise als Hei zdraht mit einem mäanderf örmigen Verlauf . Der Widerstandsdraht ist vorzugsweise an einer Fläche aus einer thermischen Dämmung fixiert , insbesondere an einer Schicht aus I solierpapier . According to a preferred embodiment of the invention, this electrical heating resistor is implemented by at least one electrical resistor with a meandering course, preferably as a heating wire with a meandering course. The resistance wire is preferably fixed to a surface made of thermal insulation, in particular to a layer of insulating paper.
In einer Aus führungs form der Erfindung ist der Hei zdraht zwischen zwei Flächen aus thermischer Dämmung fixiert , wobei die thermische Dämmung als Interzell- I solierung insbesondere durch ein sog . I solierpapier gebildet ist . Gemäß einer Weiterbildung der Erfindung sind zwei Flächen aus einer thermischen Dämmung über Klebestellen miteinander verbunden . In one embodiment of the invention, the heating wire is fixed between two surfaces made of thermal insulation, the thermal insulation being formed as intercell insulation, in particular by a so-called insulating paper. According to a further development of the invention, two surfaces made of thermal insulation are connected to one another via adhesive points.
Vorzugsweise ist der Hei z-Widerstand zwischen den Flächen aus thermischer Dämmung auch über Klebestellen in seiner Form undPreferably, the heating resistance between the surfaces of thermal insulation is also via adhesive joints in its shape and
Lage fixiert , insbesondere durch dieselben Klebestellen bzw . Klebepunkte , die zur Verbindung der Flächen aus thermischem Dämm- Material vorgesehen sind . Position fixed, in particular by the same adhesive points or . Adhesive dots intended for connecting surfaces made of thermal insulation material.
In einer bevorzugten Aus führungs form der Erfindung ist der Zell- Separator zur Anordnung zwischen Mantel flächen benachbarter Speicherzellen dadurch besonders ausgebildet , dass der Zell-Separator mindestens eine große Seite einer prismatischen Mantel fläche einer elementaren Speicherzelle abdeckend ausgebildet ist . Bei Speicherzellen mit einem länglich ausgebildeten quaderförmigen Außenkörper machen deren große Mantel fläche im Verhältnis zu einer Gesamtoberfläche den größten Anteil aus . Da Stirnflächen sehr schmal ausgebildet sind wirkt eine Behei zung in direktem Kontakt mit einer großen Mantel fläche auch am ef fektivsten . In a preferred embodiment of the invention, the cell separator is specially designed for arrangement between the lateral surfaces of adjacent storage cells in that the cell separator is designed to cover at least one large side of a prismatic lateral surface of an elementary storage cell. In the case of storage cells with an elongated cuboid-shaped outer body, their large lateral surface makes up the largest proportion in relation to the total surface area. Since the end faces are very narrow, heating in direct contact with a large lateral surface is also most effective.
Vorzugsweise weist der Zell-Separator einen Rahmen in Form eines Sprit zgießteils auf , in dem die Flächen aus einer thermischen Dämmung fixiert sind . Für das Spritzgießteil wird die Verwendung von Polycarbonat bevorzugt , wobei die Flächen aus thermischer Dämmung in dem Rahmen vorzugsweise in Form eines Unter- und eines Oberteils des Rahmens umfasst durch Verrastung von Unter- und Oberteil fixiert sind . The cell separator preferably has a frame in the form of an injection-molded part in which the surfaces made of thermal insulation are fixed. The use of polycarbonate is preferred for the injection-molded part, with the surfaces made of thermal insulation being fixed in the frame, preferably in the form of a lower and an upper part of the frame, by locking the lower and upper parts together.
Der Zell-Separator weist in einer wesentlichen Weiterbildung zwei Kontakte j e elektrischem Widerstand aufweist , die als an dem Rahmen angeordnete Federelemente bzw . Anschluss-Federn ausgeführt sind . Der Rahmen zeichnet sich damit durch in einer Einbaulage nach unten zum Boden einer Modulwanne hin orientierte Kontaktfedern aus , an denen die elektrische Widerstandshei zung angeschlossen ist . In a significant development, the cell separator has two contacts, each with an electrical resistance, which are designed as spring elements or connection springs arranged on the frame. The frame is thus characterized by contact springs oriented downwards towards the bottom of a module tray in an installed position, to which the electrical resistance heater is connected.
Gemäß einer wesentlichen Weiterbildung der Erfindung ist der Rahmen des Zell-Separators zur Fixierung an einer in einer Einbausituation benachbart angeordneten Speicherzelle ausgebildet . Eine in dem Rahmen gehaltene thermische Dämmung selber i st nicht mit an der Speicherzelle fixiert . Damit definiert der Rahmen einen Abstand zwischen benachbarten Zellen, der auch durch das in Zuge von Lade- und Entladevorgängen auftretende sog . Swelling der benachbart angeordneten Speicherzellen nicht veränderbar ist . Die Fixierung des Rahmens des Zell-Separators ist in einer Aus führungs form der Erfindung als Verklebung ausgeführt . According to an essential development of the invention, the frame of the cell separator is designed to be fixed to a storage cell arranged adjacent to it in an installation situation. A thermal insulation held in the frame itself is not fixed to the storage cell. The frame thus defines a distance between neighboring cells, which cannot be changed by the so-called swelling of the neighboring storage cells that occurs during charging and discharging processes. In one embodiment of the invention, the frame of the cell separator is fixed by gluing.
Ein aus elementaren Speicherzellen aufgebautes Batteriemodul kennzeichnet sich vorteilhafterweise dadurch, dass in einer Spalte benachbart angeordnete elementare Speicherzellen durch einen Zell-Separator nach einem der vorhergehenden Merkmale voneinander getrennt sind, wobei innerhalb des Batteriemoduls eine Spalte aus n elementaren Speicherzellen prismatischer Bauform vorteilhafterweise n- 1 Zellseparatoren aufweist . Vorzugsweise ist j eder Zell-Separator über seinen Rahmen j eweils mit beiden benachbart angeordneten Speicherzellen durch Verklebung verbunden . Damit ergibt sich eine Reihe von n Speicherzellen beim Einbau in ein Gehäuse bzw . eine Modulwanne als baulich einstückige Einheit . A battery module constructed from elementary storage cells is advantageously characterized in that elementary storage cells arranged adjacently in a column are separated from one another by a cell separator according to one of the preceding features, wherein within the battery module a column of n elementary storage cells of prismatic design advantageously has n-1 cell separators. Preferably, each cell separator is connected via its frame to both adjacently arranged storage cells by gluing. This results in a row of n storage cells when installed in a housing or a module tray as a structurally one-piece unit.
In einer Weiterbildung der Erfindung zeichnet sich ein derartiges Batteriemodul dadurch auf , dass an einem Boden einer Modulwanne des Modulgehäuses innenseitig mindestens zwei Versorgungsleitbahnen j e Zeile von elementaren Speicherzellen zur Versorgung der j eweiligen elektrischen Widerstandshei zungen der Zell-Separatoren durch die j eweils als Anschluss-Federn ausgeführten Kontakte angeordnet sind . Eine Regelung einer Hei zleistung kann damit über eine Stromregelung durch die zwei Versorgungsleitbahnen erfolgen . Bei mehr als zwei Versorgungsleitbahnen ist auch eine selektive Ansteuerung von Widerstandshei zungen der Zell-Separatoren möglich . In a further development of the invention, such a battery module is characterized in that at least two supply conductors per row of elementary storage cells are arranged on the inside of a base of a module tray of the module housing to supply the respective electrical resistance heaters of the cell separators through the contacts each designed as connection springs. A heating output can thus be regulated by means of a current regulation through the two supply conductors. With more than two supply conductors, a selective control of resistance heaters of the cell separators is also possible.
Nachfolgend werden weitere Merkmale und Vorteile erfindungsgemäßer Aus führungs formen unter Bezugnahme auf Aus führungsbeispiele anhand der Zeichnung näher erläutert . Darin zeigen in schematischer Darstellung : Further features and advantages of embodiments of the invention are described below with reference to embodiments explained in more detail using the drawing. It shows in schematic representation:
Figur 1 : eine Draufsicht auf einen Zell-Separator ; Figure 1: a plan view of a cell separator;
Figur 2 : eine dreidimensionale Darstellung eines weiteren Aus führungsbeispiels eines Zell-Separators und Figure 2: a three-dimensional representation of another embodiment of a cell separator and
Figur 3 : eine dreidimensionale Darstellung eines bekannten Batteriemoduls mit einem Zell-Separator unter Erweiterung entsprechend eines Zell-Separators nach dem Aus führungsbeispiel von Figur 2 . Figure 3: a three-dimensional representation of a known battery module with a cell separator with an extension corresponding to a cell separator according to the embodiment of Figure 2.
Über die verschiedenen Abbildungen der Zeichnung hinweg werden für gleiche Elemente stets die gleichen Bezugs zeichen verwendet . Ohne Beschränkung der Erfindung wird nachfolgend nur ein Einsatz von Aus führungsbeispielen der Erfindung vor dem Hintergrund eines Einsatzes eines Batteriemoduls für einen Batteriespeichers in einem Personen-Fahrzeug in Form eines Autos dargestellt und beschrieben . Es ist aber für den Fachmann of fensichtlich, dass in gleicher Weise auch eine Anpassung eines nachstehend beschriebenen Zell-Separators auf ein Batteriemodul zum Einsatz in sonstigen Fahrzeugen, wie Flugzeuge oder Boote mit elektro-motorischem Antrieb, sowie auch auf stationäre Einsätze z . B . zur Stromversorgung möglich ist . The same reference numerals are used for the same elements throughout the various illustrations of the drawing. Without limiting the invention, only one use of embodiments of the invention is shown and described below against the background of the use of a battery module for a battery storage unit in a passenger vehicle in the form of a car. However, it is obvious to the person skilled in the art that a cell separator described below can also be adapted in the same way to a battery module for use in other vehicles, such as airplanes or boats with electric motor drive, as well as for stationary use, e.g. for power supply.
In einem Modulgehäuse 1 eines Batteriemoduls 2 werden nach dem Stand der Technik elementare Speicherzellen 3 prismatischer Bauform in der Regel unter Trennung direkt benachbarter elementarer Speicherzellen 3 in einer Reihe bzw . Spalte durch einen Zell-Separator 4 aufgebaut , wie in der dreidimensionalen Explosionsdarstellung von Figur 3 angedeutet . Jeder Zell-Separator 4 erstreckt sich zwischen direkt benachbarten elementaren Speicherzellen 3 von einem Modulboden 5 über eine große Seitenfläche der hier als schmale Prismen ausgebildeten elementaren Speicherzellen 3 zu einem nicht weiter dargestellten Deckel hin . Erst diesem Zusammenbau schließt sich eine elektrische Verschaltung der elementaren Speicherzellen 3 an, bevor ein Modulgehäuse 1 durch eine Art von Deckel beschlossen wird . Nach dem Stand der Technik besteht die Aufgabe derartiger Zell-Separatoren 4 ausschließlich darin, durch dünnwandige , flexible und thermisch dämmende Materialien im Fall einer thermischen Überlast einer einzelnen elementaren Speicherzelle 3 eine Verzögerung des Wärmeübertrags von der betref fenden Zelle 3 zu benachbarten Zellen 3 zu bewirken . Damit soll ein thermisches Ereignis bzw . Thermal runaway event verzögert werden . Von dieser Bauform ausgehend sind in der Abbildung von Figur 3 zusätzlich erfindungsgemäße Erweiterungen angedeutet , die nachfolgend im Detail beschrieben werden . In a module housing 1 of a battery module 2, according to the state of the art, elementary storage cells 3 of prismatic design are generally constructed with directly adjacent elementary storage cells 3 separated in a row or column by a cell separator 4, as indicated in the three-dimensional exploded view of Figure 3. Each cell separator 4 extends between directly adjacent elementary storage cells 3 from a module base 5 over a large side surface of the elementary storage cells 3, which are designed here as narrow prisms, to a cover (not shown in more detail). Only after this assembly does an electrical connection of the elementary storage cells 3 follow, before a module housing 1 is closed off by a type of cover. According to the prior art, the sole purpose of such cell separators 4 is to use thin-walled, flexible and thermally insulating materials to delay the transfer of heat from the relevant cell 3 to neighboring cells 3 in the event of a thermal overload of an individual elementary storage cell 3. This is intended to delay a thermal event or thermal runaway event. Based on this design, additional extensions according to the invention are indicated in Figure 3, which are described in detail below.
Die Abbildung von Figur 1 zeigt eine Draufsicht auf einen Zell- Separator 4 , in dem zur Verbesserung der Eigenschaften eines Batteriemoduls eine aktive Hei zmaßnahme integriert ist . Während ein bekannter Zell-Separator 4 eine thermische Dämmung 6 in Form eines I solierpapiers aufweist , das in einem Kunststof f-Rahmen 7 fixiert gehalten ist , wird nun dieser Zell-Separator 4 als bereits bestehendes Bauteil durch Integration einer aktiven Hei zmaßnahme genützt , um negative Einflüsse niedriger Temperaturen auf angrenzende Speicherzellen 3 in einer Einbausituation ef fektiv durch schnelle Einstellung eines idealen Arbeitstemperaturbereichs entgegenzuwirken . Hierzu wird der vorhandene Bauraum mit einem bekannten Grundaufbau bestehend aus I soliermaterial 6 mit einem Fixierrahmen 7 aus Polycarbonat weitgehend unverändert genutzt und um einen mäanderf örmig verlaufenden Hei zdraht 8 einer Widerstandshei zung ergänzt . Damit ist der Zell-Separator 4 neben der bekannten Funktion einer thermischen Dämmung zusätz lich zu einem Träger einer aktiven Hei zmaßnahme weitergebildet worden . In einer technischen Realisierung ist ein vorhandener Herstellprozess dazu entsprechend adaptiert . Demnach wird ein entsprechend zugeschnittenes Stück I solationspapier 6 in eine untere Häl fte 7a eines Fixierrahmens 7 aus Polycarbonat eingelegt . Hierauf wird ein elektrischer Widerstand als in Mäandern vorgeformter Hei zdraht 8 aufgelegt und durch Klebepunkte 9 fixiert , um direkt anschließend von einem zweiten Stück I solationspapier 6 abgedeckt zu werden, wobei in Figur 1 diese zweite Stück I solationspapier 6 einer besseren Darstellung halber weggelassen worden ist . Die in einem regelmäßigen Raster vorgesehenen Klebepunkte 9 verbinden so auch die beiden Stücke I solationspapier 6 miteinander und fixieren zugleich auch eine Lage des Hei zdrahts 8 . Als Anschlussfedern 10 ausgeführte Kontakte des Hei zdrahts 8 werden an der unteren Häl fte 7a des Fixierrahmens 7 eingelegt . Dann wird die untere Häl fte 7a eines Fixierrahmens 7 mit einer baugleichen, um 180 ° gedrehten oberen Häl fte 7b durch Verrasten zu einem Fixierrahmen 7 umschlossen . Damit sind in diesem Fixierrahmen 7 zur Ausbildung eines Zell-Separators 4 zwei Stück I solationspapier 6 mit dazwischen fixiertem und über zwei Anschluss federn 10 mit Strom versorgbarem Hei zdraht 8 form- und positionssicher gehalten . The illustration in Figure 1 shows a top view of a cell separator 4 in which an active heating measure is integrated to improve the properties of a battery module. While a known cell separator 4 has thermal insulation 6 in the form of insulating paper that is held fixed in a plastic frame 7, this cell separator 4 is now used as an existing component by integrating an active heating measure in order to effectively counteract the negative influences of low temperatures on adjacent storage cells 3 in an installation situation by quickly setting an ideal working temperature range. For this purpose, the existing installation space is used largely unchanged with a known basic structure consisting of insulating material 6 with a fixing frame 7 made of polycarbonate and supplemented by a meandering heating wire 8 of a resistance heater. In addition to the known function of thermal insulation, the cell separator 4 has also been further developed to be a carrier of an active heating measure. In a technical implementation, an existing manufacturing process is adapted accordingly. Accordingly, an appropriately cut piece of insulation paper 6 is inserted into a lower half 7a of a fixing frame 7 made of polycarbonate. An electrical resistor is placed on top of this in the form of a heating wire 8 pre-formed in meanders and fixed in place with adhesive dots 9, in order to be covered directly afterwards by a second piece of insulation paper 6, whereby in Figure 1 this second piece of insulation paper 6 has been omitted for the sake of better illustration. The adhesive dots 9 provided in a regular grid thus also connect the two pieces of insulation paper 6 to one another and at the same time fix a layer of the heating wire 8. Contacts of the heating wire 8 designed as connecting springs 10 are inserted into the lower half 7a of the fixing frame 7. Then the lower half 7a of a fixing frame 7 is enclosed by an identical upper half 7b rotated by 180° by locking them together to form a fixing frame 7. This means that two pieces of insulating paper 6 with a heating wire 8 fixed between them and supplied with power via two connecting springs 10 are held securely in position and shape in this fixing frame 7 to form a cell separator 4.
Alternativ zu diesem Aufbau ist in der Ansicht von Figur 2 ein Zell-Separator dargestellt , bei dem der bekannte Herstellungsprozess lediglich durch ein partielles Beschichten des Isolierpapiers 6 mit einer thermisch dämmenden Paste 11 ergänzt wird, wobei in Aussparungen der Beschichtung der Hei zdraht 8 integriert bzw . eingelegt und fixiert ist . Es ist auch eine Überdeckung des Hei zdrahts 8 durch die thermisch dämmenden Paste 11 möglich, da diese zugleich eine elektrische I solationsschicht bildet . As an alternative to this structure, the view in Figure 2 shows a cell separator in which the known manufacturing process is merely supplemented by a partial coating of the insulating paper 6 with a thermally insulating paste 11, with the heating wire 8 being integrated or inserted and fixed in recesses in the coating. It is also possible to cover the heating wire 8 with the thermally insulating paste 11, since this simultaneously forms an electrical insulation layer.
Eine elektrische Anbindung des Hei zdrahts 8 als thermischer Aktivkomponente erfolgt wiederum über zwischen den Rahmenteilen 7a, 7b integrierte Stromabnehmer in Form zweier Anschlussfedern 10 am Rahmen 7 des Zell-Separators 4 , die in einer Einbausituation in dem Bodenbereich 5 des Modulgehäuses 1 in Kontakt mit elektrischen Versorgungs-Leitbahnen 12 stehen . Diese Versorgungs- Leitbahnen 12 sind gegenüber den Gehäusen der elementaren Spei- cher- zellen 3 elektrisch isoliert , wie als Erweiterungen gegenüber bekannten Modulgehäusen 1 in der Abbildung von Figur 3 angedeutet . Dabei bleibt eine gute thermische Kopplung der elementaren Speicherzellen 3 an den Modulboden 5 des Modulgehäuse 1 für eine etwaig erforderliche Entwärmung bzw . Wärmeabfuhr elektrischer Verluste der elementaren Speicherzellen 3 mit einer Abfuhr über das Modulgehäuse 1 erhalten . An electrical connection of the heating wire 8 as a thermal active component is again made via current collectors integrated between the frame parts 7a, 7b in the form of two connection springs 10 on the frame 7 of the cell separator 4, which in an installation situation in the base area 5 of the module housing 1 are in contact with electrical supply conductors 12. These supply conductors 12 are electrically insulated from the housings of the elementary storage cells 3, as indicated as extensions compared to known module housings 1 in the illustration of Figure 3. In this case, a good thermal coupling of the elementary storage cells 3 to the module base 5 of the module housing 1 is maintained for any necessary cooling or heat dissipation of electrical losses of the elementary storage cells 3 with dissipation via the module housing 1.
In einer weiteren, hier nicht mehr zeichnerisch darstellten Alternative ist die Hei zmaßnahme über einen Stromflus s regelbar ausgebildet . Zudem sind in einem Aus führungsbeispiel mehr als nur ein Hei zdraht 8 j e Zell-Separator 4 vorgesehen, so dass eine Behei zung zusätzlich intensivierbar ist . Dazu ist zur separaten Regelung eine eigene Anschluss-Feder und in Abstimmung damit in dem Modulboden 5 lediglich eine zusätzliche und von der bereits beschriebenen Versorgungsleitbahn 12 ' räumlich getrennte Versorgungsleitbahn vorzugsehen . Ein zweiter Anschluss kann für alle Hei zkreise gemeinsam als Rückfluss-Leiter genutzt werden . Damit wären dann die Hei zkreise separat ansteuerbar . In a further alternative, not shown in the drawing here, the heating measure is designed to be controllable via a current flow. In addition, in one embodiment, more than just one heating wire 8 is provided for each cell separator 4, so that heating can be further intensified. For this purpose, a separate connection spring is provided for separate control and, in coordination with this, only an additional supply conductor that is spatially separate from the supply conductor 12' already described is to be provided in the module base 5. A second connection can be used for all heating circuits together as a return flow conductor. This would then allow the heating circuits to be controlled separately.
In einem weiteren Aus führungsbeispiel ist statt eines Umschließens des I solierpapiers 6 mit daran bzw . darin fixierter thermischer Aktivkomponente durch eine obere und eine untere Rahmenhäl fte ein Umspritzen des I solierpapiers 6 in einer Spritzgießform vorgesehen . Ein Aufbau einer Hei zmaßnahme an dem I solierpapier 6 ist mit dem Kontaktieren von Anschluss-Federn 10 zweckmäßiger Weise bereits abgeschlossen, bevor dieser Aufbau in ein Kunststof f-Druckgieß-Werkzeug eingelegt wird . In a further embodiment, instead of enclosing the insulating paper 6 with the thermal active component fixed to it or therein by an upper and a lower frame half, the insulating paper 6 is overmolded in an injection mold. A construction of a heating measure on the insulating paper 6 is expediently already completed with the contacting of connection springs 10 before this construction is inserted into a plastic die-casting tool.
Die vorstehend beschriebene Aus führungsbeispiele eines Batteriemoduls 1 bietet neuartige und sehr flexible Mögl ichkeiten eines ef fektiven und schnellen Schutzes der elementaren Speicherzellen vor zu niedrigen Betriebstemperaturen durch geregelte Zufuhr einer bestimmten Wärmemenge . Bekannte Maßnahmen zur Entwärmung der elementaren Speicherzellen bei Lade- und/oder Entladevorgängen über ein Modulgehäuse bzw . eine Kühlung an einem Modulboden bleiben hiervon unbeeinträchtigt . The above-described embodiment of a battery module 1 offers novel and very flexible possibilities for effective and rapid protection of the elementary Storage cells are protected from operating temperatures that are too low by the controlled supply of a specific amount of heat. Known measures for cooling the elementary storage cells during charging and/or discharging processes via a module housing or cooling on a module base remain unaffected by this.
Bezugszeichenliste List of reference symbols
Modul gehäuse Module housing
Batteriemodul elementare Speicherzelle als prismatische RundzelleBattery module elementary storage cell as prismatic round cell
Zell-Separator Cell separator
Modulboden thermische Dämmung / Isolierpapier Modular floor thermal insulation / insulation paper
Kunststoff-Rahmen aus verrasteten oberer und unterer HälftePlastic frame made of locked upper and lower halves
7a untere Hälfte des Kunststoff-Rahmens 7 7a lower half of the plastic frame 7
7b obere Hälfte des Kunststoff-Rahmens 7 7b upper half of the plastic frame 7
Heizdraht Heating wire
Klebepunkt / Klebestelle Glue point / Glue point
Anschluss-Feder, im Kunststoff-Rahmen 7 fixiert Connecting spring, fixed in the plastic frame 7
10' Anschluss-Feder im Kunststoff-Rahmen 7 für zusätzlichen Heizdraht thermisch isolierenden Paste 10' connection spring in plastic frame 7 for additional heating wire thermally insulating paste
Versorgungs-Leitbahn am Modulboden 5 Supply conductor on module base 5
12 ' zusätzliche Versorgungs-Leitbahn am Modulboden 5 in Abstimmung mit Anschluss-Feder 10'. 12 ' additional supply conductor on the module base 5 in coordination with connection spring 10'.

Claims

Ansprüche Zell-Separator, der in einem Batteriemodul zwischen benachbarten elementaren Speicherzellen (3) angeordnet ist, dadurch gekennzeichnet, dass in dem Zell-Separator (4) eine aktive Heizmaßnahme integriert angeordnet ist. Zell-Separator nach dem vorhergehenden Anspruch, dadurch gekennzeichnet, dass in dem Zell-Separator (4) als aktive Heizmaßnahme mindestens ein elektrischer Widerstand mit einer flächigen Verteilung angeordnet ist. Zell-Separator nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass in dem Zell-Separator (4) mindestens ein elektrischer Widerstand mit einem mäanderförmi- gen Verlauf angeordnet ist, wobei der Widerstand vorzugsweise als Heizdraht (8) ausgeführt und insbesondere an einer Fläche aus einer thermischen Dämmung (6) fixiert ist, insbesondere an einer Schicht aus Isolierpapier. Zell-Separator nach dem vorhergehenden Anspruch, dadurch gekennzeichnet, dass zwei Flächen aus einer thermischen Dämmung (6) über Klebestellen (9) miteinander verbunden sind. Zell-Separator nach Anspruch 3 oder 4, dadurch gekennzeichnet, dass der Widerstand zwischen den Flächen aus einer thermischen Dämmung (6) über Klebestellen (9) fixiert ist. Zell-Separator nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Zell-Separator (4) mindestens eine Seite einer großen Mantelfläche einer elementaren Speicherzelle (3) abdeckend ausgebildet ist. Zell-Separator nach dem vorhergehenden Anspruch, dadurch gekennzeichnet, dass der Zell-Separator (4) einen Rahmen (7) in Form eines Sprit zgießteils aufweist, in dem die thermische Dämmung (6) fixiert ist, wobei die Flächen aus thermischer Dämmung in dem Rahmen (7) vorzugsweise in Form eines Unter- und eines Oberteils (7a, 7b) des Rahmens (7) umfasst durch Verrastung von Unter- und Oberteil (7a, 7b) fixiert sind . Zell-Separator nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Zell-Separator (4) zwei Kontakte je elektrischem Widerstand aufweist, die als an dem Rahmen (7) angeordnete Federelemente bzw. Anschluss-Federn (10) ausgeführt sind. Zell-Separator nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Rahmen (7) des Zell-Separators (4) zur Fixierung an einer in einer Einbausituation benachbart angeordneten Speicherzelle (3) ausgebildet ist. Zell-Separator nach dem vorhergehenden Anspruch, dadurch gekennzeichnet, dass die Fixierung des Rahmen (7) des Zell-Separators (4) an einer in der Einbausituation benachbart angeordneten Speicherzelle (3) als Verklebung ausgeführt ist. Zell-Separator nach einem der beiden vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Zell-Separator (4) über seinen Rahmen (7) mit beiden benachbart angeordneten Speicherzellen (3) durch Verklebungen verbunden ist. Batteriemodul (2) aus elementaren Speicherzellen (3) , das insbesondere für ein Hochvolt-Batteriesystem vorgesehen ist, dadurch gekennzeichnet, dass in einer Spalte benachbart angeordnete elementare Speicherzellen (3) durch einen Zell- Separator (4) nach einem der vorhergehenden Ansprüche voneinander getrennt sind. Batteriemodul (2) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass am Boden (5) des Modulgehäuses (1) innenseitig mindestens zwei Versorgungsleitbahnen (12) derart angeordnet sind, dass sie in einem zusammengebauten Zustand des Batteriemoduls (1) mit Anschluss-Federn (10) der Heizdrähte (8) der Zell-Separatoren (4) einer Reihe oder Spalte der elementaren Speicherzellen (3) zur Stromversorgung in elektrisch leitendem Kontakt stehen. Claims Cell separator which is arranged in a battery module between adjacent elementary storage cells (3), characterized in that an active heating measure is arranged integrated in the cell separator (4). Cell separator according to the preceding claim, characterized in that at least one electrical resistor with a planar distribution is arranged in the cell separator (4) as an active heating measure. Cell separator according to one of the preceding claims, characterized in that at least one electrical resistor with a meandering course is arranged in the cell separator (4), wherein the resistor is preferably designed as a heating wire (8) and is in particular fixed to a surface made of thermal insulation (6), in particular to a layer of insulating paper. Cell separator according to the preceding claim, characterized in that two surfaces made of thermal insulation (6) are connected to one another via adhesive points (9). Cell separator according to claim 3 or 4, characterized in that the resistor between the surfaces made of thermal insulation (6) is fixed via adhesive points (9). Cell separator according to one of the preceding claims, characterized in that the cell separator (4) is designed to cover at least one side of a large lateral surface of an elementary storage cell (3). Cell separator according to the preceding claim, characterized in that the cell separator (4) has a frame (7) in the form of an injection-molded part in which the thermal insulation (6) is fixed, the surfaces made of thermal insulation in the frame (7) preferably being fixed in the form of a lower and an upper part (7a, 7b) of the frame (7) by locking the lower and upper parts (7a, 7b). Cell separator according to one of the preceding claims, characterized in that the cell separator (4) has two contacts for each electrical resistor, which are designed as spring elements or connecting springs (10) arranged on the frame (7). Cell separator according to one of the preceding claims, characterized in that the frame (7) of the cell separator (4) is designed for fixing to a storage cell (3) arranged adjacently in an installation situation. Cell separator according to the preceding claim, characterized in that the fixing of the frame (7) of the cell separator (4) to a storage cell (3) arranged adjacently in the installation situation is carried out as an adhesive bond. Cell separator according to one of the two preceding claims, characterized in that the cell separator (4) is connected via its frame (7) to both adjacently arranged storage cells (3) by adhesive bonds. Battery module (2) made of elementary storage cells (3), which is intended in particular for a high-voltage battery system, characterized in that elementary storage cells (3) arranged adjacently in a column are connected by a cell Separator (4) according to one of the preceding claims. Battery module (2) according to one of the preceding claims, characterized in that at least two supply conductors (12) are arranged on the inside of the base (5) of the module housing (1) in such a way that, in an assembled state of the battery module (1), they are in electrically conductive contact with connection springs (10) of the heating wires (8) of the cell separators (4) of a row or column of the elementary storage cells (3) for the power supply.
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