WO2024259467A1 - Zellmantelbaugruppe für batteriezellen - Google Patents

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Definitions

  • the present invention relates to a cell casing assembly for encasing at least one battery cell and to a battery system in which at least one such cell casing assembly with battery cell is accommodated.
  • battery cells in a battery storage system are arranged next to each other in a way that saves as much space as possible in order to achieve a high volumetric energy density.
  • the battery cells are usually combined in modules with a predetermined number or an electrical series connection to a predetermined output voltage, which allow the cells or the module to be replaced in the event of premature cell malfunctions.
  • prismatic cells particularly in the shape of a cuboid, or pouch cells, i.e. pocket-shaped cells that take on approximately the shape of a cuboid, are also known.
  • the cuboid-shaped cells have the advantage that they can be grouped in a particularly space-saving manner thanks to the parallel edges and surfaces with practically no dead spaces, as long as sufficient heat dissipation can be guaranteed by a cooling system with a correspondingly dense arrangement.
  • the concept of defining a predetermined breaking point includes both delimiting an area of the predetermined breaking point and forming a structure of the predetermined breaking point by locally different, in particular reduced, material thicknesses.
  • the cell casing assembly serves to encase at least one battery cell and is composed, among other things, of a cell frame and a cell casing.
  • the cell frame is formed from at least one profile element and at least partially encloses a circumference of the at least one battery cell, thereby providing an enclosure for the at least one battery cell in a supporting structure.
  • the cell casing is formed from at least one dimensionally flexible layer element and completely encloses at least all exposed surfaces of the at least one battery cell that are not enclosed by the cell frame, thereby providing a gas-limiting seal for the at least one battery cell in the cell casing assembly.
  • the cell casing assembly has at least one closed pressure relief opening which is formed in the cell frame.
  • a circumference of the pressure relief opening defines a predetermined breaking point in a section of the cell casing and/or the cell frame which closes the at least one pressure relief opening, whereby a pressure-relieving opening of the gas-delimiting cell casing assembly is produced.
  • the invention thus provides for the first time a supporting frame structure for accommodating a preferably flexibly encased battery cell, on which weak points are formed in relation to pressure and the orientation of degassing for a thermal incident. These weak points can be defined by simple configurations such as holes or formed openings in the frame, which are covered by a preferably thin remaining material, or are closed by a material of preferably thin material thickness remaining within their openings.
  • a pressure-sensitive release of a degassing is formed based on a defined and positioned weak point with respect to the cell shell or the cell frame or preferably with respect to a common composite arrangement of cell shell and cell frame.
  • the safety mechanism according to the invention for the controlled discharge of degassing can be manufactured essentially without any additional costs or additional space requirements on the frame and the casing. Accordingly, the structure according to the invention can itself be implemented on a system level in relation to each individual cell, even in a spatially dense arrangement of preferably prismatic and/or pocket-shaped cells.
  • a further design advantage of the invention is that each cell, the cell body of which consists essentially of the electrochemical active materials, is given a stable stabilization and support by the frame.
  • the frame in turn enables the cell to be locally fixed and mechanically secured in a surrounding system such as a battery module.
  • spatially restrictive or gas-tight subdivisions such as chambers on the part of a comparatively more massive structure such as a housing of the surrounding system, can be omitted, which in turn saves weight, material and costs.
  • the frame represents a structure with load-bearing edge areas and a consistent cross-section, which enables cassette-like handling of the cell casing arrangement or drawer-like handling of the cell accommodated therein in a corresponding holding system. This simplifies or even enables the assembly or replacement of the battery cells, including the respective safety features implemented on the casing.
  • the cell jacket can be made of a plastic film.
  • Plastic films or plastic foils can be adjusted to a wide range of elasticity or tear resistance.
  • the low cost and the ease of processing represent further advantages for a cell jacket.
  • the cell casing can cover the at least one pressure relief opening, wherein the predetermined breaking point is formed within the circumference of the at least one pressure relief opening on the cell casing.
  • the predetermined breaking point is formed at a circumferential boundary between a free-standing section of the cell casing within the pressure relief opening and a surrounding, adjacent section of the cell casing supported by the cell frame.
  • the cell casing can be arranged on an outside of the at least one pressure relief opening and enclose the cell frame at least in sections on an outside. In this configuration, a sequence of manufacturing steps for assembling the cell casing assembly is simplified.
  • the cell casing can be formed in one piece and cover at least two opposite outer surfaces of the at least one battery cell and, in between, an outer surface of a section of the cell frame in which the at least one pressure relief opening is formed.
  • the manufacture of the cell casing assembly is further simplified and material is saved.
  • the cell casing is laid around the cell frame in the sense of a fold and glued in place without tension.
  • the material thickness of the cell shell remains constant throughout and maintains its predetermined mechanical properties homogeneously over the surface.
  • the cell casing can be arranged on an inner side of the pressure relief opening and enclose the at least one battery cell.
  • an alternative, simplified sequence of manufacturing steps for assembling the cell casing assembly is possible.
  • At least part of the cell frame can be made of a plastic. This allows the strength properties to be variably adjusted and the shape to be freely selected at low cost.
  • the cell frame can be composed of at least two connectable profile elements which enclose the at least one battery cell. This proposes a variant of the cell frame that is easy to mount on the battery cell.
  • a part of the cell frame can be manufactured by overmolding with plastic of at least one battery cell. This proposes a further, precisely fitting and tolerance-free or sealing variant of the cell frame.
  • contact recesses can be formed in the cell frame for the connection contacts of the at least one battery cell to be passed through to an outside of the cell frame. Due to the structure of the cell frame, the connection contacts, which are usually in the form of contact tabs, are mechanically stabilized in the region of an exit from the cell casing assembly.
  • the contact recesses can be manufactured by overmolding the connection contacts of the at least one battery cell with plastic. This proposes a further, precisely fitting and tolerance-free or sealing variant of the cell frame, at least in relation to an area around the connection contacts of the battery cell.
  • the contact recesses and the at least one pressure relief opening can be arranged on opposite sides of the battery cell, preferably directed towards opposite circumferential sides of the cell frame. This provides for a spacing of a flow path of a degassing from a possibly highly heated, heat-conducting metallic element in order to avoid ignition of the gas in the worst case.
  • the cell jacket assembly can have a sealing means arranged between the cell frame and the cell jacket for sealing the gas-delimiting cell jacket assembly.
  • a tightness or adhesion between the cell frame and the cell jacket can be established or improved.
  • the cell frame can be designed as a cassette-shaped frame with parallel outer edges, which has a substantially constant insertion cross-section of the cell casing assembly in relation to an insertion direction, for a suitable shaping of a cassette-like insertion into a receiving shaft. This simplifies receiving and handling in combination with a surrounding system environment.
  • the battery system can comprise a receiving device for receiving at least one cell casing assembly with a battery cell, wherein the receiving device comprises a discharge channel in which at least one discharge opening is formed for discharging degassing along a predetermined discharge path; and wherein a position of the at least one pressure relief opening on the cell casing assembly received in the receiving device and a counter position of the discharge opening on the receiving device are arranged opposite one another in communication.
  • the discharge channel can be connected to a portion of the cell frame of the accommodated cell jacket assembly in which the at least one pressure relief opening is formed, arranged in parallel, and fixes the cell casing assembly in a receiving position. This creates simplified handling in the system environment of the cell casing assembly with regard to assembly.
  • the receiving device can further comprise a coolant-conducting section, which is arranged adjacent to the discharge channel, for cooling a degassing in the discharge channel by cooling a section of the receiving device that is at least adjacent to the discharge channel.
  • Fig. 1 is a perspective view of an assembled state of the cell casing assembly without the cell casing, showing the cell frame and a battery cell accommodated therein;
  • Fig. 2 is a perspective view of an assembled state of the cell jacket assembly, wherein the cell jacket is not yet completely connected to the cell frame;
  • Fig. 3 is a perspective view of an underside of the cell jacket assembly, showing an arrangement of a plurality of predetermined breaking points of the film jacket;
  • Fig. 4 is a perspective view of a receiving device of a battery system in which the cell casing assembly is inserted.
  • Fig. 5 is a partial view of Fig. 4, in which a discharge channel of the receiving device is shown enlarged.
  • Fig. 1 shows a view of a prismatic, cuboid-shaped battery cell 10, which may be, for example, a lithium-ion battery of the solid state type. Battery or another type with liquid electrolyte.
  • the battery cell 10 has two connection contacts 11, 12 which protrude from the battery cell 10 in the form of contact tabs to an upper side.
  • the peripheral sides of the battery cell 10 are enclosed all around by a cell frame 20 which is part of a cell casing assembly 100.
  • the cell frame 20 is cast in one piece from plastic and is pulled or pushed over the peripheral sides of the prismatic battery cell 10. In addition, it is also possible to insert or clip the prismatic battery cell 10 into the cell frame 20. Furthermore, the cell frame 20 comprises two recesses 21, 22 through which the connection contacts 11, 12 of the battery cell are led out to an outside.
  • a plurality of small pressure relief openings 23 are formed in the cell frame 20 on a circumferential side of the battery cell 10 facing downwards in Fig. 1, which is opposite the circumferential side with the connection contacts 11, 12.
  • the pressure relief openings 23 extend continuously through the cell frame 20, so that a fluid connection is established in a downward circumferential direction through the cell frame 20, between the battery cell 10 and an outside of the cell frame 20 or cell casing assembly 100.
  • Fig. 2 shows an assembly step in which a cell jacket 30, which is another component of the cell jacket assembly 100, is applied to the cell frame 20 and the battery cell 10 accommodated therein.
  • the cell jacket 30 is made from a plastic film.
  • the cell jacket 30 is made from one piece and surrounds the downward-facing frame section in which the pressure relief openings 23 are introduced, as well as the two opposite, exposed side surfaces of the battery cell 10.
  • the cell jacket 30, provided in the form of a plastic film is applied to the cell frame 20 and the battery cell 10 in a tension-free manner in the sense of an envelope and is glued at least in sections.
  • a sealing means 40 is applied between the cell frame 20 and the cell jacket 30 for gas-tight sealing of an interior of the cell jacket assembly 100 in which the battery cell 10 is accommodated.
  • bonding and sealing of the cell jacket 30 to the cell frame 20 can be achieved by one and the same Sealing means 40 can be realized.
  • the cell jacket 30 covers the downwardly directed peripheral side of the cell frame 20, in which the pressure relief openings 23 are arranged, and closes the same.
  • Fig. 3 shows a lower side of the cell casing assembly 100, in which a combustion gas has escaped from the battery cell 10 into the cell casing group 100 due to a thermal incident.
  • the cell casing 30, which closes the pressure relief openings 23 to the peripheral side of the cell frame 20, is partially exposed to different loads in this area.
  • those sections of the cell casing 30 which border on the pressure relief openings 23 are covered by the cell frame 20 and supported by its structure.
  • Those sections of the cell casing 30 which span the pressure relief openings 23, on the other hand, are exposed to the pressure difference between the critical internal pressure and the external pressure without support. This forms a structural predetermined breaking point 33 of the cell casing assembly 100 at a boundary of the circumference of the pressure relief openings 23.
  • the cell casing 30, which is provided in the form of a plastic film or foil, has a constant material thickness throughout.
  • the structural predetermined breaking point 33 on the cell casing 30 is based in this embodiment on a different material thickness in relation to a composite arrangement of the cell frame 20 and the cell casing 30.
  • all of these predetermined breaking points 33 which each correspond to one of the pressure relief openings 23 in the underlying cell frame 20, are torn open in the cell casing 30 under the pressure difference, after which degassing to the outside takes place and pressure equalization occurs.
  • Fig. 4 shows a section of a system environment of a battery system 200, such as a battery module or a battery storage device with a plurality of battery cells 10.
  • the section shown shows a part of a receiving device 210 of the battery system 200, which serves to receive a cell jacket group 100 with battery cell 10 in a receiving position.
  • the cell jacket group 100 can be pushed or inserted into the receiving position from one side and can be electrically connected by an electrical contact (not shown further).
  • the discharge channel 220 serves to discharge the degassing from the cell casing assembly 100 in order to discharge a thermal load of the hot combustion gas via a targeted discharge path.
  • a discharge path in particular avoids passing under neighboring battery cells 10 or other proximity to other battery cells 10 in order to avoid a thermal chain reaction.
  • discharge openings 223 are formed on a surface of the discharge channel 220 facing the cell casing assembly 100, which are positioned opposite and preferably in line with the pressure relief openings 23 in the cell frame 20 and the corresponding predetermined breaking points 33 of the cell casing 30.
  • a respective channel is formed between a pressure relief opening 23 and a discharge opening 223, the flow cross-section of which is only closed by a plastic film of the cell casing 30, which is fixed between the cell frame 20 on the one hand and the discharge channel 220 on the other.
  • a downstream-directed circumference of the discharge opening 223 also contributes to the structural formation of a predetermined breaking point 33 of the cell jacket 30, which is fixed on both sides in this state.
  • a coolant-carrying section 230 of a cooling circuit of the battery system 200 is integrated in the receiving device 210.
  • the coolant-carrying section 230 cools an environment of the receiving position of the cell jacket assembly 100 in the receiving device 210 as well as an environment of the discharge channel 220. Consequently, an escaping hot combustion gas in the event of discharged degassing from the cell jacket assembly 100 is also cooled at least indirectly along the discharge channel 220, thereby reducing thermal spread in the battery system.
  • the cell frame 20 can be made from two parts that are plugged together and positively connected around the peripheral sides of the battery cell 10.
  • the section of the cell frame 20 comprising the recesses 21, 22 can be made by overmolding the connection contacts 11, 12 of the battery cell 10 with a plastic suitable for injection molding, or the entire cell frame 20 can be made by overmolding the peripheral sides of the battery cell 10.
  • the pressure relief openings 23 can be designed such that they are not completely continuous through a cross section of the cell frame 20, so that a small material thickness of the cell frame 20 remains and closes the pressure relief openings 23.
  • a structural predetermined breaking point 33 which breaks open when a critical internal pressure in the cell casing assembly 100 is exceeded, is therefore formed at a boundary of the circumference of the pressure relief openings 23 between the material thickness of the solid profile of the cell frame 20 and the small remaining material thickness within the pressure relief openings 23.
  • the pressure relief openings 23 can be additionally covered by the cell casing 30.

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Abstract

Die vorliegende Erfindung betrifft eine Zellmantelbaugruppe (100) zur Ummantelung von wenigstens einer Batteriezelle (10), die einen Zellrahmen (20) für eine Einfassung wenigstens einer Batteriezelle (10) und einen Zellmantel (30 für eine gasabgrenzende Versiegelung der wenigstens einen Batteriezelle (10) in der Zellmantelbaugruppe (100) aufweist. Erfindungsgemäß weist die Zellmantelbaugruppe (100) wenigstens eine geschlossene Druckentlastungsöffnung auf, die in dem Zellrahmen (20) ausgebildet ist, wobei ein Umfang der Druckentlastungsöffnung eine Sollbruchstelle (33) in einem die wenigstens eine Druckentlastungsöffnung verschließenden Abschnitt des Zellmantels (30) und/oder des Zellrahmens (20) definiert, für ein druckentlastendes Öffnen der gasabgrenzenden Zellmantelbaugruppe (100).

Description

Zellmantelbaugruppe für Batteriezellen
Die vorliegende Erfindung betrifft eine Zellmantelbaugruppe zur Ummantelung von wenigstens einer Batteriezelle sowie ein Batteriesystem, in der wenigstens eine solche Zellmantelbaugruppe mit Batteriezelle aufgenommen ist.
Es ist bekannt, dass Batteriezellen in einem Batteriespeicher möglichst platzsparend benachbart angeordnet sind, um eine hohe volumetrische Energiedichte zu erzielen. Zudem werden die Batteriezellen zumeist mit einer vorbestimmten Anzahl oder einer elektrischen Serienschaltung zu einem vorbestimmten Ausgangsspannung in Modulen zusammengefasst, die im Falle von vorzeitigen Fehlfunktionen an Zellen einen Austausch der Zellen oder des Moduls ermöglichen. Neben den zylindrischen Zellen sind ebenso prismatische Zellen, insbesondere in Form eines Quaders, oder Pouchzellen, also taschenförmige Zellen, die annähernd die Form eines Quaders einnehmen, bekannt. Die quaderförmigen Zellen haben den Vorzug, dass sie sich anhand der parallelen Kanten und Flächen praktisch ohne Toträume besonders platzsparend gruppieren lassen, solange eine ausreichende Wärmeabfuhr durch ein Kühlsystem der entsprechend dichten Anordnung gewährleistet werden kann.
Neben einer ausreichenden Kühlmittelversorgung mit Wärmeübergängen, stellen dichte Anordnungen von Zellen eine Herausforderung an eine sichere Entgasung im Falle eines thermischen Vorfalls in einer Zelle dar, wobei es eine Ausbreitung hoher Temperaturen auf benachbarte Zellen sowie ein Auslösen einer thermischen Kettenreaktion, d.h. eines Thermal Runaways dringend zu verhindern gilt. Diese sicherheitsrelevante konstruktive Aufgabe gestaltet sich umso schwieriger, je dichter die Zellen angeordnet sind. Ferner sind eine Komplexität der Konstruktion und die dementsprechenden Herstellungskosten umso kritischer zu bewerten, je höher eine Anzahl einzelner Zellen ist, an denen selbst oder seitens des Batteriespeichers konstruktive Merkmale zur Bereitstellung der sicheren Entgasung herzustellen sind.
So sind beispielsweise Konstruktionen mit getrennten Gehäusekammern zur gruppierten Aufnahme von Zellen in einem Gehäuse eines Moduls o.ä. mit internen, den Kammern zugeordneten Strömungswegen für eine Entgasung bekannt.
Eine dementsprechende Konstruktion sieht jedoch keine individuelle Unterteilung zwischen einzelnen Zellen vor, sie ist kostenintensiv und sie erschwert anhand abgeschlossener Gehäusekammern einen Zugriff auf die Zellen im Falle von Wartungsarbeiten oder einem Austausch von Zellen.
Es ist eine Aufgabe der Erfindung, eine Technik zu schaffen, die eine gezielt gerichtete Abführung einer Entgasung und deren thermische Energie auf Basis von Sicherheitsmechanismen an einzelnen Zellen bei einem verhältnismäßig geringen Herstellungsaufwand ermöglicht.
Die voranstehende Aufgabe wird gelöst durch eine Zellmantelbaugruppe mit den Merkmalen des Anspruchs 1 , sowie darauf aufbauend, ein Batteriesystem nach Anspruch 15, das die Zellmantelbaugruppe mit den Merkmalen des Anspruchs 1 umfasst. Weitere Merkmale und Details der Erfindung ergeben sich aus den Unteransprüchen, der Beschreibung und den Zeichnungen.
Gemäß dieser Offenbarung umfasst der Begriff des Definierens einer Sollbruchstelle sowohl ein Umgrenzen einer Fläche der Sollbruchstelle als auch ein Ausbilden einer Struktur der Sollbruchstelle durch lokal unterschiedliche, insbesondere herabgesetzte Materialstärken.
Die Zellmantelbaugruppe dient zur Ummantelung von wenigstens einer Batteriezelle und setzt sich u.a. aus einem Zellrahmen und einem Zellmantel zusammen. Der Zellrahmen wird aus wenigstens einem Profilelement ausgebildet und umschließt zumindest teilweise einen Umfang der wenigstens einen Batteriezelle, wodurch eine Einfassung der wenigstens einen Batteriezelle in einer tragenden Struktur bereitgestellt wird. Der Zellmantel wird aus wenigstens einem formflexiblen Schichtelement ausgebildet und umschließt vollflächig zumindest alle freiliegenden Oberflächen der wenigstens einen Batteriezelle, die nicht von dem Zellrahmen umschlossen sind, wodurch eine gasabgrenzende Versiegelung der wenigstens einen Batteriezelle in der Zellmantelbaugruppe bereitgestellt wird.
Erfindungsgemäß weist die Zellmantelbaugruppe wenigstens eine geschlossene Druckentlastungsöffnung auf, die in dem Zellrahmen ausgebildet ist. Ein Umfang der Druckentlastungsöffnung definiert eine Sollbruchstelle in einem die wenigstens eine Druckentlastungsöffnung verschließenden Abschnitt des Zellmantels und/oder des Zellrahmens, wodurch ein druckentlastendes Öffnen der gasabgrenzenden Zellmantelbaugruppe hergestellt wird. Die Erfindung sieht somit erstmals eine tragende Rahmenstruktur zur Aufnahme einer vorzugsweise flexibel ummantelten Batteriezelle vor, an der Schwachstellen in Bezug auf einen Druck und eine Ausrichtung einer Entgasung für einen thermischen Vorfall ausgeformt sind. Diese Schwachstellen können durch einfache Ausgestaltungen wie z.B. Bohrungen oder ausgeformte Durchbrüche in dem Rahmen definiert sein, die von einem vorzugsweise dünnen verbleibenden Material überdeckt werden, oder durch ein innerhalb deren Öffnungen verbleibenden Material von vorzugsweise dünner Materialstärke verschlossen sind.
Mit anderen Worten wird eine drucksensible Freigabe einer Entgasung basierend auf einer umgrenzten und positionierten Schwachstelle in Bezug auf den Zellmantel oder den Zellrahmen oder vorzugsweise in Bezug auf eine gemeinsame Verbundanordnung aus Zellmantel und Zellrahmen gebildet.
Mehrere Vorteile der Erfindung bestehen in dem geringen Materialeinsatz und Gewicht sowie dem geringen Herstellungsaufwand und Kosten der erfindungsgemäßen Zellmantelanordnung, die auf dem Prinzip einer flexiblen Bespannung und einem stabilisierenden Rahmen basiert, mit dem genannten erfindungsgemäßen Sicherheitsmechanismus.
Durch den einfachen Aufbau kann der erfindungsgemäße Sicherheitsmechanismus zur kontrollierten Abführung einer Entgasung, im Wesentlichen ganz ohne weitere Kosten oder weiteren Raumbedarf an dem Rahmen und dem Mantel hergestellt werden. Demnach kann der erfindungsgemäße Aufbau selbst auf einer Systemebene in Bezug auf jede einzelne Zelle umgesetzt werden, auch in einer räumlich dichten Anordnung von vorzugsweise prismatischen und/oder taschenförmigen Zellen.
Ein weiterer konstruktiver Vorteil der Erfindung besteht darin, dass jede Zelle, deren Zellkörper im Wesentlichen aus den elektrochemischen Aktivmaterialien besteht, durch den Rahmen eine tragfähige Stabilisierung und Aufnahme erhält. Durch den Rahmen wird wiederum eine lokale Festlegung und mechanische Fixierung der Zelle in einem umgebenden System wie einem Batteriemodul möglich. Dabei können ferner räumlich eingrenzende oder gasdichte Unterteilungen, wie z.B. Kammern seitens einer vergleichsweise massiveren Struktur, wie einem Gehäuse des umgebenden Systems entfallen, womit wiederum Gewicht, Material und Kosten eingespart werden. Darüber hinaus stellt der Rahmen eine Struktur mit tragfähigen Kantenbereichen und gleichbleibendem Querschnitt dar, die eine kassettenartige Handhabung der Zellmantelanordnung oder eine schubladenartige Handhabung der darin aufgenommenen Zelle in einem entsprechenden Aufnahmesystem ermöglicht. Somit wird eine Bestückung oder ein Austausch der Batteriezellen einschließlich der jeweils verwirklichten Sicherheitsmerkmale an der Ummantelung vereinfacht oder erst ermöglicht.
Gemäß einem vorteilhaften Aspekt der Erfindung kann der Zellmantel aus einer Kunststofffolie gefertigt sein. Kunststofffolien oder Kunststofffilme sind in großer Auswahl einer Elastizität oder Reißfestigkeit einstellbar. Zudem stellen die günstigen Kosten und die leichte Verarbeitbarkeit weitere Vorteile für einen Zellmantel dar.
Gemäß einem vorteilhaften Aspekt der Erfindung kann der Zellmantel die wenigstens eine Druckentlastungsöffnung überdecken, wobei die Sollbruchstelle innerhalb des Umfangs der wenigstens einen Druckentlastungsöffnung an dem Zellmantel gebildet wird. In dieser Konstellation wird die Sollbruchstelle an einer Umfangsgrenze zwischen einem freistehenden Abschnitt des Zellmantels innerhalb der Druckentlastungsöffnung und einem umliegend angrenzenden, von dem Zellrahmen gestützten Abschnitt des Zellmantels gebildet. Somit Bedarf es keines weiteren Bearbeitungsschrittes für eine Modifikation des Zellmantels selbst an der Sollbruchstelle.
Gemäß einem vorteilhaften Aspekt der Erfindung kann der Zellmantel zu einer Außenseite der wenigstens einen Druckentlastungsöffnung angeordnet sein, und den Zellrahmen zumindest abschnittsweise an einer Außenseite umschließen. In dieser Konstellation wird eine Reihenfolge von Herstellungsschritten für ein Zusammensetzen der Zellmantelbaugruppe vereinfacht.
Gemäß einem vorteilhaften Aspekt der Erfindung kann der Zellmantel einteilig ausgebildet sein und wenigstens zwei gegenüberliegende Außenflächen der wenigstens einen Batteriezelle und dazwischen eine Außenfläche eines Abschnittes des Zellrahmens, in dem die wenigstens eine Druckentlastungsöffnung ausgebildet ist, überdecken. In dieser Anordnung wird die Herstellung der Zellmantelbaugruppe weiter vereinfacht und Materialeingespart. Ferner wird der Zellmantel im Sinne eines Umschlags spannungsfrei um den Zellrahmen gelegt und verklebt. Im Vergleich zu einem herkömmlichen Tiefziehprozess oder anderen Verarbeitungsmethoden zur Versiegelung eines Körpers mittels einer Folie, bleibt bei dieser Ausführungsform eine Materialstärke des Zellmantels durchgehend konstant und behält homogen über die Fläche seine vorbestimmten mechanischen Eigenschaften.
Gemäß einem alternativen Aspekt der Erfindung kann der Zellmantel zu einer Innenseite der Druckentlastungsöffnung angeordnet sein, und die wenigstens eine Batteriezelle umschließen. In dieser Konstellation ist eine alternative, vereinfachte Reihenfolge von Herstellungsschritten für ein Zusammensetzen der Zellmantelbaugruppe möglich.
Gemäß einem vorteilhaften Aspekt der Erfindung kann zumindest ein Teil des Zellrahmens aus einem Kunststoff gefertigt sein. Hierdurch lassen sich zu geringen Kosten die Eigenschaften der Festigkeit variabel einstellen und die Formgebung frei wählen.
Gemäß einem vorteilhaften Aspekt der Erfindung kann der Zellrahmen aus wenigstens zwei verbindbar ausgebildeten Profilelementen zusammengesetzt sein, welche die wenigstens eine Batteriezelle umschließen. Somit wird eine leicht zu montierende Variante des Zellrahmens auf der Batteriezelle vorgeschlagen.
Gemäß einem vorteilhaften Aspekt der Erfindung kann ein Teil des Zellrahmens mittels Umspritzen mit Kunststoff der wenigstens einen Batteriezelle gefertigt sein. Somit wird eine weitere, passgenaue und toleranzfreie oder abdichtende Variante des Zellrahmens vorgeschlagen.
Gemäß einem vorteilhaften Aspekt der Erfindung können in dem Zellrahmen Kontaktausnehmungen ausgebildet sein, für eine Durchführung von Anschlusskontakten der wenigstens einen Batteriezelle zu einer Außenseite des Zellrahmens. Durch die Struktur des Zellrahmens werden die Anschlusskontakte, die zumeist in der Form von Kontaktfahnen vorliegen, im Bereich eines Austritts aus der Zellmantelbaugruppe mechanisch stabilisiert.
Gemäß einem vorteilhaften Aspekt der Erfindung können die Kontaktausnehmungen mittels Umspritzen mit Kunststoff der Anschlusskontakte der wenigstens einen Batteriezelle gefertigt sein. Somit wird eine weitere, passgenaue und toleranzfreie oder abdichtende Variante des Zellrahmens zumindest in Bezug auf einen Bereich um die Anschlusskontakte der Batteriezelle vorgeschlagen. Gemäß einem vorteilhaften Aspekt der Erfindung können die Kontaktausnehmungen und die wenigstens eine Druckentlastungsöffnung auf gegenüberliegenden Seiten der Batteriezelle, vorzugsweise zu gegenüberliegenden Umfangsseiten des Zellrahmens gerichtet, angeordnet sein. Somit ist eine Beabstandung eines Strömungsweges einer Entgasung zu einem möglicherweise hoch erhitzten, wärmeleitenden metallischen Element vorgesehen, um im ungünstigsten Fall eine Entzündung des Gases zu vermeiden.
Gemäß einem vorteilhaften Aspekt der Erfindung kann die Zellmantelbaugruppe ein Dichtungsmittel aufweisen, das zwischen dem Zellrahmen und dem Zellmantel angeordnet ist, für eine Abdichtung der gasabgrenzenden Zellmantelbaugruppe. In diesem Fall kann eine Dichtigkeit oder einer Haftung zwischen dem Zellrahmen und dem Zellmantel hergestellt oder verbessert werden.
Gemäß einem vorteilhaften Aspekt der Erfindung kann der Zellrahmen als ein kassettenförmiger Rahmen mit parallelen Außenkanten ausgebildet sein, der einen im Wesentlichen gleichbleibenden Einschubquerschnitt der Zellmantelbaugruppe in Bezug zu einer Einschubrichtung aufweist, für eine geeignete Formgebung eines kassettenartigen Einschubs in einen Aufnahmeschacht. Somit wird eine Aufnahme und Handhabung in Kombination mit einem umgebenden Systemumfeld vereinfacht.
Gemäß einem vorteilhaften Aspekt der Erfindung wird ferner eine von der erfindungsgemäßen Zellmantelbaugruppe profitierende Ausführungsform eines Batteriesystems vorgeschlagen. Dabei kann das Batteriesystem eine Aufnahmevorrichtung zur Aufnahme wenigstens einer Zellmantelbaugruppe mit einer Batteriezelle umfassen, wobei die Aufnahmevorrichtung einen Abführkanal umfasst, in dem wenigstens eine Abführöffnung ausgebildet ist, zur Abführung einer Entgasung entlang einer vorbestimmten Abführstrecke; und wobei eine Position der wenigstens einen Druckentlastungsöffnung an der in der Aufnahmevorrichtung aufgenommenen Zellmantelbaugruppe, und eine Gegenposition der Abführöffnung an der Aufnahmevorrichtung gegenüberliegend kommunizierend angeordnet sind. Somit wird eine Systemumgebung für eine weiterführende Aufnahme und Ableitung einer Entgasung aus der Batteriezelle geschaffen, die eine fluidverbindende Schnittstelle zusammen mit der Zellmantelbaugruppe herstellt.
Gemäß einem vorteilhaften Aspekt der Erfindung kann der Abführkanal zu einem Abschnitt des Zellrahmens der aufgenommenen Zellmantelbaugruppe, in der die wenigstens eine Druckentlastungsöffnung ausgebildet ist, parallel verlaufend angeordnet sein, und die Zellmantelbaugruppe in einer Aufnahmeposition fixierend eingrenzen. Somit wird eine in Bezug auf eine Bestückung vereinfachte Handhabung in dem Systemumfeld der Zellmantelbaugruppe geschaffen.
Gemäß einem vorteilhaften Aspekt der Erfindung kann die Aufnahmevorrichtung ferner einen kühlmittelführenden Abschnitt umfassen, der benachbart zu dem Abführkanal angeordnet ist, für eine Abkühlung einer Entgasung in dem Abführkanal mittels Kühlung eines zumindest zu dem Abführkanal benachbarten Abschnittes der Aufnahmevorrichtung. Somit wird eine weitere thermische Sicherheitsfunktion in Bezug auf die Abführung heißer Gase aus der Batteriezelle geschaffen.
Weitere Vorteile, Merkmale und Einzelheiten der Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung, in der unter Bezugnahme auf die Zeichnung ein Ausführungsbeispiel im Einzelnen beschrieben ist. Es zeigen schematisch:
Fig. 1 eine perspektivische Ansicht auf einen Montagezustand der Zellmantelbaugruppe ohne den Zellmantel, wobei der Zellrahmen und eine darin aufgenommene Batteriezelle dargestellt sind;
Fig. 2 eine perspektivische Ansicht auf einen Montagezustand der Zellmantelbaugruppe, wobei der Zellmantel noch nicht vollständig mit dem Zellrahmen verbunden ist;
Fig. 3 eine perspektivische Ansicht auf eine Unterseite der Zellmantelbaugruppe, in der eine Anordnung einer Vielzahl von Sollbruchstellen des Folienmantels dargestellt ist;
Fig. 4 eine perspektivische Ansicht auf eine Aufnahmevorrichtung eines Batteriesystems, in der die Zellmantelbaugruppe einschiebbar aufgenommen wird; und
Fig. 5 eine Teilansicht aus Fig. 4, in der ein Abführkanal der Aufnahmevorrichtung vergrößert dargestellt ist.
Fig. 1 zeigt eine Ansicht auf eine prismatische, quaderförmige Batteriezelle 10, die beispielsweise eine Lithium-Ionen Batterie vom Typ einer Solid State (Feststoff-) Batterie oder eines anderen Typs mit flüssigem Elektrolyt ist. Die Batteriezelle 10 weist zwei Anschlusskontakte 11 , 12 auf, die in der Form von Kontaktfahnen zu einer oberen Seite aus der Batteriezelle 10 heraustreten. Die Umfangsseiten der Batteriezelle 10 sind von einem Zellrahmen 20 umlaufend umschlossen aufgenommen, der Bestandteil einer Zellmantelbaugruppe 100 ist.
Der Zellrahmen 20 ist in einem Stück aus Kunststoff gegossen und ist über die Umfangsseiten der prismatischen Batteriezelle 10 gezogen oder aufgeschoben. Darüber hinaus ist es auch möglich, die prismatische Batteriezelle 10 in den Zellrahmen 20 einzulegen oder einzuklippen. Ferner umfasst der Zellrahmen 20 zwei Ausnehmungen 21 , 22 durch welche die Anschlusskontakte 11 , 12 der Batteriezelle zu einer Außenseite herausgeführt sind.
Zu einer in Fig. 1 nach unten gerichteten Umfangsseite der Batteriezelle 10, die derjenigen Umfangsseite mit den Anschlusskontakte 11 , 12 gegenüberliegt, sind in dem Zellrahmen 20 eine Vielzahl von kleinen Druckentlastungsöffnungen 23 ausgebildet. Die Druckentlastungsöffnungen 23 erstrecken sich in der dargestellten Ausführungsform durchgängig durch den Zellrahmen 20, sodass in einer nach unten gerichteten Umfangsrichtung eine Fluidverbindung durch den Zellrahmen 20 hindurch, zwischen der Batteriezelle 10 und einer Außenseite des Zellrahmens 20 oder Zellmantelbaugruppe 100 hergestellt ist.
Fig. 2 zeigt einen Montageschritt, bei dem ein Zellmantel 30, der ein weiterer Bestandteil der Zellmantelbaugruppe 100 ist, auf den Zellrahmen 20 und die darin aufgenommene Batteriezelle 10 aufgebracht wird. Der Zellmantel 30 ist aus einer Kunststofffolie hergestellt. In der dargestellten Ausführungsform ist der Zellmantel 30 aus einem Stück hergestellt und umgibt den nach unten gerichteten Rahmenabschnitt, in dem die Druckentlastungsöffnungen 23 eingebracht sind, sowie die zwei gegenüberliegenden, freiliegenden Seitenflächen der Batteriezelle 10. Dabei wird der in Form einer Kunststofffolie bereitgestellte Zellmantel 30 im Sinne eines Umschlags spannungsfrei auf dem Zellrahmen 20 und der Batteriezelle 10 appliziert und zumindest abschnittsweise verklebt. Zwischen dem Zellrahmen 20 und dem Zellmantel 30 ist ein Dichtungsmittel 40 zur gasdichten Abdichtung eines Innenraumes der Zellmantelbaugruppe 100 aufgebracht, in dem die Batteriezelle 10 aufgenommen ist. In einer Ausführungsform können eine Verklebung und eine Abdichtung des Zellmantels 30 an dem Zellrahmen 20 durch ein und das gleiche Dichtungsmittel 40 realisiert sein. Nach diesem Montageschritt überdeckt der Zellmantel 30 die nach unten gerichtete Umfangsseite des Zellrahmens 20, in dem die Druckentlastungsöffnungen 23 angeordnet sind, und verschließt selbige.
In Fig. 3 ist eine untere Seite der Zellmantelbaugruppe 100 dargestellt, bei der aufgrund eines thermischen Vorfalls ein Verbrennungsgas aus der Batteriezelle 10 in die Zellmantelgruppe 100 ausgetreten ist. Der Zellmantel 30, der die Druckentlastungsöffnungen 23 zu der Umfangsseite des Zellrahmens 20 verschließt, ist in diesem Bereich partiell unterschiedlichen Belastungen ausgesetzt. So werden solche Abschnitte des Zellmantels 30, welche an die Druckentlastungsöffnungen 23 angrenzen, durch den Zellrahmen 20 verdeckt und durch dessen Struktur gestützt. Solche Abschnitte des Zellmantels 30, welche die Druckentlastungsöffnungen 23 Überspannen, sind hingegen ohne Abstützung freistehend der Druckdifferenz zwischen dem kritischen Innendruck und dem Außendruck ausgesetzt. Dadurch wird an einer Grenze des Umfangs der Druckentlastungsöffnungen 23 eine strukturelle Sollbruchstelle 33 der Zellmantelbaugruppe 100 gebildet. Dabei weist in der dargestellten Ausführungsform der Zellmantel 30, der in Form eines Kunststofffilms oder -folie bereitgestellt ist, durchgängig eine konstante Materialstärke auf. Die strukturelle Sollbruchstelle 33 an dem Zellmantel 30 basiert in dieser Ausführungsform auf einer unterschiedlichen Materialstärke in Bezug auf eine Verbundanordnung aus dem Zellrahmen 20 und dem Zellmantel 30. In der Darstellung von Fig. 3 sind unter der Druckdifferenz sämtliche dieser Sollbruchstellen 33, die jeweils mit einer der Druckentlastungsöffnungen 23 in dem darunter liegenden Zellrahmen 20 korrespondieren, in dem Zellmantel 30 aufgerissen, wonach eine Entgasung zur Außenseite erfolgt und ein Druckausgleich auftritt.
Fig. 4 zeigt einen Ausschnitt aus einem Systemumfeld eines Batteriesystems 200, wie einem Batteriemodul oder einem Batteriespeicher mit einer Vielzahl von Batteriezellen 10. Der dargestellte Ausschnitt zeigt einen Teil einer Aufnahmevorrichtung 210 des Batteriesystems 200, der zur Aufnahme einer Zellmantelgruppe 100 mit Batteriezelle 10 in einer Aufnahmeposition dient. Hierzu ist die Zellmantelgruppe 100 von einer Seite in die Aufnahmeposition einschiebbar oder einlegbar und durch eine elektrische Kontaktierung (nicht weiter dargestellt) elektrisch verbindbar. Angrenzend zu der unteren Umfangsseite der Zellmantelbaugruppe 100, zu der mit den Druckentlastungsöffnungen 23 korrespondierenden Sollbruchstellen 33 angeordnet sind, weist die Aufnahmevorrichtung 210 einen Abführkanal 220 auf. Der Abführkanal 220 dient im Falle eines Öffnens des Sollbruchstellen 33 zum Abführen der Entgasung aus der Zellmantelbaugruppe 100, um eine thermische Last des heißen Verbrennungsgases über einen gezielten Abführweg abzuführen. Ein solcher Abführweg vermeidet insbesondere eine Unterquerung von benachbarten Batteriezellen 10 oder eine sonstige Nähe zu anderen Batteriezellen 10, um eine thermische Kettenreaktion zu vermeiden.
Wie in Fig. 5 gezeigt, sind an einer auf die Zellmantelbaugruppe 100 zuweisenden Fläche des Abführkanals 220 Abführöffnungen 223 ausgebildet, die gegenüberliegend zu und vorzugsweise jeweils in einer Linie fluchtend mit den Druckentlastungsöffnungen 23 in dem Zellrahmen 20 und den korrespondierenden Sollbruchstellen 33 des Zellmantels 30 positioniert sind. Genau genommen ergibt sich in dieser Konstellation ein jeweiliger Kanal zwischen einer Druckentlastungsöffnung 23 und einer Abführöffnung 223, dessen Strömungsquerschnitt lediglich durch einen Kunststofffilm des Zellmantels 30, der zwischen dem Zellrahmen 20 einerseits und dem Abführkanal 220 andererseits festgelegt wird, verschlossen ist. Demnach trägt in der Aufnahmeposition der Zellmantelbaugruppe 100 in der Aufnahmevorrichtung 210 ein strömungsabwärts gerichteter Umfang der Abführöffnung 223 ebenfalls zur strukturellen Bildung einer Sollbruchstelle 33 des in diesem Zustand beidseitig festgelegten Zellmantels 30 bei.
Darüber hinaus ist in der Aufnahmevorrichtung 210 ein kühlmittelführender Abschnitt 230 eines Kühlkreislaufs des Batteriesystems 200 integriert. Der kühlmittelführender Abschnitt 230 kühlt eine Umgebung der Aufnahmeposition der Zellmantelbaugruppe 100 in der Aufnahmevorrichtung 210 sowie eine Umgebung des Abführkanals 220. Demzufolge wird auch ein austretendes heißes Verbrennungsgas im Falle einer abgeführten Entgasung aus der Zellmantelbaugruppe 100 entlang des Abführkanals 220 zumindest indirekt abgekühlt, wodurch eine thermische Ausbreitung in dem Batteriesystem verringert wird.
Nachfolgend werden ferner alternative Ausgestaltungen von nicht dargestellten Ausführungsformen beschrieben. Alternativ zu der beschriebenen Ausführungsform kann der Zellrahmen 20 aus zwei Teilen hergestellt werden, die um die Umfangsseiten der Batteriezelle 10 herum zusammengesteckt und formschlüssig verbunden werden. Alternativ kann der die Ausnehmungen 21 , 22 umfassende Abschnitt des Zellrahmens 20 durch ein Umspritzen der Anschlusskontakte 11 , 12 der Batteriezelle 10 mit einem spritztechnisch geeigneten Kunststoff hergestellt werden, oder der gesamte Zellrahmen 20 durch ein Umspritzen der Umfangsseiten der Batteriezelle 10 hergestellt werden.
In einer alternativen Ausführungsform können die Druckentlastungsöffnungen 23 derart ausgestaltet sein, dass sie nicht vollständig durchgängig durch einen Querschnitt des Zellrahmens 20 eingebracht sind, so dass eine geringe Materialstärke des Zellrahmens 20 verbleibt und die Druckentlastungsöffnungen 23 verschließt. Eine strukturelle Sollbruchstelle 33, die bei Überschreiten eines kritischen Innendrucks in der Zellmantelbaugruppe 100 aufbricht, wird demnach an einer Grenze des Umfangs der Druckentlastungsöffnungen 23 zwischen der Materialstärke des Vollprofils des Zellrahmens 20 und der geringen verbleibenden Materialstärke innerhalb der Druckentlastungsöffnungen 23 gebildet. In dieser Ausführungsform ist eine Überdeckung der Druckentlastungsöffnungen 23 oder des entsprechenden Rahmenabschnitts durch den Zellmantel 30 nicht erforderlich. In einer weiteren alternativen Ausführungsform kann eine zusätzliche Überdeckung der Druckentlastungsöffnungen 23 durch den Zellmantel 30 vorhanden sein.
Bezugszeichenliste
10 Batteriezelle
11 Anschlusskontakt
12 Anschlusskontakt
20 Zellrahmen
21 Ausnehmung für Anschlusskontakt
22 Ausnehmung für Anschlusskontakt
23 Druckentlastungsöffnung
30 Zellmantel
33 Sollbruchstelle
40 Dichtungsmittel
100 Zellmantelbaugruppe
200 Batteriesystem
210 Aufnahmevorrichtung
220 Abführkanal
223 Abführöffnung
230 kühlmittelführenden Abschnitt

Claims

Patentansprüche
1 . Zellmantelbaugruppe (100) zur Ummantelung von wenigstens einer Batteriezelle (10), aufweisend: einen Zellrahmen (20), der aus wenigstens einem Profilelement ausgebildet ist, und der einen Umfang der wenigstens einen Batteriezelle (10) zumindest teilweise umschließt, für eine Einfassung der wenigstens einen Batteriezelle (10) in einer tragenden Struktur; und einen Zellmantel (30), der aus wenigstens einem formflexiblen Schichtelement ausgebildet ist, und der zumindest alle freiliegenden Oberflächen der wenigstens einen Batteriezelle (10), die nicht von dem Zellrahmen (20) umschlossen sind, vollflächig umschließt, für eine gasabgrenzende Versiegelung der wenigstens einen Batteriezelle (10) in der Zellmantelbaugruppe (100); dadurch gekennzeichnet, dass die Zellmantelbaugruppe (100) wenigstens eine geschlossene Druckentlastungsöffnung (23) aufweist, die in dem Zellrahmen (20) ausgebildet ist, wobei ein Umfang der Druckentlastungsöffnung (23) eine Sollbruchstelle (33) in einem die wenigstens eine Druckentlastungsöffnung (23) verschließenden Abschnitt des Zellmantels (30) und/oder des Zellrahmens (20) definiert, für ein druckentlastendes Öffnen der gasabgrenzenden Zellmantelbaugruppe (100).
2. Zellmantelbaugruppe (100) nach Anspruch 1 , wobei der Zellmantel (30) aus einer Kunststofffolie gefertigt ist.
3. Zellmantelbaugruppe (100) nach Anspruch 1 oder 2, wobei der Zellmantel (30) die wenigstens eine Druckentlastungsöffnung (23) überdeckt, und die Sollbruchstelle (33) innerhalb des Umfangs der wenigstens einen Druckentlastungsöffnung (23) an dem Zellmantel (30) gebildet wird.
4. Zellmantelbaugruppe (100) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei der Zellmantel (30) zu einer Außenseite der wenigstens einen Druckentlastungsöffnung (23) angeordnet ist, und den Zellrahmen (20) zumindest abschnittsweise an einer Außenseite umschließt.
5. Zellmantelbaugruppe (100) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei der Zellmantel (30) einteilig ausgebildet ist und wenigstens zwei gegenüberliegende Außenflächen der wenigstens einen Batteriezelle (10) und dazwischen eine Außenfläche eines Abschnittes des Zellrahmens (20), in dem die wenigstens eine Druckentlastungsöffnung (23) ausgebildet ist, überdeckt.
6. Zellmantelbaugruppe (100) nach einem der Ansprüche 1 bis 3, wobei der Zellmantel (30) zu einer Innenseite der Druckentlastungsöffnung (23) angeordnet ist, und die wenigstens eine Batteriezelle (10) umschließt.
7. Zellmantelbaugruppe (100) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei zumindest ein Teil des Zellrahmens (20) aus einem Kunststoff gefertigt ist.
8. Zellmantelbaugruppe (100) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei der Zellrahmen (20) aus wenigstens zwei verbindbar ausgebildeten Profilelementen zusammengesetzt ist, welche die wenigstens eine Batteriezelle (10) umschließen.
9. Zellmantelbaugruppe (100) nach Anspruch 7, wobei zumindest ein Teil des Zellrahmens (20) mittels Umspritzen mit Kunststoff der wenigstens einen Batteriezelle (10) gefertigt ist.
10. Zellmantelbaugruppe (100) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei in dem Zellrahmen (20) Kontaktausnehmungen (21 , 22) ausgebildet sind, für eine Durchführung von Anschlusskontakten (1 1 , 12) der wenigstens einen Batteriezelle (10) zu einer Außenseite des Zellrahmens (20).
1 1 . Zellmantelbaugruppe (100) nach Anspruch 7 und 10, wobei die Kontaktausnehmungen (21 , 22) mittels Umspritzen mit Kunststoff der Anschlusskontakte (11 , 12) der wenigstens einen Batteriezelle (10) gefertigt sind.
12. Zellmantelbaugruppe (100) nach Anspruch 10, wobei die Kontaktausnehmungen (21 , 22) und die wenigstens eine Druckentlastungsöffnung (23) auf gegenüberliegenden Seiten der Batteriezelle (10), vorzugsweise zu gegenüberliegenden Umfangsseite des Zellrahmens (20) gerichtet, angeordnet sind.
13. Zellmantelbaugruppe (100) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, ferner aufweisend ein Dichtungsmittel (40), das zwischen dem Zellrahmen (20) und dem Zellmantel (30) angeordnet ist, für eine Abdichtung der gasabgrenzenden Zellmantelbaugruppe (100).
14. Zellmantelbaugruppe (100) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei der Zellrahmen (20) als ein kassettenförmiger Rahmen mit parallelen Außenkanten ausgebildet ist, der einen im Wesentlichen gleichbleibenden Einschubquerschnitt der Zellmantelbaugruppe (100) in Bezug zu einer Einschubrichtung aufweist, für eine geeignete Formgebung eines kassettenartigen Einschubs in einen Aufnahmeschacht.
15. Batteriesystem (200) mit einer Aufnahmevorrichtung (210) zur Aufnahme wenigstens einer Zellmantelbaugruppe (100) mit Batteriezelle (10) nach einem der vorhergehenden Ansprüche; wobei die Aufnahmevorrichtung (210) einen Abführkanal (220) umfasst, in dem wenigstens eine Abführöffnung (223) ausgebildet ist, zur Abführung einer Entgasung entlang einer vorbestimmten Abführstrecke; wobei eine Position der wenigstens einen Druckentlastungsöffnung (23) an der in der Aufnahmevorrichtung (210) aufgenommenen Zellmantelbaugruppe (100), und eine Gegenposition der Abführöffnung (223) an der Aufnahmevorrichtung (210) gegenüberliegend kommunizierend angeordnet sind
16. Batteriesystem (200) nach Anspruch 15, wobei der Abführkanal (220) zu einem Abschnitt des Zellrahmens (20) der aufgenommenen Zellmantelbaugruppe (100), in der die wenigstens eine Druckentlastungsöffnung (23) ausgebildet ist, parallel verlaufend angeordnet ist, und die Zellmantelbaugruppe (100) in einer Aufnahmeposition fixierend eingrenzt.
17. Batteriesystem (200) nach Anspruch 15 oder 16, wobei die Aufnahmevorrichtung (210) ferner einen kühlmittelführenden Abschnitt (230) umfasst, der benachbart zu dem Abführkanal (220) angeordnet ist, für eine Abkühlung einer Entgasung in dem Abführkanal (220) mittels Kühlung eines zumindest zu dem Abführkanal (220) benachbarten Abschnitt der Aufnahmevorrichtung (210).
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Citations (3)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JP2005222872A (ja) * 2004-02-09 2005-08-18 Toyota Motor Corp ラミネート電池
US20080171259A1 (en) * 2004-03-31 2008-07-17 Nec Lamilion Energy, Ltd Fuji Jukogyo Kabushiki Kaisha Film Covered Electrical Device, Frame Member, And Housing System For Film Covered Electrical Device
US20220367966A1 (en) * 2021-05-11 2022-11-17 Audi Ag Degassing channel, battery assembly, and motor vehicle

Family Cites Families (2)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
DE102010055604A1 (de) * 2010-12-22 2012-06-28 Daimler Ag Einzelzelle und Batterie aus einer Mehrzahl von Einzelzellen
DE102021132479A1 (de) * 2021-12-09 2023-06-15 Audi Aktiengesellschaft Batterieanordnung und Verfahren zum Abführen eines Gases aus einer Batteriezelle

Patent Citations (3)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JP2005222872A (ja) * 2004-02-09 2005-08-18 Toyota Motor Corp ラミネート電池
US20080171259A1 (en) * 2004-03-31 2008-07-17 Nec Lamilion Energy, Ltd Fuji Jukogyo Kabushiki Kaisha Film Covered Electrical Device, Frame Member, And Housing System For Film Covered Electrical Device
US20220367966A1 (en) * 2021-05-11 2022-11-17 Audi Ag Degassing channel, battery assembly, and motor vehicle

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