WO2025176239A1 - Batteriemodul für ein fahrzeug - Google Patents

Batteriemodul für ein fahrzeug

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WO2025176239A1
WO2025176239A1 PCT/DE2025/100088 DE2025100088W WO2025176239A1 WO 2025176239 A1 WO2025176239 A1 WO 2025176239A1 DE 2025100088 W DE2025100088 W DE 2025100088W WO 2025176239 A1 WO2025176239 A1 WO 2025176239A1
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WO
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battery
battery module
cell
housing
battery cell
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English (en)
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Sascha Zimmermann
Franz Fuchs
Lucas LODOVICO DE CARVALHO
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Bayerische Motoren Werke AG
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Bayerische Motoren Werke AG
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Publication date
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    • H01M50/50—Current conducting connections for cells or batteries
    • H01M50/502—Interconnectors for connecting terminals of adjacent batteries; Interconnectors for connecting cells outside a battery casing
    • H01M50/503—Interconnectors for connecting terminals of adjacent batteries; Interconnectors for connecting cells outside a battery casing characterised by the shape of the interconnectors
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    • Y02E—REDUCTION OF GREENHOUSE GAS [GHG] EMISSIONS, RELATED TO ENERGY GENERATION, TRANSMISSION OR DISTRIBUTION
    • Y02E60/00—Enabling technologies; Technologies with a potential or indirect contribution to GHG emissions mitigation
    • Y02E60/10—Energy storage using batteries

Definitions

  • the present invention relates to the field of batteries for electric vehicles.
  • the invention is directed to a battery module for a vehicle, in particular an electric vehicle, and to a vehicle having at least one such battery module.
  • Various battery cells have been developed for this purpose, for example, lithium-ion cells.
  • Several battery cells are typically arranged as a “battery pack” and, through appropriate wiring, form a “battery module” or simply a “battery.” It is understood that the term “battery” hereinafter refers in particular to a rechargeable battery (“accumulator” or “accumulator”).
  • a battery module can contain multiple battery cells.
  • a battery module for a 12 V starter battery for a motor vehicle can have four battery cells, each with 4 V, whereas a high-voltage storage device that can provide 400 V or even 800 V as an output voltage can have multiple battery modules.
  • an energy storage device and associated electrodes can be arranged within a cell housing. Electrical power can be tapped from outside the cell housing via provided electrical connections to the electrodes. The connection between the individual battery cells in a battery module is also called the cell contact system.
  • Thermal runaway can occur in battery modules. Thermal runaway in an electric vehicle battery is caused by a combination of physical and chemical processes that lead to increased heat generation. This can be caused by a number of factors, including overload, temperature, voltage or current, and the condition of the battery. When the temperature in the battery rises, chemical reactions can occur that lead to uncontrolled heat generation. This, in turn, can lead to a further increase in temperature and thus to the formation of explosive gases. It is therefore It is important to detect a thermal runaway early and take appropriate measures to avoid a serious accident.
  • a thermal runway can occur, in particular, due to a short circuit in a battery cell, which can trigger the processes described above, leading to uncontrolled heat buildup and the spread of heat to neighboring cells.
  • a short circuit can occur between the layers of a battery cell.
  • Each cell comprises several layers: an electrode known as the "anode,” an electrode known as the “cathode,” and a separator located between the two electrodes to electrically separate them (i.e., impermeable to electrons) and conduct ions.
  • a defect in the separator layer can cause an internal cell short circuit.
  • a fuse such as a melting fuse
  • a fuse can be used in the cell contact system to interrupt the power source if the temperature exceeds a certain threshold. This is particularly effective if a low-resistance short circuit with a correspondingly high current has occurred in the battery cell, which then connects to the melting fuse and triggers it. If, on the other hand, a high-resistance short circuit exists in the battery cell, the relatively low current allows the neighboring cells to be safely discharged without the melting fuse triggering.
  • the fuse can, if necessary, be designed so that it is triggered not only by its own heat due to an overcurrent, but also by external heat, for example the heat generated by a short-circuited battery cell. It is an object of the present invention to provide a battery module in which thermal runaway can be prevented in an improved manner. In particular, this should also apply to situations in which a medium-resistance short circuit occurs in a battery cell.
  • a first aspect of the invention relates to a battery module, in particular for a vehicle, in particular an electric vehicle.
  • the battery module has a housing and at least one battery cell arranged in the housing, wherein the battery cell has a positive electrical pole and a negative electrical pole, which are electrically insulated from one another by an insulating material.
  • a functional element is provided in the battery module, which functional element is arranged between the battery cell and the housing of the battery module and is designed to act on the battery cell in such a way that the insulating material is at least partially displaced when heat is generated above a predetermined threshold value, in order to thereby establish an electrical connection between the positive electrical pole and the negative electrical pole of the battery cell.
  • the invention is therefore based on deliberately establishing an electrical connection (i.e., a short circuit) between the positive and negative electrical poles of the battery cell in the event of heat generation above a predetermined threshold, e.g., above approximately 400 or 450°C, which can particularly be heat generation in a battery cell that can lead to thermal runaway.
  • a predetermined threshold e.g., above approximately 400 or 450°C
  • the direct (metallic) contact between the two poles of the battery cell creates, in particular, a low-resistance short circuit in the battery cell, so that reliable disconnection can be achieved, in particular, by means of a fuse.
  • the resulting short-circuit current should preferably be higher than the operating current of the battery cell.
  • the insulating material would potentially be damaged, but it would most likely maintain the electrical separation of the two poles of the battery cell, as this is the primary function of the insulating material.
  • the functional element acts on the battery cell, i.e., a force is exerted on the battery cell that displaces the insulating material. can be achieved, for example, by squeezing it between the two terminals.
  • the described low-resistance short circuit of the battery cell can be promoted to prevent thermal runaway. In particular, this can also ensure safe shutdown in the event of a medium-resistance short circuit, which previously led to heat generation.
  • vehicle refers in particular to a passenger car, including all types of motor vehicles, hybrid and battery-powered electric vehicles, as well as vehicles such as sedans, vans, buses, trucks, delivery vans, and the like.
  • vehicle then refers in particular to electric or hybrid vehicles, in particular vehicles that are at least partially powered by an electric motor.
  • An electric vehicle can in particular be a passenger car, but also a vehicle such as a van, bus, truck, delivery van, and the like, or a two-wheeler such as an (electric) motorcycle, (electric) scooter, e-bike, e-scooter, and the like.
  • the battery module can in particular be a battery or part of a battery, in particular a drive battery of an electric vehicle.
  • the term "functional element” used here refers in particular to a (mechanical) element arranged between the housing of the battery module and a battery cell.
  • the functional element can be designed as a “support element” and be supported between the housing of the battery module and a battery cell. It can then also be referred to as a “compression element.” This can occur (in a normal state or during regular operation) with or without a preload force. In particular, it is intended that it is “supported” therebetween, i.e., mechanically rests on opposite sides. It is understood that support can be understood as “direct” support, i.e., with direct contact, or “indirect” support, i.e., via another element, another structure, an intermediate material, and the like. In a reverse mode of operation, the functional element can also be designed as a "tension element,” which is arranged between the housing of the battery module and a battery cell and connected accordingly in order to be able to exert a tensile force.
  • pole or "electrical pole” of a battery cell used here refers in particular to the terminals of an individual cell, which make the electrodes inside the battery cell, in the case of a round cell in particular an electrode coil, accessible from outside the cell, i.e., electrically contactable. These can be connected via the poles of battery cells in a battery module. in particular by means of a connecting element, such as a cell contact system.
  • the terms “comprises,” “includes,” “includes,” “has,” “has,” “with,” or any other variation thereof are intended to cover non-exclusive inclusion.
  • a method or apparatus that includes or has a list of elements is not necessarily limited to those elements, but may include other elements not expressly listed or that are inherent in such a method or apparatus.
  • a condition A or B is satisfied by one of the following conditions: A is true (or present) and B is false (or absent), A is false (or absent) and B is true (or present), and both A and B are true (or present).
  • the term “configured” or “set up” to fulfil a specific function (and respective modifications thereof) is to be understood within the meaning of the invention that the corresponding device is already in a design or setting in which it can carry out the function or is at least adjustable - i.e. configurable - so that it can carry out the function after being set accordingly.
  • the configuration can be carried out, for example, by appropriately setting parameters of a process sequence or of switches or the like for activating or deactivating functionalities or settings.
  • the device can have a plurality of predetermined configurations or operating modes, so that the configuration can be carried out by selecting one of these configurations or operating modes.
  • Preferred embodiments of the battery module according to the first aspect are described below, which can each be combined with one another as desired, unless this is expressly excluded or is technically impossible.
  • the functional element is configured to act on one of the poles of the battery cell in such a way as to establish an electrical connection between the positive electrical pole and the negative electrical pole of the battery cell when heat is generated above the predetermined threshold.
  • the functional element can act as a supporting element on one of the poles. While it is in principle possible for the functional element to be supported at any point on the battery cell, as long as it can act on the battery cell in this way, i.e., in particular, can exert a force that can bring the two poles of the battery cell into contact, it is advantageous if the functional element is supported on one of the poles.
  • This pole i.e., the one on which the functional element is supported, can then be moved towards the other pole by the action of the functional element (when heat is generated). This can then displace the insulating material.
  • the force exerted by the functional element can thus act more precisely on the battery cell to achieve the desired effect.
  • the battery cell has a cylindrical cell housing, wherein the electrical positive pole is formed by a terminal connection on one end face of the cell housing and the electrical negative pole is formed by the cell housing.
  • a sealing ring made of the insulating material is provided, which electrically insulates the terminal connection from the cell housing.
  • This shape of battery cell also called a round cell, is a well-known type of battery cell.
  • the cylindrical cell housing allows the functional element to act on the battery cell as described.
  • electrode ends of like-polarized electrodes, in particular cathodes, which are electrically positively polarized can be electrically connected to a so-called terminal connection.
  • the terminal connection can be formed on an end face of the cell housing, wherein the terminal connection is electrically insulated from the cell housing. Through the terminal connection, an electrically positive pole of the battery cell can be contacted from outside the battery cell.
  • electrode ends of anodes, which are electrically negatively polarized can be electrically connected to the cell housing, which is also electrically is conductive, so that the electrical negative pole of the battery cell can be contacted via the cell housing.
  • the functional element can be supported in particular on the terminal connection in order to be able to exert a compressive force on the terminal connection, or alternatively can be connected to the terminal connection in order to be able to exert a tensile force on the terminal connection.
  • This connection which is usually arranged centrally on one end face of the cylindrical cell housing, forms the electrical positive pole and can in particular also form a closure of the cylindrical cell housing, which is seated in the cell housing with a sealing ring made of the insulating material, with the cell housing forming the electrical negative pole.
  • the terminal connection can, for example, have at least one flange which displaces the sealing ring, i.e. the insulating material, when the functional element is applied, in order to thereby establish direct (metallic) contact between the terminal connection and the building. In this way, the desired short circuit described above can be effectively achieved.
  • the insulating material is designed such that it at least partially softens upon heat development above the predetermined threshold, so that it can be displaced in the softened state by the action of the functional element.
  • Softening means, in particular, that the insulating material melts due to the heat development. It can therefore be provided that the insulating material, which in conventional battery cells may be rather robust and have a high melting point, is made from a material with a somewhat lower melting point. This can promote the displacement caused by the force applied by the functional element.
  • the functional element in particular as a support element, has at least one spring element which is pre-tensioned between the housing of the battery module and the battery cell.
  • a spring element offers a simple element which can be supported by a certain pre-tensioning force between the housing of the battery module and the battery cell. When heat is generated and in particular when the insulating material softens, this pre-tensioning force then ensures that the two poles of the battery cell are brought together by displacing the insulating material.
  • the spring element can be designed as desired, for example as a simple spiral spring or another (metallic) spring element.
  • a material can be provided as a functional element (or as a "spring element"), which, in its compressed form, is normally supported between the housing of the battery module and the battery cell and is thus "preloaded.”
  • This can be, for example, a compressible pad made of a foam material, a rubber material, or another (compressible) plastic material, such as a thermoplastic elastomer (TPE) or a thermoplastic polyurethane (TPU).
  • TPE thermoplastic elastomer
  • TPU thermoplastic polyurethane
  • the functional element is configured to expand upon heat development above the predetermined threshold, thereby acting on the battery cell.
  • a functional element such as a spring element, which is already inserted with a preload force
  • an element can also be used which, in the normal state, is supported between the housing of the battery module and the battery cell with little or no force. Only upon heat development, in particular above the predetermined threshold, does the functional element expand, thereby exerting the force on the battery cell to cause the short circuit. It is understood that a previously described spring element can also be configured such that it expands upon heat development.
  • the battery module comprises a plurality of battery cells, wherein the battery cells are electrically connected via a connecting element to establish electrical contact between the battery cells and to an electrical terminal of the battery module.
  • This so-called cell contact system establishes, in particular, electrical contact between the electrical positive terminal of one battery cell and the electrical negative terminal of another (particularly adjacent) battery cell. In this way, the battery cells of the battery module are interconnected.
  • the functional element rests on the connecting element, in particular as a support element.
  • the connecting element ZKS
  • the connecting element can, for example, in the case of round cells, rest on the end faces of the battery cells (and, for example, be welded) in order to effect the described interconnection of the battery cells.
  • the functional element can then be provided between the connecting element and the housing of the battery module.
  • the support is then thus "indirect", with the force being transmitted via the connecting element. In this way, too, the functional element can be effectively connected to the Battery cell(s). This can then cause a short circuit, particularly in a battery cell where heat is generated.
  • a functional element is provided for each of the battery cells. This advantageously allows for targeted action on each battery cell to cause a short circuit in a damaged battery cell.
  • fewer functional elements can also be provided, which can, for example, be spatially distributed and exert the desired force on the battery cells via the connecting element.
  • the connecting element has at least one fuse.
  • the fuse can, in particular, be configured to trigger when the electrical connection is established between the positive electrical pole and the negative electrical pole of the battery cell. In a battery module for a vehicle, for example, a current of approximately 1000 A can then be generated. The fuse reliably triggers in the event of such a high overcurrent. This high current is achieved, as described, by the deliberately induced low-resistance short circuit between the two poles, whereas a medium-resistance short circuit in the battery cell itself, in particular between the two electrodes, for example in the event of defects in the separator layer, does not ensure reliable triggering of the fuse.
  • the functional element or elements are supported on the housing of the battery module via a load distribution structure, such as a load distribution plate.
  • a functional element can exert a relatively point-like force. This is advantageous on the battery cell side, as the short circuit can then be effectively caused by displacing the insulating material. On the other hand, however, the point-like force also acts on the housing. Therefore, it can be advantageous to provide a load distribution element, particularly in plate form, so that the housing does not need to be additionally reinforced.
  • a second aspect of the invention relates to a vehicle, in particular an electric vehicle, which has at least one battery module according to the first aspect of the invention, in particular as a drive battery for an electric motor of the electric vehicle.
  • Fig. 2 schematically shows a section of a battery module according to another embodiment
  • Fig. 3 shows a schematic section through a terminal connection of a battery cell in normal operation
  • Fig. 1 schematically shows a section of a battery module 1 in a partial sectional view.
  • two battery cells 2 of the battery module 1 are shown in a housing 3 of the battery module 1.
  • the battery module 1 can have a plurality of battery cells 2 in order to achieve a desired voltage.
  • the battery module 1 can serve as a drive battery for the electric motor of an electric vehicle (not shown).
  • the battery cells 2 are designed as cylindrical battery cells (round cells).
  • a battery cell 2 can, for example, have a diameter of 46 mm and a length of 95 mm and can be, for example, a lithium-ion cell.
  • the battery cells 2 each have a housing in the form of a hollow cylinder made of an electrically conductive material.
  • An electrode winding is arranged in the housing, which can be formed by winding a layer structure around a winding core.
  • An anode of the electrode winding is connected via a current conductor to the cell housing 8 (see Figs. 3 and 4), which thereby forms a negative pole of the Battery cell 2.
  • a cathode of the electrode winding is connected via a current collector to a terminal connection 5 of the battery cell 2, which thereby forms a positive pole of the battery cell 2.
  • the battery cells 2 of the battery module 1 are interconnected via connecting elements 6, a so-called cell contact system, by corresponding electrical connections of the positive and negative poles of the battery cells 2.
  • Fuses 7 are provided in the connecting elements 6, in particular by a cross-sectional taper, which are dimensioned such that a fuse 7 triggers at a certain overcurrent and the resulting heat development, breaking the electrical connection.
  • the fuse 7 can only reliably trigger if it is a low-resistance short circuit, since the overcurrent is then sufficiently high. In the case of a high-resistance short circuit in a battery cell 2, however, the neighboring cells can be safely discharged. This is important in order to prevent thermal runaway, which can be triggered by heat development from the internal cell short circuit. However, if a medium-resistance short circuit should occur in a battery cell 2, neither safe discharge nor triggering of the fuse 7 is guaranteed.
  • a functional element 4 is provided between each battery cell 2 and the housing 3 of the battery module 1, in particular as a support element. It is supported between the housing 3 and the respective battery cell 2 in such a way that a force acts in particular on the terminal connection 5 (i.e. the positive pole).
  • the functional element 4 can be designed as a spring element which is inserted with a prestressing force.
  • the functional element 4 is not supported directly on the battery cell 2 or the terminal connection 5, but via the connecting element 6. However, this has no influence on the effect of the functional element 4 on the battery cell, which will be explained in more detail below with reference to Fig. 3 and Fig. 4.
  • the functional element 4 can also have a different shape than the spiral spring shown.
  • an element such as a pad made of a foam, rubber, or plastic material (e.g., TPE or TPU) can be provided, which is compressed and supported between the housing 3 and the respective battery cell 2.
  • a functional element 4 can also be provided which, in the normal state, has no It does not exert force on the battery cell 2, but only expands when heat is generated. The effect in the scenario illustrated in particular in Fig. 4 is then essentially the same. It is also conceivable to design the functional element as a tension element, which is connected to the housing 3 and the terminal connection 5 in order to be able to exert a corresponding tensile force.
  • Fig. 3 and Fig. 4 each show the upper end of a battery cell 2 with the terminal connection 5 in a sectional view.
  • the connecting element 6 and the housing 3 are not shown in Fig. 3 and 4.
  • a sealing ring made of an insulating material 9 is provided between the terminal connection 5, i.e., the positive pole, and the housing 8 of the battery cell 2, i.e., the negative pole. During normal operation, this sealing ring electrically insulates the two electrical poles of the battery cell 2 from each other to prevent a short circuit. This is shown in Fig. 3.
  • the insulating material 9 of the sealing ring softens or melts. Due to the action of the functional element 4 (arrow in Fig. 4), the terminal connection 5 is pressed towards the cell housing 8, thereby displacing the insulating material 9 of the sealing ring. In particular, the terminal connection 5 has a flange so that the insulating material 9 is pushed out laterally (9' in Fig. 4). It is understood that if a tension element were used as the functional element 4, the insulating material 9 on the inside of the cell housing 8 would be pushed out (not shown). In this way, a short circuit 10 can be deliberately created in the battery cell 2.
  • Fig. 2 shows an embodiment of a battery module 1, which is essentially similar to the embodiment of Fig. 1.
  • the functional elements 4 are not directly on the inside of the housing 3 of the battery module 1, but via a load distribution structure 11, here in the form of a load distribution plate. This is supported at several points on the inside of the housing 3 of the battery module 1 in order to avoid high point loads on the housing 3 from the functional elements 4.
  • a load distribution structure 11 here in the form of a load distribution plate.

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Abstract

Es wird ein Batteriemodul (1), insbesondere für ein Fahrzeug, insbesondere Elektrofahrzeug offenbart. Das Batteriemodul (1) weist ein Gehäuse (3) sowie zumindest eine in dem Gehäuse (3) angeordnete Batteriezelle (2) auf, wobei die Batteriezelle (2) einen elektrischen Pluspol (5) und einen elektrischen Minuspol (8) aufweist, welche durch ein Isoliermaterial (9) elektrisch gegeneinander isoliert sind. Es ist ein Funktionselement (4) vorgesehen, welches zwischen der Batteriezelle (2) und dem Gehäuse (3) des Batteriemoduls (1) angeordnet und eingerichtet ist, auf die Batteriezelle (2) derart einzuwirken, dass das Isoliermaterial (9) bei Wärmeentwicklung über einem vorgegebenen Schwellenwert zumindest teilweise verdrängt wird, um dadurch eine elektrische Verbindung zwischen dem elektrischen Pluspol (5) und dem elektrischen Minuspol (8) der Batteriezelle (2) herzustellen.

Description

BATTERIEMODUL FÜR EIN FAHRZEUG
Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf das Gebiet der Batterien für Elektrofahrzeuge. Insbesondere ist die Erfindung auf ein Batteriemodul für ein Fahrzeug, insbesondere Elektrofahrzeug, sowie ein Fahrzeug mit zumindest einem derartigen Batteriemodul, gerichtet.
Ein Schwerpunkt bei der Entwicklung von Elektro- oder Hybridfahrzeugen, d. h. von Fahrzeugen, die zumindest teilweise von Elektromotoren angetrieben werden, liegt auf der Batterie, welche den Elektromotor antreibt (daher auch „Antriebsbatterie“ oder „Traktionsbatterie“ genannt.) Zu diesem Zweck wurden verschiedene Batteriezellen entwickelt, beispielweise Lithium-Ionen-Zellen. Mehrere Batteriezellen werden üblicherweise als „Batteriepack“ angeordnet und bilden so durch entsprechende Verschaltung ein „Batteriemodul“ bzw. einfach eine „Batterie“. Es versteht sich, dass der Begriff „Batterie“ im Folgenden insbesondere eine wiederaufladbare Batterie („Akkumulator“ bzw. „Akku“) bezeichnet.
In einem Batteriemodul können mehrere Batteriezellen angeordnet sein. Beispielsweise kann ein Batteriemodul für eine 12 V Starter- Batterie für ein Kraftfahrzeug vier Batteriezellen mit jeweils 4 V aufweisen, wohingegen ein Hochvoltspeicher, der 400 V oder auch 800 V als Ausgangsspannung bereitstellen kann, mehrere Batteriemodule aufweisen kann. Bei den Batteriezellen kann ein Energiespeicher und damit verbundene Elektroden innerhalb eines Zellgehäuses angeordnet sein. Über vorgesehene elektrische Verbindungen mit den Elektroden kann eine elektrische Leistung von außerhalb des Zellgehäuses abgegriffen werden. Die Verbindung der einzelnen Batteriezellen eines Batteriemoduls wird auch Zellkontaktiersystem genannt.
Bei Batteriemodulen kann es zu einem sogenannten thermischen Durchgehen („Thermal Runaway“) kommen. Ein thermisches Durchgehen in einer Batterie eines Elektrofahrzeugs entsteht durch eine Kombination von physikalischen und chemischen Prozessen, die zu einer erhöhten Wärmeentwicklung führen. Dies kann durch eine Reihe von Faktoren verursacht werden, einschließlich der Überlastung, der Temperatur, der Spannung oder des Stromes und des Zustands der Batterie. Wenn die Temperatur in der Batterie steigt, können chemische Reaktionen einsetzen, die zu einer unkontrollierten Wärmeentwicklung führen. Dies kann wiederum zu einem weiteren Anstieg der T emperatur und damit zur Bildung von Explosionsgasen führen. Es ist daher wichtig, ein Thermal Runaway frühzeitig zu erkennen und entsprechende Maßnahmen zu ergreifen, um einen schwerwiegenden Unfall zu vermeiden.
Ein Thermal Runway kann insbesondere durch einen Kurzschluss in einer Batteriezelle entstehen, wodurch die beschriebenen Prozesse ausgelöst werden können, die dann zu einer unkontrollierten Wärmeentwicklung und einem Übergreifen auf benachbarte Zellen führen. Ein Kurzschluss kann zwischen den Lagen einer Batteriezelle entstehen. Jede Zelle umfasst mehrere Lagen: eine als „Anode“ bezeichnete Elektrode, eine als „Kathode“ bezeichnete Elektrode, und einen Separator, der sich zwischen den beiden Elektroden befindet, um sie elektrisch zu trennen (d.h. für Elektronen undurchlässig ist) und Ionen zu leiten. Beispielsweise bei einem Defekt in der Separatorschicht kann es zu einem zellinternen Kurzschluss kommen.
Abhängig von der Art des Kurzschlusses in der betreffenden Zelle kann eine Eskalation und damit insbesondere eine Übergreifen auf benachbarte Batteriezellen möglicherweise vermieden werden. Insbesondere kann eine Sicherung, wie eine Schmelzsicherung im Zellkontaktiersystem zum Einsatz kommen, welche die Stromquelle unterbricht, wenn die Temperatur einen bestimmten Schwellenwert überschreitet. Dies ist insbesondere effektiv, wenn in der Batteriezelle ein niederohmiger Kurzschluss mit einem entsprechend hohen Strom entstanden ist, der dann an der Schmelzsicherung anliegt und diese auslöst. Liegt in der Batteriezelle dagegen ein hochohmiger Kurzschluss vor, kann aufgrund des relativ geringen Stroms ein sicheres Entladen der Nachbarzellen erfolgen, ohne dass die Schmelzsicherung auslöst.
Falls jedoch ein mittelohmiger Kurzschluss vorliegt, kann kein sicheres Entladen der Nachbarzellen erfolgen. Gleichzeitig kann auch mittels einer Schmelzsicherung aufgrund des noch zu geringen Stroms keine Trennung bewirkt werden. Zwar könnte eine Schmelzsicherung entsprechend dimensioniert werden, um bereits bei kleineren Strömen eine sichere Trennung zu gewährleisten. Dies würde jedoch die Stromtragfähigkeit des Zellkontaktiersystems beeinträchtigen, d. h. die Schmelzsicherung würde hohe Ströme beispielsweise beim Schnellladen nicht aushalten. Die Schmelzsicherung kann gegebenenfalls so ausgestaltet sein, dass sie nicht nur durch die eigene Wärme aufgrund eines Überstroms, sondern auch durch Wärme von außen, beispielsweise die Wärmeentwicklung einer kurzgeschlossenen Batteriezelle auslöst. Es ist eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung, ein Batteriemodul bereitzustellen, bei welchem auf verbesserte Weise ein thermisches Durchgehen verhindert werden kann. Insbesondere soll dies auch für Situationen gelten, in denen in einer Batteriezelle ein mittelohmiger Kurzschluss auftritt.
Die Lösung dieser Aufgabe wird gemäß der Lehre der unabhängigen Ansprüche erreicht. Verschiedene Ausführungsformen und Weiterbildungen der Erfindung sind Gegenstand der Unteransprüche.
Ein erster Aspekt der Erfindung betrifft ein Batteriemodul, insbesondere für ein Fahrzeug, insbesondere ein Elektrofahrzeug. Das Batteriemodul weist ein Gehäuse sowie zumindest eine in dem Gehäuse angeordnete Batteriezelle auf, wobei die Batteriezelle einen elektrischen Pluspol und einen elektrischen Minuspol aufweist, welche durch ein Isoliermaterial elektrisch gegeneinander isoliert sind. In dem Batteriemodul ist ein Funktionselement vorgesehen, welches zwischen der Batteriezelle und dem Gehäuse des Batteriemoduls angeordnet und eingerichtet ist, auf die Batteriezelle derart einzuwirken, dass das Isoliermaterial bei Wärmeentwicklung über einem vorgegebenen Schwellenwert zumindest teilweise verdrängt wird, um dadurch eine elektrische Verbindung zwischen dem elektrischen Pluspol und dem elektrischen Minuspol der Batteriezelle herzustellen.
Die Erfindung beruht folglich darauf, im Falle einer Wärmeentwicklung über einem vorgegeben Schwellenwert, z. B. über etwa 400 oder 450 °C, was insbesondere eine Wärmentwicklung in einer Batteriezelle sein kann, welche zu einem thermischen Durchgehen führen kann, bewusst eine elektrische Verbindung (d. h. einen Kurzschluss) zwischen dem elektrischen Pluspol und dem elektrischen Minuspol der Batteriezelle herzustellen. Durch den direkten (metallischen) Kontakt der beiden Pole der Batteriezelle entsteht insbesondere ein niederohmiger Kurzschluss der Batteriezelle, so dass ein sicheres Trennen insbesondere durch eine Schmelzsicherung erfolgen kann. Der resultierende Kurzschlussstrom sollte dabei vorzugsweise höher als der Betriebsstrom der Batteriezelle sein.
Ohne das Funktionselement würde das Isoliermaterial zwar möglicherweise auch beschädigt, würde jedoch mit hoher Wahrscheinlichkeit die elektrische Trennung der beiden Pole der Batteriezelle aufrechterhalten, da dies die eigentlich vorrangige Funktion des Isoliermaterials ist. Das Funktionselement wirkt jedoch auf die Batteriezelle ein, d. h. es wird eine Kraft auf die Batteriezelle ausgeübt, welche das Isoliermaterial verdrängen kann, beispielsweise durch Herausquetschen zwischen den beiden Polen. So kann im Falle der Wärmeentwicklung der beschriebene niederohmige Kurzschluss der Batteriezelle gefördert werden, um ein thermischen Durchgehen zu vermeiden. Insbesondere kann so auch im Falle eines mittelohmigen Kurzschlusses, welcher zuvor zu der Wärmeentwicklung geführt hat, ein sicheres Abschalten erreicht werden.
Der hier verwendete Begriff „Fahrzeug“ bezieht sich insbesondere auf einen Pkw, einschließlich aller Arten von Kraftfahrzeugen, Hybrid- und batteriebetriebenen Elektrofahrzeugen sowie Fahrzeuge wie Limousinen, Vans, Busse, Lkw, Lieferwagen und dergleichen. Der Begriff „Elektrofahrzeug“ bezieht sich dann insbesondere auf Elektro- oder Hybridfahrzeuge, insbesondere Fahrzeuge, die zumindest teilweise von einem Elektromotor angetrieben werden. Ein Elektrofahrzeug kann insbesondere ein Pkw sein, aber auch ein Fahrzeug wie ein Van, Bus, Lkw, Lieferwagen und dergleichen, oder ein Zweirad, wie ein (Elektro-)Motorrad, (Elektro-) Roller, E-Bike, E-Scooter und dergleichen. Das Batteriemodul kann insbesondere eine Batterie oder Teil einer Batterie, insbesondere Antriebsbatterie eines Elektrofahrzeugs sein.
Der hier verwendete Begriff „Funktionselement“ bezieht sich insbesondere auf ein (mechanisches) Element, welches zwischen dem Gehäuse des Batteriemoduls und einer Batteriezelle angeordnet ist. Das Funktionselement kann als „Abstützelement“ ausgebildet sein und sich zwischen dem Gehäuse des Batteriemoduls und einer Batteriezelle abstützen. Es kann dann auch als „Druckelement“ bezeichnet werden. Dies kann (in einem Normalzustand bzw. bei regulärem Betrieb) mit oder ohne einer Vorspannkraft erfolgen. Dabei ist insbesondere vorgesehen, dass es sich dazwischen „abstützt“, also mechanisch auf gegenüberliegenden Seiten anliegt. Es versteht sich, dass ein Abstützen als ein „direktes“ Abstützen, also mit einem direkten Kontakt, oder ein „indirektes Abstützen“, also über ein anderes Element, eine andere Struktur, ein Zwischenmaterial und dergleichen verstanden werden kann. In einer umgekehrten Wirkweise kann das Funktionselement auch als „Zugelement“ ausgebildet sein, welches zwischen dem Gehäuse des Batteriemoduls und einer Batteriezelle angeordnet und entsprechend verbunden ist, um eine Zugkraft ausüben zu können.
Der hier verwendete Begriff „Pol“ bzw. „elektrischer Pol“ einer Batteriezelle bezieht sich insbesondere auf die Anschlüsse einer einzelnen Zelle, welche die Elektroden im Inneren der Batteriezelle, im Falle einer Rundzelle also insbesondere eines Elektrodenwickels, von außerhalb der Zelle zugänglich, d. h. elektrisch kontaktierbar macht. Über die Pole von Batteriezellen in einem Batteriemodul können diese insbesondere mittels eines Verbindungselements, wie mittels eines Zellkontaktiersystems miteinander verschaltet werden.
Die hier gegebenenfalls verwendeten Begriffe „umfasst“, „beinhaltet“, „schließt ein“, „weist auf“, „hat“, „mit“, oder jede andere Variante davon sollen eine nicht ausschließliche Einbeziehung abdecken. So ist beispielsweise ein Verfahren oder eine Vorrichtung, die eine Liste von Elementen umfasst oder aufweist, nicht notwendigerweise auf diese Elemente beschränkt, sondern kann andere Elemente einschließen, die nicht ausdrücklich aufgeführt sind oder die einem solchen Verfahren oder einer solchen Vorrichtung inhärent sind.
Ferner bezieht sich „oder“, sofern nicht ausdrücklich das Gegenteil angegeben ist, auf ein inklusives oder und nicht auf ein exklusives „oder“. Zum Beispiel wird eine Bedingung A oder B durch eine der folgenden Bedingungen erfüllt: A ist wahr (oder vorhanden) und B ist falsch (oder nicht vorhanden), A ist falsch (oder nicht vorhanden) und B ist wahr (oder vorhanden), und sowohl A als auch B sind wahr (oder vorhanden).
Die Begriffe „ein“ oder „eine“, wie sie hier verwendet werden, sind im Sinne von „ein/eine oder mehrere“ definiert. Die Begriffe „ein anderer“ und „ein weiterer“ sowie jede andere Variante davon sind im Sinne von „zumindest ein Weiterer“ zu verstehen.
Der Begriff „Mehrzahl“, wie er hier verwendet wird, ist im Sinne von „zwei oder mehr“ zu verstehen.
Unter dem Begriff „konfiguriert“ oder „eingerichtet“ eine bestimmte Funktion zu erfüllen, (und jeweiligen Abwandlungen davon) ist im Sinne der Erfindung zu verstehen, dass die entsprechende Vorrichtung bereits in einer Ausgestaltung oder Einstellung vorliegt, in der sie die Funktion ausführen kann oder sie zumindest so einstellbar - d.h. konfigurierbar - ist, dass sie nach entsprechender Einstellung die Funktion ausführen kann. Die Konfiguration kann dabei beispielsweise über eine entsprechende Einstellung von Parametern eines Prozessablaufs oder von Schaltern oder ähnlichem zur Aktivierung bzw. Deaktivierung von Funktionalitäten bzw. Einstellungen erfolgen. Insbesondere kann die Vorrichtung mehrere vorbestimmte Konfigurationen oder Betriebsmodi aufweisen, so dass das Konfigurieren mittels einer Auswahl einer dieser Konfigurationen bzw. Betriebsmodi erfolgen kann. Nachfolgend werden bevorzugte Ausführungsformen des Batteriemoduls gemäß dem ersten Aspekt beschrieben, die jeweils, soweit dies nicht ausdrücklich ausgeschlossen wird oder technisch unmöglich ist, beliebig miteinander kombiniert werden können.
Bei einigen Ausführungsformen ist das Funktionselement eingerichtet, derart auf den einen der Pole der Batteriezelle einzuwirken, um dadurch bei Wärmeentwicklung über dem vorgegebenen Schwellenwert die elektrische Verbindung zwischen dem elektrischen Pluspol und dem elektrischen Minuspol der Batteriezelle herzustellen. Insbesondere kann sich das Funktionselement als Abstützelement auf einen der Pole abstützen. Während es prinzipiell möglich ist, dass sich das Funktionselement an einer beliebigen Stelle auf die Batteriezelle abstützt, solange es derart auf die Batteriezelle einwirken kann, also insbesondere eine Kraft ausüben kann, welche die beiden Pole der Batteriezelle in Kontakt bringen kann, ist es vorteilhaft, wenn sich das Funktionselement auf einen der Pole abstützt. Dieser Pol, also derjenige, auf den sich das Funktionselement abstützt, kann dann durch die Einwirkung des Funktionselements (bei der Wärmeentwicklung) auf den anderen Pol zubewegt werden. Dadurch kann dann das Isoliermaterial verdrängt werden. Die Kraft durch das Funktionselement kann so zielgenauer auf die Batteriezelle einwirken, um den gewünschten Effekt zu erzielen.
Bei einigen Ausführungsformen weist die Batteriezelle ein zylindrisches Zellgehäuse auf, wobei der elektrische Pluspol durch einen Terminal-Anschluss an einer Stirnseite des Zellgehäuses und der elektrische Minuspol durch das Zellgehäuse gebildet wird, wobei ein Dichtring aus dem Isoliermaterial vorgesehen ist, welcher den Terminal-Anschluss gegen das Zellgehäuse elektrisch isoliert. Diese Form der Batteriezelle, auch Rundzelle genannt, ist ein bekannter Typ von Batteriezelle. Das zylindrische Zellgehäuse ermöglicht es, dass das Funktionselement wie beschrieben auf die Batteriezelle einwirken kann.
Bei zylindrischen Batteriezellen können jeweils Elektroden-Enden von gleich-gepolten Elektroden, insbesondere Kathoden, die elektrisch positiv gepolt sind, elektrisch mit einem sogenannten Terminal-Anschluss verbunden sein. Der Terminal-Anschluss kann dabei an einer Stirnseite des Zellgehäuses ausgebildet sein, wobei der Terminal- Anschluss zu dem Zellgehäuse elektrisch isoliert ist. Durch den Terminal-Anschluss kann ein elektrisch positiver Pol der Batteriezelle von außerhalb der Batteriezelle kontaktiert werden. Ebenso können jeweils Elektroden-Enden von Anoden, die elektrisch negativ gepolt sind, elektrisch mit dem Zellgehäuse, das ebenso elektrisch leitend ist, verbunden sein, so dass über das Zellgehäuse der elektrische negative Pol der Batteriezelle kontaktiert werden kann.
Das Funktionselement kann sich bei zylindrischen Batteriezellen insbesondere auf den Terminal-Anschluss abstützen, um insbesondere eine Druckkraft auf den Terminalanschluss ausüben zu können, oder alternativ mit dem Terminal-Anschluss verbunden sein, um eine Zugkraft auf den Terminalanschluss ausüben zu können. Dieser an einer Stirnseite des zylindrischen Zellgehäuses, üblicherweise mittig angeordnete Anschluss, bildet den elektrischen Pluspol und kann insbesondere auch einen Verschluss des zylindrischen Zellgehäuses bilden, welcher mit einem Dichtring aus dem Isoliermaterial in dem Zellgehäuse sitzt, wobei das Zellgehäuse den elektrischen Minuspol bildet. Der Terminal-Anschluss kann beispielsweise zumindest einen Flansch aufweisen, welcher den Dichtring, also das Isoliermaterial bei Einwirkung des Funktionselements verdrängt, um dadurch einen direkten (metallischen) Kontakt zwischen dem Terminal-Anschluss und dem Gebäude herzustellen. Dadurch kann der oben beschriebene gewünschte Kurzschluss effektiv erreicht werden.
Bei einigen Ausführungsformen ist das Isoliermaterial derart ausgebildet, dass es bei Wärmeentwicklung über dem vorgegebenen Schwellenwert zumindest teilweise erweicht, sodass es durch die Einwirkung des Funktionselements im erweichten Zustand verdrängbar ist. Das Erweichen bedeutet insbesondere, dass das Isoliermaterial durch die Wärmeentwicklung schmilzt. Es kann daher vorgesehen sein, das Isoliermaterial, welches in herkömmlichen Batteriezellen eher robust ausgebildet sein und einen hohen Schmelzpunkt besitzen kann, aus einem Material mit einem etwas niedrigeren Schmelzpunkt herzustellen. Dadurch kann das Verdrängen, welches durch die Krafteinwirkung durch das Funktionselement hervorgerufen wird, begünstigt werden.
Bei einigen Ausführungsformen weist das Funktionselement, insbesondere als Abstützelement, zumindest ein Federelement auf, welches zwischen dem Gehäuse des Batteriemoduls und der Batteriezelle vorgespannt ist. Ein Federelement bietet ein einfaches Element, welches sich einer bestimmten Vorspannkraft zwischen dem Gehäuse des Batteriemoduls und der Batteriezelle abstützen kann. Bei einer Wärmeentwicklung und insbesondere dann einem Erweichen des Isoliermaterials sorgt diese Vorspannkraft dann für das Zusammenführen der beiden Pole der Batteriezelle durch Verdrängen des Isoliermaterials. Das Federelement kann beliebig gestaltet sein, beispielsweise als einfache Spiralfeder oder ein anderes (metallisches) Federelement. Es kann jedoch auch ein Element aus einem nicht-metallischen komprimierbaren Material als Funktionselement (bzw. als „Federelement“) vorgesehen sein, welches sich in komprimierter Form im Normalzustand zwischen dem Gehäuse des Batteriemoduls und der Batteriezelle abstützt und dadurch „vorgespannt“ ist. Dies kann beispielsweise ein komprimierbares Pad aus einem Schaummaterial, einem Gummimaterial oder einem anderen (komprimierbaren) Kunststoffmaterial sein, wie beispielsweise einem thermoplastischen Elastomer (TPE) oder einem thermoplastischen Polyurethan (TPU).
Bei einigen Ausführungsformen ist das Funktionselement eingerichtet, sich bei der Wärmeentwicklung über dem vorgegeben Schwellenwert auszudehnen, um dadurch auf die Batteriezelle einzuwirken. Anstatt ein Funktionselement, wie ein Federelement, vorzusehen, welches bereits mit einer Vorspannkraft eingesetzt ist, kann auch ein Element eingesetzt werden, welches sich ohne oder mit geringer Kraft im Normalzustand zwischen dem Gehäuse des Batteriemoduls und der Batteriezelle abstützt. Erst bei Wärmeentwicklung, insbesondere über dem vorgegebenen Schwellenwert, dehnt sich das Funktionselement dann aus, wodurch dann die Kraftwirkung auf die Batteriezelle entsteht, um den Kurzschluss herbeizuführen. Es versteht sich, dass auch ein zuvor beschriebenes Federelement derart ausgestaltet sein kann, dass es sich bei Wärmeentwicklung ausdehnt.
Bei einigen Ausführungsformen weist das Batteriemodul eine Mehrzahl von Batteriezellen auf, wobei die Batteriezellen über ein Verbindungselement elektrisch verbunden sind, um einen elektrischen Kontakt zwischen den Batteriezellen und zu einem elektrischen Anschluss des Batteriemoduls herzustellen. Dieses sogenannte Zellkontaktiersystem stellt dabei insbesondere einen elektrischen Kontakt zwischen dem elektrischen Pluspol einer Batteriezelle mit dem elektrischen Minuspol einer anderen (insbesondere benachbarten) Batteriezelle her. Auf diese Weise werden die Batteriezellen des Batteriemoduls zusammengeschaltet.
Bei einigen Ausführungsformen stützt sich das Funktionselement, insbesondere als Abstützelement, auf das Verbindungselement ab. Das Verbindungselement (ZKS) kann dabei z. B. im Falle von Rundzellen auf den Stirnseiten der Batteriezellen aufliegen (und z. B. verschweißt sein), um die beschriebene Verschaltung der Batteriezellen zu bewirken. Zwischen dem Verbindungselement und dem Gehäuse des Batteriemoduls kann dann das Funktionselement vorgesehen sein. Die Abstützung erfolgt dann somit „indirekt“, wobei die Kraft über das Verbindungselement übertragen wird. Auch auf diese Weise kann das Funktionselement effektiv auf die beschriebene Weise auf die Batteriezelle(n) einwirken. Dabei kann dann insbesondere in einer Batteriezelle, in welcher die Wärmeentwicklung auftritt, der Kurzschluss herbeigeführt werden.
Bei einigen Ausführungsformen ist für jede der Batteriezellen ein Funktionselement vorgesehen. So kann vorteilhaft gezielt auf jede Batteriezelle eingewirkt werden, um einen Kurzschluss in einer geschädigten Batteriezelle zu bewirken. Es können jedoch auch weniger Funktionselemente vorgesehen sein, welche beispielsweise räumlich verteilt sein können und über das Verbindungselement die gewünschte Kraft auf die Batteriezellen ausüben.
Bei einigen Ausführungsformen weist das Verbindungselement zumindest eine Schmelzsicherung auf. Die Schmelzsicherung kann insbesondere eingerichtet sein, auszulösen, wenn die elektrischen Verbindung zwischen dem elektrischen Pluspol und dem elektrischen Minuspol der Batteriezelle hergestellt wird. Es kann bei einem Batteriemodul für ein Fahrzeug dann beispielsweise ein Strom von etwa 1000 A verursacht werden. Die Schmelzsicherung löst bei einem derart hohen Überstrom zuverlässig aus. Dieser hohe Strom wird wie beschrieben durch den bewusst herbeigeführten niederohmigen Kurzschluss der beiden Pole erreicht, während ein mittelohmiger Kurzschluss in der Batteriezelle selbst, insbesondere zwischen den beiden Elektroden beispielsweise bei Defekten in der Separatorschicht, kein zuverlässiges Auslösen der Schmelzsicherung sicherstellt.
Bei einigen Ausführungsformen stützt sich das Funktionselement oder stützen sich die Funktionselemente über eine Lastenverteilerstruktur, wie eine Lastenverteilerplatte an dem Gehäuse des Batteriemoduls ab. Ein Funktionselement kann eine relativ punktförmige Kraft ausüben. Dies ist auf Seite der Batteriezelle vorteilhaft, da dann effektiv der Kurzschluss bewirkt werden kann, indem das Isoliermaterial verdrängt wird. Die punktförmige Kraft wirkt auf der anderen Seite jedoch auch auf das Gehäuse. Daher kann es vorteilhaft sein, ein Lastenverteilerelement, insbesondere plattenförmig vorzusehen, damit das Gehäuse nicht zusätzlich verstärkt werden muss.
Ein zweiter Aspekt der Erfindung betrifft ein Fahrzeug, insbesondere Elektrofahrzeug, das zumindest ein Batteriemodul gemäß dem ersten Aspekt der Erfindung aufweist, insbesondere als Antriebsbatterie für einen Elektromotor des Elektrofahrzeugs.
Die in Bezug auf den ersten Aspekt der Erfindung erläuterten Merkmale und Vorteile gelten entsprechend auch für die weiteren Aspekte der Erfindung. Weitere Vorteile, Merkmale und Anwendungsmöglichkeiten der vorliegenden Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden detaillierten Beschreibung im Zusammenhang mit den Zeichnungen.
Dabei zeigt:
Fig. 1 schematisch einen Ausschnitt eines Batteriemoduls gemäß einer Ausführungsform;
Fig. 2 schematisch einen Ausschnitt eines Batteriemoduls gemäß einer anderen Ausführungsform;
Fig. 3 schematisch einen Schnitt durch einen Terminal-Anschluss einer Batteriezelle im Normalbetrieb; und
Fig. 4 schematisch einen Schnitt durch einen Terminal-Anschluss einer Batteriezelle bei einer Wärmeentwicklung über einem vorgegeben Schwellenwert.
In den Figuren werden durchgängig dieselben Bezugszeichen für dieselben oder einander entsprechenden Elemente der Erfindung verwendet.
Fig. 1 zeigt schematisch einen Ausschnitt eines Batteriemoduls 1 in einer teilweisen Schnittansicht. Beispielhaft sind zwei Batteriezellen 2 des Batteriemoduls 1 in einem Gehäuse 3 des Batteriemoduls 1 dargestellt. Es versteht sich, dass das Batteriemodul 1 eine Vielzahl von Batteriezellen 2 aufweisen kann, um eine gewünschte Spannung zu erreichen. Beispielsweise kann das Batteriemodul 1 als Antriebsbatterie für den Elektromotor eines Elektrofahrzeugs (nicht dargestellt) dienen. Die Batteriezellen 2 sind in dem dargestellten Ausführungsbeispiel als zylindrische Batteriezellen (Rundzellen) ausgebildet. Eine Batteriezelle 2 kann beispielsweise einen Durchmesser von 46 mm und eine Länge von 95 mm aufweisen und es kann sich beispielsweise um eine Lithium- lonen-Zelle handeln.
Die Batteriezellen 2 weisen jeweils ein Gehäuse in Form eines Hohlzylinders aus einem elektrisch leitfähigen Material auf. In dem Gehäuse ist ein Elektrodenwickel angeordnet, welcher durch Aufwickeln eines Schichtaufbaus um einen Wickelkern gebildet werden kann. Eine Anode des Elektrodenwickels ist über einen Stromableiter mit dem Zellgehäuse 8 (siehe Fig. 3 und 4) verbunden, welches dadurch einen Minuspol der Batteriezelle 2 bildet. Eine Kathode des Elektrodenwickels ist über einen Stromableiter mit einem Terminalanschluss 5 der Batteriezelle 2 verbunden, welcher dadurch einen Pluspol der Batteriezelle 2 bildet. Über Verbindungselemente 6, ein sogenanntes Zellkontaktiersystem, sind die Batteriezellen 2 des Batteriemoduls 1 durch entsprechende elektrische Verbindungen der Plus- bzw. Minuspole der Batteriezellen 2 miteinander verschaltet. In den Verbindungselementen 6 sind Schmelzsicherungen 7 vorgesehen, insbesondere durch eine Querschnittsverjüngung, welche derart dimensioniert sind, dass eine Schmelzsicherungen 7 bei einem bestimmten Überstrom und die dadurch entstehende Wärmeentwicklung auslöst und die elektrische Verbindung trennt.
Tritt nun in einer der Batteriezellen 2 ein Kurzschluss auf, beispielsweise durch einen Defekt innerhalb der Batteriezelle 2 kann die Schmelzsicherung 7 nur dann zuverlässig auslösen, wenn es sich dabei um einen niederohmigen Kurzschluss handelt, da dann der Überstrom ausreichend hoch ist. Bei einem hochohmigen Kurzschluss in einer Batteriezelle 2 kann dagegen ein sicheres Entladen der Nachbarzellen erfolgen. Das ist jeweils wichtig, um ein thermisches Durchgehen zu verhindern, welches durch eine Wärmeentwicklung durch den zellinternen Kurzschluss in Gang gesetzt werden kann. Falls jedoch in einer Batteriezelle 2 ein mittelohmiger Kurzschluss auftreten sollte, ist weder ein sicheres Entladen noch ein Auslösen der Schmelzsicherung 7 gewährleistet.
Daher ist zwischen den Batteriezellen 2 und dem Gehäuse 3 des Batteriemoduls 1 jeweils ein Funktionselement 4 vorgesehen, insbesondere als Abstützelement. Es stützt sich derart zwischen dem Gehäuse 3 und der jeweiligen Batteriezelle 2 ab, dass eine Kraft insbesondere auf den Terminal-Anschluss 5 (also den Pluspol) wirkt. Beispielsweise kann das Funktionselement 4 als Federelement ausgebildet sein, welches mit einer Vorspannkraft eingesetzt ist. In Fig. 1 stützt sich das Funktionselement 4 nicht direkt auf die Batteriezelle 2 bzw. den Terminal-Anschluss 5 ab, sondern über das Verbindungselement 6. Dies hat jedoch keinen Einfluss auf die Einwirkung des Funktionselements 4 auf die Batteriezelle, was nachfolgend auch mit Bezug auf Fig. 3 und Fig. 4 genauer erläutert wird.
Das Funktionselement 4 kann auch eine andere Gestalt als die dargestellte Spiralfeder haben. Beispielsweise kann ein Element, wie ein Pad, aus einem Schaum-, Gummioder Kunststoffmaterial vorgesehen sein (z. B. TPE oder TPU), welches sich komprimiert zwischen dem Gehäuse 3 und der jeweiligen Batteriezelle 2 abstützt. Es kann auch ein Funktionselement 4 vorgesehen sein, welches im Normalzustand keine Kraft auf die Batteriezelle 2 ausübt, sondern sich erst bei einer Wärmeentwicklung ausdehnt. Der Effekt in dem insbesondere in Fig. 4 dargestellten Szenario ist dann im Wesentlichen der Gleiche. Es ist auch denkbar, das Funktionselement als Zugelement auszubilden, welches mit dem Gehäuse 3 und dem Terminal-Anschluss 5 verbunden ist, um eine entsprechende Zugkraft ausüben zu können.
Fig. 3 und Fig. 4 zeigen jeweils das obere Ende einer Batteriezelle 2 mit dem Terminalanschluss 5 in einer Schnittdarstellung. Aus Gründen der Übersichtlichkeit sind in Fig. 3 und 4 das Verbindungselement 6 und das Gehäuse 3 nicht dargestellt. Zwischen dem Terminal-Anschluss 5, also dem Pluspol, und dem Gehäuse 8 der Batteriezelle 2, also dem Minuspol, ist ein Dichtring aus einem Isoliermaterial 9 vorgesehen. Dieser isoliert im Normalbetrieb die beiden elektrischen Pole der Batteriezelle 2 elektrisch gegeneinander, um einen Kurzschluss zu verhindern. Dies ist in Fig. 3 dargestellt.
Kommt es nun zu einer Wärmeentwicklung in der Batteriezelle 2, wie in Fig. 4 veranschaulicht, insbesondere durch einen zellinternen mittelohmigen Kurzschluss, erweicht bzw. schmilzt das Isoliermaterial 9 des Dichtrings. Durch die Einwirkung des Funktionselements 4 (Pfeil in Fig. 4), wird der Terminal-Anschluss 5 in Richtung des Zellgehäuses 8 gedrückt, wodurch das Isoliermaterial 9 des Dichtrings verdrängt wird. Insbesondere weist der Terminal-Anschluss 5 einen Flansch auf, sodass das Isoliermaterial 9 seitlich herausgedrückt wird (9‘ in Fig. 4). Es versteht sich, dass im Falle eines Zugelements als Funktionselement 4 das Isoliermaterial 9 auf der Innenseite des Zellgehäuses 8 herausgedrückt werden würde (nicht dargestellt). Auf diese Weise kann bewusst ein Kurzschluss 10 in der Batteriezelle 2 hergestellt werden. Dieser entsteht durch den direkten metallischen Kontakt zwischen dem Terminal-Anschluss 5 und dem Zellgehäuse. Dieser Kurzschluss 10 wird ein niederohmiger Kurzschluss sein, sodass durch den resultierenden hohen Überstrom die Schmelzsicherung 7 zuverlässig auslöst und damit ein thermisches Durchgehen verhindert wird. Mit anderen Worten, die entstehende elektrische Verbindung ist so niederohmig und stromtragfähig, damit die resultierenden Kurzschlussströme die Schmelzsicherung 7 aufschmelzen. Die resultierenden Kurzschlussströme sollten insbesondere höher als die Betriebsströme der Batteriezellen 2 sein.
Fig. 2 zeigt eine Ausführungsform eines Batteriemoduls 1 , welche im Wesentlichen der Ausführungsform aus Fig. 1 gleicht. Insofern wird auf die obige Beschreibung verwiesen. Der einzige Unterschied besteht darin, dass sich die Funktionselemente 4 nicht direkt an der Innenseite des Gehäuses 3 des Batteriemoduls 1 abstützen, sondern über eine Lastenverteilerstruktur 11 , hier in Form einer Lastenverteilerplatte. Diese stützt sich an mehreren Stellen an der Innenseite des Gehäuses 3 des Batteriemoduls 1 ab, um hohe punktförmige Lasten auf das Gehäuse 3 durch die Funktionselemente 4 zu vermeiden. Während vorhergehend wenigstens eine beispielhafte Ausführungsform beschrieben wurde, ist zu bemerken, dass eine große Anzahl von Variationen dazu existiert. Es ist dabei auch zu beachten, dass die beschriebenen beispielhaften Ausführungsformen nur nichtlimitierende Beispiele darstellen, und es nicht beabsichtigt ist, dadurch den Umfang, die Anwendbarkeit oder die Konfiguration der hier beschriebenen Vorrichtungen und Verfahren zu beschränken. Vielmehr wird die vorhergehende Beschreibung dem Fachmann eine Anleitung zur Implementierung mindestens einer beispielhaften Ausführungsform liefern, wobei sich versteht, dass verschiedene Änderungen in der Funktionsweise und der Anordnung der in einer beispielhaften Ausführungsform beschriebenen Elemente vorgenommen werden können, ohne dass dabei von dem in den angehängten Ansprüchen jeweils festgelegten Gegenstand sowie seinen rechtlichen Äquivalenten abgewichen wird.
BEZUGSZEICHENLISTE
1 Batteriemodul
2 Batteriezelle
3 Gehäuse des Batteriemoduls 4 Funktionselement
5 Terminal-Anschluss (Pluspol)
6 Verbindungselement
7 Schmelzsicherung
8 Zellgehäuse (Minuspol) 9 Isoliermaterial
9‘ verdrängtes Isoliermaterial
10 Kurzschluss
11 Lastenverteilerstruktur

Claims

ANSPRÜCHE
1. Batteriemodul (1), insbesondere für ein Fahrzeug, aufweisend ein Gehäuse (3) sowie zumindest eine in dem Gehäuse (3) angeordnete Batteriezelle (2), wobei die Batteriezelle (2) einen elektrischen Pluspol (5) und einen elektrischen Minuspol (8) aufweist, welche durch ein Isoliermaterial (9) elektrisch gegeneinander isoliert sind, wobei ein Funktionselement (4) vorgesehen ist, welches derart zwischen der Batteriezelle (2) und dem Gehäuse (3) des Batteriemoduls (1) angeordnet und eingerichtet ist, auf die Batteriezelle (2) derart einzuwirken, dass das Isoliermaterial (9) bei Wärmeentwicklung über einem vorgegebenen Schwellenwert zumindest teilweise verdrängt wird, um dadurch eine elektrische Verbindung zwischen dem elektrischen Pluspol (5) und dem elektrischen Minuspol (8) der Batteriezelle (2) herzustellen.
2. Batteriemodul nach Anspruch 1 , wobei das Funktionselement (4) eingerichtet ist, derart auf den einen der Pole der Batteriezelle (2) einzuwirken, um dadurch bei Wärmeentwicklung über dem vorgegebenen Schwellenwert die elektrische Verbindung zwischen dem elektrischen Pluspol (5) und dem elektrischen Minuspol der Batteriezelle (2) herzustellen.
3. Batteriemodul nach Anspruch 1 oder 2, wobei die Batteriezelle (2) ein zylindrisches Zellgehäuse aufweist, wobei der elektrische Pluspol (5) durch einen Terminal-Anschluss an einer Stirnseite des Zellgehäuses und der elektrische Minuspol (8) durch das Zellgehäuse gebildet wird, wobei ein Dichtring aus dem Isoliermaterial (9) vorgesehen ist, welcher den Terminal-Anschluss gegen das Zellgehäuse elektrisch isoliert.
4. Batteriemodul nach Anspruch 3, wobei sich das Funktionselement (4) auf den Terminal-Anschluss (5) abstützt.
5. Batteriemodul nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei das Isoliermaterial (9) derart ausgebildet ist, dass es bei Wärmeentwicklung über dem vorgegebenen Schwellenwert zumindest teilweise erweicht, sodass es durch die Einwirkung des Funktionselements (4) im erweichten Zustand verdrängbar ist.
6. Batteriemodul nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei das Funktionselement (4) zumindest ein Federelement aufweist, welches zwischen dem Gehäuse (3) des Batteriemoduls (1) und der Batteriezelle (2) vorgespannt ist.
7. Batteriemodul nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei das Funktionselement (4) eingerichtet ist, sich bei der Wärmeentwicklung über dem vorgegeben Schwellenwert auszudehnen, um dadurch auf die Batteriezelle (2) einzuwirken.
8. Batteriemodul nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei das Batteriemodul (1) eine Mehrzahl von Batteriezellen (2) aufweist, wobei die Batteriezellen (2) über ein Verbindungselement (6) elektrisch verbunden sind, um einen elektrischen Kontakt zwischen den Batteriezellen (2) und zu einem elektrischen Anschluss des Batteriemoduls (1) herzustellen.
9. Batteriemodul nach Anspruch 8, wobei sich das Funktionselement (4) auf das Verbindungselement (6) abstützt.
10. Batteriemodul nach Anspruch 8 oder 9, wobei für jede der Batteriezellen (2) ein Funktionselement (4) vorgesehen ist.
11. Batteriemodul nach einem der Ansprüche 8 bis 10, wobei das Verbindungselement (6) zumindest eine Schmelzsicherung (7) aufweist.
12. Batteriemodul nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei sich das Funktionselement (4) oder die Funktionselemente (4) über eine Lastenverteilerstruktur (11) an dem Gehäuse (3) des Batteriemoduls (1) abstützen.
13. Fahrzeug, aufweisend zumindest ein Batteriemodul nach einem der vorhergehenden Ansprüche.
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