Batteriemodul mit einer federnden Anpressplatte

Die vorliegende Erfindung betrifft ein Batteriemodul mit einer Mehrzahl von Batteriezellen, bevorzugt Lithium-Ionen-Batteriezellen, bei dem mittels mindestens einer Anpressplatte ein Druck auf die Batteriezellen ausgeübt wird. Die Erfindung betrifft ferner ein Kraftfahrzeug mit einem erfindungsgemäßen Batteriemodul.

Stand der Technik

Batterien zur Speicherung von elektrischer Energie, insbesondere

Lithium-Ionen-Batterien, dehnen sich beim Laden aus und ziehen sich beim Entladen wieder zusammen. Diese Volumen- bzw. Längenänderungen sind durch die Ein- und Auslagerungsvorgänge von Lithium-Ionen in den

Aktivmaterialien der Elektroden bedingt. Durch das Einlagern von Lithium in das Kohlenstoffmaterial dehnt sich das Material aus. Diese Volumenvergrößerung wird über die Batteriezellenhülle bei entsprechender Verformbarkeit der Zelle weiter nach außen übertragen und führt somit zu einer Änderung wenigstens eines geometrischen Abmaßes der Batterie. Dies gilt insbesondere für

Ausführungen, in denen die Batterie mehrere Zellen umfasst. In Folge können aufgrund der Ausdehnung und des Zusammenziehens der Elektrodenmaterialien die einzelnen, in der Zelle angeordneten Schichten (Metallschicht,

Kathodenmaterial, Separator, Anodenmaterial, ggf. Folie) mechanischen Belastungen ausgesetzt sein. Die Folge davon ist ein Anstieg des elektrischen Widerstandes in der Batterie und somit ein vermindertes Leistungsvermögen.

Weitere mechanische Belastungen einer Batterie bzw. einer Batteriezelle können zum Beispiel durch Temperaturerhöhung innerhalb der Zelle und der daraus resultierenden Verdampfung von enthaltenen Elektrolyten entstehen, wobei der Dampf zu einem weiteren Druckanstieg innerhalb der Zelle führt. Insbesondere bei erhöhten Temperaturen können zudem chemische Reaktionen in der Batterie bzw. in einer Zelle zustande kommen, aus denen Gase entstehen, die einen zusätzlichen Druckanstieg innerhalb der Batteriezelle erzeugen.

Diese Belastungen sind umso höher, je größer die Ladezustandsschwankungen im Betrieb der Batterie sind.

Ferner müssen für Anwendungen von Batterien, insbesondere

Lithium-Ionen-Batterien, zum Antrieb von Kraftfahrzeugen viele einzelne elektrochemische Batteriezellen zusammengefügt und gehaltert werden. Dies kann durch Platzierung der Einzelzellen in einem Gehäuse, einem Rahmen und/oder Umwicklung der Einzelzellen mit einem Verspannband geschehen. Zwischen dem Verspannband und den äußeren Einzelzellen kann zur

Druckbeaufschlagung eines Drucks eine Anpressplatte angeordnet sein. Ein solches Beispiel ist aus der EP 1 760 806 A2 bekannt. Der Anpressdruck soll der beschriebenen Ausdehnung der Batteriezellen entgegenwirken und die unerwünschte Ablösung einzelner Schichten an den Elektrodenmaterialien verhindern. Ein solcher Anpressdruck findet insbesondere bei Batteriezellen für Hybrid-Fahrzeuge Anwendung.

Es ist allerdings schwierig, einen Anpressdruck homogen auf die Batteriezellen zu übertragen, da sich unterschiedliche Bereiche der Batteriezellen

unterschiedlich stark ausdehnen und das Verspannband unterschiedliche Bereiche unterschiedlich stark mit Druck beaufschlagt.

Offenbarung der Erfindung

Erfindungsgemäß wird ein Batteriemodul vorgeschlagen, welches eine Vielzahl von Batteriezellen, bevorzugt Lithium-Ionen-Batteriezellen, umfasst, die entlang einer ersten Achse zu einem Stapel angeordnet sind. Ferner weist das

Batteriemodul mindestens eine Anpressplatte auf, die an einer Außenseite einer äußersten Batteriezelle des Stapels angeordnet ist. Eine Verspannungseinheit umgibt die Vielzahl von Batteriezellen zusammen mit der mindestens einen Anpressplatte und verspannt sie miteinander. Die mindestens eine Anpressplatte ist dabei federnd ausgebildet und übt im durch die Verspannungseinheit verspannten Zustand eine Rückstellkraft auf die Verspannungseinheit aus.

Das erfindungsgemäße Batteriemodul hat den Vorteil, dass ein Anpressdruck auf die äußerste Batteriezelle homogener ausgebildet werden kann. Dadurch wird eine bessere Effizienz über die Lebensdauer des Batteriemoduls bzw. der Batteriezellen erreicht.

Die Rückstellkraft ist bevorzugt entlang der ersten Achse oder ihr

entgegengesetzt gerichtet. Sie kann auch lediglich in einer Komponente entlang der ersten Achse oder ihr entgegengesetzt ausgerichtet sein. Die Rückstellkraft der Anpressplatte wirkt bevorzugt der von der Verspannungseinheit ausgeübten Kraft entgegen.

Die Batteriezellen werden bevorzugt hintereinander in einem Stapel angeordnet. Unter den äußersten Seiten der Vielzahl der Batteriezellen werden die freien Enden des Stapels bezeichnet. Mit anderen Worten, die Anpressplatten drücken auf die äußere Seite der ersten Batteriezelle, die gegenüber der Seite der ersten Batteriezelle liegt, die mit der zweiten Batteriezelle des Stapels benachbart ist, und die äußere Seite der letzten Batteriezelle, die gegenüber der Seite der letzten Batteriezelle liegt, die mit der vorletzten Batteriezelle des Stapels benachbart ist.

Die Federkraft der vorgespannten Anpressplatte hängt bevorzugt vom Abstand zu einer Mittelachse der Anpressplatte ab, wobei die Mittelachse entlang einer zur ersten Achse senkrechten und/oder von der ersten Achse verschiedenen zweiten Achse verläuft. Die betreffende Mittelachse ist bevorzugt die senkrechte Mittelachse der Anpressplatte.

Durch diese Ausbildung der Anpressplatte wird der Mittenbereich der äußeren Seite einer Batteriezelle mit einem höheren Druck beaufschlagt. Bei einer geraden Anpressplatte wird hingegen der Mittenbereich mit einem geringeren Druck beaufschlagt und der Randbereich mit einem relativ höheren Druck. Die erste Achse ist bevorzugt die x-Achse und die zweite Achse die z-Achse. Jedoch können auch andere Achsen verwendet werden, die bevorzugt senkrecht zueinander ausgebildet sind.

Die Rückstellkraft kann auch segmentweise unterschiedlich ausgebildet sein. So kann der vertikale Mittenbereich der Anpressplatte eben ausgebildet sein und keine Rückstellkraft aufweisen und lediglich der daran anschließende

Randbereich gebogen ausgebildet sein.

Die mindestens eine Anpressplatte liegt dabei ohne Verspannung durch die Verspannungseinheit konvex an der entsprechenden äußersten Seite der Vielzahl der Batteriezellen an.

Die Anpressplatte kann bevorzugt die Form einer Blattfeder haben.

Die Dicke der Anpressplatte liegt bevorzugt im Bereich von 1 mm bis 6 mm. Bevorzugter liegt sie zwischen 1 ,5-4 mm, noch bevorzugter bei ca. 2 mm.

Die Verspannungseinheit umfasst bevorzugt ein Verspannband und eine

Kopplungseinheit zur Verbindung und Verspannung zweier Enden des

Verspannbandes. Durch diese Ausbildung der Verspannungseinheit können Batteriezellen und Anpressplatte einfach und effizient miteinander verbunden und mit Druck beaufschlagt werden. Dazu muss lediglich die Kopplungseinheit derart ausgebildet sein, dass das Verspannband nach Kopplung weiter verspannt werden kann.

Der Krümmungsradius der Anpressplatte liegt bevorzugt in der Ebene oder einer parallelen Ebene des Verlaufs des Verspannbandes.

Die Druckverteilung auf die an der mindestens einen Anpressplatte anliegenden äußeren Seite einer Batteriezelle ist bevorzugt weitgehend homogen, noch bevorzugter homogen im Rahmen der Messungenauigkeit.

Es wird ferner ein Kraftfahrzeug mit einem erfindungsgemäßen Batteriemodul vorgeschlagen, wobei das Batteriemodul mit einem Antriebssystem des

Kraftfahrzeuges verbunden ist. Vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung sind in den Unteransprüchen angegeben und in der Beschreibung beschrieben.

Der Begriff Batterie schließt in dieser Anmeldung auch Batteriesysteme, Akkumulatorbatterien, Akkumulatoren, Akkumulatorsysteme, insbesondere Li-Ionen-Systeme oder Li-Polymer-Ionen-Systeme mit ein.

Zeichnungen

Ausführungsbeispiele der Erfindung werden anhand der Zeichnungen und der nachfolgenden Beschreibung näher erläutert. Es zeigen:

Figur 1 ein Batteriemodul mit mehreren Batteriezellen und einer Anpressplatte des Standes der Technik,

Figur 2 eine Druckverteilung an der äußeren Seite des Batteriemoduls des Standes der Technik,

Figur 3 eine erfindungsgemäße Anpressplatte,

Figur 4 eine erfindungsgemäße Anpressplatte mit Batteriezelle, und

Figur 5 eine verbesserte Druckverteilung an der äußeren Seite eines erfindungsgemäßen Batteriemoduls mit einer Anpressplatte der Figur 3.

Ausführungsformen der Erfindung

In der Figur 1 ist ein Batteriemodul des Standes der Technik gezeigt. Das Batteriemodul 1 umfasst eine Mehrzahl von Batteriezellen 10, wobei die Batteriezellen 10 in einem Paket bzw. in einem Stapel angeordnet sind. In Figur 1 sind die Batteriezellen 10 hintereinander in einer ersten Richtung, hier der x-Richtung, angeordnet. Um bei einer Batterie, insbesondere einer

Lithium-Ionen-Batterie, eine bessere Effizienz über die Lebensdauer zu erreichen, muss Kraft auf die Batteriezellen aufgebracht werden. Dies wird in der Regel über eine Verspannung der Batteriezellen 10 zur Ausbildung eines Batteriemoduls 1 realisiert. Dazu weist das Batteriemodul 1 der Figur 1 neben einer Verspannungseinheit 30 Anpressplatten 20 auf, die an den freien Enden des Stapels aus Batteriezellen 10 angeordnet sind. Durch die Anpressplatten 20 wird der Druck durch die Verspannungseinheit 30 auf die Seitenflächen der äußeren Batteriezellen 10 verteilt.

Zum Druckaufbau, der Verspannung und/oder dem Zusammenfügen des Stapels aus Batteriezellen 10 und Anpressplatten 20 umgibt eine Verspannungseinheit 30 die Batteriezellen 10 und die Anpressplatten 20 und verspannt diese. Die Verspannungseinheit 30 hat die Funktion Kraft aufzubringen und zu übertragen. In dem Ausführungsbeispiel der Figur 1 ist die Verspannungseinheit 30 nicht-beschränkend durch ein Verspannband 31 und eine Kopplungseinheit 32 realisiert. Die Kopplungseinheit 32 verbindet exemplarisch zwei Enden des Verspannbandes 31 miteinander und beaufschlagt das Verspannband 31 mit einer Kraft. Die Kopplungseinheit 32 kann beispielhaft männliche und weibliche Bestandteile haben, die zur Kopplung ineinander greifen. Die Kopplungseinheit 32 kann auch ein Gewinde umfassen, beispielsweise ein Schneckengewinde nach Art einer Schneckengewindeschelle, mit der das Verspannband 31 verspannt wird. Die Verspannung kann aber auch auf andere Art und Weise erfolgen.

Die Anpressplatte 20 hat die Funktion, die Kraft gleichmäßig auf die äußere Seitenfläche der entsprechenden Batteriezelle 10 zu verteilen. In Figur 1 ist die Verwendung einer geraden Anpressplatte 20 gezeigt. Wenn, wie in Figur 1 gezeigt, die Batteriezellen 10 in x-Richtung hintereinander angeordnet sind, liegt eine erste Anpressplatte 20 an der Außenseite 1 1 der ersten Batteriezelle 10 des Stapels an, die nicht mit einer weiteren Batteriezelle 10 benachbart ist. Ebenso kann eine zweite Anpressplatte 20 auf der Außenseite 1 1 der letzten

Batteriezelle 10 des Stapels anliegen. Die Anpressplatte 20 erstreckt sich in Figur 1 in der y-z Ebene. Das Verspannband 31 läuft um die Batteriezellen 10 und die Anpressplatten 20 herum, in Figur 1 in einer x-y Ebene, bevorzugt auf halber Höhe der Batteriezellen 10. Das Verspannband 31 kann aber auch anders um die Batteriezellen 10 geführt werden, z. B. in der x-z Ebene, also über den Deckel und den Boden jeder Batteriezelle 10. In Figur 1 sind weitere Verbindungselemente gezeigt, die aber rein optional sind. So kann der Batteriezellenstapel in einen Rahmen 40 platziert werden, der Vorder- und Rückseite 41 sowie Verbindungsstücke 43 zwischen Vorder- und Rückseite aufweist. Zudem können zwischen je zwei Batteriezellen 10 weitere

Platten 42 angeordnet sein.

In der Ausgestaltung der Figur 1 hat die Verspannung durch das Verspannband 31 zusammen mit der Form der Anpressplatte 20 die Folge, dass die

Druckverteilung auf die Außenseiten 1 1 der ersten und letzen Batteriezelle 10 des Stapels inhomogen ist. Dies ist in Figur 2 gezeigt. Die dunklen Bereiche der Figur 2 zeigen die Bereiche höheren Drucks. An den Seiten der Anpressplatte 20 wird mehr Druck übertragen als in der Mitte. Dies ist besonders nachteilig, weil der Mittenbereich der Batteriezellen 10 der für eine Verformung empfänglichste ist. Es kann sich während des Betriebs im Mittenbereich einer Batteriezelle 10 ein Bauch bilden, dem durch die Anpressplatte 20 des Standes der Technik nur unzureichend entgegengewirkt wird.

Die Rippenstruktur der dargestellten Druckverteilung der Figur 2 ist auf die Verwendung eines Rahmens 40 mit entsprechenden Endflächen 41

zurückzuführen, wie sie in Figur 1 gezeigt sind. Bevorzugt liegt die Anpressplatte 20 direkt auf der Außenseite 1 1 der ersten und letzten Batteriezelle 10 des Stapels auf. Figur 3 zeigt eine erfindungsgemäße Anpressplatte 20, Figur 4 zusammen mit einer Batteriezelle 10 vor der Verspannung. Die Anpressplatte 20 ist vorgespannt und federnd ausgebildet. Mit anderen Worten, die Anpressplatte 20 weist einen Radius auf. Sie ist gewölbt ausgebildet. Sie liegt konvex an der Außenseite 1 1 der äußersten Batteriezelle 10 des Stapels an. Die Wölbung verläuft entlang der y-Achse der Figur 1 . Die Wölbung kann auch segmentweise ausgebildet sein, dass heißt, Teilsegmente der Anpressplatte 20 können einen unterschiedlichen Krümmungsradius aufweisen. In Figur 4 ist die Mittelachse 50 der Anpressplatte 20 durch den tiefsten Punkt der Anpressplatte 20, der eine Steigung von Null hat, parallel zur Ebene der Oberfläche der äußeren Batteriezelle 10 dargestellt. Mit anderen Worten, ein Krümmungsmittelpunkt der Anpressplatte 20 liegt bevorzugt genau auf der vertikalen Mittelachse 50 der Anpressplatte 20, kann aber auch leicht davon abweichen. Um die Federkraft weiter zu erhöhen, kann die

Anpressplatte 20 mit Sicken ausgeführt werden. Diese können in beliebiger Richtung ausgebildet sein.

Das heißt, ohne Verspannungseinheit 30 liegt ein Mittenbereich um die

Mittelachse 50 der Verspannungseinheit 30 entlang der z-Achse an der

Batteriezelle 10 an und der äußere Bereich der Anpressplatte 20 ist von der Oberfläche der Batteriezelle 10 beabstandet. Dies ist genau der Bereich, in dem sich die Batteriezelle 10 am stärksten ausdehnt. Die Anpressplatte 20 ist elastisch und weist eine Rückstellkraft auf, die vom Abstand zur Mittelachse 50 abhängt. Die Rückstellkraft wirkt entlang der Achse der Stapelung der

Batteriezellen 10, also entlang der ersten Achse bzw. ihr entgegengesetzt, je nachdem auf welcher Seite des Stapels die Anpressplatte 20 angeordnet ist. Wird die Verspannungseinheit 30 nun in der x-y-Ebene um die Batteriezellen 10 und die Anpressplatte 20 herum angeordnet, so werden die Seiten der

Anpressplatte 20 durch die Kraft des Verspannungseinheit 30 in Richtung der Batteriezellen 10 verformt und liegen dort schließlich an. Gleichzeitig, durch die Krümmung der Anpressplatte 20, liegt der Mittenbereich der Anpressplatte 20 entlang der z-Achse ebenso an der Außenseite 1 1 der Batteriezelle 10 an und übt einen Druck aus.

Es ist für den Fachmann ersichtlich, dass bei Führung des Verspannbandes 31 über die obere und untere Fläche der Batteriezellen 10, derart, dass die

Außenseite 1 1 der ersten Batteriezelle 10 in z-Richtung durchlaufen wird, die Krümmung der Anpressplatte 20 entsprechend um 90 Grad gedreht werden müsste, also die Krümmung entlang der z-Achse verlaufen müsste.

Mit anderen Worten steht der Krümmungsradius der Anpressplatte 20 senkrecht auf der Außenseite der äußeren Batteriezelle 10 sowie auf dem Verspannband 31 und verläuft in der Ebene oder parallel zu der Ebene des Verlaufes des

Verspannbandes 31 um die Batteriezelle 10. In Figur 1 verläuft das

Verspannband 31 in x-y-Ebene. Der Krümmungsradius verläuft ebenso in einer x-y-Ebene.

Figur 5 zeigt das Ergebnis einer Messung der verbesserten Druckverteilung mit der gekrümmten Anpressplatte der Figuren 3 und 4. Der dunkle Bereich, der einem Bereich hohen Drucks entspricht, in der Mitte der Anpressplatte ist auf die Krümmung der Anpressplatte 20 zurückzuführen. Die optimale Form der Anpressplatte 20 kann beispielsweise unter Verwendung der

Finite-Elemente-Methode berechnet werden, um eine möglichst gleichmäßige Kräfteverteilung zu realisieren. Die benötigte Kraft zur Verpressung der

Batteriezellen 10 und die Federkennlinie der Anpressplatte 20 sind dabei Parameter der Optimierung. Die Kraft kann zwischen 5000-10000 N betragen, bevorzugt liegt sie bei 7000 N.

Auf Grund der vorgekrümmten Form der Anpressplatte 20 kann die

Anpressplatte 20 wesentlich dünner bei gleicher Kraftübertragung als eine gerade Anpressplatte 20 ausgebildet sein. Eine Anpressplatte 20 des Standes der Technik aus z. B. Stahl oder Aluminium weist üblicherweise eine Dicke von 10 mm auf. Eine erfindungsgemäße Anpressplatte 20 aus gleichem Material benötigt zur Druckbeaufschlagung nur noch eine Dicke von 1 -6 mm, bevorzugt 1 ,5-4 mm, noch bevorzugter ca. 2 mm. Somit kann die Anpressplatte 20 dünner, leichter und kostengünstiger ausgebildet werden.