Titel

Batteriemodul mit mehreren Batteriezellen sowie Behälter zur Aufnahme einer Batteriezelle

Die vorliegende Erfindung betrifft ein Batteriemodul mit mehreren Batteriezellen und mehreren Behältern zur Aufnahme der Batteriezellen, wobei ein jeder Behälter einen Behälterboden, einen Behälterdeckel und zwischen dem Behälterboden und dem Behälterdeckel angeordnete und aus Kunststoff gebildete Behälterwände aufweist. Ferner betrifft die Erfindung einen Behälter zur Aufnahme einer Batteriezelle. Außerdem betrifft die Erfindung ein

Kraftfahrzeug mit einer Batterie, die mit einem Antriebsstrang des

Kraftfahrzeuges verbunden ist. Stand der Technik

Es zeichnet sich ab, dass in Zukunft sowohl bei stationären Anwendungen, wie beispielsweise bei Windkraftanlagen, in Fahrzeugen, wie beispielsweise bei Hybrid- und Elektrofahrzeugen, als auch im Consumer-Bereich, beispielsweise bei Laptops und Mobiltelefonen, vermehrt Batteriesysteme, insbesondere

Lithium-Ionen-Batteriesysteme, an die hohe Anforderungen bezüglich

Leistungsfähigkeit und Zuverlässigkeit gestellt werden, zum Einsatz kommen werden. Dabei müssen die Batteriesysteme, insbesondere die Lithium-Ionen

Batteriezellen, hinreichend gut gegenüber äußeren Einflüssen wie Luft oder Feuchtigkeit geschützt werden. Dies wird beispielsweise mit einem Hardcase- Gehäuse erreicht. Ein Hardcase-Gehäuse besteht typischerweise aus zwei Teilen, dem Gehäusegefäß (Can) und dem Zelldeckel (Cap Plate), die im Fertigungsprozess miteinander verschweißt werden. Eine andere Form von

Gehäuse stellt die sogenannte Coffee-Bag-Zelle dar, die ein Gehäuse aus Aluminium-Verbundfolie aufweist.

Aus der US 201 1/0097614 A1 ist ein Batteriesystem bekannt, das mehrere innerhalb eines Batteriemoduls angeordnete Batteriezellen mit Hardcase- Gehäuse umfasst.

Ferner ist zur Vermeidung von zu hohen Betriebstemperaturen und aufgrund der Sicherheit bei den Batteriesystemen eine hinreichend gute Kühlung der

Batteriezellen zu gewährleisten. Antriebsbatterien in Hybridfahrzeugen, Plug-in Hybridfahrzeugen und Elektrofahrzeugen werden üblicherweise modular aufgebaut. Hierbei werden aus mindestens zwei einzelnen Batteriezellen, die seriell oder parallel miteinander verschaltet werden, Batteriemodule gebildet. Mehrere Batteriemodule können zu sogenannten Subunits, das heißt größere Untereinheiten einer Batterie, zusammengefasst werden. Die Batteriemodule einer Untereinheit teilen sich beispielsweise eine gemeinsame Kühleinrichtung oder andere periphere Einrichtungen.

In dem aktuellen Stand der Technik wird die Kühlung in der Regel über

Kühlplatten realisiert, die der Grundfläche des Moduls entsprechen. Daher müssen für Batteriemodule mit unterschiedlichen Zellanzahlen und Zellgrößen unterschiedliche Kühlplatten entwickelt und gefertigt werden. Dies hat hohe Kosten zur Folge. Ferner ist die prozesssichere Anbindung einer Batteriezelle an die Kühlplatte oftmals relativ problematisch. So ist es durch die offene

Konstruktion zwischen Kühlplatte und Batteriemodul schwierig, einen pastösen Fugenfüller (Gap-filler) zu verwenden, da dieser unkontrolliert wandern kann, weshalb ein Wärme leitender Kontakt nicht sichergestellt werden kann. Zudem wird ein guter Kontakt zur Kühlplatte durch die Fertigungstoleranzen, die bei den Einzelteilen des Batteriemoduls beziehungsweise aufgrund des Modulaufbaus auftreten, erschwert oder verhindert.

Aus der US 201 1/0183178 A1 ist ein Batteriesystem bekannt, bei der ein Kühlrohr an einer Batteriezelle befestigt ist.

Ferner ist bei Batteriesystemen aufgrund der relativ hohen Betriebsspannung, die bei Hintereinanderschaltung von oft bis zu hundert oder mehr Batteriezellen auftritt, eine ausreichende elektrische Isolierung der Batteriezellen sicherzustellen. Dies wird aktuell durch Bekleben mit einer Isolationsfolie oder durch Lackieren oder einer Kombination aus beidem realisiert, wobei aber nicht abschließend nachgewiesen ist, dass diese Art der Isolation die Lebensdauer der Batteriezellen hinweg Vibrationen, Temperatur und Feuchtigkeit betriebssicher widersteht. So bieten Batteriezellen mit Hardcase-Gehäuse in der Regel keine Möglichkeit, die Isolation direkt im Batteriepack zu befestigen, wodurch ein weiteres Element, das diese Funktion übernimmt, bedingt wird.

Aus der US 2012/0021275 A1 ist eine prismatische Batteriezelle bekannt, die ein Hardcase-Gehäuse sowie eine darüber angeordnete Isolationshülse mit elastischen Teilen, die als Abstandhalter dienen, aufweist.

Ferner werden zum Zwecke einer Aufrechterhaltung der Leistungsfähigkeit der Batteriezellen oder zur Steigerung der Performance Maßnahmen getroffen, die eine Delaminierung der Batteriefolien („Jelly-Roll") im Betrieb verhindern. Dies wird beispielsweise erreicht, indem man eine äußere Kraft auf die Batteriezellen einwirken lässt, wobei diese Maßnahme im Stand der Technik auf Modulebene realisiert wird.

Aus der US 2012/0060361 A1 ist ein Batteriesystem bekannt, bei dem zur Aufrechterhaltung eines Anpressdruckes auf einen Elektrodenstapel eine Blattfeder und eine Anpressplatte innerhalb eines prismatischen

Batteriegehäuses angeordnet werden.

Offenbarung der Erfindung

Erfindungsgemäß wird ein Batteriemodul mit mehreren Batteriezellen und mehreren Behältern zur Aufnahme der Batteriezellen zur Verfügung gestellt, wobei ein jeder Behälter des Batteriemoduls einen Behälterboden, einen

Behälterdeckel und zwischen dem Behälterboden und dem Behälterdeckel angeordnete und aus Kunststoff gebildete Behälterwände aufweist. Dabei weist ein jeder Behälterboden eine Kühlplatte auf, die derart an den Behälterboden integriert ist, dass zwischen einer in dem jeweiligen Behälter angeordneten Batteriezelle und der Kühlplatte ein Wärme leitender Kontakt hergestellt werden kann. Nach einem Aspekt der Erfindung wird auch ein Behälter zur Aufnahme einer

Batteriezelle zur Verfügung gestellt, der einen Behälterboden, einen

Behälterdeckel und zwischen dem Behälterboden und dem Behälterdeckel

angeordnete und aus Kunststoff gebildete Behälterwände aufweist. Ferner weist der Behälterboden eine Kühlplatte auf, die derart an den Behälterboden integriert ist, dass zwischen der Batteriezelle und der Kühlplatte ein Wärme leitender

Kontakt hergestellt werden kann.

Ein Vorteil der Erfindung ist, dass mehr Funktionen auf eine tiefere Ebene verschoben werden können, und eine Steigerung der Modularität erreicht werden kann. Dies betrifft beispielsweise die Kühlplatte, die Befestigung der Batteriezelle und gegebenenfalls die Zellverspannung, und wird insbesondere durch die Verwendung der

erfindungsgemäßen Batteriezell-Behälter ermöglicht. Es wird somit ein verbessertes modulares Batteriemodul geschaffen, bei dem eine Integration der Kühlung und Isolation auf Zellebene erfolgt.

Durch die Verwendung einer dedizierten Kühlplatte pro Batteriezelle wird eine deutlich variablere Konstruktion des Batteriemoduls ermöglicht. Da die Kühlplatte direkt in den Behälter für eine Batteriezelle integriert wird, kann ferner die

thermische Anbindung der Batteriezelle an die Kühlplatte deutlich optimiert

werden. Es wird eine definierte Schnittstelle bereitgestellt, die die Kühlanbindung erleichtert. Die Wärme, die in dem Betrieb der Batteriezelle entsteht, kann

erfindungsgemäß effizient abgeführt werden. So wird die Wärme über die

Zellwandung nach unten zu der Kühlplatte abgeführt. Diese Kühlplatte verteilt die Wärme aufgrund der sehr guten Wärmeleitung nach außen.

Durch das erfindungsgemäße, robuste Design erfolgt gleichzeitig eine

Optimierung der Isolation der Batteriezelle. Indem die Isolation der Batteriezelle deutlich robuster ausgeführt wird, wird auch die Ausfallwahrscheinlichkeit des

Batteriepacks beziehungsweise Batteriemoduls deutlich verringert.

Vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung sind in den Unteransprüchen

angegeben und in der Beschreibung beschrieben. Gemäß einer besonders vorteilhaften Ausführungsform wird in jedem Behälter des Batteriemoduls genau eine Batteriezelle, beispielsweise eine Hardcase-Batteriezelle oder eine Coffe-Bag-Batteriezelle, angeordnet.

Ferner umfasst gemäß einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung der Behälterdeckel eine Kunststoffplatte, die ausgebildet ist, die in dem jeweiligen Behälter angeordnete Batteriezelle zu halten.

Ein Vorteil davon ist, dass die Konstruktion insgesamt noch stabiler ausgeführt werden kann.

Bevorzugt weist der Behälterdeckel eine Entgasungsdichtung, insbesondere eine an dem Behälterdeckel angespritzte Entgasungsdichtung oder eine Aufnahme für eine an der jeweiligen Batteriezelle integrierte Entgasungsdichtung auf.

Dadurch wird die Sicherheit des Batteriemoduls weiter erhöht, wobei gleichzeitig die erfindungsgemäße erhöhte Modularität gewährleistet bleibt.

Bevorzugt wird der Wärme leitende Kontakt mit Wärme leitendem Material gebildet, das in dem Behälter eingebracht ist und beispielsweise Wärmeleitpaste aufweist. Alternativ können, je nach Anwendungsfall, auch Wärmeleitklebstoffe und/oder ein Wärmeleitpad verwendet werden.

Dadurch kann die Kühlung der Batteriezelle noch weiter verbessert werden, und der Kontakt zur Kühlplatte wird weiter optimiert.

Die Kühlplatte wird bevorzugt aus einer Aluminiumplatte oder einem anderen gut verarbeitbaren und Wärme leitenden Material gebildet, wodurch die Wärme besonders gut abgeführt werden kann.

Gemäß einer bevorzugten Weiterbildung der Erfindung ist das Batteriemodul mit einem flüssigkeitsdurchströmten Bauteil zur Kühlung der Batteriezellen versehen.

Ferner wird bevorzugt, dass die Kühlplatte zumindest einen äußeren Bereich aufweist, an dem das flüssigkeitsdurchströmte Bauteil befestigt ist.

Dadurch wird das Batteriemodul mechanisch noch stabiler, und die Wärme wird besser abgeführt. Besonders bevorzugt werden dabei die Behälter längsseitig nebeneinander angeordnet, wobei das flüssigkeitsdurchströmte Bauteil bevorzugt stirnseitig an den Behältern entlanggeführt angeordnet ist.

Nach einer weiteren noch bevorzugten Ausführungsform der Erfindung sind die erfindungsgemäßen Batteriezell-Behälter jeweils mit einer insbesondere an der jeweiligen Kühlplatte geformten und zur Befestigung des Batteriemoduls an einer Halterung dienenden Schrägung ausgebildet.

Hierdurch wird besonders vorteilhaft eine Schnittstelle zur Montage der Zelle in den Batteriepack bereitgestellt.

Nach einer Weiterbildung der Erfindung sind die Behälter dazu geformt,

Verspannungsmittel zum Verspannen der Batteriezellen aufzunehmen oder halten.

Die Verspannungsmittel können zellweise in den Behältern angeordnet sein, wobei in den Behältern jeweils Mittel zum Verspannen der darin angeordneten Batteriezelle vorhanden sind. Beispielsweise werden in jedem Behälter gebogene metallische Federn und/oder zum Stützen von Verspannungskräften angeordnete Klammern angeordnet.

Dadurch kann besonders vorteilhaft die Zellverpressung bei den einzelnen Batteriezellen integriert werden.

Alternativ oder zusätzlich können die Verspannungsmittel auch modulweise und zumindest teilweise außerhalb der Behälter angeordnet sein und Mittel zum modulweisen Verspannen einer Mehrzahl von Batteriezellen umfassen. So kann die modulweise Verspannung insbesondere Mittel wie Anpressplatten und/oder mittels an den Behältern ausgebildeten Führungen geführte Spannbänder umfassen. Dabei werden die Spannbänder mit den Anpressplatten

beispielsweise mittels Laserschweißen verbunden werden. Bei diesem Ausführungsbeispiel kann somit die Variabilität des Aufbaus eines Batteriemoduls weiter gesteigert werden und die Austauschbarkeit einzelner Zellen gewährleistet werden. Bevorzugt weist das erfindungsgemäße Batteriemodul eine

Lithium-Ionen-Batteriezelle auf.

Das erfindungsgemäße Batteriemodul kann insbesondere mit Vorteil in einem Kraftfahrzeug, insbesondere einem Elektrofahrzeug oder Hybridfahrzeug, eingesetzt werden.

Zeichnungen

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

Figur 1 eine Explosionsdarstellung eines Behälters zur Aufnahme einer Batteriezelle sowie die in dem Behälter zu platzierende Batteriezelle nach einer Ausführungsform der Erfindung,

Figur 2 den Behälter nach der in der Figur 1 gezeigten Ausführungsform der Erfindung im zusammengebauten Zustand,

Figur 3 ein Batteriemodul, das aus mehreren der in Figur 1 und 2 gezeigten Behälter und Batteriezellen gebildet wird, nach einer Ausführungsform der

Erfindung,

Figur 4 ein Batteriemodul, das aus mehreren der in Figur 1 und 2 gezeigten Behälter und Batteriezellen gebildet wird, im zusammengebauten Zustand nach einer Ausführungsform der Erfindung,

Figur 5 eine Explosionsdarstellung eines Behälters zur Aufnahme einer Batteriezelle sowie der in dem Behälter zu platzierende Batteriezelle nach einer weiteren Ausführungsform der Erfindung, und Figur 6 ein Batteriemodul, das aus mehreren der in Figur 5 gezeigten Behälter und Batteriezellen gebildet wird, nach einer Ausführungsform der Erfindung,

Ausführungsformen der Erfindung

In der folgenden ausführlichen Beschreibung und in den Figuren werden gleiche oder ähnliche Komponenten durchgängig mit dem gleichen Bezugszeichen bezeichnet.

In der Figur 1 wird eine Explosionsdarstellung eines erfindungsgemäßen Behälters 10 zur Aufnahme einer Batteriezelle 11 zusammen mit der in dem Behälter 10 zu platzierenden Batteriezelle 11 nach einer Ausführungsform der Erfindung gezeigt.

Dabei bildet der in Figur 1 gezeigte Behälter 10 einen Unteraufbau des erfindungsgemäßen Batteriemoduls und weist einen Behälterdeckel 13 sowie als Kunststoffbox 23 gebildete Behälterwände 12 auf. Ferner weist der Behälter 11 einen Behälterboden 14 auf, der eine Kühlplatte 24, hier eine Aluminiumplatte, umfasst. Wie in der Figur 1 gezeigt, wird eine einzelne Batteriezelle 1 1 in die Kunststoffbox 23 eingesetzt, wobei am Behälterboden 14 die Kühlplatte 24 integriert ist.

Um den Wärmeübergang zwischen der Batteriezelle 1 1 und der Kühlplatte 24 (Aluminiumplatte) zu optimieren, kann vor dem Einsetzen der Batteriezelle 1 1 Wärmeleitpaste (nicht explizit dargestellt) in die Kunststoffbox 23 eingebracht werden.

Die Kunststoffbox 23 wird an der oberen Seite durch eine als Behälterdeckel 13 fungierende Kunststoffplatte 25 verschlossen, durch welche die Batteriezelle 11 gehalten, das heißt, in dem Behälter 10 fixiert wird. Dies geschieht bevorzugt mittels an der Kunststoffplatte 25 vorhandenen Ausnehmungen 16 für die Terminals 17 der Batteriezelle.

In dieser Kunststoffplatte 25 kann eine Aufnahme 15 der Entgasungsdichtung 18 der Batteriezelle 11 integriert werden oder direkt eine Entgasungsdichtung angespritzt werden. Ferner wird mit dem Bezugszeichen 21 die Stirnseite des erfindungsgemäßen Behälters 1 1 bezeichnet, und mit dem Bezugszeichen 20 wird die Längsseite bezeichnet.

Ferner weist die Kühlplatte 24 eine Ausnehmung oder Schrägung 22 auf, die als Befestigungsstelle für eine Halterung (nicht gezeigt) dienen kann.

In der Figur 2 wird der Behälter 10 der in Figur 1 gezeigten Ausführungsform im zusammengebauten Zustand gezeigt.

Der in Figur 1 und Figur 2 gezeigte Unteraufbau stellt die Basis für den erfindungsgemäßen Modulaufbau dar. In der Figur 3 wird ein Batteriemodul 30 nach einer Ausführungsform der

Erfindung gezeigt, das aus mehreren der in Figur 1 beziehungsweise Figur 2 gezeigten Behälter 10 und Batteriezellen 11 gebildet ist. Figur 3 stellt den Modulaufbau dar, der aus den in den Figuren 1 und 2 gezeigten

Unterbaugruppen gebildet wird.

Bei dem in Figur 3 gezeigten Batteriemodul 30 wird die Verspannung der Batteriezellen 1 1 nicht direkt auf der Unterbaugruppenebene, sondern stattdessen auf Modulebene realisiert. Hierfür werden auf der großen Fläche der Batteriezelle 11 , oder genauer gesagt, längsseitig des ersten und des letzten Behälters 10 des Batteriemoduls 30, Anpressplatten 32 verwendet. Seitlich werden Spannbänder 31 benutzt, die somit stirnseitig der Behälter 10 durch in dem Kunststoffgehäuse 23 vorhandenen Führungen positioniert werden.

Die Anpressplatten 32 werden mit den Spannbändern 31 beispielsweise durch Laserschweißen verbunden.

Ferner wird auf einen äußeren Bereich der Kühlplatte 24 ein

flüssigkeitsdurchströmtes Bauteil 33 befestigt. Dieses Bauteil 33 wird bevorzugt durch Stoffschluss mit der Kühlplatte 24 verbunden, was beispielhaft wiederum durch Laserschweißen passieren kann. Jedoch ist alternativ auch ein

Kraftschluss denkbar, der insbesondere durch Verschrauben des Bauteils 33 auf die Kühlplatte 24 oder durch Aufstecken des Bauteils 33 realisiert werden kann. Ferner ist es auch möglich, das Bauteil 33 mittels Kleben mit einem

wärmeleitfähigen Kleber oder mittels einer anderen geeigneten Befestigungsart zu befestigen. Das Bauteil 33 kann beispielsweise durch einen

Extrusionsprozess hergestellt werden.

Wie in den Figuren ferner gezeigt ist, bieten die Unterbaugruppen

beziehungsweise die Behälter 10 oder deren Behälterböden 14 seitlich eine Schräge, die zur Befestigung des Batteriemoduls 30 verwendet werden kann. Dies kann beispielsweise durch Klemmen geschehen.

In der Figur 4 wird das Batteriemodul 30 nach der in Figur 3 gezeigten

Ausführungsform im zusammengebauten Zustand gezeigt. In der Figur 5 wird eine Explosionsdarstellung eines Behälters 10 zur Aufnahme einer Batteriezelle 1 1 sowie eine in dem Behälter 10 zu platzierende Batteriezelle 1 1 nach einer anderen Ausführungsform der Erfindung gezeigt.

Bei der in Figur 5 gezeigten Ausführungsform wird ein alternativer

Unterzusammenbau realisiert, bei dem die Zellverspannung zellweise integriert ist. Hierzu werden in die Kunststoffbox 23 metallische gebogene Federn 51 als Anpressplatten eingesetzt. Die Kräfte werden durch Klammern 52 an den Seiten abgestützt. Somit wird die Funktion der Zellverspannung auf eine tiefere Ebene

beziehungsweise auf Zellebene geschoben, wodurch eine Gesamtverspannung des Batteriemoduls 30, wie es beispielsweise in Figur 4 gezeigt wird, nicht mehr nötig ist. Ferner wird in der Figur 6 ein Batteriemodul 60 nach einer Ausführungsform der

Erfindung gezeigt, das aus mehreren der in Figur 5 gezeigten Behälter 10 und Batteriezellen 11 gebildet ist. Figur 6 stellt somit den Modulaufbau dar, der aus Unterbaugruppen, wie dem in Figur 5 gezeigten Behälter 10, gebildet wird.