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Stand der Technik
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Batteriezellen können zu Batteriemodulen verbunden werden, um mehr Energie bereitstellen zu können. Mehrere Batteriemodule können ferner zu Batterypacks, auch als Batteriesysteme bezeichnet, verbunden werden. Die Batteriezellen können beispielsweise im Betrieb ihre Abmessungen durch Ausdehnen und Zusammenziehen verändern.
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Um die Lebensdauer der Batteriezellen zu erhöhen, werden die Batteriezellen in den einzelnen Batteriemodulen zusammengepresst bzw. zusammengespannt. Dies geschieht in der Regel mit Hilfe von Stahlplatten, die beispielsweise miteinander verschweißt sind.
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Offenbarung der Erfindung
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Es kann ein Bedarf an einem verbesserten Batteriemodul und einem verbesserten Herstellungsverfahren für ein entsprechendes Batteriemodul bestehen, die insbesondere eine Gewichtsreduzierung des Batteriemoduls ermöglichen.
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Dieser Bedarf kann durch den Gegenstand der vorliegenden Erfindung gemäß den unabhängigen Ansprüchen gedeckt werden. Vorteilhafte Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung sind in den abhängigen Ansprüchen beschrieben.
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Im Folgenden werden Merkmale, Einzelheiten und mögliche Vorteile einer Vorrichtung gemäß Ausführungsformen der Erfindung im Detail diskutiert.
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Gemäß einem ersten Aspekt der Erfindung wird ein Batteriemodul vorgestellt. Das Batteriemodul weist mindestens zwei Batteriezellen und ein Verspannelement zum Verspannen der Batteriezellen gegeneinander auf. Das Verspannelement weist dabei ein textiles Material auf.
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Anders ausgedrückt basiert die Idee der vorliegenden Erfindung darauf, die Stahlplatten bzw. metallischen Verspannungen eines üblichen Batteriemoduls teilweise oder komplett durch eine Textile, das heißt durch ein gewebtes flexibles oder geflochtenes Material zu ersetzen. Hierdurch kann das Gesamtgewicht des Batteriemoduls reduziert werden. Ferner können hierdurch gegebenenfalls Kosten eingespart werden. Ein weiterer Vorteil der aus der Verwendung von textilem Material zur Verspannung von Batteriezellen resultiert, ist eine effizientere und sicherere Verspannung der Batteriezellen gegeneinander über die gesamte Lebensdauer des Batteriemoduls.
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Das Batteriemodul kann beispielsweise in Hybrid- oder in Elektrofahrzeugen verwendet werden. Ferner kann ein erfindungsgemäßes Batteriemodul beispielsweise an Gebäuden zum Beispiel in Zusammenhang mit Solarzellen verwendet werden.
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Ein Batteriemodul weist mehrere Batteriezellen auf. Mindestens weist ein Batteriemodul zwei Batteriezellen auf. Insbesondere kann ein Batteriemodul zwischen fünf und 13 Batteriezellen aufweisen. Die Batteriezellen können beispielsweise als Lithiumionenbatteriezellen ausgeführt sein. Ferner können die Batteriezellen zum Beispiel als Bleiakkus, als Nickelwasserstoff- oder Nickeleisenakkus, als Lithiummangan-, Lithiumtitan- oder Lithiumschwefelakkus ausgeführt sein.
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Ein Verspannelement verspannt die Batteriezellen gegeneinander. Das heißt, das Verspannelement ist an den Batteriezellen derart angeordnet, dass es einen Druck auf die Batteriezellen ausübt, so dass die Batteriezellen zusammen bzw. gegeneinander gedrückt werden. Das Verspannelement weist ein textiles Material auf. Das heißt, das Verspannelement kann komplett aus dem textilen Material bestehen oder Bereiche aus textilem Material aufweisen. Dabei ist es möglich, beispielsweise das Verspannelement als vollständig umlaufendes Band, das heißt als Endlosband auszuführen. Alternativ können Stahlplatten zum Verspannen der Batteriezellen mit textilem Material kombiniert werden. Dabei können beispielsweise die Endplatten des Batteriemoduls weiterhin aus metallischem Material gestaltet werden und seitlich mit dem textilen Material verbunden werden. Die Verbindung kann dabei beispielsweise durch Schweißen, Löten oder Verkleben hergestellt werden.
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Das textile Material ist dabei zum Beispiel ein Gewebe bzw. ein Verbund von Fasern. Das textile Material ist dabei flexibel und elastisch ausgeführt. Beispielsweise kann das textile Material als Glasfasergewebe, als Gewebe aus Kohlefasern, als Metallnetz, als Gewebe aus Kunststoff-Fasern (z.B. Kevlar®) oder als Gewebe aus natürlichen Rohstoffen ausgeführt sein.
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Gemäß einem Ausführungsbeispiel der Erfindung weist das textile Material einen negativen Wärmeausdehnungskoeffizienten auf. Anders ausgedrückt zieht sich das textile Material bei einem Temperaturanstieg zusammen. Hierdurch steigt die Spannung auf die Batteriezellen. Wird das Batteriemodul im Betrieb erwärmt, so werden die Batteriezellen umso stärker gegeneinander gedrückt. Dies kann sich positiv auf die Lebensdauer des Batteriemoduls auswirken.
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Gemäß einem weiteren Ausführungsbeispiel der Erfindung weist das textile Material einen ersten Kunststoff auf. Dabei kann das textile Material komplett aus dem ersten Kunststoff bestehen. Alternativ kann das textile Material neben dem ersten Kunststoff weitere Materialien aufweisen. Der erste Kunststoff kann dabei organische Polymerfasern aufweisen. Beispielsweise kann der erste Kunststoff Kevlar® sein.
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Gemäß einem weiteren Ausführungsbeispiel der Erfindung ist der erste Kunststoff kohlefaserverstärkt. Anders ausgedrückt ist der erste Kunststoff als carbonfaserverstärkter Kunststoff (CFK) ausgeführt. Ein kohlefaserverstärkter Kunststoff kann dabei die optimale Elastizität und Spannkraft zum Verspannen der Batteriezellen aufweisen. Ferner weist der kohlefaserverstärkte Kunststoff einen negativen Wärmeausdehnungskoeffizienten auf. Der Wärmeausdehnungskoeffizient des kohlefaserverstärkten Kunststoffs kann dabei anisotrop, das heißt richtungsabhängig sein. Das textile Material kann dabei derart mit dem kohlefaserverstärkten Kunststoff versehen sein, dass das Verspannelement sich bei Erwärmung zusammenzieht, so dass der Umfang des Verspannelements reduziert wird.
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Gemäß einem weiteren Ausführungsbeispiel der Erfindung weist das textile Material Zirkoniumwolframat auf. Das Zirkoniumwolframat kann dabei zusätzlich oder alternativ zum ersten Kunststoff vorgesehen sein. Beispielsweise kann das textile Material komplett aus Zirkoniumwolframat bestehen. Zirkoniumwolframat kann durch die folgende chemische Formel beschrieben werden: Zr(WO4)2. Zirkoniumwolframat weist dabei ebenfalls einen negativen Wärmeausdehnungskoeffizienten auf. Dieses Phänomen kann auch als Dichteanomalie bezeichnet werden.
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Gemäß einem weiteren Ausführungsbeispiel der Erfindung ist das Verspannelement als Ringband ausgeführt. Anders ausgedrückt ist das Verspannelement als Endlosband bzw. als vollständig um die Batteriezellen umlaufendes Band ausgeführt. Damit umspannt das Verspannelement die Batteriezellen umfänglich. Beispielsweise können die Batteriezellen zunächst zusammengedrückt werden und anschließend das Verspannelement auf die Batteriezellen gestülpt werden.
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Gemäß einem weiteren Ausführungsbeispiel der Erfindung weist das Verspannelement einen ersten Endbereich und einen zweiten Endbereich auf. Das Verspannelement kann dabei zum Beispiel vollständig aus textilem Material hergestellt sein. Sowohl der erste als auch der zweite Endbereich weisen ein schweißbares Material auf. Dabei ist der erste Endbereich mit dem zweiten Endbereich verschweißt. Alternativ kann der erste Endbereich mit dem zweiten Endbereich verlötet, verklebt oder anderweitig stoffschlüssig verbunden werden. Dabei kann das Verspannelement, als Alternative zum Endlosband, als Band mit zwei Enden ausgeführt sein. Die Enden sind dabei beispielsweise mit dem verschweißbaren Material umgossen. Bei der Herstellung des Batteriemoduls können die Batteriezellen gegeneinander gedrückt werden und das Verspannelement um die Batteriezellen gewickelt werden. Anschließend kann der erste Endbereich mit dem zweiten Endbereich stoffschlüssig beispielsweise durch Verschweißen verbunden werden.
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Gemäß einem weiteren Ausführungsbeispiel der Erfindung ist das schweißbare Material ein Metall oder ein zweiter Kunststoff. Dabei können die schweißbaren Materialen im ersten und im zweiten Bereich gleich sein oder sich voneinander unterscheiden. Beispielsweise kann ein Metall sowohl im ersten als auch im zweiten Endbereich vorgesehen sein. Alternativ kann ein zweiter Kunststoff sowohl im ersten als auch im zweiten Endbereich des Verspannelements vorgesehen sein. Alternativ kann im ersten Endbereich Kunststoff und im zweiten Endbereich Metall oder umgekehrt vorgesehen sein. Der zweite Kunststoff kann dabei dem ersten Kunststoff entsprechen oder sich vom ersten Kunststoff unterscheiden.
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Gemäß einem zweiten Aspekt der Erfindung wird ein Verfahren zur Herstellung eines oben beschriebenen Batteriemoduls vorgestellt. Das Verfahren weist die folgenden Schritte auf: Bereitstellen von mindestens zwei Batteriezellen; Verspannen der Batteriezellen mittels eines Verspannelements gegeneinander. Dabei wird zum Verspannen der Batteriezellen ein Verspannelement verwendet, welches ein textiles Material aufweist.
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Das Verfahren kann dabei weitere Schritte aufweisen. Beispielsweise können zunächst die Batteriezellen gegeneinander gespannt bzw. gedrückt werden und anschließend ein als Endlosband ausgeführtes Verspannelement darübergestülpt werden. Alternativ können die Batteriezellen gegeneinander gespannt werden und anschließend ein als Band mit losen Enden ausgeführtes Verspannelement um die Batterien gewickelt werden. Ferner können anschließend die losen Enden des Verspannelements stoffschlüssig miteinander zum Beispiel durch Schweißen verbunden werden. Die Reihenfolge der Schritte kann gegebenenfalls variiert werden.
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Weitere Merkmale und Vorteile der vorliegenden Erfindung werden dem Fachmann aus der nachfolgenden Beschreibung beispielhafter Ausführungsformen, die jedoch nicht als die Erfindung beschränkend auszulegen sind, unter Bezugnahme auf die beigelegten Zeichnungen ersichtlich.
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1 zeigt eine perspektivische Ansicht eines Batteriemoduls gemäß einem Ausführungsbeispiel der Erfindung
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2 zeigt eine perspektivische Ansicht eines Batteriemoduls gemäß einem weiteren Ausführungsbeispiel der Erfindung
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3 zeigt eine perspektivische Ansicht eines Batteriesystems gemäß einem Ausführungsbeispiel der Erfindung
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Alle Figuren sind lediglich schematische Darstellungen erfindungsgemäßer Vorrichtungen bzw. ihrer Bestandteile gemäß Ausführungsbeispielen der Erfindung. Insbesondere Abstände und Größenrelationen sind in den Figuren nicht maßstabsgetreu wiedergegeben. In den verschiedenen Figuren sind sich entsprechende Elemente mit den gleichen Referenznummern versehen.
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In 1 ist schematisch eine perspektivische Ansicht eines Batteriemoduls 1 dargestellt. Das Batteriemodul 1 weist dabei sechs einzelne Batteriezellen 3 auf. Die Batteriezellen sind als Lithiumionenbatteriezellen ausgeführt. Die Batteriezellen 3 werden durch ein Verspannelement 5 gegeneinander gedrückt. Das Verspannelement 5 weist dabei, wie im Ausführungsbeispiel in 1 gezeigt, Bereiche mit einem textilen Material 7 auf. Das textile Material 7 ist dabei beispielsweise kohlefaserverstärkter Kunststoff oder Zirkoniumwolframat.
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Im Vergleich zu bekannten Batteriemodulen sind im Ausführungsbeispiel 1 Seitenklappen eines metallischen Verspannelements durch das textile Material 7 ersetzt. Die Batteriezellen werden dabei an zwei gegenüberliegenden Seiten durch Endplatten 13 begrenzt und gegeneinander gepresst. Die Endplatten können dabei beispielsweise ein metallisches Material wie zum Beispiel Stahl oder auch Kunststoff aufweisen. An den Seiten ist das Verspannelement 5 aus einem textilen Material 7 gestaltet. Das textile Material 7 ist dabei als Band mit einem ersten Endbereich 9 und einem zweiten Endbereich 11 ausgeführt. Der erste Endbereich 9 und der zweite Endbereich 11 weisen ein verschweißbares Material auf. Beispielsweise sind der erste Endbereich 9 und der zweite Endbereich 11 mit einem Metall ummantelt. Der erste Endbereich 9 und der zweite Endbereich 11 sind dabei stoffschlüssig mit der Endplatte 13, beispielsweise durch Verschweißen, verbunden.
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In einem in den Figuren nicht gezeigten Ausführungsbeispiel kann das textile Material 7 als längeres Band ausgeführt sein, welches die Endplatten 13 komplett ersetzt. Das heißt, das textile Material 7 kann einmal oder mehrmals um die Batteriezellen 3 gewickelt sein und anschließend an den Endbereichen 9, 11 miteinander stoffschlüssig verbunden sein.
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In 2 ist ein weiteres alternatives Ausführungsbeispiel des Batteriemoduls 1 dargestellt. Im Gegensatz zum vorher beschriebenen Ausführungsbeispiel ist das Verspannelement 5 und insbesondere das textile Material 7 des Verspannelements 5 als geschlossenes Band bzw. Endlosband ausgeführt. Bei der Herstellung des Batteriemoduls 1 gemäß Ausführungsbeispiel in 2 können die einzelnen Batteriezellen 3 zunächst zusammengepresst werden und anschließend das Verspannelement 5 über die Batteriezellen 3 gestülpt werden.
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In 3 ist schematisch eine perspektivische Ansicht eines Batteriesystems 15 dargestellt. Dabei sind mehrere einzelne Batteriemodule 1 in dem Gehäuse des Batteriesystems 15 angeordnet. Beispielsweise können ca. 20 einzelne Batteriemodule 1 zu einem Batteriesystem 15 zusammengefügt sein.
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Abschließend wird angemerkt, dass Ausdrücke wie „aufweisend“ oder ähnliche nicht ausschließen sollen, dass weitere Elemente oder Schritte vorgesehen sein können. Des Weiteren sei darauf hingewiesen, dass „eine“ oder „ein“ keine Vielzahl ausschließen. Außerdem können in Verbindung mit den verschiedenen Ausführungsformen beschriebene Merkmale beliebig miteinander kombiniert werden. Es wird ferner angemerkt, dass die Bezugszeichen in den Ansprüchen nicht als den Umfang der Ansprüche beschränkend ausgelegt werden sollen.
