DE102016225175A1 - Umhüllung für ein Batteriemodul - Google Patents

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Abstract

Es wird ein Batteriemodul (100), umfassend zumindest ein Batteriezellsystem (1) mit zumindest zwei Batteriezellen (11), insbesondere Pouchzellen (10), beschrieben, wobei das Batteriemodul (100) eine bewegungsflexible Umhüllung (20) aufweist, welche eine hermetische Feuchtigkeitsbarriere darstellt, die das gesamte Batteriezellsystem (1) sowie den Spannungsabgriff (22) des Batteriemoduls (100) umhüllt, wobei die einzelnen Batteriezellen (11) eine feuchtigkeitsdurchlässige Verpackung, insbesondere eine feuchtigkeitsdurchlässige Pouchfolie (3), aufweisen.

Description

  • Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf ein Batteriemodul umfassend zumindest ein Batteriezellsystem mit zumindest zwei Batteriezellen, ein Verfahren zur Herstellung desselben und auf eine Batterie sowie deren Verwendung, nach dem Oberbegriff der unabhängigen Ansprüche.
  • Stand der Technik
  • Eine Batterie ist ein elektrochemischer Energiespeicher, der bei seiner Entladung die gespeicherte chemische Energie durch eine elektrochemische Reaktion in elektrische Energie umwandelt. Es zeichnet sich ab, dass in der Zukunft sowohl bei stationären Anwendungen, wie Windkraftanlagen, in Kraftfahrzeugen, die als Hybrid- oder Elektrokraftfahrzeuge ausgelegt sind, wie auch bei Elektronikgeräten neue Batteriesysteme zum Einsatz kommen werden, an die sehr hohe Anforderungen bzgl. Zuverlässigkeit, Sicherheit, Leistungsfähigkeit und Lebensdauer gestellt werden. Aufgrund ihrer großen Energiedichte werden insbesondere Lithium-Ionen-Batterien als Energiespeicher für elektrisch angetriebene Kraftfahrzeuge verwendet.
  • Batterien, insbesondere Lithiumionen-Batterien, mit wenigstens einem Batteriemodul oder eine Mehrzahl an Batteriemodulen umfassend, sind aus dem Stand der Technik bereits bekannt. Ein Batteriemodul weist beispielsweise eine Mehrzahl an Batteriezellen auf, welche miteinander zu deinem Batteriemodul zusammengefügt und elektrisch miteinander verschaltet sind. Hierbei kann die elektrische Verschaltung parallel oder seriell erfolgen.
  • Die US 2013/0273413 offenbart eine Batterie mit einer Vielzahl an Zellen, welche auf einer Platte angeordnet sind. Im betriebsfertigen Zustand nimmt die Batterie eine asymmetrische Form an, wodurch verfügbarer Raum innerhalb eines tragbaren elektronischen Gerätes genutzt werden kann.
  • Die WO 2014/038891 weist eine Sekundärbatterie mit einer Vielzahl von Elektrodenensembles auf, welche in Einbuchtungen einer zusammenhängenden Umhüllung eingebracht sind. Die Umhüllung wird dann jeweils zwischen den Elektrodenensembles abgetrennt, sodass die Elektrodenensembles in deren Einbuchtungen getrennt voneinander vorliegen.
  • Die US 020100136405 A1 offenbart ein Batteriemodul mit Rundzellen, welches eine Ummantelung aufweist, die einen Umriss der Batteriezellen bedeckt und elektrisch isoliert. Die Ummantelung kann auch direkt die Batteriezellen umschließen um Kontaminationen zu verhindern. Hierbei ist jede Batteriezelle von einem separaten feuchtigkeitsdichten Gehäuse umgeben.
  • Offenbarung der Erfindung
  • Erfindungsgemäß wird ein Batteriemodul, umfassend zumindest ein Batteriezellsystem mit zumindest zwei Batteriezellen, insbesondere Pouchzellen, ein Verfahren zur Herstellung desselben und eine Batterie, insbesondere eine Lithiumionen-Batterie, sowie deren Verwendung, mit den kennzeichnenden Merkmalen der unabhängigen Ansprüche bereitgestellt.
  • Unter dem Begriff Umhüllung ist im Rahmen dieser Erfindung eine bewegungsflexible Folie zu verstehen, welche eine hermetische Feuchtigkeitsbarriere darstellt. Die Umhüllung umfasst beispielsweise Aluminium, Stahl, ein Polyphenylensulfid, ein Polynorbornen und/oder ein Flüssigkristallpolymer.
  • In einer Ausführungsform ist die Umhüllung eine Verbundfolie.
  • Unter einer feuchtigkeitsdurchlässigen Verpackung ist im Rahmen dieser Erfindung eine elektrolytundurchlässige Verpackung zu verstehen, welche für Feuchtigkeit durchlässig ist. Eine solche Verpackung ist beispielsweise ein Gehäuse aus Kunststoff, insbesondere aus Polyamid, Polypropylen, Polyehtylenterephthalat und/oder Polypropylen.
  • Unter dem Begriff einer feuchtigkeitsdurchlässigen Pouchfolie ist im Rahmen dieser Erfindung eine flexible Folie, insbesondere eine Verbundfolie, zu verstehen, welche elektrolytundurchlässig ist. Die Pouchfolie umfasst beispielsweise einen Verbund aus Polyamid, Polypropylen, Polyehtylenterephthalat und/oder Polypropylen.
  • Die feuchtigkeitsdurchlässige Pouchfolie umfasst beispielsweise anstatt einer herkömmlichen Pouchfolie aus Laminat und Aluminium ein Laminat ohne Aluminium, insbesondere ohne Metall.
  • Unter dem Begriff Batteriezellsystem ist eine Mehrzahl von Batteriezellen zu verstehen, welche zusammen ein Batteriemodul bilden können. Die kleinste Einheit eines erfindungsgemäßen Batteriemoduls bilden zwei Batteriezellen.
  • Unter dem Begriff Batteriemodul ist in der vorliegenden Erfindung eine Einheit zu verstehen, welche zumindest ein Batteriezellsystem umfasst.
  • Unter dem Begriff Spannungsabgriff eines Batteriemoduls sind in der vorliegenden Erfindung Bauteile bzw. Niederstromleitungen zu verstehen, die eine elektrische Verbindung zwischen dem Zellüberwachungssystem (CSC Cell Supervising Circuit) und einer Anoden- und/oder Kathodenkontaktfahne bzw. einem Zellverbinder, welcher eine Anodenkontaktfahne und eine Kathodenkontaktfahne kontaktiert, darstellen. Der Spannungsabgriff umfasst hierbei Niederstromtabs und/oder Ausgleichsleitungen für das Balancing, sogenannte Balancing lines, welche das Zellüberwachungssystem CSC elektrisch kontaktieren.
  • Das Zellüberwachungssystem CSC übernimmt die Zellüberwachung in Bezug auf die Zellspannung und -temperatur sowie den Ladungsausgleich zwischen den einzelnen Batteriezellen. Weiterhin kommuniziert das CSC mit übergeordneten Kontrolleinheiten. Das CSC ist in einer besonders vorteilhaften Ausführungsform innerhalb der Umhüllung angeordnet.
  • Unter dem Begriff Zellverbinder sind in der vorliegenden Erfindung Bauteile zu verstehen, welche Anodenkontaktfahnen und/oder Kathodenkontaktfahnen des/der Batteriesysteme elektrisch kontaktieren. Diese Zellverbinder sind beispielsweise flexibel und biegbar sein, sodass zwei Batteriezellen unterschiedlicher Batteriezellsysteme oder Batteriezellen zweier verschiedener Batteriemodule miteinander verbunden werden können. In der vorliegenden Erfindung werden Zellverbinder, welche zwei Batteriemodule elektrisch miteinander verbinden Modulverbinder genannt. Auch die Zellverbinder und Modulverbinder sind beispielsweise innerhalb der Umhüllung angeordnet. Wenn in der vorliegenden Erfindung beispielsweise Zellverbinder und/oder Modulverbinder innerhalb der Umhüllung mit den Kontaktfahnen der Batteriezellen verbunden sind, im weiteren Verlauf aber durch die Umhüllung auf eine Außenseite reichen, so wird darunter verstanden, dass diese Bauteile von der Umhüllung umhüllt sind, weil deren elektrischer Anbindungsbereich mit dem Batteriezellsystem innerhalb der Umhüllung liegt.
  • Unter dem Begriff Batterie ist in der vorliegenden Erfindung eine Einheit zu verstehen, welche ein oder mehrere Batteriemodule umfasst.
  • Erfindungsgemäß ist ein Batteriemodul offenbart, welches zumindest ein Batteriezellsystem, insbesondere eine Lithiumionen-Batteriezellsystem, mit zumindest zwei Batteriezellen, insbesondere Pouchzellen, umfasst. Das Batteriemodul weist eine bewegungsflexible Umhüllung auf, welche eine hermetische Barriere für Feuchtigkeit darstellt. Die Umhüllung umhüllt das gesamte Batteriezellsystem sowie den Spannungsabgriff des Batteriemoduls. Hierbei weisen die einzelnen Batteriezellen eine feuchtigkeitsdurchlässige Verpackung, insbesondere eine feuchtigkeitsdurchlässige Pouchfolie, auf. Vorteilhaft hierbei ist, dass durch die Umhüllung, welche das gesamte Batteriezellsystem und den Spannungsabgriff umhüllt, viel weniger Umhüllung in Summe benötigt wird, im Vergleich zu herkömmlichen Batteriezellsystemen, bei welchen jede einzelne Batteriezelle von einer feuchtigkeitsdichten Verpackung oder Folie umhüllt ist. Dadurch, dass in Summe deutlich weniger Umhüllung benötigt wird, sind auch die Verbindungsbereiche der Umhüllung zur Abdichtung in Summe weniger. Mit Verbindungsbereichen ist hierbei beispielsweise eine Verbindungsnaht, insbesondere eine Siegelnaht gemeint, welche durch das Verbinden der Enden der Umhüllung miteinander entsteht. Dies birgt einen großen Vorteil, da die Verbindungsbereiche, insbesondere die Verbindungsnähte oder Siegelbereiche, die kritischen Stellen einer Umhüllung darstellen, da diese als erstes undicht werden, reißen. Mithilfe der vorgeschlagenen Umhüllung lässt sich sie Länge der Verbindungsbereiche, insbesondere der Verbindungsnähte oder Siegelbereiche enorm reduzieren, beispielsweise um bis zu 82% der ursprünglichen Länge der Verbindungsbereiche bei Batteriezellsystemen mit separaten feuchtigkeitsdichten Verpackungen oder Folien. Zudem werden die Kosten für eine entsprechende Umhüllung deutlich gesenkt, da in Summe deutlich weniger Umhüllung benötigt wird. Die feuchtigkeitsdurchlässige Verpackung, insbesondere die feuchtigkeitsdurchlässige Pouchfolie um die einzelnen Batteriezellen ist zudem günstiger, dünner und flexibler, da hier der Bestandteil, welcher für die Feuchtigkeitsdichte zuständig ist, beispielsweise Aluminium, entfällt. Eine feuchtigkeitsdurchlässige Pouchfolie ohne Aluminium oder ein anderes Metall, kann sich beispielsweise flexibler um einen ungewollten Partikel, welcher beispielsweise an der feuchtigkeitsdurchlässigen Pouchfolie anliegt, schmiegen, ohne beschädigt zu werden, da die Streckgrenze von Kunststoff höher ist als die von Aluminium. Eine Streckgrenze ist die relative Länge um die ein Material gestreckt werden kann, bevor es reisst.
  • Desweiteren vorteilhaft bei einer Feuchtigkeitsbarriere auf Modulebene im Vergleich zu einer Feuchtigkeitsbarriere auf Batteriezellebene ist, dass das Gehäuse des Zellüberwachungssystems CSC kein separates feuchtigkeitsdichtes Gehäuse benötigt, da es bereits durch die Umhüllung vor Feuchtigkeit geschützt ist. Hierdurch werden Kosten eingespart und die Sicherheit der Batterie mit entsprechendem Batteriemodul erhöht. Desweiteren vorteilhaft bei einer Feuchtigkeitsbarriere auf Modulebene im Vergleich zu einer Feuchtigkeitsbarriere auf Batteriezellebene ist, dass Bauteile oder Leitungen unter Spannung innerhalb der Umhüllung und somit in einer trockenen Umgebung angeordnet sind, sodass keine zusätzlichen Isolierungen, Gehäuse, Folien oder Abdichtungen notwendig sind.
  • Zudem kann das Batteriemodul bauraumoptimierter konstruiert werden, da bei erhöhter Sauberkeit und Trockenheit Luft- und Kriechstrecken deutlich kleiner ausfallen. Als Kriechstrecke bezeichnet man die kürzeste Entfernung entlang der Oberfläche eines festen Isolierstoffes zwischen zwei elektrisch leitenden Teilen. Als Luftstrecke bezeichnet man die kürzeste Entfernung zwischen zwei elektrisch leitenden Teilen. Damit lassen sich beispielsweise stromführende Leitungen des Zellüberwachungssystems viel kompakter anordnen. Dies spielt beispielsweise bei Hochvoltspeichern, insbesondere Hochvoltbatterien, mit beispielsweise 400V oder 800V eine zunehmend wichtige Rolle da sich mit einer sich erhöhenden Spannung auch die Abstände zwischen stromführenden Leitungen aus Sicherheitsgründen vergrößern müssen. Hierdurch werden zum einen Kosten und Bauraum eingespart und zum anderen wird die Sicherheit der Batterie mit entsprechendem Batteriemodul deutlich erhöht.
  • Bei herkömmlichen Batterien mit Feuchtigkeitsbarriere auf Batteriezellebene müssen die Stellen, an welchen die Bauteile, die den Strom aus der Batteriezelle nach außen führen, beispielsweise Terminals oder Elektrodenkontaktfahnen, nach außen abgedichtet werden, beispielsweise durch Schweißen. Diese Stellen können beispielsweise korrosionsanfällig sein. Voreilhaft bei einer Feuchtigkeitsbarriere auf Modulebene ist, dass die Bauteile innerhalb der Umhüllung vor Feuchtigkeit geschützt sind und somit keine Korrosion auftreten kann, was die Sicherheit der Batterie erheblich verbessert und Kosten senkt, da keine zusätzlichen Abdichtungen zur Verhinderung einer Korrosion erforderlich sind.
  • Weitere vorteilhafte Ausführungsformen des vorliegenden Batteriemoduls ergeben sich aus den Unteransprüchen.
  • In einer besonders bevorzugten Ausführungsform ist die Umhüllung eine Verbundfolie, welche zumindest Aluminium umfasst. Vorteilhaft bei Aluminium ist, dass Aluminium feuchtigkeitsdicht ist und somit eine hermetische Feuchtigkeitsbarriere darstellt. Aluminium bietet außerdem den Vorteil, dass es sehr leicht und kostengünstig ist und zudem in großen Mengen verfügbar. Alternativ dazu kann Stahl oder ein beschichteter Kunststoff verwendet werden. Die Beschichtung ist beispielsweise mittels CVP (Chemical Vapour Deposition) oder PVD (Physical Vapour Deposition) auf den Kunststoff aufgebracht, sodass dieser keine Feuchtigkeit mehr durchlässt. Alternativ dazu kann Polyphenylensulfid (PPS), ein Flüssigkristallpolymer (Liquid-Chrystal-Polymer) oder ein Blockpolymer verwendet werden wie beispielsweise Polynorbornen.
  • Vorteilhaft bei einer Verbundfolie als Umhüllung ist, dass der Umhüllung durch die verschiedenen Schichten der Verbundfolie verschiedene Eigenschaften verliehen werden. Vorteilhaft ist es beispielsweise, wenn die Aluminiumschicht nicht die äußerste Schicht der Umhüllung darstellt, sondern die äußerste Schicht eine elektrisch isolierende Schicht ist, beispielsweise ein Polyolefin, insbesondere Polyethylen und/oder Polypropylen.
  • Vorteilhaft hierbei ist beispielsweise, dass das Batteriezellsystem mit Spannungsabgriff bereits nach außen hin elektrisch isoliert ist, sodass kein separater Berührungsschutz auf das Batteriemodul mehr aufgebracht werden muss. Insbesondere vorteilhaft ist es, wenn die Aluminiumschicht mittig in der Verbundfolie angeordnet ist, da auf diese Weise keine innerhalb der Umhüllung lokalisierten stromleitenden Bauteile mit der Aluminiumschicht in Berührung kommen können und somit die Gefahr eines Kurzschusses ausgeräumt ist. Desweiteren ist das Batteriemodul beispielsweise gegenüber einer Kühlplatte durch die Umhüllung in Form der Verbundfolie bereits elektrisch isoliert, wenn sich die Kühlplatte außerhalb der Umhüllung befindet. Vorteilhaft hierbei ist, dass der Luftspalt zwischen dem Batteriemodul und der Kühlplatte nicht mittels einer Wärmeleitpaste oder Wärmeleitfolie aufgefüllt werden muss, sondern die Wärmekontaktfläche durch die äußerste, elektrisch isolierende Schicht der Umhüllung bereits isoliert ist.
  • In einer bevorzugten Ausführungsform liegt die Umhüllung aufgrund eines erzeugten Unterdrucks, insbesondere aufgrund eines erzeugten Vakuums, an dem Batteriezellsystem mit Spannungsabgriff an. Vorteilhaft hierbei ist, dass eine ohne Luftspalt und somit sehr eng anliegende Umhüllung dem Batteriezellsystems mit Spannungsabgriff eine gewisse Steifigkeit und Festigkeit verleiht, sodass ein Verrutschen der Bauteile innerhalb des Umhüllung stark verringert ist, was die Funktionsfähigkeit verbessert und die Lebensdauer der Batterie erhöht, sowie auch die Sicherheit der Batterie. Desweiteren wird Platz innerhalb des Batteriemoduls eingespart.
  • In einer Ausführungsform haftet die Umhüllung mittels eines Klebstoffes an dem Batteriezellsystem. Vorteilhaft hierbei ist, dass der Klebstoff zusätzlich abdichtend wirkt.
  • In einer bevorzugten Ausführungsform ist die Umhüllung eine Schrumpffolie.
  • Vorteilhaft hierbei ist, dass die Umhüllung somit sehr eng an dem Batteriezellsystem mit Spannungsabgriff anliegt, wodurch diesem eine gewisse Steifigkeit und Festigkeit verliehen ist, sodass ein Verrutschen der Bauteile innerhalb des Umhüllung verringert ist, was die Funktionsfähigkeit verbessert und die Lebensdauer der Batterie erhöht, sowie auch die Sicherheit der Batterie.
  • In einer vorteilhaften Ausführungsform umfasst die Umhüllung ein Trockenmittel. Dieses verleiht der Umhüllung zusätzliche Feuchtigkeitsdichte und ist vor allem Im Fall einer Beschädigung der Umhüllung, beispielsweise in Form eines Risses von großem Vorteil, da eindringende Feuchtigkeit durch das Trockenmittel aufgenommen wird. Auch wird in die Umhüllung eindiffundierende Feuchtigkeit von dem Trockenmittel aufgenommen. Dies verlängert die Lebenszeit des Batteriemoduls.
  • In einer besonders bevorzugten Ausführungsform sind die Enden der Umhüllung zur Abdichtung miteinander versiegelt oder verschweißt. Vorteilhaft bei einer Abdichtung durch eine Versiegelung der Enden der Umhüllung miteinander ist, dass eine dichte, material- und kraftschlüssige belastbare Verbindung zwischen diesen vorliegt. Vorteilhaft bei miteinander verschweißten Enden der Umhüllung ist, dass exakte Schweißnähte mit sehr guter Qualität vorliegen.
  • Unter dem Begriff Elektrodenverbund ist ein Verbund umfassend zumindest eine Anode und zumindest eine Kathode zu verstehen, welche Lithiumionen reversibel ein- und auslagern können.
  • Während des Ladens von Lithiumionen-Zellen wandern Lithiumionen von der Kathode durch den Elektrolyten zur Anode und werden in diese eingelagert. Gleichzeitig wandern Elektronen über einen externen Kreislauf ebenfalls von der Kathode zur Anode. Beim Entladen von Lithiumionen-Zellen laufen diese Vorgänge in umgekehrter Richtung ab, sodass Lithiumionen von der Anode zur Kathode wandern und dort in diese eingelagert werden.
  • Desweiteren umfasst der Elektrodenverbund zumindest einen Separator, der die Anode und die Kathode sowohl räumlich als auch elektrisch voneinander trennt. Die Anode, der Separator und die Kathode können ineinander aufgewickelt sein oder aufeinander gestapelt vorliegen.
  • Die Kathode umfasst beispielsweise eine Kathodenträgerfolie, welche elektrisch leitend ausgeführt ist und beispielsweise ein Aluminium umfasst. Auf die Kathodenträgerfolie ist das Kathoden-Aktivmaterial, beispielsweise eine Kombination verschiedener Lithium-Metall-Oxide LiMeO, zumindest teilweise aufgebracht. Alternativ umfasst das Kathodenaktivmaterial ein nicht-oxidisches Material. Ein Randstreifen der Kathodenträgerfolie wird beispielsweise nicht mit Aktivmaterial beschichtet, aus welchem dann beispielsweise eine oder mehrere Kathodenkontaktfahnen ausgeschnitten werden, die zur elektrischen Kontaktierung der Kathode dienen.
  • Die Anode umfasst beispielsweise eine Anodenträgerfolie, welche elektrisch leitend ausgeführt ist und beispielsweise Kupfer umfasst. Auf die Anodenträgerfolie ist das Anoden-Aktivmaterial zumindest teilweise aufgebacht. Das Anoden-Aktivmaterial umfasst beispielsweise ein natürliches und/oder synthetisches Graphit, Silizium und/oder ein Titanat. Ein Randstreifen der Anodenträgerfolie wird beispielsweise nicht mit Aktivmaterial beschichtet, aus welchem dann beispielsweise eine oder mehrere Anodenkontaktfahnen ausgeschnitten werden, die zur elektrischen Kontaktierung der Anode dienen.
  • In einer besonders bevorzugten Ausführungsform umfasst das zumindest eine Batteriezellsystem des Batteriemoduls eine feuchtigkeitsdurchlässige Pouchfolie und zumindest zwei Elektrodenverbunde. Ein Elektrodenverbund umfasst hierbei zumindest eine Anode mit zumindest einer Anodenkontaktfahne und zumindest eine Kathode mit zumindest einer Kathodenkontaktfahne. Die feuchtigkeitsdurchlässige Pouchfolie bildet voneinander separierte, insbesondere nebeneinander liegende, Taschen zum Einbringen zumindest je eines Elektrodenverbunds, sodass jede Tasche mit Elektrodenverbund eine Batteriezelle, insbesondere eine Pouchzelle, bildet. Die Taschen sind elektrolytundurchlässig und dienen somit beispielsweise als Barriere für einen Elektrolyten. Die Taschen sind insbesondere im Betriebszustand des Batteriemoduls, physisch über die feuchtigkeitsdurchlässige Pouchfolie faltbar miteinander verbunden.
  • Vorteilhaft hierbei ist, dass die feuchtigkeitsdurchlässige Pouchfolie sehr flexibel, biegsam und faltbar ist. Auch werden Kosten eingespart, da die Produktion der feuchtigkeitsdurchlässigen Pouchfolie fortlaufend erfolgen kann, was wenig Arbeitsaufwand erfordert und sehr zeiteffektiv ist. Desweiteren sind die Materialkosten einer feuchtigkeitsdurchlässigen Pouchfolie sehr niedrig beispielsweise im Vergleich zu anderen Umhüllungen oder Gehäusen von Elektrodenverbunden wie beispielsweise Metallfolien oder prismatischen Hartschalengehäusen aus Metall oder Metalllegierungen.
  • Desweiteren vorteilhaft ist, dass ein solches Batteriezellsystem sehr flexibel gestaltbar ist. Die feuchtigkeitsdurchlässige Pouchfolie mit den zusammenhängenden Taschen ist auf verschiedenste Weise faltbar, sodass die Form des Batteriezellsystems und somit auch die Kontaktierung der einzelnen Pouchzellen individuell gestaltbar sind, beispielsweise in Bezug auf Platzbedarf, Größe, Falttechniken und Kontaktierungsmöglichkeiten. Zudem vorteilhaft ist, dass das Batteriezellsystem kein Limit aufweist, was die Stapelhöhe betrifft. Es können beispielsweise mehrere Batteriezellsysteme aufeinander gestapelt werden und/oder zumindest ein Batteriezellsystem wird derart gefaltet, dass die zusammenhängenden Pouchzellen aufeinander angeordnet vorliegen. Desweiteren ist das vorgeschlagene Batteriezellsystem flexibel in Bezug auf die eingesetzte Zellchemie. Es kann beispielsweise ein Festkörper-Zellsystem eingesetzt werden beispielsweise mit einem Feststoff als Elektrolyt. Alternativ wird ein flüssiger Elektrolyt eingesetzt. Zudem ist das Batteriezellsystem mit der feuchtigkeitsdurchlässigen Pouchfolie mit Taschen bei niedrigen, mittleren und hohen Temperaturen von beispielsweise bis zu 150°C einsetzbar. Weiterhin vorteilhaft ist, dass die Elektrodenverbunde, welche in die Taschen der Pochfolie eingebracht sind, aufgrund der flexiblen sie umgebenden feuchtigkeitsdurchlässigen Pouchfolie anschwellen können, beispielsweise durch Ein- und Auslagerungsvorgänge der Lithiumionen oder altersbedingt. Dies verhindert Verschiebungen und Beschädigungen der Elektrodenverbunde aufgrund zu großem auf diese einwirkenden Druck.
  • In einer besonders bevorzugten Ausführungsform umfasst die feuchtigkeitsdurchlässige Pouchfolie kein Aluminium, insbesondere kein Metall. Vorteilhaft bei einer feuchtigkeitsdurchlässigen Pouchfolie ohne Aluminium, insbesondere ohne Metall, ist, dass keine elektrische Isolation, beispielsweise in Form eines Isolationsbandes, an Schnittkanten der feuchtigkeitsdurchlässigen Pouchfolie notwendig ist. Hierdurch werden Kosten, Material, Zeit und Arbeitskraft eingespart. Desweiteren vorteilhaft ist, das dadurch, dass in das Material, insbesondere das Laminat, der feuchtigkeitsdurchlässigen Pouchfolie kein Aluminium bzw. Metall eingebracht ist, die Gefahr einer Korrosion der feuchtigkeitsdurchlässigen Pouchfolie gebannt ist. Desweiteren ist eine feuchtigkeitsdurchlässige Pouchfolie ohne Aluminium, insbesondere Metall, beispielsweise dünner und leichter ausgeführt als feuchtigkeitsdurchlässige Pouchfolien mit Aluminium.
  • Desweiteren vorteilhaft ist, dass im Vergleich zu feuchtigkeitsdurchlässigen Pouchfolien mit Aluminium bei einer feuchtigkeitsdurchlässigen Pouchfolie ohne Aluminium, insbesondere Metall, im Verbund kein Risiko eines Kurzschlusses zwischen den Batteriezellen entstehen kann, welcher durch Korrosion, einen Unfall oder Metallpartikel der Pouchfolie verursacht wird.
  • Desweiteren vorteilhaft ist, dass feuchtigkeitsdurchlässige Pouchfolien ohne Aluminium, insbesondere Metall, besser deformierbar sind als Pouchfolien mit Aluminium bzw. einem Metall. Dies ist beispielsweise dann von Vorteil, wenn Partikel ungewollt, beispielsweise bei der Herstellung eines Batteriezellsystems mit entsprechender feuchtigkeitsdurchlässiger Pouchfolie, an oder in die feuchtigkeitsdurchlässige Pouchfolie gelangen. Die feuchtigkeitsdurchlässige Pouchfolie kann sich dann um den Partikel herum dehnen und sich an diesen anpassen, ohne beschädigt oder löchrig zu werden. Zudem vorteilhaft ist, dass ein Material, insbesondere ein Laminat ohne Aluminium bzw. ohne einem Metall deutlich kostengünstiger ist als ein solches mit Aluminium bzw. einem Metall.
  • In einer vorteilhaften Ausführungsform weist die feuchtigkeitsdurchlässige Pouchfolie eine Länge L und eine Breite B auf, wobei die Länge L insbesondere länger ist als die Breite B. Die feuchtigkeitsdurchlässige Pouchfolie ist entlang der Längserstreckung umgeschlagen, sodass zwei Pouchfolienhälften vorliegen, welche aufeinander angeordnet sind. Dadurch ergeben sich ein offenes und ein durch das Umschlagen der feuchtigkeitsdurchlässige Pouchfolie geschlossenes Ende. Die Pouchfolienhälften sind der Breite nach in, insbesondere regelmäßigen, Abständen derart zusammengefügt, dass räumlich voneinander getrennte Taschen vorliegen.
  • Vorteilhaft hierbei ist, dass die geschlossenen Enden der Pouchfolienhälften nicht zusammengefügt werden müssen, da sie bereits zusammenhängen. Zudem vorteilhaft ist, dass die feuchtigkeitsdurchlässige Pouchfolie an einem Stück zusammenhängt und bei dem Umschlagen der einen Pouchfolienhälfte oder dem Zusammenfügen der Pouchfolienhälften der Breite nach nicht auf Einzelteile geachtet werden muss. Dadurch ist der Zusammenbau der zusammenhängenden feuchtigkeitsdurchlässigen Pouchfolie mit Taschen sehr einfach und schnell realisierbar.
  • Ein weiterer Vorteil ist, dass die Pouchfolie in einer Fertigungsmaschine als Pouchfolienband handhabbar ist und damit sehr einfach über Förderbänder und Rollen transportier werden kann im Vergleich zu aufwändig handhabbaren Einzelteilen.
  • In einer alternativen Ausführungsform erfolgt das Zusammenfügen der Pouchfolienhälften der Breite nach in unregelmäßigen Abständen. Dies kann beispielsweise bei einer anschließenden Faltung der einzelnen feuchtigkeitsdurchlässigen Pouchzellen, welche durch die feuchtigkeitsdurchlässige Pouchfolie zusammenhängen, vorteilhaft sein.
  • In einer vorteilhaften Ausführungsform sind die Taschen der feuchtigkeitsdurchlässigen Pouchfolie der Länge nach an deren offenem Ende durch Zusammenfügen der beiden Pouchfolienhälften zumindest teilweise verschlossen. Vorteilhaft hierbei ist, dass dadurch ein zumindest für Elektrolyt abgedichteter Raum innerhalb der Tasche entsteht, in welchen der Elektrolyt beispielsweise eingefüllt bzw. eingebracht wird. Die Taschen der feuchtigkeitsdurchlässigen Pouchfolie sind dann beispielsweise auch vor Kontaminationen, beispielsweise Partikeln, geschützt, da diese die abgedichtete feuchtigkeitsdurchlässige Pouchfolie nicht passieren können.
  • In einer besonders bevorzugten Ausführungsform ist das Zusammenfügen der Pouchfolienhälften in Form von Nähten, insbesondere von Siegelnähten, ausgeführt. Hierbei sind Nähte, welche die Taschen der Breite nach voneinander abtrennen Quernähte und die Naht, welche die Taschen der Länge nach verschließt, eine Längsnaht.
  • Vorteilhaft hierbei ist, dass die Nähte zum einen ebenfalls flexibel sind und beispielsweise zu einem gewissen Grad dehnbar sind, aber die Pouchfolienhälften dennoch fest zusammenhalten.
  • Die Anodenkontaktfahne und die Kathodenkontaktfahne dienen zur elektrischen Kontaktierung der Pouchzelle. In einer besonders bevorzugten Ausführungsform stehen zumindest eine Anodenkontaktfahne einer Anode des Elektrodenverbunds und zumindest eine Kathodenkontaktfahne einer Kathode des Elektrodenverbunds, auf der gleichen Seite der Tasche, insbesondere versetzt zueinander, über die Tasche hinaus. Vorteilhaft hierbei ist, dass die Kontaktfahnen somit von der feuchtigkeitsdurchlässigen Pouchfolie wegweisen, sodass genügend Platz zur elektrischen Kontaktierung der Anodenkontaktfahne und der Kathodenkontaktfahne vorhanden ist. Die Elektrodenverbunde weisen beispielsweise lange und kurze Seitenlängen auf. Die Kontaktfahnen stehen beispielsweise über eine der langen Seitenlängen über. Alternativ stehen die Kontaktfahnen über eine der kurzen Seitenlängen über.
  • Alternativ stehen zumindest eine Anodenkontaktfahne einer Anode des Elektrodenverbunds und zumindest eine Kathodenkontaktfahne einer Kathode des Elektrodenverbunds auf einander gegenüberliegenden Seiten der Tasche, über die Tasche hinaus. Das heißt, die Kontaktfahnen stehen über einander gegenüberliegende kurze oder lange Seitenlängen über.
  • Vorteilhaft hierbei ist, dass für die Elektroden der Stromfluss sehr homogen ist im Vergleich zu Elektroden, die beide Kontaktfahnen an derselben Seite haben. Weiterhin kann in einer endlosen Bauform eine Kontaktfahne von zwei Zellen gemeinsam genutzt werden.
  • In einer ersten Ausführungsform ist die feuchtigkeitsdurchlässige Pouchfolie und insbesondere die Umhüllung jeweils zwischen den in dem Batteriemodul angeordneten miteinander zusammenhängenden Pouchzellen gefaltet, insbesondere in einer zick-zack-Faltung, sodass beispielsweise die feuchtigkeitsdurchlässige Pouchfolie und die Umhüllung jeweils parallel zueinander eine Faltung aufweisen. Alternativ kann nur die feuchtigkeitsdurchlässige Pouchfolie, insbesondere nach jeder Pouchzelle, eine Faltung aufweisen, wobei die Umhüllung keine Faltung aufweist.
  • Die Faltung erfolgt beispielsweise in regelmäßigen Abständen, beispielsweise nach jeder Pouchzelle. Alternativ erfolgt die Faltung nicht in regelmäßigen Abständen. Vorteilhaft hierbei ist, dass das Batteriemodul durch die Faltungen sehr flexibel gestaltbar ist, beispielsweise in Bezug auf Platzbedarf, Form oder Größe des Batteriemoduls, Falttechniken und Kontaktierungsmöglichkeiten sowohl der einzelnen Batteriezellen als auch des Batteriemoduls.
  • In einer alternativen zweiten Ausführungsform weisen die Kontaktfahnen jeweils zweier nebeneinander liegender Pouchzellen desselben Batteriezellsystems aufeinander zu und sind elektrisch miteinander verbunden. Die feuchtigkeitsdurchlässige Pouchfolie weist hierbei beispielsweise nach jeder Pouchzelle des Batteriesystems eine Faltung auf, sodass das gefaltete Batteriezellsystem an eine zickzack- oder S-Form erinnert. Die Umhüllung des Batteriemoduls weist beispielsweise ebenfalls nach jeder Pouchzelle des Batteriesystems eine Faltung auf. Vorteilhaft hierbei ist, dass durch die Faltungen Platz in dem Batteriemodul eingespart werden kann und/oder dass das Batteriezellsystem an die Form eines Modul- oder Batteriegehäuses angepasst werden kann.
  • In einer dritten Ausführungsform umfasst das Batteriemodul zumindest ein erstes und ein zweites Batteriezellsystem mit jeweils nebeneinander liegenden und miteinander zusammenhängenden Pouchzellen. Die Batteriezellsysteme sind sich gegenüberliegend angeordnet, was bedeutet, dass jeweils die Kontaktfahnen der Batteriezellsysteme aufeinander zu weisen. Hierbei ist je eine Anodenkontaktfahne des ersten Batteriezellsystems mit einer Kathodenkontaktfahne des gegenüberliegenden, zweiten Batteriezellsystems elektrisch kontaktiert und je eine Anodenkontaktfahne des zweiten Batteriezellsystems mit einer Kathodenkontaktfahne des gegenüberliegenden, ersten Batteriezellsystems elektrisch kontaktiert. Vorteilhaft hierbei ist, dass die Kontaktfahnen jeweils über die feuchtigkeitsdurchlässigen Pouchfolien überstehen und von diesen weg weisen, sodass der Spannungsabgriff in einem rechten Winkel zu der Richtung, in welche sich die Kontaktfahnen erstrecken, auf den Kontaktfahnen anordenbar ist. Bei der elektrischen Kontaktierung der Kontaktfahnen an den Stromabgriff ist die feuchtigkeitsdurchlässige Pouchfolie somit beabstandet und zudem ist genug Platz vorhanden, sodass die Kontaktierung einfach und schnell erfolgen kann.
  • Das erste Batteriezellsystem und das zweite Batteriezellsystem sind beispielsweise auf eine Weise gefaltet, dass die Anodenkontaktfahnen und die Kathodenkontaktfahnen der Elektrodenverbunde der Batteriezellsysteme und der Spannungsabgriff nach oben weisen und die jeweils gegenüber der Kontaktfahnen liegenden Seiten der Elektrodenverbunde der Batteriezellsysteme aufeinander zu nach unten geklappt sind. Vorteilhaft hierbei ist, dass durch das Klappen die räumliche Erstreckung der Batteriezellsysteme im Wesentlichen halbiert ist, wodurch die nach außen weisenden Oberflächen der Batteriezellsysteme im Wesentlichen halbiert sind. Hierdurch kann beispielsweise Platz in dem Batteriemodul eingespart werden und/oder die Batteriezellsysteme können an die Form eines Modul- oder Batteriegehäuses angepasst werden.
  • In einer Ausführungsform weist das Batteriemodul zumindest ein L-förmiges Kühlblech auf. Das Kühlblech ist beispielsweise in einem Zwischenraum zwischen den gefalteten Pouchzellen angeordnet, sodass das Kühlblech an Außenflächen der Pouchzellen anliegt. Insbesondere nach jeder Faltung oder nach jeder zweiten Faltung der Pouchzellen ist ein L-förmiges Kühlblech angeordnet.
  • Das L-förmige Kühlblech übernimmt die Wärmeenergie mittels seiner größeren Fläche von der Pouchzelle und transferriert diese Wärme auf seine kleinere Fläche. Das hat den Vorteil, dass die Wärme so aus den Pouchzellen auf eine gemeinsame Ebene, welche sich insbesondere aus allen kleineren Flächen der Kühlbleche bildet, welche jeweils an einer kleineren Fläche der Pouchzellen anliegen, transferriert wird. Mit der kleineren Fläche ist beispielsweise eine Unterseite, eine Oberseite oder eine der kleineren Seitenflächen der Pouchzellen gemeint. Auf diese Weise wird anstelle vieler Kühleinheiten zwischen den Pouchzellen nur eine einzige flächige Kühleinheit, insbesondere eine Kühlplatte, benötigt, welche an den kleineren Flächen der Kühlbleche angeordnet ist. Alternativ weist das Batteriemodul weitere Kühleinheiten auf. Eine Kühleinheit ist eine mit Kühlmittel oder Kältemittel durchflossene Struktur, die Wärmeenergie von der Oberfläche zum verwendeten Mittel transferrieren kann.
  • In einer alternativen Ausführungsform weist das Kühlblech eine U-Form auf, sodass das Kühlblech an drei Außenflächen der Pouchzelle anliegt.
  • Die Kühlbleche befinden sich beispielsweise innerhalb der Umhüllung.
  • Vorteil hierbei ist, dass die Umhüllung somit kleiner ausgeführt werden kann, sodass sie das Batteriemodul beispielsweise in einer kubischen oder Quaderform umhüllt und nicht gefaltet werden muss zwischen den einzelnen Pouchzellen. Weiterhin kann die üblicherweise verwendete elektrische Isolation der Kühleinheit zu den Blechen entfallen, wenn die äußere Schicht des Verbunds der Umhüllung elektrisch isolierend ausgeführt ist.
  • Alternativ ist das zumindest eine Kühlblech außerhalb der Umhüllung angeordnet.
  • Die Kühlbleche umfassen beispielsweise Aluminium, Carbon oder Kupfer, insbesondere ein Aluminiumblech, eine Aluminiumfolie. Aluminium bietet den Vorteil, dass es leicht und kostengünstig ist und zudem in großen Mengen verfügbar.
  • Weiterhin lassen sich zwischen die Pouchzellen neben den Kühlblechen oder auch in die Zellzwischenräume ohne Kühlbleche Mineralpapiere als Barriere einbringen. Diese verhindern bei einer Selbsterhitzung einer Pouchzelle, dass deren Nachbarzelle über eine kritische Temperatur steigt und so auch in die Selbsterhitzung übergeht. Weiterhin schützt das Mineralpapier beispielswese auch die Pouchfolien angrenzender Pouchzellen so, dass diese weiterhin elektrisch isolieren sind und so kein elektrischer Kurzschluss bei der benachbarten Pouchzelle auftritt.
  • In einer weiteren Ausführungsform ist eine Kurzschlussschaltung in das Batteriemodul integriert ist, welche beispielsweise an den Kontaktfahnen der Elektrodenverbunde des Batteriezellsystems angeordnet ist und die jeweilige Pouchzelle im Fehlerfall deaktiviert.
  • Desweiteren ist ein Verfahren zur Herstellung eines Batteriemoduls mit zumindest einem Batteriezellsystem offenbart. Um das gesamte Batteriezellsystem sowie um den Spannungsabgriff des Batteriemoduls wird eine bewegungsflexible Umhüllung, welche eine hermetische Feuchtigkeitsbarriere darstellt, angebracht, insbesondere durch Versiegeln, Kleben und/oder Aufschrumpfen der Umhüllung.
  • Das Siegelverfahren ist beispielsweise ein thermisches Siegelverfahren oder ein Ultraschall-Siegelverfahren. Vorteilhaft bei einer Versiegelung ist, dass eine dichte Verbindung entsteht. Vorteilhaft bei einem Klebeverfahren ist, dass der Klebstoff zusätzlich abdichtend wirkt. Vorteilhaft bei einem Aufschrumpfen der Umhüllung ist, dass die Umhüllung sehr eng an dem Batteriezellsystem mit Spannungsabgriff anliegt, wodurch diesem eine gewisse Festigkeit verliehen ist, sodass ein Verrutschen der Bauteile innerhalb des Umhüllung verringert ist.
  • In einer Ausführungsform ist ein Batteriemodul gemäß der dritten Ausführungsform offenbart, welches vier Batteriezellsysteme aufweist. Das erste und zweite Batteriezellsystem sind mit dem dritten und vierten Batteriezellsystem physisch über einen flexiblen Zellverbinder verbunden. Weiterhin sind beispielsweise das dritte und vierte Batteriezellsystem an dem flexiblen Zellverbinder um eine Vertikalachse gefaltet, sodass das erste Batteriezellsystem und das dritte Batteriezellsystem aneinander anliegen.
  • Hierdurch sind die nach außen weisenden Oberflächen reduziert, wodurch Platz in dem Batteriemodul eingespart werden kann und/oder wodurch die Batteriezellsysteme an die Form eines Modul- oder Batteriegehäuses angepasst werden können.
  • Außerdem ist eine Batterie offenbart, welche ein erfindungsgemäßes Batteriemodul umfasst, sowie die Verwendung derselben in einem Elektrofahrzeug, in einem Hybridfahrzeug oder in einem Plug-In-Hybridfahrzeug. Alternativ findet die Batterie beispielsweise Anwendung in Schiffen, Zweirädern, Flugzeugen, stationären Energiespeichern, Elektrowerkzeugen, Unterhaltungselektronik und/oder Haushaltsgeräten.
  • Figurenliste
  • Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung sind in der Zeichnung dargestellt und in der nachfolgenden Figurenbeschreibung näher erläutert. Es zeigt:
    • 1: eine schematisch Darstellung eines horizontalen Querschnitts durch ein Batteriemodul mit Batteriezellen gemäß dem Stand der Technik
    • 2: eine schematische Darstellung eines horizontalen Querschnitts durch ein erfindungsgemäßes Batteriemodul mit Batteriezellen
    • 3a: eine schematische Darstellung einer 3D-Ansicht einer ersten Variante eines Batteriezellsystems eines erfindungsgemäßen Batteriemoduls,
    • 3b: eine schematische Darstellung einer Aufsicht auf einen Ausschnitt eines Batteriezellsystems eines erfindungsgemäßen Batteriemoduls in einer zweiten Variante,
    • 3c: eine schematische Darstellung einer Aufsicht auf einen Ausschnitt eines Batteriezellsystem eines erfindungsgemäßen Batteriemoduls in einer dritten Variante,
    • 4: eine schematische 3D-Darstellung eines erfindungsgemäßen Batteriemoduls in einer ersten Ausführungsform mit einer Umhüllung, welche ein Batteriezellsystem gemäß 3a umhüllt,
    • 5: eine schematische Darstellung einer Schrittabfolge von der Herstellung und Faltung eines Batteriemoduls gemäß 4 bis zur Integration in ein Gehäuse,
    • 6: eine schematische Darstellung eines vertikalen Schnitts durch ein erfindungsgemäßes Batteriemodul in einer zweiten Ausführungsform mit einer Umhüllung, welche ein Batteriezellsystem umhüllt,
    • 7: eine schematische Darstellung des Zusammenbaus eines erfindungsgemäßen Batteriemoduls in einer dritten Ausführungsform mit zwei Batteriezellsystemen gemäß 3a mit den Schritten AA-EE,
    • 8a: eine schematische Darstellung eines erfindungsgemäßen Batteriemoduls in einer vierten Ausführungsform mit vier Batteriezellsystemen,
    • 8b: eine schematische Darstellung der Batteriezellsysteme gemäß 8a, welche zu einem Batteriemodul gefaltet sind.
    • 9: eine schematische Darstellung eines vertikalen Schnitts durch zwei gefaltete Batteriemodule gemäß 8b mit L-förmigen Kühlblechen,
    • 10: eine schematische Darstellung einer Aufsicht auf eine kontinuierliche Produktionslinie zur Anbringung der Umhüllung um Batteriemodule gemäß der 7, 8 und 9,
    • 11a: eine schematische Darstellung einer frontalen Ansicht der Produktionslinie gemäß 10, und
    • 11b: eine schematische Darstellung einer seitlichen Ansicht einer Schrittabfolge entlang der Schnittkante K-K' gemäß 11a.
  • Ausführungsformen der Erfindung
  • In 1 ist ein Batteriemodul 100 mit Batteriezellen 11 gemäß dem Stand der Technik dargestellt. Die Batteriezellen 11 des Batteriemoduls 100 sind beispielsweise Pouchzellen mit je einer herkömmlichen feuchtigkeitsundurchlässigen Pouchfolie 2, sodass die herkömmliche Pouchfolie 2 eine Barriere für Feuchtigkeit darstellt. Zudem ist die herkömmliche feuchtigkeitsundurchlässige Pouchfolie 2 elektrolytundurchlässig, sodass sie eine Barriere für einen Elektrolyten darstellt.
  • Eine herkömmliche feuchtigkeitsdichte Pouchfolie 2 umfasst beispielsweise ein Laminat aus Kunststoff und Aluminium.
  • Zur elektrischen Kontaktierung weist jede Batteriezelle 11 des Batteriemoduls 100 eine Anodenkontaktfahne 7 und eine Kathodenkontaktfahne 8 auf. Alternativ sind die Batteriezellen 11 prismatische Batteriezellen mit je einem feuchtigkeitsundurchlässigen Hartschalengehäuse 2, einem Anoden-Terminal 7 und einem Kathoden-Terminal 8. Eine elektrische Kontaktierung der Batteriezellen 11 des Batteriemoduls 100 an deren Anodenkontaktfahnen 7 bzw. deren Anoden-Terminals und deren Kathodenkontaktfahnen 8 bzw. deren Kathoden-Terminals erfolgt außerhalb der herkömmlichen feuchtigkeitsundurchlässigen Pouchfolie 2.
  • In 2 ist ein erfindungsgemäßes Batteriemodul 100 mit Batteriezellen 11 dargestellt. Die Batteriezellen 11 des Batteriemoduls 100 sind beispielsweise Pouchzellen mit je einer feuchtigkeitsdurchlässigen Pouchfolie 3, sodass die feuchtigkeitsdurchlässige Pouchfolie 3 keine weitgehende Barriere für Feuchtigkeit darstellt. Die feuchtigkeitsdurchlässige Pouchfolie 3 ist elektrolytundurchlässig, sodass diese eine weitestgehende Barriere für einen Elektrolyten darstellt.
  • Die feuchtigkeitsdurchlässige Pouchfolie 3 umfasst beispielsweise anstatt einer herkömmlichen feuchtigkeitsundurchlässigen Pouchfolie 2 aus Laminat und Aluminium beispielsweise ein Laminat ohne Aluminium, insbesondere ohne Metall.
  • Zur elektrischen Kontaktierung weist jede Batteriezelle 11, insbesondere Pouchzelle, des Batteriemoduls 100 eine Anodenkontaktfahne 7 und eine Kathodenkontaktfahne 8 auf. Alternativ sind die Batteriezellen 11 des Batteriemoduls 100 prismatische Batteriezellen 11 mit je einem feuchtigkeitsdurchlässigen Hartschalengehäuse, einem Anoden-Terminal und einem Kathoden-Terminal.
  • Die Batteriezellen 11 des Batteriemoduls 100 und ein in 2 nicht dargestellter Spannungsabgriff des Batteriemoduls 100 sind von einer bewegungsflexiblen Umhüllung 20 umhüllt, welche eine hermetische Feuchtigkeitsbarriere darstellt. Der Spannungsabgriff des Batteriemoduls 100, welcher die Anodenkontaktfahnen 7 bzw. die Anoden-Terminals und die Kathodenkontaktfahnen 8 bzw. die Kathoden-Terminals elektrisch kontaktiert, liegt also innerhalb der feuchtigkeitsdichten Umhüllung 20. Die Umhüllung 20 ist beispielsweise eine Verbundfolie, welche zumindest ein Aluminium umfasst.
  • Im Vergleich zu einem herkömmlichen Batteriemodul 100 wird in Summe viel weniger feuchtigkeitsundurchlässige Umhüllung 20 benötigt. Dadurch ist wiederum die Länge der Verbindungsbereiche der Enden der Umhüllung 20 miteinander zur Abdichtung deutlich geringer, beispielsweise um bis zu 82% der ursprünglichen Länge der Verbindungsbereiche. Verbindungsbereiche sind hierbei beispielsweise Verbindungsnähte, welche durch das Verbinden der Enden der Umhüllung miteinander entstehen. Die Enden der Umhüllung sind beispielsweise miteinander versiegelt, verklebt oder verschweißt.
  • Die Umhüllung 20 liegt beispielsweise aufgrund eines erzeugten Unterdrucks, insbesondere aufgrund eines erzeugten Vakuums, an den Batteriezellen 11 des Batteriemoduls 100 mit Spannungsabgriff an.
  • Alternativ oder zusätzlich haftet die Umhüllung 20 mittels eines Klebstoffes an den Batteriezellen 11 des Batteriemoduls 100. Weiterhin alternativ oder zusätzlich ist die Umhüllung beispielsweise eine Schrumpffolie.
  • In einer Ausführungsform umfasst die Umhüllung 20 ein Trockenmittel.
  • In 3a ist eine erste Variante eines Batteriezellsystems 1 dargestellt.
  • Das Batteriezellsystem 1 weist eine feuchtigkeitsdurchlässige Pouchfolie 3 und drei Elektrodenverbunde 5 auf. Die drei Elektrodenverbunde 5 stehen beispielhaft für eine beliebige Anzahl an Elektrodenverbunden 5.
  • Die feuchtigkeitsdurchlässige Pouchfolie 3 weist eine Länge L und eine Breite B auf, wobei die Länge L länger ist als die Breite B. Desweiteren weist die feuchtigkeitsdurchlässige Pouchfolie 3 eine erste Seitenlänge L1 und eine dieser gegenüberliegende zweite Seitenlänge L2, sowie eine erste Seitenbreite B1 und eine dieser gegenüberliegende zweite Seitenbreite B2 auf. Die feuchtigkeitsdurchlässige Pouchfolie 3 bildet voneinander separierte Taschen 12, welche faltbar miteinander verbunden sind. Die feuchtigkeitsdurchlässige Pouchfolie 3 ist elektrolytundurchlässig.
  • Jeder Elektrodenverbund weist eine Anode mit einer Anodenkontaktfahne 7, einen Separator und eine Kathode mit einer Kathodenkontaktfahne 8 auf, welche aufeinander gestapelt vorliegen. In einer alternativen, nicht dargestellten Ausführungsform weist ein Elektrodenverbund 5 mehrere Anoden und/oder Anodenkontaktfahnen 7 und mehrere Kathoden und/oder Kathodenkontaktfahnen 8 auf. In jede Tasche 12 der feuchtigkeitsdurchlässigen Pouchfolie 3 ist ein Elektrodenverbund 5 derart eingebracht, dass die Anodenkontaktfahne 7 und die Kathodenkontaktfahne 8 versetzt zueinander über eine erste Seitenlänge L1 der feuchtigkeitsdurchlässigen Pouchfolie 3 überstehen.
  • Je ein Elektrodenverbund 5 bildet zusammen mit einer Tasche 12 der feuchtigkeitsdurchlässige Pouchfolie 3 eine Pouchzelle 10 aus.
  • Die feuchtigkeitsdurchlässige Pouchfolie 3 umfasst beispielsweise ein Laminat umfassend zumindest einen Kunststoff, insbesondere ein Polyolefin wie beispielsweise ein Polyethylen und/oder ein Polypropylen. Die feuchtigkeitsdurchlässige Pouchfolie 3 umfasst beispielsweise kein Aluminium, insbesondere kein Metall.
  • Die feuchtigkeitsdurchlässige Pouchfolie 3 ist entlang der Längserstreckung umgeschlagen, sodass eine erste Pouchfolienhälfte 3a und eine zweite Pouchfolienhälfte 3b vorliegen. In die Pouchfolienhälften 3a, 3b sind der Breite B nach in, insbesondere regelmäßigen, Abständen Quernähte 14a eingebracht, welche räumlich voneinander getrennte Taschen 12 bilden. Die Quernähte 14a sind beispielsweise durch Versiegeln der beiden Pouchfolienhälften 3a, 3b miteinander eingebracht. Die Taschen 12 der feuchtigkeitsdurchlässigen Pouchfolie 3 sind der Länge L nach durch eine Längsnaht 14b verschlossen, welche beispielsweise durch Versiegeln der Pouchfolienhälften 3a, 3b an deren offenem Ende eingebracht ist. Hierbei sind auch die Anodenkontaktfahnen 7 und die Kathodenkontaktfahnen 8 in einem Bereich in welchem diese an den Pouchfolienhälften 3a, 3b anliegen, mit eingesiegelt.
  • In die Taschen 12 der feuchtigkeitsdurchlässigen Pouchfolie 3 ist beispielsweise ein Elektrolyt, insbesondere ein flüssiger Elektrolyt eingebracht, wobei die Taschen 12 eine Barriere für den Elektrolyten bilden.
  • In 3b ist eine zweite Variante eines Batteriezellsystems 1 dargestellt.
  • Das Batteriezellsystem 1 weist eine feuchtigkeitsdurchlässige Pouchfolie 3 und vier Elektrodenverbunde 5 auf. Die vier Elektrodenverbunde 5 stehen beispielhaft für eine beliebige Anzahl an Elektrodenverbunden 5.
  • Im Folgenden werden lediglich Merkmale aufgeführt, welche sich von der in 3a dargestellten ersten Variante des Batteriezellsystems 1 unterscheiden.
  • Die Elektrodenverbunde 5 sind um 90° gedreht, sodass diese an deren langen Elektrodenverbund-Seitenbreiten nebeneinander angeordnet sind. Die Anodenkontaktfahnen 7 und die Kathodenkontaktfahnen 8 der Elektrodenverbunde 5 sind auf sich gegenüberliegenden Seiten der Elektrodenverbunde 5 angeordnet.
  • Je eine Anodenkontaktfahne 7 eines Elektrodenverbundes 5 ist mit je einer Kathodenkontaktfahne 8 eines benachbarten Elektrodenverbundes 5 elektrisch kontaktiert. Die Kontaktierung erfolgt beispielsweise durch Schweißen, insbesondere durch Laserschweißen, oder durch Walzplattieren.
  • Die feuchtigkeitsdurchlässige Pouchfolie 3 ist an der ersten Seitenlänge L1 und an der zweiten Seitenlänge L2 der Länge L nach, in Richtung der Elektrodenverbunde 5 umgeschlagen. Die feuchtigkeitsdurchlässige Pouchfolie 3 bildet so eine Art Einbuchtung, innerhalb welcher sich die Elektrodenverbunde 5 befinden. Die beiden umgeschlagenen Pouchfolienstücke 3a1, 3a2 überlappen hierbei in einem Bereich, welcher sich insbesondere mittig der feuchtigkeitsdurchlässigen Pouchfolie 3 befindet und sind der Länge L nach zusammengefügt, insbesondere versiegelt, sodass eine durchgehende mittige Längsnaht 14b gebildet ist und die Taschen 12 insbesondere vollständig abgedichtet sind. Alternativ ist die Längsnaht 14b an einer beliebigen anderen Stelle angeordnet.
  • Die feuchtigkeitsdurchlässige Pouchfolie 3 weist Ausnehmungen 33 auf, welche beispielsweise halbkreisförmig ausgebildet sind. Alternativ können die Ausnehmungen 33 auch eine beliebige andere Form aufweisen.
  • Die Ausnehmungen 33 der feuchtigkeitsdurchlässigen Pouchfolie 3 liegen nach dem Umschlagen der Pouchfolienstücke 3a1, 3a2 auf den miteinander verbundenen Anodenkontaktfahnen 7 und Kathodenkontaktfahnen 8. Durch die Ausnehmungen 33 ist ein direkter Kontakt zu den Anodenkontaktfahnen 7 und Kathodenkontaktfahnen 8 möglich, sodass diese kontaktiert werden können.
  • Die Quernähte 14a reichen um die Ausnehmungen 33 herum, sodass diese ebenfalls eingesiegelt und somit dicht sind.
  • In 3c ist eine dritte Variante eines Batteriezellsystems 1 dargestellt.
  • Im Unterschied zu der in 3a dargestellten ersten Ausführungsform des Batteriezellsystems 1 sind die Elektrodenverbunde 5 um 90° gedreht, sodass diese an deren langen Elektrodenverbund-Seitenbreiten nebeneinander angeordnet sind. Die Anodenkontaktfahnen 7 und die Kathodenkontaktfahnen 8 der Elektrodenverbunde 5 sind auf sich gegenüberliegenden Seiten des Elektrodenverbunds 5 angeordnet. Die Anodenkontaktfahne 7 eines Elektrodenverbundes 5 ist an einen Niederstromtab 9 kontaktiert, die Kathodenkontaktfahne 8 eines benachbarten Elektrodenverbundes 5 ist an den selben Niederstromtab 9 kontaktiert. Der Niederstromtab 9 ist so angeordnet, dass er über eine erste Seitenlänge L1 der feuchtigkeitsdurchlässige Pouchfolie 3 übersteht. Der Niederstromtab 9 dient dem Spannungsabgriff der Anodenkontaktfahne 7 und der Kathodenkontaktfahne 8. Die Anodenkontaktfahnen 7 und die Kathodenkontaktfahnen 8 liegen in der Quernaht 14a der feuchtigkeitsdurchlässigen Pouchfolie 3, sodass diese beispielsweise zumindest teilweise mit eingesiegelt sind. Der Niederstromtab 9 ist in einem Bereich in welchem dieser an den Pouchfolienhälften 3a, 3b anliegt, durch die Längsnaht 14b mit eingesiegelt.
  • In jeder der in den 3a-3c dargestellten Varianten der Batteriezellsysteme 1 können die Elektrodenverbunde 5 auch um 90° gedreht sein wobei die Kontaktfahnen 7, 8 ihre Ausrichtung beibehalten und so vorliegen, wie in den 3a-3c dargestellt.
  • In 4 ist eine erste Ausführungsform eines erfindungsgemäßen Batteriemoduls 100 dargestellt. Das Batteriemodul 100 umfasst ein Batteriezellsystem 1 gemäß 3a, welches zwei Pouchzellen 10 aufweist. Die zwei Pouchzellen 10 stehen beispielhaft für eine beliebige Anzahl an Pouchzellen 10. Die Pouchzellen 10 sind von einer feuchtigkeitsdurchlässigen und elektrolytundurchlässigen Pouchfolie 3 umgeben. Das Batteriemodul 100 umfasst eine bewegungsflexible Umhüllung 20, welche eine hermetische Feuchtigkeitsbarriere darstellt.
  • Die Umhüllung 20 umhüllt das gesamte Batteriezellsystem 1 sowie einen Spannungsabgriff, welcher in Form von Ausgleichsleitungen 39 für das Balancing ausgeführt ist, die die Spannung der Batteriezellen 10 des Batteriezellsystems 1 abgreifen. Das Zellüberwachungssystem CSC, welches von den Ausgleichsleitungen 39 elektrisch kontaktiert wird, ist in 4 nicht dargestellt. Desweiteren sind die Kathodenkontaktfahne 8 der einen Pouchzelle 10 und die Anodenkontaktfahne der anderen Pouchzelle 10 über einen Zellverbinder 22 elektrisch miteinander verbunden. In 4 ist nur die Kathodenkontaktfahne 8 sichtbar sowie ein Teil des Zellverbinders 22.
  • Die Zellverbinder der äußeren Kontaktfahnen 7, 8 der äußeren Pouchzellen 10 des Batteriemoduls 100 sind in Form von Modulverbindern 222 ausgeführt, über welche eine elektrische Verbindung zu einem nächsten Batteriemodul 100 oder zu einem Ein- bzw. Ausgang eines Batteriepacks bzw. einer Batterie hergestellt werden kann.
  • Bei der vorliegenden Erfindung ist unter einem Batteriepack eine Einheit zu verstehen, welche zumindest zwei Batteriemodule 100 umfasst. Eine Batterie kann lediglich ein Batteriemodul 100 umfassen oder alternativ ein oder mehrere Batteriepacks.
  • Die Zellverbinder 22 und die Modulverbinder 222 sind an Ausgleichsleitungen 39 für das Balancing, die beispielsweise in Form von Flachbandkabeln ausgeführt sind, angebracht. Alternativ oder zusätzlich sind die Kontaktfahnen 7, 8 an die Ausgleichsleitungen 39 angebracht. Die Ausgleichsleitungen 39 werden beispielsweise an die Kontaktfahnen 7, 8 angeschweißt. Sie werden mit einem Zellüberwachungssystems CSC verbunden und sorgen so für eine gleichmäßige Spannung aller Pouchzellen 10 innerhalb des Batteriemoduls 100 Die Pouchzellen 10 sind beispielsweise miteinander in Reihe geschaltet. Die Umhüllung 20 ist der Länge L nach in Richtung des Batteriezellsystems 1 umgeschlagen, sodass eine erste Umhüllungshälfte 20a und eine zweite Umhüllungshälfte 20b vorliegen. Die offenen Enden der Umhüllung 20 sind der Länge L nach und der Breite B nach zur Abdichtung miteinander verbunden, insbesondere miteinander versiegelt oder verschweißt, sodass Modul-Längsnähte 140b und Modul-Quernähte 140a ausgebildet sind. Hierbei sind auch die Modulverbinder 222, und beispielsweise die Ausgleichsleitungen 39, in einem Bereich in welchem diese an den Enden der Pouchfolienhälften 3a, 3b anliegen, mit eingesiegelt bzw. mit eingeschweißt.
  • Die Umhüllung 20 liegt beispielsweise aufgrund eines erzeugten Unterdrucks, insbesondere aufgrund eines erzeugten Vakuums, an dem Batteriezellsystem 1 mit Spannungsabgriff an. Alternativ oder zusätzlich haftet die Umhüllung beispielsweise mittels eines Klebstoffes an dem Batteriezellsystem 1. Alternativ oder zusätzlich ist die Umhüllung 20 beispielsweise eine Schrumpffolie. Die Umhüllung umfasst beispielsweise ein Trockenmittel.
  • In 5 sind die Schritte A-G zur Herstellung, Faltung und Integration des Batteriemoduls gemäß 4 in ein Modulgehäuse dargestellt. Der Vollständigkeit halber sind die Schritte A-C dargestellt, obwohl diese bereits in der Beschreibung zu 4 beschrieben sind. Nachdem die Umhüllung 20 um das Batteriezellsystem 1 und dessen Spannungsabgriff gelegt ist und diese durch Versiegeln oder Verschweißen der offen Enden der Umhüllung 20 feuchtigkeitsdicht umgibt, wird das Batteriemodul 100, gefaltet. In 5 sind die Abbildungen D-G in einer um 90° gedrehten, seitlichen Ansicht dargestellt. In Schritt D ist das Batteriemodul 100 der Länge nach angeordnet. Die Pouchzellen 10 heben sich von den diese verbindenden Bereichen, umfassend die feuchtigkeitsdurchlässige Pouchfolie 3 und die Umhüllung 20, ab. In Schritt E ist die Faltung des Batteriemoduls 100 dargestellt. Hierbei werden die Umhüllung 20 und die feuchtigkeitsdurchlässige Pouchfolie 3 jeweils zwischen den in dem Batteriemodul 100 angeordneten miteinander zusammenhängenden Pouchzellen 10 in einer zick-zack-Faltung gefaltet, sodass nach jeder Pouchzelle 10 eine Faltung vorliegt. Alternativ liegt nicht nach jeder Pouchzelle 10 eine Faltung vor, sondern jeweils nach einer beliebigen Anzahl an Pouchzellen 10. In Schritt F ist das Batteriemodul 100 vollständig gefaltet, sodass die Pouchzellen 10 aufeinander gestapelt vorliegen. Die Modulverbinder 222 weisen jeweils in die gleiche Richtung. Je nach Anzahl an Pouchzellen 10 in dem Batteriemodul 100 weisen die Modulverbinder 222 in sich gegenüber liegende Richtungen. In Schritt G werden die gefaltete Batteriemodule 100 in ein Batteriegehäuse 50 eingebracht. Die Modulverbinder 222 sind hierbei mit einem elektrischen Anschluss des Batteriegehäuse 50 elektrisch leitend verbunden.
  • In 6 ist ein vertikaler Schnitt durch Pouchzellen 10 eines Batteriezellsystems 1 eines erfindungsgemäßen Batteriemoduls 100 in einer zweiten Ausführungsform dargestellt. Die Anzahl der dargestellten Pouchzellen 10 des Batteriemoduls 100 steht beispielhaft für eine beliebige Anzahl an Pouchzellen 10. Die Pouchzellen 10 sind von einer feuchtigkeitsdurchlässigen Pouchfolie 3 umgeben, welche in der vergrößerten Darstellung links unten zu sehen ist. Das Batteriemodul 100 umfasst eine bewegungsflexible Umhüllung 20, welche eine hermetische Feuchtigkeitsbarriere darstellt. Die Umhüllung 20 umhüllt das gesamte Batteriezellsystem 1 sowie einen Spannungsabgriff, welcher beispielsweise in Form von Ausgleichsleitungen 39, die die Anodenkontaktfahnen 7 und die Kathodenkontaktfahnen 8 des Batteriezellsystems 1 kontaktieren, ausgeführt ist. In einer zusätzlichen oder alternativen Ausführungsform sind die Ausgleichsleitungen 39 elektrisch leitend mit einem Zellverbinder 22 verbunden.
  • Jeweils zwei benachbarte Pouchzellen 10 des Batteriezellsystems 1 weisen mit deren Kontaktfahnen 7, 8 aufeinander zu und sind elektrisch miteinander kontaktiert. Das Batteriezellsystem 1 wird so gefaltet, dass die Seiten der Pouchzellen 10, an welchen die Kontaktfahnen 7, 8 angeordnet sind nach oben geklappt werden und die Seiten der Pouchzellen 10, welche entgegengesetzt der Kontaktfahnen 7, 8 liegen, nach unten geklappt werden. Auf diese Weise sind die Kontaktfahnen 7, 8 aller Pouchzellen 10 auf einer Oberseite angeordnet. Die Faltung erfolgt jeweils zwischen den Pouchzellen 10, sodass die feuchtigkeitsdurchlässige Pouchfolie 3 und die Umhüllung 20 des Batteriemoduls 100 nach jeder Pouchzelle 10 des Batteriesystems 1 eine Faltung aufweisen. Die Pouchzellen 10 werden beispielsweise parallel miteinander verschaltet. Alternativ werden die Pouchzellen 10 in Reihe geschaltet. Hierbei binden beispielsweise Zellverbinder 22, die Anodenkontaktfahnen 7 elektrisch an die Kathodenkontaktfahnen 8 an. Bei der ersten und bei der letzten Pouchzelle 10 stellt beispielsweise ein Modulverbinder, beispielsweise in Form einer Anodenkontaktfahne oder einer Kathodenkontaktfahne, einen elektrischen Anschluss zum Batteriepack oder zu der Batterie her.
  • In 7 ist der Zusammenbau eines erfindungsgemäßen Batteriemoduls 100 in einer dritten Ausführungsform dargestellt. Das Batteriemodul 100 umfasst zwei Batteriezellsysteme 1 gemäß 3a.
  • In Schritt AA wird zunächst ein erstes Batteriezellsystem 1a bereitgestellt. In Schritt BB wird ein zweites Batteriezellsystem 1b so neben dem ersten Batteriezellsystem 1a angeordnet, dass die Kontaktfahnen 7, 8 der beiden Batteriezellsysteme 1a, 1b aufeinander zu weisen. Die Pouchzellen 10 des ersten Batteriezellsystems 1a liegen hierbei leicht versetzt zu den Pouchzellen 10 des zweiten Batteriezellsystems 1b. Anschließend wird je eine Kathodenkontaktfahne 8 einer ersten Pouchzelle 10a eines ersten Batteriezellsystems 1a mit einer Anodenkontaktfahne 7 einer ersten Pouchzelle 10a eines zweiten Batteriezellsystems 1b elektrisch kontaktiert. Die Anodenkontaktfahne 7 der ersten Pouchzelle 10a des ersten Batteriezellsystems 1a wird wiederum mit der Kathodenkontaktfahne 8 der zweiten Pouchzelle 10b des zweiten Batteriezellsystems 1b elektrisch kontaktiert. Auf diese Weise werden alle Kontaktfahnen 7, 8 der Batteriezellsysteme la, 1b elektrisch miteinander verbunden. Die elektrische Kontaktierung erfolgt beispielsweise durch Schweißen, insbesondere Laserschweißen oder Widerstandsschweißen. In einer nicht in 7 dargestellten Variante können auch Zellverbinder zur elektrischen Verbindung der Kontaktfahnen 7, 8 der beiden Batteriezellsysteme 1 dienen. Die Pouchzellen 10 werden in einer bevorzugten Ausführungsform beispielsweise an deren Quernähten 14a, entlang der in Schritt AA angedeuteten Pfeilrichtung in Schritt BB, zusammengeschoben bzw. eingefaltet, sodass das Batteriezellsystem 1 weniger Platz einnimmt.
  • In Schritt CC werden an jedes miteinander elektrisch verbundene Kontaktfahnenpaar Ausgleichsleitungen 39 für das Blancing, beispielsweise in Form von Flachbandkabeln, angebracht. Die Ausgleichsleitungen 39 werden beispielsweise an die Kontaktfahnen 7, 8 angeschweißt. Sie werden mit dem Zellüberwachungssystems CSC verbunden. In der Figur zu Schritt CC ist bereits ein möglicher nächster Schritt DD mittels Pfeilen angedeutet. Der Verbindungskanal 46, umfassend die Kontaktfahnen 7, 8, eventuelle Zellverbinder und die Ausgleichsleitungen 39, wird zwischen die miteinander verbundenen Batteriezellsysteme la, 1b gefaltet, sodass diese von oben, wie in Schritt DD dargestellt, kaum mehr zu sehen sind. Desweiteren werden die Ausgleichsleitungen 39 mit dem Zellüberwachungssystem 53 verbunden und auch das Zellüberwachungssystem CSC wird an die Pouchzellen 10 herangeklappt. Auf diese Weise wird ein platzoptimiertes Batteriemodul 100 erhalten. Die in der Figur zu Schritt DD beschriebenen Schritte sind optional. In Schritt EE wird dann eine Umhüllung 20 um das Batteriemodul 100 angebracht, welches dieses feuchtigkeitsdicht einschließt. Hierfür wird die Umhüllung 20 beispielsweise um das Batteriemodul 100 herum gelegt und die zwei Enden der Umhüllung 20, wie in Schritt EE dargestellt, nach oben geklappt. Schließlich werden die offenen Enden der Umhüllung 20 miteinander verbunden.
  • In 8a ist ein erfindungsgemäßes Batteriemodul 100 in einer vierten Ausführungsform dargestellt. Das Batteriemodul 100 umfasst ein erstes Batteriezellsystem la, ein zweites Batteriezellsystem 1b, ein drittes Batteriezellsystem 1c und ein viertes Batteriezellsystem 1d. Das erste und das zweite Batteriezellsystem la, 1b sind gemäß 7 miteinander verbunden und das dritte und das vierte Batteriezellsystem 1c, 1d sind ebenfalls gemäß 7 miteinander verbunden. Das erste und das zweite Batteriezellsystem la, 1b und das dritte und das vierte Batteriezellsystem 1c, 1d sind auf eine Weise gefaltet, dass die Anodenkontaktfahnen 7 und die Kathodenkontaktfahnen 8 der Pouchzellen 10 sowie der in 8a nicht dargestellte Spannungsabgriff nach oben weisen und die jeweils gegenüber der Kontaktfahnen 7, 8 liegenden Seiten der Pouchzellen 10 der Batteriezellsysteme la, 1b, 1c, 1d aufeinander zu nach unten geklappt sind.
  • Das erste und das zweite Batteriezellsystem la, 1b sind mit dem dritten und vierten Batteriezellsystem 1c, 1d über einen flexiblen Zellverbinder 22 physisch verbunden. Hierzu ist der flexible Zellverbinder 22 jeweils an einer Kontaktfahne 7, 8 einer der äußersten Pouchzellen 10 der Batteriezellsysteme 1a und 1c angebracht. Der flexible Zellverbinder 22 ist beispielsweise ein verlängerter Zellverbinder 22. Auf der jeweils anderen Seite der Batteriezellsysteme 1b und 1d, welche dem flexiblen Zellverbinder 22 fern liegen, ist jeweils ein Modulverbinder 222 an die äußerste Kontaktfahne 7,8 des zweiten Batteriezellsystems 1b und des vierten Batteriezellsystems 1d angebracht.
  • Um die Batteriezellsysteme la, 1b, 1c und 1d ist eine nicht dargestellte Umhüllung 20 angebracht, insbesondere nach einer Faltung gemäß 8b. Lediglich die Modulverbinder 222 stehen beispielsweise aus der Umhüllung hervor.
  • In einer alternativen Ausführungsform bilden die Batteriezellsysteme 1a und 1b ein erstes Batteriemodul und die Batteriezellsysteme 1c und 1d ein zweites Batteriemodul. Um jedes der Batteriemodule ist eine separate Umhüllung 20 gemäß 7 angebracht. Lediglich die Modulverbinder 222 und der flexible Zellverbinder 22 stehen beispielsweise aus der Umhüllung 20 hervor.
  • In 8b liegen die Batteriezellsysteme 1a, 1b, 1c, 1d gemäß 8a in einem gefalteten Zustand vor. Die Batteriezellsysteme 1c und 1d sind an dem flexiblen Zellverbinder 22 um eine Vertikalachse gefaltet, sodass das erste Batteriezellsystem 1a und das dritte Batteriezellsystem 1c aneinander anliegen. Um die Batteriezellsysteme la, 1b, 1c und 1d ist eine nicht dargestellte Umhüllung 20 angebracht. Lediglich die Modulverbinder 222 stehen beispielsweise aus der Umhüllung hervor.
  • In einer alternativen Ausführungsform bilden die Batteriezellsysteme 1a und 1b ein erstes Batteriemodule 100 und die Batteriezellsysteme 1c und 1d ein zweites Batteriemodul 100. Um jedes der Batteriemodule 100 ist eine separate Umhüllung 20 gemäß 7 angebracht. Lediglich die Modulverbinder 222 und der flexible Zellverbinder 22 stehen beispielsweise aus der Umhüllung hervor.
  • In 9 ist ein Batteriemodul 100 gemäß 8b dargestellt. In durch die Faltung entstandene Zwischenräume der Batteriezellsysteme 1a, 1b, 1c, 1d sind L-förmige Kühlbleche 57 eingebacht, welche eine große Fläche 57a und eine um 90° abgewinkelte kleine Fläche 57b aufweisen. In der zu 8b beschriebenen alternativen Ausführungsform, in welcher die Umhüllung 20 jeweils zwei Batteriezellsysteme la, 1b und 1c, 1d separat umhüllt, sind die L-förmigen Kühlbleche 57 beispielsweise außerhalb der Umhüllung 20 zwischen jeweils zwei Batteriezellsystemen 1b, 1a und 1c, 1d angeordnet, sodass die größere, nach oben weisende Fläche 57b der Kühlbleche 57 beiderseits an die Umhüllung 20 angrenzt und die kleinere Seitenfläche 57a der Kühlbleche 57 an dem Bereich der Umhüllung 20 angeordnet ist, welche eine Unterseite der Pouchzellen 10 umhüllt. Zudem sind auch in dem Spalt zwischen den beiden Batteriemodulen 100 L-förmige Kühlbleche 57 angeordnet.
  • In der Ausführungsform, in welcher die Umhüllung 20 die Batteriezellsysteme 1a, 1b, 1c, 1d zusammen umhüllt, sind die L-förmigen Kühlbleche 57 beispielsweise innerhalb der Umhüllung 20 angeordnet, sodass sich diese zwischen der feuchtigkeitsdurchlässigen Pouchfolie 3 der Pouchzellen 10 und der Umhüllung 20 befinden. Die Umhüllung 20 ist in 9 nicht dargestellt.
  • Die Anordnung der L-förmigen Kühlbleche 57 ist in 9 beispielhaft dargestellt, alternativ kann die Anzahl und die Position der L-förmigen Kühlbleche 57 variieren. In einer Ausführungsform ist beispielsweise nur ein einziges L-förmiges Kühlblech 57 angeordnet. Die L-förmigen Kühlbleche 57 umfassen beispielsweise Aluminium, Carbon oder Kupfer, insbesondere ein Aluminiumblech oder eine Aluminiumfolie. In einer alternativen Ausführungsform sind die Kühlbleche 57 nicht L-förmig ausgeführt sondern U-förmig.
  • In 10 ist beispielhaft eine kontinuierliche Produktionslinie zur Anbringung der Umhüllung 20 um Batteriemodule 100, beispielsweise gemäß der 7, 8 und 9 mit mehreren Spuren dargestellt. In 10a ist ein erstes Batteriemodul 100a, ein hinter diesem liegendes zweites Batteriemodul 100b, ein neben dem ersten Batteriemodul 100a liegendes drittes Batteriemodul 100c und ein hinter dem dritten Batteriemodul 100c liegendes viertes Batteriemodul 100d dargestellt. Ein Teil des zweiten Batteriemoduls 100b ist in einer vergrößerten Darstellung dargestellt. Zwischen dem ersten 100a und dem zweiten Batteriemodul 100b und zwischen dem dritten 100c und dem vierten Batteriemodul 100d ist jeweils beispielsweise eine Pouchzellen-Länge Platz gelassen. Dieser Platz dient später zum Schneiden der Umhüllung 20 zwischen den einzelnen Batteriemodulen 100a-100d und beispielsweise zur Anbringung einer Leiterplatte (PCB). Die Batteriemodule 100a-100d und deren, nicht in 10 dargestellter, Spannungsabgriff liegen in diesem Produktionsschritt bereits zwischen der Umhüllung 20. Das heißt die Batteriemodule 100a-100d sind bereits auf einer ersten Hälfte der Umhüllung 20 angeordnet und eine zweite Hälfte der Umhüllung 20 liegt bereits auf den Batteriemodulen 100a-100d auf. Zur anschaulicheren Darstellung ist die Umhüllung 20 in 10 nicht eingezeichnet. Die Batteriemodule bewegen sich in der Produktionslinie der Länge L nach. Gleichzeitig werden die beiden Hälfen der Umhüllung nun an deren Enden und zwischen den Batteriemodulen 100a-100d zusammengefügt, beispielsweise durch Siegeln oder Schweißen, insbesondere Wärmekontaktschweißen und/oder Kleben, sodass um jedes Batteriemodul 100a-100d eine feuchtigkeitsundurchlässige Umhüllung angebracht ist.
  • Zur gleichen Zeit wird an den Verbindungskanälen 46, umfassend die Kontaktfahnen 7, 8, und beispielsweise die nicht dargestellten Zellverbinder und die Ausgleichsleitungen, ein Unterdruck angelegt, insbesondere ein Vakuum gezogen, sodass die Umhüllung 20 auf die Verbindungskanäle 46 aufgeschrumpft wird und eng an diesen anliegt.
  • In 11a ist eine frontale Ansicht auf die Breite B der Produktionslinie gemäß 10 dargestellt. In 11a ist beispielhaft eine breitere Produktionslinie als in 10 dargestellt. In 11a liegen vier Batteriemodule 100, 100a, 100c nebeneinander. Am Ende des Batteriemoduls 100c und zwischen den beiden Batteriemodulen 100c und 100a, sowie zwischen Batteriemodul 100c und einem weiteren Batteriemodul 100 sowie zwischen weiteren Batteriemodulen 100 werden die Lagen der Umhüllung 20 und die sich unter diesen befindlichen Lagen feuchtigkeitsdurchlässiger Pouchfolie 3 miteinander versiegelt. Die Versiegelung erfolgt mittels kontinuierlich siegelnder Siegelwalzen 60. Währenddessen wird die Umhüllung 20 an den Verbindungskanälen 46 aufgeschrumpft. Alternativ können diese Schritte auch nacheinander ablaufen.
  • In 11b ist eine seitliche Ansicht einer Schrittabfolge entlang der Schnittkante K-K' der Produktionslinie gemäß 11a dargestellt. In die Produktionslinie werden beispielsweise endlose Batteriezellsysteme 1 eingegeben. In einem ersten Schritt AAA werden die Pouchzellen 10 des Batteriezellsystems 1, welche später eines der Batteriemodule 100 bilden, zusammengeschoben, sodass deren Quernähte 14a eingefaltet vorliegen. Hierbei können die Pouchzellen 10 auch miteinander verklebt werden. In einem zweiten Schritt BBB wird der Produktionslinie eine erste Umhüllungshälfte 20a zugeführt, auf welcher die Pouchzellen 10 aufliegen. In einem weiteren Schritt CCC wird der Produktionslinie eine zweite Umhüllungshälfte 20b zugeführt, welche auf den Pouchzellen 10 aufliegt. In einem Schritt DDD wird die Umhüllung 20 zwischen zwei Batteriemodulen 100 der Breite nach mittels einer Siegelvorrichtung 62 gesiegelt. In 10 entspricht diese Siegelnaht der Versiegelung der Breite B nach. In einem Schritt EEE wird die Umhüllung 20 der Länge L des endlosen Batteriezellsystems 1 nach durch die kontinuierlich siegelnden Siegelwalzen 60 versiegelt, sodass eine Siegelnaht zwischen den späteren Batteriemodulen 100 vorliegt. In einem Schritt FFF wird die Umhüllung 20 jeweils nach einem Batteriemodul 100 geschnitten, sodass die einzelnen Batteriemodule 100 nicht mehr miteinander über die Umhüllung 20 verbunden sind und je ein Batteriemodul 100 allseitig dicht von der feuchtigkeitsundurchlässigen Umhüllung 20 umgeben ist.
  • ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Claims (20)

  1. Batteriemodul (100), umfassend zumindest ein Batteriezellsystem (1) mit zumindest zwei Batteriezellen (11), insbesondere Pouchzellen (10), dadurch gekennzeichnet, dass das Batteriemodul (100) eine bewegungsflexible Umhüllung (20) aufweist, welche eine hermetische Feuchtigkeitsbarriere darstellt, die das gesamte Batteriezellsystem (1) sowie den Spannungsabgriff des Batteriemoduls (100) umhüllt, wobei die einzelnen Batteriezellen (11) eine feuchtigkeitsdurchlässige Verpackung, insbesondere eine feuchtigkeitsdurchlässige Pouchfolie (3), aufweisen.
  2. Batteriemodul (100) nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Umhüllung (20) eine Verbundfolie ist, welche ein Aluminium umfasst.
  3. Batteriemodul (100) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Umhüllung (20) aufgrund eines erzeugten Unterdrucks, insbesondere aufgrund eines erzeugten Vakuums, an dem Batteriezellsystem (1) mit Spannungsabgriff anliegt.
  4. Batteriemodul (100) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Umhüllung (20) mittels eines Klebstoffes an dem Batteriezellsystem (1) haftet.
  5. Batteriemodul (100) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Umhüllung (20) eine Schrumpffolie ist.
  6. Batteriemodul (100) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Umhüllung (20) ein Trockenmittel umfasst
  7. Batteriemodul (100) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass Enden der Umhüllung (20) zur Abdichtung miteinander versiegelt oder verschweißt sind.
  8. Batteriemodul (100) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Batteriezellsystem (1) eine feuchtigkeitsdurchlässige Pouchfolie (3) und zumindest zwei Elektrodenverbunde (5) umfasst, wobei ein Elektrodenverbund (5) zumindest eine Anode mit zumindest einer Anodenkontaktfahne (7) und zumindest eine Kathode mit zumindest einer Kathodenkontaktfahne (8) umfasst, und wobei die feuchtigkeitsdurchlässige Pouchfolie (3) voneinander separierte, insbesondere nebeneinander liegende, Taschen (12) zum Einbringen zumindest je eines Elektrodenverbunds (5) bildet, sodass jede Tasche (12) mit Elektrodenverbund (5) eine Pouchzelle (10) bildet, und wobei die Taschen (12) elektrolytundurchlässig sind und insbesondere im Betriebszustand des Batteriemoduls (100), physisch über die feuchtigkeitsdurchlässige Pouchfolie (3) faltbar miteinander verbunden sind.
  9. Batteriemodul (100) nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass die Anodenkontaktfahnen (7) und die Kathodenkontaktfahnen (8) jeweils auf der gleichen Seite der Taschen (12) der Pouchzellen, insbesondere versetzt zueinander oder auf einander gegenüberliegenden Seiten der Taschen (12) der Pouchzellen, über die Tasche (12) hinaus überstehen.
  10. Batteriemodul (100) nach einem der Ansprüche 8 oder 9, dadurch gekennzeichnet, dass die feuchtigkeitsdurchlässige Pouchfolie (3) und insbesondere die Umhüllung (20) jeweils zwischen den in dem Batteriemodul (100) angeordneten miteinander zusammenhängenden Pouchzellen (10) gefaltet ist, insbesondere in einer zick-zack-Faltung, sodass insbesondere nach jeder Pouchzelle (10) eine Faltung vorliegt.
  11. Batteriemodul (100) nach einem der Ansprüche 8 bis 10, dadurch gekennzeichnet, dass die Kontaktfahnen (7, 8) jeweils zwei nebeneinander liegender Pouchzellen (10) des selben Batteriezellsystems (1a, 1b) aufeinander zu weisen und elektrisch miteinander verbunden sind, und dass die feuchtigkeitsdurchlässige Pouchfolie (3), und insbesondere die Umhüllung (20) des Batteriemoduls (100), nach jeder Pouchzelle (10) des Batteriesystems (1) eine Faltung aufweist.
  12. Batteriemodul (100) nach einem der Ansprüche 8 oder 9, dadurch gekennzeichnet, dass je eine Anodenkontaktfahne (7) eines ersten Batteriezellsystems (la) mit einer Kathodenkontaktfahne (8) eines gegenüberliegenden, zweiten Batteriezellsystems (1b) elektrisch kontaktiert ist und je eine Anodenkontaktfahne (7) des zweiten Batteriezellsystems (1b) mit einer Kathodenkontaktfahne (8) eines gegenüberliegenden, ersten Batteriezellsystems (la) elektrisch kontaktiert ist.
  13. Batteriemodul (100) nach Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet, dass das erste Batteriezellsystem (la) und das zweite Batteriezellsystem (1b) auf eine Weise gefaltet sind, dass die Anodenkontaktfahnen (7) und die Kathodenkontaktfahnen (8) der Elektrodenverbunde (5) und der Spannungsabgriff nach oben weisen und die jeweils gegenüber der Kontaktfahnen (7, 8) liegenden Seiten der Elektrodenverbunde (5) der Batteriezellsysteme (1a, 1b) aufeinander zu nach unten geklappt sind.
  14. Batteriemodul (100) nach einem der vorhergehenden Ansprüche umfassend zumindest vier Batteriezellsysteme (1a, 1b, 1c, 1d), dadurch gekennzeichnet, dass das erste und das zweite Batteriezellsystem (1a, 1b) mit dem dritten und vierten Batteriezellsystem (1c, 1d) physisch über einen flexiblen Zellverbinder (22) verbunden sind.
  15. Batteriemodul nach Anspruch 14, dadurch gekennzeichnet, dass das dritte und vierte Batteriezellsystem (1c, 1d) an dem flexiblen Zellverbinder (22) um eine Vertikalachse gefaltet sind, sodass das erste Batteriezellsystem (la) und das dritte Batteriezellsystem (1c) aneinander anliegen.
  16. Batteriemodul (100) nach einem der Ansprüche 1-15, dadurch gekennzeichnet, dass das Batteriemodul (100) zumindest ein L-förmiges Kühlblech (57) aufweist, welches insbesondere zwischen den, insbesondere gefalteten, Pouchzellen (10), insbesondere nach jeder Faltung, angeordnet ist, und welches sich insbesondere innerhalb der Umhüllung (20) befindet.
  17. Batteriemodul (100) nach Anspruch 16, dadurch gekennzeichnet, dass das, insbesondere L-förmige, Kühlblech (57) ein Aluminium, insbesondere ein Aluminiumblech, ein Carbon und/oder ein Kupfer umfasst.
  18. Verfahren zur Herstellung eines Batteriemoduls nach einem der Ansprüche 1-17 umfassend zumindest ein Batteriezellsystem (1), wobei eine bewegungsflexible Umhüllung (20), welche eine hermetische Feuchtigkeitsbarriere darstellt, um das zumindest eine Batteriezellsystem (1) sowie um den Spannungsabgriff (22) des Batteriemoduls (100) angebracht wird, insbesondere durch Versiegeln, Kleben Schweißen, insbesondere Wärmekontaktschweißen und/oder Aufschrumpfen der Umhüllung (20).
  19. Batterie, insbesondere Lithiumionen-Batterie, umfassend zumindest ein Batteriemodul (100) nach einem der Ansprüche 1-17.
  20. Verwendung einer Batterie nach Anspruch 19 in einem Elektrofahrzeug, in einem Hybridfahrzeug oder in einem Plug-In-Hybridfahrzeug.
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