DE102019109472A1

DE102019109472A1 - Batterie mit Halteeinrichtung sowie Kraftfahrzeug

Info

Publication number: DE102019109472A1
Application number: DE102019109472.0A
Authority: DE
Inventors: Bernd Nurtsch; Thorsten Stark
Original assignee: Bayerische Motoren Werke AG
Current assignee: Bayerische Motoren Werke AG
Priority date: 2019-04-10
Filing date: 2019-04-10
Publication date: 2020-10-15

Abstract

Die Erfindung betrifft Batterie (2) für ein Kraftfahrzeug aufweisend eine Vielzahl von Batteriezellen (1) in Form von Rundzellen mit jeweils einem Zellwickel (4) und einer Umhüllung (3), in welcher der Zellwickel (4) angeordnet ist, wobei die Umhüllungen (3) der Rundzellen als zylinderförmige Kunststoffhüllen ausgebildet sind und die Batterie (2) eine wabenförmige Stützstruktur (14) mit einer Vielzahl von parallel zueinander angeordneten Wabenkammern (15) zum Aufnehmen von jeweils einer Rundzelle aufweist, wobei dazu in jede Wabenkammer (15) jeweils eine Kunststoffhülle mit einem Zellwickel (4) eingeschoben ist und wobei die wabenförmige Stützstruktur (15) dazu ausgelegt ist, die Batteriezellen (1) zu halten und eine Stabilität der Batterie (2) zu erhöhen. Die Erfindung betrifft außerdem ein Kraftfahrzeug.

Description

Die Erfindung betrifft eine Batterie für ein Kraftfahrzeug aufweisend eine Vielzahl von Batteriezellen in Form von Rundzellen mit jeweils einem Zellwickel und einer Umhüllung, in welcher der Zellwickel angeordnet ist. Die Erfindung betrifft außerdem ein Kraftfahrzeug mit einer Batterie.
Vorliegend richtet sich das Interesse auf wiederaufladbare Batterien bzw. Akkumulatoren, welche beispielsweise als Traktionsbatterien im Antriebsstrang elektrisch antreibbarer Kraftfahrzeuge, beispielsweise Elektro- oder Hybridfahrzeuge, eingesetzt werden können. Solche Batterien weisen üblicherweise eine Vielzahl von miteinander verschalteten Batteriezellen auf. Die Batteriezellen können beispielsweise prismatische Batteriezellen mit flachquaderförmigen Zellgehäusen oder Rundzellen mit zylindrischen Zellgehäuse sein. Die Zellgehäuse von prismatischen Batteriezellen und Rundzellen, in welchen ein galvanisches Element der Batteriezellen angeordnet ist, sind üblicherweise aus einem starren, mechanisch stabilen Material, beispielsweise Aluminium, ausgebildet. Zum Ausbilden von Traktionsbatterien müssen eine Vielzahl von Batteriezellen bereitgestellt und miteinander verschaltet werden, wodurch sich ein Gewicht der Batterie aufgrund der Zellgehäuse der Batteriezellen erhöht. Darüber hinaus werden die Batteriezellen üblicherweise zum Befestigen und zum Schützen der Batteriezellen bei einer unfallbedingten bzw. crashbedingten Kraftbeaufschlagung in starren schweren Batteriegehäusen angeordnet und/oder mittels starrer, schwerer Zellmodulrahmen verspannt. Dies führt zu einer weiteren, unerwünschten Gewichtsteigerung der Batteriezellen.
Aus dem Stand der Technik sind auch Pouch-Zellen bzw. Coffeebag-Zellen bekannt, welche anstelle eines starren Zellgehäuses eine Umhüllung in Form von einer flexiblen, dünnen Folie aufweisen. So weist die Verwendung von Pouch-Zellen anstelle von prismatischen Zellen oder Rundzellen zunächst einen Gewichtsvorteil auf. Durch die dünne Folie sind die Zellen generell empfindlich gegenüber mechanischen Beschädigungen und werden daher bei der Verwendung in Traktionsbatterien wieder in massiven Außengehäusen zusammengefasst. Dabei geht ein Teil des Gewichtvorteiles wieder verloren.
Es ist Aufgabe der vorliegenden Erfindung, eine besonders gewichtsarme und stabile Batterie für ein Kraftfahrzeug bereitzustellen.
Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß durch eine Batterie sowie ein Kraftfahrzeug mit den Merkmalen gemäß den jeweiligen unabhängigen Patentansprüchen gelöst. Vorteilhafte Ausführungen der Erfindung sind Gegenstand der abhängigen Patentansprüche, der Beschreibung sowie der Figuren.
Eine erfindungsgemäße Batterie für ein Kraftfahrzeug weist eine Vielzahl von Batteriezellen in Form von Rundzellen mit jeweils einem Zellwickel und einer Umhüllung, in welcher der Zellwickel angeordnet ist, auf. Die Umhüllungen der Rundzellen sind als zylinderförmige Kunststoffhüllen ausgebildet, in welchen jeweils ein Zellwickel angeordnet ist. Die Batterie weist eine wabenförmige Stützstruktur mit einer Vielzahl von parallel zueinander angeordneten Wabenkammern zum Aufnehmen von jeweils einer Rundzelle auf, wobei dazu in jede Wabenkammer jeweils eine Kunststoffhülle mit einem Zellwickel eingeschoben ist und wobei die wabenförmige Stützstruktur dazu ausgelegt ist, die Batteriezellen zu halten und eine Stabilität der Batterie zu erhöhen.
Die Batterie kann als eine Traktionsbatterie für ein elektrisch antreibbares Kraftfahrzeug eingesetzt werden. Bei einem Kraftfahrzeug in Form von einem Personenkraftwagen kann die Batterie als eine Hochvoltbatterie ausgebildet sein. Bei einem Kraftfahrzeug in Form von einem Motorrad kann die Batterie auch als eine Niedervoltbatterie ausgebildet sein. Die Batteriezellen der Batterie sind wiederaufladbare Rundzellen. Die Rundzellen weisen einen Zellwickel auf. Der Zellwickel ist eine zu einer zylinderförmigen Rolle aufgewickelte Elektroden-Separator-Anordnung aus folienförmigen Elektroden und einem folienförmigen Separator. Der Zellwickel, welcher auch als Jelly Roll bezeichnet wird, ist jedoch nicht, wie bei Rundzellen gemäß dem Stand der Technik, in einer Umhüllung in Form von einem mechanisch stabilen, metallischen, zylindrischen Zellgehäuse, sondern in einer Umhüllung in Form einer zylindrischen Kunststoffhülle angeordnet. Die Kunststoffhülle ist insbesondere gasdicht ausgebildet und weist einen Innenraum auf, in welchem der Zellwickel angeordnet ist. Umhüllungen aus Kunststoff sind deutlich leichter als Umhüllungen aus Metall, sodass die Batteriezelle ein besonders geringes Gewicht aufweist.
Diese Kunststoffrundzellen sind nun auf die Wabenkammern der Stützstruktur verteilt. Die Stützstruktur ist ein gerüstartiges, insbesondere einteiliges Wabengebilde bzw. Wabenskelett mit einer Vielzahl von Wabenkammern bzw. sechskantigen Wabenzellen. Die Wabenkammern sind dabei umwandete Hohlräume, welche sich parallel zueinander erstrecken. In diese Hohlräume können die Batteriezellen eingeführt bzw. eingesteckt werden und dort gehalten werden. Jede Batteriezelle wird somit zumindest entlang ihrer Längsrichtung von einer Wand der jeweiligen Wabenkammer umgeben. Durch das Anordnen der Rundzellen in den sechskantigen Wabenkammern entstehen sich in Längsrichtung erstreckende Lücken zwischen den Rundzellen und Wänden der Wabenkammern. Aufgrund dieser Lücken können sich die Batteriezellen im Betrieb ausdehnen. Elektrische Kontakte der Batteriezellen in Form von Ableitern oder Zellterminals, welche mit den Elektroden der Batteriezellen verbunden sind, können zum Verschalteten der Batteriezellen der Batterie aus den Wabenkammern herausgeführt werden.
Beispielsweise können die Wabenkammern als sechskantige Sacklöcher ausgebildet sein, in welche die Rundzellen eingeführt sind. Die Stützstruktur ist also einseitig verschlossen. Auch kann vorgesehen sein, dass die Wabenkammern zumindest einseitig mit einer Abdeckung abgedeckt sind, wobei die Ableiter bzw. Zellterminals der Rundzellen zum Verschalten der Rundzellen zumindest einseitig durch die Abdeckung hindurch aus den Wabenkammern hinausragen. Beispielsweise kann die Abdeckung als Vergussmasse ausgebildet sein. Die Stützstruktur kann also beidseitig verschlossen werden, sodass die Stützstruktur einen die Batteriezellen umschließenden Block ausbildet.
Es kann vorgesehen sein, dass die Stützstruktur aus Aluminium und/oder Kunststoff gebildet ist. Sowohl Aluminium als auch Kunststoff weisen ein geringes Gewicht auf, sodass die Batterie besonders gewichtssparend ausgebildet werden kann. Die Stützstruktur übernimmt dabei die Funktion eines mechanisch stabilen Zellgehäuses für die Rundzellen. Im Falle eines Aufpralls bzw. Crashs des Kraftfahrzeugs, durch welchen Aufprallenergie in die Batterie eingeleitet wird, kann die Stützstruktur dies Aufprallenergie aufnehmen und die Batteriezellen vor einer Zerstörung schützen. Beispielsweise kann die Stützstruktur zumindest in den Bereichen, welche, je nach Einbaulage der Batterie im Kraftfahrzeug, der Kraftbeaufschlagung besonders ausgesetzt sind, zum Erhöhen einer Stabilität der Stützstruktur, ein metallisches Material, beispielsweise Aluminium, aufweisen.
Durch das Anordnen der Zellwickel in leichten Kunststoffhüllen und das Anordnen der Kunststoffhüllen in den Wabenkammern kann eine besonders gewichtsarme und trotzdem stabile Batterie für ein Kraftfahrzeug bereitgestellt werden.
Bevorzugt sind die Kunststoffhüllen zum Halten der Rundzellen in der Stützstruktur mit Wänden der Wabenkammern verklebt. Die Batteriezellen sind also durch das Verkleben stoffschlüssig mit den Wänden der Wabenkammern verbunden. Hierdurch kann in vorteilhafter Weise ein Herausrutschen der Batteriezellen aus den Wabenkammern verhindert werden.
Es kann vorgesehen sein, dass die Batterie ein Batteriegehäuse aufweist, in welchem die mit den Batteriezellen bestückte Stützstruktur angeordnet ist. Durch das Batteriegehäuse kann die Stabilität der Batterie weiter erhöht werden. Das Batteriegehäuse der Batterie kann beispielsweise kastenförmig ausgebildet sein und einen plattenförmigen Gehäuseboden, einen plattenförmigen Gehäusedeckel sowie vier plattenförmige, einen Gehäusemantel bildende Gehäusewände aufweisen. Der Gehäuseboden, der Gehäusedeckel und der Gehäusemantel umschließen einen Innenraum, in welchem die Batteriezellen angeordnet sind. Das Batteriegehäuse kann beispielsweise aus Aluminium gebildet sein. Die Stützstruktur ist dabei derart in dem Batteriegehäuse angeordnet, dass sich die Wabenkammern parallel zum Gehäusemantel erstrecken. Im Falle eines Aufpralls auf das Batteriegehäuse, beispielsweise durch ein bodennahes, eine Bodenfreiheit des Kraftfahrzeugs überschreitendes Hindernis, kann es sein, dass das Batteriegehäuse komprimiert wird, indem das Hindernis den Gehäuseboden mit einer Kraft beaufschlagt. Um diese Kompression zu verringern, kann die Stützstruktur den Gehäusedeckel gegenüber dem Gehäuseboden abstützen. Die Stützstruktur verhindert also eine zu starke Kompression des Batteriegehäuses, indem sie die Aufprallenergie auf die vielen Wände der Wabenkammern verteilt und absorbiert. Die Stützstruktur bildet somit einen Abstandshalter zwischen dem Gehäuseboden und dem Gehäusedeckel. Die Stützstruktur bildet hierdurch einen mittragenden Innenaufbau des Batteriegehäuses, durch welchen eine Zerstörung der in den Wabenkammern angeordneten Batteriezellen in vorteilhafter Weise verhindert werden kann.
In einer Ausführungsform der Erfindung sind die Kunststoffhüllen als Schlauchbeutel aus einer Kunststofffolie ausgebildet. Der Schlauchbeutel bildet ein hohles, dünnwandiges, leicht verformbares bzw. flexibles Säckchen, welches zur Aufnahme des Zellwickels ausgelegt ist. Der Schlauchbeutel weist dabei eine längliche, sich in einer Längsrichtung erstreckende Form auf, welcher eine zylindrische Außenseite des Zellwickels umgibt. Die Batteriezelle ist durch den Schlauchbeutel insbesondere zapfenförmig bzw. patronenartig ausgebildet. Der Schlauchbeutel ist dabei als ein Kunststoffbeutel aus einer Kunststofffolie ausgebildet. Durch das Fehlen eines starren Zellgehäuses weisen die Batteriezellen in vorteilhafter Weise ein besonders geringes Gewicht auf.
In einer Weiterbildung der Erfindung sind mit Elektroden des Zellwickels verbundene Ableiter, welche Zellterminals der Rundzellen ausbilden, über eine verschließbare Öffnung des Schlauchbeutels, über welche der Zellwickel in den Schlauchbeutel eingeführt ist, aus dem Schlauchbeutel herausgeführt. Die Öffnung ist zum Ausbilden einer fluiddichten Umhüllung verschlossen. Die Ableiter können beispielsweise als flexible Kontaktfahnen ausgebildet sein und an einer Seite des Schlauchbeutels über die Öffnung aus diesem herausgeführt sein. Jede Batteriezelle weist dabei zwei Ableiter auf, wobei ein Ableiter ein positives Zellterminal bildet und mit einer positiven Elektrode des Zellwickels verbunden ist und ein Ableiter ein negatives Zellterminal bildet und mit einer negativen Elektrode des Zellwickels verbunden ist. Zum Herstellen der Batteriezelle wird beispielsweise die gerollte Elektroden-Separator-Anordnung mit den verbundenen Ableitern über die Öffnung in den Schlauchbeutel eingeführt. Außerdem wird über die Öffnung zum Ausbilden des Zellwickels ein flüssiger Elektrolyt zum Tränken des Separators in den Schlauchbeutel eingebracht. Dann wird die Öffnung verschlossen, beispielsweise verschweißt. Durch das fluiddichte Abschließen der Umhüllung kann ein Auslaufen des Elektrolyten verhindert werden.
In einer anderen Ausführungsform sind die Kunststoffhüllen als Kunststoffdosen mit jeweils einem Deckel ausgebildet sind, welcher mit Elektroden des Zellwickels elektrisch verbundene Zellterminals der Batteriezellen und ein Entgasungselement aufweist. Die mit dem jeweiligen Deckel verschlossenen Kunststoffdosen bilden starre, gewichtsarme und leicht zu befüllende sowie zu verschließende Zellgehäuse für die Zellwickel aus. Der Deckel weist die Zellterminals auf, welche beispielsweise mit den flexiblen Ableitern der Zellwickel verbunden werden können. Außerdem weist der Deckel das Entgasungselement auf, welches beispielsweise als eine von einer Berstmembran verschlossene Öffnung in dem Deckel ausgebildet sein kann. Die Berstmembran gibt die Öffnung für eine Notentgasung, beispielsweise bei einem zellinternen Kurzschluss frei, wenn der in dem Zellgehäuse auftretende Innendruck einen Berstdruck der Berstmembran überschreitet und die Berstmembran berstet. Vorzugsweise ist der Deckel als ein die Kunststoffdose dicht abschließender, in eine Zugangsöffnung der Kunststoffdose einsteckbarer Pfropfen bzw. Stöpsel ausgebildet. Ein Einsteckbereich des Deckels, welcher zum Verschließen die Zugangsöffnung eingesteckt wird, weist insbesondere einen größeren Durchmesser auf als die Zugangsöffnung. Der Einsteckbereich kann beispielsweise aus Gummi gebildet sein, sodass er sich beim Einstecken stauchen lässt und in die Zugangsöffnung der Kunststoffdose einpresspar ist. Ein die Zugangsöffnung umgebender Rand der Kunststoffdose weist eine Wulst zum Halten des Pfropfens auf. Durch die Wulst kann die Kunststoffdose mit dem daran anliegenden Pfropfen auf besonders einfache Weise dichtgehalten werden.
Zur Erfindung gehört außerdem ein Kraftfahrzeug mit einer erfindungsgemäßen Batterie. Das Kraftfahrzeug ist insbesondere als ein elektrisch antreibbarer Personenkraftwagen oder als ein elektrisch antreibbares Motorrad ausgebildet und weist die Batterie als Traktionsbatterie auf.
Die mit Bezug auf die erfindungsgemäße Batterie vorgestellten Ausführungsformen und deren Vorteile gelten entsprechend für das erfindungsgemäße Kraftfahrzeug.
Weitere Merkmale der Erfindung ergeben sich aus den Ansprüchen, der Figuren und der Figurenbeschreibung. Die vorstehend in der Beschreibung genannten Merkmale und Merkmalskombinationen sowie die nachfolgend in der Figurenbeschreibung genannten und/oder in den Figuren alleine gezeigten Merkmale und Merkmalskombinationen sind nicht nur in der jeweils angegebenen Kombination, sondern auch in anderen Kombinationen oder in Alleinstellung verwendbar.
Die Erfindung wird nun anhand eines bevorzugten Ausführungsbeispiels sowie unter Bezugnahme auf die Zeichnungen erläutert.
Es zeigen:

1 eine schematische Darstellung einer Ausführungsform einer Batteriezelle; und
2 eine schematische Darstellung einer Batterie.

In den Figuren sind gleiche sowie funktionsgleiche Elemente mit den gleichen Bezugszeichen versehen.
1 zeigt eine Batteriezelle 1 für eine Batterie 2, welche in 2 gezeigt ist und welche als Traktionsbatterie für ein elektrisch antreibbares Kraftfahrzeug verwendbar ist. Die Batteriezelle 1 weist eine Umhüllung 3 in Form von einer Kunststoffhülle auf, in welcher ein Zellwickel 4 anordenbar ist. Der Zellwickel 4 ist als eine zylinderförmige Jelly Roll ausgebildet und weist zwei Ableiter 5, 6 auf, welche mit Elektroden des Zellwickels 4 verbunden sind. Die Kunststoffhülle ist hier aus einer Kunststoffdose 7 und einem Deckel 8 ausgebildet. Alternativ dazu kann die Kunststoffhülle als ein Schlauchbeutel aus einer flexiblen Kunststofffolie ausgebildet sein. Der Deckel 8 ist als ein Pfropfen bzw. Stöpsel ausgebildet, welcher in eine Zugangsöffnung 9 der Kunststoffdose 7 einpressbar ist. Die Kunststoffdose 7 weist am Rand der Zugangsöffnung 9 eine Wulst 10 auf, durch welche der Deckel 8 mit der Kunststoffdose 7 eine gasdichte Verbindung eingehen kann. Der Deckel 8 weist außerdem zwei Zellterminals 11, 12 auf, wobei ein erstes Zellterminal 11 mit einem ersten Ableiter 5 verbundbar ist und ein zweites Zellterminal 12 mit einem zweiten Ableiter 6 verbindbar ist. Über die Zellterminals 11, 12 können mehrere Batteriezellen 1 miteinander verschaltet werden. Der Deckel 8 weist außerdem ein Entgasungselement 13, beispielsweise eine Berstmembran, auf, über welches ein im Schadensfall in der Umhüllung 3 entstehendes Heißgas in die Umgebung entweichen kann.
Um die Batteriezellen 1, deren Zellwickel 4 nicht von mechanisch stabilen Metallgehäusen sondern nur von Kunststoffhüllen umgeben sind, schützen zu können, sind die Batteriezellen 1 in einer Stützstruktur 14 angeordnet. Die Stützstruktur 14 weist eine Vielzahl von parallelen Wabenkammern 15 auf, wobei in jeder Wabenkammer 15 jeweils eine Batteriezelle 1 angeordnet ist. Die Stützstruktur 14, welche hier auf einem Gehäuseboden 16 eines hier nicht gezeigten Batteriegehäuses angeordnet ist, dient dazu, eine Aufprallenergie auf die Batterie 2 aufzunehmen und die Batteriezellen 1 somit vor einer Zerstörung zu schützen. Die Stützstruktur 14 kann beispielsweise aus einem Kunststoff und/oder einem metallischen Werkstoff gebildet sein. Wände 17 der Wabenkammern 15 der Stützstruktur 14 erstrecken sich längs der Umhüllungen 3 der Batteriezellen 1 und umgeben die Batteriezellen 1. Um die Batteriezellen 1 in der Stützstruktur 14 halten zu können, können die Umhüllungen 3 der Batteriezellen 1 an den Wänden 17 der Wabenkammern 15 festgeklebt sein.

Claims

Batterie (2) für ein Kraftfahrzeug aufweisend eine Vielzahl von Batteriezellen (1) in Form von Rundzellen mit jeweils einem Zellwickel (4) und einer Umhüllung (3), in welcher der Zellwickel (4) angeordnet ist, dadurch gekennzeichnet, dass die Umhüllungen (3) der Rundzellen als zylinderförmige Kunststoffhüllen ausgebildet sind und die Batterie (2) eine wabenförmige Stützstruktur (14) mit einer Vielzahl von parallel zueinander angeordneten Wabenkammern (15) zum Aufnehmen von jeweils einer Rundzelle aufweist, wobei dazu in jede Wabenkammer (15) jeweils eine Kunststoffhülle mit einem Zellwickel (4) eingeschoben ist und wobei die wabenförmige Stützstruktur (15) dazu ausgelegt ist, die Batteriezellen (1) zu halten und eine Stabilität der Batterie (2) zu erhöhen.
Batterie (2) nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Kunststoffhüllen zum Halten der Rundzellen in der Stützstruktur (14) mit Wänden der Wabenkammern (15) verklebt sind.
Batterie (2) nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Batterie (2) ein Batteriegehäuse aufweist, in welchem die mit den Batteriezellen (1) bestückte Stützstruktur (14) angeordnet ist.
Batterie (2) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Stützstruktur aus einem Kunststoff und/oder Aluminium ausgebildet ist.
Batterie (2) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Kunststoffhüllen als Schlauchbeutel aus einer Kunststofffolie ausgebildet sind.
Batterie (2) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass mit Elektroden des Zellwickels (4) verbundene Ableiter (5, 6), welche Zellterminals der Rundzellen ausbilden, über eine verschließbare Öffnung des Schlauchbeutels, über welche der Zellwickel (4) in den Schlauchbeutel eingeführt ist, aus dem Schlauchbeutel herausgeführt sind und die Öffnung zum Ausbilden einer fluiddichten Kunststoffhülle verschlossen ist.
Batterie (2) nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass die Kunststoffhüllen als Kunststoffdosen (7) mit jeweils einem Deckel (8) ausgebildet sind, welcher mit Elektroden (5, 6) des Zellwickels (4) elektrisch verbundene Zellterminals (11, 12) der Batteriezelle (1) und ein Entgasungselement (13) aufweist.
Batterie (2) nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass der Deckel (8) als ein die Kunststoffdose (7) dicht abschließender und in eine Zugangsöffnung (10) in die Kunststoffdose (7) einpressbarer Pfropfen ausgebildet ist.
Batterie (2) nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass ein Rand der Zugangsöffnung (10) der Kunststoffdose (7) eine Wulst (9) zum Halten des Pfropfens aufweist.
Kraftfahrzeug mit einer Batterie (2) nach einem der vorhergehenden Ansprüche.