DE102019208003A1 - Battery module - Google Patents

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Abstract

Es wird ein Batteriemodul, umfassend eine Mehrzahl von Batteriezellen (10) und einen die Mehrzahl an Batteriezellen (10) mechanisch fixierenden Modulrahmen (14) beschrieben, wobei die Mehrzahl an Batteriezellen (10) so angeordnet ist, dass die Großflächen zweier zueinander benachbart angeordneter Batteriezellen (10) in physischem Kontakt zueinander stehen, wobei der Modulrahmen (14) derart ausgeführt ist, dass er die einem Stapel, gebildet aus der Mehrzahl der Batteriezellen, abgewandten Großflächen einer ersten und letzten Batteriezelle (10) des Stapels bedeckt, dass er erste Seitenflächen der einen Stapel bildenden Mehrzahl an Batteriezellen (10) bedeckt, und dass er die Deckel- und Bodenflächen, sowie die zweiten Seitenflächen der einen Stapel bildenden Batteriezellen (10) freilässt.A battery module is described, comprising a plurality of battery cells (10) and a module frame (14) mechanically fixing the plurality of battery cells (10), the plurality of battery cells (10) being arranged such that the large areas of two battery cells arranged adjacent to one another (10) are in physical contact with one another, the module frame (14) being designed such that it covers the large areas of a first and last battery cell (10) of the stack facing away from a stack, formed from the plurality of battery cells, so that it covers first side areas covers the plurality of battery cells (10) forming a stack, and that it leaves the cover and bottom surfaces as well as the second side surfaces of the battery cells (10) forming a stack free.

Description

Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf ein Batteriemodul sowie auf ein Verfahren zum Betrieb desselben und dessen Verwendung gemäß dem Oberbegriff der unabhängigen Patentansprüche.The present invention relates to a battery module and to a method for operating the same and its use according to the preamble of the independent claims.

Stand der TechnikState of the art

Heutige Batterien für Elektrofahrzeuge (EV) enthalten eine Vielzahl einzelner Batteriezellen, die in einem oder mehreren Batteriemodulen angeordnet sind. Dazu sind die Batteriezellen in einem Modulrahmen angeordnet und werden mit einer definierten Kraft zusammengepresst. Die dabei aufgebrachte Kraft ist so gewählt, dass die Batteriezellen einerseits die zu ihrem Betrieb nötigen Volumenänderungen ausführen können, andererseits jedoch so fest fixiert sind, dass sie während des Betriebs eines entsprechenden Elektrofahrzeugs vibrationsfrei in dem entsprechenden Modulrahmen fixiert sind. Ein Herauslösen einer einzelnen Batteriezelle, beispielsweise, wenn diese defekt oder stärker gealtert ist als vergleichbare restliche Batteriezellen des Batteriemoduls, ist aufgrund der Fixierung der Batteriezellen nicht möglich. In einem solchen Fall erfolgt im Regelfall ein kompletter Tausch des Batteriemoduls.Today's batteries for electric vehicles (EV) contain a large number of individual battery cells that are arranged in one or more battery modules. For this purpose, the battery cells are arranged in a module frame and are pressed together with a defined force. The force applied is selected so that the battery cells can, on the one hand, carry out the volume changes required for their operation, but on the other hand are fixed so firmly that they are fixed in the corresponding module frame without vibrations during the operation of a corresponding electric vehicle. Detachment of an individual battery cell, for example if it is defective or has aged more than comparable remaining battery cells of the battery module, is not possible due to the fixing of the battery cells. In such a case, the battery module is usually completely replaced.

Unter dem Aspekt eines energieeffizienten Betriebs bzw. einer ausreichenden Betriebssicherheit, werden die Batteriezellen eines derartigen Batteriemoduls üblicherweise mit Hilfe einer externen Kühlvorrichtung temperiert. Dies gilt insbesondere für sogenannte Mitteltemperaturbatterien, die in einem Temperaturbereich von 70-90°C betrieben werden. Die Integration eines derartigen Temperiersystems, vorzugsweise zwischen einzelne Batteriezellen des Batteriemoduls, ist bei dem oben beschriebenen Aufbau nicht auf einfachem Wege realisierbar, da aufgrund des Verpressens der Batteriezellen ein entsprechendes thermisches System durch den Druck verformt werden kann.Under the aspect of energy-efficient operation or sufficient operational reliability, the battery cells of such a battery module are usually temperature-controlled with the aid of an external cooling device. This applies in particular to so-called medium-temperature batteries that are operated in a temperature range of 70-90 ° C. The integration of such a temperature control system, preferably between individual battery cells of the battery module, cannot be easily implemented in the above-described structure, since a corresponding thermal system can be deformed by the pressure due to the pressing of the battery cells.

Darüber hinaus ist es bekannt, bei Lithium-Ionen-Batteriezellen mit höherem Energiegehalt das Prinzip der Nutshell-Batteriezelle anzuwenden. Hierbei stellen wie bei klassischen Knopfzellen zwei Gehäusehälften der Batteriezelle die jeweilige Anoden- bzw. Kathodenableitung der Batteriezelle dar. Im Inneren des Zellgehäuses der Batteriezelle befindet sich dann ein Stapel (Stack) aus Anodenfolien, Kathodenfolien, Separatorfolien und Festkörperelektrolytfolien. Die beiden Gehäusehälften der Nutshell-Batteriezelle sind im Endmontagezustand fest miteinander verbunden, beispielsweise verklebt, und über einen elektrischen Isolator voneinander isoliert.In addition, it is known to use the principle of the nutshell battery cell in lithium-ion battery cells with a higher energy content. As with classic button cells, two halves of the battery cell housing represent the respective anode and cathode discharge lines of the battery cell. Inside the cell housing of the battery cell there is a stack of anode foils, cathode foils, separator foils and solid electrolyte foils. The two housing halves of the Nutshell battery cell are firmly connected to one another in the final assembly state, for example glued, and isolated from one another via an electrical insulator.

Um auch bei diesem Typ einer Batteriezelle Volumenänderungen der Batteriezelle während des Betriebs auffangen zu können, muss das Gehäusevolumen bereits im Ausgangszustand größer gestaltet werden, um volumetrische Veränderungen, beispielsweise der Elektroden der Batteriezelle, in Abhängigkeit von der jeweiligen betriebs- und ladezustandsabhängigen Situation aufzunehmen. Das entsprechende Totvolumen kann auf diese Weise 25% des gesamten Volumens der Batteriezelle entsprechen.In order to be able to absorb volume changes of the battery cell during operation with this type of battery cell, the housing volume must already be made larger in the initial state in order to accommodate volumetric changes, for example of the electrodes of the battery cell, depending on the respective operating and state-of-charge-dependent situation. The corresponding dead volume can in this way correspond to 25% of the total volume of the battery cell.

Diesbezüglich ist aus der DE 10 2012 218 819 A1 ein Batteriemodul mit einer Vielzahl von Batteriezellen bekannt, wobei sich zwischen den Batteriezellen eine Wellenrippenanordnung befindet, welche als Batteriewärmetauscher dient.In this regard, from the DE 10 2012 218 819 A1 a battery module with a plurality of battery cells is known, with a corrugated rib arrangement located between the battery cells, which serves as a battery heat exchanger.

Offenbarung der ErfindungDisclosure of the invention

Gemäß der vorliegenden Erfindung wird ein Batteriemodul, ein Verfahren zum Betrieb desselben und dessen Verwendung mit den kennzeichnenden Merkmalen der unabhängigen Patentansprüche zur Verfügung gestellt.According to the present invention, a battery module, a method for operating the same and its use are provided with the characterizing features of the independent patent claims.

Vorteile der ErfindungAdvantages of the invention

Erfindungsgemäß ist ein Batteriemodul vorgesehen, welches eine Mehrzahl oder Vielzahl an Batteriezellen umfasst sowie einen diese mechanisch fixierenden Modulrahmen. Die Mehrzahl an Batteriezellen umfasst jeweils ein Batteriezellgehäuse, welches jeweils eine die elektrischen Kontakte der Batteriezelle aufweisende Deckelfläche, jeweils eine der Deckfläche gegenüberliegende Bodenfläche, sowie jeweils die Deckelfläche mit der Bodenfläche verbindende Mantelflächen aufweist. Die Mantelflächen des Batteriezellgehäuses umfassen jeweils zwei einander gegenüberliegende Großflächen, sowie jeweils zwei einander ebenfalls gegenüberliegende, die Großflächen miteinander verbindende Seitenflächen.According to the invention, a battery module is provided which comprises a plurality or multiplicity of battery cells and a module frame mechanically fixing them. The plurality of battery cells each comprises a battery cell housing, which each has a cover surface having the electrical contacts of the battery cell, a bottom surface opposite the top surface, and jacket surfaces connecting the cover surface to the bottom surface. The outer surfaces of the battery cell housing each comprise two large surfaces lying opposite one another, as well as two side surfaces which are likewise opposite one another and which connect the large surfaces to one another.

Die Mehrzahl der Batteriezellen bildet dabei einen Stapel aus Batteriezellen, wobei jeweils die Großflächen zweier benachbart zueinander angeordneter Batteriezellen in physischem Kontakt miteinander stehen. Erfindungsgemäß ist der Modulrahmen nun derart ausgeführt, dass er die endständigen Großflächen der einen Stapel ausbildenden Batteriezellen bedeckt bzw. umfasst oder in physischem Kontakt mit diesen steht, wobei die endständigen Großflächen denjenigen Großflächen der jeweils ersten bzw. letzten Batteriezelle des durch die Batteriezellen gebildeten Stapels entsprechen, welche dem Stapel abgewandt angeordnet sind.The majority of the battery cells form a stack of battery cells, the large areas of two battery cells arranged adjacent to one another being in physical contact with one another. According to the invention, the module frame is now designed in such a way that it covers or encompasses the terminal large areas of the battery cells forming a stack or is in physical contact with them, the terminal large areas corresponding to those large areas of the first and last battery cells of the stack formed by the battery cells , which are arranged facing away from the stack.

Weiterhin bedeckt der Modulrahmen erste Seitenflächen der einen Stapel ausbildenden Batteriezellen, wobei die ersten Seitenflächen der Batteriezellen benachbart zueinander angeordnet sind und eine erste Seitenfläche des Stapels aus Batteriezellen bilden. Weiterhin ist der Modulrahmen derart ausgeführt, dass er insbesondere die Deckelflächen und die Bodenflächen der Batteriezellen des Stapels freilässt. Ebenfalls lässt der Modulrahmen insbesondere die zweiten Seitenflächen der einen Stapel bildenden Batteriezellen frei.Furthermore, the module frame covers first side surfaces of the battery cells forming a stack, the first side surfaces of the battery cells being arranged adjacent to one another and form a first side surface of the stack of battery cells. Furthermore, the module frame is designed in such a way that it leaves the top and bottom surfaces of the battery cells of the stack free. The module frame also leaves the second side surfaces of the battery cells forming a stack free.

Der Vorteil eines derart ausgeführten Batteriemoduls besteht darin, dass aufgrund der Tatsache, dass der verwendete Modulrahmen neben den Deckel- und den Bodenflächen der einen Stapel bildenden Batteriezellen auch zweite Seitenflächen der Batteriezellen freilässt, eine einfache Bestückung des Modulrahmens mit einer Mehrzahl an Batteriezellen, beispielsweise in Form eines Stapels, möglich ist. Zu einem späteren Zeitpunkt ermöglicht ein derart ausgeführter Modulrahmen auf einfache Weise einen Austausch, beispielsweise defekter oder vorzeitig gealterter Batteriezellen. Aufgrund der vereinfachten Ausführung des Modulrahmens lässt sich dieser weiterhin mit einem geringeren Gewicht und auf eine kostengünstige Weise darstellen.The advantage of a battery module designed in this way is that, due to the fact that the module frame used, in addition to the cover and bottom surfaces of the battery cells forming a stack, also leaves second side surfaces of the battery cells free, the module frame can be easily equipped with a plurality of battery cells, for example in Form of a stack, is possible. At a later point in time, a module frame designed in this way enables replacement of, for example, defective or prematurely aged battery cells in a simple manner. Due to the simplified design of the module frame, it can still be represented with a lower weight and in a cost-effective manner.

Weitere vorteilhafte Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung sind Gegenstand der Unteransprüche.Further advantageous embodiments of the present invention are the subject of the subclaims.

So ist es von Vorteil, wenn der Modulrahmen C-förmig, E-förmig oder S-förmig in einer Aufsicht auf den Modulrahmen ausgeführt ist. Dies bedeutet, dass der verwendete Modulrahmen in einem horizontal verlaufenden Schnitt einen C-förmigen, einen E-förmigen bzw. einen S-förmigen Schnittverlauf aufzeigt. Der Vorteil dieser Ausführungsform besteht darin, dass bei einer C-förmigen Ausführung der Stapel an Batteriezellen auf drei Seiten umfasst und somit mechanisch zuverlässig fixiert werden kann.So it is advantageous if the module frame is C-shaped, E-shaped or S-shaped in a plan view of the module frame. This means that the module frame used shows a C-shaped, an E-shaped or an S-shaped cut in a horizontal section. The advantage of this embodiment is that, in the case of a C-shaped design, the stack of battery cells encompasses three sides and can thus be mechanically reliably fixed.

Der Vorteil einer E-förmigen bzw. einer S-förmigen Ausführungsform des Modulrahmens besteht darin, dass der Stapel aus Batteriezellen in einen ersten Teilstapel, umfassend eine erste Anzahl an Batteriezellen, und einen zweiten Teilstapel, umfassend eine zweite Anzahl an Batteriezellen, aufgeteilt wird, wobei der erste Teilstapel an Batteriezellen in einem ersten Bereich des E-förmig bzw. S-förmig ausgeführten Modulrahmens von drei Seiten umfasst und somit mechanisch gehaltert wird und der zweite Teilstapel an Batteriezellen in jeweils einem zweiten Bereich des E-förmig bzw. S-förmig ausgeführten Modulrahmens von drei Seiten umfasst und somit ebenfalls mechanisch gehaltert wird. Auf diese Weise wird die mechanische Fixierung der einen Stapel bildenden Batteriezellen weiter verbessert.The advantage of an E-shaped or an S-shaped embodiment of the module frame is that the stack of battery cells is divided into a first partial stack, comprising a first number of battery cells, and a second partial stack, comprising a second number of battery cells, The first sub-stack of battery cells in a first area of the E-shaped or S-shaped module frame encompasses from three sides and is thus mechanically supported and the second sub-stack of battery cells in a second area of the E-shaped or S-shaped executed module frame from three sides and is thus also mechanically supported. In this way, the mechanical fixing of the battery cells forming a stack is further improved.

Weiterhin ist von Vorteil, wenn der Modulrahmen bei Ausführung in einer E-förmigen Ausführungsform einen mittleren Schenkel aufweist, der bei Betrachtung in einer Aufsicht eine Symmetrieachse in Form einer Drehachse des E-förmig ausgeführten Modulrahmens beinhaltet, und der eine höhere mechanische Steifigkeit, als die beidseitig davon ausgehenden zwei Außenstege bildenden Außenschenkel des E-förmig ausgeführten Modulrahmens aufweist. Ebenfalls vorteilhaft ist es, wenn der Modulrahmen bei einer Ausgestaltung in einer S-förmigen Ausführungsform einen mittleren Schenkel aufweist, der bei einer Aufsicht gleichzeitig ein Symmetriezentrum in Form eines Drehpunktes des S-förmig ausgeführten Modulrahmens beinhaltet, und der eine höhere mechanische Steifigkeit aufweist als sich daran jeweils anschließende, Außenstege bildende Außenschenkel.It is also advantageous if the module frame, when executed in an E-shaped embodiment, has a middle leg which, when viewed from above, contains an axis of symmetry in the form of an axis of rotation of the E-shaped module frame, and which has a higher mechanical rigidity than the on both sides therefrom extending two outer webs forming outer legs of the E-shaped module frame. It is also advantageous if the module frame in an S-shaped embodiment has a central leg which, when viewed from above, also contains a center of symmetry in the form of a pivot point of the S-shaped module frame, and which has a higher mechanical rigidity than itself adjoining outer legs that form outer webs.

Der Vorteil eines mittleren Schenkels mit einer höheren mechanischen Steifigkeit, verglichen mit den sich jeweils an den mittleren Schenkel anschließenden Außenschenkeln geringerer mechanischer Steifigkeit, besteht darin, dass der dabei resultierende federnde Charakter der Außenschenkel dazu führt, dass die zwischen dem mittleren Schenkel und den jeweils federnden Außenschenkeln jeweils positionierten ersten und zweiten Teilstapel an Batteriezellen mit einer Federkraft durch die Außenschenkel beaufschlagt gehaltert und somit mechanisch gut fixiert sind.The advantage of a middle leg with a higher mechanical rigidity compared to the outer legs of lower mechanical rigidity that adjoin the middle leg is that the resulting resilient character of the outer legs leads to the fact that the between the middle leg and the respectively resilient Outer legs each positioned first and second partial stacks of battery cells with a spring force acted upon by the outer legs are held and thus mechanically well fixed.

Gemäß einer weiteren vorteilhaften Ausführungsform der vorliegenden Erfindung ist bei einer Ausführungsform des Modulrahmens in einer E-förmigen Ausführung oder einer S-förmigen Ausführung der durch einen ersten Teilbereich des Modulrahmens fixierte Teilstapel an Batteriezellen durch Batteriezellen einer ersten Bauart gebildet und der in einem zweiten Teilbereich des Modulrahmens mechanisch fixierte zweite Teilstapel an Batteriezellen aus Batteriezellen einer zweiten Bauart gebildet. In diesem Fall unterscheiden sich die Batteriezellen erster Bauart von den Batteriezellen zweiter Bauart hinsichtlich ihrer Ausführungsform. Beispielsweise ermöglicht diese Vorgehensweise den gleichzeitigen Einsatz von Energiespeicherzellen, beispielsweise eines ersten Teilstapels an Batteriezellen und einen hohen Stromfluss bei Bedarf zur Verfügung stellender Leistungszellen eines zweiten Teilstapels an Batteriezellen.According to a further advantageous embodiment of the present invention, in an embodiment of the module frame in an E-shaped version or an S-shaped version, the sub-stack of battery cells fixed by a first sub-area of the module frame is formed by battery cells of a first type and the sub-stack of the Module frame mechanically fixed second partial stacks of battery cells formed from battery cells of a second type. In this case, the battery cells of the first type differ from the battery cells of the second type with regard to their embodiment. For example, this procedure enables the simultaneous use of energy storage cells, for example a first partial stack of battery cells and power cells of a second partial stack of battery cells that provide a high current flow when required.

Weiterhin können auch im Bereich des ersten Teilstapels sogenannte Nutshell-Batteriezellen eingesetzt werden und in einem zweiten Teilstapel prismatische Batteriezellen. Darüber hinaus besteht die Möglichkeit, einen ersten Teilstapel an Batteriezellen durch Lithium-Ionen-Batteriezellen zu realisieren und den zweiten Teilstapel an Batteriezellen durch Batteriezellen, deren Wirkmechanismus auf dem Transport einer anderen Ionensorte als Lithiumionen, wie beispielsweise Natriumionen oder Aluminiumionen, beruht.Furthermore, so-called nutshell battery cells can also be used in the area of the first partial stack and prismatic battery cells in a second partial stack. In addition, there is the possibility of implementing a first partial stack of battery cells using lithium-ion battery cells and the second partial stack of battery cells using battery cells whose mechanism of action is based on the transport of an ion type other than lithium ions, such as sodium ions or aluminum ions.

Gemäß einer besonders vorteilhaften Ausführungsform der vorliegenden Erfindung weist das Batteriemodul zusätzlich eine Temperiervorrichtung auf. Diese lässt sich besonders einfach in das erfindungsgemäße Batteriemodul integrieren. Dies beruht darauf, dass beispielsweise mehrere Modulrahmen vorgesehen sind und die Zwischenräume zwischen den Modulrahmen dazu genutzt werden können, ein Temperiermittel leitendes System, beispielsweise in Form von ein Temperiermittel leitenden Leitungen oder Temperierplatten zu positionieren.According to a particularly advantageous embodiment of the present invention, the battery module additionally has a temperature control device. This can be integrated particularly easily into the battery module according to the invention. This is based on the fact that, for example, several module frames are provided and the spaces between the module frames can be used to position a temperature control medium conducting system, for example in the form of a temperature control medium conducting lines or temperature control plates.

Besonders vorteilhaft ist es, ein erstes Temperiersystem in Form eines Kühlsystems vorzusehen, wobei dieses fluidleitend zwischen ersten Modulrahmen des Batteriemoduls vorgesehen ist und ein zweites Temperiersystem vorzusehen, welches beispielsweise als Heizsystem ausgeführt ist und das fluidleitend zwischen zweiten Modulrahmen des Batteriemoduls positioniert ist. Auf diese Weise können die Batteriezellen des Batteriemoduls sowohl in Kontakt mit einem als Kühlsystem ausgelegten Temperiersystem stehen, als auch mit einem als Heizsystem ausgelegten Temperiersystem. Dieser Aufbau ermöglicht insbesondere die Verwendung des Batteriemoduls im Bereich von Mitteltemperaturbatterien.It is particularly advantageous to provide a first temperature control system in the form of a cooling system, this being provided in a fluid-conducting manner between the first module frame of the battery module and to provide a second temperature control system, which is designed, for example, as a heating system and which is positioned in a fluid-conducting manner between the second module frame of the battery module. In this way, the battery cells of the battery module can be in contact both with a temperature control system designed as a cooling system and with a temperature control system designed as a heating system. In particular, this structure enables the battery module to be used in the field of medium-temperature batteries.

Gemäß einer weiteren besonders voreilhaften Ausführungsform der vorliegenden Erfindung weist das als Kühlsystem ausgeführte erste Temperiersystem des Batteriemoduls einen ersten Adapter auf und das als Heizsystem ausgelegte zweite Temperiersystem des Batteriemoduls einen zweiten Adapter auf. Dabei gestattet der erste Adapter eine fluidleitende Verbindung mit einer externen Bereitstellungseinheit für ein Kühlmittel und der zweite Adapter eine fluidleitende Verbindung mit einer externen Bereitstellungseinheit für ein Heizmittel. Dabei kann es sich beispielsweise um ein Kühl- oder Heizsystem eines das Batteriemodul bzw. eine entsprechende Batterie umfassenden Kraftfahrzeugs handeln.According to a further particularly advantageous embodiment of the present invention, the first temperature control system of the battery module, designed as a cooling system, has a first adapter and the second temperature control system, designed as a heating system, of the battery module has a second adapter. The first adapter allows a fluid-conducting connection to an external supply unit for a coolant and the second adapter allows a fluid-conducting connection to an external supply unit for a heating medium. This can be, for example, a cooling or heating system of a motor vehicle comprising the battery module or a corresponding battery.

Der erste und der zweite Adapter sind vorzugsweise so ausgeführt, dass der erste Adapter alternativ auch eine Anbindung des Kühlsystems des Batteriemoduls an eine externe Bereitstellungeinheit für ein Heizmittel gestattet und der zweite Adapter alternativ die Anbindung des Heizsystems des Batteriemoduls an eine externe Bereitstellungeinheit für ein Kühlmittel ermöglicht. Der Vorteil dieser Ausführungsform besteht darin, dass das Batteriemodul beispielsweise nach einem gewissen Zeitraum derart an eine externe Bereitstellungseinheit für ein Kühlmittel bzw. an eine externe Bereitstellungseinheit für ein Heizmittel angeschlossen werden kann, dass das bis dahin als Kühlsystem fungierende erste Temperiersystem des Batteriemoduls ab diesem Zeitpunkt als Heizsystem des Batteriemoduls fungiert und dass das bis dahin als Heizsystem des Batteriemoduls fungierende zweite Temperiersystems des Batteriemoduls ab diesem Zeitpunkt als Kühlsystem des Batteriemoduls fungiert.The first and second adapters are preferably designed so that the first adapter alternatively also allows the cooling system of the battery module to be connected to an external supply unit for a heating medium and the second adapter alternatively enables the heating system of the battery module to be connected to an external supply unit for a coolant . The advantage of this embodiment is that the battery module can be connected to an external supply unit for a coolant or to an external supply unit for a heating medium, for example after a certain period of time, in such a way that the first temperature control system of the battery module, which has been functioning as a cooling system until then, from this point in time acts as the heating system of the battery module and that the second temperature control system of the battery module, which until then has acted as the heating system of the battery module, acts as the cooling system of the battery module from this point in time.

Der Vorteil besteht darin, dass die Batteriezellen des Batteriemoduls nun hinsichtlich ihrer thermischen Belastung veränderten Einflüssen unterworfen sind und es somit nicht, bedingt durch einseitige Temperiereinflüsse über einen langen Zeitraum, zu einer einseitigen Belastung und somit zu einer einseitigen Alterung der Batteriezellen innerhalb des Batteriemoduls kommt.The advantage is that the battery cells of the battery module are now subject to changed influences with regard to their thermal load and therefore, due to one-sided temperature influences over a long period of time, there is no one-sided loading and thus one-sided aging of the battery cells within the battery module.

Weiterhin ist Gegenstand der vorliegenden Erfindung ein Verfahren zum Betrieb eines Batteriemoduls, wobei das Verfahren darauf beruht, dass das Batteriemodul während eines ersten Zeitraums so mit einer externen Bereitstellungseinheit für ein Kühlmittel und einer externen Bereitstellungseinheit für ein Heizmittel fluidleitend verbunden ist, dass ein erstes Temperiersystem des Batteriemoduls reversibel mit der Bereitstellungseinheit für ein Kühlmittel und ein zweites Temperiersystem des Batteriemoduls reversibel mit der externen Bereitstellungseinheit für ein Heizmittel fluidleitend verbunden ist und dass in einem zweiten Zeitraum umgekehrt das erste Temperiersystem des Batteriemoduls mit der externen Bereitstellungseinheit für ein Heizmittel fluidleitend und reversibel verbunden ist und das zweite Temperiersystem des Batteriemoduls mit der externen Bereitstellungseinheit für Kühlmittel fluidleitend und reversibel verbunden ist.The present invention also relates to a method for operating a battery module, the method being based on the fact that the battery module is fluidly connected to an external supply unit for a coolant and an external supply unit for a heating medium during a first period that a first temperature control system of the The battery module is reversibly connected to the supply unit for a coolant and a second temperature control system of the battery module is reversibly connected to the external supply unit for a heating medium and that, in a second period, the first temperature control system of the battery module is reversibly connected to the external supply unit for a heating medium and reversibly the second temperature control system of the battery module is connected to the external supply unit for coolant in a fluid-conducting and reversible manner.

Das erfindungsgemäße Batteriemodul lässt sich in vorteilhafter Weise verwenden in Kraftfahrzeugen mit elektrischem Antrieb, wie Elektrofahrzeugen, Hybridfahrzeugen oder Plug-in-Hybridfahrzeugen sowie in stationären Stromspeichern und in akkubetriebenen Elektrowerkzeugen.The battery module according to the invention can advantageously be used in motor vehicles with an electric drive, such as electric vehicles, hybrid vehicles or plug-in hybrid vehicles, as well as in stationary power storage devices and in battery-operated power tools.

FigurenlisteFigure list

Ausführungsbeispiele der vorliegenden Erfindung werden anhand der Zeichnung in der nachfolgenden Beschreibung näher erläutert. Es zeigt:

  • 1 eine erste Ausführungsform des erfindungsgemäßen Batteriemoduls in einer schematischen Aufsicht,
  • 2 eine zweite Ausführungsform des erfindungsgemäßen Batteriemoduls in einer schematischen Aufsicht,
  • 3 eine dritte Ausführungsform des erfindungsgemäßen Batteriemoduls in einer schematischen Aufsicht und
  • 4 eine vierte Ausführungsform des erfindungsgemäßen Batteriemoduls in einem schematischen Längsschnitt.
Embodiments of the present invention are explained in more detail in the following description with reference to the drawing. It shows:
  • 1 a first embodiment of the battery module according to the invention in a schematic plan view,
  • 2 a second embodiment of the battery module according to the invention in a schematic plan view,
  • 3 a third embodiment of the battery module according to the invention in a schematic plan view and
  • 4th a fourth embodiment of the battery module according to the invention in a schematic longitudinal section.

In 1 ist ein erfindungsgemäßes Batteriemodul gemäß einer ersten Ausführungsform der Erfindung schematisch verdeutlicht. Das erfindungsgemäße Batteriemodul 100 weist innerhalb eines nicht dargestellten Batteriemodulgehäuses einen Innenraum 12 auf, in dem eine Mehrzahl oder Vielzahl von Batteriezellen 10 positioniert sind. In der vorliegenden 1 sind die Batteriezellen 10 in Form von prismatischen Batteriezellen ausgeführt. Die Erfindung ist jedoch darauf nicht beschränkt, da auch Pouch-Zellen oder sogenannte Nutshell-Batteriezellen geeignet sind.In 1 an inventive battery module according to a first embodiment of the invention is illustrated schematically. The battery module according to the invention 100 has an interior space within a battery module housing (not shown) 12 in which a plurality or multiplicity of battery cells 10 are positioned. In the present 1 are the battery cells 10 executed in the form of prismatic battery cells. However, the invention is not restricted to this, since pouch cells or so-called nutshell battery cells are also suitable.

Die gezeigten prismatischen Batteriezellen umfassen jeweils eine in 1 erkennbare Deckelfläche, auf der die elektrischen Kontakte der Batteriezelle angeordnet sind. Der Deckelfläche gegenüberliegend weisen die prismatischen Batteriezellen 10 eine nicht dargestellte Bodenfläche auf, sowie ebenfalls nicht dargestellte Mantelflächen, die die jeweilige Deckelfläche mit der jeweiligen Bodenfläche verbinden. Die Mantelflächen der Batteriezellen 10 umfassen jeweils zwei einander gegenüberliegende Großflächen und zwei einander ebenfalls gegenüberliegende, die beiden Großflächen miteinander verbindende Seitenflächen. In 1 ist erkennbar, dass die Batteriezellen 10 in einer gestapelten Anordnung vorliegen. Dabei treten die jeweiligen Großflächen der Batteriezellen 10 in physischen Kontakt miteinander.The prismatic battery cells shown each comprise one in 1 recognizable cover surface on which the electrical contacts of the battery cell are arranged. The prismatic battery cells face the cover surface 10 a bottom surface, not shown, as well as jacket surfaces, also not shown, which connect the respective top surface to the respective bottom surface. The outer surfaces of the battery cells 10 each comprise two opposite large surfaces and two mutually opposite side surfaces that connect the two large surfaces to one another. In 1 it can be seen that the battery cells 10 are in a stacked arrangement. The respective large areas of the battery cells occur 10 in physical contact with each other.

Bei den prismatischen Batteriezellen 10 kann es sich beispielsweise um Lithiumionen-Batteriezellen handeln. Grundsätzlich ist aber auch die Verwendung von Batteriezellen, die auf dem Transport anderer Ionen als Lithiumionen beruhen, denkbar. Weiterhin können als Lithiumionen-Batteriezellen Batteriezellen mit einem Flüssigelektrolyten oder Batteriezellen mit einem Festelektrolyten verwendet werden. Das in 1 dargestellte Batteriemodul 100 weist weiterhin eine Mehrzahl von Modulrahmen 14 auf, die die Stapel an Batteriezellen 10 mechanisch fixieren. Die Modulrahmen 14 sind gemäß dem Ausführungsbeispiel in 1, wie in der Aufsicht erkennbar, C-förmig ausgeführt. Dies bedeutet, dass die Modulrahmen 14 im Horizontalschnitt einen C-förmigen Schnittverlauf aufweisen.With the prismatic battery cells 10 it can be lithium ion battery cells, for example. In principle, however, the use of battery cells based on the transport of ions other than lithium ions is also conceivable. Furthermore, battery cells with a liquid electrolyte or battery cells with a solid electrolyte can be used as lithium ion battery cells. This in 1 battery module shown 100 further comprises a plurality of module frames 14th on that the stacks of battery cells 10 fix mechanically. The module frame 14th are according to the embodiment in 1 As can be seen in the top view, C-shaped. This means that the module frame 14th have a C-shaped section in horizontal section.

Dabei umfassen die Modulrahmen 14 jeweils einen Mittelschenkel 14a, der in Stapelrichtung der innerhalb der Modulrahmen 14 gehalterten Batteriezellen 10 ausgerichtet ist und in seiner Längserstreckung der Stapelhöhe der jeweils innerhalb der Modulrahmen 14 gehalterten Batteriezellen 10 entspricht. Am Stapelende des Stapels aus Batteriezellen 10 schließen sich jeweils zwei Außenschenkel 14b an, welche gleichzeitig den Stapel aus Batteriezellen 10 endständig begrenzen. Auf diese Weise werden die beiden Stirnflächen des Stapels aus Batteriezellen 10 und eine Seitenfläche des Stapels aus Batteriezellen 10 vom Modulrahmen 14 insbesondere vollflächig bedeckt und die Batteriezellen 10 auf diese Weise mechanisch fixiert.The module frames include 14th one middle leg each 14a , the one in the stacking direction within the module frame 14th mounted battery cells 10 is aligned and in its longitudinal extent the stack height of each within the module frame 14th mounted battery cells 10 corresponds. At the end of the stack of battery cells 10 two outer legs close each other 14b at the same time the stack of battery cells 10 limit at the end. In this way, the two end faces of the stack are made up of battery cells 10 and a side surface of the stack of battery cells 10 from the module frame 14th in particular completely covered and the battery cells 10 mechanically fixed in this way.

Dazu ist beispielsweise der Mittelschenkel 14a aus einem Material höherer Steifigkeit ausgeführt als die Außenschenkel 14b. Diese weisen bspw. federnde Eigenschaften auf und erlauben somit zum einen die reversible Aufnahme bzw. Entnahme der Batteriezellen 10 aus dem Modulrahmen 14 als auch, bedingt durch deren Federkraft, eine Kraftbeaufschlagung des Stapels aus Batteriezellen 10 im Betrieb. Der Mittelschenkel 14a kann dazu beispielsweise aus einem Material größerer Schichtdicke verglichen mit der Schichtdicke der Außenschenkel 14b ausgeführt sein oder aus einem abweichenden Material.This is for example the middle leg 14a Made of a material that is more rigid than the outer legs 14b . These have, for example, resilient properties and thus, on the one hand, allow the reversible insertion or removal of the battery cells 10 from the module frame 14th as well as, due to their spring force, an application of force to the stack of battery cells 10 operational. The middle leg 14a can, for example, be made from a material with a greater layer thickness compared to the layer thickness of the outer legs 14b be executed or made of a different material.

So kann beispielsweise als Material für die Außenschenkel 14b ein elastisches Polymer oder ein Federstahl gewählt werden, während hingegen der Mittelschenkel 14a aus einer nicht elastischen metallischen oder polymeren Grundplatte gebildet wird. Die Anordnung der Batteriezellen 10 innerhalb des Modulrahmens 14 erlaubt sowohl deren parallele als auch deren serielle elektrische Verschaltung miteinander. Dazu sind die Deckelflächen der Batteriezellen 10 beispielsweise nicht oder im Wesentlichen nicht von Flächen des Modulrahmens 14 überdeckt. Weiterhin sind vorzugsweise auch die Bodenflächen der Batteriezellen 10 innerhalb des Modulrahmens 14 nicht oder im Wesentlichen nicht von Flächen des Modulrahmens 14 abgedeckt. Auch die dem Mittelschenkel 14a gegenüberliegenden Seitenflächen der Batteriezellen 10 sind innerhalb des Modulrahmens 14 nicht von Flächen desselben überdeckt.For example, it can be used as a material for the outer thighs 14b an elastic polymer or a spring steel can be selected, while the middle leg 14a is formed from a non-elastic metallic or polymer base plate. The arrangement of the battery cells 10 within the module frame 14th allows both their parallel and their serial electrical interconnection with one another. These are the cover surfaces of the battery cells 10 for example not or essentially not from surfaces of the module frame 14th covered. Furthermore, the bottom surfaces of the battery cells are also preferred 10 within the module frame 14th not or substantially not from surfaces of the module frame 14th covered. Also the middle thigh 14a opposite side surfaces of the battery cells 10 are within the module frame 14th not covered by surfaces of the same.

Wie in 1 erkennbar, kann eine Vielzahl von Modulrahmen 14 innerhalb des Batteriemoduls 100 positioniert werden. Aufgrund der geometrischen Ausrichtung des Modulrahmens 14 und der darin enthaltenen Batteriezellen 10 lassen sich eine größere Anzahl von Modulrahmen 14 innerhalb des Batteriemoduls 100 platzieren, ohne wesentliche Raumverluste dabei hinnehmen zu müssen. Es ist jedoch vorteilhaft, dass zwischen den einzelnen Modulrahmen 14 Abstände existieren.As in 1 recognizable, can be a variety of module frames 14th inside the battery module 100 be positioned. Due to the geometric alignment of the module frame 14th and the battery cells contained therein 10 can accommodate a larger number of module frames 14th inside the battery module 100 without having to accept significant loss of space. However, it is advantageous that between the individual module frames 14th Gaps exist.

Diese Abstände gestatten zum einen eine Auslenkung der Außenschenkel 14b, beispielsweise bei einer Volumenzunahme bzw. -abnahme der Batteriezellen 10 während des Betriebs, als auch die Integration eines Temperiersystems in das Batteriemodul 100. Im vorliegenden Beispiel umfasst das Batteriemodul 100 zwei Temperiersysteme. Ein erstes Temperiersystem 20 ist beispielsweise als Kühlsystem ausgeführt und ist als fluidleitendes System für ein Kühlmittel ausgeführt. Dabei reichen entsprechende Arme des Temperiersystems 20 in Zwischenräume zwischen einzelne Modulrahmen 14 hinein.On the one hand, these distances permit a deflection of the outer legs 14b , for example when the battery cells increase or decrease in volume 10 during operation as well as the integration of a temperature control system in the battery module 100 . In the present example, the battery module includes 100 two temperature control systems. A first temperature control system 20th is designed, for example, as a cooling system and is designed as a fluid-conducting system for a coolant. Corresponding arms of the temperature control system are sufficient 20th in spaces between individual module frames 14th inside.

Weiterhin ist ein zweites Temperiersystem 22 vorgesehen, das beispielsweise als Heizsystem ausgelegt ist. Dieses ist ebenfalls als fluidleitendes System für ein Heizmittel ausgelegt und dessen Arme bzw. Wärmeplatten greifen alternierend zu den fluidleitenden Einheiten des ersten Temperiersystems 20 ebenfalls in Zwischenräume zwischen den Modulrahmen 14 des Batteriemoduls 100 hinein. Auf diese Weise werden die Batteriezellen 10 im Bereich ihrer ersten Seitenflächen beispielsweise gekühlt und im Bereich ihrer zweiten Seitenflächen beispielsweise beheizt. Auf diese Weise lässt sich die an den Batteriezellen 10 herrschende Temperatur rasch und genau einstellen. Dies ist von besonderem Vorteil bei der Verwendung von Batteriezellen, die eine Betriebstemperatur oberhalb der Raumtemperatur beispielsweise im Mitteltemperaturbereich von 70-90°C aufweisen.There is also a second temperature control system 22nd provided, which is designed for example as a heating system. This is also designed as a fluid-conducting system for a heating means and its arms or heating plates alternately grip the fluid-conducting units of the first temperature control system 20th also in the spaces between the module frames 14th of the battery module 100 inside. In this way the battery cells 10 in the area of their first side surfaces, for example, cooled and in the area of their second side surfaces, for example, heated. In this way, the battery cells 10 Set the prevailing temperature quickly and precisely. This is of particular advantage when using battery cells which have an operating temperature above room temperature, for example in the medium temperature range of 70-90 ° C.

In 2 ist ein Batteriemodul 200 gemäß einer zweiten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung dargestellt. Es bezeichnen weiterhin gleiche Bezugszeichen gleiche Bauteilkomponenten wie in 1.In 2 is a battery module 200 shown according to a second embodiment of the present invention. The same reference symbols also designate the same component components as in FIG 1 .

In diesem Ausführungsbeispiel weisen die Modulrahmen 14 des Batteriemoduls 200 einen in der Aufsicht erkennbaren E-förmigen Aufbau auf. So schließen sich an den in den Stapel an Batteriezellen 10 integrierten Mittelschenkel 14a zwei als Ausleger ausgeführte Außenschenkel 14b an. Der Mittelschenkel 14a enthält eine gedachte Symmetrieachse des E-förmig ausgeführten Modulrahmens 14, der somit in einem Horizontalschnitt ebenfalls ein E-förmiges Schnittprofil aufweist. Der Vorteil dieser Ausführungsform besteht darin, verglichen mit der Ausführungsform gemäß 1, dass der Stapel an Batteriezellen 10 in zwei Teilstapel zu bspw. jeweils fünf bis sechs Batteriezellen aufgegliedert ist.In this exemplary embodiment, the module frames 14th of the battery module 200 an E-shaped structure that can be seen from above. So connect to the battery cells in the stack 10 integrated middle leg 14a two outer legs designed as cantilevers 14b at. The middle leg 14a contains an imaginary axis of symmetry of the E-shaped module frame 14th , which thus also has an E-shaped sectional profile in a horizontal section. The advantage of this embodiment is, compared to the embodiment according to FIG 1 that the stack of battery cells 10 is divided into two sub-stacks of, for example, five to six battery cells each.

Dies verbessert die mechanische Fixierung der Batteriezellen 10 des jeweiligen Teilstapels zwischen der Großfläche des Mittelschenkels 14a und den Auslegern der Außenschenkel 14b. Während es gemäß dem Ausführungsbeispiel gemäß 1 lediglich möglich ist, für einen Modulrahmen 14 insgesamt Batteriezellen einer ersten Sorte und in einem weiteren Modulrahmen 14 Batteriezellen einer zweiten Sorte einzusetzen, ist es hier möglich, im Bereich desselben Modulrahmens 14 Batteriezellen eines ersten Typs im Bereich eines ersten von dem Modulrahmen 14 gehalterten Batteriezellenstapels zu fixieren und Batteriezellen eines zweiten Typs im Bereich des zweiten Teilstapels an Batteriezellen 10. So können beispielsweise Batteriezellen des ersten Typs Batteriezellen mit einer hohen Energiedichte aber einer geringeren Hochstromfähigkeit und Batteriezellen des zweiten Typs beispielsweise Batteriezellen einer geringen Energiedichte, aber einer ausgeprägten Hochstromfähigkeit sein.This improves the mechanical fixation of the battery cells 10 of the respective partial stack between the large area of the central leg 14a and the extensions of the outer legs 14b . While it according to the embodiment according to 1 is only possible for a module frame 14th a total of battery cells of a first type and in a further module frame 14th Using battery cells of a second type is possible here in the area of the same module frame 14th Battery cells of a first type in the region of a first one of the module frame 14th to fix held battery cell stack and battery cells of a second type in the area of the second sub-stack of battery cells 10 . For example, battery cells of the first type can be battery cells with a high energy density but a lower high-current capability and battery cells of the second type can be, for example, battery cells with a low energy density but a pronounced high-current capability.

In 3 ist ein Batteriemodul 300 in einer dritten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung dargestellt. Es bezeichnen weiterhin gleiche Bezugszeichen gleiche Bauteilkomponenten wie in den 1 und 2.In 3 is a battery module 300 shown in a third embodiment of the present invention. The same reference symbols also designate the same component components as in FIG 1 and 2 .

Bei dem in 3 dargestellten Ausführungsbeispiel eines Batteriemoduls 300 weisen die Modulrahmen 14 in der Aufsicht einen S-förmigen Aufbau auf. Dies bedeutet, dass in einem Horizontalschnitt das Schnittprofil des Modulrahmens 14 einen S-förmigen Verlauf zeigt. Dabei weist der Modulrahmen 14 einen Mittelschenkel 14a auf, der in den Stapel aus Batteriezellen 10 integriert ist, sowie zwei Außenschenkel 14b, die in elastischer Form ausgeführt sind und den Stapel an Batteriezellen 10 jeweils endständig begrenzen.The in 3 illustrated embodiment of a battery module 300 show the module frame 14th an S-shaped structure in plan view. This means that in a horizontal section the sectional profile of the module frame 14th shows an S-shaped curve. The module frame 14th a middle leg 14a on that in the stack of battery cells 10 is integrated, as well as two outer legs 14b , which are made in elastic form and the stack of battery cells 10 limit each end.

Auch hier ist der Stapel aus Batteriezellen 10 innerhalb des Modulrahmens 14 in zwei Teilstapel gegliedert, was zu einer verbesserten mechanischen Fixierung der Batteriezellen 10 innerhalb des Modulrahmens 14 führt. Durch den S-förmigen Verlauf des Modulrahmens 14 werden Batteriezellen 10 im Bereich eines ersten Teilstapels direkt beispielsweise in physischen Kontakt mit dem ersten Temperiersystem 20 in Form eines Kühlsystems des Batteriemoduls 300 gebracht und nur indirekt über den Außenschenkel 14b des Modulrahmens 14 in wärmeleitenden Kontakt mit dem zweiten Temperiersystem 22 des Batteriemoduls 300 in Form eines Heizsystems.Here, too, is the stack of battery cells 10 within the module frame 14th divided into two sub-stacks, resulting in improved mechanical fixation of the battery cells 10 within the module frame 14th leads. Due to the S-shaped course of the module frame 14th become battery cells 10 in the area of a first partial stack, for example, in direct physical contact with the first temperature control system 20th in the form of a cooling system of the battery module 300 brought and only indirectly via the outer thigh 14b of the module frame 14th in thermally conductive contact with the second temperature control system 22nd of the battery module 300 in the form of a heating system.

Im Bereich des zweiten Teilstapels dagegen sind die Batteriezellen 10 in direktem physischem Kontakt mit dem zweiten Temperiersystem 22 angeordnet, während hingegen diese Batteriezellen 10 mit dem ersten Temperiersystem 20 lediglich über den zweiten Seitenschenkel 14b des Modulrahmens 14 hinweg indirekt wärmeleitend verbunden sind. Insgesamt resultiert sowohl in Hinblick auf eine heizende Funktion als auch in Hinblick auf eine kühlende Funktion des ersten und zweiten Temperiersystems 20, 22 in einem jeweils ersten Teilbereich des Batteriezellenstapels ein direkter Kontakt mit einem ersten Temperiersystem und in einem weiteren Bereich ein indirekter Kontakt mit einem entsprechenden zweiten Temperiersystem.In contrast, the battery cells are in the area of the second partial stack 10 in direct physical contact with the second temperature control system 22nd arranged, while these battery cells 10 with the first temperature control system 20th only over the second side leg 14b of the module frame 14th are indirectly connected in a thermally conductive manner. Overall, this results both in terms of a heating function and in terms of a cooling function of the first and second temperature control systems 20th , 22nd In a respective first sub-area of the battery cell stack, there is direct contact with a first temperature control system and in a further area, indirect contact with a corresponding second temperature control system.

Insgesamt weist die in den 1 bis 3 gezeigte Ausführungsform eines Modulrahmens 14 den Vorteil auf, dass fluidleitende Bereiche des ersten bzw. zweiten Temperiersystems 20, 22 durch die Modulrahmen 14 nicht unter mechanischen Druck gesetzt werden, während hingegen die Batteriezellen 10 durch die auf sie ausgeübte Federkraft druckbeaufschlagt und somit mechanisch fixiert sind. Gleichzeitig ist in allen Fällen ein einfacher Austausch von Batteriezellen 10 der Batteriemodule 100, 200, 300 möglich.Overall, the in the 1 to 3 Shown embodiment of a module frame 14th the advantage that fluid-conducting areas of the first or second temperature control system 20th , 22nd through the module frame 14th are not put under mechanical pressure, while the battery cells 10 are pressurized by the spring force exerted on them and thus mechanically fixed. At the same time, battery cells can be exchanged easily in all cases 10 of the battery modules 100 , 200 , 300 possible.

In 4 ist ein Batteriemodul 400 gemäß einer vierten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung dargestellt. Auch hier bezeichnen gleiche Bezugszeichen gleiche Bauteilkomponenten wie in den vorhergehenden Figuren. Dabei sind die Batteriezellen 10 des Batteriemoduls 400 innerhalb eines Batteriemodulgehäuses 19 positioniert. Das in 4 dargestellte Batteriemodul 400 umfasst ebenfalls eine erste Temperiereinrichtung 20 sowie eine zweite Temperiervorrichtung 22, die nun im Detail dargestellt sind.In 4th is a battery module 400 illustrated in accordance with a fourth embodiment of the present invention. Here, too, the same reference symbols designate the same component components as in the previous figures. There are the battery cells 10 of the battery module 400 within a battery module housing 19th positioned. This in 4th battery module shown 400 also includes a first temperature control device 20th and a second temperature control device 22nd , which are now shown in detail.

Die erste Temperiervorrichtung 20 umfasst beispielsweise einen Adapter 26a, mittels dem das Batteriemodul 400 an eine erste externe Bereitstellungseinheit für ein Temperiermittel, beispielsweise ein Kühlmittel anschließbar ist. Dabei kann es sich bei dem Adapter 26a beispielsweise um ein Anschlusselement mit einem Ventil handeln. Über den Adapter 26a steht das erste Temperiersystem 20 des Batteriemoduls 400 in fluidleitendem Kontakt mit dem fluidleitenden System 17a der ersten externen Bereitstellungseinheit für ein erstes Temperierfluid. Innerhalb des Gehäuses 19 des Batteriemoduls 400 weist das erste Temperiersystem 20 einen ersten Verteilerbereich 12a auf und greift in die Zwischenräume zwischen Batteriezellen 10 oder in Zwischenräume zwischen den hier nicht dargestellten Modulrahmen 14 ein und stellt so einen wärmeleitenden Kontakt mit den Modulrahmen 14 bzw. den Batteriezellen 10 sicher.The first temperature control device 20th includes, for example, an adapter 26a , by means of which the battery module 400 can be connected to a first external supply unit for a temperature control medium, for example a coolant. This can be the case with the adapter 26a for example a connection element with a valve. Via the adapter 26a is the first temperature control system 20th of the battery module 400 in fluid-conducting contact with the fluid-conducting system 17a the first external supply unit for a first temperature control fluid. Inside the case 19th of the battery module 400 has the first temperature control system 20th a first distribution area 12a and reaches into the spaces between battery cells 10 or in the spaces between the module frames, not shown here 14th and thus provides a thermally conductive contact with the module frame 14th or the battery cells 10 for sure.

Das zweite Temperiersystem 22 des Batteriemoduls 400 ist über einen zweiten Adapter 26b ebenfalls mit einer externen, hier zweiten Bereitstellungseinheit für ein zweites Temperiermittel in Form eines Heizmittels versehen. Der zweite Adapter 26b kann ebenfalls als Anschlusselement mit integriertem Ventil ausgeführt sein. Über diesen steht das zweite Temperiersystem 22 in fluidleitendem Kontakt mit dem fluidleitenden Bereich 17b der externen zweiten Bereitstellungseinheit für ein Temperiermittel. Innerhalb des Gehäuses 19 des Batteriemoduls 400 weist das zweite Temperiersystem 22 einen zweiten Verteilerbereich 42b auf und steht in wärmeleitendem Kontakt mit den hier nicht dargestellten Modulrahmen 14 bzw. Batteriezellen 10. Dazu greift das zweite Temperiersystem 22 alternierend zu den Ausläufern des ersten Temperiersystems 20 in Zwischenräume zwischen den Batteriezellen 10 bzw. hier nicht dargestellten Modulrahmen 14 ein.The second temperature control system 22nd of the battery module 400 is via a second adapter 26b also provided with an external, here second supply unit for a second temperature control medium in the form of a heating medium. The second adapter 26b can also be designed as a connection element with an integrated valve. The second temperature control system stands above this 22nd in fluid-conducting contact with the fluid-conducting area 17b the external second supply unit for a temperature control medium. Inside the case 19th of the battery module 400 has the second temperature control system 22nd a second distribution area 42b and is in thermally conductive contact with the module frame, not shown here 14th or battery cells 10 . The second temperature control system is used for this 22nd alternating with the extensions of the first temperature control system 20th in spaces between the battery cells 10 or module frame not shown here 14th one.

Vorzugsweise sind die Adapter 26a, 26b baugleich ausgeführt, so dass grundsätzlich der erste Adapter 26a auch in fluidleitenden Kontakt mit der zweiten externen Bereitstellungseinheit für ein Temperiermittel gebracht werden kann und umgekehrt der zweite Adapter 26b in fluidleitenden Kontakt mit der ersten Bereitstellungseinheit für ein erstes Temperiermittel gebracht werden kann. Dies ermöglicht den reversiblen Wechsel von Heiz- und Kühlfunktion innerhalb des Batteriemoduls 400.Preferably the adapters are 26a , 26b executed identically, so that basically the first adapter 26a can also be brought into fluid-conducting contact with the second external supply unit for a temperature control, and vice versa, the second adapter 26b can be brought into fluid-conducting contact with the first supply unit for a first temperature control medium. This enables the reversible change of heating and cooling function within the battery module 400 .

Erfindungsgemäß ist daher auch ein Verfahren zum Betrieb eines Batteriemoduls vorgesehen, das beispielsweise wie oben beschrieben ausgeführt ist und ein erstes und ein zweites Temperiersystem aufweist. Das erste und zweite Temperiersystem weisen jeweils einen baugleich ausgeführten Adapter zur Fluid leitenden Verbindung zu einer ersten bzw. einer zweiten Bereitstellungseinheit für ein erstes bzw. zweites Temperierfluid in Form eines Kühl- oder Heizmediums auf.According to the invention, a method for operating a battery module is therefore also provided, which is carried out, for example, as described above and has a first and a second temperature control system. The first and second temperature control systems each have an identically constructed adapter for the fluid-conducting connection to a first or a second supply unit for a first or second temperature control fluid in the form of a cooling or heating medium.

Im Betrieb wird in einem ersten Zeitraum das erste Temperiersystem des Batteriemoduls beispielsweise mit einer externen Bereitstellungseinheit für ein Kühlmittel verbunden und das zweite Temperiersystem des Batteriemoduls mit einer zweiten externen Bereitstellungseinheit für ein Heizmittel. Nach Ablauf des ersten Zeitraums werden die Anschlüsse getauscht, dies bedeutet, dass das erste Temperiersystem des Batteriemoduls mit der zweiten externen Bereitstellungseinheit für ein Heizmittel verbunden wird und das zweite Temperiersystem des Batteriemoduls mit der ersten externen Bereitstellungseinheit für ein Kühlmittel.During operation, the first temperature control system of the battery module is connected, for example, to an external supply unit for a coolant and the second temperature control system of the battery module is connected to a second external supply unit for a heating medium. After the first period has expired, the connections are swapped, this means that the first temperature control system of the battery module is connected to the second external supply unit for a heating medium and the second temperature control system of the battery module is connected to the first external supply unit for a coolant.

Durch die alternierende Verwendung der beiden Temperiersysteme einmal für Kühl- und einmal für Heizzwecke, können Alterungserscheinungen, die innerhalb der Batteriezellen rein durch eine einseitige thermische Belastung derselben durch Kühl- und Heizvorgänge bedingt sind, vermieden werden, da sich Kühleinflüsse und Heizeinflüsse auf die Batteriezellen über die Zeit eliminieren. Dies führt zu einer deutlichen Erhöhung der Lebensdauer und Leistungsfähigkeit der Batteriezellen des erfindungsgemäßen Batteriemoduls.Through the alternating use of the two temperature control systems, one for cooling and one for heating, signs of aging, which are caused purely by one-sided thermal stress in the battery cells from cooling and heating processes, can be avoided, since cooling and heating influences are transferred to the battery cells eliminate the time. This leads to a significant increase in the service life and performance of the battery cells of the battery module according to the invention.

Das erfindungsgemäße Batteriemodul kann vorteilhaft eingesetzt werden in Batterien für Kraftfahrzeuge mit Elektroantrieb, wie Elektrofahrzeuge, Hybridfahrzeuge und Plug-in-Hybridfahrzeuge sowie in Schienenfahrzeugen, in stationären Stromspeichern wie auch in Elektrowerkzeugen.The battery module according to the invention can advantageously be used in batteries for motor vehicles with electric drive, such as electric vehicles, hybrid vehicles and plug-in hybrid vehicles, as well as in rail vehicles, in stationary power storage devices and also in power tools.

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Zitierte PatentliteraturPatent literature cited

  • DE 102012218819 A1 [0006]DE 102012218819 A1 [0006]

Claims (13)

Batteriemodul, umfassend eine Mehrzahl von Batteriezellen (10) und einen die Mehrzahl an Batteriezellen (10) mechanisch fixierenden Modulrahmen (14), wobei die Batteriezellen (10) jeweils eine elektrische Kontakte der Batteriezelle (10) aufweisende Deckelfläche, eine der Deckelfläche gegenüberliegende Bodenfläche, sowie einen die Deckelfläche der Batteriezelle mit der Bodenfläche der Batteriezelle (10) verbindende Mantelfläche aufweisen, wobei die Mantelfläche einer Batteriezelle (10) jeweils zwei einander gegenüberliegende Großflächen, und jeweils zwei diese miteinander verbindende und einander gegenüberliegende Seitenflächen umfassen, wobei die Mehrzahl an Batteriezellen (10) so angeordnet ist, dass die Großflächen zweier zueinander benachbart angeordneter Batteriezellen (10) in physischem Kontakt zueinander stehen, dadurch gekennzeichnet, dass der Modulrahmen (14) derart ausgeführt ist, dass er die einem Stapel, gebildet aus der Mehrzahl der Batteriezellen, abgewandten Großflächen einer ersten und letzten Batteriezelle (10) des Stapels bedeckt, dass er erste Seitenflächen der einen Stapel bildenden Mehrzahl an Batteriezellen (10) bedeckt, und dass er die Deckel- und Bodenflächen, sowie die zweiten Seitenflächen der einen Stapel bildenden Batteriezellen (10) freilässt.A battery module comprising a plurality of battery cells (10) and a module frame (14) that mechanically fixes the plurality of battery cells (10), the battery cells (10) each having a cover surface having electrical contacts of the battery cell (10), a bottom surface opposite the cover surface, as well as having a jacket surface connecting the top surface of the battery cell to the bottom surface of the battery cell (10), the jacket surface of a battery cell (10) each comprising two opposing large surfaces and two mutually opposing side surfaces connecting them, the plurality of battery cells ( 10) is arranged so that the large areas of two adjacent battery cells (10) are in physical contact with one another, characterized in that the module frame (14) is designed such that it faces away from a stack formed from the plurality of battery cells Large areas a first and last battery cell (10) of the stack, that it covers first side surfaces of the plurality of battery cells (10) forming a stack, and that it leaves free the cover and bottom surfaces and the second side surfaces of the battery cells (10) forming a stack . Batteriemodul nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Modulrahmen (14) C-förmig, S-förmig oder E-förmig in einer Aufsicht auf denselben ausgeführt ist.Battery module Claim 1 , characterized in that the module frame (14) is C-shaped, S-shaped or E-shaped in a plan view of the same. Batteriemodul nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass der Modulrahmen (14) S-förmig oder E-förmig ausgeführt ist, und dass in einem ersten Teilbereich des E-förmig oder S-förmig ausgeführten Modulrahmens (14) ein erster Teilstapel an Batteriezellen (10) der Mehrzahl an Batteriezellen (10) an drei Seiten umfasst und mechanisch fixiert ist und in einem zweiten Teilbereich des E-förmig oder S-förmig ausgeführten Modulrahmens (14) ein zweiter Teilstapel an Batteriezellen (10) der Mehrzahl an Batteriezellen (10) an drei Seiten umfasst und mechanisch fixiert ist.Battery module Claim 1 or 2 , characterized in that the module frame (14) is S-shaped or E-shaped, and that in a first sub-area of the E-shaped or S-shaped module frame (14) a first sub-stack of the plurality of battery cells (10) Comprises battery cells (10) on three sides and is mechanically fixed and in a second partial area of the E-shaped or S-shaped module frame (14) includes a second partial stack of battery cells (10) of the plurality of battery cells (10) on three sides and is mechanically fixed. Batteriemodul nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Modulrahmen (14) E-förmig ausgeführt ist und dass dessen mittlerer, eine Symmetrieachse des E-förmig ausgeführten Modulrahmens (14) beinhaltender Schenkel (14a) eine höhere mechanische Steifigkeit aufweist als dessen sich an dem mittleren Schenkel (14a) auf beiden Seiten anschließende Außenschenkel (14b).Battery module according to one of the preceding claims, characterized in that the module frame (14) is E-shaped and that its middle leg (14a) containing an axis of symmetry of the E-shaped module frame (14) has a higher mechanical rigidity than its own outer legs (14b) adjoining the middle leg (14a) on both sides. Batteriemodul nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass der Modulrahmen S-förmig ausgeführt ist und dass dessen mittlerer, eine Drehachse des S-förmigen Modulrahmens (14) beinhaltender Mittelschenkel (14a) eine höhere mechanische Steifigkeit aufweist als dessen sich an den mittleren Schenkel (14a) beidseitig anschließende Außenschenkel (14b).Battery module according to one of the Claims 1 to 3 , characterized in that the module frame is S-shaped and that its middle limb (14a) containing an axis of rotation of the S-shaped module frame (14) has a higher mechanical rigidity than its outer limb adjoining the middle limb (14a) on both sides (14b). Batteriemodul gemäß Anspruch 4 oder 5, dadurch gekennzeichnet, dass die Außenschenkel (14b) des Modulrahmens (14) aus einem Federstahl oder einem federelastischen Polymer ausgeführt sind.Battery module according to Claim 4 or 5 , characterized in that the outer legs (14b) of the module frame (14) are made from a spring steel or a resilient polymer. Batteriemodul gemäß einem der Ansprüche 3 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass der erste Teilstapel an Batteriezellen (10) der Mehrzahl an Batteriezellen (10) durch Batteriezellen (10) einer ersten Bauart gebildet ist und dass der zweite Teilstapel an Batteriezellen (10) der Mehrzahl an Batteriezellen (10) durch Batteriezellen (10) einer zweiten Bauart gebildet ist, wobei sich die erste Bauart der Batteriezellen (10) von der zweiten Bauart der Batteriezellen (10) unterscheidet.Battery module according to one of the Claims 3 to 6th , characterized in that the first sub-stack of battery cells (10) of the plurality of battery cells (10) is formed by battery cells (10) of a first type and that the second sub-stack of battery cells (10) of the plurality of battery cells (10) is formed by battery cells ( 10) of a second type, the first type of battery cells (10) being different from the second type of battery cells (10). Batteriemodul gemäß einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die einen Stapel und/oder einen ersten oder zweiten Teilstapel an Batteriezellen (10) bildenden Batteriezellen (10) miteinander seriell elektrisch kontaktiert sind.Battery module according to one of the preceding claims, characterized in that the battery cells (10) forming a stack and / or a first or second partial stack of battery cells (10) are electrically contacted in series with one another. Batteriemodul gemäß einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass eine Mehrzahl an Modulrahmen (14) vorgesehen ist, wobei zwischen den Modulrahmen (14) zumindest teilweise ein Temperierfluid führendes System (20, 22) angeordnet ist.Battery module according to one of the preceding claims, characterized in that a plurality of module frames (14) is provided, with a system (20, 22) carrying temperature fluid being at least partially arranged between the module frames (14). Batteriemodul gemäß Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, dass ein erstes Temperiersystem (20) in Form eines Kühlsystems vorgesehen ist, das fluidleitend zwischen ersten Modulrahmen (14) positioniert ist und dass ein zweites Temperiersystem (22) vorgesehen ist, welches als Heizsystem ausgeführt ist und das fluidleitend zwischen zweiten Modulrahmen (14) des Batteriemoduls (100, 200, 300, 400) angeordnet ist.Battery module according to Claim 9 , characterized in that a first temperature control system (20) is provided in the form of a cooling system, which is positioned fluidly between the first module frame (14) and that a second temperature control system (22) is provided, which is designed as a heating system and which is fluidly between second module frames (14) of the battery module (100, 200, 300, 400) is arranged. Batteriemodul nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, dass das als Kühlsystem ausgelegte erste Temperiersystem (20) des Batteriemoduls (100, 200, 300, 400) einen ersten Adapter (26a) aufweist, mittels dem reversibel ein Kontakt zu einer externen Bereitstellungseinheit für ein Kühlmittel herstellbar ist, wobei über den ersten Adapter (26a) eine fluidleitende Verbindung zwischen dem Kühlsystem (20) der Batteriezelle (10) und der externen Bereitstellungseinheit für ein Kühlmittel herstellbar ist, und wobei das als Heizsystem ausgeführte zweite Temperiersystem (22) des Batteriemoduls (100, 200, 300, 400) mit einem zweiten Adapter (26b) versehen ist zur reversiblen Anbindung der Batteriezelle (10) an eine externe Bereitstellungseinheit für ein Heizfluid, wobei mittels des zweiten Adapters (26b) ein fluidleitender Kontakt zwischen der externen Bereitstellungseinheit des Heizfluids und dem Heizsystem der Batteriezelle (10) herstellbar ist und dass der erste und der zweite Adapter (26a, 26b) derart funktionsgleich ausgeführt sind, dass der erste Adapter (26a) alternativ auch an die externe Bereitstellungseinheit für ein Heizmittel anschließbar ist und der zweite Adapter (26b) alternativ auch an die externe Bereitstellungseinheit für ein Kühlmittel anschließbar ist.Battery module Claim 10 , characterized in that the first temperature control system (20) of the battery module (100, 200, 300, 400), designed as a cooling system, has a first adapter (26a), by means of which contact to an external supply unit for a coolant can be made reversibly, with over the first adapter (26a) a fluid-conducting connection between the cooling system (20) of the battery cell (10) and the external supply unit for a coolant can be produced, and the second temperature control system (22) of the battery module (100, 200, 300, designed as a heating system) 400) is provided with a second adapter (26b) for reversible connection of the battery cell (10) an external supply unit for a heating fluid, whereby a fluid-conducting contact can be established between the external supply unit of the heating fluid and the heating system of the battery cell (10) by means of the second adapter (26b) and that the first and second adapters (26a, 26b) are functionally identical are that the first adapter (26a) can alternatively also be connected to the external supply unit for a heating medium and the second adapter (26b) can alternatively also be connected to the external supply unit for a coolant. Verfahren zum Betrieb eines Batteriemoduls, insbesondere eines Batteriemoduls gemäß einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass in einem ersten Zweitraum ein erstes Temperiermittel führendes Temperiersystem (20) des Batteriemoduls (100, 200, 300, 400) mit einer externen Bereitstellungeinheit für ein Kühlmittel reversibel fluidleitend verbunden wird und ein zweites Temperiersystem (22) des Batteriemoduls (100, 200, 300, 400) während dieses Zeitraums reversibel und fluidleitend mit einer externen Bereitstellungseinheit für ein Heizmittel verbunden wird, und dass in einem zweiten Zeitraum das erste Temperiersystem (20) des Batteriemoduls (100, 200, 300, 400) reversibel und fluidleitend mit der Bereitstellungseinheit für das Heizmittel verbunden wird und das zweite Temperiersystem (22) des Batteriemoduls (100, 200, 300, 400) reversibel und fluidleitend mit der Bereitstellungseinheit für ein Kühlmittel verbunden wird.Method for operating a battery module, in particular a battery module according to one of the preceding claims, characterized in that in a first second room a temperature control system (20) of the battery module (100, 200, 300, 400) carrying a first temperature control medium with an external supply unit for a coolant is reversible is fluidly connected and a second temperature control system (22) of the battery module (100, 200, 300, 400) is reversibly and fluidly connected to an external supply unit for a heating medium during this period, and that in a second period of time the first temperature control system (20) of the Battery module (100, 200, 300, 400) is connected reversibly and fluidly with the supply unit for the heating medium and the second temperature control system (22) of the battery module (100, 200, 300, 400) is connected reversibly and fluidly with the supply unit for a coolant . Verwendung eines Batteriemoduls gemäß einem der Ansprüche 1 bis 11, in Kraftfahrzeugen mit elektrischem Antrieb, in stationären Energiespeichern, in Schienenfahrzeugen oder in Elektrowerkzeugen.Use of a battery module according to one of the Claims 1 to 11 , in motor vehicles with electric drive, in stationary energy storage systems, in rail vehicles or in power tools.
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