DE102020133411A1 - Aufnahmevorrichtung für eine Pouch-Batteriezelle, Batteriemodul und Fahrzeug - Google Patents

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Abstract

Die vorliegende Erfindung betrifft eine Aufnahmevorrichtung für eine Pouch-Batteriezelle, die umfangsseitig eine Siegelnaht aufweist und aus der Siegelnaht heraustretende Stromableiterfahnen, wobei die Aufnahmevorrichtung rahmenförmig ausgebildet ist und umfasst:einen Außenrahmen; undeinen Innenrahmen; wobei der Innenrahmen in dem Außenrahmen derart angeordnet ist, dass zwischen dem Außenrahmen und dem Innenrahmen eine Siegelnahtaufnahmekavität ausgebildet ist, in der die Siegelnaht der Pouch-Batteriezelle, insbesondere umgelegt, anordenbar ist.

Description

  • Die Erfindung betrifft eine Aufnahmevorrichtung für eine Pouch-Batteriezelle, ein Batteriemodul und ein Fahrzeug.
  • Batteriezellen in Fahrzeugantrieben verändern während eines Lade- oder Entladevorgangs und/oder infolge von Alterung über ihre Lebensdauer ihr Volumen. Ferner hängt eine Betriebscharakteristik von Lithium-Ionen-Pouch-Batteriezellen, aufgrund ihrer geringen mechanischen Stabilität, stark von den äußeren Bedingungen ab.
  • So ist der von außen auf die Pouch-Batteriezellen aufgebrachte Druck ein entscheidender Faktor für eine Performance, eine Lebensdauer und eine Strukturstabilität eines Batteriemoduls, das eine Vielzahl von Pouch-Batteriezellen umfasst.
  • Eine technische Herausforderung bei einer Verwendung von Feststoffbatterien wie Lithium-Ionen-Pouch-Batteriezellen liegt darin, eine Volumenänderung der Anode zu ermöglichen. Lithiumionen lagern sich bei einem Ladevorgang in einer porösen Schicht der Anode ein und wandern bei einem Entladevorgang wieder heraus. Dadurch kann es zu einer Volumenänderung von ca. 30 Prozent der Pouch-Batteriezelle zwischen einem geladenen und entladenen Zustand kommen.
  • In einem Batteriemodul, in dem die einzelnen Pouch-Batteriezellen im Verbund vorliegen, müssen die Pouch-Batteriezellen im Verbund bis zu mehrere Millimeter Verschiebungsweg bewerkstelligen. Dieser Weg tritt immer dann verstärkt auf, wenn mehr als eine Zelle in einer Pouch-Form oder in einer ähnlichen Form zusammengestapelt sind. Das heißt, je weiter eine Batteriezelle von einer (Rück-)Wand eines Batteriegehäuses (in Zellstapelrichtung) entfernt ist, desto größer ist ihr Verschiebeweg.
  • Es ist daher zu beachten, dass sich die Pouch-Batteriezelle in Richtung der Volumenausdehnung frei bewegen und ggf. einer Anpressplatte folgen kann, während in allen anderen Richtungen eine Position und eine Ausrichtung der Pouch-Batteriezelle unverändert bleibt (d. h. keine Verschiebung, Verkantung, Kippung, etc.). Ferner soll die Pouch-Batteriezelle, unabhängig von ihrer Bewegung, mit Druck beaufschlagt werden zur Reduzierung oder sogar Vermeidung von Dendritenbildung und/oder -wachstum. Daher ist für die Performance und die Langlebigkeit der Pouch-Batteriezelle eine über die gesamte Zellfläche gleichmäßige Druckbelastung notwendig. Das erfordert eine verformungsrelevante Auslegung der beteiligten Komponenten in dem Batteriemodul.
  • Bei derzeitigen Pouch-Batteriezellen mit flüssigem Elektrolyt erfolgt eine Volumenausdehnung infolge von Alterungseffekten. Damit diese alterungsbedingte Volumenausdehnung ausgeglichen und eine wesentliche Verformung des Batteriegehäuses vermieden werden kann, werden passive Druckmatten, Spannbänder und/oder Federn eingesetzt, um die Volumenausdehnung aufzunehmen bzw. zu kompensieren. Damit kann sichergestellt werden, dass sich die einzelnen Zellstapel zu keiner Zeit im Gehäuse frei (umher-)bewegen können. Dadurch kann ein Beschädigungsrisiko der Zellen bzw. Zellstapeln reduziert werden. Jedoch sind mit diesen Systemen nur ein Ausgleich von vergleichsweise kleinen Volumenänderungen möglich, die kleiner als 10 Prozent sind. Ferner sind diese Systeme nicht dazu geeignet, Bewegungen der Pouch-Batteriezellen zu ermöglichen, die deutlich über Zelldicken liegen.
  • Ferner ist darauf zu achten, dass die Siegelnaht der Pouch-Batteriezelle, bspw. durch eine Bewegung der Pouch-Batteriezelle, nicht beschädigt wird, da es sonst zu einer Fluidkommunikation zwischen dem Inneren der Pouch-Batteriezelle und ihrer Außenumgebung kommen dann. Dadurch kann ein Elektrolyt aus der Pouch-Batteriezelle heraus diffundieren oder Sauerstoff ins Innere der Pouch-Batteriezelle gelangen, wobei beide Fälle zu einer Verkürzung der Lebensdauer führen können.
  • Aus der DE 10 2010 051 010 A1 ist bekannt, dass zumindest Teile einer Siegelnaht einer als Pouch-Zelle ausgeführten Batterieeinzelzelle mit einem Rahmen versehen sein können, welcher mit der Siegelnaht, einem im Bereich eines Teils der Siegelnaht angebrachten Wärmeleitelement und/oder anderen Bereichen der Batterieeinzelzelle durch eine formschlüssige Verbindung, eine kraftschlüssige Verbindung und/oder eine Klebeverbindung verbunden ist. Es ist also ein Rahmen z. B. aus Kunststoff vorgesehen, der fest mit der Batterieeinzelzelle und/oder dem Wärmeleitelement durch Kleben und gut wärmeleitenden Verguss verbunden ist und für eine ausreichende Wärmeleitung und Steifigkeit der Zelle im Betrieb sorgt.
  • Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, eine verbesserte Aufnahmevorrichtung für eine Pouch-Batteriezelle, ein verbessertes Batteriemodul und ein verbessertes Fahrzeug bereitzustellen.
  • Diese Aufgabe wird durch die Aufnahmevorrichtung nach Anspruch 1, das Batteriemodul nach Anspruch 9 und das Fahrzeug nach Anspruch 10 gelöst.
  • Weitere vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung ergeben sich aus den Unteransprüchen und der folgenden Beschreibung bevorzugter Ausführungsbeispiele der vorliegenden Erfindung.
  • Ein erster Aspekt der vorliegenden Erfindung betrifft eine Aufnahmevorrichtung für eine Pouch-Batteriezelle, die umfangsseitig eine Siegelnaht aufweist und aus der Siegelnaht heraustretende Stromableiterfahnen, wobei die Aufnahmevorrichtung rahmenförmig ausgebildet ist und umfasst:
    • einen Außenrahmen; und
    • einen Innenrahmen;
    wobei der Innenrahmen in dem Außenrahmen derart angeordnet ist, dass zwischen dem Außenrahmen und dem Innenrahmen eine Siegelnahtaufnahmekavität ausgebildet ist, in der die Siegelnaht der Pouch-Batteriezelle, insbesondere umgelegt, anordenbar ist.
  • Die Pouch-Batteriezelle weist einen Schichtstapel umfassend Schichten aus Elektrodenmaterial und Separatormaterial auf, der in einer Außenhülle (Verpackungsfolie), z. B. aus einer Verbundfolie mit optionaler Aluminiumeinlage, eingeschlossen ist. Die Seiten der Außenhülle sind in der Regel thermisch verschweißt, so dass die Siegelnaht entsteht, die den Schichtstapel umläuft und abdichtet. Die Siegelnaht liegt somit umfangsseitig an der Pouch-Batteriezelle vor.
  • Ferner weist die Pouch-Batteriezelle zwei Stromableiterfahnen auf, die mit dem Schichtstapel elektrisch leitend verbunden sind. Je nach Ausführungsformen können die Stromableiterfahnen auf einer Seite der Pouch-Batteriezelle angeordnet sein oder auf gegenüberliegenden Seiten.
  • Die rahmenförmige Aufnahmevorrichtung ist dazu vorgesehen, die Pouch-Batteriezelle an ihrem Umfang einzufassen. Die Rahmenform der Aufnahmevorrichtung entspricht im Wesentlichen der Umfangsform der Siegelnaht der Pouch-Batteriezelle. Ferner ist die Aufnahmevorrichtung derart ausgebildet, dass eine Volumenänderung der in der Aufnahmevorrichtung eingefassten Pouch-Batteriezelle infolge eines Ladevorgangs und eines Entladevorgangs ermöglicht wird.
  • Dabei erfolgt die Volumenänderung in einem Schichtstapelbereich der Pouch-Batteriezelle und in Schichtstapelrichtung, d. h. in einer Richtung senkrecht zum Schichtstapel.
  • Die Aufnahmevorrichtung umfasst den Außenrahmen und den Innenrahmen und ist somit zweiteilig ausgebildet. Die Aufnahmevorrichtung kann bspw. einen Aufnahmeabschnitt zum Aufnehmen des Innenrahmens umfassen. Dazu kann der Aufnahmeabschnitt umfangsseitig am Außenrahmen verlaufen. Mit „umfangsseitig“ ist ein Randbereich des Außenrahmens gemeint. Der Aufnahmeabschnitt kann den Innenrahmen derart aufnehmen, dass der Innenrahmen in dem Außenrahmen angeordnet ist. Dabei kann der Randbereich eine Außenumfangsseite des Außenrahmens sowie, in der Frontalrichtung des Außenrahmens gesehen, einen Umfangsbereich des Rahmens umfassen. Die Frontalrichtung ist senkrecht zur Rahmenebene der Aufnahmevorrichtung (nachfolgend „Rahmenebene“). Wenn die Pouch-Batteriezelle in der Aufnahmevorrichtung eingefasst ist, ist die Rahmenebene parallel zu den Schichten aus dem Schichtstapel der Pouch-Batteriezelle und senkrecht zur Stapelrichtung angeordnet.
  • Der Innenrahmen und der Außenrahmen können über einer kraftschlüssige, formschlüssige und/oder stoffschlüssige Verbindung miteinander verbunden sein. Beispielsweise können dazu wahlweise Rastnasen, Verklebungen, Vernietung, Verschraubungen, etc. vorgesehen sein.
  • Der Innenrahmen ist in dem Außenrahmen derart angeordnet, dass zwischen ihnen eine Siegelnahtaufnahmekavität ausgebildet ist. In der Siegelnahtaufnahmekavität ist die Siegelnaht der Pouch-Batteriezelle anordenbar. Die Siegelnahtaufnahmekavität ist zwischen einer Oberfläche des Außenrahmens, die dem Innenrahmen zugewandt ist, und einer Oberfläche des Innenrahmens, die dem Außenrahmen zugewandt ist, angeordnet. Die Siegelnahtaufnahmekavität kann daher im Wesentlichen entlang des Aufnahmeabschnitts verlaufen. Beispielsweise kann die Siegelnahtaufnahmekavität zwischen einer Innenumfangsseite des Außenrahmens und einer Außenumfangsseite des Innenrahmens angeordnet sein. Die Siegelnahtaufnahmekavität verläuft umfangsseitig entlang der Aufnahmevorrichtung. Somit kann die Aufnahmevorrichtung die Pouch-Batteriezelle an dem Umfang der Pouch-Batteriezelle einfassen, indem die Siegelnaht in der Siegelnahtaufnahmekavität angeordnet wird.
  • Durch die Siegelaufnahmekavität kann die Siegelnaht geschützt in der Aufnahmevorrichtung angeordnet werden, wodurch eine Beschädigung der Siegelnaht vermieden werden kann. So kann beispielsweise verhindert werden, dass die Siegelnaht durch Bewegung der Pouch-Batteriezelle an anderen Komponenten eines Batteriemoduls (z. B. Gehäuse, andere Zellen, etc.) reibt. Ferner können konventionelle hergestellte Pouch-Batteriezellen mit Siegelnaht mittels der Aufnahmevorrichtung in dem Batteriemodul verbaut werden. Ferner kann auch vermieden werden, dass die Siegelnaht durch stoffschlüssige Verbindungen, wie z. B. Kleben, und/oder Verschrauben, Vernieten, etc. an der Aufnahmevorrichtung befestigt wird. Daher kann die Siegelnaht (und somit auch die Pouch-Batteriezelle) in der Aufnahmevorrichtung, insbesondere zerstörungsfrei, lösbar eingefasst werden.
  • Ferner wird in der Siegelnahtaufnahmekavität auch ein Bereich der Siegelnaht aufgenommen, aus dem die Stromableiterfahnen aus der Pouch-Batteriezelle bzw. aus der Außenfolie herausgeführt werden. Dadurch kann ein Schleifen der Außenfolie an einem Batteriemodulgehäuse auf der Innenseite unterbunden werden. So kann verhindert werden, dass die Außenfolie im Bereich der Stromableiterfahnen abgeschliffen werden, wodurch es schlimmstenfalls zu einem unerwünschten elektrisch leitenden Kontakt zwischen den Stromableiterfahnen und einem in der Außenfolie verwendeten Aluminiummaterial kommen kann. Daraus ergeben sich ungünstige Isolationsbedingungen an der Außenfolie, die ein elektrisches Durchschlagen begünstigen. Die Aufnahmevorrichtung kann daher die guten Isolationseigenschaften der Außenfolie dauerhaft sicherstellen und die Durchschlagfestigkeit der Pouch-Batteriezelle verbessern, da die Außenfolie bei Bewegung der Pouch-Batteriezellen nicht am Batteriemodulgehäuse schleift.
  • Ferner kann beispielsweise die Siegelnaht in der Siegelnahtaufnahmekavität umgelegt anordenbar sein. Dabei bedeutet „umgelegt“, dass die Siegelnaht in der Siegelnahtaufnahmekavität über einen Radius gelegt/geführt wird, der in der Siegelnahtaufnahmekavität (in Umfangsrichtung der Aufnahmevorrichtung gesehen) an dem Außenrahmen und/oder dem Innenrahmen vorgesehen ist. Dazu umfasst die Siegelnahtaufnahmekavität bzw. ein Querschnitt der Siegelnahtaufnahmekavität, in Umfangsrichtung der Aufnahmevorrichtung gesehen, einen ersten Kavitätsabschnitt und einen zweiten Kavitätsabschnitt auf. Der erste Kavitätsabschnitt verläuft parallel zur Rahmenebene und entlang einer neutralen Faser der Pouch-Batteriezelle. Mit anderen Worten, wenn die Pouch-Batteriezelle in der Aufnahmevorrichtung eingefasst ist, ist die Siegelnaht ohne einen Knick oder ein Umlegen in dem ersten Kavitätsabschnitt angeordnet. Die „neutrale Faser“ ist eine Ebene der Pouch-Batteriezelle, in der die Stromableiterfahnen liegen. Der zweite Kavitätsabschnitt grenzt an den ersten Kavitätsabschnitt und schließt, in Umfangsrichtung der Aufnahmevorrichtung gesehen, mit dem ersten Kavitätsabschnitt einen Winkel ein. In manchen Beispielen kann der Winkel zwischen 80° und 100° Grad, bspw. im Wesentlichen 90° Grad, betragen. Der Winkel bzw. der Biegeradius in der Siegelaufnahmekavität richtet sich nach dem für die Außenfolie verwendeten Material und dessen Verformbarkeit. Indem die Siegelnaht in der Siegelnahtaufnahmekavität umgelegt anordenbar ist, kann die Aufnahmevorrichtung in Transversalrichtung vergleichsweise kurz ausgelegt werden. Dabei liegt die Transversalrichtung in der Rahmenebene und beschreibt eine Richtung von einer Mitte der Aufnahmevorrichtung hin zum Umfang. Durch diese Ausgestaltung der Siegelnahtaufnahmekavität kann die Aufnahmevorrichtung platz- und gewichtssparend ausgelegt werden. Somit kann ein Batteriemodul, das eine Vielzahl von Aufnahmevorrichtungen mit eingefassten Pouch-Batteriezellen umfasst, platz- und gewichtssparend ausgelegt werden. Alternativ kann bei gleicher Batteriemodulgröße ein volumetrischer Wirkungsgrad des Batteriemoduls erhöht werden, da mehr Aufnahmevorrichtungen (mit eingefassten Pouch-Batteriezellen) in dem Batteriemodul(gehäuse) verbaut werden können aufgrund der platzsparenden Auslegungen der Aufnahmevorrichtungen.
  • In weiteren Ausführungsformen können der Außenrahmen und der Innenrahmen derart ausgebildet sein, dass die Siegelnaht zwischen dem Außenrahmen und dem Innenrahmen zumindest teilweise einklemmbar ist. Mit „einklemmbar“ ist gemeint, dass der Außenrahmen und der Innenrahmen einen Kraftschluss auf die Siegelnaht ausüben können, der zumindest teilweise eine Bewegung der Siegelnaht verhindert. Beispielsweise kann der erste Kavitätsabschnitt derart ausgebildet, den Kraftschluss auf die Siegelnaht auszuüben. Dadurch kann eine Befestigung der Pouch-Batteriezelle an der Aufnahmevorrichtung verbessert werden.
  • In der Regel ist die Pouch-Batteriezelle reckteckförmig ausgebildet und entsprechend die Aufnahmevorrichtung. Im Gegensatz zu manchen Ausführungsformen, in denen die Siegelnahtaufnahmekavität vollständig entlang des Umfangs der Aufnahmevorrichtung verläuft, gibt es Ausführungsformen, in denen die Siegelnahtaufnahmekavität ausgespart bzw. freigelegt sein kann zur Aufnahme von Falten in den Eckbereichen der Siegelnaht, die durch ein Umlegen der Siegelnaht entstehen. Damit ist gemeint, dass die Siegelnahtaufnahmekavität in den Eckbereichen der Aufnahmevorrichtung zumindest eine teilweise offene Kavität ist. So können die Eckbereiche der Aufnahmevorrichtungen zumindest teilweise ausgespart bzw. freigeschnitten sein, so dass die Eckbereiche der Pouch-Batteriezelle und die umgelegte Siegelnaht mit ihren Falten in der Aufnahmevorrichtung Platz finden und/oder zumindest teilweise geschützt aufgenommen werden können. Die Eckbereiche sind, in Frontalrichtung auf die Aufnahmevorrichtung gesehen, die Bereiche an den Ecken der rechteckförmigen Aufnahmevorrichtung. Dadurch kann eine siegelnahtseitige Faltenbildung durch Umlegen der Siegelnaht in den Eckbereichen der Aufnahmevorrichtung ermöglicht werden und eine Spannungsbelastung der Siegelnaht an ihren Eckbereichen zumindest teilweise reduziert werden.
  • In manchen Ausführungsformen kann die Aufnahmevorrichtung ferner eine Rastverbindung zum lösbaren Verbinden des Außenrahmens mit dem Innenrahmen umfassen. Die lösbare Verbindung kann bspw. als eine kraftschlüssige Verbindung, wie z. B. eine Schraubverbindung, und/oder als eine formschlüssige Verbindung, z. B. eine Rast-/Schnapp-/Clipverbindung, ausgebildet sein. Dabei kann insbesondere der Außenrahmen eine Rastnase zum Einrasten des Innenrahmens an dem Außenrahmen umfassen. Dazu kann die Rastnase elastisch verformbar ausgebildet sein. Die Rastnase kann zumindest teilweise oder vollständig entlang des Außenrahmens bzw. Aufnahmeabschnitts verlaufen. Durch die lösbare Verbindung zwischen dem Außenrahmen und dem Innenrahmen kann die in der Aufnahmevorrichtung eingefasste Pouch-Batteriezelle besonders einfach und ohne Zerstörung der Aufnahmevorrichtung ausgetauscht werden.
  • In alternativen Ausführungsformen können der Außenrahmen und der Innenrahmen über eine oben beschriebene Rastverbindung zur schnellen Montage und Arretierung miteinander verbunden sein. Zusätzlich können der Außenrahmen und der Innenrahmen über eine zusätzliche kraft-, stoff- und/oder formschlüssige Verbindung miteinander verbunden sein, um eine besonders stabile Verbindung zwischen dem Außenrahmen und dem Innenrahmen zu ermöglichen. Beispielsweise kann die zusätzliche Verbindung eine Kleb-, eine Schweiß- und/oder eine Schraubverbindung umfassen.
  • In weiteren Ausführungsformen kann mindestens einer von dem Außenrahmen und dem Innenrahmen eine innenumfangsseitige Fase aufweisen, die nach außen gerichtet ist. Mit „innenumfangsseitig“ ist eine Seite oder eine Oberfläche des Außenrahmens bzw. des Innenrahmens gemeint, die entlang des Innenumfangs des Außenrahmens bzw. des Innenrahmens verläuft. Die innenumfangsseitige Fase ist nach außen gerichtet, d. h. die innenumfangsseitige Fase ist an einer Außenkante vorgesehen, die sich an einer Innenumfangsseite des Außenrahmens bzw. des Innenrahmens befindet. Ferner kann die innenumfangsseitige Fase (in Umfangsrichtung) entlang des gesamten Umfangs des Außenrahmens bzw. des Innenrahmens verlaufen. Mit der innenumfangsseitigen Fase kann, wenn sich die Pouch-Batteriezelle entlädt und somit in Stapelrichtung zusammenzieht, eine Verkanten der Außenhülle der Pouch-Batteriezelle mit einer Außenkante des Außenrahmens bzw. des Innenrahmens zumindest teilweise vermieden werden.
  • In manchen Ausführungsformen kann die Aufnahmevorrichtung ferner eine außenumfangsseitige Fase aufweisen. Anders ausgedrückt, die außenumfangsseitige Fase ist an einer Außenkante vorgesehen, die sich an einer Außenumfangsseite der Aufnahmevorrichtung befindet. Die außenumfangsseitige Fase kann also an dem Außenrahmen vorgesehen sein. Ferner kann die außenumfangsseitige Fase (in Umfangsrichtung) entlang des gesamten Umfangs der Aufnahmevorrichtung verlaufen. Mit der außenumfangsseitigen Fase kann, wenn die Pouch-Batteriezelle geladen oder entladen wird und somit sich in Stapelrichtung ausdehnt bzw. zusammenzieht, ein Verkanten der Aufnahmevorrichtung an dem Batteriemodulgehäuse oder an dessen Komponenten zumindest teilweise vermieden und ein Reiben der Aufnahmevorrichtung an dem Batteriemodulgehäuse reduziert werden.
  • In weiteren Ausführungsformen kann die Aufnahmevorrichtung ferner außenumfangsseitige Gleitabschnitte umfassen, damit die Aufnahmevorrichtung in Gleitkontakt mit einer Innenwandung eines Batteriemodulgehäuses angeordnet werden kann. Mit „außenumfangsseitig“ ist eine Seite oder eine Oberfläche des Außenrahmens bzw. Innenrahmens gemeint, die entlang des Außenumfangs des Außenrahmens bzw. des Innenrahmens verläuft. Die Gleitabschnitte können an jeder Außenseite der rahmenförmigen Aufnahmevorrichtungen angeordnet sein.
  • Die Gleitabschnitte können bspw. über eine Oberflächenstrukturierung mit günstigen Gleiteigenschaften verfügen, mit Schmiermitteln beauftragt sein und/oder ein Schmierstoffreservoir umfassen. Mit den Gleitabschnitten kann ein Haftgleiteffekt („stick-slip-Effekt“, d. h. Ruckgleiten von gegeneinander bewegten Körpern) der Aufnahmevorrichtung in dem Batteriemodulgehäuse zumindest teilweise reduziert werden. Ferner ist eine Optimierung der Gleit-/Reibflächen zwischen der Aufnahmevorrichtung und dem Batteriemodulgehäuse oder dessen Komponenten möglich.
  • In anderen Ausführungsformen können die Gleitabschnitte im Bereich der Stromableiterfahnen zwei Gleitnasen umfassen, zwischen welchen eine Zentriereinrichtung für ein Kontaktierungsplättchen angeordnet sein kann, das zum Kontaktieren an einer der Stromableiterfahnen dient. Dabei können die Gleitnasen derart gestalten sein, dass sie einen Bauraum für die Zentriereinrichtung und das Kontaktierungsplättchen darstellen, wobei die Zentriereinrichtung mit dem an der Zentriereinrichtung befestigten Kontaktierungsplättchen sowie an dem Kontaktierungsplättchen verbundenen elektrischen Leitern nicht über die Gleitnase herausragen (in einer Richtung von der Mitte der Aufnahmevorrichtung hin zur Rahmenseite der Aufnahmevorrichtung gesehen). Dadurch kann sichergestellt werden, dass im Bereich der Kontaktierung der Pouch-Batteriezelle mit den elektrischen Leitern nur die Gleitnasen im gleitenden, isolierenden Kontakt mit dem Batteriemodulgehäuse stehen und den abgegrenzten isolierenden Bauraum für die elektrischen Kontaktierungen der Pouch-Batteriezellen sicherstellen.
  • Ein zweiter Aspekt der vorliegenden Erfindung betrifft ein Batteriemodul. Das Batteriemodul weist auf:
    • ein Batteriemodulgehäuse;
    • eine Vielzahl von Aufnahmevorrichtungen gemäß einer der oben beschriebenen Ausführungsformen, wobei die Vielzahl von Aufnahmevorrichtungen in einer Richtung senkrecht zur Rahmenrahmebene der Aufnahmevorrichtungen hintereinander angeordnet sind;
    • eine Vielzahl von Pouch-Batteriezellen, die jeweils in einer Aufnahmevorrichtung der Vielzahl von Aufnahmevorrichtung eingefasst ist; und
    • eine Druckbeaufschlagungsvorrichtung, die dazu eingerichtet ist, einen Druck auf die Vielzahl von Pouch-Batteriezellen auszuüben.
  • Die Vielzahl von Aufnahmevorrichtungen sind derart angeordnet, dass die Vielzahl von Pouch-Batteriezellen eine gemeinsame (Zell-)Stapelrichtung aufweisen. Die Vielzahl von Pouch-Batteriezellen ist als ein Zellstapel angeordnet.
  • Die Druckbeaufschlagungsvorrichtung ist dazu ausgebildet und eingerichtet, eine vorbestimmte (Druck-)Vorspannung auf den Zellstapel in Stapelrichtung aufzubringen und diese über den Volumenänderungsverlauf der Pouch-Batteriezellen aufrechtzuerhalten. Die vorbestimmte Vorspannung kann bspw. von einem Lade- und/oder einem Entladezustand der Pouch-Batteriezelle abhängig sein. Dazu kann die Druckbeaufschlagungsvorrichtung bspw. eine relativ zu dem Zellstapel bewegbare Platte aufweisen. Durch die Volumenänderung der einzelnen Pouch-Batteriezellen während einer Lade- oder Entladephase ändern die Pouch-Batteriezellen im Zellstapel ihre Position. Daher muss die Druckplatte nachgeführt werden, um eine konstante Vorspannung auf den Zellstapel zu ermöglichen.
  • Die Pouch-Batteriezellen werden entlang ihrer Siegelnaht durch die Einfassung in den entsprechenden Aufnahmevorrichtungen geschützt, während gleichzeitig eine geführte Bewegung der Pouch-Batteriezellen innerhalb des Batteriemodulgehäuses durch die Aufnahmevorrichtung ermöglicht wird.
  • Gemäß einer Ausführungsform kann die Druckbeaufschlagungsvorrichtung ein (hydraulisches) Krafterzeugerelement umfassen, das mit der Platte gekoppelt ist und die Platte relativ zum Zellstapel verschieben kann. In einer weiteren Ausführungsform kann die Druckbeaufschlagungsvorrichtung eine Übersetzungsvorrichtung umfassen, über die das Krafterzeugerelement mit der Platte gekoppelt ist. Mit der Übersetzungsvorrichtung kann eine vom Krafterzeugerelement erzeugte Kraft übertragen/geändert und auf die Platte geleitet werden.
  • Durch die gleichmäßige Vorspannung auf den Zellstapel kann die Performance, die Lebensdauer und die Strukturstabilität der Vielzahl von Pouch-Batteriezellen und somit des Batteriemoduls gewährleistet werden.
  • Ein dritter Aspekt der vorliegenden Erfindung betrifft ein Fahrzeug mit einem der oben beschriebenen Batteriemodule. Das Fahrzeug kann einen elektrifizierten Antriebsstrang aufweisen und das Batteriemodul als Traktionsbatterie umfassen.
  • Ausführungsbeispiele der Erfindung werden nun beispielhaft und unter Bezugnahme auf die beigefügte Zeichnung beschrieben. Dabei zeigt:
    • 1 schematisch eine Pouch-Batteriezelle;
    • 2a, 2b schematisch eine Aufnahmevorrichtung gemäß einer ersten Ausführungsform;
    • 3a, 3b Querschnittsansichten der Aufnahmevorrichtung aus 2a, 2b;
    • 4a-f einen Eckbereich der Aufnahmevorrichtung aus 2a, 2b gemäß verschiedenen Ausführungsformen;
    • 5 schematisch einen Teil eines Batteriemoduls;
    • 6 ein Kontaktierungsplättchen für die Aufnahmevorrichtung;
    • 7a-c schematisch ein Verschalten von mehreren, in Aufnahmevorrichtungen eingefassten Pouch-Batteriezellen;
    • 8a, 8b schematisch ein Batteriemodul bzw. einen mäanderförmigen Verlauf von elektrischen Leitern;
    • 9a-c schematisch eine teilweise Draufsicht und eine Querschnittsansicht des Batteriemoduls aus 8a;
    • 10a, 10b schematisch eine Aufnahmevorrichtung gemäß einer zweiten und dritten Ausführungsform; und
    • 11 schematisch eine Fahrzeug mit dem Batteriemodul aus 8a.
  • 1 zeigt schematisch eine Pouch-Batteriezelle 100, die in einer nachfolgend beschriebenen Aufnahmevorrichtung 1 eingefasst werden kann. Die Pouch-Batteriezelle 100 umfasst einen Schichtstapel 103, der in einer Außenhülle eingeschlossen ist. Der Schichtstapel umfasst Schichten aus Elektrodenmaterial und Separatormaterial. Die Seiten der Außenhülle sind thermisch verschweißt, so dass eine Siegelnaht 105 entsteht, die den Schichtstapel 103 umläuft. Die Siegelnaht 105 liegt somit umfangsseitig an der Pouch-Batteriezelle 100 vor. Die Pouch-Batteriezelle 100 umfasst ferner zwei Stromableiterfahnen 107 zum Kontaktieren mit einem später beschriebenen Kontaktierungsplättchen 40. Die Pouch-Batteriezelle 100 weist eine Schichtstapelrichtung S auf, die senkrecht zum Stapel 103 verläuft. Während eines Entlade- und Ladevorgangs der Pouch-Batteriezelle 100 erfolgt eine Volumenänderung der Pouch-Batteriezelle 100 im Bereich des Schichtstapels 103. Dabei dehnt sich die Pouch-Batteriezelle 100 während dem Ladevorgang aus und zieht sich während dem Entladevorgang zusammen.
  • 2a zeigt schematisch eine Aufnahmevorrichtung 1 gemäß einer ersten Ausführungsform, in der die Pouch-Batteriezelle 100 eingefasst ist. Die Aufnahmevorrichtung 1 ist rahmenförmig ausgebildet und erlaubt die Volumenänderung der Pouch-Batteriezelle 100 in Schichtstapelrichtung S.
  • 2b zeigt schematisch eine Explosionsdarstellung der Aufnahmevorrichtung 1. Die Aufnahmevorrichtung 1 umfasst einen Außenrahmen 3 und einen Innenrahmen 20. Der Außenrahmen 3 umfasst einen Aufnahmeabschnitt 5, der entlang eines (Innen-)Umfangs des Außenrahmens 3 verläuft und zum Aufnehmen des Innenrahmens 20 vorgesehen ist. Ferner umfasst der Außenrahmen 3 mehrere Rastabschnitte 7, bspw. Rastnasen, zum lösbaren Verbinden des Außenrahmens 3 mit dem Innenrahmen 20. Auf der Seite der Stromableiterfahnen 7 umfasst der Außenrahmen 3 an seinem Außenumfang zwei Gleitabschnitte 9, die Gleitnasen umfassen.
  • 3a zeigt eine Schnittdarstellung entlang der Schnittachse A-A, die einen Bereich der Aufnahmevorrichtung 1 mit der eingefassten Pouch-Batteriezelle 100 darstellt, wobei der Bereich gegenüber den Stromableiterfahnen 107 angeordnet ist. Dabei ist die Pouch-Batteriezelle 100 in einem entladenen Zustand dargestellt, wobei die Volumenänderung der Pouch-Batteriezelle 100 infolge eines geladenen Zustands durch die gestrichelte Linie angedeutet ist.
  • Der Außenrahmen 3 und der Innenrahmen 20 sind derart angeordnet, dass zwischen dem Außenrahmen 3 und dem Innenrahmen 20 eine Siegelnahtaufnahmekavität 13 ausgebildet ist. In der Siegelnahtaufnahmekavität 13 ist die Siegelnaht 105 anordenbar. Anders ausgedrückt, die Siegelnaht 105 ist in der Siegelnahtaufnahmekavität 13 aufnehmbar/einfassbar. In dem in 3a gezeigten Beispiel ist die Siegelnahtaufnahmekavität 13 derart ausgebildet, dass die Siegelnaht 105 umgelegt in der Siegelnahtaufnahmekavität 13 anordenbar ist. Dazu umfasst die Siegelnahtaufnahmekavität 13 einen ersten Kavitätsabschnitt 13a, der entlang einer neutralen Faser der Pouch-Batteriezelle 100 verläuft und parallel zu einer Rahmenebene der Aufnahmevorrichtung 1, und einen zweiten Kavitätsabschnitt 13b, der an den ersten Kavitätsabschnitt 13a anschließt und (in Umfangsrichtung der Aufnahmevorrichtung 1 gesehen) einen Kavitätsquerschnitt aufweist, der mit dem Kavitätsquerschnitt des ersten Kavitätsabschnitt 13a einen Winkel von ca. 90 °Grad bildet. Folglich weist die Siegelnahtaufnahmekavität 105 einen Krümmungsabschnitt 13c mit einem Radius auf, um den die Siegelnaht 105 umgelegt werden kann.
  • Im Bereich des ersten Kavitätsabschnitts 13a können der Außenrahmen 3 und der Innenrahmen 20 derart ausgebildet sein, dass die Siegelnaht 105 durch eine von dem Außenrahmen 3 und dem Innenrahmen 20 ausgeübte Klemmkraft zwischen dem Außenrahmen 3 und dem Innenrahmen 20 einklemmbar ist.
  • Ferner umfasst die Aufnahmevorrichtung 1 eine Rastverbindung zum lösbaren Verbinden des Außenrahmens 3 mit dem Innenrahmen 20. Die Rastverbindung umfasst außenrahmenseitig eine Rastnase 7, die in einen entsprechend ausgebildeten innenrahmenseitigen Rastabschnitt 27 greift. Der Außenrahmen 3 und der Innenrahmen 20 sind aus einem Material geformt, der eine elastische Verformung der Rastnase 7 und dem Rastabschnitt 27 erlaubt, um die Rastverbindung zu ermöglichen. In manchen Beispielen können der Außenrahmen und der Innenrahmen 20 aus einem elastischen Kunststoffmaterial geformt sein, bspw. Polyamid 6 mit einem Glasfaseranteil von 30 Prozent (PA6-GF30).
  • Ferner ist in 3a gezeigt, dass der Außenrahmen 3 an seiner Innenumfangsseite eine innenumfangsseitige Fase 15 aufweist, die an einer nach außen gerichteten Kante vorgesehen ist. Der Innenrahmen 20 weist ebenfalls auf seiner Innenumfangsseite eine innenumfangsseitige Fase 25 auf, die an einer nach außen gerichteten Kante vorgesehen ist. An seiner Außenumfangsseite weist der Außenrahmen 3 eine erste außenumfangsseitige Fase 17a und eine zweite außenumfangsseitige Fase 17b auf. Jeder der Fasen 15, 17a, 17b, 25 verläuft entlang des gesamten Umfangs des Außenrahmens 3 bzw. des Innenrahmens 20 und somit entlang des Umfangs der Aufnahmevorrichtung 1.
  • Am Außenrahmen 3 sind ferner Gleitabschnitte 16 vorgesehen, die zumindest teilweise entlang des Außenumfangs des Außenrahmen 3 verlaufen.
  • 3b zeigt eine Schnittdarstellung entlang der Schnittachse A-A, die einen Bereich der Aufnahmevorrichtung 1 mit der eingefassten Pouch-Batteriezelle 100 darstellt, wobei der Bereich bei den Stromableiterfahnen 107 angeordnet ist. In diesem Bereich umfasst der Außenrahmen zwei Zentriereinrichtungen 11 zum Zentrieren und somit zum Befestigen/Aufnehmen der Kontaktierungsplättchen 40 und die als Gleitnasen ausgebildeten Gleitabschnitte 9. Die Zentriereinrichtungen 11 umfassen jeweils zwei Zentriernasen 11a.
  • Ferner ist in 3b zu erkennen, dass die Siegelnahtaufnahmekavität 13 offen ausgebildet ist, um die Stromableiterfahnen 107 aus der Aufnahmevorrichtung 1 herauszuführen. Dazu sind der Außenrahmen 3 und der Innenrahmen 20 derart angeordnet, dass zwischen ihnen ein Durchführungsabschnitt 13d ausgebildet ist, durch den die Stromableiterfahren 107 (labyrinthförmig) geführt werden können. Ein Querschnitt des Durchführungsabschnitts 13d verläuft (in Umfangsrichtung der Aufnahmevorrichtung 1 gesehen) im Wesentlichen parallel zum Querschnitt des ersten Kavitätsabschnitts 13a. Zur Bildung des Durchführungsabschnitts 13 umfasst, im Bereich der Stromableiterfahnen, der Außenrahmen 3 einen außenrahmenseitigen Vorsprung 18 und der Innenrahmen 20 einen innenrahmenseitigen Vorsprung 28, die jeweils vom Außenumfang des Außenrahmens 3 bzw. des Innenrahmens 20 senkrecht hervor ragen. Ferner umfassen der außenrahmenseitige Vorsprung 18 und der innenrahmenseitige Vorsprung 28 einen außenrahmenseitigen Radius 18a bzw. einen innenrahmenseitigen Radius 28a, die den Stromableiterfahnen 107 zugewandt sind. Der außenrahmenseitige Vorsprung 18 und somit der außenrahmenseitige Radius 18 ragen weiter hervor als der innenrahmenseitige Vorsprung 28 bzw. der innenrahmenseitige Radius 28a. Wenn sich die Stromableiterfahnen 107 aufgrund der Volumenänderungen der Pouch-Batteriezelle bewegen, können mit dem außenrahmenseitigen Radius 18a und dem innenrahmenseitigen Radius 18b ein Abknicken der Stromableiterfahnen 107 in einem Bereich vermieden werden, in dem die Stromableiterfahnen 107 aus der Siegelnaht 105 herausgeführt werden.
  • Wie auch schon im Bereich des ersten Kavitätsabschnitts 13a können auch im Bereich des Durchführungsabschnitts 13d der Außenrahmen 3 und der Innenrahmen 20 derart ausgebildet sein, dass die Siegelnaht 105 durch die von dem Außenrahmen 3 und dem Innenrahmen 20 ausgeübte Klemmkraft zwischen dem Außenrahmen 3 und dem Innenrahmen 3 einklemmbar ist.
  • 4a-f zeigen verschiedene Ausführungsformen für einen (in 1 gekennzeichneten) Eckbereich B der Aufnahmevorrichtung 1. Die umlaufende Siegelnahtaufnahmekavität 13 bzw. die Aufnahmevorrichtung 1 ist im Eckbereich B zumindest teilweise ausgespart bzw. freigeschnitten (freigelegt), so dass die Siegelnaht 105 zumindest teilweise freiliegt bzw. offen liegt. Anders ausgedrückt, die Aufnahmevorrichtung 1 weist an ihrem Eckbereich B einen ausgesparten Bereich 14; 14'; 14" auf, der an dem Außenrahmen 3 angeordnet ist. Dadurch kann die Faltenbildung an der Siegelnaht 105 derart erfolgen, dass die Falten möglichst wenig Spannung auf die Siegelnaht 105 ausüben. Entsprechend können auch die weiteren Eckbereiche der Aufnahmevorrichtung 1 ausgespart sein.
  • In 4a ist eine außenrahmenseitige Aussparung 14 gemäß einem ersten Beispiel dargestellt. Die Aussparung 14 ist derart gestaltet, dass die Siegelnaht 105 im Eckbereich B der Aufnahmevorrichtung vollständig freiliegt. Die Siegelnaht 105 weist (nicht gezeigte) Falten auf, die durch das Umlegen der Siegelnaht 105 gebildet werden.
  • In 4b ist eine Ausführungsform für den Innenrahmen 20 gezeigt, der eine optionale innenrahmenseitige Aussparung 24 umfasst. Durch die innenrahmenseitige Aussparung 24 kann mehr Raum für das Umlegen der Siegelnaht 105 vorgesehen werden.
  • In 4c ist eine Außenansicht einer außenrahmenseitigen Aussparung 14' gemäß einer zweiten Ausführungsform gezeigt. Die außenrahmenseitige Aussparung 14' umfasst eine Vielzahl von Nasen 14a', die senkrecht zur Rahmenebene von dem Außenrahmen 3 hervor ragen. Die Vielzahl von Nasen 14a' sind fächerförmig angeordnet und ausgebildet, die Siegelnaht 105 einzuzäunen. In 4d ist eine Innenansicht der außenrahmenseitigen Aussparung 14' gezeigt. Die Vielzahl der Nasen 14a' umfassen jeweils einen hakenförmigen Endabschnitt 14b'.
  • In 4e ist eine Innenansicht einer außenrahmenseitigen Aussparung 14" gemäß einer zweiten Ausführungsform gezeigt. Dabei umfasst die außenrahmenseitige Aussparung 14" eine Nase 14a", die senkrecht zur Rahmenebene von dem Außenrahmen 3 hervor ragt. Die Nase 14a" umfasst einen hakenförmigen Endabschnitt 14b". In Umfangsrichtung des Außenrahmens 3 gesehen ist an gegenüberliegenden Enden der Nase 14a" jeweils ein Freischnitt (bzw. Aussparung, Schlitz) 14c" vorgesehen, der zum Aufnehmen der gebildeten Falten der Siegelnaht 105 vorgesehen ist.
  • Durch die Vielzahl von Nasen 14a' bzw. die Nase 14a" kann ein Reiben der Siegelnaht 105 an einem Batteriemodulgehäuse 201 eines (später beschriebenen) Batteriemoduls 200 verhindert werden.
  • 4f zeigt eine Querschnittsansicht in Umfangsrichtung der Aufnahmevorrichtung 1 im Eckbereich B. Dabei verläuft die Schnittansicht durch eine der Vielzahl von Nasen 14a' oder der Nase 14a". Die Vielzahl von Nasen 14a' sind bzw. die Nase 14a" ist derart angeordnet, dass die Siegelnahtaufnahmekavität 13 im Bereich der Aussparungen 14; 14'; 14" einen größeren Querschnitt aufweist im Vergleich zum restlichen Bereich der Siegelnahtaufnahmekavität 13, der entlang des restlichen Umfangs der Aufnahmevorrichtung 1 verläuft. Ferner kann eine Innenumfangsseite der Vielzahl von Nasen 14'a bzw. der Nase 14" einen größeren Radius aufweisen als eine restliche Innenumfangsseite des Außenrahmens 3. Durch den größeren Querschnitt der Siegelaufnahmekavität 13 und den größeren Radius kann mehr Raum für das Umlegen der Siegelnaht 105 vorgesehen werden, so dass die in der Siegelnaht 105 gebildeten Falten eine möglichst geringe Spannungsbelastung auf die Siegelnaht 105 ausüben und die Siegelnaht 105 geschützt werden kann.
  • Ferner können zur Reduzierung von Faltenbildung Ecken der Siegelnaht 105 derart beschnitten werden, dass sie jeweils (in Stapelrichtung gesehen) eine Rundung aufweisen.
  • 5 zeigt einen Teil des Batteriemoduls 200. Hier sind eine Vielzahl von Pouch-Batteriezellen 100 dargestellt, die in (Zell-)Stapelrichtung in Reihe angeordnet sind und somit einen Zellstapel bilden. Die Vielzahl von Pouch-Batteriezellen 100 sind jeweils in einer der oben beschriebenen Aufnahmevorrichtung 100 eingefasst. Zum Koppeln der Vielzahl von Pouch-Batteriezellen 100 können die Kontaktierungsplättchen 40 mit den Stromableiterfahnen 107 elektrisch leitend miteinander verbunden werden, bspw. verschweißt, und die Kontaktierungsplättchen 40 wiederum über elastische elektrische Leiter 60 miteinander elektrisch leitend verbunden werden.
  • In 6 ist ein Kontaktierungsplättchen 40 aus 5 näher dargestellt. Das Kontaktierungsplättchen 40 ist plättchenförmig ausgebildet und weist auf einer Oberseite und einer Unterseite Kontaktflächen 41 zum Verbinden des Kontaktierungsplättchens 40 mit den elektrischen Leitern 60 auf. Das Kontaktierungsplättchen 40 ist aus einem elektrischen leitenden Material, bspw. Kupfer, geformt. In dem gezeigten Beispiel sind die Kontaktflächen 41 als Schweißkontaktflächen zum Verschweißen des Kontaktierungsplättchens 40 mit den elektrischen Leitern 60 ausgebildet. In anderen Ausführungsformen kann das Kontaktierungsplättchen an den Kontaktflächen 41 auch über andere Verbindungsmöglichkeiten mit den elektrischen Leitern 60 elektrisch leitend verbunden werden. Ferner umfasst das Kontaktierungsplättchen 40 Durchgangsbohrungen 43 zum Aufnehmen der Zentriernasen 11a auf. Die Durchgansbohrungen sind in einem Mittelabschnitt des Kontaktierungsplättchen 40 angeordnet, der sich zwischen den Kontaktflächen 41 befindet. An einer Oberseite des Mittelabschnitts ist ferner eine Stromableiterfahnenkontaktfläche 45 zum elektrischen leitenden Verbinden mit einer der Stromableiterfahnen 107 vorgesehen.
  • In 7a ist eine Anschlusskontaktseite des Außenrahmens 3 in einer Frontalansicht auf die Aufnahmevorrichtung 1 dargestellt. Der Außenrahmen 3 umfasst einen Trennabschnitt 19, der die Anschlusskontaktseite in zwei Kontaktierungsbereiche aufteilt. Dabei ist zu sehen, dass zwischen den Gleitnasen 9 ein Kontaktierungsraum 12 für die Zellkontaktierung vorgesehen ist, in dem die Zentriereinrichtungen 11 vorgesehen sind. Dabei wird der Kontaktierungsraum 12 durch einen am Außenrahmen 3 angeordneten Trennabschnitt 19 aufgeteilt. Der Kontaktierungsraum 12 ist derart vorgesehen, dass er nicht weiter von dem Außenrahmen 3 hervor ragt als die Gleitnasen 9. Die Gleitnasen 9 umfassen an Kontaktflächen, die mit dem Batteriemodulgehäuse 201 in Kontakt stehen, Gleitabschnitte 16.
  • 7b zeigt eine Seitenansicht einer Vielzahl von Aufnahmevorrichtungen 1, die hintereinander angeordnet sind, wobei sich die Pouch-Batteriezellen 100 in einem ungeladenen Zustand befinden. Dabei ist zu sehen, dass die elektrischen Leiter 60 mit einem Übermaß versehen sind, so dass die elektrischen Leiter 60 durchhängen und eine Schlaufe bilden.
  • 7c zeigt die Seitenansicht aus 7a, wobei sich die Pouch-Batteriezellen 100 in einem geladenen Zustand befinden. Aufgrund der Volumenänderung der Pouch-Batteriezellen 100 kommt es zu einer Bewegung der einzelnen Aufnahmevorrichtungen 1 relativ zueinander in Zellstapelrichtung Z. Durch das Übermaß (im ungeladenen Zustand der Pouch-Batteriezellen 100) können die elektrischen Leiter 60 diese Bewegung ausgleichen. Folglich sind die elektrischen Leiter 60 in einem annähernd gestreckten Zustand, wenn sich Pouch-Batteriezellen 100 in einem geladenen Zustand befinden. Somit ermöglicht das Übermaß bzw. die Schlaufenbildung der elektrischen Leiter 60 deren Zugentlastung bei einem Ladevorgang des Batteriemoduls 200.
  • In 8a ist das Batteriemodul 200 schematisch dargestellt. Das Batteriemodul 200 umfasst das Batteriegehäuse 201, in dem eine Vielzahl 203 von Aufnahmevorrichtungen 1 reihenweise und in Zellstapelrichtung Z hintereinander angeordnet sind. In jeder Aufnahmevorrichtung 1 der Vielzahl 203 von Aufnahmevorrichtungen 1 ist jeweils eine Pouch-Batteriezelle 100 eingefasst.
  • Das Batteriemodul 200 umfasst eine Druckbeaufschlagungsvorrichtung 205, die dazu eingerichtet ist, einen Druck auf die Vielzahl von Pouch-Batteriezellen 100 auszuüben. So ist die Druckbeaufschlagungsvorrichtung 205 dazu ausgebildet und eingerichtet, eine vorbestimmte (Druck-)Vorspannung auf den Zellstapel in Schichtstapelrichtung S bzw. Zellstapelrichtung Z aufzubringen und diese über den Volumenänderungsverlauf der Pouch-Batteriezellen 100 aufrechtzuerhalten. Die Druckbeaufschlagungsvorrichtung 205 umfasst eine relativ zu dem Zellstapel bewegbare (Druck-)Platte 205a. Durch die Volumenänderung der einzelnen Pouch-Batteriezellen 100 während einer Lade- oder Entladephase ändern die Pouch-Batteriezellen 100 im Zellstapel ihre Position durch ihre Volumenänderung. Daher kann die Platte 205a nachgeführt werden, um eine konstante Vorspannung auf den Zellstapel zu ermöglichen. Dazu umfasst die Druckbeaufschlagungsvorrichtung 205 ein Krafterzeugerelement 205b,das mit der Platte 205a gekoppelt ist und die Platte 205a relativ zum Zellstapel verschieben kann.
  • Das in 8a gezeigte Batteriemodul 200 kann bspw. als Traktionsbatterie für ein später beschriebenes Fahrzeug 300 verwendet werden. Ferner kann das Batteriemodul 200 bspw. als ein elektrischer Speicher für eine Landwirtschafts- oder Arbeitsmaschine, einen mobilen Zusatzakkumulator („Powerbank“), Elektrotransportmittel, Elektro-Fluggeräte (bspw. eine Flugdrohne), eine unterbrechungsfreie Stromversorgung (USV), eine industrielle Anwendung oder eine Heimanwendung, eine Solaranlagenpufferung oder eine Schnellladesäule verwendet werden. Somit kann das Batteriemodul 200 in allen Bereichen verwendet werden, in denen Batterien zum Einsatz kommen.
  • 8b zeigt schematisch den gesamten Verlauf einer Verschaltung 50 in dem Batteriemodul 200. Die Verschaltung 50 umfasst die elektrischen Leiter 60 und stellt einen Strompfad dar, der die einzelnen Pouch-Batteriezellen 100 über die Stromableiterfahnen 107 miteinander koppelt und Anschlusspole 70 elektrisch leitend miteinander verbindet. Die Verschaltung 50 verläuft mäanderförmig, so dass verhindert wird, das eine Leitungslänge der elektrischen Leiter 60 über einen Zellstapel den Ausgleich über die Länge des ganzen Zellstapels über den großen Bewegungsbereich (der Pouch-Batteriezellen 100) erforderlich macht. Dadurch müssen die in den elektrischen Leitern 60 gebildeten Schlaufen lediglich die Bewegung zwischen benachbarten Pouch-Batteriezellen 100 ausgleichen. Dies wird beispielhaft anhand einem Verschaltungsabschnitt 51 der Verschaltung 50 näher beschrieben. In dem Verschaltungsabschnitt 51 ist ein (nicht gezeigter) Zellstapel miteinander verschaltet. In dem Verschaltungsabschnitt 51 sind die elektrischen Leiter 60 in mehrere Leiterabschnitte 60a-f unterteilt, die jeweils eine Gruppe von Pouch-Batteriezellen 100 in dem Zellstapel miteinander koppeln. Indem die Leiterabschnitte 60a-f einen mäanderförmigen Verlauf der Verschaltung 50 bilden, werden Bewegungen der gruppierten Pouch-Batteriezellen 100 durch die entsprechenden Leiterabschnitte 60a-f kompensiert. Eine Bewegung der Gruppen der Pouch-Batteriezellen 100 ist kleiner als eine Bewegung des gesamten Zellstapels. Durch den mäanderförmigen Verlauf müssen die einzelnen Leiterabschnitte 60a-f somit weniger Bewegung kompensieren im Vergleich zu einem einzigen „geraden“ Leiterabschnitt, der den gesamten Zellstapel miteinander verschaltet und in Zellstapelrichtung entlang des Zellstapels verläuft.
  • 9a zeigt schematisch eine teilweise Draufsicht auf das Batteriemoduls 200. Dabei sind eine erste Zellstapelreihe 203a und eine zweite Zellstapelreihe 203b des Batteriemoduls 200 schematisch dargestellt, die in Zellstapelrichtung Z nebeneinander parallel angeordnet sind und durch eine Trennwand 207 voneinander getrennt sind. Die Trennwand 207 verhindert ein Verkanten oder Verhaken der parallel angeordneten ersten und zweiten Zellstapelreihen 203a, 203b bzw. der Aufnahmevorrichtungen 1 und kann bspw. aus PA6-GF30 geformt sein.
  • 9b zeigt schematisch eine teilweise Seitenansicht des Batteriemoduls 200 in einem ungeladenen Zustand. Die Trennwand 207 umfasst einen ersten Trennwandabschnitt 207a und einen zweiten Trennwandabschnitt 207b. Die Trennwand 207 ist daher zumindest zweiteilig ausgebildet. 9c zeigt schematisch eine teilweise Seitenansicht des Batteriemoduls 200 in einem geladenen Zustand. Der erste und der zweite Trennwandabschnitt 207a, 207b sind relativ zueinander bewegbar. Ferner sind der erste und der zweite Trennwandabschnitt 207a, 207b derart ausgebildet, dass sie (in der Seitenansicht gesehen) zumindest teilweise überlappen, unabhängig vom Ladezustand des Batteriemoduls 200. Dazu können, wie in 9b und 9c dargestellt, der erste und der zweite Trennwandabschnitt 207a, 207b jeweils L-förmig und ineinandergreifend ausgebildet sein. Ferner können der erste und der zweite Trennwandabschnitt 207a, 207b (in einer Richtung senkrecht zur Bildebene der 9a aus gesehen) jeweils keilförmige Querschnitte aufweisen, wobei sich Keilspitzen jeweils an Enden des ersten und zweiten Trennwandabschnitts 207a, 207b angeordnet sind, die einander zugewandt sind. Durch die keilförmige Ausbildung kann ein Verhaken der Trennwand 207 und somit des ersten und des zweiten Trennwandabschnitts 207a, 207b an den Pouch-Batteriezellen 100 und/oder an den Aufnahmevorrichtungen 100 verhindert werden.
  • In 10a ist eine Aufnahmevorrichtung 1' gemäß einer zweiten Ausführungsform dargestellt, in der ein Außenrahmen 3' und ein Innenrahmen 20' derart ausgebildet sind, mehrere Pouch-Batteriezellen 100 nebeneinander einzufassen. In einer nicht gezeigten alternativen Ausführungsform kann die Aufnahmevorrichtung 1'ausgebildet sein, mehrere Pouch-Batteriezellen 100 übereinander einzufassen.
  • 10b zeigt eine Aufnahmevorrichtung 1" gemäß einer dritten Ausführungsform. In dieser Ausführungsform sind der Außenrahmen 3 und der Innenrahmen 20 über ein (nicht gezeigtes) Schwenkelement, bspw. ein Filmscharnier, miteinander verbunden und relativ zueinander um eine Schwenkachse S verschwenkbar. In diesem gezeigten Ausführungsbeispiel ist die Schwenkachse S an einer (hier gezeigten) kurzen Seite der Aufnahmevorrichtung 1 vorgesehen. Alternativ kann die Schwenkachse S auch entlang einer langen Seite der Aufnahmevorrichtung 1 verlaufen.
  • In 11 ist ein als PKW ausgebildetes Fahrzeug 300 gezeigt. In anderen Ausführungsformen kann das Fahrzeug 300 auch als ein Nutzkraftwagen (NKW), ein Lastkraftwagen (LKW) oder ein Bus ausgebildet sein. Ferner kann das Fahrzeug als ein Wasserfahrzeug, bspw. ein Schiff mit elektrischem oder teilelektrischen Antrieb, oder als ein Flugfahrzeug ausgebildet sein. Das Fahrzeug 300 umfasst das Batteriemodul 200, bspw. als Traktionsbatteriemodul.
  • Bezugszeichenliste
    • 1; 1'; 1''
    Aufnahmevorrichtung
    3; 3'
    Außenrahmen
    5
    Aufnahmeabschnitt
    7
    Rastnasen
    9
    Gleitnasen
    11
    Zentriereinrichtung
    11a
    Zentriemasen
    13
    Siegelnahtaufnahmekavität
    13a
    erster Kavitätsabschnitt
    13b
    zweiter Kavitätsabschnitt
    13c
    Krümmungsabschnitt
    13d
    Durchführungsabschnitt
    15
    innenumfangsseitige Fase am Außenrahmen
    16
    Gleitabschnitte
    17a, b
    außenumfangsseitige Fase am Außenrahmen
    18
    Vorsprung
    18a
    Radius
    19
    Trennabschnitt
    20; 20'
    Innenrahmen
    25
    innenumfangsseitige Fase am Innenrahmen
    27
    Rastabschnitt
    28
    Vorsprung
    28a
    Radius
    40
    Kontaktierungsplättchen
    41
    Kontaktflächen
    43
    Durchgangsbohrung
    45
    Stromableiterfahnenkontaktfläche
    50
    Verschaltung
    51
    Verschaltungsabschnitt
    60
    elektrische Leiter
    60a-f
    Leiterabschnitte
    70
    Anschlusspole
    100
    Pouch-Batteriezelle
    103
    Schichtstapel
    105
    Siegelnaht
    107
    Stromableiterfahnen
    200
    Batteriemodul
    201
    Batteriemodulgehäuse
    203
    Vielzahl von Aufnahmevorrichtungen
    203a
    erste Zellstapelreihe
    203b
    zweite Zellstapelreihe
    205
    Druckbeaufschlagungsvorrichtung
    205a
    (Druck-)Platte
    205b
    Krafterzeugerelement
    207
    Trennwand
    207a
    erster Trennwandabschnitt
    207b
    zweiter Trennwandabschnitt
    300
    Fahrzeug
  • ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
  • Diese Liste der vom Anmelder aufgeführten Dokumente wurde automatisiert erzeugt und ist ausschließlich zur besseren Information des Lesers aufgenommen. Die Liste ist nicht Bestandteil der deutschen Patent- bzw. Gebrauchsmusteranmeldung. Das DPMA übernimmt keinerlei Haftung für etwaige Fehler oder Auslassungen.
  • Zitierte Patentliteratur
    • DE 102010051010 A1 [0009]

Claims (10)

  1. Aufnahmevorrichtung (1; 1'; 1") für eine Pouch-Batteriezelle (100), die umfangsseitig eine Siegelnaht (105) aufweist und aus der Siegelnaht (105) heraustretende Stromableiterfahnen (107), wobei die Aufnahmevorrichtung (1; 1'; 1") rahmenförmig ausgebildet ist und umfasst: einen Außenrahmen (3; 3'); und einen Innenrahmen (20; 20'); wobei der Innenrahmen (20; 20') in dem Außenrahmen (3; 3') derart angeordnet ist, dass zwischen dem Außenrahmen (3; 3') und dem Innenrahmen (20; 20') eine Siegelnahtaufnahmekavität (13) ausgebildet ist, in der die Siegelnaht (105) der Pouch-Batteriezelle (100), insbesondere umgelegt, anordenbar ist.
  2. Aufnahmevorrichtung (1; 1'; 1") nach Anspruch 1, wobei der Außenrahmen (3; 3') und der Innenrahmen (20; 20') derart ausgebildet sind, dass die Siegelnaht (105) zwischen dem Außenrahmen (3; 3') und dem Innenrahmen (20; 20') zumindest teilweise einklemmbar ist.
  3. Aufnahmevorrichtung (1; 1'; 1") nach einem der vorherigen Ansprüche, wobei die Siegelnahtaufnahmekavität (13) an Eckbereichen der Aufnahmevorrichtung (1; 1'; 1") ausgespart ist.
  4. Aufnahmevorrichtung (1; 1'; 1") nach einem der vorherigen Ansprüche, die ferner eine Rastverbindung zum lösbaren Verbinden des Außenrahmens (3; 3') mit dem Innenrahmen (20; 20') umfasst, wobei insbesondere der Außenrahmen (3; 3') eine Rastnase zum Einrasten des Innenrahmens (20; 20') an dem Außenrahmen (3; 3') umfasst.
  5. Aufnahmevorrichtung (1; 1'; 1") nach einem der vorherigen Ansprüche, wobei mindestens einer von dem Außenrahmen (3; 3') und dem Innenrahmen (20; 20') eine innenumfangsseitige Fase (15) aufweist, die nach außen gerichtet ist.
  6. Aufnahmevorrichtung (1; 1'; 1") nach einem der vorherigen Ansprüche, die ferner eine außenumfangsseitige Fase (17a, 17b) aufweist.
  7. Aufnahmevorrichtung (1; 1'; 1") nach einem der vorherigen Ansprüche, die ferner außenumfangsseitige Gleitabschnitte (16) zum gleitenden Führen der Aufnahmevorrichtung (1; 1'; 1") in einem Batteriemodulgehäuse (200) umfasst.
  8. Aufnahmevorrichtung (1; 1'; 1") nach Anspruch 7, wobei die Gleitabschnitte (16) im Bereich der Stromableiterfahnen (107) zwei Gleitnasen (9) umfassen und zwischen den Gleitnasen (9) eine Zentriereinrichtung (11) für ein Kontaktierungsplättchen (40) zum Kontaktieren einer der Stromableiterfahnen (107) angeordnet ist.
  9. Batteriemodul (200), aufweisend: ein Batteriemodulgehäuse (201); eine Vielzahl (203) von Aufnahmevorrichtungen (1; 1'; 1") nach einem der vorherigen Ansprüche, die in einer Richtung senkrecht zur Rahmenebene der Aufnahmevorrichtungen (1; 1'; 1") hintereinander angeordnet sind; eine Vielzahl von Pouch-Batteriezellen (100), die jeweils in einer Aufnahmevorrichtung (1; 1'; 1") der Vielzahl (203) von Aufnahmevorrichtung (1; 1'; 1") eingefasst ist; und eine Druckbeaufschlagungsvorrichtung (205), die dazu eingerichtet ist, einen Druck auf die Vielzahl von Pouch-Batteriezellen (100) auszuüben.
  10. Fahrzeug (100) mit einem Batteriemodul (200) nach Anspruch 9.
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