DE102020207400A1

DE102020207400A1 - Batteriemodul

Info

Publication number: DE102020207400A1
Application number: DE102020207400.3A
Authority: DE
Inventors: Fabian Hauser; Andreas Gleiter
Original assignee: Robert Bosch GmbH
Current assignee: Robert Bosch GmbH
Priority date: 2020-06-16
Filing date: 2020-06-16
Publication date: 2021-12-16
Also published as: WO2021254905A1; TW202203494A

Abstract

Batteriemodul mit einer Mehrzahl von zylindrischen Batteriezellen, umfassend:- ein Batteriemodulgehäuse;- einen Batteriezellhalter zum Aufnehmen der Batteriezellen;- mindestens ein wellenförmiges Zwischenelement entlang der Batteriezellen,- wobei das wellenförmige Zwischenelement die Batteriezellen zumindest teilweise umschließt;- wobei das wellenförmige Zwischenelement eine thermische Brücke zwischen den Batteriezellen und dem Batteriemodulgehäuse ausbildet;- wobei das wellenförmige Zwischenelement die Batteriezellen, vorzugsweise in radialer Richtung der Batteriezellen, abstützt.

Description

Die Erfindung geht aus von einem Batteriemodul mit einer Mehrzahl von zylindrischen Batteriezellen, einem Verfahren zur Herstellung eines Batteriemoduls sowie einer Verwendung des Batteriemoduls gemäß dem Oberbegriff der unabhängigen Ansprüche.
Stand der Technik
Bei Elektro-Leichtfahrzeugen kommen in der Regel Rundzellen zum Einsatz. Die Halterung dieser Zellen erfolgt meist durch Kunststoffrahmen, die Zwischenräume umfassen. In Batterien für Elektro-Leichtfahrzeuge, beispielsweise eScooter, wird häufig kein aktives Kühlsystem verwendet, weshalb die Verlustwärme geringgehalten werden muss. Das beschränkt den Einsatz der Batterien, da die Batteriezellen eine deutlich höhere Leistung abgeben könnten.
Das Dokument JP H09-306447 offenbart einen Batteriepack mit Trennplatten, die jede der Batteriereihen elektrisch isolieren und erzeugte Wärme von den jeweiligen Batteriereihen abstrahlen.
Das Dokument EP 1274137 A1 offenbart einen Batteriepack enthaltend mehrere Zellen, die in Schichten übereinandergestapelt sind sowie eine Wärmesammelplatte aus einem wellenförmigen Metallblech, die zwischen den Ebenen der Zellen angeordnet ist.
Das Dokument US 2011/305930 offenbart einen Batteriepack umfassend eine Batteriegruppe mit Batteriereihen.
Es ist Aufgabe der vorliegenden Erfindung, den Stand der Technik weiter zu verbessern. Diese Aufgabe wird gelöst durch die Merkmale der unabhängigen Ansprüche.
Offenbarung der Erfindung
Vorteile der Erfindung
Die erfindungsgemäße Vorgehensweise mit den kennzeichnenden Merkmalen der unabhängigen Ansprüche weist demgegenüber den Vorteil auf, dass das Batteriemodul ferner umfasst:

- ein Batteriemodulgehäuse;
- einen Batteriezellhalter zum Aufnehmen der Batteriezellen;
- mindestens ein wellenförmiges Zwischenelement entlang der Batteriezellen,
- wobei das wellenförmige Zwischenelement die Batteriezellen zumindest teilweise umschließt;
- wobei das wellenförmige Zwischenelement eine thermische Brücke zwischen den Batteriezellen und dem Batteriemodulgehäuse ausbildet;
- wobei das wellenförmige Zwischenelement die Batteriezellen, vorzugsweise in radialer Richtung der Batteriezellen, abstützt.

Durch das wellenförmige Zwischenelement wird ein wesentlich besserer thermischer Übergang zwischen den Batteriezellen und dem Batteriemodulgehäuse erreicht, wodurch beispielsweise eine höhere Leistungsentnahme aus dem Batteriemodul und/oder Leistungszufuhr in das Batteriemodul möglich ist.
Weiter wird durch das Abstützen der Batteriezellen in radialer Richtung ein wirksamer Schutz („Propagationssicherheit“) gegen seitliches Aufplatzen einer Batteriezelle im Falle eines Batteriezellbrands bewirkt, wodurch ein Übergreifen eines Brandes auf die benachbarten Batteriezellen und somit ein thermisches Durchgehen des Batteriemoduls wirksam verhindert werden.
Weitere vorteilhafte Ausführungsformen sind Gegenstand der Unteransprüche.
Das wellenförmige Zwischenelement liegt zumindest teilweise an den Batteriezellen und/oder dem Batteriemodulgehäuse an. Dadurch werden Hohlräume zwischen den Batteriezellen und dem Batteriezellhalter aufgefüllt, wodurch Wärme von den Batteriezellen besser abgeleitet werden kann und die Batteriezellen abgestützt werden.
Das wellenförmige Zwischenelement weist ein Polygon als Grundform auf, dadurch können freie Hohlräume zwischen den Batteriezellen geschlossen werden.
Die Batteriezellen im Batteriezellhalter sind in im Wesentlichen geraden Batteriezellreihen angeordnet, wobei die Batteriezellreihen parallel zueinander angeordnet sind und durch den Batteriezellhalter voneinander beabstandet sind. Dadurch wird eine kompakte Bauform des Batteriemoduls erreicht. Weiter können die Batteriezellen durch Batteriezellverbinder elektrisch in Serie und/oder parallel verschaltet werden.
Der Batteriezellehalter umfasst Spann- und/oder Schnapphaken zum formschlüssigen Verbinden der Batteriezellen mit dem Batteriezellhalter. Dadurch wird eine besonders rüttelfeste Halterung der Batteriezellen erreicht.
Das wellenförmige Zwischenelement ist elektrisch isolierend. Dadurch können Kriechströme verhindert und eine Verbesserung des Berührschutzes erreicht werden.
Das wellenförmige Zwischenelement ist schwer entflammbar und/oder selbstverlöschend. Dadurch wird ein Übergreifen eines Brandes auf die benachbarten Batteriezellen und somit ein thermisches Durchgehen des Batteriemoduls wirksam verhindert.
Das wellenförmige Zwischenelement umfasst ein Epoxidharz, einen Kunststoff, Acrylat, Polyurethan und/oder Keramik. Dadurch weist das wellenförmige Zwischenelement eine gewisse flexible mechanische Beschaffenheit auf.
Ein erfindungsgemäßes Verfahren zur Herstellung eines Batteriemoduls umfasst folgende Schritte:

a.) Einsetzen einer Mehrzahl von Batteriezellen in einen Batteriezellhalter, wodurch eine kraft- und formschlüssige Verbindung zwischen den Batteriezellen und dem Batteriezellhalter entsteht;
b.) Elektrisches Kontaktieren der Batteriezellen mit elektrisch leitenden Batteriezellverbindern;
c.) Einschieben mindestens eines wellenförmigen Zwischenelements in Längsrichtung der Batteriezellen, wodurch das wellenförmige Zwischenelement die Batteriezellen teilweise umschließt und an den Batteriezellen anliegt;
d.) Einsetzen des Batteriezellhalters in ein Batteriemodulgehäuse;
e.) Elektrisches Kontaktieren der Batteriezellverbinder mit elektrischen Anschlusspolen des Batteriemoduls.

Das erfindungsgemäße Verfahren ist nicht auf die dargestellte Reihenfolge der Ausführungsform beschränkt. Vielmehr können die Schritte a bis c in beliebiger Reihenfolge, wiederholt, zeitlich nacheinander und/oder gleichzeitig erfolgen.
Vorteilhafterweise findet ein erfindungsgemäßes Batteriemodul Verwendung in elektrischen Energiespeichern für Elektrofahrzeuge, Brennstoffzellenfahrzeuge, Hybridfahrzeuge, Plug-In-Hybridfahrzeuge, Luftfahrzeuge, Pedelecs oder E-Bikes, für portable Einrichtungen zur Telekommunikation oder Datenverarbeitung, für elektrische Handwerkzeuge oder Küchenmaschinen, sowie in stationären Speichern zur Speicherung insbesondere regenerativ gewonnener elektrischer Energie.
Figurenliste
Ausführungsbeispiele der Erfindung sind in der Zeichnung dargestellt und in der nachfolgenden Beschreibung näher erläutert.
Es zeigen:

1 eine schematische Darstellung einer ersten Ausführungsform eines erfindungsgemäßen Zwischenelements; und
2 eine erste schematische Darstellung einer Ausführungsform eines erfindungsgemäßen Batteriemoduls; und
3 eine zweite schematische Darstellung einer Ausführungsform eines erfindungsgemäßen Batteriemoduls.

Detaillierte Beschreibung der Ausführungsbeispiele
Gleiche Bezugszeichen bezeichnen in allen Figuren gleiche Vorrichtungskomponenten.
1 zeigt eine schematische Darstellung einer ersten Ausführungsform eines erfindungsgemäßen Zwischenelements 100. Das erfindungsgemäße Zwischenelement 100 umfasst in der gezeigten Ausführungsform einen wellenförmigen Bereich 101 zum teilweisen Umschließen von Batteriezellen 103(1), 103(2), 103(n), 104(1), 104(2), 104(n) und einen quaderförmigen Bereich 102 zum Ausbilden einer thermischen Brücke zwischen den Batteriezellen 103(1), 103(2), 103(n), 104(1), 104(2), 104(n) und einem Batteriemodulgehäuse.
2 zeigt eine erste schematische Darstellung einer Ausführungsform eines erfindungsgemäßen Batteriemoduls. Ein Batteriezellhalter 200, vorzugsweise mehrteilig ausgeführt, umfasst eine Vielzahl von Aussparungen 202 zur Aufnahme von Batteriezellen, die von Spannhaken 203 formschlüssig in dem Batteriezellhalter 200 gehalten werden. Der Batteriezellhalter 200 weist Zwischenräume auf, in denen zumindest ein wellenförmiges Zwischenelement 201 eingeschoben wird. Dieses wellenförmige Zwischenelement 201 ist vorteilhafterweise als zusätzliches Element in ein Batteriemodul einschiebbar, wodurch eine Anpassung an anderen Teilen des Batteriemoduls nicht notwendig ist.
Das Abstützen der Batteriezellen in radialer Richtung bewirkt einen wirksamen Schutz gegen seitliches Aufplatzen von Batteriezellen im Falle eines Batteriezellbrands, wodurch ein Übergreifen eines Brandes auf die benachbarten Batteriezellen und somit ein thermisches Durchgehen des Batteriemoduls wirksam verhindert werden.
3 zeigt eine zweite schematische Darstellung einer Ausführungsform eines erfindungsgemäßen Batteriemoduls 300. Das Batteriemodul 300 umfasst ein Batteriemodulgehäuse 301, vorzugsweise aus einem Aluminium Strangpressprofil. Ein nicht dargestellter Batteriezellhalter umfasst eine Vielzahl von Batteriezellen 302(1), 302(2), 302(n) sowie eine Mehrzahl von erfindungsgemäßen Zwischenelementen 303(1), 303(m), die in Längsrichtung der Batteriezellen 302(1), 302(2), 302(n) verlängert sind und diese das Batteriemodulgehäuse 301 berühren. Dadurch entsteht eine thermische Brücke, wodurch Wärme aus den Batteriezellen 302(1), 302(2), 302(n) über das Batteriemodulgehäuse 301 abgeführt werden kann.
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

JP H09306447 [0003]
EP 1274137 A1 [0004]
US 2011305930 [0005]

Claims

Batteriemodul (300) mit einer Mehrzahl von zylindrischen Batteriezellen (103(1), 103(2), 103(n), 104(1), 104(2), 104(n), 302(1), 302(2), 302(n)), umfassend: - ein Batteriemodulgehäuse (301); - einen Batteriezellhalter (200) zum Aufnehmen der Batteriezellen (103(1), 103(2), 103(n), 104(1), 104(2), 104(n), 302(1), 302(2), 302(n)); - mindestens ein wellenförmiges Zwischenelement (100, 201, 303(1), 303(m)) entlang der Batteriezellen (103(1), 103(2), 103(n), 104(1), 104(2), 104(n), 302(1), 302(2), 302(n)), - wobei das wellenförmige Zwischenelement die Batteriezellen (103(1), 103(2), 103(n), 104(1), 104(2), 104(n), 302(1), 302(2), 302(n)) zumindest teilweise umschließt; - wobei das wellenförmige Zwischenelement eine thermische Brücke zwischen den Batteriezellen (103(1), 103(2), 103(n), 104(1), 104(2), 104(n), 302(1), 302(2), 302(n)) und dem Batteriemodulgehäuse (301) ausbildet; - wobei das wellenförmige Zwischenelement die Batteriezellen (103(1), 103(2), 103(n), 104(1), 104(2), 104(n), 302(1), 302(2), 302(n)), vorzugsweise in radialer Richtung der Batteriezellen (103(1), 103(2), 103(n), 104(1), 104(2), 104(n), 302(1), 302(2), 302(n)), abstützt.
Batteriemodul (300) gemäß einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei das wellenförmige Zwischenelement zumindest teilweise an den Batteriezellen (103(1), 103(2), 103(n), 104(1), 104(2), 104(n), 302(1), 302(2), 302(n)) und/oder dem Batteriemodulgehäuse (301) anliegt.
Batteriemodul (300) gemäß einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei das wellenförmige Zwischenelement ein Polygon als Grundform aufweist.
Batteriemodul (300) gemäß einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die Batteriezellen (103(1), 103(2), 103(n), 104(1), 104(2), 104(n), 302(1), 302(2), 302(n)) im Batteriezellhalter (200) in im Wesentlichen geraden Batteriezellreihen angeordnet sind, wobei die Batteriezellreihen parallel zueinander angeordnet sind und durch den Batteriezellhalter (200) voneinander beabstandet sind;
Batteriemodul (300) gemäß einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei der Batteriezellhalter (200) Spannhaken und/oder Schnapphaken (203) umfassen;
Batteriemodul (300) gemäß einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei das wellenförmige Zwischenelement elektrisch isolierend ist.
Batteriemodul (300) gemäß einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei das wellenförmige Zwischenelement schwer entflammbar und/oder selbstverlöschend ist.
Batteriemodul (300) gemäß einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei das wellenförmige Zwischenelement ein Epoxidharz, einen Kunststoff, Acrylat, Polyurethan und/oder Keramik umfasst.
Verfahren zur Herstellung eines Batteriemoduls (300) gemäß einem der Ansprüche 1 bis 8 umfassend folgende Schritte: a.) Einsetzen einer Mehrzahl von Batteriezellen (103(1), 103(2), 103(n), 104(1), 104(2), 104(n), 302(1), 302(2), 302(n)) in einen Batteriezellhalter (200), wodurch eine kraft- und formschlüssige Verbindung zwischen den Batteriezellen (103(1), 103(2), 103(n), 104(1), 104(2), 104(n), 302(1), 302(2), 302(n)) und dem Batteriezellhalter (200) entsteht; b.) Elektrisches Kontaktieren der Batteriezellen (103(1), 103(2), 103(n), 104(1), 104(2), 104(n), 302(1), 302(2), 302(n)) mit elektrisch leitenden Batteriezellverbindern; c.) Einschieben mindestens eines wellenförmigen Zwischenelements in Längsrichtung der Batteriezellen (103(1), 103(2), 103(n), 104(1), 104(2), 104(n), 302(1), 302(2), 302(n)), wodurch das wellenförmige Zwischenelement die Batteriezellen (103(1), 103(2), 103(n), 104(1), 104(2), 104(n), 302(1), 302(2), 302(n)) teilweise umschließt und an den Batteriezellen (103(1), 103(2), 103(n), 104(1), 104(2), 104(n), 302(1), 302(2), 302(n)) anliegt; d.) Einsetzen des Batteriezellhalters (200) in ein Batteriemodulgehäuse (301); e.) Elektrisches Kontaktieren der Batteriezellverbinder mit elektrischen Anschlusspolen des Batteriemoduls (300).
Verwendung eines Batteriemoduls (300) gemäß einem der Ansprüche 1 bis 9 in elektrischen Energiespeichern für Elektrofahrzeuge, Brennstoffzellenfahrzeuge, Hybridfahrzeuge, Plug-In-Hybridfahrzeuge, Luftfahrzeuge, Pedelecs oder E-Bikes, für portable Einrichtungen zur Telekommunikation oder Datenverarbeitung, für elektrische Handwerkzeuge oder Küchenmaschinen, sowie in stationären Speichern zur Speicherung insbesondere regenerativ gewonnener elektrischer Energie.