DE102021206937A1 - battery unit and motor vehicle - Google Patents
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Abstract
Die Erfindung betrifft eine Batterieeinheit (6) für ein Kraftfahrzeug (1) sowie ein Kraftfahrzeug (1) mit einer solchen Batterieeinheit (5). Letztere weist wenigstens zwei Batteriezellen (8) auf, die jeweils ein deren Blockaktivmaterial einhüllendes Gehäuse (12) aufweisen, und die parallel zueinander nebeneinander angeordnet sind. Außerdem weist die Batterieeinheit (6) ein zwischen den Batteriezellen (8) angeordnetes Druckausgleichselement (16) auf. Die Gehäuse (12) weisen ferner auf jeweils einander zugewandten Seiten zumindest zur jeweiligen Gehäuseaußenseite vorspringende Oberflächenstrukturen (20) auf, die zumindest teilweise in dem Druckausgleichselement (16) versenkt sind.The invention relates to a battery unit (6) for a motor vehicle (1) and a motor vehicle (1) with such a battery unit (5). The latter has at least two battery cells (8), which each have a housing (12) encasing their block active material, and which are arranged parallel to one another next to one another. In addition, the battery unit (6) has a pressure equalization element (16) arranged between the battery cells (8). The housings (12) also have surface structures (20) which protrude at least towards the respective outside of the housing and which are at least partially countersunk in the pressure equalization element (16).
Description
Die Erfindung betrifft eine Batterieeinheit. Des Weiteren betrifft die Erfindung ein Kraftfahrzeug mit einer solchen Batterieeinheit.The invention relates to a battery unit. Furthermore, the invention relates to a motor vehicle with such a battery unit.
Batteriezellen, insbesondere in Form sogenannter Sekundärzellen oder auch wiederaufladbaren Batteriezellen, kommen zwischenzeitlich zunehmend im Kraftfahrzeugbereich zur Elektrifizierung des Antriebsstrangs zum Einsatz, sei es bei Hybrid-Fahrzeugen oder vollelektrischen Kraftfahrzeugen. Eine Form der Batteriezellen, neben sogenannten (kreis-) zylindrischen und prismatischen Zellen, sind die sogenannten Pouch-Zellen. Bei diesen sind übereinandergeschichtete Elektroden gemeinsam mit einem Elektrolyt und gegebenenfalls weiteren Elementen in einem aus einer Folie (im Folgenden als „Pouch-Folie“ bezeichnet) gebildeten, beutelartigen (deshalb „pouch“) Gehäuse angeordnet. Die Pouch-Folie ist üblicherweise in einer etwa rechteckförmigen Form zu einer Schale tiefgezogen und wird mit einem Gegenstück unter Einschluss der Elektroden usw. verschlossen, meist verschweißt.Battery cells, in particular in the form of so-called secondary cells or also rechargeable battery cells, are now increasingly being used in the motor vehicle sector to electrify the drive train, whether in hybrid vehicles or fully electric motor vehicles. One type of battery cell, in addition to so-called (circular) cylindrical and prismatic cells, are the so-called pouch cells. In these, electrodes stacked one on top of the other are arranged together with an electrolyte and optionally further elements in a bag-like (hence “pouch”) housing formed from a foil (hereinafter referred to as “pouch foil”). The pouch film is usually deep-drawn in an approximately rectangular shape to form a shell and is closed with a counterpart, including the electrodes, etc., usually welded.
Zur Bildung einer Batterieeinheit werden meist mehrere Batteriezellen miteinander verknüpft (verschaltet). Insbesondere Pouch-Zellen eignen sich hierfür besonders gut, da diese sich aufgrund ihrer vergleichsweise flachen Struktur zum Stapeln eignen. Nachteilig ist jedoch, dass diese in diesem Fall mit ihren verhältnismäßig großen Flachseiten aufeinander aufliegen und so eine Kühlung über diese Flachseiten erschwert ist.To form a battery unit, several battery cells are usually linked (connected). Pouch cells in particular are particularly well suited for this, as they are suitable for stacking due to their comparatively flat structure. The disadvantage, however, is that in this case they rest on one another with their relatively large flat sides, making cooling via these flat sides more difficult.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Batterieeinheit zu verbessern.The object of the invention is to improve a battery unit.
Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß gelöst durch ein Verfahren mit den Merkmalen des Anspruchs 1. Des Weiteren wird diese Aufgabe erfindungsgemäß gelöst durch ein Kraftfahrzeug mit den Merkmalen des Anspruchs 10. Weitere vorteilhafte und teils für sich erfinderische Ausführungsformen und Weiterbildungen der Erfindung sind in den Unteransprüchen und der nachfolgenden Beschreibung dargelegt.This object is achieved according to the invention by a method having the features of
Die erfindungsgemäße Batterieeinheit ist zum Einsatz in einem, vorzugsweise landgestützten und insbesondere radgebundenen, Kraftfahrzeug eingerichtet und vorgesehen. Die Batterieeinheit weist dabei wenigstens zwei Batteriezellen auf, die jeweils ein deren Blockaktivmaterial einhüllendes Gehäuse aufweisen, und die parallel zueinander nebeneinander, insbesondere aufeinander gestapelt, angeordnet sind. Außerdem weist die Batterieeinheit ein zwischen diesen Batteriezellen angeordnetes Druckausgleichselement auf. Die Gehäuse der beiden Batteriezellen weisen außerdem auf jeweils einander zugewandten Seiten - insbesondere Flachseiten - zumindest zur jeweiligen Gehäuseaußenseite vorspringende Oberflächenstrukturen auf, die zumindest teilweise in dem Druckausgleichselement versenkt sind.The battery unit according to the invention is set up and provided for use in a preferably land-based and in particular wheel-bound motor vehicle. The battery unit has at least two battery cells, each of which has a housing encasing the active block material thereof, and which are arranged parallel to one another next to one another, in particular stacked on top of one another. In addition, the battery unit has a pressure compensation element arranged between these battery cells. The housings of the two battery cells also have on mutually facing sides—in particular flat sides—surface structures that protrude at least towards the respective outside of the housing and are at least partially countersunk in the pressure equalization element.
Bei dem „Blockaktivmaterial“ der jeweiligen Batteriezelle handelt es sich vorzugsweise um Material, das zur Energiespeicherung und/oder -leitung beiträgt. Insbesondere handelt es sich dabei um Elektroden, Elektrolyt, Kontaktfahnen, Abstandshalter und dergleichen.The "block active material" of the respective battery cell is preferably a material that contributes to energy storage and/or conduction. In particular, these are electrodes, electrolyte, contact lugs, spacers and the like.
Dadurch dass die Oberflächenstrukturen zumindest teilweise in dem Druckausgleichselement versenkt sind, wird eine vergleichsweise geringe Stapelhöhe in der Batterieeinheit ermöglicht. Somit kann Bauraum eingespart werden. Außerdem wird durch die Oberflächenstrukturen die Kühlwirkung erhöht.Because the surface structures are at least partially sunk into the pressure compensation element, a comparatively small stack height in the battery unit is made possible. Thus, space can be saved. In addition, the cooling effect is increased by the surface structures.
In einer bevorzugten Ausführung sind die Oberflächenstrukturen durch Auswölbungen des Gehäuses, d. h. nach Art von (zur Außenseite gerichteten) Sicken gebildet sind. Dadurch geht im Vergleich zu einem Gehäuse ohne die vorstehenden Oberflächenstrukturen kein Bauraum im Inneren des Gehäuses für das Blockaktivmaterial „verloren“.In a preferred embodiment, the surface structures are formed by bulges in the housing, i. H. are formed in the manner of beads (directed to the outside). As a result, in comparison to a housing without the above surface structures, no installation space is "lost" inside the housing for the block active material.
In einer bevorzugten Ausführung sind die Batteriezellen als Pouch-Zellen ausgebildet. Das Gehäuse ist in diesem Fall durch eine Pouch-Folie, insbesondere durch zwei (Halb-) Schalen, zu denen die Pouch-Folie tiefgezogen ist, gebildet. Dabei sind die Oberflächenstrukturen mittels Tiefziehen, mittels elektromagnetischer Pulstechnologie und/oder Massivumformen ausgebildet.In a preferred embodiment, the battery cells are designed as pouch cells. In this case, the housing is formed by a pouch film, in particular by two (half) shells, to which the pouch film is thermoformed. In this case, the surface structures are formed by means of deep drawing, by means of electromagnetic pulse technology and/or solid forming.
Beispielsweise sind die Oberflächenstrukturen in einem dem Tiefziehschritt, in dem die Schale aus der Pouch-Folie ausgeoformt wird, nachgelagerten weiteren Tiefziehschritt oder einem Prägehub in einem gemeinsamen Umformwerkzeug ausgebildet. Beispielsweise wird mittels eines Tiefziehstempels zunächst die Schale in eine Matrize tiefgezogen. Der Tiefziehstempel und/oder die Matrize weisen in deren zu dem Schalenboden korrespondierenden Flächen zu den Oberflächenstrukturen entsprechende Formgebungskonturen auf. Nach Abschluss des (ersten) Tiefziehschritts wird für die Massivumformung dann vorzugsweise der Prägedruck mittels des Tiefziehstempels erhöht bis zumindest ein Teil der Pouch-Folie in die Konturen fließt. Optional weist der Tiefziehstempel zusätzliche, separat bewegliche „Unterstempel“ auf, die nur lokal den Prägedruck erhöhen oder einen weiteren Tiefziehschritt ausführen und somit die Versteifungsstrukturen nur lokal ausbilden. Solche Unterstempel sind bspw. während des ersten Tiefziehschritts bündig mit der übrigen Stempelfläche oder gegenüber dieser zumindest geringfügig entgegen einer Tiefzieh- bzw. Prägerichtung zurückversetzt.For example, the surface structures are formed in a further deep-drawing step downstream of the deep-drawing step in which the shell is shaped out of the pouch film, or in a stamping stroke in a common forming tool. For example, the shell is first deep-drawn into a die using a deep-drawing punch. The deep-drawing punch and/or the die have shaping contours corresponding to the surface structures in their surfaces corresponding to the shell base. After completion of the (first) deep-drawing step, the embossing pressure is then preferably increased by means of the deep-drawing stamp for the massive forming until at least part of the pouch film flows into the contours. Optionally, the deep-drawing die has additional, separately movable "lower dies" that only locally increase the embossing pressure or carry out a further deep-drawing step and thus form the stiffening structures only locally. Such lower punches are flush with or opposite the rest of the punch surface, for example, during the first deep-drawing step set back at least slightly against a deep-drawing or embossing direction.
In einer zweckmäßigen Ausführung sind die Oberflächenstrukturen der einander zugewandten Seiten der Gehäuse zueinander versetzt, so dass die beiden Gehäuse unter wechselweisem Eingriff der Oberflächenstrukturen angeordnet sind. Anders ausgedrückt greifen die Oberflächenstrukturen des einen Gehäuses zwischen die Oberflächenstrukturen des anderen, benachbarten Gehäuses ein oder stehen zumindest „auf Lücke“ zueinander. Dadurch können die beiden benachbarten Batteriezellen mit möglichst geringem Abstand zueinander angeordnet werden.In an expedient embodiment, the surface structures of the sides of the housing facing one another are offset in relation to one another, so that the two housings are arranged with the surface structures engaging alternately. In other words, the surface structures of one housing intersect between the surface structures of the other, adjacent housing or are at least “with a gap” in relation to one another. As a result, the two adjacent battery cells can be arranged with the smallest possible distance from one another.
Grundsätzlich ist es im Rahmen der Erfindung möglich und optional auch vorgesehen, dass die Batteriezellen gegeneinander verspannt werden und dabei die Oberflächenstrukturen in das Druckausgleichselement eingedrückt werden.Basically, it is possible within the scope of the invention and optionally also provided that the battery cells are braced against one another and the surface structures are thereby pressed into the pressure equalization element.
In einer bevorzugten Ausführung weist das Druckausgleichselement aber - insbesondere gezielt eingebrachte - Vertiefungen auf, die zu den Oberflächenstrukturen korrespondieren und zur Aufnahme dieser dienen. Anders ausgedrückt sind die Oberflächenstrukturen in diesen Vertiefungen versenkt. Bspw. sind diese Vertiefungen gefräst, geprägt oder bereits in einem Urformprozess des Druckausgleichselements eingebracht.In a preferred embodiment, however, the pressure-equalizing element has indentations—in particular deliberately introduced—which correspond to the surface structures and serve to accommodate them. In other words, the surface structures are sunk into these depressions. For example, these indentations are milled, embossed or already introduced in a primary shaping process of the pressure equalization element.
In einer zweckmäßigen Weiterbildung sind in das Druckausgleichselement zusätzlich - vorzugweise zu den vorstehenden Vertiefungen, optional aber auch alternativ im Fall, dass die Oberflächenstrukturen in das Druckausgleichselement eingedrückt werden -, insbesondere oberflächlich verlaufende, Kühlkanäle eingebracht. Diese Kühlkanäle dienen zur Führung eines Kühlmediums entlang der zugewandten Seite des Gehäuses.In an expedient development, cooling channels, in particular superficial cooling channels, are additionally introduced into the pressure equalization element, preferably in addition to the protruding depressions, but optionally also as an alternative if the surface structures are pressed into the pressure equalization element. These cooling channels are used to guide a cooling medium along the facing side of the housing.
In einer weiteren zweckmäßigen Weiterbildung sind die vorstehenden Vertiefungen derart ausgeformt, dass zumindest im bestimmungsgemäßen Montagezustand ein Spiel zwischen den Oberflächenstrukturen und der Oberfläche der Vertiefungen vorhanden ist. Das heißt, dass die Vertiefungen ein Übermaß, bspw. einen größeren Radius, als die Oberflächenstrukturen aufweisen. Somit liegt das Druckausgleichselement nicht oder nur bereichsweise auf den Oberflächenstrukturen auf. Die verbleibenden Lücken können ebenfalls zur Leitung eines Kühlmediums dienen.In a further expedient development, the protruding indentations are shaped in such a way that there is play between the surface structures and the surface of the indentations at least in the intended assembly state. This means that the indentations have an excess, for example a larger radius, than the surface structures. Thus, the pressure compensation element does not rest on the surface structures, or only in certain areas. The remaining gaps can also be used to conduct a cooling medium.
In einer zweckmäßigen Ausführung weist das Druckausgleichselement ein Elastomer und/oder ein Hitzeschutzmaterial auf. Bei dem Elastomer handelt es sich beispielsweise um ein Silikon, ein (insbesondere thermoplastisches) Elastomer oder dergleichen. Bei dem Hitzeschutzmaterial handelt es sich vorzugsweise um ein aromatisches Polyamid, ein sogenanntes „Aramid“. Bspw. weist das Druckausgleichselement einen Kern aus einem Silikon auf und ist mit einer Außenschicht aus Aramid, bspw. einer Aramidfolie, versehen.In an expedient embodiment, the pressure compensation element has an elastomer and/or a heat protection material. The elastomer is, for example, a silicone, an (in particular thermoplastic) elastomer or the like. The heat protection material is preferably an aromatic polyamide, a so-called “aramid”. For example, the pressure compensation element has a core made of silicone and is provided with an outer layer made of aramid, for example an aramid film.
In einer weiteren zweckmäßigen Ausführung weisen die Oberflächenstrukturen eine Strukturhöhe von etwa 1 Millimeter auf. Das heißt, dass eine Auswölbung des Gehäuses zur Außenseite 1 Millimeter (zzgl. einer Toleranz von 5 bis 10 Prozent) von einer „Referenzfläche“, d. h. einer unverformten Oberfläche des Gehäuses, vorsteht. Eine Einwölbung würde ebenfalls etwa 1 Millimeter „zurückspringen“. Bevorzugt weist das Druckausgleichselement in diesem Fall eine geringfügig größere Dicke auf als die Strukturhöhe. Dadurch wird verhindert, dass insbesondere die Vertiefungen in dem Druckausgleichselement dieses nicht durchstoßen.In another expedient embodiment, the surface structures have a structure height of about 1 millimeter. This means that a bulging of the housing to the outside is 1 millimeter (plus a tolerance of 5 to 10 percent) from a "reference surface", i. H. an undeformed surface of the housing. A concavity would also "jump back" about 1 millimeter. In this case, the pressure compensation element preferably has a slightly greater thickness than the structural height. This prevents, in particular, the indentations in the pressure equalization element from penetrating the latter.
Das erfindungsgemäße Kraftfahrzeug weist die vorstehend beschriebene Batterieeinheit auf. Insbesondere weist das Kraftfahrzeug also auch die sich aus der vorstehenden Beschreibung ergebenden Merkmale und Vorteile gleichermaßen auf.The motor vehicle according to the invention has the battery unit described above. In particular, the motor vehicle also has the features and advantages resulting from the above description.
Nachfolgend werden Ausführungsbeispiele der Erfindung anhand einer Zeichnung näher erläutert. Darin zeigen:
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1 in einer schematischen Seitenansicht ein Kraftfahrzeug mit einer Traktionsbatterie, -
2 in einer schematischen Teilschnittansicht eine Batterieeinheit der Traktionsbatterie, und -
3 in einer schematischen Draufsicht ein alternatives Ausführungsbeispiel einer Batteriezelle der Batterieeinheit.
-
1 in a schematic side view, a motor vehicle with a traction battery, -
2 in a schematic partial sectional view, a battery unit of the traction battery, and -
3 in a schematic top view, an alternative embodiment of a battery cell of the battery unit.
Einander entsprechende Teile sind in allen Figuren stets mit gleichen Bezugszeichen versehen.Corresponding parts are always provided with the same reference symbols in all figures.
In
Die Batteriezellen 8 sind durch sogenannte Pouch-Zellen gebildet, d. h. das Blockaktivmaterial der jeweiligen Batteriezelle 8 - z. B. Elektroden und Elektrolyt - ist in einem durch eine Folie (die „Pouch-Folie 10“) gebildeten taschenartigen Gehäuse 12 „eingepackt“. Zur Bildung des Gehäuses 12 werden zwei Zuschnitte der Pouch-Folie 10 zu jeweils einer schalenartigen Struktur („Schale 13“) tiefgezogen und unter Einschluss des Blockaktivmaterials an einem umlaufenden Bund 14 versiegelt, meist verschweißt. Mehrere dieser so gebildeten Batteriezellen 8 werden dann aufeinander gestapelt (oder nebeneinander in das Gehäuse der Batterieeinheit 6 geschlichtet). Zwischen die Batteriezellen 8 werden sogenannte Druckausgleichselemente 16 eingelegt, die dazu dienen, im Betrieb der Traktionsbatterie 4 aufgrund von Erwärmung und dergleichen sowie der vergleichsweise flexiblen Pouch-Folie 10 eine Deformation - „Atmen“ - der Batteriezelle 6 auszugleichen sowie die dabei aufgrund meist lokal unterschiedlicher Deformation (und den dadurch bedingten lokal unterschiedlichen Druck) in Richtung auf die benachbarten Batteriezellen 6 gerichteten Kräfte aufzunehmen. Die Druckausgleichselemente 16 sind aus einem Elastomer und einem Hitzeschutzmaterial, insbesondere ein Aramid, gebildet.The
Wie in
Die Rippen 22 sind in Vertiefungen der Druckausgleichselemente 16, konkret in Rillen 24, die in die Druckausgleichselemente 16 eingefräst sind, versenkt - zumindest teilweise. Die Rillen 24 sind dabei mit geringfügig vergrößerten Abmessungen gefertigt als die Rippen 22. Dadurch bleibt ein Spalt zwischen den Rippen 22 und den Rillen 24 erhalten. Dieser ermöglicht zumindest eine geringfügige Fluktuation eines Kühlmediums zwischen den Batteriezellen 8 und den Druckausgleichselementen 16. Um die Kühlung weiter zu verbessern, sind in die Druckausgleichselemente 16 außerdem Kühlkanäle 26 eingearbeitet, die ebenfalls zur Führung von Kühlmedium dienen.The
In
Der Gegenstand der Erfindung ist nicht auf die vorstehend beschriebenen Ausführungsbeispiele beschränkt. Vielmehr können weitere Ausführungsformen der Erfindung von dem Fachmann aus der vorstehenden Beschreibung abgeleitet werden. Insbesondere können die anhand der verschiedenen Ausführungsbeispiele beschriebenen Einzelmerkmale der Erfindung und deren Ausgestaltungsvarianten auch in anderer Weise miteinander kombiniert werden.The subject matter of the invention is not limited to the exemplary embodiments described above. Rather, further embodiments of the invention can be derived by the person skilled in the art from the above description. In particular, the individual features of the invention and their design variants described with reference to the various exemplary embodiments can also be combined with one another in other ways.
BezugszeichenlisteReference List
- 11
- PKWcar
- 22
- Elektromotorelectric motor
- 44
- Traktionsbatterietraction battery
- 66
- Batterieeinheitbattery unit
- 77
- GehäuseHousing
- 88th
- Batteriezellebattery cell
- 1010
- Pouch-Foliepouch film
- 1212
- GehäuseHousing
- 1313
- SchalePeel
- 1414
- BundFederation
- 1616
- Druckausgleichselementpressure compensation element
- 1818
- Oberflächenstruktursurface texture
- 2020
- Längsrichtunglongitudinal direction
- 2222
- Ripperib
- 2424
- Rillegroove
- 2626
- Kühlkanalcooling channel
- 2828
- Plateauplateau
Claims (10)
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- 2022-06-30 CN CN202210755508.7A patent/CN115566310A/en active Pending
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