DE102021104144A1

DE102021104144A1 - Batteriepaket und Batterie für ein Kraftfahrzeug

Info

Publication number: DE102021104144A1
Application number: DE102021104144.9A
Authority: DE
Inventors: Marvin Czech
Original assignee: Audi AG
Current assignee: Audi AG
Priority date: 2021-02-22
Filing date: 2021-02-22
Publication date: 2022-08-25

Abstract

Die Erfindung betrifft ein Batteriepaket (10) mit wenigstens zwei Batteriezellen (12, 14), welche in einem eigensteifen Gehäuse des Batteriepakets (10) aneinander angrenzend angeordnet sind. Zwischen wenigstens einer Gehäusewand des Gehäuses und einem durch die wenigstens zwei Batteriezellen (12, 14) gebildeten Zellstapel (20) des Batteriepakets (10) ist wenigstens ein Kompressionselement (60, 62) angeordnet, welches bei einer Volumenzunahme des Zellstapels (20) komprimierbar ist. Die wenigstens zwei Batteriezellen (12, 14) sind elektrisch leitend miteinander verbunden. Der Zellstapel (20) weist einen ersten elektrischen Anschlusspol (42) und einen zweiten elektrischen Anschlusspol (44) auf, wobei in einer Gehäusewand (46) des Gehäuses zumindest eine Durchtrittsöffnung (48, 50) ausgebildet ist, über welche die Anschlusspole (42, 44) des Zellstapels (20) zugänglich sind. An den Anschlusspolen (42, 44) ist eine elektrische Spannung des Batteriepakets (10) bereitgestellt. Des Weiteren betrifft die Erfindung eine Batterie mit einer Mehrzahl von derartigen Batteriepaketen (10).

Description

Die Erfindung betrifft ein Batteriepaket mit wenigstens zwei Batteriezellen, welche in einem eigensteifen Gehäuse des Batteriepakets aneinander angrenzend angeordnet sind. Hierbei ist zwischen wenigstens einer Gehäusewand des Gehäuses und einem durch die wenigstens zwei Batteriezellen gebildeten Zellstapel des Batteriepakets wenigstens ein Kompressionselement angeordnet. Das Kompressionselement ist bei einer Volumenzunahme des Zellstapels komprimierbar. Die wenigstens zwei Batteriezellen sind elektrisch leitend miteinander verbunden. Des Weiteren betrifft die Erfindung eine insbesondere zur Verwendung in einem Kraftfahrzeug vorgesehene Batterie mit einer Mehrzahl derartiger Batteriepakete.
Die EP 3 309 866 A1 beschreibt ein Batteriemodul mit einer Mehrzahl von Batteriezellen, welche einander zugewandt sind und in einer ersten Richtung nebeneinander angeordnet sind. Die beispielsweise als Pouchzellen ausgebildeten Batteriezellen sind in einem quaderförmigen Gehäuse aufgenommen, welches an wenigstens einer Seite offen ausgebildet ist. Zwischen einer Außenseite der in die erste Richtung aufeinander gestapelten Batteriezellen und Seitenwänden des Gehäuses sind Pufferelemente in Form von Blattfedern mit umgebogenen Endbereichen angeordnet. In einer Bodenplatte des Gehäuses sind Führungsrinnen ausgebildet. In die Führungsrinnen greifen jeweilige Versiegelungsbereiche der Pouchzellen ein, wenn ein Stapel der Pouchzellen von der offenen Seite her und somit senkrecht zu der ersten Richtung in das Gehäuse eingeschoben wird.
Als nachteilig ist hierbei der Umstand anzusehen, dass sich eine elektrische Kontaktierung der einzelnen Batteriezellen in dem Gehäuse vergleichsweise aufwendig gestaltet.
Die EP 2 439 807 A1 beschreibt eine wieder aufladbare Batteriezelle, mit einer Elektrodenanordnung, welche in einem Gehäuse der Batteriezelle aufgenommen ist. Innerhalb des Gehäuses ist zwischen Gehäusewänden und der Elektrodenanordnung ein Kompressionshalter angeordnet. Der Kompressionshalter soll verhindern, dass sich das Gehäuse der Batteriezelle bei einer Ausdehnung der Elektrodenanordnung verformt.
Aufgrund des Vorsehens des Kompressionshalters innerhalb der jeweiligen Batteriezelle beansprucht eine aus derartigen Batteriezellen aufgebaute Batterie vergleichsweise viel Bauraum.
Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, ein Batteriepaket der eingangs genannten Art zu schaffen, welches bei kompakter Bauform eine hohe Sicherheit und eine einfache elektrische Kontaktierung bietet, und eine Batterie mit einer Mehrzahl derartiger Batteriepakete anzugeben.
Diese Aufgabe wird durch ein Batteriepaket mit den Merkmalen des Patentanspruchs 1 und durch eine Batterie mit den Merkmalen des Patentanspruchs 10 gelöst. Vorteilhafte Ausgestaltungen mit zweckmäßigen Weiterbildungen der Erfindung sind in den abhängigen Patentansprüchen angegeben.
Das erfindungsgemäße Batteriepaket umfasst wenigstens zwei Batteriezellen, welche in einem eigensteifen Gehäuse des Batteriepakets aneinander angrenzend angeordnet sind. Zwischen wenigstens einer Gehäusewand des Gehäuses und einem durch die wenigstens zwei Batteriezellen gebildeten Zellstapel des Batteriepakets ist wenigstens ein Kompressionselement angeordnet. Bei einer Volumenzunahme des Zellstapels ist das wenigstens eine Kompressionselement komprimierbar. Die wenigstens zwei Batteriezellen sind elektrisch leitend miteinander verbunden. Der Zellstapel weist einen ersten elektrischen Anschlusspol und einen zweiten elektrischen Anschlusspol auf. Hierbei ist in einer Gehäusewand des Gehäuses zumindest eine Durchtrittsöffnung ausgebildet. Über die zumindest eine Durchtrittsöffnung sind die Anschlusspole des Zellstapels zugänglich, und an den Anschlusspolen ist eine elektrische Spannung des Batteriepakets bereitgestellt.
Es kann also der Zellstapel, welcher die elektrisch leitend miteinander verbundenen wenigstens zwei Batteriezellen umfasst, sehr einfach elektrisch kontaktiert werden, indem ein elektrischer Leiter wie etwa eine Stromschiene an einen der Anschlusspole des Batteriepakets angeschlossen wird.
Die wenigstens zwei innerhalb des eigensteifen Gehäuses des Batteriepakets angeordneten Batteriezellen können elektrisch parallel geschaltet und/oder elektrisch in Reihe geschaltet sein. Daher kann die an den Anschlusspolen des Zellstapels beziehungsweise des Batteriepakets bereitgestellte elektrische Spannung der Spannung einer einzelnen der Batteriezellen oder einem Mehrfachen der Spannung einer einzelnen der Batteriezellen entsprechen. Wenn in dem Gehäuse mehr als zwei Batteriezellen elektrisch leitend miteinander verbunden sind, so kann in dem Zellstapel sowohl eine Reihenschaltung als auch eine Parallelschaltung von wenigstens zwei der Batteriezellen vorliegen. In allen diesen Fällen ist es von Vorteil, dass an den beiden Anschlusspolen die von dem gesamten Zellstapel und somit von der Gesamtheit der Batteriezellen bereitgestellte Spannung zur Verfügung steht.
Weil das Gehäuse, welches die Batteriezellen vorzugsweise zu allen Seiten hin umschließt beziehungsweise umgibt, eigensteif ausgebildet ist, sind die in dem Gehäuse angeordneten Batteriezellen des Batteriepakets gut vor einer Beschädigung geschützt. Dies ist im Hinblick auf eine hohe Sicherheit des Batteriepakets vorteilhaft. Darüber hinaus kann aufgrund der vorzugsweise geschlossenen Bauweise des Gehäuses vermieden werden, dass es in einem Fehlerfall zu einem unkontrollierten Austreten von Zellgasen oder dergleichen Fluiden aus dem Gehäuse kommt. Auch dies ist der Sicherheit des Batteriepakets zuträglich.
Dadurch, dass in der Gehäusewand des Gehäuses die wenigstens eine Durchtrittsöffnung ausgebildet ist, sind trotz des Vorsehens des die Batteriezellen schützenden Gehäuses die Anschlusspole des Zellstapels einfach und gut zugänglich.
Zudem lassen sich derartige Batteriepakete beim Aufbauen einer Batterie sehr einfach und gut handhaben, da durch das eigensteife Gehäuse des jeweiligen Batteriepakets eine Bauform des jeweiligen Batteriepakets fest vorgegeben ist. Diese Bauform ist in vorteilhafter Weise unabhängig von der Ausgestaltung einer Bauform der einzelnen Batteriezellen, welche innerhalb des Gehäuses angeordnet sind. Dementsprechend kann unabhängig von der Bauform der in dem Gehäuse angeordneten Batteriezellen des Batteriepakets ein für eine Mehrzahl von Batteriepaketen vorgesehener Bauraum sehr gut ausgenutzt werden.
Folglich lassen sich in gleichen Bauräumen verschiedene Batteriezelltechnologien realisieren, bei welchen die einzelnen Batteriezellen des Batteriepakets beispielsweise als prismatische Zellen oder als Rundzellen oder als Pouchzellen beziehungsweise Folienbeutelzellen ausgebildet sein können.
Des Weiteren ist es von Vorteil, dass eine Außenform des eigensteifen Gehäuses auch dann nahezu unverändert aufrecht erhalten bleibt, wenn es zu einer Volumenzunahme des Zellstapels kommt. Denn bei einer derartigen Volumenzunahme wird das wenigstens eine Kompressionselement komprimiert. Mit anderen Worten wird die Verformung der Batteriezellen innerhalb des Batteriepakets durch das wenigstens eine Kompressionselement aufgenommen. Dadurch kommt es zu keinem Aufbauchen oder Sich-Ausbeulen des Gehäuses des Batteriepakets infolge einer Volumenzunahme des Zellstapels. Ein derartiges Aufbauchen tritt demgegenüber bei prismatischen Batteriezellen auf, wenn innerhalb eines Batteriezellengehäuses der prismatischen Batteriezellen kein Kompressionselement vorhanden ist.
Wenn die Batteriezellen wie vorliegend vorzugsweise vorgesehen als Lithium-Ionen-Zellen oder Lithium-Ionen-Akkumulatoren ausgebildet sind, so kann es sowohl aufgrund eines Ladens der Batteriezellen als auch aufgrund einer Alterung der Batteriezellen zu einer Volumenzunahme der jeweiligen Batteriezelle und somit auch des Zellstapels kommen, wobei die durch das Laden bedingte Volumenzunahme reversibel ist und es bei der Entladung wieder zu einer Volumenabnahme des Zellstapels kommt. Derartige Volumenzunahmen werden vorliegend jedoch von dem wenigstens einen Kompressionselement aufgenommen beziehungsweise kompensiert, welches zu diesem Zweck vorzugsweise elastisch verformbar ausgebildet ist.
In vorteilhafter Weise können bei dem Batteriepaket Batteriezellen mit verschiedenen chemischen Zusammensetzungen insbesondere von jeweiligen Elektroden der Batteriezelle zum Einsatz kommen. Beispielsweise kann eine Lithium enthaltende Elektrode der jeweiligen Batteriezelle Lithium-Eisenphosphat (LiFePO₄, LFP) enthalten oder durch Lithium-Eisenphosphat gebildet sein. Des Weiteren kann eine Lithium enthaltende Elektrode der jeweiligen Batteriezelle Nickel-Mangan-Kobalt-Oxide aufweisen. Auch bei derartigen chemischen Zusammensetzungen der Lithium enthaltenden Elektrode der jeweiligen Batteriezelle kann die Volumenzunahme des Zellstapels gut durch das wenigstens eine Kompressionselement kompensiert werden.
Dadurch, dass verschiedene Batteriezelltechnologien und verschiedene Zellchemien bei dem Batteriepaket auf flexible Art und Weise zum Einsatz kommen können, ist in unterschiedlichen Bauräumen eine hochflexible Einsatzfähigkeit gemäß einem modularen Baukastenprinzip gegeben.
Da innerhalb des jeweiligen Batteriepakets eine im Betrieb auftretende Verformung insbesondere in Form der Volumenzunahme des Zellstapels aufgenommen wird, ist eine sehr kompakte Ausnutzung von Bauraum ermöglicht, und die Batteriepakete können sehr einfach einander benachbart in einer entsprechenden Batterie verbaut werden, welche insbesondere als Batterie für ein Kraftfahrzeug ausgebildet sein kann.
Auf diese Weise kann insbesondere eine modulare Batterie bereitgestellt werden, welche eine Mehrzahl von elektrisch leitend miteinander verbundenen Batteriepaketen aufweist, wobei eine derartige Batterie hohen Anforderungen im Hinblick auf den Energieinhalt, eine Schnellladefähigkeit und die Sicherheit gerecht wird. Denn aufgrund der vorteilhaften Eigenschaften des jeweiligen Batteriepakets ist ein sehr kompakter Aufbau einer solchen Batterie mit einer hohen Energiedichte bei zugleich hoher Sicherheit erreichbar.
Vorzugsweise sind die wenigstens zwei Batteriezellen als Pouchzellen ausgebildet. Bei derartigen Pouchzellen oder Folienbeutelzellen sind die elektrochemisch wirksamen Komponenten der jeweiligen Batteriezelle in einem geschlossenen Folienbeutel aufgenommen. Da bei dieser Bauform auf ein eigensteifes Gehäuse verzichtet wird, weist die jeweilige Pouchzelle eine vorteilhaft geringe Dicke auf. Zudem weisen derartige Pouchzellen ein geringeres Gewicht auf als Batteriezellen mit einem festen Batteriezellengehäuse und ansonsten gleichen elektrischen Eigenschaften. Hierdurch ergibt sich eine vergleichsweise hohe Energiedichte bezogen auf das von der Pouchzelle beanspruchte Volumen und das Gewicht der Pouchzelle. Dies ist insbesondere bei der Verwendung des Batteriepakets für eine Batterie eines Kraftfahrzeugs von Vorteil. Da dennoch das Batteriepaket das eigensteife Gehäuse aufweist, ist der ansonsten gegebene Nachteil einer Pouchzelle vorliegend vermieden, nämlich das Fehlen einer eigensteifen oder starren Hülle.
Wenn die wenigstens zwei Batteriezellen des Batteriepakets als Pouchzellen ausgebildet sind, so ist durch das Batteriepaket somit eine Art Hybridzelle bereitgestellt, welche die Eigenschaften einer Mehrzahl von Pouchzellen und die Eigenschaften einer Batteriezelle mit einem festen Zellgehäuse, etwa in Form einer prismatischen Batteriezelle, in vorteilhafter Weise in sich vereint.
Somit lässt sich von dem Batteriepaket bei hoher, insbesondere aufgrund des Vorsehens des Gehäuses gegebener, Sicherheit zugleich eine sehr hohe Energiedichte bereitstellen. Dies ist insbesondere bei der Verwendung einer Mehrzahl der Batteriepakete für eine Batterie eines Kraftfahrzeugs vorteilhaft.
Vorzugsweise sind die Anschlusspole des Zellstapels an einem Trägerteil gehalten, welches aus einem elektrisch isolierenden Material gebildet ist. Hierbei ist mittels des innerhalb des Gehäuses angeordneten Trägerteils die zumindest eine Durchtrittsöffnung zu einem Innenraum des Gehäuses hin abgedichtet. So kann erreicht werden, dass trotz des Vorsehens der zumindest einen Durchtrittsöffnung in der Gehäusewand des Gehäuses lediglich die Anschlusspole des Zellstapels von einer Umgebung des Batteriepakets her zugänglich sind. Dadurch ist beispielsweise ein Eintreten von Feuchtigkeit über die zumindest eine Durchtrittsöffnung in den Innenraum des Gehäuses vermieden. Dies ist für den sicheren Betrieb des Batteriepakets vorteilhaft.
Beispielsweise kann das aus einem Kunststoff gebildete Trägerteil einen Flansch aufweisen, an welchem ein Dichtelement angeordnet ist. Indem ein derartiges Dichtelement von dem Innenraum des Gehäuses her gegen die Gehäusewand gedrückt wird, kann sehr einfach die gewünschte Abdichtung des Innenraums des Gehäuses erreicht werden. Das Anordnen des Dichtelements an dem Trägerteil ist besonders einfach zu realisieren. Zusätzlich oder alternativ kann ein Dichtelement auf Seiten der Gehäusewand vorgesehen sein.
Insbesondere kann vorgesehen sein, dass das Trägerteil, an welchem die Anschlusspole des Zellstapels bereitgestellt sind, im Bereich der zumindest einen Durchtrittsöffnung mit dem Gehäuse des Batteriepakets verrastet wird, wenn das Batteriepaket hergestellt wird. Durch ein derartiges Verrasten des Trägerteils mit dem Gehäuse ist eine Position der Anschlusspole des Zellstapels relativ zu dem Gehäuse sehr gut definiert vorgegeben. Denn das Trägerteil hält die Anschlusspole des Zellstapels an vorgesehenen Stellen des Gehäuses, nämlich derart, dass die Anschlusspole über die zumindest eine Durchtrittsöffnung zugänglich sind.
Vorzugsweise sind die wenigstens zwei Batteriezellen innerhalb des Gehäuses an einer aus einem elektrisch isolierenden Material gebildeten Halteeinrichtung gehalten. Eine derartige Halteeinrichtung sorgt für eine definierte und gut reproduzierbare Positionierung der wenigstens zwei Batteriezellen innerhalb des Gehäuses.
Vorzugsweise sind durch die Halteeinrichtung die wenigstens zwei Batteriezellen auf Abstand von einer Innenseite zumindest einer der Gehäusewandungen des Gehäuses gehalten. Durch das Vorsehen eines derartigen Abstands zwischen den Batteriezellen und der zumindest einen Gehäusewand des Gehäuses ist ein definierter Kanal innerhalb des Gehäuses bereitgestellt. Über einen derartigen Kanal kann ein Fluid gut in eine gewünschte Richtung abgeleitet werden, welches beim Auftreten eines Fehlers an zumindest einer der Batteriezellen aus dieser Batteriezelle freigesetzt werden kann. Aufgrund des Vorsehens eines derartigen Kanals oder Gaskanals kommt es dann zu keinem unkontrollierten Ausgasen oder einem derartigem Austreten des Fluids. Daher ist das Halten der wenigstens zwei Batteriezellen auf Abstand von der Innenseite der Gehäusewand des Gehäuses im Hinblick auf die Betriebssicherheit des Batteriepakets vorteilhaft.
Vorzugsweise ist an der Halteeinrichtung das wenigstens eine Kompressionselement festgelegt. Auf diese Weise ist durch die Halteeinrichtung auch eine definierte Positionierung des wenigstens einen Kompressionselement innerhalb des Gehäuses vorgegeben. Dies ist im Hinblick auf die Fertigung des Batteriepakets vorteilhaft. Zudem lässt sich so die Position des wenigstens einen Kompressionselements innerhalb des Gehäuses sehr gut reproduzierbar vorgeben.
Als weiter vorteilhaft hat es sich gezeigt, wenn die Halteeinrichtung wenigstens einen Schlitz aufweist, durch welchen zumindest eine Zellfahne zumindest einer der wenigstens zwei Batteriezellen hindurchgeführt ist. Durch das Vorsehen eines derartigen Schlitzes kann die Anordnung der zumindest einen Zellfahne der jeweiligen Batteriezelle innerhalb des Gehäuses sehr gut reproduzierbar vorgegeben werden. Des Weiteren kann durch die Positionierung des wenigstens einen Schlitzes dafür gesorgt werden, dass die Zellfahnen benachbarter Batteriezellen elektrisch voneinander isoliert sind, wo dies wünschenswert ist.
Vorzugsweise ist das die Anschlusspole des Zellstapels aufweisende Trägerteil aus einer Montagestellung relativ zu der Halteeinrichtung in eine Funktionsstellung bewegbar. In der Funktionsstellung ist das Trägerteil an der die zumindest eine Durchtrittsöffnung aufweisenden Gehäusewand festgelegt. Durch eine derartige Ausgestaltung kann erreicht werden, dass bei der Fertigung des Batteriepakets das die Anschlusspole des Zellstapels aufweisende Trägerteil einfach in das Gehäuse des Batteriepakets eingebracht werden kann, wobei das Trägerteil sich in der Montagestellung befindet. Ausgehend von dieser Montagestellung kann dann das Trägerteil von der Halteeinrichtung weg bewegt und im Bereich der zumindest einen Durchtrittsöffnung an der Gehäusewand festgelegt werden. In der Montageposition oder Parkposition stört somit das Trägerteil nicht das Einbringen des Zellstapels in das Gehäuse des Batteriepakets. Dennoch sorgt das Trägerteil in der Funktionsstellung für die lagerichtige Anordnung der Anschlusspole im Bereich der zumindest einen Durchtrittsöffnung der Gehäusewand. Dies ist im Hinblick auf eine einfache Fertigung des Batteriepakets und im Hinblick auf die einfache elektrische Kontaktierung des Batteriepakets vorteilhaft.
Vorzugsweise sind an der Halteeinrichtung zwei Kompressionselemente festgelegt, welche an einander gegenüberliegenden Seiten des Zellstapels angeordnet sind. Auf diese Weise kann der bei der Volumenzunahme des Zellstapels auftretende Druck sehr gut durch die beiden einander gegenüberliegenden Kompressionselemente aufgenommen werden. Zudem lässt sich so sehr einfach ein Aufbauchen oder Sich-Ausbeulen der beiden Gehäusewände des Gehäuses vermeiden, an welche die beiden Kompressionselemente angrenzen.
Vorzugsweise sind an der Halteeinrichtung zwei aus einem elektrisch isolierenden Material gebildete Seitenteile gehalten. Hierbei sind die Seitenteile an einander gegenüberliegenden Stirnseiten des Zellstapels angeordnet. Derartige Seitenteile sorgen in vorteilhafter Weise für eine Stabilisierung des Zellstapels. Dies ist bei der Fertigung des Batteriepakets vorteilhaft, wenn der Zellstapel in das Gehäuse des Batteriepakets eingebracht wird.
Des Weiteren kann durch derartige Seitenteile dafür gesorgt werden, dass zwischen einer an die Seitenteile angrenzenden Seite des Zellstapels und eine der Gehäusewände des Gehäuses ein vorzugsweise gut wärmeleitendes Füllmaterial beziehungsweise eine Füllmasse eingebracht werden kann. Ein solches Füllmaterial, welches auch als Gapfiller bezeichnet wird, sorgt dafür, dass die im Betrieb der Batteriezellen, also beim Laden und Entladen der Batteriezellen, freigesetzte Wärme gut über das Füllmaterial an die Gehäusewand abgegeben werden kann. Dadurch können die Batteriezellen im Betrieb in einem für diesen günstigen Temperaturbereich gehalten werden. Dies ist sowohl im Hinblick auf die von dem Zellstapel abzugebende elektrische Leistung als auch im Hinblick auf eine Lebensdauer der Batteriezellen vorteilhaft.
Um das insbesondere nach Art einer Paste oder dergleichen ausgebildete Füllmaterial bei der Fertigung des Batteriepakets in den Zwischenraum zwischen dem Zellstapel und der Gehäusewand einzubringen, können in der Gehäusewand, mit welcher das Füllmaterial in dem Batteriepaket in Kontakt ist, Einfülllöcher oder dergleichen vorgesehen sein. Auf diese Weise lässt sich die Füllmasse beziehungsweise das Füllmaterial gut in den Zwischenraum einspritzen. Durch die Füllmasse werden die Einfülllöcher bei der Fertigung des Batteriepakets verschlossen, sodass das Gehäuse anschließend zur Umgebung hin vorzugsweise vollständig geschlossen ausgebildet ist.
Die Seitenteile können zudem als Einschubhilfen fungieren, wenn der Zellstapel bei der Montage in das Gehäuse des Batteriepakets eingebracht wird. Auch dies ist einer vereinfachten Fertigung des Batteriepakets zuträglich.
Die Seitenteile können mit der Halteeinrichtung insbesondere verrastet sein, wenn die Seitenteile an der Halteeinrichtung gehalten sind. Ein derartiges Anklipsen der beispielsweise aus Kunststoff gebildeten Seitenteile an die Halteeinrichtung lässt sich bei der Fertigung des Batteriepakets sehr einfach realisieren.
Es kann vorgesehen sein, dass ein die Halteeinrichtung und die Batteriezellen sowie vorzugsweise das wenigstens eine Kompressionselement umfassender Bauteilverbund von einer Isolationsfolie ummantelt ist, welche wenigstens im Bereich der zumindest einen Durchtrittsöffnung eine Aussparung aufweist. Eine derartige, optional vorgesehene Folie aus einem elektrisch isolierenden Material kann für eine zusätzliche Isolation gegenüber einem elektrisch leitfähigen Material sorgen, aus welchem das eigensteife Gehäuse vorzugsweise gebildet ist. Zudem kann eine derartige Isolationsfolie einen Zusammenhalt der Bauteile verbessern. Dies ist im Hinblick auf das Einbringen des Bauteilverbunds in das Gehäuse bei der Fertigung des Batteriepakets vorteilhaft.
Wenn bei der Fertigung des Batteriepakets das vorzugsweise vorgesehene Füllmaterial in einen Zwischenraum zwischen dem Zellstapel und einer beispielsweise in der Einbaulage unteren Gehäusewand des Gehäuses eingebracht wird, so füllt bei Vorsehen der elektrischen Isolationsfolie das Füllmaterial vorzugsweise einen Zwischenraum zwischen der Isolationsfolie und der Gehäusewand aus.
Vorzugsweise weisen die wenigstens zwei Batteriezellen jeweilige Zellfahnen auf, wobei wenigstens eine Zellfahne zumindest einer der wenigstens zwei Batteriezellen elektrisch leitend mit einem der Anschlusspole verbunden ist. Hierbei ist ein Abstand der Anschlusspole des Zellstapels voneinander geringer als ein Abstand der Zellfahnen einer jeweiligen Batteriezelle voneinander. Auf diese Weise gestaltet sich die Kontaktierung der Anschlusspole des Batteriepakets sehr einfach. Insbesondere können mehrere Batteriepakete so nebeneinander in einer Batterie angeordnet werden, dass zum elektrisch leitenden Verbinden der Anschlusspole der Batteriepakete miteinander kürzere Leiter beziehungsweise kürzere Stromschienen verwendet werden können als dies der Fall wäre, wenn der Abstand der Anschlusspole des Zellstapels voneinander größer wäre.
Des Weiteren kann auf diese Weise erreicht werden, dass selbst dann, wenn die Zellfahnen der jeweiligen Batteriezelle einen großen Abstand voneinander aufweisen, die Anschlusspole des Zellstapels vergleichsweise dicht beieinander liegen. Dies ist für die Fertigung einer Batterie vorteilhaft, bei welcher eine Vielzahl von Batteriepaketen elektrisch leitend miteinander verbunden sind.
Vorzugsweise weist das Gehäuse des Batteriepakets ein in Umfangsrichtung um den Zellstapel umlaufendes Rahmenelement auf, wobei Stirnseiten des Gehäuses durch mit dem Rahmenelement verbundene Seitenwände gebildet sind. So lässt sich auf einfache Weise ein zu allen Seiten hin geschlossenes Gehäuse des Batteriepakets bereitstellen.
Wenn das Gehäuse quaderförmig ausgebildet ist, so ist das Rahmenelement im Querschnitt rechteckig ausgebildet. Dies ist für einen einfachen Verbau einer Mehrzahl von Batteriepaketen in einer Batterie vorteilhaft.
Sowohl durch die einzelnen Abschnitte des Rahmenelements als auch durch die Stirnseiten des Gehäuses sind vorzugsweise jeweilige Gehäusewände des Gehäuses bereitgestellt.
Insbesondere können das Rahmenelement und die Stirnseiten des Gehäuses aus einem jeweiligen Stahlblech gebildet sein. Dann lässt sich das Verbinden der Stirnseiten des Gehäuses mit dem Rahmenelement sehr einfach durch Schweißen erreichen. Zudem ist so das Gehäuse besonders robust und widerstandsfähig gegenüber einer Beschädigung oder Verformung.
Vorzugsweise weisen die Stirnseiten des Gehäuses wenigstens ein Führungselement auf. Beispielsweise kann die jeweilige Stirnseite wenigstens eine Nut und/oder wenigstens einen Vorsprung aufweisen. Derartige Führungselemente ermöglichen es, eine Mehrzahl von Batteriepaketen in eine parallel zu den Stirnseiten verlaufende Richtung in einen Halterahmen einer Batterie einzuführen, welche eine Mehrzahl der Batteriepakete aufweist. Ein solches, durch die Führungselemente erleichtertes Einschieben der Batteriepakete in den Halterahmen führt zu einer besonders einfachen Fertigung der Batterie.
Vorzugsweise weist das Gehäuse des Batteriepakets ein Berstelement auf, über welches bei einem Überschreiten eines Schwellenwerts eines innerhalb des Gehäuses vorhandenen Drucks ein Fluid in eine Umgebung des Batteriepakets ablassbar ist. Hierbei ist das Berstelement in einer Gehäusewand des Gehäuses ausgebildet, welche von der die zumindest eine Durchtrittsöffnung aufweisenden Gehäusewand verschieden ist. Auf diese Weise ist eine sehr sichere räumliche Trennung eines Entgasungspfads von den Anschlusspolen des Zellstapels erreicht.
Entlang des in dem Gehäuse bereitgestellten Entgasungspfads kann nämlich das wenigstens eine Fluid, insbesondere das wenigstens eine Gas, beim Überschreiten des Schwellenwerts des Drucks hin zu dem Berstelement geleitet werden und dort zu einer Zerstörung des Bestelements führen. Dann kann auf die durch diese Weise gebildete Öffnung das Fluid in die Umgebung des Batteriepakets gelangen.
Insbesondere kann das Berstelement eine Öffnung in der Gehäusewand des Gehäuses umfassen, welche mittels einer Folie verschlossen ist. Beim Überschreiten des Schwellenwerts des innerhalb des Gehäuses vorhandenen Drucks reißt dann diese Folie, und das Fluid kann durch die Öffnung hindurch in die Umgebung des Batteriepakets abgelassen werden.
Indem der Entgasungspfad oder Entgasungskanal hin zu dem Berstelement führt, kann sehr gezielt vorgegeben werden, an welcher Stelle das Fluid aus dem Gehäuse austreten wird. Dies ist einem sicheren Betrieb des Batteriepakets zuträglich.
Indem ein entsprechender Entgasungsbereich von dem Bereich des Gehäuses entfernt ist, in welchem die elektrische Kontaktierung der Anschlusspole des Zellstapels stattfindet, können die Auswirkungen von möglichen Reaktionsphänomenen besonders weitgehend reduziert werden, welche beim Austreten von Fluid aus wenigstens einer der Batteriezellen auftreten können. Beispielsweise können Reaktionsphänomene wie elektrische Kurzschlüsse oder eine Bildung eines Lichtbogens so besonders weitgehend vermieden werden, welche ansonsten beispielsweise aufgrund eines Brands auftreten könnten.
Indem das Fluid sehr weitgehend von den Anschlusspolen des Zellstapels ferngehalten wird, sind durch die Anschlusspole auch keine Zündquellen bereitgestellt, welche zu einem Entzünden des Fluids führen könnten. Auch dies ist dem sicheren Betrieb des Batteriepakets beziehungsweise der eine Mehrzahl von Batteriepaketen umfassenden Batterie zuträglich.
Insbesondere kann vorgesehen sein, dass die Gehäusewand, welche die zumindest eine Durchtrittsöffnung aufweist, und die das Berstelement aufweisende Gehäusewand des Gehäuses einen rechten Winkel einschließen. So kann erreicht werden, dass im Falle eines Fehlers das Fluid senkrecht zu den Anschlusspolen abgeführt wird. Dies ist der räumlichen Trennung des Fluids von dem Bereich des Batteriepakets, in welchem die Anschlusspole angeordnet sind, in besonderem Maße zuträglich.
Denn es kann in einem Fehlerfall, welcher zum Ausgasen zumindest einer der Batteriezellen führt, das Fluid beziehungsweise der Gasstrom kontrolliert auf die Seite des Gehäuses gelenkt werden, welche durch die Gehäusewand mit dem Berstelement bereitgestellt ist.
Die erfindungsgemäße Batterie weist eine Mehrzahl von elektrisch leitend miteinander verbundenen erfindungsgemäßen Batteriepaketen auf.
Eine derartige Batterie kann insbesondere als Traktionsbatterie für ein als Elektrofahrzeug oder Hybridfahrzeug ausgebildetes Kraftfahrzeug ausgebildet sein. In an sich bekannter Weise stellt eine derartige Traktionsbatterie elektrische Energie für wenigstens eine zum Fortbewegen des Kraftfahrzeugs ausgebildete elektrische Antriebseinheit wie etwa wenigstens einen Elektromotor bereit.
Vorzugsweise weist die Batterie einen Halterahmen auf, welcher wenigstens ein Führungselement aufweist. Hierbei sind die in dem Halterahmen angeordneten Batteriepakete entlang des wenigstens einen Führungselements in eine jeweilige Einbaulage geführt. Ein derartiger Halterahmen mit beispielsweise nach Art von Führungsschienen ausgebildeten Führungselementen erleichtert die Fertigung der Batterie. Denn entlang der Schienen oder Führungselemente können die Batteriepakete bei der Fertigung der Batterie gut in den Halterahmen eingeführt oder eingebracht werden.
Zu der Erfindung gehören auch Weiterbildungen der erfindungsgemäßen Batterie, die Merkmale aufweisen, wie sie bereits im Zusammenhang mit den Weiterbildungen des erfindungsgemäßen Batteriepakets beschrieben worden sind. Aus diesem Grund sind die entsprechenden Weiterbildungen der erfindungsgemäßen Batterie hier nicht noch einmal beschrieben.
Ein erfindungsgemäßes Kraftfahrzeug, welches die erfindungsgemäße Batterie aufweist, ist bevorzugt als Kraftwagen, insbesondere als Personenkraftwagen oder Lastkraftwagen, oder als Personenbus oder Motorrad ausgestaltet.
Die Erfindung umfasst auch die Kombinationen der Merkmale der beschriebenen Ausführungsformen. Die Erfindung umfasst also auch Realisierungen, die jeweils eine Kombination der Merkmale mehrerer der beschriebenen Ausführungsformen aufweisen, sofern die Ausführungsformen nicht als sich gegenseitig ausschließend beschrieben wurden.
Im Folgenden sind Ausführungsbeispiele der Erfindung beschrieben. Hierzu zeigt:

1 in einer schematischen Explosionsdarstellung Komponenten eines Batteriepakets beziehungsweise einer Hybridzelle, welche zwei als Pouchzellen ausgebildete Batteriezellen umfasst;
2 schematisiert die beiden Pouchzellen gemäß 1 vor einer elektrisch leitenden Verbindung der Pouchzellen miteinander;
3 das Batteriepaket gemäß 1 im zusammengebauten beziehungsweise montierten Zustand; und
4 eine Batterie, wobei eine Vielzahl an Batteriepaketen gemäß 3 in einem Halterahmen der Batterie angeordnet sind.

Bei den im Folgenden erläuterten Ausführungsbeispielen handelt es sich um bevorzugte Ausführungsformen der Erfindung. Bei den Ausführungsbeispielen stellen die beschriebenen Komponenten der Ausführungsformen jeweils einzelne, unabhängig voneinander zu betrachtende Merkmale der Erfindung dar, welche die Erfindung jeweils auch unabhängig voneinander weiterbilden. Daher soll die Offenbarung auch andere als die dargestellten Kombinationen der Merkmale der Ausführungsformen umfassen. Des Weiteren sind die beschriebenen Ausführungsformen auch durch weitere der bereits beschriebenen Merkmale der Erfindung ergänzbar.
In den Figuren bezeichnen gleiche Bezugszeichen jeweils funktionsgleiche Elemente.
In 1 sind in einer Explosionsdarstellung schematisch Komponenten eines Batteriepakets 10 gezeigt. Das Batteriepaket 10 weist bei der vorliegend beispielhaft gezeigten Variante zwei Batteriezellen auf, welche beispielsweise als Pouchzellen 12, 14 ausgebildet sind. Die Pouchzellen 12, 14 sind innerhalb eines eigensteifen Gehäuses 16 (vergleiche 3) des Batteriepakets 10 angeordnet, welches vorliegend als Stahlgehäuse ausgebildet ist. Von dem Gehäuse 16 sind in der Explosionsdarstellung gemäß 1 ein Rahmenelement in Form eines Stahlrahmens 18 sowie zwei Seitenwände 21, 23 gezeigt. Die Seitenwände 21, 23 sind vorliegend so wie auch der Stahlrahmen 18 aus einem Stahlblech gebildet, welches beispielsweise eine Dicke von bis zu etwa 0,7 Millimetern aufweisen kann. Mit dem Stahlrahmen 18 sind die Seitenwände 21, 23 vorzugsweise durch Schweißen verbunden, um das geschlossene Gehäuse 16 des Batteriepakets 10 bereitzustellen (vergleiche 3).
Wie aus 1 hervorgeht, ist der Stahlrahmen 18 im Querschnitt rechteckig ausgebildet, sodass das Gehäuse 16 insgesamt quaderförmig ist. Zum Herstellen des Stahlrahmens 18 kann daher das Stahlblech in ein rechteckiges Profil gebogen werden, welches dann an einem offenen Rand verschweißt wird, sodass anschließend das rechteckige Profil geschlossen ist.
Das eigensteife Gehäuse 16 verleiht dem Batteriepaket 10 eine Steifigkeit, wie sie beispielsweise eine prismatische Batteriezelle aufweist. Jedoch sind im Inneren des Gehäuses 16 die wenigstens zwei Batteriezellen vorliegend in Form der wenigstens zwei Pouchzellen 12, 14 angeordnet, wobei die beiden Pouchzellen 12, 14 elektrisch leitend miteinander verbunden sind. Dementsprechend sind in dem Batteriepaket 10 die Eigenschaften der Pouchzellen 12, 14 und die Eigenschaften einer prismatischen Batteriezelle in vorteilhafter Weise vereint. Da vorliegend durch das Batteriepaket 10 eine Mischform einer Mehrzahl von Pouchzellen 12, 14 und einer prismatischen Batteriezelle bereitgestellt ist, kann das Batteriepaket 10 auch als Hybridzelle bezeichnet werden.
Es können auch mehr als die vorliegend beispielhaft gezeigten zwei Batteriezellen in dem Gehäuse 16 elektrisch leitend miteinander verbunden sein. Jedoch soll aus Gründen der besseren Übersichtlichkeit vorliegend das Batteriepaket 10 mit den beiden Pouchzellen 12, 14 näher erläutert werden.
Bei der Montage des Batteriepakets 10 werden die wenigstens zwei Pouchzellen 12, 14 derart miteinander in Anlage gebracht, dass die Pouchzellen 12, 14 aneinander angrenzen. Auf diese Weise bilden die aneinander angrenzend angeordneten beziehungsweise aufeinander gestapelten Pouchzellen 12, 14 einen Zellstapel 20 des Batteriepakets 10. Eine mögliche elektrisch leitende Verbindung der Pouchzellen 12, 14 innerhalb des Gehäuses 16 des Batteriepakets 10 soll mit Bezug auf 2 erläutert werden.
Dementsprechend weisen die Pouchzellen 12, 14 jeweilige Zellfahnen 22, 24, 26, 28 auf. Gemäß 2 kann die erste Pouchzelle 12 eine erste Zellfahne 22 in Form eines Pluspols und eine zweite Zellfahne 24 in Form eines Minuspols aufweisen. In analoger Weise kann die zweite Pouchzelle 14 eine erste Zellfahne 26 in Form eines Minuspols und eine zweite Zellfahne 28 in Form eines Pluspols aufweisen. Wenn die beiden Pouchzellen 12, 14 elektrisch in Reihe geschaltet miteinander verbunden sind, so kann die Zellfahne 22 mit der Zellfahne 26 verbunden werden. Dies kann etwa durch Verschweißen oder Verstemmen der ersten Zellfahnen 22, 26 miteinander geschehen.
Vor diesem Verbinden miteinander stehen hierbei die beiden ersten Zellfahnen 22, 26 durch jeweilige Schlitze 29, 30 hindurch nach oben von einem Grundkörper der jeweiligen Pouchzelle 12, 14 ab. Die Schlitze 29, 30 sind in einer Halteeinrichtung des Batteriepakets 10 ausgebildet, welche vorliegend in Form eines Kunststoffträgers 32 (vergleiche 1) bereitgestellt ist. Der vorliegend nach Art eines Rahmens ausgebildete Kunststoffträger 32 sorgt zum einen für eine Lagerung der Pouchzellen 12, 14 in dem Gehäuse 16 des Batteriepakets 10. Zudem können die beiden ersten Zellfahnen 22, 26 oder Zellpole der einander benachbarten Pouchzellen 12, 14 gut und einfach elektrisch leitend miteinander verbunden werden, wenn die durch die Schlitze 29, 30 hindurchtretenden ersten Zellfahnen 22, 26 mittels des Kunststoffträgers 32 positioniert sind.
In 1 ist ein Verbindungsbereich 34 des Zellstapels 20 angedeutet, in welchem bei der Reihenschaltung der Pouchzellen 12, 14 die beiden ersten Zellfahnen 22, 26 entgegengesetzter Polarität elektrisch leitend miteinander verbunden sind.
In Richtung einer Schmalseite der jeweiligen Pouchzellen 12, 14 sind von den miteinander verbundenen ersten Zellfahnen 22, 26 die weiteren oder zweiten Zellfahnen 24, 28 der Pouchzellen 12, 14 beabstandet angeordnet. Vorliegend ist die zweite Zellfahne 24 der ersten Pouchzelle 12 als Minuspol der ersten Pouchzelle 12 ausgebildet, und die zweite Zellfahne 28 der zweiten Pouchzelle 14 ist als Pluspol der zweiten Pouchzelle 14 ausgebildet (vergleiche 2), wobei die jeweiligen elektrischen Pole der beiden Pouchzellen 12, 14 in Richtung der Schmalseite voneinander beabstandet sind.
Durch die weiteren oder zweiten Zellfahnen 24, 28 sind vorliegend Polabgänge der elektrisch leitend miteinander verbundenen Pouchzellen 12, 14 bereitgestellt. Auch diese zweiten Zellfahnen 24, 28 treten vorzugsweise durch Schlitze 36, 38 hindurch, welche in dem Kunststoffträger 32 bereitgestellt sind (vergleiche 1). Beispielsweise kann die zweite Zellfahne 28 der zweiten Pouchzelle 14 durch einen ersten Schlitz 36 des Kunststoffträgers 32 hindurchtreten, und die zweite Zellfahne 24 der ersten Pouchzelle 12 kann durch einen zweiten Schlitz 38 des Kunststoffträgers 32 hindurchtreten.
Im Bereich der elektrisch leitend miteinander verbundenen ersten Zellfahnen 22, 26 ist vorzugsweise vorgesehen, dass die gesamten Zellfahnen 22, 26 durch die Schlitze 29, 30 hindurchgeführt und miteinander verbunden sind. Demgegenüber kann insbesondere vorgesehen sein, dass von den zweiten Zellfahnen 24, 28 nur ein Teilbereich durch die den zweiten Zellfahnen 24, 28 zugeordneten Schlitze 36, 38 hindurchtritt. Auf diese Weise kann dafür gesorgt werden, dass diejenigen Teilbereiche der zweiten Zellfahnen 24, 28, welche durch die Schlitze 36, 38 hindurchtreten, in Richtung der Schmalseite der Pouchzellen 12, 14 voneinander beabstandet sind. Dennoch liegen die beiden zweiten Zellfahnen 24, 28 im Bereich des Kunststoffträgers 32 noch recht nahe beieinander.
Insbesondere ist vorliegend in Richtung der Schmalseite der jeweiligen Pouchzelle 12, 14 ein Abstand der zweiten Zellfahnen 24, 28 voneinander geringer als ein Abstand der Zellfahnen 22, 24 der ersten Pouchzelle 12 voneinander und geringer als ein Abstand der Zellfahnen 26, 28 der zweiten Pouchzelle 14 voneinander.
Insbesondere kann vorgesehen sein, dass es sich bei dem Teilbereich der zweiten Zellfahnen 24, 28, welche durch die jeweiligen Schlitze 36, 38 des Kunststoffträgers 32 hindurchtreten, um eine halbe Zellfahne der jeweiligen Pouchzelle 12, 14 handelt. Die ursprünglichen zweiten Zellfahnen 24, 28 können also in zwei Teile oder Hälften getrennt sein, von denen jeweils nur eine Hälfte durch den dieser Hälfte zugeordneten Schlitz 36, 38 hindurchtritt.
Durch das Hindurchführen der zweiten Zellfahnen 24, 28 durch die Schlitze 36, 38 des Kunststoffträgers 32 kann dafür gesorgt werden, dass die zweiten Zellfahnen 24, 28 im Bereich eines Trägerteils 40 zu liegen kommen, welches als Kunststoffrahmen ausgebildet ist und einen ersten Anschlusspol 42 sowie einen zweiten Anschlusspol 44 des Zellstapels 20 aufweist. Beispielsweise kann der erste Anschlusspol 42 als Pluspol des Zellstapels 20 und somit auch des Batteriepakets 10 ausgebildet sein. Dann ist der zweite Anschlusspol 44 als Minuspol des Zellstapels 20 und somit auch des Batteriepakets 10 ausgebildet.
Wie vorliegend beispielhaft gezeigt, kann der erste Anschlusspol 42 mit der als Pluspol dienenden zweiten Zellfahne 28 der zweiten Pouchzelle 14 verbunden sein, während der zweite Anschlusspol 44 mit der als Minuspol dienenden zweiten Zellfahne 24 der ersten Pouchzelle 12 verbunden ist. Dadurch, dass sich die durch den jeweiligen Schlitz 36, 38 hindurchtretenden zweiten Zellfahnen 24, 28 bei der Montage des Batteriepakets 10 und insbesondere beim Anbringen des Kunststoffträgers 32 an dem Zellstapel 20 im Bereich der zweiten Zellfahnen 24, 28 befinden, lässt sich die elektrisch leitende Verbindung der zweiten Zellfahnen 24, 28 mit den Anschlusspolen 42, 44 sehr einfach realisieren.
Der Zellstapel 20 kann in eine Einführrichtung 47 in den Stahlrahmen 18 des Gehäuses 16 eingeführt werden, welche in 1 durch einen Pfeil veranschaulicht ist. Diese Einführrichtung 47 entspricht auch einer Längserstreckungsrichtung der nebeneinander angeordneten Pouchzellen 12, 14 beziehungsweise einer Erstreckungsrichtung der jeweiligen Schmalseite der Pouchzellen 12, 14, entlang welcher die Zellfahnen 22, 24 der ersten Pouchzelle 12 und die Zellfahnen 26, 28 der zweiten Pouchzelle 14 voneinander beabstandet sind.
Wie insbesondere aus 1 in Verbindung mit 3 hervorgeht, ist aufgrund der vorstehend erläuterten Verbindung der ersten Zellfahnen 22, 26 miteinander und der zweiten Zellfahnen 24, 28 mit den Anschlusspolen 42, 44 dafür gesorgt, dass der Abstand der Anschlusspole 42, 44 voneinander in die Einführrichtung 47 geringer ist als ein jeweiliger Abstand der Zellfahnen 22, 24 der ersten Pouchzelle 12 voneinander und der Zellfahnen 26, 28 der zweiten Pouchzelle 14 voneinander in diese Einführrichtung 47. Mit anderen Worten liegen die Anschlusspole 42, 44 des Zellstapels 20 somit räumlich nahe beieinander, obwohl die Zellfahnen 22, 24 der ersten Pouchzelle 12 und der Zellfahnen, 26, 28 der zweiten Pouchzelle 14 innerhalb des Gehäuses 16 vergleichsweise weit voneinander beabstandet sind.
In einer Gehäusewand 46 des Gehäuses 16, vorliegend in einer der Gehäusewände, welche durch den Stahlrahmen 18 gebildet sind, sind vorliegend zwei Durchtrittsöffnungen 48, 50 ausgebildet. Auch diese Durchtrittsöffnungen 48, 50 sind in die Einführrichtung 47 voneinander beabstandet, und zwar in analoger Weise beziehungsweise gleich weit wie die Anschlusspole 42, 44 in die Einführrichtung 47 voneinander beabstandet sind. Wenn das Trägerteil 40 an der Gehäusewand 46 festgelegt ist, so kommen die Anschlusspole 42, 44 im Bereich der Durchtrittsöffnungen 48, 50 zu liegen. Somit sind über die Durchtrittsöffnungen 48, 50 die Anschlusspole 42, 44 des Zellstapels 20 zugänglich. Und an den Anschlusspolen 42, 44 ist die elektrische Spannung des Batteriepakets 10 beziehungsweise der Hybridzelle bereitgestellt.
Wenn in einer Variante des Batteriepakets 10 die vorliegend als Pouchzellen 12, 14 ausgebildeten Batteriezellen parallel geschaltet sind, so kann im Bereich des Kunststoffträgers 32 ein (vorliegend nicht gezeigter) elektrischer Leiter angeordnet sein, welcher von den Zellfahnen gleicher Polarität der Pouchzellen 12, 14 zu einem der Anschlusspole 42, 44 des Zellstapels 20 führt und mit diesem Anschlusspol verbunden ist. Im Bereich des anderen der beiden Anschlusspole 42, 44 können die anderen Zellfahnen gleicher Polarität der elektrisch parallel geschalteten Batteriezellen, insbesondere Pouchzellen 12, 14, elektrisch leitend miteinander und auch mit dem anderen der beiden Anschlusspole 42, 44 verbunden sein. Auf diese Weise kann auch bei einer Parallelschaltung der Batteriezellen dafür gesorgt werden, dass sich die Anschlusspole 42, 44 des Zellstapels 20 beziehungsweise Batteriepakets 10 an denselben Stellen befinden wie bei dem vorliegend dargestellten Batteriepaket 10.
Der vorliegend von oben auf die Pouchzellen 12, 14 aufgesetzte Kunststoffträger 32 dient einerseits einer Lagerung der Pouchzellen 12, 14 in dem Gehäuse 16 des Batteriepakets 10 beziehungsweise der Hybridzelle.
Des Weiteren sind durch den Kunststoffträger 32 die Pouchzellen 12, 14 auf Abstand von der vorliegend oberen Gehäusewand 46 des Stahlrahmens 18 gehalten, in welcher die Durchtrittsöffnungen 48, 50 ausgebildet sind. Hierfür können beispielsweise Längsstege 52 des Kunststoffträgers 32, welche sich vorliegend in die Einführrichtung 47 erstrecken, dicker ausgebildet sein als Querstege 54 des Kunststoffträgers 32, welche die Längsstege 52 miteinander verbinden. Durch die Längsstege 52 und die Querstege 54 ist vorliegend ein Rahmen des Kunststoffträgers 32 gebildet.
Indem die Halteeinrichtung in Form des Kunststoffträgers 32 die Pouchzellen 12, 14 auf Abstand von der oberen Gehäusewand 46 hält, ist unterhalb dieser Gehäusewand 46 ein Fluidkanal beziehungsweise Gaskanal für den Fall gebildet, dass aus wenigstens einer der Pouchzellen 12, 14 ein Fluidstrom beziehungsweise Gasstrom austritt.
Des Weiteren sorgt der Kunststoffträger 32 für eine elektrische Isolation der Zellfahnen 24, 28 voneinander, und zwar vorliegend insbesondere in dem Bereich, in welchem die zweiten Zellfahnen 24, 28 mit den Anschlusspolen 42, 44 elektrisch leitend verbunden sind.
Zusätzlich dient die Halteeinrichtung in Form des Kunststoffträgers 32 einer Halterung oder Befestigung weiterer Kunststoffelemente etwa in Form von Seitenteilen 56, 58, welche vorliegend an einander in der Einführrichtung 47 gegenüberliegenden Schmalseiten des Zellstapels 20 angeordnet sind. Beispielsweise können die Seitenteile 56, 58 durch Verrasten mit dem Kunststoffträger 32 verbunden werden, insbesondere durch Anklipsen an die jeweiligen Querstege 54.
Des Weiteren sind an dem Kunststoffträger 32 zwei Kompressionselemente oder Kompressionspads 60, 62 festgelegt, welche vorliegend an einander gegenüberliegenden Breitseiten des Zellstapels 20 angeordnet sind. Innerhalb des Gehäuses 16 sind die jeweiligen Kompressionspads 60, 62 zwischen jeweils einer der Gehäusewände des Stahlrahmens 18 und einer Außenseite des Zellstapels 20 angeordnet. Die Kompressionspads 60, 62 werden bei einer Volumenzunahme des Zellstapels 20 komprimiert.
Dementsprechend können die Kompressionspads 60, 62 eine Verformung des Zellstapels 20 kompensieren, welche etwa beim Laden der Pouchzellen 12, 14 und/oder aufgrund einer Alterung der Pouchzellen 12, 14 auftreten kann. Das Vorsehen der Kompressionselemente oder Kompressionspads 60, 62 sorgt also insbesondere dafür, dass eine äußere Gestalt des Gehäuses 16 des Batteriepakets 10 im Wesentlichen unverändert bleibt, selbst wenn es zu einer Volumenzunahme der Pouchzellen 12, 14 beziehungsweise des Zellstapels 20 kommt.
Die Kompressionspads 60, 62 wirken somit insbesondere dem Wachstum der Pouchzellen 12, 14 über deren Laufzeit beziehungsweise Lebensdauer hinweg entgegen. Hierbei wird der aufgrund der Volumenzunahme der Pouchzellen 12, 14 zunehmende Druck im Inneren des Gehäuses 16 über die Fläche homogenisiert, und es wird ein gewisser Wachstumsweg der Pouchzellen 12, 14 aufgenommen. Dies sorgt dafür, dass sich im Vergleich zu einer konventionellen prismatischen Zelle das Batteriepaket 10 über die Laufzeit beziehungsweise Lebensdauer hinweg sehr wenig bis gar nicht verformt.
Die Kompressionspads 60, 62 können beispielsweise aus einem Schaumstoff gebildet sein oder aus einem anderen elastischen Material wie etwa einem Ethylen-Propylen-Dien-Kautschuk (EPDM) oder dergleichen. Insbesondere können die Kompressionspads 60, 62 zudem thermisch isolierende Eigenschaften aufweisen.
Aus 1 ist weiter ersichtlich, dass das Batteriepaket 10 eine aus einem elektrisch isolierenden Material gebildete Isolationsfolie 64 umfassen kann. Auch diese Isolationsfolie 64 kann an dem Kunststoffträger 32 befestigt sein und einen Bauteilverbund ummanteln, welcher den Kunststoffträger 32, den Zellstapel 20 und die Kompressionspads 62, 64 umfasst. In der Isolationsfolie 64 kann im Bereich der Anschlusspole 42, 44 eine Aussparung 66 vorgesehen sein (vergleiche 1).
Nachfolgend soll die Montage oder Fertigung des Batteriepakets 10 erläutert werden. Bei dem Zusammenbau des Batteriepakets 10 dienen der Kunststoffträger 32 sowie die an dem Kunststoffträger 32 befestigten Seitenteile 56, 58 als Montagehilfe beim Einführen des insbesondere mit der Isolationsfolie 64 ummantelten Bauteilverbunds in den Stahlrahmen 18 in die Einführrichtung 47. Der Bauteilverbund wird hierbei so weit in den Stahlrahmen 18 eingeschoben, dass sich das Trägerteil 40 mit den Anschlusspolen 42, 44 des Zellstapels 20 auf der Höhe der Durchtrittsöffnungen 48, 50 befindet.
Anschließend kann beispielsweise mittels eines geeigneten Werkzeugs das Trägerteil 40 aus einer Parkposition oder Montageposition relativ zu dem Kunststoffträger 32 von innen auf die obere Gehäusewand 46 zu bewegt werden. Beispielsweise kann hierfür das Trägerteil 40 mittels des Werkzeugs aus der Parkposition nach oben gezogen werden. Auf diese Weise kann erreicht werden, dass an dem Trägerteil 40 angeordnete Dichtungen, welche vorzugsweise um die Anschlusspole 42, 44 beziehungsweise um die Durchtrittsöffnungen 48, 50 umfangsseitig umlaufen, in Anlage mit einer Innenseite der oberen Gehäusewand 46 des Stahlrahmens 18 gelangen. Dadurch dichtet das Trägerteil 40 einen Innenraum des Gehäuses 16 im Bereich der Durchtrittsöffnungen 48, 50 ab.
Des Weiteren kann vorgesehen sein, dass das vorliegend aus Kunststoff gebildete Trägerteil 40 im Bereich der Durchtrittsöffnungen 48, 50 mit der oberen Gehäusewand 46 des Stahlrahmens 18 verrastet. Auf diese Weise sind die Anschlusspole 42, 44 im Bereich der Durchtrittsöffnungen 48, 50 in ihrer Lage besonders gut fixiert.
Anschließend können die Seitenwände 21, 23 mit dem Stahlrahmen 18 verbunden werden, um das Gehäuse 16 zu allen Richtungen hin zu verschlie-ßen.
In einer unteren Gehäusewand 68, welche vorliegend der oberen Gehäusewand 46 gegenüberliegt und ebenfalls Teil des Stahlrahmens 18 ist (vergleiche 1), können kleine Löcher ausgebildet sein, durch welche hindurch eine Füllmasse 70, welche auch als Gapfiller bezeichnet wird, in den Innenraum des Gehäuses 16 eingespritzt werden kann. Die Füllmasse 70 verschließt hierbei die in der unteren Gehäusewand 68 ausgebildeten Löcher, sodass trotz des Vorsehens der Löcher oder Einfülllöcher das Gehäuse 16 zu allen Seiten hin geschlossen ist.
Insbesondere sorgt die vorzugsweise eine hohe thermische Leitfähigkeit aufweisende Füllmasse 70 für eine gute thermische Anbindung der Pouchzellen 12, 14 an die untere Gehäusewand 68. Auf diese Weise kann an der unteren Gehäusewand 68 gut Wärme abgeführt werden, welche im Betrieb der Pouchzellen 12, 14, also beim Laden und Entladen der Pouchzellen 12, 14, freigesetzt wird. Der Gapfiller beziehungsweise die Füllmasse 70 hat also insbesondere die Funktion, die Pouchzellen 12, 14 thermisch an das Gehäuse 16 des Batteriepakets 10 beziehungsweise der Hybridzelle anzubinden.
Um innerhalb des Gehäuses 16 Platz für die Füllmasse 70 beziehungsweise Gapfillermasse zu schaffen, können die Seitenteile 56, 58 nach unten, also zu der unteren Gehäusewand 68 hin, ein Stück weit über den Zellstapel 20 überstehen.
Aus 1 und auch aus 3 ist weiter ersichtlich, dass eine der Gehäusewände des Gehäuses 16, nämlich vorliegend die Seitenwand 23, eine Berstöffnung 72 aufweist. Diese Berstöffnung 72 ist in dem Batteriepaket 10 mittels einer Bersteinrichtung verschlossen, welche vorliegend als Berstfolie 74 ausgebildet ist (vergleiche 1). Da sich die mittels der Berstfolie 74 verschlossene Berstöffnung 72 in einer der beiden Stirnseiten des Gehäuses 16 befindet, kann ein Fluid, welches in einem Fehlerfall aus wenigstens einer der Pouchzellen 12, 14 austreten kann, über die Berstöffnung 72 in eine Umgebung des Batteriepakets 10 gelangen.
Vorliegend befindet sich ein Endbereich oder Mündungsbereich des Gaskanals oder Fluidkanals, welcher zwischen der oberen Gehäusewand 46 des Stahlrahmens 18 und dem Zellstapel 20 ausgebildet ist, im Bereich der mittels der Berstfolie 74 verschlossenen Berstöffnung 72. Durch diese Konstruktion ist es möglich, in einem Fehlerfall, welcher zum Ausgasen wenigstens einer der Pouchzellen 12, 14 führt, die Zellgase beziehungsweise ein derartiges Fluid kontrolliert zu einer Seite des Gehäuses 16 hin zu lenken, nämlich hin zu der Seitenwand 23, in welcher die Berstöffnung 72 ausgebildet ist.
Die Berstöffnung 72 befindet sich vorliegend in einer der Seitenwände 21, 23, welche mit der oberen Gehäusewand 46 einen rechten Winkel einschlie-ßen. Dementsprechend ist die Berstöffnung 72 in einem 90°-Winkel zu der elektrischen Kontaktierung der Pouchzellen 12, 14 angeordnet. So ist eine einfache räumliche Trennung des Zellgases von dem Bereich des Zellstapels 20 gewährleistet, in welchem die elektrische Kontaktierung des Batteriepakets 10 stattfindet. Somit ist bei dem Batteriepaket 10 ein besonders vorteilhaftes Brandschutzkonzept realisiert, welches eine hohe Sicherheit des Batteriepakets 10 beziehungsweise der Hybridzelle mit sich bringt.
In vorliegend nicht näher gezeigter Art und Weise können insbesondere die Seitenwände 21, 23 des Gehäuses 16 Führungselemente etwa in Form von Nuten oder Vorsprüngen aufweisen. Derartige Führungselemente sorgen dafür, dass eine Mehrzahl von Batteriepaketen 10 sehr einfach in einen Halterahmen 76 einer in 4 schematisch gezeigten Batterie 78 eingeführt werden kann. In der Batterie 78 sind die Batteriepakete 10, von welchen in 4 aus Gründen der Übersichtlichkeit lediglich einige mit einem Bezugszeichen versehen sind, elektrisch leitend miteinander verbunden.
Der Halterahmen 76 kann eine erste Seitenwand 80 und eine zweite Seitenwand 82 aufweisen. Hierbei liegt senkrecht zu einer Einschubrichtung 84, welche in 4 durch einen Pfeil veranschaulicht ist, die erste Seitenwand 80 der zweiten Seitenwand 82 gegenüber. Des Weiteren umfasst der Halterahmen 76 vorliegend einen Mittelsteg 86, welcher sich in die Einschubrichtung 84 erstreckt und senkrecht zu der Einschubrichtung 84 zwischen den beiden Seitenwänden 80, 82 angeordnet ist.
Sowohl an den Seitenwänden 80, 82 als auch an dem Mittelsteg 86 können jeweilige Führungselemente, beispielsweise in Form eines jeweiligen Vorsprungs 88, ausgebildet sein. Diese Vorsprünge 88 können in die (nicht gezeigten) Nuten eingreifen, welche in den Seitenwänden 21, 23 der Batteriepakete 10 ausgebildet sein können. Entlang dieser nach Art von Führungsleisten ausgebildeten Vorsprünge 88 können somit die Batteriepakete 10 in die Einschubrichtung 84 in die Halterahmen 76 in ihre Einbaulage geführt werden. In der Einbaulage grenzen die Batteriepakete 10 in der Einschubrichtung 84 aneinander an. Ein erster Stapel der Batteriepakete 10 ist zwischen der ersten Seitenwand 80 und dem Mittelsteg 86 angeordnet, und ein zweiter Stapel der Batteriepakete 10 ist zwischen der zweiten Seitenwand 82 und dem Mittelsteg 86 angeordnet.
Dadurch, dass sich die jeweiligen Anschlusspole 42, 44 der Batteriepakete 10 in großer Nähe zueinander befinden, können die einander benachbarten Batteriepakete 10 in dem jeweiligen Stapel sehr einfach elektrisch leitend miteinander verbunden werden. Hierfür sind nämlich vergleichsweise kurze Verbindungselemente 90 ausreichend, von welchen aus Gründen der Übersichtlichkeit in 4 lediglich einige mit einem Bezugszeichen versehen sind. Des Weiteren sind auch von den Anschlusspolen 42, 44 der jeweiligen Batteriepakete 10 in 4 lediglich einige mit einem Bezugszeichen versehen.
Im Bereich der vorliegend leistenförmigen Vorsprünge 88 sind durch den Halterahmen 76 vorzugsweise Entgasungskanäle ausgebildet. Über diese Entgasungskanäle, welche sich vorliegend in die Einschubrichtung 84 erstrecken, kann im Fehlerfall aus wenigstens einem der Batteriepakete 10 austretendes Fluid in eine Umgebung der Batterie 78 abgeleitet werden. Hierfür können in Stirnwänden 92, 94 eines den Halterahmen 76 umfassenden Batteriegehäuses der Batterie 78 vorliegend nicht näher gezeigte Berstöffnungen vorgesehen sein. Auch diese Berstöffnungen sind vorzugsweise mit jeweiligen Berstfolien oder dergleichen verschlossen.
Insgesamt zeigen die Beispiele, wie durch das Batteriepaket 10 eine Hybridzelle bereitgestellt ist, welche Vorteile der Pouchzellen 12, 14 mit den Vorteilen einer prismatischen Batteriezelle in sich vereint.
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

EP 3309866 A1 [0002]
EP 2439807 A1 [0004]

Claims

Batteriepaket mit wenigstens zwei Batteriezellen (12, 14), welche in einem eigensteifen Gehäuse (16) des Batteriepakets (10) aneinander angrenzend angeordnet sind, wobei zwischen wenigstens einer Gehäusewand des Gehäuses (16) und einem durch die wenigstens zwei Batteriezellen (12, 14) gebildeten Zellstapel (20) des Batteriepakets (10) wenigstens ein Kompressionselement (60, 62) angeordnet ist, welches bei einer Volumenzunahme des Zellstapels (20) komprimierbar ist, wobei die wenigstens zwei Batteriezellen (12, 14) elektrisch leitend miteinander verbunden sind, dadurch gekennzeichnet, dass der Zellstapel (20) einen ersten elektrischen Anschlusspol (42) und einen zweiten elektrischen Anschlusspol (44) aufweist, wobei in einer Gehäusewand (46) des Gehäuses (16) zumindest eine Durchtrittsöffnung (48, 50) ausgebildet ist, über welche die Anschlusspole (42, 44) des Zellstapels (20) zugänglich sind, und wobei an den Anschlusspolen (42, 44) eine elektrische Spannung des Batteriepakets (10) bereitgestellt ist.
Batteriepaket nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die wenigstens zwei Batteriezellen (12, 14) als Pouchzellen ausgebildet sind.
Batteriepaket nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Anschlusspole (42, 44) des Zellstapels (20) an einem Trägerteil (40) gehalten sind, welches aus einem elektrisch isolierenden Material gebildet ist, wobei mittels des innerhalb des Gehäuses (16) angeordneten Trägerteils (40) die zumindest eine Durchtrittsöffnung (48, 50) zu einem Innenraum des Gehäuses (16) hin abgedichtet ist.
Batteriepaket nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die wenigstens zwei Batteriezellen (12, 14) innerhalb des Gehäuses (16) an einer aus einem elektrisch isolierenden Material gebildeten Halteeinrichtung (32) gelagert sind, wobei - durch die Halteeinrichtung (32) die wenigstens zwei Batteriezellen (12, 14) auf Abstand von einer Innenseite zumindest einer der Gehäusewände (46) des Gehäuses (16) gehalten sind, und/oder - an der Halteeinrichtung (32) das wenigstens eine Kompressionselement (60, 62) festgelegt ist, und/oder - die Halteeinrichtung (32) wenigstens einen Schlitz (29, 30, 36, 38) aufweist, durch welchen zumindest eine Zellfahne (22, 24, 26, 28) zumindest einer der wenigstens zwei Batteriezellen (12, 14) hindurchgeführt ist.
Batteriepaket nach Anspruch 3 und 4, dadurch gekennzeichnet, dass das die Anschlusspole (42, 44) des Zellstapels (20) aufweisende Trägerteil (40) aus einer Montagestellung relativ zu der Halteeinrichtung (32) in eine Funktionsstellung bewegbar ist, in welcher das Trägerteil (40) an der die zumindest eine Durchtrittsöffnung (48, 50) aufweisenden Gehäusewand (46) festgelegt ist.
Batteriepaket nach Anspruch 4 oder 5, dadurch gekennzeichnet, dass an der Halteeinrichtung (32) zwei Kompressionselemente (60, 62) festgelegt sind, welche an einander gegenüberliegenden Seiten des Zellstapels (20) angeordnet sind, und/oder an der Halteeinrichtung (32) zwei aus einem elektrisch isolierenden Material gebildete Seitenteile (56, 58) gehalten sind, welche an einander gegenüberliegenden Stirnseiten des Zellstapels (20) angeordnet sind.
Batteriepaket nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die wenigstens zwei Batteriezellen (12, 14) jeweilige Zellfahnen (22, 24, 26, 28) aufweisen, wobei wenigstens eine Zellfahne (24, 28) zumindest einer der wenigstens zwei Batteriezellen (12, 14) elektrisch leitend mit einem der Anschlusspole (42, 44) verbunden ist, und wobei ein Abstand der Anschlusspole (42, 44) des Zellstapels (20) voneinander geringer ist als ein Abstand der Zellfahnen (22, 24, 26, 28) einer jeweiligen Batteriezelle (12, 14) voneinander.
Batteriepaket nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das, insbesondere quaderförmige, Gehäuse (16) des Batteriepakets (10) ein in Umfangsrichtung um den Zellstapel (20) umlaufendes Rahmenelement (18) aufweist, wobei Stirnseiten des Gehäuses (16) durch mit dem Rahmenelement (18) verbundene, insbesondere wenigstens ein Führungselement aufweisende, Seitenwände (21, 23) gebildet sind.
Batteriepaket nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Gehäuse (16) des Batteriepakets (10) ein Berstelement (72, 74) aufweist, über welches bei einem Überschreiten eines Schwellenwerts eines innerhalb des Gehäuses (16) vorhandenen Drucks ein Fluid in eine Umgebung des Batteriepakets (10) ablassbar ist, wobei das Berstelement (72, 74) in einer Gehäusewand (22) des Gehäuses (16) ausgebildet ist, welche von der die zumindest eine Durchtrittsöffnung (48, 50) aufweisenden Gehäusewand (46) verschieden ist.
Batterie, insbesondere für ein Kraftfahrzeug, mit einer Mehrzahl von elektrisch leitend miteinander verbundenen Batteriepaketen (10) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die Batterie (78) einen Halterahmen (76) umfasst, welcher wenigstens ein Führungselement (88) aufweist, und wobei die in dem Halterahmen (76) angeordneten Batteriepakete (10) entlang des wenigstens einen Führungselements (88) in eine jeweilige Einbaulage geführt sind.