DE102017011626A1 - Battery cell frame for electrochemical cells - Google Patents
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Abstract
Batteriezellrahmen (1) zur Aufnahme mindestens einer flachen, elektrochemischen Zelle einer wiederaufladbaren Batterie, aufweisend einen zumindest bereichsweise umlaufenden, äußeren Rahmenteil (2) aus Kunststoff und eine Thermoplastplatte als Rahmenfüllung (3), welche im Randbereich zumindest bereichsweise unter Ausbildung des Rahmenteils (2) umspritzt ist.
Description
Die vorliegende Erfindung betrifft einen Batteriezellrahmen nach dem Oberbegriff des Anspruchs 1, eine Anordnung von mehreren solcher Batteriezellrahmen und eine daraus gebildete Batterie.The present invention relates to a battery cell frame according to the preamble of claim 1, an arrangement of a plurality of such battery cell frames and a battery formed therefrom.
Elektrochemische Zellen, z.B. Lithium-Ionen Zellen, liegen hauptsächlich als Rundzellen, prismatische Zellen oder sogenannte Pouch-Zellen vor. Letztere bestehen aus gestapelten oder gefalteten aktiven Schichten, die von einer flexiblen, meist aus einer kunststoffbeschichteten Aluminiumfolie bestehenden Außenfolie eingeschlossen sind. Solche elektrochemischen Zellen können mit geringen Dicken und geringem Gewicht in anwendungsspezifischen, vor allem flachen Dimensionen gefertigt werden. In Traktionsbatterien ist eine Vielzahl von elektrochemischen Zellen zu einem Zellverbund zusammengeschaltet. Um die empfindlichen Pouch-Zellen vor mechanischen Beschädigungen zu schützen, sind sie in parallel zueinander angeordneten Batteriezellrahmen aufgenommen, die wegen der fertigungsbedingten Dickenschwankungen sowie der beim Laden und Entladen auftretenden Dickenänderungen der Pouch-Zellen als Abstandselement, auch Spacer genannt, ausgebildet sind.Electrochemical cells, e.g. Lithium-ion cells are mainly present as round cells, prismatic cells or so-called pouch cells. The latter consist of stacked or folded active layers, which are enclosed by a flexible, usually made of a plastic-coated aluminum foil outer film. Such electrochemical cells can be manufactured with low thicknesses and low weight in application-specific, especially flat dimensions. In traction batteries, a large number of electrochemical cells are interconnected to form a cell network. In order to protect the sensitive pouch cells from mechanical damage, they are accommodated in battery cell frames arranged parallel to one another, which are designed as spacer elements, also referred to as spacers, due to the production-related thickness fluctuations and the changes in thickness of the pouch cells occurring during loading and unloading.
Ein solcher Batteriezellrahmen ist aus der
In der
Zur Stützung der Pouch-Zellen untereinander schlägt die
Es ist Aufgabe der Erfindung, einen Batteriezellrahmen bereitzustellen, welcher den kostengünstigen Aufbau einer kompakten und leichten Batterie ermöglicht und insbesondere die Skalierung zu größeren Zelldimensionen erlaubt.It is an object of the invention to provide a battery cell frame, which allows the cost-effective construction of a compact and lightweight battery and in particular allows the scaling to larger cell dimensions.
Die Aufgabe wird gelöst durch einen Batteriezellrahmen nach Anspruch 1. Vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung sind den auf diesen Anspruch rückbezogenen Unteransprüchen sowie der nachfolgenden Figurenbeschreibung zu entnehmen.The object is achieved by a battery cell frame according to claim 1. Advantageous embodiments of the invention are to be found in the dependent on this claim subclaims and the following description of the figures.
Erfindungsgemäß ist vorgesehen, dass die Rahmenfüllung von einer Thermoplastplatte gebildet ist, die im Randbereich zumindest bereichsweise unter Ausbildung des Rahmenteils umspritzt ist. Ein solches aus einer Platte oder einer Folie entnommenes Einlegeteil für die Rahmenfüllung kann in dünner Wandstärke bereitgestellt werden, sodass die Wandstärke der Rahmenfüllung gegenüber einer einstückig mit dem Rahmenteil gespritzten Rahmenfüllung reduziert werden kann. Neben einer dadurch ermöglichten reduzierten Aufbauhöhe verringert sich dadurch auch das Gewicht des einzelnen Batteriezellrahmens, wodurch beim Verbau von mitunter mehreren hundert Zellen und Zellrahmen in einer Traktionsbatterie mehrere Zentimeter Baulänge und Kilogramm Gewicht eingespart werden können. Die Thermoplastplatte kann aus einem Polypropylen (PP), Polyethylen (PE), Polyethylenterephthalat (PET) oder einem anderen thermoplastischen Kunststoff gebildet sein und unverstärkt oder verstärkt sein. Die elastisch nachgiebige Thermoplastplatte verfügt über gute Dämpfungseigenschaften, um die im Fahrbetrieb auftretenden Bewegungen der Zellen innerhalb der Batterie zu dämpfen, während der umspritzte Rahmenteil besonders fest und steif ausgebildet sein kann. Weiter bietet die vorgefertigte Thermoplastplatte, die vorzugsweise aus einer endlos hergestellten Folie ausgeschnitten oder ausgestanzt wird, die Gewähr einer lochfreien Oberfläche, die zudem besonders glatt ausgeführt sein kann, sodass die Zelle bei möglichen Relativbewegungen zwischen Zelle und Rahmenfüllung nicht beschädigt wird. Durch die Verwendung vorgefertigter Thermoplastplatten als Einlegeteil im Insert-Spritzgießverfahren kann der umspritzte Rahmenteil des Batteriezellrahmens von größerer Wandstärke ausgeführt werden, ohne dass sich z.B. auftretender Verzug negativ auf das Planlageverhalten auswirkt. Dabei ist es unerheblich in welchen Dimensionen der Batteriezellrahmen gefertigt werden soll, sodass die Batteriezellrahmen ohne weiteres zu größeren Zelldimensionen skalierbar sind. Der Kunststoff des um die Thermoplastplatte gespritzten Rahmenteils kann derart auf den Kunststoff der Thermoplastplatte abgestimmt sein, dass sich eine feste stoffschlüssige Verbindung ergibt. Die elektrochemischen Zellen sind entweder in Fächern, die sich aus jeweils zwei aneinander angeordneten Batteriezellrahmen ergeben, eingesetzt oder sie werden an den Batteriezellrahmen festgelegt, z.B. durch Verkleben. Weiter können die Batteriezellrahmen an Tragschienen des Batteriegehäuses angeordnet sein und/oder sie sind durch Zuganker, die durch die Rahmenteile geführt sind, miteinander verspannt.According to the invention it is provided that the frame filling is formed by a thermoplastic plate, which is encapsulated in the edge region at least partially to form the frame part. Such an insert for the frame filling taken from a plate or a foil can be provided in a thin wall thickness, so that the wall thickness of the frame filling can be reduced in relation to a frame filling injected in one piece with the frame part. In addition to a reduced height thus made possible thereby also reduces the weight of the individual battery cell frame, which can be saved in the construction of sometimes several hundred cells and cell frame in a traction battery several centimeters in length and kilograms in weight. The thermoplastic sheet may be formed of a polypropylene (PP), polyethylene (PE), polyethylene terephthalate (PET) or other thermoplastic, and may be unreinforced or reinforced. The elastically yielding thermoplastic plate has good damping properties in order to dampen the movements of the cells within the battery which occur during driving, while the overmolded frame part can be designed to be particularly strong and stiff. Furthermore, the prefabricated thermoplastic plate, which is preferably cut or punched out of an endlessly produced film, guarantees a hole-free surface, which moreover can be made particularly smooth, so that the cell is not damaged in the case of possible relative movements between the cell and the frame filling. By using prefabricated thermoplastic plates as inserts in the insert injection molding process, the overmolded frame part of the battery cell frame can be made larger in wall thickness, without, for example, distortion occurring having a negative effect on the flatness behavior. It is irrelevant in which dimensions the battery cell frame is to be manufactured, so that the battery cell frames are readily scalable to larger cell dimensions. The plastic of the sprayed around the thermoplastic plate frame part can be matched to the plastic of the thermoplastic plate that results in a solid cohesive connection. The Electrochemical cells are either in subjects that result from two juxtaposed battery cell frame, used or they are fixed to the battery cell frame, for example by gluing. Further, the battery cell frame can be arranged on mounting rails of the battery housing and / or they are tensioned together by tie rods, which are guided by the frame parts.
In bevorzugter Weise besteht die Thermoplastplatte aus einem verstärkten Kunststoff. Die Festigkeitswerte und insbesondere die Verwindungssteifigkeit sind dadurch verbessert. Als Verstärkung können Fasern und/oder Bändchen, insbesondere endlos in der Thermoplastplatte vorliegen.Preferably, the thermoplastic sheet is made of a reinforced plastic. The strength values and in particular the torsional rigidity are thereby improved. As reinforcement, fibers and / or tapes, in particular endlessly present in the thermoplastic sheet.
Bevorzugt wird eine eigenverstärkte Thermoplastplatte als Rahmenfüllung verwendet, bei der vorzugsweise endlose, thermoplastische Fasern oder Bändchen in einer materialidentischen Matrix eingesetzt sind. Das Gewicht kann dadurch im Vergleich zu fremdfaserverstärktem Material, beispielsweise einer Glasfaserverstärkung nochmals verringert werden. Außerdem ist bei eigenverstärkten Thermoplasten, wie z.B. aus Polypropylen oder Polyethylen, ein Splittern auch bei niedrigsten Temperaturen praktisch ausgeschlossen, was bei einem sicherheitsrelevanten Bauteil wie der Batterie von Vorteil ist. Ein weiterer Vorteil der mit Endlosbändchen eigenverstärkten Thermoplastplatte ist ihre glatte Oberfläche ohne vorstehende Faserenden, die die Außenfolie der elektrochemischen Zellen beschädigen könnten.Preferably, a self-reinforced thermoplastic sheet is used as a frame filling, in which preferably endless thermoplastic fibers or ribbons are used in a material-identical matrix. The weight can thereby be further reduced compared to foreign fiber reinforced material, such as a glass fiber reinforcement. In addition, in self-reinforced thermoplastics, such as e.g. made of polypropylene or polyethylene, splintering even at lowest temperatures virtually impossible, which is in a safety-related component such as the battery of advantage. Another advantage of the self-reinforced thermoplastic ribbon is its smooth surface with no protruding fiber ends that could damage the outer foil of the electrochemical cells.
Bevorzugt besteht die Verstärkung der eigenverstärkten Thermoplastplatte aus mehreren übereinanderliegenden Gewebelagen aus vorzugsweise bidirektional verlegten Endlosbändchen, die zumindest monoaxial gereckt sind. Durch das Recken richten sich aus mikroskopischer Sicht die Molekülketten aus, wodurch sich die makroskopischen Materialeigenschaften hinsichtlich Festigkeit, Elastizitätsmodul, Temperaturbeständigkeit und Schwindung verbessern. Durch eine biaxiale Reckung in Verbindung mit der bidirektionalen Verlegung der Endlosbändchen werden die richtungsabhängigen Materialeigenschaften vergleichmäßigt. Bevorzugt weist die verstärkte Thermoplastplatte eine Plattendicke zwischen 0,2 mm und 1,0 mm, vorzugsweise zwischen 0,35 mm und 0,66 mm auf.The reinforcement of the self-reinforced thermoplastic sheet preferably consists of a plurality of superimposed woven layers of preferably bidirectionally laid endless strips, which are stretched at least monoaxially. By stretching, the molecular chains align from a microscopic point of view, which improves the macroscopic material properties in terms of strength, modulus of elasticity, temperature resistance and shrinkage. By a biaxial stretching in conjunction with the bidirectional laying of the endless ribbon, the directional material properties are made uniform. Preferably, the reinforced thermoplastic sheet has a plate thickness between 0.2 mm and 1.0 mm, preferably between 0.35 mm and 0.66 mm.
Bevorzugt sind die nicht umspritzten, freiliegenden Kanten der Thermoplastplatte zumindest bereichsweise geglättet, indem gegebenenfalls abstehende Fasern oder andere Unregelmäßigkeiten an der Schnitt- bzw. Stanzkante beispielsweise durch einen Prägevorgang und/oder eine Wärmebehandlung vor, während oder nach dem Spritzgießen des Rahmenteils eingeebnet werden. Hierdurch wird eine Beschädigung der Zellen vermieden und außerdem eine einwandfreie Anlage der geglätteten Kante an einem Temperierelement der Batterie ermöglicht.Preferably, the unvarnished, exposed edges of the thermoplastic sheet are at least partially smoothed by any protruding fibers or other irregularities at the cutting or punching edge are leveled for example by an embossing process and / or a heat treatment before, during or after the injection molding of the frame part. As a result, damage to the cells is avoided and also allows proper installation of the smoothed edge on a tempering of the battery.
Zur Erhöhung des Flammschutzes, der Durchschlagfestigkeit und/oder der thermischen Leitfähigkeit können der vorzugsweise elektrisch isolierenden Thermoplastplatte entsprechende Additive beigemischt sein.To increase the flame retardancy, the dielectric strength and / or the thermal conductivity of the preferably electrically insulating thermoplastic plate corresponding additives may be added.
Bevorzugt im Randbereich der Thermoplastplatte eingebrachte Ausnehmungen können für eine einwandfreie Positionierung der Thermoplastplatte beim Insert-Spritzgießen genutzt werden. Über entsprechend ausgeformte Ausnehmungen kann außerdem zusätzlich zur stoffschlüssigen eine formschlüssige Verbindung der Thermoplastplatte mit dem umspritzten Rahmenteil erzielt werden.Preferably recesses introduced in the edge region of the thermoplastic plate can be used for a perfect positioning of the thermoplastic plate in insert molding. About correspondingly shaped recesses can also be achieved in addition to the cohesive a positive connection of the thermoplastic plate with the overmolded frame part.
Mit dem Vorteil einer verbesserten Aussteifung des Batteriezellrahmens kann die Thermoplastplatte mit sickenförmigen Aussteifungen versehen sein. Bevorzugt weist die Thermoplastplatte eine durch Thermoformen gebildete Profilierung und/oder Abkantungen auf. Hierdurch können an dem Batteriezellrahmen benötigte Rahmenbereiche bereits an der vorgefertigten Thermoplastplatte geschaffen werden, sodass diese dann nicht mehr angespritzt werden müssen.With the advantage of improved stiffening of the battery cell frame, the thermoplastic plate can be provided with bead-shaped stiffeners. The thermoplastic sheet preferably has a profiling and / or bends formed by thermoforming. As a result, frame areas required on the battery cell frame can already be created on the prefabricated thermoplastic plate, so that they no longer have to be molded on.
Mit den Vorteilen einer festeren stoffschlüssigen Verbindung und verbesserter Rezyklierbarkeit kann das umspritzte Kunststoffmaterial des Rahmenteils identisch zum Material der Thermoplastplatte sein. Bevorzugt ist das umspritzte Kunststoffmaterial des Rahmenteils faserverstärkt, vorzugsweise glasfaserverstärkt, mit einem Faseranteil größer oder gleich 30%, vorzugsweise größer oder gleich 50%. Hierdurch kann ein besonders fester und steifer Rahmenteil geschaffen werden.With the advantages of a stronger cohesive connection and improved recyclability, the overmolded plastic material of the frame part can be identical to the material of the thermoplastic sheet. Preferably, the overmolded plastic material of the frame part is fiber-reinforced, preferably glass fiber reinforced, with a fiber content greater than or equal to 30%, preferably greater than or equal to 50%. As a result, a particularly solid and rigid frame part can be created.
Weitere Vorteile und Einzelheiten der Erfindung sind der nachfolgenden Figurenbeschreibung zu entnehmen. Einzelne technische Merkmale der nachfolgend beschriebenen Ausführungsbeispiele können auch in Kombination mit vorbeschriebenen Ausführungsbeispielen sowie den Merkmalen der unabhängigen Ansprüche und etwaiger weiterer Ansprüche zu erfindungsgemäßen Gegenständen kombiniert werden. Sofern sinnvoll, werden funktionell gleichwirkende Elemente mit identischen Bezugsziffern versehen. Es zeigen
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1 einen erfindungsgemäßen Batteriezellrahmen zur Aufnahme einer elektrochemischen Zelle; -
2 eine Thermoplastplatte als Einlegeteil für die Rahmenfüllung des Batteriezellrahmens; -
3 ein Detail von der Thermoplastplatte.
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1 a battery cell frame according to the invention for receiving an electrochemical cell; -
2 a thermoplastic plate as an insert for the frame filling of the battery cell frame; -
3 a detail of the thermoplastic sheet.
Die
Erfindungsgemäß ist die Rahmenfüllung
Wie aus
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Also Published As
| Publication number | Publication date |
|---|---|
| WO2019115006A1 (en) | 2019-06-20 |
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