DE102019131200A1

DE102019131200A1 - Kraftfreies Batteriemodul für eine Traktionsbatterie, Verfahren zum Herstellen eines Batteriemoduls, Traktionsbatterie sowie elektrisch antreibbares Kraftfahrzeug

Info

Publication number: DE102019131200A1
Application number: DE102019131200.0A
Authority: DE
Inventors: Andre Heckert; Felix Laasch; Tuncay Idikurt; Danis Reydan
Original assignee: Bayerische Motoren Werke AG
Current assignee: Bayerische Motoren Werke AG
Priority date: 2019-11-19
Filing date: 2019-11-19
Publication date: 2021-05-20

Abstract

Die Erfindung betrifft ein Batteriemodul (1) für eine Traktionsbatterie eines elektrisch antreibbaren Kraftfahrzeugs, aufweisend:
- eine Vielzahl von entlang einer Stapelrichtung (S) zu einem Zellstapel (2) gestapelten prismatischen Batteriezellen (3), wobei die Batteriezellen (3) unter Ausbildung von Zwischenräumen (6) zum Zulassen einer Zellausdehnung beabstandet zueinander angeordnet sind, und
- einen den Zellstapel (2) umgebenden Zellmodulrahmen (7) zum Halten der Batteriezellen (3), wobei die Batteriezellen (3) zum Halten der Batteriezellen (3) in der beabstandeten Anordnung mit dem Zellmodulrahmen (7) mechanisch verbunden sind und die Zwischenräume (6) zwischen den Batteriezellen (3) ohne einen gegenständlichen Abstandshalter ausgebildet sind.
Die Erfindung betrifft außerdem ein Verfahren zum Herstellen eines Batteriemodule (1), eine Traktionsbatterie sowie ein Kraftfahrzeug.

Description

Die Erfindung betrifft ein Batteriemodul für eine Traktionsbatterie eines elektrisch antreibbaren Kraftfahrzeugs. Das Batteriemodul weist eine Vielzahl von entlang einer Stapelrichtung zu einem Zellstapel gestapelten prismatischen Batteriezellen auf, wobei die Batteriezellen unter Ausbildung von Zwischenräumen zum Zulassen einer Zellausdehnung beabstandet zueinander angeordnet sind. Außerdem weist das Batteriemodul einen den Zellstapel umgebenden Zellmodulrahmen zum Halten der Batteriezellen auf. Die Erfindung betrifft außerdem ein Verfahren zum Herstellen eines Batteriemoduls, eine Traktionsbatterie sowie ein elektrisch antreibbares Kraftfahrzeug.
Vorliegend richtet sich das Interesse auf Traktionsbatterien für elektrisch antreibbare Kraftfahrzeuge, also Hybrid- oder Elektrofahrzeuge. Solche Traktionsbatterien weisen üblicherweise mehrere miteinander verschaltete Batteriemodule bzw. Energiespeichermodule auf, welche jeweils mehrere miteinander verschaltete Batteriezellen bzw. Energiespeicherzellen aufweisen. Im Falle von prismatischen Batteriezellen sind diese zu Zellstapeln gestapelt. Um eine Ausdehnung bzw. Ausbauchung der Batteriezellen im Betrieb der Traktionsbatterie zu verhindern, sind die Batteriezellen mittels eines Zellmodulrahmens verpresst. Der Zellmodulrahmen weist zwei massive Druckplatten auf, zwischen welchen der Zellstapel angeordnet wird und welche zum Verpressen der Batteriezellen zusammengepresst werden. An den Druckplatten werden Zuganker befestigt, um die Druckplatten miteinander zu verbinden und dabei den verpressten Zustand der Batteriezellen aufrechtzuerhalten. Ein solches Batteriemodul weist aufgrund des Zellmodulrahmens mit den massiven Druckplatten ein hohes Gewicht auf.
Auch ist es bekannt, eine Ausdehnung der Batteriezellen im Batteriemodul zuzulassen. Dazu beschreibt beispielsweise die WO 2017 102 348 A1 ein Energiespeichermodul mit mehreren quaderartigen Energiespeicherzellen, die in einer Reihe hintereinander angeordnet und elektrisch miteinander verschaltet sind. Zwischen jeweils zwei aufeinander folgenden Energiespeicherzellen ist ein rahmenartiges Zwischenelement angeordnet, wodurch zwei aufeinander folgende Energiespeicherzellen voneinander beabstandet sind. Die Energiespeicherzellen sind also durch die beabstandete Anordnung kraftfrei gehalten. Jedoch weist ein solches Energiespeichermodul aufgrund der Zwischenelemente einen hohen Materialbedarf auf.
Es ist Aufgabe der vorliegenden Erfindung, ein besonders gewichts- und materialsparendes Batteriemodul für eine Traktionsbatterie eines Kraftfahrzeugs bereitzustellen.
Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß durch ein Batteriemodul, ein Verfahren, eine Traktionsbatterie sowie ein Kraftfahrzeug mit den Merkmalen gemäß den jeweiligen unabhängigen Patentansprüchen gelöst. Vorteilhafte Ausführungen der Erfindung sind Gegenstand der abhängigen Patentansprüche, der Beschreibung sowie der Figuren.
Ein erfindungsgemäßes Batteriemodul für eine Traktionsbatterie eines elektrisch antreibbaren Kraftfahrzeugs weist eine Vielzahl von entlang einer Stapelrichtung zu zumindest einem Zellstapel gestapelten prismatischen Batteriezellen auf, wobei die Batteriezellen unter Ausbildung von Zwischenräumen zum Zulassen einer Zellausdehnung beabstandet zueinander angeordnet sind. Das Batteriemodul weist außerdem einen den zumindest einen Zellstapel umgebenden Zellmodulrahmen zum Halten der Batteriezellen auf. Die Batteriezellen sind zum Halten der Batteriezellen in der beabstandeten Anordnung mit dem Zellmodulrahmen mechanisch verbunden, sodass die Zwischenräume zwischen den Batteriezellen ohne einen gegenständlichen Abstandshalter ausgebildet sind.
Zur Erfindung gehört außerdem ein Verfahren zum Herstellen eines erfindungsgemäßen Batteriemoduls. Bei dem Verfahren wird ein Montagehilfsmittel bereitgestellt, in welchem bzw. mittels welchem die Batteriezellen beabstandet zueinander angeordnet werden. Dann wird der Zellmodulrahmen an den in dem Montagehilfsmittel gehaltenen Batteriezellen angeordnet. Die Batteriezellen werden an dem Zellmodulrahmen befestigt und das Montagehilfsmittel wird entfernt, wobei die Batteriezellen durch die Befestigung an dem Zellmodulrahmen in der beabstandeten Anordnung zueinander verbleiben.
Die wiederaufladbaren Batteriezellen bzw. Akkumulatorzellen sind beispielsweise als Lithium-Ionen-Zellen ausgebildet. Die Batteriezellen sind prismatische Batteriezellen und weisen daher Zellgehäuse in Flachquaderbauweise auf. Die Zellgehäuse können beispielsweise aus Aluminium gebildet sein. Die Zellgehäuse weisen Gehäusewände in Form von einem rechteckförmigen Gehäuseboden, einem rechteckförmigen Gehäusedeckel und einem Gehäusemantel auf. Der Gehäusemantel ist durch eine Gehäusefrontwand, eine Gehäuserückwand und zwei Gehäuseseitenwände gebildet.. Die Gehäusefrontwand bildet eine frontseitige Breitseite, die Gehäuserückwand bildet eine rückseitige Breitseite und die Gehäuseseitenwände bilden zwei seitliche Schmalseiten gebildet. Die Gehäusewände können zumindest teilweise mit einer elektrisch isolierenden Schicht beschichtet sein, sodass Oberflächen der Breitseiten und/oder der Schmalseiten elektrisch isolierend ausgebildet sind
Die Batteriezellen werden dabei entlang der Stapelrichtung gespaltet. Dazu ist jeweils die fronseitige Breitseite einer Batteriezelle der rückseitigen Breitseite einer im Zellstapel davor angeordneten Batteriezelle zugewandt. Die einander zugewandten Breitseiten zweier benachbarter Batteriezellen berühren sich jedoch nicht, sondern sind unter Ausbildung eines Zwischenraumes beabstandet zueinander angeordnet. Die Zwischenräume sind dabei gasgefüllte, beispielsweise luftgefüllte Freiräume und werden durch die Breitseiten zweier benachbarter Batteriezellen begrenzt. Durch das beabstandete Anordnen wird eine betriebsbedingte und alterungsbedingte Zellausdehnung der Batteriezelle entlang der Stapelrichtung ermöglicht. Um die Batteriezellen beabstandet zueinander anordnen zu können, kann während der Montage das Montagehilfsmittel verwendet werden. Das Montagehilfsmittel kann beispielsweise ein kammartiges Montagehilfsmittel sein, welches eine Platte mit nach oben abstehenden Rippen aufweist. An der Platte zwischen zwei Rippen kann jeweils eine Batteriezelle angeordnet bzw. eingesetzt werden. So sind die Batteriezellen während der Montage beabstandet zueinander angeordnet, wobei jeweils eine Rippe einen temporären, während der Montage in dem Zwischenraum angeordneten Abstandshalter ausbildet.
Dann wird der Zellmodulrahmen an dem Zellstapel angeordnet. Der Zellmodulrahmen umgibt den Zellstapel rahmenartig und verläuft insbesondere entlang einer Frontseite, einer Rückseite und Seitenbereichen des Zellstapels. Die Frontseite des Zellstapels ist durch die frontseitige Breitseite einer ersten Batteriezelle im Zellstapel gebildet und die Rückseite des Zellstapels ist durch die rückseitige Breitseite einer letzten Batteriezelle des Zellstapels gebildet. Die Seitenbereiche weisen die Schmalseiten der Batteriezellen sowie die Zwischenräume auf. Die Batteriezellen werden an dem Zellmodulrahmen befestigt und somit in der durch das Montagehilfsmittel vorgegebenen Lage zueinander gehalten. Vorzugsweise werden die Batteriezellen mit dem Zellmodulrahmen stoffschlüssig verbunden, beispielsweise verklebt. Wenn nun das Montagehilfsmittel entfernt wird, so verbleiben die Batteriezellen aufgrund der mechanischen Verbindung mit dem Zellmodulrahmen in der beabstandeten Anordnung. In den Zwischenräumen zwischen den Batteriezellen des fertig montierten Batteriemoduls befinden sich nun keine gegenständlichen Abstandshalter mehr. Über eine gesamte Oberfläche einer Breitseite, welche durch die metallische Gehäusewand oder eine elektrisch isolierende Beschichtung, beispielweise eine Kunststofffolie, der metallischen Gehäusewand gebildet sein kann, ist also ein Zwischenraum direkt angrenzend angeordnet.
Durch das Befestigen der Batteriezellen an dem Zellmodulrahmen kann auf einfache und materialsparende Weise eine kraftfreie Anordnung der Batteriezellen im Batteriemodul, welche eine ungehinderte Ausdehnung der Batteriezellen entlang der Stapelrichtung erlaubt, bereitgestellt werden.
Dabei kann vorgesehen sein, dass der Zellmodulrahmen zwei einander gegenüberliegende, sich entlang der Stapelrichtung erstreckende erste Rahmenelemente aufweist, welche mit den Schmalseiten der Zellgehäuse der Batteriezellen verbunden sind. Die ersten Rahmenelemente sind aus einem starren bzw. steifen Material, beispielsweise einem Metall, gebildet und erstrecken sich entlang der Stapelrichtung an den einander gegenüberliegenden Seitenbereichen des Zellstapels. Dabei liegen die ersten Rahmenelemente an den Schmalseiten der Zellgehäuse der Batteriezellen an. Die Schmalseiten sind an den ersten Rahmenelementen befestigt, beispielsweise festgeklebt. Die Batteriezellen sind also seitlich über die ersten Rahmenelemente in der beabstandeten Anordnung fixiert.
Auch kann vorgesehen sein, dass der Zellmodulrahmen zwei sich in Stapelrichtung gegenüberliegende und parallel zu den Breitseiten erstreckende zweite Rahmenelemente aufweist, wobei das eine der zweiten Rahmenelemente beabstandet zu der frontseitigen Breitseite der ersten Batteriezelle in dem Zellstapel angeordnet ist und das andere der zweiten Rahmenelemente beabstandet zu der rückseitigen Breitseite der letzten Batteriezelle in dem Zellstapel angeordnet ist. Die zweiten Rahmenelemente sind ebenfalls aus einem starren Material gebildet und mit den ersten Rahmenelementen mechanisch verbunden, beispielsweise verschweißt. Die Rahmenelemente bilden also einen starren Zellmodulrahmen aus. Die zweiten Rahmenelemente sind frontal und rückseitig am Zellstapel und beabstandet zu den Breitseiten der ersten und letzten Batteriezelle im Zellstapel angeordnet. Es sind also Zwischenräume zwischen der frontseitigen Breitseite der ersten Batteriezelle und dem einen der zweiten Rahmenelemente sowie zwischen der rückseitigen Breitseite der letzten Batteriezelle sowie dem anderen der Rahmenelemente gebildet. So kann auch eine gleichmäßige Ausdehnung bzw. Ausbauchung der ersten und letzten Batteriezelle im Zellstapel gewährleistet werden.
Insbesondere sind die ersten und die zweiten Rahmenelemente streifenförmig ausgebildet. Die zweiten Rahmenelemente sind also nicht als schwere, massive Druckplatten ausgebildet, sondern können, wie die ersten Rahmenelemente, als streifenförmige Elemente ausgebildet sein. Beispielsweise können eine Materialdicke sowie eine Breite der streifenförmigen ersten Rahmenelemente gleich ausgebildet sein zu einer Materialdicke sowie einer Breite der zweiten Rahmenelemente. Ein solcher Zellmodulrahmen ist besonders leicht und materialsparend ausgebildet.
Die Erfindung betrifft außerdem eine Traktionsbatterie für ein elektrisch antreibbares Kraftfahrzeug mit zumindest einem erfindungsgemäßen Batteriemodul oder einer Ausführungsform davon. Ein elektrisch antreibbares Kraftfahrzeug umfasst eine erfindungsgemäße Traktionsbatterie. Das Kraftfahrzeug ist insbesondere als ein Personenkraftwagen ausgebildet.
Die mit Bezug auf das erfindungsgemäße Batteriemodul vorgestellten Ausführungsformen und deren Vorteile gelten entsprechend für das erfindungsgemäße Verfahren, für die erfindungsgemäße Traktionsbatterie sowie für das erfindungsgemäße Kraftfahrzeug.
Weitere Merkmale der Erfindung ergeben sich aus den Ansprüchen, den Figuren und der Figurenbeschreibung. Die vorstehend in der Beschreibung genannten Merkmale und Merkmalskombinationen sowie die nachfolgend in der Figurenbeschreibung genannten und/oder in den Figuren alleine gezeigten Merkmale und Merkmalskombinationen sind nicht nur in der jeweils angegebenen Kombination, sondern auch in anderen Kombinationen oder in Alleinstellung verwendbar.
Die Erfindung wird nun anhand eines bevorzugten Ausführungsbeispiels sowie unter Bezugnahme auf die Zeichnungen näher erläutert. Es zeigen:

1 eine schematische Darstellung eines Batteriemoduls in einer Draufsicht; und
2 das Batteriemodul gemäß 1 in einer Seitenansicht.

In den Figuren sind gleiche sowie funktionsgleiche Elemente mit den gleichen Bezugszeichen versehen.
1 und 2 zeigen ein Batteriemodul 1 für eine Traktionsbatterie eines elektrisch antreibbaren Kraftfahrzeugs. Das Batteriemodul 1 weist einen Zellstapel 2 mit prismatischen Batteriezellen 3 auf, welche entlang einer Stapelrichtung S hintereinander gestapelt sind. Die Batteriezellen 3 weisen flachquaderförmige Zellgehäuse 4 mit jeweils einem Gehäusedeckel 4a, einem Gehäuseboden 4b (siehe Seitenansicht des Batteriemoduls 1 gemäß 1), einer frontseitigen Breitseite 4c, einer rückseitigen Breitseite 4d und zwei Schmalseiten 4e, 4f auf. An dem Gehäusedeckel 4a sind Zellterminals 5 zum Verschalten der Batteriezellen 3 angeordnet. Die Batteriezellen 3 sind unter Ausbildung eines Zwischenraums 6 zwischen zwei benachbarten Batteriezellen 3 beabstandet zueinander angeordnet. In dem Zwischenraum 6 ist kein gegenständlicher Abstandshalter, sondern lediglich ein Gas, beispielsweise Luft, angeordnet.
Der Zellstapel 2 ist in einem Zellmodulrahmen 7 angeordnet. Der Zellmodulrahmen 7 weist zwei streifenförmige erste Rahmenelemente 7a, 7b auf, welche sich entlang der Stapelrichtung S erstrecken und anliegend an den Schmalseiten 4e, 4f der Zellgehäuse 4 der Batteriezellen 3 angeordnet sind. Außerdem weist der Zellmodulrahmen 7 hier zwei streifenförmige zweite Rahmenelemente 7c, 7d auf, welche unter Ausbildung von jeweiligen Zwischenräumen 6 beabstandet zu der frontseitigen Breitseite 4c der ersten Batteriezelle 3 und der rückseitigen Breitseite 4d der letzten Batteriezelle 3 angeordnet sind. Dadurch, dass angrenzend an jede Breitseite 4c, 4d der Batteriezellen 3 ein Zwischenraum 6 angeordnet ist, sind die Batteriezellen 3 kraftfrei gelagert und können sich, beispielsweise im Betrieb während des Ladens und Entladens, entlang der Stapelrichtung S ungehindert ausdehnen. Ein Abstand zweier Batteriezellen 3 zueinander und damit eine Breite des Zwischenraums 6 sind insbesondere so gewählt, dass sich die einander zugewandten Breitseiten 4c, 4d zweier benachbarter Batteriezellen 3 selbst bei maximaler Ausdehnung der Batteriezellen 3 nicht berühren. Um die Batteriezellen 3 in dieser zueinander beabstandeten, kraftfreien Anordnung zu halten, sind die Batteriezellen 3 mit dem Zellmodulrahmen 7 mechanisch verbunden. Dazu sind die Schmalseiten 4e, 4f der Zellgehäuse 4 insbesondere an die ersten Rahmenelemente 7a, 7b angeklebt.
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

WO 2017102348 A1 [0003]

Claims

Batteriemodul (1) für eine Traktionsbatterie eines elektrisch antreibbaren Kraftfahrzeugs, aufweisend: - eine Vielzahl von entlang einer Stapelrichtung (S) zu einem Zellstapel (2) gestapelten prismatischen Batteriezellen (3), wobei die Batteriezellen (3) unter Ausbildung von Zwischenräumen (6) zum Zulassen einer Zellausdehnung beabstandet zueinander angeordnet sind, und - einen den Zellstapel (2) umgebenden Zellmodulrahmen (7) zum Halten der Batteriezellen (3), dadurch gekennzeichnet, dass die Batteriezellen (3) zum Halten der Batteriezellen (3) in der beabstandeten Anordnung mit dem Zellmodulrahmen (7) mechanisch verbunden sind und die Zwischenräume (6) zwischen den Batteriezellen (3) ohne einen gegenständlichen Abstandshalter ausgebildet sind.
Batteriemodul (1) nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Batteriezellen (3) mit dem Zellmodulrahmen (7) stoffschlüssig verbunden sind.
Batteriemodul (1) nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass der Zellmodulrahmen (7) zwei einander gegenüberliegende, sich entlang der Stapelrichtung (S) erstreckende erste Rahmenelemente (7a, 7b) aufweist und Zellgehäuse (4) der Batteriezellen (3) jeweils zwei Breitseiten (4c, 4d), welche den Zwischenräumen (6) zugewandt sind, und zwei Schmalseiten (4e, 4f) aufweisen, welche den sich entlang der Stapelrichtung (S) erstreckenden ersten Rahmenelementen (7a, 7b) zugewandt sind und mit den ersten Rahmenelementen (7a, 7b) mechanisch verbunden sind.
Batteriemodul (1) nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass der Zellmodulrahmen (7) zwei sich in Stapelrichtung (S9 gegenüberliegende und parallel zu den Breitseiten (4c, 4d) der Zellgehäuse (4) erstreckende zweite Rahmenelemente (7c, 7d) aufweist, welche mit den ersten Rahmenelementen (7a, 7b) mechanisch verbunden sind, wobei das eine der zweiten Rahmenelemente (7c) beabstandet zu einer frontseitigen Breitseite (4c) einer ersten Batteriezelle (3) in dem Zellstapel (2) angeordnet ist und das andere der zweiten Rahmenelemente (7d) beabstandet zu einer rückseitigen Breitseite (4d) einer letzten Batteriezelle (3) in dem Zellstapel (2) angeordnet ist.
Batteriemodul (1) nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass die ersten und die zweiten Rahmenelemente (7a, 7b, 7c, 7d) streifenförmig ausgebildet sind.
Batteriemodul (1) nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass eine Materialdicke sowie eine Breite der streifenförmigen ersten Rahmenelemente (7a, 7b) gleich ausgebildet sind zu einer Materialdicke sowie einer Breite der zweiten Rahmenelemente (7c, 7d).
Verfahren zum Herstellen eines Batteriemoduls (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche mit den Schritten: - Bereitstellen eines Montagehilfsmittels, - Anordnen der Batteriezellen (3) beabstandet zueinander in dem Montagehilfsmittel, - Anordnen des Zellmodulrahmens (7) an den in dem Montagehilfsmittel gehaltenen Batteriezellen (3), - Befestigen der Batteriezellen (3) an dem Zellmodulrahmen (7), und - Entfernen des Montagehilfsmittels.
Traktionsbatterie für ein elektrisch antreibbares Kraftfahrzeug mit zumindest einem Batteriemodul (1) nach einem der Ansprüche 1 bis 6.
Elektrisch antreibbares Kraftfahrzeug mit einer Traktionsbatterie nach Anspruch 8.