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DE102024111916A1 - Clamping element in a battery module, method for constructing a battery module and battery module - Google Patents

Clamping element in a battery module, method for constructing a battery module and battery module

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DE102024111916A1
DE102024111916A1 DE102024111916.0A DE102024111916A DE102024111916A1 DE 102024111916 A1 DE102024111916 A1 DE 102024111916A1 DE 102024111916 A DE102024111916 A DE 102024111916A DE 102024111916 A1 DE102024111916 A1 DE 102024111916A1
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DE
Germany
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clamping element
battery module
battery cells
housing
voltage
Prior art date
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Application number
DE102024111916.0A
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German (de)
Inventor
Dominik Grass
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Dr Ing HCF Porsche AG
Original Assignee
Dr Ing HCF Porsche AG
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Publication date
Application filed by Dr Ing HCF Porsche AG filed Critical Dr Ing HCF Porsche AG
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Abstract

Die Erfindung betrifft ein Verspannelement in einem Batteriemodul und ein Verfahren zum Aufbau eines Batteriemoduls, insbesondere in einem Kraftfahrzeug. Die Erfindung betrifft weiterhin ein Batteriemodul mit einem erfindungsgemäßen Verspannelement. Das erfindungsgemäße Verspannelement (10) weist eine verformbare Hülle auf und ein elektromechanisches Material auf, welches in der Hülle angeordnet ist und dazu ausgebildet ist, sein Volumen zu vergrößern, wenn eine elektrische Spannung an das Material angelegt wird und die Volumenänderung beibehält, wenn es anschließend von der elektrischen Spannung getrennt wird. The invention relates to a clamping element in a battery module and a method for constructing a battery module, particularly in a motor vehicle. The invention further relates to a battery module with a clamping element according to the invention. The clamping element (10) according to the invention has a deformable shell and an electromechanical material arranged in the shell, which is configured to increase its volume when an electrical voltage is applied to the material and to retain the volume change when it is subsequently disconnected from the electrical voltage.

Description

Die Erfindung betrifft ein Verspannelement in einem Batteriemodul und ein Verfahren zum Aufbau eines Batteriemoduls, insbesondere in einem Kraftfahrzeug. Die Erfindung betrifft weiterhin ein Batteriemodul mit einem erfindungsgemäßen Verspannelement.The invention relates to a clamping element in a battery module and a method for constructing a battery module, particularly in a motor vehicle. The invention further relates to a battery module with a clamping element according to the invention.

Batteriemodule von Hochvoltbatterien, wie sie beispielsweise in Kraftfahrzeugen mit einem zumindest teilelektrifizierten Antriebsstrang eingesetzt werden, weisen eine Vielzahl einzelner Batteriezellen auf. Diese sind insbesondere in Form von Pouchzellen flach ausgebildet und in den Batteriemodulen parallel nebeneinander angeordnet und im Batteriegehäuse befestigt. Um eine Bewegung der Batteriezellen während des Betriebs auszuschließen, werden die Zellen in dem Gehäuse üblicherweise in der Richtung, in der sie nebeneinander angeordnet sind, verspannt. Die Verspannung wird beispielsweise über ein Verspannelement sichergestellt, welches in einem zusammengedrückten Zustand angeordnet werden muss und sich anschließend ausdehnt und dabei die Verspannung der Batteriezellen sicherstellt.Battery modules for high-voltage batteries, such as those used in vehicles with at least a partially electrified powertrain, contain numerous individual battery cells. These cells, typically pouch cells, are flat and arranged parallel to each other within the battery modules, then secured in the battery housing. To prevent movement of the battery cells during operation, they are usually clamped in the housing in the direction in which they are arranged. This clamping is achieved, for example, by a clamping element, which must be compressed and then expands, thereby securing the clamping of the battery cells.

Die Anordnung derartiger Verspannelemente stellt dabei eine Herausforderung dar. Die Batteriezellen bzw. zu Zellstacks vormontierte Einheiten werden in Gehäusewannen, beispielsweise aus Strangpressprofilen, mit starren Wänden eingeschoben und dort fixiert. Dabei ist die Montage der Verspannelemente, insbesondere wenn sie rein mechanisch funktionieren, problematisch, da diese im kompakten bzw. komprimierten Zustand eingesetzt werden müssen und sich erst ausdehnen und die Verspannung erzeugen dürfen, wenn sie sich in Ihrer Endposition befinden.The arrangement of such clamping elements presents a challenge. The battery cells, or units pre-assembled into cell stacks, are inserted into housing trays, for example made of extruded profiles, with rigid walls and fixed in place. The installation of the clamping elements, especially if they function purely mechanically, is problematic because they must be installed in a compact or compressed state and may only expand and generate the clamping force once they are in their final position.

Aus dem Dokument DE 10 2021 210 340 A1 ist eine Batterieanordnung mit Volumenausgleichselementen bekannt, die zwischen den Batteriezellen und einer Verspannplatte positioniert sind. Diese Elemente bestehen aus einem funktionalisierten Polymermaterial, das seine Form und/oder Größe in der Stapelrichtung ändern kann, wenn elektrische Spannung angelegt wird. Die Volumenausgleichselemente können entweder thermisch durch Wärmeeinwirkung oder elektrisch extern angesteuert werden, um eine mechanische Vorspannung zu gewährleisten, welche je nach Einstellung der Spannung an das Swellverhalten der Zellen angepasst werden kann.From the document DE 10 2021 210 340 A1 A battery arrangement is known with volume compensation elements positioned between the battery cells and a clamping plate. These elements consist of a functionalized polymer material that can change its shape and/or size in the stacking direction when an electrical voltage is applied. The volume compensation elements can be controlled either thermally by heat or externally by electrical means to ensure a mechanical preload, which can be adapted to the swell behavior of the cells depending on the voltage setting.

Dokument CN 116 130 857 A beschreibt eine Batterie, die mit einer Gruppe von piezoelektrischen Strukturen ausgestattet ist, die auf mindestens einer Seite der Batteriezelle angeordnet sind. Diese piezoelektrischen Strukturen sind in der Lage, mechanische Energie und elektrische Energie umzuwandeln und eine Kompressionsverformung unter dem Einfluss eines elektrischen Feldes zu erzeugen. Zusätzlich enthält die Batterie ein Spannungserfassungselement, das elektrisch mit der Steuerung und der piezoelektrischen Struktur verbunden ist.document CN 116 130 857 A This describes a battery equipped with a group of piezoelectric structures arranged on at least one side of the battery cell. These piezoelectric structures are capable of converting mechanical and electrical energy and generating compression deformation under the influence of an electric field. Additionally, the battery contains a voltage sensing element that is electrically connected to the controller and the piezoelectric structure.

Dokument DE 10 2009 028 986 A1 beschreibt ein Verfahren zur Druckanwendung auf eine Batterie mittels eines elektromechanischen Piezo-Druckerzeugungsmittels. Durch Anlegen einer ausreichenden Spannung ändert das Piezo-Druckerzeugungsmittel seine Form, was wiederum eine Variation der auf die Batterie ausgeübten Druckkraft ermöglicht. Dokument US 2020 / 0243832 A1 beschreibt einen Dichtstoffspender, der elektromechanisch betätigt wird, um die Position einer Düse zu verändern. Dokument DE 10 2014 212 113 A1 beschreibt ein Verspannmittel, dessen Spannkraft durch eine Änderung seiner Geometrie angepasst werden kann. Je nach Ausgestaltung des Verspannmittels kann somit eine variable Spannkraft ausgeübt werden.document DE 10 2009 028 986 A1 This document describes a method for applying pressure to a battery using an electromechanical piezoelectric pressure-generating device. By applying a sufficient voltage, the piezoelectric pressure-generating device changes its shape, which in turn allows for variation of the pressure force exerted on the battery. US 2020 / 0243832 A1 Describes a sealant dispenser that is electromechanically actuated to change the position of a nozzle. Document DE 10 2014 212 113 A1 This describes a clamping device whose clamping force can be adjusted by changing its geometry. Depending on the design of the clamping device, a variable clamping force can thus be exerted.

Vor dem geschilderten Hintergrund des Stands der Technik ist es Aufgabe der vorliegenden Erfindung ein Verspannelement in einem Batteriemodul bereitzustellen, anhand dessen eine Verspannung der Batteriezellen im Batteriemodul umgesetzt werden kann und welches insbesondere einfach in einem Batteriemodul montiert werden kann. Ebenso ist es Aufgabe der vorliegenden Erfindung ein Verfahren zur Herstellung eines Batteriemoduls bereitzustellen und ein entsprechendes Batteriemodul bereitzustellen.Against the background of the prior art described above, the object of the present invention is to provide a clamping element in a battery module by means of which clamping of the battery cells in the battery module can be implemented and which can be easily installed in a battery module. It is also an object of the present invention to provide a method for manufacturing a battery module and to provide a corresponding battery module.

Diese Aufgabe wird durch die Gegenstände der unabhängigen Ansprüche gelöst. Vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung sind in den Unteransprüchen offenbart. This problem is solved by the subject matter of the independent claims. Advantageous embodiments of the invention are disclosed in the dependent claims.

Das erfindungsgemäße Verspannelement in einem Batteriemodul weist eine verformbare Hülle auf und ein elektromechanisches Material auf, welches in der Hülle angeordnet ist und dazu ausgebildet ist, sein Volumen zu vergrößern, wenn eine elektrische Spannung an das Material angelegt wird und die Volumenänderung beibehält, wenn es anschließend von der elektrischen Spannung getrennt wird. Ein derartiges Verhalten kann auch als irreversibles Swelling bezeichnet werden und kommt beispielsweise bei Pouchzellen durch verschiedene chemische Reaktionen vor. Es entsteht dabei durch die Bildung einer Feststoff-Elektrolyt-Grenzphase auf einer Anode einer Lithium-Ionen-Zelle, sobald diese geladen wird. Das Verspannelement kann somit ähnlich wie eine Pouchzelle an sich ausgebildet sein, allerdings, insbesondere im Hinblick auf das verwendete Elektrolyt und die Anode, darauf optimiert, sich möglichst schnell auszudehnen und das irreversible Swelling, welches bei Pouchzellen üblicherweise ein ungewünschter Nebeneffekt ist, hier gezielt herzustellen, indem schnell eine dicke Feststoff-Elektrolyt-Grenzphase, sog. SEI-Schicht, ausgebildet wird.The clamping element according to the invention in a battery module has a deformable shell and an electromechanical material arranged within the shell. This material is designed to expand when an electrical voltage is applied to it and to retain this volume change when the electrical voltage is subsequently removed. Such behavior can also be described as irreversible swelling and occurs, for example, in pouch cells due to various chemical reactions. It arises from the formation of a solid-electrolyte interface on the anode of a lithium-ion cell as soon as it is charged. The clamping element can thus be designed similarly to a pouch cell itself, but, particularly with regard to the electrolyte and the anode used, it is optimized to expand as quickly as possible and to prevent irreversible swelling. Swelling, which is usually an undesirable side effect in pouch cells, can be deliberately produced here by quickly forming a thick solid-electrolyte interface phase, the so-called SEI layer.

Als verformbare Hülle ist eine Hülle zu verstehen, die derart ausgelegt ist, dass eine durch das elektromechanische Material ausgeübte Kraft ausreichend ist, um eine Verformung oder Hülle zu erreichen. Die Verformung ist dabei vorzugsweise elastisch, dennoch sind auch Ausführungsformen denkbar, in denen die Hülle plastisch durch die Kraft des elektromechanischen Materials verformt werden kann.A deformable shell is understood to be a shell designed such that a force exerted by the electromechanical material is sufficient to achieve deformation or a shell shape. The deformation is preferably elastic; however, embodiments are also conceivable in which the shell can be plastically deformed by the force of the electromechanical material.

Als elektromechanisches Material ist im Rahmen der Anmeldung ein Material zu verstehen, welches die Eigenschaft besitzt sein Volumen zu vergrößern, wenn eine elektrische Spannung an das Material angelegt wird. Das Material kann dabei gelförmig, flüssig, fest oder eine Kombination unterschiedlicher Aggregatszustände aufweisen. Ebenfalls ist es denkbar, dass es unterschiedliche geometrische Anordnungen, wie beispielsweise Schichtanordnungen, unterschiedlicher Stoffe mit insbesondere unterschiedlichen Aggregatszuständen aufweist. Dabei ist es ebenfalls denkbar, dass sich der Aggregatszustand bei Anlegen einer elektrischen Spannung zumindest eines Teils des Materials und zumindest abschnittsweise ändert.For the purposes of this application, an electromechanical material is defined as a material that has the property of increasing its volume when an electrical voltage is applied to it. The material can be gel-like, liquid, solid, or a combination of different states of matter. It is also conceivable that it exhibits different geometric arrangements, such as layered arrangements, of different substances, particularly those with different states of matter. Furthermore, it is conceivable that the state of matter changes when an electrical voltage is applied to at least part of the material, and at least section by section.

Das erfindungsgemäße Verspannelement kann somit einfach montiert werden und eine Verspannung der Batteriezellen durch das Anlegen einer elektrischen Spannung an das Verspannelement unproblematisch erzielt werden. Dabei kann das Verspannelement derart ausgebildet sein, dass es im dekomprimierten Zustand, also in dem Zustand, in dem bereits eine elektrische Spannung angelegt wurde, elastisch ist, um ein Zellswelling von Batteriezellen aufzunehmen. Doch auch ausführungsformen mit einer unelastischen harten Oberfläche des Verspannelements sind denkbar, falls zwischen den Batteriezellen weiterhin elastische Kompressionspads angeordnet sind, welche das Zellswelling aufnehmen können.The clamping element according to the invention can thus be easily mounted, and clamping of the battery cells can be achieved without difficulty by applying an electrical voltage to the clamping element. The clamping element can be designed such that it is elastic in the decompressed state, i.e., in the state in which an electrical voltage has already been applied, in order to accommodate cell swelling of the battery cells. However, embodiments with an inelastic, hard surface of the clamping element are also conceivable if elastic compression pads are also arranged between the battery cells, which can accommodate the cell swelling.

Das Verspannelement weist vorzugsweise eine flächige Grundform auf. Darunter ist zu verstehen, dass die Form des Verspannelements flach ist. Eine Dicke des Verspannelements ist damit insbesondere um ein Vielfaches geringer als die beiden anderen Erstreckungsrichtungen, nämlich die Höhe und die Breite. Eine flächige Grundform ermöglicht eine einfache und platzsparende Anordnung des Verspannelements neben den Batteriezellen.The clamping element preferably has a flat shape. This means that the clamping element is flat. Its thickness is therefore significantly less than its other two dimensions, namely its height and width. A flat shape allows for simple and space-saving placement of the clamping element next to the battery cells.

In einer vorteilhaften Ausführungsform der Erfindung ist die Hülle dazu ausgebildet, dass eine Volumenänderung des elektromechanischen Materials ausschließlich zu einer Erhöhung einer Dicke des Verspannelements führt. Die Dicke ist dabei diejenige Dimension des Verspannelements, in welche das Verspannelement die Verspannung der Batteriezellen erzeugen soll. Durch eine derartige Ausführungsform kann die Richtung, in welche eine Verspannung mittels des Verspannelements möglich ist durch die Hülle definiert werden, während das elektromechanische Material ungerichtet expandieren kann. Alternativ oder zusätzlich dazu kann das elektromechanische Material derart angeordnet und ausgebildet sein, dass eine Volumenänderung des elektromechanischen Materials ausschließlich zu einer Erhöhung der Dicke des Verspannelements führt. Dies kann beispielsweise über ein speziell geschichtetes elektromechanisches Material erzielt werden. Auch durch eine derartige Ausführungsform des elektromechanischen Materials ist der Vorteil einer gerichteten Expansion des Volumens des Verspannelements möglich.In an advantageous embodiment of the invention, the casing is configured such that a change in the volume of the electromechanical material leads exclusively to an increase in the thickness of the clamping element. This thickness is the dimension of the clamping element in which it is intended to generate the clamping force on the battery cells. With this embodiment, the direction in which clamping is possible using the clamping element can be defined by the casing, while the electromechanical material can expand in an undirected manner. Alternatively or additionally, the electromechanical material can be arranged and configured such that a change in its volume leads exclusively to an increase in the thickness of the clamping element. This can be achieved, for example, by means of a specially layered electromechanical material. This embodiment of the electromechanical material also provides the advantage of a directed expansion of the clamping element's volume.

In einer weiteren vorteilhaften Ausführungsform der Erfindung ist das Verspannelement aus mehreren einzelnen Abschnitten gebildet, wobei wenigstens einer dieser Abschnitte die verformbare Hülle aufweist, in der das elektromechanische Material angeordnet ist. Auf diese Weise sind Ausführungsformen möglich, bei denen das Verspannelement nicht vollflächig mit der angrenzenden Batteriezelle in Kontakt steht, sondern lediglich abschnittsweise. Zwischen den Abschnitten kann dabei beispielsweise Platz für ein Kühlkanal zur Kühlung der Batteriezelle vorgesehen werden.In a further advantageous embodiment of the invention, the clamping element is formed from several individual sections, at least one of which comprises the deformable shell in which the electromechanical material is arranged. In this way, embodiments are possible in which the clamping element is not in full contact with the adjacent battery cell, but only in sections. Space can be provided between the sections, for example, for a cooling channel to cool the battery cell.

Insbesondere bevorzugt sind derartige Ausführungsformen, bei denen die einzelnen Abschnitte, welche die Hülle und das elektromechanische Material aufweisen, elektrisch miteinander verbunden sind. Dadurch benötigen die einzelnen Abschnitte zur Aktivierung der Verspannung keine eigenen elektrischen Anschlüsse. Das Anlegen der Spannung kann vielmehr durch lediglich einen elektrischen Anschluss (Spannungsanschluss) vorgenommen werden.Particularly preferred are embodiments in which the individual sections comprising the casing and the electromechanical material are electrically connected to one another. This eliminates the need for separate electrical connections for each section to activate the voltage. Instead, the voltage can be applied via a single electrical connection (voltage connection).

Das erfindungsgemäße Verfahren zum Aufbau eines Batteriemoduls weist zunächst den Schritt auf, in dem mehrere Batteriezellen nebeneinander in einem Gehäuse angeordnet werden. Weiterhin wird wenigstens ein erfindungsgemäßes Verspannelement vorzugsweise neben den Batteriezellen im Gehäuse angeordnet. Der Begriff „nebeneinander“ bezieht sich dabei auf eine Raumrichtung. Somit sind die Batteriezellen und das Verspannelement in einer vorteilhaften Ausführungsform in einer Raumrichtung nebeneinander, insbesondere parallel zueinander, angeordnet. Es sind jedoch auch Ausführungsformen denkbar, bei denen das Verspannelement nicht neben den Batteriezellen angeordnet ist, sondern senkrecht zu ihnen und sich dabei oberhalb oder unterhalb der Batteriezellen erstreckt. Dabei ist das Verspannelement senkrecht zu der Raumrichtung, in der die Batteriezellen nebeneinander angeordnet sind.The inventive method for constructing a battery module initially comprises the step of arranging several battery cells side by side in a housing. Furthermore, at least one clamping element according to the invention is preferably arranged next to the battery cells in the housing. The term "side by side" refers to a spatial direction. Thus, in an advantageous embodiment, the battery cells and the clamping element are arranged side by side in a spatial direction, in particular parallel to each other. However, embodiments are also conceivable in which the clamping element is not arranged next to the battery cells, but perpendicular to them. The clamping element extends above or below the battery cells. It is perpendicular to the spatial direction in which the battery cells are arranged side by side.

Ist die Anordnung der Batteriezellen und des wenigstens einen Verspannelements vollzogen, müssen diese miteinander verspannt werden. Dazu erfolgt in einem weiteren Verfahrensschritt das Anlegen einer elektrischen Spannung an das Verspannelement über Spannungsanschlüsse derart, dass das Verspannelement die Batteriezellen in dem Gehäuse verspannt. Bei einer bevorzugten Anordnung des Verspannelements und der Batteriezellen nebeneinander, erfolgt die Verspannung dabei in die Raumrichtung, in der die Batteriezellen nebeneinander angeordnet sind. Once the battery cells and at least one clamping element are arranged, they must be clamped together. In a further process step, an electrical voltage is applied to the clamping element via voltage terminals such that the clamping element clamps the battery cells within the housing. In a preferred arrangement of the clamping element and the battery cells side by side, the clamping occurs in the spatial direction in which the battery cells are arranged next to each other.

Anschließend wird die elektrische Spannung von dem Verspannelement weggenommen, sodass keine Spannung mehr an den Spannungsanschlüssen des Verspannelements anliegt. Die angelegte Spannung wird also auf 0 V reduziert. Insbesondere werden dabei die Spannungsanschlüsse, also die physische elektrische Verbindung zwischen Spannungsquelle und Verspannelement, entfernt.The electrical voltage is then removed from the clamping element, so that no voltage is present at the clamping element's voltage terminals. The applied voltage is thus reduced to 0 V. Specifically, the voltage terminals, i.e., the physical electrical connection between the voltage source and the clamping element, are removed.

Durch das erfindungsgemäße Verfahren ist es möglich, das Verspannelement in einem komprimierten Zustand einzulegen und durch das Anlegen der Spannung zu aktivieren, sodass die Verspannung erfolgt. Dies vereinfacht das Handling in der Montage. Nach Entfernung der Spannungsanschlüsse kann dann das Batteriegehäuse geschlossen werden. Da die Verspannung auch nach Wegnahme der Spannung aufrechterhalten wird, müssen keine Öffnungen im Gehäuse zum Durchleiten der Spannungsanschlüsse vorgesehen werden.The inventive method makes it possible to insert the clamping element in a compressed state and activate it by applying voltage, thus creating the clamping force. This simplifies handling during assembly. After removing the voltage connections, the battery housing can then be closed. Since the clamping force is maintained even after the voltage is removed, no openings need to be provided in the housing for the voltage connections.

In einer vorteilhaften Ausführungsform der Erfindung werden zwischen den nebeneinander angeordneten Batteriezellen Zwischenelemente wie beispielsweise Kühlelemente oder Kompressionspads oder einer Kombination aus beidem angeordnet.In an advantageous embodiment of the invention, intermediate elements such as cooling elements or compression pads or a combination of both are arranged between the adjacent battery cells.

Vorzugsweise wird das Verspannelement zwischen einer Gehäusewand des Gehäuses und einer der Batteriezellen angeordnet. Alternativ dazu wird das Verspannelement zwischen zwei Batteriezellen angeordnet.Preferably, the clamping element is arranged between a housing wall of the housing and one of the battery cells. Alternatively, the clamping element is arranged between two battery cells.

Das erfindungsgemäße Batteriemodul, insbesondere für ein Kraftfahrzeug, weist wenigstens ein erfindungsgemäßes Verspannelement auf.The battery module according to the invention, in particular for a motor vehicle, has at least one clamping element according to the invention.

Im Folgenden werden unter Bezugnahme auf die beigefügten Figuren vorteilhafte Aspekte und Ausführungsformen der Erfindung beschrieben. Die Figuren zeigen:

  • 1a zeigt ein erfindungsgemäßes Batteriemodul 1 in einem Zwischenstadium der Montage.
  • 1b zeigt das Batteriemodul 1 gemäß 1a fertig montiert.
Advantageous aspects and embodiments of the invention are described below with reference to the accompanying figures. The figures show:
  • 1a shows a battery module 1 according to the invention in an intermediate stage of assembly.
  • 1b The battery module 1 is shown according to 1a Fully assembled.

1a zeigt ein erfindungsgemäßes Batteriemodul 1 in einem Zwischenstadium der Montage. Das Batteriemodul 1 weist ein Gehäuse 30 auf, in dem Batteriezellen 20 parallel nebeneinander angeordnet sind. Das Gehäuse 30 ist dabei beispielsweise als rechteckiges Strangpressprofil ausgeführt, welches die Gehäusewände 31 bildet. Weiterhin ist ein erfindungsgemäßes Verspannelement 10 neben den Batteriezellen 20 parallel zu diesen angeordnet. Es weist dabei eine geringe Dicke auf, sodass zwischen Gehäusewand 31 und Verspannelement 10 in der Raumrichtung, in der die Batteriezellen 20 und das Verspannelement 10 nebeneinander angeordnet sind, ein Luftspalt 50 vorgesehen ist. Das Verspannelement 10 weist durch die geringe Dicke im Vergleich zu den anderen Dimensionen eine flächige Grundform auf. Der Luftspalt 50 ermöglicht eine einfache Anordnung der Batteriezellen 20 und des Verspannelements 10. Zwischen den Batteriezellen 20 können weiterhin Kompressionspads, Kühlelemente oder andere Zwischenelemente angeordnet sein. 1a Figure 1 shows a battery module 1 according to the invention in an intermediate stage of assembly. The battery module 1 has a housing 30 in which battery cells 20 are arranged parallel to one another. The housing 30 is, for example, designed as a rectangular extruded profile, which forms the housing walls 31. Furthermore, a clamping element 10 according to the invention is arranged parallel to the battery cells 20. It has a small thickness, so that an air gap 50 is provided between the housing wall 31 and the clamping element 10 in the spatial direction in which the battery cells 20 and the clamping element 10 are arranged side by side. Due to its small thickness compared to the other dimensions, the clamping element 10 has a flat basic shape. The air gap 50 enables a simple arrangement of the battery cells 20 and the clamping element 10. Compression pads, cooling elements, or other intermediate elements can also be arranged between the battery cells 20.

Das Verspannelement 10 ist über Spannungsanschlüsse 41 mit einer Spannungsquelle 40 verbunden, wobei allerdings im in 1a dargestellten Zustand keine Spannung an das Verspannelement 10 ist.The clamping element 10 is connected to a voltage source 40 via voltage terminals 41, however, in the 1a In the depicted state, there is no tension on the clamping element 10.

Das Verspannelement 10 weist eine Hülle auf, die insbesondere elastisch verformbar ist, wobei innerhalb der Hülle ein elektromechanisches Material (nicht dargestellt) angeordnet ist. Wird durch die Spannungsquelle 40 an das elektromechanische Material eine Spannung angelegt, werden elektrochemische Prozesse angestoßen, wodurch sich das Volumen des elektromechanischen Materials vergrößert. Durch die verformbare Hülle vergrößert sich dabei ebenfalls das Volumen des Verspannelements 10, und zwar In Form einer Vergrößerung der Dicke, wie in 1b dargestellt ist. Dadurch wird eine Verspannung der Batteriezellen 20 gegen das Verspannelement 10 und die Gehäusewände 31 hervorgerufen und der Luftspalt 50 verschwindet. Die Verspannung ist dabei in die Raumrichtung gerichtet, in der die Batteriezellen 20 nebeneinander angeordnet sind. Das Verspannelement 10 steht dabei in der gezeigten Ausführungsform vollflächig, also über seine gesamte Fläche, mit der Gehäusewand 31 und der anliegenden Batteriezelle 20 in Kontakt.The clamping element 10 has a shell that is particularly elastically deformable, with an electromechanical material (not shown) arranged inside the shell. When a voltage is applied to the electromechanical material by the voltage source 40, electrochemical processes are initiated, causing the volume of the electromechanical material to increase. The deformable shell also increases the volume of the clamping element 10, specifically in the form of an increase in thickness, as shown in 1b This is illustrated. This causes the battery cells 20 to be clamped against the clamping element 10 and the housing walls 31, and the air gap 50 disappears. The clamping force is directed in the spatial direction in which the battery cells 20 are arranged side by side. In the illustrated embodiment, the clamping element 10 is in full contact, i.e., across its entire surface, with the housing wall 31 and the adjacent battery cell 20.

Somit können die Batteriezellen 20 und das Verspannelement 10 zunächst komfortabel angeordnet werden und anschließend durch das Anlegen der Spannung verspannt werden. Sind die Batteriezellen 20 durch das Verspannelement 10 verspannt, sind sie in dem Gehäuse 30 fixiert. Durch die kontrollierte Aktivierung der Verspannung, kann die Montage des Batteriemoduls 1 deutlich vereinfacht werden.Thus, the battery cells 20 and the clamping element 10 can first be conveniently arranged and then secured by attaching the Tension is applied. Once the battery cells 20 are tensioned by the tensioning element 10, they are fixed in the housing 30. The controlled activation of the tension significantly simplifies the assembly of the battery module 1.

In der in den Figuren dargestellten Ausführungsform der Erfindung erfolgt die Verspannung zwischen Verspannelement 10 und der anliegenden Batteriezelle 20 wie ausgeführt vollflächig. Es sind jedoch ebenfalls Ausführungsformen der Erfindung denkbar, bei denen das Verspannelement 10 aus einzelnen Abschnitten ausgebildet ist, welche insbesondere miteinander elektrisch verbunden sind. Somit kann zwischen den Abschnitten beispielsweise eine Kühlstruktur zur Kühlung der Batteriezelle 20 vorgesehen werden. Der Kontakt wird also über die Fläche der angrenzenden Batteriezelle 20 immer wieder kurzzeitig unterbrochen.In the embodiment of the invention shown in the figures, the clamping between the clamping element 10 and the adjacent battery cell 20 is applied over the entire surface, as shown. However, embodiments of the invention are also conceivable in which the clamping element 10 is formed from individual sections, which are, in particular, electrically connected to one another. Thus, for example, a cooling structure for cooling the battery cell 20 can be provided between the sections. The contact is therefore repeatedly and briefly interrupted across the surface of the adjacent battery cell 20.

Das Verspannelement 10 ist vorzugsweise weiterhin im nichtkomprimierten Zustand flexibel bzw. elastisch, sodass ein Zellswelling der Batteriezellen 20 während des Betriebs aufgenommen werden kann. Nachdem Spannung an das Verspannelement 10 angelegt wurde und somit die Verspannung erzielt wurde, wird die angelegte Spannung wieder weggenommen und damit auf 0 V reduziert. Das elektrochemische Material des Verspannelements 10 ist dabei derart ausgebildet, dass die durch das Anlegen der Spannung erzeugte Volumenänderung des Verspannelements 10 auch nach Wegnahme der Spannung bzw. der Stromversorgung erhalten bleibt. Dadurch können die Spannungsanschlüsse 41 entfernt werden. Anschließend kann das Gehäuse 30 durch einen Deckel geschlossen werden, ohne dass Spannungsanschlüsse 41 aus dem Gehäuse 30 herausgeleitet werden müssen.The clamping element 10 preferably remains flexible or elastic in its uncompressed state, allowing it to accommodate cell swelling of the battery cells 20 during operation. After voltage is applied to the clamping element 10, thus achieving clamping, the applied voltage is removed, reducing it to 0 V. The electrochemical material of the clamping element 10 is designed such that the volume change of the clamping element 10 caused by the application of the voltage is retained even after the voltage or power supply is removed. This allows the voltage terminals 41 to be removed. Subsequently, the housing 30 can be closed with a cover without the need to extend the voltage terminals 41 out of the housing 30.

Es ist ebenso denkbar eine Verspannung der Batteriezellen 20 in dem Gehäuse 30 zu erzeugen, in dem das Verspannelement 10 beispielsweise in Zeichenebene der 1a und 1b oberhalb oder unterhalb der Batteriezellen 20 angeordnet ist. Dadurch wäre die Verspannrichtung, also in Richtung in die sich das Verspannelement 10 ausdehnt, senkrecht zu der Raumrichtung, in der die Batteriezellen 20 nebeneinander angeordnet werden. Die Verspannung erfolgt also entgegen dieser Raumrichtung und zwischen den in Zeichenebene der Figuren Gehäusewänden 31, die oberhalb und unterhalb der Batteriezellen 20 angeordnet sind. Allerdings kann in einer derartigen Ausführungsform das Verspannelement 20 kein Zellswelling der Batteriezellen 20 aufnehmen.It is also conceivable to create a tension between the battery cells 20 in the housing 30, in which the tensioning element 10 is, for example, in the drawing plane of the 1a and 1b The clamping element 10 is arranged above or below the battery cells 20. This would mean that the clamping direction, i.e., the direction in which the clamping element 10 extends, would be perpendicular to the spatial direction in which the battery cells 20 are arranged side by side. The clamping therefore occurs against this spatial direction and between the housing walls 31, which are arranged above and below the battery cells 20 in the plane of the figures. However, in such an embodiment, the clamping element 20 cannot accommodate cell swelling of the battery cells 20.

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Zitierte PatentliteraturCited patent literature

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Claims (10)

Verspannelement (10) für ein Batteriemodul (1) aufweisend, eine verformbare Hülle, und ein elektromechanisches Material, welches in der Hülle angeordnet ist und dazu ausgebildet ist, sein Volumen zu vergrößern, wenn eine elektrische Spannung an das Material angelegt wird und die Volumenänderung beibehält, wenn es anschließend von der elektrischen Spannung getrennt wird.comprising a clamping element (10) for a battery module (1), a deformable shell, and an electromechanical material arranged in the shell and designed to increase its volume when an electrical voltage is applied to the material and to retain the change in volume when it is subsequently disconnected from the electrical voltage. Verspannelement (10) gemäß dem vorhergehenden Anspruch, wobei die Hülle dazu ausgebildet ist, dass eine Volumenänderung des elektromechanischen Materials ausschließlich zu einer Erhöhung der Dicke des Verspannelements (10) führt.Clamping element (10) according to the preceding claim, wherein the casing is designed such that a change in volume of the electromechanical material leads exclusively to an increase in the thickness of the clamping element (10). Verspannelement (10) gemäß einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei das elektromechanische Material derart angeordnet und ausgebildet ist, dass eine Volumenänderung des elektromechanischen Materials ausschließlich zu einer Erhöhung der Dicke des Verspannelements (10) führt.Clamping element (10) according to one of the preceding claims, wherein the electromechanical material is arranged and designed such that a change in volume of the electromechanical material leads exclusively to an increase in the thickness of the clamping element (10). Verspannelement (10) gemäß einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei das Verspannelement (10) aus mehreren einzelnen Abschnitten gebildet ist, wobei wenigstens einer dieser Abschnitte die verformbare Hülle aufweist, in der das elektromechanische Material angeordnet ist.Clamping element (10) according to one of the preceding claims, wherein the clamping element (10) is formed from several individual sections, wherein at least one of these sections has the deformable shell in which the electromechanical material is arranged. Verspannelement (10) gemäß dem vorhergehenden Anspruch, wobei die einzelnen Abschnitte, welche die Hülle und das elektromechanische Material aufweisen, elektrisch miteinander verbunden sind.Clamping element (10) according to the preceding claim, wherein the individual sections comprising the casing and the electromechanical material are electrically connected to each other. Verfahren zum Aufbau eines Batteriemoduls (1) aufweisend die folgenden Schritte, (A) Anordnen von Batteriezellen (20) nebeneinander in einem Gehäuse (30), (B) Anordnen eines Verspannelements (10) gemäß einem der vorhergehenden Ansprüche in dem Gehäuse (30), (C) Anlegen einer elektrischen Spannung an das Verspannelement (10) über Spannungsanschlüsse (41) derart, dass das Verspannelement (10) die Batteriezellen (20) in dem Gehäuse (30) verspannt, (D) Wegnehmen der elektrischen Spannung von dem Verspannelement (10).A method for constructing a battery module (1) comprising the following steps: (A) Arranging battery cells (20) side by side in a housing (30), (B) Arranging a clamping element (10) according to one of the preceding claims in the housing (30), (C) Applying an electrical voltage to the clamping element (10) via voltage terminals (41) such that the clamping element (10) clamps the battery cells (20) in the housing (30), (D) Removing the electrical voltage from the clamping element (10). Verfahren gemäß dem vorhergehenden Anspruch, wobei zwischen den nebeneinander angeordneten Batteriezellen (20) Zwischenelemente angeordnet werden.Method according to the preceding claim, wherein intermediate elements are arranged between the battery cells (20) arranged side by side. Verfahren gemäß einem der beiden vorhergehenden Ansprüche, wobei das Verspannelement (10) zwischen einer Gehäusewand (31) des Gehäuses (30) und einer der Batteriezellen (20) angeordnet ist.Method according to one of the two preceding claims, wherein the clamping element (10) is arranged between a housing wall (31) of the housing (30) and one of the battery cells (20). Verfahren gemäß einem der vorhergehenden Ansprüche 6 bis 8, wobei das Wegnehmen der elektrischen Spannung von dem Verspannelement (10) das Entfernen der Spannungsanschlüsse (41) beinhaltet.procedure according to one of the preceding Claims 6 until 8 , wherein removing the electrical voltage from the clamping element (10) involves removing the voltage terminals (41). Batteriemodul (1), insbesondere für ein Kraftfahrzeug, aufweisend wenigstens ein Verspannelement (10) gemäß einem der vorhergehenden Ansprüche 1 bis 5.Battery module (1), in particular for a motor vehicle, comprising at least one clamping element (10) according to one of the preceding Claims 1 until 5 .
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