-
Die Erfindung betrifft eine Batteriezellenanordnung mit einem Zelltrennelement zur Anordnung in einem Zwischenraum zwischen zwei Batteriezellen der Batteriezellenanordnung für ein Kraftfahrzeug, wobei das Zelltrennelement zumindest zum Teil elastisch deformierbar ausgebildet ist, und dazu ausgebildet ist, sich an eine durch ein Ausdehnen und/oder Zusammenziehen der Batteriezelle bedingte Änderung einer Geometrie des Zwischenraums anzugleichen. Des Weiteren betrifft die Erfindung auch ein Kraftfahrzeug.
-
Aus dem Stand der Technik sind Hochvolt-Batterien für Kraftfahrzeuge bekannt, in denen mehrere Batteriezellen entlang eines Zellstabes angeordnet sein können. Zwischen den Batteriezellen sind dabei typischerweise Zelltrennelemente angeordnet. Diese können plattenförmig ausgebildet sein und werden zum Beispiel auch als Swelling-Pads bezeichnet. Die Batteriezellen schwellen typischerweise beim Laden an und beim Entladen wieder ab, was auch als ladungsbedingtes Swelling bezeichnet wird. Die Zellen dehnen sich also aus und ziehen sich wieder zusammen. Dies ist typischerweise von einem alterungsbedingten Swelling überlagert, gemäß welchem sich die Batteriezellen im Laufe ihrer Lebensdauer ausdehnen. Außerdem dehnen sich Zellen auch bedingt durch Temperaturänderungen aus oder ziehen sich temperaturbedingt zusammen. Dieses Swelling der Batteriezellen oder im Allgemeinen diese Ausdehnen und Zusammenziehen muss durch solche Zelltrennelemente geeignet kompensiert werden. Weiterhin sind die Zellstapel typischerweise in einem Modulrahmen verspannt. Dieser weist an den Stirnseiten des Zellstapels jeweils eine Endplatte, auch Endplate genannt, auf, über welche eine Spannkraft in Richtung der Zellen aufgebracht wird. Die Swelling-Pads und die Endplates sind in der Regel als Federelemente aus metallischen Werkstoffen oder aus Kunststoff, zum Beispiel Gummi, oder Blech aufgebaut. Die Swelling-Pads werden dabei durch die schwellenden Batteriezellen üblicherweise im Volumen verdrängt. Dadurch entstehen in Stapelrichtung je nach Zustand des Swellings hohe Kräfte, damit das Maß des gesamten Zellmoduls in der Stapelrichtung gehalten werden kann und die Toleranzen zur Karosserie gehalten werden können. Die hohen Kräfte innerhalb eines Zellmoduls führen dazu, dass die Dauereigenschaften der Batteriezelle schlechter werden. Dies betrifft die elektrische Batteriezellenkapazität, die Dauerhaltbarkeit der Batteriezellen, selbst und die thermischen Eigenschaften der Batterie. Entsprechend wird bislang versucht, die von den Swelling-Pads erzeugten und auf die Zellen wirkenden Rückstellkräfte in ihrem Ausmaß zu begrenzen.
-
Beispielsweise beschreibt die
DE 10 2019 125 382 A1 eine Batterie mit einer Druckbegrenzungsvorrichtung. Dabei wird vorgeschlagen, die Zelltrennelemente so auszuführen, dass diese im erweiterten Verformungsbereich bei einem bestimmten Kraftniveau von rein elastischer in den Bereich der plastischen Verformung wechseln. Das Kraftniveau ist dabei so zu wählen, dass während der gesamten Lebensdauer der Batterie die für die Zellalterung kritische Belastung nicht auftritt. Realisiert wird dies durch die Ausführung der Zwischenschicht zwischen Zellen als dünnes Wellblech. Dieses ist derart gestaltet, dass die plastische Verformung vor Erreichen der kritischen Zellbelastung einsetzt.
-
Des Weiteren beschreibt auch die
WO 2019/076813 A1 eine elektrochemische Anordnung mit metallischen Separatorplatten. Die Separatorplatten weisen jeweils ein in die Separatorplatte eingeprägtes und über die jeweilige Plattenebene sich erhebendes Dichtelement auf, wobei sich die Dichtelemente der Separatorplatten zum Abdichten wenigstens der zwischen den Separatorplatten angeordneten elektrochemischen Zelle gegeneinander abstützen. Die Dichtelemente sind in Stapelrichtung elastisch verformbar, so dass ein Abstand der Plattenebenen der Separatorplatten voneinander durch eine elastische Stauchung wenigstens eines der Dichtelemente der Separatorplatten reversibel verringerbar ist. Dabei können die Dichtelemente so ausgebildet sein, dass eine Verringerung des Abstands der Separatorplatten voneinander auf einen bestimmten Wert eine irreversible plastische Stauchung bewirkt.
-
Durch die Kraftbegrenzung der durch Zelltrennelemente bereitgestellten Rückstellkräfte, die ein Ansteigen dieser über einen Grenzwert hinaus verhindert, lässt sich ein zu hoher Druck auf die Zellen vermeiden, sowie auch eine Beschädigung dieser, was deren Lebensdauer steigert. Nichtsdestoweniger wäre es wünschenswert, die Lebensdauer durch eine geeignete Gestaltung der Zelltrennelemente noch weiter steigern zu können.
-
Die US 2013 / 0164578 A1 beschreibt ein modulares Batteriemodul, das eine Vielzahl von im Wesentlichen identischen Kassetten, ein Chassis und ein Kompressionselement umfasst, wobei jede Kassette einen Kühlkörper mit einem Wärmemanagementkanal, eine mit dem Kühlkörper gekoppelte prismatische Zelle und einen ersten und einen zweiten Verteiler, die mit dem Wärmemanagementkanal in Fluidverbindung stehen, umfasst. Das Chassis wird aus einer ersten Endplatte, einer zweiten Endplatte und der Vielzahl von Rahmen gebildet, wobei die erste und die zweite Endplatte die Enden des Stapels abdecken. Das Kompressionselement koppelt die Endplatten und Kassetten zusammen, wobei das Kompressionselement eine Druckkraft auf eine Fläche der Batterien ausübt. Das Batteriemodul kann zusätzlich ein Druckelement enthalten, das eine gleichmäßige Kraftverteilung über die breiten Flächen jeder Zelle ermöglicht. Das Batteriemodul umfasst z.B. eine Vielzahl von Druckelementen, die zwischen den einzelnen Kassetten angeordnet sind. Die Druckelemente können aus einem viskoelastischen Material sein.
-
Die
DE 10 2019 125 381 A1 beschreibt eine Batterie mit einer Vielzahl an Batteriezellen, wobei jeweils eine vorbestimmte Anzahl der Batteriezellen mittels einer mechanischen Verspannvorrichtung zu einem Zellstapel verspannt ist. Auf die Batteriezellen des Zellstapels wirkt ein Gesamtdruck, welcher sich aus einem Verspanndruck und einem fortschreitenden Anschwelldruck der betriebsbedingt anschwellenden Batteriezellen zusammensetzt. Um dem Anschwellen der Batteriezellen einen kontrollierten Gegendruck entgegenzusetzen und um den Gesamtdruck auf einen maximal zulässigen Grenzdruck zu begrenzen, weist die Batterie eine Formhaltevorrichtung mit einer Druckausgleichspaste und eine Druckbegrenzungsvorrichtung mit zumindest einem Druckbegrenzungselement für die Druckausgleichspaste auf. Bei einem Überschreiten des Grenzdrucks kann die Druckausgleichspaste durch zumindest eine Überdrucköffnung des zumindest einen Druckbegrenzungselements zumindest teilweise in eine Umgebung der Batterie entweichen, wodurch der Gesamtdruck auf den zulässigen maximalen Grenzdruck beschränkt ist.
-
Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es daher, eine Batteriezellenanordnung und ein Kraftfahrzeug bereitzustellen, die es ermöglichen, die Lebensdauer von Batteriezellen zu steigern.
-
Diese Aufgabe wird gelöst durch eine Batteriezellenanordnung und ein Kraftfahrzeug mit den Merkmalen gemäß den jeweiligen unabhängigen Patentansprüchen. Vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung sind Gegenstand der abhängigen Patentansprüche, der Beschreibung, sowie der Figuren.
-
Eine erfindungsgemäße Batteriezellenanordnung mit einem Zelltrennelement zur Anordnung in einem Zwischenraum zwischen zwei Batteriezellen der Batteriezellenanordnung für ein Kraftfahrzeug ist weist einen Zellstapel mit mehreren in einer Stapelrichtung nebeneinander angeordneten Batteriezellen auf, die eine erste und eine zweite Batteriezelle umfassen, die in Stapelrichtung benachbart angeordnet sind, wobei zumindest zwischen der ersten und zweiten Batteriezelle das Zelltrennelement angeordnet ist. Dabei ist das Zelltrennelement zumindest zum Teil elastisch deformierbar ausgebildet und dazu ausgebildet, sich an eine durch ein Ausdehnen und/oder Zusammenziehen der Batteriezellen bedingte Änderung der Geometrie des Zwischenraums anzugleichen. Das Zelltrennelement weist dabei ein viskoelastisches Material auf. Dabei weist das Zelltrennelement zwei das Zelltrennelement in einer ersten Richtung begrenzende Außenflächen aufweist, wobei das Zelltrennelement dazu ausgelegt ist, bei Einwirkung einer Druck-Kraft in und entgegen der ersten Richtung auf die Außenflächen seine Dicke in der ersten Richtung um eine bestimmte Länge zu verringern, ohne eine der einwirkenden Druck-Kraft durch das Zelltrennelement entgegengesetzte Rückstellkraft zu erhöhen, wobei die erste und die zweite Batteriezelle dazu ausgelegt sind, sich wiederholt in der ersten Richtung auszudehnen und zusammenzuziehen und dadurch eine zeitlich variierende Einwirkung der Druck-Kraft auf das Zelltrennelement bereitzustellen, wobei das Zelltrennelement derart ausgestaltet ist, dass durch das Zelltrennelement eine Rückstellkraft auf die erste Batteriezelle in der ersten Richtung und auf die zweite Batteriezelle entgegen die erste Richtung aufbringbar ist, die im Falle des zeitlich wiederholten Ausdehnens und Zusammenziehens der ersten und zweiten Batteriezelle in der ersten Richtung zeitlich im Wesentlichen konstant ist.
-
Ein viskoelastisches Material verleiht dem Zelltrennelement dabei nicht nur elastisch deformierbare Eigenschaften, sondern zudem - und vor allem gleichzeitig - plastisch deformierbare Eigenschaften. Das Zelltrennelement ist also dazu ausgelegt, sich nicht erst bei Überschreiten eines bestimmten Druckschwellwerts oder Kraftschwellwerts plastisch zu verformen, sondern prinzipiell bei jeder Krafteinwirkung, zumindest was den Betrag der einwirkenden Kraft betrifft. Ob hierbei die elastischen oder plastischen Eigenschaften des Zelltrennelements, die ihm durch das viskoelastische Material verliehen werden, dominieren, hängt dabei viel mehr von der Frequenz der Krafteinwirkung und deren zeitlicher Änderung ab. Gerade bei der Anwendung eines solchen Zelltrennelements zur Kompensation des Swellings von Batteriezellen ist dies besonders vorteilhaft, da ein solches Swelling typischerweise mit einer sehr niedrigen zeitlichen Frequenz erfolgt. Ein An- und Abschwellzyklus von Batteriezellen dauert je nach Situation und Ursache dabei mindestens mehrere Minuten oder auch länger, z.B. Stunden. Die Geometrieänderung der Zelle ist damit verhältnismäßig langsam und ermöglicht vorteilhafterweise, dass sich das Zelltrennelement der durch das Swelling der Zellen bedingten geänderten Geometrie des Zwischenraums nahezu kraftneutral anpassen kann. Mit anderen Worten kann aufgrund der niedrigen Swellingfrequenzen durch das Zelltrennelement, wenn dieses im Zwischenraum zwischen zwei Batteriezellen angeordnet ist, eine Rückstellkraft auf die Batteriezellen ausgeübt werden, die im zeitlichen Verlauf konstant ist oder im Wesentlichen konstant ist, selbst während eines wiederholten zeitlichen Ausdehnens und Zusammenziehens der Batteriezellen, das heißt, dem eingangs beschriebenen Swelling der Batteriezellen. Die Erfindung beruht dabei auf der Erkenntnis, dass es sich nicht nur positiv auf die Lebensdauer der Batteriezellen auswirkt, wenn ein bestimmter Kraft- oder Druckschwellwert für die Batteriezellen nicht überschritten wird, sondern wenn die auf die Batteriezellen in Stapelrichtung wirkende Rückstellkraft grundsätzlich zum einen möglichst gering ist, jedoch ausreichend, um die Zellen in Position zu halten, und zusätzlich vor allem aber möglichst konstant ist, selbst bei kleinen oder geringen Ausdehnungen der Zellen in Stapelrichtung. Gerade dies lässt sich auf besonders einfache und vorteilhafte Weise durch die Verwendung eines viskoelastischen Materials für das Zelltrennelement bereitstellen, da viskoelastische Materialien gerade solche Eigenschaften bereitstellen können. Bei viskoelastischen Materialen tritt vorteilhafterweise die plastische Deformation nicht erst bei überschreiten eines bestimmten Kraft- oder Druckschwellwerts ein. Solche viskoelastischen Materialien sind zum Beispiel aus Anwendungen bei Komfortmatratzen bekannt. Auch hier werden diese dazu verwendet, sich möglichst kraftneutral an eine Geometrieveränderung, hier hervorgerufen durch einen auf der Matratze liegenden Körper, anzupassen, sich jedoch bei Wegfall der Belastung und nach einer bestimmten Zeitdauer wieder reversibel in ihren Ausgangszustand zu bewegen. Die plastische Deformation bleibt damit also nur für eine gewisse Zeit erhalten. Diese Eigenschaften können nun vorteilhafterweise auch für ein Zelltrennelement genutzt werden. Ist also ein solches Zelltrennelement zwischen zwei Batteriezellen angeordnet, und dehnen sich die Batteriezellen in Stapelrichtung aus, so wird das Zelltrennelement korrespondierend zusammengedrückt, wodurch die durch das Zelltrennelement auf die Batteriezellen ausgeübte Rückstellkraft jedoch nicht wie üblich, und wie dies zum Beispiel bei einer ausschließlich elastischen Deformation der Fall wäre, ansteigt, sondern vielmehr konstant bleibt. Es erfolgt also eine plastische Deformation des Zelltrennelements. Ziehen sich die Zellen dann wiederum bezogen auf die Stapelrichtung in ihrer Ausdehnung zusammen, so dehnt sich auch das Zelltrennelement langsam wieder aus und kehrt in seine Ausgangsposition oder zumindest näherungsweise in seinen Ausgangszustand zurück, was seinen elastischen Eigenschaften geschuldet ist. Eine plastische Verformung des Zelltrennelements kann durch die Verwendung eines viskoelastischen Materials folglich nicht erst bei Überschreiten eines bestimmten Kraftschwellwerts oder Druckschwellwerts oder erst bei Ausdehnen der Zellen um eine vorbestimmte Mindestweglänge erreicht werden, sondern ist im Falle einer Ausdehnung der Zellen von Vornherein vorhanden. Durch eine solche kraftneutrale Swellingkompensation lässt sich die Lebensdauer der Batteriezellen vorteilhafterweise steigern. Ein weiterer besonders großer Vorteil bei der Verwendung eines viskoelastischen Materials für ein Zelltrennelement besteht zudem darin, dass sich hierdurch auch immer auf besonders einfache Weise eine besonders homogene Kraftverteilung über die angrenzenden Zellwände der Batteriezellen bereitstellen lässt. Batteriezellen, insbesondere prismatische Zellen, schwellen typischerweise im Bereich ihrer Mitte deutlich stärker an als zum Beispiel im Randbereich. Bei der Verwendung eines rein elastisch deformierbaren Materials als Zelltrennelement würde dies eine deutlich stärkere Rückstellkraft im zentralen Bereich aufgrund der dort stärkeren Kompression als im Randbereich hervorrufen. Durch die beschriebene kraftneutrale Swellingkompensation, die durch die Verwendung des viskoelastischen Materials für das Zelltrennelement ermöglicht wird, erhöht sich die Rückstellkraft durch das Zelltrennelement beim Anschwellen der Batteriezelle weder im zentralen Bereich noch im Randbereich. Die Kraftverteilung über die Wandfläche der Batteriezelle bleibt damit also gleich. Auch dies fördert wiederum die Lebensdauer der Batteriezellen zusätzlich.
-
Das viskoelastische Material kann beispielsweise durch einen Kunststoff bereitgestellt sein. Dies hat gleichzeitig auch den Vorteil, dass dies auf einfache Weise eine elektrisch isolierende Ausbildung des Zelltrennelements erlaubt. Mit anderen Worten ist es bevorzugt, dass das Zelltrennelement gleichzeitig auch elektrisch isolierend ausgebildet ist. Dadurch kann durch das Zelltrennelement gleichzeitig eine Doppelfunktion übernommen werden. Zudem kann hierdurch auch eine gewisse thermische Isolierung zwischen den Zellen bereitgestellt werden, was zum Beispiel gerade im Falle eines thermischen Events, das heißt, einem thermischen Durchgehen einer Zelle, besonders vorteilhaft ist, da sich so ein Wärmeübertrag auf eine benachbarte Zelle gehemmt werden kann.
-
Das Verhalten des viskoelastischen Materials, und damit auch des Zelltrennelements kann zum Beispiel durch eine Kombination aus einer Feder, insbesondere einer Hookeschen Feder, und einem Dämpfungszylinder, der auch als Newton-Element bezeichnet wird, beschrieben werden, zumindest im einfachsten Fall. Das viskoelastische Verhalten kann auch die Kombination mehrerer dieser Elemente modelliert werden. Ein einfaches viskoelastisches Modell, welches vorliegend die Eigenschaften des Zelltrennelements am zutreffendsten beschreibt, ist der so genannte Maxwell-Körper. Er ergibt sich aus der Reihenschaltung einer Hookeschen Feder mit einem Newton-Element, nämlich dem genannten Dämpfungszylinder. Bei Belastung verformt sich die Feder sofort, danach beginnt die zeitabhängige und unbegrenzte viskose Verformung. Nach Entlastung bewegt sich entsprechend nur die Feder zurück, der Viskoseanteil bleibt bestehen, zumindest für eine gewisse Zeit.
-
Das Zelltrennelement kommt darüber hinaus bevorzugt bei prismatischen Batteriezellen oder Pouchzellen zum Einsatz, besonders bevorzugt bei prismatischen Batteriezellen. Das Zelltrennelement kann alternativ oder zusätzlich auch zwischen einer Batteriezelle und einem Abstützelement, insbesondere auch zwischen einem Zellstapel mit mehreren Batteriezellen und einem Abstützelement, z.B. einer Gehäusewand eines Batteriegehäuses, in welchem die Zellen aufgenommen sind, Anwendung finden. Das Zelltrennelement kann zum Beispiel plattenförmig oder in der Geometrie eines typischen Swelling-Pads ausgebildet sein. Es weist also vorzugsweise eine Dicke in einer ersten Richtung auf, eine Länge in einer zweiten Richtung und eine Höhe in einer dritten Richtung, wobei die Dicke kleiner ist als die Höhe und die Länge, insbesondere um Größenordnungen. Die Dicke ist vorzugsweise kleiner als ein Zentimeter beträgt zum Beispiel nur wenige Millimeter, während die Länge und die Höhe jeweils mehrere Zentimeter betragen können. Bevorzugt ist das Zelltrennelement hinsichtlich seiner aus Länge und Höhe gebildeten Fläche an die Fläche der Batteriezellen angepasst, in deren Zwischenraum das Zelltrennelement angeordnet werden soll. Mit anderen Worten kann das Zelltrennelement eine ähnliche Fläche aufweisen, wie die dem Zelltrennelement zugewandte Seite der betreffenden, zum Zelltrennelement benachbart angeordneten Batteriezelle bezüglich der ersten Richtung, wenn sich das Zelltrennelement in seiner bestimmungsgemäßen Einbaulage in einer Batteriezellenanordnung mit mehreren Batteriezellen befindet.
-
Bei einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung weist das Zelltrennelement mindestens eine Schicht auf, die aus dem viskoelastischen Material besteht, oder das Zelltrennelement ist vollständig aus dem viskoelastischen Material gebildet, insbesondere wobei sich die Schicht über mindestens einen Großteil der Höhe und Länge erstreckt. Das Zelltrennelement kann also entweder vollständig aus diesem viskoelastischen Material bestehen oder zumindest bereichsweise aus einem solchen Material gebildet sein. Im zweiten Fall ist es bevorzugt, dass dieser Bereich sich sozusagen als Schicht über einen Großteil der Höhe und Länge des Zelltrennelements erstreckt. In der ersten Richtung, das heißt in Richtung seiner Dicke, kann das Zelltrennelement beispielsweise auch weitere Schichten umfassen. Die Ausbildung als Schicht, die sich über einen Großteil der Höhe und Länge des Zelltrennelements erstreckt, hat den Vorteil, ebenso wie eine vollständige Ausbildung des Zelltrennelements aus dem viskoelastischen Material, dass sich die viskoelastischen Eigenschaften des Zelltrennelements dann großflächig nutzen lassen, insbesondere in jedem Bereich bezüglich der zweiten und dritten Richtung zwischen zwei Batteriezellen oder einer Batteriezelle bzw. einem Zellstapel und einem Abstützelement. Denkbar ist es beispielsweise aber auch, dass ein solches viskoelastisches Material lediglich in einem zentralen Bereich bezogen auf die Länge und Höhe des Zelltrennelements zum Einsatz kommt. Hier können dann vorteilhafterweise die viskoelastischen Eigenschaften dort genutzt werden, wo sie am meisten gebraucht werden, nämlich im Bereich der stärksten Ausdehnung der Batteriezellen.
-
Erfindungsgemäß weist das Zelltrennelement zwei das Zelltrennelement in der ersten Richtung begrenzende Außenflächen auf, wobei das Zelltrennelement dazu ausgelegt ist, bei Einwirkung einer Druck-Kraft in und entgegen der ersten Richtung auf die Außenflächen seine Dicke in der ersten Richtung um eine bestimmte maximale Länge zu verringern, ohne eine der einwirkenden Druck-Kraft durch das Zelltrennelement entgegengesetzte Rückstellkraft zu erhöhen, insbesondere für den Fall, dass die Einwirkung der Druck-Kraft eine vorbestimmte Bedingung erfüllt. Diese Bedingung kann darin bestehen, dass sich die Druck-Kraft ausreichend langsam ändert, zum Beispiel mit einer ausreichend kleinen Frequenz, die zu einer Periodendauer von mindestens mehreren Minuten korrespondiert. Die Bedingung kann also darin bestehen, dass eine zeitliche Änderung der Druck-Kraft eine vorbestimmte Bedingung erfüllt, insbesondere darin, dass sich die Einwirkung der Druck-Kraft gemäß einer Frequenz ändert, die einen vorgegebenen Grenzwert unterschreitet. Unter einer Druck-Kraft ist dabei eine Kraft zu verstehen, die in Richtung des Zelltrennelements wirkt, zum Beispiel im Gegensatz zu einer Zug-Kraft. Wird also durch eine solche Druck-Kraft Druck auf das Zelltrennelement ausgeübt, so verringert sich korrespondierend seine Dicke in der ersten Richtung, ohne dass sich hierbei die Rückstellkraft erhöht. Dies gilt zumindest für eine bestimmte Länge, um welche sich die Dicke maximal verringern kann, ohne die Rückstellkraft zu erhöhen. Diese Länge kann im Bereich weniger Millimeter liegen, z.B. bei ca. 2 Millimeter. Dies ist dabei so zu verstehen, dass das Zelltrennelement nicht beliebig in seiner Dicke verringerbar ist, sondern immer eine gewisse Mindestdicke auch im maximal komprimierten Zustand bezüglich der ersten Richtung aufweisen wird. Durch geeignete Dimensionierung dieser Mindestdicke kann eine Brandschutzfunktion im Falle eines thermischen Durchgehens einer Zelle bereitgestellt werden. Diese Mindestdicke beträgt bevorzugt maximal wenige Millimeter, z.B. maximal 3 Millimeter. Ist diese Mindestdicke erreicht, würde eine weitere Kompression des Zelltrennelements zu einem Anstieg der Rückstellkraft führen. Dies kann beispielsweise auf einfache Weise dadurch verhindert werden, indem die Batteriezellen bei ihrer Anordnung im Zellstapel derart weit auseinander angeordnet werden, dass sich die einander zugewandten Gehäuseflächen zweier benachbarter Batteriezellen auch im Falle einer maximal möglichen Ausdehnung der Batteriezellen bezüglich der ersten Richtung nicht berühren würden und gegebenenfalls noch einen bestimmten kleinen Mindestabstand aufweisen würden, der zur oben genannten Mindestdicke korrespondiert. Dabei kann auf einfache Weise gewährleistet werden, dass für die auftretenden Wegänderungen im Zusammenhang mit dem Swelling der Batteriezellen immer noch plastische Verformungen des Zelltrennelements möglich sind. Die swellingbedingten Dickenänderungen einer Zelle sind dann vorzugsweise kleiner als die oben genannte bestimmte maximale Länge. Eine kraftneutrale Swellingkompensation kann damit jederzeit gewährleistet werden.
-
Bei einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung ist das Zelltrennelement dazu ausgelegt, bei Reduktion und/oder nach Wegfall der Einwirkung der Druck-Kraft seine Dicke in der ersten Richtung zu vergrößern. Dies kann wiederum vorteilhafterweise, wie bereits beschrieben, durch die elastisch deformierbaren Eigenschaften des viskoelastischen Materials erreicht werden. Verringern also die Zellen wiederum ihre Abmessungen in der ersten Richtung, und ziehen sich damit einhergehend also wieder zusammen, so kann sich auch hier das Zelltrennelement wiederum dieser Geometrieänderung des Zwischenraums anpassen und entsprechend ausdehnen, um den verbleibenden Zwischenraum wieder vollständig auszufüllen. Damit kann durch das Zelltrennelement jederzeit eine zuverlässige Stützwirkung für die Batteriezellen bereitgestellt werden. Dabei kann es sein, dass das Zelltrennelement dazu ausgelegt ist, seine Dicke in der ersten Richtung wieder auf ihren ursprünglichen Wert zu vergrößern oder auf einen Wert, der geringfügig geringer ist als der ursprüngliche Wert.
-
Durch die Batteriezellenanordnung kann zum Beispiel eine Batterie, insbesondere eine Hochvolt-Batterie, für ein Kraftfahrzeug bereitgestellt sein. Eine solche Batteriezellenanordnung kann zum Beispiel mehrere Batteriezellen aufweisen. Diese können wie bereits beschrieben ausgebildet sein, zum Beispiel als prismatische Zellen. Beispielsweise können die Batteriezellen als Lithium-Ionen-Zellen ausgebildet sein.
-
Erfindungsgemäß weist die Batteriezellenanordnung einen Zellstapel mit mehreren in einer Stapelrichtung, insbesondere in der ersten Richtung, nebeneinander angeordneten Batteriezellen auf. Diese umfassen eine erste und eine zweite Batteriezelle, die in Stapelrichtung benachbart angeordnet sind, wobei zumindest zwischen der ersten und zweiten Batteriezelle das Zelltrennelement angeordnet ist. Bevorzugt ist es, dass zwischen je zwei benachbart angeordneten Batteriezellen des Zellstapels ein solches Zelltrennelement angeordnet ist. Hierdurch lässt sich auf besonders vorteilhafte und effiziente Weise eine kraftneutrale Swellingkompensation über den gesamten Zellstapel hinweg bereitstellen. Der Zellstapel kann optional von einem eingangs beschriebenen Rahmen mit Endplatten umspannt sein. Der Zellstapel kann aber auch ohne einen solchen Rahmen in einem Batteriegehäuse angeordnet sein und zum Beispiel in Stapelrichtung beidseitig durch Seitenwände des Batteriegehäuses oder Zwischenwände des Batteriegehäuses begrenzt sein. Zwischen einer solchen Gehäusewand und dem Zellstapel kann ebenfalls ein erfindungsgemäßes Zelltrennelement oder eine seiner Ausgestaltungen angeordnet sein. Durch ein solches Zelltrennelement lässt sich vorteilhafterweise gerade in einer solchen Kraftfahrzeugbatterie, die durch die Batteriezellenanordnung bereitgestellt werden kann, eine längere Batterielebensdauer erreichen und eine Zellschädigung durch zu hohe Anpresskräfte zwischen den einzelnen Batteriezellen vermeiden. Durch die kraftneutrale Swellingkompensation, die durch die Zelltrennelemente ermöglicht wird, lässt sich dabei eine Verringerung der Kapazität der Batterie im Laufe der Zeit reduzieren beziehungsweise verlangsamen, was zur beschriebenen Lebensdauerverlängerung führt. Gleichzeitig kann eine Dehnung der Batteriezellen in Stapelrichtung innerhalb eines festgelegten Endmaßes bereitgestellt werden. Mit anderen Worten dehnt sich der Zellstapel in Stapelrichtung durch die Ausdehnung der Zellen in Stapelrichtung nicht aus oder zumindest nicht signifikant. Stattdessen verringern die Zelltrennelemente ihre jeweiligen Dicken in Stapelrichtung, was in Summe zu einer konstanten Stapellänge führt.
-
Gemäß einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung sind die Batteriezellen als prismatische Batteriezellen ausgebildet. Wie oben bereits beschrieben zeigt sich der große Vorteil des Zellelements gerade in Kombination mit prismatischen Batteriezellen.
-
Erfindungsgemäß sind die erste und die zweite Batteriezelle, zwischen denen das Zelltrennelement angeordnet ist, dazu ausgelegt, sich wiederholt in der ersten Richtung auszudehnen und zusammenzuziehen, insbesondere im Rahmen des bereits beschriebenen Swellings, und dadurch die zeitlich variierende Einwirkung der Druck-Kraft auf das Zelltrennelement bereitzustellen. Die oben beschriebene Einwirkung der Druck-Kraft ist also, wenn das Zelltrennelement in einer Batteriezellenanordnung Anwendung findet und zwischen der ersten und zweiten Batteriezelle angeordnet ist, eben durch das beschriebene Swellingverhalten dieser Batteriezellen verursacht. So kann das Zelltrennelement die oben bereits beschriebene Rückstellkraft auf diese Batteriezellen ausüben, die nämlich unabhängig vom Swellingweg nahezu immer konstant ist oder zumindest nahezu konstant ist, d.h. z.B. Schwankungen von weniger als 10% oder weniger als 5% oder weniger als 3% bezüglich eines Mittelwerts unterliegt
-
Erfindungsgemäß ist das Zelltrennelement derart ausgestaltet, dass durch das Zelltrennelement eine Rückstellkraft auf die erste Batteriezelle in der ersten Richtung und auf die zweite Batteriezelle entgegen der ersten Richtung aufbringbar ist, die im Falle eines zeitlich wiederholten Ausdehnens und Zusammenziehens der ersten und zweiten Batteriezelle, insbesondere eines zyklischen und alternierenden Ausdehnens und Zusammenziehens der ersten und der zweiten Batteriezelle, in der ersten Richtung zeitlich im Wesentlichen konstant ist oder konstant ist. Unabhängig vom Dehnungsweg der Batteriezellen erhöht oder erniedrigt sich also die Rückstellkraft, die vom Zelltrennelement auf die Batteriezellen ausgeübt wird, das heißt also, entgegen der Einwirkung der Druck-Kraft, nicht. Es kann also auf die Zellen immer eine nahezu konstante Rückstellkraft ausgeübt werden, was sich wie beschrieben sehr vorteilhaft auf deren Lebensdauern auswirkt. Dies gilt im Übrigen nicht nur für die beschriebene erste und zweite Batteriezelle, sondern vorzugsweise für jede von der Batteriezellenanordnung und insbesondere einer Hochvolt-Batterie umfasste Batteriezelle.
-
Im Übrigen kann eine solche Hochvolt-Batterie auch mehrere Zellstapel mit jeweils mehreren Batteriezellen aufweisen. Die Zellstapel können dann in Analogie zum beschriebenen Zellstapel aufgebaut sein und zwischen je zwei benachbart angeordneten Zellen eines solchen Zellstapels kann ein solches erfindungsgemäßes Zelltrennelement oder eines seiner Ausgestaltungen angeordnet sein.
-
Des Weiteren betrifft die Erfindung auch ein Kraftfahrzeug mit einer erfindungsgemäßen Batteriezellenanordnung oder eine ihrer Ausgestaltungen. Auch hier gelten die für die erfindungsgemäße Batteriezellenanordnung und ihre Ausgestaltungen beschriebenen Vorteile in gleicher Weise für das erfindungsgemäße Kraftfahrzeug. Das Kraftfahrzeug ist vorzugsweise als Elektro- oder Hybridfahrzeug ausgebildet und die Batteriezellenanordnung kann als Traktionsbatterie für das Kraftfahrzeug fungieren.
-
Das erfindungsgemäße Kraftfahrzeug 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 eine schematische Darstellung eines Batteriemoduls in einer Explosionsdarstellung mit einem Zelltrennelement gemäß einem Ausführungsbeispiel der Erfindung;
- 2 eine schematische Querschnittsdarstellung einer Batteriezellenanordnung gemäß einem Ausführungsbeispiel der Erfindung; und
- 3 eine grafische Darstellung des Verhaltens eines Zelltrennelements gemäß einem Ausführungsbeispiel der Erfindung während des Swellings.
-
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.
-
1 zeigt eine schematische Darstellung einer Batteriezellenanordnung 10 in Form eines Batteriemoduls in einer Explosionsdarstellung gemäß einem Ausführungsbeispiel der Erfindung. Das Batteriemodul 10 weist mehrere Batteriezellen 12 auf, die vorliegend als prismatische Batteriezellen 12 ausgebildet sind. Die Batteriezellen 12 sind dabei in einer Stapelrichtung, die zur dargestellten x-Richtung korrespondiert, nebeneinander in Form eines Zellstapels 14 angeordnet. Das Batteriemodul 10 kann zudem auch ein Batteriegehäuse 16 aufweisen, welches sich wiederum aus mehreren einzelnen Komponenten zusammensetzt. Beispielsweise kann ein Rahmen 18 des Batteriegehäuses durch zwei den Zellstapel 14 in seiner Längserstreckungsrichtung begrenzenden Endplatten 20, die auch mehrteilig ausgeführt sein können und die durch Seitenplatten 22 miteinander verbunden und verspannt sind, bereitgestellt sein. Weiterhin kann das Modulgehäuse 16 auch noch einen oberseitigen Deckel 24 aufweisen. Das Modul 10 kann zudem auch noch zwischen den Zellen 16 und dem Deckel 24 angeordnete weitere Elemente für die Zellverschaltung, zum Beispiel Zellverbinder 26, aufweisen. Zwischen je zwei benachbart angeordneten Zellen 12, sowie auch zwischen der Endplatte 20 und einer der Endplatte 20 nächstgelegenen Batteriezelle 12 kann ein Zelltrennelement 28 angeordnet sein, welches auch als Swelling-Pad 28 bezeichnet wird. Dieses dient der so genannten Swellingkompensation. Als Swelling bezeichnet man dabei das Ausdehnen der Zellen 12 in der dargestellten Doppelpffeilrichtung X, die parallel zur vorliegend dargestellten x-Richtung gerichtet ist, das heißt, entsprechend in Stapelrichtung des Zellstapels 14.
-
Das Batteriemodul 10 hat zur Montage im Fahrzeug ein fixes Maß in x-Richtung und soll dieses auch während des Swellings beibehalten. Daher muss das Swelling über die genannten Swelling-Pads 28 und gegebenenfalls weiteren Komponenten wie der beschriebenen Endplatten 20 kompensiert werden. Dies wird dadurch erreicht, indem sich die Zelltrennelemente 28, wenn sich die Zellen 12 in x-Richtung ausdehnen, korrespondierend zusammendrücken lassen. Hierdurch verlängert der Zellstapel 14 auch während des Swellings seine Abmessungen in x-Richtung nicht.
-
Üblicherweise werden dabei die beschriebenen Zelltrennelemente elastisch deformierbar ausgebildet, um das beschriebene Swelling zu kompensieren. Dies hat jedoch den Nachteil, dass die von den Zelltrennelementen auf die Zellen ausgeübte Rückstellkraft mit sich vergrößerndem Swellingweg der Zellen zunimmt. Zwar gibt es auch Begrenzungsmöglichkeiten zur Begrenzung einer maximalen Rückstellkraft, es hat sich jedoch gezeigt, dass auch dies nicht sonderlich optimal für die Lebensdauer der Zellen ist. Es hat sich nämlich herausgestellt, dass die Lebensdauer der Zellen 12 verlängert werden kann, wenn während der Lebensdauer auf die Zellen eine möglichst konstante und geringe Kraft in Stapelrichtung X ausgeübt wird.
-
Dies lässt sich nun vorteilhafterweise dadurch bewerkstelligen, indem die Zelltrennelemente 28 mit einem viskoelastischen Material 28a ausgebildet sind. Dabei können die Zelltrennelemente 28 auch ausschließlich aus einem solchen viskoelastischen Material 28a ausgebildet sein oder zumindest Bereiche mit einem solchen viskoelastischen Material aufweisen. Ein solches viskoelastisches Material 28a weist sowohl einen messbaren Speichermodul als auch einen messbaren Verlustmodul auf, die vorzugsweise gleich sind oder im Wesentlichen gleich sind. Insbesondere soll das Zelltrennelement 28 dabei so ausgebildet sein, dass dieses ebenfalls ein viskoelastisches Materialverhalten zeigt. Ein viskoelastisches Material 28a, und so auch das Zelltrennelement 28, passt sich damit einer geänderten Geometrie kraftneutral an.
-
2 zeigt hierzu nochmal eine schematische Darstellung einer Batteriezellenanordnung 10 mit exemplarisch nur zwei Batteriezellen 12 und einem im Zwischenraum 30 zwischen den Batteriezellen 12 befindlichen Zelltrennelement 28 in einer Seitenansicht gemäß einem Ausführungsbeispiel der Erfindung. Auch hier ist das Zelltrennelement 28 wiederum exemplarisch aus einem viskoelastischen Material 28a gebildet oder weist ein solches auf. Diese viskoelastischen Eigenschaften des Zelltrennelements 28 lassen sich entsprechend durch ein Modell 32 beschreiben, welches exemplarisch ebenfalls in 2 unterhalb des Zelltrennelements 28 zur besseren Veranschaulichung dargestellt ist. Ein solches Modell 32 modelliert das Zelltrennelement 28, insbesondere dessen viskoelastische Eigenschaften in x-Richtung, durch eine Hookesche Feder 32a, die in Reihe zu einem Dämpfungselement 32b geschaltet ist. Das Zelltrennelement 28 ist nun so ausgebildet, dass es, wenn die Batteriezellen 12 ihren Ausgangszustand, welcher in 2 veranschaulicht ist, aufweisen, eine bestimmte Rückstellkraft R0 auf die dem Zelltrennelement 28 zugewandten Zellwände 12a ausübt. Dehnen sich nun die Zellen 12 in x-Richtung aus, was durch die gestrichelten Linien in 2 veranschaulicht ist, insbesondere um einen Swellingweg Δs, so übt eine jeweilige Zelle 12 eine Druck-Kraft F auf das Zelltrennelement 28 aus, wobei aus Gründen der Übersichtlichkeit nur die von einer Zelle 12 auf das Zelltrennelement 28 ausgeübte Druck-Kraft F veranschaulicht ist. In Folge dieser beidseitig in Richtung des Zelltrennelements 18 auf dieses wirkenden Druck-Kräfte F verringert sich die Dicke des Zelltrennelements 28 in x-Richtung. In 2 ist dabei die ursprüngliche maximale Dicke mit d0 bezeichnet, und die verringerte Dicke entsprechend mit d1. Während dessen wird vom Zelltrennelement 28 weiterhin die initiale Rückstellkraft R0 auf die jeweiligen Gehäuseseiten 12a der Batteriezellen 12 ausgeübt. Mit anderen Worten verändert sich die durch das Zelltrennelement 28 auf die Zellen 12 ausgeübte Rückstellkraft R0 hinsichtlich ihres Werts trotz des Zusammendrückens nicht. Dies ist den plastisch verformbaren Eigenschaften des viskoelastischen Materials 28a geschuldet. Hier kommen also vor allem die Dämpfungseigenschaften des Dämpfungselements 32b gemäß des unten in 2 dargestellten Modells 32 zum Einsatz. Das Zelltrennelement 28 verformt sich also während es seine Dicke verringert hauptsächlich plastisch. Lässt im weiteren Verlauf die von den Zellen 12 auf das Zelltrennelement 28 ausgeübte Druck-Kraft F nach oder fällt diese letztendlich wieder weg, d.h. ist diese wieder gleich Null, indem die Zellen 12 sich in x-Richtung wieder zusammenziehen, so dehnt sich damit einhergehend auch das Zelltrennelement 28 in x-Richtung wieder auf seine ursprüngliche Dicke d0 aus. Dies ist wiederum den elastischen Eigenschaften 32a des Zelltrennelements 28 gemäß dem dargestellten Modell 32 geschuldet. Hierdurch lässt sich eine im Wesentlichen kraftneutrale Swellingkompensation bereitstellen, wie diese grafisch nochmal in 3 veranschaulicht ist.
-
In 3 oben ist der von einer Zellwand 12a einer Batteriezelle 12 im Zuge des Swellings zurückgelegte Swellingweg Δs über der Zeit aufgetragen. Solche Batteriezellen 12, wie beispielsweise Lithium-Ionen-Zellen, schwellen zum Beispiel bei jedem Laden an und beim Entladen wieder ab, wobei dieses ladungsbedingte Swelling wiederum durch ein alterungsbedingtes Swelling überlagert ist, gemäß welchem die Zellen 12 im Laufe der Zeit anschwellen. Eine Geometrieänderung des Zwischenraums 30 kann aber nicht durch ein solches Swelling bedingt sein, sondern zum Beispiel auch durch temperaturbedingte Ausdehnungen oder ein temperaturbedingtes Zusammenziehen der Zellen 12 in x-Richtung. In 3 unten ist die Rückstellkraft R gegen die Zeit aufgetragen, die vom Zelltrennelement 28 auf die Zellen 12, insbesondere deren Seiten 12a, ausgeübt wird. Während diese bei herkömmlichen Zelltrennelementen zeitlich variiert und entsprechend dem Swelling der Zellen folgt, das heißt, mit zunehmenden Swellingweg Δs ebenfalls zunimmt und mit abnehmendem Swellingweg Δs wiederum abnimmt, so wird durch das vorliegende Zelltrennelement 28 durch die Verwendung des viskoelastischen Materials eine im Wesentlichen konstante Rückstellkraft R0 bereitgestellt. Diese variiert also auch im Laufe der Zeit trotz Batteriezellenswelling nicht.
-
Insgesamt zeigen die Beispiele, wie durch die Erfindung ein viskoelastisches Pad zur reversiblen und kraftneutralen Absorption von Swellingbewegungen in einem Batteriezellmodul bereitgestellt werden kann, welches eine kraftneutrale Kompensation des Swellingverhaltens erlaubt. Dies erlaubt eine Dehnung der Batteriezellen in Stapelrichtung innerhalb eines festgelegten Endmaßes. Eine Zellschädigung durch zu hohe Anpresskräfte zwischen den einzelnen Batteriezellen kann vorteilhafterweise verhindert werden. Zusätzlich kann eine längere Batterielebensdauer über Lifetime erreicht werden.