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Die Erfindung betrifft ein Batteriemodul mit mehreren Batterieeinzelzellen, mit Zellverbindern, welche einen Batteriepol einer der Batterieeinzelzellen mit einem Batteriepol einer benachbarten Batterieeinzelzelle elektrisch verbinden, nach der im Oberbegriff von Anspruch 1 näher definierten Art.
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Batteriemodule mit einer Mehrzahl von Batterieeinzelzellen, welche über Zellverbinder elektrisch kontaktiert sind, sind so weit aus dem Stand der Technik bekannt. Bei Batterieeinzelzellen in Lithium-Ionen-Technologie ist es außerdem üblich eine sogenannte Venting-Öffnung vorzusehen. Dies kann ein Überdruckventil sein oder ist in den allermeisten Fällen lediglich eine Sollbruchstelle in einem Bereich des Zellgehäuses der Batterieeinzelzelle. Kommt es im Inneren der Batterieeinzelzelle zu einem Überdruck dann reißt diese Venting-Öffnung auf bzw. öffnet ein eventuelles Venting-Ventil, sodass dieser Überdruck abgebaut werden kann. Dabei entweichen heiße Gase, welche häufig Funken, glühende Partikel und dergleichen mit sich führen. Gelangen diese Venting-Gase nun direkt in den Bereich benachbarter Batterieeinzelzellen dann können sie diese entsprechend erhitzen und dazu führen, dass auch diese benachbarten Batterieeinzelzellen thermisch reagieren, was letztlich dazu führen könnte, dass eine thermische Kettenreaktion einsetzt und das komplette Batteriemodul „thermisch durchgeht“. Man spricht in diesem Zusammenhang auch von einer sogenannten Thermal Propagation.
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Dies ist insbesondere dann problematisch, wenn einer der Batteriepole in dem Venting-Bereich angeordnet ist. Dies ist häufig, aber nicht nur, bei Rundzellen der Fall. Durch die Kontaktierung mit einem Zellverbinder, welcher typischerweise von einer Seite aus auf den Batteriepol geführt ist, kommt es nämlich dazu, dass beim Aufreißen des Venting-Bereichs dieser in der Art eines über ein Scharnier angebundenen Deckels lediglich in eine Richtung teilweise aufklappt. Dieser Öffnung entströmen dann die ganzen innerhalb des Zellgehäuses anfallenden Gase. Sie werden also im weitgehend vollständigen Volumenstrom in eine Vorzugsrichtung geleitet, sodass die in dieser Richtung benachbarte Batterieeinzelzelle entsprechend stark erwärmt und damit gefährdet wird.
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Die
DE 10 2013 213 877 A1 beschreibt aus diesem Grund ein Batteriesystem, bei dem das Batteriegehäuse durch eine gasdicht ausgebildete Trennvorrichtung räumlich in zwei Bereiche unterteilt ist. Jede der Batterieeinzelzellen ist dabei teilweise in dem ersten Bereich und teilweise in dem zweiten Bereich angeordnet, und zwar so, dass die Venting-Öffnung der Batterieeinzelzelle in den zweiten Bereich ragt. Eventuell abgegebene Gase gelangen so ausschließlich in den zweiten Bereich, welcher gegenüber dem ersten Bereich abgedichtet ist. Die Gefahr einer Kettenreaktion wird hierdurch verhindert, allerdings ist das Batteriegehäuse sehr aufwändig, da es in zwei gasdicht getrennte Einzelgehäuse unterteilt werden muss, und da die Durchtrittsstellen der Batterieeinzelzellen durch die Trennvorrichtung zuverlässig abgedichtet werden müssen.
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Die Lösung in der
WO 2023/003 260 A1 stellt stattdessen ein Art Trennrahmen zur Verfügung, welcher die einzelnen Zellen im Bereich ihrer Venting-Öffnungen gegeneinander abschirmen kann. In dem Trennrahmen sind Kerben vorgesehen, durch welche die hier als Bus realisierten Zellverbinder zu den Zellpolen geführt sind.
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Die US 2021 / 0 104 718 A1 beschreibt einen dem ähnlichen Rahmen, welcher integrierte Zellverbinder umfasst und auf die Batterieeinzelzellen aufgesetzt wird.
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Zum weiteren Stand der Technik kann ferner auf die US 2009 / 0 111 015 A1 verwiesen werden.
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Die hier vorliegende Erfindung hat daher die Aufgabe ein verbessertes Batteriemodul gemäß dem Oberbegriff des Hauptanspruchs anzugeben, bei welchem mit einfachen und effizienten Mitteln die Gefahr einer thermischen Beeinträchtigung von Nachbarzellen bei der Abgabe von Venting-Gasen minimiert wird.
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Erfindungsgemäß wird diese Aufgabe durch ein Batteriemodul mit den Merkmalen im Anspruch 1, und hier insbesondere im kennzeichnenden Teil des Anspruchs 1, gelöst.
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Vorteilhafte Ausgestaltungen und Weiterbildungen ergeben sich aus den hiervon abhängigen Unteransprüchen.
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Das erfindungsgemäße Batteriemodul soll so aufgebaut sein, dass einer der Batteriepole, in dem gegenüber dem Rest des Zellgehäuses geschwächten Venting-Bereich angeordnet ist. Erfindungsgemäß ist es vorgesehen, dass wenigstens ein Strömungsleitelement vorhanden ist, welches den Venting-Bereich um einen Teil seines Umfangs umgibt, und welches dazu eingerichtet ist, Venting-Gase von benachbarten Batterieeinzelzellen abzuhalten oder zumindest zu zerstreuen, sie also über einen größeren Volumenbereich hinweg zu verteilen. Hierdurch ist es möglich, den Wärmeeintrag in die in dieser Richtung liegende benachbarte Batterieeinzelzelle zu minimieren. Bei dem erfindungsgemäßen Batteriemodul ist es ferner so, dass der Zellverbinder nun durch denjenigen Teil des Umfangs zu den im Venting-Bereich angeordneten Batteriepol geführt wird, welcher frei von den Strömungsleitelementen ist. Die Strömungsleitelemente sind also vorzugsweise in demjenigen Bereich angeordnet, in dem der Zellverbinder nicht in den Venting-Bereich ragt, um den Batteriepol zu kontaktieren. Kommt es zum Venting-Fall wird typischerweise der Venting-Bereich in die dieser Zuführung des Zellverbinders abgewandte Seite hin aufreißen. Die Venting-Gase strömen also in die Richtung der Strömungsleitelemente ab, welche eine Zerstreuung oder Ablenkung der Venting-Gase bewirken, um die dort benachbarten Batterieeinzelzellen thermisch zu schützen.
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Gemäß der Erfindung umfasst der Zellverbinder einen ersten Kontaktbereich zum Verbinden mit dem Batteriepol im Venting-Bereich und einen zweiten Kontaktbereich zum Verbinden mit dem anderen Batteriepol einer benachbarten Batterieeinzelzelle. Über einen Verbindungssteg sind diese beiden Kontaktbereiche miteinander verbunden, wobei der erste Kontaktbereich durch das Ende des Verbindungssteges ausgebildet ist und beispielsweise einfach als abgerundet auslaufendes Ende eines trapez- oder quaderförmigen Verbindungsstegs realisiert sein kann. Ferner ist es vorgesehen, dass der zweite Kontaktbereich in der Art ausgebildet ist, dass er den Venting-Bereich der zu kontaktierenden Batterieeinzelzelle in Umfangsrichtung teilweise umgreift. Der zweite Kontaktbereich kann also beispielsweise C-förmig, halbkreisförmig oder dergleichen ausgestaltet sein, um den Venting-Bereich zumindest teilweise zu umgreifen. Gemäß der Erfindung ist das wenigstens eine Strömungsleitelement als Teil dieses zweiten Kontaktbereichs ausgebildet. Die Anordnung, bei welcher dieser Kontaktbereich den Venting-Bereich umfangsseitig zumindest teilweise umgreift, erlaubt es nun, dass in diesem Bereich ebenfalls angeordnete Strömungsleitelement mit diesem zweiten Kontaktbereich integriert auszubilden. Im einfachsten Fall des Kragens, kann der Kontaktbereich also an seinem dem Venting-Bereich zugewandten Ende einfach nach oben gewölbt realisiert sein. Auch könnten hier entsprechende Strömungsleitpins, Stäbe, ein Gitter oder dergleichen angeordnet sein.
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Das wenigstens eine Strömungsleitelement kann dabei um mehr als die Hälfte des Umfangs des Venting-Bereichs herum angeordnet sein. Ein solcher Abschnitt von beispielsweise zwei Dritteln des Umfangs ist ideal, um die Venting-Gase zuverlässig von benachbarten Batterieeinzelzellen abzuleiten.
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Eine weitere sehr günstige Ausgestaltung kann es außerdem vorsehen, dass das wenigstens eine Strömungsleitelement in etwa senkrecht zur Fläche des Venting-Bereichs ausgebildet ist. Hierdurch ist es möglich die Venting-Gase entweder zuverlässig zu zerstreuen oder vorzugsweise senkrecht von der Venting-Fläche und damit senkrecht von den Batterieeinzelzellen des Batteriemoduls abzulenken. Die Venting-Gase gelangen so nicht oder zumindest nicht bevor sie sich ausreichend abgekühlt haben in den kritischen Bereich der benachbarten Batterieeinzelzellen.
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Eine weitere sehr günstige Ausgestaltung des Batteriemoduls gemäß der Erfindung kann es dabei vorsehen, dass das wenigstens eine Strömungsleitelement als Teil des Zellgehäuses und/oder als Teil eines Batteriegehäuses ausgebildet ist. Das Strömungsleitelement kann also ganz oder teilweise auf das Zellgehäuse aufgebracht oder einstückig aus dem Material des Zellgehäuses realisiert werden. Dieses Strömungsleitelement kann dabei mit entsprechenden Gegenelementen des Batteriegehäuses zusammenspielen oder kann auch ausschließlich durch entsprechende Elemente des Batteriegehäuses gebildet werden, welche so weit in den Bereich der Zellgehäuse ragen, dass sie den gewünschten Effekt ermöglichen.
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Wie oben bereits erwähnt kann das wenigstens eine Strömungsleitelement in Form von einzelnen Stäben oder eines Gitters ausgebildet sein. Die Strömung wird dann zerstreut, um so ihre Abkühlung zu beschleunigen und die Konzentration der Gase und damit die Konzentration des thermischen Energieinhalts der Gase über einen größeren Flächenbereich zu verteilen.
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Alternativ hierzu kann es gemäß einer weiteren sehr vorteilhaften Ausgestaltung vorgesehen sein, dass das wenigstens eine Strömungsleitelement in Form eines Kragens ausgebildet ist. Ein solcher Kragen wäre also im Gegensatz zu den Stäben oder Gittern ein durchgehendes Strömungsleitelement aus einem Materialstreifen, welches vorzugsweise im Bereich des Zellgehäuses hochsteht, um so seitlich von den ausströmenden Venting-Gasen angeströmt zu werden und diese entsprechend nach oben abzuleiten.
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Dieser Kragen kann gemäß einer sehr vorteilhaften Weiterbildung als Teil des Zellverbinders einstückig mit diesem ausgebildet sein. Die Integration eines solchen Kragens als Strömungsleitelement in den Zellverbinder ist besonders einfach und effizient. Die Integration in den Zellverbinder, welche nicht nur bei dem Kragen, sondern auch bei den Stäben oder dem Gitter prinzipiell möglich ist, ermöglicht einen außerordentlich einfachen Aufbau, welcher auch bei herkömmlichen Batterieeinzelzellen effizient zum Einsatz kommen kann. Es bedarf hier lediglich einer geringfügigen Anpassung des Zellverbinders, welche sehr viel einfacher umzusetzen und zu realisieren ist als eine entsprechende Änderung von Zellgehäusen der Batterieeinzelzellen.
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Der zweite Kontaktbereich selbst kann dabei gemäß einer sehr vorteilhaften Weiterbildung C-förmig ausgebildet sein, wobei der Verbindungssteg an der der Öffnung des C's gegenüberliegenden Seite angeordnet ist, sodass von dem Verbindungssteg aus das C den Venting-Bereich entsprechend umgreifen kann.
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Der Einsatz des wenigstens einen Strömungsleitelements bzw. gemäß der besonders günstigen Ausgestaltung eines Zellverbinders mit integriertem Strömungsleitelement kann dabei bei jeder Bauart von Batterieeinzelzellen zum Einsatz kommen. Die Zellen können also beispielsweise prismatische Batterieeinzelzellen sein. Von besonderem Vorteil ist der beschriebene Aufbau jedoch dann, wenn, und so ist es gemäß einer sehr vorteilhaften Ausgestaltung des Batteriemoduls gemäß der Erfindung vorgesehen, die Batterieeinzelzellen zylindrisch ausgebildet sind. Solche Rundzellen können dann den Venting-Bereich mit dem ersten Batteriepol mittig in einer der Stirnseiten aufweisen, wobei das Zellgehäuse selbst den zweiten Batteriepol ausbildet, sodass also an jeder beliebigen Stelle des Zellgehäuses der zweite Kontaktbereich des Zellverbinders angebracht werden kann. Besonders günstig ist es dann, wenn der Zellverbinder mit dem C-förmigen Abschnitt ausgebildet ist, welcher beispielsweise einen hochgestellten Kragen trägt, und um den Venting-Bereich der einen Batterieeinzelzelle angeordnet ist. Der Verbindungssteg mit dem zweiten Kontaktbereich kann dann durch den freibleibenden Teil des Umfangs des benachbarten Zellverbinders zu dem im Venting-Bereich liegenden Batteriepol der benachbarten Batterieeinzelzelle ragen.
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Weitere vorteilhafte Ausgestaltungen des Batteriemoduls gemäß der Erfindung ergeben sich auch aus dem Ausführungsbeispiel, welches nachfolgend unter Bezugnahme auf die Figuren näher beschrieben ist.
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Dabei zeigen:
- 1 ein beispielhaftes Batteriemodul in einem Aufbau gemäß dem Stand der Technik;
- 2 das Batteriemodul gemäß 1 mit geöffnetem Venting-Bereich der mittleren Batterieeinzelzelle;
- 3 eine erfindungsgemäße Ausgestaltung eines Batteriemoduls; und
- 4 die Ausgestaltung des Batteriemoduls gemäß 3 mit geöffnetem Venting-Bereich der mittleren Batterieeinzelzelle.
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In der Darstellung der 1 ist ein in seiner Gesamtheit mit 1 bezeichnetes Batteriemodul zu erkennen. Der hier dargestellte Ausschnitt des Batteriemoduls 1 umfasst dabei sieben jeweils mit 2 bezeichnete Batterieeinzelzellen. Dabei sind einige dieser Batterieeinzelzellen 2 über mit 3 bezeichnete Zellverbinder elektrisch miteinander verbunden, hier sind jeweils drei der Batterieeinzelzellen 2 rein beispielhaft in Reihe verschaltet. Die zylindrischen Zellgehäuse der als Rundzellen ausgebildeten Batterieeinzelzellen 2 umfassen an ihrer oberen Stirnseite jeweils eine Sollbruchstelle 4, welche lediglich an der hinten in der Mitte dargestellten Batterieeinzelzelle 2, welche ohne einen Zellverbinder 3 dargestellt ist, mit einem Bezugszeichen versehen ist. Innerhalb dieser Sollbruchstelle 4 liegt ein mit 5 bezeichneter Venting-Bereich, welcher im Falle eines Überdrucks im Inneren der Batterieeinzelzelle 2 aufreißt, sodass die den Überdruck verursachenden Gase abgeblasen werden können. Zentral in diesem Venting-Bereich 5 ist dabei einer der Batteriepole 6, typischerweise der positive Batteriepol, angeordnet. Der den Venting-Bereich 5 umgebende äußere ringförmige Abschnitt des Zellgehäuses bildet dabei den anderen Batteriepol 7, typischerweise also den negativen Batteriepol.
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Die Zellverbinder 3 umfassen jeweils einen ersten Kontaktbereich 8, welcher zur elektrischen Kontaktierung mit dem ersten Batteriepol 6 ausgebildet ist und einen zweiten Kontaktbereich 9, welcher dementsprechend zur Kontaktierung mit dem Batteriepol 7 ausgebildet ist. Der zweite Kontaktbereich 9 ist dabei im Wesentlichen C-förmig ausgebildet und umgibt den Venting-Bereich 5 um in etwa zwei Drittel seines Umfangs. Der erste Kontaktbereich 8 und der zweite Kontaktbereich 9 sind über einen mit 10 bezeichneten Verbindungssteg miteinander verbunden, wobei das eine Ende dieses Verbindungsstegs 10 den Kontaktbereich 8 unmittelbar ausbildet.
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In der Darstellung der 2 wird derselbe Aufbau mit denselben Bezeichnungen nochmals aufgegriffen. Im Gegensatz zur Darstellung in 1 ist hier jedoch der Venting-Bereich 5 der mittleren Batterieeinzelzelle 2 aufgerissen und gibt eine mit 11 bezeichnete Venting-Öffnung frei. Durch die Kontaktierung des im Venting-Bereich 5 angeordneten Batteriepols 6 und dem ersten Kontaktbereich 8 des Zellverbinders 3 entsteht die Venting-Öffnung 11 im Wesentlichen auf der der Zuführung des Verbindungsstegs 10 abgewandten Seite des Venting-Bereichs 5, hier also im Wesentlichen auf der linken Seite. Sämtliche Venting-Gase werden dementsprechend nach links oder mit einer primären Strömungsrichtung nach links aus der Venting-Öffnung 11 austreten. Die links in der Mitte dargestellte Batterieeinzelzelle 2 bekommt ebenso wie die links hinten und die vorne in der Mitte dargestellte Batterieeinzelzelle 2 den größten Teil der Venting-Gase und damit der in ihnen enthaltenen thermischen Energie ab. Diese Batterieeinzelzellen 2 werden also besonders hoch belastet, sodass die akute Gefahr besteht, dass auch in diesen Batterieeinzelzellen 2 ein thermisches Ereignis auftritt, sodass deren Venting-Bereich sich öffnet und dort ebenfalls Venting-Gase abströmen. Schlimmstenfalls kann dies zu einer thermischen Kettenreaktion führen, dem sogenannten „thermischen Durchgehen“ des Batteriemoduls 1 bzw. einer aus solchen Batteriemodulen 1 aufgebauten HV-Batterie.
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Um dies nun mit einfachen und effizienten Mitteln zu verhindern sind bei der erfindungsgemäßen Ausgestaltung des Batteriemoduls 1 Strömungsleitelemente 12 vorgesehen. In den Darstellungen der 3 und 4 ist dies an einem besonders effizienten Ausführungsbeispiel exemplarisch gezeigt. Der Aufbau des Batteriemoduls 1 entspricht in der Darstellung der 3 exakt demjenigen der 1 mit dem einzigen Unterschied, dass hier Strömungsleitelemente 12 in Form eines Kragens 12 vorgesehen sind. Nachfolgend wird dabei für die Strömungsleitelemente 12 lediglich der Begriff Kragen 12 verwendet, da in dem hier gewählten Ausführungsbeispiel auch lediglich ein solcher dargestellt ist. Selbstverständlich wären hier andere Formen wie einzelne hochstehende Elemente, ein Gitter oder dergleichen denkbar.
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Der Kragen 12 ist als Teil der Zellverbinder 3, und hier insbesondere als Teil des zweiten Kontaktbereichs 9, ausgebildet. Er ist als nach oben umgekanteter Bereich realisiert, welcher den Venting-Bereich 5 um mehr als die Hälfte seines Umfangs umgibt, sodass lediglich ein Teil des Umfangs frei bleibt, durch welchen der Verbindungssteg 10 des benachbarten Zellverbinders 3 ragen kann. Kommt es nun wieder zu einem Aufreißen der Venting-Öffnung 11, was analog zur Darstellung zur Darstellung in 2 in der Darstellung der 4 bei der mittleren der Batterieeinzelzellen 2 dargestellt ist, dann werden die aus der Venting-Öffnung 11 austretenden Venting-Gase nach oben umgeleitet, wie es auch hier wieder durch die Pfeile dargestellt ist. Die Venting-Gase werden damit also von den benachbarten Batterieeinzelzellen 2 weggeleitet, um so eine Erhitzung derselben durch die Venting-Gase effizient zu verhindern. Der Aufbau kann dabei wie hier dargestellt mit einer Abströmung nach oben ebenso eingesetzt werden wie entsprechend seitlich oder umgedreht, sodass die Venting-Gase nach unten abgeleitet und beispielsweise über einen an sich bekannten Venting-Kanal aus einem das wenigstens eine Batteriemodul 1 umgebenden Batteriegehäuse geführt werden können.