AT526939B1

AT526939B1 - Zellmantelbaugruppe für Batteriezellen

Info

Publication number: AT526939B1
Application number: ATA50492/2023A
Authority: AT
Inventors: Valentini Dipl -Ing Horst; Volck Dipl -Ing Dr Marlena; Geidl Dipl -Wirtsch -Ing Uwe (Fh)
Original assignee: Avl List Gmbh
Priority date: 2023-06-22
Filing date: 2023-06-22
Publication date: 2024-09-15
Also published as: WO2024259467A1; DE112024001351A5; AT526939A4

Abstract

Die vorliegende Erfindung betrifft eine Zellmantelbaugruppe (100) zur Ummantelung von wenigstens einer Batteriezelle (10), die einen Zellrahmen (20) für eine Einfassung wenigstens einer Batteriezelle (10) und einen Zellmantel (30 für eine gasabgrenzende Versiegelung der wenigstens einen Batteriezelle (10) in der Zellmantelbaugruppe (100) aufweist. Erfindungsgemäß weist die Zellmantelbaugruppe (100) wenigstens eine geschlossene Druckentlastungsöffnung (23) auf, die in dem Zellrahmen (20) ausgebildet ist, wobei ein Umfang der Druckentlastungsöffnung (23) eine Sollbruchstelle (33) in einem die wenigstens eine Druckentlastungsöffnung (23) verschließenden Abschnitt des Zellmantels (30) und/oder des Zellrahmens (20) definiert, für ein druckentlastendes Öffnen der gasabgrenzenden Zellmantelbaugruppe (100).

Description

Beschreibung

ZELLMANTELBAUGRUPPE FÜR BATTERIEZELLEN

[0001] Die vorliegende Erfindung betrifft eine Zellmantelbaugruppe zur Ummantelung von wenigstens einer Batteriezelle sowie ein Batteriesystem, in der wenigstens eine solche Zellmantelbaugruppe mit Batteriezelle aufgenommen ist.

[0002] Es ist bekannt, dass Batteriezellen in einem Batteriespeicher möglichst platzsparend benachbart angeordnet sind, um eine hohe volumetrische Energiedichte zu erzielen. Zudem werden die Batteriezellen zumeist mit einer vorbestimmten Anzahl oder einer elektrischen Serienschaltung zu einem vorbestimmten Ausgangsspannung in Modulen zusammengefasst, die im Falle von vorzeitigen Fehlfunktionen an Zellen einen Austausch der Zellen oder des Moduls ermöglichen. Neben den zylindrischen Zellen sind ebenso prismatische Zellen, insbesondere in Form eines Quaders, oder Pouchzellen, also taschenförmige Zellen, die annähernd die Form eines Quaders einnehmen, bekannt. Die quaderförmigen Zellen haben den Vorzug, dass sie sich anhand der parallelen Kanten und Flächen praktisch ohne Toträume besonders platzsparend gruppieren lassen, solange eine ausreichende Wärmeabfuhr durch ein Kühlsystem der entsprechend dichten Anordnung gewährleistet werden kann.

[0003] Neben einer ausreichenden Kühlmittelversorgung mit Wärmeübergängen, stellen dichte Anordnungen von Zellen eine Herausforderung an eine sichere Entgasung im Falle eines thermischen Vorfalls in einer Zelle dar, wobei es eine Ausbreitung hoher Temperaturen auf benachbarte Zellen sowie ein Auslösen einer thermischen Kettenreaktion, d.h. eines Thermal Runaways dringend zu verhindern gilt. Diese sicherheitsrelevante konstruktive Aufgabe gestaltet sich umso schwieriger, je dichter die Zellen angeordnet sind. Ferner sind eine Komplexität der Konstruktion und die dementsprechenden Herstellungskosten umso kritischer zu bewerten, je höher eine Anzahl einzelner Zellen ist, an denen selbst oder seitens des Batteriespeichers konstruktive Merkmale zur Bereitstellung der sicheren Entgasung herzustellen sind.

[0004] So sind beispielsweise Konstruktionen mit getrennten Gehäusekammern zur gruppierten Aufnahme von Zellen in einem Gehäuse eines Moduls o.ä. mit internen, den Kammern zugeordneten Strömungswegen für eine Entgasung bekannt.

[0005] Eine dementsprechende Konstruktion sieht jedoch keine individuelle Unterteilung zwischen einzelnen Zellen vor, sie ist kostenintensiv und sie erschwert anhand abgeschlossener Gehäusekammern einen Zugriff auf die Zellen im Falle von Wartungsarbeiten oder einem Austausch von Zellen.

[0006] Es ist eine Aufgabe der Erfindung, eine Technik zu schaffen, die eine gezielt gerichtete Abführung einer Entgasung und deren thermische Energie auf Basis von Sicherheitsmechanismen an einzelnen Zellen bei einem verhältnismäßig geringen Herstellungsaufwand ermöglicht.

[0007] Die voranstehende Aufgabe wird gelöst durch eine Zellmantelbaugruppe mit den Merkmalen des Anspruchs 1, sowie darauf aufbauend, ein Batteriesystem nach Anspruch 15, das die Zellmantelbaugruppe mit den Merkmalen des Anspruchs 1 umfasst. Weitere Merkmale und Details der Erfindung ergeben sich aus den Unteransprüchen, der Beschreibung und den Zeichnungen.

[0008] Gemäß dieser Offenbarung umfasst der Begriff des Definierens einer Sollbruchstelle sowohl ein Umgrenzen einer Fläche der Sollbruchstelle als auch ein Ausbilden einer Struktur der Sollbruchstelle durch lokal unterschiedliche, insbesondere herabgesetzte Materialstärken.

[0009] Die Zellmantelbaugruppe dient zur Ummantelung von wenigstens einer Batteriezelle und setzt sich u.a. aus einem Zellrahmen und einem Zellmantel zusammen. Der Zellrahmen wird aus wenigstens einem Profilelement ausgebildet und umschließt zumindest teilweise einen Umfang der wenigstens einen Batteriezelle, wodurch eine Einfassung der wenigstens einen Batteriezelle in einer tragenden Struktur bereitgestellt wird. Der Zellmantel wird aus wenigstens einem formflexiblen Schichtelement ausgebildet und umschließt vollflächig zumindest alle freiliegenden

Oberflächen der wenigstens einen Batteriezelle, die nicht von dem Zellrahmen umschlossen sind, wodurch eine gasabgrenzende Versiegelung der wenigstens einen Batteriezelle in der Zellmantelbaugruppe bereitgestellt wird.

[0010] Erfindungsgemäß weist die Zellmantelbaugruppe wenigstens eine geschlossene Druckentlastungsöffnung auf, die in dem Zellrahmen ausgebildet ist. Ein Umfang der Druckentlastungsöffnung definiert eine Sollbruchstelle in einem die wenigstens eine Druckentlastungsöffnung verschließenden Abschnitt des Zellmantels und/oder des Zellrahmens, wodurch ein druckentlastendes Öffnen der gasabgrenzenden Zellmantelbaugruppe hergestellt wird.

[0011] Die Erfindung sieht somit erstmals eine tragende Rahmenstruktur zur Aufnahme einer vorzugsweise flexibel ummantelten Batteriezelle vor, an der Schwachstellen in Bezug auf einen Druck und eine Ausrichtung einer Entgasung für einen thermischen Vorfall ausgeformt sind. Diese Schwachstellen können durch einfache Ausgestaltungen wie z.B. Bohrungen oder ausgeformte Durchbrüche in dem Rahmen definiert sein, die von einem vorzugsweise dünnen verbleibenden Material überdeckt werden, oder durch ein innerhalb deren Öffnungen verbleibenden Material von vorzugsweise dünner Materialstärke verschlossen sind.

[0012] Mit anderen Worten wird eine drucksensible Freigabe einer Entgasung basierend auf einer umgrenzten und positionierten Schwachstelle in Bezug auf den Zellmantel oder den Zellrahmen oder vorzugsweise in Bezug auf eine gemeinsame Verbundanordnung aus Zellmantel und Zellrahmen gebildet.

[0013] Mehrere Vorteile der Erfindung bestehen in dem geringen Materialeinsatz und Gewicht sowie dem geringen Herstellungsaufwand und Kosten der erfindungsgemäßen Zellmantelanordnung, die auf dem Prinzip einer flexiblen Bespannung und einem stabilisierenden Rahmen basiert, mit dem genannten erfindungsgemäßen Sicherheitsmechanismus.

[0014] Durch den einfachen Aufbau kann der erfindungsgemäße Sicherheitsmechanismus zur kontrollierten Abführung einer Entgasung, im Wesentlichen ganz ohne weitere Kosten oder weiteren Raumbedarf an dem Rahmen und dem Mantel hergestellt werden. Demnach kann der erfindungsgemäße Aufbau selbst auf einer Systemebene in Bezug auf jede einzelne Zelle umgesetzt werden, auch in einer räumlich dichten Anordnung von vorzugsweise prismatischen und/ oder taschenförmigen Zellen.

[0015] Ein weiterer konstruktiver Vorteil der Erfindung besteht darin, dass jede Zelle, deren Zellkörper im Wesentlichen aus den elektrochemischen Aktivmaterialien besteht, durch den Rahmen eine tragfähige Stabilisierung und Aufnahme erhält. Durch den Rahmen wird wiederum eine lokale Festlegung und mechanische Fixierung der Zelle in einem umgebenden System wie einem Batteriemodul möglich. Dabei können ferner räumlich eingrenzende oder gasdichte Unterteilungen, wie z.B. Kammern seitens einer vergleichsweise massiveren Struktur, wie einem Gehäuse des umgebenden Systems entfallen, womit wiederum Gewicht, Material und Kosten eingespart werden.

[0016] Darüber hinaus stellt der Rahmen eine Struktur mit tragfähigen Kantenbereichen und gleichbleibendem Querschnitt dar, die eine kassettenartige Handhabung der Zellmantelanordnung oder eine schubladenartige Handhabung der darin aufgenommenen Zelle in einem entsprechenden Aufnahmesystem ermöglicht. Somit wird eine Bestückung oder ein Austausch der Batteriezellen einschließlich der jeweils verwirklichten Sicherheitsmerkmale an der Ummantelung vereinfacht oder erst ermöglicht.

[0017] Gemäß einem vorteilhaften Aspekt der Erfindung kann der Zellmantel aus einer Kunststofffolie gefertigt sein. Kunststofffolien oder Kunststofffilme sind in großer Auswahl einer Elastizität oder Reißfestigkeit einstellbar. Zudem stellen die günstigen Kosten und die leichte Verarbeitbarkeit weitere Vorteile für einen Zellmantel dar.

[0018] Gemäß einem vorteilhaften Aspekt der Erfindung kann der Zellmantel die wenigstens eine Druckentlastungsöffnung überdecken, wobei die Sollbruchstelle innerhalb des Umfangs der wenigstens einen Druckentlastungsöffnung an dem Zellmantel gebildet wird. In dieser Konstellation wird die Sollbruchstelle an einer Umfangsgrenze zwischen einem freistehenden Abschnitt des

Zellmantels innerhalb der Druckentlastungsöffnung und einem umliegend angrenzenden, von dem Zellrahmen gestützten Abschnitt des Zellmantels gebildet. Somit Bedarf es keines weiteren Bearbeitungsschrittes für eine Modifikation des Zellmantels selbst an der Sollbruchstelle.

[0019] Gemäß einem vorteilhaften Aspekt der Erfindung kann der Zellmantel zu einer Außenseite der wenigstens einen Druckentlastungsöffnung angeordnet sein, und den Zellrahmen zumindest abschnittsweise an einer Außenseite umschließen. In dieser Konstellation wird eine Reihenfolge von Herstellungsschritten für ein Zusammensetzen der Zellmantelbaugruppe vereinfacht.

[0020] Gemäß einem vorteilhaften Aspekt der Erfindung kann der Zellmantel einteilig ausgebildet sein und wenigstens zwei gegenüberliegende Außenflächen der wenigstens einen Batteriezelle und dazwischen eine Außenfläche eines Abschnittes des Zellrahmens, in dem die wenigstens eine Druckentlastungsöffnung ausgebildet ist, überdecken. In dieser Anordnung wird die Herstellung der Zellmantelbaugruppe weiter vereinfacht und Materialeingespart. Ferner wird der Zellmantel im Sinne eines Umschlags spannungsfrei um den Zellrahmen gelegt und verklebt. Im Vergleich zu einem herkömmlichen Tiefziehprozess oder anderen Verarbeitungsmethoden zur Versiegelung eines Körpers mittels einer Folie, bleibt bei dieser Ausführungsform eine Materialstärke des Zellmantels durchgehend konstant und behält homogen über die Fläche seine vorbestimmten mechanischen Eigenschaften.

[0021] Gemäß einem alternativen Aspekt der Erfindung kann der Zellmantel zu einer Innenseite der Druckentlastungsöffnung angeordnet sein, und die wenigstens eine Batteriezelle umschließen. In dieser Konstellation ist eine alternative, vereinfachte Reihenfolge von Herstellungsschritten für ein Zusammensetzen der Zellmantelbaugruppe möglich.

[0022] Gemäß einem vorteilhaften Aspekt der Erfindung kann zumindest ein Teil des Zellrahmens aus einem Kunststoff gefertigt sein. Hierdurch lassen sich zu geringen Kosten die Eigenschaften der Festigkeit variabel einstellen und die Formgebung frei wählen.

[0023] Gemäß einem vorteilhaften Aspekt der Erfindung kann der Zellrahmen aus wenigstens zwei verbindbar ausgebildeten Profilelementen zusammengesetzt sein, welche die wenigstens eine Batteriezelle umschließen. Somit wird eine leicht zu montierende Variante des Zellrahmens auf der Batteriezelle vorgeschlagen.

[0024] Gemäß einem vorteilhaften Aspekt der Erfindung kann ein Teil des Zellrahmens mittels Umspritzen mit Kunststoff der wenigstens einen Batteriezelle gefertigt sein. Somit wird eine weitere, passgenaue und toleranzfreie oder abdichtende Variante des Zellrahmens vorgeschlagen.

[0025] Gemäß einem vorteilhaften Aspekt der Erfindung können in dem Zellrahmen Kontaktausnehmungen ausgebildet sein, für eine Durchführung von Anschlusskontakten der wenigstens einen Batteriezelle zu einer Außenseite des Zellrahmens. Durch die Struktur des Zellrahmens werden die Anschlusskontakte, die zumeist in der Form von Kontaktfahnen vorliegen, im Bereich eines Austritts aus der Zellmantelbaugruppe mechanisch stabilisiert.

[0026] Gemäß einem vorteilhaften Aspekt der Erfindung können die Kontaktausnehmungen mittels Umspritzen mit Kunststoff der Anschlusskontakte der wenigstens einen Batteriezelle gefertigt sein. Somit wird eine weitere, passgenaue und toleranzfreie oder abdichtende Variante des Zellrahmens zumindest in Bezug auf einen Bereich um die Anschlusskontakte der Batteriezelle vorgeschlagen.

[0027] Gemäß einem vorteilhaften Aspekt der Erfindung können die Kontaktausnehmungen und die wenigstens eine Druckentlastungsöffnung auf gegenüberliegenden Seiten der Batteriezelle, vorzugsweise zu gegenüberliegenden Umfangsseiten des Zellrahmens gerichtet, angeordnet sein. Somit ist eine Beabstandung eines Strömungsweges einer Entgasung zu einem möglicherweise hoch erhitzten, wärmeleitenden metallischen Element vorgesehen, um im ungünstigsten Fall eine Entzündung des Gases zu vermeiden.

[0028] Gemäß einem vorteilhaften Aspekt der Erfindung kann die Zellmantelbaugruppe ein Dichtungsmittel aufweisen, das zwischen dem Zellrahmen und dem Zellmantel angeordnet ist, für eine Abdichtung der gasabgrenzenden Zellmantelbaugruppe. In diesem Fall kann eine Dichtigkeit 0-

der einer Haftung zwischen dem Zellrahmen und dem Zellmantel hergestellt oder verbessert werden.

[0029] Gemäß einem vorteilhaften Aspekt der Erfindung kann der Zellrahmen als ein kassettenförmiger Rahmen mit parallelen Außenkanten ausgebildet sein, der einen im Wesentlichen gleichbleibenden Einschubquerschnitt der Zellmantelbaugruppe in Bezug zu einer Einschubrichtung aufweist, für eine geeignete Formgebung eines kassettenartigen Einschubs in einen Aufnahmeschacht. Somit wird eine Aufnahme und Handhabung in Kombination mit einem umgebenden Systemumfeld vereinfacht.

[0030] Gemäß einem vorteilhaften Aspekt der Erfindung wird ferner eine von der erfindungsgemäßen Zellmantelbaugruppe profitierende Ausführungsform eines Batteriesystems vorgeschlagen. Dabei kann das Batteriesystem eine Aufnahmevorrichtung zur Aufnahme wenigstens einer Zellmantelbaugruppe mit einer Batteriezelle umfassen, wobei die Aufnahmevorrichtung einen Abführkanal umfasst, in dem wenigstens eine Abführöffnung ausgebildet ist, zur Abführung einer Entgasung entlang einer vorbestimmten Abführstrecke; und wobei eine Position der wenigstens einen Druckentlastungsöffnung an der in der Aufnahmevorrichtung aufgenommenen Zellmantelbaugruppe, und eine Gegenposition der Abführöffnung an der Aufnahmevorrichtung gegenüberliegend kommunizierend angeordnet sind. Somit wird eine Systemumgebung für eine weiterführende Aufnahme und Ableitung einer Entgasung aus der Batteriezelle geschaffen, die eine fluidverbindende Schnittstelle zusammen mit der Zellmantelbaugruppe herstellt.

[0031] Gemäß einem vorteilhaften Aspekt der Erfindung kann der Abführkanal zu einem Abschnitt des Zellrahmens der aufgenommenen Zellmantelbaugruppe, in der die wenigstens eine Druckentlastungsöffnung ausgebildet ist, parallel verlaufend angeordnet sein, und die Zellmantelbaugruppe in einer Aufnahmeposition fixierend eingrenzen. Somit wird eine in Bezug auf eine Bestückung vereinfachte Handhabung in dem Systemumfeld der Zellmantelbaugruppe geschaffen.

[0032] Gemäß einem vorteilhaften Aspekt der Erfindung kann die Aufnahmevorrichtung ferner einen kühlmittelführenden Abschnitt umfassen, der benachbart zu dem Abführkanal angeordnet ist, für eine Abkühlung einer Entgasung in dem Abführkanal mittels Kühlung eines zumindest zu dem Abführkanal benachbarten Abschnittes der Aufnahmevorrichtung. Somit wird eine weitere thermische Sicherheitsfunktion in Bezug auf die Abführung heißer Gase aus der Batteriezelle geschaffen.

[0033] Weitere Vorteile, Merkmale und Einzelheiten der Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung, in der unter Bezugnahme auf die Zeichnung ein Ausführungsbeispiel im Einzelnen beschrieben ist. Es zeigen schematisch:

[0034] Fig. 1 eine perspektivische Ansicht auf einen Montagezustand der Zellmantelbaugruppe ohne den Zellmantel, wobei der Zellrahmen und eine darin aufgenommene Batteriezelle dargestellt sind;

[0035] Fig. 2 eine perspektivische Ansicht auf einen Montagezustand der Zellmantelbaugruppe, wobei der Zellmantel noch nicht vollständig mit dem Zellrahmen verbunden ist;

[0036] Fig. 3 eine perspektivische Ansicht auf eine Unterseite der Zellmantelbaugruppe, in der eine Anordnung einer Vielzahl von Sollbruchstellen des Folienmantels dargestellt ist;

[0037] Fig. 4 eine perspektivische Ansicht auf eine Aufnahmevorrichtung eines Batteriesystems, in der die Zellmantelbaugruppe einschiebbar aufgenommen wird; und

[0038] Fig. 5 eine Teilansicht aus Fig. 4, in der ein Abführkanal der Aufnahmevorrichtung vergrößert dargestellt ist.

[0039] Fig. 1 zeigt eine Ansicht auf eine prismatische, quaderförmige Batteriezelle 10, die beispielsweise eine Lithium-Ionen Batterie vom Typ einer Solid State (Feststoff-) Batterie oder eines anderen Typs mit flüssigem Elektrolyt ist. Die Batteriezelle 10 weist zwei Anschlusskontakte 11, 12 auf, die in der Form von Kontaktfahnen zu einer oberen Seite aus der Batteriezelle 10 heraus-

treten. Die Umfangsseiten der Batteriezelle 10 sind von einem Zellrahmen 20 umlaufend umschlossen aufgenommen, der Bestandteil einer Zellmantelbaugruppe 100 ist.

[0040] Der Zellrahmen 20 ist in einem Stück aus Kunststoff gegossen und ist über die Umfangsseiten der prismatischen Batteriezelle 10 gezogen oder aufgeschoben. Darüber hinaus ist es auch möglich, die prismatische Batteriezelle 10 in den Zellrahmen 20 einzulegen oder einzuklippen. Ferner umfasst der Zellrahmen 20 zwei Ausnehmungen 21, 22 durch welche die Anschlusskontakte 11, 12 der Batteriezelle zu einer Außenseite herausgeführt sind.

[0041] Zu einer in Fig. 1 nach unten gerichteten Umfangsseite der Batteriezelle 10, die derjenigen Umfangsseite mit den Anschlusskontakte 11, 12 gegenüberliegt, sind in dem Zellrahmen 20 eine Vielzahl von kleinen Druckentlastungsöffnungen 23 ausgebildet. Die Druckentlastungsöffnungen 23 erstrecken sich in der dargestellten Ausführungsform durchgängig durch den Zellrahmen 20, sodass in einer nach unten gerichteten Umfangsrichtung eine Fluidverbindung durch den Zellrahmen 20 hindurch, zwischen der Batteriezelle 10 und einer Außenseite des Zellrahmens 20 oder Zellmantelbaugruppe 100 hergestellt ist.

[0042] Fig. 2 zeigt einen Montageschritt, bei dem ein Zellmantel 30, der ein weiterer Bestandteil der Zellmantelbaugruppe 100 ist, auf den Zellrahmen 20 und die darin aufgenommene Batteriezelle 10 aufgebracht wird. Der Zellmantel 30 ist aus einer Kunststofffolie hergestellt. In der dargestellten Ausführungsform ist der Zellmantel 30 aus einem Stück hergestellt und umgibt den nach unten gerichteten Rahmenabschnitt, in dem die Druckentlastungsöffnungen 23 eingebracht sind, sowie die zwei gegenüberliegenden, freiliegenden Seitenflächen der Batteriezelle 10. Dabei wird der in Form einer Kunststofffolie bereitgestellte Zeilmantel 30 im Sinne eines Umschlags spannungsfrei auf dem Zellrahmen 20 und der Batteriezelle 10 appliziert und zumindest abschnittsweise verklebt. Zwischen dem Zellrahmen 20 und dem Zellmantel 30 ist ein Dichtungsmittel 40 zur gasdichten Abdichtung eines Innenraumes der Zellmantelbaugruppe 100 aufgebracht, in dem die Batteriezelle 10 aufgenommen ist. In einer Ausführungsform können eine Verklebung und eine Abdichtung des Zellmantels 30 an dem Zellrahmen 20 durch ein und das gleiche Dichtungsmittel 40 realisiert sein. Nach diesem Montageschritt überdeckt der Zellmantel 30 die nach unten gerichtete Umfangsseite des Zellrahmens 20, in dem die Druckentlastungsöffnungen 23 angeordnet sind, und verschließt selbige.

[0043] In Fig. 3 ist eine untere Seite der Zellmantelbaugruppe 100 dargestellt, bei der aufgrund eines thermischen Vorfalls ein Verbrennungsgas aus der Batteriezelle 10 in die Zellmantelgruppe 100 ausgetreten ist. Der Zellmantel 30, der die Druckentlastungsöffnungen 23 zu der Umfangsseite des Zellrahmens 20 verschließt, ist in diesem Bereich partiell unterschiedlichen Belastungen ausgesetzt. So werden solche Abschnitte des Zellmantels 30, welche an die DruckentlastungsÖffnungen 23 angrenzen, durch den Zellrahmen 20 verdeckt und durch dessen Struktur gestützt. Solche Abschnitte des Zellmantels 30, welche die Druckentlastungsöffnungen 23 überspannen, sind hingegen ohne Abstützung freistehend der Druckdifferenz zwischen dem kritischen Innendruck und dem Außendruck ausgesetzt. Dadurch wird an einer Grenze des Umfangs der Druckentlastungsöffnungen 23 eine strukturelle Sollbruchstelle 33 der Zellmantelbaugruppe 100 gebildet. Dabei weist in der dargestellten Ausführungsform der Zellmantel 30, der in Form eines Kunststofffilms oder -folie bereitgestellt ist, durchgängig eine konstante Materialstärke auf. Die strukturelle Sollbruchstelle 33 an dem Zellmantel 30 basiert in dieser Ausführungsform auf einer unterschiedlichen Materialstärke in Bezug auf eine Verbundanordnung aus dem Zellrahmen 20 und dem Zellmantel 30. In der Darstellung von Fig. 3 sind unter der Druckdifferenz sämtliche dieser Sollbruchstellen 33, die jeweils mit einer der Druckentlastungsöffnungen 23 in dem darunter liegenden Zellrahmen 20 korrespondieren, in dem Zellmantel 30 aufgerissen, wonach eine Entgasung zur Außenseite erfolgt und ein Druckausgleich auftritt.

[0044] Fig. 4 zeigt einen Ausschnitt aus einem Systemumfeld eines Batteriesystems 200, wie einem Batteriemodul oder einem Batteriespeicher mit einer Vielzahl von Batteriezellen 10. Der dargestellte Ausschnitt zeigt einen Teil einer Aufnahmevorrichtung 210 des Batteriesystems 200, der zur Aufnahme einer Zellmantelgruppe 100 mit Batteriezelle 10 in einer Aufnahmeposition dient. Hierzu ist die Zeillmantelgruppe 100 von einer Seite in die Aufnahmeposition einschiebbar

oder einlegbar und durch eine elektrische Kontaktierung (nicht weiter dargestellt) elektrisch verbindbar.

[0045] Angrenzend zu der unteren Umfangsseite der Zellmantelbaugruppe 100, zu der mit den Druckentlastungsöffnungen 23 korrespondierenden Sollbruchstellen 33 angeordnet sind, weist die Aufnahmevorrichtung 210 einen Abführkanal 220 auf. Der Abführkanal 220 dient im Falle eines Offnens des Sollbruchstellen 33 zum Abführen der Entgasung aus der Zellmantelbaugruppe 100, um eine thermische Last des heißen Verbrennungsgases über einen gezielten Abführweg abzuführen. Ein solcher Abführweg vermeidet insbesondere eine Unterquerung von benachbarten Batteriezellen 10 oder eine sonstige Nähe zu anderen Batteriezellen 10, um eine thermische Kettenreaktion zu vermeiden.

[0046] Wie in Fig. 5 gezeigt, sind an einer auf die Zellmantelbaugruppe 100 zuweisenden Fläche des Abführkanals 220 Abführöffnungen 223 ausgebildet, die gegenüberliegend zu und vorzugsweise jeweils in einer Linie fluchtend mit den Druckentlastungsöffnungen 23 in dem Zellrahmen 20 und den korrespondierenden Sollbruchstellen 33 des Zellmantels 30 positioniert sind. Genau genommen ergibt sich in dieser Konstellation ein jeweiliger Kanal zwischen einer Druckentlastungsöffnung 23 und einer Abführöffnung 223, dessen Strömungsquerschnitt lediglich durch einen Kunststofffilm des Zellmantels 30, der zwischen dem Zellrahmen 20 einerseits und dem Abführkanal 220 andererseits festgelegt wird, verschlossen ist. Demnach trägt in der Aufnahmeposition der Zellmantelbaugruppe 100 in der Aufnahmevorrichtung 210 ein strömungsabwärts gerichteter Umfang der Abführöffnung 223 ebenfalls zur strukturellen Bildung einer Sollbruchstelle 33 des in diesem Zustand beidseitig festgelegten Zellmantels 30 bei.

[0047] Darüber hinaus ist in der Aufnahmevorrichtung 210 ein kühlmittelführender Abschnitt 230 eines Kühlkreislaufs des Batteriesystems 200 integriert. Der kühlmittelführender Abschnitt 230 kühlt eine Umgebung der Aufnahmeposition der Zellmantelbaugruppe 100 in der Aufnahmevorrichtung 210 sowie eine Umgebung des Abführkanals 220. Demzufolge wird auch ein austretendes heißes Verbrennungsgas im Falle einer abgeführten Entgasung aus der Zellmantelbaugruppe 100 entlang des Abführkanals 220 zumindest indirekt abgekühlt, wodurch eine thermische Ausbreitung in dem Batteriesystem verringert wird.

[0048] Nachfolgend werden ferner alternative Ausgestaltungen von nicht dargestellten Ausführungsformen beschrieben.

[0049] Alternativ zu der beschriebenen Ausführungsform kann der Zellrahmen 20 aus zwei Teilen hergestellt werden, die um die Umfangsseiten der Batteriezelle 10 herum zusammengesteckt und formschlüssig verbunden werden. Alternativ kann der die Ausnehmungen 21, 22 umfassende Abschnitt des Zellrahmens 20 durch ein Umspritzen der Anschlusskontakte 11, 12 der Batteriezelle 10 mit einem spritztechnisch geeigneten Kunststoff hergestellt werden, oder der gesamte Zellrahmen 20 durch ein Umspritzen der Umfangsseiten der Batteriezelle 10 hergestellt werden.

[0050] In einer alternativen Ausführungsform können die Druckentlastungsöffnungen 23 derart ausgestaltet sein, dass sie nicht vollständig durchgängig durch einen Querschnitt des Zellrahmens 20 eingebracht sind, so dass eine geringe Materialstärke des Zellrahmens 20 verbleibt und die Druckentlastungsöffnungen 23 verschließt. Eine strukturelle Sollbruchstelle 33, die bei Überschreiten eines kritischen Innendrucks in der Zellmantelbaugruppe 100 aufbricht, wird demnach an einer Grenze des Umfangs der Druckentlastungsöffnungen 23 zwischen der Materialstärke des Vollprofils des Zellrahmens 20 und der geringen verbleibenden Materialstärke innerhalb der Druckentlastungsöffnungen 23 gebildet. In dieser Ausführungsform ist eine Uberdeckung der Druckentlastungsöffnungen 23 oder des entsprechenden Rahmenabschnitts durch den Zellmantel 30 nicht erforderlich. In einer weiteren alternativen Ausführungsform kann eine zusätzliche UÜberdeckung der Druckentlastungsöffnungen 23 durch den Zellmantel 30 vorhanden sein.

BEZUGSZEICHENLISTE

10 Batteriezelle

11 Anschlusskontakt

12 Anschlusskontakt

20 Zellrahmen

21 Ausnehmung für Anschlusskontakt 22 Ausnehmung für Anschlusskontakt 23 Druckentlastungsöffnung

30 Zellmantel

33 Sollbruchstelle

40 Dichtungsmittel

100 Zellmantelbaugruppe

200 Batteriesystem

210 Aufnahmevorrichtung

220 Abführkanal

223 Abführöffnung

230 kühlmittelführenden Abschnitt

Claims

Patentansprüche

1. Zellmantelbaugruppe (100) zur Ummantelung von wenigstens einer Batteriezelle (10), aufweisend:

einen Zellrahmen (20), der aus wenigstens einem Profilelement ausgebildet ist, und der einen Umfang der wenigstens einen Batteriezelle (10) zumindest teilweise umschließt, für eine Einfassung der wenigstens einen Batteriezelle (10) in einer tragenden Struktur; und

einen Zellmantel (30), der aus wenigstens einem formflexiblen Schichtelement ausgebildet ist, und der zumindest alle freiliegenden Oberflächen der wenigstens einen Batteriezelle (10), die nicht von dem Zellrahmen (20) umschlossen sind, vollflächig umschließt, für eine gasabgrenzende Versiegelung der wenigstens einen Batteriezelle (10) in der Zellmantelbaugruppe (100);

dadurch gekennzeichnet, dass

die Zellmantelbaugruppe (100) wenigstens eine geschlossene Druckentlastungsöffnung (23) aufweist, die in dem Zellrahmen (20) ausgebildet ist, wobei ein Umfang der Druckentlastungsöffnung (23) eine Sollbruchstelle (33) in einem die wenigstens eine DruckentlastungsÖffnung (23) verschließenden Abschnitt des Zellmantels (30) und/oder des Zellrahmens (20) definiert, für ein druckentlastendes Öffnen der gasabgrenzenden Zellmantelbaugruppe (100).

2. Zellmantelbaugruppe (100) nach Anspruch 1, wobei der Zellmantel (30) aus einer Kunststofffolie gefertigt ist.

3. Zellmantelbaugruppe (100) nach Anspruch 1 oder 2, wobei der Zellmantel (30) die wenigstens eine Druckentlastungsöffnung (23) überdeckt, und die Sollbruchstelle (33) innerhalb des Umfangs der wenigstens einen Druckentlastungsöffnung (23) an dem Zellmantel (30) gebildet wird.

4. Zellmantelbaugruppe (100) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei der Zellmantel (30) zu einer Außenseite der wenigstens einen Druckentlastungsöffnung (23) angeordnet ist, und den Zellrahmen (20) zumindest abschnittsweise an einer Außenseite umschließt.

5. Zellmantelbaugruppe (100) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei der Zellmantel (30) einteilig ausgebildet ist und wenigstens zwei gegenüberliegende Außenflächen der wenigstens einen Batteriezelle (10) und dazwischen eine Außenfläche eines Abschnittes des Zellrahmens (20), in dem die wenigstens eine Druckentlastungsöffnung (23) ausgebildet ist, überdeckt.

6. Zellmantelbaugruppe (100) nach einem der Ansprüche 1 bis 3, wobei der Zellmantel (30) zu einer Innenseite der Druckentlastungsöffnung (23) angeordnet ist, und die wenigstens eine Batteriezelle (10) umschließt.

7. Zellmantelbaugruppe (100) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei zumindest ein Teil des Zellrahmens (20) aus einem Kunststoff gefertigt ist.

8. Zellmantelbaugruppe (100) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei der Zellrahmen (20) aus wenigstens zwei verbindbar ausgebildeten Profilelementen zusammengesetzt ist, welche die wenigstens eine Batteriezelle (10) umschließen.

9. Zellmantelbaugruppe (100) nach Anspruch 7, wobei zumindest ein Teil des Zellrahmens (20) mittels Umspritzen mit Kunststoff der wenigstens einen Batteriezelle (10) gefertigt ist.

10. Zellmantelbaugruppe (100) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei in dem Zellrahmen (20) Kontaktausnehmungen (21, 22) ausgebildet sind, für eine Durchführung von Anschlusskontakten (11, 12) der wenigstens einen Batteriezelle (10) zu einer Außenseite des Zellrahmens (20).

11. Zellmantelbaugruppe (100) nach Anspruch 7 und 10, wobei die Kontaktausnehmungen (21, 22) mittels Umspritzen mit Kunststoff der Anschlusskontakte (11, 12) der wenigstens einen Batteriezelle (10) gefertigt sind.

12. Zellmantelbaugruppe (100) nach Anspruch 10, wobei die Kontaktausnehmungen (21, 22) und die wenigstens eine Druckentlastungsöffnung (23) auf gegenüberliegenden Seiten der Batteriezelle (10), vorzugsweise zu gegenüberliegenden Umfangsseite des Zellrahmens (20) gerichtet, angeordnet sind.

13. Zellmantelbaugruppe (100) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, ferner aufweisend ein Dichtungsmittel (40), das zwischen dem Zellrahmen (20) und dem Zellmantel (30) angeordnet ist, für eine Abdichtung der gasabgrenzenden Zellmantelbaugruppe (100).

14. Zellmantelbaugruppe (100) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei der Zellrahmen (20) als ein kassettenförmiger Rahmen mit parallelen Außenkanten ausgebildet ist, der einen im Wesentlichen gleichbleibenden Einschubquerschnitt der Zellmantelbaugruppe (100) in Bezug zu einer Einschubrichtung aufweist, für eine geeignete Formgebung eines kassettenartigen Einschubs in einen Aufnahmeschacht.

15. Batteriesystem (200) mit einer Aufnahmevorrichtung (210) zur Aufnahme wenigstens einer Zellmantelbaugruppe (100) mit Batteriezelle (10) nach einem der vorhergehenden Ansprüche; wobei

die Aufnahmevorrichtung (210) einen Abführkanal (220) umfasst, in dem wenigstens eine Abführöffnung (223) ausgebildet ist, zur Abführung einer Entgasung entlang einer vorbestimmten Abführstrecke; wobei

eine Position der wenigstens einen Druckentlastungsöffnung (23) an der in der Aufnahmevorrichtung (210) aufgenommenen Zellmantelbaugruppe (100), und eine Gegenposition der Abführöffnung (223) an der Aufnahmevorrichtung (210) gegenüberliegend kommunizierend angeordnet sind

16. Batteriesystem (200) nach Anspruch 15, wobei der Abführkanal (220) zu einem Abschnitt des Zellrahmens (20) der aufgenommenen Zellmantelbaugruppe (100), in der die wenigstens eine Druckentlastungsöffnung (23) ausgebildet ist, parallel verlaufend angeordnet ist, und die Zellmantelbaugruppe (100) in einer Aufnahmeposition fixierend eingrenzt.

17. Batteriesystem (200) nach Anspruch 15 oder 16, wobei die Aufnahmevorrichtung (210) ferner einen kühlmittelführenden Abschnitt (230) umfasst, der benachbart zu dem Abführkanal (220) angeordnet ist, für eine Abkühlung einer Entgasung in dem Abführkanal (220) mittels Kühlung eines zumindest zu dem Abführkanal (220) benachbarten Abschnitt der Aufnahmevorrichtung (210).

Hierzu 5 Blatt Zeichnungen