包含膜片状的侧面的电池容器及其制造方法与流程

文档序号:11161603
包含膜片状的侧面的电池容器及其制造方法与制造工艺

能够预见,不仅在固定式应用、例如在风力发电设备中而且在移动式应用、例如在电动车辆(electric vehicle,EV)或者混合动力车辆(hybrid electric vehicle,HEV)中,作为能够再充电的电能存储器(EES),会越来越多地使用新的电池系统(蓄电池系统),所述新的电池系统例如具有锂离子蓄电池、锂聚合物蓄电池或者镍金属混合物蓄电池(Nickel-Metallhybrid-Akkumulatoren)。

电池系统包括多个电池单池、例如柱体的或者棱柱体的电池单池。所述电池单池由于其单池内阻和进行的电化学过程而在充电和放电期间会变热。所述电池单池能够串联(串接)以提高电压并且/或者并联以提高最大电流。在此,能够将所述电池单池组合成电池模块或者电池单元。在用于驱动运输工具时,例如能够将大约100个电池单池(作为牵引电池)串联或者并联。

锂离子电池单池包括正极(阴极)和负极(阳极),所述正极和负极能够在充电时可逆地移入(嵌入)锂离子(Li+)或者在放电时又移出(脱嵌)锂离子(Li+)。由此,在充电/放电时产生所述电极的周期性的体积变化,所述周期性的体积变化能够处于大约10%到大约30%的范围内。所述电极的体积变化在所述电极和所述电池单池中引起机械功,所述机械功引起所述电池单池的更快的老化并且由此缩短所述电池单池的使用寿命。此外,所述电极在所述电池单池的寿命期间“膨胀”,由此在所述寿命期间引起所述电极和电池单池的连续的体积增大。柱体的电池单池(圆形单池)由于其绕线几何形状在一定程度上是稳定的,而棱柱体的电池单池和囊式单池则要通过来自外部的力来稳定,所述来自外部的力反作用于所述体积增大。所述力例如能够通过在电池模块的包装框架中张紧所述电池单池这种方式来引起。

图1示出了根据现有技术的电池模块10的示意性的俯视图。

所述电池模块10包括多个并排布置的、棱柱体的电池单池1001…1004和包装框架,所述包装框架包括第一端板2101、第二端板2102、第一张紧带2201和第二张紧带2202并且包围和张紧所述多个棱柱体的电池单池1001…1004。所述电池模块10的制造例如能够包括:将所述多个电池单池1001…1004布置在所述第一端板2101与所述第二端板2102之间;将外部的力施加到所述端板2101、2102上以用于将所述多个电池单池1001…1004接合起来;并且例如借助于多个焊接连接部21511…21522将所述张紧带2201、2202固定在所述端板2101、2102上以用于保持力9201、9202,所述力9201、9202反作用于多个被接合的电池单池1001…1004的力。

在本发明的申请日时还未公开的文献DE 10 2014 204 245公开了一种具有多个伽凡尼单池的能量存储单元,其中所述单池分别包括集成到单池壳体中的外部触头(果壳单池,nutshell-cell)并且所述端板包括集成式接触板或者接线板。

但是,为了进一步提高电池(蓄电池)和电池系统(蓄电池系统)的功能和使用寿命并且进一步简化其制造,需要提供用于电池单池的改善的张紧装置。



技术实现要素:

具有独立权利要求所述特征的、根据本发明的装置和方法具有以下优点:能够简化所述电池单池的张紧。由此能够舍弃成本高的机械元件、结构和/或方法步骤。由此能够减少组件数量并且由此提高可靠性。此外能够减小所述电池模块或者说所述电池的体积和/或重量。此外能够更加自由地设计、也就是例如简化和/或以更高的程度集成所述电池模块或者说模块支座的构造。此外能够简单地、直接地并且灵活地调设用于张紧所述电池单池的力。此外能够弹性地调设所述力。由此能够补偿所述电极的持续的膨胀。由此能够在所述电池单池的使用寿命期间避免所述力的增大。由此能够防止或者至少减少所述电池单池的下述功率损耗和安全风险,所述功率损耗和安全风险可能由所述力的增大而引起。

本发明的有利的实施方式在从属权利要求中得到描述。

有利的是,所述容器能够包括膜片或者柔性的膜片。由此能够避免两个本体在接触面处向彼此中的相对运动。由此能够简化所述容器的构造。此外,能够避免所述接触面处的泄漏。此外能够降低所述容器的重量。

有利的是,所述膜片能够构造成泡状、袋状、垫状或者筒状。由此能够进一步简化所述容器的构造。

有利的是,所述膜片能够构造成弹性的或者能够伸展的。由此能够将所述膜片用作能量存储器或者压力存储器。

有利的是,所述膜片能够包括薄膜、塑料薄膜、金属化薄膜或者金属箔或者织物。由此能够简化所述容器的制造。

有利的是,所述膜片能够构造成能够导电的。由此,尤其就果壳单池而言,能够提供所述一个电池单池或者所述多个电池单池的电接头。

有利的是,所述膜片能够包括能够导电的材料、铝(Al)、铜(Cu)或者碳(C)。由此能够简化所述膜片的构造。

有利的是,所述膜片能够构造成不能导电的。由此能够降低电短路的危险。

有利的是,所述容器能够包括用于支撑所述膜片的本体。由此能够提供死区容积(Totvolumen)。由此能够影响所述容器的弹性常数。此外,所述容器能够提供其他功能。

有利的是,所述本体能够包括金属如铝或者塑料。由此能够改善所述材料与所述电池模块的材料的相容性。由此能够降低腐蚀的危险。

有利的是,所述本体能够构造为端板。由此能够减少组件数量。

有利的是,所述容器能够包括封闭件或者阀如安全阀或者过压阀。由此能够简化维修、保养和/或维护。此外,能够提高可靠性。

有利的是,所述容器能够包括缝如粘接缝或者焊缝。由此能够简化所述容器的制造。

有利的是,所述容器能够包括所述流体。由此能够简化所述电池模块的制造。

有利的是,所述流体能够包括液体如水(H2O)或者硅油、气体如惰性气体例如氮气(N2)或者稀有气体例如氩气(Ar)或者氪气(Kr)、凝胶或者可压缩的凝胶。由此能够使所述流体与相应的张紧装置的要求相匹配。在此,所述容器能够包括多种流体。

有利的是,所述流体能够可压缩。由此能够将所述流体用作能量存储器或者压力存储器。作为替代方案,所述流体能够不可压缩。

此外,本发明提供一种电池模块,所述电池模块包括前面所描述的张紧装置。

此外,本发明提供一种电池,所述电池包括前面所描述的张紧装置或者前面所描述的电池模块。

此外,本发明提供一种电池系统,所述电池系统包括前面所描述的张紧装置、前面所描述的电池模块或者前面所描述的电池。

此外,本发明提供一种运输工具、尤其机动车如电动车辆、混合动力车辆或者电动摩托车(Elektro-Bike,E-Bike)、电动自行车(Pedal Electric Cycle,Pedelec)、船舶如电动船或者潜水艇(U-Boot)、飞机或者空间飞行器,所述运输工具包括:前面所描述的并且与所述运输工具相连接的张紧装置、前面所描述的并且与所述运输工具相连接的电池模块、前面所描述的并且与所述运输工具相连接的电池、或者前面所描述的并且与所述运输工具相连接的电池系统。

有利的是,所述张紧装置的张紧能够包括:用所述流体来填充所述空间,并且/或者封闭所述容器。由此能够将所述填充与制造所述电池模块时的要求相匹配。

有利的是,所述方法此外能够包括:用所述流体来填充所述空间,封闭所述容器,并且冷却或者液化所述流体,其中所述张紧装置的张紧包括:加热所述容器中的流体或者使所述容器中的流体变热。由此能够在制造所述电池模块时封闭所述容器。由此能够简化所述制造。

有利的是,所述方法此外能够包括:检查所述容器中的流体的压力,并且/或者调设所述压力。由此能够例如在维修、保养和/或维护的背景下校正所述流体的压力。此外能够例如在运行的背景下适配所述流体的压力。

由此能够降低重量和/或成本、例如制造成本如材料成本以及加工成本如装配成本。

附图说明

本发明的其他特征和优点对于本领域技术人员来说能够参照附图由下文对示例性的实施方式的说明中可见,但是所述实施方式不应以限制本发明的方式来解读。

图1示出了根据现有技术的电池模块10的示意性的俯视图;

图2示出了电池模块20的示意性的俯视图,所述电池模块具有根据本发明的一种实施方式的张紧装置3001

图3示出了电池模块30的示意性的俯视图,所述电池模块具有根据本发明的另一种实施方式的张紧装置3001

图4示出了电池模块40的示意性的俯视图,所述电池模块具有根据本发明的另一种实施方式的张紧装置3001

图5示出了另一种电池模块50的示意性的俯视图,所述另一种电池模块具有根据本发明的另一种实施方式的张紧装置3001

图6示出了电池模块60的示意性的俯视图,所述电池模块具有两个根据本发明的另一种实施方式的张紧装置3001、3002

图7-15示出了根据本发明的实施方式的张紧装置300的侧剖面的示意图;

图16-18示出了根据本发明的其他实施方式的张紧装置300的纵剖面的示意图;

图19示出了根据本发明的另一种实施方式的张紧系统70的示意性的剖面图;并且

图20示出了经过改进的、根据本发明的该实施方式的张紧系统80的示意性的剖面图。

具体实施方式

图2示出了电池模块20的示意性的俯视图,所述电池模块具有根据本发明的一种实施方式的张紧装置3001

所述电池模块20包括多个并排布置的棱柱体的电池单池1001…1004和包装装置、例如包装框架,所述包装框架包括第一端板2101、第二端板2102、第一张紧带2201和第二张紧带2202并且包围所述多个棱柱体的电池单池1001…1004。所述电池单池1001…1004例如能够构造为果壳单池(Nussschalen-Zellen)。所述张紧带2201、2202例如能够借助于多个粘接连接部、铆接连接部、焊接连接部21511…21522如焊点或焊缝、或者螺纹连接部来固定在所述端板2101、2102上。

所述电池模块20此外包括用于张紧所述多个电池单池1001…1004的张紧装置3001。如在图1中示例性地示出的那样,所述张紧装置3001能够布置在所述第一端板2101与所述多个电池单池1001…1004中的与所述第一端板相邻的电池单池1001之间。所述张紧装置3001必要时能够处于松弛的、例如褶皱的状态中。所述张紧装置3001能够处于张紧的、例如展开的状态中,使得所述张紧装置能够张紧所述多个电池单池1001…1004。所述张紧装置300能够构造为扩展-张紧-装置(扩展器)。所述张紧装置3001或者说所述扩展器能够包括柔性的容器,所述柔性的容器包围具有可变容积的内部空间(空腔)。所述容器能够包括膜片如柔性的膜片或者说构造为膜片。所述膜片例如能够构造成泡状、袋状、垫状或者筒状。所述膜片能够构造成弹性的或者能够伸展的。所述容器或者说所述膜片例如能够包括薄膜如塑料薄膜、金属化薄膜或者金属箔、或者织物。所述容器或者所述膜片能够构造成能够导电的,从而使得所述张紧装置3001能够建立电连接。为此,所述容器或者说所述膜片例如能够用能够导电的材料如铝、铜或者碳来涂覆。作为替代方案,所述容器或者说所述膜片能够构造成不能导电的。所述张紧装置3001此外能够包括支撑所述膜片的本体。所述本体例如能够包括金属如铝、或者塑料。薄膜能够例如通过粘接例如借助于液态的粘接剂或者粘接带或者通过焊接如激光焊接、摩擦焊接、超声焊接来与另一薄膜或者所述本体连接。所述容器能够构造成柱体状。在被张紧的状态中,所述张紧装置3001或者说所述容器在其内部空间中包括填充介质。所述填充介质能够包括流体例如液体如水或者硅油;气体:或者如氮气一样的惰性气体或者如氩气或者氪气一样的稀有气体;或者凝胶如可压缩的凝胶。如果所述填充介质是气体,那么能够优选使用具有低扩散系数的气体,以防止或者减缓所述气体例如穿过所述膜片的漏出(泄漏)。所述填充介质能够是可压缩的或者不可压缩的。如果所述填充介质可压缩,例如在将气体用作填充介质时,那么被压缩的填充介质能够施加用于张紧所述多个电池单池1001…1004的力。如果所述填充介质不可压缩,例如在将液体用作填充介质时,那么用于张紧所述多个所述电池单池1001…1004的力能够通过能够伸展的膜片来施加。所述张紧装置3001或者说所述容器此外能够包括不可压缩的介质如水以及可压缩的介质如空气。所述张紧装置3001或者说所述容器包括封闭件。由此,所述张紧装置3001或者说所述容器能够在用所述填充介质填充之后被封闭或者密封。作为替代方案,所述张紧装置3001或者说所述容器能够包括阀如安全阀或者过压阀。由此能够例如在维修、保养和/或维护的背景下检查并且/或者调设所述填充介质的压力。如果例如所述填充介质的一部分漏出,那么能够将真实的实际压力又提高到额定压力,或者如果所述多个电池单池1001…1004的体积由于电极的膨胀已经增大,那么能够将所述实际压力又降低到额定压力。以类似的方式能够在所述多个电池单池1001…1004的运行期间监控并且动态地控制所述实际压力。因此,如果所述多个电池单池1001…1004的体积减小,那么能够在充电时提高所述实际压力,并且如果所述多个电池单池1001…1004的体积增大,那么能够在放电时降低所述实际压力。

所述电池模块20的制造能够包括:将所述张紧装置3001和所述多个电池单池1001…1004布置或者说定位在所述包装装置中、也就是在所述第一端板2101与所述第二端板2102之间,并且张紧或者说展开所述张紧装置3001以用于张紧所述多个电池单池1001…1004。在此,所述张紧或者说展开例如能够通过用所述填充介质经由接头或者说接头孔口填充所述张紧装置3001这种方式来实现。在气体作为填充介质的情况下,填充压力例如能够为10 bar(巴)。所述接头能够在填充之后持久地被封闭或者说被密封、例如被粘接或者被焊接。作为替代方案,所述接头能够包括封闭件或者阀如安全阀或者过压阀,这些部件在填充之后保留在所述接头中。作为替代方案,所述展开例如能够根据热状态方程通过将已经用气体填充并且而后例如用液态的氮来低温冷却的张紧装置3001(再)加热到环境温度这种方式来实现。

图3示出了电池模块30的示意性的俯视图,所述电池模块具有根据本发明的另一种实施方式的张紧装置3001

所述电池模块30与参照图2所描述的电池模块20相类似,其中所述张紧装置3001集成到第一端板2101中。所述张紧装置3001通常能够集成到所述包装装置的机构中。

图4示出了电池模块40的示意性的俯视图,所述电池模块具有根据本发明的另一种实施方式的张紧装置3001

所述电池模块40基本上与参照图2所描述的电池模块20相对应。在所述电池模块40中,如在图4中示例性地示出的那样,所述张紧装置3001布置在所述多个电池单池1001…1004中的两个电池单池1002、1003之间,从而使得所述张紧装置3001基本上居中地布置在所述电池模块40中。由此,所述张紧装置3001能够对称地作用到所述多个电池单池上。此外,所述电池模块40的重心基本上居中地处于所述电池模块40中。所述张紧装置3001通常能够布置在所述多个电池单池1001…1004中的两个彼此相邻的电池单池、例如电池单池1001、1002或者电池单池1003、1004之间。

图5示出了另一种电池模块50的示意性的俯视图,所述另一种电池模块具有根据本发明的另一种实施方式的张紧装置3001

所述电池模块50与参照图2所描述的电池模块20相类似,其中所述包装装置构造为壳体200、例如一体的和/或盆状的壳体外壳。

图6示出了电池模块60的示意性的俯视图,所述电池模块具有两个根据本发明的另一种实施方式的张紧装置3001、3002

所述电池模块60基本上与参照图2所描述的电池模块20相对应。所述电池模块60此外包括第二张紧装置3002,如在图6中示例性地示出的那样,所述第二张紧装置能够布置在所述第二端板2102与所述多个电池单池1001…1004中的与所述第二端板相邻的电池单池1004之间。

图7-15示出了根据本发明的实施方式的张紧装置300的侧剖面的示意图。

根据图7的张紧装置300包括泡状的容器320,所述泡状的容器具有能够填充的内部空间310。所述容器320包括接头390,所述接头用封闭件或者说阀395来封闭。如在图7中示出的那样,所述接头390能够布置在所述容器的边缘区域处。如在图7中示出的那样,所述泡状的容器320能够一体地构造。所述泡状的容器320例如能够构造成矩形、如正方形或者构造成圆形。

根据图8的张紧装置300包括垫状的容器,所述垫状的容器包括第一薄膜3301、第二薄膜3302和接头390,这些部件借助于缝380如粘缝或者焊缝相互连接,从而形成内部空间310。所述接头390用封闭件或者说阀395来封闭。所述垫状的容器320例如能够构造成矩形、如正方形或者构造成圆形。

根据图9的张紧装置300包括袋状的容器,所述袋状的容器包括第一薄膜3301、第二薄膜3302和接头390,这些部件借助于缝380如粘接缝或者焊缝相互连接,从而形成内部空间310。所述第一薄膜3301和所述第二薄膜3302能够包括弯折处(Falz),从而使得所述容器能够构造成折棚状(faltenblgartig)或者手风琴状。所述接头390用封闭件或者说阀395来封闭。所述袋状的容器例如能够构造成矩形、如正方形或者构造成圆形。

根据图10的张紧装置300包括容器,所述容器包括本体(支撑元件、支座)340和薄膜330,这些部件借助于缝380如粘接缝或者焊缝相互连接,从而形成内部空间310。所述本体340形状稳定并且支撑所述薄膜330。所述本体340例如能够构造为端板、壳体、框架元件、支撑框架或者防撞框架(crash fame)。所述接头390构造在所述本体340的边缘区域中并且用封闭件或者阀395来封闭。所述接头390在同样的边缘区域中与所述内部空间310以可引导流体的方式连接,从而使得所述本体340中的具有恒定容积(死区容积或者死区空间)的额外的内部空间与所述具有可变容积的内部空间310的比例相对小,并且由此在压力变化时所述额外的内部空间的作用相对小。由此,所述内部空间310的容积与所述额外的内部空间的容积的比例确定了所述张紧装置300的弹性常数(Federkonstante)。所述容器例如能够构造成矩形、如正方形或者构造成圆形。

根据图11的张紧装置300基本上与图10中所示出的张紧装置300相对应。所述接头390在中心区域中与所述具有可变容积的内部空间310以可引导流体的方式连接,从而使得与图10中所示出的张紧装置300相比,所述本体340中的具有恒定容积的额外的内部空间与所述具有可变容积的内部空间310的比例更大,并且由此在压力变化时所述额外的内部空间的作用更大。

根据图12的张紧装置300基本上与图10中所示出的张紧装置300相对应。所述本体340包括另一具有恒定容积的额外的内部空间3103,所述额外的内部空间3103在所述边缘区域中与所述接头390并且与所述内部空间3101以可引导流体的方式连接,从而使得与图10中所示出的张紧装置300相比,所述本体340中的具有恒定容积的额外的内部空间与所述具有可变容积的内部空间3101的比例显著更大,并且由此在压力变化时所述额外的内部空间的作用显著更大。通过选择大的死区容积(Totvolumen),能够在气体漏出时实现压力降。

根据图13的张紧装置300基本上与图10中所示出的张紧装置300和图12中所示出的张紧装置300的组合相对应。所述本体340包括另一具有恒定容积的额外的内部空间3103,并且所述接头390在所述中心区域中与所述额外的内部空间3103以可引导流体的方式连接,从而使得与图10中所示出的张紧装置300相比,所述本体340中的具有恒定容积的额外的内部空间与所述具有可变容积的内部空间3101的比例进一步更大,并且由此在压力变化时所述额外的内部空间的作用进一步更大。

根据图14的张紧装置300基本上与图12中所示出的张紧装置300相对应。所述接头390在所述另一额外的内部空间3103的周侧面处与所述另一额外的内部空间3103以可引导流体的方式连接,从而使得所述张紧装置300与图12中所示出的张紧装置300相比能够构造得更紧凑。

根据图15的张紧装置300与图14中所示出的张紧装置300相类似。根据图14的张紧装置300包括容器,所述容器包括本体340、第一薄膜3301和第二薄膜3302,这些部件相互对置地布置并且/或者借助于缝380如粘接缝或者焊缝与所述本体340相连接,从而形成具有第一可变容积的第一内部空间3101、具有可变容积的第二内部空间3102和具有恒定容积的第三内部空间3103,这些内部空间相互以可引导流体的方式连接。所述本体340能够被理解为“连通的管道”。所述第一薄膜3301用于张紧第一电池单池或者多个电池单池1003、1004,而如参照图4所描述的那样,所述第二薄膜3302例如能够用于张紧第二电池单池或者多个电池单池1001、1002。作为替代方案,所述第二薄膜3302能够用作补偿元件。在此,所述第一内部空间3101的容积与所述第二内部空间3302和第三内部空间3303的总容积的比例确定了该张紧装置300的弹性常数。

图16-18示出了根据本发明的其他实施方式的张紧装置300的纵剖面的示意图。

根据图16的张紧装置300基本上与图8中所示出的张紧装置300相对应,所述张紧装置包括垫状的容器。所述薄膜330和所述接头390在边缘区域中借助于缝380如粘接缝或者焊缝相互连接,从而构成所述内部空间310。

根据图17的张紧装置300基本上与图16中所示出的张紧装置300相对应。所述张紧装置300此外包括多个线状的缝385如粘接缝或者焊缝,所述多个线状的缝将所述薄膜330相互连接起来并且以下述方式在所述内部空间310中构造:使得将所述内部空间310被构造成或者说被划分成多个腔室,所述多个腔室相互以可引导流体的方式连接。

根据图18的张紧装置300基本上与图17中所示出的张紧装置300相对应。所述张紧装置300此外包括多个十字状的缝385如粘接缝或者焊缝,所述多个十字状的缝将所述薄膜330相互连接起来并且以下述方式在所述内部空间310中构造:使得将所述内部空间310被构造成或者被划分成多个腔室,所述多个腔室相互以可引导流体的方式连接。

作为替代方案,张紧装置能够具有多个内部空间或者多个腔室,所述多个内部空间或者多个腔室以不可引导流体的方式连接。

图19示出了根据本发明的另一种实施方式的张紧系统70的示意性的剖面图。

所述张紧系统70包括与参照图13所描述的张紧装置300相类似的具有死区容积3103的张紧元件3002'、与参照图11所描述的张紧装置300相类似的元件3001'、用于容纳流体体积的腔室365和连接通道355,所述连接通道将所述张紧元件3002'、所述元件3001'、所述接头390和所述腔室365相互以可引导流体的方式连接起来。如在图19中所示出的那样,所述元件3001'的薄膜3301能够以沉入的方式布置。所述元件3001'能够用作用于张紧电池单池的张紧元件或者用作用于在不改变外部尺寸的情况下存储可变的流体体积的扩展元件。所述张紧系统70能够包括作为工作介质的液体并且在所述腔室365中包括作为压力存储器介质的气体。

所述系统70能够包括多个张紧元件并且/或者例如被安装在防撞框架(Sturzrahmen)中。

图20示出了经过改进的、根据本发明的该实施方式的张紧系统80的示意性的剖面图。

所述经过改进的张紧系统80基本上与参照图19所描述的张紧系统70相对应。与所述张紧系统70不同的是,所述经过改进的张紧系统80包括单独的支撑元件3501、3502、单独的存储元件360和/或单独的连通的连接元件(管道、软管)3503,在所述存储元件中构造有所述腔室365,从而实现了所述元件的自由的、必要时在空间上分开的布置方式。

最后要说明的是,表述方式如“包括”和“具有”或者类似表述不排除能够设置其他元件和步骤。所使用的数量仅是示例性的,从而“多个”能够包括两个、四个、五个、六个或者更多个元件或步骤。此外要指出,“一”不排除多个。此外要说明的是,数词或者说序数如“第一”、“第二”等仅用于区分元件和步骤,而在此并不确定或者说限定元件的布置的顺序或者步骤的执行的顺序。此外,结合不同的实施方式所描述的特征能够任意地相互组合。最后要说明的是,权利要求中的附图标记不应以限制权利要求的保护范围的方式来解读。

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