用于电池的电池单体组以及电池的制作方法

本发明涉及一种电池单体组、尤其是具有固态电池单体的电池单体组以及一种电池、尤其是用于能至少部分地电驱动的或者说能至少部分电动地前进运动的机动车的电池。

背景技术：

1、能至少部分地电驱动的或者说能至少部分电动地前进运动的机动车、例如混合动力机动车、电动机动车等具有电池、尤其是二次电池，以用于存储和提供电能以借助机电的能量转换器驱动机动车。为此，电池具有多个电池单体，这些电池单体例如构造为相应的软包电池单体。在机动车运行期间，电池单体被反复充电和放电，其中，相应的电池单体在放电状态中和在充电状态中具有不同的外部尺寸，也就是说具有不同尺寸的膨胀。由于在相应的电池单体的运行中出现的这种膨胀变化，应采取结构上的措施，以便抵消或者说平衡在电池单体的安装位置中的空间上的膨胀变化。所述空间上的膨胀变化表现为每个电池单体在充电状态与放电状态之间的最高达10％的体积差。

2、de102017008390a1提出一种具有至少一个电池单体和电导体的电池。在此，电导体曲折形地布置，从而电导体能无损害地一起实施电池单体的尺寸变化。de112012002517t5和de112012002518t5分别提出一种电池结构组合件，所述电池结构组合件具有两个彼此相邻的单体单元，其中，所述单体单元经由间隔元件彼此邻接。在此，通过所述间隔元件形成冷却通道。为了避免所述通过间隔元件形成的冷却通道通过所述相邻的单体单元膨胀而被不利地压缩，所述间隔元件具有防止单体单元膨胀的器件。

3、然而，这些传统的电池装置在其结构方面是特别耗费的并且不允许具有夹层结构的电芯到电池包(cell-to-pack)集成结构。代替于此地，在这些传统的电池装置中需要至少一个电芯到模组(cell-to-module)组件，并且然后才能实现模组到电池包(module-to-pack)集成结构。

技术实现思路

1、本发明的任务是，特别有利地采用或者说布置如下电池单体，所述电池单体在充电状态与放电状态之间在其空间膨胀方面发生变化。

2、该任务通过独立权利要求的技术方案来解决。本发明的其它可行的设计方案在从属权利要求、说明书和附图中公开。

3、根据本发明，提出一种用于电池、尤其是机动车电池的电池单体组。在电池单体组的按照规定的安装位置中，电池或者机动车电池具有电池单体组。所述电池单体组具有多个并排布置的电池单体、尤其是二次电池单体。在所述电池单体组的一个改进方案中规定，相应的电池单体构造为固态电池单体。因此，相应的电池单体在这种情况下具有固体电解质。尤其地，相应的电池单体此外不具有任何液体。这样实施的电池单体被称为assb单体(assb：all-solid-state-battery，全固态电池)。固体电池单体在特别高的比能量密度方面和在改善的运行安全方面具有优点。

4、在任何情况下，所述电池单体组还具有多个与电池单体在几何上对应的框架元件，其中，借助所述框架元件中的两个直接彼此相邻的框架元件在位置上固定电池单体。为此，所述直接彼此相邻的框架元件彼此布置成，使得通过这些框架元件或者说在这些框架元件之间形成一个电池单体空间。电池单体插入在所述电池单体空间中并且从而在位置上紧固或者说固定在所述直接彼此相邻的框架元件中/处。

5、此外，对于每个电池单体，电池单体组总体上具有至少一个中间层，所述中间层直接布置在相应的电池单体与以下框架元件中的至少一个框架元件之间，借助这些框架元件在位置上固定对应的电池单体。由此，相应的电池单体借助中间层保持在电池单体空间中。换句话说，电池单体借助中间层接触彼此形成电池单体空间的框架元件中的一个框架元件或两个框架元件，电池单体按照规定地插入在所述电池单体空间中。

6、中间层按照规定构造成能无损地弹性压缩的。与此对应地，中间层按照规定能被电池单体无损地弹性压缩，其方式为，插入到电池单体空间中并且由此邻接于一个中间层或多个中间层的电池单体鼓胀到鼓胀尺寸。在此，对应电池单体的鼓胀尺寸大于对应电池单体的基本尺寸。电池单体从其基本尺寸膨胀到鼓胀尺寸例如与当前的荷电状态(soc：state of charge)相关。因此，电池单体在放电状态(soc＝0)中具有基本尺寸，而电池单体在充电状态(soc＞0)中具有鼓胀尺寸。如果电池单体具有鼓胀尺寸，那么该电池单体在至少一个空间方向上比当电池单体具有基本尺寸时更大。简而言之，电池单体当其具有鼓胀尺寸时比当电池单体具有基本尺寸时更宽和/或更长和/或更深。

7、因此，在电池单体组中，尽管对应的电池单体鼓胀，但电池单体空间的尺寸(尤其是在三个空间方向上)保持恒定，并且电池单体组的外部尺寸因此保持恒定。因为当对应的电池单体鼓胀时，该电池单题的尺寸变化在电池单体空间之内通过一个中间层或多个中间层来抵消或者说平衡，其方式为，相应的中间层由于所述对应的电池单体的鼓胀而在电池单体空间之内被压缩。这意味着，例如，通过鼓胀中的或已鼓胀的电池单体将压缩力施加到相应的中间层上，改变相应的中间层的厚度。通过所述压缩力，中间层被变形，例如被挤压。在此，彼此形成电池单体空间的框架元件相对于彼此保持不运动，使得电池单体的鼓胀在电池单体空间外侧不会以尺寸变化表现出来。框架元件的几何形状和外部尺寸因此在外侧保持恒定，而与电池单体是具有基本尺寸还是具有鼓胀尺寸无关。因此，框架元件的尺寸、尤其是电池单体空间的尺寸在电池单体的循环期间不会发生变化。

8、因此，能以有利的方式在系统层面上呈现电芯到电池包结构。尤其能实现：将具有多个电池单体的电池单体组以夹层结构方式布置并且尤其是将其与壳体元件和/或载体元件材料锁合地连接、例如粘接。例如，能实现将电池单体组与电池壳体的壳体上侧和壳体下侧粘接。通过这种夹层结构方式，电池单体组可充当用于电池和/或用于具有电池的机动车的承载元件。例如，车身结构由于电池单体组的夹层结构方式而得以加固。如果在机动车中使用这种电池单体组或者使用具有这种电池单体组的电池，则这引起特别有利的nvh质量(nvh：噪声、振动、声振粗糙度)，因为电池单体组或电池具有特别少的会产生干扰噪声的结构元件、尤其是不具有会产生干扰噪声的结构元件。此外，由于电池单体组的所描述的结构，能将电池单体组本身用作载体元件。此外，电池单体组能以有利的方式在制造电池或机动车时结合到现有的集成过程中，而不必使这些集成过程大程度地适配于电池单体组。

9、作用到相应的电池单体上的压力的不均匀分布促进在电池单体内部中的枝晶生长并且最终促进电池单体的损坏。借助中间层(所述中间层尤其是全面地安装在电池单体上/处，使得电池单体的整个宽侧被中间层遮盖)，确保压力在面上尽可能均匀地分布到单体上。

10、在所述电池单体组的另一个设计方案中，相应的中间层具有如下材料，所述材料的横向收缩系数或者说泊松系数(μ)小于0.3，也就是说μ＜0.3，尤其是μ＜0.2，例如μ＝0.1。尤其地，相应的中间层由具有所述低横向收缩系数μ的这样的材料形成。由于这种特别小的横向收缩系数μ，中间层在沿压缩轴线压缩时没有经历横向于压缩轴线的尺寸的增大，或经历横向于压缩轴线的尺寸的仅轻微的增大。由此确保，中间层在电池单体鼓胀时不会以不期望的方式横向于电池单体的鼓胀方向压靠到一个框架元件上或压靠到多个框架元件上。由此，电池单体组是特别形状稳定的，而与相应的电池单体是具有基本尺寸还是具有鼓胀尺寸无关。

11、在所述电池单体组的一个改进方案中规定，相应的中间层具有发泡材料、尤其是聚氨酯泡沫。在此，尤其是使用开孔的发泡材料，尤其是开孔的聚氨酯泡沫，从而能特别高效地吸收或者说平衡由于电池单体从其基本尺寸鼓胀到其鼓胀尺寸而产生的尺寸变化。

12、为了确保电池单体组的特别长的使用寿命和特别可靠的运行，根据所述电池单体组的一个改进方案规定，所述中间层分别配置、也就是说构造和布置成，使得：即使当电池单体不鼓胀、也就是说具有基本尺寸时，也有初始压力作用到相应的电池单体上。所述初始压力为最高达10巴、优选最高达5巴、尤其最高达1巴。

13、根据另一个设计方案，所述电池单体组具有两个压板和两个夹紧元件、尤其是夹紧带。在此，所述压板沿电池单体组的纵向延伸方向限定电池单体组并且借助所述夹紧元件或者说夹紧带沿纵向延伸方向朝向彼此夹紧。为此，夹紧元件与压板力锁合地、形状锁合地和/或材料锁合地相互连接。例如，夹紧元件与压板相互焊接、尤其是激光焊接、冲压铆接、螺纹连接、铆接、粘接等。在此，电池单体、框架元件和中间层沿纵向延伸方向布置在压板之间，使得电池单体、框架元件和中间层借助压板并且借助夹紧元件相互夹紧。为此，当电池单体、框架元件和中间层按照规定布置在压板之间时，夹紧元件在压板之间承受拉力负荷。

14、总体上，对于电池单体组适用的是，电池单体、框架元件和中间层可按照如下顺序布置：压板(如果存在的话)—中间层—电池单体—中间层—框架元件—中间层—电池单体—中间层—框架元件等。在电池单体、框架元件和中间层的布置结构方面，电池单体组尤其构造为镜像对称的，使得在电池单体组的对应端部处跟随“最后一个”电池单体的是“最后一个”中间层，而后是对应的压板。

15、在所述电池单体组的改进方案中产生另外的/不同的用于布置压板、电池单体、框架元件和中间层的顺序。例如：压板(如果存在的话)—中间层—电池单体—中间层—电池单体—中间层—框架元件—中间层—电池单体—中间层—电池单体—中间层—框架元件等，或压板(如果存在的话)—电池单体—中间层—电池单体—框架元件—电池单体—中间层—电池单体—框架元件等。

16、通过具有压板和夹紧元件的电池单体组的设计方案得到电池单体组的特别坚固的或者说稳定的结构，使得所述电池单体组——例如在汽车结构中——能特别资源高效地和/或结构空间高效地用作机动车的承载元件或用于机动车。

17、在所述电池单体组的另一个设计方案中——例如为了还进一步辅助电池单体组的有利地特别稳定的结构——规定，所述框架元件借助连接元件彼此紧固。所述连接元件是力锁合元件、形状锁合和/或材料锁合元件、尤其是粘接元件。这意味着，所述框架元件例如相互粘接。总体上，电池单体组的相应的框架元件可由塑料制成。那么，在这种情况下可设想的是，框架元件借助塑料焊接而材料锁合地相互连接。此外，总体上对于相应的框架元件适用的是，该框架元件具有基板和沿该基板的外边缘安装的带。在此，所述带在两侧伸出超过基板，从而通过基板和带形成两个相反的壳。因此，相应的框架元件在剖视图中具有双t形状。这意味着，相应的框架元件具有上翼板和下翼板以及连接上翼板与下翼板的接片，其中，这些翼板由带形成并且所述接片由基板形成。那么如果——如已经阐述的那样——所述框架元件中的两个框架元件(布置在左边的和布置在右边的框架元件)直接彼此相邻，则电池单体空间在内侧由所述两个接片和相应的翼板限定，其中，右框架元件的左侧壳和左框架元件的右侧壳彼此形成电池单体空间。在框架元件彼此力锁合地、形状锁合地和/或材料锁合连接的情况下可规定，所述框架元件在相应的上翼板处和在相应的下翼板处——也就是说经由相应的带——相互连接。

18、在所述电池单体组的改进方案中，所述电池单体组具有另一个连接元件，框架元件借助所述另一个连接元件紧固在夹紧元件上。所述另一个连接元件可构造为与之前所述的(第一)连接元件相同或类似的。此外，可规定，所述第一连接元件和/或所述另一个连接元件或者说第二连接元件具有双重功能，即首先用于将框架元件相互连接，并且其次用于将框架元件与夹紧元件连接。就此而言可规定，所述电池单体组仅具有一个唯一的连接元件，即要么具有第一连接元件，要么具有第二连接元件。

19、通过借助第一连接元件和/或第二连接元件将框架元件紧固在夹紧元件上，再次辅助电池单体组的有利地特别坚固的或者说稳定的结构。

20、此外，本发明涉及一种电池、尤其是用于机动车的电池，所述电池具有根据前述说明构造的电池单体组。所述电池、尤其是二次电池可被称高电压存储器。例如，具有一个电池单体组或多个电池单体组的电池可用作用于机动车的牵引电池，其中，机动车则构造为能至少部分地电驱动的或者说能至少部分电动地前进运动的。就此而言，所述机动车例如是混合动力机动车、电动机动车等。所述机动车尤其构造为乘用车和/或货车。然而，由此不排除将电池或电池单体组用于其它用途(航海领域、航空领域等)。

21、根据本发明的电池单体组的特征、优点和有利的设计方案可视为根据本发明的电池的特征、优点和有利的设计方案，并且反之亦然。

22、根据所述电池的一个改进方案，该电池具有电池壳体，所述电池壳体由壳体下部和至少一个壳体上部形成。在此，所述一个电池单体组或所述多个电池单体组与所述壳体下部借助第一粘接器件相互粘接，其中，所述电池单体组与所述壳体上部借助第二粘接器件相互粘接。在此尤其规定，电池单体组与壳体下部或壳体上部借助夹紧元件或者说夹紧带相互粘接。

23、这意味着，所述粘接器件一方面直接接触壳体下部或壳体上部并且另一方面接触对应的夹紧带。再换句话说，壳体下部与电池单体组以及壳体上部与电池单体组材料锁合地相互连接，其方式为，在所述夹紧元件中的上夹紧元件与壳体上部之间并且在所述夹紧元件中的下夹紧元件与壳体下部之间布置有粘接器件。

24、本发明还涉及一种机动车，所述机动车具有至少一个根据前述说明构造的电池。根据本发明的电池的特征、优点和有利的设计方案可视为根据本发明的机动车的特征、优点和有利的设计方案，并且反之亦然。

25、本发明的其它特征可由权利要求、附图和针对附图的说明得出。在上文中在说明书中提到的特征和特征组合以及在下文中在针对附图的说明中和/或在附图中单独示出的特征和特征组合不仅能以相应给出的组合使用、而且也能以其它的组合使用或者单独使用，而不脱离本发明的范围。