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DE102011089982B4 - total energy storage - Google Patents

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DE102011089982B4 DE102011089982.0A DE102011089982A DE102011089982B4 DE 102011089982 B4 DE102011089982 B4 DE 102011089982B4 DE 102011089982 A DE102011089982 A DE 102011089982A DE 102011089982 B4 DE102011089982 B4 DE 102011089982B4
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Abstract

Elektrochemischer Gesamtspeicher zum Speichern von elektrischer Energie, der mehrere Zellmodule (4a-4c) umfasst, welche aus mehreren zweipoligen Lithium-Ionen-Zellen (1a-1k) bestehen, dadurch gekennzeichnet, dass- ein Isolationsmaterial (8) jedes Zellmodul (4a-4c) umschließt- jedes Zellmodul (4a-4c) in einen dieses Zellmodul (4a-4c) umschließenden Spannrahmen (6) eingespannt ist.Total electrochemical store for storing electrical energy, which comprises a number of cell modules (4a-4c), which consist of a number of two-pole lithium-ion cells (1a-1k), characterized in that- an insulating material (8) of each cell module (4a-4c ) encloses- each cell module (4a-4c) is clamped in a clamping frame (6) enclosing this cell module (4a-4c).

Description

Die Erfindung betrifft einen elektrochemischen Gesamtspeicher für elektrische Energie, der mehrere Zellmodule umfasst, welche aus mehreren zweipoligen Lithium-Ionen-Zellen bestehen.The invention relates to an overall electrochemical store for electrical energy, which comprises a number of cell modules which consist of a number of two-pole lithium-ion cells.

Das Alkalimetall Lithium dient als Ausgangsmaterial für alle elektrochemische Energiespeicher in Lithium-Technologie. Insbesondere Lithium-Ionen-Batterien, die aus Lithium-Ionen-Zellen aufgebaut sind, gelten als vielversprechende Energiespeichertechnologie für die Elektromobilität.The alkali metal lithium serves as the starting material for all electrochemical energy storage devices using lithium technology. Lithium-ion batteries in particular, which are made up of lithium-ion cells, are considered to be a promising energy storage technology for electromobility.

Für den Transport von ganzen Lithium-Ionen-Batterien oder deren Komponenten, beispielsweise von einer Produktionsstätte eines Zulieferers zu einem Endmontagewerk eines Fahrzeug-OEM, existieren zahlreiche Transportvorschriften, die einen sicheren Transport gewährleisten.For the transport of entire lithium-ion batteries or their components, for example from a supplier's production facility to a vehicle OEM's final assembly plant, there are numerous transport regulations that ensure safe transport.

Aus der Schrift US 7,763,380 B2 geht beispielsweise ein Verpackungscontainer für Lithium-Ionen-Zellen hervor, der Transportvorgaben erfüllt und einen sicheren Transport von einzelnen Zellen ermöglicht.From Scripture U.S. 7,763,380 B2 For example, a packaging container for lithium-ion cells is produced that meets transport specifications and enables individual cells to be transported safely.

Das Dokument DE 103 08 382 B3 setzt sich mit der Verspannung eines Hochtemperatur-Brennstoffzellenstapels auseinander, wobei ein Verfahren erörtert wird, bei dem zwischen den Mitteln zum Verspannen des Stapels und dem Hochtemperatur-Brennstoffzellenstapel eine Isolation angeordnet wird.The document DE 103 08 382 B3 addresses the stressing of a high temperature fuel cell stack, discussing a method of placing insulation between the means for stressing the stack and the high temperature fuel cell stack.

Der Schrift WO 95/16583 A1 kann entnommen werden, wie ein Befestigungsriemen für ein Batteriepack eines elektrisch betriebenen Fahrzeugs eingesetzt wird, um Subkomponenten des Batteriepacks in bzw. an einem Batteriegehäuse zu befestigen.The writing WO 95/16583 A1 FIG. 1 shows how a fastening strap for a battery pack of an electrified vehicle is used to fasten subcomponents of the battery pack in or on a battery housing.

Das Dokument US 4,936,409 A behandelt einen Fixierungsmechanismus zum Verklemmen einer Batterie in einem motorisierten Fahrzeug, um für den Fall plötzlicher Verzögerungen oder Beschleunigungen Bewegungen der Batterie zu verhindern. Der Rückhaltemechanismus umfasst eine nichtmetallische Ablage, die mit dem Fahrzeug verbunden ist, und einen Riemen mit einem zweiteiligen Schnellverschluss zum Fixieren der Batterie.The document US 4,936,409A discusses a fixation mechanism for clamping a battery in a motor vehicle to prevent movement of the battery in the event of sudden deceleration or acceleration. The retention mechanism includes a non-metallic tray that connects to the vehicle and a strap with a two-piece quick-release fastener for securing the battery in place.

Es ist eine Aufgabe der Erfindung, einen verbesserten Gesamtspeicher zu beschreiben, der besonders sicher transportierbar ist.It is an object of the invention to describe an improved overall store which can be transported particularly safely.

Aus dem Stand der Technik geht unschlüssig hervor, wie eine Kurzschlussbildung zwischen den Zellmodulen eines Gesamtspeichers beim Transport verhindert werden kann.From the state of the art it is inconclusive as to how a short circuit can be prevented from forming between the cell modules of an overall storage unit during transport.

Es ist eine Aufgabe der Erfindung, den verbesserten Gesamtspeicher zu beschreiben, der konform mit internationalen Vorschriften und Normen transportierbar ist.It is an object of the invention to describe the improved overall memory that can be transported in accordance with international regulations and standards.

Gelöst wird diese Aufgabe durch einen Gesamtspeicher gemäß Anspruch 1. Vorteilhafte Ausführungsformen und Weiterbildungen der Erfindung ergeben sich aus den abhängigen Ansprüchen.This object is achieved by an overall memory according to claim 1. Advantageous embodiments and developments of the invention result from the dependent claims.

Erfindungsgemäß umschließt ein Isolationsmaterial jedes Zellmodul, jedes Zellmodul ist in einen die Zellen des Zellmoduls umschließenden Spannrahmen eingespannt.According to the invention, an insulating material encloses each cell module, each cell module is clamped in a clamping frame enclosing the cells of the cell module.

Dies bietet den Vorteil, dass ein Zellmodul als eine mechanisch fixierte Baueinheit aus mehreren Zellen ausgeführt ist. Der Spannrahmen umschließt die Zellen derart, dass der Spannrahmen auf die an den Spannrahmen angrenzenden Zellen und diese Zellen auf weitere, nicht mit dem Spannrahmen in Kontakt befindliche Zellen einen Druck ausüben, dass alle Zellen mindestens gegen die eigene Gewichtskraft im Verbund des Zellmoduls gehalten werden. Der Spannrahmen ist Teil des Zellmoduls. Zusätzlich ist der Verbund der das Zellmodul bildenden Zellen von einem hochvoltisolierenden Schutzmantel umgeben, d.h. der Kontakt zwischen Zellen und dem Spannrahmen erfolgt über den Schutzmantel.This offers the advantage that a cell module is designed as a mechanically fixed structural unit made up of a number of cells. The clamping frame encloses the cells in such a way that the clamping frame exerts pressure on the cells adjacent to the clamping frame and these cells on other cells that are not in contact with the clamping frame, so that all cells are held in the network of the cell module at least against their own weight. The clamping frame is part of the cell module. In addition, the network of cells forming the cell module is surrounded by a high-voltage insulating protective jacket, i.e. the contact between the cells and the clamping frame takes place via the protective jacket.

Das Isolationsmaterial ist bevorzugt hochvoltsicher.The insulating material is preferably high-voltage safe.

Nach einer weiteren Ausführungsform der Erfindung umfasst der Gesamtspeicher eine mehreren Zellmodulen gemeinsame Grundplatte, wobei der Spannrahmen dieser Zellmodule mit der Grundplatte mechanisch verbunden ist.According to a further embodiment of the invention, the overall store comprises a base plate common to several cell modules, the clamping frame of these cell modules being mechanically connected to the base plate.

Die Befestigung der Spannrahmen der Zellmodule auf der gemeinsamen Grundplatte stellt sicher, dass die Zellmodule bis zur mechanischen Belastbarkeitsgrenze der Grundplatte, der Verankerung zwischen Spannrahmen und Grundplatte sowie der Spannrahmen selbst nicht relativ zueinander im Raum verschiebbar sind. Gegebenenfalls umfasst der Energiegesamtspeicher mehrere Grundplatten für jeweils mehrere Zellmodule, wobei die mehreren Grundplatten bis zur mechanischen Belastbarkeitsgrenze der Grundplatten relativ zueinander starr verbunden sind. Auf diese Weise kann ein Energiegesamtspeicher „mehrstöckig“ ausgeführt sein. Jedenfalls sind alle Zellmodule auf einer Grundplatte fixiert.Fastening the clamping frames of the cell modules to the common base plate ensures that the cell modules cannot be displaced relative to one another in space up to the mechanical load capacity limit of the base plate, the anchorage between the clamping frame and base plate, and the clamping frame itself. If necessary, the overall energy store comprises a plurality of base plates for a plurality of cell modules in each case, with the plurality of base plates being rigidly connected relative to one another up to the mechanical load capacity limit of the base plates. In this way, a total energy store can be designed to have “multi-levels”. In any case, all cell modules are fixed on a base plate.

Vorteilhaft ist es auch, wenn die zwischen den mit der Grundplatte verbundenen Zellmodulen eine minimale Luftstrecke besteht, die derart ausgeführt ist, die zwischen den mit der Grundplatte verbundenen Zellmodulen eine mindeste Distanz in Form der Luftstrecke besteht und die mindeste Distanz einen Kurzschluss durch Luftionisation zwischen zwei Zellmodulen bis zu einer Stehstoßspannung von mindestens dem Einfachen der Ruhespannung eines Zellmoduls unterbindet.It is also advantageous if there is a minimum clearance between the cell modules connected to the base plate, which is designed in such a way that the cell modules connected to the base plate have a minimum distance in Shape of the air gap exists and the minimum distance prevents a short circuit due to air ionization between two cell modules up to an impulse withstand voltage of at least once the open-circuit voltage of a cell module.

Dies stellt sicher, dass alle Zellmodulen relativ zu allen anderen Zellmodulen konstruktiv so angeordnet sind, dass ein Mindestabstand zwischen den Zellmodulen besteht. Dieser Luftabstand unterbindet einen Kurzschluss durch Luftionisation zwischen zwei Zellmodulen bis zu einer Stehstoßspannung, die mindestens ein Einfaches der Ruhespannung eines Zellmoduls beträgt. Idealerweise ist die konstruktive Anordnung der Zellmodule so gestaltet, dass der Luftabstand einen Kurzschluss durch Luftionisation bis zu einer Stehstoßspannung unterbindet, die das bis zu 50-Fache der Ruhespannung eines Zellmoduls beträgt.This ensures that all cell modules are structurally arranged relative to all other cell modules such that there is a minimum distance between the cell modules. This air gap prevents a short circuit caused by air ionization between two cell modules up to an impulse withstand voltage that is at least one times the open-circuit voltage of a cell module. Ideally, the structural arrangement of the cell modules is designed in such a way that the air gap prevents a short circuit caused by air ionization up to an impulse withstand voltage that is up to 50 times the open-circuit voltage of a cell module.

Gemäß einer weiteren Variante der vorliegenden Erfindung beinhaltet jede Zelle eine Sicherheitsmembran und eine Sicherung, die bei einer bestimmten über die Membran fließenden Stromstärke auslöst, wobei ein in der Zelle befindlicher Gasdruck die Sicherheitsmembran deformiert und die deformierte Sicherheitsmembran die beiden Pole der Zelle kurzschließt.According to a further variant of the present invention, each cell contains a safety membrane and a fuse which trips at a certain current intensity flowing across the membrane, with gas pressure in the cell deforming the safety membrane and the deformed safety membrane short-circuiting the two poles of the cell.

Da ein Pol der Zelle mit einer der beiden Elektroden der Zelle verbunden ist, besteht dadurch im Inneren des Zellgehäuses ein Kurschluss der beiden Elektroden durch eine niederohmige, elektrische Verbindung der beiden Pole. Somit ist eine kontrollierte Entladung der Zelle möglich, die den Abbau von Gasdruck in der Zelle durch Überhitzung ermöglicht.Since one pole of the cell is connected to one of the two electrodes of the cell, there is a short circuit between the two electrodes inside the cell housing due to a low-impedance electrical connection between the two poles. This allows the cell to discharge in a controlled manner, which allows the gas pressure in the cell to be released through overheating.

Bevorzugt ist bei ausgelöster Sicherung der Kurzschluss der beiden Pole im Inneren der Zelle unterbrochen und bei ausgelöster Sicherung ein Kurzschluss der beiden Pole außerhalb der Zelle hergestellt.When the fuse is blown, the short circuit between the two poles inside the cell is preferably broken and when the fuse is blown, a short circuit is created between the two poles outside the cell.

Dies bedeutet, dass bei ausgelöster Sicherung die beiden Pole der Zelle leitend über die Sicherheitsmembran miteinander verbunden sind. Jedoch besteht bei zumindest einem Pol keine leitende Verbindung zwischen dem Pol und der zugehörigen Elektrode im Inneren des Zellgehäuses. Die beiden Elektroden der Lithium-Ionen-Zelle bilden in diesem Fall kein vollständiges elektrochemisches System, da lediglich eine elektrochemische Wechselwirkung über den Elektrolyten besteht.This means that when the fuse is blown, the two poles of the cell are conductively connected to each other via the safety membrane. However, with at least one pole there is no conductive connection between the pole and the associated electrode inside the cell housing. In this case, the two electrodes of the lithium-ion cell do not form a complete electrochemical system, since there is only an electrochemical interaction via the electrolyte.

Die Erfindung beruht auf den nachfolgend dargelegten Überlegungen:

  • Der Transport von Lithium-Ionen-Batterien ist zahlreichen Vorschriften und Regularien unterworfen. Zum Beispiel wird in internationalen Tests im Wesentlichen gefordert, dass Batterien auf Lithium-Ionen-Basis nur transportiert werden können, wenn bestimmte Tests nachweislich von baugleichen Bauteilen erfolgreich bestanden wurden.
The invention is based on the considerations set out below:
  • The transport of lithium-ion batteries is subject to numerous rules and regulations. For example, international tests essentially require that batteries based on lithium-ion can only be transported if certain tests have been proven to have been successfully passed by identical components.

Der Begriff der Batterie wird dabei häufig auf eine funktionale elektrochemische Energiespeichereinheit bezogen, die aus mehreren Lithium-Ionen-Zellen besteht. In diesem Zusammenhang ist ein Zellmodul als Batterie zu verstehen.The term battery is often referred to a functional electrochemical energy storage unit that consists of several lithium-ion cells. In this context, a cell module is to be understood as a battery.

Unter einem Gesamtspeicher sind in dem vorliegenden Dokument mehrere, funktional elektrisch miteinander verbundene Zellmodule zu verstehen. Der Begriff des Gesamtspeichers kann weitere Komponenten eines Energiespeichersystems umfassen wie etwa ein Gehäuse, eine Steuerelektronik und eine Kühleinrichtung.In the present document, an overall memory is to be understood as meaning a plurality of cell modules that are functionally electrically connected to one another. The concept of the overall store can include other components of an energy storage system, such as a housing, control electronics and a cooling device.

Die Entsprechung der Nomenklatur in dem vorliegenden Dokument und in internationalen Transportvorschriften besteht darin, dass unter einem Gesamtspeicher auch eine Batteriebaueinheit und unter einem Zellmodul auch eine Batterie subsumierbar ist.The correspondence of the nomenclature in the present document and in international transport regulations is that a battery unit can also be subsumed under an overall memory and a battery can also be subsumed under a cell module.

Der Transport eines Gesamtspeichers bzw. einer Batteriebaueinheit stellt zahlreiche technische Anforderung an die Baugruppen des Gesamtspeichers.The transport of an entire storage unit or a battery assembly makes numerous technical demands on the assembly groups of the entire storage unit.

Eine technische Herausforderung besteht darin, dass ein sicherer Transport der Batteriebaueinheit zu ermöglichen und welcher nur dann gewährleistbar ist, wenn der Gesamtspeicher aus sicher transportierbaren Einzelbatterien besteht.A technical challenge is to enable the battery assembly to be transported safely, and this can only be guaranteed if the entire storage system consists of individual batteries that can be transported safely.

Eine weitere technische Aufgabe besteht darin, dass für einen sicheren Transport des Gesamtspeichers, d.h. für den Verbund von Einzelbatterien, Kurzschlüsse oder übermäßige Entladung von jeder Batterie des Gesamtspeichers beim Transport verhindert werden sowie eine Überhitzung oder Überladung des Gesamtspeichers verhindert wird.Another technical task is that for safe transport of the entire storage unit, i.e. for the combination of individual batteries, short circuits or excessive discharge of each battery of the entire storage unit are prevented during transport and overheating or overcharging of the entire storage unit is prevented.

Der Stand der Technik beschreibt keine schlüssige Lehre zur Ausführung eines Lithium-Ionen-Gesamtspeichers für einen sicheren Transport, insbesondere die Verhinderung von Kurzschlüssen und/oder Überladung zwischen den einzelnen Batterien bei einem Transport betreffend.The prior art does not describe any conclusive teaching on the design of a total lithium-ion storage device for safe transport, in particular with regard to preventing short circuits and/or overcharging between the individual batteries during transport.

Folglich führt dies dazu, dass kostenintensive und logistisch aufwändige, empirische Untersuchungen und Tests an diversen Mustern von teuren Gesamtspeichern an komplexen Prüfständen durchzuführen sind, um einen Nachweis über eine Kurzschlussverhinderung zwischen den einzelnen Batterien zu erbringen.Consequently, this leads to the fact that cost-intensive and logistically complex empirical investigations and tests have to be carried out on various samples of expensive overall storage devices on complex test benches in order to provide evidence of short-circuit prevention between the individual batteries.

Deshalb wird vorgeschlagen, eine Isolierung zwischen den Batterien bzw. Zellmodulen zwischen bestimmten Strompfaden für mögliche Kurzschlüsse zu integrieren. Diese isolierende Wirkung ist durch eine Kombination aus Luftstrecken und isolierenden Materialien sichergestellt. Die Strompfade möglicher Kurzschlüsse sind wiederum durch die Bauform der Batterien und konstruktive Integration der Batterien innerhalb des Gesamtspeichers festgelegt.It is therefore proposed to integrate insulation between the batteries or cell modules between certain current paths for possible short circuits. This isolating effect is ensured by a combination of air gaps and isolating materials. The current paths of possible short circuits are in turn determined by the design of the batteries and the constructive integration of the batteries within the overall memory.

Durch die Fixierung der Zellmodule relativ zueinander in Kombination mit der Isolationswirkung zwischen den Zellmodulen wird eine niederohmige Verbindung zwischen zwei Zellmodulen effektiv verhindert.By fixing the cell modules relative to each other in combination with the insulating effect between the cell modules, a low-impedance connection between two cell modules is effectively prevented.

Bei Umsetzung dieser Maßnahmen ist die Anzahl an durchzuführenden Gesamtspeichertests zum Nachweis der Verhinderung von Kurzschlüssen oder übermäßiger Entladung von jeder Batterie der Batteriebaueinheit sowie der Verhinderung einer Überhitzung oder Überladung der gesamten Batteriebaueinheit beim Transport stark reduzierbar.By implementing these measures, the number of overall memory tests to be performed to verify prevention of short-circuiting or excessive discharge of each battery of the battery assembly and prevention of overheating or overcharging of the entire battery assembly during transportation can be greatly reduced.

Dies bedeutet reduzierte Prüfstückkosten, reduzierte Prüfdurchführungskosten, reduzierte Logistikkosten und mehr Effizienz bei der Energiespeicherentwicklung.This means reduced test piece costs, reduced test implementation costs, reduced logistics costs and more efficiency in energy storage development.

Im Folgenden wird anhand der beigefügten Zeichnung ein bevorzugtes Ausführungsbeispiel der Erfindung beschrieben. Daraus ergeben sich weitere Details, bevorzugte Ausführungsformen und Weiterbildungen der Erfindung. Im Einzelnen zeigt schematisch

  • 1 Schematische Übersicht eines Gesamtspeichers
  • 2 Zelle mit Sicherheitsmembran
A preferred exemplary embodiment of the invention is described below with reference to the attached drawing. This results in further details, preferred embodiments and developments of the invention. In detail shows schematically
  • 1 Schematic overview of a total memory
  • 2 Cell with safety membrane

1 zeigt eine schematische Übersicht eines elektrochemischen Gesamtspeichers für ein Fahrzeug mit elektrifiziertem Antriebsstrang. Um den Gesamtspeicher sicher und zuverlässig transportieren zu können (z.B. per LKW von einem Produktionswerk in ein anderes Produktionswerk oder in dem bestimmungsgemäßen Fahrzeug), werden vorab Sicherheitstest an Prüfständen durchgeführt. Solche Tests für einen Gesamtspeicher, der auch als Batteriebaueinheit bezeichnet werden kann, gehen mitunter aus internationalen Transportvorschriften hervor. 1 shows a schematic overview of an overall electrochemical store for a vehicle with an electrified drive train. In order to be able to transport the entire storage system safely and reliably (e.g. by truck from one production plant to another production plant or in the intended vehicle), safety tests are carried out on test benches in advance. Such tests for an overall memory, which can also be referred to as a battery assembly, sometimes result from international transport regulations.

Ein Gesamtspeicher ist aus mehreren Zellmodulen aufgebaut, in 1 sind drei Zellmodule exemplarisch gezeigt (4a-4c). Jedes Zellmodul besteht aus einer bestimmten Anzahl mehrerer zweipoliger elektrochemischer Lithium-Ionen-Zellen als kleinster elektrochemischer Baueinheit. In 1 zeigen die einzelnen Zellmodule exemplarisch eine unterschiedliche Anzahl von Zellen (1a-1k) je Zellmodul. Bevorzugt ist eine Reihenschaltung der Zellen innerhalb eines Zellmoduls. Dabei sind die Zellen eines Moduls durch Zellverbinder (2a-2i) alternierend elektrisch miteinander verbunden, d.h. jeweils ein Pluspol mit dem Minuspol der verbundenen Zelle. Auch eine Parallelschaltung von Zellen ist möglich.A total storage is made up of several cell modules, in 1 three cell modules are shown as an example (4a-4c). Each cell module consists of a certain number of two-pole electrochemical lithium-ion cells as the smallest electrochemical unit. In 1 the individual cell modules show a different number of cells (1a-1k) per cell module. A series connection of the cells within a cell module is preferred. The cells of a module are alternately electrically connected to one another by cell connectors (2a-2i), ie a positive pole is connected to the negative pole of the connected cell. Cells can also be connected in parallel.

Die einzelnen Zellmodule sind durch Modulverbinder (3) miteinander elektrisch verbunden. Bevorzugt sind die Zellmodule in Reihe verschaltet. Falls die Zellmodule parallel verschaltet sind, ist auf eine einheitliche Nennspannungslage der Zellmodule zu achten, d.h. die Anzahl von in Reihe geschalteten Zellen je Zellmodul sollte (bei gleichartigen Zellen) für alle Zellmodule einheitlich sein.The individual cell modules are electrically connected to one another by module connectors (3). The cell modules are preferably connected in series. If the cell modules are connected in parallel, it is important to ensure that the cell modules have a uniform nominal voltage, i.e. the number of cells connected in series per cell module should be the same for all cell modules (if the cells are of the same type).

Der zulässige, sichere Transport des Gesamtspeichers setzt voraus, dass ein einzelnes Zellmodul an sich bestehende Transportvorgaben erfüllt. Dies sei hier vorausgesetzt. Zu beachten ist, dass ein Zellmodul in diesem Zusammenhang auch als Batterie bezeichnet wird. Dies bedeutet, dass in dem vorliegenden Dokument die Begriffe Gesamtspeicher und Batteriebaueinheit, sowie die Begriffe Zellmodul und Batterie synonym verstanden werden.The permissible, safe transport of the entire storage system requires that an individual cell module fulfills existing transport specifications. This is assumed here. It should be noted that a cell module is also referred to as a battery in this context. This means that in the present document the terms overall memory and battery assembly, as well as the terms cell module and battery, are understood synonymously.

Ferner ist für einen zuverlässigen und sicheren Transport des Gesamtspeichers sicherzustellen, dass Kurzschlüsse oder eine übermäßige Entladung von jeder Batterie der Batteriebaueinheit, d.h. von jedem Zellmodul des Gesamtspeichers, beim Transport verhindert werden sowie eine Überhitzung oder Überladung der gesamten Batteriebaueinheit verhindert wird.Furthermore, for reliable and safe transport of the entire storage unit, it must be ensured that short circuits or excessive discharge of each battery in the battery assembly, i.e. of each cell module of the overall storage unit, are prevented during transport and overheating or overcharging of the entire battery assembly is prevented.

Aus 1 geht eine Kombination von technischen Maßnahmen hervor, die im Zusammenwirken diese Anforderung an die zuverlässige und sichere Transportierbarkeit des Gesamtspeichers wirkungsvoll und reproduzierbar gewährleisten.the end 1 a combination of technical measures emerges which, in combination, effectively and reproducibly guarantee this requirement for the reliable and safe transportability of the entire storage system.

Die Zellen innerhalb eines jeden Zellmoduls sind von einem hochspannungsfesten Isolationsmaterial (8) umgeben und mit einem Spannrahmen (6) gefasst. Das hochspannungsfeste Isolationsmaterial wirkt gegen Spannungen, die ein Vielfaches der Ruhespannung eines Zellmoduls betragen, z.B. bei einer Ruhespannung eines Zellmoduls von 40-50 V von bis in den Bereich von 1-3 kV isolierend. Der Spannrahmen kann aus Aluminium beschaffen sein. Der Spannrahmen umschließt die Zellen, die geometrisch als Rundzellen oder als prismatische Zellen ausgeführt sind, so dass diese ein dichtes Paket von Zellen bilden. Das hochspannungsfeste Isolationsmaterial isoliert die dichte Packung der Zellen gegen den Spannrahmen. Die dichte Packung des Pakets bewirkt zudem, dass die Zellen unter ihrem Eigengewicht nicht aus dem Paket fallen und gegen eine vorgegebene Beschleunigung in alle sechs Raumrichtungen die Zellen gegeneinander nicht verschoben werden. Als vorgegebene beschleunigende Kraft ist für einen sicheren Transport auch im Falle eines Crashs eine Kraft im Bereich von 50 g bis 150 g anzunehmen. Dies bedeutet beispielsweise bei einem angenommenen Eigengewicht eines Zellmoduls von 12 kg und einer vorgegebenen Beschleunigung von 50 g, dass der Spannrahmen eine Spannkraft von mindestens 6 kN aufzuweisen hat.The cells within each cell module are surrounded by a high-voltage-resistant insulating material (8) and held in place by a clamping frame (6). The high-voltage-resistant insulating material has an insulating effect against voltages that are a multiple of the no-load voltage of a cell module, for example with a no-load voltage of a cell module of 40-50 V up to the range of 1-3 kV. The clamping frame can be made of aluminum. The clamping frame encloses the cells, which are geometrically designed as round cells or as prismatic cells, so that they form a dense package of cells. The high-voltage-resistant insulating material isolates the dense packing of the cells from the clamping frame. The dense packing of the pack also means that the cells do not fall out of the pack under their own weight and fall into all of them against a given acceleration six spatial directions the cells are not shifted against each other. A force in the range of 50 g to 150 g is to be assumed as the specified accelerating force for safe transport even in the event of a crash. For example, with an assumed dead weight of a cell module of 12 kg and a specified acceleration of 50 g, this means that the clamping frame must have a clamping force of at least 6 kN.

Die Zellen und deren Gehäuse sind für diesen gegenseitig verspannten Einbau spezifiziert. Dies wird insbesondere durch die gewählte Wandstärke des Gehäuses einer Zelle, das häufig aus Aluminium gefertigt ist, bewirkt.The cells and their housing are specified for this mutually braced installation. This is caused in particular by the selected wall thickness of the cell housing, which is often made of aluminum.

Ein einzelnes Zellmodul wird an dem zugehörigen Spannrahmen an einer Grundplatte (5) des Gesamtspeichers durch eine oder mehrere Schraub-, Steck- oder Schweißverbindung verankert (7). In 1 weist der Spannrahmen eine rechteckige Grundform auf und ist an den vier Ecken in der Grundplatte verankert. Die Grundplatte und die Schraubverbindung sind derart ausgelegt, dass eine vorgegebene beschleunigende Kraft die Zellmodule unverrückbar auf der Grundplatte fixiert. Als vorgegebene beschleunigende Kraft ist für einen sicheren Transport auch im Falle eines Crashs eine Kraft im Bereich von 50 g bis 150 g anzunehmen.A single cell module is anchored to the associated clamping frame on a base plate (5) of the overall store by one or more screw, plug or welded connections (7). In 1 the clamping frame has a rectangular basic shape and is anchored to the base plate at the four corners. The base plate and the screw connection are designed in such a way that a predetermined accelerating force fixes the cell modules immovably on the base plate. A force in the range of 50 g to 150 g is to be assumed as the specified accelerating force for safe transport even in the event of a crash.

Die Spannrahmen der Zellmodule (4), die Verankerung und die Grundplatte stellen sicher, dass ein direkter Kurzschluss (angedeutet durch gestrichelte Linien in 1) zwischen einzelnen Zellmodulen durch Einwirkung einer vorgegebenen beschleunigenden Kraft verhindert wird. Als vorgegebene beschleunigende Kraft ist für einen sicheren Transport auch im Falle eines Crashs eine Kraft im Bereich von 50 g bis 150 g anzunehmen.The clamping frames of the cell modules (4), the anchoring and the base plate ensure that a direct short circuit (indicated by dashed lines in 1 ) between individual cell modules is prevented by the action of a predetermined accelerating force. A force in the range of 50 g to 150 g is to be assumed as the specified accelerating force for safe transport even in the event of a crash.

Außerdem weist die Anordnung der Zellen und Zellmodule in 1 einen effektiven Kurzschlussschutz gegen Luftionisation auf, d.h. gegen eine niederohmige Verbindung zwischen elektrischen Potentialen zwischen zwei Zellmodulen. In einem solchen Fall entsteht ein geschlossener Stromkreis durch Luftionisation. Dies ist anhand der technischen Umsetzung in 1 verhinderbar, indem zwischen den Polen der Zellmodule, die mit den Modulverbindern verbunden sind, eine Luftstrecke befindlich ist, die eine vorgegebene Distanz überschreitet. Eine Größenordnung für eine Stehstoßspannung zwischen zwei Zellmodulen, d.h. eine zeitweilige Überspannung zwischen zwei Zellmodulen einer Lithium-Ionen-Batterie für automobile Anwendungen mit einer Ruhespannung der Zellmodule von z.B. 40-50 V, beträgt etwa mindestens das 50-Fache der Ruhespannung eines Zellmoduls, also bei z.B. 40-50 V Ruhespannung etwa 2,5 kV. Die vorgegebene Distanz ist von weiteren Parametern beeinflusst wie etwa der Meereshöhe oder möglichen Verunreinigungen im Inneren des Hochvoltspeichers. Die Größenordnung der vorgegebenen Distanz beträgt in Abhängigkeit von den weiteren Parametern bei einer Zellmodulruhespannung von 40-50 V mindestens 3 mm zur Gewährleistung einer Stehstoßspannung von 2,5 kV.In addition, the arrangement of the cells and cell modules 1 effective short-circuit protection against air ionization, ie against a low-impedance connection between electrical potentials between two cell modules. In such a case, a closed circuit is created by air ionization. This is based on the technical implementation in 1 preventable by an air gap between the poles of the cell modules that are connected to the module connectors, which exceeds a predetermined distance. An order of magnitude for an impulse withstand voltage between two cell modules, i.e. a temporary overvoltage between two cell modules of a lithium-ion battery for automotive applications with an open-circuit voltage of the cell modules of e.g. 40-50 V, is at least 50 times the open-circuit voltage of a cell module, i.e at eg 40-50 V open-circuit voltage about 2.5 kV. The specified distance is influenced by other parameters such as sea level or possible contamination inside the high-voltage battery. Depending on the other parameters, the magnitude of the specified distance is at least 3 mm for a cell module open-circuit voltage of 40-50 V to ensure an impulse withstand voltage of 2.5 kV.

Der Kurschlussschutz für den Transport des Gesamtspeichers kann nur dann versagen, wenn eine äußere Kraft derart einwirkt, dass die Grundplatte deformiert oder zerstört wird oder zwei Zellmodule aus der Verankerung brechen und deren jeweiliger Spannrahmen und das Isolationsmaterial zerstört werden. Alternativ könnte ein nicht zum Gesamtspeicher gehöriges leitendes Teil in den Gesamtspeicher eingebracht werden. Beide Szenarien gehen mit nach den aktuellen Prüfvorschriften nicht abzusichernden Einwirkungen einher. Vielmehr könnte dies als vorsätzlicher Missbrauch oder höhere Gewalt betrachtet werden.The short-circuit protection for the transport of the entire accumulator can only fail if an external force acts in such a way that the base plate is deformed or destroyed or two cell modules break from the anchorage and their respective clamping frame and the insulation material are destroyed. Alternatively, a conductive part that does not belong to the overall memory could be introduced into the overall memory. Both scenarios are accompanied by effects that cannot be secured according to the current test regulations. Rather, this could be considered intentional abuse or force majeure.

Durch die Verhinderung eines Kurzschluss ist ferner sichergestellt, dass es zu keiner unkontrollierten Entladung der Zellen kommt.The prevention of a short circuit also ensures that there is no uncontrolled discharge of the cells.

Der zuverlässige Transport eines Gesamtspeichers setzt ferner voraus, dass eine Gefahr durch Überhitzung und/oder Überladung der Zellen ausschließbar ist.The reliable transport of an entire storage unit also presupposes that the risk of overheating and/or overcharging of the cells can be ruled out.

Zu diesem Zweck weist jede Zelle gemäß 2 eine Sicherheitsmembran (9) mit einer Schmelzsicherung (10) auf.For this purpose, each cell according to 2 a safety membrane (9) with a safety fuse (10).

Die Sicherheitsmembran dient vor allem Überladungs- und Überhitzungsschutz für jede einzelne Zelle. Bei übermäßiger Ladung sowie bei einer Überhitzung kann es in einer Lithium-Ionen-Zelle zu verstärkter Gasbildung kommen.The safety membrane is primarily used to protect each individual cell from overcharging and overheating. Excessive charging and overheating can lead to increased gas formation in a lithium-ion cell.

Die mit der Gasentwicklung einhergehende konzentrische Volumenausdehnung drückt gegen eine leitfähige Membran und verformt diese bezüglich eines vorgegebenen Freiheitsgrads. Durch die Sicherheitsmembran im verformten Zustand (9a) entsteht ein zellinterner Kurzschluss zwischen der positiven und der negativen Elektrode und zelläußerer Kurzschluss zwischen dem negativen Pol (11) und dem positiven Pol der Zelle. Dadurch wird einerseits der Strom der äußeren Quelle ohne Induzierung weiterer elektrochemischer Reaktionen kurzgeschlossen und es wird andererseits eine interne Entladung der Zelle bewirkt. Bezüglich des internen Entladestroms ist die Membran durch eine Schmelzsicherung (10) gesichert. Bei Auslösen der Sicherung wird eine Elektrode (in 2 die negative Elektrode (13), wobei des Gehäuse (15) auf dem Potential der positiven Elektrode (14) befindlich) vom zugehörigen Pol getrennt, so dass eine dauerhafte elektrische Unterbrechung zwischen den Elektroden im Inneren der Zelle entsteht. Beim Schmelzen der Sicherung bleibt der zelläußere Stromkreis bestehen, so dass der äußere Stromkreis über die Membran kurzgeschlossen ist. Eine Überladung jeder einzelnen Zelle wird dadurch wirkungsvoll verhindert. Der „Normalzustand“ der Sicherheitsmembran ist in 2 mit (9), in welchem kein Kurzschluss zwischen den beiden Polen besteht.The concentric volume expansion associated with the gas development presses against a conductive membrane and deforms it with regard to a specified degree of freedom. The safety membrane in the deformed state (9a) creates a cell-internal short circuit between the positive and the negative electrode and a cell-external short circuit between the negative pole (11) and the positive pole of the cell. As a result, on the one hand, the current from the external source is short-circuited without inducing further electrochemical reactions and, on the other hand, an internal discharge of the cell is brought about. With regard to the internal discharge current, the membrane is protected by a safety fuse (10). When the fuse blows, an electrode (in 2 the negative electrode (13), the housing (15) being at the potential of the positive electrode (14) from the associated one Pole separated so that there is a permanent electrical break between the electrodes inside the cell. When the fuse melts, the cell's external circuit remains intact, so that the external circuit is short-circuited across the membrane. This effectively prevents each individual cell from being overcharged. The "normal state" of the safety membrane is in 2 with (9), in which there is no short circuit between the two poles.

Die spezielle Kombination der beschriebenen Maßnahmen aus 1 mit 2 gewährleistet die hohe, reproduzierbare Nachweisbarkeitswahrscheinlichkeit für einen sicheren Transport einer Batteriebaueinheit sicherzustellender Kriterien wie etwa der Verhinderung von Kurzschlüssen zwischen Zellmodulen und die Überhitzung von Zellmodulen.The special combination of the measures described 1 with 2 ensures the high, reproducible probability of proving certain criteria for safe transport of a battery assembly, such as preventing short circuits between cell modules and overheating of cell modules.

Claims (6)

Elektrochemischer Gesamtspeicher zum Speichern von elektrischer Energie, der mehrere Zellmodule (4a-4c) umfasst, welche aus mehreren zweipoligen Lithium-Ionen-Zellen (1a-1k) bestehen, dadurch gekennzeichnet, dass - ein Isolationsmaterial (8) jedes Zellmodul (4a-4c) umschließt - jedes Zellmodul (4a-4c) in einen dieses Zellmodul (4a-4c) umschließenden Spannrahmen (6) eingespannt ist.Total electrochemical store for storing electrical energy, which comprises a number of cell modules (4a-4c) which consist of a number of two-pole lithium-ion cells (1a-1k), characterized in that - an insulating material (8) of each cell module (4a-4c ) encloses - each cell module (4a-4c) is clamped in a clamping frame (6) enclosing this cell module (4a-4c). Gesamtspeicher nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass - das Isolationsmaterial (8) hochvoltsicher ist.total storage after claim 1 , characterized in that - the insulating material (8) is high-voltage safe. Gesamtspeicher nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass - der Gesamtspeicher eine mehreren Zellmodulen (4a-4c) gemeinsame Grundplatte (5) umfasst, - der Spannrahmen (6) jedes der mehreren Zellmodule (4a-4c) mit der Grundplatte (5) mechanisch verbunden ist.total storage after claim 1 or 2 , characterized in that - the overall store comprises a base plate (5) common to several cell modules (4a-4c), - the clamping frame (6) of each of the several cell modules (4a-4c) is mechanically connected to the base plate (5). Gesamtspeicher nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass - die zwischen den mit der Grundplatte (5) verbundenen Zellmodulen (4a-4c) eine mindeste Distanz in Form einer Luftstrecke besteht, - die mindeste Distanz einen Kurzschluss durch Luftionisation zwischen zwei Zellmodulen (4a-4c) bis zu einer Stehstoßspannung unterbindet, die mindestens das Einfache der Ruhespannung eines Zellmoduls (4a-4c) beträgt.total storage after claim 3 , characterized in that - there is a minimum distance between the cell modules (4a-4c) connected to the base plate (5) in the form of an air gap, - the minimum distance is a short circuit due to air ionization between two cell modules (4a-4c) up to one Prevents surge withstand voltage that is at least once the open-circuit voltage of a cell module (4a-4c). Gesamtspeicher nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass - jede Zelle (1a-1k) eine Sicherheitsmembran (9) umfasst, - jede Zelle (1a-1k) eine Sicherung umfasst, die bei einer bestimmten über die Membran fließenden Stromstärke auslöst, - ein in der Zelle (1a-1k) befindlicher Gasdruck die Sicherheitsmembran (9,9a) deformiert, - die deformierte Sicherheitsmembran (9a) die beiden Pole (11,12) der Zelle (1a-1k) kurzschließt.Overall store according to one of the preceding claims, characterized in that - each cell (1a-1k) comprises a safety membrane (9), - each cell (1a-1k) comprises a fuse which trips at a specific current intensity flowing across the membrane, - a gas pressure in the cell (1a-1k) deforms the safety membrane (9,9a), - the deformed safety membrane (9a) short-circuits the two poles (11,12) of the cell (1a-1k). Gesamtspeicher nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass - bei ausgelöster Sicherung der Kurzschluss der beiden Pole (11,12) im Inneren der Zelle (1a-1k) unterbrochen ist - bei ausgelöster Sicherung der Kurzschluss der beiden Pole (11,12) bei einer äußeren Verbindung der Pole (11,12) hergestellt ist.total storage after claim 5 , characterized in that - when the fuse is triggered, the short-circuit of the two poles (11,12) inside the cell (1a-1k) is interrupted - when the fuse is triggered, the short-circuit of the two poles (11,12) with an external connection of the poles (11,12) is established.
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