具有多個電化學電池的電池組單元以及具有多個電池組單元的電池組模塊的製作方法

2023-04-27 10:15:41

本發明涉及一種電池組單元，所述電池組單元包括相互電連接的多個電化學電池並且包括包圍機構空間的外套筒，所述多個電化學電池分別具有電極機構，所述電極機構具有陰極接觸元件和陽極接觸元件，在所述外套筒中布置有電化學電池。

此外，本發明涉及一種電池組模塊，所述電池組模塊具有相互電連接的多個電池組單元。

背景技術：

具有相互電連接的多個電化學電池的電池組電池在現有技術中以不同的構型已知。此外，已知具有相互連接的作為電化學電池的多個電池組電池的電池組模塊。尤其基於高的能量密度，作為電池組電池優選使用鋰離子電池。

鋰離子電池尤其可以構造為所謂的圓形電池、稜柱形電池或者所謂的袋狀電池。在此，鋰離子電池具有帶有陰極接觸元件和陽極接觸元件的電極機構。作為電極機構，在此尤其已知用於圓形電池的圓柱形的電池卷繞、用於稜柱形電池的稜柱形面卷繞和所謂的電池堆疊（cell Stack）。這樣的電極機構在此包括陰極材料、陽極材料、分離裝置和電解質。

在現有技術中已知的電池組單元和電池組模塊的缺點尤其關於電化學電池的連接、關於電池組單元和電池組模塊的大小、主要鑑於可以在混合動力車輛、插電式混合動力車輛或者電動車輛中使用的電池組單元或者電池組模塊，並且關於電池組單元和電池組模塊鑑於對不同要求的匹配的變化性而存在，所述要求應是對電池組單元或者電池組模塊例如關於待提供的容量和/或功率而提出的。

在此背景下，本發明的任務是，提供關於前面提到的缺點改善的電池組單元和改善的電池組模塊。尤其應提供以下電池組單元，所述電池組單元具有更高的能量密度，也即在與常規電池組單元相同的容量和功率的情況下具有較小的尺寸和因此佔用較少的空間。

技術實現要素：

為了解決所述任務，提出一種電池組單元，所述電池組單元包括相互電連接的多個電化學電池並且包括包圍機構空間的外套筒，所述多個電化學電池分別具有電極機構，所述電極機構具有陰極接觸元件和陽極接觸元件，在所述外套筒中布置有電化學電池，其中所述外套筒構造為溼氣屏障以及化學屏障並且各個電化學電池分別包括電絕緣的絕緣套筒，所述絕緣套筒包圍相應的電極機構。優選地，所述電極機構是基於鋰的電極機構。通過所述絕緣套筒，所述電化學電池的電極機構有利地相互電絕緣。在此，絕緣套筒自身尤其不承擔溼氣屏障和/或化學屏障的功能，而是有利地用於離子絕緣，使得不會無意地短接電極機構。

電化學電池的連接有利地通過電極機構的陰極接觸元件以及陽極接觸元件實現。尤其規定，電池組單元自身具有從外套筒向外引導的用於接觸電池組單元的接觸元件。

作為電化學單元，在根據本發明的電池組單元中尤其設置二次電池組電池、特別優選地鋰離子電池，其中電化學電池藉助包圍所述電化學電池的外套筒具有共同的溼氣屏障和化學屏障並且並非每個電化學電池分別自身具有這樣的溼氣屏障和/或化學屏障。由此有利地減小根據本發明的電池組單元的重量，這有利地有助於更高的能量密度。

也即，本發明的一個重要的方面是，電極機構自身沒有被基於金屬的套筒包圍，其中絕緣套筒自身不是溼氣屏障和化學屏障，因此溼氣和/或電解質可以通過絕緣套筒擴散。包圍所述電化學電池的絕緣套筒有利地是塑料薄膜，尤其是由聚乙烯（PE）或者由聚醚醚酮（PEEK）製成的薄膜。在根據本發明的電池組單元中，溼氣屏障和化學屏障有利地僅僅通過外套筒提供。通過並非所述絕緣套筒中的每一個都基於金屬的方式，在此有利地可節省重量。此外，可有利地實現更高的能量密度。

尤其規定，電池組單元的外套筒具有提供溼氣屏障和化學屏障的金屬化部，作為構型尤其設置從外部金屬化的塑料薄膜作為外套筒。此外，根據一種有利的構型，外套筒是金屬薄膜。尤其在此規定，外套筒由兩個半殼構成，其中所述半殼優選分別藉助深衝方法由金屬薄膜製成，優選地，所述一個半殼是由基於鋁的金屬薄膜製成，另一個半殼是由基於銅或基於鋼的半殼製成。在此，第一半殼優選地用作電池組單元的第一接觸元件，並且第二半殼用作電池組單元的第二接觸元件，通過所述第一和第二接觸元件，電池組單元可以有利地通過並排布置與其他電池組單元連接。

根據本發明的電池組單元的另一個特別優選的構型規定，將溶劑、優選無導電鹽的溶劑引入到由所述外套筒包圍的機構空間中。由此有利地將各個電化學電池的電解質濃度保持恆定，尤其因為電解質不從電化學電池擴散出來，溶劑不會擴散到電化學電池中。由此有利地防止電化學電池的脫水。尤其規定，外套筒具有可封閉的填充開口，通過填充開口可以將溶劑引入到機構空間中。

按照根據本發明的電池組單元的另一個有利的構型，將惰性氣體引入到由所述外套筒包圍的機構空間中。通過惰性氣體有利地提供爆炸防護。

在根據本發明的電池組單元的另一個有利的構型中，所述外套筒還構造為機械屏障。在此，外套筒優選構造為硬殼，尤其構造為金屬殼體。有利地，外套筒在此保護電化學電池以防機械影響、尤其變形和/或碰撞。

根據本發明的電池組單元的另一個特別有利的構型規定，外套筒具有至少一個第一導電連接元件和至少一個第二導電連接元件，其中所述電化學電池中的至少一些通過所述連接元件相互連接。根據本發明的一個特別有利的構型規定，第一數目的電化學電池電並聯並且第二數目的電化學電池電並聯。第一數目的電化學電池在此有利地與第二數目的電化學電池電串聯。為了使電化學電池並聯，在此規定，第一數目或者第二數目的電化學電池的陰極接觸元件和陽極接觸元件分別相互接觸。為了所述第一數目的電化學電池與所述第二數目的電化學電池的串聯，尤其規定，所述第一數目的電化學電池的相互連接的陰極接觸元件與第一連接元件連接並且所述第二數目的電化學電池的陽極接觸元件與第一連接元件連接。所述第一數目的電化學電池的陽極接觸元件在此有利地與第二連接元件連接並且所述第二數目的電化學電池的陰極接觸元件同樣與第二連接元件連接，使得第一數目的電化學電池與第二數目的電化學電池電串聯。通過連接的類型，在此有利地確定電池組單元的容量和/或功率。

按照根據本發明的電池組單元的另一個有利的構型，在所述機構空間中在至少第一數目的電化學電池和至少第二數目的電化學電池之間布置有至少一個安全屏障，其中所述安全屏障被構造用於防止所述第一數目的電化學電池和所述第二數目的電化學電池之間的熱學鏈式反應。安全屏障在此尤其防止在電化學電池之一熱穿通（英語：thermal runaway，熱失控）的情況下的熱學鏈式反應。安全屏障在此有利地包括導熱差的填充材料，所述填充材料在最大程度上減小電化學電池之間的熱交換。填充材料優選構造為溫度吸收裝置，優選藉助所謂的相變材料（pcm）構造。

根據本發明的電池組單元的另一個有利的構型規定，將至少一個冷卻裝置布置到所述機構空間中，其中至少一個電化學電池與所述至少一個冷卻裝置熱接觸。尤其規定，冷卻裝置被構造為冷卻板。冷卻板在此有利地包括至少一個冷卻劑引導通道，所述至少一個冷卻劑引導通道可以由冷卻劑穿流以用於對電化學電池進行調溫。尤其規定，確定數目的電化學電池分別由兩個冷卻裝置包圍，使得有利地能夠實現電化學電池的均勻調溫。根據本發明的一個特別有利的構型，安全屏障還被構造為冷卻裝置。

本發明的另一個有利的構型規定，所述電池組單元的電化學電池的電極機構構造為電池卷繞（英語：Jelly Roll極組）。作為電解質，在此尤其設置固體電解質。

根據本發明的電池組單元的另一個有利的構型規定，所述外套筒包括用於減少所述外套筒內的過壓的至少一個安全閥。安全閥在此有利地被構造用於在外套筒內預先確定的過壓的情況下打開。安全閥因此有利地被構造用於防止電池組單元的爆炸，尤其當在由外套筒包圍的機構空間中的內壓例如由於電池組單元的電化學電池的強變熱而增加時。尤其規定，通過安全閥或者通過由安全閥封閉的開口在電池組單元的製造的範圍內將溶劑引入到機構空間中以及必要時將惰性氣體引入到機構空間中。尤其規定，安全閥被構造為破裂膜片或者構造為回彈閥。

為了解決一開始提到的任務，此外提出一種電池組模塊，所述電池組模塊具有相互電連接的多個電池組單元，其中所述電池組單元被構造為根據本發明的電池組單元。有利地，這樣的電池組模塊具有高的能量密度。此外，由此有利地可以進一步更好地匹配能量存儲單元。尤其規定，電池組模塊包括電池組管理系統，所述電池組管理系統尤其被構造用於調節運行和/或用於監視電池組模塊的電池組單元的運行。

附圖說明

與在附圖中示出的實施例相結合地詳細闡述本發明的其他有利的細節、特徵和構型細節。在此：

圖1以示意圖示出根據本發明的電池組單元的一個實施例；以及

圖2以示意圖示出根據本發明的電池組單元的電化學電池的一個實施例。

具體實施方式

在圖1中示出的電池組單元1包括總共8個電化學電池2。電化學電池2在此是可再充電的鋰離子電池。電化學電池2分別具有電極機構3，所述電極機構在此被構造為電池卷繞。電化學電池2的電極機構3此外具有陰極接觸元件4和陽極接觸元件5。

在圖1中左邊示出的四個電化學電池2在此電並聯，其方式是，電化學電池2藉助其陰極接觸元件4和其陽極接觸元件5相互接觸。同樣的適用於在右邊示出的另外四個電化學電池2。

電池組單元1的電化學電池2在此還包括電絕緣的絕緣套筒8，所述絕緣套筒包圍電極機構3。電化學電池2的電極機構3通過絕緣套筒8相互電絕緣。絕緣套筒8在該實施例中是塑料薄膜。絕緣套筒8在此不基於金屬，也即絕緣套筒8是溼氣可穿透的並且也允許電化學電池2的電解質的包圍絕緣套筒8的溶劑的擴散。

在圖1中示出的電池組單元1的八個電化學電池2由外套筒7包圍。外套筒7在此包圍機構空間6，在所述機構空間中布置有電化學電池2。外套筒8在此被構造為溼氣屏障並且被構造為化學屏障並且因此尤其防止溼氣侵入到機構空間6中並且因此防止溼氣進入到電化學電池2中以及溶劑從機構空間6逸出。外套筒7為此被構造為具有所施加的金屬化部的塑料殼體。

將無導電鹽的溶劑（在圖1中未明確示出）引入到電池組單元1的機構空間6中。該溶劑有利地防止電化學電池2的脫水。此外有利地，惰性氣體（在圖1中未明確示出）被引入到機構空間中。惰性氣體在此有利地用作爆炸防護。

此外，在圖1中示出的電池組單元1的外套筒7具有第一導電連接元件9和第二導電連接元件10。電化學電池2在此通過陰極接觸元件4和陽極接觸元件5與第一連接元件9和第二連接元件10接觸，使得前四個並聯的電化學電池2與後四個並聯的電化學電池2電串聯。通過第一連接元件9和第二連接元件10，電池組單元1還能夠有利地被接觸，尤其是使得可以將耗電裝置或者充電裝置連接到電池組單元1上。此外，電池組單元1能夠有利地通過連接元件9、10與其他的電池組單元電連接，尤其連接成電池組模塊。對此尤其規定，具有相應的連接元件的電池組單元並排布置。

在圖1中示出的實施例中，在前四個電並聯的電化學電池2和後四個電並聯的電化學電池2之間布置有安全屏障11，所述安全屏障有利地在電化學電池2之一熱穿通的情況下防止熱學鏈式反應，所述熱學鏈式反應會導致，全部布置在機構空間6中的電化學電池2將被損壞。安全屏障11在此有利地還被構造為冷卻裝置12。尤其被構造為能夠以冷卻劑穿流的冷卻裝置。為此，冷卻裝置12有利地具有至少一個冷卻劑引導通道（在圖1中未明確示出）。

在圖2中示出用於根據本發明的電池組單元的電化學電池2的一個實施例。電化學電池2在此包括電極機構3，所述電極機構具有陰極接觸元件4和陽極接觸元件5。電極機構3在此被構造為具有固體電解質的電池卷繞或者電池堆疊或者電極堆疊。電極機構3由絕緣套筒8包圍，所述絕緣套筒向外部電絕緣電極機構3。絕緣套筒8因此有利地是離子絕緣部。電化學電池2的化學隔離在此有利地首先在電池組單元的層面上通過外套筒實現。如與圖1相結合地闡述的那樣，外套筒在此包圍多個電化學電池，所述多個電化學電池有利地相互連接。

在附圖中示出的並且與附圖相結合地闡述的實施例用於闡述本發明並且因此對於本發明不進行限制。