AT511667B1 - Wiederaufladbare elektrische batterie - Google Patents

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Abstract

Die Erfindung betrifft eine wiederaufladbare elektrische Batterie (1), insbesondere Hochspannungsbatterie, vorzugsweise für ein Elektrofahrzeug, mit zumindest einem Stapel (3, 4) von aneinandergereihten Batteriezellen (5), wobei zumindest zwei Zellpole (18) von benachbarten Batteriezellen (5) durch zumindest einen Zellverbinder (19, 20) miteinander elektrisch leitend verbunden sind, wobei die Verbindung zwischen zumindest einem Zellpol (18) und dem Zellverbinder (19, 20) durch eine kalt-flächenverpresste Durchsetzfügeverbindung (21) gebildet ist, wobei zumindest ein Zellverbinder ein U-Profil oder Y-Profil aufweist.

Description

Beschreibung [0001] Die Erfindung betrifft eine wiederaufladbare elektrische Batterie, insbesondere Hoch¬spannungsbatterie, vorzugsweise für ein Elektrofahrzeug, mit zumindest einem Stapel vonaneinandergereihten Batteriezellen, wobei zumindest zwei Zellpole von benachbarten Batterie¬zellen durch zumindest einen Zellverbinder miteinander elektrisch leitend verbunden sind, wo¬bei die Verbindung zwischen zumindest einem Zellpol und dem Zellverbinder durch eine kalt-flächenverpresste Durchsetzfügeverbindung gebildet ist.
[0002] Hochspannungsbatterien weisen üblicherweise Batteriepackungen mit aneinanderge¬reihten Batteriezellen, beispielsweise Lithium-Ionen-Batteriezellen, auf, wobei die Zellpole durchZellverbinder miteinander elektrisch verbunden sind, welche an die Zellpole durch eine Laser¬schweißverbindung angebunden sind. Die beiden Zellpole jeder Batteriezelle bestehen aufGrund der elektrochemischen Materialeigenschaften meistens aus verschiedenen Werkstoffen,was die Verbindungstechnik erschwert. Beim sehr häufig verwendeten Laserschweißverfahrenwerden die aus der Zellchemie hervorstehenden Zellpolbleche (meistens Cu oder AI) mit einemzusätzlichen Bi-Metall-Zellverbinder (zum Beispiel Aluminiumblech oder Kupferblech über einKompaktierungsverfahren verbunden) miteinander verschweißt. Ein direktes Verschweißen vonzwei unterschiedlichen Materialien ist technisch äußerst kompliziert und erschwert den ohnehinaufwendig zu überwachenden und komplexen Laserschweißprozess zusätzlich.
[0003] Aus der DE 10 2009 035 463 A1 ist eine Batterie mit einer Vielzahl von flachen, imWesentlichen plattenförmigen Batterieeinzelzellen bekannt. Die Batterieeinzelzellen sind zueinem Zellenstapel gestapelt und mit einem Batteriegehäuse umgeben. Die Batterieeinzelzellensind dabei in Rahmenflachbauweise mit metallischen Blechen und einem Rahmen aus isolie¬renden Material ausgebildet.
[0004] Auch aus der WO 2008/048751 A2 ist ein Batteriemodul mit einer Vielzahl an nebenei¬nander in einem Stapel angeordneten plattenförmigen Batteriezellen bekannt, welche in einemGehäuse untergebracht sind.
[0005] Die WO 2010/053689 A2 beschreibt eine Batterieanordnung mit einem Gehäuse undeiner Mehrzahl von Lithium-Ionen-Zellen, welche nebeneinander angeordnet sind. Das Gehäu¬se ist zur Kühlung mit einem thermisch leitenden, elektrisch isolierenden Fluid durchströmt.
[0006] Aus der WO 2010/067944 A1 ist eine Batterie mit nebeneinander angeordneten Stapelvon Batteriezellen bekannt, wobei Batteriezellen durch Kühlluft gekühlt werden.
[0007] Die DE 27 05 050 A1 beschreibt einen Batterieaufbau mit zumindest einer galvanischenZelle, welches einen positiven und einen negativen Batterieanschluss und ein positives undnegatives spiralförmig zu einer zylindrischen Form gewundenes Elektrodenmaterial aufweist,wobei die Verbindung zwischen dem Elektrodenmaterial mit den Polen über eine mechanischePunktkontakt-Verbindung erfolgt.
[0008] Aus der DE 10 2004 003 066 A1 ist ein prismatischer Akkumulator mit mehreren Zellge¬fäßen bekannt, wobei in jedem Zellgefäß ein Plattenstapel aufgenommen ist. Entlang der Zwi¬schenwände des Zellgefäßes zwischen den Plattenstapeln erstrecken sich jeweils Kontaktver¬bindungsbleche, wobei jeweils die an einer Zwischenwand gegenüberliegenden Kontaktverbin¬dungsbleche sich durch die Zwischenwand hindurch miteinander leitend verbinden und dieKontakte der Plattenstapel mit den zugeordneten Kontaktverbinderblechen elektrisch leitenddurch Schweißen verbunden sind. Die Verbindung von Kontaktverbindungsblechen durch dieZwischenwand hindurch ist als kaltflächenverpresste Durchsetzfügeverbindung ausgebildet.
[0009] Die WO 2011/144 372 A1 beschreibt eine Lithium-Ionen-Batteriezelle sowie ein Verfah¬ren zur Herstellung einer elektrisch leitfähigen Kontaktierung von Terminals von Batteriezellen,wobei die Terminals mit einem Fügeverfahren, beispielsweise einem Durchsetzfügeverfahren,miteinander elektrisch leitend kontaktierend verbunden werden.
[0010] Aus der DE 10 2009 046 505 A1 ist ein Verfahren zur Verbindung eines Batteriepols einer ersten Batteriezelle mit einem Batteriepol einer zweiten Batteriezelle bekannt, wobei dieBatteriepole zur Herstellung des elektrisch leitfähigen Kontaktes kraft- und formschlüssig mittelsDurchsetzfügens, was auch Druckfügen genannt wird, oder Clinchen oder Toxen verbundenwerden.
[0011] Aufgabe der Erfindung ist es, die genannten Nachteile zu vermeiden, und die Fertigungeiner wiederaufladbaren elektrischen Batterie der eingangs genannten Art zu vereinfachen.
[0012] Erfindungsgemäß wird dies dadurch erreicht, dass die Zellverbinder ein U- oder Y- Profilaufweisen, wobei vorzugsweise Zellverbinder mit U-Profil und mit Y-Profil abwechselnd zwi¬schen aufeinanderfolgenden Batteriezellen angeordnet sind.
[0013] Hierbei ist die Verbindung zwischen zumindest einem Zellpol und zumindest einemZellverbinder und/oder zwischen zumindest einem Zellpol und zumindest einer Stromschieneund/oder unmittelbar zwischen zwei Zellpolen durch eine kaltflächenverpresste Durchsetzfüge-verbindung gebildet, wobei vorzugsweise jede Durchsetzfügeverbindung mehrere nebeneinan¬der angeordnete Clinchpunkte aufweist. Die Durchsetzfügeverbindung ist luftdicht abgeschlos¬sen, wodurch eine korrosionsfeste Langzeitverbindung entsteht.
[0014] Beim Durchsetzfügen (Clinchen) werden zwei oder mehr Bleche über einen Werkzeug¬stempel und eine Werkzeugmatrize plastisch in sich verformt, wodurch ein Formschluss zwi¬schen den Blechen entsteht. Beim Verbinden von Zellblechen werden diese je nach der ge¬wählten Verschaltungsart (zum Beispiel zwei Bleche bei Serienschaltung oder drei bzw. vierBleche bei einer Parallelschaltung von jeweils zwei Batteriezellen mit Zellverbindern undZellspannungsüberwachungskabel) in einem Arbeitsgang miteinander verbunden, wobei durchVerwendung von Mehrfachwerkzeugen gleichzeitig mehrere Fügepunkte (Clinchpunkte) aufeinem Zellpolpaket (Zellpolstapel) oder auf mehreren Zellpolpaketen gesetzt werden können.
[0015] Die Mehrfachfügepunkte ermöglichen eine hohe Stromtragfähigkeit.
[0016] Die Durchsetzfügeverbindung erlaubt eine einfache Kontaktierung der Zellpole mit un¬terschiedlichen Materialien (zum Beispiel Kupfer zu Aluminium oder umgekehrt), ohne dasszusätzliche Bauteile erforderlich wären.
[0017] Da die Position der Clinchpunkte viel mehr streuen darf, als etwa die Bauteilpositionie¬rung bei einer Laserschweißerbindung, ergibt sich ein hohes Toleranzkompensationsvermögen.
[0018] Durch Verwendung von Parallelmehrfachwerkzeugen kann insbesondere für großeStückzahlen eine einfache und kostengünstige Fertigung ermöglicht werden, wobei nur wenigeund leicht zu beherrschende Einflussgrößen, wie Materialwandstärke, Presskraft oder derglei¬chen kontrolliert werden müssen.
[0019] Besonders vorteilhaft ist es, wenn zumindest eine Durchsetzfügeverbindung in einemKühlluftkanal angeordnet ist, wobei vorzugsweise die Durchsetzfügeverbindung zumindesteinen in die Kühlluftströmung des Kühlluftkanals hineinragenden Clinchpunkt aufweist. Durchdie vorragenden Clinchpunkte wird die für die Kühlung, beispielsweise bei direkter Luftkühlungder Zellpole, maßgebende Oberfläche erhöht. Die hervorstehenden Clinchpunkte wirken zudemturbulenzsteigernd, was sich vorteilhaft auf den Wärmetransport bei Luftkühlung auswirkt. Durcheffiziente Bauteilnutzung kann somit die volumetrische Energiedichte der Batterie erhöht wer¬den.
[0020] Die Erfindung wird im folgenden an Hand der Fig. näher erläutert.
[0021] Es zeigen [0022] Fig. 1 eine erfindungsgemäße Batterie in einer Schrägansicht von oben, [0023] Fig. 2 die Batterie in einem Schnitt gemäß der Linie II - II in Fig. 1, [0024] Fig. 3 die Batterie in einer Vorderansicht, [0025] Fig. 4 die Batterie in einer Schrägansicht von unten, [0026] Fig. 5 ein Batteriemodul der Batterie in einer Schrägansicht, [0027] Fig. 6 dieses Batteriemodul in einer Ansicht von unten, [0028] Fig. 7 einen Stapel von Batteriezellen in einer Schrägansicht, [0029] Fig. 8 diesen Stapel in einer Seitenansicht, [0030] Fig. 9 die Stapel von Batteriezellen eines Batteriemoduls in einer Schrägansicht, [0031] Fig. 10 ein Batteriemodul in einem Schnitt gemäß der Linie X - X in Fig. 9 und [0032] Fig. 11 ein Detail dieses Batteriemoduls in einem Schnitt analog zu Fig. 10.
[0033] Die wiederaufladbare Batterie 1 weist im Ausführungsbeispiel sieben Batteriemodule 2auf, wobei jedes Batteriemodul 2 zwei Stapel 3, 4 von nebeneinander angeordneten und ver¬spannten Batteriezellen 5 aufweist. Die Stapel 3, 4 jedes Batteriemoduls 2 sind zwischen zweistruktursteifen gewellten Platten 6 aus Metall, z.B. Aluminium, oder Kunststoff, angeordnet,wobei die Platten 6 durch Druckgussteile gebildet sein können. Die Platten 6 selbst sind zwi¬schen zwei Halteplatten 7, 8 an der Vorder- und Rückseite der Batterie 1 eingespannt, wobeidie Halteplatte 7 an der Vorderseite über Spannschrauben 9 mit der Halteplatte 8 an der Rück¬seite fest verbunden ist. Die Spannschrauben 9 sind dabei jeweils im Bereich der Platten 6angeordnet. Die Platten 6 bilden zusammen mit den Halteplatten 7, 8 einen Halterahmen 10 fürdie Batteriemodule 2. Die Halteplatten 7, 8 weisen Öffnungen auf, um das Gewicht so geringwie möglich zu halten. Der - in Stapelrichtung y gesehene - definierte Abstand zwischen denSpannschrauben 9 gewährleistet, dass die Batteriezellen 5 lagerichtig und mit bestimmter undüber die Lebensdauer der Batterie 1 im Wesentlichen unveränderlicher Vorspannung verbautsind. Zwischen den Platten 6 und den angrenzenden Batteriezellen 5 ist dabei jeweils eineelastische Isolierschicht 6a, beispielsweise aus einem Schaumstoff, angeordnet, welcher einegleichmäßige und schonende Druckverteilung ermöglicht.
[0034] Nach unten wird die Batterie 1 durch eine Bodenplatte 11 abgeschlossen. Die Batterie 1samt Halterahmen 10 ist in einem Gehäuse 12 angeordnet, wobei zwischen dem Gehäuse 12und der Batterie 1 Kühlluftströmungswege ausgebildet sind. Zur Führung der Kühlluftströmungsind in den Gehäuseboden 12a Strömungsleitflächen 13 eingearbeitet, wie aus Fig. 2 und 4ersichtlich ist.
[0035] Jede Batteriezelle 5 ist von einer Kunststoffhülle 14 umgeben, wobei die Kunststoffhülle14 etwa im Bereich einer Zellmittelebene 15 entlang der Schmalseite 5a eine vorragende Sie¬gelnaht 16 zur Abdichtung aufweist. Zwischen den Siegelnähten 16 zweier benachbarter Batte¬riezellen 5 eines Stapels 3, 4 ist jeweils ein Freiraum 17 aufgespannt.
[0036] Um Bauraum einzusparen, sind die zwei nebeneinander angeordneten Stapel 3, 4 jedesBatteriemoduls 2 versetzt und überlappend zueinander ausgebildet. Der Versatz V beträgtdabei etwa der halben Dicke D einer Batteriezelle 5. Die Siegelnähte 16 einer Batteriezelle 5des einen Stapels 3, 4 ragen dabei in einen von Siegelnähten 16 zweier benachbarter Batterie¬zellen 5 des anderen Stapels 4, 3 aufgespannten Freiraum 17 hinein. Dadurch kann der Frei¬raum 17 zumindest teilweise durch die Unterbringung eines Teiles der Siegelnähte 16 genutztwerden. Dies wirkt sich sehr vorteilhaft auf die Größe des verbauten Raumes und auf die volu¬metrische Energiedichte aus. Der Versatz v zwischen den beiden Stapeln 3, 4 bewirkt, dass diePlatten 6 im Bereich einer Längsmittelebene 1a der Batterie 1 eine Stufe 24 ausbilden.
[0037] An der oberen Schmalseite 5a ragen aus den Kunststoffhüllen 14 Zellpole 18, welcheüber U- und Y-förmige Zellverbinder 19, 20 miteinander verbunden sind.
[0038] Die Verbindung zwischen den Zellverbindern 19, 20 und den Zellpolen 18 kann als einenoder mehrere Clinchpunkte 21a aufweisende Durchsetzfügeverbindung 21 in einem Durchsetz-fügeverfahren ausgeführt sein. Dies ermöglicht eine besonders hohe Stromtragfähigkeit durchnebeneinander angeordnete Mehrfachfügepunkte sowie eine korrosionsfeste Langzeitverbin¬dung auf Grund der luftdicht abgeschlossenen Fügestellen und eine einfache Kontaktierung derZellpole 18 mit unterschiedlichen Materialien (Kupfer zu Aluminium und umgekehrt), ohne zu¬ sätzliche Bauteile. Mittels Durchsetzfügeverfahren lassen sich zwei bis vier Bleche miteinanderelektrisch mit dem selben Werkzeug verbinden, wobei sich besonders die Materialien Kupfer,Aluminium und Stahl, bei Wandstärken von 0,1 bis 0,5 mm eignen. Gegebenenfalls könnensomit in einem Arbeitsschritt gleichzeitig mit den Zellverbindern 19, 20 auch Zellspannungs¬überwachungskabel 22 an den Zellpolen 18 in einem Durchsetzfügeverfahren angebundenwerden. Da die Position der Clinchpunkte 21a der Durchsetzfügeverbindung 21 mehr streuendarf, als zum Beispiel bei einer Laserschweißverbindung, ergibt sich ein relativ hohes Toleranz¬kompensationsvermögen. Durch Verwendung von Parallel- und Mehrfachwerkzeugen lässt sichfür größere Stückzahlen eine einfache und kostengünstige Fertigung realisieren, wobei nurwenige und leicht beherrschbare Einflussgrößen wie Materialwandstärke, Presskraft etc. vorlie¬gen. Durch die in den Kühlluftkanal 27 ragenden Clinchpunkte 21a wird die wärmeableitendeOberfläche der Batterie 1 erhöht, was insbesondere bei direkter Luftkühlung der Zellpole 18 vonBedeutung ist. Die hervorstehenden Clinchpunkte 21a tragen dabei auch zur Turbulenzerhö¬hung bei, was insbesondere bei Luftkühlung den Wärmetransport verbessert. Durch ihre positi¬ve Auswirkung auf die Kühlung tragen somit Clinchpunkte 21a auch zur Erhöhung der volumet¬rischen Energiedichte durch effiziente Bauraumausnutzung bei.
[0039] Um eine besonders gute volumetrische Energiedichte zu erreichen, ist es erforderlich,die Batteriezellen 5 möglichst nahe aneinander zu positionieren. Dazu wird zwischen den Batte¬riezellen 5 eine möglichst dünne, thermische und elektrische Isolatorschicht 23, zum Beispieleine Isolationsfolie, angeordnet, um das Auftreten eines „Dominoeffektes" bei einer thermischenÜberlastung einer benachbarten Batteriezelle 5 zu vermeiden.
[0040] Die Freiräume 17 bilden zugleich Kühlluftkanäle 26, 27 aus. Im Bereich der Überlappung25 der beiden Stapel 3, 4, also im Bereich der Längsmittelebene 1a der Batterie 1, bilden dieFreiräume 17 erste Kühlluftkanäle 26, welche in Richtung der Hochachse z der Batterie 1 ange¬ordnet sind. Die Siegelnähte 16 bilden dabei Strömungsleitflächen für die Luftströmung undwärmeabführende Oberflächen. In Richtung einer Querachse x normal auf die Hochachse z undnormal auf die Stapelrichtung y sind zweite Kühlluftkanäle 27 im Bereich der Zellpole 18 durchdie Freiräume 17 an der Oberseite der Batteriezellen 5 gebildet.
[0041] Die ersten und zweiten Kühlluftkanäle 26, 27 sind Teil eines geschlossenen Kühlluft¬kreislaufes 28 zur Kühlung der Batterie 1, wobei der Kühlluftkreislauf 28 zumindest ein Kühlluft¬gebläse 29 und zumindest einen Wärmetauscher 30 aufweist. Die Kühlluft wird dabei - vomKühlluftgebläse 29 und dem Wärmetauscher 30 kommend - in das Gehäuse 12 im Bereich derHalteplatte 9 an der Rückseite und/oder Oberseite der Batterie 1 oder im Bereich der Zellpole18 zugeführt. Die Kühlluft durchströmt dabei die zweiten Kühlluftkanäle 27 und kühlt Zellpole 18und Zellverbinder 19, 20. Danach gelangt zumindest ein Teil der Kühlluft in die ersten Kühlluft¬kanäle 26, welche die Kühlluft entgegen der Hochachse z nach unten führen. Dabei werden alleZwischenräume und Freiräume 17 der Batterie 1 durchströmt und anfallende Wärme abgeführt.Zwischen der Halteplatte 8 an der Vorderseite der Batterie 1 und dem Gehäuse 12 strömt auchdie restliche Kühlluft zum Gehäuseboden 12a des Gehäuses 12, wo es durch die Strömungs¬leitflächen 13 zur Fahrzeuglängsmittelebene ε geleitet und gesammelt wird. Danach wird dieKühlluft wieder durch das Kühlluftgebläse angesaugt und im Wärmetauscher 30 abgekühlt,bevor es wieder im geschlossenen Kühlkreislauf 28 der Batterie 1 zugeführt wird.

Claims (10)

  1. Patentansprüche 1. Wiederaufladbare elektrische Batterie (1), insbesondere Hochspannungsbatterie, vorzugs¬weise für ein Elektrofahrzeug, mit zumindest einem Stapel (3, 4) von aneinandergereihtenBatteriezellen (5), wobei zumindest zwei Zellpole (18) von benachbarten Batteriezellen (5)durch zumindest einen Zellverbinder (19, 20) miteinander elektrisch leitend verbundensind, wobei die Verbindung zwischen zumindest einem Zellpol (18) und dem Zellverbinder(19, 20) durch eine kalt-flächenverpresste Durchsetzfügeverbindung (21) gebildet ist,dadurch gekennzeichnet, dass zumindest ein Zellverbinder ein U-Profil oder Y-Profil auf¬weist.
  2. 2. Batterie (1) nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass jede Durchsetzfügeverbin¬dung (21) mehrere nebeneinander angeordnete Clinchpunkte (21a) aufweist.
  3. 3. Batterie (1) nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Durchsetzfüge¬verbindung (21) luftdicht abgeschlossen ist.
  4. 4. Batterie (1) nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass zumindestein Zellpole (18) und zumindest ein mit dem Zellpol (18) mittels der Durchsetzfügeverbin¬dung (21) verbundenen Zellverbinder (19, 20) aus verschiedenen metallischen Werkstoffenbestehen.
  5. 5. Batterie (1) nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass zumindestein Zellverbinder (20) aus zwei verschiedenen metallischen Werkstoffen besteht.
  6. 6. Batterie (1) nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass Zellver¬binder (19, 20) mit U-Profil und mit Y-Profil abwechselnd zwischen aufeinanderfolgendenBatteriezellen (5) angeordnet sind.
  7. 7. Batterie (1) nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass zumindesteine Durchsetzfügeverbindung (21) in einem Kühlluftkanal (27) angeordnet ist.
  8. 8. Batterie (1) nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass zumindest eine Durchsetz¬fügeverbindung (21) zumindest einen in die Kühlluftströmung des Kühlluftkanals (27) hin¬einragenden Clinchpunkt (21a) aufweist.
  9. 9. Batterie (1) nach Anspruch 7 oder 8, dadurch gekennzeichnet, dass zumindest einClinchpunkt (21a) zumindest einer Durchsetzfügeverbindung (21) turbulenzerzeugendausgebildet ist.
  10. 10. Batterie (1) nach einem der Ansprüche 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet, dass mittels derDurchsetzfügeverbindung (21) auch zumindest ein Zellspannungsüberwachungskabel (22)mit zumindest einem Zellpol (18) elektrisch leitend verbunden ist. Hierzu 5 Blatt Zeichnungen
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