DE102007010741B4

DE102007010741B4 - Batterie mit Gehäuse und spielfrei eingebautem Zellverbund sowie Verwendung als Fahrzeugbatterie

Info

Publication number: DE102007010741B4
Application number: DE200710010741
Authority: DE
Inventors: Dipl.-Ing. Keck Volker; Dipl.-Ing. Meintschel Jens; Dr. Dipl.-Ing. Schröter Dirk; Petra Schulz
Original assignee: Daimler AG
Current assignee: Mercedes Benz Group AG
Priority date: 2007-02-27
Filing date: 2007-02-27
Publication date: 2012-05-24
Anticipated expiration: 2027-02-28
Also published as: DE102007010741A1

Abstract

Batterie (1) mit einem Gehäuse (2), das einen Boden (8) und einen Deckel (9) umfasst, mit einem Kühlflüssigkeitsanschluss (10) für das Durchleiten einer Kühlflüssigkeit und mit einem in dem Gehäuse angeordneten Zellverbund (7) aus mehreren Zellen (4), dadurch gekennzeichnet, dass die Batterie (1) ein Fixierungselement für den Zellverbund (7) aufweist, das derart über oder unter dem Zellverbund (7) angeordnet ist, dass der Boden (8), der Zellverbund (7), das Fixierungselement und der Deckel (9) unter einer von dem Fixierungselement in der vertikalen Richtung ausgeübten Druckspannung stehen, durch die der Zellverbund in dem Gehäuse (2) in der vertikalen Richtung positioniert und gehalten wird.

Description

Die Erfindung betrifft die Befestigung und den Einbau des Zellblocks bzw. Zellverbundes in dem Batteriegehäuse einer Batterie, insbesondere einer Fahrzeugbatterie, insbesondere einer Batterie für ein Fahrzeug mit Hybridantrieb oder ein Brennstoffzellen-Fahrzeug.
Nach dem Stand der Technik muß die bei Ladung und Entladung in den Zellen von Lithium-Ionen-Batterien (z. B. für Hybridantriebe oder Brennstoffzellen-Fahrzeuge) entstehende Wärme durch eine Kühlung abgeführt werden. Wegen der maximal zulässigen Zelltemperatur von ca. 50°C wird die Kühlung über den Klimakreislauf des Fahrzeugs vorgenommen.
Nach dem Stand der Technik sind Batterien bekannt, bei denen die von Aluminium umhüllte Zelle durch eine von Kaltemittel durchströmte Kühlplatte gekühlt wird. In Längsrichtung der Zelle wird die Wärme durch die Zellwand und/oder durch separate Kühlstäbe geleitet. Auf die Kühlplatte ist außerdem ein mantelartiges Blech aufgesetzt, das die Zellen seitlich umschließt. Es dient zur Wärmeableitung und als Form für die Vergussmasse, mit der die Räume zwischen Zellen und Kühlstäben ausgegossen werden.
Nach dem Verguss entsteht der so genannte Zellblock oder Zellverbund, eine massive Konstruktion, die bislang mittels Verschraubung oder durch Einguss mit Kunststoff im Batteriegehäuse befestigt wird. Nach dem Einbau des Innenlebens der Batterie wird der Gehäusedeckel durch Verschraubung, Vernietung, Verklebung oder Verschweißung befestigt. Bisher wird der Deckel durch Anschlag an der Seitenwand des Batteriegehäuses höhenmäßig positioniert. Dazu dienen entweder ein Flansch am Deckel oder Bohrungen für die Nieten oder Zungen am Deckel und Noppen an der Gehäuseseitenwand. Durch die Fertigungstoleranzen des Gehäuses und des Zellverbundes lassen sich dabei Spalte zwischen dem Zellblock und dem Deckel nicht vermeiden. Dies ist vor allem im Crashfall des Fahrzeugs, in das die Batterie eingebaut ist, ungünstig, da hier die Batterie durch Druck auf Boden und Deckel belastet wird und sich der Zellverbund im Inneren der Batterie verschieben kann.
Nachteilig bei den bekannten Batterien ist somit der aufgrund der Fertigungstoleranzen nicht spielfreie und dennoch aufwendige Einbau des Zellverbundes in das Batteriegehäuse.
Zum weiteren allgemeinen Stand der Technik ist aus der DE 25 51 663 A1 eine Batteriekassette bekannt, in der Batterieeinzelzellen über ein Federelement innerhalb der Batteriekassette fixiert werden und elektrisch leitend mit Anschlussen an der Batteriekassette außen in Verbindung stehen.
Aus der DE 698 06 307 T2 ist außerdem eine Vorrichtung zum Zusammenbauen von zwei Batterieeinzelzellen zu einem Batterieblock bekannt. Diese weist je nach Größe der einzelnen Batterien unterschiedlich ausgeformte Vorsprünge auf, welche eine klemmende Fixierung der Batterieeinzelzellen sicherstellen.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, den Zellverbund spielfrei und belastbar in eine Batterie einzubauen.
Die Aufgabe wird erfindungsgemäß durch eine Batterie mit den Merkmalen des Anspruchs 1 gelöst. Bevorzugte Ausgestaltungen und Weiterbildungen der Erfindung ergeben sich aus den abhängigen Ansprüchen und der nachfolgenden Beschreibung mit zugehörigen Zeichnungen.
Eine erfindungsgemäße Batterie mit einem Gehäuse, das einen Boden und einen Deckel umfasst, und mit einem in dem Gehäuse angeordneten Zellverbund, weist also die Besonderheit auf, dass die Batterie ein Fixierungselement für den Zellverbund aufweist, das derart über oder unter dem Zellverbund angeordnet ist, dass der Boden, der Zellverbund, das Fixierungselement und der Deckel unter einer von dem Fixierungselement in der vertikalen Richtung ausgeübten Druckspannung stehen, durch die der Zellverbund in dem Gehäuse in der vertikalen Richtung positioniert und gehalten wird.
Erfindungsgemäß wird vorgeschlagen, die höhenmäßige Ausrichtung des Batteriedeckels durch Anschlag auf dem Zellverbund bzw. auf einem Einlegerahmen, der auf dem Zellverbund aufgelegt bzw. mit diesem verbunden ist, vorzunehmen. Aus Gründen der Wärmeisolation ist dieser Rahmen vorzugsweise in Kunststoff auszufuhren. Der Deckel überlappt dazu die Gehäuseseitenwand innen oder außen und wird nach dem Aufsetzen und pressen auf Anschlag mit dieser verschweißt oder verklebt. Dadurch wird der Zellverbund spielfrei formschlüssig im Gehäuse fixiert.
Alternativ oder zusätzlich können, um den Zellverbund unter dem Einfluss der Wärmedehnung bei verschiedenen Temperaturen oder bei Setzerscheinungen unter Druckspannung zu halten, auch zwischen Deckel und Zellverbund Federn angeordnet werden, durch die der Zellverbund unter Druckspannung gesetzt wird. Als Federn kommen z. B. konventionelle Schraubenfedern in Frage. Besonders geeignet sind Bauraum sparende Blattfedern oder Federn aus elastischem Kunststoff (Gummi, Moosgummi). Durch das Aufsetzen des Deckels mit definierter Kraft oder vorbestimmtem Weg (auch auf Block) werden die Federn zwischen Zellblock und Deckel gespannt.
Durch die Erfindung werden folgende Vorteile erzielt:

– Eine optimale formschlüssige Fixierung des Zellverbundes zwischen Gehäuseboden und Gehäusedeckel.
– Ein Ausgleich der Fertigungstoleranzen von Gehäuse und Zellverbund.
– Eine Erhöhung der Bauteilfestigkeit gegenüber Vibrationen im Fahrzeug und im Crashfall.
– Ein Entfall von zusätzlichen Anschlägen zur höhenmäßigen Positionierung des Deckels vor dessen Befestigung.

Die Erfindung wird nachfolgend anhand in den Figuren dargestellter Ausführungsbeispiel näher erläutert. Die darin beschriebenen Besonderheiten können einzeln oder in Kombination miteinander eingesetzt werden, um bevorzugte Ausgestaltungen der Erfindung zu schaffen.
Dabei zeigen:
1 einen horizontalen Querschnitt durch eine Batterie.
2 eine perspektivische Ansicht einer ersten erfindungsgemäßen Batterie mit einem Einlegerahmen und einem Verschluss durch einen Deckel auf der Seite der Zellpole.
3 eine perspektivische Ansicht einer zweiten erfindungsgemäßen Batterie mit einem Einlegerahmen und einem Verschluss durch einen Boden auf der Seite der Kühlplatte.
4 einen vertikalen Längsschnitt durch eine dritte erfindungsgemäße verschlossene Batterie mit einem Einlegerahmen auf der Seite des Deckels und einem Einlegerahmen auf der Seite des Bodens.
5 eine perspektivische Ansicht einer vierten erfindungsgemäßen Batterie mit einem Einlegerahmen und Druckfedern und einem Verschluss durch einen Boden auf der Seite der Kühlplatte.
6 einen vertikalen Längsschnitt durch eine fünfte erfindungsgemäße verschlossene Batterie mit einem Einlegerahmen auf der Seite des Deckels und einem Einlegerahmen auf der Seite des Bodens und mit Druckfedern auf der Seite des Bodens.
Die 1 bis 6 zeigen konstruktive Ausführungsbeispiele. Dargestellt sind die Möglichkeiten Verschluss der Batterie von der Deckel- oder der Bodenseite her sowie ein Beispiel der Verspannung des Zellverbundes durch Federn.
Die 1 zeigt einen horizontalen Querschnitt einer Batterie 1 mit einem Gehäuse 2, von dem in dem Schnitt in 1 die Seitenwand 3 zu erkennen ist. Im Inneren des Gehäuses 2 befinden sich Zellen 4, zwischen denen Kühlstäbe 5 angeordnet sind und die von einem Mantelblech 6 zu einem Zellverbund 7 zusammengehalten werden.
2 zeigt eine perspektivische Ansicht einer erfindungsgemäßen Batterie 1. Dabei umfasst das Gehäuse 2 die Seitenwand 3, einen Boden 8 und einen Deckel 9. Die Seitenwand 3 des Gehäuses 2 weist einen Kühlflüssigkeitsanschluss 10 für das Durchleiten einer Kühlflüssigkeit durch das Gehäuse 2 zum Kühlen des Zellverbunds 7 auf.
In 2 ist ein oberer Einlegerahmen 11 sichtbar, der oben auf dem Zellverbund 7 aufliegt bzw. mit diesem eine Einheit bildet, indem er z. B. mit in den Zellverbund 7 eingegossen ist. Der Einlegerahmen 11 ist zwischen dem Zellverbund 7 und dem Deckel 9 angeordnet, so dass beim Aufsetzen des Deckels 9 eine Druckspannung von dem Deckel 9 über den Einlegerahmen 7 auf den Zellverbund 7 bis zum Boden 8 ausgeübt und dadurch der Zellverbund 7 in seiner vertikalen Richtung positioniert wird.
In 3 ist eine perspektivische Ansicht einer zweiten erfindungsgemäßen Batterie 1 mit einem unteren Einlegerahmen 12 dargestellt. Der untere Einlegerahmen 12 ist zwischen dem Zellblock 7 und dem Boden 8 des Gehäuses 2 angeordnet und liegt auf einer Kühlplatte auf. Beim Schließen des Bodens 8 wird eine Druckspannung über den Einlegerahmen 12 auf den Zellverbund 7 ausgeübt, wodurch der Zellverbund 7 fixiert wird. Auf der Seite des Deckels 9 kann zusätzlich ein oberer Einlegerahmen 11, wie in 2 dargestellt, vorgesehen sein.
Die 4 zeigt einen vertikalen Längsschnitt durch eine erfindungsgemäße Batterie 1, die sowohl einen oberen Einlegerahmen 11 gemäß 2 als auch einen unteren Einlegerahmen gemäß 3 aufweist. Unter den Zellen 4 ist die Kühlplatte 13 mit Kanälen 14 zu erkennen, und der Zwischenraum zwischen den Zellen 4 ist mit einer Vergussmasse 15 ausgefüllt. Die Nähte 16, beispielsweise Schweiß- oder Klebenähte, mit denen das Gehäuse 2 verschlossen wird, werden im Bereich der Überlappung von Gehäuseseitenwand 3 und Deckel 9 bzw. Gehäuseseitenwand 3 und Boden 8 angebracht.
Die 5 zeigt eine weitere Ausführungsform einer erfindungsgemäßen Batterie 1, die zusätzlich zu dem unteren Einlegerahmen 12 Druckfedern 17 umfasst, die zwischen dem Einlegerahmen 12 und dem Boden 8 angeordnet sind und den Zellverbund 7 unter Druckspannung setzen. Alternativ oder zusätzlich können die Druckfedern 17 auch auf der gegenüberliegenden Seite zwischen dem Zellverbund 7 und dem Deckel 9 angeordnet sein.
Die 6 zeigt einen vertikalen Längsschnitt durch eine erfindungsgemäße Batterie 1, die der in 4 dargestellten Ausführungsform entspricht, wobei zusätzlich Druckfedern 17 zwischen dem unteren Einlegerahmen 12 und dem Boden 8 angeordnet sind.
Bezugszeichenliste

1: Batterie
2: Gehäuse
3: Seitenwand
4: Zelle
5: Kühlstab
6: Mantelblech
7: Zellverbund
8: Boden
9: Deckel
10: Kühlflüssigkeitsanschluss
11: Oberer Einlegerahmen
12: Unterer Einlegerahmen
13: Kühlplatte
14: Kanal
15: Vergussmasse
16: Naht
17: Druckfeder

Claims

Batterie (1) mit einem Gehäuse (2), das einen Boden (8) und einen Deckel (9) umfasst, mit einem Kühlflüssigkeitsanschluss (10) für das Durchleiten einer Kühlflüssigkeit und mit einem in dem Gehäuse angeordneten Zellverbund (7) aus mehreren Zellen (4), dadurch gekennzeichnet, dass die Batterie (1) ein Fixierungselement für den Zellverbund (7) aufweist, das derart über oder unter dem Zellverbund (7) angeordnet ist, dass der Boden (8), der Zellverbund (7), das Fixierungselement und der Deckel (9) unter einer von dem Fixierungselement in der vertikalen Richtung ausgeübten Druckspannung stehen, durch die der Zellverbund in dem Gehäuse (2) in der vertikalen Richtung positioniert und gehalten wird.
Batterie (1) nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das Fixierungselement ein Einlegerahmen (11, 12) ist.
Batterie (1) nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass der Einlegerahmen (11) zwischen dem Zellverbund und dem Deckel (9) angeordnet ist.
Batterie (1) nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass der Einlegerahmen (12) zwischen dem Zellverbund (7) und dem Boden (8) angeordnet ist.
Batterie (1) nach den Ansprüchen 3 und 4, dadurch gekennzeichnet, dass die Batterie (1) zwei Einlegerahmen (11, 12) umfasst, die oberhalb und unterhalb des Zellverbundes (7) angeordnet sind.
Batterie (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Fixierungselement aus Kunststoff besteht.
Batterie (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Fixierungselement in den Zellverbund (7) eingegossen ist.
Batterie (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Fixierungselement eine oder mehrere Druckfedern (17) umfasst.
Batterie (1) nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass die Druckfedern (17) zwischen dem Zellverbund (7) und dem Deckel (9) angeordnet sind.
Batterie (1) nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass die Druckfedern (17) zwischen dem Zellverbund (7) und dem Boden (8) angeordnet sind.
Batterie (1) nach den Ansprüchen 9 und 10, dadurch gekennzeichnet, dass die Batterie (1) Druckfedern (17) umfasst, die oberhalb und unterhalb des Zellverbundes (7) angeordnet sind.
Batterie (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Batterie (1) einen Zellverbund (7) aufweist, der mittels einer Vergussmasse (15) zu einem Block vergossen ist.
Verwendung einer Batterie (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche als Fahrzeugbatterie, insbesondere für ein Fahrzeug mit Hybridantrieb oder ein Brennstoffzellen-Fahrzeug.