DE102007010742A1 - Zellverbund einer Batterie - Google Patents
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Abstract
Die Erfindung betrifft einen Zellverbund (1) aus Batteriezellen (2) für eine Batterie, insbesondere einer Lithium-Ionen-Batterie, in dem die Batteriezellen (2) mittels einer Vergussmasse (8) fixiert sind, insbesondere eine Fahzeugbatterie. Um die Zellen (2) in dem Zellverbund (1) besser zu fixieren, wird vorgeschlagen, dass die Außenseite der Zellen (2) den Formschluss mit der Vergussmasse (8) erhöhend ausgebildet ist, vorzugsweise durch Nuten (10).
Description
- Die Erfindung betrifft den Aufbau des Zellblocks bzw. Zellverbundes, der in das Batteriegehäuse einer Batterie eingesetzt wird, insbesondere einer Fahrzeugbatterie, insbesondere einer Batterie für ein Fahrzeug mit Hybridantrieb oder ein Brennstoffzellen-Fahrzeug, insbesondere eine Hochvolt-Batterie.
- 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 dünnem Aluminium umhüllte Zelle vom Boden aus durch eine von Kältemittel durchströmte Kühlplatte gekühlt wird. In Längsrichtung der Zelle wird die Wärme durch separate Wärmeleitstäbe geleitet. Um die Wärme von den Zellen zu der Kühlplatte zu leiten befinden sich zwischen den Zellen Wärmeleitstäbe aus Aluminium, die in der Kühlplatte verankert sind und die Wärme in Längsrichtung der Zellen ableiten. Die wärmetechnische Anbindung der Zellen an die Wärmeleitstäbe erfolgt durch Vergussmasse. Die Vergussmasse übernimmt gleichzeitig die elektrische Isolation und fixiert die Zellen im Zellverbund. Ferner gleicht die Vergussmasse toleranzbedingte Spalten zwischen den Bauteilen des Zeltverbunds aus. Als Vergussmasse wird beispielsweise Epoxydharz, Polyurethan oder Silikon verwendet. Die Vergussmasse besitzt somit gegenüber den sonstigen Bauteilen des Zellverbunds nur eine relativ geringe mechanische Festigkeit.
- 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 Wärmeleitstäben ausgegossen werden. Der ganze Zellblock ist mit dem Hüllblech umgeben und wird mittels einer wärmeleitfähigen Vergussmasse ausgegossen. Dabei bildet das Hüllblech gleichzeitig die Vergießform.
- Nach dem Verguss entsteht der so genannte Zellblock oder Zellverbund, eine massive Konstruktion, die im Batteriegehäuse befestigt wird. Nach dem Einbau des Innenlebens der Batterie wird der Gehäusedeckel durch Verschraubung, Vernietung, Verklebung oder Verschweißung befestigt. Die Kühlplatte mit ihren Wärmeleitstäben und dem Hüllblech ist sehr teuer. Da die Vergussmasse nur eine relativ geringe mechanische Festigkeit besitzt, wird nach dem Stand der Technik zur Erhöhung der Festigkeit des Verbundblocks und zur Verbesserung der Haftung der Vergussmasse an den metallischen Bauteilen des Verbundblocks in einem kosten- und arbeitsintensiven Bearbeitungsvorgang zusätzlich ein Haftvermittler, z. B. ein spezielles Polyurethan, auf die metallischen Bauteile aufgetragen, die mit der Vergussmasse in Kontakt kommen.
- Nachteilig bei einem bekannten Zellverbund ist somit der hohe Fertigungsaufwand zur Erzielung einer ausreichend hohen mechanischen Festigkeit des vergossenen Zellverbunds.
- Aus der
DE 40 33 909 C1 ist ein Batteriepack für elektrische Geräte bekannt, das in eine Ausnehmung des Geräts eingesetzt werden kann. In dem Batteriepack sind mehrere Zellen, die eine übliche rundzylindrische Form haben, in einen Schaumstoffkörper eingeschäumt. - Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, einen Zellverbund zu schaffen, bei dem die Zellen und ggf. weitere Bestandteile des Zellverbunds mit verbesserter mechanischer Belastbarkeit in den Zellverbund eingebunden sind.
- Die Aufgabe wird erfindungsgemäß durch einen Zellverbund 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.
- Ein erfindungsgemäßer Zellverbund aus Batteriezellen für eine Batterie, insbesondere einer Lithium-Ionen-Batterie, in dem die Batteriezellen mittels einer Vergussmasse fixiert sind, weist also die Besonderheit auf, dass er Zellen umfasst, deren Außenseite den Formschluss mit der Vergussmasse erhöhend ausgebildet ist.
- Durch die Erfindung werden folgende Vorteile erzielt:
- – Eine kostengünstige Herstellung des Zellverbunds.
- – Eine Bauraum sparende Form des Zellverbunds.
- – Eine verbesserte mechanische Festigkeit des Zellverbunds, wobei die Zellen belastbar in dem Zellverbund fixiert und gegen Herausfallen gesichert sind.
- Die Erfindung wird nachfolgend anhand in den Figuren dargestellter Ausführungsbeispiele näher erläutert. Die darin beschriebenen Besonderheiten können einzeln oder in Kombination miteinander eingesetzt werden, um bevorzugte Ausgestaltungen der Erfindung zu schaffen.
- Dabei zeigen:
-
1 eine perspektivische Ansicht eines erfindungsgemäßen Zellverbunds mit Wärmeleitstäben und eingesetzten Zellen, aber noch ohne Vergussmasse. -
2 eine Aufsicht zu1 . -
3 einen vertikalen Schnitt A-A zu2 . -
4 Alternativen formschlüssiger Verklammerungen. - Die
1 zeigt eine perspektivische Ansicht eines erfindungsgemäßen Zellverbunds1 . Zu erkennen sind darin eingesetzte Zellen2 , beispielsweise Lithium-Ionen-Batteriezellen. Die Zellen2 haben eine kreiszylindrige Außenkontur und sind mit den Längsachsen parallel zueinander in dem Zeltverbund1 angeordnet. Zum Erzielen einer raumsparenden Bauform sind die Zellen2 in einer kompakten regelmäßigen Anordnung, ggf. mit einem geringen Abstand zwischen den Zellen2 , nebeneinander in dem Zeltverbund1 angeordnet. Die von dünnem Aluminium umhüllten Zellen2 werden vom Boden aus durch eine von Kältemittel durchströmte Kühlplatte3 gekühlt, die in intern verlegten Kühlschlangen von Kältemittel durchströmt wird. Um die Wärme von den Zellen2 zur Kühlplatte3 zu bringen, befinden sich zwischen den Zellen2 Wärmeleitstäbe4 aus Aluminium, die in der Kühlplatte3 verankert sind. Die Zellen2 können ebenfalls auf die Kühlplatte3 aufgesetzt sein. - Der ganze Zellblock
1 ist mit einem Hüllblech5 umgeben und wird vor oder nach dem Einsetzen in das Batteriegehäuse mit wärmeleitfähiger Vergussmasse9 ausgegossen, die in1 noch nicht eingefüllt ist. Um einen Einblick in das Innere des Zeltverbunds1 zu ermöglichen ist die vordere Ecke der Seitenwand des Hüllblechs5 geschnitten. Die Vergussmasse9 übernimmt gleichzeitig die elektrische Isolation und fixiert die Zellen2 im Zeltverbund1 . Die Kühlplatte3 mit ihren Wärmeleitstäben4 und dem Hüllblech5 ist sehr teuer. Zum Durchleiten einer Kühlflüssigkeit durch die Kühlschlange der Kühlplatte3 weist die Kühlplatte3 einen Kühlflüssigkeitsanschluss6 auf. - Die zwischen den Zellen
2 vorhandenen Spalten bzw. Zwischenräume8 werden mit Vergussmasse9 ausgefüllt. Das Hüllblech5 dient gleichzeitig als Gießform beim Einfüllen der Vergussmasse. Der beim Vergießen mit Vergussmasse gebildete Zeltverbund wird nach dem Verguss in das Batteriegehäuse eingebaut. Geeignete Werkstoffe für die Vergussmasse sind beispielsweise ein Epoxydharz, oder ein Hartschaum bzw. aushärtender Schaum, insbesondere ein Polyurethan-Schaum. Die Vergussmasse9 ist vorzugsweise ein wärmeleitfähiges und/oder elektrisch isolierendes Material. - Bei der in
1 dargestellten Ausführungsform sind die Zellen2 , das Hüllblech5 und die Wärmeleitstäbe4 formschlusserhöhend ausgebildet. Hierzu sind formschlusserhöhende Strukturen auf der Außenseite der Zellen2 , der Innenseite des Hüllblechs5 und der Außenseite der Wärmeleitstäbe4 vorgesehen, beispielsweise in Form von Hinterschnitten, Nasen, Sicken, Nuten oder Rillen. Bei dem Ausführungsbeispiel in1 weisen die Zellen2 auf ihrer rundzylindrischen Ummantelung7 in einer quer zu ihrer Längsrichtung, d. h. in tangentialer bzw. Umfangsrichtung verlaufende Nuten10 auf. Auch die Außenseiten der Kühlstäbe4 sowie die Innenseite des Hüllblechs5 sind mit entsprechenden Nuten10 versehen. Vorzugsweise sind die Nuten10 bzw. allgemein die formschlusserhöhende Struktur auf dem gesamten Umfang in dem formschlusserhöhend ausgebildeten Bauteil ausgebildet; in1 verlaufen die Nuten10 dementsprechend über den gesamten Umfang der Zellen2 , der Kühlstäbe4 und der Innenseite des Kühlblechs5 . - Nach einem weiteren vorteilhaften Merkmal weisen die formschlusserhöhend ausgebildeten Bauteile mehrere formschlusserhöhende Strukturen auf, die vorzugsweise in axialer Richtung der Zellen
2 mit einem Abstand zueinander angeordnet sind. In1 haben die Zellen2 , die Kühlstäbe4 und das Hüllblech5 dementsprechend jeweils zwei Nuten10 , von denen eine im Bereich des unteren Endes der Zellen2 und die andere im Bereich des oberen Endes der Zellen2 angeordnet sind. In1 ist auch zu erkennen, dass die formschlusserhöhenden Strukturen, nämlich die Nuten10 , gegenüberliegend in mindestens zwei formschlusserhöhenden Bauteilen angeordnet sind. Dementsprechend liegen die Nuten10 in den Zellen2 gegenüber zu den Nuten10 in den Kühlstäben4 und gegenüber zu den Nuten10 in dem Hüllblech5 . - Wenn die Zwischenräume
8 des Zellverbunds1 mit einer Vergussmasse9 ausgegossen werden, füllt diese auch die Nuten10 in den Zellen2 , den Kühlstäben4 und dem Hüllblech5 aus. Dadurch entsteht eine formschlusserhöhende Verbindung von der Vergussmasse9 zu den Zellen2 , den Kühlstäben4 und dem Hüllblech5 , die eine auf Zug- bzw. Scherkräfte höher belastbare Fixierung der Zellen2 in deren Längsrichtung in dem Zellverbund1 bewirkt, so dass die Zellen2 besser gegen Herausfallen gesichert sind und der gesamte Zellverbund1 eine höhere mechanische Festigkeit und Belastbarkeit aufweist. - In
2 ist eine Aufsicht auf den Zellverbund1 der1 dargestellt, wobei die Vergussmasse9 in die Zwischenräume8 eingefüllt ist. - Die
3 zeigt einen vertikalen Schnitt A-A zu2 . Man erkennt, dass die zum Befestigen der Zellen2 dienende Vergussmasse9 die Nuten10 ausfüllt, die gegenüberliegend in den Zellen2 und den Wärmeleitstäben4 angeordnet sind. Entsprechend gilt dies auch für die sich gegenüberliegenden Nuten10 benachbarter Zellen2 sowie die Nuten10 , die gegenüberliegend zu Nuten10 der Zellen2 in dem Hüllblech5 angeordnet sind. Durch die gegenüberliegende Anordnung der Nuten10 entsteht eine besonders große formschlusserhöhende "Verdickung" des von der Vergussmasse9 ausgefüllten Zwischenraums8 , wodurch eine besonders gute Festigkeit gegenüber in Längsrichtung der Zellen2 wirkende Kräfte und eine gute Fixierung der Zellen2 in der Vergussmasse9 erzielt wird. - Die
4 zeigt alternative Ausführungsformen für erfindungsgemäße formschlüssige Verklammerungen zwischen der Zelle2 und der Vergussmasse9 . In entsprechender Weise gelten die dargestellten Ausführungsformen auch für die formschlusserhöhende Ausbildung zwischen Vergussmasse9 und Wärmeleitstäben4 bzw. Hüllblech5 . In der oberen Reihe ist die formschlusserhöhende Struktur eine Vertiefung, wobei das linke Bild der in den1 bis3 dargestellten Ausführungsform entspricht. In der unteren Reihe ist die formschlusserhöhende Struktur eine auf der Außenseite der Zelle2 angebrachte Erhebung11 , die ebenso wie die Nut10 lokal oder das entsprechende Bauteil vollständig ringförmig umlaufend ausgebildet sein kann. -
- 1
- Zellverbund
- 2
- Zelle
- 3
- Kühlplatte
- 4
- Wärmeleitstab
- 5
- Hüllblech
- 6
- Kühlflüssigkeitsanschluss
- 7
- Ummantelung
- 8
- Zwischenraum
- 9
- Vergussmasse
- 10
- Nut
- 11
- Erhebung
- ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
- Diese Liste der vom Anmelder aufgeführten Dokumente wurde automatisiert erzeugt und ist ausschließlich zur besseren Information des Lesers aufgenommen. Die Liste ist nicht Bestandteil der deutschen Patent- bzw. Gebrauchsmusteranmeldung. Das DPMA übernimmt keinerlei Haftung für etwaige Fehler oder Auslassungen.
- Zitierte Patentliteratur
-
- - DE 4033909 C1 [0007]
Claims (22)
- Zellverbund (
1 ) aus Batteriezellen (2 ) für eine Batterie, insbesondere einer Lithium-Ionen-Batterie, in dem die Batteriezellen mittels einer Vergussmasse (9 ) fixiert sind, dadurch gekennzeichnet, dass der Zellverbund (1 ) Zellen umfasst, deren Außenseite den Formschluss mit der Vergussmasse erhöhend ausgebildet ist. - Zellverbund (
1 ) nach dem vorhergehenden Anspruch, dadurch gekennzeichnet, dass er ein den Zellverbund (1 ) umfassendes Hüllblech (5 ) aufweist, dessen Innenseite den Formschluss mit der Vergussmasse (9 ) erhöhend ausgebildet ist. - Zellverbund (
1 ) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass er zwischen den Zellen (2 ) angeordnete Wärmeleitstäbe (4 ) aufweist, deren Außenseite den Formschluss mit der Vergussmasse (9 ) erhöhend ausgebildet ist. - Zellverbund (
1 ) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Formschlusserhöhung durch eine formschlusserhöhende Strukturierung der Außenseite der Zelle (2 ) bzw. der Innenseite des Hüllblechs (5 ) bzw. der Außenseite der Wärmeleitstäbe (4 ) bewirkt wird. - Zellverbund (
1 ) nach dem vorhergehenden Anspruch, dadurch gekennzeichnet, dass die formschlusserhöhende Struktur als Vertiefung in dem formschlusserhöhend ausgebildeten Bauteil (2 ,4 ,5 ) ausgebildet ist. - Zellverbund (
1 ) nach einem der Ansprüche 4 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass die formschlusserhöhende Struktur als Erhöhung in dem formschlusserhöhend ausgebildeten Bauteil (2 ,4 ,5 ) ausgebildet ist. - Zellverbund (
1 ) nach einem der Ansprüche 4 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass die formschlusserhöhende Struktur Hinterschnitte, Nasen, Sicken, Nuten (10 ), Rillen oder Erhebungen (11 ) umfasst. - Zellverbund (
1 ) nach einem der Ansprüche 4 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass die formschlusserhöhende Struktur auf dem gesamten Umfang in dem formschlusserhöhend ausgebildeten Bauteil (2 ,4 ,5 ) ausgebildet ist. - Zellverbund (
1 ) nach dem vorhergehenden Anspruch, dadurch gekennzeichnet, dass die formschlusserhöhende Struktur eine Nut (10 ) oder eine Erhebung (11 ) ist. - Zellverbund (
1 ) nach einem der Ansprüche 4 bis 9, dadurch gekennzeichnet, dass ein formschlusserhöhend ausgebildetes Bauteil (2 ,4 ,5 ) mehrere formschlusserhöhende Strukturen aufweist. - Zellverbund (
1 ) nach dem vorhergehenden Anspruch, dadurch gekennzeichnet, dass die mehreren formschlusserhöhenden Strukturen in axialer Richtung der Zellen (2 ) mit einem Abstand zueinander angeordnet sind. - Zellverbund (
1 ) nach einem der Ansprüche 4 bis 11, dadurch gekennzeichnet, dass er formschlusserhöhende Strukturen aufweist, die gegenüberliegend in mindestens zwei formschlusserhöhend ausgebildeten Bauteilen (2 ,4 ,5 ) angeordnet sind. - Zellverbund (
1 ) nach dem vorhergehenden Anspruch, dadurch gekennzeichnet, dass die gegenüberliegenden formschlusserhöhenden Strukturen Nuten (10 ) sind. - Zellverbund (
1 ) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass er eine Kühlplatte (3 ) aufweist, auf welche die Zellen (2 ) aufgesetzt sind. - Zellverbund (
1 ) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass er eine Mehrzahl von Zellen (2 ) aufweist, die mit den Längsachsen parallel zueinander in dem Zellverbund (1 ) angeordnet sind. - Zellverbund (
1 ) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Zellen (2 ) in einer kompakten regelmäßigen Anordnung, ggf. mit einem geringen Abstand zwischen den Zellen (2 ), nebeneinander angeordnet sind. - Zellverbund (
1 ) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass er mit einer Vergussmasse (9 ) ausgegossen ist. - Zellverbund (
1 ) nach dem vorhergehenden Anspruch, dadurch gekennzeichnet, dass die Vergussmasse (9 ) wärmeleitfähig ist. - Zellverbund (
1 ) nach einem der Ansprüche 17 bis 18, dadurch gekennzeichnet, dass die Vergussmasse (9 ) elektrisch isolierend ist. - Batterie mit einem Gehäuse, das einen Boden und eine Seitenwand umfasst, dadurch gekennzeichnet, dass sie einen in dem Gehäuse angeordneten Zellverbund (
1 ) nach einem der vorhergehenden Ansprüche aufweist. - Batterie nach dem vorhergehenden Anspruch, dadurch gekennzeichnet, dass die Batterie einen Kühlflüssigkeitsanschluss (
6 ) zum Durchleiten einer Kühlflüssigkeit aufweist. - Batterie nach einem der Ansprüche 20 bis 21, dadurch gekennzeichnet, dass die Batterie eine Fahrzeugbatterie, insbesondere eine Batterie für ein Fahrzeug mit Hybridantrieb oder ein Brennstoffzellen-Fahrzeug ist.
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