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 zu 1.
  • 3 einen vertikalen Schnitt A-A zu 2.
  • 4 Alternativen formschlüssiger Verklammerungen.
  • Die 1 zeigt eine perspektivische Ansicht eines erfindungsgemäßen Zellverbunds 1. Zu erkennen sind darin eingesetzte Zellen 2, beispielsweise Lithium-Ionen-Batteriezellen. Die Zellen 2 haben eine kreiszylindrige Außenkontur und sind mit den Längsachsen parallel zueinander in dem Zeltverbund 1 angeordnet. Zum Erzielen einer raumsparenden Bauform sind die Zellen 2 in einer kompakten regelmäßigen Anordnung, ggf. mit einem geringen Abstand zwischen den Zellen 2, nebeneinander in dem Zeltverbund 1 angeordnet. Die von dünnem Aluminium umhüllten Zellen 2 werden vom Boden aus durch eine von Kältemittel durchströmte Kühlplatte 3 gekühlt, die in intern verlegten Kühlschlangen von Kältemittel durchströmt wird. Um die Wärme von den Zellen 2 zur Kühlplatte 3 zu bringen, befinden sich zwischen den Zellen 2 Wärmeleitstäbe 4 aus Aluminium, die in der Kühlplatte 3 verankert sind. Die Zellen 2 können ebenfalls auf die Kühlplatte 3 aufgesetzt sein.
  • Der ganze Zellblock 1 ist mit einem Hüllblech 5 umgeben und wird vor oder nach dem Einsetzen in das Batteriegehäuse mit wärmeleitfähiger Vergussmasse 9 ausgegossen, die in 1 noch nicht eingefüllt ist. Um einen Einblick in das Innere des Zeltverbunds 1 zu ermöglichen ist die vordere Ecke der Seitenwand des Hüllblechs 5 geschnitten. Die Vergussmasse 9 übernimmt gleichzeitig die elektrische Isolation und fixiert die Zellen 2 im Zeltverbund 1. Die Kühlplatte 3 mit ihren Wärmeleitstäben 4 und dem Hüllblech 5 ist sehr teuer. Zum Durchleiten einer Kühlflüssigkeit durch die Kühlschlange der Kühlplatte 3 weist die Kühlplatte 3 einen Kühlflüssigkeitsanschluss 6 auf.
  • Die zwischen den Zellen 2 vorhandenen Spalten bzw. Zwischenräume 8 werden mit Vergussmasse 9 ausgefüllt. Das Hüllblech 5 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 Vergussmasse 9 ist vorzugsweise ein wärmeleitfähiges und/oder elektrisch isolierendes Material.
  • Bei der in 1 dargestellten Ausführungsform sind die Zellen 2, das Hüllblech 5 und die Wärmeleitstäbe 4 formschlusserhöhend ausgebildet. Hierzu sind formschlusserhöhende Strukturen auf der Außenseite der Zellen 2, der Innenseite des Hüllblechs 5 und der Außenseite der Wärmeleitstäbe 4 vorgesehen, beispielsweise in Form von Hinterschnitten, Nasen, Sicken, Nuten oder Rillen. Bei dem Ausführungsbeispiel in 1 weisen die Zellen 2 auf ihrer rundzylindrischen Ummantelung 7 in einer quer zu ihrer Längsrichtung, d. h. in tangentialer bzw. Umfangsrichtung verlaufende Nuten 10 auf. Auch die Außenseiten der Kühlstäbe 4 sowie die Innenseite des Hüllblechs 5 sind mit entsprechenden Nuten 10 versehen. Vorzugsweise sind die Nuten 10 bzw. allgemein die formschlusserhöhende Struktur auf dem gesamten Umfang in dem formschlusserhöhend ausgebildeten Bauteil ausgebildet; in 1 verlaufen die Nuten 10 dementsprechend über den gesamten Umfang der Zellen 2, der Kühlstäbe 4 und der Innenseite des Kühlblechs 5.
  • 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. In 1 haben die Zellen 2, die Kühlstäbe 4 und das Hüllblech 5 dementsprechend jeweils zwei Nuten 10, von denen eine im Bereich des unteren Endes der Zellen 2 und die andere im Bereich des oberen Endes der Zellen 2 angeordnet sind. In 1 ist auch zu erkennen, dass die formschlusserhöhenden Strukturen, nämlich die Nuten 10, gegenüberliegend in mindestens zwei formschlusserhöhenden Bauteilen angeordnet sind. Dementsprechend liegen die Nuten 10 in den Zellen 2 gegenüber zu den Nuten 10 in den Kühlstäben 4 und gegenüber zu den Nuten 10 in dem Hüllblech 5.
  • Wenn die Zwischenräume 8 des Zellverbunds 1 mit einer Vergussmasse 9 ausgegossen werden, füllt diese auch die Nuten 10 in den Zellen 2, den Kühlstäben 4 und dem Hüllblech 5 aus. Dadurch entsteht eine formschlusserhöhende Verbindung von der Vergussmasse 9 zu den Zellen 2, den Kühlstäben 4 und dem Hüllblech 5, die eine auf Zug- bzw. Scherkräfte höher belastbare Fixierung der Zellen 2 in deren Längsrichtung in dem Zellverbund 1 bewirkt, so dass die Zellen 2 besser gegen Herausfallen gesichert sind und der gesamte Zellverbund 1 eine höhere mechanische Festigkeit und Belastbarkeit aufweist.
  • In 2 ist eine Aufsicht auf den Zellverbund 1 der 1 dargestellt, wobei die Vergussmasse 9 in die Zwischenräume 8 eingefüllt ist.
  • Die 3 zeigt einen vertikalen Schnitt A-A zu 2. Man erkennt, dass die zum Befestigen der Zellen 2 dienende Vergussmasse 9 die Nuten 10 ausfüllt, die gegenüberliegend in den Zellen 2 und den Wärmeleitstäben 4 angeordnet sind. Entsprechend gilt dies auch für die sich gegenüberliegenden Nuten 10 benachbarter Zellen 2 sowie die Nuten 10, die gegenüberliegend zu Nuten 10 der Zellen 2 in dem Hüllblech 5 angeordnet sind. Durch die gegenüberliegende Anordnung der Nuten 10 entsteht eine besonders große formschlusserhöhende "Verdickung" des von der Vergussmasse 9 ausgefüllten Zwischenraums 8, wodurch eine besonders gute Festigkeit gegenüber in Längsrichtung der Zellen 2 wirkende Kräfte und eine gute Fixierung der Zellen 2 in der Vergussmasse 9 erzielt wird.
  • Die 4 zeigt alternative Ausführungsformen für erfindungsgemäße formschlüssige Verklammerungen zwischen der Zelle 2 und der Vergussmasse 9. In entsprechender Weise gelten die dargestellten Ausführungsformen auch für die formschlusserhöhende Ausbildung zwischen Vergussmasse 9 und Wärmeleitstäben 4 bzw. Hüllblech 5. In der oberen Reihe ist die formschlusserhöhende Struktur eine Vertiefung, wobei das linke Bild der in den 1 bis 3 dargestellten Ausführungsform entspricht. In der unteren Reihe ist die formschlusserhöhende Struktur eine auf der Außenseite der Zelle 2 angebrachte Erhebung 11, die ebenso wie die Nut 10 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
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  • Zitierte Patentliteratur
    • - DE 4033909 C1 [0007]

Claims (22)

  1. 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.
  2. 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.
  3. 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.
  4. 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.
  5. Zellverbund (1) nach dem vorhergehenden Anspruch, dadurch gekennzeichnet, dass die formschlusserhöhende Struktur als Vertiefung in dem formschlusserhöhend ausgebildeten Bauteil (2, 4, 5) ausgebildet ist.
  6. 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.
  7. 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.
  8. 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.
  9. Zellverbund (1) nach dem vorhergehenden Anspruch, dadurch gekennzeichnet, dass die formschlusserhöhende Struktur eine Nut (10) oder eine Erhebung (11) ist.
  10. Zellverbund (1) nach einem der Ansprüche 4 bis 9, dadurch gekennzeichnet, dass ein formschlusserhöhend ausgebildetes Bauteil (2, 4, 5) mehrere formschlusserhöhende Strukturen aufweist.
  11. 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.
  12. 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.
  13. Zellverbund (1) nach dem vorhergehenden Anspruch, dadurch gekennzeichnet, dass die gegenüberliegenden formschlusserhöhenden Strukturen Nuten (10) sind.
  14. Zellverbund (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass er eine Kühlplatte (3) aufweist, auf welche die Zellen (2) aufgesetzt sind.
  15. 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.
  16. 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.
  17. Zellverbund (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass er mit einer Vergussmasse (9) ausgegossen ist.
  18. Zellverbund (1) nach dem vorhergehenden Anspruch, dadurch gekennzeichnet, dass die Vergussmasse (9) wärmeleitfähig ist.
  19. Zellverbund (1) nach einem der Ansprüche 17 bis 18, dadurch gekennzeichnet, dass die Vergussmasse (9) elektrisch isolierend ist.
  20. 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.
  21. Batterie nach dem vorhergehenden Anspruch, dadurch gekennzeichnet, dass die Batterie einen Kühlflüssigkeitsanschluss (6) zum Durchleiten einer Kühlflüssigkeit aufweist.
  22. 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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