DE102008010823A1

DE102008010823A1 - Batterie mit mehreren einen Zellverbund bildenden Flachzellen

Info

Publication number: DE102008010823A1
Application number: DE102008010823A
Authority: DE
Inventors: Jens Dr.-Ing. Meintschel; Dirk Dipl.-Ing. Dr. Schröter
Original assignee: Daimler AG
Current assignee: Mercedes Benz Group AG
Priority date: 2008-02-23
Filing date: 2008-02-23
Publication date: 2009-08-27
Also published as: EP2243189A1; WO2009103524A1; US20110070467A1; JP2011512631A; CN101946362A

Abstract

Die Erfindung betrifft eine Batterie (B) mit mehreren einen Zellverbund (Z) bildenden Flachzellen (1), die hintereinander angeordnet und elektrisch seriell und/oder parallel miteinander verschaltet sind, wobei wenigstens ein elektrisches Bauelement in den Zellverbund (Z) integriert ist, indem es wenigstens teilweise zwischen zwei Flachzellen (1) des Zellverbundes (Z) oder an einem Ende des Zellverbundes (Z) angeordnet und mit dem Zellverbund (Z), insbesondere form- und/oder kraftschlüssig, verbunden ist.

Description

Die Erfindung betrifft eine Batterie mit mehreren einen Zellverbund bildenden Flachzellen, die hintereinander angeordnet und elektrisch seriell und/oder parallel miteinander verschaltet sind.
Es ist eine Batterie mit mehreren Einzelzellen bekannt, deren Polkontakte elektrisch parallel und/oder seriell miteinander verschaltet sind und einen Zellverbund bilden.
Bei derartigen Batterien werden elektrische Bauteile wie Schütz und Sicherung über Stromschienen bzw. Kabel an den Kontakten des Zellblocks befestigt. Mechanisch sind diese Bauteile z. B. am Gehäuse befestigt.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zu Grunde, eine Batterie mit einer möglichst geringen Bauweite anzugeben.
Die Aufgabe wird erfindungsgemäß durch eine Anordnung gelöst, welche die in Anspruch 1 angegebenen Merkmale aufweist.
Vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung sind Gegenstand der Unteransprüche.
Die erfindungsgemäße Batterie besteht aus mehreren einen Zellverbund bildenden Flachzellen, die hintereinander angeordnet und elektrisch seriell und/oder parallel miteinander verschaltet sind. Sie zeichnet sich dadurch aus, dass wenigstens ein elektrisches Bauelement in den Zellverbund integriert ist, indem es wenigstens teilweise zwischen zwei Flachzellen des Zellverbundes oder an einem Ende des Zellverbundes angeordnet und mit dem Zellverbund, insbesondere form- und/oder kraftschlüssig, verbunden ist.
Dabei ist ein in den Zellverbund integriertes elektrisches Bauelement beispielsweise ein elektrisches Sicherungselement zum Schutz der Batterie vor elektrischem Überstrom und/oder elektrischem Kurzschluss. Dazu weist das elektrische Sicherungselement bevorzugt eine elektrische Schmelzsicherung sowie zwei elektrische Kontakte auf, die mit jeweils einer Flachzelle elektrisch verbunden sind.
In einer vorteilhaften Ausgestaltung der erfindungsgemäßen Batterie sind die beiden elektrischen Kontakte des elektrischen Sicherungselements als zwei elektrisch leitende und gegeneinander isolierte Kontaktplatten ausgebildet, die zwischen zwei Flachzellen des Zellverbundes, beispielsweise mittig innerhalb des Zellverbundes, angeordnet sind, wobei jede der beiden Kontaktplatten mit einer an sie angrenzenden Flachzelle kraftschlüssig verbunden ist.
Die elektrische Schmelzsicherung ist dabei außerhalb des Zellverbundes oder alternativ zwischen den beiden Kontaktplatten angeordnet ist.
Als ein weiteres oder alternatives in den Zellverbund integriertes elektrisches Bauelement ist ein Schützelement vorgesehen, das einen Schütz zur elektrischen Verbindung der Batterie mit einem elektrischen Stromkreis umfasst und beispielsweise an einem Ende des Zellverbundes angeordnet ist.
Bevorzugt weist das Schützelement ferner eine erste Andruckplatte auf, deren Außenabmessungen weitgehend zu den Außenabmessungen einer Flachzelle korrespondieren. Dabei ist der Zellverbund kraftschlüssig zwischen dieser ersten Andruckplatte und einer zweiten Andruckplatte angeordnet, deren Außenabmessungen ebenfalls weitgehend zu den Außenabmessungen einer Flachzelle korrespondieren.
Dabei wird der Kraftschluss zwischen dem Zellverbund und den beiden Andruckplatten bevorzugt durch wenigstens ein Spannelement hergestellt, das um den Zellverbund und die beiden Andruckplatten geführt ist und diese aneinander presst. Ein geeignetes Spannelement ist beispielsweise ein Spannband oder ein Spannrahmen.
Eine vorteilhafte Ausgestaltung der Erfindung sieht ferner vor, dass die Andruckplatten metallisch ausgebildet und zellverbundseitig mit einer Flachzelle elektrisch leitend verbunden sind. Dadurch können sie neben ihrer Andruckfunktion gleichzeitig als elektrische Kontakte des Zellverbundes verwendet werden.
In einer besonders vorteilhaften Ausgestaltung der erfindungsgemäßen Batterie ist das Schützelement als ein Flachschütz ausgebildet, dessen Außenabmessungen zu den Außenabmessungen einer Flachzelle korrespondieren. Dabei weist das Flachschütz eine elektrisch leitfähige Außenfläche auf, über die es elektrisch leitend mit einer Flachzelle verbunden ist. Alternativ kann das Flachschütz Kontaktelemente aufweisen, über die es von außerhalb des Zellverbundes elektrisch kontaktierbar und insbesondere mit dem Zellverbund verbindbar ist.
Ferner kann das Flachschütz einen thermischen Überlastschutz aufweisen, der bei Überschreiten eines Temperaturschwellwertes eine Abschaltung der Batterie durch das Flachschütz bewirkt. Dies ist insbesondere deshalb vorteilhaft, da das Flachschütz in engem thermischen Kontakt mit einer Flachzelle steht, der es erlaubt, ohne externen Eingang eines Temperatursignals eine Überhitzung der Flachzelle zu detektieren.
Des Weiteren kann die Batterie mehrere Flachschütze aufweisen. Beispielsweise kann an beiden Enden des Zellverbundes je ein Flachschütz angeordnet sein. Durch eine derartige Anordnung der Schütze direkt an den Polen des Zellverbundes ist es sicher vermieden, dass die beiden Pole des Zellverbundes über deren Verbindung mit den Schützen Kontakt bekommen können. Damit wird die Sicherheit der Batterie erhöht.
Ferner kann zusätzlich ein weiteres Flachschütz im Inneren des Zellverbundes zwischen zwei Flachzellen angeordnet sein. Dadurch können auch Teilbereiche der Batterie ab- oder eingeschaltet werden.
Ein an einem Ende des Zellverbundes angeordnetes Flachschütz kann ferner an seiner dem Zellverbund abgewandten Außenseite eine Druckplattenfläche aufweisen, über die das Flachschütz an den Zellverbund anpressbar ist. Dadurch kann die oben beschriebene erste Andruckplatte entfallen, so dass der Aufbau der Batterie weiter vereinfacht ist.
Zusammengefasst weist die erfindungsgemäße Integration wenigstens eines elektrischen Bauelementes in den Zellverbund eine Reihe von Vorteilen gegenüber herkömmlichen Batteriebauformen auf:

– Die Bauweite der Batterie kann reduziert werden, da ein erfindungsgemäß in den Zellverbund elektrisches Bauelement einen kleineren Raumbereich als bei herkömmlichen Bauformen benötigt.
– Der Aufbau der Batterie vereinfacht sich, wodurch insbesondere die Montage der Batterie erleichtert wird.
– Die Kosten für die Herstellung und Montage der Batterie werden reduziert.

Ausführungsbeispiele der Erfindung werden im Folgenden anhand von Zeichnungen näher erläutert.
Dabei zeigen:
1 eine perspektivische Darstellung einer Batterie mit einem Schützelement und einem elektrischen Sicherungselement in einer Ansicht von der Schützseite,
2 eine perspektivische Darstellung einer Batterie mit einem Schützelement und einem elektrischen Sicherungselement in einer Ansicht von der der Schützseite gegenüberliegenden Seite,
3 eine perspektivische Explosionsdarstellung einer Batterie mit einem Schützelement und einem elektrischen Sicherungselement in einer Ansicht von der Schützseite,
4 eine perspektivische Explosionsdarstellung einer Batterie mit einem Schützelement und einem elektrischen Sicherungselement in einer Ansicht von der der Schützseite gegenüberliegenden Seite,
5 eine perspektivische Darstellung eines Sicherungselementes,
6 eine Schnittdarstellung eines Sicherungselementes von der Seite,
7 schematisch eine Längsschnittdarstellung einer Batterie mit drei Flachschützen,
8 schematisch eine perspektivische Darstellung eines Flachschützes mit einer elektrisch leitfähigen Außenfläche, und
9 schematisch eine perspektivische Darstellung eines Flachschützes mit Kontaktelementen.
Einander entsprechende Teile sind in allen Figuren mit den gleichen Bezugszeichen versehen.
1 und 2 zeigen perspektivische Darstellungen einer erfindungsgemäßen Batterie B mit mehreren einen Zellverbund Z bildenden Flachzellen 1 in zwei verschiedenen Ansichten. Die Flachzellen sind hintereinander nach Art eines Stapels angeordnet.
Die Batterie B weist ein Schützelement 3 und ein elektrisches Sicherungselement 2 auf. Das Schützelement 3 ist an einem Ende des Zellverbundes Z angeordnet. Das elektrische Sicherungselement 2 ist in diesem Ausführungsbeispiel mittig in dem Zellverbund Z zwischen zwei Flachzellen 1 angeordnet. Ferner weist die Batterie eine Kühlplatte 15 auf, die an der Unterseite des Zellverbundes Z angeordnet ist und der Kühlung der Batterie B dient.
Das Schützelement 3 umfasst einen Schütz, mittels dessen die Batterie B mit einem elektrischen Stromkreis verbindbar ist. Ferner umfasst das Schützelement 3 eine erste Andruckplatte 6, deren Außenabmessungen weitgehend zu den Außenabmessungen einer Flachzelle 1 korrespondieren. Dabei werden unter den Außenabmessungen einer Flachzelle 1 die Abmessungen einer vertikalen Querschnittsfläche der Flachzelle 1 in einer Ebene senkrecht zur Achsenrichtung des Zellverbundes Z verstanden. Entsprechendes gilt für die Außenabmessungen der ersten Andruckplatte 6.
An dem dem Schützelement 3 gegenüberliegenden Ende des Zellverbundes Z ist eine zweite Andruckplatte 7 angeordnet, deren Außenabmessungen ebenfalls weitgehend zu den Außenabmessungen einer Flachzelle 1 korrespondieren. Die Batterie B weist ferner zwei Spannelemente 8, die als Spannbänder ausgeführt sind und jeweils um den Zellverbund 3, die beiden Andruckplatten 6 und 7 sowie die Kühlplatte 15 geführt sind. Mittels der Spannelemente 8 werden die Andruckplatten 6 und 7 kraftschlüssig an den Zellverbund Z und gleichzeitig jeweils benachbarte Flachzellen 1 aneinander gepresst.
Dabei sind die sich berührenden Seitenflächen der Flachzellen 1, wie aus dem Stand der Technik bekannt, metallisch als elektrische Polkontakte der Flachzellen 1 ausgeführt und beispielsweise derart angeordnet, dass die Flachzellen 1 elektrisch seriell zueinander verschaltet sind.
Die Andruckplatten 6 und 7 sind in vorteilhafter Weise ebenfalls metallisch ausgeführt, so dass sie über ihren Kontakt mit einer jeweiligen äußeren Flachzelle 1 des Zellverbundes Z elektrische Kontakte des Zellverbundes Z bilden.
Das elektrische Sicherungselement 2 weist eine konventionell gestaltete elektrische Schmelzsicherung 5 auf, die aus Bauraumgründen oberhalb des Zellverbundes Z angeordnet ist und in unten näher beschriebener Weise mit den beiden das elektrische Sicherungselement 2 einschließenden Flachzellen 1 verbunden ist.
Die 3 und 4 zeigen perspektivische Explosionsdarstellungen der in den 1 und 2 gezeigten Batterie B. Dabei wird deutlich, dass das elektrische Sicherungselement 2 zwei Kontaktplatten 4 aufweist, die jeweils mit der elektrischen Schmelzsicherung 5 verbunden sind und deren Außenabmessungen weitgehend zu den Außenabmessungen einer Flachzelle 1 korrespondieren.
Die Gestaltung des elektrischen Sicherungselementes 2 wird in den 5 und 6 weiter verdeutlicht. Dabei zeigen 5 eine perspektivische Darstellung und 6 eine Schnittdarstellung des elektrischen Sicherungselementes 2. Die Kontaktplatten 4 sind gegeneinander durch eine Isolationsschicht 17 elektrisch isoliert und jeweils über eine fahnenartige Verlängerung (5.1,5.2) mit der elektrischen Schmelzsicherung 5 verbunden.
7 zeigt schematisch ein weiteres Ausführungsbeispiel einer erfindungsgemäßen Batterie B mit drei jeweils als ein Flachschütz 9 ausgebildeten Schützelementen 3. Mit Flachschütz 9 wird hier ein Schütz bezeichnet, das in seinen Außenabmessungen den Außenabmessungen einer Flachzelle nahe kommt und dessen Tiefe nicht wesentlich größer als die Tiefe einer Flachzelle 1 ist, beispielsweise höchstens ein Dreifaches der Tiefe einer Flachzelle 1. Derartige Flachschütze sind der Geometrie des Zellverbundes Z besonders gut angepasst und eignen sich daher insbesondere zu einer Reduzierung der Batteriebauweite.
Der Flachschütz 9 entspricht in seinem inneren Aufbau heute bekannten Schützbauweisen mit Spulen, Elektromagneten, beweglichen Schienen und/oder elektronischen Schaltelementen wie Transistoren, beispielsweise Bipolartransistoren mit isolierter Gateelektrode (IGBT = insulated-gate bipolar transistor).
Gemäß 7 ist an jedem Ende des Zellverbundes Z ein Flachschütz 9 angeordnet. Im Inneren des Zellverbundes Z kann, wie dargestellt, ein weiteres optionales Flachschütz 9 zwischen zwei Flachzellen 1 angeordnet sein.
Die Flachschütze 9 sind durch ein Batteriegehäuse 14 zu elektrischen Anschlüssen 13 geführt, über die sie mit Verbrauchern elektrisch verbindbar sind.
8 zeigt schematisch ein Flachschütz 9 zu einer elektrischen Kontaktierung einer Flachzelle 1 über eine elektrisch leitfähige Außenfläche 10.
9 zeigt eine alternative Ausführung eines Flachschütz 9 mit elektrischen Kontakten 11 an einer der schmalen Außenseiten des Flachschütz 9, beispielsweise zur Kontaktierung einer elektrisch von dem Flachschütz 9 isolierten Flachzellen 1.
Die Ausführungen eines Flachschütz 9 gemäß 8 und 9 sehen weithin jeweils vor, dass eine Außenseite des Flachschütz 9 als Druckplattenfläche 12 ausgebildet ist, über die das Flachschütz 9 an den Zellverbund Z anpressbar ist. Dazu wird diese Außenseite des Flachschütz 9 aus einem Material geeignet zu wählender Stärke und Härte gebildet. Ein derart ausgebildetes Flachschütz 9 ist für eine Positionierung an einem Ende des Zellverbundes Z vorgesehen.

1: Flachzelle
2: Elektrisches Sicherungselement
3: Schützelement
4: Kontaktplatten
5: Elektrische Schmelzsicherung
5.1, 5.2: Fahnenartige Verlängerung
6: Erste Andruckplatte
7: Zweite Andruckplatte
8: Spannelement
9: Flachschütz
10: Elektrisch leitfähige Außenfläche
11: Kontaktelement
12: Druckplattenfläche
13: Elektrischer Anschluss
14: Batteriegehäuse
15: Kühlplatte
16: Wärmeleitfolie
17: Isolation
B: Batterie
Z: Zellverbund

Claims

Batterie (B) mit mehreren einen Zellverbund (Z) bildenden Flachzellen (1), die hintereinander angeordnet und elektrisch seriell und/oder parallel miteinander verschaltet sind, dadurch gekennzeichnet, dass wenigstens ein elektrisches Bauelement in den Zellverbund (Z) integriert ist, indem es wenigstens teilweise zwischen zwei Flachzellen (1) des Zellverbundes (Z) oder an einem Ende des Zellverbundes (Z) angeordnet und mit dem Zellverbund (Z), insbesondere form- und/oder kraftschlüssig, verbunden ist.
Batterie (B) nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass ein in den Zellverbund (Z) integriertes elektrische Bauelement ein elektrisches Sicherungselement (2) zum Schutz der Batterie (B) vor elektrischem Überstrom und/oder elektrischem Kurzschluss ist.
Batterie (B) nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass ein in den Zellverbund (Z) integriertes elektrisches Bauelement ein Schützelement (3) mit einem Schütz zur elektrischen Verbindung der Batterie (B) mit einem elektrischen Stromkreis ist.
Batterie (B) nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass das elektrische Sicherungselement (2) zwei elektrische Kontakte aufweist, die mit jeweils einer Flachzelle (1) elektrisch verbunden sind.
Batterie (B) nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass die beiden elektrischen Kontakte zwei elektrisch leitende und gegeneinander isolierte Kontaktplatten (4) sind, die zwischen zwei Flachzellen (1) des Zellverbundes (Z) angeordnet sind, wobei jede der beiden Kontaktplatten (4) mit einer an sie angrenzenden Flachzelle (1) kraftschlüssig verbunden ist.
Batterie (B) nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass die Kontaktplatten (4) mittig in dem Zellverbundes (Z) angeordnet sind.
Batterie (B) nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass das elektrische Sicherungselement (2) eine elektrische Schmelzsicherung (5) umfasst.
Batterie (B) nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass die elektrische Schmelzsicherung (5) außerhalb des Zellverbundes (Z) angeordnet ist.
Batterie (B) nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass die elektrische Schmelzsicherung (5) innerhalb des Zellverbundes (Z) zwischen den beiden Kontaktplatten (4) angeordnet ist.
Batterie (B) nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass das Schützelement (3) an einem Ende des Zellverbundes (Z) angeordnet ist.
Batterie (B) nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, dass das Schützelement (3) eine erste Andruckplatte (6) umfasst, deren Außenabmessungen weitgehend zu den Außenabmessungen einer Flachzelle (1) korrespondieren.
Batterie (B) nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, dass der Zellverbund (Z) kraftschlüssig zwischen der ersten Andruckplatte (6) und einer zweiten Andruckplatte (7) angeordnet ist, wobei die Außenabmessungen der zweiten Andruckplatte (7) weitgehend zu den Außenabmessungen einer Flachzelle (1) korrespondieren.
Batterie (B) nach Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet, dass die Batterie (B) wenigstens ein Spannelement (8) aufweist, das um den Zellverbund (Z) und die beiden Andruckplatten (6, 7) geführt ist und diese kraftschlüssig miteinander verbindet.
Batterie (B) nach Anspruch 13, dadurch gekennzeichnet, dass das wenigstens eine Spannelement (8) ein Spannband oder ein Spannrahmen ist.
Batterie (B) nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, dass das Schützelement (3) zellverbundseitig mit einer Flachzelle (1) elektrisch leitend verbunden ist.
Batterie (B) nach Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet, dass die zweite Andruckplatte (7) aus einem Metall besteht und elektrisch leitend mit dem Zellverbund (Z) verbunden ist, so dass sie einen elektrischen Kontakt des Zellverbundes (Z) bildet.
Batterie (B) nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass das Schützelement (3) als ein Flachschütz (9) ausgebildet ist, dessen Außenabmessungen zu den Außenabmessungen einer Flachzelle (1) korrespondieren.
Batterie (B) nach Anspruch 17, dadurch gekennzeichnet, dass das Flachschütz (9) eine elektrisch leitfähige Außenfläche (10) aufweist, über die es elektrisch leitend mit einer Flachzelle (1) verbunden ist.
Batterie (B) nach Anspruch 17, dadurch gekennzeichnet, dass das Flachschütz (9) Kontaktelemente (11) aufweist, über die es von außerhalb des Zellverbundes (Z) elektrisch kontaktierbar ist.
Batterie (B) nach Anspruch 17, dadurch gekennzeichnet, dass das Flachschütz (9) einen thermischen Überlastschutz aufweist, der bei Überschreiten eines Temperaturschwellwertes eine Abschaltung der Batterie (B) durch das Flachschütz (9) bewirkt.
Batterie (B) nach Anspruch 17, dadurch gekennzeichnet, dass an beiden Enden des Zellverbundes (Z) je ein Flachschütz (9) angeordnet ist.
Batterie (B) nach Anspruch 21, dadurch gekennzeichnet, dass zwischen zwei Flachzellen (1) im Inneren des Zellverbundes (Z) ein Flachschütz (9) angeordnet ist.
Batterie (B) nach Anspruch 17, dadurch gekennzeichnet, dass ein an einem Ende des Zellverbundes (Z) angeordnetes Flachschütz (9) an seiner dem Zellverbund (Z) abgewandten Außenseite eine Druckplattenfläche (12) aufweist, über die das Flachschütz (9) an den Zellverbund (Z) anpressbar ist.