DE102008034865A1

DE102008034865A1 - Batteriezelle und Batterie mit mehreren Batteriezellen

Info

Publication number: DE102008034865A1
Application number: DE102008034865A
Authority: DE
Inventors: Björn Dipl.-Ing. Luckhardt; Jens Dr. Ing. Meintschel; Dirk Dipl.-Ing. Dr. Schröter
Original assignee: Daimler AG
Current assignee: Mercedes Benz Group AG
Priority date: 2008-07-26
Filing date: 2008-07-26
Publication date: 2009-06-18
Anticipated expiration: 2028-07-27
Also published as: DE102008034865B4

Abstract

Die Erfindung betrifft eine Batteriezelle (2) für eine Batterie (1) mit mehreren derartigen Batteriezellen (2), wobei ein erster Polkontakt (3) der Batteriezelle (2) ringförmig ausgebildet und koaxial um einen zweiten Polkontakt (4) der Batteriezelle (2) herum angeordnet ist.

Description

Die Erfindung betrifft eine Batteriezelle und eine Batterie mit mehreren Batteriezellen.
Üblicherweise weist eine Batterie zur Anwendung in Kraftfahrzeugen, insbesondere in Kraftfahrzeugen mit einem Hybridantrieb oder in Brennstoffzellen-Fahrzeugen, mehrere elektrisch in Reihe und/oder parallel geschaltete Batteriezellen, beispielsweise Lithium-Ionen-Zellen, auf, die sich in einem gemeinsamen Batteriegehäuse befinden.
Die Batteriezellen müssen gekühlt werden, um die entstehende Verlustwärme abzuführen. Dazu wird in der Regel eine indirekte Kühlung durch einen Kühlmittelkreislauf einer Fahrzeugklimaanlage oder eine direkte Kühlung mittels vorgekühlter Luft, die zwischen die Batteriezellen geleitet wird, eingesetzt.
Bei der aus Bauraumgründen bevorzugten Kühlung durch den Kühlmittelkreislauf ist am Zellblock der Batterie eine von Kühlmittel durchströmte Kühlplatte angeordnet, die sich beispielsweise auf einer Polseite der Batteriezellen befindet (so genannte Kopfkühlung). In Zelllängsrichtung wird die Wärme durch die Zellwände der Batteriezellen geleitet.
Zur Verbesserung der Wärmeleitung sind die Batteriezellen häufig mit einer am Umfang partiell aufgedickten Zellwand ausgeführt, deren Querschnittsfläche beispielsweise eine wabenförmige oder rechteckige Kontur aufweist.
Am Zelldeckel jeder Batteriezelle befinden sich zwei elektrische Polkontakte, die durch zu den Polkontakten korrespondierende Langlöcher in der Kühlplatte geschoben sind und oberhalb dieser durch Zellverbinder elektrisch verbunden sind.
Um zwischen den Kanten der Zellwände im Zellblock gleichmäßige Abstände einzuhalten, müssen diese zueinander winkellagenrichtig angeordnet werden. Da oberhalb der Kühlplatte die Winkellage der Pole gleichzeitig durch die Zellverbinder vorgegeben ist, müssen die Zelldeckel mit hoher Winkelgenauigkeit, typisch mit einer Genauigkeit unter 0,5 Winkelgraden, in die Zellwände eingeschweißt werden. Dies ist aufwändig und erhöht die Fertigungskosten.
Ferner lassen sich Zellblöcke nur mit Einschränkungen und unter zusätzlichem Aufwand aus verschieden geformten oder orientierten Zellen zusammensetzen. Dazu sind insbesondere unterschiedlich ausgebildete und/oder abgewinkelte Zellverbinder erforderlich.
Der Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, eine Batteriezelle und eine Batterie mit mehreren derartigen Batteriezellen anzugeben, welche einfacher und kostengünstiger zu Zellblöcken verbindbar sind.
Die Aufgabe wird erfindungsgemäß durch eine Batteriezelle mit den in Anspruch 1 angegebenen Merkmalen und eine Batterie mit den in Anspruch 5 angegebenen Merkmalen gelöst.
Vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung sind Gegenstand der Unteransprüche.
Bei der erfindungsgemäßen Batteriezelle ist ein erster Polkontakt ringförmig ausgebildet und koaxial um einen zweiten Polkontakt herum angeordnet.
Die erfindungsgemäße Batterie weist mehrere parallel und/oder seriell über Zellverbinder geschaltete derartige Batteriezellen auf, wobei der erste Polkontakt einer Batteriezelle mit dem zweiten Polkontakt einer benachbarten Batteriezelle über einen Zellverbinder elektrisch leitend verbunden ist. Dabei ist ein erstes Ende des Zellverbinders gabelförmig mit zwei Gabelzinken ausgebildet, wobei die Gabelzinken zu der Ringform des ersten Polkontaktes korrespondieren.
Dies hat den Vorteil, dass kein winkellagerichtiges Einschweißen des die Polkontakte tragenden Zelldeckels einer Batteriezelle nötig ist, wodurch der Arbeitsaufwand und die Kosten zur Herstellung der Batterie reduziert werden.
Ferner erweitert die erfindungsgemäße Ausbildung der Polkontakte die Anordnungsmöglichkeiten beim Zusammensetzen eines Zellblocks aus mehreren Batteriezellen und reduziert die Vielfalt und Komplexität der benötigten Zellverbinder.
Weitere Vorteile, Merkmale und Einzelheiten der Erfindung werden im Folgenden anhand von Ausführungsbeispielen unter Bezugnahme auf Zeichnungen beschrieben. Dabei zeigen:
1 eine perspektivische Darstellung einer Batteriezelle,
2 eine Schnittdarstellung einer Batteriezelle,
3 eine perspektivische Explosionsdarstellung einer Batteriezelle,
4 eine perspektivische Darstellung einer Batteriezelle ohne eine Ummantelung und ohne einen Zelldeckel,
5 eine perspektivische Darstellung einer Batterie,
6 eine perspektivische Teilexplosionsdarstellung einer Batterie,
7 eine perspektivische Darstellung eines Zellverbundes mit Kühlplatte und Zellverbindern,
8 eine Schnittdarstellung einer Batterie,
9 eine perspektivische Darstellung zweier mit einem Zellverbinder verbundenen Batteriezellen,
10 eine perspektivische Darstellung eines Zellverbinders aus einer Obersicht, und
11 eine perspektivische Darstellung eines Zellverbinders aus einer Untersicht.
Einander entsprechende Teile sind in allen Figuren mit den gleichen Bezugszeichen versehen.
1 zeigt eine Batteriezelle 2 in einer perspektivischen Darstellung und 2 zeigt die Batteriezelle 2 in einer Schnittdarstellung. Die Batteriezelle 2 weist zum elektrischen Anschluss einen ringförmig ausgebildeten ersten Polkontakt 3 auf, der koaxial um einen zweiten Polkontakt 4 herum angeordnet ist. Beide Polkontakte 3, 4 sind aus einem Zelldeckel 5 der Batteriezelle 2 herausgeführt. Dabei ragt der zweite Polkontakt 4 weiter aus dem Zelldeckel heraus als der erste Polkontakt 3.
Die Batteriezelle 2 weist ferner einen Folienwickel 11 mit um einen Wickeldorn 12 gewickelten Elektrodenfolien 13, 14 zweier verschiedener elektrischer Polaritäten auf. Der Wickeldorn 12 ist beispielsweise rohrförmig ausgebildet.
Dabei weisen im Folienwickel 11 benachbarte Elektrodenfolien 13, 14 jeweils verschiedene Polarität auf und sind durch eine nicht dargestellte Separatorfolie voneinander getrennt.
Die Elektrodenfolien 13 einer ersten Polarität ragen an einer Oberseite des Folienwickels 11 über den Wickeldorn 12 hinaus und sind dort mit einer elektrischen Verbindungseinheit 15 elektrisch leitend verbunden, welches außerdem elektrisch leitend mit dem zweiten Polkontakt 4 verbunden ist. Dadurch liegt ein erstes elektrisches Potential der Batteriezelle 1, z. B. der Minuspol, auf dem zweiten Polkontakt 4.
Die Elektrodenfolien 14 einer zweiten Polarität ragen an einer Unterseite des Folienwickels 11 über den Wickeldorn 12 hinaus und sind dort mit einem Zellgehäuse 7 elektrisch verbunden. Das Zellgehäuse 7 ist über den Zelldeckel 5 mit dem ersten Polkontakt 3 elektrisch verbunden. Dadurch liegt das andere elektrische Potential der Batteriezelle 2, in diesem Fall der Pluspol, auf dem ersten Polkontakt 3.
Bevorzugt sind der Zelldeckel 5 und der erste Polkontakt 3 dabei als ein Bauteil ausgebildet. Alternativ sind sie als zwei stoffschlüssig verbundene Bauteile ausgebildet.
Der zweite Polkontakt 4 ist durch den Zelldeckel 5 hindurchgeführt, wobei zwischen ihm und dem Zelldeckel 5 Dichtringe 8 angeordnet sind, die die Polkontakte 3, 4 voneinander elektrisch isolieren und ein Eindringen von Feuchtigkeit und Fremdstoffen in die Batteriezelle 2 sowie ein Austreten von Elektrolyt aus der Batteriezelle 2 verhindern.
Weiterhin ist der zweite Polkontakt 4 in einem Bereich nietartig geformt, so dass eine ringförmig um den zweiten Polkontakt 4 verlaufende Ausbuchtung 9 entsteht. Zwischen dieser Ausbuchtung 9 und dem oberen Dichtring 8 ist eine Unterlegscheibe 10, bevorzugt aus Metall, angeordnet, so dass der zweite Polkontakt 4 sicher in dem Zelldeckel 5 gehaltert ist.
Die Batteriezelle 2 weist ferner eine Ummantelung 6 auf, die in einer Ebene senkrecht zu einer Längsachse der Batteriezelle 2 eine Querschnittsfläche mit einer wabenförmigen äußeren Kontur hat. Die Ummantelung 6 wird von einer Hülse gebildet, die zum Ableiten von Wärme aus der Batteriezelle 2 in Längsrichtung der Einzelzelle 1 ausgebildet ist. Die Ummantelung 6 ist vorzugsweise aus einem Metall mit einer hohen Wärmeleitfähigkeit, bevorzugt aus Aluminium, gebildet.
Die 3 und 4 zeigen die Batteriezelle 2 in einer perspektivischen Darstellung ohne die Ummantelung 6 und das Zellgehäuse 7, in 4 außerdem ohne den Zelldeckel 5 und den ersten Polkontakt 3.
Die elektrische Verbindungseinheit 15 ist gemäß diesen Zeichnungen klammerförmig ausgebildet und weist zwei Kontaktzungen 16 auf, über die die Elektrodenfolien 13 der ersten Polarität kontaktiert werden.
5 zeigt eine perspektivische Darstellung einer Batterie 1. Die Batterie 1 umfasst dabei ein Batteriegehäuse, welches aus einem Gehäuseoberteil 16 und einem Gehäuseunterteil 17 gebildet ist. Das Gehäuseoberteil 16 ist an dem Gehäuseunterteil 17 mittels Verbindungselementen 18, beispielsweise Schraub- oder Nietelementen, befestigbar. Die elektrischen Pole der Batterie 1 über eine elektrische Anschlusseinheit 19 aus dem Batteriegehäuse herausgeführt.
Die 6 und 7 zeigen die Batterie 1 im Detail, wobei die Batterie 1 in 6 in einer Teilexplosionsdarstellung und in 7 in einer Schnittdarstellung dargestellt ist.
In dem Gehäuseunterteil 17 der Batterie 1 ist ein Zellverbund aus Batteriezellen 2 angeordnet. Dabei sind je zwei Batteriezellen 2 über einen unten anhand der 9 bis 11 näher beschriebenen Zellverbinder 22 elektrisch verbunden, welcher den ersten Polkontakt 3 einer der Batteriezellen 2 mit dem zweiten Polkontakt 4 der anderen Batteriezelle 2 verbindet.
Über dem Zellverbund ist eine Kühlplatte 21 zur Kühlung der Batteriezellen 2 angeordnet, welche Durchgangslöcher für die Polkontakte 3, 4 der Batteriezellen 2 aufweist, durch welche die Polkontakte 3, 4 hindurch ragen.
Ferner weist die Batterie 1 eine über dem Zellverbund und der Kühlplatte 21 angeordnete elektronische Baueinheit 20 auf, welche mit der Anschlusseinheit 19 verbunden ist und beispielsweise elektronische Bauelemente der Zellspannungsüberwachung, der Batteriesteuerung und/oder Sicherungselemente kapselt.
8 zeigt in einer perspektivischen Darstellung einen Zellverbund einer Batterie 1 mit über Zellverbinder 22 elektrisch verbundenen Batteriezellen 2, über denen die Kühlplatte 21 angeordnet ist.
9 zeigt in einer perspektivischen Darstellung zwei über einen Zellverbinder 22 elektrisch verbundene Batteriezellen 2.
Dabei ist ein erstes Ende 23 des Zellverbinders 22 stoffschlüssig mit dem ersten Polkontakt 3 einer der Batteriezelle 2 verbunden und ein zweites Ende 24 des Zellverbinders 22 ist stoffschlüssig mit dem zweiten Polkontakt 4 der anderen Batteriezelle 2 verbunden. Die stoffschlüssigen Verbindungen der Enden 23, 24 des Zellverbinders 22 mit den Polkontakten 3, 4 werden bevorzugt durch Schweißvorgänge mit geringen Wärmeeinträgen, beispielsweise durch Laserschweißen, hergestellt.
Das erste Ende 23 des Zellverbinders 22 ist gabelförmig mit zwei Gabelzinken ausgebildet, wobei die Gabelzinken zu der Ringform des ersten Polkontaktes 3 korrespondierenden.
Das zweite Ende 24 des Zellverbinders 22 korrespondiert zu dem zweiten Polkontakt 4.
Die 10 und 11 zeigen perspektivische Darstellungen des Zellverbinders 22, in 10 aus einer Obersicht, in 11 aus einer Untersicht. Dabei zeigt 11 die Unterseite des Zellverbinders 22, welche an dem ersten Ende 23 mit einem ersten Polkontakt 3 und an einem zweiten Ende 24 mit dem zweiten Polkontakt 4 verbunden ist.
Das zweite Ende 23 ist an der Unterseite des Zellverbinders 22 in dem Bereich, der für den Kontakt mit einem ersten Polkontakt 3 vorgesehen ist, in einer größeren Dicke ausgebildet als die anderen Bereiche des Zellverbinders 22. Dabei korrespondiert die Zunahme der Dicke zu der Differenz an Höhe, mit welcher die Polkontakte 3, 4 aus dem Zelldeckel 5 einer Batteriezelle 2 herausragen.

Claims

Batteriezelle (2) für eine Batterie (1), dadurch gekennzeichnet, dass ein erster Polkontakt (3) der Batteriezelle (2) ringförmig ausgebildet und koaxial um einen zweiten Polkontakt (4) der Batteriezelle (2) angeordnet ist.
Batteriezelle (2) nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der erste Polkontakt (3) elektrisch leitend mit einem Zelldeckel (5) der Batteriezelle (2) verbunden ist.
Batteriezelle (2) nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass der zweite Polkontakt (4) elektrisch isoliert durch den Zelldeckel (5) und den ersten Polkontakt (3) geführt ist.
Batteriezelle (2) nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass der zweite Polkontakt (4) weiter aus dem Zelldeckel (5) herausragt als der erste Polkontakt (3).
Batterie (1) mit mehreren elektrisch parallel und/oder seriell über Zellverbinder (22) geschaltete Batteriezellen (2) nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass der erste Polkontakt (3) einer Batteriezelle (2) mit dem zweiten Polkontakt (4) einer benachbarten Batteriezelle (2) über einen Zellverbinder (22) elektrisch leitend verbunden ist.
Batterie (1) nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass ein erstes Ende (23) des Zellverbinders (22) gabelförmig mit zwei Gabelzinken ausgebildet ist, wobei die Gabelzinken zu der Ringform des ersten Polkontaktes (3) korrespondieren.
Batterie (1) nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass ein zweites Ende (24) des Zellverbinders (22) zu dem zweiten Polkontakt (4) korrespondiert.
Batterie (1) nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass das erste Ende (23) des Zellverbinders (22) stoffschlüssig mit dem ersten Polkontakt (3) einer Batteriezelle (1) verbunden ist und das zweite Ende (24) des Zellverbinders (22) stoffschlüssig mit dem zweiten Polkontakt (24) einer benachbarten Batteriezelle (22) verbunden ist.