DE102008057210A1 - Zellhalter, Energiespeicherzelle, Zellhalterstapel und Mehrzellenenergiespeicher - Google Patents

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Abstract

Es werden ein Zellhalter, eine Energiespeicherzelle, ein Zellhalterstapel und ein Mehrzellenenergiespeicher beschrieben. Der Zellhalter ist in der Form eines einseitig oder beidseitig offenen Gehäuses aus einem elektrisch isolierenden Material ausgebildet und weist eine Rückwand auf, in der ein Kühlmittelkanal angeordnet ist. Mehrere Zellhalter lassen sich über Nut-Verbindungen zu einem Zellhalterstapel zusammensetzen, der eine Vielzahl von Zellen aufnimmt. Mit Hilfe dieses Zellhalters lässt sich eine gute Kühlung der aufgenommenen Zelle erreichen. Ferner sorgt er für eine gute elektrische Isolierung sowie einen guten mechanischen Schutz der Zelle. Der Zellhalter ist insbesondere zur Aufnahme von Lithiumionen-Zellen in der Form von Softpacks geeignet.

Description

  • Die vorliegende Erfindung betrifft einen Zellhalter zum Halten und Aufnehmen von einer Energiespeicherzelle oder von zwei Energiespeicherzellen. Sie ist ferner auf eine mit einem derartigen Zellhalter versehene Energiespeicherzelle, einen Zellhalterstapel und einen mit einem derartigen Zellhalterstapel versehenen Mehrzellenenergiespeicher gerichtet.
  • Die vorliegende Erfindung bezieht sich insbesondere auf einen Zellhalter zum Halten und Aufnehmen einer Lithiumionen-Zelle. Lithiumionen-Zellen für Energiespeicher für Hybrid- und Elektrofahrzeuge gibt es in verschiedenen Bauformen. Eine Bauform ist das sogenannte Softpack, bei dem die Elektroden mit einer Aluminium-Verbundfolie verpackt sind. Diese Zellen haben eine quaderförmige Bauform und lassen sich kompakt stapeln.
  • Derartige Energiespeicherzellen werden zu Mehrzellenenergiespeichern oder Mehrzellenbatterien zusammengesetzt. Dabei werden die einzelnen Zellen zu einem Zellstapel mechanisch verbunden und in ein Gehäuse (Batteriegehäuse) verpackt. Ein besonderes Problem bildet dabei die Kühlung der einzelnen Zellen. Eine derartige Verbindung der Zellen zu einem Zellenstapel mit Verpackung in einem Gehäuse bei gleichzeitiger Kühlung der Zellen ist jedoch bis heute noch nicht zufriedenstellend gelöst.
  • Die vorliegende Erfindung stellt eine Lösung für dieses Problem zur Verfügung. Ihr liegt die Aufgabe zugrunde, einen Zellhalter zu schaffen, der eine mechanische Verbindung der Zellen und das kompakte Verpacken derselben in einem Gehäuse bei guter Kühlung der Zellen ermöglicht.
  • Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß durch ein Zellhalter zum Halten und Aufnehmen von einer Energiespeicherzelle oder von zwei Energiespeicherzellen, insbesondere von Lithium-ionen-Zellen, gelöst, der in der Form eines einseitig oder beidseitig offenen Gehäuses aus einem elektrisch isolierenden Material mit einer Rückwand, in der ein Kühlmittelkanal angeordnet ist, sowie einem Kühlmittelzuführ- und einem Kühlmittelabführkanalabschnitt, die am Gehäuse angeordnet sind und mit dem Kühlmittelkanal in Verbindung stehen, ausgebildet ist, wobei das Gehäuse Durchlässe für die Ableiter der Zelle aufweist und mit Nut-Feder-Verbindungseinrich-tungen zum Ansetzen von weiteren Zellhaltern versehen ist.
  • Die erfindungsgemäße Lösung stellt somit einen Zellhalter zur Verfügung, der gleichzeitig mehrere Funktionen übernimmt. Zum einen bietet er einen mechanischen Schutz für die Zelle, da er als Gehäuse die Zelle umgibt. Zum anderen sorgt er für eine Kühlung der Zelle, wobei die entsprechenden Kühleinrichtungen in den Zellhalter integriert sind. Des Weiteren ermöglicht er ein mechanisches Verbinden von mehreren Zellen zu einem mechanisch stabilen Zellstapel, wobei diese Verbindung durch die vorgesehenen Nut-Feder-Verbindungseinrichtungen ermöglicht wird. Schließlich wird die Verpackung in einem Gehäuse erreicht, da die einzelnen Zellhalter nach dem Aneinandersetzen und dem Verschließen der beiden Endseiten mit entsprechenden Endplatten einen Zellhalterstapel in der Form eines geschlossenen Energiespeicher- bzw. Batteriegehäuses bilden. Des Weiteren kann dieses vom Zellstapel gebildete Innengehäuse mit einem Außengehäuse versehen werden.
  • Ein besonderer Vorteil des erfindungsgemäß ausgebildeten Zellhalters besteht darin, dass er für eine gute elektrische Isolierung der einzelnen Zellen sorgt, und zwar in Verbindung mit einer Kühlung derselben. Die zu Kühlzwecken vorgesehene Rückwand des Zellhalters sorgt gleichzeitig für die gewünschte elektrische Isolierung. In entsprechender Weise übernehmen die Seitenwände des Gehäuses entsprechende Isolieraufgaben. Es wird somit auf kompakte Weise eine gleichzeitige Kühlung und elektrische Isolierung erreicht, da das Zellhaltergehäuse mit relativ geringen Wandstärken ausgebildet sein kann. Als Material für einen derartigen Zellhalter sind entsprechende Kunststoffe geeignet, die dem Fachmann bekannt sind.
  • Der erfindungsgemäße Zellhalter ist in der Form eines einseitig oder beidseitig offenen Gehäuses ausgebildet. Er kann somit eine Zelle oder zwei Zellen halten und aufnehmen. Im Fall der gleichzeitigen Aufnahme von zwei Zellen sorgt die Rückwand für die Kühlung dieser beiden Zellen, die beide an die Rückwand angrenzen.
  • In der Rückwand ist ein Kühlmittelkanal angeordnet, der im Betriebszustand des Zellhalters von einem Kühlmittel, insbesondere Wasser, durchflossen wird. Der Kühlmittelkanal ist vorzugsweise so ausgebildet, dass eine weitgehend ganzflächige Kühlung der angrenzenden Zelle erreicht wird. Der Kühlmittelkanal kann hierbei insbesondere ein sogenanntes „Flowfield” bilden und beispielsweise in der Rückwand mäanderförmig ausgebildet sein.
  • Für die Zuführung und Abführung des Kühlmittels zum und vom Kühlmittelkanal sorgen ein Kühlmittelzuführ- und ein Kühlmittelabführkanalabschnitt, die am Gehäuse des Zellhalters, insbesondere auf der Oberseite desselben, angeordnet sind. Diese Kühlmittelzuführ- und Kühlmittelabführkanalabschnitte lassen sich beim Aneinanderreihen bzw. Stapeln von mehreren Zellhaltern zu einem Kühlmittelzuführkanal und einem Kühlmittelabführkanal zusammensetzen, die die Kühlmittelkanäle in den jeweiligen Rückwänden der Zellhalter mit Kühlmittel versorgen bzw. Kühlmittel hiervon abführen.
  • Jeder Zellhalter ist ferner mit Nut-Feder-Verbindungseinrichtungen versehen, mittels denen weitere Zellhalter angesetzt werden können, um entsprechende Zellhalterstapel zu bilden. Diese Nut-Feder-Verbindungseinrichtungen können verschiedenartig ausgebildet sein, wenn sie nur ein einfaches Zusammensetzen bzw. Zusammenstecken von mehreren Zellhaltern ermöglichen. Zur Realisierung können beispielsweise vorstehende Flansche auf der einen Seite eines Zellhalters mit Nuten auf der anderen Seite eines anderen Zellhalters zusammenwirken.
  • Bei dem erfindungsgemäß ausgebildeten Zellhalter ist das Gehäuse vorzugsweise quaderförmig ausgebildet und dient zur Aufnahme von einer quaderförmigen oder von zwei quaderförmigen Energiespeicherzellen. Des Weiteren weist der Zellhalter vorzugsweise einen Haltefußabschnitt auf, mit dem eine Befestigung an einem Außengehäuse möglich ist.
  • Die Rückwand wird zweckmäßigerweise von einer Kühlplatte gebildet, die aus zwei Teilen besteht, welche an ihrer Außenseite miteinander verbunden sind, wobei der Kühlmittelkanal vorzugsweise in einen Plattenteil eingeprägt ist.
  • Zwischen den Kühlmittelzuführ- und Kühlmittelabführkanalabschnitten weist der Zellhalter vorzugsweise einen Raum zur Aufnahme bzw. Unterbringung der zugehörigen Elektronik des Energiespeichers auf. Ferner kann das Gehäuse des Zellhalters ein oder mehrere Vertiefungen zur Anordnung von Spanneinrich tungen, beispielsweise Spannbändern, besitzen, wobei mit diesen Spanneinrichtungen ein gebildeter Zellhalterstapel zusammengehalten wird.
  • Wie bereits erwähnt, ist der erfindungsgemäß ausgebildete Zellhalter insbesondere für Lithiumionen-Zellen geeignet, die als Softpack ausgebildet sind. Derartige Lithiumionen-Zellen besitzen einen Siegelrand, mit dem eine Aluminium-Verbundfolie verschweißt ist. Der Siegelrand wird gefaltet, so dass er eng an der Zelle anliegt. Insgesamt ergibt sich auf diese Weise eine quaderförmige Ausgestaltung von Lithiumionen-Zellen.
  • Der erfindungsgemäß ausgebildete Zellhalter besitzt ein Gehäuse, das eine derartige Zelle oder zwei derartige Zellen aufnehmen kann, wobei die Ableiter der Zelle durch Durchlässe im Gehäuse nach außen geführt sind. Diese Ableiter werden nach dem Einsetzen der Zelle oder der Zellen in den Zellhalter außerhalb desselben miteinander verbunden.
  • Die erfindungsgemäß vorgesehene Nut-Feder-Verbindungseinrichtungen sind zweckmäßigerweise so ausgebildet, dass sie Toleranzen in der Zelldicke durch Übermaß aufnehmen können. Die Zellhalter können dabei in unbegrenzter Zahl übereinander gestapelt werden, wobei über eine Serienschaltung die gewünschte Spannung des Mehrzellenenergiespeichers eingestellt werden kann.
  • Die vorliegende Erfindung betrifft ferner eine Energiespeicherzelle, insbesondere Lithiumionen-Zelle, die einen erfindungsgemäß ausgebildeten Zellhalter aufweist.
  • Des Weiteren betrifft die vorliegende Erfindung einen Zellhalterstapel, der eine Vielzahl von erfindungsgemäß ausgebil deten Zellhaltern besitzt, welche über die Nut-Feder-Verbindungseinrichtungen aneinandergesetzt bzw. aneinandergesteckt sind. Ein solcher Zellhalterstapel kann aus beliebig vielen Zellhaltern gebildet sein. Beim Aneinandersetzen der Zellhalter werden auch die Kühlmittelzuführ- und Kühlmittelabführkanalabschnitte in abgedichteter Weise aneinandergesetzt, so dass durchlaufende Kühlmittelzuführ- bzw. Kühlmittelabführkanäle gebildet werden, die keine Leckverluste aufweisen. Zum Abschluss auf beiden Seiten besitzt der Zellhalterstapel vorzugsweise zwei Endplatten, die mit Kühlmittelzuführ- und -abführanschlüssen für die gebildeten Kühlmittelzuführ- und -abührkanäle versehen sind.
  • Um den gebildeten Zellhalterstapel zusammenzuhalten, finden Spanneinrichtungen Verwendung, die vorzugsweise elastisch sind. Bei derartigen Spanneinrichtungen kann es sich beispielsweise um Spannbänder handeln, die in den am Gehäuse der Zellhalter vorgesehenen Vertiefungen angeordnet sind bzw. werden.
  • Ferner weist ein derartiger Zellhalterstapel vorzugsweise eine Vielzahl von Zellverbindern zum Verbinden der Ableiter von benachbarten Zellen auf. Auf diese Weise lassen sich die aneinandergesetzten Zellen in Serie schalten.
  • In einem derartigen, aus einer Vielzahl von Zellhaltern gebildeten Zellhalterstapel können die einzelnen Zellhalter zum Toleranzausgleich mit Abstand voneinander aneinandergesetzt sein, um auf diese Weise unterschiedlich dick ausgebildete Zellen aufnehmen zu können.
  • Des Weiteren betrifft die vorliegende Erfindung einen Mehrzellenenergiespeicher bzw. eine Mehrzellenbatterie, der bzw. die einen Zellhalterstapel aus den erfindungsgemäß ausgebil deten Zellhaltern aufweist. Ein solcher Mehrzellenenergiespeicher kann ferner mit einem Außengehäuse versehen sein, das am Haltefuß des Zellhalterstapels befestigt ist, wobei dieser Haltefuß durch die Vielzahl der Haltefußabschnitte der einzelnen Zellhalter gebildet wird.
  • Der erfindungsgemäß ausgebildete Zellhalter ermöglicht es somit, einen mechanisch stabilen Zellstapel insbesondere für eine Hybrid- oder Elektrofahrzeugbatterie aufzubauen. In diesem Zellstapel sind die einzelnen Zellen mechanisch gegen äußere Einflüsse geschützt. Die entsprechende Kühlfunktion ist in den Stapel integriert. Dabei ist die Wärmeleitstrecke von der Zelle zum Kühlmittel aufgrund der vorzugsweise dünn ausgebildeten Rückwände der Zellhalter sehr kurz, wodurch sich sehr geringe Temperaturgradienten ausbilden. Dadurch, dass die Rückwände bzw. Kühlplatten sehr dünn ausgeführt werden können, ergibt sich ein Bauraumvorteil gegenüber anderen Kühlkonzepten.
  • Die in einen Zellhalter eingebrachte Zelle lässt sich sehr einfach von Robotern handhaben, so dass sich Zellstapel automatisiert aufbauen lassen. Als Material für die Zellhalter lässt sich preisgünstiger Kunststoff verwenden. Da am Zellhalter keinerlei Metallteile vorhanden sind, ergeben sich in Bezug auf die geforderten Sicherheitstests beträchtliche Vorteile, da interne Kurzschlüsse verhindert werden. Besonders erwähnenswert ist die Hochvoltfestigkeit, die für Elektrofahrzeuge gewährleistet sein muss.
  • Die Erfindung wird nachfolgend anhand eines Ausführungsbeispieles in Verbindung mit der Zeichnung im Einzelnen erläutert. Es zeigen:
  • 1 eine räumliche Darstellung eines Zellhalters;
  • 2 eine räumliche Darstellung eines Zellhalterstapels;
  • 3 eine schematische Draufsicht auf eine Rückwand eines Zellhalters, wobei schematisch der in der Rückwand angeordnete Kühlmittelkanal dargestellt ist; und
  • 4 einen Horizontalschnitt durch einen Teil eines Zellhalters in Verbindung mit einem weiteren Zellhalter.
  • Der in 1 schematisch in räumlicher Ansicht dargestellte Zellhalter 1 besitzt ein einseitig offenes Gehäuse, das im Vertikalschnitt etwa rechteckförmig ausgebildet ist und eine Rückwand 3 sowie eine obere Wand 20, zwei Seitenwände 2 und eine untere Wand 21 besitzt. Auf der oberen Wand 20 befinden sich ein Kühlmittelzuführkanalabschnitt 5 und ein Kühlmittelabführkanalabschnitt 6. Diese beiden Abschnitte stehen mit einem in der Rückwand 3 des Zellhalters angeordneten Kühlmittelkanal (nicht gezeigt) in Verbindung, so dass ein geeignetes Kühlmittel, beispielsweise Wasser, über den Kanalabschnitt 5 zugeführt und in den nichtgezeigten Kühlmittelkanal eingeführt werden kann. Nach Durchströmen des Kühlmittelkanals wird das Kühlmittel über den Kühlmittelabführkanalabschnitt 6 wieder abgeführt.
  • Ferner weist der Zellhalter 1 Nut-Feder-Verbindungseinrichtungen auf, über die er mit weiteren entsprechenden Zellhaltern zu einem Zellstapel zusammengesetzt werden kann. Die se Nut-Feder-Verbindungseinrichtungen sind schematisch bei 7 (Nut) und bei 8 (Leiste) dargestellt.
  • Des Weiteren besitzt der Zellhalter an den unteren Enden seiner Seitenwände 2 Haltefußabschnitte 4, mit denen er an einem Außengehäuse befestigt werden kann.
  • Der in 1 dargestellte Zellhalter 1 dient zur Aufnahme einer Lithiumionen-Zelle, d. h. eines sogenannten Softpacks, die im bei 30 dargestellten Freiraum in Kontakt mit der vom Kühlmittel durchflossenen Rückwand 3 untergebracht wird. Der Zellhalter besteht aus einem geeigneten Kunststoffmaterial, das für eine entsprechende elektrische Isolierung der Zelle sorgt.
  • 2 zeigt eine räumliche Ansicht eines aus Zellhaltern 1 der 1 zusammengesetzten Zellhalterstapels. Dieser Zellhalterstapel setzt sich aus einer Vielzahl von Zellhaltern 1 zusammen, die über die Nut-Feder-Verbindungseinrich-tungen miteinander verbunden sind. Der Zellhalterstapel ist im fertigen Zustand mit zwei Endplatten (nicht gezeigt) versehen, die Kühlmittelzuführ- und Kühlmittelabführeinrichtungen 5, 6 aufweisen.
  • Durch das Aneinandersetzen der einzelnen Zellhalter werden auch die Kanalabschnitte 5, 6 in abgedichteter Weise aneinandergesetzt, so dass sich durchlaufende Kanäle ergeben, welche mit den Kühlmittelkanälen 13 in Verbindung stehen.
  • Ferner sind in 2 Nuten 11 auf den Oberseiten der Kanäle 5, 6 gezeigt, die zur Aufnahme von Spannbändern dienen, mit welchen Zellstapel zusammengehalten wird. Zellverbinder 12 sorgen dafür, dass die einzelnen Zellen in Reihe geschaltet werden können. Die entsprechenden Ableiter der Zellen, die sich durch die Wände der Zellhalter erstrecken, sind nicht dargestellt.
  • 3 zeigt eine Ansicht einer Rückwand 3 eines Zellhalters 1 mit entfernter Vorderseite. Man erkennt, dass innerhalb der Rückwand 3 ein mäanderförmiger Kühlmittelkanal 13 angeordnet ist, der ein Flowfield bildet und für eine weitgehend gleichmäßige Kühlung der Rückwand 3 sorgt. Das Kühlmittel gelangt vom Kühlmittelzuführkanalabschnitt 5 in den Kühlkanal 13, durchströmt diesen und gelangt in den Kühlmittelabführkanalabschnitt 6 und wird von dort abgeführt. In 3 sind zwei Kühlmittelkanalanschlüsse an den Kühlmittelzuführkanalabschnitt und zwei Kühlmittelkanalanschlüsse an den Kühlmittelabführkanalabschnitt dargestellt. Es versteht sich, dass natürlich auch anders ausgebildete Flowfields zur Anwendung gelangen können.
  • 4 zeigt einen Horizontalschnitt durch einen Teil eines Zellhalters 1 in Verbindung mit einem weiteren Zellhalter. Man erkennt, dass hierbei die Rückwand 3 des Zellhalters aus zwei Kühlplattenabschnitten besteht, von denen der innere Kühlplattenabschnitt 14 den Kühlkanal 13 aufweist, der in diesen Kühlplattenabschnitt eingeprägt ist. Beide Plattenabschnitte sind miteinander verschweißt.
  • Ferner zeigt 4 die Nut-Feder-Verbindungseinrichtungen der Zellhalter. Der dargestellte Zellhalter 1 besitzt eine Nut 15, in die eine Feder 16 (Leiste) des benachbarten Zellhalters eingreift. Die entsprechenden Verbindungseinrichtungen sind so ausgebildet, dass sie einen gewissen Toleranzausgleich für unterschiedlich dick ausgebildete Zellen ermöglichen. 4 zeigt, dass die benachbarten Zellhalter mit Abstand voneinander angeordnet sind.

Claims (17)

  1. Zellhalter zum Halten und Aufnehmen von einer Energiespeicherzelle oder von zwei Energiespeicherzellen, insbesondere von Lithiumionen-Zellen, in der Form eines einseitig oder beidseitig offenen Gehäuses aus einem elektrisch isolierenden Material mit einer Rückwand (3), in der ein Kühlmittelkanal (13) angeordnet ist, sowie einem Kühlmittelzuführ- und einem Kühlmittelabführkanalabschnitt (5, 6), die am Gehäuse angeordnet sind und mit dem Kühlmittelkanal (13) in Verbindung stehen, wobei das Gehäuse Durchlässe für die Ableiter der Zelle aufweist und mit Nut-Feder-Verbindungseinrichtungen (7, 8) zum Ansetzen von weiteren Zellhaltern (1) versehen ist.
  2. Zellhalter nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Kühlmittelzuführ- und der Kühlmittelabführkanalabschnitt (5, 6) auf der Oberseite des Gehäuses angeordnet sind.
  3. Zellhalter nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass der Kühlmittelkanal (13) in der Rückwand (3) mäanderförmig ausgebildet ist.
  4. Zellhalter nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Gehäuse quaderförmig ausgebildet ist und zur Aufnahme von einer quaderförmigen oder von zwei quaderförmigen Energiespeicherzellen dient.
  5. Zellhalter nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass er mit einem Haltefußabschnitt (4) versehen ist.
  6. Zellhalter nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Rückwand (3) von einer Kühlplatte gebildet ist, die aus zwei Teilen besteht, welche an ihrer Außenseite miteinander verbunden sind.
  7. Zellhalter nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass er zwischen den Kühlmittelzuführ- und Kühlmittelabführkanalabschnitten (5, 6) einen Raum (10) zur Aufnahme der zugehörigen Elektronik aufweist.
  8. Zellhalter nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass er auf der Oberseite der Kühlmittelzuführ- und Kühlmittelabführkanalabschnitte (5, 6) eine Vertiefung (11) zur Aufnahme eines Spannbandes aufweist.
  9. Energiespeicherzelle, dadurch gekennzeichnet, dass sie einen Zellhalter (1) nach einem der vorangehenden Ansprüche aufweist.
  10. Zellhalterstapel, der eine Vielzahl von Zellhaltern (1) nach einem der Ansprüche 1 bis 8 aufweist, die über die Nut-Feder-Verbindungseinrichtungen (7, 8) aneinandergesetzt sind.
  11. Zellhalterstapel nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, dass er zwei Endplatten aufweist, die den Stapel beidseitig abschließen.
  12. Zellhalterstapel nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, dass die Endplatten mit Kühlmittelzuführ- und Kühlmittelabführanschlüssen für die gebildeten Kühlmittelzuführ- und Kühlmittelabführkanäle versehen sind.
  13. Zellhalterstapel nach einem der Ansprüche 10 bis 12, dadurch gekennzeichnet, dass er mit Spanneinrichtungen zum Verspannen der Zellhalter (1) versehen ist.
  14. Zellhalterstapel nach einem der Ansprüche 10 bis 13, dadurch gekennzeichnet, dass er eine Vielzahl von Zellverbindern (12) zum elektrischen Anschließen von benachbarten Zellen aufweist.
  15. Zellhalterstapel nach einem der Ansprüche 10 bis 14, dadurch gekennzeichnet, dass die einzelnen Zellhalter (1) zum Toleranzausgleich mit Abstand voneinander aneinandergesetzt sind.
  16. Mehrzellenenergiespeicher, dadurch gekennzeichnet, dass er einen Zellhalterstapel nach einem der Ansprüche 10 bis 15 aufweist.
  17. Mehrzellenenergiespeicher nach Anspruch 16, dadurch gekennzeichnet, dass er ein Außengehäuse aufweist, das am Haltefuß des Zellhalterstapels befestigt ist.
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