DE102009013727A1

DE102009013727A1 - Batterie mit einem Stapel aus Flachzellen, Rahmen zur Halterung einer Flachzelle und Fahrzeug mit einer solchen Batterie

Info

Publication number: DE102009013727A1
Application number: DE102009013727A
Authority: DE
Inventors: Sten Harnisch; Rudolf Höbel; Jürgen Jäkel
Original assignee: Clean Mobile AG
Current assignee: Clean Mobile AG
Priority date: 2009-03-20
Filing date: 2009-03-20
Publication date: 2010-09-30
Also published as: DE202010000418U1

Abstract

Die Erfindung betrifft einen Batteriezellenstapel (1), der eine Vielzahl von Flachzellen (2) mit jeweils einem elektrochemischen Energiespeicher aufweist. Die Flachzellen (2) weisen jeweils eine Ummantelung und seitlich aus der Ummantelung herausgeführte Elektrodenanschlüsse (4) auf. Dabei ist für je zwei übereinanderliegende Flachzellen (2) ein leitendes Verbindungsstück (32) zwischen dem Elektrodenanschluss (4) der ersten der übereinanderliegenden Flachzellen (2) und dem Elektrodenanschluss (4) der zweiten der übereinanderliegenden Flachzellen (2) und eine Feder (31) zum Drücken der Elektrodenanschlüsse (4) der übereinanderliegenden Flachzellen (2) auf das Verbindungsstück (31) vorgesehen.

Description

Die Erfindung betrifft eine Batterie mit einem Stapel aus Flachzellen und einen Rahmen zur Aufnahme und Halterung einer Flachzelle für eine Batterie. Sie betrifft weiter eine Batterie mit einem Stapel aus in Reihe geschalteten Flachzellen sowie ein Fahrzeug mit einer derartigen Batterie.
Batterien mit einer Mehrzahl gestapelter Flachzellen, beispielsweise Lithium-Ionen- oder Lithium-Polymer-Batterien, sind als elektrochemische Energiespeicher mit hoher Leistungsdichte bekannt und werden daher zunehmend für Fahrzeuge mit Elektroantrieb bzw. Hybridantrieb eingesetzt. In diesem Bereich eingesetzte Batterien müssen jedoch spezielle Anforderungen insbesondere an die Sicherheit erfüllen.
Sogenannte prismatische Flachzellen haben sich in diesem Bereich wegen ihres großen Oberflächen-Volumen-Verhältnisses und der dadurch bedingten verhältnismäßig guten Kühlbarkeit bewährt, sind jedoch in vielen Punkten noch in der Entwicklung begriffen.
Aus der DE 10 2007 031 674 A1 ist eine Batterie aus einer Vielzahl von Flachzellen bekannt, bei der aus den Flachzellen herausgeführte Kontaktanschlüsse stoffschlüssig über Verbindungselemente miteinander verbunden werden. Mittels Nietdornen wird ein Kühlkörper mit den Verbindungselementen verbunden.
Problematisch ist bei derartigen Batterien, dass eine Verbindung der einzelnen Flachzellen untereinander zuverlässig und dauerhaft bestehen muss, jedoch ohne dass unerwünschte Kurzschlüsse auftreten. Dies ist vor allem dann schwierig, wenn die Batterien in Fahrzeugen eingesetzt werden, in denen sie wegen der ständigen Erschütterungen einem erhöhten Verschleiß unterliegen.
Aufgabe der Erfindung ist es, einen Batteriezellenstapel, einen Rahmen zur Aufnahme und Halterung einer Flachzelle einer Batterie anzugeben, der eine Stapelung und dauerhafte, zuverlässige Reihenschaltung mehrerer Flachzellen ermöglicht.
Darüber hinaus ist es eine weitere Aufgabe der vorliegenden Erfindung, eine Batterie mit einem Stapel aus einer Anzahl von in Reihe geschalteten Flachzellen anzugeben, wobei eine Verbindung der einzelnen Flachzellen untereinander auch bei einer starken mechanischen Belastung der Batterie zuverlässig gewährleistet ist.
Erfindungsgemäß wird diese Aufgabe mit dem Gegenstand der unabhängigen Patentansprüche gelöst. Vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung sind Gegenstand der abhängigen Patentansprüche.
Die Erfindung betrifft einen Batteriezellenstapel, der eine Vielzahl von Flachzellen mit jeweils einem elektrochemischen Energiespeicher aufweist. Die Flachzellen weisen jeweils eine Ummantelung und seitlich aus der Ummantelung herausgeführte Elektrodenanschlüsse auf. Dabei ist für je zwei übereinanderliegende Flachzellen ein leitendes Verbindungsstück zwischen dem Elektrodeanschluss der ersten der übereinanderliegenden Flachzellen und dem Elektrodenanschluss der zweiten der über einanderliegenden Flachzellen und eine Feder zum Drücken der Elektrodeanschlüsse der übereinanderliegenden Flachzellen auf das Verbindungsstück vorgesehen.
Mit der Verbindung der beiden Flachzellen wird die Befestigung so gestaltet, dass der Stapel insgesamt flexibler ist. Besonders bei kleinen Fahrzeugen sind Erschütterungen nicht zu vermeiden. Die Erschütterungen können aber dadurch ausgeglichen werden, dass die Flachzellen in eingeschränktem Maß beweglich sind. Das Verbindungsstück und die Feder sorgen für jeweils eine Verbindung von zwei übereinanderliegenden Flachzellen. Die Verbindungen ermöglichen aber, dass bei Erschütterungen Flachzellen sich untereinander verschieben könne, was bei einer starren Verbindung aller Flachzellen nicht möglich ist. Bei einer starren Verbindung besteht die Gefahr, dass diese Verbindung bei Erschütterungen im Betrieb plötzlich bricht.
Falls eine weitere mechanische Verbindung zwischen der Feder und dem Verbindungsstück vorgesehen ist, kann das Verbindungsstück sich bei einem Stoß von außen nicht von der Feder lösen und dabei die Flachzelle beschädigen. Diese mechanische Verbindung kann stoffschlüssig oder formschlüssig sein.
Durch eine Isolierung zwischen den Elektrodenanschlüssen und der Feder wird sichergestellt, dass die Feder auf keinem elektrischem Potential liegt, das einen Kurzschluss mit einer den Stapel umschließenden Metallhülle verursachen kann.
Vorzugsweise ist das Verbindungsstück U-förmig, wobei die Enden in Richtung der Flachzellen zeigen. Diese Form sorgt dafür, dass das Verbindungsstück in vertikaler Richtung flexi bel wird. Damit werden Erschütterungen, die in diese Richtung wirken, ausgeglichen.
Falls die Enden des U-förmigen Verbindungsstücks abgerundet sind, wird die Gefahr, dass bei einer Krafteinwirkung von der Seite, die Enden des Verbindungsstücks die Flachzelle zerstören, vermindert. Vorzugsweise ist die Feder aus Stahl.
In dem Fall, dass eine isolierende Schicht auf der den Zellen abgewandeten Seite der Feder vorgesehen ist, wird durch diese zusätzliche Maßnahme ein Kurzschluss zwischen der Feder und einer Metallhülle um den Stapel verhindert.
In einer Ausführungsform hat die Feder mehrere Zähne zum jeweiligen Drücken auf die Kontaktanschlüsse der ersten Flachzellen und mehrere Zähne zum jeweiligen Drücken auf die Kontaktanschlüsse der zweiten Flachzelle. Mit Hilfe der Zähne wird der Druck auf die Kontaktanschlüsse gleichmäßig verteilt, wodurch die Gefahr, dass die Angriffspunkte der Feder verrutschen, vermindert wird.
Ein weiterer Aspekt der Erfindung betrifft einen Rahmen zur Aufnahme und Halterung einer Flachzelle einer Batterie. Der Rahmen ist mit weiteren Rahmen zu einem Stapel zusammenfügbar und weist zur Aufnahme von Bereichen der Flachzelle vorgesehene Bereiche in seinem Zentrum auf. Ferner weist der Rahmen zumindest eine Halterung zur Aufnahme eines Kontaktelements zur Kontaktierung der Flachzelle mit zumindest einer weiteren, auf dem Rahmen gestapelten Flachzelle auf.
Ein derartiger Rahmen eignet sich zur Aufnahme prismatischer Flachzellen, wie sie derzeit beispielsweise für den Einsatz in Fahrzeugen mit Elektromotor entwickelt werden. Er ermög licht die sichere Halterung, Stapelung und Reihenschaltung einer Anzahl derartiger Flachzellen zu einer Batterie.
In einer Ausführungsform ist der Rahmen im wesentlichen rechteckig ausgebildet, wobei das Format des Rahmens im Wesentlichen dem der aufzunehmenden Flachzelle entspricht. An zumindest einer Seite des Rahmens ist eine Halterung zur Aufnahme eines Kontaktelements ausgebildet.
Beispielsweise kann die Halterung zur Aufnahme einer Spiralfeder ausgebildet sein, wobei die Längsachse der Spiralfeder parallel zu einer Hauptebene des Rahmens liegend ausgerichtet ist.
Vorteilhafterweise weist der Rahmen eine Anzahl von ihn senkrecht zu seiner Hauptebene durchdringenden Schraubenlöchern auf. Durch diese Schraubenlöcher kann eine lange Schraube geführt werden, die alle Rahmen eines Stapels durchdringt und miteinander verbindet, wobei die einzelnen Kontaktelemente vorgespannt werden. Eine derartige Schraubenverbindung hat den Vorteil, dass sie einerseits zuverlässig und beständig, andererseits auch leicht lösbar ist. Die gute Lösbarkeit ist insbesondere deshalb ein Vorteil, weil dadurch einzelne Zellen besonders leicht ausgetauscht werden können.
Der Rahmen weist in einer Ausführungsform Zentrierelemente zur Zentrierung der Flachzelle innerhalb des Rahmens auf, die beispielsweise plattenförmig ausgebildet und gegen die Hauptebene des Rahmens geneigt angeordnet sind, derart, dass das Lumen des Rahmens in einem Bereich der Zentrierelemente nahe einem Rand des Rahmens größer ist als in einem Bereich der Zentrierelemente nahe einem Zentrum des Rahmens.
Unter dem Lumen des Rahmens wird dabei hier die zur Aufnahme der Zelle innerhalb des Rahmens zur Verfügung stehende lichte Weite verstanden.
Die Zentrierelemente haben den Vorteil, dass sie die Flachzelle innerhalb des Rahmens zentrieren und in dieser zentrierten Position halten. Die Flachzellen bleiben somit in ihrer zentrierten Position, auch wenn sie starken Belastungen beispielsweise durch Vibrationen ausgesetzt sind, wodurch beispielsweise der Abriss von Kontakten verhindert wird. Die Zentrierelemente bewirken somit einen Rüttelschutz der Zellen, der besonders bei Anwendungen im Automotivebereich vorteilhaft ist und eine geringere Verschleißanfälligkeit bewirkt.
Gemäß einem Aspekt der Erfindung wird eine Batterie mit einem Stapel aus einer Anzahl von in Reihe geschalteten Flachzellen bereitgestellt. Dabei weist jede Flachzelle einen der erfindungsgemäßen Rahmen auf und steht mit den ihr benachbarten Flachzellen über federnde Kontaktelemente elektrisch in Verbindung.
Dabei sind die Kontaktelemente zu einen federnd ausgebildet, das heißt, sie können durch beim Zusammenfügen des Stapels angewandte Drücke unter Vorspannung gesetzt werden. Zum anderen sind sie auch elektrisch leitend, so dass sie die elektrische Verbindung zwischen den einzelnen Zellen herstellen. Durch den Einsatz der federnden Kontaktelemente, die, wenn sie unter Vorspannung stehen, eine Gegenkraft auf die Kontakte, die sie verbinden, ausüben, sind die elektrische und die mechanische Verbindung innerhalb des Stapels voneinander entkoppelt. Der mechanische Zusammenhalt des gesamten Stapels wird beispielsweise durch Schrauben, durch ein Gehäuse oder andere Elemente verwirklicht.
Eine derartige Anordnung hat den Vorteil, dass, wenn von oben und von unten auf den Stapel ein Anpressdruck ausgeübt wird, die federnden Kontaktelemente vorgespannt werden und ständig eine Gegenkraft auf die von ihnen kontaktierten Zellkontakte ausüben. Dadurch ist eine ständige zuverlässige Kontaktierung der Zellen sichergestellt. Durch ihre Vorspannung können die Kontaktelemente auch ein Nachlassen des Anpressdruckes, wie es aufgrund von Verschleiß mit der Zeit auftreten kann, ausgleichen.
In einer Ausführungsform sind die federnden Kontaktelemente als Spiralfedern ausgebildet, deren Längsachse jeweils parallel zur Hauptebene des Rahmens liegt. Derartige Spiralfedern neigen sich bei einem Anpressdruck von oben und unten leicht zur Seite und werden dadurch vorgespannt.
Als Material für die Spiralfedern eignen sich beispielsweise Aluminium- oder Kupferlegierungen. Dabei wird ein Kompromiss angestrebt zwischen eher zarten, gut komprimierbaren Federn und verhältnismäßig massiv ausgebildeten, die einen geringen elektrischen Widerstand aufweisen.
In einer weiteren Ausführungsform weisen die Flachzellen jeweils einen aus einer Ummantelung herausgeführten Anodenanschluss und einen aus der Ummantelung herausgeführten Kathodenanschluss auf, wobei der Anodenanschluss und der Kathodenanschluss jeweils von einem federnden Kontaktelement kontaktiert werden.
Bei dieser Ausführungsform können das Kontaktelement zur Kontaktierung des Anodenanschlusses und das Kontaktelement zur Kontaktierung des Kathodenanschlusses auf unterschiedlichen Seiten der Hauptebene der Flachzelle angeordnet sein. Bei dieser Anordnung wird dann bei einer Flachzelle der Kathodenanschluss beispielsweise von oberhalb der Hauptebene und der Anodenanschluss von unterhalb der Hauptebene kontaktiert.
Anoden- und Kathodenanschluss sind beispielsweise auf einander gegenüberliegenden Seiten der Flachzellen herausgeführt. Sie sind vorteilhafterweise von außerhalb des Stapels kontaktierbar, insbesondere, um ein Balancing und eine individuelle Überwachung der einzelnen Zellen zu ermöglichen.
Bei einer Ausführungsform sind die Flachzellen als prismatische Flachzellen ausgebildet. Dabei wird hier unter einer prismatischen Flachzelle eine flache, im Wesentlichen quaderförmige Zelle verstanden, wie sie bereits häufig in der Unterhaltungselektronik eingesetzt wird. Derartige Flachzellen sind weiterentwickelt worden, um den speziellen Anforderungen im Automotivebereich zu genügen, insbesondere im Hinblick auf Lade- und Entladeraten, die Lebensdauer und Sicherheitsaspekte.
Mit prismatischen Flachzellen lässt sich eine große Packungsdichte erzielen, gleichzeitig aber auch wegen der großen Oberfläche der Zellen ein zuverlässiges Temperaturmanagement und zudem ein geringes Gewicht verwirklichen.
Die Rahmen der Flachzellen sind in einer Ausführungsform durch eine Anzahl von Schrauben miteinander verbunden, wobei die federnden Kontaktelemente unter Spannung stehen. Insbesondere können lange Schrauben zum Einsatz kommen, die senk recht durch den ganzen Stapel geführt werden. Zu ihrer Befestigung können eine Deckelplatte und eine Bodenplatte oder ähnliches Vorrichtungen als Begrenzung des Stapels vorgesehen sein.
In einer Ausführungsform sind die Flachzellen jeweils innerhalb ihres Rahmens zentriert gehalten, wobei plattenförmige und gegen die Hauptebene des Rahmens geneigte Zentrierelemente vorgesehen sind, derart, dass die Flachzellen in einem Bereich der Zentrierelemente nahe einem Rand des Rahmens in weniger engem Kontakt mit den Zentrierelementen stehen als in einem Bereich der Zentrierelemente nahe einem Zentrum des Rahmens.
In einer weiteren ist jede Flachzelle mit der ihr benachbarten Flachzelle über mehrere nebeneinander liegende federnden Kontaktelementen verbunden. Durch das Vorsehen einer Vielzahl von federnden Kontaktelementen zwischen den Kontaktanschlüssen der Flachzellen kann der Strom auf mehrere Federn aufgeteilt werden.
Die erfindungsgemäße Batterie hat den Vorteil, dass durch die Gegenkraft der federnden, vorgespannten Kontaktelemente eine elektrische Verbindung der in Reihe geschalteten einzelnen Zellen jederzeit zuverlässig gewährleistet ist. Damit ist die Batterie gegen Verschleiß aufgrund ständiger Vibrationen geschützt und besonders für den Einsatz im Automotive-Bereich in Fahrzeugen mit Elektromotor geeignet. In einer erfindungsgemäßen Batterie können neuartige prismatische Flachzellen, beispielsweise Lithium-Ionen-Batterien mit einem keramischen Separator, wie sie von der Li-Tec Battery GmbH entwickelt werden, zu einem Stapel zusammengeschaltet werden.
Ausführungsbeispiele der Erfindung werden im folgenden anhand der beigefügten Figuren näher erläutert.
1 zeigt schematisch eine Ausführungsform eines Batteriestapels von der Seite.
2 zeigt schematisch den Batteriestapel aus 1 von einer anderen Seite.
3 zeigt einen Rahmen des Batteriestapels von 1 in der Draufsicht.
4 zeigt einen vergrößerten Ausschnitt aus 1.
5 zeigt einen vergrößerten Ausschnitt aus 2.
6 zeigt ein weiteres Ausführungsbeispiel für die Verbindung zweier übereinander liegender Flachzellen eines Batteriestapels.
7 zeigt ein weiteres Ausführungsbeispiel für die Verbindung zweier übereinander liegender Flachzellen eines Batteriestapels.
8 zeigt schematisch eine Seitenansicht eines Stapels aus einer Anzahl von in Reihe geschalteten Flachzellen einer Batterie gemäß einer weiteren Ausführungsform der Erfindung.
9 zeigt schematisch ein Detail der 8.
10 zeigt schematisch eine andere Seitenansicht des Stapels gemäß 8.
11 zeigt schematisch ein Detail der 10;
12 zeigt schematisch eine perspektivische Ansicht eines Rahmens für eine Flachzelle gemäß einer Ausführungsform der Erfindung und
13 zeigt schematisch einen Querschnitt durch einen Bereich des Rahmens gemäß 12.
14 zeigt ein weiteres Ausführungsbeispiel von Kontaktvorrichtungen 30 zwischen zwei Kontaktanschlüssen von Flachzellen.
Gleiche Teile sind in allen Figuren mit den gleichen Bezugszeichen versehen.
1 zeigt schematisch eine Seitenansicht eines Stapels 1 aus einer Anzahl von in Reihe geschalteten Flachzellen 2 einer Batterie gemäß einer Ausführungsform der Erfindung. Der Übersichtlichkeit halber wurden in dieser Darstellung die die Flachzellen 2 umgebenden und haltenden Rahmen weggelassen.
In der gezeigten Ausführungsform sind die Flachzellen 2 als prismatische Flachzellen mit am Umfang herausgeführten Zellkontakten 4 ausgebildet und aufeinander gestapelt. Pro Flachzelle 2 ist jeweils ein Zellkontakt 4 nach rechts und ein Zellkontakt 4 nach links herausgeführt, wobei jeweils einer der Zellkontakte 4 ein Anodenanschluss und der andere der Zellkontakte ein Kathodenanschluss ist. Die Flachzellen 2 sind derart übereinander gestapelt und so zueinander ausgerichtet, dass zwei unmittelbar übereinanderliegende Flachzellen 2 jeweils um 180 Grad gegeneinander gedreht sind. Es sind Kontaktvorrichtungen 30 vorgesehen zum Verbinden von jeweils zwei Kontaktanschlüssen 4. Jede Kontaktvorrichtung 30 weist eine Feder 31 und einen U-förmigen Kontaktbügel 32, der als elektrisch leitendes Verbindungsstück zwischen dem Kontaktanschluss 4 der oberen Flachzelle 2 und dem Kontaktanschluss 4 der unteren Flachzelle 2 wirkt, auf. Die Kontaktvorrichtungen 30 verbinden daher jeweils den Anodenanschluss einer Flachzelle 2 mit dem Kathodenanschluss der benachbarten Flachzelle 2.
Dabei sind die Flachzellen 2 so miteinander verbunden, dass je Flachzelle 2 der Zellkontakt 4 auf einer Seite mit dem Zellkontakt 4 der drüberliegenden Flachzelle 2 und der Kontaktanschluss 4 auf der anderen Seite mit einem Zellkontakt 4 der darunter liegenden Flachzelle 2 verbunden ist. Dabei bilden die oberste und die unterste Flachzellen 2 Ausnahmen von dieser Regel. Jeweils eine Kontaktvorrichtung 30 dieser äußeren Flachzellen 2 ist mit einem Außenanschluss der Batterie verbunden. Die Flachzellen 2 des Stapels 1 sind folglich in Reihe geschaltet.
2 zeigt den Stapel 1 von 1 ebenfalls von der Seite, allerdings um 90 Grad gedreht. Während die 2 einen Blick frontal auf die Kontaktvorrichtungen 30 zeigt, sind die Kontaktvorrichtungen 30 in 1 von der Seite zu sehen sind. Zu sehen sind die Federn 31, die sich in Längsrichtung über etwa zwei Drittel der Länge der Flachzellen 2 erstrecken. An ihren Ober- und Unterseiten weisen die Federn 31 Unterbrechungen auf, damit die Anpresskraft an mehreren Stellen gleichmäßig auf die Zellkontakte 4 wirken kann. Die Federn 31 sind mit Verbindungsbügeln 34 verbunden, die sich nach rechts erstrecken, um jeweils eine elektrische Verbindung der Federn mit Außenanschlüssen der Batterie bereitzustellen.
Die sich auf der Rückseite befindlichen Federn 31 sind nicht zu sehen, allerdings sind die herausragenden Kontaktbügel, die mit diesen Federn 31 verbunden sind, erkennbar. Diese Kontaktbügel sind mit dem Bezugszeichen 34' bezeichnet. Je Feder 31 sind drei Nieten 39 vorgesehen, mit denen die Federn 31 mit den Kontaktbügeln 32 verbunden werden.
Die Flachzellen 2 liegen auf Wärmeableitplatten 33 auf. Diese sorgen dafür, dass die Wärme, die von den Flachzellen 2 erzeugt wird, seitlich nach außen abgeführt wird.
3 zeigt einen Rahmen zur Aufnahme der Flachzellen 2 von oben. Der Rahmen 11 ist rechteckig geformt und weist in der Mitte eine Aussparung 38 auf.
Eine Flachzelle 2 wird so in dem Rahmen 11 angeordnet, dass die Kontaktanschlüsse 4 mit den Kontaktvorrichtungen 30, wozu die Feder 31 gehört, verbunden werden. Unter der Flachzelle 2 ist, in dieser Figur nicht gezeigt, eine Wärmeableitplatte 33 vorgesehen, auf die die Flachzelle 2 gelegt ist. Auf der Flachzelle 2 wird die nächste Wärmeableitplatte 33, anschließend die nächste Flachzelle 2 gelegt und dann der nächste Rahmen 17 auf den bereits vorhandenen Rahmen 17 gesetzt. Nachdem alle Flachzellen 2 und Rahmen 17 montiert sind, wird am oberen Abschluss des Stapels 1 ein Abschlussblech 36 montiert.
Im Rahmen 1 sind auf einer Seite zwei nach oben ragender Vorsprünge 160 vorgesehen. Diese dienen dazu, Verpolungen der Flachzellen 2 auszuschließen. Die Kontaktanschlüsse 4 der Kathode sind jeweils an ihren Ecken so ausgeschnitten, dass eine Flachzelle 2 mit ihrer Kathodenseite auf die Seite, an der sich die Vorsprünge 160 befinden, gelegt werden kann. Falls ein Monteur die Flachzelle 2 verkehrt herum hineinlegt, merkt er, dass der Kontaktanschluss 4 der Anode nicht nach unten gedrückt werden kann, da die Vorsprünge 160 im Weg sind.
4 zeigt einen Ausschnitt aus dem Stapel 1 aus 1. Dabei sind drei Kontaktvorrichtungen 30 gezeigt. Diese weisen jeweils Kontaktbügel 32 zwischen zwei Zellkontakten 4 auf. Die Kontaktbügel 32 sind aus Kupfer und sorgen für eine elektrisch leitende Verbindung zwischen dem Zellkontakt 4 der oben liegenden Flachzelle 2 und dem Zellkontakt 4 der unten liegenden Flachzelle 2. Die Zellkontakte 4 werden auf die Kontaktbügel 32 mit Hilfe der Federn 31 gedrückt. Die Federn drücken mit zwei Enden auf den Zellkontakt 4 der oberen Flachzelle 2 von oben und auf den Zellkontakt 4 der unteren Flachzelle 2 von unten.
5 zeigt einen vergrößerten Ausschnitt aus 2. Die Wärmeableitplatten 33 sind zwischen den Flachzellen 2 vorgesehen. Die Wärmeableitplatten 33 weisen jeweils eine Stufe 41 auf, damit die Wärmeableitplatten 33 aus dem Rahmen herausgeführt werden können. An jeder Wärmeableitplatte 33 ist ein Temperatursensor 42 vorgesehen, an den ein Leiter 43 angeschlossen ist, mit dem die vom Temperatursensor 42 ermittelte Temperatur an eine externe Steuerung gemeldet werden kann.
6 zeigt ein weiteres Ausführungsbeispiel für Kontaktvorrichtungen 30 zur Verbindung von übereinander liegenden Flachzellen 2. Der Kontaktbügel 32 ähnelt dem Kontaktbügel 32 aus 1x. Es ist aber abweichend ein U-förminger Isolierbügel 44 vorgesehen, dessen Enden auf dem Kontaktanschluss 4 der oberen Flachzelle 2 und unter dem Kontaktanschluss 4 der unteren Flachzelle 2 liegen. Die Enden der Feder 31 liegen auf den Enden der Isolierbügel 44 auf. Die Feder 31 ist somit von den Kontaktanschlüssen 4 elektrisch isoliert. Die Isolierbügel 44 sind besonders bei Unfällen wichtig. Sie verhindern, dass, wenn der Stapel von links eingedrückt wird, die Federn 31 Teile der Flachzellen 2 zerstören. Der Kontaktbügel 32 ist an seinen Enden abgerundet, damit bei einer Krafteinwirkung von der Seite keine scharfen Kanten die Ummantelung der Flachzellen 2 verletzen.
Außerhalb der Kontaktvorrichtungen 30 ist eine Metallhaube um den Stapel 1 vorgesehen, die den Batteriestapel z. B. vor Spritzwasser schützt. Die Metallhaube ist vorzugsweise aus Aluminium.
7 zeigt ein weiteres Ausführungsbeispiel für Kontaktvorrichtungen 30 zur Verbindung von übereinander liegenden Flachzellen 2. Die Feder 31 besteht aus einem Kunststoff, ist U-förmig, wobei die Enden des U über dem oberen Kontaktanschluss 4 und unter dem unteren Kontaktanschluss 4 verlaufen. An den Innenseiten der Enden des U sind je Ende zwei Zähne vorgesehen. Jeweils ein Zahn kontaktiert den Kontaktanschluss 4 und ein Zahn kontaktiert die Isolierung 5. Da die Feder 31 aus Kunststoff ist, kann sie bei Zusammendrücken des Stapels 1 keinen Kurzschluss verursachen. Die Zähne sorgen für gleichmäßigeren Druck auf den Kontaktanschluss 4. Wenn mehr als zwei Zähne vorgesehen werden, wird der Druck noch gleichmäßiger verteilt.
8 zeigt schematisch eine Seitenansicht eines Stapels 1 aus einer Anzahl von in Reihe geschalteten Flachzellen 2 einer Batterie gemäß einer weiteren Ausführungsform der Erfindung. Der Übersichtlichkeit halber wurden auch in dieser Dar stellung die die Flachzellen 2 umgebenden und halternden Rahmen weggelassen.
In der gezeigten Ausführungsform sind die Flachzellen 2 als prismatische Flachzellen mit am Umfang herausgeführten Zellkontakten 4 ausgebildet und aufeinander gestapelt. Auf jeweils einer der vier Seiten jeder Flachzelle 2 ist auf die Oberseite des herausgeführten Zellkontaktes 4 ein Kontaktelement 3 aufgesetzt. Die Flachzellen 2 sind derart übereinander gestapelt und zueinander ausgerichtet, dass, wie auch in 3 erkennbar ist, zwei unmittelbar übereinanderliegende Flachzellen 2 jeweils um 180 Grad gegeneinander gedreht sind. Die Kontaktelemente 3 verbinden daher jeweils den Anodenanschluss einer Flachzelle 2 mit dem Kathodenanschluss der benachbarten Flachzelle 2.
Die Flachzellen 2 sind als Lithium-Ionen-Zellen mit einem keramischen Separator ausgebildet und weisen eine Ummantelung 6 aus Aluminium auf.
Die Kontaktelemente 3 sind als Spiralfedern ausgebildet und derart ausgerichtet, dass ihre Längsachse L parallel zu den Hauptebenen H der Flachzellen 2 und damit auch parallel zu einer Hauptebene des nicht gezeigten Rahmens liegt.
Wie in 9 besonders gut erkennbar ist, ist ein Ende des Kontaktelements 3 als herausgeführter Kontakt 7 ausgebildet, der zumindest an einer Stelle über den Zellkontakt 4 hinausragt und auch aus dem in dieser Darstellung nicht gezeigten Rahmen herausgeführt sein kann. Dies ermöglicht einen Zugriff von außen auf einzelne Flachzellen 2, insbesondere für ein Laden beziehungsweise für ein Balancing der Zellen.
Der in 9 ebenfalls erkennbare weitere herausgeführte Kontakt 8 ist der Kontakt des zwischen den beiden obersten Flachzellen 2 angeordneten Kontaktelements 3. Dieses Kontaktelement ist auf der in der Darstellung in 1 die Rückseite des Stapels bildenden Seite angeordnet und daher selbst zum größten Teil verdeckt.
In 8 ist ferner schematisch ein Deckelstreifen 9 gezeigt, der mittels Schrauben 10 mit einer nicht dargestellten Bodenplatte verschraubt wird, wobei Deckelstreifen 9 und Bodenplatte den Stapel 1 nach oben und unten begrenzen und eine Kraft auf die einzelnen Rahmen und Kontaktelemente 3 des Stapels 1 ausüben.
Diese Kraft bewirkt, dass die Kontaktelemente 3 unter Spannung stehen. Dabei legen sich die Bögen der Spiralfedern in Richtung des Pfeils 22 leicht schräg, werden also „gekippt”.
10 zeigt schematisch eine andere Seitenansicht des Stapels 1, die gegenüber derjenigen gemäß 1 um 90 Grad gedreht ist.
In dieser Darstellung ist besonders gut erkennbar, dass die Kontaktelemente 3 jeweils den Anodenkontakt einer Flachzelle 2 mit dem Kathodenkontakt der benachbarten Flachzelle 2 verbinden.
In 11, die den Ausschnitt A aus 3 darstellt, ist gezeigt, dass die herausgeführten Zellkontakte 4 eine Isolierung 5 aufweisen, die einen Kontakt zwischen der metallischen Ummantelung 6 und dem Zellkontakt 4 und damit einen Kurzschluss verhindert. Das Kontaktelement 3 ist so weit außen auf den Zellkontakt 4 aufgesetzt, dass dieser dort keine Isolierung 5 mehr aufweist.
12 zeigt schematisch eine perspektivische Ansicht eines Rahmens 11 für eine Flachzelle 2 gemäß einer Ausführungsform der Erfindung. Der Rahmen 11, der beispielsweise aus Kunststoff gefertigt ist, weist einen zentralen Bereich 12 zur Aufnahme einer Flachzelle 2 auf. Er weist ferner eine Anzahl von Rastlöchern 13 und Rasthaken 14, die jeweils mit Rasthaken und Rastlöchern benachbarter Rahmen zusammenwirken. Mittels derartiger Verrastungen lässt sich der Rahmen 11 mit weiteren Rahmen zu einem Stapel zusammenfügen.
Der Rahmen 11 weist ferner eine Halterung 15 zur Aufnahme eines Kontaktelements 3 zur Kontaktierung der Flachzelle 2 mit einer benachbarten Flachzelle 2 auf. Die Halterung 15 ist in der gezeigten Ausführungsform zur Aufnahme einer Spiralfeder ausgebildet und weist zumindest eine Durchführung 21 auf, die das Herausführen eines Kontaktes 7 von dem Kontaktelement 3 ermöglicht. Ferner sind in die Halterung 15 Schraubenlöcher 16 zum Zusammenfügen des Rahmens 11 mit weiteren Rahmen zu einem Stapel eingebracht.
Der Rahmen 11 weist ferner in seinen Ecken 20 plattenförmig ausgebildete Zentrierelemente 17 auf. Die Zentrierelemente sind gegen die durch den Normalenvektor n gekennzeichnete Hauptebene des Rahmens 11 geneigt angeordnet. Der höchste, das heißt am weitesten von der Hauptebene entfernte Punkt jedes Zentrierelements 17 ist dabei in einer Ecke 20 des Rahmens 11 angeordnet. Auf diese Weise ist das Lumen des Rahmens 11 in einem Bereich 18 der Zentrierelemente 17 nahe dem Rand des Rahmens 11 größer als in einem Bereich 19 der Zentrierelemente 17 nahe dem Zentrum des Rahmens 11.
13 zeigt schematisch einen Querschnitt durch einen Bereich des Rahmens 11 gemäß 12 im Bereich der Zentrierelemente 17, wobei schematisch eine Flachzelle 2 mit eingezeichnet wurde, um das Prinzip der Zentrierung zu verdeutlichen.
Die Flachzelle ist in ihren Randbereichen 23 abgeflacht. Die Zentrierelemente 17 stehen in Kontakt mit diesen Randbereichen 23 der Flachzelle 2, wobei die Abflachung der Flachzelle 2 zusammen mit der geneigten Anordnung der Zentrierelemente einen innigen Kontakt zwischen Flachzelle 2 und Zentrierelementen 17 bewirkt und dadurch eine Verschiebung der Flachzelle 2 innerhalb des Rahmens 11 verhindert.
Zum Montieren des Stapels wird auf eine Flachzelle 2 ein Rahmen gelegt. Anschließend werden die Kontaktfedern 3 in die Halterung 16 gelegt. Anschließend folgt eine Wärmeleitplatte und die nächste Flachzelle 2.
In einer Ausführungsform werden anstelle von einer Kontaktfeder 3 mehrere Kontaktfedern 50 verwendet, die nebeneinander angeordnet werden. Damit kann die Steifigkeit der Kontaktfedern variiert werden. Dies ist wichtig, da steife Kontaktfedern sich nicht gut anpassen, während weiche Kontaktfedern wenig Material haben und deshalb einen zu hohen elektrischen Widerstand haben.
14 zeigt in einem Schnittbild eine weitere Ausführungsform für eine Kontaktvorrichtung 30 zur Verbindung von zwei übereinander liegenden Kontaktanschlüssen 4 von Flachzellen. Die Kontaktvorrichtung 30 besteht aus einem Außenteil 140 und einem Innenteil 141. Das Innenteil und das Außenteil werden so zusammengesteckt, dass sich zwei Aussparungen 143 bilden, in die die Kontaktanschlüsse 4 eingeklemmt werden. Der rechte Teil von 14 zeigt das Außenteil 140 in der Draufsicht. Auch diese Ausführungsform hat den Vorteil, dass mit einer Kontaktvorrichtung nur zwei übereinander liegende Kontaktanschlüsse miteinander verbunden werden, wodurch aber eine Flexibilität des Stapels gewährleistet bleibt.

1: Stapel
2: Flachzelle
3: Kontaktelement
4: Zellkontakt
5: Isolierung
6: Ummantelung
7: herausgeführter Kontakt
8: weiterer herausgeführter Kontakt
9: Deckelstreifen
10: Schraube
11: Rahmen
12: Bereich zur Aufnahme der Flachzelle
13: Rastloch
14: Rasthaken
15: Halterung
16: Schraubenloch
17: Zentrierelement
18: Bereich nahe einem Rand des Rahmens
19: Bereich nahe einem Zentrum des Rahmens
20: Ecke
21: Durchführung
22: Pfeil
30: Kontaktvorrichtung
31: Feder
32: Kontaktbügel
33: Wärmeableitplatte
34: Verbindungsbügel
36: Abschlussblech
38: Aussparung
39: Niet
41: Stufe
42: Temperatursensor
L: Längsachse
H: Hauptebene

ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

- DE 102007031674 A1 [0004]

Claims

Batterie mit einem Stapel (1) aus einer Vielzahl von in Reihe geschalteten Flachzellen (2), – wobei die Flachzellen (2) jeweils einen elektrochemischen Energiespeicher, eine Ummantelung (6) und seitlich aus der Ummantelung (6) herausgeführte Elektrodenanschlüsse (4) aufweisen, – wobei für zwei übereinanderliegende Flachzellen (2) – ein elektrisch leitendes Verbindungsstück (32) zwischen dem Elektrodeanschluss (4) der ersten der übereinanderliegenden Flachzellen (2) und dem Elektrodenanschluss (4) der zweiten der übereinanderliegenden Flachzellen (2), und – eine Feder (31) zum Drücken der Elektrodeanschlüsse (4) der übereinanderliegenden Flachzellen (2) auf das Verbindungsstück (32) vorgesehen ist.
Batterie nach Anspruch 1, gekennzeichnet durch eine weitere mechanische Verbindung (39) zwischen der Feder (31) und dem Verbindungsstück (31).
Batterie nach Anspruch 2, gekennzeichnet durch eine Isolierung zwischen den Elektrodenanschlüssen (4) und der Feder (31).
Batterie nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass das Verbindungsstück U-förmig ist, wobei die Enden in Richtung der Flachzellen zeigen.
Batterie nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Enden des Verbindungsstücks (32) abgerundet sind.
Batterie nach einem der Ansprüche 2 bis 5, dadurch gekennzeichnet durch eine isolierende Schicht auf der den Zellen abgewandeten Seite der Feder.
Batterie nach einem der Ansprüche 2 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass die Feder (31) mehrer Zähne (310) aufweist zum jeweiligen Drücken auf die Kontaktanschlüsse (4) der oberen Flachzellen (2) und mehrere Zähne (310) aufweist zum jeweiligen Drücken auf die Kontaktanschlüsse (4) der unteren Flachzelle (2).
Rahmen (11) zur Aufnahme und Halterung einer Flachzelle (2) einer Batterie, der folgende Merkmale aufweist: – der Rahmen (11) ist mit weiteren Rahmen zu einem Stapel zusammenfügbar; – der Rahmen (11) weist zur Aufnahme von Bereichen der Flachzelle (2) vorgesehene Bereiche (12) auf; – der Rahmen (11) weist zumindest eine Halterung (15) zur Aufnahme eines Kontaktelements (3) zur Kontaktierung der Flachzelle (2) mit zumindest einer weiteren, auf dem Rahmen gestapelten Flachzelle (2) auf.
Rahmen (11) nach Anspruch 8, wobei der Rahmen (11) im Wesentlichen rechteckig ausgebildet ist und an zumindest einer Seite des Rahmens (11) die Halterung (15) zur Aufnahme des Kontaktelements (3) ausgebildet ist.
Rahmen (11) nach Anspruch 8 oder 9, wobei die Halterung (15) zur Aufnahme des Kontaktelements (3) zur Aufnahme einer Spiralfeder ausgebildet ist, wobei die Längsachse (L) der Spiralfeder als parallel zu einer Hauptebene (n) des Rahmens (11) liegend ausgebildet ist.
Rahmen (11) nach einem der Ansprüche 8 bis 10, wobei der Rahmen (11) eine Anzahl von ihn senkrecht zu seiner Hauptebene (n) durchdringenden Schraubenlöchern (16) aufweist.
Rahmen (11) nach einem der Ansprüche 8 bis 11, wobei der Rahmen (11) Zentrierelemente (17) zur Zentrierung der Flachzelle (2) innerhalb des Rahmens (11) aufweist.
Rahmen (11) nach Anspruch 12, wobei die Zentrierelemente (17) plattenförmig ausgebildet und gegen die Hauptebene (n) des Rahmens (11) geneigt angeordnet sind, derart, dass das Lumen des Rahmens (11) in einem Bereich (18) der Zentrierelemente (17) nahe einem Rand des Rahmens (11) größer ist als in einem Bereich (19) der Zentrierelemente (17) nahe einem Zentrum des Rahmens (11).
Batterie mit einem Stapel (1) aus einer Anzahl von in Reihe geschalteten Flachzellen (2), wobei – jede Flachzelle (2) einen Rahmen (11) nach einem der Ansprüche 8 bis 13 aufweist und – jede Flachzelle (2) mit den ihr benachbarten Flachzellen (2) über federnde Kontaktelemente (3) elektrisch in Verbindung steht.
Batterie nach Anspruch 14, wobei die federnden Kontaktelemente (3) als Spiralfedern ausgebildet sind, deren Längsachse (L) jeweils parallel zur Hauptebene (n) des Rahmens (11) liegt.
Batterie nach Anspruch 14 oder 15, wobei die Flachzellen (2) jeweils einen aus einer Ummantelung (6) herausgeführten Anodenanschluss (4) und einen aus der Ummantelung (6) herausgeführten Kathodenanschluss (4) aufweisen, wobei der Anodenanschluss (4) und der Kathodenanschluss (4) jeweils von einem federnden Kontaktelement (3) kontaktiert werden.
Batterie nach Anspruch 16, wobei der herausgeführte Anodenanschluss (4) und der herausgeführte Kathodenanschluss (4) von außerhalb des Stapels (1) kontaktierbar ist.
Batterie nach Anspruch 16 oder 17, wobei die Flachzellen (2) im Wesentlichen rechteckig ausgebildet sind und der Anodenanschluss (4) und der Kathodenanschluss (4) jeweils an gegenüberliegenden Seiten der Flachzelle (2) angeordnet sind und wobei das Kontaktelement (3) zur Kontaktierung des Anodenanschlusses (4) und das Kontaktelement (3) zur Kontaktierung des Kathodenanschlusses (4) auf unterschiedlichen Seiten der Hauptebene (H) der Flachzelle (2) angeordnet sind.
Batterie nach einem der Ansprüche 14 bis 18, wobei die Kontaktelemente (3) eine Kupferlegierung oder eine Aluminiumlegierung aufweisen.
Batterie nach einem der Ansprüche 14 bis 19, wobei die Flachzellen (2) als prismatische Flachzellen ausgebildet sind.
Batterie nach einem der Ansprüche 14 bis 21, wobei die Rahmen (11) der Flachzellen (2) durch eine Anzahl von Schrauben (10) miteinander verbunden sind, wobei die federnden Kontaktelemente (3) unter Spannung stehen.
Batterie nach einem der Ansprüche 14 bis 21, wobei die Flachzellen (2) jeweils innerhalb ihres Rahmens (11) zentriert gehalten sind, wobei plattenförmige und gegen die Hauptebene (n) des Rahmens geneigte Zentrierelemente (17) vorgesehen sind, derart, dass die Flachzellen (2) in einem Bereich (18) der Zentrierelemente (17) nahe einem Rand des Rahmens (11) in weniger engem Kontakt mit den Zentrierelementen (17) stehen als in einem Bereich (19) der Zentrierelemente (17) nahe einem Zentrum des Rahmens (11).
Batterie nach einem der Ansprüche 14 bis 22, dadurch gekennzeichnet, dass jede Flachzelle mit der ihr benachbarten Flachzelle über mehrere nebeneinander liegende federnden Kontaktelementen verbunden ist.
Fahrzeug mit einem Elektromotor und einer Batterie nach einem der Ansprüche 1 bis 7 oder 14 bis 23.