DE102009035482A1

DE102009035482A1 - Batterie mit einer Vielzahl von Batterieeinzelzellen

Info

Publication number: DE102009035482A1
Application number: DE102009035482A
Authority: DE
Inventors: Michael Dipl.-Phys. Schreiner
Original assignee: Daimler AG
Current assignee: Mercedes Benz Group AG
Priority date: 2009-07-31
Filing date: 2009-07-31
Publication date: 2011-02-03
Anticipated expiration: 2029-08-01
Also published as: DE102009035482B4

Abstract

Eine Batterie weist eine Vielzahl von Batterieeinzelzellen (1) auf. Diese sind in Flachbauweise ausgebildet und zwischen wenigstens zwei Endplatten (10) zu einem Zellenstapel (4) verspannt. Erfindungsgemäß sind Mittel (12, 13) vorgesehen, um den Zellenstapel (4) in Stapelrichtung einer Druckbelastung auszusetzen.

Description

Die Erfindung betrifft eine Batterie mit einer Vielzahl von Batterieeinzelzellen, nach der im Oberbegriff von Anspruch 1 näher definierten Art.
Insbesondere bei Batterien in Lithium-Ionen-Technologie sind Batterieeinzelzellen in Flachbauweise bekannt und üblich. Diese Batterieeinzelzellen, welche beispielsweise als sogenannte Coffee-Bag-Zellen aufgebaut sein können, werden durch Druckkräfte beim Lade- und Entladevorgang in ihrem Volumen entsprechend geändert. Das heißt, dass die Zellen sich typischerweise in Stapelrichtung aufblähen beziehungsweise zusammenziehen. Dies wirkt sich nachteilig auf die Lebensdauer derartiger Batterieeinzelzellen aus.
Es ist daher die Aufgabe der hier vorliegenden Erfindung, eine Batterie zu schaffen, welche in der Lage ist, eine optimale Lebensdauer der Batterieeinzelzellen zu gewährleisten.
Erfindungsgemäß wird diese Aufgabe durch die im kennzeichnenden Teil von Anspruch 1 genannten Merkmale gelöst.
Durch die Mittel, welche den Zellenstapel in Stapelrichtung mit einer entsprechenden Druckkraft beaufschlagen kann erreicht werden, dass über die gesamte Lebensdauer der Batterieeinzelzellen eine optimale Einstellung des flächig ausgeübten Drucks gewährleistet wird. Damit lassen sich Volumenänderungseffekte beim Laden und Entladen weitestgehend vermeiden, so dass eine höhere Lebensdauer der Batterieeinzelzellen erzielt werden kann. Außerdem haben die Mittel zur Druckbeaufschlagung des Zellenstapels in Stapelrichtung den Vorteil, dass sie Bauteiltoleranzen der Batterieeinzelzellen entsprechend ausgleichen können, so dass die Anforderungen an die Herstellung der Einzelzellen entsprechend gesenkt und damit Kosten eingespart werden können.
In einer besonders günstigen Ausgestaltung der Erfindung sind die Mittel zur Druckbeaufschlagung des Zellenstapels dabei als Federmittel ausgeführt. Diese passiven Elemente sind einfach und effizient. Sie können beispielsweise zwischen eine der Endplatten und das Gehäuse eingebracht werden, und so den Zellenstapel insgesamt mit einem durch die konstruktive Wahl der Federn vorgegebenen Druck beaufschlagen. Dehnen sich die Zellen nun beim Ladevorgang entsprechend aus, so wirkt diese Volumenänderung gegen die Federkräfte, welche die Ausdehnung der Zellen unterbinden bzw. einschränken und einen konstanten Druck aufrechterhalten.
Neben dieser Ausgestaltung ist es selbstverständlich auch denkbar, die Federelemente zwischen beiden Endplatten und dem Gehäuse oder auch im Bereich des Zellenstapels zwischen zwei geeigneten Zwischenplatten anzuordnen. Außerdem ist es natürlich denkbar, mehrere derartige Anordnungen über den Stapel zu verteilen und/oder an den Enden des Stapels zu platzieren.
Eine weitere vorteilhafte Ausgestaltung der Erfindung sieht vor, dass die Mittel zur Druckbeaufschlagung als aktive Aktuatoren ausgebildet sind. Hierfür kommen beispielsweise elektromechanische Wandler wie Piezosensoren oder auch entsprechende Stellmotoren, Linearmotoren oder dergleichen in Frage. Diese aktiven Mittel können dabei alleine in dem Zellenstapel angeordnet sein, oder sie können ergänzend oder zusätzlich zu den oben bereits beschriebenen passiven Mitteln Verwendung finden. Die aktiven Mittel haben den Vorteil, dass mit ihnen eine aktive Einstellung der Anpresskraft möglich ist. Diese kann beispielsweise in Abhängigkeit von Sensorsignalen für Druck und Temperatur anhand der typischerweise in einer Batterie ohnehin vorhandenen Elektronik angesteuert werden. Es wäre auch denkbar, entsprechende Kennfelder zu hinterlegen, beispielsweise ein Kennfeld der Lebensdauer in Abhängigkeit des Anpressdrucks. Über die elektronische Steuerung kann so jeweils ein geeigneter Anpressdruck eingestellt werden, um die optimalen Betriebsbedingungen und insbesondere die optimale Lebensdauer der Batterieeinzelzellen der Batterie zu realisieren.
Insbesondere der Einsatz von Temperatursensoren ist besonders einfach, da derartige Temperatursensoren in Hochleistungsbatterien, wie beispielsweise Lithium-Ionen-Batterien, ohnehin vorhanden sind.
Der Aufbau mit den aktiven Mitteln kann dabei so ausgebildet sein, dass diese nur dann angesteuert werden, wenn die Batterieeinzelzellen sich durch Lade- oder Entladevorgänge entsprechend verändern. Die benötigte elektrische Leistung kann dabei von der Batterie selbst bereitgestellt werden, da diese sehr gering ist. In den Betriebszyklen, in denen keine Ladung oder Entladung der Batterie erfolgt, können die Aktuatoren abgeschaltet werden und verbrauchen in diesem Standby-Betrieb dann keine elektrische Leistung. Insbesondere in der Kombination von aktiven und passiven Mitteln kann so ein sehr effizienter Aufbau der Batterie bereitgestellt werden, welcher mit sehr wenig zusätzlicher Leistung eine deutliche Erhöhung der Lebensdauer ermöglicht.
Weitere vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung ergeben sich aus den restlichen Unteransprüchen und werden anhand des Ausführungsbeispiels deutlich, welches nachfolgend auf Basis der Figuren näher erläutert wird.
Dabei zeigen:
1 eine Batterieeinzelzelle in Flachbauweise;
2 einen beispielhaften Aufbau einer Batterie;
3 ein Kennfeld der Lebensdauer der Batterieeinzelzelle über dem Druck;
4 eine erste mögliche Ausführungsform der erfindungsgemäßen Batterie; und
5 eine zweite mögliche Ausführungsform der erfindungsgemäßen Batterie.
In 1 ist eine Batterieeinzelzelle 1 in Flachbauweise dargestellt. Diese hier beispielhaft und prinzipmäßig dargestellte Batterieeinzelzelle 1 wird häufig auch als prismatische Batterieeinzelzelle 1 bezeichnet. Sie weist in der hier gewählten Darstellung einen prismatischen Aufbau auf, welcher so ausgebildet sein soll, dass die Batterieeinzelzelle 1 sich bei Lade- und Entladevorgängen ausdehnen beziehungsweise zusammenziehen kann. Typischerweise ist die Batterieeinzelzelle 1 mit einem entsprechend stabilen Rahmen ausgebildet und weist auf ihren Flachseiten eher elastische Elemente auf, welche durch das Ausdehnen beziehungsweise Zusammenziehen der Batterie unter Druck aufgrund ihrer großen freien Fläche eine entsprechende Bewegung erlauben, so dass die Batterieeinzelzelle 1 sich aufwölbt oder zusammenzieht. Solche Batterieeinzelzellen 1 werden daher auch als Coffee-Bag-Zellen bezeichnet. Die Batterieeinzelzelle 1 in 1 lässt außerdem zwei Anschlussfahnen 2, 3 für die jeweiligen Polaritäten erkennen.
In 2 ist ein Zellenstapel 4, aus derartigen Batterieeinzelzellen 1 zu erkennen. Dieser Zellenstapel 4 ist in einem Batteriegehäuse 5 angeordnet, in welchem neben dem Zellenstapel 4 außerdem eine Elektronik 6 beispielhaft angedeutet ist. Das Batteriegehäuse 5 weist außerdem zwei Anschlusspole 7, 8 auf, an welchen die Leistung der Batterie abgegriffen werden kann, oder an welchen Leistung zum Laden der Batterie angelegt werden kann. Der Zellenstapel 4 ist in dem hier dargestellten Ausführungsbeispiel zwischen zwei Endplatten 9, 10 angeordnet. In allgemein üblicher Art und Weise ist der Zellenstapel 4 zwischen diesen Endplatten 9, 10 zu dem Zellenstapel 4 verspannt. Hierfür können nicht dargestellte Spannmittel wie beispielsweise Spannbänder oder dergleichen dienen.
In der Darstellung der 2 ist außerdem eine weitere Endplatte 11 zu erkennen, auf deren Funktion später noch näher eingegangen werden wird.
In 3 ist ein Diagramm bzw. ein Kennfeld dargestellt, in welchem die Zyklenlebensdauer über dem Druck der Batterieeinzelzellen 1 aufgetragen ist. Es ist deutlich zu erkennen, dass eine starke Abhängigkeit der Zyklenlebensdauer und damit der Lebensdauer der Batterie vom Druck gegeben ist.
In 4 ist nun der Aufbau aus 2 nochmals in einem Längsschnitt dargestellt. Hierbei sind dieselben Elemente zu erkennen, welche im Rahmen der Erläuterung zu 2 bereits erläutert wurden. Außerdem ist in der Darstellung zu erkennen, dass die weitere Endplatte 11 über zwei Federelemente 12 mit der Endplatte 10 verbunden ist. Die Endplatten, welche auch als Druckplatten bezeichnet werden können, sind somit über die entsprechenden Federelemente verbunden, welche bei entsprechender Spannung einen Druck auf den Zellenstapel 4 in seiner Stapelrichtung ausüben. Damit können über die Federelemente 12 die Batterieeinzelzellen 1 des Zellenstapels 4 entsprechend unter Druck gesetzt werden. Damit lässt sich eine Verbesserung der Lebensdauer erzielen, da der in den Batterieeinzelzellen 1 vorliegende Druck sich entsprechend anpassen lässt. Hierfür kann die Auswahl der Federn in der Konstruktion entsprechend gewählt werden, ebenso wie deren Federsteifigkeit, deren Anzahl oder dergleichen.
In der Darstellung der 5 ist ein weiterer Aufbau zu erkennen, welcher im Wesentlichen dem der 4 entspricht. Anstelle der Federelemente 12 ist hier ein elektromechanischer Aktuator 13 sowie ein Drucksensor 14 zu erkennen. Über den Aktuator 13, welcher beispielsweise als Piezoaktuator ausgebildet sein kann, werden die Batterieeinzelzellen 1 des Zellenstapels 4 entsprechend unter Druck gesetzt. Hierfür kann beispielsweise eine Ansteuerung des Aktuators 13 anhand des durch den Drucksensor 14 aufgenommenen Drucks und der Temperatur der Batterieeinzelzellen vorgenommen werden. Insbesondere beim Einsatz von Lithium-Ionen-Batterien, für welche diese Technologie besonders vorteilhaft ist, ist die Temperatur der Batterieeinzelzellen und/oder des Zellenstapels 4 typischerweise ohnehin bekannt bzw. wird auf einen entsprechenden Wert gekühlt. Außerdem sind in der Elektronik 6 üblicherweise weitere Werte bekannt, wie beispielsweise die Tatsache, ob gerade geladen oder entladen wird, und mit welchen Strömen bzw. Leistungen dies erfolgt. Aus diesen Werten kann beispielsweise anhand des in 3 dargestellten Kennfelds die Druckbelastung des Zellenstapels 4 und damit auch die Druckbelastung der Batterieeinzelzelle 1 entsprechend so eingestellt werden, dass eine möglichst hohe Zyklenlebensdauer und damit eine möglichst hohe Lebensdauer der Batterie erreicht wird.
Selbstverständlich sind auch andere Varianten und Aktuatoren entsprechend denkbar, ebenso wie die Kombination von aktiven und passiven Mitteln. Der Aufbau mit Federelementen und Druckplatte kann dabei an einem oder beiden Enden des Zellenstapels ebenso angeordnet werden, wie beispielsweise auch in der Mitte des Zellenstapels. Selbstverständlich wäre es auch denkbar, verschiedene Aufbauten zu realisieren, bei denen beispielsweise auf der einen Seite mit aktiven Mitteln und auf der anderen Seite mit passiven Mitteln gearbeitet wird. Alternativ hierzu wäre es auch denkbar, auf beiden Seiten des Zellenstapels 4 mit aktiven Mitteln zu arbeiten, während im Inneren des Zellenstapels eine zweite Einheit mit passiven Mitteln angeordnet ist, oder Ähnliches.
Der Aufbau ist besonders vorteilhaft bei Lithium-Ionen-Batterien, wie sie beispielsweise für hybridisierte oder teilhybridisierte Antriebsstränge in Fahrzeugen, sogenannten Hybridantrieben oder Mildhybridantrieben, eingesetzt werden.

Claims

Batterie mit einer Vielzahl von Batterieeinzelzellen, welche in Flachbauweise ausgebildet sind, und welche zwischen zwei Endplatten zu einem Zellenstapel verspannt sind, dadurch gekennzeichnet, dass Mittel vorgesehen sind, welche den Zellenstapel (4) in Stapelrichtung einer Druckbelastung aussetzen.
Batterie nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Mittel als Federmittel (12) ausgebildet sind.
Batterie nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Mittel als aktive Aktuatoren (13) ausgebildet sind.
Batterie nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass die aktiven Aktuatoren (13) anhand von Messwerten der Temperatur und/oder des Drucks in dem Zellenstapel angesteuert sind.
Batterie nach Anspruch 3 oder 4, dadurch gekennzeichnet, dass die aktiven Aktuatoren (13) anhand eines Kennfelds, insbesondere eines Lebensdauer-/Druck-Kennfelds angesteuert sind.
Batterie nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass die Batterieeinzelzellen (1) in Lithium-Ionen-Technologie realisiert sind.