DE102009035482A1 - Battery i.e. lithium ion battery, has multiple battery cells clamped between two end plates to form cell stack, and unit provided for exposing pressure load to cell stack in stacking direction and designed as spring or active actuator - Google Patents

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Abstract

The battery has multiple battery cells (1) clamped between two end plates (9, 10) to form a cell stack (4). A unit is provided for exposing a pressure load to the cell stack in a stacking direction and designed as a spring or an active actuator. The actuator is controlled based on life span/pressure characteristic diagram or measured values of temperature and/or pressure in the cell stack. The battery cells are formed from lithium ions and designed as coffee bag cells.

Description

Die Erfindung betrifft eine Batterie mit einer Vielzahl von Batterieeinzelzellen, nach der im Oberbegriff von Anspruch 1 näher definierten Art.The The invention relates to a battery having a plurality of battery cells, according to the closer defined in the preamble of claim 1 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.Especially Batteries in lithium-ion technology are single battery cells in flat design known and common. This single battery cells, which for example as so-called Coffee bag cells can be constructed by pressure forces Loading and unloading changed in volume accordingly. The is called, that the cells typically inflate in the stacking direction or contract. This adversely affects the life of such Single battery cells off.

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.It Therefore, the object of the present invention, a battery to create, which is able to have an optimal life of To ensure single battery cells.

Erfindungsgemäß wird diese Aufgabe durch die im kennzeichnenden Teil von Anspruch 1 genannten Merkmale gelöst.According to the invention this Object by the mentioned in the characterizing part of claim 1 Characteristics solved.

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.By the means which the stack of cells in the stacking direction with a appropriate pressure force can be achieved that over the entire Lifespan of battery cells an optimal setting of the flat exerted Ensured pressure becomes. This allows volume change effects To avoid as much as possible during loading and unloading, so that a longer service life of the Single battery cells can be achieved. In addition, the funds have to Pressurizing the cell stack in the stacking direction has the advantage that they component tolerances of the battery individual cells accordingly can balance so that the requirements for the production of individual cells accordingly lowered and thus costs can be saved.

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.In a particularly favorable Embodiment of the invention are the means for pressurizing the cell stack while running as a spring means. These passive elements are simple and efficient. For example, you can choose between one of the end plates and the housing be introduced, and so the cell stack in total with a pressurize given by the constructive choice of the springs pressure. The cells expand accordingly during the charging process, so affects this volume change against the spring forces, which prevent or restrict the expansion of the cells and maintain a constant pressure.

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.Next Of course, this embodiment is also conceivable, the spring elements between both end plates and the housing or even in the area of To arrange cell stack between two suitable intermediate plates. Furthermore it is natural conceivable to distribute several such arrangements over the stack and / or to place at the ends of the stack.

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.A Further advantageous embodiment of the invention provides that the means for pressurizing formed as active actuators are. Therefor For example, electromechanical converters such as piezo sensors come or corresponding servomotors, linear motors or the like in question. These active agents can be arranged alone in the cell stack, or they can be complementary or additionally to use the passive means already described above. The Active means have the advantage of having an active attitude with them the contact pressure possible is. This can, for example, in dependence on sensor signals for printing and temperature based on the typical in a battery anyway be driven to existing electronics. It would also be possible to appropriate Define maps, for example, a map of the lifetime dependent on the contact pressure. about The electronic control can thus each a suitable contact pressure be adjusted to the optimal operating conditions and in particular the optimal life of the battery cells of the battery too realize.

Insbesondere der Einsatz von Temperatursensoren ist besonders einfach, da derartige Temperatursensoren in Hochleistungsbatterien, wie beispielsweise Lithium-Ionen-Batterien, ohnehin vorhanden sind.Especially the use of temperature sensors is particularly simple because such Temperature sensors in high-performance batteries, such as Lithium-ion batteries, are available anyway.

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.Of the Structure with the active means can be designed so that These are only activated when the battery cells to change accordingly by loading or unloading operations. The needed Electric power can be provided by the battery itself because it is very small. In the operating cycles in which No charge or discharge of the battery, the Actuators are turned off and consume in this standby mode then no electrical power. Especially in combination of active and passive means can be such a very efficient construction the battery can be provided, which with very little additional Performance a significant increase the lifetime allows.

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.Further advantageous embodiments of the invention will become apparent from the remaining dependent claims and are based on the embodiment clearly, which will be explained in more detail below based on the figures.

Dabei zeigen:there demonstrate:

1 eine Batterieeinzelzelle in Flachbauweise; 1 a single battery cell in flat construction;

2 einen beispielhaften Aufbau einer Batterie; 2 an exemplary construction of a battery;

3 ein Kennfeld der Lebensdauer der Batterieeinzelzelle über dem Druck; 3 a map of the life of the battery cell over the pressure;

4 eine erste mögliche Ausführungsform der erfindungsgemäßen Batterie; und 4 a first possible embodiment of the battery according to the invention; and

5 eine zweite mögliche Ausführungsform der erfindungsgemäßen Batterie. 5 a second possible embodiment of the battery according to the invention.

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 1 is a single battery cell 1 shown in flat construction. This battery single cell exemplified here and in principle 1 is often called a prismatic single battery cell 1 designated. It has in the representation chosen here a prismatic structure, which should be designed so that the single battery cell 1 can expand or contract during loading and unloading. Typically, the battery is a single cell 1 formed with a correspondingly stable frame and has on their flat sides rather elastic elements which allow by the expansion or contraction of the battery under pressure due to their large free area a corresponding movement, so that the single battery cell 1 bulges or contracts. Such battery cells 1 are therefore also referred to as coffee bag cells. The single battery cell 1 in 1 also has two connection lugs 2 . 3 recognize for the respective polarities.

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 2 is a cell stack 4 , from such single battery cells 1 to recognize. This cell stack 4 is in a battery case 5 arranged in which next to the cell stack 4 also an electronics 6 is indicated by way of example. The battery case 5 also has two connection poles 7 . 8th on which the power of the battery can be tapped, or on which power can be applied to charge the battery. The cell stack 4 is in the embodiment shown here between two end plates 9 . 10 arranged. In a generally conventional manner is the cell stack 4 between these end plates 9 . 10 to the cell stack 4 braced. For this purpose, not shown clamping means such as straps or the like can serve.

In der Darstellung der 2 ist außerdem eine weitere Endplatte 11 zu erkennen, auf deren Funktion später noch näher eingegangen werden wird.In the presentation of the 2 is also another end plate 11 to recognize their function will be discussed later in more detail.

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 3 is a diagram or a map shown in which the cycle life above the pressure of the battery cells 1 is applied. It can be clearly seen that a strong dependence of the cycle life and thus the life of the battery is given by the pressure.

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 4 is now the structure of 2 shown again in a longitudinal section. Here, the same elements can be seen, which in the context of the explanation 2 already explained. In addition, it can be seen in the illustration that the further end plate 11 via two spring elements 12 with the end plate 10 connected is. The end plates, which can also be referred to as printing plates, are thus connected via the corresponding spring elements which, under appropriate tension, exert pressure on the cell stack 4 exercise in its stacking direction. This can be done via the spring elements 12 the battery cells 1 of the cell stack 4 be pressurized accordingly. Thus, an improvement in the lifetime can be achieved because of the battery in the individual cells 1 present pressure can be adjusted accordingly. For this purpose, the selection of the springs in the construction can be selected accordingly, as well as their spring stiffness, their number or the like.

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.In the presentation of the 5 is another structure to recognize, which is essentially the 4 equivalent. Instead of the spring elements 12 Here is an electromechanical actuator 13 as well as a pressure sensor 14 to recognize. About the actuator 13 , which may be formed, for example, as a piezo actuator, the battery individual cells 1 of the cell stack 4 accordingly pressurized. For this purpose, for example, a control of the actuator 13 by means of the pressure sensor 14 recorded pressure and the temperature of the battery individual cells are made. In particular, when using lithium-ion batteries, for which this technology is particularly advantageous, the temperature of the battery cells and / or the cell stack is 4 typically known anyway or is cooled to a corresponding value. Besides, in electronics 6 Usually other values are known, such as the fact whether it is being charged or discharged, and with what streams or services this is done. From these values, for example, based on the in 3 shown map the pressure load of the cell stack 4 and thus also the pressure load of the battery single cell 1 be set accordingly so that the highest possible cycle life and thus the highest possible life of the battery is achieved.

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.Of course, other variants and actuators are also conceivable, as well like the combination of active and passive means. The structure with spring elements and pressure plate can be arranged at one or both ends of the cell stack as well, as for example in the middle of the cell stack. Of course, it would also be conceivable to realize various structures in which, for example, working on one side with active means and on the other side with passive means. Alternatively, it would also be feasible on both sides of the cell stack 4 to operate with active means, while inside the cell stack, a second unit is arranged with passive means, or the like.

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.Of the Construction is particularly advantageous with lithium-ion batteries, such as for example for hybridized or partially hybridized powertrains in vehicles, so-called Hybrid drives or Mildhybridantrieben be used.

Claims (6)

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.Battery having a plurality of individual battery cells, which are formed in a flat construction, and which are braced between two end plates to form a cell stack, characterized in that means are provided which the cell stack ( 4 ) in the stacking direction subject to a compressive load. Batterie nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Mittel als Federmittel (12) ausgebildet sind.Battery according to claim 1, characterized in that the means as spring means ( 12 ) are formed. Batterie nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Mittel als aktive Aktuatoren (13) ausgebildet sind.Battery according to claim 1 or 2, characterized in that the means as active actuators ( 13 ) are formed. 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.Battery according to claim 3, characterized in that the active actuators ( 13 ) are driven on the basis of measured values of the temperature and / or the pressure in the cell stack. Batterie nach Anspruch 3 oder 4, dadurch gekennzeichnet, dass die aktiven Aktuatoren (13) anhand eines Kennfelds, insbesondere eines Lebensdauer-/Druck-Kennfelds angesteuert sind.Battery according to claim 3 or 4, characterized in that the active actuators ( 13 ) are controlled on the basis of a characteristic map, in particular a life / pressure characteristic map. Batterie nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass die Batterieeinzelzellen (1) in Lithium-Ionen-Technologie realisiert sind.Battery according to one of claims 1 to 5, characterized in that the battery individual cells ( 1 ) are realized in lithium-ion technology.
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