DE102009047178A1

DE102009047178A1 - Elastischer Befestigungsrahmen

Info

Publication number: DE102009047178A1
Application number: DE102009047178A
Authority: DE
Inventors: Niko Dorsch
Original assignee: Robert Bosch GmbH
Current assignee: Robert Bosch GmbH
Priority date: 2009-11-26
Filing date: 2009-11-26
Publication date: 2011-06-01
Also published as: WO2011064014A1

Abstract

Elastischer Befestigungsrahmen (10) für ein Folienzellen-Batteriemodul (50), erklärt am Beispiel von Figur 3, einschließlich einer Wärmeleitplatte (20), eines elastischen Befestigungsrahmens (10), Führungsstiften (18) und eines elektrischen Kontaktierbereiches (16). Mehrere elastische Befestigungsrahmen (10) werden ohne mechanische Hilfsmittel übereinander geschichtet. Während des Zusammenpressens der Endplatten (58, 60) werden die elektrischen Kontakte (62, 64) der Folienzelle (54) selbsttätig mit dem im elastischen Befestigungsrahmen (10) integrierten elektrischen Kontaktierbereich (16) zusammengebracht.

Description

Stand der Technik
US 2008/193838 A1 offenbart ein Batteriegehäuse, unter anderem mit einem Folienzellen-Befestigungsrahmen aus Kunststoff, elektrischen Kontakten und einer Wärmeleitplatte, welche eine stabile vertikale Anordnung von mehreren Folienzellen ermöglicht.
Um die Folienzellen elektrisch zu kontaktieren, wird ein Anodenstromableiter beziehungsweise ein Kathodenstromableiter umgebogen und so mit dem Befestigungsrahmen in elektrischen Kontakt gebracht. Um mehrere Folienzellen übereinander zu schichten, müssen die Folienzellen zueinander verdreht werden, um eine Serienschaltung zu ermöglichen. Dabei müssen die Anodenstromableiter beziehungsweise Kathodenstromableiter in die jeweils andere Richtung, als bei der darunter liegenden Folienzelle, gebogen werden.
Diese Form der elektrischen Kontaktierung geht mit dem Nachteil einher, daß das Umbiegen der Anoden- beziehungsweise Kathodenstromableiter einen vermeidbaren Arbeitsschritt darstellt, welcher zudem vermehrt zu Beschädigungen der elektrischen Kontakte führen kann. Der ebenfalls unerwünschte Teilschritt der Drehung der Folienzellen führt darüber hinaus weg von einem vereinheitlichten Montageprozess, was einen vergrößerten Aufwand und Zeitbedarf mit sich bringt.
Offenbarung der Erfindung
Erfindungsgemäß wird ein, zumindest teilweise, elastischer Befestigungsrahmen zur vertikalen Anordnung von Folienzellen, beispielsweise zur Erzeugung eines Folienzellen-Batteriemoduls, vorgeschlagen, der ohne stoff- oder formschlüssige Verbindung der elastischen Befestigungsrahmen auskommt.
Eine Folienzelle wird elastisch in einen elastischen Befestigungsrahmen, der eine geringere Steifigkeit als die Folienzelle selbst besitzt, gedrückt, wobei die elektrischen Kontakte der Folienzelle, ebenfalls elastisch ausgebildet, an den im elastischen Befestigungsrahmen integrierten elektrischen Kontaktierbereich gepresst werden.
Mehrere solcher elastischer Befestigungsrahmen mit mindestens einer eingeschlossenen Folienzelle werden zwischen jeweils einer Endplatte an der Unter- und Oberseite, mit Hilfe mindestens eines Führungsstiftes, passgenau vertikal übereinander angeordnet. Beim Verschrauben der Endplatten werden die Folienzellen elastisch in den elastischen Befestigungsrahmen gepresst.
Vorteile des elastischen Befestigungsrahmens ergeben sich zum einen aus der stabilen Anordnung in vertikaler Richtung von mehreren Folienzellen übereinander, mit einfacher selbsttätiger elektrischer Kontaktierung der einzelnen Folienzellen. Das bedeutet, das der elastische Befestigungsrahmen der Geometrie der Folienzelle so angepasst ist, daß der beim Verschweißen der Folienzelle entstehende Rand genau auf dem wandförmigen Rand des elastischen Befestigungsrahmen aufliegt und ein Beutel der Folienzelle sich im Freiraum des elastischen Befestigungsrahmens befindet. Dadurch liegen die elektrischen Kontakte der Folienzelle ohne zusätzlichen Montageschritt selbsttätig auf dem elektrischen Kontaktierbereich des elastischen Befestigungsrahmens auf, ohne das es weiterer Eingriffe während der Montage des Folienzelle-Batteriemoduls bedarf.
Da die elastischen Befestigungsrahmen eine direkte elektrische Kontaktierung gewährleisten, ist es nicht mehr nötig, Stromleiter umzubiegen. Wird die elektrische Kontaktierung im elastischen Befestigungsrahmen über Kreuz gestaltet, müssen die Folienzellen auch nicht mehr zueinander verdreht werden, wodurch eine standardisierte, und damit störunanfälligere, Montage der Folienzellen-Module ermöglicht wird, was Großserien-Anwendungen entgegenkommt.
Durch die Konstruktion des elastischen Befestigungsrahmens wird, unabhängig von einer exakten Fixierung der Folienzelle am Rand des elastischen Befestigungsrahmens, eine sichere Kontaktierung der Anoden- und Kathodenstromableiter gewährleistet.
Außerdem wird durch das Verpressen der Folienzellen in den elastischen Befestigungsrahmen ein Druck auf einen Aktivbereich der Folienzelle ausgeübt, der sich vorteilhaft sowohl auf die elektrischen Eigenschaften wie Leistung und Kapazität als auch auf die Lebensdauer der Folienzelle auswirkt. Außerdem ergibt sich durch die Elastizität des Befestigungsrahmens eine gleichmäßige Druckverteilung auf die Folienzellen beim Einspannen in den elastischen Befestigungsrahmen. Da das Material der Folienzellen äußerst empfindlich auf mechanische Belastung reagiert, führt diese gleichmäßige Druckverteilung zu deutlich verminderter mechanischer Beanspruchung und der Möglichkeit der Vermeidung von elektrischen Kurzschlüssen, und daher geringerem Ausschuss bei der Montage. Außerdem kompensiert ein elastischer Befestigungsrahmen die mögliche Aufblähung der Folienzellen, die beim Lade- und Entladevorgang auftreten kann.
Dadurch, daß die einzelnen elastischen Befestigungsrahmen nur vertikal übereinander angeordnet und nicht mit mechanischen Hilfsmitteln verbunden werden müssen, kommt es zudem zu einem Material- und Zeitersparnis durch Einsparen von Montageschritten.
Die Endplatten, die auf der Unter- und Oberseite eines Folienzellen-Batteriemodul montiert werden, fungieren als Schutzhülle, die die Folienzellen gegen mechanischen Einfluss schützt.
Kurze Beschreibung der Zeichnungen
Anhand der Zeichnungen wird die Erfindung nachstehend eingehender beschrieben.
Es zeigen:
1 Detailansicht einer Folienzelle und
2 Detailansicht eines erfindungsgemäßen elastischen Befestigungsrahmens für Folienzellen und
3 Montage-Konzept der elastischen Befestigungsrahmen für Folienzellen zur Konstruktion eines Folienzellen-Batteriemoduls.
Ausführungsvarianten
Zum besseren Verständnis der nachfolgenden Figuren zeigt 1 eine mögliche Ausführungsvariante einer Folienzelle 54.
Ein Beutel 52 aus Folienmaterial, vorzugsweise Metall mit einem Kunststoffüberzug, von beliebiger geometrischer Form, ist bevorzugt so versiegelt, daß eine derart geformte Folienzelle 54 einen umlaufenden Rand 56 aufweist. In dem Beutel 52 dieser Folienzelle 54 befindet sich eine Elektrolytflüssigkeit auf Lithium-Basis. Eine Folienzellendicke 68 der Folienzelle 54 bezeichnet den Abstand zwischen einer Unterseite 72 der Folienzelle 54 und einer Oberseite 74 der Folienzelle 54. Eine halbe Folienzellendicke 70 bezeichnet den Abstand zwischen dem Rand 56 der Folienzelle 54 und der Unterseite 72 der Folienzelle 54 beziehungsweise dem Rand 56 der Folienzelle 54 und der Oberseite 74 der Folienzelle 54.
An dem Rand 56 der Folienzelle 54 sind ein Anodenstromableiter 62 und ein Kathodenstromableiter 64 ausgebildet, welche bevorzugt aus einem leitfähigen Folienmaterial wie beispielsweise Kupfer oder Aluminium, gefertigt sind.
2 zeigt die Detailansicht eines erfindungsgemäßen elastischen Befestigungsrahmens 10 für Folienzellen 54.
Ein elastischer Befestigungsrahmen 10 aus einem elastischen Material, von beliebiger geometrischer Form, die sich jedoch bevorzugt nach der Form einer verwendeten Folienzellen 54 (Vergleiche 1) richtet, bildet einen wandförmigen Rand 12, mit einer Mindesthöhe von einer halben Folienzellendicke 70. Auf diesem wandförmigen Rand 12 liegt die Folienzelle 54 auf. Dadurch bildet sich unterhalb dieser Folienzelle 54 ein Freiraum 14, der den Beutel 52 der Folienzelle 54 aufnimmt.
Zur Verbesserung der Wärmeableitung ist der elastische Befestigungsrahmen 10 in seiner Höhe zweigeteilt. Eine Wärmeleitplatte 20, gefertigt aus einem gut wärmeleitendem Material wie beispielsweise Metall oder ähnlichen Materialien, wird zwischen der Unterseite 22 des elastischen Befestigungsrahmens 10 und der Oberseite 24 des elastischen Befestigungsrahmens 10 eingeschoben. Die Geometrie der Wärmeleitplatte 20 entspricht bevorzugt der Geometrie des elastischen Befestigungsrahmens 10, jedoch mit einer geringfügig größeren Grundfläche, so daß die Wärmeleitplatte 20 an mindestens einer Seite aus dem elastischen Befestigungsrahmen 10 herausragt.
Außerdem bietet der Freiraum 14 des elastischen Befestigungsrahmens 10 die Möglichkeit, die die bei Zelldegradation auftretende mögliche Gasentwicklung in einer Folienzelle 54 zu kompensieren.
An mindestens einer Stelle des elastischen Befestigungsrahmens 10, vorzugsweise einer Ecke 30, ist mindestens ein Führungsstift 18 platziert, bevorzugt zwei Führungsstifte 18, welche diagonal über Eck angebracht sind. Die Führungsstifte 18 dienen der Ausrichtung des Befestigungsrahmens 10 beim Aufschichten mehrerer elastischer Befestigungsrahmen 10 (Vergleiche 3).
Bevorzugt an der Seite, wo die Wärmeleitplatte 20 nicht über den elastischen Befestigungsrahmens 10 hinausragt, sind elektrische Anschlüsse 16, daher Anode, Kathode und Separator, platziert, die beim Einlegen der Folienzelle 54 den elektrischen Kontakt zu dieser ermöglichen. Ein Presskontakt kann zum Beispiel durch ein, in den elastischen Befestigungsrahmen 10 eingebautes, Kupferband, welches durch S-Form ebenfalls elastisch verformbar ist, erfolgen. Außerdem können im elastischen Befestigungsrahmen 10 auch weitere elektrische Anschlüsse 34, beispielsweise für Einzelzellspannungsmessung oder Zellbalancierung, sowie Thermoelemente 32 zur Zelltemperaturmessung oder ähnliche Bauelemente integriert sein.
Bevorzugt ist die elektrische Kontaktierung der Folienzellen 54 am elastischen Befestigungsrahmen 10 über Kreuz ausgebildet ist so daß die Folienzellen 54 bei der Anordnung in vertikaler Richtung 78 nicht gegeneinader verdreht werden müssen.
3 ist das Montage-Konzept der elastischen Befestigungsrahmen 10 für Folienzellen 54 zur Konstruktion eines Folienzellen-Batteriemoduls 50 zu entnehmen.
Auf einer Endplatte 60, vorzugsweise aus einem starren, unbiegsamen Material, mit beliebiger Geometrie, die jedoch bevorzugt der Geometrie des elastischen Befestigungsrahmens 10 angepasst ist, wird ein elastischer Befestigungsrahmen 10 ohne Fügeprozesse aufgelegt. Auf dem wandförmigen Rand 12 des elastischen Befestigungsrahmens 10 liegt der Rand 56 der Folienzelle 54 auf. Diesem Verbund, elastischen Befestigungsrahmen 10 und Folienzelle 54 umfassend, folgen vertikal weitere Verbünde und bilden eine Anordnung in vertikaler Richtung (78), wobei die elastischen Befestigungsrahmen 10 über ineinander greifende Führungsstifte 18 zueinander ausgerichtet werden. Dies erfolgt ohne mechanische Hilfsmittel wie Schrauben, Bolzen, oder ähnliche Elemente, was zu einem Material- und Zeitersparnis führt. Den Abschluss dieser Anordnung in vertikaler Richtung (78) bildet wiederum eine Endplatte 58, die direkt, daher ohne Zwischenschichten und ohne Fügeprozesse, auf der letzten Folienzelle 54 aufliegt. Diese Endplatten 58, 60 fungieren als Schutz des Folienzellen-Batteriemoduls 50 gegenüber mechanischen Einflüssen oder Beanspruchungen.
Beim Fügen der beiden Endplatten 58, 60 durch Befestigungselemente (nicht dargestellt) werden die Folienzellen 54 elastisch in die elastischen Befestigungsrahmen 10 gedrückt. Als Befestigungselemente kommen unter anderem Schrauben, Klemmen, oder ähnliche formschlüssige Verbindungselemente in Frage. Bei dem Verpressen der Anordnung in vertikaler Richtung (78) sorgen die Endplatten 58, 60 und die elastischen Befestigungsrahmen 10 für eine gleichmäßige Druckverteilung innerhalb der Folienzelle 54. Mit dem Beginn des Zusammenpressens der Anordnung in vertikaler Richtung (78) fixiert der elastische Befestigungsrahmen 10 zuerst den Rand 56 der Folienzelle 54. Außerdem werden der Anodenstromableiter 62 und der Kathodenstromableiter 64, die sich an der Folienzelle 54 befinden, mit den Anschlüssen 16 am elastischen Befestigungsrahmen 10 selbsttätig in Kontakt gebracht. Dies wird durch die passgenaue Ausrichtung der Führungsstifte 18 erreicht. Beim weiteren Verpressen wird der Spalt zwischen der Wärmeleitplatte 20 und einem Aktivbereich 76 der Folienzelle 54 geschlossen. Die Folienzelle 54 ist wesentlich steifer als der elastische Befestigungsrahmen 10, so daß beim weiteren Zusammenpressen der Anordnung in vertikaler Richtung (78) im Wesentlichen der Aktivbereich 76 der Foliezelle 54 verpresst wird. Je nach Steifigkeit des elastischen Befestigungsrahmens 10 und der Folienzelle 54 wird der von den Endplatten 58, 60 ausgeübte Druck in einen Anpressdruck des Rands 56 der Folienzelle 54 und einen Anpressdruck des Aktivbereichs 76 der Folienzelle 54 aufgeteilt. Der beim Verpressen entstehende Druck auf den Aktivbereich 76 der Folienzelle 54 wirkt sich sowohl vorteilhaft auf die elektrische Funktion, beispielsweise Leistung oder Kapazität, als auch auf die Lebensdauer der Folienzelle 54 aus. Durch die oben beschriebene Konstruktion des elastischen Befestigungsrahmens 10 wird der Anpressdruck auf den Aktivbereich 76 der Folienzelle 54 unabhängig von einer exakten Fixierung der Folienzelle 54 gewährleistet.
Weitere Ausführungsvarianten beinhalten unter anderem einen elastischen Befestigungsrahmen 10 für ein Folienzellen-Batteriemodul 50, der nur partiell aus elastischem Material gefertigt ist. Durch diese Wahl der Steifigkeit des elastischen Befestigungsrahmens 10, kann der Druck, der auf den Aktivbereich 76 der Folienzelle 54 ausgeübt wird, angepasst werden. Beispielsweise könnte die Oberseite 24 des elastischen Befestigungsrahmens 10 steif, die Unterseite 22 des elastischen Befestigungsrahmens 10 jedoch elastisch ausgebildet sein. Hierzu könnte der elastische Befestigungsrahmen 10 auch aus zwei übereinander gelegten Einzelteilen (elastischer und steifer Teil) bestehen. In Weiterbildung der erfindungsgemäßen Lösung, wäre es möglich, nur die Seite des elastischen Befestigungsrahmens 10 elastisch auszubilden, welche die Kontaktierung der Folienzelle 54 gewährleistet.
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
Diese Liste der vom Anmelder aufgeführten Dokumente wurde automatisiert erzeugt und ist ausschließlich zur besseren Information des Lesers aufgenommen. Die Liste ist nicht Bestandteil der deutschen Patent- bzw. Gebrauchsmusteranmeldung. Das DPMA übernimmt keinerlei Haftung für etwaige Fehler oder Auslassungen.
Zitierte Patentliteratur

US 2008/193838 A1 [0001]

Claims

Elastischer Befestigungsrahmen (10) für mindestens eine Folienzelle (54), dadurch gekennzeichnet, daß der elastische Befestigungsrahmen (10) mindestens einen Führungsstift (18), elektrische Anschlüsse (16) und mindestens eine Wärmeleitplatte (20) zwischen einer Unterseite (22) und einer Oberseite (24) des elastischen Befestigungsrahmen (10) aufweist.
Elastischer Befestigungsrahmen (10) gemäß Anspruch 1), dadurch gekennzeichnet, daß eine Anordnung in vertikaler Richtung (78) einzelner elastischer Befestigungsrahmen (10) ohne stoff- oder formschlüssige Verbindungselemente ausgebildet ist.
Elastischer Befestigungsrahmen (10) gemäß eines oder mehrerer der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Kontaktierung der Folienzellen (54) am elastischen Befestigungsrahmen (10) über Kreuz ausgebildet ist.
Elastischer Befestigungsrahmen (10) gemäß eines oder mehrerer der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß der elastische Befestigungsrahmen (10) partiell aus elastischem Material gefertigt ist und so durch die Wahl der Steifigkeit des elastischen Befestigungsrahmens (10) ein gewünschter Druck auf den Aktivbereich (76) der Folienzelle (54) ausgeübt wird.
Elastischer Befestigungsrahmen (10) gemäß eines oder mehrerer der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß ein oder mehrere Thermoelemente (32) im elastischen Befestigungsrahmen (10) integriert sind.
Elastischer Befestigungsrahmen (10) gemäß eines oder mehrerer der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß weitere elektrische Anschlüsse (34) im elastischen Befestigungsrahmen (10) integriert sind.
Elastischer Befestigungsrahmen (10) gemäß eines oder mehrerer der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Höhe eines wandförmigen Randes (12) des elastischen Befestigungsrahmens (10), eine halbe Folienzellendicke (70) beträgt.
Elastischer Befestigungsrahmen (10) gemäß eines oder mehrerer der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Höhe eines wandförmigen Randes (12) des elastischen Befestigungsrahmens (10), mehr als eine halbe Folienzellendicke (70) beträgt.
Elastischer Befestigungsrahmen (10) gemäß eines oder mehrerer der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß mindest ein, bevorzugt zwei, Führungsstifte (18) auf dem elastischen Befestigungsrahmen (10) vorhanden sind, die Führungsstifte (18) sind entweder diagonal über Eck oder auf mindestens einer Längsseite (26) und/oder auf mindestens einer Querseite (28) des Befestigungsrahmens (10) platziert.
Folienzellen-Batteriemodul (50) für mehrere Folienzellen (54), dadurch gekennzeichnet daß die einzelnen Folienzellen (54) mithilfe der elastischen Befestigungsrahmen (10) gemäß eines oder mehrerer der vorhergehenden Ansprüche, ohne stoff- oder formschlüssige Verbindungselemente vertikal übereinander zu der Anordnung in vertikaler Richtung (78) geschichtet sind, an einer Unterseite (80) und einer Oberseite (82) der Anordnung in vertikaler Richtung (78) begrenzt von jeweils einer Endplatte (58, 60), die gegeneinander vorgespannt sind.
Folienzellen-Batteriemodul (50) für mehrere Folienzellen (54), gemäß Anspruch 9), dadurch gekennzeichnet daß die Endplatten (58, 60) mit Hilfe von Befestigungselemente, die Schrauben, Klemmen, oder ähnliche formschlüssige Verbindungselemente umfassen, vorgespannt sind.