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Die Erfindung betrifft eine Batterie nach den Merkmalen des Oberbegriffs des Anspruchs 1.
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Einzelzellen, welche als Flachzellen ausgebildet sind, weisen zwei metallische Hüllbleche auf, die durch einen isolierenden Rahmen elektrisch voneinander getrennt sind. Die Hüllbleche dienen gleichzeitig als Pol und als Wärmeleitblech. Die Wärme wird über die entsprechend aufgedickten Hüllbleche nach außerhalb geleitet und an eine Kühlplatte abgegeben, die von Klimakühlmittel oder einer separaten Kühlflüssigkeit durchströmt wird. Zur elektrischen Isolation von Hüllblech und der metallischen Kühlplatte ist dazwischen eine Wärmeleitfolie angeordnet. Zur Verbesserung des Wärmeübergangs sind die Hüllbleche im Bereich der Kühlplatte parallel zu dieser um 90° abgekantet. Im Inneren der Einzelzelle sind die mit elektrochemisch wirksamen Materialien beschichteten Anodenfolien und Kathodenfolien übereinander gestapelt und dabei durch einen Separator voneinander elektrisch getrennt. An den Rändern des Elektrodenstapels werden die metallischen Folien jeweils etwas überstehen gelassen und miteinander und mit dem die Zellpole bildenden Hüllblechen z. B. durch Schweißung verbunden.
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Der Verschluss der Einzelzelle erfolgt durch einen Heißpressvorgang, bei dem der thermoplastische Rahmen partiell aufgeschmolzen wird und sich bei Erkalten mit den Hüllblechen verbindet. Zur mechanischen Bildung eines Zellblocks und zur elektrischen Reihenschaltung werden die Einzelzellen nebeneinander gestapelt und durch so genannte Druckplatten in axialer Richtung, d. h. senkrecht zum Elektrodenstapel verpresst. Als Spannmittel kommen hierfür z. B. im Zellblock verlegte Zuganker in Betracht, die über außen befindliche Druckbrillen, welche durch Isolationsplatten elektrisch abgekoppelt sind, die Kräfte in den Zellstapel einleiten.
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Ein solcher Zellblock mit mehreren Einzelzellen ist beispielsweise aus der der
DE 10 2007 063 179.2 bekannt.
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Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine verbesserte Batterie anzugeben.
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Die Aufgabe wird erfindungsgemäß durch eine Batterie mit den Merkmalen des Anspruchs 1 gelöst.
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Bevorzugte Ausgestaltungen und Weiterbildungen der Erfindung sind in den abhängigen Ansprüchen angegeben.
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Eine Batterie umfasst eine Mehrzahl elektrisch seriell und/oder parallel miteinander verbundener Einzelzellen, welche hintereinander und parallel zueinander angeordnet sind, wobei jede Einzelzelle eine elektrochemisch aktive Elektrodenfolieneinheit aufweist, die von einer ersten Gehäuseseitenwand, einer zweiten Gehäuseseitenwand und einem zwischen diesen angeordneten Rahmen umgeben ist.
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Erfindungsgemäß weist zumindest eine Gehäuseseitenwand jeder Einzelzelle zumindest ein aus der Gehäuseseitenwand ausgeformtes Abstandselement auf, welches eine Erhebung auf der Gehäuseseitenwand ausbildet.
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Durch dieses Abstandselement oder bevorzugt durch eine Mehrzahl dieser Abstandselemente sind die Einzelzellen in der Batterie voneinander beabstandet, so dass zwischen den Einzelzellen Zwischenräume ausgebildet sind, welche von einem Temperiermedium, beispielsweise Luft oder Kühlöl, durchströmbar sind. Auf diese Weise ist eine direkte Temperierung über eine gesamte Gehäusefläche der Einzelzellen ermöglicht. Daraus resultiert eine wesentlich verbesserte Wärmeübertragung zwischen den Einzelzellen und dem Temperiermedium. Auf diese Weise ist eine Verlustwärme der Einzelzellen wesentlich besser aus der Batterie abtransportierbar. Wenn erforderlich, beispielsweise bei niedrigen Umgebungstemperaturen, sind die Einzelzellen auch mittels des Temperiermediums auf eine optimale Betriebstemperatur vorwärmbar.
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Die erfindungsgemäße Lösung und deren Ausführungsformen sind sehr kostengünstig und insbesondere ohne zusätzliche separate Bauteile herstellbar, wodurch keine zusätzlichen Kosten und insbesondere kein zusätzliches Gewicht anfallen. Auch eine aufwändige Positionierung der Abstandselemente ist nicht erforderlich, da diese nicht als separate Bauteile, sondern als Teil der Gehäuseseitenwand ausgebildet sind.
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Ausführungsbeispiele der Erfindung werden anhand von Zeichnungen näher erläutert. Dabei zeigen:
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1 eine Explosionsdarstellung einer Einzelzelle,
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2 eine perspektivische Darstellung einer Einzelzelle,
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3 eine erste perspektivische Darstellung einer Einzelzelle im Bereich eines Abstandselementes,
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4 eine seitliche Darstellung einer Einzelzelle im Bereich eines Abstandselementes,
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5 eine Explosionsdarstellung einer Batterie,
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6 eine perspektivische Darstellung einer Batterie,
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7 einen ersten Längsschnitt durch eine Batterie,
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8 einen ersten Längsschnitt durch eine Batterie im Bereich von Abstandselementen,
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9 eine zweite perspektivische Darstellung einer Einzelzelle im Bereich eines Abstandselementes,
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10 eine schematische Schnittdarstellung einer Einzelzelle im Bereich eines Abstandselementes,
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11 einen zweiten Längsschnitt durch eine Batterie, und
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12 einen zweiten Längsschnitt durch eine Batterie im Bereich von Abstandselementen.
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Einander entsprechende Teile sind in allen Figuren mit den gleichen Bezugszeichen versehen.
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1 zeigt eine Explosionsdarstellung einer Einzelzelle 1 und 2 eine perspektivische Darstellung der Einzelzelle 1. Die dargestellte Einzelzelle 1 ist als Flachzelle ausgebildet und umfasst einen von einem Gehäuse umschlossenen Zellinnenraum, in welchem eine elektrochemisch aktive Elektrodenfolieneinheit 2 angeordnet ist. Das Gehäuse ist aus einem Rahmen 3, einer ersten Gehäuseseitenwand 4 und einer zweiten Gehäuseseitenwand 5 gebildet, welche vorzugsweise aus Metall sind.
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Die Gehäuseseitenwände 4, 5 sind mit Zellpolen 2.1, 2.2 der Elektrodenfolieneinheit 2 kontaktiert und bilden Polkontakte der Einzelzelle 1. Der Rahmen 3 ist aus einem elektrisch isolierenden Material gebildet, beispielsweise als Spritzgussteil aus Kunststoff, so dass die Gehäuseseitenwände 4, 5 elektrisch voneinander isoliert sind. Das Gehäuse ist beispielsweise durch einen Heißpressvorgang durch partielles Aufschmelzen des Rahmens 3 und Verbinden des Rahmens 3 mit den Gehäuseseitenwänden 4, 5 während eines nachfolgenden Abkühlvorgangs verschließbar.
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Im hier dargestellten Ausführungsbeispiel weist die erste Gehäuseseitenwand 4 in Eckbereichen aus der ersten Gehäuseseitenwand 4 ausgeformte Abstandselemente 6 auf, welche eine Erhebung auf der ersten Gehäuseseitenwand 4 ausbilden. Alternativ oder zusätzlich können diese Abstandselemente 6 auch auf der zweiten Gehäuseseitenwand 5 ausgebildet sein.
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Sowohl in den Gehäuseseitenwänden 4, 5 als auch in dem Rahmen 3 sind Bohrungen 7 zur Durchführung von als Zuganker ausgebildeten Spannelementen 8 angeordnet, um die Einzelzellen 1 in einer Batterie 9 miteinander zu verspannen.
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In den 3 und 4 ist ein auf der ersten Gehäuseseitenwand 4 ausgebildetes Abstandselement 6 näher dargestellt. In dieser Ausführungsform ist das Abstandselement 6 als fahnenartige Verlängerung der ersten Gehäuseseitenwand 4 im Eckbereich ausgebildet, welche, wie in 4 dargestellt, einmal um 180° umgefaltet ist und auf einer Außenseite der ersten Gehäuseseitenwand 4 aufliegt.
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Um eine Dicke des Abstandselementes 6 zu erhöhen, ist die fahnenartige Verlängerung in weiteren, nicht näher dargestellten Ausführungsformen mehrfach gefaltet. Eine Dicke des Abstandselementes 6 ist dabei abhängig von einer Materialdicke der ersten Gehäuseseitenwand 4 bzw. der fahnenartigen Verlängerung sowie einer Anzahl der Faltungen der fahnenartigen Verlängerung und einer daraus resultierenden Überlagerung gefalteter Teile der fahnenartigen Verlängerung.
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In weiteren nicht näher dargestellten Ausführungsformen ist zwischen der ersten Gehäuseseitenwand 4 und der um 180° umgefalteten fahnenartigen Verlängerung ein zusätzliches Bauteil, beispielsweise ein Kunststoff- oder Metallstreifen, eingebracht, um auf diese Weise die Dicke des Abstandselementes 6 zu vergrößern. Dieses zusätzliche Bauteil ist vorzugsweise zwischen der ersten Gehäuseseitenwand 4 und der umgefalteten fahnenartigen Verlängerung eingeklemmt, um eine Montage der Batterie 9 zu erleichtern.
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5 zeigt eine Explosionsdarstellung und 6 eine perspektivische Darstellung der Batterie 9 mit einer Mehrzahl elektrisch seriell und/oder parallel miteinander verbundener Einzelzellen 1, welche hintereinander und parallel zueinander angeordnet sind. Die Einzelzellen 1 sind mittels der als Zuganker ausgebildeten Spannelemente 8 miteinander verspannt und aneinander gepresst.
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Zur Verspannung der Einzelzellen 1 miteinander sind, um die Einzelzellen 1 nicht zu beschädigen und eine Spannkraft zu verteilen, an beiden Seiten der Batterie 9 als Druckbrillen ausgebildete so genannte Druckplatten 10 und zwischen den Druckplatten 10 und den Einzelzellen 1 zur elektrischen Isolation Isolationselemente 11 angeordnet, wobei auch die Druckplatten 10 und die Isolationselemente 11 die Bohrungen 7 zur Durchführung der als Zuganker ausgebildeten Spannelemente 8 aufweisen. Zwischen den Isolationselementen 11 und den stirnseitigen Gehäuseseitenwänden 4, 5 der stirnseitigen Einzelzellen 1 der Batterie 9 sind jeweils Kontaktierungselemente 12 angeordnet, welche mit der jeweiligen stirnseitigen Gehäuseseitenwand 4, 5 elektrisch kontaktiert sind und Polkontakte der Batterie 9 ausbilden.
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7 zeigt einen Längsschnitt durch die Batterie 9 und 8 einen Längsschnitt durch die Batterie 9 im Bereich der Abstandselemente 6. Insbesondere in 8 ist deutlich zu erkennen, dass durch die Abstandselemente 6 die Einzelzellen 1 in der Batterie 9 voneinander beabstandet sind, so dass zwischen den Einzelzellen 1 Zwischenräume 13 ausgebildet sind.
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Die 9 und 10 zeigen eine weitere Ausführungsform des Abstandselementes 6. In dieser Ausführungsform ist das Abstandselement 6, ebenfalls in einem Eckbereich, aus der ersten Gehäuseseitenwand 4 durch einen Prägevorgang nach außen ausgeprägt. Auch diese Ausführungsform der Abstandselemente 6 kann, alternativ oder zusätzlich, auch auf der zweiten Gehäuseseitenwand 5 der Einzelzelle 1 ausgeprägt sein.
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Um eine Festigkeit der auf diese Weise ausgebildeten Abstandselemente 6 zu erhöhen, ist vorzugsweise eine durch das ausgeprägte Abstandselement 6 auf einer Innenseite der ersten Gehäuseseitenwand 4 gebildete Vertiefungen mit einem Material des Rahmens 3 der Einzelzelle 1 ausgefüllt. Dies ist bei der Herstellung der Einzelzelle 1, bei welcher das Gehäuse der Einzelzelle 1 durch einen Heißpressvorgang durch partielles Aufschmelzen des Rahmens 3 und Verbinden des Rahmens 3 mit den Gehäuseseitenwänden 4, 5 während eines nachfolgenden Abkühlvorgangs verschließbar ist, realisierbar, da sich bei diesem Heißpressvorgang aufgeschmolzenes Rahmenmaterial in der Vertiefung sammelt. Auch diese Ausführungsform der Abstandselemente 6 weist Bohrungen 7 zur Durchführung der als Zuganker ausgebildeten Spannelemente 8 auf.
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11 zeigt einen Längsschnitt durch die Batterie 9 und 12 einen Längsschnitt durch die Batterie 9 im Bereich der zweiten Ausführungsform der Abstandselemente 6. Auch hier weist die Batterie 9 eine Mehrzahl elektrisch seriell und/oder parallel miteinander verbundener Einzelzellen 1 auf, welche hintereinander und parallel zueinander angeordnet sind. Die Einzelzellen 1 sind, analog zu der in den 5 und 6 dargestellten Ausführungsform, mittels der als Zuganker ausgebildeten Spannelemente 8 miteinander verspannt und aneinander gepresst.
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Zur Verspannung der Einzelzellen 1 miteinander sind, um die Einzelzellen 1 nicht zu beschädigen und die Spannkraft zu verteilen, auch hier an beiden Seiten der Batterie 9 als Druckbrillen ausgebildete so genannte Druckplatten 10 und zwischen den Druckplatten 10 und den Einzelzellen 1 zur elektrischen Isolation Isolationselemente 11 angeordnet, wobei auch die Druckplatten 10 und die Isolationselemente 11 die Bohrungen 7 zur Durchführung der als Zuganker ausgebildeten Spannelemente 8 aufweisen. Auch hier sind zwischen den Isolationselementen 11 und den stirnseitigen Gehäuseseitenwänden 4, 5 der stirnseitigen Einzelzellen 1 der Batterie 9 jeweils Kontaktierungselemente 12 angeordnet, welche mit der jeweiligen stirnseitigen Gehäuseseitenwand 4, 5 elektrisch kontaktiert sind und Polkontakte der Batterie 9 ausbilden.
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Insbesondere in 12 ist deutlich zu erkennen, dass auch durch diese Ausführungsform der Abstandselemente 6 die Einzelzellen 1 in der Batterie 9 voneinander beabstandet sind, so dass zwischen den Einzelzellen 1 Zwischenräume 13 ausgebildet sind.
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Diese sowohl durch die in den 1 bis 8 als auch die in den 9 bis 12 dargestellten Ausführungsformen der Abstandselemente 6 ausgebildeten Zwischenräume 13 sind von einem Temperiermedium 14, beispielsweise Luft oder Kühlöl, durchströmbar. Auf diese Weise ist eine direkte Temperierung über eine gesamte Gehäusefläche der Einzelzellen 1 ermöglicht. Daraus resultiert eine wesentlich verbesserte Wärmeübertragung zwischen den Einzelzellen 1 und dem Temperiermedium 14. Auf diese Weise ist eine Verlustwärme der Einzelzellen 1 wesentlich besser aus der Batterie 9 abtransportierbar. Wenn erforderlich, beispielsweise bei niedrigen Umgebungstemperaturen, sind die Einzelzellen 1 auch mittels des Temperiermediums 14 auf eine optimale Betriebstemperatur vorwärmbar.
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Des Weiteren bilden die Abstandselemente 6, sowohl in der in den 1 bis 8 als auch in der in den 9 bis 12 dargestellten Ausführungsform, als Teil der ersten Gehäuseseitenwand 4 jeweils einen Polkontakt der Einzelzellen 1. D. h. die Einzelzellen 1 sind durch das Zusammenpressen mittels der als Zuganker ausgebildeten Spannelemente 8 über die Abstandselemente 6 der ersten Gehäuseseitenwände 4, welche als Teil der als Polkontakt ausgebildeten ersten Gehäuseseitenwände 4 ausgeformt sind, und über die als Polkontakt ausgebildeten zweiten Gehäuseseitenwände 5 elektrisch miteinander kontaktiert und seriell und/oder parallel miteinander verschaltet.
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Durch eine Verringerung einer Kontaktfläche der Abstandselemente 6 im Vergleich zu den Gehäuseseitenwänden, welche bei Batterien nach dem Stand der Technik direkt miteinander kontaktiert sind, ist ein Anpressdruck der Abstandselemente 6 an die benachbarten zweiten Gehäuseseitenwände 5 erhöht, wodurch ein elektrischer Übergangswiderstand verringert ist.
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Die Abstandselemente 6 sind derart ausgeformt, dass die Kontaktfläche ausreichend für einen zu übertragenden Strom dimensioniert ist und ebenfalls ausreichend in Bezug auf eine Spannkraft der Verspannung mittels der als Zuganker ausgebildeten Spannelemente 8 und eine zulässige Flächenpressung eines Materials der Gehäuseseitenwände 4, 5 bzw. der Abstandselemente 6 dimensioniert ist.
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Die erfindungsgemäße Lösung und deren Ausführungsformen sind sehr kostengünstig und insbesondere ohne zusätzliche separate Bauteile herstellbar, wodurch keine zusätzlichen Kosten und insbesondere kein zusätzliches Gewicht anfallen. Auch eine aufwändige Positionierung der Abstandselemente 6 ist nicht erforderlich, da diese nicht als separate Bauteile, sondern als Teil der ersten Gehäuseseitenwand 4 ausgebildet sind.
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Die Batterie 9 ist vorzugsweise eine Lithium-Ionen-Batterie für ein Fahrzeug, insbesondere eine Batterie 9 für ein Fahrzeug mit Hybridantrieb oder ein Brennstoffzellen-Fahrzeug. Durch die erfindungsgemäße Lösung ist die Batterie 9 kostengünstig und Bauraum sparend herstellbar, insbesondere durch die mittels der Abstandselemente 6 ermöglichte direkte Kühlung der Einzelzellen 1, wodurch beispielsweise eine zusätzliche Kühlplatte nicht mehr erforderlich ist. Daraus resultiert eine Gewichtsreduktion, eine Reduzierung der Bauteile, des Fertigungsaufwands und der Fertigungskosten der Batterie 9. Die Batterie 9 ist durch die geringere Bauteilzahl wesentlich kompakter und daher leichter im Fahrzeug positionierbar.
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Bezugszeichenliste
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- 1
- Einzelzelle
- 2
- Elektrodenfolieneinheit
- 2.1, 2.2
- Zellpol
- 3
- Rahmen
- 4
- erste Gehäuseseitenwand
- 5
- zweite Gehäuseseitenwand
- 6
- Abstandselement
- 7
- Bohrung
- 8
- Spannelement
- 9
- Batterie
- 10
- Druckplatte
- 11
- Isolationselement
- 12
- Kontaktierungselement
- 13
- Zwischenraum
- 14
- Temperiermedium
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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