DE102010012930A1 - Battery i.e. heavy-duty battery, for storing traction energy in e.g. electrical propelled car, has clamping devices designed as tie rods, where devices comprise elastic spring in stacking direction - Google Patents
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Abstract
Description
Die Erfindung betrifft eine Batterie mit einem Stapel von Batterieeinzelzellen nach der im Oberbegriff von Anspruch 1 näher definierten Art.The invention relates to a battery with a stack of battery cells according to the closer defined in the preamble of
Als Batterien, insbesondere als Hochleistungsbatterien zur Speicherung von Traktionsenergie in einem zumindest teilweise elektrisch angetriebenen Fahrzeug, sind Batterien mit Stapeln von Batterieeinzelzellen bekannt. Die Batterieeinzelzellen können dabei in Lithium-Ionen-Technologie ausgebildet sein. Eine typische Bauform für derartige Batterieeinzellen ist die sogenannte Flachzelle, welche im Wesentlichen flach ausgebildet ist und die Form eines flachen Quaders aufweist. Derartige Flachzellen werden dann zu einem Stapel von Batterieeinzelzellen gestapelt. Die Batterie selbst wird nun von einem oder mehreren derartigen Stapeln, welche auch als Modul bezeichnet werden, gebildet.As batteries, in particular as high-performance batteries for storing traction energy in an at least partially electrically driven vehicle, batteries with stacks of battery individual cells are known. The battery cells can be formed in lithium-ion technology. A typical design for such battery cells is the so-called flat cell, which is substantially flat and has the shape of a flat cuboid. Such flat cells are then stacked into a stack of battery cells. The battery itself is now formed by one or more such stacks, which are also referred to as module.
Ein solcher Aufbau einer Batterie aus einem Stapel von im Wesentlichen flach ausgebildeten Batterieeinzelzellen lässt sich beispielhaft der
Aus dem allgemeinen Stand der Technik ist es ferner bekannt, neben dieser formschlüssigen Halterung beim Aufbau einer Batterie aus einer Vielzahl von Batterieeinzelzellen alternativ oder ergänzend Spanneinrichtungen einzusetzen. Derartige Spanneinrichtungen können beispielsweise Spannbänder oder Zuganker sein, welche die wenigstens zwei Platten so miteinander verspannen, dass die zwischen ihnen angeordneten Batterieeinzelzellen zu dem Modul aus Batterieeinzelzellen oder zu der Batterie verspannt und mechanisch stabilisiert werden.From the general state of the art, it is also known to use clamping devices in addition to this positive mounting when building a battery from a plurality of individual battery cells alternatively or additionally. Such clamping devices may be, for example, straps or tie rods, which brace the at least two plates together so that the individual battery cells arranged between them are clamped to the module from battery individual cells or to the battery and mechanically stabilized.
Nun ist es insbesondere bei Lithium-Ionen-Zellen so, dass diese je nach Ladezustand eine gewisse Änderung ihres elektro-chemische aktiven Volumens erfahren. Derartige Flachzellen in Lithium-Ionen-Technologie sind typischerweise als Rahmenflachzellen aufgebaut, welche zwei Deckelemente aufweisen, welche durch einen Rahmen voneinander getrennt sind, oder sie sind als sogenannte Coffeebag-Zellen oder Pouch-Zellen aufgebaut, bei welchen das elektrochemisch aktive Material in eine Art Beutel eingebracht und gegenüber der Umgebung abgedichtet ist. Unabhängig von der Bauart wird es, wie bereits erwähnt, je nach Ladezustand der Batterieeinzelzelle zu einer entsprechenden Volumenänderung kommen. Die Batterieeinzelzelle wird sich also entsprechend ausdehnen oder zusammenziehen. Man spricht hierbei auch von einem „Atmen” der Batterieeinzelzellen. Besonders kritisch ist diese Volumenänderung nun in Stapelrichtung der Batterie. Da typischerweise eine Vielzahl von Batterieeinzelzellen zu einem Modul oder der Batterie gestapelt sind, addiert sich eine Volumenänderung der typischerweise gleichmäßig geladenen oder entladenen Batterieeinzelzellen des Stapels auf. Der gesamte Stapel erfährt damit eine deutliche Längenausdehnung oder -verkürzung.Now, especially with lithium-ion cells, they experience a certain change in their electrochemical active volume, depending on the state of charge. Such flat cells in lithium-ion technology are typically constructed as Rahmenflachzellen, which have two cover elements, which are separated by a frame, or they are constructed as so-called Coffeebag cells or Pouch cells in which the electrochemically active material into a kind Bag is introduced and sealed from the environment. Regardless of the type, it will, as already mentioned, depending on the state of charge of the battery single cell come to a corresponding change in volume. The single battery cell will therefore expand or contract accordingly. One speaks here also of a "breathing" of the battery individual cells. This volume change is now particularly critical in the stacking direction of the battery. Since typically a plurality of battery cells are stacked into a module or the battery, a volume change of the typically uniformly charged or discharged battery cells of the stack is added up. The entire stack thus experiences a significant length expansion or shortening.
Nun ist es außerdem so, dass die Batterieeinzelzellen bei zu großem Druck auf die typischerweise lagenförmig ausgebildeten Elektroden und Elektrolytschichten in ihrem Inneren beschädigt werden. Es kann also durch eine zu hohe Flächenpressung aufgrund des Ladens der Batterie zu einer Beschädigung und/oder Verkürzung der möglichen Lebensdauer der Batterie kommen.Now it is also the case that the battery cells are damaged by excessive pressure on the typically layer-shaped electrodes and electrolyte layers in their interior. It can therefore come through a too high surface pressure due to the charging of the battery to damage and / or shortening of the possible life of the battery.
Es ist nun die Aufgabe der hier vorliegenden Erfindung, eine Batterie mit Flachzellen zu schaffen, welche in einem herkömmlichen Aufbau realisiert werden kann, und bei welcher die oben genannten Nachteile vermieden werden können.It is now the object of the present invention to provide a battery with flat cells, which can be realized in a conventional structure, and in which the above-mentioned disadvantages can be avoided.
Erfindungsgemäß wird diese Aufgabe durch die im kennzeichnenden Teil von Anspruch 1 genannten Merkmale gelöst.According to the invention this object is achieved by the features mentioned in the characterizing part of
Dadurch, dass die Spanneinrichtungen in Stapelrichtung wenigstens ein federelastisches Element aufweisen, können die Spanneinrichtungen, beispielsweise Spannbänder oder Zuganker, sich bei einer Ausdehnung der Batterieeinzelzellen und damit einer Längung des Stapels an Batterieeinzelzellen entsprechend dehnen, ohne einen definierten Druck auf jede einzelne der Batterieeinzelzellen zu überschreiten. Durch eine geeignete Wahl des elastischen Elements kann so der Druck innerhalb des Zellenstapels gleichmäßig verteilt werden und eine Längung oder Verkürzung des gesamten Stapels entsprechend ausgeglichen werden. Damit wird ein zu hoher Druck in den Einzelzellen und eine daraus resultierende Beschädigung der Batterieeinzelzellen vermieden.Due to the fact that the clamping devices have at least one resilient element in the stacking direction, the clamping devices, for example tension bands or tie rods, can expand correspondingly with an expansion of the battery individual cells and thus an elongation of the stack of battery individual cells, without exceeding a defined pressure on each individual battery cell , By a suitable choice of the elastic element so the pressure within the cell stack can be evenly distributed and a lengthening or shortening of the entire stack are compensated accordingly. This avoids excessive pressure in the individual cells and resulting damage to individual battery cells.
Mit diesem einfachen und effizienten Aufbau lässt sich somit eine Batterie schaffen, welche sehr einfach und kostengünstig die eingangs geschilderte Problematik vermeidet.With this simple and efficient design can thus create a battery that avoids the problems described above very simple and inexpensive.
Gemäß einer sehr vorteilhaften Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Aufbaus ist es ferner vorgesehen, dass der Stapel zwischen zwei Platten angeordnet ist, wobei eine der Platten fest mit einem Batteriegehäuse verbunden und die andere Platte beweglich gegenüber dem Batteriegehäuse gelagert ist.According to a very advantageous embodiment of the structure according to the invention, it is further provided that the stack between two plates is arranged, wherein one of the plates fixed to a Battery housing connected and the other plate is movably mounted relative to the battery case.
Dieser Aufbau in der Art einer Festlagerung und einer Loslagerung erlaubt es, dass der Stapel als Ganzes über das Festlager an der einen Platte sicher und zuverlässig in dem Batteriegehäuse gehalten wird. Über ein Loslager der anderen Platte, beispielsweise eine in Stapelrichtung verlaufende Nut oder dergleichen, kann dann erreicht werden, dass der Stapel sich insgesamt in seiner Länge ausdehnen kann, ohne eine Verwindung und entsprechende Querkräfte zu erfahren, welche eine entsprechende Beschädigung des Stapels nach sich ziehen könnten.This construction in the manner of a fixed bearing and a floating bearing allows the stack as a whole to be held securely and reliably in the battery case via the fixed bearing on the one plate. By means of a movable bearing of the other plate, for example a groove running in the direction of stacking or the like, it can then be achieved that the stack can expand overall in its length without experiencing any distortion and corresponding transverse forces which entail corresponding damage to the stack could.
In einer besonders günstigen und vorteilhaften Alternative hierzu ist es dabei vorgesehen, dass der Stapel zwischen zwei Platten angeordnet ist, und eine weiter Platte in dem Stapel aufweist, wobei die weitere Platte fest mit einem Batteriegehäuse verbunden ist und die anderen zwei Platten beweglich gegenüber dem Batteriegehäuse gelagert sind.In a particularly favorable and advantageous alternative to this, it is provided that the stack is arranged between two plates, and has a further plate in the stack, wherein the further plate is fixedly connected to a battery housing and the other two plates movable relative to the battery housing are stored.
Diese Alternative greift im Wesentlichen den zuvor dargelegten Aufbau erneut auf und bietet eine vergleichbare Lösung an. Da bei Batterien, wie sie beispielsweise zur Speicherung von Traktionsenergie in Elektrofahrzeugen oder Hybridfahrzeugen eingesetzt werden, entsprechend hohe Spannungen gefordert sind, ist die Zahl der Batterieeinzelzellen typischerweise sehr hoch. Damit kommt es zu einer sehr starken Ausdehnung des Stapels an Batterieeinzelzellen, wenn dieser „atmet”. Um die Längenausdehnung nicht über die gesamte Länge der Zuganker oder Spannbänder in dem Zellenstapel realisieren zu müssen, wird in dieser Variante der erfindungsgemäßen Batterie ein Aufbau gewählt, bei dem beispielsweise in der Mitte eine weitere Platte angeordnet ist. Diese Platte ist fest gegenüber dem Batteriegehäuse gelagert, während die beiden anderen Platten in Stapelrichtung beweglich gelagert sind. Im Gegensatz zu einer Lagerung der einen Platte am einen Ende des Stapels und einer Loslagerung der anderen Platte wird dieser Aufbau mit einer Festlagerung in der Mitte des Zellenstapels und zwei Loslagern an den Enden des Zellenstapels für jede der Platten an den Enden des Zellenstapels eine deutlich geringere Wegstrecke an notwendiger Bewegung erreicht. Der Aufbau kann damit entsprechend vereinfacht werden, da die Beweglichkeit der beiden Platten an den Enden des Zellenstapels entsprechend kleiner dimensioniert werden kann.This alternative essentially takes up the structure set out above again and offers a comparable solution. As with batteries, such as those used for storing traction energy in electric vehicles or hybrid vehicles, correspondingly high voltages are required, the number of individual battery cells is typically very high. This results in a very strong expansion of the stack of battery cells when it "breathes". In order not to have to realize the longitudinal extent over the entire length of the tie rods or tension bands in the cell stack, a design is selected in this variant of the battery according to the invention, in which, for example, in the middle of a further plate is arranged. This plate is fixedly mounted relative to the battery case, while the other two plates are movably mounted in the stacking direction. In contrast to a storage of a plate at one end of the stack and a floating storage of the other plate, this construction with a fixed storage in the middle of the cell stack and two loose bearings at the ends of the cell stack for each of the plates at the ends of the cell stack is a significantly lower Distance reached at necessary movement. The structure can thus be simplified accordingly, since the mobility of the two plates at the ends of the cell stack can be dimensioned correspondingly smaller.
In einer weiteren sehr günstigen Ausgestaltung der erfindungsgemäßen Batterie ist es letztlich auch vorgesehen, dass die Platten im Bereich der Flächen, welche mit Batterieeinzelzellen in Kontakt stehen, ein Gleitelement aufweisen. Ein solches Gleitelement kann beispielsweise eine zwischengelegte Folie, beispielsweise aus Polytetrafluorethylen oder dergleichen, sein. Es ist auch denkbar, dass auf die Platten oder die Batterieeinzelzelle eine entsprechende Beschichtung aufgetragen oder auch ein Gleitmittel wie Silikon, Keramikpaste oder dergleichen eingebracht wird, welche für ein ausreichendes Gleiten sorgt. Damit wird ein Gleiten quer zur Stapelrichtung erleichtert. beispielsweise durch eine Beschichtung, eine Folie Dadurch wird die auch in Querrichtung zur Stapelrichtung auftretende Bewegung beim Atmen der Batterieeinzelzellen erleichtert und auf den Stapel wirkende Querkräfte sowie ein Verbiegen des Stapels quer zur Stapelrichtung kann verhindert werden.In a further very favorable embodiment of the battery according to the invention, it is ultimately also provided that the plates have a sliding element in the region of the surfaces which are in contact with battery individual cells. Such a sliding element may for example be an interposed film, for example made of polytetrafluoroethylene or the like. It is also conceivable that a corresponding coating is applied to the plates or the battery single cell or a lubricant such as silicone, ceramic paste or the like is introduced, which ensures sufficient sliding. This facilitates sliding across the stacking direction. For example, by a coating, a film This also facilitates the movement occurring in the transverse direction to the stacking direction when breathing the battery cells and acting on the stack shear forces and bending of the stack transverse to the stacking direction can be prevented.
Weitere vorteilhafte Ausgestaltungen der erfindungsgemäßen Batterie ergeben sich aus den restlichen abhängigen Ansprüchen und werden anhand des Ausführungsbeispiels deutlich, welches nachfolgend unter Bezugnahme auf die Figuren erläutert ist.Further advantageous embodiments of the battery according to the invention will become apparent from the remaining dependent claims and will be apparent from the embodiment, which is explained below with reference to the figures.
Dabei zeigen:Showing:
In
Nun kommt es beim Laden und Entladen der Batterieeinzelzellen zu einer Variation ihres Volumens in Abhängigkeit des Ladezustands. Diese als Atmen bezeichnete Volumenänderung kann bei üblichen Flachzellen in Lithium-Ionen-Technologie, welche beispielsweise eine Dicke in Stapelrichtung von ca. 10–15 mm aufweisen, durchaus in einer Größenordnung von ca. 0,1–0,4 mm liegen. Wird die Batterie
In der Schnittdarstellung der
Aufgrund der federelastischen Elemente
Die Batterie
Der Aufbau erlaubt es nun, dass insgesamt durch das „Atmen” der Batterieeinzelzellen
Durch die Anordnung der Lagerung, wie sie beispielsweise in dem Ausführungsbeispiel der
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG QUOTES INCLUDE IN THE DESCRIPTION
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