DE102010012993A1

DE102010012993A1 - Batterie und Verfahren zur Herstellung einer Batterie

Info

Publication number: DE102010012993A1
Application number: DE201010012993
Authority: DE
Inventors: Dr.-Ing. Meintschel Jens; Dipl.-Ing. Dr. Schröter Dirk
Original assignee: Daimler AG
Current assignee: Mercedes Benz Group AG
Priority date: 2010-03-26
Filing date: 2010-03-26
Publication date: 2011-09-29

Abstract

Die Erfindung betrifft eine Batterie (1) mit mehreren Einzelzellen (2) und einer Wärmeleitplatte (6) zu deren Kühlung, wobei jeweils eine Einzelzelle (2) mittels jeweils zumindest eines Befestigungselements (2.34, 2.35) unmittelbar an der Wärmeleitplatte (6) befestigt ist. Erfindungsgemäß ist das Befestigungselement (2.34, 2.35) als ein gemeinsames Formteil mit einem Rahmen (2.3) der Einzelzelle (2) ausgebildet. Die Erfindung betrifft weiterhin ein Verfahren zur Herstellung einer Batterie (1) mit mehreren Einzelzellen (2) und einer Wärmeleitplatte (6) zu deren Kühlung, wobei jeweils eine Einzelzelle (2) mittels jeweils zumindest eines Befestigungselements (2.34, 2.35) unmittelbar an der Wärmeleitplatte (6) befestigt wird. Erfindungsgemäß wird das Befestigungselement (2.34, 2.35) als ein gemeinsames Formteil mit einem Rahmen (2.3) der Einzelzelle (2) gebildet.

Description

Die Erfindung betrifft eine Batterie mit mehreren Einzelzellen und einer Wärmeleitplatte zu deren Kühlung, wobei jeweils eine Einzelzelle mittels jeweils zumindest eines Befestigungselements unmittelbar an der Wärmeleitplatte befestigt ist.
Die Erfindung betrifft weiterhin ein Verfahren zur Herstellung einer Batterie mit mehreren Einzelzellen und einer Wärmeleitplatte zu deren Kühlung, wobei jeweils eine Einzelzelle mittels jeweils zumindest eines Befestigungselements unmittelbar an der Wärmeleitplatte befestigt wird.
Die P810600/DE/1 (amtliches Aktenzeichen 10 2007 036 849.8) beschreibt eine Einzelzelle für eine Batterie mit einem innerhalb eines Zellengehäuses angeordneten Elektrodenstapel sowie ein Verfahren zu deren Herstellung. Die einzelnen Elektroden, vorzugsweise Elektrodenfolien, sind mit Stromableiterfahnen elektrisch leitend verbunden, wobei zumindest Elektroden unterschiedlicher Polarität durch einen Separator, vorzugsweise eine Separatorfolie, voneinander isolierend getrennt sind. Stromableiterfahnen gleicher Polarität sind elektrisch leitend miteinander zu einem Pol verbunden. Die Stromableiterfahnen eines Pols sind elektrisch leitend miteinander verpresst und/oder verschweißt.
Auch die P810601/DE/1 (amtliches Aktenzeichen 10 2007 036 847.1) beschreibt eine Einzelzelle einer Batterie mit innerhalb eines Zellengehäuses angeordneten Elektroden, vorzugsweise Elektrodenfolien, wobei an jeder Elektrode eine Stromableiterfahne elektrisch leitend angeordnet ist, wobei zumindest Elektroden ungleicher Polarität durch einen Separator, vorzugsweise eine Separatorfolie, voneinander isolierend getrennt sind, wobei die Stromableiterfahne elektrisch leitend mit einem Pol verbunden ist. Ein jeder Pol ist mit einem elektrisch leitenden Bereich einer Außenseite des Zellengehäuses elektrisch leitend verbunden. Die betreffenden beiden Bereiche unterschiedlicher Polarität sind elektrisch voneinander isoliert und an den betreffenden Bereichen sind Polfahnen angeordnet, die freistehend von dem Zellengehäuse abragen.
Ferner offenbart die P810649/DE/1 (amtliches Aktenzeichen 10 2007 063 179.2) eine Batterie mit einer Wärmeleitplatte zum Temperieren der Batterie, wobei die Batterie mehrere parallel und/oder seriell miteinander verschaltete Einzelzellen aufweist, die jeweils zumindest bereichsweise von einem Zellengehäuse umgeben und Wärme leitend mit der Wärmeleitplatte verbunden sind. Dabei weist zumindest eine der Gehäuseseitenwände des Zellengehäuses abschnittsweise ein über die Länge der jeweiligen Einzelzelle hinausgehendes Seitenwandelement auf, das gegenüber der Gehäuseseitenwand in Richtung zum Zelleninneren abgewinkelt ist und zumindest einen Abschnitt einer quer zur Gehäuseseitenwand angeordneten Gehäusewand bildet.
Die noch nicht veröffentlichte Anmeldung DE 2008 034 888.0 der Anmelderin offenbart eine Batterie mit mehreren jeweils ein Zellgehäuse aufweisenden Batteriezellen und einer Kühlplatte zu deren Kühlung. Die Batterie weist eine Anpressvorrichtung auf, mittels derer die Zellgehäuse der Batteriezellen unmittelbar an die Kühlplatte pressbar sind. Dabei umfasst die Anpressvorrichtung Verbindungselemente zum Verbinden der Zellgehäuse mit der Kühlplatte, wobei die Verbindungselemente insbesondere Schrauben, Zuganker, Nieten und/oder Spannbänder sind. Dabei weist die Kühlplatte Ausnehmungen auf, durch welche die Verbindungselemente führbar sind, und die Zellgehäuse weisen jeweils ein Aufnahmeelement für ein Verbindungselement auf. Das Aufnahmeelement ist beispielsweise ein Innengewinde für eine Schraube, welche das Verbindungselement zwischen der Kühlplatte und einer Batteriezelle ausbildet.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine gegenüber dem Stand verbesserte Batterie mit mehreren Einzelzellen und ein Verfahren zur Herstellung einer Batterie anzugeben, anhand derer bei der Herstellung der Batterie ein geringer Bauteil- und Kostenaufwand sowie ein geringes Gewicht und eine leichte Handhabbarkeit der Batterie erzielbar sind.
Hinsichtlich der Batterie wird die Aufgabe erfindungsgemäß durch die im Anspruch 1 angegebenen Merkmale und hinsichtlich des Verfahrens durch die im Anspruch 11 angegebenen Merkmale gelöst.
Die Batterie umfasst mehrere Einzelzellen und eine Wärmeleitplatte zu deren Kühlung, wobei jeweils eine Einzelzelle mittels jeweils zumindest eines Befestigungselements unmittelbar an der Wärmeleitplatte befestigt ist.
Erfindungsgemäß ist das Befestigungselement als ein gemeinsames Formteil mit einem Rahmen der Einzelzelle ausgebildet.
Dabei ist das Befestigungselement zur Befestigung der Einzelzelle an der Wärmeleitplatte vorzugsweise durch eine in die Wärmeleitplatte eingebrachte Aussparung geführt.
Die aus dieser Befestigung der Einzelzellen an der Wärmeleitplatte resultierende unmittelbare Anpressung der Batteriezellen an die Wärmeleitplatte verbessert die Kühlung der Batteriezellen und erhöht die Stabilität des Zellverbunds der Batteriezellen. Aufgrund der Ausbildung des Befestigungselements als ein Formteil mit dem Rahmen sind in besonders vorteilhafter Weise keine zusätzlichen separaten Bauteile als Befestigungselemente erforderlich. Daraus resultiert neben einer vereinfachten Handhabbarkeit der Batterie bei deren Montage auch eine Gewichts- und Kosteneinsparung. Auch ist eine Verkürzung der Montagezeit der Batterie erzielbar.
Das Befestigungselement ragt insbesondere über eine Oberfläche der Wärmeleitplatte hinaus, wobei bevorzugt ein über die Oberfläche der Wärmeleitplatte hinausragender oberer Bereich des Befestigungselements einen größeren Querschnitt als die in die Wärmeleitplatte eingebrachte Aussparung aufweist. Dazu wird der obere Bereich nach der Durchführung durch die Aussparung der Wärmeleitplatte vorzugsweise zunächst verspannt und anschließend derart umgeformt, dass zwischen der Wärmeleitplatte und dem Befestigungselement eine kraft-, stoff- und/oder formschlüssige Verbindung entsteht. Zu dieser Umformung wird der obere Bereich insbesondere erwärmt und gestaucht oder mittels einer Ultraschallsonotrode erwärmt und gepresst. Somit ist es in besonders einfacher, zeitsparender und daraus folgend wiederum Kosten sparender Weise möglich, die Befestigungselemente, bei welchen es sich vorzugsweise um Niete handelt, zu erzeugen. Auch können zweckmäßigerweise mehrere Befestigungselemente gleichzeitig erzeugt werden, woraus sich eine weitere Zeiteinsparung ergibt.
In einer vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung sind das Befestigungselement und der Rahmen ein gemeinsam während eines Spritzgießprozesses gebildetes Formteil. In dem Spritzgießprozess lassen sich in einfacher Weise Formeile mit komplexen Formen und mit geringen Toleranzen herstellen. Auch zeichnet sich das während des Fließpressprozesses gebildete Formteil durch eine homogene Struktur aus, so dass insbesondere unterschiedliche Ausdehnungen von Bereichen des Formteils bei Temperaturänderungen und somit Spannungen und Beschädigungen des Formteils vermieden werden. Zusätzlich zeichnen sich das Formteil und daraus folgend das Befestigungselement durch eine besondere Langlebigkeit und Stabilität aus.
Vorzugsweise sind das Befestigungselement und der Rahmen aus einem elektrisch isolierenden Kunststoff gebildet. Dieser Kunststoff ist besonders einfach in dem Spritzgussverfahren verarbeitbar. Auch können insbesondere bei einer Ausbildung des Rahmens als ein zwischen zwei als Flachseiten ausgebildeten Gehäuseseitenwänden der Einzelzelle angeordneter, elektrisch isolierender Rahmen, wobei die Gehäuseseitenwände elektrische Pole der Einzelzelle bilden und in vorteilhafter Weise zusätzliche isolierende Anordnungen eingespart werden, wobei gleichzeitig die Handhabbarkeit der Einzelzelle erleichtert bzw. sicherer gestaltet ist.
In einer Ausgestaltung der Erfindung ist zwischen dem oberen Bereich des Befestigungselements und der Wärmeleitplatte ein Federelement, beispielsweise eine Tellerfeder, angeordnet, wobei das Federelement eine Aussparung zur Durchführung des Befestigungselements aufweist und ein Querschnitt der in die Wärmeleitplatte eingebrachten Aussparung größer als ein Querschnitt der Aussparung des Federelements ist. Somit ist eine Bewegung der Befestigungselemente in den Aussparungen der Wärmeleitplatte ohne Verspannungen möglich. Die Verwendung eines Federelements bewirkt vorteilhaft eine dauerhafte Vorspannung im Pressverbund der Wärmeleitplatte und Einzelzellen über die Lebensdauer der Batterie. Auch sind mögliche Setzerscheinungen und Toleranzen in diesem Pressverbund kompensierbar sowie eine verbesserte Kraftverteilung erzeugbar.
Ausführungsbeispiele der Erfindung werden im Folgenden anhand von Zeichnungen näher erläutert.
Dabei zeigen:
1 schematisch eine perspektivische Ansicht einer Batterie mit mehreren Einzelzellen,
2 schematisch eine perspektivische Ansicht einer Einzelzelle,
3 schematisch eine Explosionsdarstellung der Einzelzelle gemäß 2,
4 schematisch eine perspektivische Ansicht der Batterie auf eine Unterseite vor einer Umformung von Befestigungselementen,
5 schematisch eine Explosionsdarstellung der Batterie gemäß 4,
6 schematisch einen Querschnitt der Batterie gemäß 4,
7 schematisch eine perspektivische Ansicht der Batterie auf eine Unterseite nach der Umformung der Befestigungselemente,
8 schematisch einen Querschnitt der Batterie gemäß 7,
9 schematisch eine Detaildarstellung des Querschnitts gemäß 8 im Bereich des Befestigungselements,
10 schematisch eine Detaildarstellung der Batterie gemäß 7 im Bereich der Befestigungselemente,
11 schematisch einen Querschnitt einer Batterie, wobei zwischen einem oberen Bereich der Befestigungselemente und der Wärmeleitplatte jeweils ein Federelement angeordnet ist, und
12 schematisch eine Detaildarstellung des Querschnitts gemäß 11 im Bereich des Befestigungselements.
Einander entsprechende Teile sind in allen Figuren mit den gleichen Bezugszeichen versehen.
In 1 ist eine Batterie 1, die insbesondere eine Hochvolt-Batterie für Elektro- und/oder Hybridfahrzeuge ist, mit mehreren elektrisch miteinander verschalteten Einzelzellen 2 dargestellt.
Die in den 2 und 3 näher dargestellten Einzelzellen 2 sind als so genannte Rahmenflachzellen ausgebildet, deren Zellgehäuse aus zwei Gehäuseseitenwänden 2.1 und 2.2 und einem zwischen diesen angeordneten, randseitig umlaufenden sowie elektrisch isolierenden Rahmen 2.3, z. B. einem Kunststoffrahmen, gebildet ist.
Zur Herstellung der Batterie 1 sind die Einzelzellen 2 im dargestellten Ausführungsbeispiel elektrisch in Reihe miteinander verschaltet, wobei bei dieser Reihenschaltung eine elektrische Verbindung der Einzelzellen 2 durch eine Kontaktierung der Gehäuseseitenwände 2.1, 2.2 direkt benachbarter Einzelzellen 2 erreicht wird.
Zur mechanischen Bildung eines aus den Einzelzellen 2 bestehenden Zellverbunds Z werden die Einzelzellen 2 bei der elektrischen Reihenschaltung nebeneinander angeordnet. Randseitig, d. h. an der ersten und letzen Einzelzelle 2 des Zellverbunds Z, wird jeweils eine Polplatte 3, 4 angeordnet, welche als Hochvolt-Anschluss der Batterie 1, insbesondere zur Kopplung dieser, mit nicht näher dargestellten elektrischen Verbrauchern und einem Bordnetz des Fahrzeugs, ausgebildet ist. Zu dieser Kopplung weisen die Polplatten 3, 4 jeweils eine über die Einzelzellen 2 hinausragende fahnenartige Verlängerung 3.1, 4.1 auf, welche als elektrische Anschlusskontakte dienen.
Weiterhin sind die Einzelzellen 2 mittels so genannter Zuganker 5.1 bis 5.4 gemeinsam mit den Polplatten 3, 4 zu dem Zellverbund Z in Längsrichtung, d. h. senkrecht zur Längsausdehnung des Zellverbunds Z, verpresst. Die Zuganker 5.1 bis 5.4 sind dabei wie im dargestellten Ausführungsbeispiel durch den Zellverbund Z, d. h. randseitig durch die Einzelzellen 2 und die Polplatten 3, 4 hindurchgeführt. Alternativ sind die Zuganker 5.1 bis 5.4 in nicht näher dargestellter Weise außerhalb des Zellverbunds Z entlang geführt. Ebenfalls alternativ zu der dargestellten Verwendung der Zuganker 5.1 bis 5.4 zur Verpressung der Einzelzellen 2 zum Zellverbund Z werden in nicht näher dargestellter Weise so genannte Spannbänder verwendet.
Die aus den mehreren Einzelzellen 2 gebildete Batterie 1 umfasst weiterhin eine Wärmeleitplatte 6, wobei die Einzelzellen 2 zu einer Ableitung einer während des Betriebs der Batterie 1, insbesondere während eines Lade- und Entladevorgangs dieser, erzeugten Verlustwärme Wärme leitend mit der Wärmeleitplatte 6 verbunden sind.
Die Wärmeleitplatte 6 ist für eine hohe Wärmeabgabe vorzugsweise von einem Kühlmedium, beispielsweise einem Kältemittel einer Fahrzeugklimaanlage, durchströmbar, wobei die Wärmeleitplatte 6 Anschlusselemente 6.1, 6.2 zur Einbindung in einen derartigen Kühlkreislauf aufweist.
Die 2 und 3 zeigen eine Einzelzelle 2 in verschiedenen Ansichten.
Um eine Erhöhung der Wärmeabgabe an die Wärmeleitplatte 6 zu erzielen, weisen die Gehäuseseitenwände 2.1, 2.2 der Einzelzelle 2 auf einer der Wärmeleitplatte 6 zugewandten Seite jeweils ein zumindest abschnittsweise über die Länge der Einzelzelle 2 hinausgehendes Seitenwandelement 2.11 bzw. 2.21 auf, das gegenüber der jeweiligen Gehäuseseitenwand 2.1, 2.2 in Richtung zum Zelleninneren abgewinkelt ist.
Um eine elektrische Kopplung zwischen den Seitenwandelementen 2.11, 2.21, welche unterschiedliche elektrische Potenziale aufweisen, und somit einen zelleninternen Kurzschluss zu vermeiden, weist der Rahmen 2.3 an einer Seitenfläche, auf welche die Seitenwandelemente 2.11, 2.21 gelegt sind, einen Steg 2.31 auf, welcher zwischen den Seitenwandelementen 2.11, 2.21 angeordnet ist. Zusätzlich weist der Rahmen 2.3 in Randbereichen, in einem Abstand von dem Steg 2.31, der einer Breite eines jeweiligen Seitenwandelements 2.11, 2.21 entspricht, jeweils einen erhöhten Bereich 2.32, 2.33 auf. Zwischen dem Steg 2.31 und einem erhöhten Bereich 2.32 oder 2.33 ist jeweils ein Seitenwandelement 2.11 bzw. 2.21 angeordnet. Dabei weisen sowohl der Steg 2.31 als auch die erhöhten Bereiche 2.32 oder 2.33 in vorteilhafter Weise maximal die gleiche Höhe wie die Seitenwandelemente 2.11, 2.21 auf, so dass eine möglichst große Wärmeübergangsfläche zwischen den Seitenwandelementen 2.11, 2.21 und der Wärmeleitplatte 6 entsteht.
In dem Zellgehäuse der Einzelzelle 2, d. h. zwischen den Zellseitenwänden 2.1, 2.2 und innerhalb des Rahmens 2.3 ist ein Elektrodenstapel 2.4 angeordnet, dessen einzelne Elektroden 2.41, 2.42 unterschiedlicher Polarität, vorzugsweise Elektrodenfolien, durch einen Separator 2.43, insbesondere eine Separatorfolie, isolierend getrennt sind. Dabei sind bei einer Ausbildung der Einzelzelle 2 als Lithium-Ionen-Einzelzelle die Elektroden 2.41 der Anode vorzugsweise aus Aluminium und die Elektroden 2.42 der Kathode vorzugsweise aus Kupfer gebildet.
Die Elektroden 2.41, 2.42 sind weiterhin jeweils mit einem elektrochemisch aktiven Anodenmaterial bzw. Kathodenmaterial beschichtet, wobei bei einer Lithium-Ionen-Einzelzelle mögliche Anodenmaterialien beispielsweise Graphit, nanokristallines, amorphes Silizium oder Lithium-Titanat sind. Als Kathodenmaterialien sind u. a. Lithium-Cobalt-Oxid, Lithium-Nickel-Oxid oder Lithium-Eisen-Phosphat verwendbar.
Ein nach außerhalb des Elektrodenstapels 2.4 geführter Randbereich der jeweiligen Elektrode 2.41, 2.42 bzw. Elektrodenfolie, welcher nicht mit dem Anoden- bzw. Kathodenmaterial beschichtet ist, bildet jeweils eine Stromableiterfahne, wobei Stromableiterfahnen einer Polarität elektrisch leitend miteinander zu einem Pol P1 bzw. P2 verbunden sind.
Der den Elektrodenstapel 2.4 randseitig umlaufende Rahmen 2.3 weist zwei voneinander beabstandete, sich gegenüberliegende Materialrücknahmen auf, wobei jedoch im dargestellten Ausführungsbeispiel nur eine der Materialrücknahmen 2.38 dargestellt ist. Die Materialrücknahmen 2.38 sind dabei so ausgebildet, dass die aus den Stromableiterfahnen gebildeten Polkontakte P1, P2 in den Materialrücknahmen 2.38 anordbar sind. Die lichte Höhe der Materialrücknahmen 2.38 ist insbesondere so ausgebildet, dass sie der entsprechenden Erstreckung der unbeeinflusst übereinander gestapelten Stromableiterfahnen entspricht oder geringer als diese ist. Die Tiefe der Materialrücknahmen 2.38 entspricht der entsprechenden Erstreckung der Stromableiterfahnen oder ist größer ausgebildet als diese.
Die Pole P1 und P2 des Elektrodenstapels 2.4 sind jeweils elektrisch mit einer Gehäuseseitenwand 2.1 bzw. 2.2 verbunden. Die Gehäuseseitenwände 2.1, 2.2 sind dabei elektrisch leitfähig und aus einem Metall gebildet.
Zur Bildung des Zellgehäuses werden die Gehäuseseitenwände 2.1 und 2.2 stoff-, form- und/oder kraftschlüssig an dem Rahmen 2.3 befestigt, wobei der Elektrodenstapel 2.4 sicher zwischen dem Rahmen 2.3 und den Gehäuseseitenwänden 2.1, 2.2 und die Pole P1, P2 des Elektrodenstapels 2.4 sicher in den Materialrücknahmen 2.38 gehaltert sind. Aus dieser Befestigung resultiert neben der hohen Stabilität eine dichte Ausführung des Zellgehäuses, so dass keine Fremdstoffe in dieses eindringen können. Weiterhin ist sichergestellt, dass ein nach der Befestigung der Gehäuseseitenwände 2.1, 2.2 an dem Rahmen 2.3 eingefülltes Elektrolyt nicht austreten kann und ein Umfeld der aus den Einzelzellen 2 gebildeten Batterie 1 schädigt. Zur Einfüllung des Elektrolyts weist der Rahmen 2.3 vorzugsweise eine nicht näher dargestellte Einfüllöffnung auf, welche nach dem Einfüllen des Elektrolyts verschließbar ist.
Eine derartige stoff-, form- und/oder kraftschlüssige Befestigung erfolgt in nicht näher dargestellter Weise z. B. mittels Kleben, Verschweißen und/oder Verbindungselementen, um eine, hohe Stabilität der Verbindung zwischen den Gehäuseseitenwänden 2.1, 2.2 und dem Rahmen 2.3 zu erreichen.
Bei den nicht näher dargestellten Verbindungselementen handelt es sich insbesondere um Nieten, den Rahmen 2.3 zumindest randseitig umgreifende fahnenartige Verlängerungen der Gehäuseseitenwände 2.1, 2.2 und/oder an dem Rahmen 2.3 angeformte Halteelemente. Zur Erzeugung der form- und/oder kraftschlüssigen Verbindung weisen die Gehäuseseitenwände 2.1, 2.2 und/oder der Rahmen 2.3 vorzugsweise nicht näher dargestellte, zu den jeweiligen Verbindungselementen korrespondierende, Formen oder Aussparungen auf.
Auch eine Anbindung der Gehäuseseitenwände 2.1, 2.2 mittels eines Heißpressverfahrens ist möglich, wobei Bereiche des Rahmens 2.3 zumindest oberflächlich aufgeschmolzen werden und somit mit den Gehäuseseitenwänden 2.1, 2.2 verbunden werden.
Aufgrund der Befestigung der Gehäuseseitenwände 2.1, 2.2 an dem Rahmen 2.3 liegen die Pole P1 und P2 des Elektrodenstapels 2.4 plan auf den Gehäuseseitenwänden 2.1, 2.2 auf und sind vorzugsweise mit diesen verpresst. Durch diese Verpressung ist ein sicherer elektrischer Kontakt zwischen den Polen P1 und P2 und den zughörigen Gehäuseseitenwänden 2.1, 2.2 erzeugbar.
Alternativ oder zusätzlich ist es möglich, die Pole P1 und P2 mit den Gehäuseseitenwänden 2.1, 2.2 zu verschweißen, wobei während des Schweißens eine oder mehrere Schweißnähte und/oder Schweißpunkte erzeugt werden. In bevorzugter Weise werden beim Schweißen die Gehäuseseitenwände 2.1, 2.2 sowie weiter in der Tiefe die Pole P1, P2 bildenden Stromableiterfahnen des Elektrodenstapels 2.4 partiell aufgeschmolzen, so dass mit einer Schweißnaht und/oder einem Schweißpunkt alle die Pole P1, P2 bildenden Stromableiterfahnen sowie die entsprechende elektrisch leitende Gehäuseseitenwand 2.1, 2.2 insbesondere in einem Schritt miteinander verschweißt werden. Die damit erzeugbare stoffschlüssige Verbindung zwischen den Gehäuseseitenwänden 2.1, 2.2 und den Polen P1, P2 zeichnet sich durch einen besonders geringen Übergangswiderstand aus, so dass der elektrische Wirkungsgrad der Einzelzelle 2 und somit der gesamten Batterie 1 vergrößert wird.
Gemäß einer nicht näher dargestellten Weiterbildung der Erfindung werden die Stromableiterfahnen in einem gesonderten Verfahren vor der Erzeugung der elektrischen leitfähigen Verbindung mit den Gehäuseseitenwänden 2.1, 2.2 zu den Polen P1, P2 verpresst und/oder verschweißt.
Zur Durchführung der Zuganker 5.1 bis 5.4 durch den Zellverbund Z weisen die Gehäuseseitenwände 2.1, 2.2 und der Rahmen 2.4 jeweils vier Aussparungen ZA11 bis ZA14, ZA21 bis ZA24 und RA1 bis RA4 auf.
Um die Wärmeleitplatte 6 an dem aus den Einzelzellen 2 gebildeten Zellverbund Z zu befestigen, sind an der der Wärmeleitplatte 6 zugewandten Seitenfläche des Rahmens 2.3 der Einzelzelle 2 jeweils zwei Befestigungselemente 2.34, 2.35 angeordnet, welche als zylindrisch von der Seitenfläche nach oben abragendes Element ausgebildet sind. Alternativ sind auch andere Formen und Querschnitte der Befestigungselemente 2.34, 2.35 möglich.
Die Befestigungselemente 2.34, 2.35 sind als ein gemeinsames Formteil mit dem Rahmen 2.3 der Einzelzelle 2 ausgebildet. Dabei sind die Befestigungselemente 2.34, 2.35 und der Rahmen aus dem gleichen Material, insbesondere dem elektrisch isolierenden Kunststoff, gebildet und vorzugsweise in einem Spitzgießprozess gemeinsam hergestellt. Aufgrund der Herstellung des Rahmens 2.3 in dem Spritzgießprozess, lassen sich in besonders einfacher Weise komplexe Strukturen erzeugen.
Zu einer weiteren Fixierung der Wärmeleitplatte 6 in Querrichtung zur Längsausdehnung des Zellverbundes Z weist der Rahmen 2.3 der Einzelzelle 2 jeweils randseitig einen Steg 2.36, 2.37 auf, wobei ein Abstand zwischen den Stegen 2.36, 2.37 einer Breite der Wärmeleitplatte 6 entspricht, so dass diese sicher gegen seitliches Verrutschen unter dem Zellverbund Z befestigt ist.
Die 4 bis 6 zeigen die Batterie 1 in verschiedenen Darstellungen.
Da die Wärmeleitplatte 6 vorzugsweise aus einem sehr gut wärmeleitfähigen und deshalb insbesondere aus einem metallischen Material gebildet ist, ist zwischen den Einzelzellen 2 und der Wärmeleitplatte 6 vorzugsweise ein elektrisch isolierendes und wärmeleitfähiges Material, im dargestellten Ausführungsbeispiel eine Wärmeleitfolie 7, eingebracht.
Zur Befestigung der Einzelzellen 2 an der Wärmeleitplatte 6 werden die Befestigungselemente 2.34, 2.35 durch zu diesen korrespondierend ausgebildeten Aussparungen WA, welche randseitig in die Längsseiten der Wärmleitplatte 6 eingebracht sind, geführt. Dabei weist die Wärmeleitplatte 6 an den Längsseiten quer zum Zellverbund Z ausgebildete stegartige Verlängerungen auf, welche bündig auf dem Zellverbund Z aufliegen und randseitig von den Stegen 2.36, 2.37 der Rahmen 2.3 begrenzt werden, so dass die Wärmeleitplatte 6 gegen seitliches Verrutschen fixiert ist. In diese stegartigen Verlängerungen sind die Aussparungen WA als zu den Befestigungselementen 2.34, 2.35 korrespondierende Bohrungen eingebracht, wobei die stegartigen Verlängerungen eine geringere Dicke als der Abschnitt der Wärmeleitplatte 6, durch welche Kühlkanäle K1 bis K6 zur Führung des Kühlmediums geführt sind, aufweisen.
Dabei ragen die Befestigungselemente 2.34, 2.35 über eine Oberfläche der Wärmeleitplatte 6, d. h. über eine Oberfläche der stegartigen Verlängerungen, hinaus. Zur Befestigung der Einzelzellen 2 an der Wärmeleitplatte 6 werden die Befestigungselemente 2.34, 2.35 in einem oberen Bereich B gemäß den 7 bis 10 anschließend umgeformt.
Die 7 bis 10 zeigen die Batterie 1 nach der Umformung der Befestigungselemente 2.34, 2.35 in verschiedenen Ansichten.
Nach der Durchführung der Befestigungselemente 2.34, 2.35 durch die Aussparungen WA in der Wärmeleitplatte 6 werden die Befestigungselemente 2.34, 2.35 und somit die Einzelzellen 2 zunächst an der Wärmeleitplatte 6 verspannt und anschließend werden die Befestigungselemente 2.34, 2.35 dem oberen Bereich B derart umgeformt, dass der obere Bereich B einen größeren Querschnitt als die Aussparungen WA aufweist, so dass eine axiale Bewegung der Einzelzellen 2 und somit des Zellverbunds Z in Richtung der Aussparungen WA vermieden wird und der Zellverbund Z an der Wärmeleitplatte 6 fixiert ist.
Dabei werden die Einzelzellen 2 entweder einzeln oder in besonders vorteilhafter als gesamter Zellverbund Z, welcher durch die Zuganker 5.1 bis 5.4 mechanisch verbunden ist, durch die Aussparungen WA geführt und die Befestigungselemente 2.34, 2.35 werden einzeln bzw. gemeinsam umgeformt.
Diese Umformung erfolgt in nicht näher dargestellter Weise insbesondere anhand eines so genannten Wärmestauchens oder eines Ultraschallverfahrens.
Beim Wärmestauchen wird der obere Bereich B eines jeweiligen Befestigungselements 2.34, 2.35 mittels eines beheizten Metallstempels erwärmt und zumindest teilweise auf- oder angeschmolzen und gestaucht.
Bei dem Ultraschallverfahren wird eine hochfrequent schwingende Ultraschallsonotrode gegen die Befestigungselemente 2.34, 2.35 gepresst, so dass diese lokal im oberen Bereich B durch Reibungswärme auf- oder anschmelzen und derart verpresst werden, dass sich der Querschnitt des oberen Bereichs B vergrößert.
Eine besondere Vereinfachung des Umformprozesses ergibt sich bei einer gleichzeitigen Umformung mehrerer oder aller Befestigungselemente 2.34, 2.35, da hierbei ein besonders geringer Zeit- und Arbeitsaufwand erforderlich ist. Hierbei sind der Metallstempel oder die Ultraschallsonotrode derart ausgebildet, dass alle Befestigungselemente 2.34, 2.35 gleichzeitig von diesen erfasst werden und in einem Schritt auf- oder angeschmolzen und gestaucht bzw. gepresst werden.
Der obere Bereich B der Befestigungselemente 2.34, 2.35 wird sowohl beim Wärmestauchen als auch während des Ultraschallverfahrens derart umgeformt, dass wie im dargestellten Ausführungsbeispiel ein Nietkopf entsteht.
Die 11 und 12 zeigen eine besonders vorteilhafte Weiterbildung der Batterie 1, wobei zwischen dem als Nietkopf ausgebildeten oberen Bereich B der Befestigungselemente 2.34, 2.35 jeweils ein Federelement 8 angeordnet ist.
Das Federelement 8 weist eine nicht dargestellte Aussparung zur Durchführung des jeweiligen Befestigungselements 2.34, 2.35 auf, wobei ein Querschnitt der Aussparung WA in der Wärmeleitplatte 6 größer als ein Querschnitt der Aussparung des Federelements 8 ist, so dass eine Querbewegung der Befestigungselemente 2.34, 2.35 in den Aussparungen WA der Wärmeleitplatte 6, beispielsweise hervorgerufen durch Wärmeausdehnungen, ohne Verspannungen möglich ist.
Zur Befestigung der Einzelzellen 2 bzw. des Zellverbunds Z an der Wärmeleitplatte 6, werden die Befestigungselemente 2.34, 2.35 zunächst durch die Aussparungen WA in der Wärmeleitplatte 6 geführt. Anschließend werden die Federelemente 8 derart positioniert, dass die Befestigungselemente 2.34, 2.35 durch die in diese eingebrachten Aussparungen hindurchragen, so dass nach einer folgenden Umformung der oberen Bereiche B der Befestigungselemente 2.34, 2.35 die Federelemente 8 zwischen den Nietköpfen und der Wärmeleitplatte 6 angeordnet sind.
Im dargestellten Ausführungsbeispiel ist das Federelement 8 als metallische Tellerfeder ausgebildet, wodurch eine optimierte Kraftverteilung möglich ist. Alternativ sind die Federelemente 8 in nicht näher dargestellten Weiterbildungen als ebene metallische Unterlegscheiben oder metallische Spannbügel ausgebildet.
Bezugszeichenliste

1: Batterie
2: Einzelzelle
2.1: Gehäuseseitenwand
2.11: Seitenwandelement
2.2: Gehäuseseitenwand
2.21: Seitenwandelement
2.3: Rahmen
2.31: Steg
2.32, 2.33: erhöhter Bereich
2.34, 2.35: Befestigungselement
2.36, 2.37: Steg
2.38: Materialrücknahme
2.4: Elektrodenstapel
2.41, 2.42: Elektrode
2.43: Separator
3: Polplatte
3.1: Verlängerung
4: Polplatte
4.1: Verlängerung
5.1 bis 5.4: Zuganker
6: Wärmeleitplatte
6.1, 6.2: Anschlusselement
7: Wärmeleitfolie
8: Federelement
B: Bereich
P1, P2: Pol
RA1 bis RA4: Aussparung
ZA11 bis ZA14: Aussparung
ZA21 bis ZA24: Aussparung
WA: Aussparung
Z: Zellverbund

ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

DE 2008034888 [0006]

Claims

Batterie (1) mit mehreren Einzelzellen (2) und einer Wärmeleitplatte (6) zu deren Kühlung, wobei jeweils eine Einzelzelle (2) mittels jeweils zumindest eines Befestigungselements (2.34, 2.35) unmittelbar an der Wärmeleitplatte (6) befestigt ist, dadurch gekennzeichnet, dass das Befestigungselement (2.34, 2.35) als ein gemeinsames Formteil mit einem Rahmen (2.3) der Einzelzelle (2) ausgebildet ist.
Batterie (1) nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das Befestigungselement (2.34, 2.35) zur Befestigung der Einzelzelle (2) an der Wärmeleitplatte (6) durch eine in die Wärmeleitplatte (6) eingebrachte Aussparung (WA) geführt ist.
Batterie (1) nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das Befestigungselement (2.34, 2.35) über eine Oberfläche der Wärmeleitplatte (6) hinausragt, wobei ein über die Oberfläche der Wärmeleitplatte (6) hinausragender oberer Bereich (B) des Befestigungselements (2.34, 2.35) einen größeren Querschnitt als die in die Wärmeleitplatte (6) eingebrachte Aussparung (WA) aufweist.
Batterie (1) nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das Befestigungselement (2.34, 2.35) ein Niet ist.
Batterie (1) nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das Befestigungselement (2.34, 2.35) und der Rahmen (2.3) ein gemeinsam während eines Spritzgießprozesses gebildetes Formteil sind.
Batterie (1) nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das Befestigungselement (2.34, 2.35) und der Rahmen (2.3) aus einem elektrisch isolierenden Kunststoff gebildet sind.
Batterie (1) nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass zwischen dem oberen Bereich des Befestigungselements (2.34, 2.35) und der Wärmeleitplatte (6) ein Federelement (8) angeordnet ist.
Batterie (1) nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass das Federelement (8) eine Aussparung zur Durchführung des Befestigungselements (2.34, 2.35) aufweist.
Batterie (1) nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass ein Querschnitt der Aussparung des Federelements (8) kleiner als ein Querschnitt der in die Wärmeleitplatte (6) eingebrachten Aussparung (WA) ist.
Batterie (1) nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Rahmen (2.3) zwischen zwei als Flachseiten ausgebildeten Gehäuseseitenwänden (2.1, 2.2) der Einzelzelle (2), welche die elektrischen Pole (P1, P2) der Einzelzelle (2) bilden, angeordnet ist.
Verfahren zur Herstellung einer Batterie (1) mit mehreren Einzelzellen (2) und einer Wärmeleitplatte (6) zu deren Kühlung, wobei jeweils eine Einzelzelle (2) mittels jeweils zumindest eines Befestigungselements (2.34, 2.35) unmittelbar an der Wärmeleitplatte (6) befestigt wird, dadurch gekennzeichnet, dass das Befestigungselement (2.34, 2.35) als ein gemeinsames Formteil mit einem Rahmen (2.3) der Einzelzelle (2) gebildet wird.
Verfahren nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, dass das Befestigungselement (2.34, 2.35) zur Befestigung der Einzelzelle (2) an der Wärmeleitplatte (6) durch eine in die Wärmeleitplatte (6) eingebrachte Aussparung (WA) geführt wird.
Verfahren nach Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet, dass nach der Durchführung des Befestigungselements (2.34, 2.35) durch die Aussparung (WA) ein über die Oberfläche der Wärmeleitplatte (6) hinausragender oberer Bereich (B) des Befestigungselements (2.34, 2.35) derart umgeformt wird, dass dieser einen größeren Querschnitt als die Aussparung (WA) aufweist.
Verfahren nach Anspruch 13, dadurch gekennzeichnet, dass zur Umformung der obere Bereich (B) erwärmt und gestaucht wird oder der obere Bereich (B) mittels einer Ultraschallsonotrode erwärmt und gepresst wird.
Verfahren nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, dass zwischen dem oberen Bereich (B) des Befestigungselements (2.34, 2.35) und der Wärmeleitplatte (6) ein Federelement (8) angeordnet wird.