DE102010012998A1 - Battery e.g. lithium ion battery, for storing traction energy in e.g. electric propelled car, has battery single cells comprising intermediate member whose surfaces correspondingly form recesses on surfaces of battery single cells - 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 bevorzugt 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 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. Beispielhaft soll hierzu auf die Batterie verwiesen werden, welche durch die
Bei den Flachzellen, welche sehr häufig als Batterieeinzelzellen für Lithium-Ionen-Batterien eingesetzt werden, sind dabei zwei verschiedene Bauarten gängig. Die eine Bauart ist eine sogenannte Rahmenflachzelle, bei welcher ein stabiler Rahmen zwei Deckelemente voneinander beabstandet. Der sich im Inneren bildende Raum ist dann mit dem elektrochemisch aktiven Material, typischerweise einem Stapel von Anodenfolien, Kathodenfolien, Separatoren und Elektrolyt, gefüllt. Als Alternative hierzu sind Zellen denkbar, welche durchgehend ein Gehäuse aufweisen, welches beispielsweise als quaderförmiger Hohlraum ausgebildet ist, so wie es in der oben genannten US-Schrift zu erkennen ist. Eine sehr viel einfachere und kostengünstigere Variante hiervon ist eine Batterieeinzelzelle, welche so aufgebaut ist, dass die elektrochemisch aktiven Materialien in Folie eingeschweißt ausgebildet sind. Die Folie bildet dann eine Art Beutel um den elektrochemisch aktiven Teil der Batterieeinzelzelle. Die Pole der beiden elektrischen Anschlüsse der Batterieeinzelzelle, ragen aus diesem verschweißten Beutel typischerweise auf einer Seite heraus. Aufgrund der Beutelform wird die so aufgebaute Batterieeinzelzelle auch als Pouch- oder Coffeebag-Zelle bezeichnet.In the flat cells, which are very often used as battery cells for lithium-ion batteries, two different types are common. One type is a so-called frame flat cell, in which a stable frame two cover elements spaced from each other. The interior forming space is then filled with the electrochemically active material, typically a stack of anode foils, cathode foils, separators, and electrolyte. As an alternative, cells are conceivable which have a housing throughout, which is formed for example as a cuboid cavity, as can be seen in the above-mentioned US-Script. A much simpler and less expensive variant of this is a battery single cell, which is constructed so that the electrochemically active materials are formed in a shrink-wrapped film. The film then forms a kind of bag around the electrochemically active part of the single battery cell. The poles of the two electrical connections of the single battery cell, protrude from this welded bag typically on one side. Due to the bag shape, the single battery cell thus constructed is also referred to as a pouch or coffee bag cell.
Die Problematik beim Stapeln solcher als Pouch- oder Coffeebag-Zellen ausgebildeter Batterieeinzelzellen liegt nun darin, dass sich diese sehr leicht gegeneinander bewegen und somit bereits beim Stapeln und bei der Montage vergleichsweise aufwendig sind. Auch wenn das Stapeln erledigt ist und der Stapel beispielsweise durch Spannbänder, Zuganker oder dergleichen verspannt vorliegt, können die Zellen sich weiterhin quer zur Stapelrichtung gegeneinander bewegen, beispielsweise wenn es zu einer Ausdehnung der Zellen aufgrund unterschiedlicher Ladezustände kommt.The problem with stacking such trained as Pouch- or Coffeebag cells battery cells now lies in the fact that they move very easily against each other and thus are already relatively expensive during stacking and assembly. Even if the stacking is done and the stack is present, for example, strained by tension bands, tie rods or the like, the cells can continue to move transversely to the stacking direction against each other, for example, if there is an expansion of the cells due to different states of charge.
Auch beim bevorzugten Einsatz der Batterie als Batterie in einem Elektro- oder Hybridfahrzeug können durch Vibrationen oder dergleichen Situationen auftreten, in welchen die Stabilität des Stapels aus den Batterieeinzelzellen gefährdet ist. Dies gilt insbesondere dann, wenn das mit der Batterie ausgestattete Fahrzeug in einen Unfall verwickelt ist. Bei den dann auftretenden Beschleunigungen auf die Batterie, beispielsweise bei einem Zusammenstoss von Fahrzeugen, kann die Stabilität des Stapels der Batterieeinzelzellen stark gefährdet sein. Werden die Batterieeinzelzellen nun in Lithium-Ionen-Technologie ausgebildet, so muss ferner, um Gefahrgutverordnungen gerecht zu werden, darauf geachtet werden, eine solche Instabilität des Stapels an Batterieeinzelzellen zu verhindern. Wenn beispielsweise die Hüllen der Batterieeinzelzellen verletzt werden, geht von der Batterie eine erhebliche Gefahr aus. Der Kontakt zwischen Lithium und dem beispielsweise zur Kühlung eingesetzten Wasser könnte heftige chemische Reaktionen nach sich ziehen.Even in the preferred use of the battery as a battery in an electric or hybrid vehicle, vibrations or the like can cause situations in which the stability of the stack from the battery individual cells is jeopardized. This is especially true when the vehicle equipped with the battery is involved in an accident. In the then occurring accelerations on the battery, for example, in a collision of vehicles, the stability of the stack of battery cells may be at great risk. If the battery individual cells are now formed in lithium-ion technology, care must also be taken, in order to meet dangerous goods regulations, to prevent such instability of the stack of individual battery cells. For example, if the shells of the battery individual cells are injured, the battery poses a considerable risk. The contact between lithium and the water used, for example, for cooling could lead to violent chemical reactions.
Es ist nun die Aufgabe der hier vorliegenden Erfindung, die eingangs genannten Nachteile zu vermeiden und einen Aufbau für eine Batterie anzugeben, welcher eine sehr einfache und zuverlässige Montage ermöglicht, und welcher darüber hinaus eine hohe Sicherheit für die Batterie gewährleistet.It is now the object of the present invention to avoid the disadvantages mentioned above and to provide a structure for a battery, which allows a very simple and reliable installation, and which also ensures high security for the battery.
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 der Stapel abwechselnd aus Batterieeinzelzellen und jeweils wenigstens einem Zwischenelement gestapelt ist, wobei das Zwischenelement auf seiner/seinen der/den Batterieeinzelzelle/n zugewandten Fläche eine mit der Fläche der Batterieeinzelzelle korrespondierende Form aufweist, kommt es zu einer sicheren und zuverlässigen Anlage der Batterieeinzelzelle im Bereich dieser korrespondierenden Form. Damit wird die Batterieeinzelzelle quer zur Stapelrichtung in der korrespondierenden Form des Zwischenelements sicher und zuverlässig gehalten. Das Zwischenelement kann dabei als sehr einfaches und leichtes Zwischenelement, beispielsweise aus einem Kunststoff, einem faserverstärkten Kunststoff oder dergleichen, ausgebildet sein. Alternativ dazu wäre es auch denkbar, das Zwischenelement aus einem metallischen Werkstoff herzustellen, welcher als korrespondierende Form beispielsweise über Tiefziehen eingebrachte Vertiefung oder dergleichen aufweist. Auch dieser würde die Funktionalität erfüllen und könnte darüber hinaus weitere Funktionalitäten, wie eine thermische oder elektrische Leitung, mit übernehmen.Characterized in that the stack is stacked alternately from battery individual cells and at least one intermediate element, wherein the intermediate element on its / the battery single cell / n facing surface has a corresponding to the surface of the battery single cell shape, there is a safe and reliable investment of Single battery cell in the area of this corresponding shape. Thus, the single battery cell is held securely and reliably transversely to the stacking direction in the corresponding shape of the intermediate element. The intermediate element can be designed as a very simple and lightweight intermediate element, for example made of a plastic, a fiber-reinforced plastic or the like. Alternatively, it would also be conceivable to produce the intermediate element from a metallic material, which has as a corresponding shape, for example, deep drawing introduced depression or the like. Again, this would fulfill the functionality and could also take over other functionalities, such as a thermal or electrical line, with.
In einer weiteren besonders günstigen Ausgestaltung der erfindungsgemäßen Batterie ist es vorgesehen, dass zwischen jeweils zwei der Batterieeinzelzellen genau ein Zwischenelement angeordnet ist, welches auf jeder seiner den Batterieeinzelzellen zugewandten Flächen eine zur jeweiligen Batterieeinzelzelle korrespondierende Form aufweist. Dieser Aufbau mit einem einzigen Zwischenelement, welches beispielsweise als eine Art Doppelwanne ausgebildet ist, zwischen zwei benachbarten Batterieeinzelzellen kann mit minimaler Anzahl an Bauteilen ein sicheres Stapeln der Batterieeinzelzellen gewährleisten. In a further particularly advantageous embodiment of the battery according to the invention, it is provided that between each two of the battery individual cells exactly one intermediate element is arranged, which has on each of its individual battery cells facing surfaces corresponding to each battery single cell shape. This structure with a single intermediate element, which is designed for example as a kind of double trough, between two adjacent battery individual cells can ensure a secure stacking of the battery individual cells with a minimum number of components.
Wird die korrespondierende Form beispielsweise als Vertiefung ausgebildet, so ist diese gemäß einer sehr günstigen und vorteilhaften Weiterbildung der Erfindung so ausgebildet, dass der neben der Vertiefung liegende Randbereich des Zwischenelements die jeweilige Batterieeinzelzelle nicht berührt. Die korrespondierende Vertiefung nimmt also die Batterieeinzelzelle auf, ohne so tief zu sein, dass die Batterieeinzelzelle in den Randbereichen das Zwischenelement berührt. Damit kann sichergestellt werden, dass ein reibender Kontakt zwischen dem Randbereich und der Batterieeinzelzelle, welche beispielsweise als in Folie eingeschweißte Pouch-Zelle ausgebildet ist, verhindert wird. Damit kann die Folie auch bei Vibrationen, wie sie beispielsweise beim Einsatz in Kraftfahrzeugen auftreten, nicht aufgerieben oder beschädigt werden, und es kann kein Elektrolyt austreten oder das Vakuum der Batterieeinzelzelle zerstört werden.If, for example, the corresponding shape is formed as a depression, then, according to a very favorable and advantageous development of the invention, it is designed such that the edge region of the intermediate element lying next to the depression does not touch the respective single battery cell. The corresponding recess thus receives the single battery cell, without being so deep that the single battery cell touches the intermediate element in the edge regions. This can be ensured that a frictional contact between the edge region and the battery single cell, which is designed for example as a sealed-in foil pouch cell, is prevented. Thus, the film can not be rubbed or damaged even with vibrations, such as those that occur in motor vehicles, for example, and no electrolyte can escape or the vacuum of the single battery cell can be destroyed.
Ferner kann es gemäß einer besonders vorteilhaften Weiterbildung des erfindungsgemäßen Aufbaus vorgesehen sein, dass zumindest einige der Zwischenelemente im Bereich ihrer zwischen den Batterieeinzelzellen liegenden Bereichen elastische Elemente aufweisen. Diese elastischen Elemente, welche in einer besonders günstigen Weiterbildung dieser Idee quer zur Stapelrichtung an zumindest zwei Seiten über den Stapel der Batterieeinzelzellen hinausragen, können als Dämpfungselemente eingesetzt werden. Somit werden eventuelle Stöße, welche der Stapel der Batterieeinzelzellen erfährt, über diese elastischen Elemente aufgenommen und können in diesen abgefedert beziehungsweise gedämpft werden. Damit werden harte Stöße auf den Stapel verhindert, insbesondere auch in einem Crashfall. Beschädigungen der Batterieeinzelzellen beziehungsweise des Stapels an Batterieeinzelzellen können so vermieden oder zumindest minimiert werden.Furthermore, according to a particularly advantageous development of the construction according to the invention, it can be provided that at least some of the intermediate elements have elastic elements in the region of their regions lying between the battery individual cells. These elastic elements, which protrude in a particularly favorable development of this idea transverse to the stacking direction on at least two sides over the stack of battery cells, can be used as damping elements. Thus, any shocks experienced by the stack of battery cells, taken over these elastic elements and can be cushioned or damped in these. This prevents hard impacts on the stack, especially in the event of a crash. Damage to the individual battery cells or the stack of individual battery cells can be avoided or at least minimized.
In einer besonders günstigen und vorteilhaften Weiterbildung dieser Idee ist es außerdem vorgesehen, dass der Stapel der Batterieeinzelzellen in einem Gehäuse angeordnet ist, wobei die elastischen Elemente im eingebauten Zustand des Stapels an dem Gehäuse anliegen. Die elastischen Elemente tragen damit den Stapel gegenüber dem Gehäuse. Diese Anlage kann gemäß einer sehr vorteilhaften Weiterbildung unter einer gewissen Vorspannung erfolgen. Der Stapel ist also ohne weitere Elemente sicher und einfach in dem Gehäuse der Batterie fixiert. Durch die elastischen Elemente ist er dennoch von dem Gehäuse der Batterie entkoppelt, sodass nicht alle Vibrationen, Stöße, Schläge und dergleichen von dem Gehäuse an der Batterie in voller Härte auf den Stapel durchschlagen. Auch dies dient der Sicherheit des Stapels beispielsweise im Crashfall und kann den Stapel im regulären Betrieb von einer Belastung durch Vibrationen schützen.In a particularly favorable and advantageous development of this idea, it is also provided that the stack of battery cells is arranged in a housing, wherein the elastic elements rest in the installed state of the stack to the housing. The elastic elements thus carry the stack relative to the housing. This system can be done under a certain bias according to a very advantageous development. The stack is therefore safe and easy in the housing of the battery without any further elements. Nevertheless, it is decoupled from the housing of the battery by the elastic elements, so that not all vibrations, shocks, impacts and the like from the housing strike the stack with full hardness on the stack. This also serves the security of the stack, for example, in the event of a crash and can protect the stack in normal operation of a load caused by vibration.
In einer sehr günstigen und vorteilhaften Weiterbildung der erfindungsgemäßen Batterie ist es außerdem vorgesehen, dass die Zwischenelemente zumindest teilweise aus Metall ausgebildet und in den metallischen Bereichen mit den korrespondierenden Polen der beiden benachbarten Batterieeinzelzellen verbunden sind. Damit lässt sich über die Zwischenelemente beziehungsweise über die metallischen Bereiche in den Zwischenelementen eine entsprechende Kontaktierung der benachbarten Batterieeinzelzellen erreichen, sodass diese beispielsweise in Reihe zueinander verschaltet werden können. Damit lassen sich aufwendige Aufbauten zur Kontaktierung der elektrischen Pole der Batterieeinzelzellen vermeiden.In a very favorable and advantageous development of the battery according to the invention, it is also provided that the intermediate elements are at least partially formed of metal and connected in the metallic areas with the corresponding poles of the two adjacent battery individual cells. In this way, a corresponding contacting of the adjacent individual battery cells can be achieved via the intermediate elements or via the metallic regions in the intermediate elements, so that they can be interconnected, for example, in series with one another. This makes it possible to avoid expensive structures for contacting the electrical poles of the individual battery cells.
In einer sehr günstigen und vorteilhaften Weiterbildung dieser Idee ist es vorgesehen, dass das Zwischenelement zwischen zwei benachbarten Batterieeinzelzellen mit einer Trennung quer zur Stapelrichtung zweiteilig aus Metall aufgebaut ist, wobei jeder Teil des Zwischenelements mit jeweils einem Pol der zu dem Teil benachbarten Batteriezelle verbunden ist. Dieser Aufbau mit zweiteiligen Zwischenelementen sieht es also vor, dass beispielsweise bereits bei der Montage der Batterieeinzelzellen diese auf jeder ihrer Flachseiten mit einem Teil des Zwischenelements versehen wird, welches mit jeweils einem der Pole der Batterieeinzelzelle verbunden ist. Wird dieser Aufbau aus Batterieeinzelzelle und zwei Teilen eines Zwischenelementes dann gestapelt, so kommen die beiden Teile des Zwischenelements in Kontakt zueinander und bilden das zweiteilige zwischen zwei benachbarten Batterieeinzelzellen angeordnete Zwischenelement. Dieser Kontakt stellt dabei gleichzeitig den elektrischen Kontakt zwischen der einen Batterieeinzelzelle und der anderen Batterieeinzelzelle dar. Durch einfaches Stapeln dieser Aufbauten aufeinander lässt sich also eine Kontaktierung der Batterieeinzelzellen erreichen. Der Stapel wird bei entsprechender Stapelrichtung automatisch in Reihe geschaltet, sodass auf der einen Seite des Stapels der eine Pol und auf der Seite des Stapels der andere Pol anliegt. Dies ist vergleichsweise einfach und kostengünstig, da bei der Montage die elektrische Kontaktierung automatisch entsteht, ohne dass hierfür ein zusätzlicher Montageaufwand notwendig wäre.In a very favorable and advantageous development of this idea, it is provided that the intermediate element between two adjacent battery cells with a separation transverse to the stacking direction is constructed in two parts of metal, each part of the intermediate element is connected to one pole of the battery cell adjacent to the part. This construction with two-part intermediate elements thus provides that, for example, during the assembly of the individual battery cells, it is provided on each of its flat sides with a part of the intermediate element which is connected to one of the poles of the single battery cell. If this construction of individual battery cells and two parts of an intermediate element is then stacked, the two parts of the intermediate element come into contact with one another and form the two-part intermediate element arranged between two adjacent individual battery cells. At the same time, this contact represents the electrical contact between the single battery cell and the other single battery cell. By simply stacking these assemblies on each other, it is therefore possible to contact the battery individual cells. The stack is automatically connected in series with appropriate stacking direction, so that on one side of the stack of a pole and on the side of the stack of the other pole is applied. This is relatively simple and inexpensive, since during assembly, the electrical contact is formed automatically, without the need for additional installation effort would be necessary.
Weitere vorteilhafte Ausgestaltungen der erfindungsgemäßen Batterie ergeben sich aus den restlichen abhängigen Ansprüchen und werden anhand des Ausführungsbeispiels deutlich, welche 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
In der Darstellung der
In der Darstellung der
In der Darstellung der
Durch die elastischen Elemente
Die Zwischenelemente
Nun ist es jedoch auch denkbar, die Zwischenelemente
Beispielhaft ist dies in einer Ausführungsform der Zwischenelemente
Die metallischen Teile
An der den elektrischen Polen
Die Verbindung zwischen dem Kontaktbereich
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