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Die Erfindung betrifft eine Batterie mit einer Vielzahl von Batterieeinzelzellen nach der im Oberbegriff von Anspruch 1 näher definierten Art.
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Batterien, und insbesondere Hochvoltbatterien, wie sie beispielsweise in hybridisierten oder teilhybridisierten Antriebssträngen in Fahrzeugen eingesetzt werden, bestehen in der Regel aus einer Vielzahl von Batterieeinzelzellen, welche in Reihe und/oder parallel verschaltet werden. Sie bilden typischerweise zusammen mit der dazugehörenden Elektronik und Kühlung einen gemeinsamen Aufbau. Beispielhaft soll hierzu auf die
deutschen Patentanmeldungen 10 2007 063 181 und
10 2007 063 179 verwiesen werden, welche einen Aufbau von bipolaren Flachzellen mit Rahmen beschreibt.
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Eine bipolare Batteriezelle oder in diesem Fall eine bipolare Flachzelle ist dabei so aufgebaut, dass beide Pole der Batterie in einem Bereich des Zellgehäuses auf der Oberfläche des Zellgehäuses anliegen. Die in den beiden oben genannten Patentschriften dargestellten typischen Aufbauten einer sogenannten Rahmenflachzelle sehen dabei vor, dass die Batterieeinzelzelle durch metallische Hüllbleche verschlossen ist. Die beiden metallischen Hüllbleche der Batterieeinzelzellen sind durch einen isolierenden Rahmen elektrisch voneinander getrennt. Sie dienen gleichzeitig als Pole und als Wärmeleitblech. Die Wärme wird über entsprechend aufgedickte Hüllbleche nach außen weitergeleitet und an eine Kühlplatte abgegeben, die von einem Klimakühlmittel oder einer separaten Kühlflüssigkeit durchströmt wird. Zur elektrischen Isolation von Hüllblechen und metallischer Kühlplatte ist zwischen dem Stapel der Batterieeinzelzellen und der Kühlplatte eine elektrisch isolierende Wärmeleitfolie angeordnet.
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Zur elektrischen Reihenschaltung werden die Zellen aufeinander gestapelt, wobei die entsprechenden als Pole genutzten Hüllbleche die Batterieeinzelzellen elektrisch miteinander kontaktieren. Der Stapel an Batterieeinzelzellen wird dann an seinen Enden durch Polplatten abgeschlossen und über entsprechende Spannmittel verpresst. Die an den Enden des Zellenstapels liegenden Polplatten oder auch Endplatten sind nun typischerweise auch die Abgriffspunkte für die Hochvolt-Spannung beziehungsweise Leistung der Batterie.
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Durch diesen Hochvolt-Spannungsabgriff, welcher jeweils an den Enden des Zellenstapels liegt, müssen die elektrischen Anschlusselemente entsprechend an diesen Aufbau angepasst und zu den jeweiligen, typischerweise vergleichsweise weit auseinander liegenden Enden des Zellenstapels geführt werden. Insbesondere beim Einsatz in Fahrzeugen und dem damit verbundenen, häufig sehr engen Einbau der Batterie in bestehende Bauräume ist diese Festlegung des Spannungsabgriffs auf die beiden Enden des Zellenstapels sehr häufig ein gravierender Nachteil.
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Es ist nun die Aufgabe der hier vorliegenden Erfindung, diesen Nachteil zu vermeiden und eine Batterie anzugeben, bei welcher ohne nennenswerten zusätzlichen Aufwand an Bauraum und Bauteilen ein Hochvolt-Spannungsabgriff an einer beliebigen Stelle möglich ist.
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Diese Aufgabe wird durch die Merkmale im kennzeichnenden Teil des Anspruchs 1 gelöst.
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Dadurch, dass die Enden des Zellenstapels elektrisch miteinander verbunden sind und in dem Zellenstapel an wenigstens einer Stelle zwischen zwei benachbarten Batterieeinzelzellen ein elektrisches Anschlusselement ausgebildet ist, entsteht ein Aufbau, bei dem die Spannung des Zellenstapels an annähernd beliebiger Stelle abgegriffen werden kann. Dies erhöht die Flexibilität beim Einsatz einer Batterie mit einem derartigen Zellenstapel deutlich, da bei der Montage festgelegt werden kann, in welchem Bereich die elektrischen Anschlüsse für die Batterie positioniert werden. Damit können, basierend auf Standardaufbauten mit Batterieeinzelzellen in einer standardisierten bipolaren Flachbauweise, standardisierten Endplatten und Mitteln zum Verspannen des Zellenstapels bei der Montage der Batterie beliebige Lagen des Anschlusselementes realisiert werden.
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In einer besonders günstigen und vorteilhaften Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Aufbaus ist es dabei vorgesehen, dass die elektrisch leitenden Teilelemente des Anschlusselements als Polplatten ausgebildet sind, welche mit den benachbarten Batterieeinzelzellen in Kontakt stehen. Dieser Aufbau mit Polplatten, welche sich typischerweise im Wesentlichen quer zur Stapelrichtung des Zellenstapels erstrecken, ist dabei besonders einfach und effizient. Der Aufbau kann insbesondere so ausgestaltet sein, dass das Anschlusselement in etwa die Größe und Form einer Batterieeinzelzelle aufweist. Anstelle einer Batterieeinzelzelle kann dieses dann sehr einfach und effizient in den Stapel integriert werden. Da beim Stapeln der bipolaren Batterieeinzelzellen eine Kontaktierung der einzelnen Batterieeinzelzellen untereinander erfolgt, wird auch das Anschlusselement beziehungsweise seine Polplatten durch die Berührung mit der benachbarten Batterieeinzelzelle elektrisch kontaktiert. Damit kommt es automatisch zu einer Anlage des Pluspols des Zellenstapels an der einen Polplatte und einer Anlage des Minuspols des Zellenstapels an der anderen Polplatte des Anschlusselements.
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In einer weiteren besonders günstigen und vorteilhaften Ausgestaltungsform der erfindungsgemäßen Batterie ist es dabei vorgesehen, dass die elektrisch leitende Verbindung zwischen den beiden den Zellenstapel abschließenden Batterieeinzelzellen über eine Kontaktierung der jeweiligen Batterieeinzelzelle mit einer jeweils benachbarten Endplatte des Zellenstapels erfolgt, wobei die Endplatten elektrisch miteinander kontaktiert sind. Damit wird der Aufbau ähnlich wie beim Stand der Technik eingesetzt. Die Endplatten dienen der elektrischen Leitung und sind mit der benachbarten Batterieeinzelzelle entsprechend verbunden beziehungsweise berühren diese. Dann kann über die Endplatten die elektrische Kontaktierung der den Stapel jeweils abschließenden Batterieeinzelzellen erreicht werden. Diese elektrische Kontaktierung lässt sich dann, beispielsweise über elektrisch leitende Zuganker oder elektrisch leitende Spannbänder, welche als Spannmittel zum Fixieren des Zellenstapels ohnehin benötigt werden, realisieren. Alternativ hierzu wäre es auch denkbar, eine Stromschiene zwischen beispielsweise überstehenden Teilbereichen der beiden Endplatten anzubringen, oder auch, wie in einer älteren Patentanmeldung der Anmelderin mit dem deutschen Aktenzeichen
DE 10 2009 035 494.8 beschrieben, eine auf wenigstens einer Seite des Zellenstapels angebrachte Kühlplatte zur elektrischen Leitung zwischen den beiden Endplatten einzusetzen.
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Weitere vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung ergeben sich aus den restlichen Unteransprüchen und werden anhand des nachfolgend dargestellten Ausführungsbeispiels deutlich, welches unter Bezugnahme auf die Figuren näher erläutert wird.
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Dabei zeigen:
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1 eine dreidimensionale Ansicht einer Batterie gemäß dem Stand der Technik im verspannten Zustand;
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2 eine dreidimensionale Ansicht einer erfindungsgemäßen Batterie im verspannten Zustand;
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3 eine Explosionsdarstellung des Aufbaus gemäß 2;
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4 eine Schnittdarstellung des Aufbaus gemäß 2;
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5 eine dreidimensionale Darstellung eines Anschlusselements; und
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6 eine Explosionsdarstellung des Anschlusselements gemäß 5.
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In 1 ist eine Batterie 1 gemäß dem Stand der Technik dargestellt. Die Batterie 1 soll dabei insbesondere als Lithium-Ionen-Hochvoltbatterie ausgebildet sein, welche für den Einsatz in Hybrid- oder Mildhybrid-Anwendungen konzipiert ist. Sie wird damit in Fahrzeugen eingesetzt, welche einen hybridisierten oder teilhybridisierten Antriebsstrang aufweisen und unterstützend oder alternativ zum Antrieb über einen Verbrennungsmotor elektrisch angetrieben werden können. Die Batterie 1 in dem in 1 dargestellten beispielhaften Aufbau besteht aus einer Vielzahl von Batterieeinzelzellen 2, von welchen hier nur einige mit dem Bezugszeichen 2 versehen sind. Die Batterieeinzelzellen sind als bipolare Flachzellen ausgebildet, welche jeweils aus einem isolierenden Rahmen 3 sowie zwei elektrisch leitenden Hüllblechen 4 bestehen. Dieser Aufbau der Batterieeinzelzellen 2 ist im Längsschnitt durch die Batterie 1 in 4 besser zu erkennen und anhand einer beispielhaften Batterieeinzelzelle 2 mit Bezugszeichen versehen. Dabei sind die Batterieeinzelzellen 2 in 4 ohne ihr aktives Material dargestellt, welches jedoch in an sich bekannter Weise im Inneren des Rahmens 3 angeordnet ist.
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In 1 sind die Batterieeinzelzellen 2 zu einem Zellenstapel 5 gestapelt, welcher zwischen zwei Endplatten 6, 7 verspannt ist. Entsprechend dem Aufbau der Batterieeinzelzellen 2 als bipolare Rahmenflachzellen ist dabei die eine der Endplatten 6 der eine Pol der Batterie 1, beispielsweise der Pluspol, während die andere der Endplatten 7 beispielsweise die Polplatte des Minuspols darstellt. An diesen Polplatten können entsprechende Anschlüsse angeordnet sein, welche hier in Form von zwei mit Plus und Minus gekennzeichneten elektrischen Anschlüsse 8 angedeutet sind. Der Zellenstapel 5 wird in der hier dargestellten Ausführung von einem Deckelement 9 abgedeckt, welches beispielsweise eine isolierende Platte sein kann, oder welches auch als entsprechende Platine ausgebildet sein kann, welche elektronische Bauelemente und Schaltkreise beispielsweise zur Einzelzellenüberwachung der Batterieeinzelzellen 2 aufweist. Auch dieser Aufbau ist an sich bekannt und für das Prinzip der hier vorliegenden Erfindung nicht relevant. Das Deckelement 9 wird daher nicht weiter erläutert.
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Die Batterie 1 weist außerdem in an sich ebenfalls bekannter Art und Weise eine Kühlplatte 10 auf, welche auf der dem Deckelement 9 abgewandten Seite des Zellenstapels 5 angeordnet ist. Die Kühlplatte ist über eine elektrisch isolierende, wärmeleitende Folie oder eine elektrisch isolierende, wärmeleitende Vergussmasse mit den Batterieeinzelzellen 2 und hier insbesondere mit den Hüllblechen 4 der Batterieeinzelzellen 2 verbunden. Die Hüllbleche 4 führen dabei die in der Batterieeinzelzelle 2 entstehende Wärme in Richtung der Kühlplatte 10, welche diese dann abtransportiert. Dafür ist die Kühlplatte 10 in an sich bekannter Weise von einem flüssigen oder einem im Bereich der Kühlplatte verdampfenden Kühlmittel durchströmt, um in der Batterie 1 entstehende Abwärme abzuführen.
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Der Zellenstapel 5 zusammen mit den beiden Endplatten 6, 7 ist hier bei dem dargestellten Aufbau über zwei Spannbänder 11 zu einer mechanisch stabilen Einheit verspannt. Der Nachteil dieses Aufbaus liegt nun darin, dass die elektrischen Anschlüsse 8 zwingend im Bereich der Endplatten 6, 7 des Zellenstapels 5 liegen und damit die Flexibilität des Bauraums insbesondere bei der elektrischen Kontaktierung der Batterie 1 stark einschränken.
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In der Darstellung der 2 ist nun ein Aufbau zu erkennen, bei welchem die auch hier mit Plus und Minus gekennzeichneten elektrischen Anschlüsse 8 im Bereich des Zellenstapels 5 angeordnet sind. Ansonsten ist der Aufbau der Batterie 1 im Wesentlichen vergleichbar zu dem in 1 beschriebenen Aufbau. Auch hier ist eine Vielzahl von Batterieeinzelzellen 2 zu dem Zellenstapel 5 über die Spannbänder 11 verspannt und wird über eine Kühlplatte 10 entsprechend gekühlt. Der wesentliche Unterschied ist nun, dass die beiden Endplatten 6, 7 über eine Stromschiene 12 elektrisch leitend miteinander verbunden sind. Damit wird die in 2 mit 2a bezeichnete am einen Ende des Zellenstapels 5 liegende Batterieeinzelzelle über die Endplatte 6 und die Stromschiene 12 mit der anderen Endplatte 7 und darüber mit der am anderen Ende des Zellenstapels 5 liegenden mit 2b bezeichneten Batterieeinzelzelle verbunden. Ein elektrisches Anschlusselement 13, welches die beiden elektrischen Anschlüsse 8 trägt, ist dann in dem Zellenstapel 5 angeordnet. Die Anordnung kann dabei bei der Montage des Zellenstapels 5 an beliebiger Stelle in dem Zellenstapel 5 erfolgen. Durch die Kontaktierung der beiden den Zellenstapel 5 abschließenden Batterieeinzelzellen 2a, 2b, in dem hier dargestellten Ausführungsbeispiel über die Endplatten 6, 7 und die Stromschiene 12, entsteht dann ein Aufbau, bei welchem eine Reihenschaltung aller Batterieeinzelzellen 2 realisiert wird. Über die Endplatten 6, 7 und die Stromschiene 12 wird die Reihenschaltung dabei über die Enden des Zellenstapels 5 hinweg realisiert. Die beiden dem Anschlusselement 13 benachbarten Batterieeinzelzellen 2 sind bei diesem Aufbau dann praktisch die beiden elektrischen Enden des Zellenstapels 5. Sie sind mit jeweils einem elektrisch leitenden Teilelement 14, 15 des Anschlusselements 13 verbunden, welche wiederum mit den elektrischen Anschlüssen 8 verbunden sind. Dies ist in der Explosionsdarstellung der 3 nochmals deutlicher zu erkennen. In der Darstellung wurde dabei auf die Spannbänder 11, das Deckelement 9 und die Kühlplatte 10 verzichtet, um die Darstellung übersichtlicher zu machen. Das Anschlusselement 13 besteht dabei im Wesentlichen aus den beiden Teileelementen 14, 15, welche als Polplatten ausgebildet sind. Zwischen diesen elektrisch leitenden Polplatten ist ein elektrisch isolierendes Element 16 angeordnet, sodass die beiden elektrisch leitenden Polplatten 14, 15 nicht miteinander in Verbindung kommen. Dieses elektrisch isolierende Element 16 kann beispielsweise in der Art eines Rahmens ähnlich dem Rahmen 3 der Batterieeinzelzellen 2 aufgebaut sein.
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Beim Aufbau der Batterie 1 wird durch einfaches Stapeln der Batterieeinzelzellen 2 deren elektrische Kontaktierung erreicht. Durch ein Einlegen des Anschlusselements 13 an eine beliebige Stelle in den Zellenstapel 5 kann dann die Möglichkeit geschaffen werden, an eben dieser bei der Montage des Zellenstapels 5 beliebig wählbaren Stelle den Hochvoltabgriff, also den Leistungsanschluss der Batterie 1 zu realisieren. Dies ist auch in der Schnittdarstellung der 4 nochmals dargestellt. Die Schnittdarstellung der Batterie in zusammengebautem Zustand zeigt den bereits im Rahmen der 2 und 3 beschriebenen Aufbau nochmals im Detail, wobei auf die Darstellung der elektrochemisch aktiven Materialien in den einzelnen Batterieeinzelzellen 2 verzichtet wurde. In der Darstellung ist außerdem zu erkennen, dass das elektrisch isolierende Element 16 hier nicht lediglich als Rahmen ausgebildet ist, sondern als durchgehendes Element, um die beiden den gesamten Spannungsunterschied des Zellenstapels 5 tragenden Polplatten 14, 15 sicher und zuverlässig gegeneinander zu isolieren. In der vergrößerten Darstellung der 5 und 6 ist dieser Aufbau des Anschlusselements 13 nochmals deutlicher zu erkennen.
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Dabei sind die elektrischen Anschlüsse 8 so ausgebildet, dass sie an verschiedenen Stellen jeweils partiell aus dem Zellenstapel 5 und damit über das elektrisch isolierende Element 16 hinausragen. Aufbau und Abstand der elektrischen Anschlusselemente kann dabei annähernd beliebig gestaltet werden, beispielsweise so, dass ein Hochvoltanschluss entsprechend aufgesteckt, angeschraubt oder angeklemmt werden kann. Neben der hier dargestellten Variante, bei der beide elektrischen Anschlüsse 8 auf einer Seite des Zellenstapels 5 angeordnet sind, wäre es selbstverständlich auch denkbar, diese so anzuordnen, dass eines der elektrischen Anschlusselemente auf der einen Seite und das andere auf der anderen Seite des Zellenstapels 5 partiell über dieses hinausragt. An jedem hier dargestellten Ausführungsbeispiel als Stromableiterfahnen ausgebildeten elektrischen Anschlüssen 8 kann dann ein beliebiger Stecker oder dergleichen angeschlossen werden. Da an den beiden Polplatten 14, 15 des Anschlusselements 13 die gesamte Spannung des Zellenstapels 5 anliegt, weisen diese sehr stark voneinander abweichende Potentiale auf. Daher ist die Isolierung der beiden Polplatten gegeneinander durch das isolierende Element 16 besonders wichtig. In dem Aufbau der 5 und 6 ist zu erkennen, dass das isolierende Element 16 als durchgängiges Element aufgebaut ist, sodass zwischen den Polplatten 14, 15 durchgehend isolierendes Material angeordnet ist. Prinzipiell wäre auch ein Aufbau in der Art eines Rahmens denkbar, dann muss der Abstand zwischen den Polplatten jedoch so groß gewählt werden, dass durch die im Rahmen befindliche Luft kein Spannungsüberschlag stattfindet.
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Außerdem weist das Isolationselement 16, wie insbesondere in der Darstellung der 6 gut zu erkennen ist, an seinem oberen und seinem unteren Ende jeweils einen entsprechenden Bund auf. Damit lassen sich die Polplatten 14, 15 sicher und zuverlässig und in zumindest zwei Richtungen formschlüssig in dem Isolationselement 16 halten. Außerdem bildet dieser überstehende Bund, welcher dem Isolationselement im Querschnitt die Gestalt eines Doppel-T-Trägers verleiht, eine sehr gute elektrische Isolierung gegenüber dem Deckelement 9 und der Kühlplatte 4, sodass auch hier sichergestellt ist, dass keine unerwünschten Ströme fließen können.
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Insbesondere kann der Aufbau dabei so gewählt sein, dass das Anschlusselement 13 in seiner Form und Größe der Form und Größe der Batterieeinzelzellen 2 entspricht. Dies gilt insbesondere für die seitlichen Abmessungen. Die Dicke des Anschlusselements 13 kann durchaus variieren, beispielsweise dünner als die einer Batterieeinzelzelle sein. Insgesamt entsteht so ein Aufbau, bei dem mit Standardbauelementen die Anordnung für den Hochspannungs-Abgriff in einer beliebigen Stelle in dem Zellenstapel realisiert werden kann, da lediglich bei der Montage an der gewünschten Stelle das Anschlusselement eingelegt werden muss. Prinzipiell lässt sich dies auch nachträglich ändern, da lediglich eine Trennung des Stapels an der neu gewählten Stelle und ein Versetzen des Anschlusselements an diese Stelle notwendig ist.
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Das hier dargestellte Ausführungsbeispiel wählt zur elektrischen Kontaktierung der beiden Endplatten 6, 7 die Stromschiene 12. Selbstverständlich wären auch andere Arten der elektrischen Kontaktierung denkbar. So könnte beispielsweise durch eine elektrisch leitend ausgebildete Kühlplatte, welche dann von einem elektrisch isolierenden Kühlmedium gekühlt werden müsste, eine Kontaktierung der beiden Endplatten 6, 7 miteinander erfolgen. Auch eine elektrische Kontaktierung der beiden Endplatten 6, 7 durch die Spannbänder 11 oder anstelle der Spannbänder zur mechanischen Stabilisierung des Zellenstapels 5 eingesetzter Zuganker wäre denkbar.
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Alles in allem erhöht der Aufbau mit einem Hochvolt-Spannungsabgriff an dem beliebig platzierbaren Anschlusselement 13 eine sehr hohe Flexibilität beim Aufbau der Batterie 1. Damit kann die Batterie 1 in annährend beliebige Räume, welche diese aufnehmen können, beispielsweise in einem Kraftfahrzeug oder dergleichen integriert werden. Durch die Möglichkeit den Hochvolt-Spannungsabgriff bei der Montage der Batterie 1 an eine frei wählbare Stelle in dem Zellenstapel 5 zu legen, kann auch bei der Verwendung eines derartigen eingeschränkten Bauraums der Hochvolt-Spannungsabgriff noch sichergestellt werden, da dieser in den hierfür am besten geeigneten Bereich verlagert werden kann, ohne eine Batterie einsetzen zu müssen, welche nicht aus standardisierten Bauelementen hergestellt werden kann.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- DE 102007063181 [0002]
- DE 102007063179 [0002]
- DE 102009035494 [0010]
