-
Die Erfindung betrifft eine Batterie mit einem Zellenstapel nach der im Oberbegriff von Anspruch 1 näher definierten Art.
-
Aus dem allgemeinen Stand der Technik sind Batterien, und hier insbesondere Hochleistungs- beziehungsweise Hochvoltbatterien bekannt, welche aus einem Zellenstapel mit einer Vielzahl von Batterieeinzelzellen ausgebildet sind. Diese Batterieeinzelzellen sind dabei im Wesentlichen flach beziehungsweise quaderförmig ausgebildet und übereinander gestapelt. Die Batterieeinzelzellen können sowohl in einem bipolaren Aufbau realisiert werden, beispielsweise als bipolare Rahmenflachzelle, oder auch in einem Aufbau mit einem geschlossenen Gehäuse oder als in Folie eingeschweißte Flachzellen, sogenannte Coffebag- oder Pouch-Zellen. All diesen Batterien ist es gemeinsam, dass die Batterieeinzelzellen typischerweise zu einem Zellenstapel aufgestapelt und dann über geeignete Spanneinrichtungen, beispielweise Spannbänder oder Zuganker, verspannt werden. Dieser Zellenstapel wird dann als eigenständiges Modul in ein Batteriegehäuse eingebracht und in dem Batteriegehäuse entsprechend gesichert und befestigt, beispielsweise durch Rahmenauflagen, Spannbänder oder Ähnliches.
-
Aus der
EP 1 710 859 A1 ist eine Batterie bekannt, welche aus einem solchen Zellenstapel von Batterieeinzelzellen besteht. Die Batterieeinzelzellen sind dabei durch Schraubenmittel als Zuganker miteinander verspannt und werden durch diese Zuganker gleichzeitig auf einer Grundplatte des Batteriegehäuses fixiert. Die Zuganker dienen außerdem zur elektrischen Kontaktierung der Batterieeinzelzellen untereinander. Der Aufbau ist sehr komplex, da hier beim Anspannen der Zuganker gleichzeitig die elektrische Kontaktierung der Batterieeinzelzellen realisiert werden muss.
-
Es ist nun die Aufgabe der hier vorliegenden Erfindung eine Batterie gemäß dem Oberbegriff von Anspruch 1 dahingehend weiterzubilden, dass ein sehr einfacher Aufbau der Batterie realisiert werden kann.
-
Dies wird durch die Merkmale im kennzeichnenden Teil von Anspruch 1 gelöst.
-
Dadurch, dass die Spanneinrichtungen den Zellenstapel gegenüber zumindest einem Teil des Gehäuses fixieren und dabei selbst gegenüber dem Zellenstapel elektrisch isoliert ausgeführt sind, entsteht ein sehr einfacher Aufbau. Die Verspannung der Batterieeinzelzellen zu dem Zellenstapel kann ebenso wie ihre Halterung in dem Batteriegehäuse einfach und effizient über die Spanneinrichtungen realisiert werden. Damit wird die Anzahl der benötigten Bauelemente entsprechend reduziert, was zu einer Reduzierung von Bauvolumen und Gewicht der Batterie führt. Durch die geringere Anzahl an Teilen werden außerdem Kosten bei der Herstellung und der Montage eingespart.
-
Weitere vorteilhafte Ausgestaltungen des erfindungsgemäßen Aufbaus ergeben sich außerdem aus den restlichen Unteransprüchen und werden anhand des nachfolgend dargestellten Ausführungsbeispiels deutlich.
-
Dabei zeigen:
-
1 einen Aufbau einer Batterie gemäß dem Stand der Technik;
-
2 eine erste Ausführungsform einer Batterie gemäß der Erfindung;
-
3 eine zweite Ausführungsform einer Batterie gemäß der Erfindung;
-
4 eine dritte Ausführungsform einer Batterie gemäß der Erfindung;
-
5 eine Darstellung des Aufbaus gemäß 3 in einer ersten Explosionsdarstellung;
-
6 ein Detail aus 5 in einer weiteren Explosionsdarstellung; und
-
7 den Aufbau gemäß 5 im Längsschnitt.
-
In der Darstellung der
1 ist ein Aufbau einer Batterie
1 zu erkennen, wie er beispielsweise aus der älteren deutschen Anmeldung mit dem Aktenzeichen
DE 10 2009 035 461.1 bekannt ist. Die Batterie
1 besteht dabei aus einem Batteriegehäuse
2 sowie einem Zellenstapel
3 an Batterieeinzelzellen
4. Die Batterieeinzelzellen sind dabei als bipolare Rahmenflachzellen ausgebildet, welche aus dem allgemeinen Stand der Technik bekannt sind. Der Aufbau einer solchen bipolaren Rahmenflachzelle ist für die hier erläuterte Erfindung dabei beispielhaft zu verstehen. Es sind zum Einsatz mit der Erfindung auch andere Aufbauten von im Wesentlichen flach beziehungsweise quaderförmigen ausgebildeten Batterieeinzelzellen möglich, welche zu einem Zellenstapel
3 gestapelt werden.
-
Der Aufbau in der Darstellung der 1 zeigt, dass der Zellenstapel 3 der Batterieeinzelzellen 4 durch Endplatten 5, 6 abgeschlossen wird. Beim hier gewählten Aufbau von bipolaren Rahmenflachzellen als Batterieeinzelzellen 4 entsteht dabei durch das Stapeln zu dem Zellenstapel 3 automatisch eine Reihenverschaltung, sodass die eine Endplatte 5 den einen Pol der Batterie und die andere Endplatte 6 den anderen Pol der Batterie darstellt. Der Zellenstapel 3 ist dabei durch Spanneinrichtungen 7 in der Form von Zugankern 7 zu einer festen Einheit verspannt.
-
Die Besonderheit bei dem hier dargestellten Aufbau des Zellenstapels 3 ergibt sich aus der oben genannten deutschen Anmeldung. Es ist hierbei so, dass die eine Endplatte 5 die Polarität des einen Batterieanschlusses trägt, während die andere Endplatte 6 die andere Polarität aufweist. In diesem Spezialfall leiten die Zuganker 7 nun den elektrischen Strom, indem sie die Polarität der Endplatte 5 auf eine Polplatte 8 auf der anderen Seite des Zellenstapels leiten. Zwischen der Polplatte 8 und der anderen Endplatte 6 ist dabei ebenso wie zwischen den Zugankern 7 und der anderen Endplatte 6 eine elektrische Isolierung vorzusehen. Der Vorteil bei diesem Aufbau besteht nun darin, dass die Endplatte 6 und die Polplatte 8 die unterschiedlichen Polaritäten des Zellenstapels unmittelbar nebeneinander aufweist und so die Möglichkeit bietet, den elektrischen Anschluss des Zellenstapels 3 mit einem einfachen Stecker zu realisieren, dessen beide Pole vergleichsweise dicht beieinander liegen.
-
Der Zellenstapel 3 selbst ist nun auf eine hier unterhalb des Zellenstapels 3 prinzipmäßig angedeutete Kühleinrichtung 9 aufgesetzt. Die Kühleinrichtung 9 steht dabei mit den Batterieeinzelzellen und insbesondere den die Pole der Batterieeinzelzellen 4 bildenden Hüllblechen in thermischem Kontakt, sodass in dem Zellenstapel 3 entstehende Abwärme durch die Kühleinrichtung 9 abgeführt werden kann. Die Kühleinrichtung 9 kann dabei in an sich bekannter Art und Weise beispielsweise von einem flüssigen Kühlmedium oder einem im Bereich der Kühleinrichtung 9 verdampfenden Klimamittel gekühlt werden. Der Aufbau aus der Kühleinrichtung 9 und dem Zellenstapel 3 ist im Allgemeinen beispielsweise durch eine thermisch leitende, aber elektrisch isolierende Vergussmasse, Folie oder dergleichen zu einem Modul zusammengefügt. Dieses ist, wie in der Darstellung der 1 beispielhaft zu erkennen ist, über Befestigungselemente 10, beispielsweise quer zur Stapelrichtung verlaufenden Spannbändern, in dem Batteriegehäuse 2 befestigt, um den Zellenstapel 3 sicher und zuverlässig zu halten. Daneben sind elektrische Anschlusselemente an der einen Endplatte 6 und an der Polplatte 8 angedeutet, welche den Zellenstapel 3 mit einer Elektronikeinheit 11 verbinden. In dieser Elektronikeinheit 11, welche in dem hier dargestellten Ausführungsbeispiel an einem Deckel 2a des Batteriegehäuses 2 angeordnet ist, können beispielsweise die Hochvoltanschlüsse der Batterie 1 nach außerhalb des Batteriegehäuses 2 geführt sein, was hier jedoch nicht explizit dargestellt ist.
-
Dieser Aufbau ist dabei vergleichsweise aufwändig und kompliziert und benötigt eine vergleichsweise große Anzahl an Bauteilen.
-
In der Darstellung der Batterie 1 gemäß 2 ist daher eine erste Möglichkeit eines Aufbaus gezeigt, welcher diese Problematik vermeidet und einen sehr einfachen und kompakten Aufbau der Batterie 1 anbietet. Das Batteriegehäuse 2, welches hier ohne Deckel 2a und Elektronikeinheit 11 dargestellt ist, wird dabei über die Spanneinrichtungen 7, welche auch hier als Zuganker 7 ausgebildet sind, mit dem Zellenstapel 3 verbunden. Die Zuganker 7 pressen in dem Ausführungsbeispiel der 2, wie durch die Pfeile dargestellt, den Zellenstapel 3 gleichzeitig zusammen und halten diesen in dem Batteriegehäuse 2. Damit kann auf zusätzliche Befestigungselemente 10 verzichtet werden. In dem hier dargestellten Ausführungsbeispiel sind die Zuganker 7 dabei außerhalb des eigentlichen Zellenstapels 3 positioniert, um den im Zellenstapel 3 verfügbaren Bauraum weitestgehend für die Speicherung von elektrischer Energie verwenden zu können. Der Aufbau, bei dem die Zuganker 7 den Zellenstapel 3 in dem Batteriegehäuse 2 halten, ist dabei so ausgeführt, dass die Zuganker 7 in dem hier dargestellten Ausführungsbeispiel elektrisch gegenüber dem Zellenstapel isoliert sind. Dies kann beispielsweise dadurch erfolgen, dass eine elektrisch isolierende Zwischenschicht zwischen dem Zellenstapel 3 und zwei Druckplatten 12, welche hier als Endplatten des Zellenstapels 3 fungieren, eingebracht ist. Der Zellenstapel 3 selbst kann dabei in an sich bekannter Art und Weise elektrisch kontaktiert werden, je nach Aufbau der Batterieeinzelzellen 4. Sind diese beispielsweise als Coffeebag- oder Pouch-Zellen aufgebaut, so werden sie entsprechende elektrische Kontakte aufweisen, welche seitlich über den Zellenstapel 3 hinausragen. Sind sie als bipolare Rahmenflachzellen aufgebaut, so wird durch die Stapelung selbst die elektrische Verschaltung der Batterieeinzelzellen 4 gewährleistet. Dann muss lediglich an den beiden Enden des Zellenstapels ein entsprechender Spannungsabgriff angeordnet werden. Da dies aus dem allgemeinen Stand der Technik bekannt und für die hier vorliegende Erfindung nicht weiter relevant ist, wurde bei dieser und den folgenden Figuren auf die elektrische Kontaktierung des Zellenstapels 3 in der Darstellung verzichtet.
-
Der Zellenstapel 3 wird also durch die Zuganker 7 und die beiden Endplatten 12 sowohl zu einer Einheit verspannt als auch in dem Batteriegehäuse 2 gehalten. Um eventuelle Fertigungstoleranzen auszugleichen und einen gleichmäßigen Druck auf die Batterieeinzelzellen 4 des Zellenstapels 3 auszuüben, können dabei im Bereich des Batteriegehäuses 2, in der Darstellung der 2 unten, entsprechende Auflagepunkte 13 angeordnet sein, sodass eine mechanisch definierte Lagerung des Zellenstapels 3 gegenüber dem Batteriegehäuse 2 möglich wird.
-
In der Darstellung der 3 ist ein alternativer Aufbau der Batterie 1 zu erkennen. Der Aufbau entspricht dabei weitestgehend dem im Rahmen der 2 bereits erläuterten Aufbau. Der einzige Unterschied besteht nun darin, dass die Spanneinrichtungen 7, welche auch hier als Zuganker 7 ausgebildet sind, nicht außerhalb des Zellenstapels 3 angeordnet sind, sondern im Inneren des Zellenstapels 3. Die einzelnen Batterieeinzelzellen 4 weisen hierfür Aufnehmungen, Löcher oder dergleichen auf, sodass die Zuganker 7 im Inneren des Zellenstapels 3 zu liegen kommen und durch die Batterieeinzelzellen 4 hindurchragen.
-
In der Darstellung der 4 ist eine weitere alternative Ausführungsform der Batterie 1 zu erkennen. Auch hier gilt im Wesentlichen das im Rahmen der 2 und 3 bereits erläuterte. Allerdings sind die Spanneeinrichtungen 7 in dem hier dargestellten Ausführungsbeispiel als Spannbänder 7' ausgeführt. Dabei ist aufgrund der Schnittdarstellung in der Darstellung der 4 lediglich eines der Spannbänder 7' zu erkennen. Dieses Spannband ist dann in dem hier dargestellten Ausführungsbeispiel über Schrauben 14 mit dem Batteriegehäuse 2 verbunden und verspannt den Zellenstapel 3 ebenfalls in Stapelrichtung. Im Wesentlichen ist das Spannband 7' dabei so aufgebaut, wie die Befestigungselemente 10 im Aufbau gemäß 1. Anders als diese übernimmt das Spannband 7' aber hier nicht nur die Befestigung des Zellenstapels 3 in dem Batteriegehäuse 2, sondern übernimmt gleichzeitig das Verspannen der Batterieeinzelzellen 4 untereinander zu dem Zellenstapel 3.
-
Um diese erfindungsgemäße Idee des Verspannens und Befestigens des Zellenstapels 3 in dem Batteriegehäuse über ein und dieselbe Spanneinrichtung 7 beziehungsweise 7' zu realisieren noch näher zu erläutern, wird am Beispiel des in 3 dargestellten Aufbaus der Aufbau und die Montage einer Batterie 1 in den nachfolgenden Figuren nochmals gezeigt.
-
In der Darstellung der 5 ist die Batterie 1 in einem demontierten Zustand, einer sogenannten Explosionsdarstellung zu erkennen. Sie besteht im Wesentlichen aus einem Batteriegehäuse 2, welches ein Gehäuseteil 2b und ein Deckelelement 2a aufweist. Das Batteriegehäuse 2 kann dabei ganz oder zumindest teilweise aus einem elektrisch leitfähigen Material, beispielsweise einem Metall hergestellt sein. Ein solches aus Metall ausgebildetes Batteriegehäuse 2 hat dabei den Vorteil einer hohen mechanischen Festigkeit. Außerdem kann das Batteriegehäuse 2 als Abschirmung verwendet werden, um elektromagnetische Strahlung des Zellenstapels 3 gegenüber der Umgebung der Batterie 1 abzuschirmen. Der Zellenstapel 3 ist in der Darstellung der 5 dabei bereits vormontiert und kann in das Gehäuseteil 2b des Batteriegehäuses eingebracht werden. Die bereits in den Zellenstapel 3 eingesteckten Zuganker 7 werden dann mit dem Teil 2b des Batteriegehäuses 2 verschraubt, wie es insbesondere in der Schnittdarstellung der 7 zu erkennen ist. Der Zellenstapel 3 wird damit über die Zuganker 7 auf der in der Darstellung der 5 rechten Seite des Gehäuses entsprechend gehalten. Das Batteriegehäuse 2 wird dann mit dem Deckelelement 2b verschlossen. Um über die Zuganker 7 nicht die gesamte Länge des Zellenstapels halten zu müssen, ist in der Darstellung der 5 außerdem ein Stützrahmen 15 zu erkennen, welcher zwischen das Gehäuseteil 2a und den Zellenstapel auf seiner dem Deckelelement 2b zugewandten Seite eingelegt wird und den Zellenstapel 3 gegenüber dem Gehäuseteil 2a hält. Der Aufbau ist dabei ohne Fixierung vorgesehen, sodass der Zellenstapel 3, welcher sich beim Laden und Entladen entsprechend dehnen kann, sich gegenüber dem Stützrahmen 15 bewegen kann.
-
Um eine derartige Bewegung auch durch die Zuganker 7 beziehungsweise die andersartigen Spannelemente 7 ausgleichen zu können, kann es dabei vorgesehen sein, dass die Spannelemente 7 selbst elastisch ausgebildet sind, oder dass im Bereich der Spannelemente 7 elastische Mittel angeordnet sind. Diese können insbesondere in Form von Dehnschrauben, Federelementen oder dergleichen ausgebildet sein. Es ist auch denkbar, das elastische Elemente beim Stapeln der Batterieeinzelzellen 4 zwischen die Batterieeinzelzellen 4 oder zwischen die Batterieeinzelzellen 4 und die Endplatten 5, 6 eingelegt werden, wie beispielsweise elastische Schäume oder dergleichen. Diese können dann beim Anziehen der Zuganker 7 entsprechend vorgespannt werden, weisen jedoch noch eine so hohe Elastizität aus, dass sie bei einer eventuellen Ausdehnung der Batterieeinzelzellen 4 weiter zusammengedrückt werden und so einen übermäßig großen, die Batterieeinzelzellen 4 gegebenenfalls schädigenden Druck verhindern.
-
In der Darstellung der 6 ist der Aufbau des Zellenstapels 3, welcher mit den Zugankern 7 zusammengesteckt wird, nochmals näher zu erkennen. Eine der Batterieeinzelzellen 4 ist dabei von dem Zellenstapel 3 beabstandet dargestellt. Bei dem hier gewählten Aufbau läuft außerdem eine Isolation für die Zuganker durch die in den Batterieeinzelzellen 4 für die Zuganker vorgesehenen Löcher. Dies ist notwendig, da beim Aufbau von bipolaren Rahmenflachzellen die Pole in Form von Hüllblechen typischerweise bis in die Außenbereiche der Batterieeinzelzellen 4 reichen, da diese die Batterieeinzelzelle 4 verschließen. Um hier keine elektrische Kontaktierung zu den Zugankern 7 zu erreichen, sind entsprechende Isolationen notwendig. Diese können beispielsweise in Form eines isolierenden Rohrs 16 oder eines auf die Zuganker 7 aufgebrachten Schrumpfschlauchs oder dergleichen realisiert werden. Den Abschluss des Zellenstapels 3 bilden dann die beiden Endplatten 5, 6, welche gleichzeitig die Pole des Zellenstapels 10 darstellen. Auf diesen Endplatten 5, 6 sind Isolationsplatten 17 angeordnet, um zusammen mit den isolierten Zugankern 7 den ganzen Stapel gegenüber sowohl den Zugankern 7 als auch dem Batteriegehäuse 2 zu isolieren.
-
Dieser Aufbau ist in einem geschlossenen Zustand der Batterie 1 in einem Querschnitt in der Darstellung der 7 nochmals im Detail zu erkennen. Die einzelnen Batterieeinzelzellen 4, die hier als bipolare Rahmenflachzellen ausgebildet sind, sind zu dem Zellenstapel 3 gestapelt. Dieser wird jeweils durch eine Endplatte 5, 6 abgeschlossen, welche gleichzeitig jeweils den elektrischen Pol des Zellenstapels 3 darstellt. Über Isolationsplatten 17 ist der Zellenstapel 3 dann auf der einen Seite mit dem Batteriegehäuse 2 beziehungsweise dem Teil 2b des Batteriegehäuses 2 verbunden. Auf seiner anderen Seite wird über eine weitere Isolationsplatte 17 durch die Zuganker 7 der entsprechende Druck auf den Zellenstapel 3 aufgebaut. Die Isolationsplatten 17 bilden dabei zusammen mit den Endplatten 5, 6 die Druckplatten, welche in den 2–4 mit „12” bezeichnet sind. Damit werden die Batterieeinzelzellen 4 entsprechend gegeneinander gedrückt und gleichzeitig in dem Batteriegehäuse 2 fixiert. Bei einer entsprechenden Länge des Zellenstapels 3 würden dabei vergleichsweise hohe Biegekräfte auf die Zuganker 7 und die Befestigung der Zuganker 7 im Batteriegehäuse 2 auftreten. Daher kann der Stützrahmen 15 auf einer Seite des Zellenstapels 3 angeordnet werden. Dieser Stützrahmen 15 unterstützt dabei den Zellenstapel 3 in dem Batteriegehäuse 2, ohne diesen jedoch so zu fixieren, dass eine Längenausdehnung des Zellenstapels 3 in Stapelrichtung behindert wird. Wie in der Darstellung der 7 weiter zu erkennen ist, wird das Batteriegehäuse 2 dann durch das Deckelelement 2a, welches beispielsweise die hier nicht dargestellte Elektronikeinheiten und entsprechende Anschlüsse der Batterie 1 enthalten kann, wie dies in 5 zu erkennen ist, verschlossen. Damit entsteht insgesamt ein sehr einfacher und kompakter Aufbau, welcher mit einer minimalen Anzahl an Bauteilen auskommt.
-
Eine solche Batterie kann einfach und kostengünstig hergestellt werden. Sie ist besonders gut geeignet, um hohe Energiemengen zu speichern und wieder abzugeben. Ihr bevorzugter Einsatz kann dabei bei der Verwendung zur Speicherung von Traktionsenergie in Hybrid-, Mildhybrid- oder Elektrofahrzeugen liegen.
-
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
-
Diese Liste der vom Anmelder aufgeführten Dokumente wurde automatisiert erzeugt und ist ausschließlich zur besseren Information des Lesers aufgenommen. Die Liste ist nicht Bestandteil der deutschen Patent- bzw. Gebrauchsmusteranmeldung. Das DPMA übernimmt keinerlei Haftung für etwaige Fehler oder Auslassungen.
-
Zitierte Patentliteratur
-
- EP 1710859 A1 [0003]
- DE 102009035461 [0016]
