DE102010013021A1

DE102010013021A1 - Zellverbund, Batterie und Verfahren zur Herstellung eines Zellverbundes

Info

Publication number: DE102010013021A1
Application number: DE102010013021A
Authority: DE
Inventors: Dipl.-Ing. Munz Markus; Dipl.-Ing. Ziegler Martin
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 einen Zellverbund (2, 9), insbesondere Akku-Pack, mit einer Mehrzahl stabförmig ausgeformter Einzelzellen (1), insbesondere Lithium-Ionen-Einzelzellen, welche jeweils einen ersten Zellpol (Z1) an einem Zellkopf (1.1) der Einzelzelle (1) und einen zweiten Zellpol (Z2) an einem Zellboden (1.2) der Einzelzelle (1) aufweisen.
Erfindungsgemäß sind die Einzelzellen (1) separate und ummantelte Energiespeichermodule, die elektrisch parallel miteinander verbunden sind und deren Längsachsen parallel zueinander ausgerichtet sind, wobei die Einzelzellen (1) im Zellverbund (2, 9) von einer Verbund-Ummantelung (3) umgeben sind.
Des Weiteren betrifft die Erfindung eine Batterie (8) mit einer Mehrzahl von Zellverbünden (2, 9) und ein Verfahren zur Herstellung eines Zellverbundes (2, 9).

Description

Die Erfindung betrifft einen Zellverbund nach den Merkmalen des Oberbegriffs des Anspruchs 1, eine Batterie nach den Merkmalen des Oberbegriffs des Anspruchs 5 und ein Verfahren zur Herstellung eines Zellverbundes nach den Merkmalen des Oberbegriffs des Anspruchs 7.
Aus dem Stand der Technik sind Batterien bekannt, welche in einem Fahrzeug eingesetzt sind, um elektrische Energie für einen elektrischen Antriebsmotor des Fahrzeugs zur Verfügung zu stellen.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, einen verbesserten Zellverbund, eine verbesserte Batterie und ein verbessertes Verfahren zur Herstellung eines Zellverbundes anzugeben.
Die Aufgabe wird erfindungsgemäß durch einen Zellverbund mit den Merkmalen des Anspruchs 1 gelöst. Hinsichtlich der Batterie wird die Aufgabe durch die im Anspruch 5 angegebenen Merkmale und hinsichtlich des Verfahrens zur Herstellung eines Zellverbundes durch die im Anspruch 7 angegebenen Merkmale gelöst.
Bevorzugte Ausgestaltungen und Weiterbildungen der Erfindung sind in den abhängigen Ansprüchen angegeben.
Ein Zellverbund, insbesondere ein Akku-Pack, umfasst eine Mehrzahl stabförmig ausgeformter Einzelzellen, insbesondere Lithium-Ionen-Einzelzellen, welche jeweils einen ersten Zellpol an einem Zellkopf der Einzelzelle und einen zweiten Zellpol an einem Zellboden der Einzelzelle aufweisen.
Erfindungsgemäß sind die Einzelzellen separate und ummantelte Energiespeichermodule, die elektrisch parallel miteinander verbunden sind und deren Längsachsen parallel zueinander ausgerichtet sind, wobei die Einzelzellen im Zellverbund von einer Verbund-Ummantelung umgeben sind.
Vorteilhafterweise sind mehrere Einzelzellen in einer Reihe nebeneinander und mehrere Reihen von Einzelzellen nebeneinander und jeweils um einen halben Durchmesser der Einzelzellen versetzt zueinander angeordnet, so dass eine Art wabenförmiger Anordnungsstruktur der Einzelzellen gebildet ist, wodurch eine optimale Packungsdichte der Einzelzellen erreicht ist. Die Einzelzellen sind beispielsweise bereits im Handel erhältliche Lithium-Ionen-Einzelzellen, wodurch der Zellverbund kostengünstig herstellbar ist.
Im Verfahren zur Herstellung eines derartigen Zellverbundes werden die Einzelzellen erfindungsgemäß in einer Verbund-Ummantelung angeordnet und eine erste Polplatte wird kopfseitig auf die Einzelzellen aufgesetzt und die ersten Zellpole der Einzelzellen werden mit der ersten Polplatte durch Laserschweißen stoffschlüssig verbunden. Dadurch werden die ersten Zellpole der Einzelzellen mit der ersten Polplatte elektrisch kontaktiert und über die erste Polplatte miteinander elektrisch kontaktiert.
Zweckmäßigerweise wird eine zweite Polplatte bodenseitig auf die Einzelzellen aufgesetzt und die zweiten Zellpole der Einzelzellen werden mit der zweiten Polplatte durch Laserschweißen stoffschlüssig verbunden. Dadurch werden die zweiten Zellpole mit der zweiten Polplatte elektrisch kontaktiert und über die zweite Polplatte miteinander elektrisch kontaktiert. Auf diese Weise ist der Zellverbund aus elektrisch parallel miteinander verbundenen Einzelzellen gebildet, wobei insbesondere bei einer Anordnung der Einzelzellen in der bereits beschriebenen wabenförmigen Anordnungsstruktur durch diese Polplatten eine symmetrische Stromverteilung im Zellverbund erreicht ist. Dadurch ist eine gleichmäßige Ladung und Entladung der Einzelzellen und eine gleichmäßige Belastung aller Kontaktstellen des Zellverbundes, d. h. der Zellpole und der Polplatten sichergestellt, wodurch eine Lebensdauer der Einzelzellen und des Zellverbundes erhöht ist.
In einer Batterie sind erfindungsgemäß eine Mehrzahl dieser Zellverbünde seriell elektrisch miteinander verbunden, indem jeweils eine von den Einzelzellen abgewandte Seite einer zweiten Polplatte eines Zellverbundes mit einer von den Einzelzellen abgewandten Seite einer ersten Polplatte eines weiteren Zellverbundes mechanisch und elektrisch miteinander kontaktiert sind.
Auf diese Weise sind die Zellverbünde und die Batterie derart herstellbar, dass sie optimal an einen jeweiligen Verwendungszweck angepasst sind, indem in jedem Zellverbund eine erforderliche Anzahl von Einzelzellen angeordnet werden, um eine erforderliche Stromstärke zu erreichen und eine erforderliche Anzahl dieser Zellverbünde elektrisch seriell miteinander verbunden werden, um eine Batterie mit einer erforderlichen Spannung zu ermöglichen.
Auf diese Weise ist, insbesondere mittels bereits im Handel erhältlicher und daher kostengünstiger Einzelzellen, beispielsweise eine Fahrzeugbatterie herstellbar, welche für ein Fahrzeug mit Hybridantrieb oder ein Brennstoffzellenfahrzeug verwendbar ist. Insbesondere durch die Anordnung der Einzelzellen zueinander, welche im Verfahren zur Herstellung des Zellverbundes beispielsweise in der bereits beschriebenen wabenförmigen Anordnungsstruktur, aber auch in anderen Strukturen, angeordnet werden können, ist ein im Fahrzeug vorhandener Bauraum optimal nutzbar und die Batterie möglichst Platz sparend im Fahrzeug anordbar.
Ausführungsbeispiele der Erfindung werden anhand von Zeichnungen näher erläutert.
Dabei zeigen:
1 eine perspektivische Darstellung einer Einzelzelle,
2 eine perspektivische Darstellung eines Zellverbundes,
3 eine perspektivische Darstellung einer Verbund-Ummantelung mit Einzelzellen, und
4 eine perspektivische Darstellung einer Batterie, Einander entsprechende Teile sind in allen Figuren mit den gleichen Bezugszeichen versehen.
1 zeigt eine perspektivische Darstellung einer Einzelzelle 1. Diese Einzelzelle 1 ist beispielsweise eine bereits im Handel erhältliche ummantelte Lithium-Ionen-Einzelzelle, welche stabförmig ausgebildet ist und einen ersten Zellpol Z1 an einem Zellkopf 1.1 und einen zweiten Zellpol Z2 an einem Zellboden 1.2 aufweist.
2 zeigt eine perspektivische Darstellung eines ersten Zellverbundes 2, insbesondere eines Akku-Packs, mit einer Mehrzahl von separaten ummantelten Einzelzellen 1 und 3 eine perspektivische Darstellung einer Verbund-Ummantelung 3 mit einer Mehrzahl von Einzelzellen 1. Im ersten Zellverbund 2 sind im hier dargestellten Ausführungsbeispiel, wie in 3 deutlicher zu erkennen, mehrere Einzelzellen 1 in einer Reihe nebeneinander und mehrere Reihen unterschiedlich vieler Einzelzellen 1 nebeneinander und jeweils um einen halben Durchmesser der Einzelzellen 1 versetzt zueinander angeordnet, so dass eine Art wabenförmiger Anordnungsstruktur der Einzelzellen 1 gebildet ist, wodurch eine optimale Packungsdichte der Einzelzellen 1 erreicht ist.
Wie in 2 dargestellt, ist eine erste Polplatte 4 aus leitfähigem Material, vorzugsweise aus Edelstahl, kopfseitig auf den Einzelzellen 1 angeordnet und eine zweite Polplatte 5 aus leitfähigem Material, ebenfalls vorzugsweise aus Edelstahl, ist bodenseitig auf den Einzelzellen 1 angeordnet, wobei die Polplatten 4, 5 mit den jeweiligen Zellpolen Z1, Z2 der Einzelzellen 1 elektrisch kontaktiert sind, so dass jede Polplatte 4, 5 einen Pol des ersten Zellverbundes 2 bildet. Um sowohl eine optimal elektrisch leitende Kontaktierung als auch eine mechanische Befestigung der Polplatten 4, 5 an den Einzelzellen 1 zu ermöglichen, sind die Zellpole Z1, Z2 der Einzelzellen 1 mit der jeweiligen Polplatte 4, 5 mittels Laserschweißen stoffschlüssig verbunden. In 2 ist der erste Zellverbund 2 ohne Verbund-Ummantelung 3 dargestellt, um die Anordnung der Polplatten 4, 5 detailliert darstellen zu können.
Im Verfahren zur Herstellung werden die Einzelzellen 1 vorteilhafterweise, wie in 3 dargestellt, zunächst in der Verbund-Ummantelung 3 angeordnet, um eine optimale Positionierung der Einzelzellen 1 sicherzustellen. Danach werden die Polplatten 4, 5 auf die Zellpole Z1, Z2 aufgesetzt und mittels Laserschweißen die Zellpole Z1, Z2 mit der jeweiligen Polplatte 4, 5 stoffschlüssig verbunden und elektrisch kontaktiert. Dazu sind in den Polplatten 4, 5, wie in 2 dargestellt, Löcher 6 eingearbeitet, in deren Bereich die Zellpole Z1, Z2 der Einzelzellen 1 positioniert werden.
Ein Laserstrahl wird auf die Löcher 6, unter denen Zellpole Z1, Z2 positioniert sind, ausgerichtet und schmilzt zumindest das Material der Polplatte 4, 5 in einem Randbereich dieser Löcher 6 und vorteilhafterweise auch ein Material des jeweiligen darunter angeordneten Zellpols Z1, Z2 teilweise auf, wodurch sich aufgeschmolzenes Material 7 in den Löchern 6 auf den Zellpolen Z1, Z2 sammelt und dort erstarrt. Dadurch werden die Zellpole Z1, Z2 mit der jeweiligen Polplatte 4, 5 stoffschlüssig verbunden. Löcher 6, welche nicht zum Verschweißen der Polplatten 4, 5 mit den Zellpolen Z1, Z2 der Einzelzellen 1 genutzt werden, sind beispielsweise zu einer Zuführung von Kühlluft zu den Einzelzellen 1 nutzbar.
Auf diese Weise ist der erste Zellverbund 2 elektrisch parallel miteinander verbundener Einzelzellen 1 gebildet, wobei insbesondere bei einer Anordnung der Einzelzellen 1 in der bereits beschriebenen wabenförmigen Anordnungsstruktur durch diese Polplatten 4, 5 eine symmetrische Stromverteilung im ersten Zellverbund 2 erreicht ist. Dadurch ist eine gleichmäßige Ladung und Entladung der Einzelzellen 1 und eine gleichmäßige Belastung aller Kontaktstellen des ersten Zellverbundes 2, d. h. der Zellpole Z1, Z2 und der Polplatten 4, 5 sichergestellt, wodurch eine Lebensdauer der Einzelzellen 1 und des ersten Zellverbundes 2 erhöht ist.
Durch eine Anordnung einer ausreichenden Anzahl von Einzelzellen 1 auf die beschriebene Weise im ersten Zellverbund 2, d. h. durch deren Parallelschaltung ist eine für einen jeweiligen Anwendungszweck erforderliche Stromstärke erreichbar. Durch eine Anordnung einer erforderlichen Anzahl von Zellverbünden 2, 9, derart, dass diese elektrisch seriell miteinander verbunden sind, ist eine Batterie 8 herstellbar, welche sowohl die erforderliche Stromstärke als auch eine für den jeweiligen Anwendungszweck erforderliche Spannung aufweist.
Auf diese Weise ist, insbesondere mittels bereits im Handel erhältlicher und daher kostengünstiger Einzelzellen 1, beispielsweise eine Fahrzeugbatterie herstellbar, welche für ein Fahrzeug mit Hybridantrieb oder ein Brennstoffzellenfahrzeug verwendbar ist. Insbesondere durch die Anordnung der Einzelzellen 1 zueinander, welche im Verfahren zur Herstellung des ersten Zellverbundes 2 beispielsweise in der bereits beschriebenen wabenförmigen Anordnungsstruktur, aber auch in anderen Strukturen angeordnet werden können, ist ein im Fahrzeug vorhandener Bauraum optimal nutzbar und die Batterie 8 möglichst Platz sparend im Fahrzeug anordbar.
In 4 ist eine Batterie 8 aus zwei identisch aufgebauten Zellverbünden 2, 9 dargestellt. Zur seriellen elektrischen Verbindung der Zellverbünde 2, 9 sind diese vorteilhafterweise, wie in 4 dargestellt, derart übereinander gestapelt, dass eine von den Einzelzellen 1 abgewandte Seite der zweiten Polplatte 5 des ersten Zellverbundes 2 mit einer von den Einzelzellen 1 abgewandten Seite der ersten Polplatte 4 des zweiten Zellverbundes 9 mechanisch und elektrisch miteinander kontaktiert sind.
Dazu sind an einer Oberseite der Verbund-Ummantelung 3 jedes Zellverbundes 2, 9, wie in den 3 und 4 dargestellt, vorzugsweise bolzenartig die Oberfläche überragende Ausformungen 10 angeordnet und an einer Unterseite der Verbund-Ummantelung 3 dazu korrespondierende nicht näher dargestellte Bohrungen, so dass die Ausformungen 10 des zweiten Zellverbundes 9 in die korrespondierenden Bohrungen des auf diesem angeordneten ersten Zellverbundes 2 einführbar sind, um die Zellverbünde 2, 9 exakt zueinander positionieren zu können. Derartige Verbund-Ummantelungen 3 sind beispielsweise als Spritzgussteile aus Kunststoff kostengünstig herstellbar.
Des Weiteren weisen die Verbund-Ummantelungen 3 vorzugsweise Durchführungsbohrungen 11 auf, durch welche beispielsweise Befestigungsschrauben oder Befestigungsbolzen durchführbar sind. Dadurch sind die Verbund-Ummantelungen 3 der Zellverbünde 2, 9 miteinander fest verschraubbar, wodurch die Polplatten 4, 5 der Zellverbünde 2, 9 fest aneinander gepresst sind und dadurch eine optimale elektrische Kontaktierung sichergestellt ist. Die erste Polplatte 4 des ersten Zellverbundes 2, welcher im dargestellten Ausführungsbeispiel einen oberen Zellverbund der Batterie 8 darstellt, und die zweite Polplatte 5 des zweiten Zellverbundes 9, welcher im hier dargestellten Ausführungsbeispiel einen unteren Zellverbund der Batterie 8 darstellt, bilden Polkontakte der Batterie 8. Des Weiteren weisen die Verbund-Ummantelungen 3 vorzugsweise Befestigungsbohrungen 12 in einer Bodenplatte 13 der Verbund-Ummantelung 3 auf, mittels welcher die Batterie 8 beispielsweise in einem Fahrzeug sicher zu befestigen ist.
Bezugszeichenliste

1: Einzelzelle
1.1: Zellkopf
1.2: Zellboden
2: Zellverbund
3: Verbund-Ummantelung
4: erste Polplatte
5: zweite Polplatte
6: Loch
7: Material
8: Batterie
9: zweiter Zellverbund
10: Ausformung
11: Durchführungsbohrung
12: Befestigungsbohrung
13: Bodenplatte
Z1: erster Zellpol
Z2: zweiter Zellpol

Claims

Zellverbund (2, 9), insbesondere Akku-Pack, mit einer Mehrzahl stabförmig ausgeformter Einzelzellen (1), insbesondere Lithium-Ionen-Einzelzellen, welche jeweils einen ersten Zellpol (Z1) an einem Zellkopf (1.1) der Einzelzelle (1) und einen zweiten Zellpol (Z2) an einem Zellboden (1.2) der Einzelzelle (1) aufweisen, dadurch gekennzeichnet, dass die Einzelzellen (1) separate und ummantelte Energiespeichermodule sind, die elektrisch parallel miteinander verbunden sind und deren Längsachsen parallel zueinander ausgerichtet sind, wobei die Einzelzellen (1) im Zellverbund (2, 9) von einer Verbund-Ummantelung (3) umgeben sind.
Zellverbund (2, 9) nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass eine erste Polplatte (4) aus leitfähigem Material kopfseitig auf den Einzelzellen (1) angeordnet und mit den ersten Zellpolen (Z1) der Einzelzellen (1) elektrisch kontaktiert ist und/oder das eine zweite Polplatte (5) aus leitfähigem Material bodenseitig auf den Einzelzellen (1) angeordnet ist und mit den zweiten Zellpolen (Z2) der Einzelzellen (1) elektrisch kontaktiert ist.
Zellverbund (2, 9) nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass die ersten Zellpole (Z1) der Einzelzellen (1) mit der ersten Polplatte (4) stoffschlüssig verbunden sind und/oder dass die zweiten Zellpole (Z2) der Einzelzellen (1) mit der zweiten Polplatte (5) stoffschlüssig verbunden sind.
Zellverbund (2, 9) nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Zellpole (Z1, Z2) mit der Polplatte (4, 5) mittels Laserschweißen verschweißt sind.
Batterie (8) mit einer Mehrzahl von Zellverbünden (2, 9) nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass die Zellverbünde (2, 9) seriell elektrisch miteinander verbunden sind, indem jeweils eine von den Einzelzellen (1) abgewandte Seite einer zweiten Polplatte (5) eines Zellverbundes (2, 9) mit einer von den Einzelzellen (1) abgewandten Seite einer ersten Polplatte (4) eines weiteren Zellverbundes (2, 9) mechanisch und elektrisch miteinander kontaktiert sind.
Batterie (8) nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass die Batterie (8) eine Fahrzeugbatterie, insbesondere eine Batterie (8) für ein Fahrzeug mit Hybridantrieb oder ein Brennstoffzellenfahrzeug ist.
Verfahren zur Herstellung eines Zellverbundes (2, 9), insbesondere eines Akku-Packs, mit einer Mehrzahl stabförmig ausgeformter Einzelzellen (1), insbesondere Lithium-Ionen-Einzelzellen, welche einen ersten Zellpol (Z1) an einem Zellkopf (1.1) der Einzelzelle (1) und einen zweiten Zellpol (Z2) an einem Zellboden (1.2) der Einzelzelle (1) aufweisen, dadurch gekennzeichnet, dass die Einzelzellen (1), welche separate und ummantelte Energiespeichermodule sind, in einer Verbund-Ummantelung (3) derart angeordnet werden, dass Längsachsen der Einzelzellen (1) parallel zueinander ausgerichtet sind und dass eine erste Polplatte (4) kopfseitig auf die Einzelzellen (1) aufgesetzt wird und die ersten Zellpole (Z1) mit der ersten Polplatte (4) durch Laserschweißen stoffschlüssig verbunden werden und/oder dass eine zweite Polplatte (5) bodenseitig auf die Einzelzellen (1) aufgesetzt wird und die zweiten Zellpole (Z2) mit der zweiten Polplatte (5) durch Laserschweißen stoffschlüssig verbunden werden.