DE102010034686A1

DE102010034686A1 - Kontaktelement und Batterieeinheit

Info

Publication number: DE102010034686A1
Application number: DE102010034686A
Authority: DE
Inventors: Andreas Lemke; Dr. Schriever Udo
Original assignee: Volkswagen AG
Current assignee: Volkswagen AG
Priority date: 2010-08-18
Filing date: 2010-08-18
Publication date: 2012-02-23

Abstract

Die Erfindung betrifft ein Kontaktelement (10) zur Verschaltung von mehreren Batteriezellen (BZ), wobei das Kontaktelement (10) mindestens eine Kontaktierungslage (11, 12) umfasst, wobei auf der Kontaktierungslage (11, 12) im Bereich von zu kontaktierenden Elektroden (2, 3) der Batteriezellen (BZ) federelastische Elemente angeordnet sind, sowie eine Batterieeinheit (1).

Description

Die Erfindung betrifft ein Kontaktelement zur Verschaltung von mehreren Batteriezellen sowie eine Batterieeinheit, umfassend eine Vielzahl von Batteriezellen.
Hochvoltbatteriesysteme mit Batteriezellen für die Anwendung in Elektro- oder Hybridfahrzeugen setzen sich aus mehreren einzelnen Zellen zusammen. Beispielsweise sind die Batteriezellen als Li-Ionen-Batterien ausgebildet, wobei sich das Batteriesystem bzw. die Batterieeinheit aus beispielsweise 8000 Zellen zusammensetzt. Die einzelnen Batteriezellen werden dann in der Batterieeinheit in einer Mischung aus Reihen- und Parallelschaltung elektrisch verbunden. Zur Realisierung der elektrischen Verbindung aller einzelnen Zellen zur Gesamtverschaltung im Hochvoltbatteriesystem werden dann zwei Kontaktierungspunkte je Zelle benötigt. Bei herkömmlichen Kontaktierungsverfahren wie beispielsweise Schrauben, Schweißen oder Bonding ist dies mit sehr hohem Aufwand verbunden.
Aus der DE 10 2008 034 876 A1 ist eine Batterie mit einer in einem Batteriegehäuse angeordneten Wärmeleitplatte zum Temperierender Batterie bekannt, wobei mehrere mittels einer Zellverbinderplatine elektrisch parallel und/oder seriell miteinander verschaltete Einzelzellen Wärme leitend mit der Wärmeleitplatte verbunden sind, wobei wenigstens ein Federelement vorgesehen ist, mittels dem die Einzelzellen definiert an die Wärmeleitplatte pressbar sind, wobei an der Zellverbinderplatine oder an der Wärmeleitplatte ein oder mehrere Vorspannungselemente zu einer Vorspannung und Befestigung des Federelements angeordnet sind. Die Zellverbinderplatine umfasst mehrere Zellverbinder, welche vorzugsweise in zu diesen korrespondierenden Aussparungen versenkt angeordnet sind. Mittels der Zellverbinder sind die Polkontakte der Einzelzellen parallel und/oder seriell elektrisch miteinander verschaltbar. Die Zellverbinderplatine wird vorzugsweise mittels mehrerer Befestigungselemente, weiter vorzugsweise Zellverbinderschrauben, an einer Oberseite des Zellverbinders befestigt. Dazu weisen vorzugsweise die Polkontakte Bohrungen zu den Zellverbinderschrauben korrespondierende Bohrungen mit einem Innengewinde auf. Die Zellverbinderschrauben sind dabei durch Aussparungen in den Zellverbindern, durch die Aussparungen in der Wärmeleitplatte und durch Aussparungen in einem Formkörper geführt.
Aus der WO 2009/063143 A1 ist eine Batterieeinheit bekannt, umfassend eine Vielzahl von Batteriezellen, die gruppenweise zusammengefasst sind, wobei die Batteriezellen einer Gruppe parallel geschaltet sind und die Gruppen untereinander elektrisch in Reihe geschaltet sind. Die Batteriezellen sind zylindrisch ausgebildet und weisen an gegenüberliegenden Stirnseiten erste und zweite Elektroden auf. Die Batteriezellen einer Gruppe sind dabei in einer Reihe angeordnet, wobei die ersten Elektroden aller Batteriezellen auf einer Linie liegen. Dabei liegen die ersten Elektroden einer ersten Gruppe oben und die ersten Elektroden einer benachbarten Gruppe unten usw. Als Kontaktelement dient ein Kontaktstreifen, der im Bereich der Elektroden freigeschnittene Kontaktlaschen aufweist. Am Anfang und am Ende der Batterieeinheit deckt das jeweilige Kontaktelement nur die Elektroden einer Gruppe ab, wobei dazwischen das Kontaktelement die ersten. Elektroden einer Gruppe und die zweiten Elektroden einer benachbarten Gruppe abdeckt. Dadurch verschaltet das Kontaktelement die Batteriezellen einer Gruppe parallel und die zwei Gruppen in Reihe.
Der Erfindung liegt das technische Problem zugrunde, ein Kontaktelement zur Verschaltung mehrerer Batteriezellen sowie eine Batterieeinheit mit mehreren Batteriezellen zu schaffen, die eine verbesserte Kontaktierung ermöglichen
Die Lösung des technischen Problems ergibt sich durch die Gegenstände mit den Merkmalen der Patentansprüche 1 und 7. Weitere vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung ergeben sich aus den Unteransprüchen.
Hierzu umfasst das Kontaktelement zur Verschaltung von mehreren Batteriezellen mindestens eine Kontaktierungslage, wobei auf der Kontaktierungslage im Bereich von zu kontaktierenden Elektroden der Batteriezellen federelastische Elemente angeordnet sind. Hierdurch benötigt das Kontaktelement keine separate Einrichtung zur Aufbringung einer Kontaktkraft. Vielmehr ist es ausreichend, dass die Batteriezellen fixiert sind, wobei durch die federelastischen Elemente die Kontaktkraft erzeugt wird. Bei einer Ausführungsform mit nur einer Kontaktierungslage sind die federelastischen Elemente elektrisch leitend ausgebildet und stellen die elektrische Verbindung zwischen Elektrode und Kontaktierungslage her.
In einer weiteren Ausführungsform umfasst das Kotaktelement zwei Kontaktierungslagen, wobei zwischen den Kontaktierungslagen die federelastischen Elemente angeordnet sind. Bei einer derartigen Ausführungsform müssen die federelastischen Elemente nicht elektrisch leitend sein, solange nur sichergestellt ist, dass die Kontaktierungslagen miteinander elektrisch verbunden sind, beispielsweise indem diese miteinander mindestens abschnittsweise verbunden sind. Dabei sei angemerkt, dass die beiden Kontaktierungslagen separate Teile sein können, die nachträglich zusammengefügt werden können, oder aber aus einem Stück gefertigt sein können.
In einer weiteren Ausführungsform ist die oder sind die Kontaktierungslagen aus Blech.
In einer weiteren Ausführungsform sind die Kontaktierungslagen derart miteinander verbunden bzw. ausgebildet, dass sich mindestens im Bereich der federelastischen Elemente eine Aufnahme bildet. In dieser Aufnahme kann dann das jeweilige federelastische Element eingefügt werden. Beispielsweise kann der federelastische Kunststoff in die Aufnahme gespritzt werden.
In einer weiteren Ausführungsform ist die Kontaktierungslage als Stanzgitter ausgebildet.
Die Batterieeinheit umfasst eine Vielzahl von Batteriezellen, wobei die Batteriezellen zueinander parallel in mindestens einer Gruppe angeordnet sind, wobei die Batteriezellen jeweils eine erste Elektrode (z. B. Pluspol) und eine zweite Elektrode (z. B. Minuspol) aufweisen, wobei alle ersten Elektroden der Batteriezellen einer Gruppe durch ein erstes Kontaktelement und alle zweiten Elektroden der Batteriezellen durch ein zweites Kontaktelementkontaktiert werden, wobei das Kontaktelement jeweils mindestens eine Kontaktierungslage umfasst, wobei auf der Kontaktierungslage im Bereich von zu kontaktierenden Elektroden der Batteriezellen federelastische Elemente angeordnet sind. Somit werden sehr einfach alle Batteriezellen der Gruppe elektrisch parallel geschaltet, wobei durch die federelastischen Elemente eine ausreichende Kontaktkraft aufgebracht wird.
Sollen nun zwei oder mehr Gruppen parallel geschalteter Batteriezellen miteinander in Reihe verschaltet werden, so kann dies prinzipiell wie in der WO 2009/063143 A1 beschrieben erfolgen.
Alternativ werden die Batteriezellen in mindestens zwei Gruppen angeordnet, wobei die beiden Gruppen zueinander in Reihe angeordnet sind und durch ein gemeinsames Kontaktelement in Reihe verschaltet sind, wobei dann vorzugsweise das Kontaktelement zwei Kontaktierungslagen aufweist. In Reihe angeordnet bedeutet dabei, dass die Elektroden der Batteriezellen verschiedener Gruppen zueinander fluchtend angeordnet sind. Durch die jeweilige Kontaktierungslage werden die Elektroden einer Gruppe parallel geschaltet und über die federelastischen Elemente die Reihenverschaltung realisiert.
In einer weiteren Ausführungsform ist die Anzahl der Batteriezellen je Gruppe gleich.
Die Batteriezellen sind vorzugsweise Li-Ionen-Batterien.
Ein bevorzugtes Anwendungsgebiet der Batterieeinheit ist der Einsatz in einem Elektro- oder Hybridfahrzeug.
Die Erfindung wird nachfolgend anhand eines bevorzugten Ausführungsbeispiels näher erläutert. Die Fig. zeigen:
1 eine schematische Darstellung der Verschaltung von Batteriezellen einer Batterieeinheit in Reihen- und Parallelschaltung,
2a eine schematische Seitenansicht auf einen Teilabschnitt eines Kontaktelements mit einer Feder als federelastisches Element,
2b eine schematische Seitenansicht auf einen Teilabschnitt eines Kontaktelements mit einem federelastischen Kunststoff als federelastisches Element und
3 eine schematische Draufsicht auf ein Kontaktelement.
In der 1 ist eine typische Verschaltung von Batteriezellen einer Batterieeinheit 1 dargestellt. Dabei sind die Batteriezellen BZ in Gruppen G1–Gn zusammengefasst. Dabei sind jeweils alle Batteriezellen BZ einer Gruppe G1–Gn elektrisch parallel geschaltet und auch räumlich parallel angeordnet. Die Gruppen G1–Gn sind darüber hinaus elektrisch in Reihe geschaltet.
Die korrespondierenden Batteriezellen BZ unterschiedlicher Gruppen G1–Gn sind fluchtend zueinander angeordnet, wobei angemerkt sei, dass die Anordnung der Batteriezellen innerhalb einer Gruppe in Draufsicht keine Reihe sein muss, sondern auch beispielsweise mehrere Reihen umfassen kann (siehe 3).
Die Reihen- und Parallelschaltung der Batteriezellen BZ erfolgt dabei durch ein Kontaktelement 10, wobei in 2a das Prinzip der Reihenschaltung zweier Batteriezellen BZ unterschiedlicher Gruppen dargestellt ist. Dabei ist eine erste Elektrode 2 (z. B. Pluspol) einer Batteriezelle BZ einer Gruppe G1–Gn dargestellt und eine zweite Elektrode 3 (z. B. Minuspol) einer Batteriezelle BZ einer benachbarten Gruppe dargestellt. Zwischen den Elektroden 2, 3 ist das Kontaktelement 10 angeordnet. Das Kontaktelement 10 umfasst eine erste Kontaktierungslage 11 und eine zweite Kontaktierungslage 12. Die beiden Kontaktierungslagen 11, 12 sind derart ausgebildet, dass sich im Bereich der Elektroden 2, 3 eine Aufnahme 13 ausbildet, wobei oberhalb und unterhalb der Aufnahme 13 die beiden Kontaktierungslagen 11, 12 miteinander verbunden sind. Innerhalb der Aufnahme 13 ist zwischen den Kontaktierungslagen 11, 12 eine Feder 14 eingespannt. Die Kontaktierung 20 der Elektroden 2, 3 der Batteriezellen BZ erfolgt über eine Klemmkontaktierung. Dabei sind die Batteriezellen BZ durch eine Konstruktion befestigt und werden gegen das Kontaktelement 10 gedrückt. Die erforderliche Gegenkraft der Kontaktierung 20 wird durch die Feder 14 aufgebracht.
Alternativ kann die Feder 14 durch einen elastischen Kunststoff 15 ersetzt werden, was in 2b dargestellt ist. Der elastische Kunststoff 15 wird dabei vorzugsweise in die Aufnahme 13 zwischen den beiden Kontaktierungslagen 11, 12 gespritzt.
In der 3 ist eine Draufsicht auf das Kontaktelement 10 gezeigt, wobei die Kontaktierungslage 12 die Kontaktierungslage 11 verdeckt. Die Elektroden 2 einer Gruppe G1–Gn werden durch die Kontaktierungen 20 kontaktiert, wobei durch die verdeckte Kontaktierungslage 11 (siehe 2a, 2b) alle Elektroden 2 parallel geschaltet sind. Entsprechend verschaltet die Kontaktierungslage 12 alle Elektroden 3 einer benachbarten nicht dargestellten Gruppe G1–Gn von Batteriezellen BZ parallel.
Bezugszeichenliste

BZ: Batteriezellen
G1–Gn: Gruppen von Batteriezellen
1: Batterieeinheit
2, 3: Elektroden
10: Kontaktelement
11, 12: Kontaktierungslagen
13: Aufnahme
14: Feder
15: Kunststoff
20: Kontaktierungen

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

DE 102008034876 A1 [0003]
WO 2009/063143 A1 [0004, 0013]

Claims

Kontaktelement (10) zur Verschaltung von mehreren Batteriezellen (BZ), wobei das Kontaktelement (10) mindestens eine Kontaktierungslage (11, 12) umfasst, wobei auf der Kontaktierungslage (11, 12) im Bereich von zu kontaktierenden Elektroden (2, 3) der Batteriezellen (BZ) federelastische Elemente angeordnet sind.
Kontaktelement nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das Kontaktelement (10) zwei Kontaktierungslagen (11, 12) umfasst, wobei zwischen den Kontaktierungslagen (11, 12) die federelastischen Elemente angeordnet sind.
Kontaktelement nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die federelastischen Elemente als Feder (14) oder als elastischer Kunststoff (15) ausgebildet sind.
Kontaktelement nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Kontaktierungslagen (11, 12) aus Blech sind.
Kontaktelement nach einem der Ansprüche 2 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass die Kontaktierungslagen (11, 12) derart miteinander verbunden sind, dass sich mindestens im Bereich der federelastischen Elemente eine Aufnahme (13) bildet.
Kontaktelement nach einem der vorangegangenen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Kontaktierungslage (11, 12) als Stanzgitter ausgebildet ist.
Batterieeinheit (1), umfassend eine Vielzahl von Batteriezellen (BZ), wobei die Batteriezellen (BZ) zueinander parallel in mindestens einer Gruppe (G1–Gn) angeordnet sind, wobei die Batteriezellen (BZ) jeweils eine erste und eine zweite Elektrode (2, 3) aufweisen, wobei alle ersten Elektroden (2) der Batteriezellen (BZ) einer Gruppe (G1–Gn) durch ein erstes Kontaktelement (10) und alle zweiten Elektroden (3) der Batteriezellen (BZ) durch ein zweites Kontaktelement (10) kontaktiert werden, wobei das Kontaktelement (10) jeweils mindestens eine Kontaktierungslage (11, 12) umfasst, wobei auf der Kontaktierungslage (11, 12) im Bereich von zu kontaktierenden Elektroden (2, 3) der Batteriezellen (BZ) federelastische Elemente angeordnet sind.
Batterieeinheit nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass die Batteriezellen (BZ) in mindestens zwei Gruppen (G1–Gn) angeordnet sind, wobei die beiden Gruppen (G1–Gn) zueinander in Reihe angeordnet sind und durch ein gemeinsames Kontaktelement (10) in Reihe verschaltet sind, wobei zueinander korrespondierende Batteriezellen (BZ) unterschiedlicher Gruppen (G1–Gn) zueinander fluchtend angeordnet sind.
Batterieeinheit nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass die Anzahl der Batteriezellen (BZ) je Gruppe (G1–Gn) gleich ist.
Batterieeinheit nach einem der Ansprüche 7 bis 9, dadurch gekennzeichnet, dass die Batteriezellen (BZ) als Li-Ionen-Batteriezellen ausgebildet sind.