DE102011100172A1

DE102011100172A1 - Leicht zusammenbaubarer Batteriesatz mit prismatischen Batteriezellen

Info

Publication number: DE102011100172A1
Application number: DE201110100172
Authority: DE
Inventors: Yhu-Tin Lin; Andrew H. Leutheuser
Original assignee: GM Global Technology Operations LLC
Current assignee: GM Global Technology Operations LLC
Priority date: 2010-05-06
Filing date: 2011-05-02
Publication date: 2011-11-10
Anticipated expiration: 2031-05-03
Also published as: CN102237547A; DE102011100172B4; US20110274956A1; CN102237547B; US8802264B2

Abstract

Es wird eine schweißfreie, rahmenlose Batteriekonstruktion vorgesehen. Die Konstruktion verringert die Anzahl an Teilen und das Gewicht des Batteriesatzes, vereinfacht den Zusammenbauvorgang und hält den Batteriesatz bei minimalem Aufwand und minimalen Kosten reparirfähig und wiederaufarbeitbar. Der Batteriesatz umfasst einen Stapel von Batteriezellen und Kühlrippen, und um den Stapel ist eine abnehmbare Fixierung angeordnet. Die positiven und negativen Laschen der Batteriezellen umfassen ein Paar von Unterlaschen, die über die Seiten der Zelle gebogen sind. Eine Art von Zelle kann einen verlängerten Abschnitt an einer der positiven und einer der negativen Unterlaschen, die sich an gegenüberliegenden Seiten der Zelle befinden, aufweisen. Die Unterlaschen werden verwendet, um die notwendigen Reihen- und Parallelschaltungen herzustellen.

Description

HINTERGRUND
Die Erfindung betrifft allgemein Batteriesätze und insbesondere Batteriesätze, die sich leicht zusammenbauen und zerlegen lassen.
Die Batterieanordnung für Hybrid- oder Steckdosenelektrofahrzeuge (EV, kurz vom engl. Electric Vehicles) kann aus mehreren Batteriezellen 10, Kühlrippen 15, Wiederholungsrahmen 20 und Schaumlagen 25 bestehen, die gestapelt und miteinander verbunden sind, um ein Modul bzw. einen Satz zu bilden, der in 1 gezeigt ist. Auch wenn die Batteriezellen die einzige Energie- und Leistungsquelle der Batterie sind, benötigt die Anordnung die anderen Komponenten, um ein voll funktionsfähiges und zuverlässiges System zu bilden. Sie alle erhöhen das Gewicht und die Komplexität des Batteriesatzes. Das Gesamtgewicht der Wiederholungsrahmen kann zum Beispiel ganze 10% des Gesamtgewichts des Batteriesatzes ausmachen.
Die Batterie für Langstrecken-EV kann mehr als 200 Batteriezellen enthalten. Die Zellen haben vorzugsweise eine Prismenform für bessere räumliche Energiedichte und besseren Wärmewirkungsgrad. Die jeweilige Anzahl an Kühlrippen, Wiederholungsrahmen und Schaumlagen kann bei der Hälfte der Anzahl von Batteriezellen liegen. Jedes Teil besitzt unterschiedliche Materialeigenschaften und eine unterschiedliche geometrische Form. Die Batteriezellen sind halbstarr und in einem Beutel laminiert. Die Kühlrippen, die zum Beispiel aus einem einzelnen Stück Aluminium oder zwei verschweißten Aluminiumblechen mit Kühlmittelkanälen im Inneren bestehen können, sind prismatisch und dünn, aber starrer als die Batteriezellen. Die Schaumlagen, die Raum für thermisches Ausdehnen und Zusammenziehen vorsehen, sind relativ weich und weisen Gummidichtungsränder auf. Die Kunststoffwiederholungsrahmen, die schmal und hohl sind, weisen komplizierte Verzahnungsdetails und Kühlmitteldichtungen an beiden Seiten des Rahmens auf. Die große Anzahl an unterschiedlichen Teilen macht einen schnellen Stapelbetrieb problematisch genug. Die Unterschiede bei der baulichen Form und den Eigenschaften erhöht die Schwierigkeit und Komplexität automatisierter Montage weiter, wobei sie teure Montageanlagen erfordern oder einen langsameren Montagebetrieb bewirken.
Typischerweise ist nach dem Stapeln und Zusammenbauen der Batteriekomponenten zu einem Modul jede zweite oder dritte benachbarte Batteriezelle zusammengeschweißt, um elektrische Parallelschaltungen zu bilden. Jede Zelle weist mindestens zwei Laschen oder elektrische Anschlüsse (einer positiv, einer negativ) für ein solches Schweißen auf. Eine Verbindungsplatte kann hinzugefügt und mit den Zellen verschweißt werden, um die Reihenschaltung des Batteriesatzes nach Bedarf zu vervollständigen. Die Schweißvorgänge erfordern entsprechende Schweißmaschinen und Werkzeuge und sind teure und zeitaufwändige Vorgänge. Aufgrund der Schwierigkeit des präzisen Biegens von Laschen und Höhensteuerung bringt das Abstehen von Laschen nach dem Schweißen weiterhin das Risiko eines Kurzschlusses mit sich, wenn die Batterieüberwachungsplatte oben auf dem Batteriesatz angebracht ist.
Aufgrund der Unumkehrbarkeit von derzeitigen Schweißmethoden, wie etwa Punktschweißen und Ultraschallschweißen, erfordert schließlich das Entfernen einer defekten Zelle von einem vollständig montierten Batteriesatz das Durchschneiden aller Laschenverbindungen in dem Modul. Somit können die guten Batteriezellen nicht erneut verschweißt werden, was ein teures Produkt- und Herstellungsproblem ist.
Daher besteht Bedarf nach einem verbesserten Batteriesatz, der leicht zusammenbaubar und zerlegbar ist.
ZUSAMMENFASSUNG DER ERFINDUNG
Es wird eine schweißfreie, rahmenlose Batteriekonstruktion vorgesehen. Die Konstruktion verringert die Anzahl an Teilen und das Gewicht eines Batteriesatzes signifikant, vereinfacht den Zusammenbauvorgang und hält den Batteriesatz bei minimalem Aufwand und minimalen Kosten reparierfähig und wiederaufarbeitbar. Ferner wahrt die Batteriekonstruktion die Flexibilität der Reihen-/Parallelschaltung von Batteriezellen, das Zulassen von Wärmeausdehnung und die Freiheit von Kühlen/Erwärmen mit Flüssigkeit oder Luft.
In einer Ausführungsform umfasst der Batteriesatz mindestens zwei Batteriezellen in elektrischem Kontakt, wobei die Batteriezellen erste und zweite Seiten aufweisen, die Batteriezellen eine positive Lasche und eine negative Lasche an einem Rand der Batteriezelle aufweisen, die positive Lasche ein Paar von Unterlaschen umfasst, die über die erste und zweite Seite der Zelle gebogen sind, und die negative Lasche ein Paar Unterlaschen umfasst, die über die erste und zweite Seite der Zelle gebogen sind; einen positiven Anschluss in elektrischem Kontakt mit einer der positiven Unterlasche einer der Batteriezellen; einen negativen Anschluss in elektrischem Kontakt mit einer der negativen Unterlaschen einer anderen der Batteriezellen; mindestens eine zwischen Batteriezellen positionierte Kühlrippe; und eine abnehmbare Fixierung um die erste und zweite Batteriezelle und die Rippe.
KURZBESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGEN
1 ist eine Darstellung der Teile in einem Batteriesatz des Stands der Technik.
2 ist ein Querschnitt einer Ausführungsform eines Batteriesatzes.
3 ist eine Ansicht einer Kühlrippe und eines Teils der Batteriezelle des Batteriesatzes von 2.
4 ist eine Draufsicht auf den Batteriesatz von 2.
5A–E sind eine Darstellung von zwei Arten von Batteriezellen und einer Ausführungsform einer Rippe.
6 ist ein Querschnitt einer Ausführungsform eines Batteriesatzes.
7 ist eine Draufsicht auf den Batteriesatz von 6.
8 ist ein schematischer elektrischer Fluss der Ausführungsform von 4.
9 ist ein schematischer elektrischer Fluss einer anderen Ausführungsform.
10A–B sind schematische elektrische Flüsse einer anderen Ausführungsform.
11A–D veranschaulichen die Batteriezellen der Ausführungsform von 10.
12A–C veranschaulichen unterschiedliche Ausführungsformen von abnehmbaren Fixierungen.
EINGEHENDE BESCHREIBUNG
Wie in 2–5 gezeigt umfasst der Batteriesatz 100 zwei Arten von Batteriezellen 105, 110 und Kühl-/Heizrippen 115. Die Batteriezellen 105, 110 sind im Allgemeinen die gleichen wie die im Handel erhältlichen Produkte. Sie können nach Bedarf in einem Beutel oder in einer harten Schale enthalten sein. Innen müssen keine Chemikalien oder Materialien gewechselt werden. Jede Batteriezelle 105 weist eine positive Lasche 120 und eine negative Lasche 125 auf, und jede Batteriezelle 110 weist eine positive Lasche 130 und eine negative Lasche 135 auf. Jede positive oder negative Lasche weist zwei trennbare Unterlaschen 140, 145 auf, die jeweils hin zu den beiden Seiten der Batteriezellenpackung gebogen werden können. Die Unterlaschen bilden zwei elektrische Anschlüsse der gleichen Polarität, positive oder negativ.
5A–B sind die Vorder- und Rückseiten von Batteriezelle 105, während 5D–E die Vorder- und Rückseite von Batteriezelle 11 zeigen. Die zwei Arten von Batteriezellen 105 und 110 sind im Wesentlichen identisch. Der einzige signifikante Unterschied ist, dass bei der Zellenart 105 die positive Lasche 120 einen verlängerten Abschnitt 122 an einer Seite aufweist und die negative Lasche 125 einen verlängerten Abschnitt 127 an der anderen Seite der Zelle aufweist. Wie in 4 gezeigt kann eine Zellen-Parallelschaltung durch Stapeln der gleichen Art von Zellen, Art 105 oder Art 110, nebeneinander vorgesehen werden. Jeder Wechsel von Zellen der Art 105 zu Zellen der Art 110 oder umgekehrt in dem Stapel ändert die Batterieschaltung auf Reihenschaltung. Daher ist die Kombination von Parallel- und Reihenschaltungen in einem Batteriesatz unbeschränkt. Die Batteriezellen werden durch den direkten mechanischen Kontakt in dem Stapel verbunden. Es ist kein Schweißen und kein Verbindungsrahmen erforderlich.
Statt des Stapelns des Batteriesatzes mit separaten Schaumstücken zwischen den Zellen wie bei typischen Konstruktionen des Stands der Technik kann die Batteriezelle mindestens einen vorbefestigten Schaumstreifen 150 an jeder Seite der Zelle aufweisen. Neben dem Unterstützen der Montagegenauigkeit dienen die Streifen 150 am nächsten zu den positiven und negativen Laschen 120, 125 auch als Befestigungspolster für das Fixieren der gebogenen Unterlaschen 140, 145 auf den Streifen 150 an festgelegten Stellen.
Wie in 5 gezeigt weisen die dünnen, aber starren Kühl-/Heizrippen 115 zwei Schlitze 155A und 155B auf, um die Schaumstreifen 150 benachbarter Zellen einzupassen. Die Rippe 115 kann zum Beispiel oben auf der Vorderseite der Zelle 110 gestapelt sein, wobei einer ihrer Schaumstreifen in den Schlitz 155A passt, dann hat die nächste Zelle, entweder 105 oder 110, einen ihrer Schaumstreifen auf der Rückseite in den Schlitz 155B der gleichen Rippe eingepasst. Somit tragen die Schlitze 155A und 155B dazu bei, die relative Position zwischen den Batteriezellen 105, 110 und den Rippen 115 auszurichten. Die Rippen 115 können eine solche Dicke aufweisen, dass bei Komprimieren des Zellenstapels die Schaumstreifen zusammengepresst werden können, um die Zellen für beste Wärmeübertragungseffizienz in festen Kontakt mit den Rippen gelangen zu lassen.
Die Rippen 115 können durch Luft oder Flüssigkeit gekühlt/beheizt werden. Für Luftkühlung/-heizung kann die Rippe einfach nur ein flaches Blech sein. Optional kann sie wie vorstehend dargelegt Schlitze 155 und/oder einen Flansch um den Rand in einer (nicht gezeigten) tablettartigen Geometrie umfassen, die dazu beitragen können, die Zellen sicherer zu positionieren. Für Flüssigkeitskühlung/-heizung weist jede Rippe 115 Kühlmittelkanäle 160 zwischen zwei verschweißten Blechen sowie Kühlmitteleinlässe 165 und Kühlmittelauslässe 170 auf. Die Kühlmitteleinlässe 165 und -auslässe 170 können einzeln mit einem (nicht gezeigten) Verteiler für Kühlmittelumwälzung verbunden sein oder sie können sich von den Rippen in ohrförmigen Merkmalen 175 erstrecken und dann wie in 2 gezeigt miteinander gestapelt sein. Um den Spalt zwischen den Rippen zu füllen und eine ordnungsgemäße Kühlmittelabdichtung vorzusehen, können die ohrartigen Verlängerungen mit Kunststoff 180 geformt sein, der abdichtbar ist, oder Gummidichtungen (nicht gezeigt) um die Öffnungen für Kühlmittel aufweisen. Das Kühlmittel kann so leicht in (nicht gezeigte) Endplatten des Stapels eingeleitet und daraus abgeführt werden.
Aufgrund höherer Steifigkeit können die Rippen 115 die primären baulichen und fixierenden Elemente des Stapels zum Halten von Batteriezellen sein. Nach dem Zusammenpressen kann der Stapel in abnehmbaren Fixierungen aufgenommen werden, was Festklemmen mit Bolzen oder Zugankern 190 (12A), Umwickeln mit Metallstreifen 195 (12B) oder Verpacken in einer harten Schale 200 (12C) für die Endmontage umfasst, aber nicht darauf beschränkt ist, wodurch Gewicht und Kosten für Wiederholungsrahmen sowie Montagezeit eingespart werden. Beim Wiederaufarbeiten kann der Stapel aufgrund der schweißfreien Montage mühelos zerlegt werden, und etwaige defekte Zellen oder andere Komponenten können bei minimalen Zeit- und Kostenaufwand ersetzt werden.
Es ist bekannt, dass der elektrische Widerstand eines mechanischen Kontakts umgekehrt proportional zu der Kontaktkraft an der Grenzfläche ist. Eine höhere Kontaktkraft verformt mikroskopischere Oberflächenunebenheiten des Metalls und erzeugt somit eine größere Kontaktfläche zwischen den beiden Oberflächen, was wiederum den Energiewiderstand von elektrischem Stromfluss verringert. Indessen trägt eine höhere Kontaktkraft dazu bei, die Oxidationsfilme auf Metallflächen aufzubrechen, und verbessert die elektrische Leitfähigkeit an der Grenzfläche. Wenn aber die elektrischen Anschlüsse an der Rückseite der Zelle positioniert sind, wie in 2–5 gezeigt ist, beschränkt dies die Kontakt- oder Kompressionskraft, wenn der Stapel am Ende der Montage verpackt wird. Eine übermäßige Kompression könnte die Batteriezellen zerquetschen und beschädigen. 6–7 zeigen eine andere Ausführungsform, bei der eine nicht leitende Kompressionsstange 185 in dem Zellenbeutel eingebettet ist, um als mechanische Stütze der elektrischen Anschlüsse für höhere Kontaktkraft bei der Montage zu dienen. Dieses Vorgehen erfordert aber eine Vornahme einer Änderung an der Batteriezelle selbst.
8 zeigt das schematische elektrische Flussdiagramm von 4 mit erhöhter Anzahl an miteinander gestapelten Zellen. Aufgrund der verlängerten Laschen und der Nähe der Laschenpositionen gibt es mehrere eingekreiste Bereiche, fünf pro sich wiederholender Parallel-Reihen-Schaltung von Zellen in diesem bestimmten Beispiel, die das Risiko von elektrischem Kurzschluss mit sich bringen können, wenn es während Stapelbetrieb eine Fehlausrichtung zwischen Zellen gibt.
9 zeigt eine Ausführungsform, die das Risiko von elektrischem Kurzschluss durch Umordnen der Laschenpositionen mindert. Bei der Zelle 105 weisen der verlängerte Abschnitt 122 der positiven Lasche 120 und der verlängerte Abschnitt 127 der negativen Lasche 125 in entgegengesetzte Richtungen statt in die gleiche Richtung wie in 8, was dazu führt, dass die Laschen 120 und 125 näher zueinander sind. Bei der Zelle 110 dagegen sind die positive Lasche 130 und die negativen Lasche 135 weiter voneinander beabstandet. Bei dieser Laschenanordnung ist das Risiko von elektrischem Kurzschluss bei dem gleichen Muster einer Parallel-Reihen-Schaltung der Zellen von fünf auf drei Stellen verringert. Dennoch ist das Risiko immer noch vorhanden.
10 zeigt eine Ausführungsform, die das Risiko von elektrischem Kurzschluss durch Trennen der positiven und negativen Laschen zu den entgegengesetzten Rändern der Zelle beseitigen kann. Das Diagramm von 10 ist im Wesentlichen das gleiche wie das von 9, lediglich die rechte Hälfte der Laschen befindet sich an dem unteren Rand der Zellen, was die Möglichkeit von elektrischem Kurzschluss aufgrund einer Stapelfehlausrichtung der Zellen beseitigt. 11 veranschaulicht die Laschenanordnung von 10.
Zu beachten ist, dass Begriffe wie ”bevorzugt”, ”üblicherweise” und ”typischerweise” hierin nicht genutzt werden, um den Schutzumfang der beanspruchten Erfindung zu beschränken oder um zu implizieren, dass bestimmte Merkmale ausschlaggebend, wesentlich oder auch wichtig für die Struktur oder Funktion der beanspruchten Erfindung sind. Vielmehr sollen diese Begriffe lediglich alternative oder zusätzliche Merkmale hervorheben, die in einer bestimmten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung genutzt werden können, aber nicht genutzt werden müssen.
Für die Zwecke des Beschreibens und Darlegens der vorliegenden Erfindung wird festgestellt, dass der Begriff ”Vorrichtung” hierin genutzt wird, um eine Kombination von Komponenten und einzelne Komponenten darzustellen, unabhängig davon, ob die Komponenten mit anderen Komponenten kombiniert sind. Zum Beispiel kann eine erfindungsgemäße ”Vorrichtung ” eine elektrochemische Umwandlungsbaugruppe oder Brennstoffzelle, ein Fahrzeug, das eine elektrochemische Umwandlungsbaugruppe gemäß der vorliegenden Erfindung umfasst, etc. umfassen.
Für die Zwecke des Beschreibens und Darlegens der vorliegenden Erfindung wird festgestellt, dass der Begriff ”im Wesentlichen” hierin genutzt wird, um den inhärenten Grad an Unsicherheit darzustellen, der einem quantitativen Vergleich, einem Wert, einer Messung oder einer anderen Darstellung zugeordnet sein kann. Der Begriff ”im Wesentlichen” wird hierin auch genutzt, um den Grad darzustellen, um den eine quantitative Darstellung von einem genannten Bezugswert abweichen kann, ohne zu einer Änderung der Grundfunktion des betreffenden Gegenstands zu führen.
Nach erfolgter ausführlicher Beschreibung der Erfindung unter Verweis auf bestimmte Ausführungsformen derselben versteht sich, dass Abwandlungen und Änderungen möglich sind, ohne vom Schutzumfang der in den beigefügten Ansprüchen dargelegten Erfindung abzuweichen. Auch wenn im Einzelnen einige Aspekte der vorliegenden Erfindung hierin als bevorzugt oder besonders vorteilhaft bezeichnet sind, soll die vorliegende Erfindung nicht unbedingt auf diese bevorzugten Aspekte der Erfindung beschränkt sein.

Claims

Schweißfreier Batteriesatz, umfassend: mindestens zwei Batteriezellen in elektrischem Kontakt, wobei die Batteriezellen erste und zweite Seiten aufweisen, wobei die Batteriezellen eine positive Lasche und eine negative Lasche an einem Rand der Batteriezelle aufweisen, wobei die positive Lasche ein Paar von Unterlaschen umfasst, die über die erste und zweite Seite der Zelle gebogen sind, und wobei die negative Lasche ein Paar Unterlaschen umfasst, die über die erste und zweite Seite der Zelle gebogen sind; einen positiven Anschluss in elektrischem Kontakt mit einer der positiven Unterlaschen einer der Batteriezellen; einen negativen Anschluss in elektrischem Kontakt mit einer der negativen Unterlaschen einer anderen der Batteriezellen; mindestens eine zwischen Batteriezellen positionierte Kühlrippe; und eine abnehmbare Fixierung um die Batteriezellen und die Rippe.
Batteriesatz nach Anspruch 1, wobei mindestens drei Batteriezellen vorhanden sind und wobei mindestens eine Reihenschaltung und mindestens eine Parallelschaltung zwischen den Batteriezellen vorliegt.
Batteriesatz nach Anspruch 1, wobei die positive Lasche und die negative Lasche sich an unterschiedlichen Rändern der Batteriezelle befinden.
Batteriesatz nach Anspruch 1, wobei die Batteriezellen weiterhin mindestens einen Schaumstreifen umfassen, der an einer der Seiten angebracht ist.
Batteriesatz nach Anspruch 4, wobei die Kühlrippe mindestens einen Schlitz aufweist, der positioniert ist, um den Schaumstreifen aufzunehmen.
Batteriesatz nach Anspruch 1, wobei mindestens eine der Batteriezellen eine positiven Unterlasche mit einem verlängerten Abschnitt und eine negative Unterlasche mit einem verlängerten Abschnitt aufweist, wobei sich die verlängerten Abschnitte auf gegenüberliegenden Seiten der Batteriezelle befinden.
Batteriesatz nach Anspruch 6, wobei der verlängerte Abschnitt der positiven Unterlasche in elektrischem Kontakt mit der negativen Unterlasche einer Batteriezelle steht oder der verlängerte Abschnitt der negativen Unterlasche in elektrischem Kontakt mit der positiven Unterlasche einer Batteriezelle steht, was eine Reihenschaltung bildet.
Batteriesatz nach Anspruch 1, wobei die abnehmbare Fixierung ein Metallband, einen Bolzen, einen Zuganker oder eine harte Schale umfasst.
Batteriesatz nach Anspruch 1, wobei die Kühlrippe einen Kühlmitteleinlass, einen Kühlmittelauslass und einen den Kühlmitteleinlass und den Kühlmittelauslass verbindenden Kühlmittelkanal umfasst.
Batteriesatz nach Anspruch 1, wobei die Batteriezelle weiterhin eine nicht leitende Druckstange an dem Rand mit der positiven oder negativen Lasche umfasst.