DE102012018036A1

DE102012018036A1 - Batterie

Info

Publication number: DE102012018036A1
Application number: DE201210018036
Authority: DE
Inventors: Florian Kneer; Devid Mosca; Stefan Schlayer; Dipl.-Ing. Dr. Schröter Dirk; Helmut Weikert
Original assignee: Daimler AG
Current assignee: Roechling Automotive Se De
Priority date: 2012-09-13
Filing date: 2012-09-13
Publication date: 2014-03-13

Abstract

Die Erfindung betrifft eine Batterie (1) aus einem Stapel von Batterieeinzelzellen (2), welche im Wesentlichen prismatisch ausgebildet und zwischen Zellrahmen (4) eingelegt sind, wobei die Batterieeinzelzellen (2) und die Zellrahmen (4) zu dem Stapel verspannt sind. Die Erfindung ist dadurch gekennzeichnet, dass der Stapel in einem Stapelgehäuse (6) angeordnet ist, wobei zwischen den Zellrahmen (4) und dem Stapelgehäuse (6) ein geschäumtes Kunststoffmaterial (15) eingebracht ist.

Description

Die Erfindung betrifft eine Batterie aus einem Stapel von Batterieeinzelzellen nach der im Oberbegriff von Anspruch 1 näher definierten Art.
Aus dem allgemeinen Stand der Technik sind Batterien, und hier insbesondere Hochleistungs- bzw. Hochvoltbatterien bekannt, welche aus einem Stapel von Batterieeinzelzellen ausgebildet sind. Solche Batterien werden vorzugsweise als Traktionsbatterien in zumindest teilweise elektrisch angetriebenen Fahrzeugen, also Elektrofahrzeugen oder Hybridfahrzeugen, eingesetzt. Sie sind vorzugsweise auf Basis der Lithium-Ionen-Technologie ausgebildet.
Die Batterieeinzelzellen des Stapels sind dabei im Wesentlichen flach bzw. quaderförmig ausgebildet und werden zu dem Stapel aufgestapelt und elektrisch miteinander kontaktiert. Hierdurch entsteht die Gesamtbatterie. Um den Stapel zu stabilisieren, wird dieser beispielsweise über Zuganker verspannt, sodass ein mechanisch stabiler Aufbau des Stapels entsteht. Die eingesetzten Zellen sind dabei im Wesentlichen prismatisch ausgebildet und können beispielsweise als bipolare Rahmenflachzellen innerhalb eines Zellrahmens aufgebaut sein oder sind vorzugsweise als sogenannte Coffeebag- oder Pouchzellen ausgebildet, bei denen der Elektrodenstapel zwischen Folien eingeschweißt wird, wobei dann typischerweise Zellrahmen so ausgebildet sind, dass sie die verschweißten Ränder der Folie zwischen sich einspannen und die mechanisch relativ labile Pouchzelle hierdurch stabilisieren.
Das Verspannen des Stapels der Batterieeinzelzellen über Zuganker ist beispielsweise in der DE 10 2010 013 002 A1 beschrieben. Problematisch bei einem solchen Aufbau ist der vergleichsweise hohe Aufwand bei der Herstellung und bei der Montage. Außerdem benötigen die vergleichsweise langen Zuganker eine hohe Festigkeit, welche mit einem vergleichsweise hohen Gewicht der Zuganker einhergeht. Letztlich ist es außerdem schwierig, einen Toleranzausgleich zu realisieren, auf beim Laden und Entladen der Batterieeinzelzellen auftretende Volumenänderungen, das sogenannte „Atmen”, zu reagieren und die unterschiedliche thermische Ausdehnung der sich im Betrieb erwärmenden und in den Betriebspausen abkühlenden Bauteile auszugleichen. Es sind daher elastische Elemente vorzusehen, welche Aufwand, Kosten und Gewicht weiter nach oben treiben.
Die Aufgabe der hier vorliegenden Erfindung besteht nun darin, eine Batterie aus einem Stapel von Batterieeinzelzellen anzugeben, welche diese Nachteile vermeidet und einen einfachen, leichten und kostengünstigen Aufbau gewährleistet.
Erfindungsgemäß wird diese Aufgabe durch eine Batterie mit den Merkmalen im kennzeichnenden Teil des Anspruchs 1 gelöst. Vorteilhafte Ausgestaltungen und Weiterbildungen ergeben sich dabei aus den hiervon abhängigen Unteransprüchen.
Die erfindungsgemäße Lösung sieht es vor, dass der Stapel in einem Stapelgehäuse angeordnet ist, wobei zwischen den Zellrahmen und dem Stapelgehäuse ein geschäumtes Kunststoffmaterial eingebracht ist. Ein solches geschäumtes Kunststoffmaterial kann, Polyurethanschaum oder ein anderes geschäumtes Kunststoffmaterial, zum Beispiel auf der Basis von Silikon oder Kunstharzen sein. Es ermöglicht ein sicheres und zuverlässiges Verspannen sowie die Befestigung der aufgestapelten Einzelzellen bzw. ihrer Rahmen in dem Stapelgehäuse. Gleichzeitig erlaubt es durch seine Elastizität einen Ausgleich von Fertigungstoleranzen und unterschiedlichen thermischen Längenausdehnungen der Einzelelemente. Hierdurch wird ein sicheres und zuverlässiges Verspannen der Batterieeinzelzellen in dem Stapelgehäuse erzielt. Gleichzeitig ist der Aufwand gegenüber herkömmlichen Bauformen mit Zugankern und dergleichen sowohl in der Montage deutlich geringer, da die Batterieeinzelzellen – unter Verzicht auf weitere Spannelemente – mit ihren Zellrahmen einfach in dem Stapelgehäuse aufgestapelt und dann durch das Umspritzen mit dem geschäumten Kunststoffmaterial fixiert werden können. Außerdem wird der Zellstapel sehr viel leichter, da das geschäumte Kunststoffmaterial, beispielsweise im Falle von Polyurethanschaum, eine Dichte von lediglich 0,4 g/cm³ aufweist und somit also sehr viel leichter ist, als das typischerweise für die Zuganker eingesetzte metallische Material wie beispielsweise Stahl oder dergleichen.
In einer besonders günstigen Weiterbildung der erfindungsgemäßen Batterie ist es dabei vorgesehen, dass die Zellrahmen und das Stapelgehäuse aus einem Spritzgussmaterial ausgebildet sind. Somit können auch diese Bauteile einfach, effizient und in großer Stückzahl sehr kostengünstig hergestellt werden. Außerdem gewährleistet das Spritzgussmaterial typischerweise eine sehr gute Anbindung des geschäumten Kunststoffmaterials, beispielsweise bei der Verwendung von Polypropylen als Spritzgussmaterial und Polyurethan als geschäumtem Kunststoffmaterial.
In einer weiteren sehr günstigen Ausgestaltung der erfindungsgemäßen Batterie ist es ferner vorgesehen, dass das Stapelgehäuse eine Mehrzahl von Öffnungen zum Einbringen des geschäumten Kunststoffmaterials aufweist. Insbesondere kann das Stapelgehäuse so ausgebildet werden, dass die Batterieeinzelzellen mit ihren Rahmen in das aufgestellte Stapelgehäuse von unten nach oben eingestapelt werden. An den langen Seiten des Stapelgehäuses können dann entsprechende Öffnungen, beispielsweise Schlitze, angebracht sein, über welche das aufgeschäumte Kunststoffmaterial in das Stapelgehäuse eingespritzt wird und beim Aufschäumen die Zellrahmen mit den dazwischen angeordneten Batterieeinzelzellen verspannt und zuverlässig in dem Stapelgehäuse fixiert und dabei dennoch eine hohe Elastizität in der Fixierung gewährleistet.
Die Zellrahmen sind dabei gemäß einer sehr günstigen Weiterbildung der erfindungsgemäßen Batterie so ausgebildet, dass sie das Eindringen von geschäumtem Kunststoffmaterial in Stapelrichtung zwischen die Einzelzellen verhindern. Dadurch bleibt ein durch die Rahmen ermöglichter Abstand zwischen den Batterieeinzelzellen in Stapelrichtung erhalten, sodass die Zellen beim typischerweise auftretenden Ausdehnen und Zusammenziehen der Zellen beim Laden und Entladen derselben sich weiterhin bewegen können, ohne dass hierdurch Schädigungen der Zellen auftreten können.
In einer sehr günstigen Ausgestaltung ist es dabei ferner vorgesehen, dass die Zellrahmen elastisch ausgebildet sind. Sie können dann einerseits zusammen mit dem elastischen geschäumten Kunststoffmaterial gewisse Bewegungen innerhalb des Stapels der Batterieeinzelzellen ausgleichen helfen. Andererseits erlauben sie durch ein elastisches Zusammendrücken beispielsweise beim Verschließen des Stapelgehäuses bereits eine Vorspannung und zuverlässige Fixierung innerhalb des Stapelgehäuses, welche dann bei der Montage das Einspritzen des geschäumten Kunststoffmaterials ermöglicht, ohne dass die bereits aufgestapelten Einzelzellen zuvor wieder aus ihrer Position verrutschen können.
Weitere vorteilhafte Ausgestaltungen der erfindungsgemäßen Batterie ergeben sich aus den restlichen abhängigen Unteransprüchen und werden anhand des Ausführungsbeispiels deutlich, welches nachfolgend unter Bezugnahme auf die Figuren näher beschrieben ist.
Dabei zeigen:
1 eine erfindungsgemäß ausgeführte Batterie in einer dreidimensionalen Explosionsdarstellung;
2 die Ansicht eines Zellrahmens in dreidimensionaler Ansicht;
3 die aufgestapelten Batterieeinzelzellen in dem Stapelgehäuse; und
4 eine dreidimensionale Ansicht der zusammengebauten Batterie.
In der Darstellung der 1 ist in einer dreidimensionalen Explosionsdarstellung die Batterie 1 zu erkennen, welche als Hochleistungsbatterie für ein elektrisch angetriebenes Fahrzeug oder ein teilweise elektrisch angetriebenes Hybridfahrzeug eingesetzt werden soll. Die Batterie ist dabei in Lithium-Ionen-Technologie ausgebildet. Kern der Batterie 1 ist ein Stapel von Batterieeinzelzellen 2, von welchen in der Darstellung der 1 lediglich zwei explizit zu erkennen sind. Diese Batterieeinzelzellen 2 sind als sogenannte Coffeebag- oder Pouchzellen ausgebildet. Sie umfassen einen in den Darstellungen nicht erkennbaren Stapel von Elektroden, welcher in einen Beutel oder zwischen zwei Folien eingebracht wird, worauf diese Folien miteinander in den über den Elektrodenstapel überstehenden Randbereichen 3 miteinander verschweißt werden. Die elektrochemisch aktiven Materialien sind somit sicher und zuverlässig im inneren der Batterieeinzelzelle 2 zwischen den beiden im Randbereich 3 miteinander verschweißten Folien eingebracht. An zwei Stellen ragen durch diesen Randbereich 3 die Kontaktfahnen, welche in an sich bekannter Art und Weise mit den verschiedenen Elektroden in der Batterieeinzelzelle 2 verbunden sind. Da die Batterieeinzelzellen 2 in dieser Bauart selbst vergleichsweise instabil sind, werden sie zwischen Zellrahmen 4 eingebracht, wobei jede der Batterieeinzelzellen 2 zwischen zwei der Zellrahmen 4 zu liegen kommt. In der Darstellung der 1 ragen die Kontaktfahnen dann nach oben durch diese Zellrahmen heraus und sind mit elektrischen Kontakten 5 im Bereich der Zellrahmen 4 verbunden, beispielsweise verschweißt. Die Batterieeinzelzellen 2 und die Zellrahmen 4 werden nun in ein Stapelgehäuse bzw. Stackgehäuse 6 gestapelt. Dieses Stapelgehäuse 6 kann dazu beispielsweise auf der mit dem Bezugszeichen 7 versehenen Unterseite aufgestellt werden, sodass das Stapeln vergleichsweise einfach dadurch erzielt werden kann, dass Rahmen 4 und Batterieeinzelzellen 2 von oben in das Stackgehäuse 6 eingestapelt werden. Das Stackgehäuse 6 selbst kann dabei beispielsweise aus einem Spritzgussmaterial, insbesondere aus PP-GF 30, hergestellt sein. Die einzelnen Batterieeinzelzellen 2 und Rahmen 4 werden dann entsprechend eingestapelt, wobei das Stapelgehäuse 6 in der Darstellung der 1 auf seiner oberen Seite zwei Schlitze 8 aufweist, über welche später die elektrischen Kontakte 5 zugänglich sind. Nach dem Aufstapeln der Batterieeinzelzellen 2 und der Rahmen 4 in dem Stapelgehäuse 6 wird dieses mit einer Endkappe 9 entsprechend verschlossen. Über ein wärmeleitendes, aber elektrisch isolierendes Material, welches beispielsweise als Vergussmasse oder, wie in der Darstellung der 1, als Wärmeleitfolie 10 ausgebildet sein kann, werden die elektrischen Kontakte 5 dann mit einer Kühleinrichtung 11, welche beispielsweise als aktiv gekühlte metallische Platte ausgebildet ist, thermisch verbunden. Den Abschluss des Aufbaus bildet ein Batteriedeckel 12, welcher die entsprechende Elektronik sowie die elektrische Kontaktierung der außenliegenden Batterieeinzelzellen 2 des Stapels zur Gesamtbatterie 1 aufweist.
In der Darstellung der 2 ist einer der Zellrahmen 4 nochmals dargestellt. Er dient einerseits zur Fixierung und Beabstandung der Batterieeinzelzellen voneinander und dichtet den zwischen den Batterieeinzelzellen 2 entstehenden Zwischenraum andererseits aus später noch näher beschriebenen Gründen gegenüber dem zwischen dem Zellrahmen 4 und dem Stackgehäuse 6 verbleibenden Bereich ab. Der Zellrahmen 4 weist außerdem Ausnehmungen 13 in seinen dem Stapelgehäuse 6 zugewandten Randbereichen auf, auf welche später ebenfalls noch näher eingegangen wird.
Die Batterieeinzelzellen 2 und die Zellrahmen 4 werden nun, wie bereits erwähnt, aufgestapelt, indem das Stapelgehäuse 6 auf seiner Unterseite 7 aufgestellt wird. Dies ist in der Darstellung der 3 mit eingestapelten Zellen nochmals im Detail zu erkennen. Anschließend wird von oben die Endkappe 9 aufgebracht und die Batterie 1 zu der in 4 dargestellten Gesamtbatterie kombiniert. Nach wie vor sind nun die Batterieeinzelzellen 2 und die Zwischenrahmen 4 vergleichsweise lose in dem Stapelgehäuse 6 aufgestapelt und werden lediglich durch die Endkappe 9 und den Batteriedeckel 12 grob in ihrer Position gehalten. Dies kann dadurch unterstützt werden, dass die Zellrahmen 4 aus einem elastischen Material, vorzugsweise einem elastischem Spritzgussmaterial, ausgebildet sind. Der Stapel wird hierdurch verspannt.
In der Darstellung der 4 sind nun auf der dem Batteriedeckel 12 zugewandten Seite der einen Seitenfläche des Stapelgehäuses 6 Öffnungen 14 zu erkennen. In dem in 4 dargestellten Montagezustand der Batterie 1 wird in diese Öffnungen 14 nun ein geschäumtes bzw. aufschäumbares Kunststoffmaterial 15 eingebracht. Dieses geschäumte Kunststoffmaterial 15 ist dabei lediglich in der Darstellung der 1 zu erkennen. Es füllt also in der 1 hell dargestelltes Material die Ausnehmungen 13 der Zellrahmen 4, welche sowohl umlaufend um den Zellrahmen 4 als auch in Stapelrichtung der einzelnen Zellrahmen ausgebildet sind entsprechend aus und ist dort auch mit dem Bezugszeichen 15 versehen. Im einfachsten Anwendungsfall kann es sich dabei beispielsweise um Polyurethanschaum handeln, welcher auch unter dem Begriff „Montageschaum” bekannt ist. Der Schaum dringt dann durch die Öffnungen 14 in das Innere des Stapelgehäuses ein und verteilt sich entlang der Ausnehmungen 13 in den Zellrahmen 4 sowohl um den Zellrahmen 4 herum als auch in Stapelrichtung zwischen den einzelnen Zellrahmen 4. Die Zellrahmen 4 haben dabei, wie oben bereits erwähnt, die Eigenschaft, dass sie den zwischen den Elektrodenstapeln der Batterieeinzelzellen 2 verbleibenden Raum gegenüber dem zwischen den Zellrahmen 4 und dem Stapelgehäuse 6 verbleibenden Raum abdichten. Das geschäumte Kunststoffmaterial 15 verteilt sich also lediglich zwischen den Zellrahmen 4 und dem Stapelgehäuse. Es dringt jedoch nicht in den Raum zwischen den Batterieeinzelzellen 2 im Inneren der jeweiligen Zellrahmen ein. Hierdurch wird eine sichere und zuverlässige Fixierung der Zellrahmen 4 in dem Stapelgehäuse 6 sichergestellt. Gleichzeitig wird verhindert, dass geschäumtes Kunststoffmaterial 15 zwischen die einzelnen Batterieeinzelzellen 2 eindringt und diese an ihrer beim Laden und Entladen unweigerlich entstehenden atmenden Bewegung durch Aufblähen und wieder Zusammenziehen der Bereiche des Elektrodenstapels hindert. Somit wird einerseits eine zuverlässige und sichere Fixierung des Stapels der Batterieeinzelzellen bzw. seiner Zwischenrahmen 4 in dem Stapelgehäuse 6 erzielt und andererseits die Funktionalität der Batterieeinzelzellen 2 nicht beeinträchtigt.
Die Fixierung über das geschäumte Kunststoffmaterial 15 hat dabei den entscheidenden Vorteil, dass diese einerseits elastisch ist und dadurch auf beispielsweise thermische Längenausdehnungen entsprechend reagieren und Fertigungstoleranzen zwischen den einzelnen Bauteilen ausgleichen kann. Andererseits hält das geschäumte Kunststoffmaterial die Bauteile innerhalb des Stapelgehäuses sicher und zuverlässig an ihrer Stelle. Wird beispielsweise Polyurethanschaum eingesetzt, dann weist dieser im Allgemeinen eine Dichte von etwa 0,4 g/cm³ sowie eine Härte von 40 ShA–50 ShD auf. Dies ermöglicht eine sichere und zuverlässige, aber dennoch elastische Befestigung bei einem sehr viel geringeren Gewicht, als es beispielsweise die aus dem Stand der Technik bekannten Zuganker, welche typischerweise aus Stahl ausgebildet sind, ermöglichen. Es entsteht damit ein sehr einfacher Aufbau mit optimalem Toleranzausgleich und minimalem Gewicht. Durch das beschriebene Herstellungsverfahren wird außerdem deutlich, dass der Montageaufwand sehr gering ist und die Montage sehr einfach und effizient erfolgen kann. Der Aufwand für die Montage und die damit verbundenen Montagekosten liegen somit in jedem Fall unter den Montagekosten bei einem Aufbau gemäß dem Stand der Technik, welcher die Batterieeinzelzellen 2 und ihre Zwischenrahmen über Zuganker miteinander verspannt.
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

DE 102010013002 A1 [0004]

Claims

Batterie (1) aus einem Stapel von Batterieeinzelzellen (2), welche im Wesentlichen prismatisch ausgebildet und zwischen Zellrahmen (4) eingelegt sind, wobei die Batterieeinzelzellen (2) und die Zellrahmen (4) zu dem Stapel verspannt sind, dadurch gekennzeichnet, dass der Stapel in einem Stapelgehäuse (6) angeordnet ist, wobei zwischen den Zellrahmen (4) und dem Stapelgehäuse (6) ein geschäumtes Kunststoffmaterial (15) eingebracht ist.
Batterie (1) nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das geschäumte Kunststoffmaterial (15) als Polyurethanschaum ausgebildet ist.
Batterie (1) nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Zellrahmen (4) und das Stapelgehäuse (6) aus einem Spritzgussmaterial ausgebildet sind.
Batterie (1) nach Anspruch 1, 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, dass das Stapelgehäuse (6) eine Mehrzahl von Öffnungen (14) zum Einbringen des geschäumten Kunststoffmaterials (15) aufweist.
Batterie (1) nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass die Zellrahmen (4) so ausgebildet sind, dass sie das Einbringen von geschäumtem Kunststoffmaterial (15) in Stapelrichtung zwischen die Batterieeinzelzellen (2) verhindern.
Batterie (1) nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass die Zellrahmen (4) elastisch ausgebildet sind.
Batterie (1) nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass die Zellrahmen (4) in den dem Stapelgehäuse (6) zugewandten Bereichen Ausnehmungen (13) zur Aufnahme des geschäumten Kunststoffmaterials (15) aufweisen.
Batterie (1) nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass die Batterieeinzelzellen (2) einen Elektrodenstapel aufweisen, welcher zwischen Folien eingeschweißt ausgebildet ist, wobei die verschweißten Randbereiche (3) der Folie in dem Stapel zwischen den Zellrahmen (4) zu liegen kommen.
Batterie (1) nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass elektronische Kontaktbereiche (5) der Batterieeinzelzellen (2) auf einer Seite der Zellrahmen (4) und des Stapelgehäuses (6) herausragen und mit einer Batterieelektronik sowie einer Kühleinrichtung (11) verbunden sind.
Batterie (1) nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, dass zwischen den elektrischen Kontaktebereichen (5) und der Kühleinrichtung (11) eine elektrisch isolierende Wärmeleitschicht (10) angeordnet ist.