DE102012018045A1

DE102012018045A1 - Batterie mit einem Stapel von Batterieeinzelzellen

Info

Publication number: DE102012018045A1
Application number: DE201210018045
Authority: DE
Inventors: Manfred KAMPKE; Florian Kneer; Stefan Schlayer; Dirk Schröter; Helmut Weikert
Original assignee: Daimler AG
Current assignee: Roechling Automotive SE and Co KG
Priority date: 2012-09-13
Filing date: 2012-09-13
Publication date: 2014-03-13

Abstract

Die Erfindung betrifft eine Batterie (1) mit einem Stapel (3) von Batterieeinzelzellen (4), welche jeweils einen Elektrodenstapel aufweisen, welcher zwischen Folien eingeschweißt ausgebildet ist, wobei die Batterieeinzelzellen (4) zwischen Zellrahmen (5) eingeklemmt und zu dem Stapel (3) aufgestapelt sind: Die Erfindung ist dadurch gekennzeichnet, dass jeder der Zellrahmen (5) wenigstens zwei Rasthaken (14) aufweist, über welche er mit wenigstens einem benachbarten Zellrahmen (5) in dem Stapel verrastet ist.

Description

Die Erfindung betrifft eine Batterie mit einem Stapel von Batterieeinzelzellen nach der im Oberbegriff von Anspruch 1 näher definierten Art.
Aus dem allgemeinen Stand der Technik sind Batterien, 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 und Hybridfahrzeugen, eingesetzt. Sie sind vorzugsweise auf der Basis von Batterieeinzelzellen in Lithium-Ionen-Technologie ausgebildet.
Die Batterieeinzelzellen des Stapels sind 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 typischerweise über Zuganker verspannt, sodass ein mechanisch stabiler Aufbau entsteht. Die eingesetzten Batterieeinzelzellen können beispielsweise als sogenannte Coffeebag- oder Pouchzellen ausgebildet sein, bei welchen ein Elektrodenstapel zwischen Folien eingeschweißt wird, um diesen so gegenüber der Umgebung abzudichten. Um den Elektrodenstapel umlaufend bildet sich bei einer derartigen Pouchzelle dann typischerweise ein verschweißter Bereich der Folien aus, durch welchen lediglich elektrische Kontaktfahnen der Batterieeinzelzelle hindurchragen. Dieser umlaufende verschweißte Bereich wird sehr häufig zwischen einzelnen Zellrahmen eingeklemmt, um so die in sich mechanisch relativ labile Pouchzelle durch den Zellrahmen mechanisch zu stabilisieren. Der Aufbau wird dann in der beschriebenen Art und Weise über Zuganker verspannt.
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 dabei der vergleichsweise hohe Aufwand bei der Herstellung und bei der Montage. Die einzelnen Rahmen bzw. Rahmenteile sowie die Batterieeinzelzellen müssen vergleichsweise komplex aufgestapelt und bis zum Einbringen der Zuganker mechanisch in Position gehalten werden, wobei das Einfädeln der Zuganker beispielsweise durch Bohrungen in den Rahmen dann entsprechend aufwändig ist. Alternativ dazu könnten die Rahmen auf die Zuganker aufgefädelt werden, auch dies ist in der Praxis für die Montage außerordentlich aufwändig.
Die Aufgabe der vorliegenden Erfindung besteht nun darin, eine Batterie mit einem Stapel von Batterieeinzelzellen anzugeben, welche diese Nachteile vermeidet und eine einfache, schnelle und kostengünstige Montage ermöglicht.
Erfindungsgemäß wird diese Aufgabe durch eine Batterie mit den Merkmalen im kennzeichnenden Teil des Anspruchs 1 gelöst. Vorteilhafte Ausgestaltungen und Weiterbildungen ergeben sich aus den hiervon abhängigen Unteransprüchen.
Die erfindungsgemäße Lösung sieht es vor, dass jeder der Zellrahmen wenigstens zwei Rasthaken aufweist, über welche er mit benachbarten Zellrahmen in dem Stapel verrastet ist. Ein solches Verrasten der einzelnen Zellrahmen untereinander ermöglicht einen sehr einfachen Aufbau, da lediglich die Pouchzelle auf den einen Zellrahmen gelegt und durch den nächsten aufgestapelten Zellrahmen eingeklemmt werden muss. Der dabei aufgestapelte Zellrahmen verrastet über die Rasthaken mit dem benachbarten Zellrahmen und klemmt einerseits die Pouchzelle ein und fixiert die beiden Rahmen gegeneinander. Hierdurch lässt sich eine sehr einfache, effiziente und schnelle Montage des Stapels der Batterieeinzelzellen gewährleisten.
In einer günstigen Weiterbildung der erfindungsgemäßen Batterie ist es vorgesehen, dass jeder der Zellrahmen auf seiner später der Batterieeinzelzelle zugewandten Seite wenigstens eine Lippe aufweist, welche durch ein Material ausgebildet ist, welches elastischer als das Material des Zellrahmens ist. Eine solche elastische Lippe ermöglicht eine sichere und zuverlässige Aufnahme der Pouchzelle zwischen den Zellrahmen vorzugsweise im Bereich, in dem die Folien der Pouchzelle miteinander verschweißt sind. Obwohl durch die Rasthaken, welche die einfache und schnelle Montage ermöglichen, keine exakt definierte Andruckkraft aufgebracht werden kann, kann durch den Einsatz der Dichtlippe eine sichere und zuverlässige Halterung der Batterieeinzelzellen gewährleistet werden. Außerdem ermöglicht die Elastizität der Dichtlippe einen gewissen Toleranzausgleich, sodass sehr einfach und effizient ein sicherer und zuverlässig aufgebauter Stapel der Batterieeinzelzellen montiert werden kann.
Der Stapel aus den Batterieeinzelzellen kann gemäß einer sehr vorteilhaften Weiterbildung der erfindungsgemäßen Batterie über eine Spannvorrichtung gesichert sein. Nach der erfolgten Montage der Batterieeinzelzellen zwischen den Rahmen, welche dabei miteinander verrastet werden, kann zusätzlich eine Fixierung über eine Spannvorrichtung erfolgen, um so den Stapel mechanisch weiter zu stabilisieren und um eine definierte Anpresskraft zwischen den Zellrahmen und den Batterieeinzelzellen in dem gesamten Stapel zu gewährleisten. Eine solche Spannvorrichtung kann beispielsweise innerhalb eines Gehäuses für den Zellstapel so ausgebildet sein, dass der Zellstapel in das Gehäuse eingebracht und in diesem entsprechend verspannt wird, oder sie kann gemäß einer bevorzugten Ausgestaltung dieser Variante der erfindungsgemäßen Batterie in Form von Spannbändern ausgebildet sein. Dieser Aufbau ist besonders einfach und effizient, da derartige Spannbänder beispielsweise aus einem metallischen Material eine mechanisch sichere und zuverlässige Verspannung der Batterieeinzelzellen und der verrasteten Zellrahmen mit minimalem Aufwand hinsichtlich der Kosten und des Gewichts ermöglichen.
Alles in allem hat dieser Aufbau, auch wenn er über die zusätzliche Spannvorrichtung beispielsweise in Form der bevorzugten Spannbänder gesichert ist, immer noch einen entscheidenden Gewichtsvorteil gegenüber der Ausgestaltung mit metallischen Zugankern und ist darüber hinaus in der Montage deutlich einfacher, da die Rasthaken im Rahmen einer Vormontage des Zellstapels eine einfache, sichere und zuverlässige Positionierung der Elemente zueinander gewährleisten.
In einer weiteren sehr günstigen Ausgestaltung der erfindungsgemäßen Batterie kann es darüber hinaus vorgesehen sein, dass der Stapel aus den Batterieeinzelzellen mit den verrasteten Zellrahmen in einem Gehäuse angeordnet ist, wobei zwischen dem Stapel und einem Gehäuseboden ein elastisches Material angeordnet ist. Der Stapel aus den Batterieeinzelzellen und den verrasteten Zellrahmen kann mit oder ohne eine zusätzliche Spannvorrichtung, beispielsweise in Form von Spannbändern, in ein Gehäuse eingesetzt werden. Um auch in Richtung der Schwerkraft, bei bestimmungsgemäßem Gebrauch, einen Ausgleich von eventuellen Toleranzen zu gewährleisten und somit Biegemomente auf den Stapel zu reduzieren, ist es dabei vorgesehen, dass ein elastisches Material zwischen einem Gehäuseboden und dem Stapel der Zellen angeordnet ist, sodass hierdurch ein entsprechender Ausgleich von eventuellen Toleranzen stattfindet und die Biegebelastung auf den Stapel der Batterieeinzelzellen mit den verrasteten Rahmen minimiert wird.
Weitere vorteilhafte Ausgestaltungen der erfindungsgemäßen Batterie ergeben sich aus den restlichen abhängigen Ansprüchen und werden anhand des Ausführungsbeispiels deutlich, welches nachfolgend unter Bezugnahme auf die Figuren näher beschrieben ist.
Dabei zeigen:
1 einen Querschnitt durch eine mögliche Ausführungsform einer erfindungsgemäßen Batterie;
2 eine dreidimensionale Ansicht eines Zellrahmens einer erfindungsgemäßen Batterie;
3 die Darstellung einer Batterieeinzelzelle zwischen zwei der Zellrahmen der erfindungsgemäßen Batterie;
4 eine Prinzipdarstellung des Aufbaus des Stapels der Batterieeinzelzellen und der Zellrahmen;
5 eine prinzipmäßige Schnittdarstellung gemäß der Linie V-V in 4; und
6 die Seitenansicht eines vormontierten und gesicherten Stapels von Batterieeinzelzellen.
In der Darstellung der 1 ist eine Batterie 1 in einer prinzipmäßigen Schnittdarstellung zu erkennen. Diese Batterie 1 soll als Lithium-Ionen-Batterie 1 ausgebildet sein und dient in einem Kraftfahrzeug als Traktionsbatterie. Das Kraftfahrzeug ist dabei rein elektrisch oder teilweise elektrisch angetrieben und nutzt zum Antrieb elektrische Leistung aus eben dieser Batterie 1. Die Batterie 1 weist ein Batteriegehäuse 2 auf, in dessen Innerem ein Stapel 3 von Batterieeinzelzellen 4, welche in der Darstellung der 1 explizit nicht zu erkennen sind, und miteinander verrasteten Rahmen 5 angeordnet ist. Dieser Stapel 3 ist zusätzlich über metallische Spannbänder 6 gesichert. Auf den detaillierten Aufbau dieses Stapels 3 von Batterieeinzelzellen 4 und verrasteten Rahmen 5 wird später noch im Detail eingegangen. In der Darstellung der
1 sind außerdem Kontaktfahnen 7 der Batterieeinzelzellen 4 zu erkennen, welche aus dem Stapel 3 nach oben herausragen und entsprechend umgebogen und wechselseitig miteinander verbunden sind. Hierdurch entsteht eine Reihenschaltung der Batteriezellen 4 in dem Stapel 3. Jeweils die erste und die letzte der Batterieeinzelzellen 4 in dem Stapel 3 sind dann mit hier nicht dargestellten Kontaktpolen der Batterie 1 verbunden, sodass die Batterie 1 insgesamt als Reihenschaltung ihrer Batterieeinzelzellen 4 elektrisch kontaktiert werden kann. Da Batterieeinzelzellen 4 in Lithium-Ionen-Technologie eine aktive Temperierung benötigen, sind die umgebogenen und miteinander verbundenen Kontaktfahnen 7 der Batterieeinzelzellen 4 über ein elektrisch isolierendes, aber wärmeleitendes Material 8, welches beispielsweise als Vergussmasse oder Wärmeleitfolie ausgebildet sein kann, mit einer Kühleinrichtung 9 verbunden, welche hier in Form einer aktiv gekühlten Platte 9 ausgebildet ist. Diese Platte 9 weist wenigstens einen Kanal 10 auf, durch welchen ein Kühlmedium, beispielsweise ein flüssiges Kühlmedium, das Klimamittel aus einer Klimaanlage oder dergleichen, zur Temperierung der Kühleinrichtung 9 und damit der Batterieeinzelzellen 4 der Batterie 1 geführt werden kann. Den bisher beschriebenen Aufbau schließt nach oben ein Batteriedeckel 11 ab, welcher beispielsweise mit der Kühlplatte 9 und dem Gehäuse 2 der Batterie 1 verschraubt sein kann. Um eventuelle Fertigungs- und Montagetoleranzen in dem Stapel 3 der Batterieeinzelzellen 4 mit den verrasteten Rahmen 5 auszugleichen, ist zwischen einem Gehäuseboden 12 und dem Stapel 3 außerdem ein elastisches Material 13 angeordnet, beispielsweise eine thermoplastische Elastomerfolie.
Nachfolgend soll unter Bezugnahme auf die restlichen Figuren nun detailliert auf Ausgestaltung und Aufbau des Stapels 3 eingegangen werden. Hierfür ist zuerst in der Darstellung der 2 einer der Zellrahmen 5 zu erkennen. Die Besonderheit besteht darin, dass dieser Zellrahmen 5 an seinen seitlichen Kanten jeweils einen Rasthaken 14 aufweist. Außerdem sind in dem in 2 oben dargestellten Bereich zwei Nuten 15 zu erkennen, in deren Bereich später die elektrischen Kontaktfahnen 7 der Batterieeinzelzellen 4 zu liegen kommen und entsprechend umgebogen werden können.
Eine weitere Nut 16 ist im unteren Bereich des Zellrahmens 5 zu erkennen. Diese Nut dient dazu, zwischen zwei benachbarten Zellrahmen in diesem Bereich eine Öffnung freizulassen. Zwischen den Zellrahmen 5 werden nun verschweißte Bereiche 17 der als Pouchzellen ausgebildeten Batterieeinzelzelle 4, welche in der Darstellung der 3 seitlich neben dem Elektrodenstapel umlaufend um die Batterieeinzelzelle 4 zu erkennen sind, eingeklemmt. Im Bereich der Nut 16 erfolgt dabei kein Einklemmen der umlaufenden verschweißten Bereiche, sodass diese im Falle einer Ausbildung eines Überdrucks im Inneren der Batterieeinzelzelle 4 dort entsprechend aufreißen und die Gase nach außen abgeben können. Man spricht bei dieser in der Art einer Sollbruchstelle ausgebildeten Möglichkeit zur Öffnung im Falle eines Überdrucks auch von einer Venting-Öffnung.
Die Zellrahmen 5, beispielsweise in der Darstellung der 2 oder auch in der Darstellung der 3, zeigen außerdem auf ihrer später den verschweißten Bereichen 17 der Batterieeinzelzellen 4 zugewandten Fläche jeweils Lippen 18, welche vorzugsweise an die im Spritzgussverfahren hergestellten Zellrahmen 5 angespritzt sind. Diese Lippen 18 sind dabei elastischer ausgebildet, als das Material der Zellrahmen 5 selbst und bilden so eine weiche und elastische Aufnahme, welche ein sicheres und zuverlässiges Klemmen der verschweißten Bereiche 17 zwischen den einzelnen Zellrahmen 5 garantiert. Nun ist es so, dass die Lippe 18 auf jeder Seite der Zellrahmen 5 in drei einzelne Abschnitte aufgeteilt ist, sodass im Bereich der Nut 16 keine Lippe 18 vorhanden ist, um das Ausbilden einer eventuellen Venting-Öffnung durch Aufreißen der verschweißten Ränder 17 der Pouchzelle 4 nicht zu verhindern. Außerdem sind in dem Bereich, in dem die Kontaktfahnen 7 durch den verschweißten Rand 17 der Pouchzelle 4 hindurchgeführt sind, ebenfalls keine Lippen 18 angeordnet, da hier ein mechanisch etwas dickerer Bereich vorliegt und eine Lippe 18 hier das sichere Einklemmen der verschweißten Ränder zwischen den Zellrahmen 5 beeinträchtigen könnte.
In der Darstellung der 3 ist zu erkennen, dass zwei unterschiedliche Typen von Zellrahmen 5 realisiert sind. Beim einen Typ, welcher in der Darstellung der 2 zu sehen ist und welcher in der Darstellung der 3 hinter der Batterieeinzelzelle 4 angeordnet ist, ist der Rasthaken 14 auf der linken Seite unten angeordnet und auf der rechten Seite oben, während dies bei dem in der Darstellung der 3 vorne gezeigten Zellrahmen 5 genau andersherum ist. Hierdurch wird sichergestellt, dass die einzelnen Rasthaken 14 der benachbarten Zellrahmen 5 sich untereinander nicht behindern.
In der Darstellung der 4 ist nun in einer Prinzipdarstellung zu erkennen, wie die einzelnen Zellrahmen 5 miteinander verrasten und dabei die Batterieeinzelzellen 4 bzw. deren verschweißte Bereiche 17 zwischen sich aufnehmen.
In der Darstellung der 5 ist ein prinzipmäßiger Schnitt entlang der Linie V-V in 4 zu erkennen. Hier ist deutlich zu erkennen, wie die einzelnen Rasthaken 14 hinter den jeweils benachbarten Zellrahmen 5 eingreifen und die Zellrahmen so aneinander fixieren und dabei zwischen den Lippen 18 die verschweißten Bereiche 17 der Batterieeinzelzellen einklemmen. Jeder der Zellrahmen 5 weist dabei ein Kontaktelement 19 auf, welches über eine Kontaktfläche mit dem jeweils benachbarten Zellrahmen in Kontakt tritt und damit einen definierten Abstand zwischen den einzelnen Zellrahmen ermöglicht. Durch die Lippen 18 aus einem elastischeren Material werden dann unabhängig von eventuellen Fertigungstoleranzen und Dickentoleranzen der verschweißten Bereiche 17 der Batterieeinzelzellen 4 diese sicher und zuverlässig zwischen den Zellrahmen 5 gehalten. Ferner ist es in der Darstellung der 5 nochmals gut zu erkennen, dass aufeinanderfolgend jeweils unterschiedliche Typen der Zellrahmen 5 angeordnet sind, um sich gegenseitig durch die Rasthaken 14 nicht zu behindern. Die Lippen 18 sind dabei hinsichtlich ihrer Breite und des Elastizitätsmoduls ihres Materials so abgestimmt, dass bei einer vorgegebenen Verformung von beispielsweise 25% die erforderliche Vorspannkraft zum sicheren und zuverlässigen Halten der verschweißten Bereiche 17 der Batterieeinzelzellen 4 erreicht wird.
Nun ist es jedoch so, dass aufgrund der Toleranzen sowohl der Batterieeinzelzellen 4 als auch der Zellrahmen 5 sowie der Lippen 18 eine solche definierte Klemmung der Batterieeinzelzellen 4 nicht oder nur sehr schwer zu realisieren ist. Um dieser Problematik entgegenzuwirken und weiterhin die Zellrahmen 5 bei Toleranzen realisieren oder herstellen zu können, welche kommerziell interessant sind, kann es deshalb vorgesehen sein, dass der komplettierte Zellstapel 3, welcher in der Darstellung der 6 nochmals in eine Seitenansicht zu erkennen ist, über eine zusätzliche Spannvorrichtung gesichert wird, um die definierte Vorspannung aufzubauen und ein sicheres und zuverlässiges Klemmen der verschweißten Bereiche 17 der Batterieeinzelzellen 4 zwischen den Zellrahmen 5 bzw. den mit ihnen verbundenen Lippen 18 zu gewährleisten. Wie bereits im Rahmen der Darstellung der Gesamtbatterie 1 in 1 erwähnt, können diese Spannvorrichtungen in Form von Spannbändern 6 ausgebildet sein, welche vorzugsweise in Form von metallischen Spannbändern 6 um den Stapel 3 aus Batterieeinzelzellen 4 und verrasteten Zellrahmen 5 angeordnet und unter Spannung über ein Verschlusselement 20 verschlossen werden. Hierdurch sind in dem Stapel definierte Vorspannungen zum Aufbringen einer definieren Klemmung auf die Batterieeinzelzellen 4 gewährleistet und es entsteht ein sehr sicherer und stabiler Aufbau, welcher dann, wie in der Darstellung der 1 bereits zu erkennen war, in das Gehäuse 2 eingesetzt werden kann.
In der Darstellung der 6 ist dabei nochmals zu erkennen, dass die Kontaktfahnen 7 der Batterieeinzelzellen 4 wechselseitig umgebogen und miteinander verbunden sind. Dies kann beispielsweise durch Laserschweißen erfolgen. Hierdurch wird eine Reihenschaltung aller Batterieeinzelzellen 4 in dem Stapel 3 erzielt. Die Kontaktfahnen 7 können dann über die elektrisch isolierende und wärmeleitende Zwischenschicht 8 mit der Kühleinrichtung 9 verbunden werden, wie es in der Darstellung der 1 zu erkennen ist.
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

DE 102010013002 A1 [0004]

Claims

Batterie (1) mit einem Stapel (3) von Batterieeinzelzellen (4), welche jeweils einen Elektrodenstapel aufweisen, welcher zwischen Folien eingeschweißt ausgebildet ist, wobei die Batterieeinzelzellen (4) zwischen Zellrahmen (5) eingeklemmt und zu dem Stapel (3) aufgestapelt sind, dadurch gekennzeichnet, dass jeder der Zellrahmen (5) wenigstens zwei Rasthaken (14) aufweist, über welche er mit wenigstens einem benachbarten Zellrahmen (5) in dem Stapel verrastet ist.
Batterie (1) nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Zellrahmen (5) als Spritzgussteil hergestellt ist.
Batterie (1) nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass jeder der Zellrahmen (5) auf wenigstens einer seiner später der Batterieeinzelzelle (4) zugewandten Seite wenigstens eine Lippe (18) aufweist, welche aus einem Material ausgebildet ist, welches elastischer als das Material des Zellrahmens (5) ist.
Batterie (1) nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass die wenigstens eine Lippe (18) an den Zellrahmen (5) angespritzt ist.
Batterie (1) nach Anspruch 3 oder 4, dadurch gekennzeichnet, dass mehrere Lippen (18) um den Zellrahmen (5) in der Stapelfläche umlaufend angeordnet sind, sodass diese mit einem verschweißten umlaufenden Bereich (17) der Folien der Batterieeinzelzellen (4) zusammenwirken.
Batterie (1) nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass der Stapel (3) aus den Batterieeinzelzellen (4) mit den verrasteten Zellrahmen (5) über eine Spannvorrichtung (6) gesichert ist.
Batterie (1) nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass die Spannvorrichtung in Form von Spannbändern (6) ausgebildet ist.
Batterie (1) nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass der Stapel (3) aus den Batterieeinzelzellen (4) mit den verrasteten Zellrahmen (5) in einem Gehäuse (2) angeordnet ist, wobei zwischen dem Stapel (3) und einem Gehäuseboden (12) ein elastisches Material (13) angeordnet ist.
Batterie (1) nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass elektrische Kontaktfahnen (7) der Batterieeinzelzellen (4) miteinander verbunden sind, und über ein elektrisch isolierendes wärmeleitendes Material (8) mit einer Kühleinrichtung (9) in Verbindung stehen.
Batterie (1) nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, dass die Kühleinrichtung (9) als aktiv gekühlte Platte ausgebildet ist.