DE102012018048A1

DE102012018048A1 - Batterie aus einer Mehrzahl von Batterieeinzelzellen

Info

Publication number: DE102012018048A1
Application number: DE201210018048
Authority: DE
Inventors: Ferdinand di Pauli; Florian Kneer; Stefan Schlayer; Dirk Schröter; 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 einer Mehrzahl von Batterieeinzelzellen (3), welche im Wesentlichen quaderförmig ausgebildet, zu einem Stapel aufgestapelt und elektrisch miteinander kontaktiert sind, wobei der Stapel in einem Gehäuse (2) angeordnet ist. Die Erfindung ist dadurch gekennzeichnet, dass das Gehäuse als im Wesentlichen einseitig offener Quader ausgebildet ist, wobei die aufgestapelten und elektrisch miteinander kontaktierten Batterieeinzelzellen (3) über eine Vergussmasse (4) in dem Gehäuse (2) fixiert sind.

Description

Die Erfindung betrifft eine Batterie aus einer Mehrzahl von Batterieeinzelzellen nach der im Oberbegriff von Anspruch 1 näher definieren 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 Weiterbildungen und Ausgestaltungen hiervon ergeben, sich aus den hiervon abhängigen Unteransprüchen.
Bei der erfindungsgemäßen Batterie ist es so, dass ein Gehäuse für den Stapel der Batterieeinzelzellen als im Wesentlichen quaderförmiges einseitig offenes Gehäuse ausgebildet ist, in welchem die aufgestapelten und elektrisch miteinander verbundenen Batterieeinzelzellen eingeordnet sind. Die Batterieeinzelzellen werden in dem Gehäuse dann dadurch fixiert, dass dieses mit einer Vergussmasse gefüllt wird. Die Vergussmasse, welche vorzugsweise als wärmeleitende Vergussmasse ausgebildet ist, fixiert dann die Batterieeinzelzellen und die elektrisch untereinander verbundenen Kontaktfahnen der Batterieeinzelzellen sicher und zuverlässig in dem Gehäuse, sodass insgesamt ein durch die Vergussmasse entstehender Block aus Gehäuse und Batterieeinzelzellen entsteht, welcher in der Montage sehr einfach ist, und welcher eine hohe mechanische Stabilität aufweist.
In einer vorteilhaften Weiterbildung der erfindungsgemäßen Idee ist die Vergussmasse dabei auf der Basis eines Gels, vorzugsweise auf der Basis eines Silikongels, ausgebildet. Neben herkömmlichen Vergussmassen wie Harzen oder dergleichen, ist insbesondere die Verwendung einer Vergussmasse in Form eines Gels, da dieses eine gewisse Elastizität gewährleistet. Somit ist ein Toleranzausgleich ermöglicht und die Vergussmasse durch thermische Längenänderungen der Batterieeinzelzellen nicht nachteilig beeinflusst wird.
In einer weiteren sehr günstigen Ausgestaltung der erfindungsgemäßen Batterie ist es ferner vorgesehen, dass zwischen den Batterieeinzelzellen geschäumte Zwischenlagen, vorzugsweise aus PUR- oder PP-Schaum, angeordnet sind. Solche geschäumten Zwischenlagen zwischen den Batterieeinzelzellen verhindern, dass in diesen Bereich das Gel eindringt. Sie können beispielsweise aus PUR-Schaum oder PP-Schaum ausgebildet sein und weisen dementsprechend eine viel höhere Elastizität auf, als die gegebenenfalls elastisch ausgebildete Vergussmasse. Da Batterieeinzelzellen beim Laden und Entladen ihre Dicke typischerweise ändern, was allgemein auch als „atmen” bezeichnet wird, ist dieser Aufbau mit einer geschäumten Zwischenlage zwischen den Batterieeinzelzellen besonders sinnvoll, da er dieses Atmen der Batterieeinzelzellen nicht wesentlich einschränkt, sondern durch die Elastizität der geschäumten Zwischenlage ermöglicht und das Eindringen von Vergussmasse in diesen Bereich verhindert.
In einer weiteren besonders günstigen Ausgestaltung der erfindungsgemäßen Batterie sind die Batterieeinzelzellen durch Verbinden der elektrischen Kontaktfahnen miteinander verschaltet. Diese Verschaltung kann – vorzugsweise als Reihenschaltung – derart erfolgen, dass die Kontaktfahne jeder einzelnen Batterie abwechselnd mit der einen benachbarten Batterieeinzelzellen bzw. der anderen benachbarten Batterieeinzelzellen verschaltet sind. Hierdurch entsteht eine Reihenschaltung, sodass lediglich jeweils einer der Kontaktpole der jeweils letzten Batterie des Zellstapels mit einem Außenkontakt für die Batterie verbunden werden muss.
Die einzelnen untereinander verbundenen Kontaktfahnen im Inneren der Batterie können ebenfalls innerhalb der Vergussmasse angeordnet werden, sodass auch diese mechanisch stabilisiert und geschützt sind.
In einer weiteren sehr günstigen Ausgestaltung hiervon kann es außerdem vorgesehen sein, dass im Bereich der verbundenen Kontaktfahnen von einem Kühlmedium durchströmbare Kühlleitungen angeordnet sind. Solche Kühlleitungen können beispielsweise Aluminiumleitungen sein, welche eine dünne Kunststoffummantelung, beispielsweise aus PTFE, aufweisen. Hierdurch sind diese in jedem Fall elektrisch gegenüber den Kontaktfahnen isoliert, sodass Kurzschlüsse sicher und zuverlässig verhindert werden. Die Aluminiumrohre werden dann vorzugsweise mäanderförmig zwischen den miteinander verbundenen Kontaktfahnen entlang des Stapels der Batterieeinzelzellen verlegt und ebenfalls in die Vergussmasse mit eingebettet. Hierdurch wird eine effiziente Kühlung der Batterieeinzelzellen ermöglicht, was insbesondere dann von Vorteil ist, wenn die Batterieeinzelzellen in Lithium-Ionen-Technologie ausgeführt sind. Dadurch, dass die Kühlleitungen mit in die Vergussmasse eingegossen werden können, sind auch diese mechanisch gut geschützt und bilden zusammen mit den Batterieeinzelzellen und ihren elektrischen Verbindungen einen festen und mechanisch stabilen Block zusammen mit dem Gehäuse aus.
Nun ist es so, dass insbesondere bei der Ausbildung der Batterieeinzelzellen in Lithium-Ionen-Technologie aus Sicherheitsgründen eine selbsttätig öffnende Öffnung, eine sogenannte Venting-Öffnung bzw. Ablassöffnung, vorgesehen werden sollte, um eventuell auftretende Überdrücke im Bereich der Batterieeinzelzellen zu verhindern, um beispielsweise eine Überhitzung, ein Feuer, eine Explosion oder dergleichen sicher und zuverlässig zu vermeiden. Bei der erfindungsgemäß aufgebauten Batterie ist es nun so, dass jede der Batterieeinzelzellen auf einer Seite eine sich im Fall eines Überdrucks öffnende Ablassöffnung aufweist, wobei die Ablassöffnungen mit wenigstens einer in dem Gehäuse angeordneten Öffnung in Wirkverbindung stehen und wobei der Bereich der Ablassöffnungen in den Batterieeinzelzellen und der Öffnung in dem Gehäuse gegenüber den umgebenden Bereichen in dem Gehäuse über Dichtelemente, vorzugsweise geschäumte Dichtelemente, abgegrenzt ist. Solche geschäumten Dichtelemente, beispielsweise Streifen aus Schaumstoff, PUR-Schaum, PP-Schaum oder dergleichen, können entlang des Stapels beispielsweise im Bereich rechts und links der Ablassöffnungen der einzelnen Batterieeinzelzellen angeordnet werden. Die Batterieeinzelzellen werden beim Aufstapeln dann in diese geschäumten Dichtelemente eingedrückt und die geschäumten Dichtelemente verhindern beim Ausgießen des Gehäuses mit der Vergussmasse, dass die Vergussmasse in diesen Bereich eindringt. In der Batterie bleibt also ein Kanal zwischen den Dichtelementen offen, in dessen Bereich die Öffnung bzw. die Öffnungen in dem Gehäuse, welche mit den Ablassöffnungen korrespondieren, angeordnet sind. Ohne Nachteile hinsichtlich der Sicherheit in Kauf nehmen zu müssen, lässt sich so über die Vergussmasse eine stabile und einfach zu montierende Batterie gewährleisten.
Weitere vorteilhafte Ausgestaltungen der erfindungsgemäßen Batterie ergeben sich aus den restlichen abhängigen Unteransprüchen und werden aus dem Ausführungsbeispiel deutlich, welches nachfolgend unter Bezugnahme auf die Figuren näher beschrieben ist.
Dabei zeigen:
1 eine dreidimensionale Ansicht der montierten Batterie;
2 eine dreidimensionale Ansicht einer beispielhaften Batterieeinzelzelle;
3 einen Ausschnitt des Gehäuses mit einer montierten Batterieeinzelzelle in einer dreidimensionalen Ansicht;
4 eine dreidimensionale Ansicht aus einem Ausschnitt der zum Verguss vorbereiteten Batterie;
5 einen Teilschnitt durch eine montierte und vergossene Batterie; und
6 einen weiteren Teilschnitt durch eine montierte und vergossene Batterie.
In der Darstellung der 1 ist eine Batterie 1 zu erkennen. Diese soll als Hochvolt- bzw. Hochleistungsbatterie ausgebildet und in Lithium-Ionen-Technologie realisiert sein. Sie dient als Traktionsbatterie in einem Elektrofahrzeug oder einem Hybridfahrzeug. Die Batterie 1 umfasst dabei ein Batteriegehäuse 2, welches als einseitig offenes, im Wesentlichen quaderförmiges Bauteil ausgebildet ist. Das Gehäuse ist dabei aus Spritzguss, vorzugsweise aus PP-GF ausgebildet. In diesem Gehäuse 2 sind in 1 nicht erkennbare Batterieeinzelzellen 3 angeordnet und über eine Vergussmasse 4, welche in das Gehäuse 2 eingefüllt worden ist, fest miteinander vergossen. Als Vergussmasse 4 kann dabei vorzugsweise eine Gel-Vergussmasse eingesetzt werden. Die Batterie 1 in der Darstellung der 1 weist zwei elektrische Kontaktpole 5 auf sowie aus dem Gehäuse 2 und der Vergussmasse 4 herausragende Anschlüsse von Kühlleitungen 6, welche zur Temperierung der Batterie, beispielsweise durch ein flüssiges Kühlmedium, ausgebildet sind. Diese Kühlleitungen 6 können vorzugsweise in Form von Aluminiumrohren realisiert sein, welche, um eine elektrische Kontaktierung mit den Batterieeinzelzellen 3 sicher und zuverlässig zu verhindern, mit einem Kunststoffüberzug, beispielsweise aus PTFE versehen sein können.
In der Darstellung der 2 ist eine dreidimensionale Ansicht der Batterieeinzelzelle 3 zu erkennen. Diese ist vorzugsweise als sogenannte Coffeebag- oder Pouchzelle ausgeführt. Bei diesem Zelltyp wird ein prismatisch aufgebauter Stapel aus Elektroden und Separatoren entsprechend aufgestapelt und zwischen zwei Folien oder in einem Folienbeutel eingeschweißt. Es entsteht dabei ein umlaufender verschweißter Randbereich 7, der den Elektrodenstapel sicher und zuverlässig abdichtet, und durch welchen lediglich elektrische Kontaktfahnen 8 der Batterieeinzelzelle hindurchragen.
Für den Aufbau der Batterie 1 werden die Batterieeinzelzellen 3 nun entsprechend aufgestapelt. Dies erfolgt bei dem hier dargestellten Ausführungsbeispiel der Batterie 1 in dem Gehäuse 2, welches in der Darstellung der 3 in einem Ausschnitt zu erkennen ist. In dem hier noch nicht mit der Vergussmasse 4 gefüllten Gehäuse 2 befinden sich im Inneren mehrere Halteelemente 9, welche in der Art von Schienen ausgebildet sind, und welche in der Lage sind, den umlaufenden verschweißten Bereich 7 der einzelnen Batterieeinzelzellen 3 aufzunehmen. In der Darstellung der 3 ist dabei eine der Batterieeinzelzellen 3 bereits in das Gehäuse 1 eingelegt. Die Schienen 9 sind dabei an zwei, vorzugsweise an drei Seiten zur Aufnahme der verschweißten Bereiche 7 ausgebildet. Nun ist es so, dass die Batterieeinzelzellen 3 eine sogenannte Ablassöffnung 10 bzw. Venting-Öffnung 10 aufweisen. Diese ist in der Darstellung der 2 angedeutet. Es handelt sich dabei nicht um eine Öffnung im eigentlich Sinn, sondern um eine Art Sollbruchstelle in dem umlaufenden verschweißten Bereich 7, welche im Falle eines Überdrucks in der Batterieeinzelzelle aufreißt und die den Überdruck verursachenden Gase an die Umgebung abgibt. Im Bereich des Gehäuses 2 befinden sich mit diesen Ablassöffnungen 10 der Batterieeinzelzellen 3 korrespondierende Öffnungen 11 im unteren zentralen Bereich des Gehäuses 2. In diesem Bereich sind die schienenförmigen Halteelemente 9 entsprechend unterbrochen. Um ein späteres Eindringen von Vergussmasse in den Bereich zwischen den Ablassöffnungen 10 der Batterieeinzelzellen und den Öffnungen 11 in dem Batteriegehäuse 2 sicher und zuverlässig zu vermeiden, werden Dichtelemente 12 beispielsweise aus einem geschäumten Material in das Gehäuse 2 eingelegt bzw. eingeklebt. Das geschäumte Material ist entsprechend elastisch, kann sich um die verschweißten Bereiche 7 neben den Ablassöffnungen 10 entsprechend anlegen und so den Bereich mit den Öffnungen 11 gegenüber dem restlichen Innenraum des Gehäuses 2 abdichten. Damit bleibt beim späteren Vergießen im Bereich der Öffnungen 11 ein Kanal offen, welcher im Notfall ein Ablassen von Gasen aus den Batterieeinzelzellen 1 sicher und zuverlässig gewährleistet.
In der Darstellung der 4 ist nun ein Ausschnitt mit mehreren eingelegten Batterieeinzelzellen zu erkennen, wobei die Batterieeinzelzellen selbst in der Darstellung der 4 kaum zu erkennen sind. Es sind vielmehr ihre Kontaktfahnen 8 zu erkennen, welche wechselseitig umgebogen und miteinander verbunden, beispielsweise verschweißt, sind. Hierdurch entsteht eine Reihenschaltung der Batterieeinzelzellen 1 untereinander und lediglich die letzte der Batterieeinzelzellen ist jeweils mit einem der Pole 5 verbunden. Zwischen den miteinander verbundenen Kontaktfahnen 8 laufen die Kühlleitungen 6, welche mäanderförmig durch die gesamte Batterie verlaufen und so eine Kühlung der miteinander verbundenen elektrischen Kontaktfahnen 8, in dessen Nähe sie angeordnet sind, gewährleisten. Dieser in 4 dargestellte Aufbau wird dann mit der Vergussmasse 4 vergossen, was bei dem in 5 im Teilschnitt dargestellten Ausschnitt bereits erfolgt ist. Hierdurch werden die Batterieeinzelzellen 3, ihre verbundenen Kontaktfahnen 8 und die Kühlleitungen 6 sicher und zuverlässig eingebettet und mechanisch stabilisiert. Eine direkte Verbindung zwischen den Kühlleitungen 6 und den verbundenen Kontaktfahnen 8 besteht nicht, um einen elektrischen Kurzschluss sicher und zuverlässig zu verhindern. Allerdings ist die Materialstärke der zwischen den elektrischen Kontaktfahnen 8 und den Kühlleitungen 6 angeordneten Vergussmasse 4 vergleichsweise gering, sodass eine ausreichende Wärmeleitung gewährleistet ist. Insbesondere kann die Vergussmasse 4 selbst wärmeleitend ausgebildet sein und so die Kühlung der Batterieeinzelzellen 1 weiter verbessern.
Die letzte der Batterieeinzelzellen 3 ist dabei mit ihrer elektrischen Kontaktfahne 8 unmittelbar an das Material des Pols 5 mit angebunden, wie es in der Darstellung der 5 zu erkennen ist. Der gesamte Aufbau ist dann mit der Vergussmasse 4 vergossen, um diesen sicher und zuverlässig zu stabilisieren. Da die Batterieeinzelzellen 3 beim Laden und Entladen sich in ihrer Dicke geringfügig ändern und gewissermaßen „atmen”, sind außerdem zwischen den einzelnen Batterieeinzelzellen 3 geschäumte Zwischenlagen 13 jeweils benachbart jeder Seite jeder Batterieeinzelzelle 3 angeordnet. Diese Zwischenlagen, welche beispielsweise aus PUR-Schaum ausgebildet sind und eine Dicke von ca. 1 mm aufweisen können, gewährleisten durch ihre vergleichsweise hohe Elastizität gegenüber der Vergussmasse 4 die Möglichkeit, dass die Batterieeinzelzellen 3 sich entsprechend ausdehnen und zusammenziehen, ohne dass dies durch die Vergussmasse 4 behindert wird, und ohne dass ihre Fixierung in der Vergussmasse 4 darunter leidet.
Abschließend ist in der Darstellung der 6 nochmals der untere Bereich des Gehäuses 2 zu erkennen. Die Öffnungen 11 sind in dieser Darstellung jeweils geschnitten dargestellt und im Bereich der angedeuteten Ablassöffnungen 10 der jeweiligen Batterieeinzelzelle 3 angeordnet. Über das seitlich zu erkennende Dichtelement 12 wird das Eindringen von Vergussmasse in den Bereich zwischen den Öffnungen 11 und den über Sollbruchstellen ausgebildeten Ablassöffnungen 10 der Batterieeinzelzellen verhindert, sodass im Falle eines Überdrucks in einer oder mehrerer der Batterieeinzelzellen dieser sicher und zuverlässig durch die Öffnungen 11 in dem Gehäuse 2 abgebaut werden kann.
Der Aufbau der Batterie 1 ist dabei sehr einfach und insbesondere hinsichtlich der Montage und der mechanischen Stabilität durch den Einsatz einer geeigneten Vergussmasse 4 außerordentlich effizient und lässt sich entsprechend kostengünstig realisieren.
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

DE 102010013002 A1 [0004]

Claims

Batterie (1) aus einer Mehrzahl von Batterieeinzelzellen (3), welche im Wesentlichen quaderförmig ausgebildet, zu einem Stapel aufgestapelt und elektrisch miteinander kontaktiert sind, wobei der Stapel in einem Gehäuse (2) angeordnet ist, dadurch gekennzeichnet, dass das Gehäuse als im Wesentlichen einseitig offener Quader ausgebildet ist, wobei die aufgestapelten und elektrisch miteinander kontaktierten Batterieeinzelzellen (3) über eine Vergussmasse (4) in dem Gehäuse (2) fixiert sind.
Batterie (1) nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Vergussmasse (4) auf der Basis eines Gels, vorzugsweise auf der Basis eines Silikongels, ausgebildet ist.
Batterie (1) nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass zwischen den Batterieeinzelzellen (3) geschäumte Zwischenlagen (13), vorzugsweise aus PUR- oder PP-Schaum, angeordnet sind.
Batterie (1) nach Anspruch 1, 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, dass in dem Gehäuse (2) Halteelemente (9) zur Aufnahme der Batterieeinzelzellen (3) angeordnet sind.
Batterie (1) nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass das Gehäuse als Spritzgussteil ausgebildet ist.
Batterie (1) nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass jede der Batterieeinzelzellen (3) einen Elektrodenstapel aufweist, welcher zwischen zwei Folien eingebracht ist, wobei die Folien in einem umlaufenden Randbereich (7) um den Elektrodenstapel verschweißt ausgebildet sind.
Batterie (1) nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass die Batterieeinzelzellen (3) durch Verbinden von elektrischen Kontaktfahnen (8) miteinander verschaltet sind.
Batterie (1) nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass im Bereich der verbundenen Kontaktfahnen (8) von einem Kühlmedium durchströmte Kühlleitungen (6) angeordnet sind.
Batterie (1) nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass die Kühlleitung (6) und die verbundenen Kontaktfahnen (8) bei der fertigen Batterie (1) innerhalb der Vergussmasse (4) liegen.
Batterie (1) nach einem der Ansprüche 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet, dass jede der Batterieeinzelzellen (3) auf einer Seite eine sich im Falle eines Überdrucks selbsttätig öffnende Ablassöffnung (10) aufweist, wobei die Ablassöffnung mit wenigstens einer in dem Gehäuse angeordneten Öffnung (11) in Wirkverbindung steht, wobei der Bereich der Ablassöffnungen (10) und der Öffnungen (11) gegenüber den umgebenden Bereichen in dem Gehäuse (2) über Dichtelemente (12), vorzugsweise geschäumte Dichtelemente, abgegrenzt ist.