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Die Erfindung betrifft eine Batterie, umfassend mindestens einen Zellstapel aus mehreren flächigen Zellen sowie mehreren flächigen Tragelementen, wobei die Zellen und Tragelemente in einer Stapelrichtung abwechselnd angeordnet sind und jede Zelle mit dem benachbarten Tragelement oder den benachbarten Tragelementen verklebt ist und wobei zumindest einige der Tragelemente mindestens ein Befestigungselement aufweisen, das an einem Strukturelement befestigt ist.
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Alternative Energien sowie die Elektromobilität gewinnen zunehmend an Bedeutung. In beiden Bereichen ist neben der günstigen und umweltschonenden Produktion von Energie auch eine effiziente und kostengünstige Speicherung von Energie essentiell. Insbesondere im Kraftfahrzeugbereich ist es wesentlich, dass Batterien kompakt und leicht sind. Eine Batterie ist häufig aus einem oder mehreren Zellstapeln von prismatischen Zellen oder sogenannten Pouch-Zellen aufgebaut. Insbesondere bei der Verwendung von Pouch-Zellen ist es notwendig, dem Zellstapel, der durch eine Vielzahl von Zellen zusammengesetzt ist, zusätzliche Stabilität zu verleihen.
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Dies erfolgt in der Regel dadurch, dass der Zellstapel sowie eventuell zwischen den Zellen angeordnete Kühl- und/oder Isolationsplatten in ein stabiles Gehäuse eingebracht werden. Das Einbringen in ein stabiles Gehäuse bietet sowohl eine erhöhte Stabilität gegenüber einem Verrutschen der Bestandteile des Zellstapels bei Erschütterungen, als auch eine Erhöhung der Sicherheit bei Kollisionen. Bei Nutzung eines zusätzlichen Gehäuses für die Batterie werden jedoch sowohl das Volumen als auch das Gewicht der Batterie erhöht. Zudem stellen diese zusätzlichen Rahmen oder Gehäuse einen zusätzlichen Kostenfaktor dar.
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Ein Kühlkörper für einen elektrischen Energiespeicher ist aus der Druckschrift
DE 10 2011 002 666 A1 bekannt. Auf zwei gegenüberliegenden Seitenflächen des Kühlkörpers kann jeweils eine Aufnahme ausgebildet sein, an welche der Energiespeicher mit zumindest einer seiner Seitenflächen angebracht werden kann. An einer weiteren Seitenfläche des Kühlkörpers kann eine Kontur zum formschlüssigen Verbinden des Kühlkörpers mit einem weiteren Körper, beispielsweise mit einer Grundplatte, ausgebildet sein.
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Die Druckschrift
DE 10 2007 050 400 A1 schlägt eine Vorrichtung zur elektrischen Energiespeicherung, insbesondere für ein Kraftfahrzeug, vor, die eine Mehrzahl von Flachzellen umfasst. Diese sind stapelartig übereinander angeordnet, wobei ein Kühlelement zwischen benachbarten Flachzellen des Stapels angeordnet ist.
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Der Erfindung liegt damit die Aufgabe zugrunde, eine Batterie anzugeben, die insbesondere bezüglich des Gewichts und/oder den Abmessungen verbessert ist. Die Aufgabe wird erfindungsgemäß durch eine Batterie der eingangs genannten Art gelöst, die dadurch gekennzeichnet ist,
- - dass die Batterie mindestens zwei Gruppen von Tragelementen aufweist, wobei alle Befestigungselemente der Tragelemente der ersten Gruppe senkrecht zur Stapelrichtung in genau eine erste Richtung über die Zellen im Zellstapel hinausragen und alle Befestigungselemente der Tragelemente der zweiten Gruppe senkrecht zur Stapelrichtung in eine zweite Richtung über die Zellen im Zellstapel hinausragen, und/oder
- - dass zwei der Zellstapel, die getrennt ausgebildet sind, an gegenüberliegenden Seiten des oder mindestens eines der Strukturelemente angeordnet sind.
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Der Erfindung liegt die Idee zugrunde, die meist ohnehin zwischen den Zellen in einem Zellstapel angeordneten Elemente, also in der Regel Kühlungs- oder Isolationsplatten, zu nutzen um die Batterie zu stabilisieren. Die zwischen den Zellen angeordneten Elemente, im Folgenden Tragelemente genannt, weisen in der Regel eine wesentlich größere mechanische Stabilität auf, als die einzelnen Zellen. Durch ein abwechselndes Anordnen der Zellen und der Tragelemente und eine Verklebung des Stapels wird eine größere Stabilität sowohl gegenüber Verwindungen als auch gegenüber Scherungen des Zellstapels erreicht. Erfindungsgemäß erfolgt diese Fixierung durch eine Klebeverbindung zwischen jeder Zelle mit mindestens einem benachbarten Tragelement. Eine solche Verklebung der Zellen mit den Tragelementen bietet zahlreiche Vorteile. Zum einen ist eine Verklebung eine flächige Verbindung. Damit werden auch geringfügige Verschiebungen der Zelle gegenüber dem Tragelement vermieden. Damit ist auch vermieden, dass langfristig, aufgrund der Reibung zwischen Tragelementen und Zelle, Materialschäden auftreten. Zudem ist die Verklebung eine besonders kompakte Art der Verbindung der Zellen mit den Tragelemente, da keine zusätzlichen Befestigungselemente notwendig sind.
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Besonders vorteilhaft ist es, wenn jede Zelle mit dem benachbarten Tragelement oder den benachbarten Tragelementen mit einer beidseitigen Klebefolie verklebt ist. Dies erlaubt eine besonders einfache Herstellung des einzelnen Zellstapels. Alternativ ist es jedoch auch möglich, beispielsweise feste oder pastenförmige Klebstoffe, vor dem Anordnen einer Zelle an einem Tragelement, zwischen Zelle und Tragelement einzubringen. Alternativ können die Tragelemente bzw. Zellen bereits mit einer Klebeschicht hergestellt werden, die anschließend zur Verbindung mit einer Zelle bzw. einem Tragelement genutzt wird. Es ist besonders vorteilhaft, wenn die Klebefolie oder andere Klebeverbindungen sich über die gesamte Fläche der Zelle bzw. des Tragelements erstreckt. Auch wird eine besonders gute mechanische Stabilität und eine besonders kompakte Abmessung erreicht, wenn die Tragelemente und die Zellen in die beiden zur Stapelrichtung senkrecht stehenden Richtungen die gleichen Abmessungen aufweisen.
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Durch die erfindungsgemäße Verklebung von Zellen mit flächigen Tragelementen wird bereits ein in sich stabiler Zellstapel erreicht. Häufig ist es jedoch vorteilhaft, um eine bessere Stabilität des Zellstapels und damit der gesamten Batterie zu erreichen, wenn die Tragelemente untereinander oder mit zusätzlichen Elementen verbunden sind. Es ist daher möglich, dass zumindest einige der Tragelemente mindestens ein Befestigungselement aufweisen, das entweder in einer nicht erfindungsgemäßen Alternative an einem weiteren Tragelement oder erfindungsgemäß an einem Strukturelement, insbesondere einem Steg oder einer Gehäusewand, befestigt ist. Auf einen Zellstapel einer Batterie wirken insbesondere in einem Kraftfahrzeug eine Vielzahl von Kräften. Insbesondere bei der Verwendung von Pouch-Zellen ist es möglich, dass beim Betrieb Kräfte, die durch die Arbeit der Zellen entstehen, nach außen wirken. Auch ist es häufig vorteilhaft, einen Zellstapel gegen zusätzliche Scher-, Zerr- und Stauchkräfte zu stabilisieren. Die mechanische Stabilität der Tragelemente ist häufig höher als die mechanische Stabilität der einzelnen Zellen. Daher ist es vorteilhaft, die einzelnen Tragelemente entweder an einem äußeren Strukturelement oder an einem benachbarten Tragelement zu befestigen. Damit ist es möglich, dass äußere Kräfte zunächst hauptsächlich auf die Tragelemente wirken und eine zu große Krafteinwirkung auf die einzelnen Zellen vermieden wird. Dies kann die Betriebssicherheit und die Lebensdauer der Batterie erhöhen.
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Es ist möglich, dass wenigstens eines der Befestigungselemente senkrecht zur Stapelrichtung über die Zellen im Zellstapel hinausragt. Damit können beispielsweise die Zellen und die Tragelemente gemeinsam einen im Wesentlichen quaderförmigen Stapel bilden, aus dem an mehreren Stellen Befestigungselemente herausragen. Damit wird eine besonders kompakte Abmessung des Zellstapels erreicht und dennoch eine leichte Befestigbarkeit an weiteren Elementen durch aus dem Zellstapel herausragende Befestigungselemente.
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Es ist auch möglich, dass die Batterie mindestens zwei Gruppen von Tragelementen aufweist, wobei alle Befestigungselemente der Tragelemente der ersten Gruppe in genau eine Richtung über die Zellen hinausragen und alle Befestigungselemente der Tragelemente der zweiten Gruppe in eine zweite, insbesondere entgegengesetzte, Richtung über die Zellen hinausragen. In diesem Fall können beispielsweise nach Zusammenfügen des Zellstapels abwechselnd links und rechts am Zellstapel Befestigungselemente angeordnet sein, die in Strukturelemente eingreifen. Damit wird eine stabile Befestigung bei minimalem Materialaufwand erreicht. Alternativ oder zusätzlich können in einer Batterie an einem Steg zwei getrennte Zellstapel an gegenüberliegenden Seiten des Stegs angeordnet sein, wobei entlang des Steges abwechselnd Befestigungselemente des einen Zellstapels und des anderen Zellstapels in den Steg eingreifen. Da in diesem Fall niemals auf gleicher Höhe zwei Befestigungselemente in den Steg eingreifen, kann der Steg in diesem Fall dünner ausgebildet sein und die gesamte Batterie kann kompakter sein.
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Es ist jedoch auch möglich, dass zumindest einige der Tragelemente mindestens zwei Befestigungselemente aufweisen, wobei die beiden Befestigungselemente in entgegengesetzte Richtungen über die Zellen im Zellstapel hinausragen und wobei jedes der beiden Befestigungselemente jeweils an einem Strukturelement, insbesondere einem Steg oder einer Gehäusewand, befestigt ist. In diesem Fall sind zumindest einige der Tragelemente auf mindestens zwei Seiten mit Stegen oder Gehäusewänden verbunden. In diesem Fall kann eine Krafteinwirkung auf die diesem Tragelement benachbarten Zellen besonders effektiv vermieden werden.
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Mindestens eines der Befestigungselemente kann mit einer zugeordneten Aufnahme eine Klemm- oder Klippsverbindung bilden oder formschlüssig in diese Aufnahme aufgenommen sein. So können beispielsweise Nut-FederVerbindungen oder Schwalbenschwanz-Verbindungen genutzt werden, bei denen die Bewegung des Tragelements gegenüber dem weiteren Tragelement bzw. dem Strukturelement in ein oder zwei Raumrichtungen eingeschränkt ist. Auch nicht lösbare oder lösbare Klemm- oder Klippsverbindungen können genutzt werden. In diesem Fall ist mit einer einzelnen Verbindung bereits eine relative Fixierung der verbundenen Elemente in alle drei Raumrichtungen möglich. Ein Einklippsen ist beispielsweise mit zwei entgegengesetzt ausgerichteten Haken, die verformbar sind, möglich. Klemmverbindungen können vorteilhaft so ausgelegt sein, dass durch ein einzelnes Klemmelement alle Verbindungen gleichzeitig geöffnet oder gelöst werden können. Dem Fachmann sind je nach Anwendungsgebiet der Batterie eine Vielzahl entsprechender Befestigungsmethoden bekannt. Daher sollen die hier aufgezählten Befestigungsmethoden nur beispielhaft sein.
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Es ist insbesondere möglich, dass zwei Zellstapel an gegenüberliegenden Seiten des oder mindestens eines der Strukturelemente angeordnet sind. In diesem Fall können einzelne Strukturelemente, insbesondere Stege genutzt werden, um mehrere Zellstapel gleichzeitig zu stabilisieren. Dies ist insbesondere dann vorteilhaft, wenn wie oben beschrieben Befestigungselemente beider Zellstapel abwechselnd in das Strukturelement eingreifen oder anderweitig an diesem befestigt sind.
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Eine Stabilisierung eines Zellstapels über eine Verklebung der Zellen mit flächigen Tragelementen ist insbesondere dann vorteilhaft, wenn die Zelle eine Pouch-Zelle ist. Pouch-Zellen zeichnen sich dadurch aus, dass sie kein festes Gehäuse aufweisen. Kräfte, die auf eine Pouch-Zelle einwirken, wirken damit direkt auf die aktiven Materialien der Zelle ein. Diese sind in der Regel deutlich weniger stabil gegenüber Verformungen als beispielsweise die eine prismatische Zelle umgebende Plastikteile, die zur Stabilisierung genutzt werden. Damit ist eine Verwendung von Pouch-Zellen ohne eine zusätzliche Stabilisierung in der Regel kaum möglich. Eine solche Stabilisierung mit üblichen Methoden, also beispielsweise das Einbringen der Pouch-Zelle in ein festes Gehäuse, eliminiert jedoch eine Vielzahl der Vorteile der Pouch-Zelle, unter anderem die niedrigeren Kosten und das niedrigere Gewicht. In einer erfindungsgemäßen Batterie sind alle, oder zumindest eine Vielzahl dieser Vorteile jedoch erhalten.
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Aufgrund der größeren Stabilität der Zellstapel der erfindungsgemäßen Batterie gegenüber herkömmlichen Zellstapeln wird eine Vielzahl von Varianten zum Aufbau einer Batterie möglich. So kann die Batterie ein geschlossenes Gehäuse aufweisen, was insbesondere dann weiterhin vorteilhaft ist, wenn große Kräfte, die auf die Batterie einwirken, zu erwarten sind. Es ist jedoch auch möglich, dass die Batterie ein Gehäuse aufweist, in dem die Zellen auf einer oder mehreren Seiten freiliegen. Insbesondere kann auf ein Gehäuse auch vollständig verzichtet werden oder es können nur einige wenige Stege zur Stabilisierung und Verbindung der Zellstapel genutzt werden.
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Wie eingangs erwähnt ist die Energiedichte und das Gewicht der Batterien, insbesondere im Kraftfahrzeugbereich und hier insbesondere im Bereich der E-Mobilität von herausragender Bedeutung. Hier ist es besonders vorteilhaft, wenn die Batterie eine Batterie für ein Kraftfahrzeug ist, insbesondere eine Hochvolt-Batterie. Gleichermaßen kann es sich auch um eine 48V-Batterie, oder um eine 12V-Batterie handeln.
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Zudem betrifft die Erfindung die Verwendung einer Batterie der vorbeschriebenen Art als Energiespeicher in einem Kraftfahrzeug.
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Weitere Vorteile und Einzelheiten der Erfindung sind den folgenden Ausführungsbeispielen und Zeichnungen zu entnehmen. Dabei zeigen:
- 1 ein Ausführungsbeispiel einer erfindungsgemäßen Batterie,
- 2 eine Detailansicht eines weiteren Ausführungsbeispiels einer erfindungsgemäßen Batterie,
- 3 eine Detailansicht eines dritten Ausführungsbeispiels einer erfindungsgemäßen Batterie,
- 4 eine Detailansicht eines nicht erfindungsgemäßen Beispiels einer Batterie,
- 5 eine Detailansicht der Befestigung eines Tragelements eines fünften Ausführungsbeispiels einer erfindungsgemäßen Batterie und
- 6 eine Detailansicht der Befestigung eines Tragelements eines sechsten Ausführungsbeispiel einer erfindungsgemäßen Batterie.
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1 zeigt ein Ausführungsbeispiel einer erfindungsgemäßen Batterie. Die Batterie 1 umfasst einen Zellstapel 2. Zwischen zwei der drei Zellen 3 ist jeweils eine Isolationsplatte 4 angeordnet, um einen elektrischen Kurzschluss zwischen den Zellen zu verhindern. Die Isolationsplatten 4 dienen zudem als Tragelemente für die Zellen 3. Die Zellen 3 sind jeweils mit den benachbarten Isolationsplatten 4 bzw. mit der benachbarten Isolationsplatte 4 durch eine Klebefolie 5, insbesondere eine Kunststofffolie, vorzugsweise mit einer Dicke < 1 mm, verbunden. Damit wird eine größere Stabilität des Zellstapels 2 erreicht und auf das Gehäuse der Batterie 1 kann zumindest teilweise verzichtet werden.
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2 zeigt eine Detailansicht eines weiteren Ausführungsbeispiels der Batterie. In dieser Batterie sind zwischen den Zellen 3 der Zellstapel 2 jeweils Kühlplatten 8, 9, 10 angeordnet, die als Tragelemente für die Zellen 3 dienen. Neben der Kühlfunktion dienen die Kühlplatten 8, 9, 10 auch der elektrischen Isolation zwischen den Zellen 3. Die Befestigungselemente 17 der Kühlungsplatten 8 und 10 greifen in Aufnahmen 18 im Steg 7 ein, der an einer Wand 6 befestigt ist.
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Die einzelnen Zellstapel sind hier durch eine abwechselnde Anordnung von Zellen 3 und Kühlungsplatten 8, 9, 10 gebildet. Insbesondere bei Hochspannungsbatterien können die Zellen 3 der Batterie sehr heiß werden. Eine Kühlung kann dadurch erfolgen, dass zwischen die Zellen 3 die Kühlungsplatten 8, 9, 10 eingebracht werden, die jeweils einen Lüftungskanal 11 umfassen. Durch den Lüftungskanal 11 kann ein Kühlmedium, beispielsweise Luft oder Öl, geleitet werden. Wie eingangs beschrieben sind die Zellen 3 mit den oder der benachbarten Kühlungsplatte 8, 9, 10 durch eine Klebefolie verklebt. Da die Klebefolie wesentlich dünner als die Zellen 3 und Kühlungsplatten 8, 9, 10 ist, ist die Klebefolie hier und in den folgenden Figuren nicht gezeigt.
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In den beiden Zellstapeln 2 sind drei verschiedene Kühlungsplatten 8, 9, 10 angeordnet. Die Kühlungsplatten 9 weisen keine zusätzlichen Befestigungselemente 17 auf. Damit ist in beiden Zellstapeln 2 jede zweite Kühlungsplatte 8, 11 mit dem Steg 7 verbunden. Dies kann vorteilhaft sein, wenn keine allzu großen Kräfte zu erwarten sind. Durch die zusätzliche Fixierung jeder zweiten Kühlplatte 8, 10 am Steg 7 und die Verklebung zwischen den Zellen 3 und den Kühlungsplatten 8, 9, 10 erreicht der Zellstapel 2 eine große Stabilität. Gleichzeitig kann durch die abwechselnde Verbindung 14 vom linken und rechten Zellstapel 2 ein besonders schmaler Steg 7 genutzt werden. Dies reduziert Materialaufwand und Gewicht. Die Befestigungselemente 17 sind hier als Haken ausgebildet, die in Aufnahmen 18 des Stegs 7 eingreifen. Damit kann eine stabile Verbindung erreicht werden.
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3 zeigt einen weiteren Zellstapel, bei dem die Zellen 3 mit Kühlungsplatten 12, 13 verklebt sind. Hier weist jede zweite Kühlungsplatte 12, 13 Befestigungselemente 17 auf, die in Aufnahmen 18 der Stege 7 aufgenommen sind und Verbindungen 14 bilden. Hier sind die Befestigungselemente 17 an den Kühlungsplatten 12 und 13 jeweils auf zwei gegenüberliegenden Seiten angeordnet. Zudem greifen die verformbaren Haken 17 der Kühlungsplatte 12 und die verformbaren Haken 17 der Kühlungsplatte 13 in entgegengesetzte Richtungen in einen konkaven Bereich der Stege 7 ein. Damit wirken die Kräfte der verformbaren Befestigungselemente 17 in entgegengesetzte Richtungen. Hierdurch wird eine Bewegung des Zellstapels 2 verhindert.
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Der Materialaufwand der zur Herstellung der Batterie kann in einer nicht erfindungsgemäßen Ausgestaltung weiter verringert werden, wenn auf zusätzliche Strukturelemente vollständig verzichtet wird. Ein Beispiel hierfür ist in 4 dargestellt. Hier sind die Isolationsplatten 15, 16 jeweils L-förmig ausgebildet. An einem Ende weisen die Isolationsplatten jeweils ein Befestigungselement in Form einer Feder 19 auf, am anderen Ende ein Befestigungselement in Form einer Nut 20. Die Teile der Isolationsplatten 15, 16, die über die Zellen 3 hinausragen, sind plastisch verformbar. Damit findet gleichzeitig mit dem Verkleben der Zellen 3 und der Isolationsplatten 15, 16 ein Einrasten an den Befestigungspunkten 14 statt. Damit ist ein besonders einfacher Produktionsprozess bei Vermeidung der Nutzung von zusätzlichen Strukturelementen möglich.
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5 zeigt beispielhaft eine mögliche Verbindung zwischen dem Strukturelement, einer Isolationsplatte 4 und einem Steg 7. Das Befestigungselement 21 ist hier ein Schwalbenschwanz, der in eine entsprechend geformte Aufnahme des Stegs formschlüssig eingesetzt wird, um die Verbindung 14 herzustellen. Eine Nutzung solcher Verbindungen, die die Bewegung des Trägerelements 4 in zwei Raumdimensionen verhindert, ist beispielsweise möglich, indem zunächst der Zellstapel aus den einzelnen Zellen und Tragelementen 4 verklebt wird und anschließend der Zellstapel durch Einsetzen der einzelnen Befestigungselemente 4 in die Aufnahme des Steges 7 am Steg 7 befestigt wird.
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6 zeigt eine weitere Form der Befestigung 14 einer Isolationsplatte 4 an einem Steg 7. Hier besteht das Befestigungselement 23 aus zwei verformbaren Haken 22. Damit kann in diesem Fall zunächst der Zellstapel durch Verkleben der Isolationsplatten 4 und der Zellen 3 hergestellt werden und die Verbindung mit dem Steg 7 anschließend durch ein seitliches Aufdrücken des Stegs 7 auf den Zellstapel erreicht werden. In diesem Fall haken die Haken 22 elastisch in der Aufnahme des Stegs 7 ein und es entsteht eine unlösbare Klippverbindung.
