DE102013015753A1

DE102013015753A1 - Batterie und Zellblock für eine Batterie

Info

Publication number: DE102013015753A1
Application number: DE201310015753
Authority: DE
Inventors: Norbert Bachmann; Daniel Blauwitz; Stefan Grun; Jan Kroggel; Jens Meintschel; Dirk Schröter; Knut Welke
Original assignee: Daimler AG
Current assignee: Mercedes Benz Group AG
Priority date: 2013-09-21
Filing date: 2013-09-21
Publication date: 2015-03-26

Abstract

Die Erfindung betrifft einen Zellblock (1) für eine Batterie (2), mit einer Mehrzahl seriell und/oder parallel elektrisch miteinander verschalteter elektrochemischer Einzelzellen (3), welche als Flachzellen ausgebildet sind, im Zellblock (1) im Wesentlichen parallel zueinander ausgerichtet und hintereinander angeordnet sind und mittels zumindest eines Spannelementes (11) miteinander verspannt sind, wobei zwischen jeweils zwei benachbarten Einzelzellen (3) jeweils ein Zwischenzellhalter (9) angeordnet ist, welcher eine Trennwand (22) aufweist, die zwischen den jeweiligen zwei benachbarten Einzelzellen (3) verläuft und wobei an zumindest einer Längsseite des Zellblocks (1) eine Temperierplatte (16) angeordnet ist, mit welcher die Einzelzellen (3) thermisch gekoppelt sind. Erfindungsgemäß ist ein Querschnitt der Trennwände (22) der Zwischenzellhalter (9) in einem der Temperierplatte (16) zugewandten Randbereich (28) im Vergleich zu einem Querschnitt in einem mittleren Bereich (29) der jeweiligen Trennwand (22) vergrößert ausgebildet. Des Weiteren betrifft die Erfindung eine Batterie (2) mit zumindest einem solchen Zellblock (1).

Description

Die Erfindung betrifft einen Zellblock für eine Batterie nach den Merkmalen des Oberbegriffs des Anspruchs 1 und eine Batterie nach den Merkmalen des Oberbegriffs des Anspruchs 10.
Aus dem Stand der Technik sind Batterien, insbesondere Hochvoltbatterien, für Fahrzeuganwendungen allgemein bekannt, insbesondere Traktionsbatterien zur Speicherung elektrischer Energie für einen Antrieb des Fahrzeugs. Diese Batterien umfassen eine Mehrzahl seriell und/oder parallel elektrisch miteinander verschalteter elektrochemischer Einzelzellen, die mit der dazugehörenden Elektronik und Temperierung in einem gemeinsamen Gehäuse angeordnet sind. Die Einzelzellen sind in so genannten Zellblöcken, auch als Zellverbünde bezeichnet, zusammengefasst, die jeweils eine gewisse Anzahl von Einzelzellen inklusive deren mechanischer Fixierung, elektrischer Kontaktierung und Einrichtungen zur Temperierung enthalten.
Als prismatische Hardcasezellen ausgebildete Einzelzellen, d. h. rechteckige Flachzellen, werden in Zellhaltern, den sogenannten Spacern, aufgenommen, die in Platten-, Schalen- oder Doppelschalenform ausgeführt sind und die Einzelzelle kraft- und formschlüssig im Zellblock positionieren und fixieren. Zellhalter und Einzelzellen werden zur mechanischen Ausbildung des Zellblocks über Spannelemente und Druckbrillen verpresst.
Am Zellblock ist zumindest eine Temperierplatte angeordnet, mittels welcher eine Temperierung der Einzelzellen vorgenommen wird. Die Einzelzellen sind direkt oder über eine elektrisch isolierende und Toleranz ausgleichende Wärmeleitfolie oder eine Vergussmasse mit der Temperierplatte thermisch gekoppelt. Zur Sicherstellung des thermischen Kontaktes zur Temperierplatte ist die der Temperierplatte zugewandte Seitenwand jedes Zellhalters mit Öffnungen versehen, aus welchen die Einzelzellen ein Stück herausragen.
Das metallische Zellgehäuse der prismatischen Einzelzellen liegt entweder auf Spannung (niederohmig, z. B. bei einer polaren Einzelzelle mit metallischem Gehäuse) oder besitzt ein elektrisches Potential (hochohmig, z. B. übliche metallische Hardcasezelle mit Elektrolytzutritt zur Zellinnenseite), wodurch die Einzelzellen nicht nur gegen die elektrische Masse, sondern auch untereinander elektrisch isoliert werden müssen, da es bei Berührung bzw. Annäherung und einer daraus resultierenden Unterschreitung der erforderlichen Luft- und Kriechstrecke von im Zellblock nebeneinander liegenden Einzelzellen zum Stromfluss und dadurch zum Kurzschluss oder zum Fluss von Kriechströmen kommen würde. Die Funktion der elektrischen Isolation wird durch die Zellhalter vorgenommen, deren Trennwand aus Kunststoff besteht, welche zur Einstellung der nötigen Luft- und Kriechstrecke von in der Regel mindestens einem Millimeter eine bestimmte Mindestdicke besitzen muss, um den nötigen Abstand zwischen den Einzelzellen einzustellen.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zu Grunde, einen gegenüber dem Stand der Technik verbesserten Zellblock für eine Batterie und eine gegenüber dem Stand der Technik verbesserte Batterie anzugeben.
Die Aufgabe wird erfindungsgemäß gelöst durch einen Zellblock für eine Batterie mit den Merkmalen des Anspruchs 1 und eine Batterie mit den Merkmalen des Anspruchs 10.
Vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung sind Gegenstand der Unteransprüche.
Ein Zellblock für eine Batterie umfasst eine Mehrzahl seriell und/oder parallel elektrisch miteinander verschalteter elektrochemischer Einzelzellen, welche als Flachzellen ausgebildet sind, im Zellblock im Wesentlichen parallel zueinander ausgerichtet und hintereinander angeordnet sind und mittels zumindest eines Spannelementes miteinander verspannt sind. Zwischen jeweils zwei benachbarten Einzelzellen ist jeweils ein Zwischenzellhalter aus einem elektrisch isolierenden Material angeordnet, welcher eine Trennwand aufweist, die zwischen den jeweiligen zwei benachbarten Einzelzellen verläuft. An zumindest einer Längsseite des Zellblocks ist zur Temperierung der Einzelzellen eine Temperierplatte angeordnet, mit welcher die Einzelzellen thermisch gekoppelt sind. Dabei kann es sich um eine obere, um eine untere oder um eine seitliche Längsseite des Zellblocks handeln. Es können auch an mehreren Längsseiten des Zellblocks jeweils eine Temperierplatte angeordnet sein.
Erfindungsgemäß ist ein Querschnitt der Trennwände der Zwischenzellhalter in einem der Temperierplatte zugewandten Randbereich im Vergleich zu einem Querschnitt in einem mittleren Bereich der jeweiligen Trennwand vergrößert ausgebildet. Durch die erfindungsgemäße Lösung ist es ermöglicht, die Einzelzellen, deren metallische Zellgehäuse entweder auf Spannung liegen (niederohmig, z. B. bei einer polaren Einzelzelle mit metallischem Gehäuse) oder ein elektrisches Potential besitzen (hochohmig, z. B. übliche metallische Hardcasezelle mit Elektrolytzutritt zur Zellinnenseite) mittels der Zwischenzellhalter und deren Trennwänden untereinander elektrisch zu isolieren und eine Berührung bzw. Annäherung und eine daraus resultierende Unterschreitung der erforderlichen Luft- und Kriechstrecke von im Zellblock nebeneinander liegenden Einzelzellen und einen daraus resultierenden Stromfluss, welcher zum Kurzschluss oder zum Fluss von Kriechströmen führt, zu vermeiden.
Durch die erfindungsgemäße Ausbildung der Zwischenzellhalter ist dabei im der Temperierplatte zugewandten Randbereich eine vorgegebene Mindestdicke der jeweiligen Trennwand von beispielsweise mindestens einem Millimeter erreicht, um dadurch einen erforderlichen Abstand benachbarter Einzelzellen des Zellblocks einzustellen, wobei durch diese erfindungsgemäße Ausbildung der Zwischenzellhalter eine Vergrößerung der Zellblocklänge und ein daraus resultierender höherer Bauraumbedarf des Zellblocks vermieden sind, da der der Temperierplatte zugewandte Randbereich mit dem vergrößerten Querschnitt entweder an einem Bereich der Einzelzellen anliegt, in welchem die Einzelzellen einen geringeren Querschnitt aufweisen, oder die Einzelzellen in Richtung der Temperierplatte überragt. Eine maximale Breite zweier benachbarter Einzelzellen und eines zwischen diesen angeordneten Zwischenzellhalters entspricht dadurch vorteilhafterweise einer Summe der Breiten der Einzelzellen und des Zwischenzellhalters in dessen mittlerem Bereich. Dabei ist die Trennwand im mittleren Bereich sehr dünn ausgeführt, da im mittleren Bereich bereits eine sehr dünne Trennwand zur elektrischen Isolation der jeweils benachbarten Einzelzellen ausreicht.
Ein der Temperierplatte zugewandter Außenrand des Zellgehäuses der Einzelzellen ist nicht vom Zwischenzellhalter bedeckt, da dieser Außenrand der thermischen Kopplung der Einzelzellen mit der Temperierplatte dient. Durch den vergrößerten Querschnitt der Trennwand des jeweiligen Zwischenzellhalters sichergestellt, dass die jeweils benachbarten Einzelzellen, d. h. deren metallische Zellgehäuse, ausreichend voneinander beabstandet sind, um die erforderliche Luft- und Kriechstrecke zwischen diesen Außenrändern der Zellgehäuse der Einzelzellen einzuhalten und die jeweils benachbarten Einzelzellen auf diese Weise elektrisch voneinander zu isolieren. D. h. diese Luft- und Kriechstrecke zwischen den benachbarten Einzelzellen ist mittels der erfindungsgemäßen Lösung unabhängig von der Trennwanddicke im mittleren Bereich eingestellt, durch die Aufdickung des der Temperierplatte zugewandten Randbereichs der jeweiligen Trennwand.
Diese erfindungsgemäße Aufdickung der Trennwand im der Temperierplatte zugewandten Randbereich, d. h. die dort ausgebildete erfindungsgemäße Querschnittsvergrößerung, erhöht zudem eine mechanische Festigkeit und Stabilität des jeweiligen Zwischenzellhalters und dessen Trennwand. Zudem erleichtert die erfindungsgemäße Ausbildung der Zwischenzellhalter, welche zweckmäßigerweise aus Kunststoff und vorzugsweise in einem Spritzgussverfahren herstellbar sind, einen solchen Spritzgussvorgang, da auf diese Weise ein größerer Fließquerschnitt für das Spritzgussmaterial in einer Spritzgussform ermöglicht ist. Zudem ist durch den der Temperierplatte zugewandten verbreiterten und beispielsweise abgerundeten Randbereich der Trennwand des jeweiligen Zwischenzellhalters vermieden, dass sich die jeweilige Trennwand in eine zwischen der Temperierplatte und den Einzelzellen angeordnete Wärmeleitfolie eingräbt oder eindrückt und diese dadurch beschädigt oder vollständig durchtrennt.
Des Weiteren verhindern die Randbereiche der Trennwände der Zwischenzellhalter mit dem jeweils vergrößerten Querschnitt während einer Montage des Zellblocks, dass bereits im Zellblock angeordnete Einzelzellen vor dem Anordnen der Temperierplatte wieder aus dem Zellblock herausfallen. Durch die erfindungsgemäße Ausbildung der Zwischenzellhalter ist somit eine erleichterte Positionierung der Einzelzellen im Zellblock sowohl während der Montage als auch nach der Montage des Zellblocks ermöglicht.
Vorzugsweise ist der vergrößerte Querschnitt des Randbereichs der jeweiligen Trennwand symmetrisch in Richtung beider angrenzender Einzelzellen ausgebildet. Auf diese Weise ist die oben beschriebene Wirkung des jeweiligen Zwischenzellhalters gleichmäßig auf beide Einzelzellen erreicht. Alternativ ist es auch möglich, dass der vergrößerte Querschnitt jeweils nur in Richtung einer der angrenzenden Einzelzellen ausgebildet ist. In diesem Fall sind im Zellblock die vergrößerten Querschnitte der Randbereiche der Trennwände der Zwischenzellhalter zweckmäßigerweise in dieselbe Richtung ausgerichtet, so dass die oben beschriebene Wirkung des vergrößerten Querschnitts jeweils auf die in Richtung des vergrößerten Querschnitts nächste Einzelzelle wirkt.
Ein Querschnittverlauf im der Temperierplatte zugewandten Randbereich der jeweiligen Trennwand ist beispielsweise tulpenförmig, T-förmig oder tropfenförmig ausgebildet. Ein tulpenförmiger Übergang weist einen größeren Krümmungsradius auf als ein T-förmiger Übergang. Die Krümmung und der Krümmungsradius beziehen sich dabei stets auf einen Verlauf einer der jeweiligen Einzelzelle zugewandten Anlageoberfläche der Trennwand. Der Übergang ist zweckmäßigerweise an eine Gehäuseform der Einzelzellen angepasst. Bei einem tulpenförmigen Übergang liegt der Randbereich der Trennwand mit dem vergrößerten Querschnitt beispielsweise seitlich an den Einzelzellen an, während er bei einem T-förmigen Übergang über den Außenrand der Zellgehäuse der jeweils benachbarten Einzelzellen in Richtung der Temperierplatte übersteht.
Vorzugsweise ist ein maximaler Querschnitt des der Temperierplatte zugewandten Randbereichs der jeweiligen Trennwand an einem der Temperierplatte zugewandten äußersten Rand der Trennwand ausgebildet. Auf diese Weise ist am der Temperierplatte zugewandten unbedeckten Außenrand der Zellgehäuse der Einzelzellen ein ausreichend großer Abstand zwischen den jeweils benachbarten Einzelzellen sichergestellt, um Kurzschlüsse und Kriechströme zwischen den Einzelzellen über diese unbedeckten Außenränder zu vermeiden.
In einer bevorzugten Ausführungsform ist im der Temperierplatte zugewandten Randbereich ein fließender, d. h. ein kontinuierlicher, Übergang zwischen dem geringeren Querschnitt des mittleren Bereichs der jeweiligen Trennwand und dem maximalen Querschnitt am der Temperierplatte zugewandten äußersten Rand der Trennwand ausgebildet. Dies erlaubt eine an eine Form des Zellgehäuses der angrenzenden Einzelzellen angepasste Ausbildung, so dass die Einzelzellen an der Trennwand anliegen und durch diese gestützt und gehalten sind.
Zweckmäßigerweise ist der Übergang als eine Krümmung mit einem vorgegebenen Krümmungsradius ausgebildet. Dieser Krümmungsradius korrespondiert zweckmäßigerweise mit einem Krümmungsradius des an der Trennwand anliegenden Bereichs des Zellgehäuses der jeweiligen Einzelzelle, so dass die Abstützung und Halterung der jeweiligen Einzelzelle im Zellblock sichergestellt ist. Der Krümmungsradius der der Einzelzelle zugewandten jeweiligen Anlageoberfläche der Trennwand beträgt beispielsweise ein Millimeter ist größer als ein Millimeter oder kleiner als ein Millimeter.
Vorzugsweise ist ein Verlauf einer jeweiligen Anlageoberfläche der jeweiligen Trennwand im der Temperierplatte zugewandten Randbereich korrespondierend zu einem an der jeweiligen Anlageoberfläche anliegenden Zellgehäusebereich der jeweiligen Einzelzelle ausgebildet, beispielsweise auf die oben beschriebene Weise. Dadurch ist die sichere und stabile Halterung der Einzelzellen im Zellblock mittels der Zwischenzellhalter sichergestellt.
In einer vorteilhaften Ausführungsform ist der der Temperierplatte zugewandte Randbereich der jeweiligen Trennwand elastisch ausgebildet, beispielsweise aus einem elastischen Kunststoff, zum Beispiel aus einem Elastomer. Dadurch kann zunächst eine Montage und ein Verspannen oder Vorspannen der Zwischenzellhalter erfolgen und danach sind lediglich die Einzelzellen zwischen jeweils zwei Zwischenzellhalter einzuschieben. Während des Einschiebens der jeweiligen Einzelzelle verschiebt und/oder verformt sich der elastische Randbereich, welcher beispielsweise lippenartig ausgebildet ist, so dass das Einschieben der jeweiligen Einzelzelle ermöglicht ist. Nach dem Einschieben nimmt der elastische Randbereich wieder zumindest im Wesentlichen seine ursprüngliche Form und/oder Position an, wodurch die Einzelzelle im Zellblock gehalten ist und ein Herausgleiten vermieden ist. Zudem ist dadurch ein vollflächiges Anlegen des Randbereichs an die jeweilige Einzelzelle ermöglicht, wodurch diese durch den Randbereich des Zwischenzellhalters sicher und unbeweglich gehalten ist. Nachdem alle Einzelzellen auf diese Weise im Zellblock angeordnet sind, erfolgt zweckmäßigerweise ein abschließendes Verspannen des Zellblocks.
Der Zellblock umfasst zweckmäßigerweise des Weiteren zumindest einen Abschlusszellhalter an einem stirnseitigen Ende des Zellblocks, wobei der Abschlusszellhalter im Wesentlichen analog dem Zwischenzellhalter ausgebildet ist. D. h. auch der Abschlusszellhalter weist eine solche Trennwand auf, welche hier jedoch nur eine angrenzende Einzelzelle bedeckt, nämlich eine stirnseitige Einzelzelle des Zellblocks, d. h. eine erste oder letzte Einzelzelle in Längsrichtung des Zellblocks.
Auch hier ist ein Querschnitt der Trennwand in einem der Temperierplatte zugewandten Randbereich im Vergleich zu einem Querschnitt in einem mittleren Bereich der jeweiligen Trennwand vergrößert ausgebildet. Diese Querschnittsvergrößerung erstreckt sich bei dem Abschlusszellhalter jedoch zweckmäßigerweise lediglich in Richtung der einen angrenzenden Einzelzelle. Dieser Abschlusszellhalter ist ebenfalls aus einem elektrisch isolierenden Material ausgebildet, zweckmäßigerweise ebenfalls aus Kunststoff, beispielsweise ebenfalls in einem Spritzgussverfahren.
Zweckmäßigerweise weist der Zellblock zwei solcher Abschlusszellhalter auf, wobei an jeder Stirnseite des Zellblocks einer der Abschlusszellhalter angeordnet ist, angrenzend an die jeweilige stirnseitige Einzelzelle, d. h. einer der Abschlusszellhalter ist an einer Stirnseite des Zellblocks angeordnet, angrenzend an die in Längsrichtung erste Einzelzelle des Zellblocks, und der andere Abschlusszellhalter ist an der anderen Stirnseite des Zellblocks angeordnet, angrenzend an die in Längsrichtung letzte Einzelzelle des Zellblocks.
Der Randbereich des jeweiligen Abschlusszellhalters ist zweckmäßigerweise analog dem Randbereich der Zwischenzellhalter ausgebildet, wobei sich die Querschnittsvergrößerung nicht symmetrisch in beide Richtungen erstreckt, sondern zweckmäßigerweise lediglich in Richtung der stirnseitigen Einzelzelle des Zellblocks. Hierbei ist an Stelle der T-förmigen Ausformung beispielsweise eine L-förmige Ausformung sinnvoll.
Zweckmäßigerweise ist auch ein maximaler Querschnitt des der Temperierplatte zugewandten Randbereichs der Trennwand des jeweiligen Abschlusszellhalters an einem der Temperierplatte zugewandten äußersten Rand dieser Trennwand ausgebildet, mit den oben zur entsprechenden Ausbildung der Trennwand der Zwischenzellhalter geschilderten Vorteilen. Auch hier ist zweckmäßigerweise im der Temperierplatte zugewandten Randbereich ein fließender Übergang zwischen dem geringeren Querschnitt des mittleren Bereichs der jeweiligen Trennwand und dem maximalen Querschnitt am der Temperierplatte zugewandten äußersten Rand der Trennwand ausgebildet, mit den oben zur entsprechenden Ausbildung der Trennwand der Zwischenzellhalter geschilderten Vorteilen. Auch bei der Trennwand der Abschlusszellhalter kann der Übergang als eine Krümmung mit einem vorgegebenen Krümmungsradius ausgebildet sein, beispielsweise mit einem Krümmungsradius von einem Millimeter, von größer als ein Millimeter oder von kleiner als ein Millimeter, mit den oben zur entsprechenden Ausbildung der Trennwand der Zwischenzellhalter geschilderten Vorteilen. Auch hier bezieht sich der Krümmungsradius oder die Krümmung auf die der Einzelzelle zugewandte Anlageoberfläche der Trennwand des Abschlusszellhalters. Auch bei der Trennwand kann ein Verlauf der Anlageoberfläche der jeweiligen Trennwand im der Temperierplatte zugewandten Randbereich korrespondierend zu einem an der Anlageoberfläche anliegenden Zellgehäusebereich der jeweiligen stirnseitigen Einzelzelle ausgebildet sein, mit den oben zur entsprechenden Ausbildung der Trennwand der Zwischenzellhalter geschilderten Vorteilen. Des Weiteren kann auch bei der Trennwand des Abschlusszellhalters der der Temperierplatte zugewandte Randbereich der jeweiligen Trennwand elastisch ausgebildet sein, mit den oben zur entsprechenden Ausbildung der Trennwand geschilderten Vorteilen. D. h. auch dadurch ist das Anordnen der Einzelzellen, hier insbesondere der stirnseitigen Einzelzellen, im Zellblock bei bereits verspannten oder vorgespannten Zellhaltern erleichtert, durch das elastische Verformen des elastischen Randbereichs während des Positionierens der Einzelzellen und das anschließende Rückverformen und/oder Rückbewegen des elastischen Randbereichs, so dass die jeweilige Einzelzelle sicher gehalten ist.
In einer vorteilhaften Ausführungsform des Zellblocks sind die auf die oben beschriebene Weise ausgebildeten Zwischenzellhalter und Abschlusszellhalter nicht als einzelne Elemente ausgebildet, sondern zu einem Gestell kraftschlüssig, formschlüssig und/oder stoffschlüssig miteinander verbunden. Dieses Gestell kann beispielsweise auch einteilig und/oder einstückig ausgebildet sein, beispielsweise als ein Gesamtteil aus Kunststoff in einem Spritzgussverfahren. Auf diese Weise ist zum Beispiel das Verspannen des Zellblocks mittels der Spannelemente und mittels Druckbrillen nicht mehr erforderlich.
Bei dieser Ausführungsform ist die oben beschriebene elastische Ausbildung des der Temperierplatte zugewandten Randbereichs der jeweiligen Trennwand, beispielsweise aus einem elastischen Kunststoff, zum Beispiel aus einem Elastomer, besonders vorteilhaft, um dadurch die Einzelzellen in das Gestell der Zellhalter einschieben zu können, wobei sich der jeweilige elastische Randbereich, welcher beispielsweise lippenartig ausgebildet ist, verschiebt und/oder verformt und dadurch das Einfügen der jeweiligen Einzelzelle ermöglicht, und nach dem Einschieben wieder zumindest im Wesentlichen seine ursprüngliche Form und/oder Position annimmt, so dass die Einzelzellen in ihrer vorgegebenen Position im Zellblock sicher gehalten sind und ein Herausgleiten vermieden ist. Anschließend ist lediglich noch die Temperierplatte an diesem Gestell zu befestigen und die Einzelzellen sind miteinander seriell und/oder parallel elektrisch zu verschalten, wonach der Zellblock vollständig ausgebildet ist. Das aufwändige Zusammensetzen des Zellblocks aus einzelnen Zellhaltern und Einzelzellen, d. h. das aufwändige abwechselnde Anordnen der Einzelzellen und der Zwischenzellhalter sowie das stirnseitige Anordnen der Abschlusszellhalter und insbesondere deren Verspannen mittels der Druckbrillen und der Spannelemente, entfällt auf diese Weise, wodurch ein Herstellungsaufwand und eine Herstellungszeit zur Herstellung des Zellblocks reduziert sind.
Eine erfindungsgemäße Batterie umfasst zumindest einen solchen Zellblock. Die durch den erfindungsgemäßen Zellblock ermöglichte Bauraum sparende Ausbildung ermöglicht somit auch die Bauraum sparende Ausbildung der Batterie. Dies ist insbesondere bei einer als Fahrzeugbatterie ausgebildeten Batterie von großer Bedeutung, da im Fahrzeug nur ein begrenzter Bauraum für die Batterie zur Verfügung steht. Dieser Bauraum kann durch die erfindungsgemäße Batterie mit dem zumindest einen erfindungsgemäßen Zellblock optimal genutzt werden, beispielsweise können in diesem Bauraum mehrere Batterien, Batterien mit mehreren Zellblöcken und/oder eine größere Anzahl Einzelzellen angeordnet werden. Die erfindungsgemäße Batterie ist insbesondere eine Traktionsbatterie für ein Elektrofahrzeug, für ein Fahrzeug mit Hybridantrieb oder für ein Brennstoffzellenfahrzeug. Zweckmäßigerweise weist die Batterie eine Mehrzahl elektrisch seriell und/oder parallel miteinander verschalteter erfindungsgemäßer Zellblöcke auf.
Ausführungsbeispiele der Erfindung werden im Folgenden anhand von Zeichnungen näher erläutert.
Dabei zeigen:
1 schematisch eine Teilexplosionsdarstellung eines Zellblocks,
2 schematisch eine perspektivische Darstellung eines Zellblocks,
3 schematisch eine erste perspektivische Darstellung einer ersten Ausführungsform eines Zwischenzellhalters,
4 schematisch eine zweite perspektivische Darstellung einer ersten Ausführungsform eines Zwischenzellhalters,
5 schematisch eine Längsschnittdarstellung eines Zellblocks,
6 schematisch eine Schnittdarstellung eines einer Temperierplatte zugewandten Bereichs einer ersten Ausführungsform eines Zwischenzellhalters und zweier noch nicht in diesem angeordneter Einzelzellen,
7 schematisch eine Schnittdarstellung eines einer Temperierplatte zugewandten Bereichs einer ersten Ausführungsform eines Zwischenzellhalters und zweier in diesem angeordneter Einzelzellen,
8 schematisch eine Schnittdarstellung eines einer Temperierplatte zugewandten Bereichs einer zweiten Ausführungsform eines Zwischenzellhalters und zweier noch nicht in diesem angeordneter Einzelzellen,
9 schematisch eine Schnittdarstellung eines einer Temperierplatte zugewandten Bereichs einer zweiten Ausführungsform eines Zwischenzellhalters und zweier in diesem angeordneter Einzelzellen, und
10 schematisch eine Batterie.
Einander entsprechende Teile sind in allen Figuren mit den gleichen Bezugszeichen versehen.
1 zeigt schematisch eine Teilexplosionsdarstellung eines Zellblocks 1 für eine in 10 näher dargestellte Batterie 2. 2 zeigt diesen Zellblock 1 schematisch in einer perspektivischen Darstellung.
Der Zellblock 1 weist eine Mehrzahl seriell und/oder parallel elektrisch miteinander verschalteter elektrochemischer Einzelzellen 3 auf. Diese Einzelzellen 3 sind als Flachzellen ausgebildet, auch als prismatische Hardcasezellen bezeichnet. Die Einzelzellen 3 weisen jeweils ein metallisches Zellgehäuse 4 auf, welches entweder auf Spannung liegt (niederohmig, z. B. bei einer polaren Einzelzelle mit metallischem Gehäuse) oder ein elektrisches Potential besitzt (hochohmig, z. B. übliche metallische Hardcasezelle mit Elektrolytzutritt zur Zellinnenseite), d. h. welches entweder spannungs- oder potentialführend ist. Zellpole 5 der Einzelzellen 3 sind an einer Oberseite der jeweiligen Einzelzelle 3 angeordnet.
Die serielle und/oder parallele elektrische Verschaltung der Einzelzellen 3 ist über eine Zellverbinderplatine 6 realisiert, welche an einer Oberseite des Zellblocks 1 auf den Zellpolen 5 der Einzelzellen 3 angeordnet ist. Zellverbinder 7 der Zellverbinderplatine 6 sind beispielsweise mittels Überlapp-Laserschweißung mit den Zellpolen 5 der Einzelzellen 3 verbunden. Die Zellverbinderplatine 6 weist zudem elektrische Kontakte 8 auf, über welche die Zellverbinderplatine 6 und über diese der Zellblock 1 beispielsweise mit einer Zellverbinderplatine 6 eines weiteren Zellblocks 1 und/oder mit einem Bordnetz eines hier nicht dargestellten Fahrzeugs elektrisch verbindbar ist.
Die Einzelzellen 3 sind im Zellblock 1 im Wesentlichen parallel zueinander ausgerichtet und hintereinander angeordnet. Zur Halterung der Einzelzellen 3 im Zellblock 1 und zu deren elektrischer Isolation gegenüber jeweils benachbarten Einzelzellen 3 ist zwischen jeweils zwei benachbarten Einzelzellen 3 ein Zwischenzellhalter 9 aus einem elektrisch isolierenden Material angeordnet. An Außenseiten stirnseitiger Einzelzellen 3 des Zellblocks 1 ist jeweils ein Abschlusszellhalter 10 angeordnet. Die Zwischenzellhalter 9 und/oder die Abschlusszellhalter 10 sind beispielsweise jeweils aus Kunststoff ausgebildet, zum Beispiel in einem Kunststoffspritzgussverfahren.
Die Einzelzellen 3 und Zellhalter 9, 10 sind mittels Spannelementen 11, welche hier als Zuganker ausgebildet sind, miteinander verspannt. Dazu sind die Spannelemente 11 im hier dargestellten Beispiel durch entsprechende Durchführungsöffnungen 12 in den Zellhaltern 9, 10 hindurchgeführt. Diese Durchführungsöffnungen 10 sind im hier dargestellten Beispiel in allen vier Eckbereichen der Zellhalter 9, 10 ausgebildet und beispielsweise durch hülsenförmige Metalleinsätze 13 verstärkt. In anderen Beispielen können die Spannelemente 11 beispielsweise auch als Spannbänder ausgebildet sein.
An den Stirnseiten des Zellblocks 1 ist an einer von den Einzelzellen 3 abgewandten Außenseite des jeweiligen Abschlusszellhalters 10 jeweils eine Druckbrille 14 angeordnet, welche ebenfalls Durchführungsöffnungen 12 für die Spannelemente 11 aufweist. Auf die Spannelemente 11 sind Schraubelemente 15 aufgesetzt und durch ein zunehmendes Aufschrauben der Schraubelemente 15 auf die Spannelemente 11 ist ein zunehmendes Verspannen der Einzelzellen 3 zu erreichen.
Zur Temperierung der Einzelzellen 3, d. h. zu deren Kühlung und/oder Erwärmung, ist im hier dargestellten Beispiel an einer Unterseite des Zellblocks 1 eine Temperierplatte 16 angeordnet, mit welcher die Einzelzellen 3 thermisch gekoppelt sind. Die Temperierplatte 16 weist zweckmäßigerweise zumindest einen von einem Temperiermittel durchströmbaren Temperiermittelkanal auf, welcher über Anschlüsse 17 beispielsweise mit einem Temperiermittelkreislauf eines Fahrzeugs oder einer Fahrzeugklimaanlage zu koppeln ist.
Die Temperierplatte 16 ist mittels Befestigungselementen 18, welche beispielsweise als Schrauben ausgebildet sind, am Zellblock 1 zu befestigen. Hierzu weisen die Zwischenzellhalter 9, wie in 4 gezeigt, an einer Unterseite Schraublöcher 19 zum Einschrauben der Befestigungselemente 18 auf und die Temperierplatte 16 weist randseitig Bohrungen 20 zur Durchführung der Befestigungselemente 18 auf. In hier nicht dargestellten anderen Ausführungsbeispielen kann diese Temperierplatte 16 beispielsweise auch an einer anderen Längsseite des Zellblocks 1 angeordnet sein, beispielsweise an einer rechten oder linken oder oberen Längsseite des Zellblocks 1. Der Zellblock 1 kann beispielsweise auch eine Mehrzahl von Temperierplatten 16 aufweisen, welche an verschiedenen Längsseiten des Zellblocks 1 angeordnet sind.
Zwischen der Temperierplatte 16 und den Einzelzellen 3 ist zur elektrischen Isolation und zum Ausgleich von Toleranzen ein thermisch leitfähiges und elektrisch isolierendes Material 21 angeordnet, welches beispielsweise als eine Wärmeleitfolie oder als eine elektrisch isolierende und thermisch leitfähige Vergussmasse ausgebildet ist.
Die 3 und 4 zeigen eine Ausführungsform der Zwischenzellhalter 9 in zwei perspektivischen Darstellungen, in 3 von schräg oben und in 4 von schräg unten. In 5 sind Zwischenzellhalter 9 dieser ersten Ausführungsform im Zellblock 1 angeordnet dargestellt. Die 6 und 7 zeigen eine Detailansicht eines der Temperierplatte 16 zugewandten unteren Bereichs dieser ersten Ausführungsform der Zwischenzellhalter 9, wobei in 6 zwei an den Zwischenzellhalter 9 angrenzende Einzelzellen 3 noch nicht im Zwischenzellhalter 9 angeordnet sind und in 7 diese Einzelzellen 3 im Zwischenzellhalter 9 angeordnet sind.
Die 8 und 9 zeigen eine Detailansicht eines der Temperierplatte 16 zugewandten unteren Bereichs einer zweiten Ausführungsform der Zwischenzellhalter 9, wobei in 8 zwei an den Zwischenzellhalter 9 angrenzende Einzelzellen 3 noch nicht im Zwischenzellhalter 9 angeordnet sind und in 9 diese Einzelzellen 3 im Zwischenzellhalter 9 angeordnet sind.
Die Zwischenzellhalter 9 weisen in beiden Ausführungsformen jeweils eine Trennwand 22 auf, um die Einzelzellen 3 elektrisch voneinander zu isolieren. Seitenränder 23 und ein oberer Rand 24 der Zwischenzellhalter 9 sind stark verbreitert ausgebildet, so dass sie eine Hälfte der anliegenden Einzelzellen 3 überragen, wodurch die jeweiligen Seitenränder 23 und die oberen Ränder 24 benachbarter Zwischenzellhalter 9 sich berühren und eine Spannkraft der Spannelemente 11 aufnehmen und abstützen. Die Zwischenzellhalter 9 weisen somit eine Art Doppelschalenform auf, d. h. auf jeder den Einzelzellen 3 zugewandten Flachseite ist eine Art Aufnahmeschale zum Anordnen einer Einzelzelle 3 ausgebildet. Der obere Rand 24 des jeweiligen Zwischenzellhalters 9 weist Polaussparungen 25 für die Zellpole 5 der jeweiligen Einzelzelle 3 sowie eine zentrale Aussparung 26 auf, um beispielsweise eine Ventingöffnung der jeweiligen Einzelzelle 3 nicht zu verdecken. Eine der Temperierplatte 16 zugewandte Unterseite der Seitenränder 23 der Zwischenzellhalter 9 überragt die Trennwand 22, so dass die Zwischenzellhalter 9 mit diesen Unterseiten der Seitenränder 23 an der Temperierplatte 16 anliegen, wodurch eine stabile Befestigung der Temperierplatte 16 an den Zwischenzellhaltern 9 und damit am Zellblock 1 ermöglicht ist. Das als Wärmeleitfolie oder Vergussmasse ausgebildete thermisch leitfähige und elektrisch isolierende Material 21 erstreckt sich zwischen diesen auf der Temperierplatte 16 aufsitzenden Seitenrändern 23.
Die Abschlusszellhalter 10 sind ähnlich den Zwischenzellhaltern 9 ausgebildet, nur weisen sie keine Doppelschalenform auf, sondern lediglich eine einfache Schalenform, d. h. bei ihnen ist jeweils lediglich auf einer der jeweiligen stirnseitigen Einzelzelle 3 des Zellblocks 1 zugewandten Flachseite eine solche oben beschriebene Schalenform zur Aufnahme dieser jeweiligen stirnseitigen Einzelzelle 3 des Zellblocks 1 ausgebildet. Diese Abschlusszellhalter 10 weisen somit ebenfalls die Trennwand 22 auf, um die jeweilige stirnseitige Einzelzelle 3 des Zellblocks 1 zu bedecken, sowie die stark verbreiterten Seitenränder 23 und den stark verbreiterten oberen Rand 24. Diese Verbreiterung erstreckt sich bei den Abschlusszellhaltern 10 jedoch nur in Richtung der einen anliegenden Einzelzelle 3, nämlich der jeweiligen stirnseitigen Einzelzelle 3 des Zellblocks 1. Der obere Rand 24 und die Seitenränder 23 überragen eine Hälfte dieser jeweiligen Einzelzelle 3, wodurch sie am jeweiligen oberen Rand 24 bzw. an den jeweiligen Seitenrändern 23 des jeweils benachbarten Zwischenzellhalters 9 anliegen, so dass die Aufnahme und Abstützung der Spannkraft der Spannelemente 11 durch alle Zellhalter 9, 10 gemeinsam sichergestellt ist.
Ein der Temperierplatte 16 zugewandter unterer Rand der Zwischenzellhalter 9 und der Abschlusszellhalter 10 ist im Wesentlichen geöffnet, um auf diese Weise eine thermische Kontaktierung der Einzelzellen 3 über einen unteren Außenrand 27 des jeweiligen Zellgehäuses 4 mit der Temperierplatte 16 zu ermöglichen. Um auch in diesem Bereich eine elektrische Isolierung der jeweils benachbarten Einzelzellen 3 sicherzustellen, ist ein Querschnitt der Trennwände 22 der Zwischenzellhalter 9 sowie der Abschlusszellhalter 10 in einem der Temperierplatte 16 zugewandten Randbereich 28 im Vergleich zu einem Querschnitt in einem mittleren Bereich 29 der jeweiligen Trennwand 22 vergrößert ausgebildet, wie in den 3 bis 9 dargestellt.
Dadurch ist es ermöglicht, die Einzelzellen 3 mittels der Zwischenzellhalter 9 und deren Trennwänden 22 untereinander elektrisch zu isolieren sowie mittels der Abschlusszellhalter 10 und deren Trennwänden 22 gegen eine äußere Umgebung des Zellblocks 1 elektrisch zu isolieren und eine Berührung bzw. Annäherung und eine daraus resultierende Unterschreitung einer erforderlichen Luft- und Kriechstrecke von im Zellblock 1 nebeneinander liegenden Einzelzellen 3 und einen daraus resultierenden Stromfluss, welcher zum Kurzschluss oder zum Fluss von Kriechströmen führt, zu vermeiden. Durch diese Ausbildung insbesondere der Zwischenzellhalter 9 und vorzugsweise auch der Abschlusszellhalter 10 ist dabei im der Temperierplatte 16 zugewandten Randbereich 28 eine vorgegebene Mindestdicke der jeweiligen Trennwand 22 von beispielsweise mindestens einem Millimeter erreicht, um dadurch einen erforderlichen Abstand benachbarter Einzelzellen 3 des Zellblocks 1 einzustellen, aber gleichzeitig ist eine Vergrößerung der Zellblocklänge und ein daraus resultierender höherer Bauraumbedarf des Zellblocks 1 vermieden, da der der Temperierplatte 16 zugewandte Randbereich 28 mit dem vergrößerten Querschnitt entweder an einem Bereich der Einzelzellen 3 bzw. im Fall des Abschlusszellhalters 10 an einem Bereich der jeweiligen stirnseitigen Einzelzelle 3 anliegt, in welchem die Einzelzellen 3 bzw. die stirnseitige Einzelzelle 3 einen geringeren Querschnitt aufweisen/aufweist, wie in den 5 bis 7 dargestellt, oder dieser der Temperierplatte 16 zugewandte Randbereich 28 überragt die Einzelzellen 3 bzw. im Fall des Abschlusszellhalters 10 die jeweilige stirnseitige Einzelzelle 3 in Richtung der Temperierplatte 16, wie in den 8 und 9 dargestellt.
Eine maximale Breite zweier benachbarter Einzelzellen 3 und eines zwischen diesen angeordneten Zwischenzellhalters 9 entspricht dadurch vorteilhafterweise einer Summe der Breiten der Einzelzellen 3 und des Zwischenzellhalters 9 in deren zentralem Bereich. Dabei ist die Trennwand 22 in ihrem mittleren Bereich 29 sehr dünn ausgeführt, da im mittleren Bereich 29 bereits eine sehr geringe Trennwanddicke zur elektrischen Isolation der jeweils benachbarten Einzelzellen 3 ausreicht. Somit entspricht die Gesamtbreite zweier benachbarter Einzelzellen 3 und des dazwischen angeordneten Zwischenzellhalters 9 der Summe der Breiten der Einzelzellen 3 und des sehr dünnen mittleren Bereichs 29 der Trennwand 22 des dazwischen angeordneten Zwischenzellhalters 9.
Ähnliches gilt für die Abschlusszellhalter 10, da bei diesen zur Breite der jeweiligen stirnseitigen Einzelzelle 3 ebenfalls lediglich die Breite des sehr dünnen mittleren Bereichs 29 von dessen Trennwand 22 hinzukommt, da auch hier sich der der Temperierplatte zugewandte Randbereich 28, welcher einen größeren Querschnitt aufweist, entweder an einem Bereich der stirnseitigen Einzelzelle 3 mit geringerem Querschnitt anliegt, wie in 5 dargestellt, oder die jeweilige stirnseitige Einzelzelle 3 in Richtung der Temperierplatte 16 überragt, wie in den 8 und 9 anhand des Zwischenzellhalters 9 dargestellt, wobei sich bei dem Abschlusszellhalter 10 der vergrößerte Querschnitt des der Temperierplatte 16 zugewandten Randbereichs 28 der Trennwand 22 lediglich in Richtung der einen am Abschlusszellhalter 10 anliegenden Einzelzelle 3 erstreckt, nämlich in Richtung der jeweiligen stirnseitigen Einzelzelle 3 des Zellblocks 1.
Die beschriebene Ausbildung der Trennwände 22 der Zellhalter 9, 10 ist somit für den Zellblock 1 bauraumneutral, d. h. gegenüber einer aus dem Stand der Technik bekannten Ausbildung der Zellhalter nicht mit einer größeren Länge des Zellblocks 1 verbunden. Vorzugsweise weist der Zellblock 1 im Gegenteil eine geringere Länge auf als Zellblöcke mit aus dem Stand der Technik bekannten Zellhaltern, da die Dicke der Trennwände 22 in deren jeweiligem mittleren Bereich 29 auf ein zur elektrischen Isolation erforderliches Minimum reduzierbar ist, denn die Dicke der jeweiligen Trennwand 22 in deren mittlerem Bereich 29 ist bei der beschriebenen Ausbildung der Zellhalter 9, 10 für die Einstellung der vorgegebenen Kriechstrecke am der Temperierplatte 16 zugewandten unteren Außenrand 27 der Einzelzellen 3 nicht verantwortlich, sondern dies ist, wie oben beschrieben, die Aufgabe des der Temperierplatte 16 zugewandten Randbereichs 28 der jeweiligen Trennwand 22, welcher aufgedickt ist, d. h. den vergrößerten Querschnitt aufweist. Die Länge des Zellblocks 1 wird jedoch nicht durch diesen aufgedickten der Temperierplatte 16 zugewandten Randbereich 28, sondern durch den mittleren Bereich 29 der Trennwand 22 beeinflusst, wie oben beschrieben. Daraus resultiert eine Reduzierung der Länge des Zellblocks 1 durch eine mittels der beschriebenen Ausbildung der Zellhalter 9, 10 ermöglichte Reduzierung der Dicke der Trennwände 22 in deren mittlerem Bereich 29.
Zudem ist durch diesen vergrößerten Querschnitt der Trennwand 22 im der Temperierplatte zugewandten Randbereich 28 auch der geöffnete untere Rand der Zwischenzellhalter 9 und vorzugsweise auch der Abschlusszellhalter 10 in Richtung der Temperierplatte 16 weiterhin sichergestellt, da sich diese der Temperierplatte 16 zugewandten Randbereiche 28 benachbarter Zellhalter 9, 10 im Zellblock 1 nicht berühren. Dadurch ist der untere Außenrand 27 des Zellgehäuses 4 der Einzelzellen 3 nicht oder zumindest nicht wesentlich, sondern nur gering von den jeweiligen anliegenden Zellhaltern 9, 10 bedeckt. Auf diese Weise ist die thermische Kopplung der Einzelzellen 3 über ihren unteren Außenrand 27 mit der Temperierplatte 16 sichergestellt.
Des Weiteren ist durch den vergrößerten Querschnitt der Trennwand 22 des jeweiligen Zwischenzellhalters 9 und bevorzugt auch der Abschlusszellhalter 10 sichergestellt, dass die jeweils benachbarten Einzelzellen 3, d. h. deren metallische Zellgehäuse 4, ausreichend voneinander beabstandet sind, um die erforderliche Luft- und Kriechstrecke einzuhalten und die jeweils benachbarten Einzelzellen 3 auf diese Weise elektrisch voneinander zu isolieren. D. h. diese Luft- und Kriechstrecke zwischen den benachbarten Einzelzellen 3 ist mittels der beschriebenen Lösung unabhängig von der Trennwanddicke im mittleren Bereich 29 eingestellt, durch die Aufdickung des der Temperierplatte 16 zugewandten Randbereichs 28 der jeweiligen Trennwand 22.
Diese Aufdickung der Trennwand 22 im der Temperierplatte zugewandten Randbereich 28, d. h. die dort ausgebildete Querschnittsvergrößerung, erhöht zudem eine mechanische Festigkeit und Stabilität des jeweiligen Zwischenzellhalters 9 sowie des jeweiligen Abschlusszellhalters 10. Zudem erleichtert diese Ausbildung der Zwischenzellhalter 9 und bevorzugt auch der Abschlusszellhalter 10, welche zweckmäßigerweise aus Kunststoff und vorzugsweise in einem Spritzgussverfahren herstellbar sind, einen solchen Spritzgussvorgang, da auf diese Weise ein größerer Fließquerschnitt für das Spritzgussmaterial in einer Spritzgussform ermöglicht ist. Des Weiteren ist durch den der Temperierplatte 16 zugewandten verbreiterten und beispielsweise abgerundeten Randbereich 28 der Trennwand 22 vermieden, dass sich die jeweilige Trennwand 22 in die zwischen der Temperierplatte 16 und den Einzelzellen 3 angeordnete Wärmeleitfolie eingräbt oder eindrückt und diese dadurch beschädigt oder vollständig durchtrennt. Zudem verhindern die Randbereiche 28 der Trennwände 22 mit dem jeweils vergrößerten Querschnitt während einer Montage des Zellblocks 1, dass bereits im Zellblock 1 angeordnete Einzelzellen 3 vor dem Anordnen der Temperierplatte 16 wieder aus dem Zellblock 1 herausfallen. Durch diese Ausbildung der Zwischenzellhalter 9 und der Abschlusszellhalter 10 ist somit eine erleichterte Positionierung der Einzelzellen 3 im Zellblock 1 sowohl während der Montage als auch nach der Montage des Zellblocks 1 ermöglicht.
Bei den Zwischenzellhaltern 9 ist der vergrößerte Querschnitt des Randbereichs 28 der Trennwand 22 vorzugsweise symmetrisch in Richtung beider angrenzender Einzelzellen 3 ausgebildet, wie in den 5 bis 9 gezeigt. Auf diese Weise ist die oben beschriebene Wirkung des jeweiligen Zwischenzellhalters 9 gleichmäßig auf beide Einzelzellen 3 erreicht. Alternativ ist es auch möglich, dass der vergrößerte Querschnitt jeweils nur in Richtung einer der angrenzenden Einzelzellen 3 ausgebildet ist. In diesem Fall sind im Zellblock 1 die vergrößerten Querschnitte der Randbereiche 28 der Zwischenzellhalter 9 zweckmäßigerweise in dieselbe Richtung ausgerichtet, so dass die oben beschriebene Wirkung des vergrößerten Querschnitts des Randbereichs 28 der jeweiligen Trennwand 22 jeweils auf die in Richtung des vergrößerten Querschnitts nächste Einzelzelle 3 wirkt. Bei den Abschlusszellhaltern 10 ist der vergrößerte Querschnitt des Randbereichs 28 der Trennwand 22, wie oben bereits erwähnt, zweckmäßigerweise in Richtung der jeweils angrenzenden Einzelzelle 3 ausgerichtet, d. h. in Richtung der jeweiligen angrenzenden stirnseitigen Einzelzelle 3 des Zellblocks 1.
Ein Querschnittsverlauf im der Temperierplatte 16 zugewandten Randbereich 28 der jeweiligen Trennwand 22 ist bei den Zwischenzellhaltern 9 beispielsweise tulpenförmig ausgebildet, wie in den 5 bis 7 dargestellt, d. h. mit einem relativ großen Krümmungsradius, oder T-förmig, wie in den 8 und 9 dargestellt, d. h. mit einem kleineren Krümmungsradius als bei der tulpenförmigen Ausformung. Es sind auch weitere Formen möglich, beispielsweise tropfenförmig. Beispielsweise weist der tulpenförmige Übergang einen Krümmungsradius von größer als einem Millimeter auf, während der T-förmige Übergang einen Krümmungsradius von kleiner als einem Millimeter aufweist.
Der Querschnittsverlauf im der Temperierplatte 16 zugewandten Randbereich 28 der jeweiligen Trennwand 22 ist zweckmäßigerweise an eine Gehäuseform der Zellgehäuse 4 der Einzelzellen 3 angepasst. Bei einem tulpenförmigen Verlauf, d. h. bei einem Krümmungsradius der Trennwand 22 in deren Randbereich 28 von größer als einem Millimeter, liegt der Randbereich 28 der Trennwand 22 mit dem vergrößerten Querschnitt beispielsweise seitlich an den Einzelzellen 3 an, wie in den 5 bis 7 gezeigt, während er bei einem T-förmigen Verlauf, d. h. bei einem Krümmungsradius der Trennwand 22 in deren Randbereich 28 von kleiner als einem Millimeter, über den unteren Außenrand 27 der Zellgehäuse 4 der jeweils benachbarten Einzelzellen 3 in Richtung der Temperierplatte 16 übersteht, wie in den 8 und 9 gezeigt.
Bei einem solchen überstehenden Randbereich 28 der Trennwand 22 ist es sinnvoll, als thermisch leitfähiges und elektrisch isolierendes Material 21 eine gut verformbare Wärmeleitfolie oder eine Vergussmasse zu verwenden, um eine ausreichende thermische Kopplung des unteren Außenrandes 27 der Einzelzellen 3 an die Temperierplatte 16 sicherzustellen, denn die Wärmeleitfolie oder die Vergussmasse muss den größeren Spalt zwischen der Temperierplatte 16 und dem unteren Außenrand 27 der Einzelzellen 3 überbrücken und zu den Randbereich 28 der jeweiligen Trennwand 22 umschließen, d. h. dieser Randbereich 28 der jeweiligen Trennwand 22 muss in das thermisch leitfähige und elektrisch isolierende Material 21 eindringen und das thermisch leitfähige und elektrisch isolierende Material 21 muss in Längsrichtung des Zellblocks 1 den Spalt zwischen der Temperierplatte 16 und dem unteren Außenrand 27 der jeweiligen Einzelzelle 3 vollständig ausfüllen. Bei einem Einsatz einer Wärmeleitfolie muss diese sich entsprechend verformen und ausbreiten, um sowohl an der Temperierplatte 16 als auch an den unteren Außenrändern 27 der Einzelzellen 3 anzuliegen. Der tulpenförmige Querschnittsverlauf des Randbereichs 28 der Trennwand 22, d. h. der Querschnittsverlauf mit einem Krümmungsradius von größer als einem Millimeter, ist beispielsweise bei Einzelzellen 3 geeignet, deren Zellgehäuse 4 durch einen Tiefziehprozess oder einen Kaltfließpressprozess hergestellt wurden. Dadurch weisen die Zellgehäuse 4 randseitig beispielsweise ebenfalls einen Krümmungsradius von größer als einem Millimeter auf. Unter dem oben beschriebenen Krümmungsradius ist dabei stets der Krümmungsradius einer der jeweiligen Einzelzelle 3 zugewandten Anlageoberfläche der Trennwand 22 zu verstehen. Die Trennwand 22 der Zwischenzellhalter 9 weist daher zwei solcher Anlageoberflächen auf, auf jeder Flachseite des Zwischenzellhalters 9 eine solche Anlageoberfläche, während die Trennwand 22 der Abschlusszellhalter 10 lediglich eine solche Anlageoberfläche aufweist, auf der Flachseite des jeweiligen Abschlusszellhalters 10, welche der jeweiligen stirnseitigen Einzelzelle 3 des Zellblocks 1 zugewandt ist.
Die Abschlusszellhalter 10 weisen zweckmäßigerweise jeweils nur eine Hälfte einer solchen Form des Querschnittsverlaufs des Randbereichs 28 der Trennwand 22 auf, d. h. sie sind beispielsweise nicht T-förmig, sondern L-förmig ausgebildet, wobei der untere Schenkel der L-Form der jeweils anliegenden stirnseitigen Einzelzelle 3 zugewandt ist.
Vorzugsweise ist ein maximaler Querschnitt des der Temperierplatte 16 zugewandten Randbereichs 28 der jeweiligen Trennwand 22 an einem der Temperierplatte 16 zugewandten äußersten Rand der Trennwand 22 ausgebildet, wie in den 5 bis 9, insbesondere in den 5 bis 7, dargestellt. Auf diese Weise ist am der Temperierplatte 16 zugewandten unbedeckten unteren Außenrand 27 des Zellgehäuses 4 der Einzelzellen 3 ein ausreichend großer Abstand zwischen den jeweils benachbarten Einzelzellen 3 sichergestellt, um Kurzschlüsse und Kriechströme zwischen den Einzelzellen 3 über diese unbedeckten unteren Außenränder 27 zu vermeiden.
Bevorzugt ist im der Temperierplatte 16 zugewandten Randbereich 28 der jeweiligen Trennwand 22 ein fließender, d. h. ein kontinuierlicher, Übergang zwischen dem geringeren Querschnitt des mittleren Bereichs 29 der jeweiligen Trennwand 22 und dem maximalen Querschnitt am der Temperierplatte 16 zugewandten äußersten Rand des Randbereichs 28 der Trennwand 22 ausgebildet, wie in den 5 bis 9 gezeigt. Dies erlaubt eine an eine Form des Zellgehäuses 4 der angrenzenden Einzelzellen 3 angepasste Ausbildung, so dass die Einzelzellen 3 an der Trennwand 22 anliegen und durch diese gestützt und gehalten sind.
Zweckmäßigerweise ist dieser Übergang, d. h. der Querschnittsverlauf im Randbereich 28 der Trennwand 22, wie bereits beschrieben, als eine Krümmung mit einem vorgegebenen Krümmungsradius ausgebildet. Dieser Krümmungsradius korrespondiert zweckmäßigerweise mit einem Krümmungsradius des an der Trennwand 22 anliegenden Bereichs des Zellgehäuses 4 der jeweiligen Einzelzelle 3, so dass die Abstützung und Halterung der jeweiligen Einzelzelle 3 im Zellblock sichergestellt ist. Der Krümmungsradius ist, wie bereits erwähnt, bei der in den 5 bis 7 dargestellten Ausführungsform beispielsweise größer als ein Millimeter und bei der in den 8 und 9 dargestellten Ausführungsform kleiner als ein Millimeter.
In einer vorteilhaften Ausführungsform ist der der Temperierplatte 16 zugewandte Randbereich 28 der jeweiligen Trennwand 22 elastisch ausgebildet, beispielsweise aus einem elastischen Kunststoff, zum Beispiel aus einem Elastomer. Dadurch kann zunächst eine Montage und ein Verspannen oder Vorspannen der Zellhalter 9, 10 erfolgen und danach sind lediglich die Einzelzellen 3 zwischen jeweils zwei Zwischenzellhalter 9 sowie die stirnseitigen Einzelzellen 3 zwischen einen Zwischenzellhalter 9 und einen Abschlusszellhalter 10 einzuschieben. Während des Einschiebens der jeweiligen Einzelzelle 3 verschiebt und/oder verformt sich der elastische Randbereich 28, welcher beispielsweise lippenartig ausgebildet ist, so dass das Einschieben der jeweiligen Einzelzelle 3 ermöglicht ist. Nach dem Einschieben nimmt der elastische Randbereich 28 wieder zumindest im Wesentlichen seine ursprüngliche Form und Position an, wodurch die Einzelzelle 3 im Zellblock 1 gehalten ist und ein Herausgleiten vermieden ist. Zudem ist dadurch ein vollflächiges Anlegen des Randbereichs 28 an die jeweilige Einzelzelle 3 ermöglicht, wodurch die Einzelzellen 3 durch den Randbereich 28 der jeweiligen Zellhalter 9, 10 sicher und unbeweglich gehalten sind. Nachdem alle Einzelzellen 3 auf diese Weise im Zellblock 1 angeordnet sind, erfolgt zweckmäßigerweise ein abschließendes Verspannen des Zellblocks 1.
In einer hier nicht dargestellten Ausführungsform des Zellblocks 1 sind die auf die oben beschriebene Weise ausgebildeten Zwischenzellhalter 9 und Abschlusszellhalter 10 nicht als einzelne Elemente ausgebildet, sondern zu einem Gestell kraftschlüssig, formschlüssig und/oder stoffschlüssig miteinander verbunden. Dieses Gestell kann beispielsweise auch einteilig ausgebildet sein, beispielsweise als ein Gesamtteil aus Kunststoff in einem Spritzgussverfahren.
Auf diese Weise ist zum Beispiel das Verspannen des Zellblocks 1 mittels der Spannelemente 11 und der Druckbrillen 14 nicht mehr erforderlich. Bei dieser Ausführungsform ist die oben beschriebene elastische Ausbildung des der Temperierplatte 16 zugewandten Randbereichs 28 der jeweiligen Trennwand 22, beispielsweise aus einem elastischen Kunststoff, zum Beispiel aus einem Elastomer, besonders vorteilhaft, um dadurch die Einzelzellen 3 in das Gestell der Zellhalter 9, 10 einschieben zu können, wobei sich der jeweilige elastische Randbereich 28, welcher beispielsweise lippenartig ausgebildet ist, verschiebt und/oder verformt und dadurch das Einfügen der jeweiligen Einzelzelle 3 ermöglicht, und nach dem Einschieben wieder zumindest im Wesentlichen seine ursprüngliche Form und Position annimmt, so dass die Einzelzellen 3 in ihrer vorgegebenen Position im Zellblock 1 sicher gehalten sind und ein Herausgleiten vermieden ist. Anschließend ist lediglich noch die Temperierplatte 16 an diesem Gestell zu befestigen und die Einzelzellen 3 sind miteinander seriell und/oder parallel elektrisch zu verschalten, wonach der Zellblock 1 vollständig ausgebildet ist. Das aufwändige Zusammensetzen des Zellblocks 1 aus einzelnen Zellhaltern 9, 10 und Einzelzellen 3, d. h. das aufwändige abwechselnde Anordnen der Einzelzellen 3 und der Zwischenzellhalter 9 sowie das stirnseitige Anordnen der Abschlusszellhalter 10 und insbesondere deren Verspannen mittels der Druckbrillen 14 und der Spannelemente 11 entfällt auf diese Weise, wodurch ein Herstellungsaufwand und eine Herstellungszeit zur Herstellung des Zellblocks 1 reduziert sind.
10 zeigt eine Batterie 2, welche eine Mehrzahl, in diesem Beispiel zwei, dieser Zellblöcke 1 mit den auf die beschriebene Weise ausgebildeten Trennwänden 22 aufweist. Die Zellblöcke 1 sind elektrisch seriell und/oder parallel miteinander verschaltet und in einem gemeinsamen Batteriegehäuse 30 angeordnet. Die Batterie 2 ist beispielsweise eine Fahrzeugbatterie, insbesondere eine Traktionsbatterie für ein Elektrofahrzeug, für ein Fahrzeug mit Hybridantrieb oder für ein Brennstoffzellenfahrzeug. Eine derartige Traktionsbatterie dient als Energiespeicher für elektrische Energie zum Antrieb des Fahrzeugs.
Durch die beschriebene Ausbildung der Trennwände 22 ist die elektrische Isolation der Einzelzellen 3 gegeneinander sichergestellt, wobei die Länge der Zellblöcke 1 gegenüber dem Stand der Technik unverändert oder vorteilhafterweise verkürzt ist. Dadurch ist eine ordnungsgemäße Funktion der Batterie 2 sichergestellt und vorteilhafterweise ist die Batterie 2 aufgrund der geringeren Länge der Zellblöcke 1 kleiner auszubilden. Dies ist bei einer Fahrzeugbatterie, insbesondere bei einer Traktionsbatterie, von großer Bedeutung, denn in derartigen Fahrzeugen steht nur ein eng begrenzter Bauraum für die Traktionsbatterie zur Verfügung. Durch die beschriebene Lösung ist ein problemloser Einbau der Batterie 2 in diesem eng begrenzten Bauraum sichergestellt.
Bezugszeichenliste

1: Zellblock
2: Batterie
3: Einzelzelle
4: Zellgehäuse
5: Zellpol
6: Zellverbinderplatine
7: Zellverbinder
8: Kontakt
9: Zwischenzellhalter
10: Abschlusszellhalter
11: Spannelement
12: Durchführungsöffnung
13: Metalleinsatz
14: Druckbrille
15: Schraubelement
16: Temperierplatte
17: Anschluss
18: Befestigungselement
19: Schraubloch
20: Bohrung
21: Material
22: Trennwand
23: Seitenrand
24: oberer Rand
25: Polaussparung
26: zentrale Aussparung
27: unterer Außenrand
28: Randbereich
29: mittlerer Bereich
30: Batteriegehäuse

Claims

Zellblock (1) für eine Batterie (2), mit einer Mehrzahl seriell und/oder parallel elektrisch miteinander verschalteter elektrochemischer Einzelzellen (3), welche als Flachzellen ausgebildet sind, im Zellblock (1) im Wesentlichen parallel zueinander ausgerichtet und hintereinander angeordnet sind und mittels zumindest eines Spannelementes (11) miteinander verspannt sind, wobei zwischen jeweils zwei benachbarten Einzelzellen (3) jeweils ein Zwischenzellhalter (9) aus einem elektrisch isolierenden Material angeordnet ist, welcher eine Trennwand (22) aufweist, die zwischen den jeweiligen zwei benachbarten Einzelzellen (3) verläuft und wobei an zumindest einer Längsseite des Zellblocks (1) eine Temperierplatte (16) angeordnet ist, mit welcher die Einzelzellen (3) thermisch gekoppelt sind, dadurch gekennzeichnet, dass ein Querschnitt der Trennwände (22) der Zwischenzellhalter (9) in einem der Temperierplatte (16) zugewandten Randbereich (28) im Vergleich zu einem Querschnitt in einem mittleren Bereich (29) der jeweiligen Trennwand (22) vergrößert ausgebildet ist.
Zellblock (1) nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der vergrößerte Querschnitt des der Temperierplatte (16) zugewandten Randbereichs (28) symmetrisch in Richtung beider angrenzender Einzelzellen (3) ausgebildet ist.
Zellblock (1) nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass ein Querschnittsverlauf im der Temperierplatte (16) zugewandten Randbereich (28) der jeweiligen Trennwand (22) tulpenförmig, T-förmig oder tropfenförmig ausgebildet ist.
Zellblock (1) nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass ein maximaler Querschnitt des der Temperierplatte (16) zugewandten Randbereichs (28) der jeweiligen Trennwand (22) an einem der Temperierplatte (16) zugewandten äußersten Rand der Trennwand (22) ausgebildet ist.
Zellblock (1) nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass im der Temperierplatte (16) zugewandten Randbereich (28) ein fließender Übergang zwischen dem geringeren Querschnitt des mittleren Bereichs (29) der jeweiligen Trennwand (22) und dem maximalen Querschnitt am der Temperierplatte (16) zugewandten äußersten Rand der Trennwand (22) ausgebildet ist.
Zellblock (1) nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass der Übergang als eine Krümmung mit einem vorgegebenen Krümmungsradius ausgebildet ist.
Zellblock (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass ein Verlauf einer jeweiligen Anlageoberfläche der jeweiligen Trennwand (22) im der Temperierplatte (16) zugewandten Randbereich (28) korrespondierend zu einem an der jeweiligen Anlageoberfläche anliegenden Zellgehäusebereich der jeweiligen Einzelzelle (3) ausgebildet ist.
Zellblock (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der der Temperierplatte (16) zugewandte Randbereich (28) der jeweiligen Trennwand (22) elastisch ausgebildet ist.
Zellblock (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, umfassend zumindest einen Abschlusszellhalter (10) aus einem elektrisch isolierenden Material an einem stirnseitigen Ende des Zellblocks (1), wobei der Abschlusszellhalter (10) eine Trennwand (22) aufweist, welche eine angrenzende Einzelzelle (3) bedeckt, wobei ein Querschnitt der Trennwand (22) in einem der Temperierplatte (16) zugewandten Randbereich (28) im Vergleich zu einem Querschnitt in einem mittleren Bereich (29) der jeweiligen Trennwand (22) vergrößert ausgebildet ist, wobei sich diese Querschnittsvergrößerung in Richtung der angrenzenden Einzelzelle (3) erstreckt.
Batterie (2) mit zumindest einem Zellblock (1) nach einem der Ansprüche 1 bis 9.