DE102013015758A1

DE102013015758A1 - Batterie und Zellblock für eine Batterie

Info

Publication number: DE102013015758A1
Application number: DE201310015758
Authority: DE
Inventors: Norbert Bachmann; Jens Meintschel; Dirk Schröter; Knut Welke; Denis Thate
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 (26), mit einer Mehrzahl seriell und/oder parallel elektrisch miteinander verschalteter elektrochemischer Einzelzellen (3) und zumindest einer Temperierplatte (14), mit welcher die Einzelzellen (3) thermisch gekoppelt sind, wobei zwischen der zumindest einen Temperierplatte (14) und den Einzelzellen (3) und/oder thermischen Koppelelementen eine Wärmeleitfolie (17) angeordnet ist. Erfindungsgemäß ist im Zellblock (1) und angrenzend an einen vorgegebenen Anordnungsbereich (B) für die Wärmeleitfolie (17) zumindest ein Hohlraum (21) zur Aufnahme überschüssigen Materials (22) der Wärmeleitfolie (17) ausgebildet, welcher in Richtung dieses vorgegebenen Anordnungsbereichs (B) für die Wärmeleitfolie (17) geöffnet ist.

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. Die Einzelzellen werden in Haltern aufgenommen, die in Rahmen- oder Schalenform ausgeführt sind und die Einzelzellen im Wesentlichen durch Kraftschluss fixieren, wenn der Stapel der Einzelzellen über Spannelemente und Druckbrillen verpresst wird.
Die Temperierplatten werden direkt von einem Fluid durchflossen oder sind mit Kälte- oder Wärmequellen bestückt. Sie sind an einer Längsseite des Zellblocks angeordnet und direkt oder indirekt mit den Einzelzellen thermisch gekoppelt. Zum Ausgleich von Toleranzen und zur elektrischen Isolation ist zwischen der Temperierplatte und dem zu temperierenden Bauteil, welches in der Regel elektrisch spannungs- bzw. potentialführend ist, eine Wärmeleitfolie angeordnet.
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 und zumindest eine Temperierplatte, mit welcher die Einzelzellen thermisch gekoppelt sind, wobei zwischen der zumindest einen Temperierplatte und den Einzelzellen und/oder thermischen Koppelelementen eine Wärmeleitfolie angeordnet ist.
Erfindungsgemäß ist im Zellblock zumindest ein Hohlraum zur Aufnahme überschüssigen Materials der Wärmeleitfolie ausgebildet, welcher an einen vorgegebenen Anordnungsbereich für die Wärmeleitfolie angrenzt und in Richtung dieses vorgegebenen Anordnungsbereichs geöffnet ist.
Die Wärmeleitfolie besteht zweckmäßigerweise aus einem weichen, elastischen und begrenzt fließfähigen Kunststoff-Grundmaterial, das mit gut thermisch leitfähigen Partikeln gefüllt ist. Ein durch die Wärmeleitfolie zu füllender Spalt zur Temperierplatte ist unvermeidlichen Toleranzen unterworfen, die sich aus den Toleranzen der jeweiligen Einzelzelle und/oder des zumindest einen zu kühlenden thermischen Koppelelementes, welches beispielsweise als Zellverbinder, Kühlstab oder Kühlblech ausgebildet ist, sowie aus Toleranzen der Temperierplatte und aus Montagetoleranzen sowie beispielsweise aus Toleranzen eines Zellhalters zum Halten der Einzelzelle im Zellblock zusammensetzen. Unabhängig von der Toleranzlage des Spaltes wird eine vollflächige thermische Anbindung des zu temperierenden Bauteils an die Temperierplatte angestrebt. Daher ist eine Dicke der Wärmeleitfolie derart vorgegeben, dass diese auch den maximal möglichen Spalt überbrücken kann. Dadurch besteht bei geringeren Spaltabmessungen ein Materialüberschuss.
Bei aus dem Stand der Technik bekannten Zellblöcken ist der Spalt beispielsweise seitlich geöffnet, so dass überschüssiges Material der Wärmeleitfolie seitlich aus dem Zellblock in eine äußere Umgebung des Zellblocks entweichen kann. Dieses überschüssige Material wird seitlich herausgedrückt, steht somit undefiniert seitlich am Zellblock heraus und muss aufwändig manuell entfernt werden. Durch solche seitlichen Öffnungen am Zellblock kann über die Lebensdauer des Zellblocks weiteres Wärmeleitfolienmaterial herauskriechen, woraus ein Verlust des thermischen Kontaktes zwischen der Temperierplatte und den von dieser zu temperierenden Teilen des Zellblocks resultiert. Des Weiteren können Partikel und/oder Fremdkörper von außen in den Spalt eindringen, woraus eine Gefahr von elektrischen Kurzschlüssen resultiert.
In einer alternativen Ausbildung aus dem Stand der Technik bekannter Zellblöcke ist der Spalt nach außen verschlossen. Dadurch kann das überschüssige Material der Wärmeleitfolie nicht entweichen, so dass ein vorgegebener Sollabstand oder zumindest Sollabstandsbereich zwischen der Temperierplatte und der jeweiligen Einzelzelle und/oder dem jeweiligen zumindest einen thermischen Koppelelement nicht einstellbar ist. Dadurch weist der Zellblock eine größere Höhe und/oder Breite auf und durch eine undefinierte, nicht auf vorgegebene Weise positionierte Temperierplatte ist der Zellblock mechanisch geschwächt, da eine Stützwirkung der Temperierplatte nicht vollständig nutzbar ist. Zudem ist die Temperierung der Einzelzellen durch die zu dicke Wärmeleitfolie verschlechtert.
Diese aus dem Stand der Technik bekannten Nachteile werden durch die erfindungsgemäße Lösung vermieden, denn der zumindest eine Hohlraum, welcher an den vorgegebenen Anordnungsbereich für die Wärmeleitfolie angrenzt und in Richtung dieses vorgegebenen Anordnungsbereichs für die Wärmeleitfolie geöffnet ist, so dass er mit diesem vorgegebenen Anordnungsbereich für die Wärmeleitfolie in Verbindung steht, ermöglicht bei Bedarf das Entweichen überschüssigen Materials der Wärmeleitfolie in diesen Hohlraum hinein, so dass dieses überschüssige und verdrängte Material der Wärmeleitfolie in diesem Hohlraum aufnehmbar ist. Auf diese Weise ist das undefinierte Entweichen des überschüssigen Materials der Wärmeleitfolie seitlich aus dem Zellblock in die äußere Umgebung des Zellblocks und das aufwändige manuelle Entfernen dieses aus dem Zellblock herausstehenden Materials vermieden, so dass eine Herstellung des Zellblocks vereinfacht und verkürzt ist und der Zellblock kostengünstiger zu fertigen ist. Zudem ist auf diese Weise sichergestellt, dass die Temperierplatte stets in einem vorgegebenen Sollabstand oder zumindest innerhalb eines vorgegebenen Sollabstandsbereichs zu den Einzelzellen und/oder den thermischen Koppelelementen und in einer vorgegebenen Position am Zellblock angeordnet ist. Dadurch sind die mechanische Stabilität des Zellblocks und die optimale Temperierung der Einzelzellen sichergestellt.
Zweckmäßigerweise ist der zumindest eine Hohlraum in einem angrenzenden Bauteil, insbesondere in der Temperierplatte, in zumindest einem Zellhalter, in zumindest einer Einzelzelle und/oder in zumindest einem thermischen Koppelelement ausgebildet. Dies ermöglicht eine an den jeweiligen Zellblock angepasste und optimierte Ausbildung des zumindest einen Hohlraums. Der zumindest eine Hohlraum kann beispielsweise in Form zumindest einer Tasche, zumindest einer Bohrung, zumindest einer Nut, zumindest einer Öffnung und/oder zumindest einer Vertiefung ausgebildet sein.
In einer bevorzugten Ausführungsform ist der zumindest eine Hohlraum gegenüber einer äußeren Umgebung des Zellblocks verschlossen. Dadurch ist ein zu starkes Herauskriechen des Materials der Wärmeleitfolie aus dem Zellblock über die Lebensdauer des Zellblocks und ein daraus resultierender Verlust des thermischen Kontaktes zwischen der Temperierplatte und den von dieser zu temperierenden Teilen des Zellblocks vermieden. Des Weiteren ist dadurch das Eindringen von Partikeln und/oder Fremdkörpern und die daraus resultierende Gefahr von elektrischen Kurzschlüssen vermieden. Alternativ ist der zumindest eine Hohlraum gegenüber der äußeren Umgebung des Zellblocks geöffnet, beispielsweise durch zumindest eine Durchführungsöffnung in der Temperierplatte und/oder in zumindest einem Zellhalter. Diese zumindest eine Öffnung ist dann zweckmäßigerweise durch das in den zumindest einen Hohlraum eingedrungene überschüssige Material der Wärmeleitfolie verschlossen, so dass auf diese Weise das Eindringen von Partikeln und/oder Fremdkörpern verhindert ist.
In einer zweckmäßigen Ausführungsform sind die Einzelzellen als Flachzellen ausgebildet, welche im Zellblock im Wesentlichen parallel zueinander ausgerichtet und hintereinander angeordnet sind und mittels zumindest eines Spannelementes miteinander verspannt sind, wobei zwischen jeweils zwei benachbarten Einzelzellen jeweils ein Zellhalter angeordnet ist. Bei dieser Ausbildung des Zellblocks bietet sich beispielsweise die Ausbildung des zumindest einen Hohlraums in den Zellhaltern an, welche unmittelbar an die zu temperierenden Einzelzellen angrenzen.
Vorzugsweise grenzen die Zellhalter in Längsrichtung des Zellblocks aneinander an und weisen jeweils zumindest eine Aussparung an zueinander korrespondierenden Positionen auf, so dass diese Aussparungen den zumindest einen Hohlraum ausbilden. Die Zellhalter sind beispielsweise jeweils aus Kunststoff ausgebildet, zum Beispiel in einem Kunststoffspritzgussverfahren. Dies ermöglicht die Ausbildung derartiger Aussparungen auf besonders einfache und kostengünstige Weise, da lediglich das entsprechende Ausformen einer Spritzgussform zur Herstellung der Zellhalter erforderlich ist und die Zellhalter dann mittels dieser Spritzgussform gegenüber aus dem Stand der Technik bekannten Zellhaltern ohne einen zusätzlichen Herstellungs- und Materialaufwand und ohne zusätzliche Herstellungskosten auszubilden sind.
In einer vorteilhaften Ausführungsform umfasst der Zellblock eine Mehrzahl von Hohlräumen. Dadurch ist eine Aufnahme des verdrängten überschüssigen Materials der Wärmeleitfolie in den Hohlräumen erleichtert und optimiert, denn dieses Material weist nur eine beschränkte Fließfähigkeit auf und durch die Mehrzahl von Hohlräumen ist eine geringe Fließwegstrecke oder Kriechstrecke für das Material einstellbar, so dass das Hineinfließen des verdrängten Materials in zumindest einen der Hohlräume sichergestellt ist. Um dies zu ermöglichen, sind die Hohlräume vorzugsweise über eine Längsausdehnung und/oder Querausdehnung und/oder Hochausdehnung des Zellblocks gleichmäßig verteilt ausgebildet. Bei der oben beschriebenen Ausbildung und Anordnung der Einzelzellen als Flachzellen parallel zueinander und hintereinander im Zellblock, getrennt durch Zellhalter, ist beispielsweise an beiden Seiten des jeweiligen Zellhalters jeweils eine oben beschriebene Aussparung ausgebildet, so dass sich im Zellblock in dessen Längsrichtung zu beiden Seiten der Einzelzellen jeweils ein Hohlraum ausbildet. Dadurch ist das überschüssige Material der Wärmeleitfolie seitlich in diese beiden Hohlräume zu verdrängen.
Alternativ oder zusätzlich können die Hohlräume bzw. weitere Hohlräume durch jeweils eine Nut in der Temperierplatte ausgebildet sein, welche jeweils im Wesentlichen parallel zu den Einzelzellen verlaufen, wobei jede Nut unter jeweils zumindest einer Einzelzelle und/oder unter jeweils zumindest einem Zellhalter angeordnet ist. Dies erlaubt über eine gesamte Breite des Zellblocks ein gleichmäßiges Verdrängen des überschüssigen Materials der Wärmeleitfolie in diese Nuten hinein, so dass ein Verdrängen lediglich zu den Außenseiten mit einer entsprechend längeren Kriechstrecke oder Fließwegstrecke nicht erforderlich ist, sondern eine sehr kurze Kriechstrecke oder Fließwegstrecke erreicht ist.
In einer weiteren vorteilhaften Ausführungsform sind die Hohlräume jeweils durch ein Loch in der Temperierplatte ausgebildet. Auch diese Löcher oder Durchführungsöffnungen in der Temperierplatte sind zweckmäßigerweise gleichmäßig über die Temperierplatte verteilt und vorteilhafterweise derart positioniert, dass eine möglichst geringe Kriechstrecke oder Fließwegstrecke für das überschüssige Material der Wärmeleitfolie erreicht ist, dass aber die thermische Kopplung der Temperierplatte an die Einzelzellen und/oder an die thermischen Koppelelemente erhalten bleibt.
Eine erfindungsgemäße Batterie umfasst zumindest einen solchen Zellblock. Sie kann auch eine Mehrzahl solcher Zellblöcke umfassen, welche dann zweckmäßigerweise elektrisch seriell und/oder parallel miteinander verschaltet sind. Durch die beschriebene Ausbildung des Zellblocks oder der Zellblöcke ist die Einhaltung vorgegebener Abmessungen des jeweiligen Zellblocks und dadurch der Batterie sichergestellt. Dies ist insbesondere von großer Bedeutung, wenn es sich bei der Batterie um eine Fahrzeugbatterie handelt, insbesondere eine Traktionsbatterie für ein Elektrofahrzeug, für ein Hybridfahrzeug oder für ein Brennstoffzellenfahrzeug, denn in derartigen Fahrzeugen steht nur ein eng begrenzter Bauraum für die Traktionsbatterie zur Verfügung. Durch die erfindungsgemäße Lösung ist ein problemloser Einbau der Batterie in diesen eng begrenzten Bauraum sichergestellt. Zudem ist durch die erfindungsgemäße Ausbildung die ordnungsgemäße Temperierung der Einzelzellen über die gesamte Lebensdauer der Batterie hinweg sichergestellt.
Ausführungsbeispiele der Erfindung werden im Folgenden anhand von Zeichnungen näher erläutert.
Dabei zeigen:
1 schematisch eine Teilexplosionsdarstellung eines Zellblocks nach dem Stand der Technik,
2 schematisch eine perspektivische Darstellung eines Zellblocks nach dem Stand der Technik,
3 schematisch eine Querschnittdarstellung eines Zellblocks nach dem Stand der Technik,
4 schematisch eine Längsschnittdarstellung eines Zellblocks nach dem Stand der Technik,
5 schematisch eine perspektivische Darstellung eines Zellhalters nach dem Stand der Technik,
6 schematisch eine perspektivische Darstellung eines Zellhalters,
7 schematisch eine Querschnittdarstellung einer ersten Ausführungsform eines Zellblocks,
8 schematisch eine Detailansicht von 7,
9 schematisch eine perspektivische Darstellung einer ersten Ausführungsform einer Temperierplatte,
10 schematisch eine Längsschnittdarstellung einer zweiten Ausführungsform eines Zellblocks,
11 schematisch eine Detailansicht von 10,
12 schematisch eine perspektivische Darstellung einer zweiten Ausführungsform einer Temperierplatte, und
13 schematisch eine Batterie.
Einander entsprechende Teile sind in allen Figuren mit den gleichen Bezugszeichen versehen.
Die 1 bis 4 zeigen einen aus dem Stand der Technik bekannten Zellblock 1 in verschiedenen Darstellungen. In 5 ist ein Zellhalter 2 dieses aus dem Stand der Technik bekannten Zellblocks 1 dargestellt.
Der Zellblock 1 weist eine Mehrzahl elektrochemischer Einzelzellen 3 auf, welche als Flachzellen ausgebildet sind, auch als prismatische Zellen bezeichnet, und mittels einer Zellverbinderplatine 4, welche auf Zellpolen 5 der Einzelzellen 3 angeordnet ist, seriell und/oder parallel elektrisch miteinander verschaltet sind. Hierzu sind Zellverbinder 6 der Zellverbinderplatine 4 beispielsweise mittels Überlapp-Laserschweißung mit den Zellpolen 5 verbunden. Die Zellverbinderplatine 4 weist zudem elektrische Kontakte 7 auf, über welche die Zellverbinderplatine 4 und über diese der Zellblock 1 beispielsweise mit einer Zellverbinderplatine 4 eines weiteren Zellblocks 1 und/oder mit einem Bordnetz eines hier nicht dargestellten Fahrzeugs elektrisch verbindbar ist.
Die Einzelzellen 3 weisen jeweils ein metallisches Zellgehäuse 8 auf, welches elektrisch spannungs- bzw. potentialführend ist. Sie sind im Zellblock 1 im Wesentlichen parallel zueinander ausgerichtet und hintereinander angeordnet, wobei zwischen jeweils zwei benachbarten Einzelzellen 3 und an Außenseiten stirnseitiger Einzelzellen 3 des Zellblocks 1 jeweils ein Zellhalter 2 angeordnet ist. Die Zellhalter 2, welche jeweils zwischen zwei Einzelzellen 3 angeordnet sind, sind doppelschalenförmig ausgebildet, wie in den 1, 4 und 5 gezeigt, d. h. sie weisen an beiden den Einzelzellen 3 zugewandten Seiten eine schalenartige Vertiefung auf, in welcher jeweils eine Einzelzelle 3 anzuordnen ist. Die stirnseitigen Zellhalter 2 des Zellblocks 1 weisen jeweils lediglich eine solche schalenartige Vertiefung auf, auf der der jeweiligen stirnseitigen Einzelzelle 3 des Zellblocks 1 zugewandten Seite, wie in den 1 und 4 gezeigt.
Die Einzelzellen 3 und Zellhalter 2 sind mittels Spannelementen 9, welche hier als Zuganker ausgebildet sind, miteinander verspannt. Dazu sind die Spannelemente 9 im hier dargestellten Beispiel durch entsprechende Durchführungsöffnungen 10 in den Zellhaltern 2 hindurchgeführt. Diese Durchführungsöffnungen 10 sind im hier dargestellten Beispiel in allen vier Eckbereichen der Zellhalter 2 ausgebildet und beispielsweise durch hülsenförmige Metalleinsätze 11 verstärkt.
An den Stirnseiten des Zellblocks 1 ist jeweils eine Druckbrille 12 angeordnet, welche ebenfalls Durchführungsöffnungen 10 für die Spannelemente 9 aufweist. Auf die Spannelemente 9 sind Schraubelemente 13 aufgesetzt und durch ein zunehmendes Aufschrauben der Schraubelemente 13 auf die Spannelemente 9 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 14 angeordnet, mit welcher die Einzelzellen 3 thermisch gekoppelt sind. Die Temperierplatte 14 weist zumindest einen von einem Temperiermittel durchströmbaren Temperiermittelkanal 15 auf, welcher über Anschlüsse 16 beispielsweise mit einem Temperiermittelkreislauf eines Fahrzeugs oder einer Fahrzeugklimaanlage zu koppeln ist.
Zwischen der Temperierplatte 14 und den Einzelzellen 3 ist eine Wärmeleitfolie 17 angeordnet, welche sich seitlich teilweise unter die Zellhalter 2 erstreckt, die an jeder Seite eine Halterungsausnehmung zur Halterung und Anpressung der Wärmeleitfolie 17 an die Temperierplatte 14 aufweisen. Daher entspricht eine Höhe der Halterungsausnehmung in etwa der Dicke der Wärmeleitfolie 17 und ein Abstand zwischen Seitenwänden der Halterungsausnehmungen jeweils eines Zellhalters 2 entspricht in etwa einer Breite der Wärmeleitfolie 17.
Die Temperierplatte 14 ist mittels Befestigungselementen 18, welche beispielsweise als Schrauben ausgebildet sind, am Zellblock 1 zu befestigen. Hierzu weisen die Zellhalter 2, wie in 5 gezeigt, an einer Unterseite Schraublöcher 19 zum Einschrauben der Befestigungselemente 18 auf und die Temperierplatte 14 weist randseitig Bohrungen 20 zur Durchführung der Befestigungselemente 18 auf.
Die Wärmeleitfolie 17 dient dem Ausgleich von Toleranzen und zur elektrischen Isolation der Einzelzellen 3 von der Temperierplatte 14. Ein durch die Wärmeleitfolie 17 zu füllender Spalt zwischen den Einzelzellen 3 und der Temperierplatte 14 ist unvermeidlichen Toleranzen unterworfen, die sich im hier dargestellten Beispiel insbesondere aus Höhentoleranzen der jeweiligen Einzelzelle 3 und Höhentoleranzen einer Innenhöhe der schalenartigen Vertiefung der jeweiligen Zellhalter 2 zusammensetzen. Daraus resultiert eine in 3 dargestellte toleranzabhängige Spaltbreite d zwischen einer Unterseite der jeweiligen Einzelzelle 3 und einer Oberseite der Temperierplatte 14. Unabhängig von der Toleranzlage des Spaltes wird eine vollflächige thermische Anbindung der Einzelzellen 3 an die Temperierplatte 14 angestrebt. Da eine Dicke der Wärmeleitfolie 17 deswegen so gewählt wird, dass diese auch den maximal möglichen Spalt überbrücken kann, besteht bei geringeren Spaltabmessungen ein Materialüberschuss der Wärmeleitfolie 17.
In dem in den 1 bis 5 dargestellten Beispiel aus dem Stand der Technik ist der Spalt zwischen den Einzelzellen 3 und der Temperierplatte 14 nach außen verschlossen. Dadurch kann dieser Materialüberschuss der Wärmeleitfolie 17 nicht entweichen, so dass ein vorgegebener Sollabstand zwischen der Temperierplatte 14 und der jeweiligen Einzelzelle 3 nicht einstellbar ist. Dadurch weist der Zellblock 1 eine größere Höhe und/oder Breite auf und durch eine undefinierte, nicht auf vorgegebene Weise positionierte Temperierplatte 14 ist der Zellblock 1 mechanisch geschwächt, da eine Stützwirkung der Temperierplatte 14 nicht vollständig nutzbar ist. Zudem ist die Temperierung der Einzelzellen 3 durch die zu dicke Wärmeleitfolie 17 verschlechtert.
Diese aus dem Stand der Technik bekannten Nachteile werden durch die im Folgenden beschriebene Lösung und deren Ausführungsformen vermieden. Dazu ist im Zellblock 1 zumindest ein Hohlraum 21 zur Aufnahme überschüssigen Materials 22 der Wärmeleitfolie 17 ausgebildet, welcher an einen vorgegebenen Anordnungsbereich B für die Wärmeleitfolie 17 angrenzt, in den hier dargestellten Beispielen an den Spalt zwischen den Einzelzellen 3 und der Temperierplatte 14, und in Richtung dieses vorgegebenen Anordnungsbereichs B für die Wärmeleitfolie 17 geöffnet ist. Die Wärmeleitfolie 17 ist vorzugsweise aus einem weichen, elastischen und begrenzt fließfähigen Kunststoff-Grundmaterial gebildet, in welchem gut thermisch leitfähige Partikel angeordnet sind. Der zumindest eine Hohlraum 21, welcher an den vorgegebenen Anordnungsbereich B für die Wärmeleitfolie 17 angrenzt und in Richtung dieses vorgegebenen Anordnungsbereichs B für die Wärmeleitfolie 17 geöffnet ist, so dass er mit diesem vorgegebenen Anordnungsbereichs B für die Wärmeleitfolie 17 in Verbindung steht, ermöglicht somit bei Bedarf das Entweichen überschüssigen Materials 22 der Wärmeleitfolie 17 in diesen Hohlraum 21 hinein, so dass dieses verdrängte überschüssige Material 22 der Wärmeleitfolie 17 in diesem Hohlraum 21 aufnehmbar ist, wie in den 7 und 8 sowie 10 und 11 gezeigt.
Dadurch ist sichergestellt, dass die Temperierplatte 14 stets in einem vorgegebenen Sollabstand oder zumindest Sollabstandsbereich zu den Einzelzellen 3 und in einer vorgegebenen Position am Zellblock 1 angeordnet ist. Auf diese Weise sind die mechanische Stabilität des Zellblocks 1 und die optimale Temperierung der Einzelzellen 3 sichergestellt. Zudem ist dadurch ein undefiniertes Entweichen des überschüssigen Materials 22 der Wärmeleitfolie 17 seitlich aus dem Zellblock 1 in eine äußere Umgebung des Zellblocks 1 und das aufwändige manuelle Entfernen dieses aus dem Zellblock 1 herausstehenden Materials vermieden, wie dies in anderen aus dem Stand der Technik bekannten Ausführungsformen des Zellblocks 1 der Fall ist. Somit ist eine Herstellung des Zellblocks 1 vereinfacht und verkürzt, so dass der Zellblock 1 kostengünstiger zu fertigen ist.
In den 6 bis 8 ist eine erste Möglichkeit zur Ausbildung eines solchen Hohlraums 21 dargestellt, wobei der Zellblock 1 im hier dargestellten Beispiel zwei solcher Hohlräume 21 zur Aufnahme des überschüssigen Materials 22 der Wärmeleitfolie 17 aufweist, wie in 7 gezeigt. Die Zellhalter 2 grenzen in Längsrichtung des Zellblocks 1 aneinander an und weisen an ihrer Unterseite an beiden Seiten jeweils eine Aussparung 23 an zueinander korrespondierenden Positionen auf, so dass die Aussparungen 23 jeweils einer Seite der in Längsrichtung des Zellblocks 1 hintereinander angeordneten Zellhalter 2 einen Hohlraum 21 ausbilden. Dadurch weist der Zellblock 1 zwei solcher Hohlräume 21 zur Aufnahme des überschüssigen Materials 22 der Wärmeleitfolie 17 auf, wobei an jeder Längsseite des Zellblocks 1 in einem unteren Bereich einer dieser Hohlräume 21 ausgebildet ist.
Wie in 7 und in einer Detailansicht in 8 gezeigt, kann das überschüssige Material 22 der Wärmeleitfolie 17 somit seitlich entweichen und in diese sich seitlich der Einzelzellen 3 erstreckenden Hohlräume 21, welche beispielsweise in Form von seitlichen Taschen ausgebildet sind, hineinfließen, wie in 8 mittels Pfeilen P angedeutet. Auf diese Weise ist die Temperierplatte 14 mittels der Befestigungselemente 18 derart an den Zellhaltern 2 zu befestigen, dass die Unterseite der Zellhalter 2 auf der Oberseite der Temperierplatte 14 aufliegt. Dies ermöglicht ein festes Anziehen der als Schrauben ausgebildeten Befestigungselemente 18, so dass eine stabile und feste Anordnung der Temperierplatte 14 an den Zellhaltern 2 erreicht ist. Dadurch ist mittels der Temperierplatte 14 eine erhöhte mechanische Stabilität des Zellblocks 1 erreicht und Bewegungen der Zellhalter 2 und somit der Einzelzellen 3 relativ zur Temperierplatte 14 sind unterbunden.
Diese beiden Hohlräume 21 erstrecken sich jeweils im Wesentlichen über eine gesamte Längsausdehnung des Zellblocks 1, genauer gesagt bis an die Druckbrillen 12 an den Stirnseiten des Zellblocks 1 heran. Sie sind dabei jeweils in einem unteren Bereich seitlich der Einzelzellen 3 ausgebildet, d. h. neben einem unteren Eckbereich der Einzelzellen 3. Eine Höhe der die Hohlräume 21 bildenden Aussparungen 23 in den Zellhaltern 2 ist dabei deutlich größer als der vorgegebene Sollabstand oder Sollabstandsbereich der Einzelzellen 3 zur Temperierplatte 14, welcher durch die Wärmeleitfolie 17 zu füllen ist, und somit auch deutlich größer als eine durchschnittliche Dicke der Wärmeleitfolie 17 im Bereich zwischen den Einzelzellen 3 und der Temperierplatte 14. Beispielsweise entspricht die Höhe der Aussparungen 23 einem Vielfachen, mindestens einem Zweifachen oder Dreifachen, des vorgegebenen Sollabstands oder Sollabstandsbereichs der Einzelzellen 3 zur Temperierplatte 14 und somit ebenfalls einem Vielfachen, mindestens einem Zweifachen oder Dreifachen, der durchschnittlichen Dicke der Wärmeleitfolie 17 im Bereich zwischen den Einzelzellen 3 und der Temperierplatte 14. Auf diese Weise ist durch die Aussparungen 23 in den Zellhaltern 2 an beiden Längsseiten des Zellblocks 1 jeweils ein ausreichend großer Hohlraum 21 zur Aufnahme des überschüssigen Materials 22 der Wärmeleitfolie 17 ausgebildet.
Die Zellhalter 2 sind beispielsweise jeweils aus Kunststoff ausgebildet, zum Beispiel in einem Kunststoffspritzgussverfahren. Dies ermöglicht die Ausbildung derartiger Aussparungen 23 auf besonders einfache und kostengünstige Weise, da lediglich das entsprechende Ausformen einer Spritzgussform zur Herstellung der Zellhalter 2 erforderlich ist und die Zellhalter 2 dann mittels dieser Spritzgussform gegenüber aus dem Stand der Technik bekannten Zellhaltern 2, wie sie beispielsweise in 5 dargestellt sind, ohne einen zusätzlichen Herstellungs- und Materialaufwand und ohne zusätzliche Herstellungskosten auszubilden sind.
Die beiden Hohlräume 21 sind zweckmäßigerweise gegenüber einer äußeren Umgebung des Zellblocks 1 verschlossen. Dadurch ist ein zu starkes Herauskriechen von Wärmefolienmaterial aus dem Zellblock 1 über die Lebensdauer des Zellblocks 1 und ein daraus resultierender Verlust des thermischen Kontaktes zwischen der Temperierplatte 14 und den von dieser zu temperierenden Einzelzellen 3 vermieden. Des Weiteren ist dadurch das Eindringen von Partikeln und/oder Fremdkörpern und die daraus resultierende Gefahr von elektrischen Kurzschlüssen vermieden.
In den 9 bis 11 ist eine zweite Möglichkeit zur Ausbildung solcher Hohlräume 21 zur Aufnahme des überschüssigen Materials 22 der Wärmeleitfolie 17 dargestellt. In dieser Ausführungsform sind die Hohlräume 21 durch jeweils eine Nut 24 in der Temperierplatte 14 ausgebildet. Die Nuten 24 in der Temperierplatte 14 verlaufen dabei jeweils im Wesentlichen parallel zu den Einzelzellen 3. Jede der Nuten 24 ist unter jeweils einem Zellhalter 2 angeordnet, wie in 10 gezeigt. Dies erlaubt über eine gesamte Breite des Zellblocks 1 ein gleichmäßiges Verdrängen des überschüssigen Materials 22 der Wärmeleitfolie 17 in diese Nuten 24 und die durch diese Nuten 24 gebildeten Hohlräume 21 hinein, so dass ein Verdrängen des überschüssigen Materials 22 bis zu den Außenseiten des Zellblocks 1 und damit eine relativ lange Kriechstrecke oder Fließwegstrecke nicht erforderlich ist, d. h. es ist auf diese Weise eine möglichst geringe Kriechstrecke oder Fließwegstrecke des überschüssigen Materials 22 der Wärmeleitfolie 17 bis zum jeweils nächstgelegenen Hohlraum 21 erreicht. Durch die Anordnung der Nuten 24 unter den Zellhaltern 2 ist zudem die Einhaltung des vorgegebenen Sollabstandes oder Sollabstandsbereichs der Unterseite der Einzelzellen 3 zur Temperierplatte 14 sichergestellt und zudem ist ein möglichst geringer Abstand der Unterseite der Einzelzellen 3 zur Temperierplatte 14 ermöglicht, da die Nuten 24 nicht direkt unter den Einzelzellen 3, sondern unter den Zellhaltern 2 und somit in Längsrichtung des Zellblocks 1 vor und hinter der jeweiligen Einzelzelle 3 ausgebildet sind. Auch hier ist in der Detailansicht in 11 durch Pfeile P das Entweichen des überschüssigen Materials 22 der Wärmeleitfolie 17 und dessen Hineinfließen in die durch die Nuten 24 ausgebildeten Hohlräume 21 dargestellt.
In 12 ist eine dritte Möglichkeit zur Ausbildung solcher Hohlräume 21 zur Aufnahme des überschüssigen Materials 22 der Wärmeleitfolie 17 dargestellt. In dieser Ausführungsform sind die Hohlräume 21 jeweils durch ein Loch 25 in der Temperierplatte 14 ausgebildet. Bei diesen Löchern 25 in der Temperierplatte 14 kann es sich jeweils um Durchgangslöcher handeln, welche die Temperierplatte 14 vollständig durchdringen, oder um Sacklöcher, so dass eine Unterseite der Temperierplatte 14 verschlossen ist. Auch diese Löcher 25 in der Temperierplatte 14 sind zweckmäßigerweise gleichmäßig über die Temperierplatte 14 verteilt, wie in 12 dargestellt, und vorteilhafterweise derart positioniert, dass eine möglichst geringe Kriechstrecke oder Fließwegstrecke für das überschüssige Material 22 der Wärmeleitfolie 17 erreicht ist, dass aber die thermische Kopplung der Temperierplatte 14 an die Einzelzellen 3 erhalten bleibt. Beispielsweise sind auch diese Löcher 25 unter den Zellhaltern 2 angeordnet und somit nicht direkt unter den Einzelzellen 3, sondern in Längsrichtung des Zellblocks 1 vor und hinter der jeweiligen Einzelzelle 3. Im hier dargestellten Beispiel sind die Löcher 25 in einer Mehrzahl paralleler Reihen angeordnet, wobei sich diese Reihen sowohl in Längsrichtung als auch in Querrichtung des Zellblocks 1 über die Temperierplatte 14 erstrecken. Anders ausgedrückt sind die Löcher 25 in einer Mehrzahl von Zeilen und Spalten in der Temperierplatte 14 ausgebildet.
Sowohl die in den 9 bis 11 dargestellten Nuten 24 als auch die in 12 dargestellten Löcher 25 sind in der Temperierplatte 14 derart ausgebildet, dass ein Durchfließen der Temperierplatte 14 mit dem flüssigen oder gasförmigen Temperiermittel nicht beeinträchtigt ist. D. h. sowohl die Nuten 24 als auch die Löcher 25 sind derart in der Temperierplatte 14 ausgebildet, dass der Temperiermittelkanal 15 oder die Temperiermittelkanäle 15 nicht durch die Nuten 24 bzw. Löcher 25 blockiert oder geöffnet ist/sind.
13 zeigt eine Batterie 26, welche eine Mehrzahl, in diesem Beispiel zwei, dieser Zellblöcke 1 aufweist, in welchen jeweils zumindest ein Hohlraum 21 zur Aufnahme des überschüssigen Materials 22 der Wärmeleitfolie 17 ausgebildet ist. Die Zellblöcke 1 sind elektrisch seriell und/oder parallel miteinander verschaltet und in einem gemeinsamen Batteriegehäuse 27 angeordnet. Die Batterie 26 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 Zellblöcke 1 der Batterie 26 ist die Einhaltung vorgegebener Abmessungen des jeweiligen Zellblocks 1 und dadurch der Batterie 26 sichergestellt. 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 26 in diesen eng begrenzten Bauraum sichergestellt. Zudem ist durch die beschriebene Ausbildung die ordnungsgemäße Temperierung der Einzelzellen 3 über die gesamte Lebensdauer der Batterie 26 hinweg sichergestellt.
Bezugszeichenliste

1: Zellblock
2: Zellhalter
3: Einzelzelle
4: Zellverbinderplatine
5: Zellpol
6: Zellverbinder
7: Kontakt
8: Zellgehäuse
9: Spannelement
10: Durchführungsöffnung
11: Metalleinsatz
12: Druckbrille
13: Schraubelement
14: Temperierplatte
15: Temperiermittelkanal
16: Anschluss
17: Wärmeleitfolie
18: Befestigungselement
19: Schraubloch
20: Bohrung
21: Hohlraum
22: überschüssiges Material
23: Aussparung
24: Nut
25: Loch
26: Batterie
27: Batteriegehäuse
B: Anordnungsbereich
d: Spaltbreite
P: Pfeil

Claims

Zellblock (1) für eine Batterie (26), mit einer Mehrzahl seriell und/oder parallel elektrisch miteinander verschalteter elektrochemischer Einzelzellen (3) und zumindest einer Temperierplatte (14), mit welcher die Einzelzellen (3) thermisch gekoppelt sind, wobei zwischen der zumindest einen Temperierplatte (14) und den Einzelzellen (3) und/oder thermischen Koppelelementen eine Wärmeleitfolie (17) angeordnet ist, dadurch gekennzeichnet, dass im Zellblock (1) und angrenzend an einen vorgegebenen Anordnungsbereich (B) für die Wärmeleitfolie (17) zumindest ein Hohlraum (21) zur Aufnahme überschüssigen Materials (22) der Wärmeleitfolie (17) ausgebildet ist, welcher in Richtung dieses vorgegebenen Anordnungsbereichs (B) für die Wärmeleitfolie (17) geöffnet ist.
Zellblock (1) nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der zumindest eine Hohlraum (21) zur Aufnahme des überschüssigen Materials (22) in einem angrenzenden Bauteil, insbesondere in der Temperierplatte (14), in zumindest einem Zellhalter (2), in zumindest einer Einzelzelle (3) und/oder in zumindest einem thermischen Koppelelement ausgebildet ist.
Zellblock (1) nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass der zumindest eine Hohlraum (21) zur Aufnahme des überschüssigen Materials (22) gegenüber einer äußeren Umgebung des Zellblocks (1) verschlossen ist.
Zellblock (1) nach Anspruch 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Einzelzellen (3) als Flachzellen ausgebildet sind, welche im Zellblock (1) im Wesentlichen parallel zueinander ausgerichtet und hintereinander angeordnet sind und mittels zumindest eines Spannelementes (9) miteinander verspannt sind, wobei zwischen jeweils zwei benachbarten Einzelzellen (3) jeweils ein Zellhalter (2) angeordnet ist.
Zellblock (1) nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass die Zellhalter (2) in Längsrichtung des Zellblocks (1) aneinander angrenzen und jeweils zumindest eine Aussparung (23) an zueinander korrespondierenden Positionen aufweisen, so dass diese Aussparungen (23) den zumindest einen Hohlraum (21) zur Aufnahme des überschüssigen Materials (22) ausbilden.
Zellblock (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, umfassend eine Mehrzahl von Hohlräumen (21) zur Aufnahme des überschüssigen Materials (22).
Zellblock (1) nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass die Hohlräume (21) zur Aufnahme des überschüssigen Materials (22) über eine Längsausdehnung und/oder Querausdehnung und/oder Hochausdehnung des Zellblocks (1) gleichmäßig verteilt ausgebildet sind.
Zellblock (1) nach Anspruch 6 oder 7, dadurch gekennzeichnet, dass die Hohlräume (21) zur Aufnahme des überschüssigen Materials (22) durch jeweils eine Nut (24) in der Temperierplatte (14) ausgebildet sind, welche jeweils im Wesentlichen parallel zu den Einzelzellen (3) verlaufen, wobei jede Nut (24) unter jeweils zumindest einer Einzelzelle (3) und/oder unter jeweils zumindest einem Zellhalter (2) angeordnet ist.
Zellblock (1) nach einem der Ansprüche 6 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass die Hohlräume (21) zur Aufnahme des überschüssigen Materials (22) jeweils durch ein Loch (25) in der Temperierplatte (14) ausgebildet sind.
Batterie (26) mit zumindest einem Zellblock (1) nach einem der Ansprüche 1 bis 9.