DE102013018397A1 - Batterie mit einer Vielzahl von Batterieeinzelzellen - Google Patents

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Abstract

Die Erfindung betrifft eine Batterie, umfassend einen Stapel (1) aus einer Vielzahl von aufeinander geschichteten oder nebeneinander gestellten Batterieeinzelzellen (2), die elektrisch in Reihe oder parallel zueinander geschaltet sind, indem jede Batterieeinzelzelle (2) wenigstens zwei Zellpole (3, 4) aufweist und die Zellpole (3, 4) verschiedener Batterieeinzelzellen (2) elektrisch miteinander kontaktiert sind, wobei jede Batterieeinzelzelle (2) einen Elektrodenstapel (5) mit Kathoden und Anoden aufweist und ein erster Zellpol (3) der Batterieeinzelzelle (2) elektrisch mit den Kathoden und ein zweiter Zellpol (4) der Batterieeinzelzelle (2) elektrisch mit den Anoden verbunden ist. Die erfindungsgemäße Batterie ist dadurch gekennzeichnet, dass in der Verbindung zwischen wenigstens einem der beiden Zellpole (3, 4) und dem Elektrodenstapel (5) ein Schaltelement (8) mit wenigstens zwei Schaltstellungen vorgesehen ist, das in einer ersten Schaltstellung den Zellpol (3, 4) elektrisch mit dem Elektrodenstapel (5) verbindet und in einer zweiten Schaltstellung die elektrische Verbindung mit dem Elektrodenstapel (5) unterbricht und die Zellpole (3, 4) der Batterieeinzelzelle (2) kurzschließt.

Description

  • Die vorliegende Erfindung betrifft eine Batterie, umfassend einen Stapel aus einer Vielzahl von aufeinander geschichteten oder nebeneinander gestellten Batterieeinzelzellen nach der im Oberbegriff von Anspruch 1 näher definierten Art.
  • Batterien der gattungsgemäßen Art werden beispielsweise als Hochvoltbatterie (HV-Batterie) für alternative Antriebe in Kraftfahrzeugen verwendet. In der Regel sind die elektrisch in Reihe und/oder parallel geschalteten Batterieeinzelzellen in einem gemeinsamen Gehäuse untergebracht, das insbesondere auch die Batterieelektronik und/oder Kühlung aufnimmt oder trägt. Meist sind die Batterieeinzelzellen in sogenannten Zellblöcken zusammengefasst, die jeweils eine gewisse Anzahl von Batterieeinzelzellen inklusive deren mechanischer Fixierung, Kontaktierung und Einrichtung zur Kühlung/Heizung enthalten. Die Batterieeinzelzellen werden in der Regel in Haltern aufgenommen, die in Rahmen- oder Schalenform ausgeführt sind und die Batterieeinzelzellen im Wesentlichen durch Kraftschluss fixieren, wenn der Stapel aus Batterieeinzelzellen über Spannelemente, z. B. Zuganker, Gewindestangen, Schrauben, Spannbänder etc. und Druckbrillen verpresst wird. Die elektrische Reihen- und/oder Parallelschaltung der Batterieeinzelzellen, auch als HV-Kontaktierung bezeichnet, kann gemäß einer gattungsgemäßen Ausführungsform dadurch erfolgen, dass die Zellpole, auch Ableiter genannt, verschiedener Batterieeinzelzellen unmittelbar gegeneinander positioniert und elektrisch miteinander kontaktiert werden. Das bedeutet, dass der Zellpol einer ersten Batterieeinzelzelle berührend an dem Zellpol einer zweiten Batterieeinzelzelle anliegt. Eine alternative gattungsgemäße Ausführungsform sieht hingegen vor, dass zwischen den elektrisch zu kontaktierenden Zellpolen verschiedener Batterieeinzelzellen ein elektrisch leitender, insbesondere metallischer Zellverbinder vorgesehen ist, über den die Kontaktierung erfolgt. Sowohl die unmittelbare Kontaktierung verschiedener Zellpole aneinander als auch die mittelbare Kontaktierung über Zellverbinder kann durch Verpressen, Verschrauben, Verschweißen etc. erfolgen. Die vorliegende Erfindung betrifft all diese genannten Ausführungsformen.
  • Insbesondere bei Li-Ionen-Zellen können bei Überladung oder Kurzschluss die Temperatur und der Innendruck im Gehäuse stark ansteigen. Die in den Batterieeinzelzellen enthaltene elektrochemisch aktive Masse ist jedoch thermisch instabil. Besonders die in Li-Ionen-Zellen befindlichen Metalloxide (Mangan-, Nickel- und Cobaltoxid, ...) zersetzen sich oberhalb einer Grenztemperatur, z. B. von 150°C, irreversibel in einer exothermen Reaktion. Dadurch erwärmt sich die Batterieeinzelzelle noch weiter und der Druck in ihrem Inneren steigt weiter an. Um das unkontrollierte Bersten der Zellgehäuse zu vermeiden, sind diese in der Regel mit Berstscheiben oder Ähnlichem ausgestattet, die ein definiertes Ablassen des Überdrucks, auch als Venting bezeichnet, ermöglichen. Das dabei aus den Zellen austretende Gas ist sehr heiß, häufig mit Temperaturen von mehr als 600°C, enthält leitfähige Bestandteile (Elektrolyt, Leitsalze, Alu- oder Kupferpartikel, ...) und kann damit Brände sowie weitere Kurzschlüsse im Inneren der Batterie hervorrufen, sodass ein Öffnen der Batterieeinzelzellen möglichst verhindert werden muss.
  • Eine Möglichkeit hierfür ist das Vorsehen von Sicherungen, welche die Stromzufuhr zu einer Batterieeinzelzelle bei Überschreiten eines bestimmten Stromes oder eines bestimmten Druckes unterbrechen, wodurch die oben genannten Folgen verhindert werden können. Nachteilig ist jedoch, dass mit der Unterbrechung der Stromzufuhr zu einer Batterieeinzelzelle alle in Reihe geschalteten Zellen abgeschaltet werden und damit in der Regel die gesamte Batterie außer Betrieb gesetzt wird, sodass beispielsweise ein Kraftfahrzeug mit elektromotorischem durch die Batterie gespeisten Antrieb fahruntüchtig wird.
  • Zur Lösung des genannten Problems können in einer elektrischen Verbindung zwischen verschiedenen Batterieeinzelzellen extern angesteuerte Schalter vorgesehen sein, welche gezielt einzelne Batterieeinzelzellen oder Batterieeinzelzellenblöcke aus dem Stromfluss herausschalten können, ohne die elektrische Kontaktierung der gesamten Batterie zu unterbrechen. Solche Lösungen sind jedoch aufwändig und verkomplizieren den Aufbau und die Montage entsprechender Batterien.
  • Der vorliegenden Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Batterie mit einer Vielzahl von elektrisch in Reihe und/oder parallel geschalteten Batterieeinzelzellen der eingangs dargestellten Bauart derart zu verbessern, dass ein Herausnehmen einzelner Batterieeinzelzellen aus dem Stromfluss bei gleichzeitiger Aufrechterhaltung der Funktionsfähigkeit der Gesamtbatterie möglich ist, ohne dass der Aufbau und die Montage der Batterie wesentlich verkompliziert wird.
  • Die erfindungsgemäße Aufgabe wird durch eine Batterie mit den Merkmalen von Anspruch 1 gelöst. In den abhängigen Ansprüchen sind vorteilhafte und besonders zweckmäßige Ausgestaltungen der Erfindung angegeben.
  • Eine erfindungsgemäße Batterie umfasst einen Stapel aus einer Vielzahl von aufeinander geschichteten oder nebeneinander gestellten Batterieeinzelzellen, die elektrisch in Reihe oder parallel zueinander geschaltet sind, indem jede Batterieeinzelzelle wenigstens zwei Zellpole aufweist und die Zellpole verschiedener Batterieeinzelzellen elektrisch miteinander kontaktiert sind. In der Regel werden zumindest einige der Batterieeinzelzellen elektrisch in Reihe geschaltet sein. In einer besonderen Ausführungsform sind alle Batterieeinzelzellen der gesamten Batterie elektrisch in Reihe geschaltet.
  • Jede Batterieeinzelzelle weist einen Elektrodenstapel mit Kathoden und Anoden auf. In der Regel sind die verschiedenen schichtförmigen Kathoden und Anoden unter Zwischenschaltung von ebenfalls schichtförmigen Separatoren aufeinander gestapelt, wobei die Separatoren ein Elektrolyt aufweisen, insbesondere vor dem Verschließen der Batterieeinzelzelle mit einem solchen getränkt werden.
  • Jede der Batterieeinzelzellen weist einen ersten Zellpol auf, der elektrisch mit den Kathoden verbunden ist, sowie einen zweiten Zellpol, der elektrisch mit den Anoden verbunden ist. Der erste Zellpol ist somit ein Pluspol der Batterieeinzelzelle und der zweite Zellpol ist ein Minuspol der Batterieeinzelzelle. In der Regel sind alle Kathoden der Batterieeinzelzelle gemeinsam an dem ersten Zellpol angeschlossen und alle Anoden der Batterieeinzelzelle sind gemeinsam an dem zweiten Zellpol angeschlossen.
  • Erfindungsgemäß ist nun in der Verbindung zwischen wenigstens einem der beiden Zellpole und dem Elektrodenstapel ein Schaltelement mit wenigstens zwei Schaltstellungen vorgesehen. In einer ersten Schaltstellung ist die elektrische Verbindung innerhalb des Schaltelementes zwischen dem entsprechenden Zellpol und dem Elektrodenstapel hergestellt und in einer zweiten Schaltstellung des Schaltelementes ist die elektrische Verbindung zwischen dem entsprechenden Zellpol und dem Elektrodenstapel unterbrochen und stattdessen sind die beiden Zellpole der Batterieeinzelzelle elektrisch kurzgeschlossen, indem der erste Zellpol mit dem zweiten Zellpol direkt, also unter Umgehung des Elektrodenstapels, elektrisch verbunden ist.
  • Durch die erfindungsgemäße Lösung kann sozusagen jenseits der elektrischen Anschlüsse, d. h. der Zellpole eine Batterieeinzelzelle, somit innerhalb der Batterieeinzelzelle die elektrische Verbindung zum Elektrodenstapel unterbrochen werden und gleichzeitig kann die gesamte Batterieeinzelzelle elektrisch überbrückt werden, sodass keine elektrische Unterbrechung der gesamten Batterie erfolgt. Innerhalb der Batterieeinzelzelle bedeutet dabei entweder, dass das Schaltelement tatsächlich innerhalb einer Umhüllung, auch Gehäuse genannt, der Batterieeinzelzelle positioniert ist oder, dass das Schaltelement zwar außerhalb der Umhüllung oder des Gehäuses der Batterieeinzelzelle positioniert ist, jedoch in der elektrischen Verbindung auf der dem Elektrodenstapel zugewandten Seite der Zellpole. In beiden Fällen kann das Schaltelement an der Umhüllung oder dem Gehäuse der Batterieeinzelzelle fixiert bzw. durch diese(s) getragen werden.
  • Das Schaltelement weist vorteilhaft ein eigenes Gehäuse auf, vorliegend Schaltelementgehäuse genannt, das wenigstens oder genau drei oder vier elektrische Schaltelementanschlüsse aufweist. Der Elektrodenstapel ist zumindest an einem oder an zwei der Schaltelementanschlüsse elektrisch angeschlossen. Die beiden Zellpole sind an jeweils einem weiteren der Schaltelementanschlüsse angeschlossen. Die Schaltung erfolgt innerhalb des Gehäuses, sodass in der ersten Schaltstellung beide Zellpole elektrisch leitend am Elektrodenstapel angeschlossen sind und in der zweiten Schaltstellung die elektrische Verbindung von wenigstens einem der beiden Zellpole mit dem Elektrodenstapel unterbrochen ist und stattdessen die beiden Zellpole elektrisch miteinander verbunden sind, um den gewünschten den Elektrodenstapel umgehenden Kurzschluss zu erreichen. Hierfür wird der Schaltelementanschluss, an welchem der erste Zellpol angeschlossen ist, mit dem Schaltelementanschluss, an welchem der zweite Zellpol angeschlossen ist, innerhalb des Schaltelementes bzw. innerhalb des Schaltelementgehäuses elektrisch verbunden.
  • Die Umhüllung der Batterieeinzelzellen kann starr ausgeführt sein, insbesondere bei einer sogenannten bipolaren Rahmenflachzelle, oder biegeschlaff, insbesondere bei einer sogenannten Pouch- oder Coffeebag-Zelle. Die Umhüllung einer Batterieeinzelzelle umschließt den Elektrodenstapel und die Zellpole sind durch diese nach außen geführt oder kontaktiert. Insbesondere sind genau zwei Zellpole je Batterieeinzelzelle vorgesehen.
  • Gemäß einer erfindungsgemäßen Ausführungsform ist das Schaltelement als Halbleiterschalter ausgeführt, d. h. dass keine mechanische Auftrennung der elektrischen Verbindung erfolgt, sondern der Elektronenfluss elektrisch blockiert wird. Beispielsweise kann der Halbleiterschalter Transistoren aufweisen.
  • Gemäß einer zweiten Ausführungsform der Erfindung ist das Schaltelement als mechanischer Schalter ausgeführt. Bei einem solchen mechanischen Schalter wird die zu unterbrechende elektrische Verbindung mechanisch unterbrochen bzw. aufgetrennt. In der ersten Schaltstellung ist entsprechend die direkte elektrische Verbindung zwischen den Zellpolen bzw. der Kurzschluss zwischen den beiden Zellpolen mechanisch unterbrochen und in der zweiten Schaltstellung ist die elektrische Verbindung zwischen wenigstens einem Zellpol und dem Elektrodenstapel mechanisch unterbrochen.
  • Die Ansteuerung des Schaltelementes kann insbesondere durch Sensoren erfolgen, welche kritische Parameter der Batterieeinzelzelle, wie Strom, Spannung, Temperatur und/oder Druck erfassen. Demgemäß kann ein Strom-, Spannungs-, Temperatur- und/oder Drucksensor vorgesehen sein, der zur zumindest mittelbaren Betätigung des Schaltelementes in Abhängigkeit wenigstens einer von dem Sensor erfassten Größe des Stroms, der Spannung, der Temperatur und/oder des Drucks an dem Schaltelement direkt oder unter Zwischenschaltung einer Steuervorrichtung, die innerhalb oder außerhalb der Batterieeinzelzelle positioniert ist, angeschlossen ist. Bei der Zwischenschaltung einer Steuervorrichtung kann diese eine Auswerteelektronik aufweisen, welche die Signale von einem oder mehreren Drucksensoren verarbeitet und in Abhängigkeit dieser Verarbeitung bzw. Auswertung das Schaltelement aktiv betätigt. Die Stromversorgung des wenigstens einen Sensors und insbesondere der Steuervorrichtung kann durch die Batterieeinzelzelle selbst oder über den HV-Pfad der Batterie außerhalb der Batterieeinzelzelle erfolgen, im letzteren Fall zur Aufrechterhaltung der Funktion bei einem Ausfall der Batterieeinzelzelle. Wenn die Steuervorrichtung innerhalb der Batterieeinzelzelle vorgesehen ist, kann diese vorteilhaft mit der zentralen Batterieelektronik kommunizieren. Ferner ist es möglich, anstelle einer Steuervorrichtung je Batterieeinzelzelle die Schaltelemente verschiedener Batterieeinzelzellen durch eine gemeinsame Steuervorrichtung anzusteuern. Insbesondere kann die zentrale Batterieelektronik selbst die Schaltelemente aller Batterieeinzelzellen ansteuern.
  • Eine andere erfindungsgemäße Ausführungsform sieht vor, die Auslösung der Schaltelemente passiv vorzunehmen, indem die genannten physikalischen Einflüsse direkt auf die Schaltelemente wirken. In diesem Fall ist das Schaltelement zusammen mit dem wenigstens einen Sensor als passive Schalteinheit ausgeführt. So kann z. B. der Strom der Batterieeinzelzelle über eine Schmelzdrahtsicherung fließen, die bei Überschreitung eines bestimmten Stromes auslöst und den Elektrodenstapel abtrennt, wobei die dabei entstehende Wärme gleichzeitig zur Aktivierung der Überbrückung der Zellpole verwendet wird. Alternativ arretiert der Schmelzdraht ein vorgespanntes Federelement, welches beim Durchbrennen des Schmelzdrahts einen Überbrückungsschalter betätigt.
  • Eine andere Ausführungsform sieht vor, das Schaltelement über eine Druckdose anzusteuern, die bei Überschreitung eines bestimmten Zellinnendrucks zusammengedrückt wird, wodurch das Schaltelement betätigt wird.
  • Noch eine andere Möglichkeit sieht vor, zwischen einem Zellpol und dem Elektrodenstapel einen Kaltleiter (PTC-Widerstand) anzuordnen, der bei Überschreitung einer bestimmten Temperatur die Batterieeinzelzelle bzw. den Elektrodenstapel durch Widerstandserhöhung elektrisch abtrennt, und zwischen den beiden Zellpolen einen Heißleiter (NTC-Widerstand) einzubringen, der bei dieser erhöhten Temperatur durch Widerstandsabsenkung die Zellpole elektrisch kurzschließt.
  • Noch eine weitere Ausführungsform sieht vor, dass die Temperatur der Batterieeinzelzelle durch Dehnstoff- (analog Kühlwasserthermostat mit Wachspatrone), Bimetall- oder Shape-Memory-Elemente erfasst und zur Schaltung des Schaltelementes ausgenutzt wird.
  • Neben den hier genannten Sensoren und Schaltelementen sind natürlich andere Ausführungsformen vorstellbar.
  • Das Schaltelement kann gemäß einer ersten Ausführungsform als irreversibles Schaltelement ausgeführt sein. Ein solches irreversibles Schaltelement schaltet nur ein einziges Mal aus der ersten Schaltstellung in die zweite Schaltstellung. Alternativ ist das Schaltelement als reversibles Schaltelement ausgeführt, was bedeutet, dass das Schaltelement nach der Schaltung aus der ersten Schaltstellung in die zweite Schaltstellung wieder zurück in die erste Schaltstellung geschaltet werden kann. Insbesondere erfolgt die Rückschaltung, wenn der oder die zur Schaltung in die zweite Schaltstellung führenden kritischen Parameter wieder in den zulässigen Bereich zurückgekehrt sind. Die Rückschaltung erfolgt insbesondere automatisch, kann jedoch gemäß einer alternativen Ausführungsform auch manuell oder von außerhalb der Batterie oder Batterieeinzelzelle angesteuert erfolgen.
  • Gemäß einer erfindungsgemäßen Ausführungsform sind die Zellpole verschiedener Batterieeinzelzellen direkt miteinander elektrisch kontaktiert. Dies bedeutet, dass diese Zellpole aneinander anliegen, um den elektrischen Kontakt herzustellen. Jedoch ist es auch möglich, wie eingangs dargestellt, Zellverbinder zwischen die verschiedenen Zellpole zu schalten.
  • Durch die erfindungsgemäße Lösung ist es möglich, die Batterie dauerhaft mit einer gewissen Zahl von ausgefallenen und überbrückten Batterieeinzelzellen zu betreiben, da deren Wechsel in der Regel einen hohen Aufwand bedeutet (z. B. der Ausbau der Batterie aus dem Kraftfahrzeug, das Öffnen der Batterie, das Heraustrennen der oftmals eingeschweißten Batterieeinzelzellen und ein Ersatz derselben).
  • Dadurch, dass sich das Schaltelement jeweils an der oder in der Batterieeinzelzelle befindet, wird die Anzahl der Bauteile reduziert und die Montage vereinfacht sich. Insbesondere bei einem innerhalb der Batterieeinzelzelle angeordneten Schaltelement erhöht sich die mechanische Robustheit, da dessen empfindliche Komponenten durch die Umhüllung der Batterieeinzelzelle zusätzlich geschützt werden. Ist das Schaltelement außerhalb angeordnet, so wird dieses vorzugsweise durch ein eigenes stabiles Gehäuse geschützt, das z. B. am Zelldeckel der Batterieeinzelzelle fixiert ist.
  • Die Erfindung soll nachfolgend anhand von Ausführungsbeispielen und den Figuren exemplarisch beschrieben werden.
  • Es zeigen:
  • 1 ein erstes Ausführungsbeispiel der Erfindung mit als bipolare Rahmenflachzellen ausgebildeten Batterieeinzelzellen;
  • 2 ein zweites Ausführungsbeispiel der Erfindung mit als prismatische Hardcase-Zellen oder Pouch-Zellen ausgeführten Batterieeinzelzellen;
  • 3 eine Batterieeinzelzelle gemäß der Ausführungsform der 1 in der ersten Schaltstellung des Schaltelementes;
  • 4 die Batterieeinzelzelle aus der 3 in der zweiten Schaltstellung des Schaltelementes;
  • 5 eine Batterieeinzelzelle gemäß dem Ausführungsbeispiel der 2 in der ersten Schaltstellung des Schaltelementes;
  • 6 die Batterieeinzelzelle aus der 5 in der zweiten Schaltstellung des Schaltelementes;
  • 7 eine Batterieeinzelzelle im Aufbau entsprechend jenen der 2, 5 und 6, jedoch mit Schaltelement innerhalb der Umhüllung der Batterieeinzelzelle in der ersten Schaltstellung des Schaltelementes;
  • 8 die Batterieeinzelzelle aus der 7 in der zweiten Schaltstellung des Schaltelementes.
  • Bei der Ausführungsform gemäß der 1 weist die Batterie einen Stapel 1 aus einer Vielzahl von Batterieeinzelzellen 2 auf, die dadurch elektrisch in Reihe geschaltet sind, dass die Zellpole 3, 4 verschiedener Batterieeinzelzellen 2 aneinander anliegen und dadurch elektrisch kontaktiert sind.
  • Die Batterieeinzelzellen 2 sind als bipolare Rahmenflachzellen ausgeführt. Bei dieser Bauart wird der Elektrodenstapel 5 jeder Batterieeinzelzelle 2 von zwei metallischen Gehäusehälften bzw. Schalen umhüllt, die durch einen elektrisch isolierenden Rahmen 6 voneinander getrennt sind. Die Gehäusehälften bzw. Schalen werden vorliegend als Umhüllung 7 der Batterieeinzelzellen 2 bezeichnet. In der Regel sind die Umhüllungen bei der gezeigten Ausführungsform in der 1 eigenstabil.
  • Die beiden Teile (Schalen) der Umhüllung 7 stellen zugleich die Zellpole 3, 4 dar, wobei der erste Zellpol 3 elektrisch mit den Kathoden des Elektrodenstapels 5 verbunden ist und der zweite Zellpol 4 elektrisch mit den Anoden des Elektrodenstapels 5 verbunden ist.
  • Innerhalb der Umhüllung 7 der Batterieeinzelzellen 2 ist jeweils ein Schaltelement 8 vorgesehen, das in der elektrischen Verbindung des ersten Zellpols 3 mit dem Elektrodenstapel 5 positioniert ist, sodass diese Verbindung beim Schalten des Schaltelementes 8 aus einer ersten Schaltstellung in seine zweite Schaltstellung unterbrochen wird. Die erste Schaltstellung ist in der 1 und in der 3 dargestellt. Die zweite Schaltstellung ist in der 4 dargestellt. Die Verbindung des zweiten Zellpols 4 mit dem Elektrodenstapel 5 bleibt in dem gezeigten Ausführungsbeispiel auch in der zweiten Schaltstellung des Schaltelementes 8 aufrechterhalten, siehe die Verbindung 9 der Kathodenfähnchen mit der Kathodenschale (Umhüllung 7).
  • Im gezeigten Ausführungsbeispiel ist das Schaltelement 8 mit einem beweglichen Bauteil 10 in der Verbindung 11 zwischen dem ersten Zellpol 3 und dem Elektrodenstapel 5 dargestellt. In der ersten Schaltstellung verbindet dieses bewegliche Bauteil 10 den ersten Zellpol 3 mit dem Elektrodenstapel 5, wohingegen es in der zweiten Schaltstellung den ersten Zellpol 3 mit dem zweiten Zellpol 4 kurzschließt. Es können jedoch auch andere Schaltelemente 8 zum Einsatz gelangen.
  • Die Verlustwärme der Batterieeinzelzelle 2 wird vorteilhaft über entsprechend aufgedickte Hüllbleche bzw. die Schalen an eine Schmalseite der Batterieeinzelzellen 2 geleitet und eine hier nicht näher dargestellte Kühlplatte abgegeben, die vom Klimakühlmittel des Kraftfahrzeugs oder einer anderen Kühlflüssigkeit durchströmt wird. Zur elektrischen Isolation der Umhüllung 7 und der meist metallischen Kühlplatte ist häufig dort zwischen eine elektrisch isolierende Wärmeleitfolie angeordnet. Zur Verbesserung des Wärmeübergangs können die Ränder der Hüllbleche bzw. Schalen im Bereich der Kühlplatte parallel zu dieser um 90° abgekantet sein. Zum Verschluss der Batterieeinzelzelle 2 wird insbesondere geklebt oder aus Prozesszeit- und Festigkeitsgründen vorzugsweise ein Heißpressverfahren (”Siegelung”) eingesetzt. Dafür sind der Rahmen 6 oder Teile desselben mindestens im Bereich der Siegelnaht aus thermoplastischem Material ausgeführt, das nach dem Abkühlen unter Druck eine stoffschlüssige Verbindung mit den beiden metallischen Gehäusehälften (Umhüllung 7) eingeht. Die elektrische Reihenschaltung von mehreren bipolaren Rahmenflachzellen in Doppelschalenbauweise erfolgt vorteilhaft durch Verpressung oder Verschweißung der hinter dem Siegelflansch um jeweils 90° abgekanteten Schalenränder, welche die Zellpole 3, 4 darstellen, die sich im Stapel 1 aus Batterieeinzelzellen 2 jeweils überlappen (Verbindung ohne zusätzliche Zellverbinder, was jedoch nicht zwingend notwendig ist).
  • Aus dem Elektrodenstapel 5 können unbeschichtete Anoden- und Kathoden-Lagen wie Fähnchen herausragen, wobei die Anoden-Lagen miteinander verbunden sind und die Kathoden-Lagen miteinander verbunden sind, insbesondere geheftet, und die verbundenen Bereiche mit der Innenseite der Gehäusehälften der Umhüllung 7 z. B. durch Schweißung verbunden werden können, um die Stromeinleitung und Stromausleitung zu ermöglichen.
  • In dem in den 1, 3 und 4 dargestellten Ausführungsbeispiel wird jener Raum innerhalb der Umhüllung 7, in dem sich kein Elektrodenstapel 5 befindet, vom Schaltelement 8 eingenommen, zumindest teilweise oder zumindest im Wesentlichen vollständig.
  • Bei dem Ausführungsbeispiel gemäß den 2, 5 und 6 sind die Schaltelemente 8 außerhalb der Batterieeinzelzellen 2 positioniert. Die Batterieeinzelzellen 2 sind als Pouch-Zelle oder prismatische Hardcase-Zelle ausgeführt. Pouch-Zellen sind in der Regel flach und rechteckig gebaut, wobei der Elektrodenstapel 5 von einer folienartigen Verpackung, in der Regel einer Verbundfolie mit dünner Alu-Folie in der Mitte als Diffusionssperre, umgeben ist, durch die die elektrischen Ableiter, meist in Blechform, zu den Zellpolen 3, 4 geführt sind. Die folienartige Verpackung wird ebenfalls als Umhüllung 7 bezeichnet. Der Verschluss der Batterieeinzelzelle 2 kann beispielsweise nach dem Einfüllen eines Elektrolyten unter Vakuum dadurch erfolgen, dass die Folie, die vorteilhaft an der Innenseite mit einem Thermoplast beschichtet ist, am Rand umlaufend heißgesiegelt bzw. heißgeklebt wird.
  • Prismatische Hardcase-Zellen besitzen als Umhüllung 7 ein metallisches Gehäuse, durch welches die elektrischen Ableiter zu den beiden Zellpolen 3, 4 elektrisch isoliert hindurchgeführt sind.
  • Bei der in der 2 gezeigten Ausführungsform sind die Zellpole 3, 4 verschiedener Batterieeinzelzellen 2 durch Zellverbinder 12 elektrisch miteinander kontaktiert. Alternativ hierzu sind gemäß dem in den 7 und 8 dargestellten Ausführungsbeispiel mit einem ähnlichen Aufbau der Batterieeinzelzellen 2, wobei jedoch hier abweichend die Schaltelemente 8 innerhalb der Umhüllung 7 angeordnet sind, wiederum seitlich derart abgewinkelte Zellpole 3, 4 denkbar, dass eine direkte Kontaktierung ohne Zwischenschaltung eines Zellverbinders möglich ist. Auch bei dem Ausführungsbeispiel gemäß der 7 und 8 sind die Batterieeinzelzellen 2 als Pouch-Zellen oder prismatische Hardcase-Zellen ausgeführt, im letzteren Fall mit einer elektrischen Isolierung 13 zwischen der metallischen Umhüllung 7 und den Zellpolen 3, 4.
  • Wenn die Zellpole 3, 4 ausschließlich über das Schaltelement 8 an dem Elektrodenstapel 5 angeschlossen sind, wie beispielsweise beim Ausführungsbeispiel gemäß der 2 oder gemäß den 7 und 8 dargestellt ist, so ist es günstig, wenn das Schaltelement 8 ein Schaltelementgehäuse 14 aufweist, an dem vier elektrische Schaltelementanschlüsse vorgesehen sind, um den ersten Zellpol 3 an einem ersten Schaltelementanschluss, den zweiten Zellpol 4 an einem zweiten Schaltelementanschluss, die Kathoden des Elektrodenstapels 5 an einem dritten Schaltelementanschluss und die Anoden des Elektrodenstapels 5 an einem vierten Schaltelementanschluss anzuschließen. Wenn, wie bei dem Ausführungsbeispiel gemäß der 1 der Elektrodenstapel 5 direkt mit einem der beiden Zellpole 3, 4 verbunden ist, weist das Schaltelementgehäuse 14 vorteilhaft nur drei Schaltelementanschlüsse auf, wobei der zweite Schaltelementanschluss zur Verbindung mit dem Elektrodenstapel 5 (in der 2 der vierte Schaltelementanschluss) eingespart werden kann.

Claims (10)

  1. Batterie, umfassend einen Stapel (1) aus einer Vielzahl von aufeinander geschichteten oder nebeneinander gestellten Batterieeinzelzellen (2), die elektrisch in Reihe oder parallel zueinander geschaltet sind, indem jede Batterieeinzelzelle (2) wenigstens zwei Zellpole (3, 4) aufweist und die Zellpole (3, 4) verschiedener Batterieeinzelzellen (2) elektrisch miteinander kontaktiert sind, wobei jede Batterieeinzelzelle (2) einen Elektrodenstapel (5) mit Kathoden und Anoden aufweist und ein erster Zellpol (3) der Batterieeinzelzelle (2) elektrisch mit den Kathoden und ein zweiter Zellpol (4) der Batterieeinzelzelle (2) elektrisch mit den Anoden verbunden ist; dadurch gekennzeichnet, dass in der Verbindung zwischen wenigstens einem der beiden Zellpole (3, 4) und dem Elektrodenstapel (5) ein Schaltelement (8) mit wenigstens zwei Schaltstellungen vorgesehen ist, das in einer ersten Schaltstellung den Zellpol (3, 4) elektrisch mit dem Elektrodenstapel (5) verbindet und in einer zweiten Schaltstellung die elektrische Verbindung mit dem Elektrodenstapel (5) unterbricht und die Zellpole (3, 4) der Batterieeinzelzelle (2) kurzschließt.
  2. Batterie gemäß Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das Schaltelement (8) ein Schaltelementgehäuse (14) mit wenigstens oder genau drei oder vier elektrischen Schaltelementanschlüssen aufweist, wobei der Elektrodenstapel (5) zumindest an einem oder an zwei Schaltelementanschlüssen angeschlossen ist und jeweils ein Zellpol (3, 4) an weiteren Schaltelementanschlüssen angeschlossen ist.
  3. Batterie gemäß einem der Ansprüche 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass jede Batterieeinzelzelle (2) eine starre oder biegeschlaffe Umhüllung (7) aufweist, welche den Elektrodenstapel (5) umschließt und durch welche die Zellpole (3, 4) nach außen geführt sind oder durch welche die außenliegenden Zellpole (3, 4) elektrisch kontaktiert sind, dadurch gekennzeichnet, dass das Schaltelement (8) oder das Schaltelementgehäuse (14) innerhalb der Umhüllung (7) positioniert ist und/oder an der Umhüllung (7) fixiert ist.
  4. Batterie gemäß einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass das Schaltelement (8) als Halbleiterschalter ausgeführt ist.
  5. Batterie gemäß einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass das Schaltelement (8) als mechanischer Schalter mit einer mechanischen Unterbrechung der elektrischen Verbindung zwischen den Zellpolen (3, 4) und zwischen dem Zellpol (3, 4) und dem Elektrodenstapel (5) ausgeführt ist.
  6. Batterie gemäß einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass ein Strom-, Spannungs-, Temperatur- und/oder Drucksensor vorgesehen ist, der zur zumindest mittelbaren Betätigung des Schaltelementes (8) in Abhängigkeit wenigstens einer von dem Sensor erfassten Größe des Stromes, der Spannung, der Temperatur und/oder des Druckes an dem Schaltelement (8) direkt oder unter Zwischenschaltung einer Steuervorrichtung, die innerhalb oder außerhalb der Batterieeinzelzelle (2) positioniert ist, angeschlossen ist.
  7. Batterie gemäß Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass das Schaltelement (8) zusammen mit dem Sensor eine passive Schalteinheit ausbildet.
  8. Batterie gemäß einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass das Schaltelement (8) als irreversibles Schaltelement (8) ausgeführt ist.
  9. Batterie gemäß einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass das Schaltelement (8) als reversibles Schaltelement (8) ausgeführt ist.
  10. Batterie gemäß einem der Ansprüche 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet, dass die Zellpole (3, 4) verschiedener Batterieeinzelzellen (2) direkt miteinander, aneinander anliegend elektrisch kontaktiert sind.
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