DE102013203094A1

DE102013203094A1 - Batteriezelle mit einem prismatischen Gehäuse, Batteriemodul sowie Kraftfahrzeug

Info

Publication number: DE102013203094A1
Application number: DE102013203094.0A
Authority: DE
Inventors: Matthias Straub
Original assignee: Robert Bosch GmbH; Samsung SDI Co Ltd
Current assignee: Robert Bosch GmbH; Samsung SDI Co Ltd
Priority date: 2013-02-26
Filing date: 2013-02-26
Publication date: 2014-09-11

Abstract

Es wird eine Batteriezelle, vorzugsweise eine Lithium-Ionen-Batteriezelle mit einem prismatischen Gehäuse (11) bereitgestellt, bei der eine Seite (17) von zwei gegenüberliegenden Seiten (17, 18) des Gehäuses (11) ganz oder teilweise auf Kathodenpotential und die zweite Seite (18) der zwei gegenüberliegenden Seiten (17, 18) des Gehäuses (11) ganz oder teilweise auf Anodenpotential liegen. Vorteilhafterweise können daher bei der Verschaltung von Batteriezellen (10) in Serie üblicherweise benötigte Zellverbinder entfallen. Es werden zudem ein Batteriemodul und ein Kraftfahrzeug mit einem elektrischen Antriebsmotor und einem Batteriesystem offenbart.

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft eine Batteriezelle, vorzugsweise eine Lithium-Ionen-Batteriezelle mit einem prismatischen Gehäuse, ein Batteriemodul sowie ein Kraftfahrzeug.
Stand der Technik
Für Hybrid-Elektro-(HEV) und Elektro-Fahrzeuge (EV) werden vorzugsweise Lithium-lonen-Batteriesysteme als Traktionsbatterien wegen ihrer relativ hohen spezifischen Energiedichte, geringen Selbstentladung und Nichtvorhandenseins eines Memory Effekts verwendet.
Zur Erzielung der zum Betrieb des Antriebsmotors geforderten Leistungs- und Energiedaten wird eine Vielzahl einzelner Batteriezellen, deren Spannung jeweils nur um ca. 4 V beträgt, in Serie oder auch parallel geschaltet, so dass sich eine Gesamtspannung eines Batteriepacks von über 450 V ergeben kann.
Der Aufbau der Batteriezellen zu einer Batterie geschieht üblicherweise nach einer hierarchischen Struktur, bei der zunächst Batteriezellen zu einem Modul zusammengesetzt werden und zwei oder mehr Module eine Untereinheit (Subunit) ausbilden. Zwei oder mehr Subunits bilden dann wiederum die Batterie (Batteriepack) aus, wobei auch zwei oder mehr Module die Batterie (Batteriepack) bilden können.
Die Verschaltung der Zellen mit Zellverbindern ist aufwendig. Zudem müssen die Zellverbinder mechanisch robust, korrosionsbeständig, gut leitend und elastisch sein, da sich die Zellen beim Laden und Entladen mechanisch ausdehnen bzw. zusammenziehen. Üblicherweise werden Zell-, Modul- und Subunit-Kontaktverbindungen durch Schrauben oder durch Schweißen hergestellt. Auch Verbindungen mittels Durchsetzfügen oder Schnellkupplungselemente sind bekannt.
Um die Verwendung von Zellverbindern zu vermeiden, sind aus der DE 10 2009 011 524 A1 Batterien bekannt, bei denen an den Schmalseiten von prismatischen Zellen Stromableiter derart angeordnet sind, dass diese bereits durch das Stapeln der Zellen miteinander in Serie geschaltet sind. Bei einer in der US 2011/0008670 A1 offenbarten Batterie sind mehrere Zellwickel in einem Gehäuse angeordnet, wobei zwischen den Zellwickeln Separatoren befindlich sind, die in Teilbereichen elektrisch leitend sind. Über diese Teilbereiche werden die Zellwickel miteinander verschaltet. Das gemeinsame Gehäuse der Zellwickel besitzt zwei Pole.
Offenbarung der Erfindung
Erfindungsgemäß wird eine Batteriezelle, vorzugsweise eine Lithium-Ionen-Batteriezelle zur Verfügung gestellt, welche ein prismatisches Gehäuse aufweist, bei dem eine von zwei gegenüberliegenden Seiten des Gehäuses ganz oder teilweise auf Kathodenpotential und die zweite der zwei gegenüberliegenden Seiten des Gehäuses ganz oder teilweise auf Anodenpotential liegen.
Vorteilhafterweise ist es mit der erfindungsgemäß ausgestalteten Batteriezelle möglich, Zellverbinder bei der Verschaltung von Batteriezellen in Serie zu vermeiden, so dass durch Reduzierung der Passivmaterialien die Energiedichte der Zelle erhöht wird.
Die Verschaltung der Batteriezellen bei einem Batteriezellenstapel erfolgt einfach durch Aneinanderreihen der Batteriezellen.
Zudem verringert sich der Montageaufwand durch die erfindungsgemäßen Batteriezellen, so dass, wie auch durch die Reduzierung der Bauteile, eine Kostenreduktion erzielt werden kann.
Die beiden gegenüberliegenden Seiten des Gehäuses mit unterschiedlichem Potential werden durch einen Isolator, beispielsweise in Form eines Kunststoffteils oder in anderer geeigneter Weise elektrisch voneinander getrennt.
Vorzugsweise werden als gegenüberliegende Seiten mit unterschiedlichem Potential die Flächen mit der größten Fläche ausgewählt, um einen möglichst raumsparenden Zellstapel zu erhalten.
Je nach Ausführung der Isolierung der entsprechenden Seiten voneinander können auch Teile der Schmalseiten des Gehäuses auf Anoden- oder Kathodenpotential liegen.
Die einander gegenüberliegenden Seiten auf Anoden- bzw. Kathodenpotential können, wie bereits ausgeführt, ganz oder teilweise auf dem entsprechenden Potential liegen. Dies kann für die beiden Seiten auch unterschiedlich sein, so dass eine Seite vollständig und die andere Seite nur teilweise auf dem entsprechenden Potential liegen.
Bevorzugt ist die Ausgestaltung des Gehäuses, bei der die Seiten vollständig auf dem entsprechenden Potential liegen, da der konstruktive Aufwand hierbei relativ gering ist. So kann das Gehäuse beispielsweise aus zwei „Halbschalen“ bestehen, die mittels eines Bauteils, das als Isolator dient, zusammengesetzt werden kann. Oder beide „Halbschalen“ werden mittels eines isolierenden Klebstoffs oder dergleichen zusammengefügt.
Vorzugsweise kann beim Aneinanderreihen der Batteriezellen ein Mittel zur Optimierung der Kontaktierung wie ein Kontaktpad oder eine Kontaktpaste zwischen den Zellen angeordnet werden, um eine optimale Kontaktierung zu erhalten.
Zur Ausbildung eines ebenfalls beanspruchten Batteriemoduls in Form von zumindest zwei Batteriezellen werden die Batteriezellen üblicherweise miteinander verspannt, um ein Ausdehnen den Batteriezellen zu verhindern. Dabei werden erfindungsgemäß Anpressplatten, die an beiden Enden des Zellstapels angeordnet sind, verwendet, die aus einem elektrisch leitenden Material bestehen.
An einer Schmalseite der Anpressplatten des Batteriemoduls ragt vorzugsweise ein Terminal heraus, an dem über das elektrisch leitende Material der einen Seite Anoden- oder Kathodenpotential anliegt. Mittels dieser Terminals können übliche Modulverbinder angeschlossen werden.
Vorzugsweise ist die von der Batteriezelle abgewandte Seite der Anpressplatte zudem mit einem Isolator versehen, so dass die Batteriemodule mit üblichen Spannbändern ohne die Gefahr eines Kurzschlusses verspannt werden können.
Die Schmalseiten der Batteriezellen können aus dem gleichen Grund ebenfalls mit einer Schicht aus einem Isolator versehen sein.
Da eine derartige Anpressplatte an beiden Enden des Batteriemoduls angeordnet ist, können über die beiden Terminals die erfindungsgemäßen Batteriemodule zu größeren Einheiten verschaltet werden.
Vorteilhafterweise können durch die Verwendung der erfindungsgemäßen Batteriezellen defekte Zellen einzeln ausgetauscht werden, so dass gegenüber Aufbauten mit nicht lösbaren Verbindern deutlich Kosten gespart werden, da bei diesen stets das ganze Modul getauscht werden muss.
Gegenstand der vorliegenden Erfindung ist zudem ein Kraftfahrzeug mit einem elektrischen Antriebsmotor zum Antreiben des Kraftfahrzeugs und eine mit dem elektrischen Antriebsmotor verbundene oder verbindbare Batterie, die erfindungsgemäße Batteriezellen oder Module aufweist.
Die bisherigen Ausführungen betreffen die Batteriezellen und Batteriemodule gleichermaßen.
Die üblicherweise bei einer Batteriezelle vorgesehenen Bauteile, die zur Beschreibung der Erfindung nicht relevant sind, sind nicht explizit genannt.
Vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung sind in den Unteransprüchen angegeben und in der Beschreibung beschrieben.
Zeichnungen
Ausführungsbeispiele der Erfindung werden anhand der Zeichnungen und der nachfolgenden Beschreibung näher erläutert. Es zeigen:
1 in einer perspektivischen Ansicht eine Batteriezelle nach dem Stand der Technik,
2 in einer perspektivischen Ansicht eine erfindungsgemäße Batteriezelle,
3 in einer perspektivischen Ansicht eine erfindungsgemäße Batteriezelle mit einer Anpressplatte, und
4 in einer Seitenansicht ein Batteriezellenstapel aus erfindungsgemäßen Batteriezellen.
Ausführungsformen der Erfindung
In 1 ist eine übliche Batteriezelle 10 nach dem Stand der Technik dargestellt. Die Batteriezelle 10 verfügt über ein prismatisches Gehäuse 11, auf dem ein positives Terminal 12 und ein negatives Terminal 13 angeordnet sind.
Bei der erfindungsgemäßen Batteriezelle 10, die in 2 gezeigt wird, besteht, das Gehäuse 11 aus zwei Hälften 14, 15, die durch einen Isolator 16 elektrisch nicht leitend miteinander verbunden sind. Die beiden gegenüberliegenden Seiten 17, 18 mit der größten Fläche des Gehäuses 11 liegen dabei auf Anoden- bzw. Kathodenpotential, so dass keine separat ausgebildeten Terminals wie bei einer üblichen Batteriezelle 10 vorgesehen sind.
In 3 ist die Batteriezelle 10 aus 2 in Relation zu einer Anpressplatte 19 zur Ausbildung eines Batteriemoduls, das jedoch hier nicht näher dargestellt ist, gezeigt. Die Anpressplatte 19 ist aus einem elektrisch leitfähigen Material ausgebildet und weist an einer Schmalseite ein Terminal 20 auf, das nach Aneinanderfügen von Anpressplatte 19 und Batteriezelle 10 das Potential der benachbarten Seite 17 des Gehäuses 11 aufweist und zum Festlegen eines nicht dargestellten Modulverbinders dient. Auf der der Batteriezelle 10 abgewandten Seite 21 der Anpressplatte 19 ist eine Schicht aus einem Isolator 22 vorgesehen, um beim Verspannen eines Batteriemoduls einen Kurzschluss zu vermeiden.
Ein Batteriezellenstapel 23 aus mehreren Batteriezellen 10 ist in 4 gezeigt, wobei zwischen den Batteriezellen 10 jeweils ein Mittel zur Kontaktierung 24 angeordnet ist. Die Bezugszeichen und deren Bedeutung entsprechen ansonsten denen in den 2 bis 4.
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
Diese Liste der vom Anmelder aufgeführten Dokumente wurde automatisiert erzeugt und ist ausschließlich zur besseren Information des Lesers aufgenommen. Die Liste ist nicht Bestandteil der deutschen Patent- bzw. Gebrauchsmusteranmeldung. Das DPMA übernimmt keinerlei Haftung für etwaige Fehler oder Auslassungen.
Zitierte Patentliteratur

DE 102009011524 A1 [0006]
US 2011/0008670 A1 [0006]

Claims

Batteriezelle mit einem prismatischen Gehäuse (11), dadurch gekennzeichnet, dass eine Seite (17) von zwei gegenüberliegenden Seiten (17, 18) des Gehäuses (11) ganz oder teilweise auf Kathodenpotential und die zweite Seite (18) der zwei gegenüberliegenden Seiten (17, 18) des Gehäuses (11) ganz oder teilweise auf Anodenpotential liegen.
Batteriezelle nach Anspruch 1, wobei die beiden gegenüberliegenden Seiten des Gehäuses (17, 18) mit unterschiedlichem Potential durch einen Isolator (16) getrennt sind.
Batteriezelle nach Anspruch 1 oder 2, wobei die Batteriezelle (10) eine Lithium-Ionen-Batteriezelle ist.
Batteriemodul Batteriezellen (10) nach einem der Ansprüche 1 bis 3 aufweisend, die einen Batteriezellenstapel (23) ausbilden.
Batteriemodul nach Anspruch 4, wobei an beiden Enden des Batteriezellenstapels (23) eine elektrisch leitfähige Anpressplatte (19) angeordnet ist.
Batteriemodul nach Anspruch 5, wobei an einer Schmalseite der beiden Anpressplatten (19) ein abragendes Terminal (20) angeordnet ist.
Batteriemodul nach Anspruch 5 oder 6, wobei zwischen den Batteriezellen (10) und gegebenenfalls zwischen Batteriezellen (10) und Anpressplatten (19) ein Mittel (24) zur Optimierung der Kontaktierung angeordnet ist.
Batteriemodul nach einem der Ansprüche 4 bis 7, wobei die von den Batteriezellen (10) wegweisende Seite (21) der Anpressplatten (19) und gegebenenfalls auf den Schmalseiten der Batteriezellen (10) ein Isolator (16) befindlich ist.
Kraftfahrzeug mit einem elektrischen Antriebsmotor zum Antreiben des Kraftfahrzeugs und einem mit dem elektrischen Antriebsmotor verbundenen oder verbindbaren Batteriesystem, das Batteriezellen (10) nach einem der Ansprüche 1 bis 3 oder Batteriemodule nach einem der Ansprüche 4 bis 8 aufweist.