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Die vorliegende Erfindung betrifft eine Batterie mit einem Zellverbinder, vorzugsweise eine Lithium-Ionen-Batterie, sowie ein Verfahren zur Herstellung der erfindungsgemäßen Batterie.
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Ferner betrifft die Erfindung ein Kraftfahrzeug mit der erfindungsgemäßen Batterie.
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Stand der Technik
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Es ist bekannt, dass Lithium-Ionen-Batterien als Energiespeicher zum Fahrzeugantrieb geeignete Maßnahmen erfordern, um eine hohe Sicherheit auch bezüglich einer mechanischen Beanspruchung, wie beispielsweise Erschütterung, zu gewährleisten.
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Die Batterie besteht aus Modulen und die Module bestehen aus Zellen.
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Dabei sind die Zellen mittels Zellverbindern elektrisch in Serie geschaltet und bilden das Modul. Die Module sind mittels Modulverbindern zur Batterie verschaltet. Auch Modulverbinder verbinden Zellen der Batterie und sind oft mit den Zellverbindern identisch.
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Aus
DE 10 2006 015 566 A1 ist ein elastischer Polverbinder für eine Batterie bekannt. Da die einzelnen Leiterelemente des Polverbinders beweglich sind, wird eine hohe Elastizität des Polverbinders erzielt.
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Offenbarung der Erfindung
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Erfindungsgemäß wird eine Batterie zur Verfügung gestellt, die mindestens zwei Batteriezellen mit jeweils zwei Anschlussterminals sowie mindestens einen Zellverbinder umfasst. Dabei weist der Zellverbinder mindestens zwei übereinandergestapelte elektrisch leitende Folienlagen auf, wobei der Zellverbinder mit jeweils einem der Anschlussterminals der Batteriezellen in jeweils einer Fügestelle verbunden ist und zwischen den Fügestellen eine Entlastungswelle aufweist. Es erstreckt sich die jeweils eine Fügestelle von der obersten, dem jeweiligen Anschlussterminal abgewandten Seite des Stapels von Folienlagen, über die verschiedenen Folienlagen hindurch bis in das jeweilige Anschlussterminal. Dabei ist die jeweils eine Fügestelle derart ausgebildet, dass diese sowohl die einzelnen Folienlagen des Zellverbinders untereinander als auch den Zellverbinder selbst mit dem jeweiligen Anschlussterminal verbindet.
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Vorteilhafterweise weisen die Zellverbinder der erfindungsgemäßen Batterie eine möglichst hohe Flexibilität und Elastizität trotz eines erforderlichen Leitungsquerschnitts auf.
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Erfindungsgemäß erfolgt die Verbindung der einzelnen Folienlagen zu einem Zellverbinder und gleichzeitig auch die Kontaktierung des Zellverbinders mit dem Zellterminal durch genau einen gemeinsamen Fügeprozess. Die erfindungsgemäße Fügestelle kann die Form eines Punktes oder einer Naht aufweisen. Auch können mehrere Fügestellen an einem Anschlussterminal vorgesehen sein, z. B. mehrere parallele Nähte.
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In einem Ausführungsbeispiel weist jedes Anschlussterminal nur genau eine erfindungsgemäße Fügestelle auf.
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In einem weiteren Ausführungsbeispiel weist die Fügestelle die Form eines Kreises auf. Dabei wird die Mitte des Anschlussterminals freigelassen und der Kreis ist von der Mitte des Anschlussterminals gleichmäßig beabstandet.
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Vorzugsweise sind die Fügestellen jeweils entlang von Flächennormalen der Anschlussterminals derart angeordnet, dass die Folienlagen elektrisch und mechanisch miteinander sowie mit dem jeweiligen Anschlussterminal stoffschlüssig verbunden sind. Eine Flächennormale eines Anschlussterminals verläuft dabei im Wesentlichen lotrecht zur Oberfläche der Anschlussterminals bzw. zu einer die Anschlussterminals aufweisenden Deckelplatte der Batteriezelle.
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Bevorzugt sind die Batteriezellen galvanische Batteriezellen, insbesondere Lithium-Ionen-Batteriezellen. Ein Anschlussterminal der Batteriezelle ist ein elektrischer Pol der Batteriezelle, also entweder ein Minuspol oder ein Pluspol. Auch ist es möglich, dass das Anschlussterminal ein Anschlussterminal eines Batteriemoduls ist, wobei das Batteriemodul mehrere elektrisch miteinander verbundene Batteriezellen aufweist.
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Vorzugsweise ist die Entlastungswelle in den Zellverbinder, also den Stapel aus Folienlagen, eingeformt, bevorzugt eingeprägt.
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Bevorzugterweise ist die Entlastungswelle entsprechend der Form einer halben Periode einer Transversalwelle, welche in Richtung einer Längserstreckung des Zellverbinders verläuft, ausgebildet. Dabei können die Anschlussterminals an zwei gegenüberliegenden distalen Enden des Zellverbinders angeordnet sein. Ferner ist es bevorzugt, dass die Entlastungswelle ebenfalls entlang einer Flächennormalen des Zellverbinders angeordnet ist, wobei die Entlastungswelle zwischen den Anschlussterminals der benachbarten Batteriezellen, insbesondere im mittleren Bereich zwischen den Anschlussterminals, angeordnet sein kann.
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Vorteilhaft ist dabei, dass der Zellverbinder mit Entlastungswelle eine hohe Zuverlässigkeit, beispielsweise eine hohe Lebensdauer oder eine hohe Elastizität, aufweist und preiswert herzustellen ist. Die Bruchsicherheit erweist sich als günstig, um im Betrieb mechanische Spannungen infolge einer möglichen Relativbewegung der Batteriezellen besser reduzieren zu können. Weiterhin kann dadurch sichergestellt werden, dass zum Schutz der Anschlussterminals die Anschlussterminals nur begrenzt mechanisch belastet werden.
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Bevorzugt weisen die Folienlagen jeweils eine Dicke zwischen 10 µm und 190 µm, bevorzugt zwischen 50 µm und 150 µm sowie ebenfalls bevorzugt zwischen 70 µm und 130 µm auf. Es können aber auch Folienlagen von größer 200 µm vorgesehen sein. Die Folienlagen können auch Bleche sein.
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Gemäß einer vorteilhaften Variante weist der Folienstapel eine Gesamtdicke bevorzugt von 0,5 mm bis 50 mm, bevorzugter von 1 mm bis 20 mm, weiterhin bevorzugt von 1,5 mm bis 10 mm und ebenfalls bevorzugt von 1,8 mm bis 3 mm auf.
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Vorteilhaft dabei ist, dass der Zellverbinder infolge des mehrlagigen Aufbaus eine Abstandsänderung und einen Höhenversatz zwischen den Anschlussterminals ausgleichen kann, ohne dass dabei größere Kräfte aufgebaut werden.
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In einer bevorzugten Variante weist mindestens eine der Folienlagen eine auskragende Fahne auf, wobei die Fahne ausgebildet ist, die Anschlussterminals mit einem Batteriesteuergerät zu verbinden.
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Als Vorteil erweist sich die besonders einfache Ausbildung eines Spannungsabgriffs durch die Fahne als weitere Folienlage.
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In einer bevorzugten Ausführungsform ist die mindestens eine der Folienlagen derart gefaltet, dass die Fahne einen Knick aufweist.
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Die Fahne kann zwischen den Fügestellen oder neben nur einer Fügestelle angeordnet sein. Auch ist es möglich, dass die Fahne über eine erfindungsgemäße Fügestelle mit den anderen Folienlagen verbunden ist. Im Falle der Verbindung der Fahne mit nur einer Fügestelle bedeutet dies, dass die Folienlage, welche die Fahne ausbildet, nicht bis an das zweite Anschlussterminal reicht, sondern in ihrer flächigen Ausdehnung auf eine unmittelbare Umgebung des ersten Anschlussterminals begrenzt ist.
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Vorteilhaft dabei ist, dass sich die Fahne in eine beliebige Raumrichtung hin erstrecken kann und in nur einem Fügeprozess, gemeinsam mit den übrigen Folienlagen, mit einem der Anschlussterminals direkt verbunden werden kann.
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Auch ist es möglich, dass die Fahne zu einer beliebigen Folienlage gehört, beispielsweise zur ersten Folienlage, zur zweiten Folienlage, zur vorletzten Folienlage oder zur letzten Folienlage. Dabei ist die letzte Folienlage vorzugsweise die oberste Folienlage und die oberste Folienlage vorzugsweise jene Folienlage, welche auf der den Anschlussterminals abgewandten Seite des Zellverbinders angeordnet ist.
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Gemäß einer vorteilhaften Ausführungsvariante weisen die Fügestellen jeweils eine Schweißverbindung, insbesondere eine Laserschweißverbindung oder eine Lötstelle, auf.
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Als vorteilhaft erweist sich die Tatsache, dass der Zellverbinder vor dem Auflegen auf die Anschlussterminals keine stoffschlüssige Verbindung der Folienlagen untereinander, mit gegebenenfalls Ausnahme einer Klebeverbindung oder einer Durchsetzfügestelle, welche die Folienlagen zusammenhält, insbesondere keine Schweißverbindung, aufweisen muss.
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Die einzelnen Folienlagen können Kupfer oder Aluminium aufweisen oder bevorzugt aus Kupfer oder Aluminium bestehen.
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Gemäß einem weiteren Aspekt der Erfindung wird ein Kraftfahrzeug mit der erfindungsgemäßen Batterie gemäß den vorhergehenden Merkmalen offenbart, wobei die Batterie mit einem Antriebssystem des Kraftfahrzeuges verbunden ist.
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Noch ein weiterer Aspekt der Erfindung betrifft ein Verfahren zur Herstellung der Batterie. Dabei ist ein Verfahrensschritt das Bereitstellen von mindestens zwei Batteriezellen, wobei die Batteriezellen jeweils zwei Anschlussterminals aufweisen. Ein weiterer Verfahrensschritt ist das Bereitstellen eines Zellverbinders, der mindestens zwei übereinandergestapelte elektrisch leitende Folienlagen sowie eine Entlastungswelle aufweist. Wiederum ein weiterer Verfahrensschritt ist das Verbinden des Zellverbinders mit jeweils einem der Anschlussterminals der Batteriezellen, wobei jeweils eine Fügestelle mittels eines Fügeprozesses ausgebildet wird. Dabei erfolgt das Verbinden der Folienlagen des Zellverbinders untereinander sowie das Verbinden des Zellverbinders mit dem jeweiligen Anschlussterminal je verbundenem Anschlussterminal mittels eines gemeinsamen Fügeprozesses derart, dass die jeweilige Verbindung eine stoffschlüssige, elektrisch leitende, Verbindung ist. Vorzugsweise umfasst der Verfahrensschritt des Bereitstellens des Zellverbinders das Übereinanderstapeln einer Vielzahl von Folienlagen und das Ausschneiden, Ausstanzen, Ausbrechen, Ausschweißen oder Auslasern eines Teilbereichs der Folienlagen derart, dass deckungsgleiche Bereiche jeder Folienlage übereinanderliegen und das somit in eine neue Form gebrachte Element wiederum einem Folienstapel entspricht, nämlich dem Zellverbinder, welchem nun die Entlastungswelle aufgeprägt werden kann.
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Bevorzugt findet das Einprägen der Entlastungswelle statt, nachdem die Folienlagen übereinandergestapelt wurden und bevor die Folienlagen miteinander und mit den Anschlussterminals stoffschlüssig verbunden werden.
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Vorzugsweise umfasst das Verfahren ferner den Verfahrensschritt des Bereitstellens einer Folienlage mit einer auskragenden Fahne im beziehungsweise am Zellverbinder sowie den Verfahrensschritt des Verbindens der Batteriezellen mit einem Batteriesteuergerät über die Fahne beziehungsweise mittels der Fahne.
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Dabei kann das Batteriesteuergerät in der Batterie integriert sein oder sich außerhalb der Batterie befinden. Vorzugsweise dient das Batteriesteuergerät dem Messen von Zellspannung, aber auch das Durchführen von Zell-Balancing, wobei die Ladung unterschiedlicher Zellen im Gleichgewicht gehalten wird, ist damit möglich.
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Die Fahne, vorzugsweise eine lange Fahne, kann beliebig gefaltet werden, um Ecken in deren Verlauf zu realisieren.
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Ein Vorteil einer direkt nur mit einem Anschlussterminal verschweißten Fahne ist beim Ausstanzen das Anfallen von weniger Verschnitt.
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Zeichnungen
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Ausführungsbeispiele der Erfindung werden anhand der Zeichnungen und der nachfolgenden Beschreibung näher erläutert. Es zeigen:
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1 eine zweidimensionale schematische Darstellung in Seitenansicht auf eine Batterie gemäß einer ersten bevorzugten Ausführungsvariante,
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2 eine zweidimensionale schematische Darstellung in Aufsicht auf eine Batterie gemäß einer zweiten bevorzugten Ausführungsvariante,
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3 eine zweidimensionale schematische Darstellung in Aufsicht auf eine Batterie gemäß einer dritten bevorzugten Ausführungsvariante,
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4 eine dreidimensionale schematische Darstellung eines Zellverbinders gemäß einer vierten bevorzugten Ausführungsvariante, und
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5 eine dreidimensionale schematische Darstellung eines Zellverbinders gemäß einer fünften bevorzugten Ausführungsvariante.
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Ausführungsformen der Erfindung
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Für ein Element, welches in Funktion und Aufbau einem Element aus einer davor genannten Figur entspricht, wird dasselbe Bezugszeichen verwendet.
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1 zeigt eine zweidimensionale schematische Darstellung in Seitenansicht auf eine Batterie 100 gemäß einer ersten bevorzugten Ausführungsvariante. Die Batterie 100 weist im linken Bereich der 1 eine erste Batteriezelle 151 und im rechten Bereich der 1 eine zweite Batteriezelle 152 auf, wobei die Batteriezellen 151 und 152 aneinandergestapelt sind.
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Die erste Batteriezelle 151 weist zwei Anschlussterminals auf, wovon nur das erste Anschlussterminal 101 dargestellt ist.
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Auch die zweite Batteriezelle 152 weist zwei Anschlussterminals auf, wovon wiederum nur das erste Anschlussterminal 102 dargestellt ist.
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Die Anschlussterminals 101 und 102 sind mittels eines Zellverbinders 110, welcher auf den Anschlussterminals 101 und 102 aufliegt, elektrisch und mechanisch in jeweils einer Fügestelle 120 verbunden.
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Die Anschlussterminals 101 und 102 weisen jeweils eine Flächennormale 140 auf. Dabei verläuft die jeweilige Flächennormale 140 durch einen geometrischen Mittelpunkt des jeweiligen Anschlussterminals 101 beziehungsweise 102. Ferner ist die jeweilige Flächennormale 140 im Wesentlichen lotrecht zur Deckelplatte 160 der jeweiligen Batteriezelle 151 beziehungsweise 152, wobei die Deckelplatte 160 das jeweilige Anschlussterminal 101 beziehungsweise 102 aufweist.
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Der Zellverbinder 110 besteht aus einer Vielzahl von Folienlagen, insbesondere aus einer ersten Folienlage 111 und mindestens einer weiteren Folienlage 112.
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Eine Dicke beträgt beispielsweise jeweils 100 µm pro Folienlage. Auch andere Dicken sind möglich, wie beispielsweise eine Dicke zwischen 10 µm und 190 µm, zwischen 50 µm und 150 µm oder zwischen 70 µm und 130 µm.
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Die gestapelten Folien ergeben eine Gesamtdicke des Zellverbinders 110 von beispielsweise 2 mm. Auch andere Gesamtdicken sind möglich, wie beispielsweise eine Dicke von 0,5 mm bis 50 mm, von 1 mm bis 20 mm, von 1,5 mm bis 10 mm oder von 1,8 mm bis 3 mm.
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Weiterhin weist der Zellverbinder 110 eine Entlastungswelle 130 auf. Somit weisen alle Folienlagen des Zellverbinders 110 dieselbe Entlastungswelle 130 auf. Die Entlastungswelle 130 ist entsprechend der Form einer halben Periode einer Transversalwelle, welche in Richtung einer Längserstreckung des Zellverbinders 110 verläuft, ausgebildet. Dabei sind die Anschlussterminals 101 und 102 entlang der Längsachse des Zellverbinders 110 an seinen beiden gegenüberliegenden distalen Enden angeordnet. Ferner ist die Entlastungswelle 130 ebenfalls entlang der Längsachse des Zellverbinders 110 angeordnet, wobei die Entlastungswelle 130 zwischen dem Anschlussterminal 101 und dem Anschlussterminal 102, insbesondere im mittleren Bereich zwischen dem Anschlussterminal 101 und dem Anschlussterminal 102, angeordnet ist.
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Jene Fügestelle 120, mit welcher das Anschlussterminal 101 der Batteriezelle 151 mit dem Zellverbinder 110 stoffschlüssig, exemplarisch aber nicht beschränkend durch Laserschweißen, verbunden ist, erstreckt sich entlang der Flächennormalen 140 des Anschlussterminals 101 derart, dass die Folienlagen 111 und 112 und weitere Folienlagen elektrisch und mechanisch miteinander sowie mit dem Anschlussterminal 101 stoffschlüssig verbunden sind.
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Auch eine weitere Fügestelle 120, mit welcher das andere Anschlussterminal 102 der Batteriezelle 152 mit dem Zellverbinder 110 stoffschlüssig, insbesondere durch Laserschweißen, verbunden ist, erstreckt sich entlang der Flächennormalen 140 des Anschlussterminals 102 derart, dass die Folienlagen 111 und 112 und weitere Folienlagen elektrisch und mechanisch miteinander sowie mit dem Anschlussterminal 102 stoffschlüssig verbunden sind.
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Die gemeinsame Fügestelle 120 jedes Anschlussterminals kann aus einem Punkt oder einem Kreis ausgebildet sein. Es können auch mehrere erfindungsgemäße Fügestellen 120 je Anschlussterminal vorgesehen sein, z. B. parallel zueinander.
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2 zeigt eine zweidimensionale schematische Darstellung in Aufsicht auf die Batterie 100 gemäß einer zweiten bevorzugten Ausführungsvariante. Dabei weist der Zellverbinder 110 weiterhin eine Folienlage 200 mit einer auskragenden Fahne 210 auf. Die Fahne 210 erstreckt sich im Wesentlichen in derselben Ebene wie – bis auf die Entlastungswelle 130 – jener Teil derselben Folienlage 200, welcher die Anschlussterminals 101 und 102 miteinander verbindet. Dabei beginnt die Auskragung der Folienlage 200, welche die Fahne 210 ausbildet, zwischen den Anschlussterminals der benachbarten Batteriezellen 151 und 152.
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Bis auf die Fahne 210 sind die Folienlagen 111, 112 und 200 zueinander kongruent.
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Die Fahne 210 führt die Folienlage 200 zu einem Batteriesteuergerät 230. Somit ist das Batteriesteuergerät 230 elektrisch mit den Anschlussterminals der benachbarten Batteriezellen 151 und 152 verbunden.
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Die Fahne 210 ist derart gefaltet, dass diese einen Knick 220 aufweist. Dadurch verbleibt die Fahne 210 im Wesentlichen – bis auf die Entlastungswelle 130 – in einer Ebene mit der übrigen Folienlage 200 und erfährt durch den Knick 220 lediglich eine Richtungsänderung. Durch die Richtungsänderung infolge des gefalteten Knicks 220 verlässt die Fahne 210 die Ebene vorzugsweise nicht.
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3 zeigt eine zweidimensionale schematische Darstellung in Aufsicht auf die Batterie 100 gemäß einer dritten bevorzugten Ausführungsvariante. Diese Ausführungsvariante unterscheidet sich von der in 2 dargestellten zweiten Ausführungsvariante dadurch, dass die Fahne 210 an einer anderen Stelle des Zellverbinders auskragt. Die Auskragung der Fahne 210 gemäß der dritten bevorzugten Ausführungsvariante erfolgt nicht zwischen den jeweiligen Fügestellen 120 der Anschlussterminals der benachbarten Batteriezellen 151 und 152. Dagegen ist die Auskragung der Fahne 210 neben nur einer Fügestelle 120 angeordnet, nämlich neben nur jener Fügestelle 120, welche den Zellverbinder 110 mit der Batteriezelle 152 verbindet. Die Fahne 210 ist Teil einer weiteren Folienlage 300, welche im Wesentlichen nicht kongruent ist zu den übrigen Folienlagen 112 und 112, da die Folienlage 300 sich nicht soweit erstreckt, als dass diese die Entlastungswelle 130 aufweist. Die Folienlage 300 ist unmittelbar nur mit dem Anschlussterminal der Batteriezelle 152 verbunden. Die Folienlage 300 liegt bevorzugt zwischen den Folienlagen 111 und 112.
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Die Fahne 210 weist keinen gefalteten Knick 220 auf, sondern führt in einem geradlinigen Verlauf zum Batteriesteuergerät 230, welches somit elektrisch mit den Anschlussterminals der benachbarten Batteriezellen 151 und 152 verbunden ist.
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4 zeigt eine dreidimensionale schematische Darstellung des Zellverbinders 110 gemäß einer vierten bevorzugten Ausführungsvariante, bei der jede Fügestelle 120 kreisförmig ausgebildet ist. Die Flächennormalen 140 der Anschlussterminals 101 und 102 verlaufen dabei im Wesentlichen jeweils lotrecht durch die Kreismitte der Fügestellen 120.
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5 zeigt eine dreidimensionale schematische Darstellung des Zellverbinders 110 gemäß einer fünften bevorzugten Ausführungsvariante, bei der jede Fügestelle 120 streifenartig ausgebildet ist. Die Streifen verlaufen dabei parallel, sind gleich lang und berühren einander nicht. Vorzugsweise verlaufen die Streifen parallel zu einer Wellenfront der Entlastungswelle 130, wobei auch jeder anders gewinkelte Verlauf möglich ist, beispielsweise ein rechtwinkliger Verlauf.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- DE 102006015566 A1 [0006]
