-
Die Erfindung bezieht sich auf eine Zellhaltevorrichtung zur Aufnahme einer Anzahl von Einzelzellen zur Herstellung eines Zellverbunds, wobei eine Klemmvorrichtung die Einzelzelle ortsfest fixiert. Die Erfindung bezieht sich ferner auf einen Zellverbund mit einer solchen Zellhaltevorrichtung.
-
Stand der Technik
-
Aus dem Stand der Technik sind flache, rechteckige Speicherelemente für elektrische Energie wie beispielsweise Einzelzellen und Kondensatoren bekannt.
-
Dabei ist ein elektrochemisch wirksamer Inhalt dieser Speicherelemente von einer folienartigen und elektrisch isolierenden Hülle umgeben, durch die die elektrisch leitfähigen Anschlüsse geführt sind. Diese Anschlüsse sind bei bestimmten Ausführungsformen als blechförmige Ableiterelemente ausgebildet. Ein Pol der Einzelzelle ist mit jeweils einem solchen Ableiterelement elektrisch leitfähig verbunden und bildet einen Polkontakt der Einzelzelle. Die Ableiterelemente werden auch „Tabs“ genannt.
-
Eine derartig ausgebildete Einzelzelle wird üblicher Weise als Pouch- oder Coffeebag-Zelle bezeichnet und weisen häufig eine Elektrolyt oder eine Elektrolytflüssigkeit auf Polymerbasis auf. Ihre Vorteile sind unter anderem ihre leichte und flexible Bauweise sowie gute Kühleigenschaften und eine hohe Leistungsdichte.
-
Zur Bildung einer Batterie und insbesondere einer Hochvolt-Batterie sind die jeweiligen Ableiterelemente einer Vielzahl solcher Einzelzellen miteinander elektrisch leitfähig verbunden und miteinander in Reihe und/oder parallel verschaltet.
-
Die Einzelzellen sind in einem so genannten Zellverbund oder Zellblock zusammengefasst und mechanisch fixiert.
-
Die aus dem Stand der Technik bekannte Pouchzelle oder Coffeebag-Zelle, ist mechanisch nur wenig belastbar und weist eine geringe Formstabilität auf. Die folienartige Hülle der Einzelzelle weist einen umlaufenden und vorstehenden Randbereich mit einer umlaufenden Verschweißung auf, die auch als Siegelnaht bezeichnet wird.
-
Solche Einzelzellen werden daher typischer Weise im Zellverbund von Rahmenelementen angelegt, welche in der Regel aus Kunststoff gefertigt sind. Dadurch sind die Einzelzellen mechanisch fixiert und werden im Zellverbund zueinander auf einen definierten Abstand gebracht. Der Zellverbund aus parallel zueinander angeordneten Einzelzellen und dazwischen angeordneten Rahmenelementen ist mittels endseitig angeordneter Abschluss- oder Spannelemente axial verpresst, sodass die Einzelzellen untereinander und die Einzelzellen selbst kraftschlüssig in den Rahmenelementen gehalten sind. Ableiterelemente, die mit den Polen der Einzelzelle gekoppelt sind, werden aus dem Rahmenelement herausgeführt.
-
Nachteile des Standes der Technik
-
Die Montage bzw. Kontaktierung der jeweiligen Einzelzellen gestaltet sich aufwendig und kostenintensiv. Dies liegt unter anderem darin begründet, dass jede Einzelzelle mit einem Rahmenelement versehen sein muss. Dabei ist darauf zu achten, dass die Siegelnaht der jeweiligen Einzelzelle bei dem Einfügevorgang in das Rahmenelement nicht verletzt wird, da ansonsten die Einzelzelle unbrauchbar wird.
-
Das Rahmenelement ist derart ausgelegt, dass es umlaufend die Einzelzelle aufnimmt und außerhalb der Siegelnaht klemmt sowie bis hin zum äußeren Rand der Einzelzelle fixiert. Daher ist das Rahmenelement sehr genau auf die Einzelzelle hinsichtlich seiner Abmessungen abgestimmt. Die Klemmkraft, mit der die Einzelzelle innerhalb des Rahmenelements fixiert wird, wird nur über das Rahmenelement bestimmt.
-
Aufgrund der Rahmenkonstruktion kann an sich ein Zellverbund nicht kleiner ausgebildet werden, da die Abstände zwischen den einzelnen Einzelzellen durch die Rahmenelemente vorgegeben sind. Zudem bedarf es besonderer Befestigungsvorrichtungen, derart, dass ein Zellverbund eine Energieeinheit, beispielsweise eine Batterie darstellt.
-
Auch das Herauslösen einer Einzelzelle aus dem Zellverbund gestaltet sich schwierig, da insbesondere die Rahmenelemente untereinander Verbindungselemente aufweisen, die zu den übrigen Befestigungsvorrichtungen gelöst werden müssen.
-
Die Spannvorrichtungen sind in der Regel komplex aufgebaut, da sie eine definierte Anzahl von Rahmenelementen aufnehmen müssen, die dann in einem Zellverbund sicher zu fixieren sind. Zudem müssen dabei die Rahmenelemente selbst geschlossen gehalten werden, damit die jeweiligen Zellelemente lage- und sachgerecht gehalten werden.
-
Aufgabe der Erfindung
-
Aufgabe der Erfindung ist es, eine Zellhaltevorrichtung bereitzustellen, mit der auf einfache Weise Einzelzellen aufgenommen werden können.
-
Lösung der Aufgabe
-
Die Lösung der Aufgabe wird durch die Merkmale von Anspruch 1 bereitgestellt.
-
Vorteile der Erfindung
-
Der Grundgedanke der Erfindung besteht darin, eine Vorrichtung bereitzustellen, in der die einzelnen Einzelzellen sicher gehalten werden, ohne dass diese zuvor mit einem Rahmenelement versehen werden müssen.
-
Erfindungsgemäss ist vorgesehen, dass eine Zellhaltevorrichtung vorgeschlagen wird, die einzelne Klemmelemente aufweist, zwischen denen die Einzelzellen gehalten werden. Da die Einzelzellen eine Siegelnaht aufweisen, die in der Regel ausreichend breit gestaltet ist, können die Einzelzellen – vergleichbar mit dem Rahmenelementen – an diesen geklemmt werden.
-
Als Klemmelemente werden zumindest teilweise formelastische Elemente verwendet, um insbesondere ein sicheres Klemmen ohne Beschädigen zu gewährleisten. Als formelastische Elemente können beispielsweise Materialien aus Styropor, Styrodur oder vergleichbare Materialien gewählt werden. Vergleichbare Materialien sind beispielsweise EPP (expandiertes Polypropylen) oder auch andere Materialien, die bezogen auf die Härte eine geringere Härte aufweisen als das Material der Einzelzelle. Dies liegt darin begründet, dass dadurch insbesondere durch das Klemmen Beschädigungen an der Einzelzelle vermieden werden.
-
Diese sind einfach formbar, entweder durch Umformen, Extrudieren oder durch Trennen.
-
Eine wesentlich vorteilhafte Eigenschaft des erfindungsgemäßen Klemmelements besteht darin, dass dieses dämpfende Eigenschaften aufweist. Dadurch werden zum Beispiel Erschütterungen gedämpft und nur in verminderter Stärke auf die Einzelzellen übertragen.
-
Das Stapeln der einzelnen Einzelzellen zu einem Zellverbund gestaltet sich zudem sehr einfach.
-
Zunächst wird flächig ein Plattenelement bereitgestellt von dem sich Spannelemente wegerstrecken. Diese Spannelemente können beispielsweise Schrauben sein, die an dem Eckbereichen des Plattenelements befestigt sind. In einem ersten Schritt wird über die Spannelemente das erste Klemmelement gestapelt. Auf das Klemmelement wird die Einzelzelle gelegt. In einem weiteren Schritt erfolgt wiederum das Einschieben eines weiteren Klemmelements über die Spannelemente. Die Schritte können sich beliebig wiederholen, bis die gewünschte Spannung des Zellverbunds, bestehend aus einer Vielzahl von Einzelzellen bereitgestellt ist. Als Abschlusselement wird wiederum ein Plattenelement verwendet, das die freien Enden der Spannelemente aufnimmt bzw. die Spannelemente durchdringen das Plattenelement. Mit entsprechenden Spannschrauben wird der Zellverbund nun fixiert, derart, dass die Klemmelemente die Einzelzellen im Bereich der jeweiligen Siegelnaht klemmen. Dadurch werden die Einzelzellen innerhalb des Zellverbunds fixiert. Die Zellhaltevorrichtung fixiert somit alle aufgenommenen Einzelzellen zwischen den Klemmelementen und bildet so einen Zellverbund als Energieeinheit.
-
Damit ein einfacheres Stapeln möglich ist, wird zunächst auf das Spannelement eine Hülse angeordnet, die dann die jeweiligen Bohrungen in den Klemmelementen durchdringt. Dadurch lassen sich die Klemmelemente leichter auf dem Spannelement hin und her bewegen. Dadurch ist es auch möglich, als Spannelement eine einfach gestaltete Schraube zu verwenden, deren Gewinde im Aufnahmebereich der Klemmelemente durch die Hülse abgedeckt ist.
-
Durch ein leichtes Lösen der Spannvorrichtung wird der Klemmverbund gelockert, ohne dass die Einzelzellen ihre Klemmwirkung verlieren, aber die Möglichkeit besteht, Einzelzellen aus dem Zellverbund zu entnehmen.
-
Der Zellverbund ist durch die Klemmelemente zu seinen beiden Seite gegen mechanische Einflüsse geschützt, wohingegen nach oben und unten ausreichend Freiraum vorhanden ist, damit eine Konfektion erfolgen kann, ohne dass ein Wärmestau entsteht, der sich leistungsmindernd auf die Einzelzellen auswirken kann. Um dies zu gewährleisten, sind die Klemmelemente in Draufsicht L-förmig ausgestaltet. Der lange Schenkel des L-förmigen Klemmelements dient zur seitlichen Klemmung der jeweiligen Einzelzellen, wohingegen der kurze Schenkel in Richtung der Schwerkraft der Einzelzellen die Klemmung bewirkt. Dies hat den Vorteil, dass in Richtung Schwerkraft ein zusätzliches Klemmen aber auch ein Durchrutschen der Einzelzellen, sollte sich einmal die Klemmkraft verringern, vermieden wird. Der kurze Schenkel des Klemmelements ist aber noch so kurz, dass eine ausreichende Konvektion zur Abfuhr der erzeugten Wärme an den Einzelzellen noch problemlos erfolgen kann.
-
Weitere vorteilhafte Ausgestaltungen gehen aus der nachfolgenden Beschreibung, den Ansprüchen und den Zeichnungen hervor.
-
Zeichnungen
-
Es zeigen:
-
1 eine perspektivische Ansicht auf eine Zelleinheit, bestehend aus mehreren Einzelzellen mit angedeuteten Ableiterelementen;
-
2 eine vergrößerte Ansicht auf deinen Teil einer Zelleinheit, bestehend aus mehreren Einzelzellen mit erfindungsgemäß ausgebildeten Klemmelementen der Zellhaltevorrichtung;
-
3 eine perspektivische Darstellung auf ein Klemmelement der erfindungsgemäßen Zellhaltevorrichtung.
-
Beschreibung eines Ausführungsbeispiels
-
In 1 ist eine Zelleinheit Z dargestellt. Diese besteht aus einer Vielzahl von Einzelzellen 2, die elektrisch parallel und/oder in Reihe zu einander geschaltet sind. Diese Zelleinheit Z stellt eine Batterie dar. Die Einzelzellen 2 bestehen aus einem Speicherelement und mindestens einem Pol, wobei der Pol mit einem Ableiterelement 3 verbunden ist. Vorzugsweise weist jede Einzelzelle 2 zwei Pole und damit zwei Ableiterelemente auf, die auch zu unterschiedlichen Stirnseiten sich erstrecken können. Die Ableiterelemente 3 sind in den Zeichnungen stilisiert dargestellt. Diese werden beispielsweise durch Stromleitschienen, die in den Zeichnungen nicht dargestellt sind, miteinander elektrisch verbunden.
-
In 2 ist eine Zelleinheit Z vergrößert dargestellt. Diese Darstellung dient insbesondere dazu, die Funktion und Ausbildung der Zellhaltevorrichtung 1 zu erläutern.
-
Die Zellhaltevorrichtung 1 besteht aus einer Vielzahl von Klemmelementen 4, die von Plattenelementen 5 sowie Spannelementen 6 zu einer Zelleinheit Z zusammengehalten werden. Die Zellhaltevorrichtung 1 ist als Block ausgebildet. Stirnseitig sind Plattenelemente 5 angeordnet, die zusammen mit den Spannelementen 6 die zwischen den Plattenelementen 5 angeordneten Klemmelementen 4 einschließen. Die Spannelemente 6 sind beispielsweise als Spannschrauben ausgebildet, die sich von einem Plattenelement 5 aus durch die jeweiligen Klemmelemente 4 (dafür vorgesehene Bohrungen 7) durchdringen. Das weitere gegenüberliegende Plattenelement 5 schließt dann den Block als Zellhaltevorrichtung 1 ab.
-
In 3 ist das Klemmelement 4 der Zellhaltevorrichtung 1 dargestellt. Das L-förmige Klemmelement 4 ist in Seitenansicht als Blockelement ausgebildet und weist eine Dicke 8 (langer Schenkel der L-förmigen Ausbildung) auf. Die Tiefe 9 (kurzer Schenkel der L-förmigen Ausbildung) ist derart bemessen, dass die Einzelzelle 2 auch in Richtung derer Schwerkraft aufgenommen werden kann. Da die Einzelzelle auch in definierten Bereichen bauchigen Charakter hat, wird durch diese Maßnahme vermieden, dass bei Rüttelbewegungen und eventuellem Verlust der Klemmkraft die Einzelzelle 2 ihre Position verlässt und durchrutscht
-
Das Material der Klemmelemente 4 ist weicher als das der Einzelzellen 2. Dadurch wird vermieden, dass beim Klemmen die Einzelzelle 2 verletzt wird.
-
Aufgrund der erfindungsgemäßen Ausgestaltung der Zellhaltevorrichtung 1 ist eine skalierte Ausbildung in jeglicher Größe gestaltbar. Das Klemmelement 4 ist derart gestaltet, dass es auf beiden Seiten der Zellhaltevorrichtung 1 einsetzbar ist. Dadurch ist eine einfache und kostengünstige Herstellung möglich. Zudem kann als Material Recyclingmaterial gewählt werden, da dieses außer einer Halte- bzw. Klemmfunktion keine weiteren Eigenschaften aufweisen muss.
-
Bezugszeichenliste
-
- 1
- Zellhaltevorrichtung
- 2
- Einzelzelle
- 3
- Ableiterelement
- 4
- Klemmelement
- 5
- Plattenelement
- 6
- Spannelement
- 7
- Bohrung
- 8
- Dicke
- 9
- Tiefe
- 10
- Siegelnaht
- Z
- Zelleinheit
