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Die Erfindung bezieht sich auf einen Zellverbund, der aus einer definierten Anzahl von Einzelzellen besteht, wobei jede Einzelzelle aus einem Speicherelement und einem ersten Pol und einem zweiten Pol besteht, und jeweils ein Pol mit einem Ableiterelement verbunden ist. Ein solcher Zellverbund wird als Energiespeicher in der Ausbildung einer Batterie verstanden.
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Stand der Technik
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Aus dem Stand der Technik sind flache, rechteckige Speicherelemente für elektrische Energie wie beispielsweise Einzelzellen und Kondensatoren bekannt.
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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.
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Eine derartig ausgebildete Einzelzelle wird üblicher Weise als Pouch- oder Coffeebag-Zelle bezeichnet und weisen häufig ein Elektrolyt oder eine gelartige Elektrolytflüssigkeit auf Polymerbasis auf. Ihre Vorteile sind unter anderem ihre leichte und flexible Bauweise sowie gute Kühleigenschaften und eine hohe Leistungsdichte.
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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.
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Die Einzelzellen sind in einem so genannten Zellverbund oder Zellblock zusammengefasst und mechanisch fixiert.
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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, welche in der Regel aus Kunststoff gefertigt sind, mechanisch fixiert und dabei zueinander auf einen definierten Abstand gebracht. Der Zellverbund aus parallel zueinander angeordneten Einzelzellen und damit angeordneten Rahmenelementen ist mittels endseitig angeordneter Abschlusselemente axial verpresst, sodass die Einzelzellen kraftschlüssig in den Rahmenelementen gehalten sind.
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Die Ableiterelemente der Einzelzellen sind innerhalb der Anordnung derart positioniert, dass diese von einem Polkontakt kontaktiert werden können mit der Zielsetzung, die Einzelzellen untereinander zu koppeln. Solche Polkontakte setzen mechanisch auf die Ableiterelemente auf und klemmen diese mit den entsprechenden Vorrichtungen innerhalb der Polkontakte. Damit wird die elektrische Verbindung geschlossen bzw. die elektrische Leitfähigkeit hergestellt.
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So ist beispielsweise aus der
DE 10 2011 109 238 A1 eine Stromsammelschiene bekannt, die auf in Rahmenelementen angeordneten Einzelzellen aufsetzt um zumindest den elektrischen Kontakt zur benachbart angeordneten Einzelzelle herzustellen.
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Alternative Ausführungen sehen vor, dass die Ableiterelemente verschraubt werden, um die entsprechenden Kontakte zu erreichen.
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Nachteile des Standes der Technik
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Die Montage bzw. Kontaktierung der Ableiterelemente der jeweiligen Einzelzellen gestaltet sich aufwendig und kostenintensiv. Dies liegt unter anderem darin begründet, dass die dafür notwendigen Stromsammelschienen aufwendig gestaltet sind und auf der jeweiligen Anzahl der Einzelzellen zu einer Einheit speziell angepasst werden müssen. Daher ist eine flexible Anordnung nicht möglich.
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Zudem sind solche Verbindungen nicht rüttelsicher, so dass immer die Gefahr besteht, dass ein ungewolltes Lösen der elektrischen Verbindung im betrieblichen Einsatz möglich ist.
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Das Lösen der Kontaktverbindung, insbesondere der jeweils benachbarten Einzelzellen sollte aber gewährleistet sein, da ein Austausch einer Einzelzelle bei einem etwaigen Defekt gewünscht wird.
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Zudem lassen die bisher bekannten Ausführungen nicht die Möglichkeit zu, dass die Leistung der jeweiligen Einzelzelle nur dann kontrollierbar ist, wenn zusätzliche Kontaktelemente für das Durchführen einer Messung an die Einzelzelle und damit an die Ableiterelemente heranführbar sind. Bei den bisher bekannten Ausführungsformen in der Ausbildung von Stromschienen ist dies nicht ohne weiteres möglich.
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Andere Lösungsmöglichkeiten sehen ein Verschrauben oder Verklemmen der Ableiterelemente miteinander vor. Ein weiteres technisches Problem in Bezug auf geschraubte oder geklemmte Verbindungen besteht darin, dass mit zunehmendem Gebrauch und Alter es zu einer Oxidschichtbildung führt. Dadurch ändern sich die elektrischen Ströme, so dass beispielsweise Messfehler bei der Feststellung der jeweiligen Kapazitäten der Einzelzellen entstehen. Dies hat wiederum zur Folge, dass das Batteriemanagement (Balancing) des Zellverbundes nicht zielgerecht geführt werden kann.
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Aufgabe der Erfindung
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Aufgabe der Erfindung ist es, ein Verfahren sowie eine Vorrichtung bereitzustellen, die ein Kontaktieren der benachbarten Ableiterelemente von jeweiligen Einzelzellen erlaubt, wobei eine rüttelsichere Verbindung bei gleichzeitiger Austauschbarkeit einer Einzelzelle geben sein muss.
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Lösung der Aufgabe
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Die Lösung der Aufgabe wird durch die Merkmale von Anspruch 1 oder Anspruch 11 bereitgestellt.
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Vorteile der Erfindung
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Der Grundgedanke der Erfindung besteht darin, die Ableiterelemente der jeweiligen Einzelzellen parallel zueinander positionieren, derart, dass die jeweiligen freien Enden der Ableiterelemente vorzugsweise über deren Längserstreckung miteinander unlösbar verbunden werden können. Vorzugsweise sind die freien Enden bereits durch Biegeprozesse derart in Position gebracht, dass in der Anordnung in dem Zellenverbund die freien Enden sich zumindest teilweise flächenmäßig berühren. Aufgrund dieser Ausführung ist es möglich, mit einer Schweißzange oder einem vergleichbaren Mittel die beiden Ableiterelemente zu verbinden.
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Damit ergibt sich zudem die Möglichkeit, dass zur Überprüfung der Einzelzellen einen Ableiter (der wiederum mit entsprechenden Messeinrichtungen koppelbar ist) einzufügen und mit zu verschweißen. Dadurch wird eine rüttelsichere und unverlierbare Verbindung auch zwischen Ableiter und den Ableiterelementen bereitgestellt. Jede einzelne Einzelzelle kann dadurch einer dauerhaften Messprüfung unterzogen werden. Mit dem entsprechenden Schweißvorgang kann der Abgriff verschweißt werden, so dass keine separate Befestigung notwendig ist. Die Kontaktierung ist dadurch dauerhaft gegeben und Messfehler sind ausgeschlossen, da eine Oxidschicht in diesem Bereich, in dem der Abgriff erfolgt, nicht entsteht. Der Übergangswiderstand zwischen dem Abgriff und den Ableiterelementen ändert mit zunehmendem Alter des Zellverbundes nicht.
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Als Ableiter können jegliche Art von Leiter, beispielweise Kabel, Litzen, Plättchen oder ähnliches vorgesehen sein. Bei Verwendung eines Plättchens ist vorgesehen, dieses derart auszugestalten, dass es sich zumindest über einen Teil der Breite des Ableiterelements erstreckt. Vorzugsweise ist die Anbindung des Kabels außerhalb des Schweißverbundes der Ableiterelemente mit dem Plättchen vorgesehen. Vorgesehen ist, dass das Ableiterelement aus einer Kupferlegierung besteht.
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Die Schweißung selbst kann auf unterschiedliche Weise durchgeführt werden. Es kann entlang der Längserstreckung eine Schweißnaht erfolgen. Alternativ können auch Kreuzelemente oder Kreiselemente geschweißt werden, so dass eine flächige Kontaktierung auf jeden Fall gewährleistet ist. Auch eine Verbindung, kombiniert aus formschlüssiger Verbindung durch beispielsweise Prägevorgänge in Kombination mit einem Schweißvorgang sind denkbar. Als Schweißart kann beispielsweise Ultraschallschweißen vorgesehen werden. Bei dem Schweißvorgang ist dafür Sorge zu tragen, dass dieser im Bereich des freien Endes der Ableiterelemente erfolgt. Die Ableiterelemente erstrecken sich über einen definierten Bereich parallel zueinander, so das für die Kontaktierung eine Verschweißung im Bereich des freien Endes ausreicht. Als Bereich des freien Endes wird ein solcher Bereich definiert, der sich vorzugsweise von dem freien Ende bis zu 7 mm in Richtung der Einzelzelle erstreckt. Eine andere alternative Lösung sieht eine Erstreckung bis zu 5 mm in Richtung der Einzelzelle vor. Eine wiederum andere Ausbildung sieht eine Erstreckung bis zu 10 mm von dem äußeren Rand – d.h. freies Ende – der Ableiterelemente vor.
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Ein wesentlicher Vorteil der Ausführung, die Ableiterelemente im Bereich derer freien Enden zu verschweißen liegt darin, dass trotz an sich unlösbarer Verbindung ein Austausch der Einzelzelle erfolgen kann, in dem das Ableiterelement durch Trennen entsprechend gekürzt wird. Dabei wird kurz unterhalb (in Richtung der Einzelzelle) der Schweißnaht die Trennung angesetzt. Da die Länge des Ableiterelements der bestehenden Einzelzelle aber immer noch ausreichend ist, ist ein erneutes Verschweißen an dem freien Ende möglich.
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Aufgrund der Struktur der Ableiterelemente ist es von Vorteil, Schweißbacken zu verwenden, die die Ableiterelemente (beide freien Enden) greifen, zusammenführen und mit Ultraschall beaufschlagen, derart, dass eine Schweißverbindung entsteht. Zusätzlich können die Schweißbacken die Eigenschaft aufweisen, dass
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Die Ableiterelemente sind gebogen ausgeführt. Dieser Biege- bzw. Formvorgang kann vor dem Einfügen in die Einzelzelle erfolgt, sind diese derart ausgebildet, dass unabhängig von der Position alle Ableiterelemente gleich ausgestaltet sind. Eine alternative Ausführung sieht vor, die an sich eben bzw. flach ausgestalteten Ableiterelemente zu biegen, wenn diese bereits in der Einzelzelle verbaut sind. Es ist aber darauf zu achten, dass die mechanische Belastung auf das Bag so gering wie möglich bleibt.
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Eine Ausführung sieht vor, dass diese sich plattenartig zunächst aus der Einzelzelle heraus erstrecken und anschließend um zwei Mal 90 Grad und so dann insgesamt Z-förmig gebogen zu werden. Der Abstand der Z-Schenkel der Ableiterelemente ist derart gewählt, dass dieser der Mitte des Abstands zweier benachbarter Einzelelemente angeordnet in einer Zelleinheit entspricht. Diese Ausführungsform bringt zusätzlich den Vorteil mit, dass in einer Zelleinheit die Einzelzellen wechselweise paarweise angeordnet werden können, so dass die Ableiterelemente immer ausreichend Abstand zu einander aufweisen, die nicht miteinander kontaktieren dürfen.
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Weitere vorteilhafte Ausgestaltungen gehen aus der nachfolgenden Beschreibung, den Ansprüchen und den Zeichnungen hervor.
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Zeichnungen
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Es zeigen:
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1 eine perspektivische Ansicht auf eine Zelleinheit, bestehend aus mehreren Einzelzellen mit angedeuteten Ableiterelementen;
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2 eine vergrößerte Ansicht auf einen Teil einer Zelleinheit, bestehend aus mehreren Einzelzellen mit erfindungsgemäß ausgebildeten Ableiterelementen, wobei Halterelemente für die Einzelzellen nicht dargestellt sind;
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3 eine perspektivische Ansicht auf ein erfindungsgemäß ausgebildetes Ableiterelement.
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Beschreibung eines Ausführungsbeispiels
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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 zwei Polen, wobei die Pole jeweils mit einem Ableiterelement 1 verbunden ist. Die Ableiterelemente 1 sind stilisiert dargestellt. Die Einzelzellen 2 sind durch nicht näher dargestellte Halteelemente H innerhalb der Zelleinheit Z gehalten.
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In 2 und 3 ist eine Zelleinheit Z vergrößert dargestellt. Diese Darstellung dient insbesondere dazu, die Funktion und Ausbildung der metallischen Ableiterelemente 1 zu erläutern. Die Halteelemente, wie sie in 1 dargestellt sind, sind aus Übersichtlichkeitsgründen nicht in 2 dargestellt.
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Die Zelleinheit Z gemäss den 2 und 3 besteht aus einer Vielzahl von Einzelzellen 2. Diese Einzelzellen 2 sind in einer andeutungsweise dargestellten Vorrichtung V gehalten und ortsfest fixiert. Aus den jeweiligen Zellelementen 2 erstreckt sich als Pol ein Ableiterelement 1. Dieses Ableiterelement 1 ist plattenförmig ausgebildet und erstreckt sich aus dem Inneren der tütenartigen Ausbildung der Einzelzelle 2. Zudem erstreckt sich das Ableiterelement 1 auch über die Siegelnaht 3 (bei einer Einzelzelle 2 in 2 angedeutet) der Einzelzelle 2, die die beiden Hälften zu einer tütenartigen Ausgestaltung zusammenhält.
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Das Ableiterelement 1 erstreckt sich zu Beginn wenige Millimeter aus der Stirnseite 5 Einzelzelle 2 heraus, bevor es eine Abwinkelung von 90 Grad erfährt. Diese Strecke ist in 3 mit dem Bezugszeichen 4 versehen. Die Abwinkelung erfolgt in die waagrechte Richtung (Pfeil 6). Die weitere Biegung erfährt das Ableiterelement nach einer definierten Länge 7 von ca. der Hälfte des Abstands 8 zweier in einer Zelleinheit Z angeordneten und benachbarten Einzelzellen 2. Die Abwinkelung erfolgt hier in Richtung der ursprünglichen Erstreckung des Ableiterelements 1 aus der Einzelzelle 2.
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Die Anordnung der Ableiterelemente 1 erfolgt bei dem in den Fig. dargestellten Ausführungsbeispiel derart, dass beide Pole einer Einzelzelle 2 zu einer Stirnseite 5 hinweisen und sich von der Stirnseite 5 wegerstrecken. Alternative Ausbildungen können auch die Anordnung von Ableiterelementen zu jeweils unterschiedlichen Seiten vorsehen. Die Ausbildung erfolgt weiter derart, dass ein Ableiterelement 1 sich Z-förmig zu einen Seite A und das andere Ableiterelement Z-förmig zur Seite B erstreckt. Dadurch besteht die Möglichkeit, dass die Einzelzelle 2 elektrisch die auf der Seite A angeordnete Einzelzelle 2 kontaktiert, wohingegen die Einzelzelle 2 die auf der Seite B angeordnete Einzelzelle 2 kontaktiert. Die Kontaktierung erfolgt im Bereich eines durch das Ableiterelement 1 gebildeten Überstands 10.
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Um die Kontaktierung nun zu vollziehen, wird an dem freien Ende 12 der jeweiligen Ableiterelemente 1 eine Schweißnaht 9 angebracht. Diese kann als Linie oder im Kreuzmuster (so wie dargestellt) oder in anderen Varianten angebracht werden. Eine rüttelfreie und kontaktsichere Verbindung ist damit bereitgestellt. Die Schweißverbindung kann beispielsweise mit einer Schweißzange erfolgen. Zusätzlich kann auch eine formschlüssige Verbindung herbeigeführt werden. Eine formschlüssige Verbindung kann dadurch herbeigeführt werden, dass in ein Ableiterelement stempelartige Eindrücke vorgenommen werden, die sich in dem weiteren Ableiterelement fortsetzen. Dadurch entsteht ein Formschluss.
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Muss eine Einzelzelle 2 ausgetauscht werden, so kann die Schweißnaht 9 mechanisch entfernt werden. Hierzu ist vorgesehen, die Ableiterelemente 1 im Bereich der Schweißnaht 9 zu trennen, so dass die beiden Ableiterelemente 1 wieder frei sind. Dem Nutzer steht es nun frei, die Einzelzelle 2 auszutauschen und durch eine neue Einzelzelle 2 zu ersetzen. Da noch ausreichend Überstand 10 vorhanden ist, kann eine weitere Schweißung erfolgen. Eine solches verkürztes und wieder verschweißtes Ableiterelement 1´ ist in 2 dargestellt.
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Die Ausbildung der Ableiterelemente 1 gibt zudem die Möglichkeit, einen elektrischen Ableiter 11 mit einzuklemmen bzw. einzuschweißen. In der Fig. ist der Ableiter 11 als Kabel dargestellt. Dieser Ableiter 11 dient dazu, die Kapazität der jeweiligen Einzelzelle 2 zu messen, um eventuelle Leistungsunterschiede oder Defekte zu detektieren und beispielsweise für ein Batteriemanagement zu nutzen.
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Grundsätzlich ist die Erfindung nicht darauf beschränkt, das Ableiterelement 1 in der dargestellten Weise zu biegen. Vielmehr stellt diese Darstellung ein mögliches Ausführungsbeispiel dar. Zudem ist die Erfindung nicht auf die Verbindungsart des Schweißens beschränkt. Vielmehr sind alle Fügearten vorstellbar, die eine rüttelfreie und elektrisch sichere Kontaktierung ermöglichen.
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Bezugszeichenliste
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- 1
- Ableiterelement
- 1´
- verkürztes Ableiterelement
- 2
- Einzelzellen
- 3
- Siegelnaht
- 4
- Strecke
- 5
- Stirnseite
- 6
- Pfeil
- 7
- Länge
- 9
- Schweißnaht
- 8
- Abstand
- 10
- Überstand
- 11
- Ableiter
- 12
- freies Ende
- A
- Seite
- B
- Seite
- H
- Halterelemente
- V
- Vorrichtung
- Z
- Zelleinheit
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- DE 102011109238 A1 [0009]
