DE102015010925A1 - Zellverbindereinheit und/oder Zellspannungsabgriffseinheit - Google Patents

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Dirk Schröter
Knut Welke
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Mercedes Benz Group AG
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Daimler AG
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Abstract

Die Erfindung betrifft eine Zellverbindereinheit (12) und/oder Zellspannungsabgriffseinheit (13) für eine Batterie (3) mit einer Mehrzahl von Einzelzellen (4), wobei die Zellverbindereinheit (12) und/oder Zellspannungsabgriffseinheit (13) zumindest eine Temperiereinheit (15) umfasst.

Description

  • Die Erfindung betrifft eine Zellverbindereinheit und/oder Zellspannungsabgriffseinheit für eine Batterie.
  • Zur elektrischen Reihen- und/oder Parallelschaltung von Einzelzellen einer Batterie werden Zellpole der Einzelzellen direkt oder über elektrisch leitfähige Zellverbinder verbunden. Des Weiteren wird jeder Zellpol oder jeder Zellverbinder mit einer Einrichtung zur Zellspannungsmessung elektrisch verbunden.
  • Aus dem Stand der Technik ist des Weiteren, wie in der DE 10 2011 104 000 A1 beschrieben, eine Vorrichtung zum Heizen einer Batterie bekannt. Die Vorrichtung umfasst eine aus mehreren Einzelzellen gebildete Batterie und ein mit der Batterie thermisch gekoppeltes Heizelement. Das Heizelement umfasst zumindest ein Heizmittel, das in einem biegsamen Hüllelement angeordnet oder integriert ist.
  • Der Erfindung liegt die Aufgabe zu Grunde, eine verbesserte Zellverbindereinheit und/oder Zellspannungsabgriffseinheit für eine Batterie anzugeben.
  • Die Aufgabe wird erfindungsgemäß gelöst durch eine Zellverbindereinheit und/oder Zellspannungsabgriffseinheit für eine Batterie mit den Merkmalen des Anspruchs 1.
  • Vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung sind Gegenstand der Unteransprüche.
  • Eine erfindungsgemäße Zellverbindereinheit und/oder Zellspannungsabgriffseinheit für eine Batterie mit einer Mehrzahl von Einzelzellen umfasst zumindest eine Temperiereinheit. Durch diese Integration zumindest einer Temperiereinheit, welche als Kühleinheit und/oder Heizeinheit ausgebildet ist, in die Zellverbindereinheit und/oder Zellspannungsabgriffseinheit wird aufgrund einer geringeren Anzahl von Einzelteilen eine einfachere Montage der Batterie ermöglicht, da keine separate Temperiereinheit an einem Zellblock der Batterie zu befestigen ist. Durch die erfindungsgemäße Lösung wird somit eine Reduzierung des Montageaufwands, der Kosten und eines Bauraumbedarfs der Temperiereinheit an der Batterie und somit auch eine Reduzierung des Bauraumbedarfs der Batterie erreicht.
  • Ausführungsbeispiele der Erfindung werden im Folgenden anhand von Zeichnungen näher erläutert.
  • Dabei zeigen:
  • 1 schematisch eine Explosionsdarstellung einer Ausführungsform eines Zellblocks mit einer Kühlplatte für eine Batterie,
  • 2 schematisch eine Explosionsdarstellung einer Ausführungsform einer Zellverbindereinheit,
  • 3 schematisch eine perspektivische Darstellung des Zellblocks mit Kühlplatte aus 1 und der Zellverbindereinheit aus 2,
  • 4 schematisch eine perspektivische Darstellung einer Ausführungsform einer Batterie,
  • 5 schematisch eine Querschnittdarstellung der Batterie aus 4,
  • 6 schematisch eine Ausschnittvergrößerung von 5,
  • 7 schematisch eine Explosionsdarstellung einer weiteren Ausführungsform einer Zellverbindereinheit,
  • 8 schematisch eine perspektivische Darstellung eines Zellblocks mit Kühlplatte und der Zellverbindereinheit aus 7,
  • 9 schematisch eine perspektivische Darstellung einer weiteren Ausführungsform einer Batterie,
  • 10 schematisch eine Querschnittdarstellung der Batterie aus 9,
  • 11 schematisch eine Ausschnittvergrößerung von 10,
  • 12 schematisch eine perspektivische Darstellung zweier Einzelzellen und eines Zellhalters,
  • 13 schematisch eine Explosionsdarstellung einer weiteren Ausführungsform eines Zellblocks,
  • 14 schematisch eine Explosionsdarstellung einer Ausführungsform einer Zellspannungsabgriffseinheit von oben,
  • 15 schematisch eine Explosionsdarstellung einer Ausführungsform einer Zellspannungsabgriffseinheit von unten,
  • 16 schematisch eine perspektivische Darstellung einer Ausführungsform einer Zellspannungsabgriffseinheit von unten,
  • 17 schematisch eine perspektivische Darstellung des Zellblocks aus 13 und der Zellspannungsabgriffseinheit aus den 14 bis 16,
  • 18 schematisch eine perspektivische Darstellung einer weiteren Ausführungsform einer Batterie,
  • 19 schematisch eine Querschnittdarstellung der Batterie aus 18, und
  • 20 schematisch eine Ausschnittvergrößerung von 19.
  • Einander entsprechende Teile sind in allen Figuren mit den gleichen Bezugszeichen versehen.
  • 1 zeigt eine Explosionsdarstellung einer Ausführungsform eines Zellblocks 1 mit einer Kühlplatte 2 für eine in den 4 bis 6 dargestellte Ausführungsform einer Batterie 3 und für eine in den 9 bis 11 dargestellte weitere Ausführungsform der Batterie 3. Eine weitere Ausführungsform des Zellblocks 1 ist in 13 dargestellt.
  • Dieser Zellblock 1 ist für die Ausführungsform der Batterie 3 gemäß den 18 bis 20 vorgesehen.
  • Die Batterie 3, d. h. der elektrochemische Energiespeicher, ist jeweils zweckmäßigerweise als eine so genannte Hochvoltbatterie ausgebildet, welche insbesondere für Fahrzeuganwendungen vorgesehen ist, insbesondere als eine Traktionsbatterie für ein Hybridfahrzeug oder ein Elektrofahrzeug zur Speicherung elektrischer Energie für mindestens eine elektrische Antriebsmaschine des Fahrzeugs. Alternativ oder zusätzlich kann eine solche Batterie 3 auch für Stationäranwendungen vorgesehen sein, beispielsweise als Stromversorger und/oder -speicher.
  • Die Batterie 3 umfasst eine Mehrzahl seriell und/oder parallel elektrisch verschalteter Einzelzellen 4, welche in den dargestellten Beispielen zu einem Zellblock 1 zusammengefasst sind. In anderen Beispielen kann die Batterie 3 auch eine Mehrzahl solcher Zellblöcke 1 aufweisen. Der Zellblock 1 weist neben den Einzelzellen 4 zweckmäßigerweise des Weiteren Einrichtungen zu deren mechanischer Fixierung, zur Kontaktierung und zur Temperierung der Einzelzellen 4 auf, welche im Folgenden noch näher beschrieben werden. Zweckmäßigerweise ist der Zellblock 1 oder sind die Mehrzahl von Zellblöcken 1 in einem hier nicht näher dargestellten stabilen Batteriegehäuse angeordnet, in welchem des Weiteren beispielsweise erforderliche Einrichtungen zur elektrischen Steuerung und Absicherung der Batterie 3 angeordnet sind, beispielsweise ein Batteriemanagementsystem, Schütze zur Zu- und Abschaltung des Stroms, Sicherungen und Strommesseinrichtungen. Des Weiteren weist das Batteriegehäuse zweckmäßigerweise Anschlüsse auf, zum Beispiel für eine elektrische Kontaktierung der Batterie 3, für eine Kühlmittelzuführung und -abführung und für eine Batteriesteuerung.
  • Eine mechanische Fixierung der Einzelzellen 4 zur Bildung des Zellblocks 1 erfolgt beispielsweise durch Zellhalter 5 in Rahmen- oder Schalenform, die zwischen den Einzelzellen 4 angeordnet sind und/oder diese jeweils am Rand umschließen, wie beispielsweise in den 12 und 13 sowie 19 und 20 gezeigt. Die Einzelzellen 4 und, wenn vorhanden, die Zellhalter 5 sind zweckmäßigerweise über durchgehende Spannelemente 6 gegeneinander verpresst. In den hier dargestellten Beispielen sind diese Spannelemente 6 als aufgeschweißte Verbindungsbleche ausgebildet. In anderen Ausführungsbeispielen können die Spannelemente 6 beispielsweise als Zuganker, Gewindestangen oder Spannbänder ausgebildet sein, wobei auch eine Kombination verschiedener Spannelemente 6 möglich ist. Eine Einleitung von Spannkräften in den Zellblock 1 erfolgt zweckmäßigerweise durch an stirnseitigen Enden des Zellblocks 1 angeordnete Druckbrillen 7. Die Zellhalter 5 fixieren die Einzelzellen 4 vorzugsweise kraftschlüssig durch Druck auf einen umlaufenden Rand und/oder auf eine Fläche eines Zellgehäuses.
  • Zur elektrischen Reihen- und/oder Parallelschaltung der Einzelzellen 4 sind Zellpole 8 benachbarter Einzelzellen 4 entweder direkt elektrisch miteinander verbunden, wie in den 13 sowie 17, 19 und 20 gezeigt, wobei in dem dort dargestellten Ausführungsbeispiel die Zellpole 8 als Ableiterfahnen ausgebildet sind, oder die Zellpole 8 sind über elektrisch leitfähige Zellverbinder 9 elektrisch miteinander verbunden. Dies wird auch als High-Voltage-Kontaktierung oder HV-Kontaktierung bezeichnet. Des Weiteren ist zweckmäßigerweise entweder jeder Zellpol 8 oder jeder Zellverbinder 9 mit einer Einrichtung zur Zellspannungsmessung und/oder -überwachung und/oder zur Durchführung eines Ladungsausgleichs, das so genannte Balancing, elektrisch verbunden, auch als Low-Voltage-Kontaktierung oder LV-Kontaktierung bezeichnet. Hierfür werden, wie in den 14 bis 20 gezeigt, beispielsweise so genannte metallische Kontaktplättchen 10 verwendet, auch als Kontaktpads bezeichnet, welche über Signalkabel oder Leiterbahnen 11 mit einer hier nicht gezeigten Batterieelektronik verbunden sind. Der oben beschriebene Ladungsausgleich wird vorzugsweise bei Lithium-Ionen-Einzelzellen oder Lithium-Polymer-Einzelzellen durchgeführt.
  • Eine elektrische Reihenschaltung der Einzelzellen 4 wird vereinfacht, wenn in den Zellpolen 8 der Einzelzellen 4 eine Zellverbinderfunktion bereits integriert ist. Beispielsweise sind, wie im Ausführungsbeispiel gemäß den 13 sowie 17, 19 und 20 gezeigt und oben bereits beschrieben, die Zellpole 8 als Ableiterfahnen ausgebildet, wobei Ableiterfahnen von im Zellblock 1 nebeneinander liegenden Einzelzellen 4, welche als so genannte Pouchzellen ausgebildet sind, jeweils aufeinander zu gebogen und im Überlappungsbereich durch Verpressung oder Verschweißung miteinander verbunden sind. Bei derartigen Pouchzellen ist ein elektrochemisch aktiver Inhalt, d. h. ein Elektrodenstapel oder Elektrodenwickel aus einzelnen elektrolytgetränkten Lagen von Anoden und Kathoden, die jeweils von Separatoren getrennt sind, von einer Folie umschlossen, durch welche die Zellpole 8 in Blechform, d. h. als Ableiter oder Ableiterfahne, isoliert nach außen geführt sind.
  • Sind Zellverbinder 9 erforderlich, dann sind vorzugsweise mehrere oder alle Zellverbinder 9 zur Vereinfachung der Montage in einem starren Träger, wie zum Beispiel einer Zellverbinderplatine oder einer in den 2 bis 12 dargestellten Zellverbindereinheit 12, zusammengefasst, wobei diese Zellverbinderplatine oder Zellverbindereinheit 12 zweckmäßigerweise gleichzeitig die Funktion des Zellspannungsabgriffs übernimmt. Der Abgriff der Zellspannungen erfolgt vorzugsweise an den Zellverbindern 9, wobei die einzelnen Spannungssignale über Leiterbahnen 11 zu einem Anschluss oder Stecker geführt werden, über den die Anbindung an die Batterieelektronik erfolgt. Auf diese Weise ist eine kombinierte Zellverbindereinheit 12 und Zellspannungsabgriffseinheit 13 ausgebildet.
  • Sind keine Zellverbinder 9 erforderlich, dann sind vorzugsweise die Einrichtungen zum Zellspannungsabgriff, d. h. die Kontaktplättchen 10 zur Verbindung mit den Zellpolen 8, die Signalkabel oder Leiterbahnen 11 sowie Stecker zur Batterieelektronik, zur Vereinfachung der Montage in einer Zellspannungsabgriffseinheit 13 zusammengefasst, welche beispielsweise als eine Platine mit eingesetzten Kontaktplättchen 10 aus Massivmaterial oder als eine flexible Folie mit integrierten folienartigen Kontaktplättchen 10 und Leiterbahnen 11 ausgebildet ist.
  • Die Kontaktierung mit den Zellpolen 8 und/oder Zellverbindern 9 erfolgt beispielsweise stoffschlüssig, zum Beispiel durch verschweißen, beispielsweise mittels Laserschweißung, Widerstandspressschweißung und/oder Ultraschall-Schweißung, wie in den 4 und 9 gezeigt, oder formschlüssig, zum Beispiel mittels Durchsetzfügen, Clinchen, Crimpen und/oder Nieten. Dadurch ist auch bei einer hohen thermischen, mechanischen und/oder korrosiven Belastung über eine Batterielebensdauer hinweg die Funktionsfähigkeit sichergestellt. Bei einer geringeren Anforderung an die Lebensdauer und/oder einer geringen korrosiven Belastung ist auch der Einsatz von Pressverbindungen möglich, beispielsweise mittels Schrauben und/oder Klemmen.
  • Zur Abführung von Verlustwärme werden die Einzelzellen 4 zweckmäßigerweise gekühlt, beispielsweise mittels der in den 1, 3 bis 5 und 8 bis 10 dargestellten Kühlplatte 2, welche von einem Temperiermedium durchflossen ist, beispielsweise von Wasser, einem Kältemittel einer Fahrzeugklimaanlage oder Luft, oder der Zellblock 1 weist ein oder mehrere Kältequellen auf, beispielsweise Peltierelemente. Derartige Kühlplatten 2 oder Kältequellen sind aus Bauraum- und Kostengründen vorzugsweise seitlich, oben und/oder unten am Zellblock 1 angeordnet und temperieren somit zweckmäßigerweise alle oder zumindest mehrere Einzelzellen 4 des Zellblocks 1 gleichzeitig.
  • Beispielsweise sind die Einzelzellen 4 mit mindestens einer Schmalseite direkt mit der Kühlplatte 2 thermisch kontaktiert, im hier dargestellten Beispiel mit einer von den Zellpolen 8 abgewandten Unterseite. Dies ist besonders vorteilhaft bei Zelltypen mit einem metallischen Zellgehäuse. Auf diese Weise wird eine Gehäusekühlung realisiert. Ist eine Wärmeleitfähigkeit des Zellgehäuses nicht ausreichend, beispielsweise bei den oben bereits beschriebenen Pouchzellen, deren Zellgehäuse aus einer dünnen Verbundfolie ausgebildet ist, dann sind beispielsweise zusätzliche hier nicht dargestellte Wärmeleitelemente, zum Beispiel Wärmeleitbleche und/oder -stäbe, vorgesehen, so dass eine Wärmeleitelementkühlung realisiert ist. Dabei geben die Einzelzellen 4 die Wärme zunächst an die Wärmeleitelemente ab, die beispielsweise zwischen den Einzelzellen 4 angeordnet sind. Die Wärmeleitung in Richtung der Kühlplatte 2 erfolgt dann längs durch das Wärmeleitelement, welches hierzu aus gut wärmeleitfähigem Material, zum Beispiel aus Metall, wie beispielsweise Aluminium oder Kupfer, ausgebildet ist.
  • Des Weiteren kann auch vorgesehen sein, die Zellpole 8 und/oder Zellverbinder 9, die über den metallischen Stromleitpfad ebenfalls thermisch gut an das Zellinnere angebunden sind, zur Temperierung zu verwenden und diese mit der Kühlplatte 2 in Kontakt zu bringen. Dies wurde bereits in der DE 10 2008 034 867 A1 der Anmelderin beschrieben. Voraussetzung hierfür ist ein ausreichend großer Querschnitt der Zellpole 8 und/oder Zellverbinder 9.
  • Zum Ausgleich von Toleranzen und zur elektrischen Isolation ist zwischen der Kühlplatte 2 und dem zu temperierenden Bauteil, welches in der Regel elektrisch spannungs- bzw. potentialführend ist, eine Wärmeleitfolie 14 angeordnet oder ein Spalt zwischen der Kühlplatte 2 und dem zu temperierenden Bauteil ist mit einer Vergussmasse ausgefüllt. Die Wärmeleitfolie 14 und die Vergussmasse sind elektrisch isolierend und gut wärmeleitfähig. In den dargestellten Beispielen gemäß den 1, 3 bis 5 und 8 bis 10 ist das von der Kühlplatte 2 zu temperierende Bauteil die jeweilige Einzelzelle 4. In anderen Beispielen kann dies beispielsweise das Wärmeleitelement oder der Zellpol 8 oder Zellverbinder 9 sein, wobei diese Bauteile lediglich der Wärmeübertragung zwischen der zu temperierenden Einzelzelle 4 und der Kühlplatte 2 dienen.
  • Um die Batterie 3 auch bei niedrigen Temperaturen betreiben zu können, ist zur Verhinderung von Kapazitäts- und Leistungsabfall eine Heizung sinnvoll. Ist ein Kühlkreislauf mit einem flüssigen Temperiermedium, beispielsweise Wasser oder Wasser-Glykol-Gemisch, vorhanden, kann dieser auch zur Heizung der Einzelzellen 4 eingesetzt werden. Bei niedrigen Temperaturen wird das Temperiermedium vorgewärmt und zu den Einzelzellen 4 geleitet. Im Kühlkreislauf befindet sich dazu ein Heizelement, welches beispielsweise als ein elektrisch betriebenes Heizelement oder als ein Wärmetauscher ausgebildet ist, der Wärme vom Kühlmedium einer elektrischen Maschine, einer Leistungselektronik und/oder eines Verbrennungsmotors des Fahrzeugs an das Temperiermedium überträgt.
  • Hierfür ist jedoch ein hoher Leistungsaufwand zur Heizung erforderlich. Des Weiteren sind derartige Kreisläufe thermisch träge, da eine gesamte Masse des Temperiermediums erhitzt werden muss und über Zuleitungen Wärme in die Umgebung abgegeben wird. Bei einem zeitweilig gasförmigen Kühlmedium, beispielsweise dem Kältemittel der Fahrzeugklimaanlage, das zur Erzeugung von Kälte verdampft wird, ist der Einsatz des Kühlkreislaufes zur Heizung ebenfalls nicht sinnvoll.
  • Zur Lösung dieses Problems wurde in der DE 10 2011 104 000 A1 der Anmelderin vorgeschlagen, die Einzelzellen 4 direkt über deren elektrische Kontakte, d. h. Zellpole 8 oder Terminals oder Zellverbinder 9 zu heizen, wofür diese mit einem vorzugweise elektrisch betriebenen Heizelement, beispielsweise einer Heizmatte oder einem Heizstab, thermisch gekoppelt sind, wie in 4 der DE 10 2011 104 000 A1 gezeigt.
  • Hierbei ist das Heizelement jedoch ein zusätzliches Bauteil, das an den Zellblock 1 beispielsweise durch Verklebung oder Verpressung angebracht werden muss. Hierdurch erhöhen sich Kosten, ein Montageaufwand und ein Bauraumbedarf.
  • Zur Lösung dieses Problems ist daher vorgesehen, dass die Zellverbindereinheit 12 und/oder Zellspannungsabgriffseinheit 13 für die Batterie 3 zumindest eine Temperiereinheit 15 umfasst, wie in den 2 bis 11 für die Zellverbindereinheit 12 oder die kombinierte Zellverbindereinheit 12 und Zellspannungsabgriffseinheit 13 und in den 14 bis 20 für die Zellspannungsabgriffseinheit 13 dargestellt. Durch diese Integration zumindest einer Temperiereinheit 15, welche als Kühleinheit und/oder Heizeinheit ausgebildet ist, in die Zellverbindereinheit 12 und/oder Zellspannungsabgriffseinheit 13, wird aufgrund einer geringeren Anzahl von Einzelteilen eine einfachere Montage der Batterie 3 ermöglicht, da keine separaten Temperierelemente, insbesondere keine separaten Heizelemente, am Zellblock 1 der Batterie 3 zu befestigen sind. Durch diese Lösung wird somit eine Reduzierung des Montageaufwands, der Kosten und des Bauraumbedarfs erreicht.
  • Beispielsweise ist eine als Heizeinheit ausgebildete Temperiereinheit 15 vorgesehen, wie in den 2 bis 11 gezeigt, oder es sind beispielsweise eine Mehrzahl jeweils als Heizeinheit ausgebildete Temperiereinheiten 15 vorgesehen, wie in den 14 bis 20 gezeigt. Die Temperiereinheit 15 oder die Temperiereinheiten 15 ist/sind in die Zellverbindereinheit 12 und/oder Zellspannungsabgriffseinheit 13 integriert. Mit einem Aufsetzen der Zellverbindereinheit 12 und/oder Zellspannungsabgriffseinheit 13 auf den Zellblock 1 erfolgt somit gleichzeitig die thermische Kontaktierung zwischen der jeweiligen Temperiereinheit 15 und den Zellpolen 8. Da die Zellpole 8 über einen rein metallischen Wärmeleitpfad gut thermisch an das Zellinnere angebunden sind, erfolgt die Heizung der Einzelzellen 4 gleichmäßig und ohne hohe Verluste. Die Temperiereinheit 15 kann beispielsweise stoff- und/oder kraftschlüssig mit den Zellverbindern 9 oder Kontaktplättchen 10 zum Zellspannungsabgriff verbunden sein, so dass über diese bei deren Verbindung mit den Zellpolen 8 die thermische Anbindung realisiert ist. Dies ist besonders vorteilhaft bei Zellverbindern 9 und massiven Kontaktplättchen 10 zum Zellspannungsabgriff.
  • Des Weiteren kann die Temperiereinheit 15 beispielsweise in einem Grundkörper 19 oder Träger der Zellverbindereinheit 12 und/oder Zellspannungsabgriffseinheit 13 befestigt sein, welcher beispielsweise als eine Platine oder als ein Spritzgussteil ausgebildet ist. Durch eine Fixierung der Zellverbindereinheit 12 und/oder Zellspannungsabgriffseinheit 13 auf dem Zellblock 1 wird somit die Temperiereinheit 15 durch Verpressung mit den Zellpolen 8 direkt in thermischen Kontakt gebracht. Dies ist besonders vorteilhaft bei Kontaktplättchen 10 aus dünnem Folienmaterial.
  • Erfolgt die thermische Anbindung mittels Kraftschluss, dann kann zum Ausgleich von Toleranzen und zur elektrischen Isolation eine Wärmeleitfolie 14 aus gut wärmeleitfähigem, aber elektrisch isolierendem Material vorgesehen sein, analog zur oben bereits beschriebenen Anbindung der Kühlplatte 2 an den Zellblock 1.
  • Die Temperiereinheit 15 ist beispielsweise als eine elektrische Temperiereinheit 15 ausgebildet. So ist die als Heizeinheit ausgebildete Temperiereinheit 15 beispielsweise als eine elektrische Heizplatte, auch als Heizpad bezeichnet, als elektrische Heizmatte oder als elektrischer Heizstab ausgebildet und erzeugt Wärme zweckmäßigerweise mittels eines insbesondere mäander- oder spiralförmig geformten elektrischen Widerstands 16, welcher beispielsweise als ein Widerstandsdraht oder Widerstandsband ausgebildet ist, wie in den dargestellten Ausführungsbeispielen. Des Weiteren kann die als Heizeinheit ausgebildete Temperiereinheit 15 beispielsweise als ein so genanntes PTC-Element ausgebildet sein (PTC = positive temperature coefficient = positiver Temperaturkoeffizient), welches durch einen positiven Temperaturkoeffizienten einen Ansteuerungsstrom und somit eine Heizwirkung beim Erreichen einer vorgegebenen Solltemperatur reduziert oder unterbricht und wodurch optional eine externe Temperaturregelung entfallen kann.
  • Wird die insbesondere als Heizeinheit ausgebildete Temperiereinheit 15 aktiv geregelt, dann sind in der Temperiereinheit 15 und/oder in der Zellverbindereinheit 12 und/oder Zellspannungsabgriffseinheit 13 zweckmäßigerweise ein oder mehrere Temperatursensoren integriert. Eine Stromversorgung der elektrischen Temperiereinheit 15 oder der Mehrzahl elektrischer Temperiereinheiten 15 erfolgt vorzugsweise über eine Steckverbindung, welche in einen ohnehin an der Zellverbindereinheit 12 und/oder Zellspannungsabgriffseinheit 13 vorhanden Stecker zum Abgriff der Zellspannungen integriert sein kann.
  • Die Temperiereinheit 15 kann weitere Funktionen aufweisen. Beispielsweise sind die Zellverbinder 9 in nach unten teilweise abgeschlossene Taschen in der Zellverbindereinheit 12 und/oder Zellspannungsabgriffseinheit 13 angeordnet und mit der beispielsweise als Heizmatte ausgebildeten Temperiereinheit 15 überklebt, so dass die Zellverbinder 9 gehalten sind und am Herausfallen noch oben gehindert sind. Alternativ oder zusätzlich können die Zellverbinder 9 auf die mit entsprechenden Aussparungen 20 versehene und beispielsweise als Heizmatte ausgebildete Temperiereinheit 15 geklebt sein, so dass keine zusätzliche Platine zur Fixierung der Zellverbinder 9 erforderlich ist.
  • Anstelle der als Heizeinheit ausgebildeten Temperiereinheit 15 kann eine als Kühleinheit ausgebildete Temperiereinheit 15 oder eine als kombinierte Kühl- und Heizeinheit ausgebildete Temperiereinheit 15 vorgesehen sein, so dass dann sowohl eine Heizfunktion als auch eine Kühlfunktion realisierbar ist. Eine solche Temperiereinheit 15, welche sowohl eine Heizfunktion als auch eine Kühlfunktion erfüllen kann, ist beispielsweise als ein Peltierelement ausgebildet. Die Zellverbindereinheit 12 und/oder Zellspannungsabgriffseinheit 13 weist dann ein oder zweckmäßigerweise mehrere derartige elektrische Peltierelemente auf, so dass eine bauraumsparende Heizung und Kühlung der Einzelzellen 4 ermöglicht ist.
  • Des Weiteren kann die Temperiereinheit 15 beispielsweise als eine mit einem extern temperierten Temperiermedium, beispielsweise Wasser oder Wasser-Glykol-Gemisch oder Klimamittel der Fahrzeugklimaanlage, durchströmte geschlossene Platte oder ein geschlossenes Rohr ausgebildet sein, d. h. beispielsweise als eine Kühlplatte, Heizplatte oder Temperierplatte, wobei die Temperierplatte sowohl eine Kühlfunktion als auch eine Heizfunktion erfüllen kann.
  • Durch die beschriebene Lösung verbessert sich eine Effizienz einer zusätzlichen Zellblockheizung, wobei die Lösung mit einem geringen Montageaufwand, mit geringen Kosten sowie mit einem geringen Bauraumbedarf verbunden ist.
  • Im Folgenden wird die beschriebene Lösung anhand von drei Ausführungsbeispielen detailliert erläutert, wobei die 1 bis 6 das erste Ausführungsbeispiel, die 7 bis 11 das zweite Ausführungsbeispiel und die 12 bis 20 das dritte Ausführungsbeispiel zeigen.
  • In den ersten beiden Ausführungsbeispielen gemäß den 1 bis 11 weist der Zellblock 1 eine Mehrzahl als so genannte prismatische Hardcasezellen ausgebildete Einzelzellen 4 auf. Diese Einzelzellen 4 weisen ein im Wesentlichen festes quaderförmiges Gehäuse auf. Die Einzelzellen 4 sind parallel zueinander ausgerichtet, hintereinander angeordnet und in Längsrichtung über zwei an den stirnseitigen Enden des Zellblocks 1 angeordnete Druckbrillen 7 verpresst, die über zwei als Verbindungsbleche ausgebildete verschweißte Spannelemente 6 miteinander verbunden sind. Der Zellblock 1 ist zur Kühlung auf einer Kühlplatte 2 angeordnet, welche zweckmäßigerweise aus Metall, beispielsweise aus Aluminium, ausgebildet ist und einen Temperiermediumkanal 17 zum Durchströmen eines Temperiermediums aufweist, beispielsweise zentral temperiertes Kühlwasser oder Wasser-Glykol-Gemisch.
  • Der Zellblock 1 ist mit beispielsweise als Schrauben ausgebildeten Befestigungselementen 18 auf der Kühlplatte 2 fixiert. Zum Ausgleich von Toleranzen und zur elektrischen Isolation ist zwischen einer Unterseite der Einzelzellen 4 und der Kühlplatte 2 eine Wärmeleitfolie 14 angeordnet. Die elektrische Reihenschaltung der Einzelzellen 4 erfolgt durch Zellverbinder 9, welche beispielsweise aus massivem Kupfermaterial oder Aluminiummaterial ausgebildet sind. Die Zellverbinder 9 sind in der Zellverbindereinheit 12 oder kombinierten Zellverbindereinheit 12 und Zellspannungsabgriffseinheit 13 angeordnet, deren Grundkörper 19, auch als Träger oder Platine bezeichnet, beispielsweise aus Kunststoff ausgebildet ist. Hierzu weist im Ausführungsbeispiel gemäß den 1 bis 6 der Grundkörper 19 Aussparungen 20 auf, in welche die Zellverbinder 9 eingelegt sind. In einem unteren Bereich und an einem oberen Seitenrand der jeweiligen Aussparung 20 sind Haltestege 21 angeordnet, durch welche die Zellverbinder 9 gehalten und gegen ein Herausfallen gesichert sind.
  • In der Zellverbindereinheit 12 oder kombinierten Zellverbindereinheit 12 und Zellspannungsabgriffseinheit 13 ist des Weiteren die Temperiereinheit 15 integriert, welche im dargestellten Beispiel als eine elektrische Heizmatte ausgebildet ist. Beispielsweise weist die Temperiereinheit 15 einen flexiblen Temperiereinheit-Grundkörper aus Kunststoff auf, zum Beispiel aus faserverstärktem Silikon, in welchem ein als elektrischer Heizspirale ausgebildeter elektrischer Widerstand 16 angeordnet ist, wobei zur elektrischen Isolation der als Heizspirale ausgebildete elektrische Widerstand 16 zweckmäßigerweise im Wesentlichen vollständig vom Kunststoffmaterial des Temperiereinheit-Grundkörpers umschlossen ist.
  • Die Temperiereinheit 15 ist im Ausführungsbeispiel gemäß den 1 bis 6 mit der Oberseite des Grundkörpers 19 sowie mit Oberseiten der Zellverbinder 9 verklebt. Hierzu sind die Zellverbinder 9 entsprechend vergrößert ausgebildet, so dass sie sich bis in einen mittleren Bereich des Grundkörpers 19 und somit bis unter die Temperiereinheit 15 erstrecken. Durch das Aufkleben der Temperiereinheit 15 auf den Grundkörper 19 der Zellverbindereinheit 12 oder der kombinierten Zellverbindereinheit 12 und Zellspannungsabgriffseinheit 13 sowie auf die Zellverbinder 9 sind die Zellverbinder 9 im Grundkörper 19 fixiert.
  • Die thermische Ankopplung der als Heizmatte ausgebildeten Temperiereinheit 15 an die Einzelzellen 4 erfolgt durch Aufschweißen der Zellverbinder 9 auf die Zellpole 8, wofür vorzugsweise eine Laserschweißung mit Überlappnähten verwendet wird. Handelt es sich um eine kombinierten Zellverbindereinheit 12 und Zellspannungsabgriffseinheit 13, so weist sie zweckmäßigerweise im Ausführungsbeispiel gemäß den 1 bis 6 nicht dargestellte Leiterbahnen 11 zum Zellspannungsabgriff auf, die zweckmäßigerweise an einem Ende an die Zellverbinder 9 geschweißt sind und am anderen Ende zweckmäßigerweise in einen Stecker münden.
  • Das zweite Ausführungsbeispiel gemäß den 7 bis 11 ist ähnlich dem vorhergehenden Ausführungsbeispiel. Insbesondere ist hier ebenfalls der oben bereits beschriebene Zellblock 1 mit der Kühlplatte 2 vorgesehen. In diesem Ausführungsbeispiel bildet die zweckmäßigerweise als Heizmatte ausgebildete Temperiereinheit 15 gleichzeitig den Grundkörper 19 der Zellverbindereinheit 12 oder der kombinierten Zellverbindereinheit 12 und Zellspannungsabgriffseinheit 13, so dass ein beispielsweise als Platine ausgebildeter separater Grundkörper 19 nicht erforderlich ist. Die Zellverbinder 9 sind direkt auf die Unterseite der als Heizmatte ausgebildeten Temperiereinheit 15 geklebt und auf diese Weise am Zellblock 1 positioniert. Die Zellverbindereinheit 12 oder kombinierte Zellverbindereinheit 12 und Zellspannungsabgriffseinheit 13 ist somit als Temperiereinheit 15, insbesondere Heizmatte, mit integrierten Zellverbindern 9 ausgebildet.
  • Die thermische Ankopplung der als Heizmatte ausgebildeten Temperiereinheit 15 an die Einzelzellen 4 erfolgt auch hier durch Aufschweißen der Zellverbinder 9 auf die Zellpole 8, wofür vorzugsweise eine Laserschweißung mit Überlappnähten verwendet wird. Hierfür weist die als Heizmatte ausgebildete Temperiereinheit 15, welche die Funktion des Grundkörpers 19 übernimmt, entsprechende Aussparungen 20 im Bereich der Zellverbinder 9 auf, so dass die Zellverbinder 9 für einen Laserstrahl oder eine andere Schweißvorrichtung zugänglich sind.
  • Im weiteren Ausführungsbeispiel gemäß den 12 bis 20 weist der Zellblock 1 als oben bereits beschriebene Pouchzellen ausgebildete Einzelzellen 4 auf. Die Einzelzellen 4 sind jeweils paarweise in doppelschalenförmige Zellhalter 5 geklebt. Stirnseitig sind am Zellblock 1 an beiden Seiten jeweils ein Stromkollektor 22 und stirnseitig außen jeweils eine Druckbrille 7 angeordnet, über welche die Einzelzellen 4 mit Zellhaltern 5 und die beiden Stromkollektoren 22 in Längsrichtung des Zellblocks 1 verpresst sind. Die beiden Druckbrillen 7 sind auch hier über zwei als Verbindungsbleche ausgebildete und mit den Druckbrillen 7 verschweißte Spannelemente 6 miteinander verbunden. Die Stromkollektoren 22 stellen einen Hochvoltanschluss des Zellblocks 1 bereit.
  • Die elektrische Kontaktierung der Einzelzellen 4 erfolgt in diesem Beispiel durch die direkte Verbindung der als Ableiterfahnen ausgebildeten Zellpole 8 der jeweiligen benachbarten Einzelzellen 4, die aufeinander zu gebogen und im Überlapp-Verfahren mittels eines Lasers verschweißt sind. Dadurch sind keine zusätzlichen Zellverbinder 9 erforderlich. Zum Abgriff der Zellspannung weist die Zellspannungsabgriffseinheit 13 dünne Kontaktplättchen 10 aus Metall, auch als Metallkontaktpads bezeichnet, auf, die auf einen äußeren Rand der als Ableiterfahnen ausgebildeten Zellpole 8 geschweißt sind. Diese Kontaktplättchen 10 sind zusammen mit den Leiterbahnen 11 in einer dünnen Trägerfolie 23 gelagert. Die Trägerfolien 23 zum Zellspannungsabgriff für beide seitliche Reihen der Zellpole 8 sind am als eine stabile Platine, beispielsweise aus Kunststoff, ausgebildeten Grundkörper 19 der Zellspannungsabgriffseinheit 13 befestigt. Auf der Unterseite dieses Grundkörpers 19 sind zwei Temperiereinheiten 15 angeordnet, beispielsweise durch Verkleben befestigt, welche im dargestellten Beispiel jeweils als eine elektrische Heizmatte ausgebildet sind und beispielsweise analog den oberen Ausführungsbeispielen ausgebildet sind. Diese Temperiereinheiten 15 sind zweckmäßigerweise in entsprechend ausgeformten Ausnehmungen an der Unterseite des Grundkörpers 19 angeordnet, wie in 15 in einer perspektivischen Ansicht der Unterseite der Zellspannungsabgriffseinheit 13 gezeigt. Die Zellspannungsabgriffseinheit 13 ist im dargestellten Beispiel mittels als Schrauben ausgebildeten Halterungselementen 24, welche jeweils in einen der Zellhalter 5 eingeschraubt sind, am Zellblock 1 befestigt, wodurch die beiden Temperiereinheiten 15 auf einen inneren Rand der als Ableiterfahnen ausgebildeten Zellpole 8 gepresst und auf diese Weise thermisch mit den Einzelzellen 4 gekoppelt sind.
  • Bezugszeichenliste
  • 1
    Zellblock
    2
    Kühlplatte
    3
    Batterie
    4
    Einzelzelle
    5
    Zellhalter
    6
    Spannelement
    7
    Druckbrille
    8
    Zellpol
    9
    Zellverbinder
    10
    Kontaktplättchen
    11
    Leiterbahn
    12
    Zellverbindereinheit
    13
    Zellspannungsabgriffseinheit
    14
    Wärmeleitfolie
    15
    Temperiereinheit
    16
    Widerstand
    17
    Temperiermediumkanal
    18
    Befestigungselement
    19
    Grundkörper
    20
    Aussparung
    21
    Haltesteg
    22
    Stromkollektor
    23
    Trägerfolie
    24
    Halterungselement
  • 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 102011104000 A1 [0003, 0047, 0047]
    • DE 102008034867 A1 [0043]

Claims (5)

  1. Zellverbindereinheit (12) und/oder Zellspannungsabgriffseinheit (13) für eine Batterie (3) mit einer Mehrzahl von Einzelzellen (4), umfassend zumindest eine Temperiereinheit (15).
  2. Zellverbindereinheit (12) und/oder Zellspannungsabgriffseinheit (13) nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die zumindest eine Temperiereinheit (15) mit Zellverbindern (9) und/oder Kontaktplättchen (10) stoffschlüssig oder kraftschlüssig verbunden ist.
  3. Zellverbindereinheit (12) und/oder Zellspannungsabgriffseinheit (13) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die zumindest eine Temperiereinheit (15) in und/oder an einem Grundkörper (19) befestigt ist.
  4. Zellverbindereinheit (12) und/oder Zellspannungsabgriffseinheit (13) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die zumindest eine Temperiereinheit (15) als eine elektrische Temperiereinheit (15) ausgebildet ist.
  5. Zellverbindereinheit (12) und/oder Zellspannungsabgriffseinheit (13) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, umfassend zumindest einen Temperatursensor.
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