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Die Erfindung betrifft einen Zellblock für eine elektrische Batteriegemäß dem Oberbegriff des Anspruchs 1.
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Aus dem Stand der Technik sind allgemein elektrische Batterien bekannt. Solche elektrische Batterien umfassen jeweils eine Mehrzahl elektrisch seriell und/oder parallel miteinander verschalteter Einzelzellen.
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Innerhalb einer elektrischen Batterie sind die Einzelzellen zu zumindest einem Zellblock zusammengefasst, welcher eine Mehrzahl von Einzelzellen und Vorrichtungen zu deren mechanischer Fixierung, Kontaktierung und/oder Temperierung umfasst. Der Zellblock ist in einem stabilen Batteriegehäuse angerordnet, welches zusätzlich erforderliche Vorrichtungen zur elektrischen Steuerung und Absicherung der Batterie, beispielsweise ein so genanntes Batterie-Management-System, Schütze zur Zu- und Abschaltung des elektrischen Stromes, Sicherungen, Strommesser, sowie Anschlüsse zur Stromzuleitung und -ableitung und Kühlmittelzuleitung und -ableitung sowie Anschlüsse für eine Batteriesteuerung, aufweist.
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Aus der
DE 10 2013 015 786 A1 ist eine Batterie mit einer Anzahl elektrisch seriell und/oder parallel miteinander verschalteter Einzelzellen, die zu einem Zellblock zusammengefasst sind, bekannt. Es sind zwei Spannelemente an gegenüberliegenden Seiten des Zellblocks angeordnet, wobei sich die Spannelemente über eine Längsausdehnung des Zellblocks erstrecken und an vorgegebenen Positionen Fixierelemente aufweisen, an welchen jeweils eine Einzelzelle unmittelbar oder mittelbar in einer vorgegebenen Ausrichtung und in einem vorgegebenen Abstand relativ zu zumindest einer weiteren Einzelzelle fixiert ist. Jede Einzelzelle ist zwischen zwei schalen- oder rahmenförmigen, aus Kunststoff gebildeten Halteelementen angeordnet, welche formschlüssig mit den Fixierelementen der Spannelemente verbunden sind.
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Der Erfindung liegt die Aufgabe zu Grunde, einen gegenüber dem Stand der Technik verbesserten Zellblock für eine elektrische Batterie anzugeben.
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Die Aufgabe wird erfindungsgemäß durch einen Zellblock gelöst, welcher die im Anspruch 1 angegebenen Merkmale aufweist.
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Vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung sind Gegenstand der Unteransprüche.
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Der Zellblock für eine elektrische Batterie umfasst eine Mehrzahl elektrisch miteinander verschalteter Einzelzellen, welche jeweils in einem schalen- und/oder rahmenförmigen, aus Kunststoff gebildeten Halteelement gehalten sind, und zumindest ein Spannelement, mittels welchem die Einzelzellen miteinander verspannt sind.
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Erfindungsgemäß ist zwischen den Einzelzellen jeweils zumindest ein zur Kopplung mit einer Temperiervorrichtung vorgesehenes Wärmeleitblech angeordnet und die Halteelemente sind über die Wärmeleitbleche mit dem zumindest einen Spannelement mechanisch verbunden.
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Hierdurch wird vermieden, dass eine von dem Spannelement erzeugte Kraft direkt und punktuell auf das aus Kunststoff gebildete Halteelement, auch als Zellhalter bezeichnet, übertragen wird. Dabei sind die insbesondere aus Metall gebildeten Wärmeleitbleche mechanisch hoch belastbar und verteilen die vom Spannelement eingeleiteten Kräfte großflächig im Kunststoff des Halteelements. Somit wird eine Verbindung mit einer hohen mechanischen Belastbarkeit erzeugt, welche besonders kleinbauend realisierbar ist.
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Ausführungsbeispiele der Erfindung werden im Folgenden anhand von Zeichnungen näher erläutert.
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Dabei zeigen:
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1 schematisch eine perspektivische Ansicht eines ersten Ausführungsbeispiels eines Wärmeleitblechs für eine Einzelzelle eines Zellblocks,
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2 schematisch eine perspektivische Ansicht eines ersten Ausführungsbeispiels eines Halteelements mit einem Wärmeleitblech gemäß 1,
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3 schematisch eine perspektivische Ansicht von zwei Einzelzellen und des Halteelements gemäß 2 im nicht montierten Zustand,
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4 schematisch eine perspektivische Ansicht der zwei Einzelzellen und des Halteelements gemäß 2 im montierten Zustand,
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5 schematisch einen Zellverbund mehrerer Einzelzellen und Halteelemente gemäß 4 im nicht montierten Zustand,
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6 schematisch eine Explosionsdarstellung eines ersten Ausführungsbeispiels eines Zellblocks mit einem Zellverbund gemäß 5,
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7 schematisch eine perspektivische Ansicht auf eine Oberseite des Zellblocks gemäß 6 im montierten Zustand,
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8 schematisch eine perspektivische Ansicht auf eine Unterseite des Zellblocks gemäß 6 im montierten Zustand,
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9 schematisch eine perspektivische Ansicht des Zellblocks gemäß 7 sowie einer Temperiervorrichtung und einer Wärmeleitfolie vor einer Montage,
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10 schematisch eine perspektivische Ansicht eines zweiten Ausführungsbeispiels eines Zellblocks,
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11 schematisch eine perspektivische Ansicht eines dritten Ausführungsbeispiels eines Zellblocks,
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12 schematisch eine perspektivische Ansicht eines zweiten Ausführungsbeispiels eines Wärmeleitblechs und eines zweiten Ausführungsbeispiels eines Halteelements,
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13 schematisch eine perspektivische Ansicht eines dritten Ausführungsbeispiels eines Wärmeleitblechs und des zweiten Ausführungsbeispiels des Halteelements,
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14 schematisch eine perspektivische Ansicht eines vierten Ausführungsbeispiels eines Wärmeleitblechs und eines dritten Ausführungsbeispiels des Halteelements,
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15 schematisch eine perspektivische Ansicht eines vierten Ausführungsbeispiels eines Zellblocks mit einer Mehrzahl von Einzelzellen sowie Wärmeleitblechen und Halteelementen gemäß 14,
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16 schematisch eine perspektivische Ansicht eines fünften Ausführungsbeispiels eines Wärmeleitblechs und eines vierten Ausführungsbeispiels des Halteelements,
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17 schematisch eine perspektivische Ansicht eines fünften Ausführungsbeispiels eines Zellblocks mit einer Mehrzahl von Einzelzellen sowie Wärmeleitblechen und Halteelementen gemäß 16 in einem ersten Montagezustand,
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18 schematisch eine perspektivische Ansicht des Zellblocks gemäß 16 in einem zweiten Montagezustand,
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19 schematisch eine perspektivische Ansicht eines sechsten Ausführungsbeispiels eines Zellblocks sowie einer Temperiervorrichtung und einer Wärmeleitfolie vor einer Montage, und
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20 schematisch eine perspektivische Ansicht des Zellblocks sowie der Temperiervorrichtung und der Wärmeleitfolie nach der Montage.
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Einander entsprechende Teile sind in allen Figuren mit den gleichen Bezugszeichen versehen.
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In den 1 bis 8 sind in verschiedenen Ansichten ein mögliches erstes Ausführungsbeispiel eines erfindungsgemäßen Zellblocks 1 für eine elektrische Batterie sowie Komponenten des Zellblocks 1 dargestellt.
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Die Batterie ist beispielsweise eine so genannte Hochvolt-Batterie für Fahrzeuganwendungen, wie beispielsweise Hybrid-, Plugin- oder Elektrofahrzeuge, oder für Stationäranwendungen, wie beispielsweise Stromversorger oder Stromspeicher.
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Derartige Hochvoltbatterien umfassen zumindest einen Zellblock 1, welcher eine Mehrzahl elektrisch in Reihe und/oder parallel geschalteter elektrochemischer Einzelzellen 2 umfasst. Die jeweils endseitig im Zellblock 1 angeordneten Einzelzellen 2 sind mit jeweils einer Stromkollektorplatte 8 elektrisch verbunden, welche als Hochvolt-Kontakt des Zellblocks 1 ausgebildet sind und mit Polkontakten der Batterie koppelbar sind. Die Stromkollektorplatten 8 sind dabei beispielsweise aus Kunststoff gebildet, in welche massive Stromschienen mit Hochvolt-Kontakten integriert, insbesondere eingespritzt, sind.
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Die Einzelzellen 2 sind so genannte Pouchzellen oder Coffeebag-Zellen, welche als Flachzellen ausgebildet sind und bei welchen ein Zellgehäuse 2.1 aus einer folienartigen Verpackung gebildet ist. Unter Flachzellen werden hierbei Einzelzellen 2 verstanden, deren Höhe und Breite um ein Vielfaches größer sind ist als deren Dicke.
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Das Zellgehäuse 2.1 umfasst eine Verbundfolie, welche eine Lage Aluminiumfolie als Diffusionssperre umfasst, so dass über eine Lebensdauer der Einzelzellen 2 keine Feuchtigkeit und andere Fremdstoffe in diese eindringen und kein Elektrolyt nach außen gelangt. Die Aluminiumfolie ist beidseitig mit einem Kunststoff, insbesondere einem Thermoplast, beschichtet.
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Das Zellgehäuse 2.1 umschließt einen nicht näher dargestellten elektrochemisch aktiven Inhalt und schirmt diesen vor der Umgebung ab. Ein elektrochemisch aktiver Teil der Einzelzelle 2 ist eine Elektrodenanordnung, welche als Elektrodenstapel oder Elektrodenwickel flach ausgebildet ist. Unter einer flachen Ausbildung wird dabei verstanden, dass eine Höhe und Breite der Elektrodenanordnung um ein Vielfaches größer ist als deren Dicke. Der Elektrodenstapel oder Elektrodenwickel ist durch mehrere Lagen aus Kathoden- und Anodenfolien, insbesondere beschichteten Aluminium- und Kupferfolien, gebildet, die jeweils durch eine Separatorlage getrennt sind.
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Die Anoden- und Kathodenlagen der Elektrodenanordnung sind an mindestens einem Rand unbeschichtet ausgebildet und ragen aus dem Elektrodenstapel oder -wickel in der Form von Fahnen heraus, wo sie optional miteinander zu einem Paket verbunden sind, beispielsweise geheftet. Die Fahnen bilden elektrische Pole der Elektrodenanordnung und sind im Inneren der Einzelzelle 2 mit durch das Zellgehäuse 2.1 ragenden flachen und in Blechform ausgebildeten Ableitern 2.2, 2.3 verbunden. Diese Verbindung wird mittels stoffschlüssiger Press- und/oder Schmelzschweißverfahren, wie beispielsweise einer Widerstandspunktschweißung, einer Vibrations- oder Ultraschallschweißung oder Laserschweißung, und/oder mittels einer kraftschlüssigen Anbindung, wie beispielsweise eine Nietung, und/oder mittels einer formschlüssigen Verbindung, wie beispielsweise einem Durchsetzfügen durch so genanntes Clinchen oder Toxen, erzeugt.
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Die Ableiter 2.2, 2.3 sind elektrisch isoliert durch das Zellgehäuse 2.1 nach außen geführt, um eine Stromeinleitung und Stromausleitung zu ermöglichen. In einer möglichen Ausgestaltung ist ein am Pluspol angeordneter Ableiter 2.2 aus Aluminium und ein am Minuspol angeordneter Ableiter 2.3 aus Kupfer gebildet.
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Die Ableiter 2.2, 2.3 verlaufen dabei mit ihren Flachseiten im Wesentlichen senkrecht zu Flachseiten der Einzelzelle 2, so dass eine einfache elektrische Verschaltung von benachbarten Einzelzellen 2, beispielsweise mittels Verschweißung und/oder Verpressung der direkt aufeinander gebogenen Ableiter 2.2, 2.3, möglich ist.
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Nach einer Anordnung der Elektrodenanordnung innerhalb des Zellgehäuses 2.1 und einem Einfüllen eines Elektrolyten in dieses werden zwei sich gegenüberliegende und im Wesentlichen parallel verlaufende Folien randseitig und umlaufend miteinander verbunden. Hierbei wird durch partielles Aufschmelzen einer auf Innenseiten der Folien aufgebrachten Schicht oder Beschichtung und anschließender Erstarrung der Beschichtung eine randseitig umlaufende Siegelnaht erzeugt.
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Aufgrund einer relativ geringen Steifigkeit des Zellgehäuses 2.1 sind die Einzelzellen 2 jeweils in einem doppelschalenförmigen Halteelement 5 gehalten, welches die jeweilige Einzelzelle 2 zumindest randseitig umgibt und zur elektrischen Isolation aus Kunststoff gebildet ist. Alternativ ist auch eine schalen- und/oder rahmenförmige Ausbildung des Haltelements 5 möglich.
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Eine Temperierung der Einzelzellen 2, d. h. eine Kühlung oder Erwärmung, erfolgt innerhalb der Batterie mittels einer in 9 näher dargestellten plattenförmigen Temperiervorrichtung 3, welche von einem Temperiermedium, wie beispielsweise Wasser, einem Kältemittel einer Fahrzeug-Klimaanlage oder Luft, durchströmbar ist. Die Temperiervorrichtung 3 ist insbesondere aus Bauraumgründen an einer Längsseite des Zellblocks 1 angeordnet und thermisch mit den Einzelzellen 2 gekoppelt.
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Da das Zellgehäuse 2.1 der als Pouchzellen ausgebildeten Einzelzellen 2 eine relativ geringe Wärmeleitfähigkeit aufweist, ist zwischen den Einzelzellen 2 jeweils zumindest ein zur Kopplung mit der Temperiervorrichtung 3 vorgesehenes Wärmeleitblech 4 angeordnet.
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Dieses aus einem Metall mit hoher Wärmeleitfähigkeit, beispielsweise Aluminium, gebildete Wärmeleitblech 4 ist mit seiner Flachseite jeweils mit Flachseiten von zwei benachbarten Einzelzellen 2 thermisch gekoppelt, wobei die Einzelzellen 2 beispielsweise mit ihren Flachseiten mit dem Wärmeleitblech 4 verklebt sind. In einem unteren, der Temperiervorrichtung 3 zugewandten Randbereich 4.1 ist das Wärmeleitblech 4 zur Vergrößerung einer Wärmeübergangsfläche insbesondere um 90° abgewinkelt.
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Das Wärmeleitblech 4 ist in das Halteelement 5 mittig zwischen die beiden Schalen als Boden oder Trennwand eingesetzt und stoff- und/oder formschlüssig mit dem Halteelement 5 verbunden. Dabei ist das Wärmeleitblech 4 zumindest abschnittsweise mit dem Kunststoff des Halteelements 5 umspritzt.
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Zur Fixierung der Einzelzellen 2 innerhalb des Zellblocks 1 werden die Einzelzellen 2 mittels vier als Winkelprofile und beispielsweise Aluminium ausgebildeten Spannelementen 6 und so genannten, endseitig des Zellblocks 1 angeordneten Druckbrillen 7 verspannt.
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Um zu vermeiden, dass von den Spannelementen 6 erzeugte Kräfte direkt und punktuell auf das aus Kunststoff gebildete Halteelement 5 übertragen werden, sind die Halteelemente 5 jeweils über das zugehörige Wärmeleitblech 4 mit den Spannelementen 6 mechanisch verbunden.
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Zu diesem Zweck weisen die Wärmeleitbleche 4 in zur Verbindung mit den Spannelementen 6 vorgesehenen Verbindungsbereichen Laschen 4.2 bis 4.5 auf, welche aus dem Halteelement 5 herausgeführt und in einem Winkel von 90° gebogen sind. Zur Aufnahme der Laschen 4.2 bis 4.5 weisen die Halteelemente 5 jeweils mit den Laschen 4.2 bis 4.5 korrespondierende Aussparungen A1 auf.
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Im dargestellten ersten Ausführungsbeispiel des Zellblocks 1 sind die Wärmeleitbleche 4 im Bereich der Laschen 4.2 bis 4.5 stoffschlüssig mit den Spannelementen 6 verbunden, wobei der Stoffschluss durch eine Verschweißung zwischen den Laschen 4.2 bis 4.5 und den Spannelementen 6 erzeugt wird. Alternativ oder zusätzlich ist auch eine Verklebung der Laschen 4.2 bis 4.5 mit den Spannelementen 6 möglich.
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Im dargestellten Ausführungsbeispiel erfolgt die Verschweißung durch Schweißnähte S, welche als Kehlnähte zwischen einem Rand der Spannelemente 6 und den Laschen 4.2 bis 4.5 ausgebildet sind und in einem WIG-Schweißverfahren (WIG = Wolfram-Inert-Gas) oder MIG-Schweißverfahren (MIG = Metall-Inert-Gas) erzeugt werden.
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9 zeigt eine perspektivische Ansicht des Zellblocks 1 gemäß 7 sowie der plattenförmigen Temperiervorrichtung 3 und einer zwischen einer Unterseite des Zellblocks 1 und der Temperiervorrichtung 3 angeordneten Wärmeleitfolie 9 vor einer Montage.
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In 10 ist eine perspektivische Ansicht eines zweiten Ausführungsbeispiels des Zellblocks 1 dargestellt, wobei im Unterschied zu dem in 7 dargestellten ersten Ausführungsbeispiel die Schweißnähte S als Überlappnähte auf einer Fläche der Spannelemente 6 diese durchdringend ausgebildet sind. Die Schweißnähte S werden beispielsweise in einem Laserschweißverfahren erzeugt.
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11 zeigt eine perspektivische Ansicht eines dritten Ausführungsbeispiels des Zellblocks 1, wobei im Unterschied zu dem in 7 dargestellten ersten Ausführungsbeispiel des Zellblocks 1 die Schweißnähte S als Kehlnähte zwischen Randbereichen von ovalen, auch als stadionförmig bezeichneten Aussparungen A2 der Spannelemente 6 und den Laschen 4.2 bis 4.5 ausgebildet sind.
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12 zeigt eine perspektivische Ansicht eines zweiten Ausführungsbeispiels des Wärmeleitblechs 4 und eines zweiten Ausführungsbeispiels des Halteelements 5.
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Das Wärmeleitblech 4 ist aus einem beschnittenen Strangpressprofil gebildet, wobei die Laschen 4.2 bis 4.5 einen T-förmigen Querschnitt aufweisen, wodurch eine Schweißfläche vergrößert werden kann. Die Aussparungen A1 des Halteelements 5 sind korrespondierend zu den Laschen 4.2 bis 4.5 ausgeformt.
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In 13 ist eine perspektivische Ansicht eines dritten Ausführungsbeispiels des Wärmeleitblechs 4 und des zweiten Ausführungsbeispiels des Halteelements 5 dargestellt.
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Im Unterschied zu dem in 12 dargestellten zweiten Ausführungsbeispiel des Wärmeleitblechs 4 wird dieses zunächst als ebenes Blech ausgebildet, wobei zur Erzeugung der im Querschnitt T-förmigen Laschen 4.2 bis 4.5 diese mehrfach gefaltet werden.
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Die 14 und 15 zeigen eine perspektivische Ansicht eines vierten Ausführungsbeispiels des Wärmeleitblechs 4 und eines dritten Ausführungsbeispiels des Halteelements 5 sowie eine perspektivische Ansicht eines vierten Ausführungsbeispiels des Zellblocks 1 mit einer Mehrzahl von Einzelzellen 2 sowie den Wärmeleitblechen 4 und Halteelementen 5 gemäß 14.
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Im Unterschied zu dem in 7 dargestellten ersten Ausführungsbeispiel des Zellblocks 1 sind die Wärmeleitbleche 4 mit den Spannelementen 6 verschraubt. Hierzu sind die Aussparungen A2 in den Spannelementen 6 derart ausgebildet, dass durch diese eine metrische Schraube 11 führbar ist, welche in korrespondierende und an den Laschen 4.2 bis 2.5 ausgebildete Gewinde 10 greifen. Die Gewinde 10 sind mittels Anniet- oder Schweißmuttern realisiert. Alternativ ist auch eine Ausbildung eines Gewindedurchzugs oder eine Fixierung mittels selbstschneidender Schrauben 11 möglich.
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In den 16 und 17 ist eine perspektivische Ansicht eines fünften Ausführungsbeispiels des Wärmeleitblechs 4 und eines vierten Ausführungsbeispiels des Halteelements 5 sowie eine perspektivische Ansicht eines fünften Ausführungsbeispiels des Zellblocks 1 mit einer Mehrzahl von Einzelzellen 2 sowie den Wärmeleitblechen 4 und Halteelementen 5 gemäß 16 in einem ersten und einem zweiten Montagezustand dargestellt.
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Im Unterschied zu dem in 7 dargestellten ersten Ausführungsbeispiel des Zellblocks 1 sind die Laschen 4.2 bis 4.5 durch schlitzförmige Aussparungen A1 der Halteelemente 5 und durch ebenfalls schlitzförmig ausgebildete Aussparungen A2 der Spannelemente 6 geführt und auf die Spannelemente 6 umgebogen. Weiterhin sind die Laschen 4.2 bis 4.5 mit als Überlappnähte ausgebildeten Schweißnähten S mit den Spannelementen 6 verschweißt. Die Schweißnähte S werden beispielsweise in einem Laserschweißverfahren erzeugt.
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In einem nicht dargestellten Ausführungsbeispiel entfallen die Schweißnähte S.
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Die 18 und 19 zeigen in einer perspektivischen Ansicht ein sechstes Ausführungsbeispiel des Zellblocks 1 sowie der Temperiervorrichtung 3 und der Wärmeleitfolie 9 vor und nach der Montage.
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Im Unterschied zu dem in 7 dargestellten ersten Ausführungsbeispiel des Zellblocks 1 und der Darstellung in 9 bildet die plattenförmige Temperiervorrichtung 3 an der Unterseite des Zellblocks 1 gleichzeitig ein Spannelement 6, wobei die Temperiervorrichtung 3 randseitig mittels Schweißnähten S mit den Randbereichen 4.1 der Wärmeleitbleche 4 verscheißt ist. Die Schweißnähte S sind dabei als Kehlnähte zwischen einem Rand der Temperiervorrichtung 3 und den Randbereichen 4.1 der Wärmeleitbleche 4 ausgebildet und werden in einem WIG-Schweißverfahren oder MIG-Schweißverfahren erzeugt.
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Alle zuvor genannten Ausführungsbeispiele des Zellblocks 1 und seiner Komponenten sind auch dann anwendbar, wenn die Haltelemente 5 jeweils allein durch ein entsprechend geformtes Wärmeleitblech 4 gebildet sind und die Umspritzung mit dem Kunststoff entfällt.
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Bezugszeichenliste
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- 1
- Zellblock
- 2
- Einzelzelle
- 2.1
- Zellgehäuse
- 2.2
- Ableiter
- 2.3
- Ableiter
- 3
- Temperiervorrichtung
- 4
- Wärmeleitblech
- 4.1
- Randbereich
- 4.2
- Lasche
- 4.3
- Lasche
- 4.4
- Lasche
- 4.5
- Lasche
- 5
- Halteelement
- 6
- Spannelement
- 7
- Druckbrille
- 8
- Stromkollektorplatte
- 9
- Wärmeleitfolie
- 10
- Gewinde
- 11
- Schraube
- A1
- Aussparung
- A2
- Aussparung
- S
- Schweißnaht
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- DE 102013015786 A1 [0004]
