-
Die Erfindung betrifft einen Zellblock für eine Batterie, insbesondere eine Hochvoltbatterie eines Kraftfahrzeugs, und ein Verfahren zur Montage eines solchen Zellblocks.
-
Aus der
DE 10 2010 050 981 A1 ist bereits ein Zellblock für eine Batterie, mit einer Zellhalterung und mit zumindest einer Batteriezelle, die zumindest ein Kontaktelement aufweist, das für eine elektrische Verbindung mit einer Stromschiene vorgesehen ist, bekannt.
-
Der Erfindung liegt insbesondere die Aufgabe zugrunde, einen Fügeprozess bei einer Montage und/oder eine Stabilität zu verbessern. Sie wird durch eine erfindungsgemäße Ausgestaltung entsprechend dem Anspruch 1 und ein erfindungsgemäßes Verfahren entsprechend dem Anspruch 6 gelöst. Weiterbildungen der Erfindung ergeben sich aus den abhängigen Ansprüchen.
-
Die Erfindung geht aus von einem Zellblock für eine Batterie, mit einer Zellhalterung, die zumindest eine Stromschiene aufweist, und mit zumindest einer Batteriezelle, die zumindest ein Kontaktelement aufweist, das für eine elektrische Verbindung mit der Stromschiene vorgesehen ist.
-
Es wird vorgeschlagen, dass die Zellhalterung zumindest ein Distanzelement aufweist, das dazu vorgesehen ist, zumindest einen Abschnitt des Kontaktelements der zumindest einen Batteriezelle während einer Herstellung der elektrischen Verbindung zu fixieren. Indem das Kontaktelement teilweise fixiert wird, während es mit der Stromschiene verbunden wird, kann eine ungewollte Umformung vermieden werden. Das Kontaktelement kann durch die Fixierung mittels des Distanzelements genau auf der Stromschiene platziert werden. Ein Fügeprozess bei einer Montage des Zollblocks kann somit verbessert werden. Durch den verbesserten Fügeprozess kann eine Stabilität verbessert werden. Dies ist insbesondere für einen Crashfall vorteilhaft. Unter einem „Zellblock” soll in diesem Zusammenhang eine Einheit mit einer Zellhalterung, mit einer Mehrzahl von Batteriezellen, die durch die Zellhalterung mechanisch miteinander verbunden sind, und mit zumindest zwei Stromschienen, mittels denen die Batteriezellen seriell und/oder parallel elektrisch miteinander verschaltet sind, verstanden werden. Unter einer „Zellhalterung” soll insbesondere ein Rahmen oder ein Gehäuse verstanden werden, das dazu vorgesehen ist, die einzelnen Batteriezellen in einer vorgesehenen Einbaulage form- und/oder kraftschlüssig zu fixieren. Unter einer „Batteriezelle” soll insbesondere eine Zelle zur Aufnahme, Speicherung und/oder Abgabe von elektrischer Leistung verstanden werden, welche vorzugsweise zwei Hüllblechen, einen die Hüllbleche verbindenden Rahmen aufweist, sowie einen von den Hüllblechen und dem Rahmen umgebenen elektrochemischen Teil aufweist. Vorzugsweise sind die Batteriezellen als bipolare Rahmenflachzellen ausgebildet. Unter einer „bipolaren Rahmenflachzelle” soll dabei insbesondere eine Ausgestaltung der Batteriezelle verstanden werden, bei der die Hüllbleche zur elektrischen Kontaktierung des elektrochemisch aktiven Teils vorgesehen sind und der Rahmen die zumindest zwei Hüllbleche elektrisch gegeneinander isoliert. Es ist aber auch denkbar, dass die Batteriezelle ein anders ausgestaltetes Zellgehäuse aufweist. Unter einem „Zellengehäuse” soll insbesondere ein Gehäuse der Batteriezelle verstanden werden, das einen gegenüber einer Umgebung abgeschlossenen Innenraum aufspannt, der zur Aufnahme des elektrochemisch aktiven Teils vorgesehen ist. Unter „vorgesehen” soll insbesondere speziell ausgelegt und/oder ausgestattet verstanden werden.
-
Weiter wird vorgeschlagen, dass zumindest in montiertem Zustand das Kontaktelement um das Distanzelement zumindest teilweise herumgebogen ist. Dadurch kann das Distanzelement gut für die Montage genutzt werden. Insbesondere wenn das Kontaktelement als eine Verbundfolie mit geringer Steifigkeit ausgeführt ist, welche sich einfach verbiegen lässt, kann durch eine solche Ausgestaltung das Kontaktelement soweit fixiert werden, dass es sich lediglich einen vorgesehenen Abschnitt verformt. Unter einem „montiertem Zustand” soll dabei insbesondere ein Zustand verstanden werden, in dem das Kontaktelement und die Stromschiene mechanisch fest miteinander verbunden sind und die elektrische Verbindung hergestellt ist.
-
Ferner wird vorgeschlagen, dass die Zellhalterung zumindest ein zur Halterung der zumindest einen Batteriezelle vorgesehenes Halteelement aufweist, welches bezogen auf das Kontaktelement gegenüber dem Distanzelement angeordnet ist. Dadurch kann eine Stabilität weiter erhöht werden. Unter einem „Halteelement” soll in diesem Zusammenhang insbesondere ein Element verstanden werden, das zur Fixierung von Batteriezellen in der Zellhalterung vorgesehen ist. Unter „bezogen auf das Kontaktelement gegenüber dem Distanzelement” soll insbesondere verstanden werden, dass zumindest ein Abschnitt des Kontaktelements zwischen dem Distanzelement und dem Halteelement formschlüssig fixiert ist.
-
Vorzugsweise weist die Zellhalterung ein mit dem zumindest einen Distanzelement einstückig ausgebildetes Rahmenelement auf, das eine Halterung für die Stromschiene ausbildet. Dadurch kann eine besonders einfache und kostengünstige Ausgestaltung des Distanzelements erreicht werden. Eine zur Ausbildung des Distanzelements vorgesehene Oberfläche des Rahmenelements kann grundsätzlich unterschiedliche Strukturen aufweisen, wie beispielsweise Stege, Rippen und/oder Taschen. Unter einem „Rahmenelement” soll insbesondere ein Element verstanden werden, das den Zellblock entlang einer Stapelrichtung der Batteriezellen begrenzt und/oder das dazu vorgesehen ist, die Batteriezellen entlang der Stapelrichtung zu fixieren.
-
Ferner wird ein Kraftfahrzeug mit einer als Hochvoltbatterie ausgebildeten Kraftfahrzeugbatterie, die zumindest einen erfindungsgemäßen Zellblock aufweist, sowie ein Verfahren zur Herstellung eines solchen Zellblocks vorgeschlagen.
-
Weitere Vorteile ergeben sich aus der folgenden Figurenbeschreibung. In den Figuren ist ein Ausführungsbeispiel der Erfindung dargestellt. Die Figuren, die Figurenbeschreibung und die Ansprüche enthalten zahlreiche Merkmale in Kombination. Der Fachmann wird die Merkmale zweckmäßigerweise auch einzeln betrachten und zu sinnvollen weiteren Kombinationen zusammenfassen.
-
Dabei zeigen:
-
1 schematisiert ein Kraftfahrzeug mit einer Kraftfahrzeugbatterie, die zumindest einen Zellblock aufweist,
-
2 den montierten Zellblock schematisiert in einem Längsschnitt,
-
3 ein Rahmenelement des Zellblocks in einem Längsschnitt und
-
4 eine Aufsicht auf das Rahmenelement.
-
Die 1 bis 4 zeigen ein Kraftfahrzeug mit einer Kraftfahrzeugbatterie 11 sowie Teile der Kraftfahrzeugbatterie 11. In dem dargestellten Ausführungsbeispiel ist Kraftfahrzeug als ein Hybridfahrzeug ausgebildet. Das Kraftfahrzeug umfasst einen Antriebsstrang mit einem Elektromotor 23 und einem Verbrennungsmotor 24, die beide zum Antrieb von Antriebsrädern 25 vorgesehen sind. Alternativ ist es auch denkbar, dass das Kraftfahrzeug als ein Elektrofahrzeug ausgebildet ist und der Antriebsstrang lediglich den Elektromotor 23 umfasst. Ebenfalls denkbar ist, dass das Kraftfahrzeug ein dezentrales Antriebskonzept mit mehreren Elektromotoren aufweist, die jeweils direkt zum Antrieb von einem der Antriebsräder 25 vorgesehen sind. Die Ausgestaltung der Kraftfahrzeugbatterie 11 ist unabhängig von dem Antriebskonzept. Grundsätzlich kann das Kraftfahrzeug auch einen anders ausgebildeten Antriebsstrang aufweisen. Die Kraftfahrzeugbatterie 11 ist als eine Hochvoltbatterie ausgebildet.
-
Die Kraftfahrzeugbatterie 11 umfasst mehrere Zellblöcke 10. Die Zellblöcke 10 umfassen eine Mehrzahl von Batteriezellen 14, die zur Speicherung und Abgabe von elektrischer Leistung vorgesehen sind. Die Zellblöcke 10 sowie die Batteriezellen 14 in den Zellblöcken 10 sind elektrisch parallel und/oder seriell geschaltet, um eine für den Antriebsstrang erforderliche Spannung und Kapazität bereitstellen zu können. Die Batteriezellen 14 weisen jeweils eine Zellspannung im Niedervoltbereich auf, wobei die Zellspannung von einer verwendeten Zellchemie abhängt. Bei einer Ausbildung der Batteriezellen 14 als Lithium-Ionen-Batterien beträgt die Zellspannung beispielsweise 3,6 Volt. Grundsätzlich kann die Zellspannung aber auch andere Werte aufweisen. Die Kraftfahrzeugbatterie 11 weist je nach Verschaltung der Batteriezellen 14 eine Batteriespannung auf, die in Abhängigkeit von einer vorgesehenen Verwendung im Niedervoltbereich oder im Hochvoltbereich liegen kann. Ist die Kraftfahrzeugbatterie 11 als Starterbatterie ausgebildet, kann die Batteriespannung beispielsweise bei 12 Volt liegen. In dem dargestellten Ausführungsbeispiel, in dem die Kraftfahrzeugbatterie 11 als eine Hochvoltbatterie ausgebildet ist, ist die Kraftfahrzeugbatterie 11 für eine Batteriespannung von 90 Volt oder mehr, insbesondere für eine Batteriespannung von 120 Volt, vorgesehen.
-
Die Kraftfahrzeugbatterie 11 weist ein Batteriegehäuse 26 auf, das die Zellblöcke 10 mit den Batteriezellen 14 aufnimmt. Weiter umfasst die Kraftfahrzeugbatterie 11 eine Elektronik 27, die insbesondere zur Überwachung der Batteriezellen 14 sowie zur Einstellung einer elektrischen Leistung, die den Batteriezellen 14 zugeführt oder den Batteriezellen 14 entnommen wird, vorgesehen ist. Außerdem umfasst die Kraftfahrzeugbatterie 11 eine Temperiereinrichtung 28 für die Batteriezellen 14 und/oder die Elektronik 27, welche insbesondere zur Kühlung und/oder Heizung der Batteriezellen 14 vorgesehen ist. Die Zellblöcke 10 mit den Batteriezellen 14, die Elektronik 27 und die Temperiereinrichtung 28 sind in dem gemeinsamen Batteriegehäuse 26 angeordnet (vgl. 1). Insbesondere die Batteriezellen 14 sind alle gleich ausgebildet und daher mit gleichem Bezugszeichen versehen. Sofern eine Unterscheidung der Batteriezellen 14 hinsichtlich ihrer Anordnung erforderlich ist, sind die Bezugszeichen um zumindest ein Hochkomma ergänzt. Eine Beschreibung von einem der Bauteile ist auf alle Bauteile mit gleichem Bezugszeichen übertragbar.
-
Die Batteriezelle 14 ist als bipolare Rahmenflachzelle ausgebildet. Die Batteriezelle 14 weist zwei Hüllelemente 29, 30 und einen Rahmen 31 auf, der die Hüllelemente 29, 30 miteinander verbindet. Die Hüllelemente 29, 30 und der Rahmen 31 bilden ein Zellgehäuse der Batteriezelle 14 aus. Die Hüllelemente 29, 30, die jeweils eine Zellgehäusehälfte ausbilden, sind aus einem elektrisch leitenden Material. Der Rahmen 31, der die Hüllelemente 29, 30 verbindet, ist elektrisch isolierend. Die Hüllelemente 29, 30 bilden Pole der Batteriezelle 14 aus und sind zum Einleiten und/oder Entnehmen von elektrischer Leistung vorgesehen.
-
Die Batteriezelle 14 weist einen elektrochemisch aktiven Teil zur Speicherung elektrischer Energie auf, der ein Elektrodenpaket und ein Elektrolyt umfasst. Die Hüllelemente 29, 30 und der Rahmen 31 begrenzen einen Elektrolytraum 32, der zur Aufnahme des Elektrodenpaketes und des Elektrolyts vorgesehen ist. Die Hüllelemente 29, 30 und der Rahmen 31 schließen den Elektrolytraum 32 in Richtung einer Umgebung vollständig ab. Der Rahmen 31 oder eines der Hüllelemente 29, 30 kann eine Einfüllöffnung aufweisen, die dazu vorgesehen ist, das Elektrodenpaket mit dem Elektrolyt zu tränken, nachdem die Hüllelemente 29, 30 durch den Rahmen 31 miteinander verbunden wurden. Alternativ kann das Elektrodenpaket auch mit dem Elektrolyt getränkt werden, bevor die Batteriezelle 14 verschlossen wird, wodurch auf die Einfüllöffnung verzichtet werden kann.
-
Die Batteriezellen 14 eines Zellblocks 10 sind gestapelt angeordnet. Der Zellblock 10 weist eine Stapelrichtung 33 auf, entlang der die Batteriezellen 14 hintereinander angeordnet sind. Die Hüllelemente 29, 30 sind in Form von Schalen ausgeführt. Jedes der Hüllelemente 29, 30 weist einen Boden und einen Schalenrand auf. In miteinander verbundenem Zustand bilden die Schalenränder und der Rahmen 31 eine Schmalseite der Batteriezelle 14 aus. Die Böden der Hüllelemente 29, 30 bilden mit ihrer nach außen gewandten Oberfläche eine Grundseite der Batteriezelle 14 aus. Die in dem Zellblock 10 benachbart zueinander angeordneten Batteriezellen 14 berühren sich jeweils mit ihren Grundseiten. Die Grundseiten weisen Oberflächennormalen auf, die im Wesentlichen parallel zu der Stapelrichtung 33 orientiert sind. Die Schmalseite, über die der Wärmeaustausch zur Kühlung erfolgt, ist parallel zu der Stapelrichtung 33 orientiert.
-
Um die Batteriezellen 14 fest miteinander zu verbinden, weist der Zellblock 10 eine Zellhalterung 12 auf. Die Zellhalterung 12 ist zur mechanischen Fixierung der Batteriezellen 14 vorgesehen. Die Zellhalterung 12 umfasst zumindest zwei Rahmenelemente 22, 22', welche entlang der Stapelrichtung 33 beidseits der Batteriezellen 14 angeordnet sind, sowie ein oder mehrere Spannelemente 34, 34', welche die Rahmenelemente 22, 22' miteinander verbinden. Die Rahmenelemente 22, 22' in Verbindung mit den Spannelementen 34, 34' fixieren die Batteriezellen 14 mechanisch. Zudem weist die Zellhalterung 12 zwei Stromschienen 13, 13' auf.
-
Die Batteriezellen 14 des dargestellten Zellblocks 10 sind seriell miteinander verschaltet. Die Rahmenelemente 22, 22' bilden Halterungen für die Stromschienen 13, 13' aus. Jede Batteriezelle 14 weist zwei elektrische Kontaktelemente 15, 16 auf, die unterschiedlich gepolt sind. Die Kontaktelemente 15, 16 sind mit den Hüllelementen 29, 30 elektrisch verbunden oder einstückig mit den Hüllelementen 29, 30 ausgeführt. Die unterschiedlichen gepolten Kontaktelemente 15, 16 benachbarter Batteriezellen 14 sind jeweils wechselweise miteinander verbunden, wodurch die Batteriezellen 14 in Reihe geschaltet sind.
-
Zur Fixierung der Batteriezellen 14 weist die Zellhalterung 12 eine Mehrzahl von Halteelementen 20 auf. Entlang der Stapelrichtung 33 sind die Halteelemente 20 jeweils zwischen zwei der Batteriezellen 14 angeordnet. Die Halteelemente 20 sind jeweils zwischen den Rahmen 31 benachbart angeordneter Batteriezellen 14 angeordnet. Die miteinander verbundenen Kontaktelemente 15, 16 benachbart angeordneter Batteriezellen 14 sind um das Halteelement 20, welches zwischen den beiden Batteriezellen 14 angeordnet ist, herumgebogen. Das Halteelement 20 ist aus einem elektrisch isolierenden Material, wie beispielsweise Kunststoff, gefertigt.
-
Entlang der Stapelrichtung 33 sind die zwei Batteriezellen 14', 14'' bezogen auf die übrigen Batteriezellen 14 außen angeordnet. Das erste Kontaktelement 15' der ersten Batteriezelle 14' ist mit der Stromschiene 13 des ersten Rahmenelements 22 verbunden. Das zweite Kontaktelement 16'' der letzten Batteriezelle 14'' ist mit der Stromschiene 13' des zweiten Rahmenelements 22' verbunden.
-
Bei der Herstellung der elektrischen Verbindung werden die Kontaktelemente 15', 16'' um ca. 90 Grad umgebogen. Bevor die Kontaktelemente 15', 16'' elektrisch mit den Stromschienen 13, 13' verbunden sind, stehen die Kontaktelemente 15', 15'' in einer Richtung, die senkrecht zu der Stapelrichtung 33 orientiert ist, von den Hüllelementen 29, 30 ab. In montierten Zustand weisen die Kontaktelemente 15', 16'' jeweils einen Abschnitt 18', 18'' auf, welcher im Wesentlichen senkrecht zu der Stapelrichtung 33 orientiert ist, und einen Abschnitt 19', 19'', welcher im Wesentlichen parallel zu der Stapelrichtung 33 orientiert ist.
-
Zur Fixierung der Kontaktelemente 15', 16'' während der Herstellung der elektrischen Verbindung weist die Zellhalterung 12 zwei Distanzelemente 17, 17' auf. Die Distanzelemente 17, 17' sind dazu vorgesehen, die Abschnitte 18', 18'' der Kontaktelemente 15', 16'' zu fixieren, die senkrecht zu der Stapelrichtung 33 orientiert sind. Um die Kontaktelemente 15', 16'' mit den Stromschienen 13, 13' zu verbinden, werden die Kontaktelemente 15', 16'' um die Distanzelemente 17, 17' herumgebogen. Bei hergestellter elektrischer Verbindung sind die Kontaktelemente 15', 16'', die um die Distanzelemente 17, 17' herumgebogen sind, um einen Winkel von 90 Grad abgewinkelt.
-
Das Halteelement 20 der Zellhalterung 12 ist bezogen auf das Kontaktelement 15' gegenüber dem Distanzelement 17 angeordnet. Der Abschnitt 18' des Kontaktelements 15', welcher in montiertem Zustand senkrecht zu der Stapelrichtung 33 orientiert ist, ist zwischen dem Distanzelement 17 und dem Halteelement 20 formschlüssig verspannt. Der über das Distanzelement 17 und das Halteelement 20 überstehende Abschnitt 19' wird um das Distanzelement 17 herumgebogen, um das Kontaktelement 15' mit der Stromschiene 13 zu verbinden. Das Halteelement 20 und das Distanzelement 17 fixieren dabei das Kontaktelement 15' in dem Abschnitt 18', der in montiertem Zustand senkrecht zu der Stapelrichtung 33 orientiert ist. Eine Verformung des Kontaktelements 15' in diesem Abschnitt 18' wird durch das Distanzelement 17 und das Halteelement 20 verhindert.
-
Das Rahmenelement 22, das für die Halterung der Stromschiene 13 ausgebildet ist, und das Distanzelement 17 sind einstückig ausgebildet. Das Rahmenelement 22 weist eine Oberfläche auf, die in montiertem Zustand der Batteriezelle 14' zugewandt ist. Die Oberfläche des Rahmenelements 22 ist in einem Teilbereich zur Abstützung der Batteriezelle 14' vorgesehen. Der Teilbereich der Oberfläche, der zur Abstützung der Batteriezelle 14' vorgesehen ist, ist im Wesentlichen eben ausgeführt. Zur Ausbildung des Distanzelements 17 weist die Oberfläche in einem angrenzenden Bereich in dem dargestellten Ausführungsbeispiel zumindest eine Erhebung auf. Die Oberfläche kann unterschiedliche Strukturen aufweisen, welche zur Ausbildung des Distanzelements 17 vorgesehen sind. Beispielsweise kann die Oberfläche eine Rippenstruktur und/oder Taschen aufweisen, durch welche das Distanzelement 17' ausgebildet ist. Alternativ ist es auch denkbar, dass das Distanzelement 17 und das Rahmenelement 22 getrennt ausgebildet sind.
-
Bezugszeichenliste
-
- 10
- Zellblock
- 11
- Kraftfahrzeugbatterie
- 12
- Zellhalterung
- 13
- Stromschiene
- 13'
- Stromschiene
- 14
- Batteriezelle
- 14'
- Batteriezelle
- 14''
- Batteriezelle
- 15
- Kontaktelement
- 15'
- Kontaktelement
- 15''
- Kontaktelemente
- 16
- Kontaktelement
- 16''
- Kontaktelement
- 17
- Distanzelement
- 17'
- Distanzelement
- 18'
- Abschnitt
- 18''
- Abschnitt
- 19'
- Abschnitt
- 19''
- Abschnitt
- 20
- Halteelement
- 22
- Rahmenelement
- 22'
- Rahmenelement
- 23
- Elektromotor
- 24
- Verbrennungsmotor
- 25
- Antriebsräder
- 26
- Batteriegehäuse
- 27
- Elektronik
- 28
- Temperiereinrichtung
- 29
- Hüllelemente
- 30
- Hüllelemente
- 31
- Rahmen
- 32
- Elektrolytraum
- 33
- Stapelrichtung
- 34
- Spannelement
- 34'
- Spannelement
-
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 102010050981 A1 [0002]
