DE102017203121A1

DE102017203121A1 - Elektrische Speicherzelle mit beweglichem Pol

Info

Publication number: DE102017203121A1
Application number: DE102017203121.2A
Authority: DE
Inventors: Azad Darbandi; Jürgen Hildinger
Original assignee: Bayerische Motoren Werke AG
Current assignee: Bayerische Motoren Werke AG
Priority date: 2017-02-27
Filing date: 2017-02-27
Publication date: 2018-08-30

Abstract

Die Erfindung betrifft eine Speicherzelle (1), insbesondere für Kraftfahrzeuge, mit einem elektrochemischen Element; einem Gehäuse (2) zur Einhausung des elektrochemischen Elements; einem Deckel (3) zum Verschließen des Gehäuses (2), wobei der Deckel (3) eine Grundplatte (6) und zumindest einen Pol (4, 5) aufweist, der in einer Öffnung (13, 14) der Grundplatte (6) angeordnet ist, wobei der Pol (4, 5) auf der Gehäuse-zugewandten Seite einen Stromkollektor (9, 10) aufweist, der elektrisch mit dem elektrochemischen Element verbunden ist, und auf der Gehäuse-abgewandten Seite einen Stromabgriff (7, 8) aufweist, über den ein elektrisches Potential des Stromkollektors (9, 10) abgreifbar ist, einem Kontaktelement (17, 18), welches den Stromabgriff (7, 8) elektrisch leitend und beweglich mit dem Stromkollektor (9, 10) verbindet, und einem Führungselement (11, 12), welches den Stromabgriff (7, 8) mit einem vorgegebenen Bewegungsspielraum, in Richtung senkrecht zur Grundplatte (6), an der Grundplatte (6) fixiert. Darüber hinaus betrifft die Erfindung einen Energiespeicher, insbesondere für ein Kraftfahrzeug, mit einer Vielzahl an solchen Speicherzellen (1).

Description

Die Erfindung betrifft eine elektrische Speicherzelle und einen Energiespeicher mit solch einer elektrischen Speicherzelle.
Elektrische Energiespeicher, wie sie beispielsweise in Elektro- und Hybridfahrzeugen verwendet werden, umfassen in der Regel mehrere elektrisch parallel oder in Serie zueinander geschaltete Speicherzellen.
Solche Speicherzellen vom Stand der Technik weisen ein metallisches Gehäuse auf, in dem ein elektrochemisches Element aufgenommen ist, wobei das Gehäuse mit einem Deckel verschlossen wird, durch den sich Pole erstrecken, über die von der Außenseite das Potential des elektrochemischen Elements abgegriffen werden kann. Bei solchen Speicherzellen werden jedoch Kräfte (thermisch-, vibrations-, zellschwellungs- und montagebedingt) von einem Zellkontaktierungssystem auf die Pole der Speicherzellen übertragen. Da die Pole nur zu einem gewissen Grad mit derartigen Kräften belastet werden können, um eine Dichtigkeit sicherzustellen, wird versucht, die Übertragung dieser Kräfte durch verformbare Speicherzellen-Kontaktierungssystem-Verbindungen mit wellenförmigem Querschnitt oder Omega-Querschnitt zu reduzieren bzw. zu limitieren. Jedoch benötigen solche Querschnitte wertvollen Bauraum in Z-Maß, welcher bevorzugt einer Erhöhung des Gehäuses und des elektrochemischen Elements zur Verfügung gestellt werden sollte, um eine höhere Speicherzellen-Kapazität zu erreichen.
Es ist somit eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung eine platzsparende Speicherzellen-Kontaktierung bereitzustellen. Diese Aufgabe wird durch eine Speicherzelle gemäß Anspruch 1 und ein Fahrzeug gemäß Anspruch 11 gelöst. Vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung sind Gegenstand der abhängigen Ansprüche.
Gemäß einem Ausführungsbeispiel der Erfindung wird eine Speicherzelle, insbesondere für Kraftfahrzeuge, bereitgestellt, mit einem elektrochemischen Element; einem Gehäuse zur Einhausung des elektrochemischen Elements; einem Deckel zum Verschließen des Gehäuses, wobei der Deckel eine Grundplatte und zumindest einen Pol aufweist, der in einer Öffnung der Grundplatte angeordnet ist, wobei der Pol auf der Gehäuse-zugewandten Seite einen Stromkollektor aufweist, der elektrisch mit dem elektrochemischen Element verbunden ist, und auf der Gehäuse-abgewandten Seite einen Stromabgriff aufweist, über den ein elektrisches Potential des Stromkollektors abgreifbar ist, einem Kontaktelement, welches den Stromabgriff elektrisch leitend und beweglich mit dem Stromkollektor verbindet, und einem Führungselement, welches den Stromabgriff mit einem vorgegebenen Bewegungsspielraum, zumindest in Richtung senkrecht zur Grundplatte, an der Grundplatte fixiert. Vorzugsweise ist der Bewegungsspielraum nicht größer als 5mm. Durch die Beweglichkeit der Pole werden keine oder deutlich verringerte Kräfte auf die Pole ausgeübt. Ferner können die Pole durch ihre Beweglichkeit niedriger gebaut werden, insbesondere im Vergleich zu einem wellenförmigen Querschnitt oder einem Omega-Querschnitt. Der gewonnene Bauraum kann zur Erhöhung des Gehäuses und somit zur Vergrößerung des elektrochemischen Elements genutzt werden.
Gemäß einem weiteren Ausführungsbeispiel der Erfindung fixiert das Führungselement den Stromabgriff mit einem vorgegebenen dreidimensionalen Bewegungsspielraum an der Grundplatte. Vorzugsweise ist der Bewegungsspielraum nicht größer als 5mm in allen drei Dimensionen.
Gemäß einem weiteren Ausführungsbeispiel der Erfindung ist zwischen der Grundplatte und dem Stromkollektor ein geschlossen rahmenförmiger Isolator angeordnet, der eine Gehäuse-abgewandte Seite des Stromkollektors von einer Gehäuse-zugewandten Seite des Stromkollektors isoliert.
Gemäß einem weiteren Ausführungsbeispiel der Erfindung ist der Stromkollektor plattenförmig.
Gemäß einem weiteren Ausführungsbeispiel der Erfindung wird der Stromabgriff in Richtung weg vom Gehäuse vorgespannt.
Gemäß einem weiteren Ausführungsbeispiel der Erfindung weist das Führungselement ein den Stromabgriff zumindest abschnittsweise, insbesondere vollständig, umlaufendes U-Profil auf, in welches der Stromabgriff hineinragt.
Gemäß einem weiteren Ausführungsbeispiel der Erfindung ist das Kontaktelement eine Feder.
Gemäß einem weiteren Ausführungsbeispiel der Erfindung ist die Feder ein Metallstreifen, der ziehharmonikaförmig geformt ist.
Gemäß einem weiteren Ausführungsbeispiel der Erfindung weist die Speicherzelle zwei Pole auf, von denen einer einen plattenförmigen Stromkollektor aus Kupfer aufweist und der Stromkollektor des anderen ein CID aufweist, das bei Überschreiten eines vorgegebenen Grenzdrucks im Gehäuse einen elektrischen Kontakt zwischen innerhalb dieses Stromkollektors unterbricht.
Darüber hinaus bietet die Erfindung einen Energiespeicher, insbesondere für ein Kraftfahrzeug, mit einer Vielzahl an Speicherzellen gemäß einem der vorhergehenden Ausführungsbeispiele, die miteinander elektrisch gekoppelt sind.
Nachfolgend wird ein bevorzugtes Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung unter Bezugnahme auf die beigefügten Zeichnungen beschrieben. In diesen Zeichnungen ist Folgendes dargestellt:

1 ist eine schematische dreidimensionale Darstellung einer erfindungsgemäßen Speicherzelle;
2a ist eine schematische Draufsicht der erfindungsgemäßen Speicherzelle;
2b ist eine schematische Schnittdarstellung des Deckels aus 2a entlang der Schnittebene A-A;
2c ist eine schematische Schnittdarstellung des Deckels, insbesondere eines Anodenpols, aus 2a entlang der Schnittebene B-B, und
2d ist eine schematische Schnittdarstellung des Deckels, insbesondere eines Kathodenpols, aus 2a entlang der Schnittebene C-C.

1 zeigt schematisch eine dreidimensionale Darstellung einer Speicherzelle 1. Mehrere solcher Speicherzellen 1 werden elektrisch parallel oder in Serie zueinander geschaltet und bilden ein Speichermodul 1. Die Speicherzellen 1 sind vorzugsweise ausgebildet als Lithium-Zelle, Lithium-Batterie, Lithium-Akkumulator, besonders bevorzugt als Lithium-Ionen-Zelle, Lithium-Ionen-Batterie oder Lithium-Ionen-Akkumulator. Mehrere parallel oder in Serie geschaltete Speichermodule bilden einen elektrischen Energiespeicher, wie er beispielsweise in Elektro- und Hybridfahrzeugen zum Antrieb des Fahrzeugs verwendet wird. Die Speicherzelle 1 aus 1 umfasst ein Gehäuse 2, ein im Gehäuse 2 aufgenommenes elektrochemisches Element (nicht dargestellt) und einen Deckel 3. Das Gehäuse 2 hat vorzugsweise eine innen hohle Quaderform, welche nur auf einer Seite offen ist. Das Gehäuse 2 kann aus Metall- (beispielsweise Aluminium oder Edelstahl) oder Kunststoff hergestellt sein. Der Deckel 3 umfasst zwei Pole 4 und 5, die sich durch eine Grundplatte 6 des Deckels 3 hindurch erstrecken. Die Grundplatte 6 ist vorzugsweise elektrisch leitfähig und vorzugsweise aus Metall (insbesondere Aluminium), kann aber auch aus Kunststoff sein. Beide Pole 4, 5 können, wie im Folgenden beschrieben ausgebildet werden. Es ist aber auch möglich, dass nur einer der Pole 4, 5 auf diese Weise ausgebildet wird, vorzugsweise der Anoden-Pol, und der andere Pol, vorzugsweise der Kathoden-Pol, einstückig mit der Grundplatte 6 des Deckels 3 ausgebildet ist. Der Deckel 3 wird zum Verschließen des Gehäuses 2 beispielsweise per Laserschweißen mit dem Gehäuse 2 verschweißt. Anschließend wird über eine wieder verschließbare Füllöffnung im Deckel 3 ein Elektrolyt in das Gehäuse 2 gefüllt.
2a ist eine schematische Draufsicht der erfindungsgemäßen Speicherzelle 1. Dargestellt ist der Deckel 3, dessen Grundplatte 6 und den diese durchdringende Pole 4 und 5. Vorzugsweise ist der Pol 4 ein Anodenpol und der Pol 5 ein Kathodenpol. Die 2b bis 2d sind schematische Schnittdarstellungen des Deckels aus 2a entlang der in den Figuren angegebenen Schnittebenen.
Die Pole 4, 5 weisen jeweils auf der Gehäuse-abgewandten Seite einen Stromabgriff 7, 8 auf, der vorzugsweise plattenförmig und in einer Draufsicht rechteckig ausgebildet ist. Die Stromabgriffe 7, 8 sind aus Metall, beispielsweise aus Aluminium oder Kupfer. Auf der Gehäuse-zugewandten Seite weisen die Pole 4, 5 jeweils einen Stromkollektor 9, 10 auf, welche auf ihren Gehäuse-zugewandten Seiten das elektrochemische Element kontaktieren und das elektrische Potential des elektrochemischen Elements an die Stromabgriffe 7 und 8 der zugeordneten Pole 4, 5 elektrisch weitergeben. Die Stromabgriffe 7, 8 sind beweglich an der Grundplatte 6 fixiert. Unter „beweglich“ ist dabei eine Beweglichkeit des gesamten Stromabgriffs zu verstehen und nicht eine Verformung des Stromabgriffs oder eines Teils des Stromabgriffs. Vorzugsweise sind die Stromabgriffe 7, 8 dreidimensional beweglich, zumindest eindimensional in einer Richtung senkrecht zur Grundplatte 6. Der Bewegungsspielraum ist beschränkt und ein Kompromiss aus Positionstreue und Kontaktierungssicherheit. Vorzugsweise ist der Bewegungsspielraum nicht größer als 5 mm in jeder der drei Dimensionen. Die Beweglichkeit der Stromabgriffe 7, 8 wird jeweils durch ein Führungselement 11, 12 erreicht, welches die Stromabgriffe 7, 8 mit einem vorgegebenen Bewegungsspielraum fixiert. Vorzugsweise weist jedes Führungselement 11, 12 ein den jeweiligen Stromabgriff 7, 8 zumindest abschnittsweise, insbesondere vollständig, umlaufendes U-Profil auf, in welches der Stromabgriff 7, 8 hineinragt. Genauer erstreckt sich ein vollständig um die Stromabgriffe 7, 8 umlaufender Randbereich der Stromabgriffe 7, 8 in das U-Profil, welcher gegenüber der Dicke des restlichen Stromabgriffs 7, 8 in der Dicke verringert ist. Das U-Profil ist in der Grundplatte 6 versenkt und verläuft jeweils entlang eines Rands einer Öffnung 13, 14 (eine pro Pol) der Grundplatte 6, durch welche sich jeweils der Pol 4, 5 erstreckt. Vom U-Profil erstreckt sich das Führungselement 11, 12 entlang der Innenseite der Öffnung 13, 14 weg vom U-Profil, so dass die Innenseite der Öffnung 13, 14 vom Führungselement 11, 12 bedeckt wird. Das Führungselement 11, 12 ist aus einem elektrisch isolierenden Material, so dass der Stromabgriff 7, 8 gegenüber der Grundplatte 6 elektrisch isoliert wird. Der Stromabgriff 7, 8 ist mit der Grundplatte 6 verklebt, verlötet, heißgepresst, verschweißt oder auf sonstige Weise nicht-zerstörungsfrei lösbar verbunden. Auf der Gehäuse-zugewandten Seite der Grundplatte 6 sind die jeweiligen Öffnungen 13, 14 umgebende bzw. umlaufende, rahmenförmige Isolatoren 15, 16 angeordnet, die auf ihrer Innenseite die Führungselemente 11, 12 berühren und sich radial nach außen erstrecken. Die Isolatoren 15, 16 sind zwischen einer Gehäuse-zugewandten Seite der Grundplatte 6 und einer Gehäuse-abgewandten Seite der Stromkollektoren 9, 10 angeordnet und isolieren diese elektrisch voneinander. Die Isolatoren 15, 16 sind beispielsweise aus Keramik, Kunststoff oder sonstigem elektrisch isolierendem Material.
Zwischen den Stromabgriffen 7, 8 und den zugeordneten Stromkollektoren 9, 10 sind jeweils Kontaktelemente 17, 18 angeordnet, welche die Stromabgriffe 7, 8 mit den Stromkollektoren 9, 10 elektrisch verbinden. Im dargestellten Beispiel sind die Stromkollektoren 9, 10 ziehharmonikaartig gebogene Metallstreifen. Es könnten jedoch auch Spiralfedern, Blattfedern oder dergleichen zum Einsatz kommen. Vorzugsweise ist das Kontaktelement 17, 18 federnd und spannt die Stromabgriffe 7, 8 in Richtung weg vom Gehäuse 2 vor. Die Kontaktelement 17, 18 übernehmend somit zwei Funktionen, einerseits die des elektrischen Verbindens von Stromabgriff 7, 8 und Stromkollektor 9, 10 und andererseits das Vorspannen des Stromabgriffs 7, 8. Es ist jedoch auch möglich, dass diese beiden Funktionen jeweils von separaten Bauteilen verwirklicht werden.
Der Stromkollektor 9 ist vorzugsweise eine Platte mit in der Draufsicht rechteckiger Form. Insbesondere eignet sich für den Stromkollektor eine Kupferplatte. In den Stromkollektor 10 kann ein CID integriert sein, bei dem vereinfacht ausgedrückt zwei elektrisch leitend sich kontaktierende Platten aufeinander liegen, die bei Erreichen eines bestimmten internen Drucks im Gehäuse 2 auseinander gedrückt und somit elektrisch voneinander getrennt werden, so dass bei Überschreitung eines kritischen Innendrucks ein Ladestrom unterbrochen wird.
Vorstehend wurden Führungselemente 11, 12 beschrieben, die U-Profile aufweisen. Es gibt jedoch verschiedene Möglichkeiten zur Ausgestaltung der Führungselemente 11, 12. So könnten die Führungselemente beispielsweise Haken sein, insbesondere in L-Form, von denen die L-Form die Stromabgriffe umgreift, so dass ein Schenkel der L-Form auf der Gehäuse-abgewandten Seite des Stromabgriffs angeordnet ist und der andere Schenkel seitlich des Stromabgriffs oder in einer Ausnehmung des Stromabgriffs angeordnet ist.
Während die Erfindung detailliert in den Zeichnungen und der vorangehenden Beschreibung veranschaulicht und beschrieben wurde, ist diese Veranschaulichung und Beschreibung als veranschaulichend oder beispielhaft und nicht als beschränkend zu verstehen und es ist nicht beabsichtigt die Erfindung auf die offenbarten Ausführungsbeispiele zu beschränken. Die bloße Tatsache, dass bestimmte Merkmale in verschiedenen abhängigen Ansprüchen genannt sind, soll nicht andeuten, dass eine Kombination dieser Merkmale nicht auch vorteilhaft genutzt werden könnte.

Claims

Speicherzelle (1), insbesondere für Kraftfahrzeuge, mit einem elektrochemischen Element; einem Gehäuse (2) zur Einhausung des elektrochemischen Elements; einem Deckel (3) zum Verschließen des Gehäuses (2), wobei der Deckel (3) eine Grundplatte (6) und zumindest einen Pol (4, 5) aufweist, der in einer Öffnung (13, 14) der Grundplatte (6) angeordnet ist, wobei der Pol (4, 5) auf der Gehäuse-zugewandten Seite einen Stromkollektor (9, 10) aufweist, der elektrisch mit dem elektrochemischen Element verbunden ist, und auf der Gehäuse-abgewandten Seite einen Stromabgriff (7, 8) aufweist, über den ein elektrisches Potential des Stromkollektors (9, 10) abgreifbar ist, einem Kontaktelement (17, 18), welches den Stromabgriff (7, 8) elektrisch leitend und beweglich mit dem Stromkollektor (9, 10) verbindet, und einem Führungselement (11, 12), welches den Stromabgriff (7, 8) mit einem vorgegebenen Bewegungsspielraum, zumindest in Richtung senkrecht zur Grundplatte (6), an der Grundplatte (6) fixiert.
Speicherzelle (1) gemäß Anspruch 1, wobei das Führungselement (11, 12) den Stromabgriff (7, 8) mit einem vorgegebenen dreidimensionalen Bewegungsspielraum an der Grundplatte (6) fixiert.
Speicherzelle (1) gemäß einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei zwischen der Grundplatte (6) und dem Stromkollektor (9, 10) ein geschlossen rahmenförmiger Isolator (15, 16) angeordnet ist, der eine Gehäuse-abgewandte Seite des Stromkollektors (9, 10) von einer Gehäuse-zugewandten Seite des Stromkollektors (9, 10) isoliert.
Speicherzelle (1) gemäß einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei der Stromkollektor (9, 10) plattenförmig ist.
Speicherzelle (1) gemäß einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei der Stromabgriff (7, 8) in Richtung weg vom Gehäuse (2) vorgespannt wird.
Speicherzelle (1) gemäß einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei das Führungselement (11, 12) ein den Stromabgriff (7, 8) zumindest abschnittsweise, insbesondere vollständig, umlaufendes U-Profil aufweist, in welches der Stromabgriff (7, 8) hineinragt.
Speicherzelle (1) gemäß einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei das Kontaktelement (17, 18) eine Feder ist.
Speicherzelle (1) gemäß Anspruch 7, wobei die Feder ein Metallstreifen ist, der ziehharmonikaförmig geformt ist.
Speicherzelle (1) gemäß einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die Speicherzelle (1) zwei Pole aufweist, von denen einer einen plattenförmigen Stromkollektor (9) aus Kupfer aufweist und der Stromkollektor (10) des anderen ein CID aufweist, das bei Überschreiten eines vorgegebenen Grenzdrucks im Gehäuse einen elektrischen Kontakt zwischen innerhalb dieses Stromkollektors (10) unterbricht.
Energiespeicher, insbesondere für ein Kraftfahrzeug, mit einer Vielzahl an Speicherzellen (1) gemäß einem der vorhergehenden Ansprüche, die miteinander elektrisch gekoppelt sind.