DE102019109501A1 - Battery cell pack - Google Patents
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Abstract
Ein Batteriezellpaket 20 umfasst zumindest eine Kontaktierung 15 zwischen einzelnen Batteriezellen 10, wobei über eine das Batteriezellenpaket 20 zumindest teilweise umhüllende Hülle 30 Andruckkräfte auf die Kontaktierung 15 ausgeübt werden. Über die Andruckkräfte wird ein mechanisches Berühren von Kontakten 16, 17 der Kontaktierung 15 sichergestellt.A battery cell pack 20 comprises at least one contact 15 between individual battery cells 10, wherein pressure pulses are exerted on the contact 15 via a shell 30 which at least partially encloses the battery cell pack 20. About the pressure forces a mechanical contact contacts 16, 17 of the contact 15 is ensured.
Description
Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf ein Batteriezellpaket und ein Verfahren zu dessen Herstellung.The present invention relates to a battery cell pack and a method of manufacturing the same.
Bei der Herstellung von Batterien, insbesondere zur Verwendung bei Elektrofahrzeugen, werden einzelne (insbesondere wiederladbare) Batteriezellen zu Batteriezellpaketen kombiniert. Dabei stellt sich die Aufgabe einer möglichst einfachen und dabei dauerhaft sicheren Kontaktierung der Batteriezellen zueinander. Eine Kontaktierung wird in Rahmen dieser Schrift als zumindest zwei elektrische Leiter verstanden, die in einem elektrischen Kontakt zueinander sind. Eine bekannte Ausführungsform von Batteriezellen ist die sogenannte „Pouch-Zelle“. Bei diesem Zelltyp ist die eigentliche Batterie in einer Art Tasche und an einer oder an zwei Seiten werden elektrische Leiter herausgeführt. Diese Seiten können gegenüberliegend sein. Die Leiter sind häufig flache Leiterbahnen, die zur Kontaktierung und somit zur Bildung eines Batteriezellpakets bspw. verlötet, verschweißt oder verschraubt werden können.In the manufacture of batteries, in particular for use in electric vehicles, individual (in particular rechargeable) battery cells are combined into battery cell packages. In this case, the task of a simple and while permanently secure contacting the battery cells to each other. A contacting is understood in the context of this document as at least two electrical conductors which are in electrical contact with each other. A known embodiment of battery cells is the so-called "pouch cell". In this cell type, the actual battery is in a kind of bag and on one or two sides electrical conductors are led out. These pages can be opposite each other. The conductors are often flat conductor tracks which, for example, can be soldered, welded or screwed to make contact and thus to form a battery cell packet.
Neben der Verwendung in einem (Elektro-)Automobil betrifft die Erfindung insbesondere auch Anwendungen für Fahrräder, stationäre Energiespeicher oder Power Tools oder ähnliche mobile oder stationäre Anwendungen, bei denen elektrische Energie gespeichert werden soll. Die Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, eine einfache Verbindung von einzelnen Batteriezellen zu ermöglichen, die dauerhaft sicher einen elektrischen Kontakt sicherstellt. Diese Aufgabe wird mit den Mitteln der unabhängigen Ansprüche gelöst. Bevorzugte Weiterbildungen sind Gegenstand der abhängigen AnsprücheIn addition to use in an (electric) automobile, the invention also relates in particular to applications for bicycles, stationary energy storage or power tools or similar mobile or stationary applications in which electrical energy is to be stored. The object of the present invention is to enable a simple connection of individual battery cells, which permanently ensures safe electrical contact. This object is achieved by the means of the independent claims. Preferred developments are the subject of the dependent claims
Bei einem Batteriezellpaket mit zumindest einer Kontaktierung zwischen einzelnen Batteriezellen des Batteriezellpakets und/oder zu Anschlussleitern werden über eine zumindest teilweise umhüllende Hülle Andruckkräfte auf die Kontaktierung ausübt. Dabei stellen die Andruckkräfte ein mechanisches Berühren von Kontakten der Kontaktierung sicher. Die Kontaktierung dient bevorzugt der Ermöglichung eines möglichst widerstandsfreien Kontakts von zwei Leitern. Herkömmlich wurden konstruktive Maßnahmen ergriffen, um die Kontaktierung sicherzustellen, die gesonderte, ausschließlich dafür verwendete Komponenten verwenden. Es wurde aber erkannt, dass eine Hülle, die sowieso üblicherweise notwendig ist, Kräfte erzeugen kann, die dauerhaft den mechanischen und somit auch elektrischen Kontakt zwischen den Kontakten sicherstellen können. Die Hülle kann bspw. eine Kunststofffolie sein, die aus Gründen der Sicherheit gegen Kurzschlüsse um das Batteriezellpaket gespannt sein muss. Dabei muss sie eine gewisse minimale Dicke von bspw. größer 0,5 mm oder größer 1,0 mm aufweisen. Über diese Materialdicke können ausreichend hohe Kräfte auf die Kontaktierung bewirkt werden.In a battery cell package with at least one contact between individual battery cells of the battery cell packet and / or to connecting conductors are applied via an at least partially enveloping shell pressure forces on the contact. The pressure forces ensure a mechanical contact between contacts of the contact. The contacting preferably serves to allow the most resistance-free contact possible of two conductors. Conventional design measures have been taken to ensure contact using separate, dedicated components. However, it has been recognized that an envelope, which is usually necessary anyway, can generate forces that can permanently ensure mechanical and thus electrical contact between the contacts. The casing may, for example, be a plastic film which, for reasons of safety, has to be clamped around the battery cell packet against short circuits. In this case, it must have a certain minimum thickness of, for example, greater than 0.5 mm or greater than 1.0 mm. About this material thickness sufficiently high forces can be effected on the contact.
Altemativ oder zusätzlich können bei einem Batteriezellpaket mit zumindest einer Kontaktierung zwischen einzelnen Batteriezellen des Batteriezellpakets und/oder zu Anschlussleitern über eine das Batteriezellenpaket zumindest teilweise umhüllende Hülle Andruckkräfte auf die Kontaktierung ausübt werden. Dabei sind in der Kontaktierung über die durch die Hülle bewirkten Andruckkräfte hinaus weder formschlüssige, kraftschlüssige noch stoffschlüssige Fügemittel zur Sicherstellung des mechanischen Kontakts von bevorzugt mindestens zwei Kontakten der Kontaktierung vorgesehen. Als formschlüssige Fügemittel werden insbesondere mechanische Rasthaken, Krimpungen, Bördelungen, Verschraubungen oder Hinterschnitte verstanden. Als kraftschlüssige Fügemittel werden insbesondere federelastische Mittel wie Federkontakte oder eine elastische Verspannung eines Halters bzw. Trägers der Kontakte verstanden. Als stoffschlüssige Fügemittel werden insbesondere Verlötungen, Klebungen oder Schweißungen verstanden. Die vorstehend genannten Mittel sind lediglich beispielhaft und es sind konstruktiv vorgesehene Mittel. Sie unterscheiden sich dadurch von der vorliegenden erfinderischen Ausführungsform, bei der bei der Montage die einzelnen Batteriezellen lediglich in Bezug auf ihre Lage ausgerichtet werden, bzw. neben- oder übereinander angeordnet werden und bei diesem Anordnen keine weiteren Maßnahmen der Ermöglichung eines Stromflusses getroffen werden. Allgemein gesprochen, kommt kein Verbindungsmittel zum Einsatz, das ausschließlich dem Zweck der Kontaktierung dient. Somit ist die erfindungsgemäße Bauweise kostengünstig und schnell zu realisieren. Die üblicherweise sowieso notwendige Hülle bewirkt unmittelbar (z.B. durch Federkräfte) oder bewirkt mittelbar (z.B. über einen Unterdruck) Kräfte auf die Kontakte zur Bewirkung der Kontaktierung.Alternatively or additionally, in a battery cell package with at least one contact between individual battery cells of the battery cell packet and / or connection leads via a battery cell package at least partially enveloping envelope pressure forces are exerted on the contact. In this case, neither form-fitting, non-positive nor cohesive joining means for ensuring the mechanical contact of preferably at least two contacts of the contacting are provided in the contacting on the pressure forces caused by the shell addition. As a positive joining means are understood in particular mechanical latching hooks, crimping, flanging, screwing or undercuts. As non-positive joining means in particular spring-elastic means such as spring contacts or an elastic tension of a holder or carrier of the contacts are understood. In particular, soldering, bonding or welding are understood as cohesive joining means. The above-mentioned means are merely illustrative and are means of construction. They differ from the present inventive embodiment, in which during assembly, the individual battery cells are aligned only with respect to their location, or are arranged side by side or one above the other and taken in this arrangement, no further measures to allow a current flow. Generally speaking, no connecting means is used, which serves exclusively for the purpose of contacting. Thus, the construction according to the invention is inexpensive and fast to implement. The casing, which is usually required anyway, causes forces (for example, by spring forces) directly or indirectly (for example, via a negative pressure) on the contacts to effect the contacting.
Vorteilhaft ist insbesondere, wenn die umhüllende Hülle eine Folie umfasst oder daraus besteht. Bevorzugt wird dadurch eine luftdichte oder zumindest eine flüssigkeitsdichte Abdichtung um die Batteriezellen des Batteriezellpakets bewirkt. Eine flüssigkeitsdichte Ausführung ist dann vorteilhaft, wenn um das Batteriezellpaket herum eine Flüssigkeitskühlung vorgesehen werden soll. Eine luftdichte Abdichtung ist insbesondere bei der nachfolgend genannten Verwendung eines Unterdrucks zur Erzeugung der Kontaktierung notwendig.It is particularly advantageous if the enveloping envelope comprises or consists of a film. An air-tight or at least a liquid-tight seal around the battery cells of the battery cell packet is thereby preferably effected. A liquid-tight design is advantageous if liquid cooling is to be provided around the battery cell pack. An airtight seal is necessary in particular in the following use of a negative pressure to produce the contact.
Vorteilhaft ist ferner, wenn in der Kontaktierung Kontakte der Batteriezellen und/oder der Anschlussleiter in einem flächigen Kontakt zueinander stehen. Die Kontaktfläche sollte mindestens 1 cm2 betragen, um einen sicheren Kontakt auch bei schlechter Positionierung sicherzustellen. Altemativ kann gefordert sein, dass die Kontaktfläche mindestens 10% der Fläche der zugeordneten Oberfläche der Batteriezelle beträgt.It is also advantageous if in the contacting contacts of the battery cells and / or the connecting conductor are in a planar contact with each other. The contact surface should be at least 1 cm 2 to ensure a secure contact even in poor positioning. Alternatively may be required that the contact surface is at least 10% of the area of the associated surface of the battery cell.
Insbesondere kann die Hülle als eine Schrumpffolie ausgeführt sein. Es kann alternativ eine (oder mehrere) Wickelung(en) mit einer elastischen Folie (insbesondere Stretchfolie) unter Längsverspannungskräften aufgebracht werden. Auf diese Arten können dauerhaft elastische Verspannungskräfte bewirkt werden.In particular, the sheath may be designed as a shrink film. Alternatively, one (or more) winding (s) with an elastic film (in particular stretch film) can be applied under longitudinal tension forces. In these ways permanently elastic tensioning forces can be effected.
Altemativ oder zusätzlich kann die Hülle eine Vakuumsaugstelle umfassen. Auch kann die Hülle eine luftdichte Hülle sein und innerhalb der Hülle ein Unterdruck gegenüber der Umgebung bestehen. In diesen Fällen kann ein Unterdruck innerhalb des Batteriezellpakets dauerhafte Kräfte zur Sicherstellung der Kontaktierungen bewirken.Alternatively or additionally, the sheath may comprise a vacuum suction point. Also, the shell may be an airtight shell and within the shell there is a negative pressure relative to the environment. In these cases, a negative pressure within the battery cell packet can cause permanent forces to ensure the contacts.
Altemativ oder zusätzlich kann zudem innerhalb der Hülle ein federelastisches Element wie insbesondere ein Schaumstoff oder eine Feder vorgesehen sein, um unter Bewirkung von Kräften auf die Hülle die Andruckkräfte der Kontaktierung zu bewirken. Dies ist dann besonders vorteilhaft, wenn die Elastizität der Hülle als nicht ausreichend hoch für die dauerhafte Aufrechterhaltung der Andruckkräfte angesehen wird. So werden die Andruckkräfte zumindest ergänzend über das zusätzliche federelastische Element erzeugt.Alternatively or additionally, a resilient element such as in particular a foam or a spring may also be provided within the envelope, in order to effect the pressure forces of the contacting effecting forces on the envelope. This is particularly advantageous if the elasticity of the sheath is considered not sufficiently high for the permanent maintenance of the pressure forces. Thus, the pressure forces are generated at least in addition to the additional resilient element.
Vorteilhaft ist ferner, wenn einzelne Batteriezellen des Batteriezellpakets flächig aneinander anliegen und dadurch eine Anlagefläche definieren. Zumindest ein Teil der Kontaktierung ist mit einem Abstand von mindestens 35% vom Rand der Anlagefläche beabstandet bevorzugt mindestens 20%, in Bezug auf die Gesamtlänge und/oder -breite der Anlagefläche. Da Batteriezellen, insbesondere beim Pouch-Typ, bei ihrer Alterung zu einer Bauchigkeit neigen, kann so sichergestellt werden, dass die Kontaktierung dort stattfindet, wo die Bauchigkeit auftritt. So unterstützt die bauchbildende Verformung der Batteriezellen die Bildung von Kräften, die die Kontaktierung(en) unterstützen.It is also advantageous if individual battery cells of the battery cell package lie flat against each other and thereby define a contact surface. At least a portion of the contacting is at a distance of at least 35% from the edge of the contact surface spaced preferably at least 20%, with respect to the total length and / or width of the contact surface. Since battery cells, especially in the case of the pouch type, tend to become bumpy when they age, it is thus possible to ensure that the contacting takes place where the bumpiness occurs. Thus, the bulging deformation of the battery cells supports the formation of forces that support the contact (s).
In bevorzugten Ausführungsformen werden Kontakte jeweils an Stirnseiten aus der Batteriezelle herausgeführt und sind U-förmig gebogen. Derartige Batteriezellen werden üblicherweise in großen Stückzahlen gefertigt, sind folglich leicht erhältlich, so dass diese Standardbauteile vorteilhafter Weise zum Einsatz kommen.In preferred embodiments, contacts are each led out on end sides of the battery cell and are bent in a U-shape. Such battery cells are usually manufactured in large numbers, are therefore readily available, so that these standard components are advantageously used.
In einem entsprechenden Verfahren zur Herstellung eines Batteriezellpakets wird eine Mehrzahl von Batteriezellen relativ zueinander positioniert, so dass elektrische Kontakte der Batteriezellen benachbart zueinander liegen. Dabei werden aber keine konstruktiven Maßnahmen getroffen, um einen dauerhaften elektrischen Kontakt der Kontakte sicherzustellen und nachfolgend wird eine Hülle um die zueinander ausgerichteten Batteriezellen aufgebracht, so dass über die Hülle Andruckkräfte auf die Batteriezellen bewirkt werden und dadurch werden die Kontakte in einem mechanischen und elektrischen Kontakt zueinander gehalten.In a corresponding method for producing a battery cell packet, a plurality of battery cells is positioned relative to each other so that electrical contacts of the battery cells are adjacent to one another. In this case, however, no constructive measures are taken to ensure a permanent electrical contact of the contacts and subsequently a shell is applied to the mutually aligned battery cells, so that over the shell pressure forces are effected on the battery cells and thereby the contacts in a mechanical and electrical contact held each other.
Nachfolgend werden bevorzugte Ausführungsformen der Erfindung anhand der Figuren beispielhaft beschrieben. Es zeigen:
-
1 eine schematische Seitenansicht einer Batteriezelle, -
2 eine Seitenansicht eines Batteriezellpakets als einem Stapel entsprechender Batteriezellen, -
3 eine Batteriezelle gemäß einer alternativen Ausführungsform, -
4 eine Seitenansicht einer veränderten Art der Bildung eines Batteriezellpakets, -
5 eine alternative Ausführungsform des Batteriezellpakets mit einem elastischen Element, -
6 eine schematische Draufsicht auf eine Batteriezelle und -
7 ein schematisches Diagramm zur Erläuterung des Effekts der Dickenänderung einer Batteriezelle in Abhängigkeit des Ladezustands und der Alterung.
-
1 a schematic side view of a battery cell, -
2 a side view of a battery cell pack as a stack of corresponding battery cells, -
3 a battery cell according to an alternative embodiment, -
4 a side view of a modified way of forming a battery cell packet, -
5 an alternative embodiment of the battery cell packet with an elastic element, -
6 a schematic plan view of a battery cell and -
7 a schematic diagram for explaining the effect of the change in thickness of a battery cell as a function of the state of charge and aging.
In einer ersten bevorzugten Ausführungsform kann die Hülle
Es ist eine Eigenschaft von Batteriezellen, dass sie sich über die Lebensdauer in ihrem Volumen vergrößern und zum anderen nimmt bei jedem Ladevorgang das Volumen etwas zu und nimmt bei der Entladung wieder ab. Dieser Zusammenhang ist in
In einer zweiten Variante der ersten bevorzugten Ausführungsform gemäß
In einer dritten Variante (nicht dargestellt) kann die Hülle
Bei dem Verfahren der Herstellung des Batteriezellpakets
Während die Erfindung vorstehend für Pouch-förmige Zellen erläutert wurde, so ist sie ebenfalls für andere Zellformen, wie zylindrische oder prismatische Zellen verwendbar. Wie vorstehend bereits erwähnt, so werden Merkmale, die bei nur einer Ausführungsform (oder Variante) erläutert wurden, auch für andere Ausführungsformen als verwendbar angesehen, sofern keine konstruktiven Hindernisse dies verhindern.While the invention has been described above for pouch-shaped cells, it is also applicable to other cell shapes, such as cylindrical or prismatic cells. As already mentioned above, features which have been explained in only one embodiment (or variant) are also considered usable for other embodiments, provided that no constructive obstacles prevent this.
BezugszeichenlisteLIST OF REFERENCE NUMBERS
- 1010
- Batteriezellebattery cell
- 1515
- Kontaktierungcontact
- 16, 1716, 17
- KontaktContact
- 1818
- Anschlussleiterconnecting conductors
- 1919
- Messleitermeasuring Head
- 2020
- BatteriezellpaketBattery cell pack
- 3030
- Hülleshell
- 3535
- VakuumsaugstelleVakuumsaugstelle
- 4040
- federelastisches Elementelastic element
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