DE102019210766A1

DE102019210766A1 - Kontaktfeder mit Federring (betrifft Kreisel-Konzept, z.H. Herr Stingl)

Info

Publication number: DE102019210766A1
Application number: DE102019210766.4A
Authority: DE
Inventors: Uwe von Ehrenwall; Steffen Schoenfeld
Original assignee: Robert Bosch GmbH
Current assignee: Robert Bosch GmbH
Priority date: 2019-07-19
Filing date: 2019-07-19
Publication date: 2021-01-21

Abstract

Die Erfindung betrifft ein Batteriezellaufnahmeelement ausgebildet zur elektrisch leitenden Aufnahme einer Batteriezelle (5) umfassend eine Mehrzahl an einander zugewandt angeordneten Halteelementen (2), welche zu einer gemeinsamen mechanischen und elektrischen Kontaktierung der aufzunehmenden Batteriezelle (5) ausgebildet sind, wobei die Mehrzahl an Halteelemente (2) jeweils mit einem elektrischen Kontaktbereich (3) verbunden ist, welcher zu einer stoffschlüssigen Anbindung einer weiteren Batteriezelle (5) ausgebildet ist, wobei ein elastisch ausgebildetes Federelement (4) in der Art an der Mehrzahl an Haltelementen (2) angeordnet ist, dass das Federelement (4) die einzelnen Halteelemente (2) in Richtung der aufzunehmenden Batteriezelle (5) drückt, so dass eine Kontaktkraft zwischen der Mehrzahl an Halteelementen (2) und der aufzunehmenden Batteriezelle (5) ausgebildet ist.

Description

Stand der Technik
Die Erfindung geht aus von einem Batteriezellaufnahmeelement nach Gattung des unabhängigen Anspruchs. Gegenstand der vorliegenden Erfindung ist auch ein Batteriemodul mit solchen Batteriezellaufnahmeelementen.
Aus dem Stand der Technik ist bekannt, dass ein Batteriemodul eine Mehrzahl an Batteriezellen aufweist, welche jeweils einen positiven Spannungsabgriff und einen negativen Spannungsabgriff aufweisen, wobei zu einer elektrisch leitenden seriellen und/oder parallelen Verbindung der Mehrzahl an Batteriezellen untereinander die jeweiligen Spannungsabgriffe miteinander verbunden sind.
Beispielsweise offenbart die Druckschrift DE 10 2015 055 29 A1 ein Batteriezellaufnahmeelement in Form einer Kontaktfeder, welche als Rundzellen ausgebildete Batteriezellen elektrisch leitend aufnehmen kann, um eine Mehrzahl an Batteriezellen seriell miteinander verschalten zu können.
Dabei sollte für Kontaktkraft und Übergangswiderstand ein enger Toleranzbereich eingehalten werden, denn jede Abweichung von der Positionierung der Batteriezelle würde zu einer Abweichung in der Kontaktkraft der einzelnen Federarme führen.
Offenbarung der Erfindung
Ein Batteriezellaufnahmeelement mit den Merkmalen des unabhängigen Anspruchs bietet den Vorteil, dass eine einfache und kostengünstige Ausbildung des Batteriezellaufnahmeelements zur Verfügung gestellt werden kann. Insbesondere kann eine Kontaktkraft zwischen einer aufzunehmenden Batteriezelle und einer Mehrzahl an Halteelemente unabhängig von Lage- und Positionstoleranzen eines Batteriemodulgehäuses ausgebildet werden. Weiterhin ist es vorteilhaft möglich, ein leicht umformbares und kostengünstiges Material zu verwenden.
Dazu wird erfindungsgemäß ein Batteriezellaufnahmeelement zur Verfügung gestellt, welches dazu ausgebildet ist, eine Batteriezelle elektrisch leitend aufzunehmen.
Das Batteriezellaufnahmeelement umfasst eine Mehrzahl an einander zugewandt angeordneten Halteelementen. Die Halteelemente sind dabei zu einer gemeinsamen mechanischen und elektrischen Kontaktierung der aufzunehmenden Batteriezelle ausgebildet. Weiterhin ist die Mehrzahl an Halteelementen jeweils mit einem elektrischen Kontaktbereich verbunden.
Der elektrische Kontaktbereich ist dabei zu einer stoffschlüssigen Anbindung einer weiteren Batteriezelle ausgebildet.
Dabei ist ein elastisch ausgebildetes Federelement in der Art an den Halteelementen angeordnet, dass das Federelement die einzelnen Halteelemente in Richtung der aufzunehmenden Batteriezelle drückt. Damit kann eine Kontaktkraft zwischen der Mehrzahl an Halteelementen und der aufzunehmenden Batteriezelle ausgebildet sein.
Durch die in den abhängigen Ansprüchen aufgeführten Maßnahmen sind vorteilhafte Weiterbildungen und Verbesserungen der im unabhängigen Anspruch angegebenen Vorrichtung möglich.
Bei einem erfindungsgemäßen Batteriezellaufnahmeelement können somit vorteilhafterweiße definierte Kontaktkräfte in vergleichbar engen Toleranzen einzig mittels der Ausbildung des elastisch ausgebildeten Federelements zur Verfügung gestellt werden. Insbesondere kann dies über eine Einstellung einer Federkonstante des Federelements erfolgen. Die Einstellung der tolerierten Kontaktkraft ist beispielsweise auch nur von der Auslegung des Federelements abhängig und unabhängig von der relativen Lage der Batteriezelle zu dem Batteriezellaufnahmeelement.
Unter einem Federelement soll an dieser Stelle beispielsweise ein elastisch verformbares Bauteil verstanden sein. Das Federelement ist dabei vorzugsweise in der Art an den Halteelementen angeordnet, dass das Federelement durch die Aufnahme einer Batteriezelle elastisch verformt wird und die Rückstellkraft des Federelements eine Kraft auf die Halteelemente ausübt, wodurch eine Kontaktierung der Batteriezelle durch die Halteelemente ausgebildet ist, und somit die Batteriezelle elektrisch kontaktiert werden kann und zugleich auch mechanisch gehalten werden kann.
Bevorzugt weist das Batteriezellaufnahmeelement eine Mehrzahl an Halteelementen auf. Bevorzugt weist das Batteriezellaufnahmeelement sechs Halteelemente auf, welche in einer regelmäßigen Struktur zueinander angeordnet sind. Beispielsweise können die Halteelemente jeweils im Abstand von 60° eines Kreises angeordnet sein. Dadurch kann insgesamt eine sehr zuverlässige Aufnahme der Batteriezelle zur Verfügung gestellt werden.
Weiterhin bietet eine erfindungsgemäße Ausführung eines Batteriezellaufnahmeelements den Vorteil, dass das Batteriezellaufnahmeelement an die Verwendung anderer Zellen mit einer anderen Größe durch eine Anpassung des Federelements auf einfache Weise angepasst werden kann. Dies spart Kosten und Zeit.
Gemäß einem bevorzugten Aspekt der Erfindung ist die Mehrzahl an Halteelementen aus einem metallischen Werkstoff ausgebildet. Dies bietet den Vorteil, dass eine zuverlässig elektrisch leitende Ausbildung des Batteriezellaufnahmeelements zur Verfügung gestellt werden kann.
Insbesondere ist es möglich, da die für eine zuverlässige elektrische und mechanische Aufnahme erforderliche Federkraft durch das Federelement ausgebildet werden kann, die Halteelemente aus einem genormten, vergleichbar leicht verarbeitbaren, elektrisch leitenden Werkstoff auszubilden. Beispielsweise kann ein Standardwerkstoff auf Kupferbasis genutzt werden. Auch können die Anforderungen für die Fertigungstoleranzen des Werkstoffes reduziert werden. Insbesondere kann hierbei auf die Verwendung eines hochfesten und teuren Federwerkstoffes beispielsweise auf Kupferbasis verzichtet werden. Dadurch kann auch die in mehreren Stufen auszuführende Umformung erleichtert werden.
Dabei ist es bevorzugt, wenn der metallische Werkstoff ausgewählt ist aus Aluminium, Kupfer, Nickel oder Stahl. Weiterhin ist es dabei auch denkbar, dass die Mehrzahl an Halteelementen aus Mischungen der genannten metallischen Werkstoffe besteht, beispielsweise einer Mischung aus Aluminium und Kupfer oder Aluminium, Kupfer und Nickel.
Somit kann eine zuverlässige, elektrisch leitende Ausbildung des Batteriezellaufnahmeelements zur Verfügung gestellt werden.
An dieser Stelle sei noch angemerkt, dass durch die vergleichbar geringeren Anforderungen an den metallischen Werkstoff und somit beispielsweise die Möglichkeit zur Verwendung eines Standardwerkstoffes in erheblichem Maße Kosten eingespart werden können. Weiterhin können auch durch die vergleichbar höheren Fertigungstoleranzen beispielsweise auch einhergehend mit alternativen Herstellungsverfahren, durch vergleichbar abgeschwächte Versandanforderungen und damit die Möglichkeit zu größeren Losgrößen und einfacherer Verpackung und durch einfachere Fertigungseinrichtungen Kosten eingespart werden.
Insbesondere ist es vorteilhaft möglich, erforderliche Fertigungstoleranzen, welche eine hohe Sensibilität von der Herstellung über den Versand bis hin zur Montage in der Fertigung erfordern, zu reduzieren.
Insbesondere ist das Federelement dabei als Federring ausgebildet.
Zweckmäßigerweise ist der Federring als Spiralfeder ausgebildet. Insbesondere weist die Spiralfeder dabei im Wesentlichen eine Ringform auf, wobei bereichsweise einfache oder mehrfache Überlappungen ausgebildet sein können. Eine solche Ausführungsform bietet den Vorteil, dass auch die Spiralfeder aus einem Standardwerkstoff mit vergleichbar geringen Anforderungen, wie beispielsweise Kupfer, ausgebildet werden kann.
Zweckmäßigerweise kann der Federring auch als Elastomerring ausgebildet sein. Der Elastomerring ist dabei bevorzugt aus einem elastomeren, elastisch ausgebildeten Werkstoff ausgebildet.
Gemäß einem bevorzugten Aspekt der Erfindung sind die Mehrzahl an Halteelementen und der elektrische Kontaktbereich einteilig miteinander ausgebildet. Dies bietet den Vorteil einer einfachen Herstellung.
Insgesamt kann ein erfindungsgemäßes Batteriezellaufnahmeelement kostengünstig als Schüttgut verarbeitet werden.
Ferner betrifft die Erfindung auch ein Batteriemodul mit erfindungsgemäßen, eben beschriebenen Batteriezellaufnahmeelementen und einer Mehrzahl an Batteriezellen, welche insbesondere als Lithium-Ionen-Batteriezellen ausgebildet sind.
Die Batteriezellen weisen jeweils einen positiven und einen negativen Spannungsabgriff auf. Dabei ist eine erste Batteriezelle mechanisch und elektrisch gemeinsam durch die Mehrzahl an Halteelemente eines Batteriezellaufnahmeelements in der Art aufgenommen, dass der negative Spannungsabgriff der ersten Batteriezelle elektrisch leitend mit dem elektrischen Kontaktbereich verbunden ist. Dabei ist eine zweite Batteriezelle in der Art stoffschlüssig mit dem elektrischen Kontaktbereich verbunden, dass der positive Spannungsabgriff der zweiten Batteriezelle elektrisch leitend mit dem elektrischen Kontaktbereich verbunden ist. Insbesondere kann diese stoffschlüssige Verbindung geschweißt oder gelötet ausgebildet sein.
Besonders bevorzugt ist die zweite Batteriezelle auf einer der ersten Batteriezelle unmittelbar gegenüberliegenden Seite des Batteriezellaufnahmeelements an dem elektrischen Kontaktbereich angeordnet.
Mit einem solchen erfindungsgemäßen Batteriemodul ist es möglich, dass die erste Batteriezelle und die zweite Batteriezelle elektrisch seriell miteinander verschaltet sind, da der positive Spannungsabgriff der zweiten Batteriezelle und der negative Spannungsabgriff der ersten Batteriezelle mittels des Batteriezellaufnahmeelements elektrisch leitend miteinander verbunden sind.
Besonders bevorzugt ist es weiterhin, wenn die Batteriezellaufnahmeelemente des Batteriemoduls elektrisch leitend miteinander verbunden sind. Insbesondere sind die einzelnen elektrischen Kontaktbereiche elektrisch leitend miteinander verbunden. Dadurch ist es möglich, dass neben einer seriellen Verschaltung auch eine parallele Verschaltung ausgebildet ist.
Insbesondere umfasst das Batteriemodul hierbei eine Mehrzahl an ersten Batteriezellen, welche parallel miteinander verschaltet sind, und eine Mehrzahl an zweiten Batteriezellen, welche ebenfalls parallel miteinander verschaltet sind. Weiterhin ist die Mehrzahl an ersten Batteriezellen und die Mehrzahl an zweiten Batteriezellen seriell miteinander verschaltet.
Vorteilhafterweise sind die Batteriezellen als zylindrische Batteriezellen ausgebildet. Zylindrische Batteriezellen umfassen üblicherweise zwei einander gegenüberliegende und parallel zueinander angeordnete Stirnflächen, welche mittels einer Mantelfläche miteinander verbunden sind.
Figurenliste
Ausführungsbeispiele der Erfindung sind in den Zeichnungen dargestellt und in der nachfolgenden Beschreibung näher erläutert.
Es zeigt:

1 eine Ausführungsform eines erfindungsgemäßen Batteriezellaufnahmeelements und
2 eine Ausführungsform eines erfindungsgemäßen Batteriemoduls.

Die 1 zeigt eine Ausführungsform eines erfindungsgemäßen Batteriezellaufnahmeelements 1. Das Batteriezellaufnahmeelement 1 ist dabei ausgebildet zu einer elektrisch leitenden Aufnahme einer in der 1 nicht zu erkennenden Batteriezelle 5.
Das Batteriezellaufnahmeelement 1 umfasst eine Mehrzahl an einander zugewandt angeordneten Halteelementen 2. Die Mehrzahl an Haltelementen 2 ist dabei zu einer gemeinsamen mechanischen und elektrischen Kontaktierung der aufzunehmenden Batteriezelle 5 ausgebildet.
Die Mehrzahl an Halteelementen 2 ist dabei bevorzugt aus einem metallischen Werkstoff 20 ausgebildet. Dieser metallische Werkstoff 20 kann dabei beispielsweise ausgewählt sein aus Aluminium, Kupfer, Nickel oder Stahl sowie Mischungen daraus.
Dabei ist die Mehrzahl an Halteelementen 2 jeweils mit einem elektrischen Kontaktbereich 3 verbunden. Der elektrische Kontaktbereich 3 ist zu einer stoffschlüssigen Anbindung einer weiteren Batteriezelle 5 ausgebildet, welche in der 1 ebenfalls nicht zu erkennen ist. Besonders bevorzugt ist der elektrische Kontaktbereich 3 ebenfalls aus einem metallischen Werkstoff, wie beispielsweise Aluminium, Kupfer, Nickel oder Stahl sowie Mischungen daraus, ausgebildet. Bei dem Ausführungsbeispiel gemäß 1 sind die Mehrzahl an Halteelementen 2 und der elektrische Kontaktbereich 3 einteilig miteinander ausgeführt.
Die 1 zeigt auch ein elastisch ausgebildetes Federelement 4. Das Federelement 4 ist dabei in der Art an der Mehrzahl an Halteelemente 2 angeordnet, dass das Federelement 4 die einzelnen Halteelement 2 in Richtung der aufzunehmenden Batteriezelle drückt. Dadurch ist eine Kontaktkraft zwischen der Mehrzahl an Halteelemente 2 und der aufzunehmenden Batteriezelle ausgebildet.
Gemäß der in der 1 gezeigten Ausführungsform ist das Federelement 4 als Federring 40 ausgebildet. Weiterhin ist der Federring gemäß 1 als Spiralfeder 400 ausgebildet. Bspw. können die Halteelemente 2 jeweils Führungen ausgebildet zur Aufnahme des Federelements 4 aufweisen.
Die 2 zeigt eine Ausführungsform eines erfindungsgemäßen Batteriemoduls 10.
Das Batteriemodul 10 umfasst ein Batteriezellaufnahmeelement 1 und eine Mehrzahl an Batteriezellen 5. Bevorzugt sind die Batteriezellen 5 als Lithium-Ionen-Batteriezellen 50 ausgebildet. Weiterhin sind die Batteriezellen 5 bzw. die Lithium-Ionen-Batteriezellen 50 bevorzugt als zylindrische Batteriezellen 500 ausgebildet.
Die Batteriezellen 5 weisen jeweils einen positiven Spannungsabgriff 61 und einen negativen Spannungsabgriff 62 auf. Bevorzugt wird der negative Spannungsabgriff 62 durch ein Gehäuse 63 der jeweiligen Batteriezelle 5 ausgebildet.
Insbesondere ist eine erste Batteriezelle 51 mechanisch und elektrisch gemeinsam durch die Mehrzahl an Halteelemente 2 des Batteriezellaufnahmeelements 1 in der Art aufgenommen, dass der negative Spannungsabgriff 62 der ersten Batteriezelle 51 elektrisch leitend mit dem elektrischen Kontaktbereich 3 des Batteriezellaufnahmeelements 1 verbunden ist.
Insbesondere ist eine zweite Batteriezelle 52 stoffschlüssig mit dem elektrischen Kontaktbereich 3 in der Art verbunden, dass der positive Spannungsabgriff 61 der zweiten Batteriezelle 52 elektrisch leitend mit dem elektrischen Kontaktbereich 3 des Batteriezellaufnahmeelements 1 verbunden ist.
Dadurch sind die erste Batteriezelle 51 und die zweite Batteriezelle 52 elektrisch seriell miteinander verschaltet.
An dieser Stelle sei hierzu bemerkt, dass die erste Batteriezelle 51 der aufzunehmenden Batteriezelle 5 entspricht und dass die zweite Batteriezelle 52 der weiteren Batteriezelle 5 entspricht.
An dieser Stelle sei angemerkt, dass die Batteriezellaufnahmeelemente 1 elektrisch leitend miteinander verbunden sein können, sodass neben einer seriellen Verschaltung auch eine parallele Verschaltung ausgebildet ist. Insbesondere können hierzu die elektrischen Kontaktbereiche miteinander verschaltet sein.
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 10201505529 A1 [0003]

Claims

Batteriezellaufnahmeelement ausgebildet zur elektrisch leitenden Aufnahme einer Batteriezelle (5) umfassend eine Mehrzahl an einander zugewandt angeordneten Halteelementen (2), welche zu einer gemeinsamen mechanischen und elektrischen Kontaktierung der aufzunehmenden Batteriezelle (5) ausgebildet sind, wobei die Mehrzahl an Halteelemente (2) jeweils mit einem elektrischen Kontaktbereich (3) verbunden ist, welcher zu einer stoffschlüssigen Anbindung einer weiteren Batteriezelle (5) ausgebildet ist, dadurch gekennzeichnet, dass ein elastisch ausgebildetes Federelement (4) in der Art an der Mehrzahl an Haltelementen (2) angeordnet ist, dass das Federelement (4) die einzelnen Halteelemente (2) in Richtung der aufzunehmenden Batteriezelle (5) drückt, so dass eine Kontaktkraft zwischen der Mehrzahl an Halteelementen (2) und der aufzunehmenden Batteriezelle (5) ausgebildet ist.
Batteriezellaufnahmeelement nach dem vorherigen Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Mehrzahl an Halteelementen (2) aus einem metallischen Werkstoff (20) ausgebildet ist.
Batteriezellaufnahmeelement nach dem vorherigen Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass der metallische Werkstoff (20) ausgewählt ist aus Aluminium, Kupfer, Nickel oder Stahl sowie Mischungen daraus.
Batteriezellaufnahmeelement nach einem der vorherigen Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass das Federelement (4) als Federring (40) ausgebildet ist.
Batteriezellaufnahmeelement nach dem vorherigen Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass der Federring (40) als Spiralfeder (400) ausgebildet ist.
Batteriezellaufnahmeelement nach dem vorherigen Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass der Federring (4) als Elastomerring ausgebildet ist.
Batteriezellaufnahmeelement nach einem der vorherigen Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass die Mehrzahl an Halteelementen (2) und der elektrische Kontaktbereich (3) einteilig miteinander ausgebildet sind.
Batteriemodul mit Batteriezellaufnahmeelementen (1) nach einem der Ansprüche 1 bis 7 und einer Mehrzahl an Batteriezellen (5), welche insbesondere jeweils als Lithium-Ionen-Batteriezellen (50) ausgebildet sind, wobei die Batteriezellen (5) jeweils einen positiven Spannungsabgriff (51) und einen negativen Spannungsabgriff (52) aufweisen, wobei eine erste Batteriezelle (51) mechanisch und elektrisch gemeinsam durch die Mehrzahl an Halteelemente (2) eines Batteriezellaufnahmeelements (1) in der Art aufgenommen ist, dass der negative Spannungsabgriff (62) der ersten Batteriezelle (51) elektrisch leitend mit dem elektrischen Kontaktbereich (3) verbunden ist, und wobei eine zweite Batteriezelle (52) stoffschlüssig mit dem elektrischen Kontaktbereich (3) in der Art verbunden ist, dass der positive Spannungsabgriff (61) der zweiten Batteriezelle (52) elektrisch leitend mit dem elektrischen Kontaktbereich (3) verbunden ist.
Batteriemodul nach dem vorhergehenden Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass die Batteriezellaufnahmeelemente (1) weiterhin elektrisch leitend miteinander verbunden sind.
Batteriemodul nach einem der vorhergehenden Ansprüche 8 oder 9, dadurch gekennzeichnet, dass die Batteriezellen (5) als zylindrische Batteriezellen (500) ausgebildet sind.