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Die Erfindung bezieht sich auf einen Zellverbinder, mittels dem Zellpole von Batteriezellen einer Elektrobatterie elektrisch miteinander verbindbar sind.
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An den Verbindungsstellen zwischen dem Zellverbinder einerseits und den Zellpolen der Batteriezellen andererseits entsteht aufgrund des elektrischen Stromflusses thermische Energie. Das Ausmaß des Auftretens derartiger thermischer Energie ist auch von Fertigungstoleranzen und der genauen Einhaltung der beim Fertigungsvorgang vorgesehenen Verfahrensparametern abhängig. Die beim Stromfluss zwischen Zellverbinder und Zellpolen auftretende thermische Energie kann zu einer Verkürzung der Lebensdauer der Elektrobatterie oder zur Verringerung der Betriebseigenschaften derselben führen.
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Ausgehend von dem vorstehend geschilderten Stand der Technik liegt der Erfindung die Aufgabe zugrunde, einen Zellverbinder, mittels dem Zellpole von Batteriezellen einer Elektrobatterie elektrisch miteinander verbindbar sind, zu schaffen, durch den die Lebensdauer der Elektrobatterie erhöht und ein zuverlässigerer lang andauernder Betrieb der Elektrobatterie mit den gewünschten Kapazitätseigenschaften ermöglicht wird.
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Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß dadurch gelöst, dass der Zellverbinder so ausgebildet ist, dass mittels ihm an den Zellpolen und/oder den Batteriezellen entstehende thermische Energie ableitbar ist. Hierdurch können Störungen oder Schädigungen, die aufgrund nicht abgeführter thermischer Energie im Bereich der Zellpole der Batteriezellen der Elektrobatterie auftreten, besser verhindert bzw. reduziert werden. Des Weiteren kann auch in den Batteriezellen entstehende thermische Energie besser abgeführt werden.
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Vorteilhaft kann mittels der zur Ableitung thermischer Energie vorgesehenen Ausgestaltung des Zellverbinders auch sichergestellt werden, dass die auch mittels des Zellverbinders bewerkstelligte Verbindung der Batteriezellen der Elektrobatterie untereinander mechanisch stabiler als beim Stand der Technik ausgebildet werden kann.
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Gemäß einer vorteilhaften Ausgestaltung bildet der Zellverbinder aus seinem elektrisch leitenden Werkstoff einen geschlossenen Hohlabschnitt aus, wobei der so gebildete Hohlraum des Zellverbinders mittels eines Kühlmediums durchströmbar ist. Mittels des den Hohlraum des Zellverbinders durchströmenden Kühlmediums, bei dem es sich um geeignetes Kühlfluid handeln kann, kann an den Verbindungsstellen zwischen dem Zellverbinder und den Zellpolen entstehende thermische Energie zuverlässig abgeleitet werden.
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Der zur Führung des Kühlmediums vorgesehene Hohlraum des Zellverbinders kann im Querschnitt rund, vorzugsweise oval oder kreisförmig, rechteckig, quadratisch oder beliebig polygon sein.
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Vorteilhaft ist der Hohlraum des Zellverbinders in einen Kühlmediumkreislauf integriert, zu dem zumindest ein weiterer, ähnlich oder gleich ausgebildeter Zellverbinder gehört. Zur Fluidkühlung ist ein elektrisch isolierendes Dielektrikum oder ein elektrisch nicht leitendes Kühlmedium einsetzbar.
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Der derart gebildete Kühlmediumkreislauf kann in einer vorteilhaften Ausführungsform des erfindungsgemäßen Zellverbinders einen eingangsseitigen Zulaufstutzen, durch den hindurch Kühlmedium in ihn einleitbar, und einen ausgangsseitigen Ablaufstutzen aufweisen, durch den hindurch Kühlmedium aus dem Kühlmediumkreislauf ausleitbar ist. Hierdurch kann ein zuverlässiger Abtransport von thermischer Energie gewährleistet werden, die an den Übergängen zwischen den Zellverbindern einerseits und den Zellpolen der Elektrobatterie andererseits entsteht. Darüber hinaus kann auch an anderen Stellen der Elektrobatterie entstehende thermische Energie abgeleitet werden.
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Zur Ausgestaltung des Kühlmediumkreislaufs der Elektrobatterie ist es vorteilhaft, wenn zwischen den Zellverbindern oder zwischen Aneinanderreihungen von Zellverbindern ein elektrisch nicht leitender Verbindungsabschnitt bzw. elektrisch nicht leitende Verbindungabschnitte vorgesehen sind. Sofern Serienschaltungen vorgesehen sind, ist es entsprechend vorteilhaft, wenn zwischen den Zellverbindern oder zwischen Aneinanderreihungen von Zellverbindern ein Dielektrikum vorgesehen ist.
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Gemäß einer vorteilhaften Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Zellverbinders weist dieser einen Planarabschnitt als Anschlussfahne auf, die in elektrischer Verbindung mit den ihr zugeordneten Zellpolen der Batteriezellen ist. Aufgrund ihrer Ausgestaltung kann die Anschlussfahne in flächige Anlage an die Zellpole gebracht und danach mit den Zellpolen verbunden werden. Die Anschlussfahne kann dann auch als elastisch flexibles Ausgleichelement zur Kompensation mechanischer Spannungen an den Zellpolen dienen.
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Hierzu ist es vorteilhaft, wenn an den Zellpolen der Batteriezellen ebenfalls vorzugsweise flächige Anschlusselemente vorgesehen sind, mittels denen die Anschlussfahne elektrisch an die Zellpole anschließbar bzw. angeschlossen ist.
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Die Integration der mit dem erfindungsgemäßen Zellverbinder versehenen Elektrobatterie in ein elektrisches Energieversorgungssystem kann in einfacher Weise mittels vorzugsweise flexibler elektrischer Anschlussglieder realisiert werden.
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Eine konstruktiv einfache und mit einem vergleichsweise geringen Aufwand herstellbare Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Zellverbinders ergibt sich, wenn dieser aus einem Verbund aus einem Metallblech und einem Metallrohr ausgestaltet ist.
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In einer vorteilhaften Ausführungsform ist der erfindungsgemäße Zellverbinder aus einem Metallblech ausgestaltet, wobei ein aufgerollter und im aufgerollten Zustand verschweißter Hohlabschnitt den geschlossenen Hohlquerschnitt des Zellverbinders und ein nicht aufgerollter Abschnitt des Metallblechs den Planarabschnitt bzw. die Anschlussfahne des Zellverbinders ausbildet.
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Im aufgerollten Hohlabschnitt des Zellverbinders kann ein rohrförmiger Terminal vorgesehen sein, der als Kühlkanalrohr ausgebildet sein und durch den hindurch das Kühlmedium bzw. Kühlfluid geleitet werden kann. Hierbei kann eine Werkstoffpaarung aus elektrisch leitenden Werkstoffen einerseits und elektrisch nicht leitenden Werkstoffen andererseits vorgesehen werden.
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Die Anschlussfahne des erfindungsgemäßen Zellverbinders ist vorteilhaft mittels Verschweißung, Verlötung, Verklebung mit einem leitenden Klebstoff, Verschraubung, Verclinchung oder Federungsverkontaktung mit den dem Zellverbinder zugeordneten Zellpolen der Batteriezellen elektrisch verbunden.
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Entsprechend dem gestellten Anforderungsprofil kann das den Zellverbinder ausbildende Metallblech mit Nickel oder Zink beschichtet sein. Auch andere Dünnbeschichtungen sind möglich und realisierbar.
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Das Metallblech selbst, welches den Zellverbinder ausbildet, kann aus Aluminium (99,95 %), Hilumin, Kupfer, Nickel, einer geeigneten Legierung oder Stahl ausgebildet sein. Auch andere Werkstoffe sind möglich. Wesentlich für die Werkstoffauswahl ist, dass eine günstige Werkstoffpaarung mit dem Werkstoff des Zellpols gewählt wird, um einerseits eine konstruktivtechnisch wenig aufwendige Herstellbarkeit und andererseits eine optimale elektrische und thermische Leitfähigkeit zu sichern. Entsprechend sind auch Nickel, Verbundwerkstoffe mit Oberflächenveredelungen, beschichtete, z.B. vernickelte Werkstoffe, einsetzbar.
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Um die Wiederverwert- bzw. Recyceleigenschaft der Elektrobatterie bzw. des Zellverbinders zu erhöhen, ist es vorteilhaft, wenn in den Hohlquerschnitt des Hohlabschnitts des Zellverbinders ein Werkzeug einführbar ist, mittels dem der Planarabschnitt des Zellverbinders aufrollbar und durch diesen Aufrollvorgang die Verbindung zwischen dem Zellverbinder einerseits und den Zellpolen der Batteriezellen andererseits lösbar ist. Grundsätzlich ist es selbstverständlich auch möglich, wenn der Hohlabschnitt von außen gegriffen wird. Auch bei der Montage des Zellverbinders kann der Hohlabschnitt hilfreich sein.
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Im Folgenden wird die Erfindung anhand von Ausführungsformen unter Bezugnahme auf die Zeichnung näher erläutert.
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Es zeigen:
- 1 eine Prinzipdarstellung einer Ausführungsform eines erfindungsgemäßen Zellverbinders;
- 2 eine perspektivische Prinzipdarstellung einer Ausführungsform einer Elektrobatterie, deren Zellpole mittels des in 1 gezeigten Ausführungsbeispiels des erfindungsgemäßen Zellverbinders miteinander verbindbar sind;
- 3 eine Prinzipdarstellung des Verfahrensschritts, bei dem die erfindungsgemäßen Zellverbinder an der Elektrobatterie angeordnet werden;
- 4 eine perspektivische Prinzipdarstellung der Elektrobatterie mit an ihr angeordneten Zellverbindern;
- 5 eine 4 entsprechende Prinzipdarstellung mit an den erfindungsgemäßen Zellverbindern angeordneten Anschlussgliedern;
- 6 eine 5 entsprechende Darstellung mit an den erfindungsgemäßen Zellverbindern angeordneten Kühlmediumkreislaufteilen;
- 7 eine Prinzipdarstellung der einzelnen Verfahrensschritte bei der Herstellung des erfindungsgemäßen Zellverbinders; und
- 8 eine Prinzipdarstellung beim Lösen erfindungsgemäßer Zellverbinder von Zellpolen der Elektrobatterie.
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Eine in 1 in einer perspektivischen Darstellung prinzipiell gezeigte Ausführungsform eines erfindungsgemäßen Zellverbinders 1 dient dazu, Zellpole 2 von Batteriezellen 3 einer Elektrobatterie 4, wie sie in 2 in einer perspektivischen Darstellung prinzipiell gezeigt ist, aneinander anzuschließen bzw. miteinander zu verbinden.
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Hierzu weist der Zellverbinder 1 in der in 1 gezeigten Ausführungsform einen Planarabschnitt 5 auf, der flächig auf Anschlusselemente 6 der Zellpole 2 der Batteriezellen 3 auflegbar ist.
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An den Planarabschnitt 5 des Zellverbinders 1 schließt sich ein Hohlabschnitt 7 des Zellverbinders 1 an, der mit dem Planarabschnitt 5 desselben in der in 1 gezeigten Ausführungsform des erfindungsgemäßen Zellverbinders 1 einstückig ausgebildet ist. Des Weiteren ist in den Hohlraum des Hohlabschnitts 7 des in 1 gezeigten Zellverbinders 1 ein Kühlkanalteil 8 angeordnet. Durch das Kühlkanalteil 8 des Zellverbinders 1 hindurch ist ein Kühlfluid leitbar, mittels dem thermische Energie, die im Betrieb der Elektrobatterie 4 entstehen kann, von den Zellpolen 2 der Batteriezellen 3 der Elektrobatterie 4 wegleitbar ist.
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Im Falle der in 1 gezeigten Ausführungsform des erfindungsgemäßen Zellverbinders 1 bildet dessen Planarabschnitt 5 eine Anschlussfahne 5, die flächig auf die Anschlusselemente 6 der Zellpole 2 der Batteriezellen 3 der Elektrobatterie 4 auflegbar ist, wohingegen der mit dem Planarabschnitt 5 einstückige Hohlabschnitt 7 des Zellverbinders 1 einen Hohlquerschnitt aufweist und in den so gebildeten Hohlraum des Zellverbinders 1 das Kühlkanalteil 8 anordbar ist.
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Darüber hinaus hat der Hohlabschnitt 7 eine im Vergleich zu einem massiven Abschnitt erhöhte Torsionssteifigkeit, welche dazu führt, dass der Zellverbinder 1 einen besonders festen mechanischen Verbund zwischen den mittels ihm miteinander verbundenen Batteriezellen 3 der Elektrobatterie 4 schafft.
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Bei der in 2 gezeigten Ausführungsform der Elektrobatterie 4 sind die Batteriezellen 3 prismatisch ausgestaltet, wobei diese Batteriezellen 3 des Weiteren in Parallelverschaltung angeordnet sind. Grundsätzlich ist es bei Berücksichtigung von Isolationsabschnitten auch möglich, eine Seriellverschaltung zu wählen. Die Batteriezellen 3 sind mittels zweier im oberen und unteren Abschnitt derselben vorgesehener Fixierglieder 9 zusammengefügt.
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In der vorstehend geschilderten Ausführungsform des erfindungsgemäßen Zellverbinders 1 hat der durch seinen Hohlabschnitt 7 ausgebildete Hohlraum einen kreisförmigen Querschnitt. Alternativ ist es möglich, dass der Querschnitt des Hohlraums rechteckig, quadratisch, beliebig polygon oder oval bzw. abgerundet ist. Der Zellverbinder 1 kann aus Aluminium (99,95 %), Hilumin, Kupfer, Nickel, einer geeigneten Legierung oder Stahl ausgebildet sein. Darüber hinaus kann der Zellverbinder 1 je nach an ihn gestelltem Anforderungsprofil mit einer Beschichtung aus Nickel oder Zink oder einem anderen geeigneten Werkstoff versehen sein.
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Der vorstehend geschilderte Zellverbinder 1 sowie ein entsprechend ausgestalteter weiterer Zellverbinder 10 wird, wie in 3 prinzipiell dargestellt ist, in Richtung der in 3 gezeigten Pfeile zu den Anschlusselementen 6 der Zellpole 2 der Batteriezellen 3 bewegt, bis der Planarabschnitt bzw. die Anschlussfahne 5 des Zellverbinders 1 bzw. des weiteren Zellverbinders 10 in korrekter Anordnung auf den Anschlusselementen 6 der Zellpole 2 liegt. In dieser korrekten Anordnung an den Zellpolen 2 sind die Zellverbinder 1, 10 in 4 gezeigt.
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Der Planarabschnitt bzw. die Anschlussfahne 5 der beiden Zellverbinder 1, 10 kann mittels Verschweißung, Verlötung, Verklebung mit einem leitenden Klebstoff, Verschraubung, Verclinchung oder Federkontaktierung mit den ihm bzw. ihr zugeordneten Zellpolen 2 der Batteriezellen 3 der Elektrobatterie 4 verbunden bzw. elektrisch verschaltet werden. Der Verbindungsvorgang kann mittels Laser, Induktion, Widerstands-, Raumtemperaturaushärtung, Verklebung, Aufbringen mechanischer Vorspannungen, z.B. Federkraftkontaktierung etc., realisiert werden. Nach Beendigung des entsprechenden Verfahrensschritts sind in jedem Fall die Zellpole 2 der Batteriezellen 3 einerseits und der jeweilige Planarabschnitt bzw. die jeweilige Anschlussfahne 5 der Zellverbinder 1, 10 andererseits elektrisch und thermisch miteinander verbunden.
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Neben der elektrischen Verbindung zwischen den Zellpolen 2 und den Zellverbindern 1, 10 liegt auch eine feste mechanische Verbindung vor, wobei diese aufgrund der Ausgestaltung der Zellverbinder 1, 10 mit dem Hohlabschnitt 7 mechanisch äußerst stabil sein kann. Die Planarabschnitte 5 können elastisch flexibel ausgestaltet sein, um mechanische Spannungen von den Zellpolen 2 fernzuhalten.
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Die elektrische Integration der mit den Zellverbindern 1, 10 versehenen Elektrobatterie 4 in ein im Übrigen in den Figuren nicht gezeigtes elektrisches Energieversorgungssystem erfolgt mittels elektrischer Anschlussglieder bzw. elektrischer Anschlusskabel 11, 12, von denen das elektrische Anschlussglied bzw. elektrische Anschlusskabel 11 dem Zellverbinder 1 zugeordnet ist, der die auf der Plusseite der Elektrobatterie 4 anordneten Zellpole 2 elektrisch miteinander verbindet. Entsprechend ist das elektrische Anschlussglied bzw. -kabel 12 dem weiteren Zellverbinder 10 zugeordnet, der die auf der Minusseite der Elektrobatterie 4 angeordneten Zellpole 2 miteinander verbindet.
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In der in 4 gezeigten Ausführungsform sind die elektrischen Anschlussglieder bzw. -kabel 11, 12 an den leitenden Kühlkanalteilen 8 der Zellverbinder 1, 10 befestigt.
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Aufgrund der an den Zellverbindern 1, 10 vorgesehenen Hohlabschnitte 7 ist es möglich, für die in den 4 und 5 dargestellte Elektrobatterie 4 einen im Folgenden beschriebenen Kühlmediumkreislauf zu schaffen. Hierzu wird, wie dies insbesondere in 6 gezeigt ist, zwischen den in der Figur hinteren Endabschnitten der beiden Zellverbinder 1, 10 ein Verbindungsabschnitt 13 eingefügt, der, da er zwischen dem Zellverbinder 1, der der Plusseite der Elektrobatterie 4 zugeordnet ist, und dem weiteren Zellverbinder 10 angeordnet ist, der der Minusseite der Elektrobatterie 4 zugeordnet ist, selbstverständlich aus einem nicht leitenden Werkstoff ausgestaltet ist. Die Fügestellen zwischen dem Verbindungsabschnitt 13 und den Zellverbindern 1, 10 können durch beliebige Fügelösungen realisiert sein, z.B. mittels Schrauben, Löten, Schweißen, Kleben, Lasern, Transmission Welding etc., wobei gewährleistet wird, dass an den Fügestellen eine fluiddichte Verbindung vorliegt. An den dem Verbindungsabschnitt 13 abgewandten Endabschnitten der Zellverbinder 1 und 10 ist bei der in 6 gezeigten Ausführungsform ein Zulaufstutzen 14 bzw. ein Ablaufstutzen 15 vorgesehen, durch die hindurch ein elektrisch nicht leitendes Kühlfluid, bei dem es sich z.B. um demineralisiertes Wasser oder Glykol handelt kann, in den Kühlmediumkreislauf einleitbar bzw. zwecks Abtransports der an den Zellpolen 2 entstehenden thermischen Energie aus dem Kühlmediumkreislauf ausleitbar ist. Die Bestandteile des eigentlichen Kühlmediumkreislaufs können in Form miteinander verbundener isolierender und flexibler Schläuche, z.B. als Silikonschläuche, vorliegen.
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Wie dies am besten in 7 gezeigt ist, kann der erfindungsgemäße Zellverbinder 1 aus einem Metallblech 16 mit einem vergleichsweise geringen Herstellungsaufwand realisiert werden. Das Metallblech 16 wird, wie aus 7 hervorgeht, teilweise aufgerollt, so dass der Hohlabschnitt 7 des Zellverbinders 1 entsteht. Der nicht aufgerollte Teil des Metallblechs 16 wird zum Planarabschnitt bzw. zur Anschlussfahne 5 des Zellverbinders 1. Zur Fixierung des aufgerollten Hohlabschnitts 7 des Zellverbinders 1 wird dieser, wie dies in 7 gezeigt ist, an einander diametral gegenüberliegenden Stellen mit einer Schweißnaht versehen, von denen in 7 lediglich die dort sichtbare Schweißnaht 17 gezeigt ist.
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Bei der in 7 unten links gezeigten Ausführungsform des erfindungsgemäßen Zellverbinders 1 ist in den im Hohlabschnitt 7 ausgebildeten Hohlraum ein massiver elektrischer Terminal 18 eingefügt. Der Terminal 18 kann z.B. eingeschraubt oder auch eingeschweißt sein. Wenn der Terminal 18 über thermische Leiteigenschaften verfügt, kann er auch in dieser Form der Abfuhr thermischer Energie vom Zellverbinder 1 und damit von den Zellpolen 2 der Elektrobatterie 4 dienen.
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Im Falle der in 7 unten rechts angeordneten Ausführungsform ist als Terminal ein Kühlkanalrohr 19 vorgesehen, das beispielsweise den Zulaufstutzen 14 bzw. den Ablaufstutzen 15 des Zellverbinders 1 bzw. des Zellverbinders 10 ausbildet und durch dessen Hohlraum das Kühlfluid des Kühlmediumkreislaufs geleitet werden kann.
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Bei der Demontage einer Elektrobatterie 4 lässt sich der erfindungsgemäße Zellverbinder 1 in einfacher Weise von den Zellpolen 2 der Elektrobatterie 4 lösen. Hierzu wird in den Hohlraum des Hohlabschnitts 7 des Zellverbinders 1 ein Eingriffsabschnitt 20 eines in 7 gezeigten Werkzeugs 21 eingeführt. Das Werkzeug 21 wird dann, wie durch die Pfeile in den Darstellungen rechts und links des in 7 auch separat gezeigten Werkzeugs 21 dargestellt, gedreht, wodurch der Zellverbinder 1 aufgewickelt und bei dem Aufwickelvorgang von den Zellpolen 2 gelöst wird. Die derartig von den Elektrobatterien 4 abgewickelten Zellverbinder 1, 10 können somit separat einem Wiederverwert- bzw. Recycelvorgang zugeführt werden.
