DE19852590C2 - Zellenhalter zur Montage von Zellen zur elektrochemischen Speicherung von Energie zu einem Zellenblock und seine Verwendung - Google Patents

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft einen Zellenhalter zur Mon­ tage von Zellen zur elektrochemischen Speicherung von Energie zu einem Zellenblock.

Die US-PS 49 57 829 A1 betrifft einen Zellenblock aus ein­ zelnen Zellen, die mittels eines oder zweier Verbindungselemen­ te zusammengehalten werden. Die Verbindungselemente rasten in Nuten in den Wänden der Zellen ein. Zusätzlich ist eine boden­ seitige Halterung vorgesehen, in welche die montierten Zellen­ blöcke eingestellt werden. Diese zwei- oder dreizelligen Blöcke werden in einen Träger eingeschoben. Dieser Träger weist einen Rahmen mit Befestigungselementen auf. An den Befestigungsele­ menten werden Einsätze befestigt, in welche die Blöcke einge­ schoben werden.

Die DE 37 28 931 A1 offenbart einen Bleiakkumulator mit einem Plattenblock aus negativen Elektrodenplatten, Separatoren und positiven Elektrodenplatten. Dieser Plattenblock ist in einem Zellengefäß untergebracht, welches einen Klemmhalter aufweist, der dazu dient, den Plattenblock im Zellengefäß fest zusammen­ zudrücken. Der Plattenblock ist mit Bandagen umgeben und in ei­ nem Zellengefäß eines Kastens untergebracht, wobei er auf Pris­ men aufsteht. Aufgrund der Anordnung des Plattenblocks im Zel­ lengefäß ist pro Gefäß nur noch ein einziger Klemmhalter erfor­ derlich, der zwischen der Außenseite, welche von einer Elektro­ denplatte oder einem Separator gebildet ist, und der Außenwand des Zellengefäßes eingepreßt ist. Der Aufbau des Klemmhalters wird an Hand der Fig. 3 bis 6 beschrieben. Er zeichnet sich durch ein Einrastelement aus, welches unter den Unterseiten der Plattenverbinder einrasten. Die Plattenverbinder verbinden die Anschlußfahnen der Elektrodenplatten. Der beschriebene Klemmhal­ ter ist somit aufgrund seines Aufbaus nicht geeignet, verschie­ dene Zellen in Baukastenweise zu einem Zellenblock zu montie­ ren.

Aus der DE 195 04 687 C1 ist ein Batteriekasten für mehrere darin angeordnete elektrochemische Speicherzellen beschrieben, in welchen die Zellen in Form von Zellenblöcken eingesetzt sind. Die einzelnen Zellen sind durch endständige oder mittige Zellenhalter voneinander getrennt und fixiert, wobei die Zel­ lenhalter aus Abstandsleisten und fest damit verbundenen Ab­ standhaltern bestehen.

Diese Bauweise bringt es mit sich, daß für jeden Zellentyp spe­ zielle Zellenhalter gefertigt werden und je nach Anzahl von Zellen zu einem Zellenblock verbunden, beispielsweise verklebt werden müssen. Der gattungsgemäße Zellenhalter besteht aus Kunststoff, so daß die über die ganze Fläche der Zellenwände durchgehende Abstandshalter als wärmeisolierende Platte wirkt. Ferner ist es notwendig, weitere Zellenhalter mit Durchfüh­ rungsöffnungen, bspw. für Kabel, Meßleitungen und Zellverbinder herzustellen, und zwar ebenfalls seperat für jeden Zellentyp. Dies führt zu einer Vielzahl von Bauteilvarianten, für die teu­ re Kunststoffspritzwerkzeuge hergestellt werden müßten, was aus Kostengründen nicht rentabel ist.

Darüber hinaus erfordert die Fertigstellung eines gattungsgemä­ ßen Zellenblocks ein feines Fingerspitzengefühl. Das Einschie­ ben der einzelnen Zellen in den Zellenblock bzw. die Abstand­ halter wird durch das ständige Anecken der Zellenaußenkanten am Abstandhalter erschwert.

Mit den gattungsgemäßen Zellenhaltern können Maßtoleranzen be­ züglich der Zellentiefe nicht ausgeglichen werden. Bei im Un­ termaß schmalen Zellen ergibt sich ein zu großes Spiel im Zel­ lenhalter. Hingegen können Zellen mit Übermaß nur mit erhebli­ chem Aufwand in die gattungsgemäßen Zellenhalter eingeschoben werden.

Aufgabe der Erfindung ist es daher, einen Zellenhalter der o. g. Art bereitzustellen, mit dem Zellen mit unterschiedlicher Zellentiefe zu einem Zellenblock schnell und einfach montiert werden können.

Die Lösung besteht in einem Zellenhalter mit den Merkmalen des Anspruchs 1 bzw. der Verwendung der Zellenhalter in einem Zellenblock mit den Merkmalen des An­ spruchs 13.

Erfindungsgemäß ist also vorgesehen, daß die Zellenhalter le­ diglich aus mindestens zwei Längsstegen bestehen, die mittels mindestens zweier Querstege miteinander verbunden sind, wobei an den Querstegen Vorrichtungen zum Einrasten der Zellen vorge­ sehen sind. Die Zelle wird mit dem Zellenboden, welche eine Bördelkante aufweist, in die am Zellenhalter vorgesehenen Hal­ terungen eingerastet. Somit ist nur eine einzige Bauteilvarian­ te notwendig, die für jeden Zellentyp geeignet ist. Es handelt sich somit um einen Universal-Zellenhalter. Darüber hinaus sind keine zusätzlichen Zellenhalter mit Durchführungsöffnungen mehr notwendig.

Mit den erfindungsgemäßen Zellenhaltern kann man Zellenblöcke mit beliebiger Länge und Anzahl von Zellen montieren. Der er­ findungsgemäße Zellenhalter ist einfach und kostengünstig her­ stellbar. Die Zellenblöcke lassen sich schnell und einfach mon­ tieren, wobei die Montage auch automatisierbar ist. Der resultierende Zellenblock ist eine in sich feste Einheit, in der die einzelnen Zellen sicher und fest in allen Richtungen gehalten werden und nicht herausfallen oder herausgleiten können. Die erfindungsgemäßen Zellenhalter erlauben es ferner, Maßtoleran­ zen der Zellen auszugleichen, so daß bei Zellen mit Übermaß kein zusätzlicher Montageaufwand auftritt und bei Zellen mit Untermaß kein Spiel entsteht.

Vorteilhafte Weiterbildungen ergeben sich aus den Unteransprü­ chen.

Erfindungsgemäß sind sowohl mittige als auch endständige Zel­ lenhalter vorgesehen. Die endständigen Zellenhalter bilden die Randpartie des zu montierenden Zellenblocks. Entlang der end­ ständigen Zellenhalter werden die fertig montierten Zellenblöc­ ke in den Batteriekasten eingeschoben. Um dies zu erleichtern, kann der endständige Zellenhalter eine an den freien seitlichen Flächen der Querstege fixierten vertikale Gleitplatte aufwei­ sen. Diese Gleitplatte kann durch Ultraschallschweißen, Spie­ gelschweißen oder Kleben fixiert sein. Die mittigen Zellenhal­ ter weisen zwei Paare von Längsstegen auf, die durch die Quer­ stege voneinander beabstandet sind. Auf diese Weise entstehen Kühlkanäle, die für eine günstige Zirkulation von Kühlmedium, insbesondere Kühlluft, im fertig montierten Zellenblock sorgen.

Eine besonders vorteilhafte Weiterbildung sieht vor, daß die Breite der Längsstege geringer ist als die halbe Breite der zu montierenden Zellen. Damit ist eine Klimatisierung der seitli­ chen Zellenwände möglich, da die Längsstege schmal sind und die Zellenwände nicht vollständig abdecken.

Vorteilhafterweise sind an den Längsstegen der Zellenhalter an ihrem oberen Ende seitliche Einführungsschrägen angebracht, welche das Einschieben des fertig montierten Zellenblocks in den Batteriekasten erleichtert. Ferner sind die Längsstege an ihrer von den Querstegen abgewandten äußeren Seite vorteilhaf­ terweise abgerundet. Diese strömungsgünstige Gestaltung derjenigen Flächen und Kanten der Längsstege, die mit dem Kühlmedi­ um, im Allgemeinen einem Luftstrom, in Berührung kommen, ist ein geringerer Energiebedarf zur Kühlung der Zellen erforder­ lich. Aus diesem Grund sind kleinere, leichtere und kostengün­ stigere Kühlaggregate einsetzbar. Die Strömung wird durch die strömungsgünstigere Gestaltung dieser Kante nicht eingeschnürt. Dadurch steht ein erheblich größerer Kühlquerschnitt zur Verfü­ gung.

Eine weitere vorteilhafte Weiterbildung sieht vor, daß die Querstege mit einem Profil, vorzugsweise einem Wellenprofil versehen sind. Dadurch ergibt sich zum Einen eine Gewichtser­ sparnis und zum Anderen eine größere Kühlfläche an der Zellen­ wand.

Ferner kann eine parallel zu den seitlichen Längsstegen verlau­ fende, elektrisch isolierende Trennwand vorgesehen sein. Damit erhält man einen Zellenhalter für zwei Zellen, in denen die Zellen platzsparend angeordnet und durch die Trennwand elek­ trisch getrennt sind.

Die schmalen seitlichen Längsstege haben ferner den vorteilhaf­ ten Effekt, daß der erfindungsgemäße Zellenhalter und damit auch der zu montierende Zellenblock ein geringeres Gewicht auf­ weisen und ferner eine größere Kühlfläche bzw. eine höhere Kühlleistung an den Zellenwänden bereitstellen. Ferner können die Zellen dichter aneinandergereiht werden, da nur schmale Querstege vorgesehen sind.

Der erfindungsgemäße Zellenhalter ist vorzugsweise ein Kunst­ stoffspritzteil aus einem schlagfesten, feuerhemmenden Kunst­ stoff. Er ist durch kleine, einfache und kostengünstige Spritz­ werkzeuge herstellbar.

Im folgenden werden Ausführungsbeispiele der vorliegenden Er­ findung anhand der beigefügten Zeichnungen näher beschrieben.

Es zeigen:

Fig. 1 eine schematische, nicht maßstabsgetreue Darstellung eines Ausführungsbeispiels eines erfindungsgemäßen mit­ tigen Zellenhalters in Hauptansicht;

Fig. 2 einen Schnitt durch den Zellenhalter gemäß Fig. 1 ent­ lang der Linie II-II;

Fig. 3 einen Schnitt durch den Zellenhalter aus Fig. 1 ent­ lang der Linie III-III;

Fig. 4 eine schematische, nicht maßstabsgetreue Darstellung eines Ausführungsbeispiels eines erfindungsgemäßen end­ ständigen Zellenhalters in Hauptansicht;

Fig. 5 einen Schnitt durch den Zellenhalter aus Fig. 4 ent­ lang der Linie V-V;

Fig. 6 einen Schnitt durch den Zellenhalter aus Fig. 4 ent­ lang der Linie VI-VI;

Fig. 7 eine schematische Darstellung eines Längsschnitts (Draufsicht) durch einen in einen Batteriekasten einge­ bauten erfindungsgemäßen Zellenblock;

Fig. 8 einen vertikalen Schnitt des Zellenblocks aus Fig. 7 (Seitenansicht);

Fig. 9 eine schematische Darstellung eines zweiten Ausfüh­ rungsbeispiels eines erfindungsgemäßen mittigen Zel­ lenhalters mit profilierten Querstegen;

Fig. 10 einen Schnitt durch den Zellenhalter aus Fig. 9 ent­ lang der Linie X-X;

Fig. 11 eine schematische Darstellung eines weiteren Ausfüh­ rungsbeispiels eines erfindungsgemäßen Zellenhalters für zwei Zellen mit einer isolierenden Trennwand;

Fig. 12 einen Schnitt durch den Zellenhalter aus Fig. 11 ent­ lang der Linie XII-XII.

Ein erstes Ausführungsbeispiel eines erfindungsgemäßen mittigen Zellenhalters 10 ist den Fig. 1 bis 3 zu entnehmen. Der Zel­ lenhalter 10 weist zwei seitliche Längsstege 11, 12 auf, die in Form von Paaren 11a, 11b bzw. 12a, 12b ausgebildet sind. Die Paare 11a, 11b bzw. 12a, 12b sind mit Querstegen 13, 14, 15, 16, 17 derart verbunden, daß die einzelnen Längsstege 11a und 11b bzw. 12a und 12b voneinander beabstandet sind (Fig. 3).

Am obersten Quersteg 13 ist eine Halterung 20 vorgesehen, die aus zwei mit dem Quersteg 13 verbundenen Rastelementen 21, 22 gebildet ist. Die Rastelemente 21, 22 sind zu den seitlichen Flächen 13a, 13b des Querstegs 13 hin orientiert. Sie bestehen im Wesentlichen aus einer Hinterschneidung 21a, 22a und einer elastischen Zunge 21b, 22b.

Der untere Quersteg 17 weist ebenfalls eine Halterung 23 auf, die aus zwei mit dem Quersteg 17 verbundenen Steckelementen 24, 25 gebildet ist. Die Steckelemente 24, 25 sind zu den seitli­ chen Flächen 17a, 17b des Querstegs 17 hin orientiert. Die Steckelemente 24, 25 weisen je eine Hinterschneidung 24a, 25a auf.

Wie aus Fig. 3 zu entnehmen ist, sorgen die Querstege 13 bis 17 dafür, daß die Längsstege 11a und 11b bzw. 12a und 12b von­ einander beabstandet sind. Diese Abstände definieren Kühlkanäle 30 zur Kühlung der Zellen im fertig montierten Zellenblock (siehe unten zu Fig. 7 und 8).

Aus den Fig. 1 und 3 ist ferner zu entnehmen, daß die seit­ lichen Längsstege 11a, 11b, bzw. 12a, 12b abgerundete Flächen 18a, 18b bzw. 19a, 19b aufweisen. Diese Flächen sind besonders vorteilhaft für die Strömung eines Kühlfluids im fertig mon­ tierten Zellenblock (siehe unten zu Fig. 7 und 8). Ferner sind an den oberen Enden der Längsstege 11a, 11b bzw. 12a, 12b Einführungsschrägen 28, 29 angebracht, die das Einschieben des fertig montierten Zellenblocks in den Batteriekasten erleich­ tern.

Die Fig. 4 bis 6 zeigen ein Ausführungsbeispiel eines erfin­ dungsgemäßen endständigen Zellenhalters 40, wobei mit dem mit­ tigen Zellenhalter 10 gleichartige Bauteile mit denselben Be­ zugszeichen versehen sind. Der endständige Zellenhalter 40 weist nur zwei seitliche Längsstege 11 und 12 auf, die durch Querstege 13 bis 17 miteinander verbunden sind. Der obere Quersteg 13 weist eine Halterung 41 auf, die nunmehr nur als ein Rastele­ ment 42 ausgebildet ist, welches zur seitlichen Fläche 13a des Querstegs 13 hin orientiert ist. Ebenso weist der untere Quer­ steg 17 eine Halterung 43 auf, die aus nur einem Steckelement 44 mit einer Hinterschneidung 45 ausgebildet ist, welches zur korrespondierenden freien seitlichen Fläche 17a des Querstegs 17 hin orientiert ist.

Auf den rückseitigen Flächen 13b bis 17b der Querstege 13 bis 17 ist eine Gleitplatte 46 montiert, so daß auf diese Weise wiederum Kühlkanäle 30 definiert werden. Auch die Längsstege 11, 12 weisen abgerundete Flächen 18a, 18b bzw. 19a, 19b auf. An ihren oberen Enden weisen sie ebenfalls Einführungsschrägen 28, 29 auf.

Die Fig. 7 und 8 zeigen schematisch einen fertig montierten Zellenblock 55 in einem Batteriekasten 60. Der Zellenblock 55 wurde unter Verwendung der erfindungsgemäßen Zellenhalter mon­ tiert. Dabei wird folgendermaßen vorgegangen: Jede Zelle 50 mit einer beliebigen Zellentiefe a weist an ihrem Boden 51 und an ihrem Deckel 52 je eine Bördelkante 53, 54 auf. Die Zelle 50 wird leicht schräg mit der Bördelkante 53 in die Hinterschneidung der am unteren Quersteg 17 eines erfindungsgemäßen Zellen­ halters 10, 40 vorgesehenen unteren Halterung 23 bzw. 43 einge­ steckt. Dann werden der erfindungsgemäße Zellenhalter 10 bzw. 40 und die Zelle 50 zusammengeklappt. Dadurch rasten die ela­ stischen Zungen 21b, 22b der am oberen Quersteg 13 des erfin­ dungsgemäßen Zellenhalters 10 bzw. 40 Rastelemente 21, 22 bzw. 42 in die Bördelkante 54 des Zellendeckels 52 ein. So wird Zel­ le für Zelle zu der gewünschten Zellenblocklänge montiert. Am Anfang und Ende eines Zellenblocks 55 wird jeweils ein endstän­ diger Zellenhalter 40 angebracht. Der Zellenblock ist in sich eine feste Einheit. Die einzelnen Zellen werden sicher und fest in allen Richtungen gehalten und können nicht aus dem Zellen­ halter fallen oder herausgleiten.

Durch die Einführungsschrägen 28 und 29 an den erfindungsgemä­ ßen Zellenhaltern 10, 40 wird das Einschieben des fertig mon­ tierten Zellenblocks 55 in den Batteriekasten 60 erleichtert. Ebenso vereinfacht die Gleitplatte 46 an den endständigen Zel­ lenhaltern 40 das Einschieben des fertig montierten Zellen­ blocks 55 in den Batteriekasten 60.

Aus Fig. 8 ist ersichtlich, daß die strömungsgünstig abgerun­ deten Flächen 18a, 18b; 19a 19b der Längsstege 11, 12 bzw. 11a, 11b und 12a und 12b dort, wo sie mit dem Kühlmedium, welches durch Strömungspfeile symbolisiert ist, in Berührung kommen, eine optimierte Kühlströmung bewirkt wird. Dadurch ist ein ge­ ringerer Energiebedarf zur Kühlung der Zellen 50 erforderlich. Aus diesem Grund sind kleinere, leichtere und kostengünstigere Kühlaggregate einsetzbar.

Die Fig. 9 und 10 zeigen ein weiteres Ausführungsbeispiel eines Zellenhalters 70. Der einzige Unterschied zu den bisher beschriebenen Zellenhaltern besteht darin, daß die Querstege 71 bis 73 profiliert sind. Im Ausführungsbeispiel weisen sie ein Wellenprofil 74 auf. Andere Profile sind selbstverständlich auch einsetzbar. Durch die Profilierung wird ein noch günstigerer Kühleffekt erzeugt, da die Kühlfläche des erfindungsgemäßen Zellenhalters 70 vergrößert ist.

Aus den Fig. 11 und 12 geht ein weiteres Ausführungsbeispiel eines erfindungsgemäßen Zellenhalters 80 hervor, der nun für zwei Zellen ausgelegt ist. Der einzige Unterschied zwischen dem Zellenhalter 80 und den bisher gezeigten Zellenhaltern besteht darin, daß er nunmehr vier Rastelemente aufweist, wobei zwi­ schen dem zweiten und dritten Rastelement eine isolierende Wand 81 mit einer elektrischen Isolierung 82 vorgesehen ist. Somit können gleichzeitig zwei Zellen an diesem Zellenhalter 80 befe­ stigt werden, die durch die Wand 81 elektrisch isoliert werden. Der Zellenhalter 80 ist sowohl als mittiger Zellenhalter als auch als endständiger Zellenhalter ausführbar.

Claims (13)

1. Zellenhalter zur Montage von Zellen zur elektrochemischen Speicherung von Energie zu einem Zellenblock, dadurch gekennzeichnet, daß der Zellenhalter (10, 40, 70, 80) mindestens zwei seitliche Längsstege (11, 12; 11a, 11b, 12a, 12b) aufweist, die durch mindestens einen oberen (13) und einen unteren Quersteg (17) miteinander verbunden sind, wobei der obere (13) und der untere Quersteg (17) jeweils mindestens eine seitliche Fläche (13a, 13b; 17a, 17b) aufweisen, und daß der untere Quersteg (17) ent­ lang mindestens einer seiner beiden seitlichen Flächen (17a, 17b) mindestens eine untere Halterung (23, 43) mit einer ein Steckelement (24, 25, 44,) bildenden Hinterschneidung (26, 27, 45) aufweist und der obere Quersteg (13) entlang mindestens ei­ ner seiner seitlichen Flächen (13a, 13b) mindestens eine ein Rastelement (21, 22, 42) bildende obere Halterung (20, 41) auf­ weist.

2. Zellenhalter nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der untere Quersteg (17) entlang genau einer seiner seitli­ chen Flächen (17a) mindestens eine untere Halterung (43) und der obere Quersteg (13) entlang seiner damit korrespondierenden seitlichen Fläche (13a) mindestens eine obere Halterung (41) aufweist, so daß ein endständiger Zellenhalter (40) resultiert.

3. Zellenhalter nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß der endständige Zellenhalter (40) eine an den freien seit­ lichen Flächen (13b, 17b) der Querstege (18, 17) fixierte verti­ kale Gleitplatte (46) aufweist.

4. Zellenhalter nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Gleitplatte (46) durch Ultraschallschweißen, Spiegel­ schweißen oder Kleben fixiert ist.

5. Zellenhalter nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der untere (17) und der obere Quersteg (13) entlang ihrer beiden seitlichen Flächen (17a, 17b; 13a, 13b) mindestens eine untere (23) bzw. obere Halterung (20) aufweisen, so daß ein mittiger Zellenhalter (10) resultiert.

6. Zellenhalter nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß die seitlichen Längsstege des mittigen Zellenhalters aus je einem Paar von Längsstegen (11a, 11b; 12a, 12b) gebildet sind, welches durch die Querstege (13, 17) voneinander beabstandet ist, derart, daß Kühlkanäle (30) gebildet sind.

7. Zellenhalter nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Breite der Längsstege (11, 12; 11a, 11b, 12a, 12b) ge­ ringer ist als die halbe Breite der zu montierenden Zellen (50).

8. Zellenhalter nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Längsstege (11, 12; 11a, 11b, 12a, 12b) an ihrem oberen Ende eine seitliche Einführungsschräge (28, 29) aufweisen.

9. Zellenhalter nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Längsstege (11, 12; 11a, 11b, 12a, 12b) an ihrer von den Querstegen (13, 17) abgewandten äußeren Seite abgerundete Flächen (18a, 18b, 19a, 19b) aufweisen.

10. Zellenhalter nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß ein oder mehrere Querstege (71, 72, 73) mit einem Profil (74), vorzugsweise einem Wellenprofil versehen sind.

11. Zellenhalter nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß eine parallel zu den seitlichen Längsstegen (11, 12; 11a, 11b, 12a, 12b) verlaufende, elektrisch isolierende Trennwand (81) vorgesehen ist.

12. Zellenhalter nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß er aus Kunststoff, vorzugsweise einem schlagfesten und/oder feuerhemmenden Kunststoff besteht.

13. Verwendung eines Zellenhalters gemäß Anspruch 1 für einen Zellenblock mit mehreren Zellen zur elektrischen Speicherung von Energie, welche mittels Zellenhaltern zu einem zusammenhän­ genden Zellenblock montiert sind.