DE202004021741U1

DE202004021741U1 - Batteriepack

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Publication number: DE202004021741U1
Application number: DE202004021741U
Authority: DE
Original assignee: Robert Bosch GmbH
Current assignee: Robert Bosch GmbH
Priority date: 2004-09-10
Filing date: 2004-09-10
Publication date: 2010-09-23
Anticipated expiration: 2014-09-11
Also published as: GB2418059A; US7397218B2; DE102004043822A1; CN101673827A; CN101572295B; CN100561770C; DE202004021591U1; GB0518226D0; GB2418059B; CN1747195A; DE202004021589U1; US20060055371A1; CN101673827B; CN101572295A

Abstract

Batteriepack zur Stromversorgung eines Elektrogeräts, insbesondere eines Elektrowerkzeugs, mit einem aus Kunststoff bestehenden Gehäuse (4), das mehr als zwei parallel zueinander angeordnete Batteriezellen (6) aufnimmt und dessen Gehäusewand mehrere Wandabschnitte (8, 22, 28, 40, 46, 48) aufweist, die einer äußeren Umfangsfläche (10) der Batteriezellen (6) gegenüberliegen, derart, dass die Wandabschnitte (8, 22, 28, 40, 46, 48) formschlüssig gegen benachbarte Umfangsflächen (10) der Batteriezellen (6) anliegen, wobei die Wandabschnitte (8, 22, 28, 40, 46, 48) und die Umfangsfläche (10) von mindestens einer Batteriezelle (6) entlang von mindestens einem Viertel des Umfangs der mindestens einen Batteriezelle (6) komplementär geformt sind und formschlüssig gegeneinander anliegen, dadurch gekennzeichnet, dass die Innenfläche und die Außenfläche der Gehäusewand zwischen den gegen die Umfangsflächen (10) der Batteriezellen (6) anliegenden Wandabschnitten (22, 40) einspringende Wandabschnitte (28, 46, 48) derart aufweist, dass die Gehäusewand möglichst eng an die Form des äußeren Umrisses des Zellenverbundes angepasst ist und die...

Description

Die Erfindung betrifft einen Batteriepack zur Stromversorgung eines Elektrogeräts gemäß dem Oberbegriff des Anspruchs 1, wobei die hier verwendeten Begriffe Batteriezelle und Batteriepack auch wiederaufladbare Stromspeicher (Akkus) bzw. Akkupacks umfassen sollen.
Stand der Technik
Batteriepacks zur Stromversorgung von Elektrogeräten, wie handgeführten Elektrowerkzeugen, weisen gewöhnlich ein aus Kunststoff bestehendes Gehäuse auf, in das in der Regel mehrere zumeist zylindrische Batteriezellen eingesetzt sind. Die inneren Querschnittsabmessungen des Gehäuses sind gewöhnlich so gewählt, dass sich die Zellen bequem einsetzen lassen. Um für einen definierten Sitz der Zellen im Gehäuse zu sorgen, liegen die Zellen häufig mit ihren Umfangsflächen gegen Stützflächen des Gehäuses an, wobei sich zudem benachbarte Zellen entlang von parallelen Mantellinien ihrer Umfangsflächen berühren. Zwischen den Umfangsflächen der Zellen und dem Gehäuse verbleiben häufig größere Zwischenräume. Die Luft in diesen Zwischenräumen wirkt als thermischer Isolator und verlangsamt die Wärmeabfuhr aus den Batteriezellen durch die Gehäusewand an die Umgebung. Dies ist vor allem bei neueren Batteriezellen mit höherem Leistungsumsatz nachteilig, da die Gefahr einer Überhitzung der Batteriezellen besteht, wenn die im Inneren des Gehäuses entstehende Verlustleistung in Form von Wärme nicht ausreichend schnell aus dem Gehäuse abgeführt wird. Infolge dieser Überhitzungsgefahr kann der Batteriepack weniger Leistung umsetzen.
Vorteile der Erfindung
Demgegenüber bietet der erfindungsgemäße Batteriepack mit den im Anspruch 1 genannten Merkmalen den Vorteil, dass durch die großflächige Anlage der Umfangsfläche von mindestens einer Batteriezelle an der Gehäusewand der Wärmeübergang aus der oder jeder Zelle in die Gehäusewand verbessert und damit auch der Wärmewiderstand zwischen den Batteriezellen und der Umgebung verringert werden kann. Dies wiederum ermöglicht eine Erhöhung des Leistungsumsatzes der Batteriezellen ohne die Gefahr einer Überhitzung derselben.
Während bei Batteriepacks mit einer Mehrzahl von übereinander angeordneten Batteriezellen, wie zum Beispiel Batteriepacks mit einem stabförmigen Gehäuse, die Wand des Gehäuses vorzugsweise im Wesentlichen entlang des gesamten Umfangs der Zellen formschlüssig gegen deren Umfangsfläche anliegt, hängt bei Batteriepacks mit mehreren nebeneinander angeordneten Batteriezellen der Anteil der formschlüssig gegen die Gehäusewand anliegenden Umfangsflächen dieser Zellen von der Anzahl und Anordnung der Batterien innerhalb des Batteriepacks ab. Bei Batteriepacks mit nur zwei nebeneinander angeordneten Zellen liegen die Gehäusewand und die Umfangsflächen der beiden Zellen vorzugsweise mindestens entlang von etwa der Hälfte der Umfangsfläche jeder Zelle eng gegeneinander an, während sich bei Batteriepacks mit drei in Form eines gleichseitigen Dreiecks nebeneinander angeordneten Zellen die Anlageflächen vorzugsweise jeweils mindestens etwa über ein Drittel des Umfangs der Zellen erstrecken.
Eine weitere bevorzugte Ausgestaltung der Erfindung sieht vor, dass der Wandabschnitt des Gehäuses und die Umfangsfläche der Batteriezellen im Bereich ihrer Anlage- oder Berührungsflächen gegeneinander angepresst werden, wodurch der Wärmeübergang zwischen dem Wandabschnitt und den Zellen weiter verbessert werden kann.
Zur Anpressung gegen die Umfangsfläche einer Zelle kann das Gehäuse vorteilhaft aus einem Material hergestellt werden, das hinreichend elastisch ist, um sich gleichmäßig gegen die Umfangsflächen der Batteriezellen anzulegen und dabei auch noch vorhandene Toleranzen in der Geometrie derselben auszugleichen. Um zu vermeiden, dass die an die Umfangflächen der Zellen angepassten Wandabschnitte das Einsetzen der Zellen ins Gehäuse behindern, kann die Gehäusewand zweckmäßig eine Unterbrechung aufweisen, die vorzugsweise schlitzförmig ausgebildet ist und sich quer zur Richtung der elastischen Verformung erstreckt, so dass sich das Gehäuse beim Einsetzen der Batteriezellen um ein gewisses Maß aufweiten lässt. Zum Erhalt der Dichtigkeit des Gehäuses können sich die an die Unterbrechung angrenzenden Wandabschnitte überlappen und im Überlappungsbereich ggf. mit einer Dichtung versehen sein.
Bei Batteriepacks mit einer oder mehreren Lagen von jeweils mehreren, in einer Gruppe nebeneinander angeordneten Batteriezellen kann alternativ oder zusätzlich ein Kern vorgesehen werden, der zweckmäßig in die Zwickel zwischen benachbarten Zellen eingesetzt wird und diese Zellen nach außen gegen die Gehäusewand drückt. Der Kern ist bevorzugt als ein vom Gehäuse getrenntes Teil ausgebildet und kann zum Beispiel starr mit einem Verschluss des Gehäuses verbunden sein, so dass er beim Verschließen des Gehäuses in einen Zwickel zwischen benachbarten Zellen eindringt und diese dabei auseinander und gegen die Gehäusewand drückt.
Gemäß der Erfindung ist vorgesehen, dass bei Batteriepacks mit mehreren nebeneinander im Gehäuse angeordneten Batteriezellen die formschlüssig gegen die Umfangsflächen der Zellen anliegenden Wandabschnitte der Gehäusewand die Ecken eines polygonalen Gehäusequerschnitts bilden, die zur Aufnahme von zylindrischen Zellen vorzugsweise mit dem Krümmungsradius der Umfangsflächen dieser Zellen gerundet sind. Insbesondere im zuletzt genannten Fall kann das Gehäuse noch besser an die Form der Zellen angepasst werden, wenn das Gehäuse zwischen den formschlüssig gegen die Zellen anliegenden Wandabschnitten einspringende Wandabschnitte aufweist, was eine weitere Vergrößerung der Anlageflächen zwischen den Zellen und der Gehäusewand ermöglicht.
Zeichnungen
Die Erfindung wird nachfolgend in vier Ausführungsbeispielen anhand der zugehörigen Zeichnungen näher erläutert. Es zeigen:
1: eine vereinfachte Querschnittsansicht eines Batteriepacks mit einem stabförmigen zylindrischen Gehäuse und mehreren übereinander in das Gehäuse eingesetzten zylindrischen Batteriezellen;
2: eine vereinfachte Querschnittsansicht eines Batteriepacks mit einem im Querschnitt im Wesentlichen dreieckigen Gehäuse, drei nebeneinander in das Gehäuse eingesetzten zylindrischen Batteriezellen und einem in den Zwickel oder Zwischenraum zwischen den Zellen eingeführten zylindrischen Kern;
3: eine vereinfachte Querschnittsansicht ähnlich 2, jedoch von einem Batteriepack mit einer etwas anderen Gehäusequerschnittsform und ohne Kern;
4: eine Draufsicht auf ein Batteriepack mit einer größeren Anzahl von nebeneinander im Gehäuse angeordneten Batteriezellen.
Beschreibung der Ausführungsbeispiele
Die in der Zeichnung dargestellten Batteriepacks 2 dienen als Stromversorgung für ein Elektrogerät, wie beispielsweise ein handgeführtes Elektrowerkzeug (nicht dargestellt). Sie bestehen im Wesentlichen aus einem durch Spritzgießen aus einem Kunststoffmaterial hergestellten Gehäuse 4, einer oder mehreren innerhalb des Gehäuses 4 angeordneten Lagen von zylindrischen Batteriezellen 6, sowie einem Verschluss (nicht dargestellt), der das Gehäuse 4 am Stirnende der obersten Lage von Zellen 6 verschließt. Der in der Regel von einem Teil des Elektrogeräts gebildete Verschluss umfasst zwei Kontakte, die beim Verschließen des Gehäuses 4 mit Anschlusskontakten des Batteriepacks in Berührung treten, um die im Gehäuse 4 untergebrachten, in Reihe oder parallel geschalteten Zellen 6 mit einem Stromkreis des Verbrauchers des Elektrogeräts zu verbinden.
Das Gehäuse 4 umfasst im Wesentlichen eine einem Stirnende der Zellen gegenüberliegende Stirnwand (nicht sichtbar) sowie eine einstückig mit der Stirnwand verbundene Umfangswand 8, welche die Zellen 6 entlang von ihren zylindrischen Umfangsflächen 10 von der Umgebung trennt.
Bei dem in 1 dargestellten Batteriepack 2 mit einem Einzellenquerschnitt weist die Umfangswand 8 abgesehen von einer in ihrer Längsrichtung verlaufenden schlitzförmigen Unterbrechung 12 einen kreisringförmigen Querschnitt auf. Ihr Innendurchmesser entspricht dem Außendurchmesser der im Gehäuse 4 untergebrachten Zelle 6 oder Zellen oder ist vorzugsweise geringfügig kleiner als dieser, so dass sich die Wand 8 mit ihrer inneren Oberfläche 14 formschlüssig und eng gegen die zylindrische Umfangsfläche 10 der Zelle 6 bzw. Zellen anlegt, wobei auch ggf. vorhandene Durchmessertoleranzen der Zelle 6 bzw. Zellen ausgeglichen werden. Die schlitzförmige Unterbrechung 12 in der Gehäusewand 8 ermöglicht es, dass diese beim Einführen der Zelle 6 bzw. Zellen etwas aufgeweitet wird, was zum einen das Einführen der Zelle 6 bzw. Zellen erleichtert und zum anderen infolge der elastischen Rückstellkräfte der etwas aufgeweiteten Gehäusewand 8 um den gesamten Umfang der Zelle 6 bzw. Zellen herum für eine gewisse Anpressung der inneren Wandoberfläche 14 gegen die Umfangsfläche 10 der Zelle 6 bzw. Zellen sorgt. Um das Eindringen von Feuchtigkeit durch die schlitzförmige Unterbrechung 12 der Gehäusewand 8 zu verhindern, überlappen sich deren Ränder 16, 18 und können darüber hinaus im Überlappungsbereich mit Dichtleisten 20 versehen sein.
Die in den 2 und 3 dargestellten Batteriepacks 2 enthalten jeweils drei zylindrische Batteriezellen 6, die zur optimalen Platzausnutzung so nebeneinander angeordnet sind, dass ihre Mittelachsen etwa die Eckpunkte eines gleichseitigen Dreiecks bilden.
Bei dem in 2 dargestellten Batteriepack 2 weist die Gehäuseumfangswand 8 im Querschnitt den Umriss eines Dreiecks mit gerundeten Ecken 22 auf, deren Krümmungsradien dem Krümmungsradius der Umfangsflächen 10 der in das Batteriepack 2 eingesetzten Zellen 6 entsprechen. Die inneren Querschnittsabmessungen der Umfangswand 8 sind so gewählt bzw. an die Querschnittsab messungen der Zellen 6 angepasst, dass diese sich gut in das Batteriepack 2 einführen lassen. Neben den Zellen 6 enthält das Gehäuse 4 dort noch einen zylindrischen Kern 24, der nach dem Einführen der Zellen 6 in das Gehäuse 4 in den freibleibenden Zwickel 26 zwischen den gegeneinander anliegenden Zellen 6 geschoben wird. Die kreisförmige Querschnittsfläche des Kerns 24 ist etwas größer als der größte von den Umfangsflächen 10 der Zellen 6 innerhalb des Zwickels 26 begrenzte Kreis, so dass die Zellen 6 beim Einführen des Kerns 24 etwas auseinander gedrückt werden. Dabei werden die Umfangsflächen 10 der Zellen 6 im Bereich der gerundeten Ecken 22 des Gehäuses 4 gegen die komplementär geformten inneren Oberflächen 14 der Umfangswand 8 angepresst und sorgen dort für einen guten Wärmeübergang von den Zellen 6 in die Umfangswand 8 und damit für einen geringen Wärmewiderstand zwischen den Zellen 6 und der Umgebung.
Bei in 3 dargestellten Batteriepack 2 mit ähnlichem Querschnitt weist die Umfangswand 8 des Gehäuses 4 zwischen den gerundeten Ecken 22 einspringende Wandabschnitte 28 auf, die sich beim Einführen der Zellen 6 um ein gewisses Maß elastisch nach außen verformen lassen, um das Einführen der Zellen 6 zu erleichtern. Infolge der Rückstellkräfte ihres elastisch verformten Materials nehmen die Wandabschnitte 28 anschließend wieder die in 3 dargestellte Lage ein, in der sie die Zellen 6 gegeneinander pressen und für eine enge formschlüssige Anlage der Umfangswand 8 und der Zellen im Bereich der Ecken 22 sorgen. Die Wandabschnitte 28 weisen ebenfalls zu den Umfangsflächen 10 der Zellen 6 komplementäre innere Wandoberflächen 14 auf, welche die Anlagefläche der Zellen 6 an der Wand 8 vergrößern. Darüber hinaus wird die Wärme an die Umgebung abstrahlende äußere Oberfläche des Gehäuses 4 vergrößert, was ebenfalls für eine bessere Wärmeabfuhr sorgt.
Im Gehäuse 4 des in 4 dargestellten Batteriepacks 2 sind eine oder mehrere Lagen von jeweils zehn Batteriezellen 6 in Form von fünf Reihen von je zwei Zellen 6 nebeneinander angeordnet, wobei die Zellen 6 von benachbarten Reihen in Querrichtung abwechselnd nach links und recht versetzt sind, um eine optimale Platzausnutzung zu erreichen. Das Gehäuse 4 umfasst dort weiter einen an einer Seite seiner Umfangswand 8 angeformten, im folgenden nicht näher beschriebe nen Verriegelungs- und Anschlussteil 30 zur lösbaren Befestigung des Batteriepacks 2 am Elektrogerät und zur Herstellung der elektrischen Verbindung zwischen den Zellen 6 und einem Stromkreis des Verbrauchers des Elektrogeräts.
Oberhalb der oberen Stirnenden der Zellen 6 sind zwei im Umriss kreuzförmige Zellenverbinder 32 aus einem elektrisch leitendem Metallblech vorgesehen, die jeweils gleichnamige Pole von vier benachbarten Zellen 6 miteinander verbinden.
Zwischen den einzelnen Zellen 6 jeder Lage ist ein elektrisch isolierender Abstandhalter 34 angeordnet, der die einander gegenüberliegenden Umfangsflächen 10 benachbarter Zellen 6 in einem geringen Abstand voneinander hält, um zum Beispiel Kurzschlüsse infolge von vibrationsbedingten Beschädigungen der Isolierung der Zellen 6 zu verhindern. Der Abstandhalter 34 besteht aus einem elastisch nachgiebigen bandartigen Körper geringer Wandstärke, der doppelwandig ausgebildet ist, wobei er sich eng gegen die Umfangsflächen 10 eines Teils der Zellen 6 anschmiegt und mit den Umfangsflächen 10 anderer Zellen 6 jeweils einen im Querschnitt halbmondförmigen Hohlraum 36 begrenzt. In den Zwickeln 26 zwischen jeweils drei benachbarten, im Dreieck angeordneten Zellen 6 begrenzt der doppelwandige Abstandhalter 34 einen im Querschnitt etwa dreieckigen Hohlraum 38, der an einen der im Querschnitt halbmondförmigen Hohlräume 36 angrenzt. Ähnlich wie bei dem Batteriepack 2 aus 2 können nach dem Einsetzen der Zellen 6 in das Gehäuse 4 in alle oder einen Teil der Hohlräume 38 zylindrische Kerne 24 eingeführt werden, deren äußere Querschnittabmessungen etwas größer als die inneren Querschnittsabmessungen der Hohlräume 38 sind. Das Einführen der Kerne 24 wird durch eine elastische Verformung des Abstandhalters 34 im Bereich der gerundeten Wand der Hohlräume 36 ermöglicht. Nach dem Einführen der Kerne 24 drücken diese die Zellen 6 auseinander, wobei die letzteren diametral gegenüber von den Kernen 6 mit ihren zylindrischen Umfangsflächen 10 gegen benachbarte, komplementär geformte Abschnitte 40 der Gehäuseumfangswand 8 angepresst werden, so dass sie formschlüssig und ohne Luftspalt gegen die letztere anliegen. Dazu trägt auch die inhärente Elastizität des Kunststoffmaterials der Umfangswand 8 bei, die zudem für einen Ausgleich ggf. vorhandener Durchmessertoleranzen der Zellen 6 sorgt.
In ähnlicher Weise wie bei dem Batteriepack aus 3 weist die Umfangswand 8 des Gehäuses 4 in den durch den Versatz der Zellen benachbarter Reihen gebildeten Lücken 42 zwischen den äußeren Zellen 6 zweier im Abstand angeordneter Zellenreihen sowie in nach außen divergierenden Zwickeln 44 zwischen zwei benachbarten Zellen 6 nach innen zu in die Lücken 42 bzw. in die Zwickel 44 einspringende Wandabschnitte 46, 48 auf, um die Umfangswand 6 möglichst eng an die Form des äußeren Umrisses des Zellenverbunds in jeder Lage anzupassen. Durch diese Anpassung kann zum einen wieder die Größe der Anlagefläche zwischen den Zellen 6 und der Umfangswand 8 maximiert werden, so dass diese trotz der zylindrischen Querschnitte der Zellen 6 mindestens entlang der Hälfte ihres Umfangs gegen die Umfangsflächen 10 von Batteriezellen 6 anliegt. Zum anderen können luftgefüllte isolierende Zwischenräume zwischen den Umfangsflächen 10 der Zellen 6 und der Umfangswand 8 weitestgehend vermieden und die äußere Oberfläche des Gehäuses vergrößert werden, womit die Wärmeabfuhr aus den Zellen 8 an die Umgebung weiter verbessert wird.
Obwohl die Batteriezellen 6 bei den dargestellten Batteriepacks 2 als Mignon-, Baby- oder Monozellen mit kreisförmigem Querschnitt ausgebildet sind, versteht sich, dass das Gehäuse 4 der Batteriepacks 2 bei Verwendung von Zellen 6 mit anderen Querschnittformen eine an diese angepasste Gestalt aufweist.

Claims

Batteriepack zur Stromversorgung eines Elektrogeräts, insbesondere eines Elektrowerkzeugs, mit einem aus Kunststoff bestehenden Gehäuse (4), das mehr als zwei parallel zueinander angeordnete Batteriezellen (6) aufnimmt und dessen Gehäusewand mehrere Wandabschnitte (8, 22, 28, 40, 46, 48) aufweist, die einer äußeren Umfangsfläche (10) der Batteriezellen (6) gegenüberliegen, derart, dass die Wandabschnitte (8, 22, 28, 40, 46, 48) formschlüssig gegen benachbarte Umfangsflächen (10) der Batteriezellen (6) anliegen, wobei die Wandabschnitte (8, 22, 28, 40, 46, 48) und die Umfangsfläche (10) von mindestens einer Batteriezelle (6) entlang von mindestens einem Viertel des Umfangs der mindestens einen Batteriezelle (6) komplementär geformt sind und formschlüssig gegeneinander anliegen, dadurch gekennzeichnet, dass die Innenfläche und die Außenfläche der Gehäusewand zwischen den gegen die Umfangsflächen (10) der Batteriezellen (6) anliegenden Wandabschnitten (22, 40) einspringende Wandabschnitte (28, 46, 48) derart aufweist, dass die Gehäusewand möglichst eng an die Form des äußeren Umrisses des Zellenverbundes angepasst ist und die Anlageflächen zwischen den Batteriezellen (6) und der Gehäusewand vergrößert sind.
Batteriepack nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Wandabschnitte (8, 22, 28, 40, 46, 48) der Gehäusewand die Ecken eines polygonalen Gehäusequerschnitts bilden, welche zur Aufnahme von zylindrischen Zellen (6) mit dem Krümmungsradius der Umfangsflächen der Zellen (6) gerundet sind.
Batteriepack nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Wandabschnitt (8, 22, 28, 40, 46, 48) des Gehäuses (4) und die Umfangsfläche (10) der Batteriezelle (6) entlang der Anlagefläche gegeneinander angepresst werden.
Batteriepack nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass der Wandabschnitt (8, 22, 28, 40, 46, 48) des Gehäuses (4) und die Umfangsfläche (10) der Batteriezelle (6) infolge einer elastischen Verformung des Gehäuses (4) gegeneinander angepresst werden.
Batteriepack nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass das Gehäuse (4) eine quer zur Richtung seiner elastischen Verformung ausgerichtete Unterbrechung (12) aufweist.
Batteriepack nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Wandabschnitte (8, 22, 28, 40, 46, 48) jeweils aus unterschiedlichen Richtungen formschlüssig gegen benachbarte Umfangsflächen (10) der in das Gehäuse (4) eingesetzten Batteriezellen (6) angepresst werden.
Batteriepack nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass benachbarte Batteriezellen (6) gegeneinander angepresst werden.
Batteriepack nach einem der vorhergehenden Ansprüche, gekennzeichnet durch einen in Zwickel (26) zwischen benachbarten Batteriezellen (6) im Gehäuse (4) eingesetzten Kern (24), der die Batteriezellen gegen benachbarte Wandabschnitte (22, 40, 46, 48) des Gehäuses (4) anpresst.
Batteriepack nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass der Kern (24) als ein vom Gehäuse getrenntes Teil ausgebildet ist.
Batteriepack nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, dass der Kern (24) starr mit einem Verschluss des Gehäuses verbunden ist.