DE202010000418U1 - Batterie mit einem Stapel aus Flachzellen, Rahmen zur Halterung einer Flachzelle und Fahrzeug mit einer solchen Batterie - Google Patents
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Abstract
– wobei die Flachzellen (2) jeweils einen elektrochemischen Energiespeicher, eine Ummantelung (6) und seitlich aus der Ummantelung (6) herausgeführte Elektrodenanschlüsse (4) aufweisen,
– wobei für zwei übereinanderliegende Flachzellen (2)
– ein elektrisch leitendes Verbindungsstück (32) zwischen dem Elektrodeanschluss (4) der ersten der übereinanderliegenden Flachzellen (2) und dem Elektrodenanschluss (4) der zweiten der übereinanderliegenden Flachzellen (2), und
– eine Feder (31) zum Drücken der Elektrodeanschlüsse (4) der übereinanderliegenden Flachzellen (2) auf das Verbindungsstück (32) vorgesehen ist.
Description
- Die Erfindung betrifft eine Batterie mit einem Stapel aus Flachzellen und einen Rahmen zur Aufnahme und Halterung einer Flachzelle für eine Batterie. Sie betrifft weiter eine Batterie mit einem Stapel aus in Reihe geschalteten Flachzellen sowie ein Fahrzeug mit einer derartigen Batterie.
- Batterien mit einer Mehrzahl gestapelter Flachzellen, beispielsweise Lithium-Ionen- oder Lithium-Polymer-Batterien, sind als elektrochemische Energiespeicher mit hoher Leistungsdichte bekannt und werden daher zunehmend für Fahrzeuge mit Elektroantrieb bzw. Hybridantrieb eingesetzt. In diesem Bereich eingesetzte Batterien müssen jedoch spezielle Anforderungen insbesondere an die Sicherheit erfüllen.
- Sogenannte prismatische Flachzellen haben sich in diesem Bereich wegen ihres großen Oberflächen-Volumen-Verhältnisses und der dadurch bedingten verhältnismäßig guten Kühlbarkeit bewährt, sind jedoch in vielen Punkten noch in der Entwicklung begriffen.
- Aus der
DE 10 2007 031 674 A1 ist eine Batterie aus einer Vielzahl von Flachzellen bekannt, bei der aus den Flachzellen herausgeführte Kontaktanschlüsse stoffschlüssig über Verbindungselemente miteinander verbunden werden. Mittels Nietdornen wird ein Kühlkörper mit den Verbindungselementen verbunden. - Problematisch ist bei derartigen Batterien, dass eine Verbindung der einzelnen Flachzellen untereinander zuverlässig und dauerhaft bestehen muss, jedoch ohne dass unerwünschte Kurzschlüsse auftreten. Dies ist vor allem dann schwierig, wenn die Batterien in Fahrzeugen eingesetzt werden, in denen sie wegen der ständigen Erschütterungen einem erhöhten Verschleiß unterliegen.
- Aufgabe der Erfindung ist es, einen Batteriezellenstapel, einen Rahmen zur Aufnahme und Halterung einer Flachzelle einer Batterie anzugeben, der eine Stapelung und dauerhafte, zuverlässige Reihenschaltung mehrerer Flachzellen ermöglicht.
- Darüber hinaus ist es eine weitere Aufgabe der vorliegenden Erfindung, eine Batterie mit einem Stapel aus einer Anzahl von in Reihe geschalteten Flachzellen anzugeben, wobei eine Verbindung der einzelnen Flachzellen untereinander auch bei einer starken mechanischen Belastung der Batterie zuverlässig gewährleistet ist.
- Erfindungsgemäß wird diese Aufgabe mit dem Gegenstand der unabhängigen Patentansprüche gelöst. Vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung sind Gegenstand der abhängigen Patentansprüche.
- Die Erfindung betrifft einen Batteriezellenstapel, der eine Vielzahl von Flachzellen mit jeweils einem elektrochemischen Energiespeicher aufweist. Die Flachzellen weisen jeweils eine Ummantelung und seitlich aus der Ummantelung herausgeführte Elektrodenanschlüsse auf. Dabei ist für je zwei übereinanderliegende Flachzellen ein leitendes Verbindungsstück zwischen dem Elektrodeanschluss der ersten der übereinanderliegenden Flachzellen und dem Elektrodenanschluss der zweiten der über einanderliegenden Flachzellen und eine Feder zum Drücken der Elektrodeanschlüsse der übereinanderliegenden Flachzellen auf das Verbindungsstück vorgesehen.
- Mit der Verbindung der beiden Flachzellen wird die Befestigung so gestaltet, dass der Stapel insgesamt flexibler ist. Besonders bei kleinen Fahrzeugen sind Erschütterungen nicht zu vermeiden. Die Erschütterungen können aber dadurch ausgeglichen werden, dass die Flachzellen in eingeschränktem Maß beweglich sind. Das Verbindungsstück und die Feder sorgen für jeweils eine Verbindung von zwei übereinanderliegenden Flachzellen. Die Verbindungen ermöglichen aber, dass bei Erschütterungen Flachzellen sich untereinander verschieben könne, was bei einer starren Verbindung aller Flachzellen nicht möglich ist. Bei einer starren Verbindung besteht die Gefahr, dass diese Verbindung bei Erschütterungen im Betrieb plötzlich bricht.
- Falls eine weitere mechanische Verbindung zwischen der Feder und dem Verbindungsstück vorgesehen ist, kann das Verbindungsstück sich bei einem Stoß von außen nicht von der Feder lösen und dabei die Flachzelle beschädigen. Diese mechanische Verbindung kann stoffschlüssig oder formschlüssig sein.
- Durch eine Isolierung zwischen den Elektrodenanschlüssen und der Feder wird sichergestellt, dass die Feder auf keinem elektrischem Potential liegt, das einen Kurzschluss mit einer den Stapel umschließenden Metallhülle verursachen kann.
- Vorzugsweise ist das Verbindungsstück U-förmig, wobei die Enden in Richtung der Flachzellen zeigen. Diese Form sorgt dafür, dass das Verbindungsstück in vertikaler Richtung flexi bel wird. Damit werden Erschütterungen, die in diese Richtung wirken, ausgeglichen.
- Falls die Enden des U-förmigen Verbindungsstücks abgerundet sind, wird die Gefahr, dass bei einer Krafteinwirkung von der Seite, die Enden des Verbindungsstücks die Flachzelle zerstören, vermindert. Vorzugsweise ist die Feder aus Stahl.
- In dem Fall, dass eine isolierende Schicht auf der den Zellen abgewandeten Seite der Feder vorgesehen ist, wird durch diese zusätzliche Maßnahme ein Kurzschluss zwischen der Feder und einer Metallhülle um den Stapel verhindert.
- In einer Ausführungsform hat die Feder mehrere Zähne zum jeweiligen Drücken auf die Kontaktanschlüsse der ersten Flachzellen und mehrere Zähne zum jeweiligen Drücken auf die Kontaktanschlüsse der zweiten Flachzelle. Mit Hilfe der Zähne wird der Druck auf die Kontaktanschlüsse gleichmäßig verteilt, wodurch die Gefahr, dass die Angriffspunkte der Feder verrutschen, vermindert wird.
- Ein weiterer Aspekt der Erfindung betrifft einen Rahmen zur Aufnahme und Halterung einer Flachzelle einer Batterie. Der Rahmen ist mit weiteren Rahmen zu einem Stapel zusammenfügbar und weist zur Aufnahme von Bereichen der Flachzelle vorgesehene Bereiche in seinem Zentrum auf. Ferner weist der Rahmen zumindest eine Halterung zur Aufnahme eines Kontaktelements zur Kontaktierung der Flachzelle mit zumindest einer weiteren, auf dem Rahmen gestapelten Flachzelle auf.
- Ein derartiger Rahmen eignet sich zur Aufnahme prismatischer Flachzellen, wie sie derzeit beispielsweise für den Einsatz in Fahrzeugen mit Elektromotor entwickelt werden. Er ermög licht die sichere Halterung, Stapelung und Reihenschaltung einer Anzahl derartiger Flachzellen zu einer Batterie.
- In einer Ausführungsform ist der Rahmen im wesentlichen rechteckig ausgebildet, wobei das Format des Rahmens im Wesentlichen dem der aufzunehmenden Flachzelle entspricht. An zumindest einer Seite des Rahmens ist eine Halterung zur Aufnahme eines Kontaktelements ausgebildet.
- Beispielsweise kann die Halterung zur Aufnahme einer Spiralfeder ausgebildet sein, wobei die Längsachse der Spiralfeder parallel zu einer Hauptebene des Rahmens liegend ausgerichtet ist.
- Vorteilhafterweise weist der Rahmen eine Anzahl von ihn senkrecht zu seiner Hauptebene durchdringenden Schraubenlöchern auf. Durch diese Schraubenlöcher kann eine lange Schraube geführt werden, die alle Rahmen eines Stapels durchdringt und miteinander verbindet, wobei die einzelnen Kontaktelemente vorgespannt werden. Eine derartige Schraubenverbindung hat den Vorteil, dass sie einerseits zuverlässig und beständig, andererseits auch leicht lösbar ist. Die gute Lösbarkeit ist insbesondere deshalb ein Vorteil, weil dadurch einzelne Zellen besonders leicht ausgetauscht werden können.
- Der Rahmen weist in einer Ausführungsform Zentrierelemente zur Zentrierung der Flachzelle innerhalb des Rahmens auf, die beispielsweise plattenförmig ausgebildet und gegen die Hauptebene des Rahmens geneigt angeordnet sind, derart, dass das Lumen des Rahmens in einem Bereich der Zentrierelemente nahe einem Rand des Rahmens größer ist als in einem Bereich der Zentrierelemente nahe einem Zentrum des Rahmens.
- Unter dem Lumen des Rahmens wird dabei hier die zur Aufnahme der Zelle innerhalb des Rahmens zur Verfügung stehende lichte Weite verstanden.
- Die Zentrierelemente haben den Vorteil, dass sie die Flachzelle innerhalb des Rahmens zentrieren und in dieser zentrierten Position halten. Die Flachzellen bleiben somit in ihrer zentrierten Position, auch wenn sie starken Belastungen beispielsweise durch Vibrationen ausgesetzt sind, wodurch beispielsweise der Abriss von Kontakten verhindert wird. Die Zentrierelemente bewirken somit einen Rüttelschutz der Zellen, der besonders bei Anwendungen im Automotivebereich vorteilhaft ist und eine geringere Verschleißanfälligkeit bewirkt.
- Gemäß einem Aspekt der Erfindung wird eine Batterie mit einem Stapel aus einer Anzahl von in Reihe geschalteten Flachzellen bereitgestellt. Dabei weist jede Flachzelle einen der erfindungsgemäßen Rahmen auf und steht mit den ihr benachbarten Flachzellen über federnde Kontaktelemente elektrisch in Verbindung.
- Dabei sind die Kontaktelemente zu einen federnd ausgebildet, das heißt, sie können durch beim Zusammenfügen des Stapels angewandte Drücke unter Vorspannung gesetzt werden. Zum anderen sind sie auch elektrisch leitend, so dass sie die elektrische Verbindung zwischen den einzelnen Zellen herstellen. Durch den Einsatz der federnden Kontaktelemente, die, wenn sie unter Vorspannung stehen, eine Gegenkraft auf die Kontakte, die sie verbinden, ausüben, sind die elektrische und die mechanische Verbindung innerhalb des Stapels voneinander entkoppelt. Der mechanische Zusammenhalt des gesamten Stapels wird beispielsweise durch Schrauben, durch ein Gehäuse oder andere Elemente verwirklicht.
- Eine derartige Anordnung hat den Vorteil, dass, wenn von oben und von unten auf den Stapel ein Anpressdruck ausgeübt wird, die federnden Kontaktelemente vorgespannt werden und ständig eine Gegenkraft auf die von ihnen kontaktierten Zellkontakte ausüben. Dadurch ist eine ständige zuverlässige Kontaktierung der Zellen sichergestellt. Durch ihre Vorspannung können die Kontaktelemente auch ein Nachlassen des Anpressdruckes, wie es aufgrund von Verschleiß mit der Zeit auftreten kann, ausgleichen.
- In einer Ausführungsform sind die federnden Kontaktelemente als Spiralfedern ausgebildet, deren Längsachse jeweils parallel zur Hauptebene des Rahmens liegt. Derartige Spiralfedern neigen sich bei einem Anpressdruck von oben und unten leicht zur Seite und werden dadurch vorgespannt.
- Als Material für die Spiralfedern eignen sich beispielsweise Aluminium- oder Kupferlegierungen. Dabei wird ein Kompromiss angestrebt zwischen eher zarten, gut komprimierbaren Federn und verhältnismäßig massiv ausgebildeten, die einen geringen elektrischen Widerstand aufweisen.
- In einer weiteren Ausführungsform weisen die Flachzellen jeweils einen aus einer Ummantelung herausgeführten Anodenanschluss und einen aus der Ummantelung herausgeführten Kathodenanschluss auf, wobei der Anodenanschluss und der Kathodenanschluss jeweils von einem federnden Kontaktelement kontaktiert werden.
- Bei dieser Ausführungsform können das Kontaktelement zur Kontaktierung des Anodenanschlusses und das Kontaktelement zur Kontaktierung des Kathodenanschlusses auf unterschiedlichen Seiten der Hauptebene der Flachzelle angeordnet sein. Bei dieser Anordnung wird dann bei einer Flachzelle der Kathodenanschluss beispielsweise von oberhalb der Hauptebene und der Anodenanschluss von unterhalb der Hauptebene kontaktiert.
- Anoden- und Kathodenanschluss sind beispielsweise auf einander gegenüberliegenden Seiten der Flachzellen herausgeführt. Sie sind vorteilhafterweise von außerhalb des Stapels kontaktierbar, insbesondere, um ein Balancing und eine individuelle Überwachung der einzelnen Zellen zu ermöglichen.
- Bei einer Ausführungsform sind die Flachzellen als prismatische Flachzellen ausgebildet. Dabei wird hier unter einer prismatischen Flachzelle eine flache, im Wesentlichen quaderförmige Zelle verstanden, wie sie bereits häufig in der Unterhaltungselektronik eingesetzt wird. Derartige Flachzellen sind weiterentwickelt worden, um den speziellen Anforderungen im Automotivebereich zu genügen, insbesondere im Hinblick auf Lade- und Entladeraten, die Lebensdauer und Sicherheitsaspekte.
- Mit prismatischen Flachzellen lässt sich eine große Packungsdichte erzielen, gleichzeitig aber auch wegen der großen Oberfläche der Zellen ein zuverlässiges Temperaturmanagement und zudem ein geringes Gewicht verwirklichen.
- Die Rahmen der Flachzellen sind in einer Ausführungsform durch eine Anzahl von Schrauben miteinander verbunden, wobei die federnden Kontaktelemente unter Spannung stehen. Insbesondere können lange Schrauben zum Einsatz kommen, die senk recht durch den ganzen Stapel geführt werden. Zu ihrer Befestigung können eine Deckelplatte und eine Bodenplatte oder ähnliches Vorrichtungen als Begrenzung des Stapels vorgesehen sein.
- In einer Ausführungsform sind die Flachzellen jeweils innerhalb ihres Rahmens zentriert gehalten, wobei plattenförmige und gegen die Hauptebene des Rahmens geneigte Zentrierelemente vorgesehen sind, derart, dass die Flachzellen in einem Bereich der Zentrierelemente nahe einem Rand des Rahmens in weniger engem Kontakt mit den Zentrierelementen stehen als in einem Bereich der Zentrierelemente nahe einem Zentrum des Rahmens.
- In einer weiteren ist jede Flachzelle mit der ihr benachbarten Flachzelle über mehrere nebeneinander liegende federnden Kontaktelementen verbunden. Durch das Vorsehen einer Vielzahl von federnden Kontaktelementen zwischen den Kontaktanschlüssen der Flachzellen kann der Strom auf mehrere Federn aufgeteilt werden.
- Die erfindungsgemäße Batterie hat den Vorteil, dass durch die Gegenkraft der federnden, vorgespannten Kontaktelemente eine elektrische Verbindung der in Reihe geschalteten einzelnen Zellen jederzeit zuverlässig gewährleistet ist. Damit ist die Batterie gegen Verschleiß aufgrund ständiger Vibrationen geschützt und besonders für den Einsatz im Automotive-Bereich in Fahrzeugen mit Elektromotor geeignet. In einer erfindungsgemäßen Batterie können neuartige prismatische Flachzellen, beispielsweise Lithium-Ionen-Batterien mit einem keramischen Separator, wie sie von der Li-Tec Battery GmbH entwickelt werden, zu einem Stapel zusammengeschaltet werden.
- Ausführungsbeispiele der Erfindung werden im folgenden anhand der beigefügten Figuren näher erläutert.
-
1 zeigt schematisch eine Ausführungsform eines Batteriestapels von der Seite. -
2 zeigt schematisch den Batteriestapel aus1 von einer anderen Seite. -
3 zeigt einen Rahmen des Batteriestapels von1 in der Draufsicht. -
4 zeigt einen vergrößerten Ausschnitt aus1 . -
5 zeigt einen vergrößerten Ausschnitt aus2 . -
6 zeigt ein weiteres Ausführungsbeispiel für die Verbindung zweier übereinander liegender Flachzellen eines Batteriestapels. -
7 zeigt ein weiteres Ausführungsbeispiel für die Verbindung zweier übereinander liegender Flachzellen eines Batteriestapels. -
8 zeigt schematisch eine Seitenansicht eines Stapels aus einer Anzahl von in Reihe geschalteten Flachzellen einer Batterie gemäß einer weiteren Ausführungsform der Erfindung. -
9 zeigt schematisch ein Detail der8 . -
10 zeigt schematisch eine andere Seitenansicht des Stapels gemäß8 . -
11 zeigt schematisch ein Detail der10 ; -
12 zeigt schematisch eine perspektivische Ansicht eines Rahmens für eine Flachzelle gemäß einer Ausführungsform der Erfindung und -
13 zeigt schematisch einen Querschnitt durch einen Bereich des Rahmens gemäß12 . -
14 zeigt ein weiteres Ausführungsbeispiel von Kontaktvorrichtungen30 zwischen zwei Kontaktanschlüssen von Flachzellen. - Gleiche Teile sind in allen Figuren mit den gleichen Bezugszeichen versehen.
-
1 zeigt schematisch eine Seitenansicht eines Stapels1 aus einer Anzahl von in Reihe geschalteten Flachzellen2 einer Batterie gemäß einer Ausführungsform der Erfindung. Der Übersichtlichkeit halber wurden in dieser Darstellung die die Flachzellen2 umgebenden und haltenden Rahmen weggelassen. - In der gezeigten Ausführungsform sind die Flachzellen
2 als prismatische Flachzellen mit am Umfang herausgeführten Zellkontakten4 ausgebildet und aufeinander gestapelt. Pro Flachzelle2 ist jeweils ein Zellkontakt4 nach rechts und ein Zellkontakt4 nach links herausgeführt, wobei jeweils einer der Zellkontakte4 ein Anodenanschluss und der andere der Zellkontakte ein Kathodenanschluss ist. Die Flachzellen2 sind derart übereinander gestapelt und so zueinander ausgerichtet, dass zwei unmittelbar übereinanderliegende Flachzellen2 jeweils um 180 Grad gegeneinander gedreht sind. Es sind Kontaktvorrichtungen30 vorgesehen zum Verbinden von jeweils zwei Kontaktanschlüssen4 . Jede Kontaktvorrichtung30 weist eine Feder31 und einen U-förmigen Kontaktbügel32 , der als elektrisch leitendes Verbindungsstück zwischen dem Kontaktanschluss4 der oberen Flachzelle2 und dem Kontaktanschluss4 der unteren Flachzelle2 wirkt, auf. Die Kontaktvorrichtungen30 verbinden daher jeweils den Anodenanschluss einer Flachzelle2 mit dem Kathodenanschluss der benachbarten Flachzelle2 . - Dabei sind die Flachzellen
2 so miteinander verbunden, dass je Flachzelle2 der Zellkontakt4 auf einer Seite mit dem Zellkontakt4 der drüberliegenden Flachzelle2 und der Kontaktanschluss4 auf der anderen Seite mit einem Zellkontakt4 der darunter liegenden Flachzelle2 verbunden ist. Dabei bilden die oberste und die unterste Flachzellen2 Ausnahmen von dieser Regel. Jeweils eine Kontaktvorrichtung30 dieser äußeren Flachzellen2 ist mit einem Außenanschluss der Batterie verbunden. Die Flachzellen2 des Stapels1 sind folglich in Reihe geschaltet. -
2 zeigt den Stapel1 von1 ebenfalls von der Seite, allerdings um 90 Grad gedreht. Während die2 einen Blick frontal auf die Kontaktvorrichtungen30 zeigt, sind die Kontaktvorrichtungen30 in1 von der Seite zu sehen sind. Zu sehen sind die Federn31 , die sich in Längsrichtung über etwa zwei Drittel der Länge der Flachzellen2 erstrecken. An ihren Ober- und Unterseiten weisen die Federn31 Unterbrechungen auf, damit die Anpresskraft an mehreren Stellen gleichmäßig auf die Zellkontakte4 wirken kann. Die Federn31 sind mit Verbindungsbügeln34 verbunden, die sich nach rechts erstrecken, um jeweils eine elektrische Verbindung der Federn mit Außenanschlüssen der Batterie bereitzustellen. - Die sich auf der Rückseite befindlichen Federn
31 sind nicht zu sehen, allerdings sind die herausragenden Verbindungsbügel, die mit diesen Federn31 verbunden sind, erkennbar. Diese Verbindungsbügel sind mit dem Bezugszeichen34' bezeichnet. Je Feder31 sind drei Nieten39 vorgesehen, mit denen die Federn31 mit den Kontaktbügeln32 verbunden werden. - Die Flachzellen
2 liegen auf Wärmeableitplatten33 auf. Diese sorgen dafür, dass die Wärme, die von den Flachzellen2 erzeugt wird, seitlich nach außen abgeführt wird. -
3 zeigt einen Rahmen zur Aufnahme der Flachzellen2 von oben. Der Rahmen11 ist rechteckig geformt und weist in der Mitte eine Aussparung38 auf. - Eine Flachzelle
2 wird so in dem Rahmen11 angeordnet, dass die Kontaktanschlüsse4 mit den Kontaktvorrichtungen30 , wozu die Feder31 gehört, verbunden werden. Unter der Flachzelle2 ist, in dieser Figur nicht gezeigt, eine Wärmeableitplatte33 vorgesehen, auf die die Flachzelle2 gelegt ist. Auf der Flachzelle2 wird die nächste Wärmeableitplatte33 , anschließend die nächste Flachzelle2 gelegt und dann der nächste Rahmen11 auf den bereits vorhandenen Rahmen11 gesetzt. Nachdem alle Flachzellen2 und Rahmen11 montiert sind, wird am oberen Abschluss des Stapels1 ein Abschlussblech36 montiert. - Im Rahmen
11 sind auf einer Seite zwei nach oben ragender Vorsprünge160 vorgesehen. Diese dienen dazu, Verpolungen der Flachzellen2 auszuschließen. Die Kontaktanschlüsse4 der Kathode sind jeweils an ihren Ecken so ausgeschnitten, dass eine Flachzelle2 mit ihrer Kathodenseite auf die Seite, an der sich die Vorsprünge160 befinden, gelegt werden kann. Falls ein Monteur die Flachzelle2 verkehrt herum hineinlegt, merkt er, dass der Kontaktanschluss4 der Anode nicht nach unten gedrückt werden kann, da die Vorsprünge160 im Weg sind. -
4 zeigt einen Ausschnitt aus dem Stapel1 aus1 . Dabei sind drei Kontaktvorrichtungen30 gezeigt. Diese weisen jeweils Kontaktbügel32 zwischen zwei Zellkontakten4 auf. Die Kontaktbügel32 sind aus Kupfer und sorgen für eine elektrisch leitende Verbindung zwischen dem Zellkontakt4 der oben liegenden Flachzelle2 und dem Zellkontakt4 der unten liegenden Flachzelle2 . Die Zellkontakte4 werden auf die Kontaktbügel32 mit Hilfe der Federn31 gedrückt. Die Federn drücken mit zwei Enden auf den Zellkontakt4 der oberen Flachzelle2 von oben und auf den Zellkontakt4 der unteren Flachzelle2 von unten. -
5 zeigt einen vergrößerten Ausschnitt aus2 . Die Wärmeableitplatten33 sind zwischen den Flachzellen2 vorgesehen. Die Wärmeableitplatten33 weisen jeweils eine Stufe41 auf, damit die Wärmeableitplatten33 aus dem Rahmen herausgeführt werden können. An jeder Wärmeableitplatte33 ist ein Temperatursensor42 vorgesehen, an den ein Leiter angeschlossen ist, mit dem die vom Temperatursensor42 ermittelte Temperatur an eine externe Steuerung gemeldet werden kann. -
6 zeigt ein weiteres Ausführungsbeispiel für Kontaktvorrichtungen30 zur Verbindung von übereinander liegenden Flachzellen2 . Der Kontaktbügel32 ähnelt dem Kontaktbügel32 aus Figur 1x. Es ist aber abweichend ein U-förminger Isolierbügel44 vorgesehen, dessen Enden auf dem Kontaktanschluss4 der oberen Flachzelle2 und unter dem Kontaktanschluss4 der unteren Flachzelle2 liegen. Die Enden der Feder31 liegen auf den Enden der Isolierbügel44 auf. Die Feder31 ist somit von den Kontaktanschlüssen4 elektrisch isoliert. Die Isolierbügel44 sind besonders bei Unfällen wichtig. Sie verhindern, dass, wenn der Stapel von links eingedrückt wird, die Federn31 Teile der Flachzellen2 zerstören. Der Kontaktbügel32 ist an seinen Enden abgerundet, damit bei einer Krafteinwirkung von der Seite keine scharfen Kanten die Ummantelung der Flachzellen2 verletzen. - Außerhalb der Kontaktvorrichtungen
30 ist eine Metallhaube um den Stapel1 vorgesehen, die den Batteriestapel z. B. vor Spritzwasser schützt. Die Metallhaube ist vorzugsweise aus Aluminium. -
7 zeigt ein weiteres Ausführungsbeispiel für Kontaktvorrichtungen30 zur Verbindung von übereinander liegenden Flachzellen2 . Die Feder31 besteht aus einem Kunststoff, ist U-förmig, wobei die Enden des U über dem oberen Kontaktanschluss4 und unter dem unteren Kontaktanschluss4 verlaufen. An den Innenseiten der Enden des U sind je Ende zwei Zähne vorgesehen. Jeweils ein Zahn kontaktiert den Kontaktanschluss4 und ein Zahn kontaktiert die Isolierung5 . Da die Feder31 aus Kunststoff ist, kann sie bei Zusammendrücken des Stapels1 keinen Kurzschluss verursachen. Die Zähne sorgen für gleichmäßigeren Druck auf den Kontaktanschluss4 . Wenn mehr als zwei Zähne vorgesehen werden, wird der Druck noch gleichmäßiger verteilt. -
8 zeigt schematisch eine Seitenansicht eines Stapels1 aus einer Anzahl von in Reihe geschalteten Flachzellen2 einer Batterie gemäß einer weiteren Ausführungsform der Erfindung. Der Übersichtlichkeit halber wurden auch in dieser Dar stellung die die Flachzellen2 umgebenden und halternden Rahmen weggelassen. - In der gezeigten Ausführungsform sind die Flachzellen
2 als prismatische Flachzellen mit am Umfang herausgeführten Zellkontakten4 ausgebildet und aufeinander gestapelt. Auf jeweils einer der vier Seiten jeder Flachzelle2 ist auf die Oberseite des herausgeführten Zellkontaktes4 ein Kontaktelement3 aufgesetzt. Die Flachzellen2 sind derart übereinander gestapelt und zueinander ausgerichtet, dass zwei unmittelbar übereinanderliegende Flachzellen2 jeweils um 180 Grad gegeneinander gedreht sind. Die Kontaktelemente3 verbinden daher jeweils den Anodenanschluss einer Flachzelle2 mit dem Kathodenanschluss der benachbarten Flachzelle2 . - Die Flachzellen
2 sind als Lithium-Ionen-Zellen mit einem keramischen Separator ausgebildet und weisen eine Ummantelung6 aus Aluminium auf. - Die Kontaktelemente
3 sind als Spiralfedern ausgebildet und derart ausgerichtet, dass ihre Längsachse L parallel zu den Hauptebenen H der Flachzellen2 und damit auch parallel zu einer Hauptebene des nicht gezeigten Rahmens liegt. - Wie in
9 besonders gut erkennbar ist, ist ein Ende des Kontaktelements3 als herausgeführter Kontakt7 ausgebildet, der zumindest an einer Stelle über den Zellkontakt4 hinausragt und auch aus dem in dieser Darstellung nicht gezeigten Rahmen herausgeführt sein kann. Dies ermöglicht einen Zugriff von außen auf einzelne Flachzellen2 , insbesondere für ein Laden beziehungsweise für ein Balancing der Zellen. - Der in
9 ebenfalls erkennbare weitere herausgeführte Kontakt8 ist der Kontakt des zwischen den beiden obersten Flachzellen2 angeordneten Kontaktelements3 . Dieses Kontaktelement ist auf der in der Darstellung in1 die Rückseite des Stapels bildenden Seite angeordnet und daher selbst zum größten Teil verdeckt. - In
8 ist ferner schematisch ein Deckelstreifen9 gezeigt, der mittels Schrauben und Muttern10 mit einer nicht dargestellten Bodenplatte verschraubt wird, wobei Deckelstreifen9 und Bodenplatte den Stapel1 nach oben und unten begrenzen und eine Kraft auf die einzelnen Rahmen und Kontaktelemente3 des Stapels1 ausüben. - Diese Kraft bewirkt, dass die Kontaktelemente
3 unter Spannung stehen. Dabei legen sich die Bögen der Spiralfedern in Richtung des in9 gezeigten Pfeils22 leicht schräg, werden also „gekippt”. -
10 zeigt schematisch eine weitere Darstellung eines Stapels1 , die gegenüber derjenigen gemäß1 um 90 Grad gedreht ist. - In dieser Darstellung ist besonders gut erkennbar, dass die Kontaktelemente
3 jeweils den Anodenkontakt einer Flachzelle2 mit dem Kathodenkontakt der benachbarten Flachzelle2 verbinden. - In
11 , die den Ausschnitt A aus3 darstellt, ist gezeigt, dass die herausgeführten Zellkontakte4 eine Isolierung5 aufweisen, die einen Kontakt zwischen der metallischen Ummantelung6 und dem Zellkontakt4 und damit einen Kurzschluss verhindert. Das Kontaktelement3 ist so weit außen auf den Zellkontakt4 aufgesetzt, dass dieser dort keine Isolierung5 mehr aufweist. -
12 zeigt schematisch eine perspektivische Ansicht eines Rahmens11 für eine Flachzelle2 gemäß einer Ausführungsform der Erfindung. Der Rahmen11 , der beispielsweise aus Kunststoff gefertigt ist, weist einen zentralen Bereich12 zur Aufnahme einer Flachzelle2 auf. Er weist ferner eine Anzahl von Rastlöchern13 und Rasthaken14 , die jeweils mit Rasthaken und Rastlöchern benachbarter Rahmen zusammenwirken. Mittels derartiger Verrastungen lässt sich der Rahmen11 mit weiteren Rahmen zu einem Stapel zusammenfügen. - Der Rahmen
11 weist ferner eine Halterung15 zur Aufnahme eines Kontaktelements3 zur Kontaktierung der Flachzelle2 mit einer benachbarten Flachzelle2 auf. Die Halterung15 ist in der gezeigten Ausführungsform zur Aufnahme einer Spiralfeder ausgebildet und weist zumindest eine Durchführung21 auf, die das Herausführen eines Kontaktes7 von dem Kontaktelement3 ermöglicht. Ferner sind in die Halterung15 Schraubenlöcher16 zum Zusammenfügen des Rahmens11 mit weiteren Rahmen zu einem Stapel eingebracht. - Der Rahmen
11 weist ferner in seinen Ecken20 plattenförmig ausgebildete Zentrierelemente17 auf. Die Zentrierelemente sind gegen die durch den Normalenvektor n gekennzeichnete Hauptebene des Rahmens11 geneigt angeordnet. Der höchste, das heißt am weitesten von der Hauptebene entfernte Punkt jedes Zentrierelements17 ist dabei in einer Ecke20 des Rahmens11 angeordnet. Auf diese Weise ist das Lumen des Rahmens11 in einem Bereich18 der Zentrierelemente17 nahe dem Rand des Rahmens11 größer als in einem Bereich19 der Zentrierelemente17 nahe dem Zentrum des Rahmens11 . -
13 zeigt schematisch einen Querschnitt durch einen Bereich des Rahmens11 gemäß12 im Bereich der Zentrierelemente17 , wobei schematisch eine Flachzelle2 mit eingezeichnet wurde, um das Prinzip der Zentrierung zu verdeutlichen. - Die Flachzelle ist in ihren Randbereichen
23 abgeflacht. Die Zentrierelemente17 stehen in Kontakt mit diesen Randbereichen23 der Flachzelle2 , wobei die Abflachung der Flachzelle2 zusammen mit der geneigten Anordnung der Zentrierelemente einen innigen Kontakt zwischen Flachzelle2 und Zentrierelementen17 bewirkt und dadurch eine Verschiebung der Flachzelle2 innerhalb des Rahmens11 verhindert. - Zum Montieren des Stapels wird auf eine Flachzelle
2 ein Rahmen gelegt. Anschließend werden die Kontaktfedern3 in die Halterung16 gelegt. Anschließend folgt eine Wärmeleitplatte und die nächste Flachzelle2 . - In einer Ausführungsform werden anstelle von einer Kontaktfeder
3 mehrere Kontaktfedern50 verwendet, die nebeneinander angeordnet werden. Damit kann die Steifigkeit der Kontaktfedern variiert werden. Dies ist wichtig, da steife Kontaktfedern sich nicht gut anpassen, während weiche Kontaktfedern wenig Material haben und deshalb einen zu hohen elektrischen Widerstand haben. -
14 zeigt in einem Schnittbild eine weitere Ausführungsform für eine Kontaktvorrichtung30 zur Verbindung von zwei übereinander liegenden Kontaktanschlüssen4 von Flachzellen. Die Kontaktvorrichtung30 besteht aus einem Außenteil140 und einem Innenteil141 . Das Innenteil141 und das Außenteil140 werden so zusammengesteckt, dass sich zwei Aussparungen143 bilden, in die die Kontaktanschlüsse4 eingeklemmt werden. Der rechte Teil von14 zeigt das Außenteil140 in der Draufsicht. Auch diese Ausführungsform hat den Vorteil, dass mit einer Kontaktvorrichtung nur zwei übereinander liegende Kontaktanschlüsse miteinander verbunden werden, wodurch aber eine Flexibilität des Stapels gewährleistet bleibt. -
- 1
- Stapel
- 2
- Flachzelle
- 3
- Kontaktelement
- 4
- Zellkontakt
- 5
- Isolierung
- 6
- Ummantelung
- 7
- herausgeführter Kontakt
- 8
- weiterer herausgeführter Kontakt
- 9
- Deckelstreifen
- 10
- Mutter
- 11
- Rahmen
- 12
- Bereich zur Aufnahme der Flachzelle
- 13
- Rastloch
- 14
- Rasthaken
- 15
- Halterung
- 16
- Schraubenloch
- 17
- Zentrierelement
- 18
- Bereich nahe einem Rand des Rahmens
- 19
- Bereich nahe einem Zentrum des Rahmens
- 20
- Ecke
- 21
- Durchführung
- 22
- Pfeil
- 30
- Kontaktvorrichtung
- 31
- Feder
- 32
- Kontaktbügel
- 33
- Wärmeableitplatte
- 34
- Verbindungsbügel
- 36
- Abschlussblech
- 38
- Aussparung
- 39
- Niet
- 41
- Stufe
- 42
- Temperatursensor
- L
- Längsachse
- H
- Hauptebene
- 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 102007031674 A1 [0004]
Claims (28)
- Batterie mit einem Stapel (
1 ) aus einer Vielzahl von in Reihe geschalteten Flachzellen (2 ), – wobei die Flachzellen (2 ) jeweils einen elektrochemischen Energiespeicher, eine Ummantelung (6 ) und seitlich aus der Ummantelung (6 ) herausgeführte Elektrodenanschlüsse (4 ) aufweisen, – wobei für zwei übereinanderliegende Flachzellen (2 ) – ein elektrisch leitendes Verbindungsstück (32 ) zwischen dem Elektrodeanschluss (4 ) der ersten der übereinanderliegenden Flachzellen (2 ) und dem Elektrodenanschluss (4 ) der zweiten der übereinanderliegenden Flachzellen (2 ), und – eine Feder (31 ) zum Drücken der Elektrodeanschlüsse (4 ) der übereinanderliegenden Flachzellen (2 ) auf das Verbindungsstück (32 ) vorgesehen ist. - Batterie nach Anspruch 1, gekennzeichnet durch eine weitere mechanische Verbindung (
39 ) zwischen der Feder (31 ) und dem Verbindungsstück (32 ). - Batterie nach Anspruch 2, gekennzeichnet durch eine Isolierung zwischen den Elektrodenanschlüssen (
4 ) und der Feder (31 ). - Batterie nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass das Verbindungsstück U-förmig ist, wobei die Enden in Richtung der Flachzellen zeigen.
- Batterie nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Enden des Verbindungsstücks (
32 ) abgerundet sind. - Batterie nach einem der Ansprüche 2 bis 5, gekennzeichnet durch eine isolierende Schicht auf der den Zellen abgewandeten Seite der Feder.
- Batterie nach einem der Ansprüche 2 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass die Feder (
31 ) mehrer Zähne (310 ) aufweist zum jeweiligen Drücken auf die Kontaktanschlüsse (4 ) der oberen Flachzellen (2 ) und mehrere Zähne (310 ) aufweist zum jeweiligen Drücken auf die Kontaktanschlüsse (4 ) der unteren Flachzelle (2 ). - Rahmen (
11 ) zur Aufnahme und Halterung einer Flachzelle (2 ) einer Batterie, der folgende Merkmale aufweist: – der Rahmen (11 ) ist mit weiteren Rahmen zu einem Stapel zusammenfügbar; – der Rahmen (11 ) weist zur Aufnahme von Bereichen der Flachzelle (2 ) vorgesehene Bereiche (12 ) auf; – der Rahmen (11 ) weist zumindest eine Halterung (15 ) zur Aufnahme eines Kontaktelements (3 ) zur Kontaktierung der Flachzelle (2 ) mit zumindest einer weiteren, auf dem Rahmen gestapelten Flachzelle (2 ) auf, wobei die Halterung (15 ) zur Aufnahme des Kontaktelements (3 ) zur Aufnahme einer Spiralfeder ausgebildet ist, wobei die Längsachse (L) der Spiralfeder als parallel zu einer Hauptebene (n) des Rahmens (11 ) liegend ausgebildet ist. - Rahmen (
11 ) zur Aufnahme und Halterung einer Flachzelle (2 ) einer Batterie, der folgende Merkmale aufweist: – der Rahmen (11 ) ist mit weiteren Rahmen zu einem Stapel zusammenfügbar; – der Rahmen (11 ) weist zur Aufnahme von Bereichen der Flachzelle (2 ) vorgesehene Bereiche (12 ) auf; – der Rahmen (11 ) weist zumindest eine Halterung (15 ) zur Aufnahme eines Kontaktelements (3 ) zur Kontaktierung der Flachzelle (2 ) mit zumindest einer weiteren, auf dem Rahmen gestapelten Flachzelle (2 ) auf, wobei wobei der Rahmen (11 ) eine Anzahl von ihn senkrecht zu seiner Hauptebene (n) durchdringenden Schraubenlöchern (16 ) aufweist. - Rahmen (
11 ) zur Aufnahme und Halterung einer Flachzelle (2 ) einer Batterie, der folgende Merkmale aufweist: – der Rahmen (11 ) ist mit weiteren Rahmen zu einem Stapel zusammenfügbar; – der Rahmen (11 ) weist zur Aufnahme von Bereichen der Flachzelle (2 ) vorgesehene Bereiche (12 ) auf; – der Rahmen (11 ) weist zumindest eine Halterung (15 ) zur Aufnahme eines Kontaktelements (3 ) zur Kontaktierung der Flachzelle (2 ) mit zumindest einer weiteren, auf dem Rahmen gestapelten Flachzelle (2 ) auf, wobei wobei der Rahmen (11 ) Zentrierelemente (17 ) zur Zentrierung der Flachzelle (2 ) innerhalb des Rahmens (11 ) aufweist. - Rahmen (
11 ) zur Aufnahme und Halterung einer Flachzelle (2 ) einer Batterie, der folgende Merkmale aufweist: – der Rahmen (11 ) ist mit weiteren Rahmen zu einem Stapel zusammenfügbar; – der Rahmen (11 ) weist zur Aufnahme von Bereichen der Flachzelle (2 ) vorgesehene Bereiche (12 ) auf; – der Rahmen (11 ) weist zumindest eine Halterung (15 ) zur Aufnahme eines Kontaktelements (3 ) zur Kontaktierung der Flachzelle (2 ) mit zumindest einer weiteren, auf dem Rahmen gestapelten Flachzelle (2 ) auf, wobei die Zentrierelemente (17 ) plattenförmig ausgebildet und gegen die Hauptebene (n) des Rahmens (11 ) geneigt angeordnet sind, derart, dass das Lumen des Rahmens (11 ) in einem Bereich (18 ) der Zentrierelemente (17 ) nahe einem Rand des Rahmens (11 ) größer ist als in einem Bereich (19 ) der Zentrierelemente (17 ) nahe einem Zentrum des Rahmens (11 ). - Rahmen (
11 ) nach einem der Ansprüche 8 bis 11, wobei der Rahmen (11 ) im Wesentlichen rechteckig ausgebildet ist und an zumindest einer Seite des Rahmens (11 ) die Halterung (15 ) zur Aufnahme des Kontaktelements (3 ) ausgebildet ist. - Batterie mit einem Stapel (
1 ) aus einer Anzahl von in Reihe geschalteten Flachzellen (2 ), wobei – jede Flachzelle (2 ) einen Rahmen (11 ) aufweist, wobei jeder Rahmen (11 ) zur Aufnahme und Halterung einer Flachzelle (2 ) einer Batterie folgende Merkmale aufweist: – der Rahmen (11 ) ist mit weiteren Rahmen zu einem Stapel zusammenfügbar; – der Rahmen (11 ) weist zur Aufnahme von Bereichen der Flachzelle (2 ) vorgesehene Bereiche (12 ) auf; – der Rahmen (11 ) weist zumindest eine Halterung (15 ) zur Aufnahme eines Kontaktelements (3 ) zur Kontaktierung der Flachzelle (2 ) mit zumindest einer weiteren, auf dem Rahmen gestapelten Flachzelle (2 ) auf, und – jede Flachzelle (2 ) mit den ihr benachbarten Flachzellen (2 ) über federnde Kontaktelemente (3 ) elektrisch in Verbindung steht. - Batterie nach Anspruch 13, wobei die federnden Kontaktelemente (
3 ) als Spiralfedern ausgebildet sind, deren Längsachse (L) jeweils parallel zur Hauptebene (n) des Rahmens (11 ) liegt. - Batterie nach Anspruch 13 oder 14, wobei die Flachzellen (
2 ) jeweils einen aus einer Ummantelung (6 ) herausgeführten Anodenanschluss (4 ) und einen aus der Ummantelung (6 ) herausgeführten Kathodenanschluss (4 ) aufweisen, wobei der Anodenanschluss (4 ) und der Kathodenanschluss (4 ) jeweils von einem federnden Kontaktelement (3 ) kontaktiert werden. - Batterie nach Anspruch 15, wobei der herausgeführte Anodenanschluss (
4 ) und der herausgeführte Kathodenanschluss (4 ) von außerhalb des Stapels (1 ) kontaktierbar ist. - Batterie nach Anspruch 15 oder 16, wobei die Flachzellen (
2 ) im Wesentlichen rechteckig ausgebildet sind und der Anodenanschluss (4 ) und der Kathodenanschluss (4 ) jeweils an gegenüberliegenden Seiten der Flachzelle (2 ) angeordnet sind und wobei das Kon taktelement (3 ) zur Kontaktierung des Anodenanschlusses (4 ) und das Kontaktelement (3 ) zur Kontaktierung des Kathodenanschlusses (4 ) auf unterschiedlichen Seiten der Hauptebene (H) der Flachzelle (2 ) angeordnet sind. - Batterie nach einem der Ansprüche 13 bis 17, wobei die Kontaktelemente (
3 ) eine Kupferlegierung oder eine Aluminiumlegierung aufweisen. - Batterie nach einem der Ansprüche 13 bis 18, wobei die Flachzellen (
2 ) als prismatische Flachzellen ausgebildet sind. - Batterie nach einem der Ansprüche 14 bis 19, wobei die Rahmen (
11 ) der Flachzellen (2 ) durch eine Anzahl von Schrauben (10 ) miteinander verbunden sind, wobei die federnden Kontaktelemente (3 ) unter Spannung stehen. - Batterie nach einem der Ansprüche 13 bis 20, wobei die Flachzellen (
2 ) jeweils innerhalb ihres Rahmens (11 ) zentriert gehalten sind, wobei plattenförmige und gegen die Hauptebene (n) des Rahmens geneigte Zentrierelemente (17 ) vorgesehen sind, derart, dass die Flachzellen (2 ) in einem Bereich (18 ) der Zentrierelemente (17 ) nahe einem Rand des Rahmens (11 ) in weniger engem Kontakt mit den Zentrierelementen (17 ) stehen als in einem Bereich (19 ) der Zentrierelemente (17 ) nahe einem Zentrum des Rahmens (11 ). - Batterie nach einem der Ansprüche 13 bis 21, dadurch gekennzeichnet, dass jede Flachzelle mit der ihr benachbarten Flachzelle über mehrere nebeneinander liegende federnden Kontaktelementen verbunden ist.
- Batterie (
11 ) nach einem der Ansprüche 13 bis 22, wobei der Rahmen (11 ) im Wesentlichen rechteckig ausgebildet ist und an zumindest einer Seite des Rahmens (11 ) die Halterung (15 ) zur Aufnahme des Kontaktelements (3 ) ausgebildet ist. - Batterie nach einem der Ansprüche 13 bis 23, wobei die Halterung (
15 ) zur Aufnahme des Kontaktelements (3 ) zur Aufnahme einer Spiralfeder ausgebildet ist, wobei die Längsachse (L) der Spiralfeder als parallel zu einer Hauptebene (n) des Rahmens (11 ) liegend ausgebildet ist. - Batterie nach einem der Ansprüche 13 bis 24, wobei der Rahmen (
11 ) eine Anzahl von ihn senkrecht zu seiner Hauptebene (n) durchdringenden Schraubenlöchern (16 ) aufweist. - Batterie nach einem der Ansprüche 13 bis 25, wobei der Rahmen (
11 ) Zentrierelemente (17 ) zur Zentrierung der Flachzelle (2 ) innerhalb des Rahmens (11 ) aufweist. - Batterie nach Anspruch 26, wobei die Zentrierelemente (
17 ) plattenförmig ausgebildet und gegen die Hauptebene (n) des Rahmens (11 ) geneigt angeordnet sind, derart, dass das Lumen des Rahmens (11 ) in einem Bereich (18 ) der Zentrierelemente (17 ) nahe einem Rand des Rahmens (11 ) größer ist als in einem Bereich (19 ) der Zentrierelemente (17 ) nahe einem Zentrum des Rahmens (11 ). - Fahrzeug mit einem Elektromotor und einer Batterie nach einem der Ansprüche 1 bis 7 oder 13 bis 27.
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