DE212009000142U1

DE212009000142U1 - Verbindugsstelle für Pole elektrischer Zellen

Info

Publication number: DE212009000142U1
Application number: DE212009000142U
Authority: DE
Inventors: wird später genannt werden Erfinder
Original assignee: Impact Clean Power Technology S A; IMPACT CLEAN POWER TECHNOLOGY SA
Current assignee: Impact Clean Power Technology S A; IMPACT CLEAN POWER TECHNOLOGY SA
Priority date: 2008-12-16
Filing date: 2009-12-09
Publication date: 2012-02-23
Anticipated expiration: 2019-12-10
Also published as: WO2010071464A1; PL386823A1; CZ23145U1; KR20110008218U; RU113877U1; KR200473642Y1; JP3171905U

Abstract

Verbindungsstelle von Polen elektrischer Zellen, in welcher Pole von zwei benachbarten elektrischen Zellen in Kontakt bleiben und durch ein Klemmelement geklemmt werden, dadurch gekennzeichnet, dass die Pole (4, 5) der benachbarten elektrischen Zellen (1) zwischen einem tragenden und umformenden Element (2) und einem abdeckenden und umformenden Element (3) geklemmt sind.

Description

Diese Erfindung betrifft eine Verbindungsstelle für Pole elektrischer Zellen, die insbesondere für die Herstellung und den Betrieb von Batteriemodulen zum Versorgen elektrischer oder hybrider Fahrzeuge verwendet wird. Einzelne Zellen in einem Modul können in Reihe, parallel oder in einer Kombination von beidem, das heißt, in einem Reihen/Parallel-System, verbunden sein, um eine erforderliche Spannung, Stromstärke oder Batteriekapazität bereitzustellen.
Ein positiver Pol und ein negativer Pol sind in enger Nähe zueinander als zwei dünne Metallplatten aus jeweils Aluminium und Kupfer ausgelegt. Eine solche Konstruktion von Polen stellt eine Herausforderung dahingehend dar, wie mithilfe von elektrischen Bauteilen elektrische Zellen in Batteriemodulen effektiv verbunden werden können, weil die verbundenen Materialien unterschiedliche elektrochemische Eigenschaften haben und, wenn sie in Kontakt gelangen, eine elektrische Zelle unter Vorliegen von Feuchtigkeit erzeugt wird, was Korrosion in einer solchen Verbindung erheblich beschleunigt und elektrische und mechanische Parameter verschlechtert. Ein höherer Widerstand zwischen verbundenen Polen erzeugt dort Warme, wo die Verbindung stattfindet, was wiederum in einer solchen Verbindungsstelle eine Oxidation eines Aluminiumelements beschleunigt. Deshalb werden üblicherweise in den bekannten Lösungen zusätzliche Bimetallseparatoren verwendet, wenn Zellanschlüsse aus zwei unterschiedlichen Metallen verbunden werden sollen.
Aus der japanischen Patentanmeldung JP 2007323952 ist ein Batteriepaket bekannt, das einen Satz von Zellen umfasst, die mithilfe von Metallplatten, die positive Pole mit negativen Polen benachbarter Zellen verbinden, in einem Reihensystem verbunden sind. Um eine zuverlässige, langlebige und widerstandsschwache Verbindung zu schaffen, werden Zellenpole wechselweise mithilfe einer Ultraschall-Schweißtechnik verbunden.
Aus der europäischen Patentanmeldung EP939956 ist auch ein Batteriepaket bekannt, in welchem Spitzen verbundener Elektroden in einem Winkel von 90° gebogen und paarweise verbunden sind, um den Platz besser zu nutzen. Damit Pole benachbarter Zellen auf einem großen Oberflächenbereich richtig gehalten werden, ist es wichtig, dass die Spitzen der verbundenen Elektroden richtig liegen. Kontaktierte Anschlüsse benachbarter Zellen werden mithilfe von Schraubklemmen verbunden, wohingegen die richtige Festhaltung der Anschlussspitzen in einer Hauptebene wegen ihrer erheblichen Dicke und somit ihrer passenden Steifigkeit erreicht wird.
Es ist eine Aufgabe dieser Erfindung, eine solche Konstruktion einer Verbindungsstelle für Pole elektrischer Zellen zu schaffen, welche eine geeignete Festhaltung der Polspitzen auf einer großen Ebene und, im Ergebnis, einen zuverlässigen und langlebigen elektrischen Anschluss mit geringem Widerstand sicherstellt, um den Raum besser zu nutzen.
Eine zusätzliche Aufgabe dieser Erfindung ist, eine Verbindungsstelle zu schaffen, die eine Montage von Zellen in Paketen und ihren Betrieb mit einer geringeren Gefahr gelegentlicher Kurzschlüsse ermöglicht.
Eine Verbindungsstelle von Polen elektrischer Zellen, in welcher Pole von zwei benachbarten elektrischen Zellen in Kontakt miteinander verbleiben und durch ein Klemmelement geklemmt werden, ist dadurch gekennzeichnet, dass die Pole der benachbarten elektrischen Zellen zwischen einem tragenden und umformenden Element und einem abdeckenden und umformenden Element eingeklemmt sind.
In einer vorteilhaften Lösung haben das tragende und bogenförmige Element sowie das trapezoid-bogenförmige Element Umformflächen.
In einer vorteilhaften Ausführungsform sind das tragende und umformende Element und/oder das abdeckende und umformende Element aus Kunststoffhergestellt.
In einer weiteren vorteilhaften Lösung ist ein Stromauslass zwischen dem tragenden und umformenden Element und dem abdeckenden und umformenden Element geklemmt.
In einer weiteren vorteilhaften Lösung ist eine isolierende Frontplatte zwischen einem Vorderteil der elektrischen Zellen und dem tragenden und umformenden Element angeordnet, wobei die Platte eine längliche Öffnung aufweist, welche die Pole der elektrischen Zellen aufnehmen. Zudem sind die Pole der einzelnen elektrischen Zellen mit einer elektronischen Platte verbunden.
Durch das Einklemmen der flachen und flexiblen Pole der benachbarten Zellen zwischen dem tragenden und umformenden Element und dem abdeckenden und umformenden Element werden die Pole der zwei Zellen profiliert und danach gegeneinander gepresst, um weniger Raum einzunehmen.
Mit einem umformendem Element gemäß dieser Erfindung sei jedes Element mit einer 3-D-förmigen, nicht flachen Profilfläche verstanden, welches flachen Polen von Zellen ein gebogenes Profil verleiht, während diese durch einen Klemmvorgang verbunden sind.
Eine Lösung gemäß der Erfindung wird in ihren Ausführungsformen in den Zeichnungen dargestellt, in welchen:
1 eine Verbindungsstelle für Pole elektrischer Zellen in einer perspektivischen Ansicht vor dem Einklemmen derselben zeigt;
2 eine ähnliche Verbindungsstelle in einer perspektivischen Ansicht vor dem Einklemmen derselben zeigt;
3 die Verbindungsstelle für die Pole der elektrischen Zellen in einer perspektivischen Ansicht vor dem Einklemmen derselben zeigt, wobei der Stromanschluss zwischen einem tragenden Umformelement und einem abdeckenden Umformelement liegt;
4 das tragende und umformende Element in einer perspektivischen Ansicht zeigt;
5 das abdeckende und umformende Element in einer perspektivischen Ansicht zeigt;
6 eine isolierende Frontplatte zeigt;
7 eine Draufsicht eines Stromauslasses eines Batteriemoduls zeigt;
8 das Batteriemodul in einem Schnitt durch Schrauben zeigt, welche die tragenden und umformenden Elemente sowie die abdeckenden und umformenden Elemente klemmt;
9 einen Schnitt durch ein zusammengebautes Batteriemodul zeigt; und
10 Komponenten des einzelnen Batteriemoduls in einer perspektivischen Ansicht zeigt.
Wie in 1 und 2 gezeigt ist, hat eine Verbindungsstelle für Pole elektrischer Zellen 1 ein tragendes und umformendes Element 2 und ein abdeckendes und umformendes Element 3 mit Polen 4, 5 von zwei benachbarten elektrischen Zellen 1, die zwischen den Elementen liegen, wobei die Pole 4, 5 miteinander in Kontakt stehen und um das tragende und umformende Element 2 herum gelegt sind und durch das abdeckende und umformende Element 3 mithilfe von Schrauben 6, welche Klemmelemente sind, gepresst werden. Das tragende und umformende Element 2 sowie das abdeckende und umformende Element 3, die in 1 dargestellt sind, haben ihre Umformflächen in einer Bogenform. In 2a ist eine andere Verbindungsstelle für Pole elektrischer Zellen 1 gezeigt, in welcher das tragende und umformende Element 2 sowie das abdeckende und umformende Element 3 trapezoidbogenförmige Umformflächen haben. Die Trapezoid-Bogenform dieser Elemente besteht darin, dass ein Querschnitt durch ihre Umformflächen im Wesentlichen als ein gleichschenkliges Trapez erzeugt wird, während die Schenkel des Trapezes durch gebogene Linien bestimmt werden.
Gemäß dieser Erfindung ist, bleiben flache Pole von zwei benachbarten elektrischen Zellen über einen wesentlichen Teil ihrer Seitenflächen in Kontakt miteinander und werden mit einem gleichzeitigen Biegevorgang zwischen Umformelementen eingeklemmt. Das tragende und umformende Element 2 und das abdeckende und umformende Element 3 werden als Umformelemente verwendet, wobei das Einklemmen mithilfe der Schrauben 6 erreicht wird.
Vor dem Klemmvorgang haben die Pole 4, 5 eine flache rechtwinklig Form, und nach dem Klemmvorgang nehmen diese die Form der Pressflächen des tragenden und umformenden Elements 2 und des abdeckenden und umformenden Elements 3 an. Der Pol 4, der mit dem tragenden und umformenden Element 2 in Kontakt gelangt, wird während des Klemmvorgangs auf der außen liegenden konvexen Pressfläche des Umformelements geklemmt, während der Pol 5, der mit dem abdeckenden und umformenden Element in Kontakt gelangt, gleichzeitig auf den Pol 4 gebogen wird, der unterhalb jenem liegt. Deshalb zwingt die Konstruktion der Verbindungsstelle gemäß dieser Erfindung die Kontaktflächen der Pole 4, 5 dazu, sich in Bezug zueinander zu verschieben, wenn sie geklemmt und gleichzeitig durch das tragende und umformende Element 2 und das abdeckende und umformende Element 3 geformt werden. Diese relative Verschiebung zwischen Kontaktflächen der Pole 4, 5 wird durch die Tatsache verursacht, dass die Außenfläche des inneren Pols 4 während des Biegevorgangs gedehnt wird, während die Innenfläche des äußeren Pols 5 während des Biegevorgangs zusammengedrückt wird. Eine solche Verbindung, in welcher Oberflächen von verbundenen Polen aneinander gerieben werden, ist gekennzeichnet durch einen geringeren Widerstand, was in einem Bezug zu einer längeren Lebensdauer und einem größeren Wirkungsgrad einer elektrischen Verbindung steht, Eine solche relative Verschiebung von Zellenpolen gegeneinander, bei gleichzeitiger Umformung der Pole, wird mit jeder Form des tragenden und umformenden Elements 2 und des abdeckenden und umformenden Elements 3 erreicht. Einen solchen Effekt gibt es in den bekannten Lösungen nicht, wenn flache Zellenpole mithilfe von flachen tragenden und abdeckenden Klemmelementen gepresst werden.
In 3 ist die Verbindungsstelle gemäß der Erfindung gezeigt. Die Verbindungsstelle ist mit einem Stromauslass 7 verbunden und verbindet zwei weitere elektrische Zellen 1.
4 zeigt in einer perspektivischen Ansicht einer Ausführungsform des tragenden und umformenden Elements 2 mit einer äußeren Umformfläche. Dieses tragende und umformende Element 2 hat Öffnungen 8, welche die Schrauben aufnehmen, wohingegen die Länge dieses Umformelements so gewählt ist, dass diese ungefähr gleich der Breite der Pole 4, 5 ist. Um eine Wahrscheinlichkeit zufälliger Kurzschlüsse während des Zusammenbaus und im Betrieb der Verbindungsstelle zu minimieren, ist das tragende und umformende Element 2 aus Kunststoff, zum Beispiel Polypropylen, hergestellt.
5 zeigt in einer perspektivischen Ansicht das abdeckende und umformende Element 3 mit einer inneren Umformfläche. Dieses abdeckende und umformende Element 3 hat Öffnungen 9, welche die Schrauben 6 aufnehmen. Die Länge des abdeckenden und umformenden Elements 3 korrespondiert mit der Länge des zusammenwirkenden tragenden und umformenden Elements 2. Das abdeckende und umformende Element 3 ist aus ähnlichen Gründen wie bei dem tragenden und umformenden Element 2 aus Kunststoff hergestellt, zum Beispiel aus Polypropylen.
Eine weitere Gefahr von Kurzschlüssen im Betrieb der Verbindungsstelle gemäß dieser Erfindung ist durch eine isolierende Frontplatte 10 begrenzt, die in 6 gezeigt ist. Die isolierende Kunststoff-Frontplatte hat Öffnungen 11 für die Klemmschrauben 6 und zwei Reihen von länglichen Öffnungen 12 für die Pole 4,5 der elektrischen Zellen 1. Die länglichen Öffnungen 12 sind in jeder Reihe in gleichem Abstand vorgesehen, um einen gleichen Abstand zwischen Verbindungsstellen der Pole 4, 5 der elektrischen Zellen 1 in dem Batteriemodul zu gewährleisten. Um die benachbarten Batteriemodule zu einem Satz von Modulen zu verbinden, sind die erste Verbindungsstelle gemäß der Erfindung, die mit dem positiven Pol der obersten Zelle in dem Batteriemodul verbunden werden soll, sowie die letzte Verbindungsstelle, die mit dem negativen Pol der untersten Zelle in dem Batteriemodul verbunden werden soll, zusätzlich mit dem Stromauslass 7 versehen. Eine Form des Stromauslasses ist in 7 gezeigt.
Ein Teil eines Batteriemoduls 13 mit einer Anzahl von Verbindungsstellen gemäß der Erfindung ist in 8 gezeigt. Die Pole 4, 5 der elektrischen Zellen 1 sind durch die Isolierplatte 10 hindurchgeführt und um die tragenden und umformenden Elemente 2 herumgelegt und mit den abdeckenden und umformenden Elementen 3 gepresst. In der dargestellten Ausführungsform wirken Schrauben als Klemmelemente. Darüber hinaus umfasst das Batteriemodul 13 eine elektronische Platte 14, welche eine Spannung von alle elektrischen Zellen 1 sammelt, wobei die elektronische Platte 14 mit einem Batteriesteuersystem verbunden ist. Das gesamte zusammengebaute Batteriemodul 13 ist in 9 dargestellt. Dieses Modul hat ein Gehäuse 15, welches einen Stapel mit neun elektrischen Zellen 1 unterbringt, die mithilfe von Verbindungsstellen gemäß der Erfindung in Reihe verbunden sind.
Eine perspektivische Ansicht von Komponenten eines Batteriemoduls 13 vor dem Zusammenbau desselben ist in 10 dargestellt. Diese Figur zeigt neun elektrische Zellen 1, die teilweise aus dem Gehäuse 5 herausbewegt sind.
Die isolierende Frontplatte 10 wird auf die geraden Pole 4, 5 gelegt, um die elektrischen Zellen 1 des Batteriemoduls 13 zu verbinden, so dass sie durch die länglichen Öffnungen 12 hindurchgehen, und dann werden die geeigneten Pole 4, 5 paarweise um die tragenden und umformenden Elemente 2 herumgelegt, und die Pole werden mit den abdeckenden und umformenden Elementen 3 mithilfe der Schrauben 6 gepresst, und dann wird die elektronische Platte 14, welche die Spannung aus all den elektrischen Zellen 1 sammelt, installiert und mit dem Batteriekontrollsystem verbunden. Darüber hinaus werden die äußersten Verbindungsstellen der Zellenpole, das heißt, die obere linke und die untere rechte, zusätzlich mit den Stromauslässen 7 versehen.
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

JP 2007323952 [0003]
EP 939956 [0004]

Claims

Verbindungsstelle von Polen elektrischer Zellen, in welcher Pole von zwei benachbarten elektrischen Zellen in Kontakt bleiben und durch ein Klemmelement geklemmt werden, dadurch gekennzeichnet, dass die Pole (4, 5) der benachbarten elektrischen Zellen (1) zwischen einem tragenden und umformenden Element (2) und einem abdeckenden und umformenden Element (3) geklemmt sind.
Verbindungsstelle nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das tragende und umformende Element (2) sowie das abdeckende und umformende Element (3) bogenförmige Umformflächen haben.
Verbindungsstelle nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das tragende und umformende Element (2) und das abdeckende und umformende Element (3) trapezoid-bogenförmige Umformflächen haben.
Verbindungsstelle nach Anspruch 1 oder 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, dass das tragende und umformende Element (2) aus Kunststoff hergestellt ist.
Verbindungsstelle nach Anspruch 1 oder 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, dass das abdeckende und umformende Element (3) aus Kunststoffhergestellt ist.
Verbindungsstelle nach Anspruch 1 oder 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, dass ein Stromauslass (7) zwischen dem tragenden und umformenden Element (2) und dem abdeckenden und umformenden Element (3) geklemmt ist.
Verbindungsstelle nach Anspruch 1 oder 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, dass eine isolierende Frontplatte (10) mit länglichen Öffnungen, wobei die Pole der elektrischen Zellen (1) durch die Öffnungen hindurchgehen, zwischen dem Vorderteil der elektrischen Zellen (1) und dem tragenden und umformenden Element (2) angeordnet ist.
Verbindungsstelle nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Pole der einzelnen elektrischen Zellen (1) zusätzlich mit einer elektronischen Platte (14) verbunden sind.