DE4041125C2 - - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft eine Batterie bzw. eine galvanische Zelle, im folgenden nur Batterie genannt, mit einem Gehäusebe­ cher gemäß dem Oberbegriff des Anspruchs 1, wie sie beispiels­ weise aus der DE-Z: Nickel-Cadmium-Zelle SD15K; "Qualifikation und Systemuntersuchungen zum Aufbau von Batterien"; For­ schungsbericht W 83-030; Bundesministerium für Forschung und Technik; (1983); S. 23-25 und Abb. 6 und 7, als bekannt her­ vorgeht, sowie ein Verfahren zu deren Herstellung.

In der gattungsgemäß zugrunde gelegten Schrift ist eine gasdichte Batterie vorgestellt, deren Deckelblech mit dem Rand eines Gehäusemantels durch eine Bördelnaht geschweißt ist. Um Schwingungen des innenseitigen Elektrodenplattenstapels um eine Pendelachse, die parallel zur Schmalseite des Deckelbleches ausgerichtet ist, zu vermeiden, ist zwischen dem Elektroden­ plattenstapel und dem Deckelblech ein Abstützteil angeordnet. Das Abstützteil weist von der Wandung des Gehäusebechers immer einen Abstand auf. Damit die einzelnen Elektrodenplatten durch das Abstützteil nicht kurzgeschlossen werden, ist es aus einem elektrisch isolierenden Material gefertigt. Des weiteren sind in dem Abstützteil Öffnungen für die Durchführung der Polbolzen, an denen die Elektrodenplatten über Stromfahnen be­ festigt sind, angeordnet. Durch diese Anordnung ergibt sich zwangsweise eine innere Abstützung der Wandung des Gehäusebe­ chers, der an der oberen Seite des Elektrodenplattenstapels endet. Dadurch kann es beim Verschweißen geschehen, daß durch die Wärmeeinwirkung Verzüge der beiden Bleche entlang der Bör­ delnaht auftreten, die die geforderte Gasdichtheit des Gehäuses gefährden. Hieraus ergibt sich, daß das Deckelblech sehr genau und sorgfältig gefertigt werden muß, wodurch hohe Kosten ent­ stehen. Ferner ist durch die geringe Toleranz des Deckelbleches die Einführung des Deckelbleches in den Gehäusemantel sehr schwierig und insbesondere bei dünnen Blechen mit einem hohen Zeitaufwand für die Fertigung verbunden.

Die Aufgabe der Erfingung ist es, die zugrundegelegte Batterie bzw. deren Herstellungsverfahren dahingehend weiter zu entwic­ keln, daß deren Herstellungskosten bei hoher Qualität der Dec­ kelblechschweißung verringert werden.

Die Aufgabe wird erfindungsgemäß bezüglich der Batterie mit den kennzeichnenden Merkmalen des Anspruch 1, bzw. bezüglich des Verfahrens mit den kennzeichnenden Verfahrensschritten des An­ spruchs 9 gelöst. Der eingeführte und zu dem Deckelblech lagedefiniert angeordnete Abstützrahmen bewirkt eine deckelnahe Abstützung der Gehäusewandung. Dadurch wird die freie und damit zu Verzügen neigende axiale Länge der Gehäusewandung in ihrem oberen Bereich verringert. Des weiteren muß das Deckelblech nun nicht mehr unbedingt in den Gehäusemantel eingeführt werden, sondern kann auch auf dessen offener Stirnseite aufgelegt wer­ den, wodurch eine billigere Produktion des Deckelbleches mög­ lich ist. Des weiteren ist die Qualität der Schweißnaht besser, da die Verzüge minimiert sind. Bei Batterien, in deren Inneren ein Unterdruck herrscht, ist es ferner von Vorteil, daß der Gehäusemantel entgegen dem äußeren Luftdruck zusätzlich abge­ stützt ist. Die Einführung bzw. die Justage des Deckelbleches in Sollage zum Gehäusemantel, wird dadurch vereinfacht, daß der Abstützrahmen entlang seinem Außenumfang auf der dem Elektro­ denplattenstapel zugekehrten Stirnseite in einer das Einführen erleichternden Weise angeschrägt ist. Im übertragenen Sinne bildet also die innere Stirnseite des Abstützrahmens einen Einführtrichter. Damit beim Verschweißen der aus elektrisch isolierendem Werkstoff gefertigte Abstützrahmen nicht zu schmelzen bzw. zu gasen beginnt, weist er in axialer Richtung vom Deckelblech bzw. von der späteren Schweißnaht, sowie von der Gehäusewandung einen Sicherheitsabstand auf. Als zusätz­ liche Sicherheitsmaßnahme, die ferner auch die Reproduktion guter Schweißnähte fördert, wird von außen an den Gehäusemantel eine wärmeabführende Kühlbacke angelegt, und zwar so, daß deren schweißnahtseitige Anlagekante zwischen der späteren Schweiß­ naht und der Berührungsfläche des Abstützrähmchens an der Ge­ häusewandung anliegt.

In zweckmäßiger Weise wird der Abstützrahmen mit einem inneren Isolierteil einer mehrteiligen Polbolzendurchführung verbunden, wodurch er einerseits zum Deckelblech zentriert und die Anzahl der zu verbauenden Teile beim Fertigen der Batterie gesenkt ist.

Als günstig hat sich für den Sicherheitsabstand ein Maß erge­ ben, das etwa dem 3 bis 10-fachen der Wandstärke des Gehäuse­ mantels entspricht.

Bei Batterien mit einer geringen Anzahl von Elektrodenplatten gibt es hin und wieder Schwierigkeiten, wenn die Polbolzenmuttern angezogen werden. Dann kann es vorkommen, daß sich ein Pol und somit die Stromfahnen zwischen Pol und Elek­ troden verdrehen. Um dies zu vermeiden, ist es günstig, den Abstützrahmen so zu gestalten, daß er als Verdrehsicherung fungiert. Dazu weist der Polbolzen wenigstens eine vom Kreis­ querschnitt abweichende, verdrehsichernde Umfangskontur auf und der Abstützrahmen ist im Bereich der Aufnahme des Polbolzens entsprechend gegenprofiliert.

Bei manchen Batterien ist es notwendig, daß ein sich im Inneren aufbauender Überdruck über ein Sicherheitsventil abgebaut wird. Hierzu ist es günstig, daß der Abstützrahmen eine Einbauöffnung aufweist, in der ein durch eine im Deckelblech angeordnete Öffnung dichtend hindurchgeführtes Ventil beispielsweise durch eine Verschraubung gehaltert ist. Insbesondere ist es günstig, daß das Ventil im Abstützrahmen verrastet. Hierzu ist es von Vorteil, daß innerhalb der Einbauöffnung radial bewegliche Haltezungen angeordnet sind, die an ihren Enden widerhakenähn­ lich ausgebildet sind und die radial in eine am Ventilumfang angeordnete und entsprechend gegenprofilierte Ausnehmung ein­ greifen.

Ferner empfiehlt es sich, den Abstützrahmen als Spritzteil aus Kunststoff herzustellen. Als Material hat sich Polysulfon gut bewährt, weil es eine vergleichsweise hohe Wärmebeständigkeit hat. Des weiteren sind auch andere Materialien, wie z. B. Po­ lystyrol, Polyamid oder gar Polyetheretherketon verwendbar, je nachdem, wie nahe die äußere Klemmbacke an die Schweißzone herangebracht wird und somit die Kühlwirkung eingestellt wird bzw. welcher Kostenaufwand aufgrund anderer Vorgaben getrieben werden muß.

Zwischen dem Abstützrahmen und dem Elektrodenplattenstapel kann noch ein Freiraum existieren. Bei evakuierten Batterien beult sich das Batteriengehäuse in dieser Zone nach innen ein. Dies kann verhindert werden, wenn zwischen die Breitseiten, im Raum zwischen den Stromfahnen, ein axiales Stützteil eingeschoben wird, das sinnvollerweise auch in den Abstützrahmen integriert ist.

Im eingeschobenen Zustand entsteht zwischen dem Deckelblech und dem Stützrahmen eine abgeschlossene Kammer. Um zu verhindern, daß beim Schweißen die sich ausdehnende Luft Gasausbrüche an der Schweißraupe verursacht sind in dem Stützrahmen Öffnungen angebracht. Bei einer gasdicht verschweißten Batterie ermögli­ chen diese Öffnungen gleichzeitig einen Gasaustausch zwischen dem Zellenstapel und der eben beschriebenen Kammer.

Die Erfindung wird anhand von in den Zeichnungen dargestellten Ausführungsbeispielen im nachfolgenden näher erläutert. Dabei zeigt

Fig. 1 einen Schnitt durch den oberen Bereich einer erfindungsgemäßen Batterie und

Fig. 2 ein in dem Abstützrahmen verrastetes Ventil.

In Fig. 1 ist der obere Bereich einer Batterie im Längsquer­ schnitt dargestellt. Das Gehäuse der Batterie wird aus einem Gehäusebecher 4 gebildet, der an seinen Rändern mit einem Dec­ kelblech 3 gasdicht verschweißt ist. Durch das Deckelblech 3 sind elektrisch von diesem isoliert Polbolzen 1 hindurchge­ führt, die über an einem Sammler befestigte Stromfahne 7 mit Elektroden eines Elektrodenplattenstapels 2 verbunden sind. Unterhalb des Deckelbleches 3 erstreckt sich der Abstützrahmen 6, der in axialer Richtung ausgerichtete Querstege 18 aufweist, die das Deckelblech 3 gegen den Elektrodenplattenstapel 2 axial abstützen. Gleichzeitig wird durch Paßfassungen, die paßgenau zu den Durchzügen, durch die die Polbolzen 1 bzw. das Ventil 16 durchgeführt sind, gearbeitet sind, der Abstützrahmen 6 zu dem Deckelblech 3 lagedefiniert ausgerichtet. An seinem Außenumfang liegt der Abstützrahmen 6 an den Wandungen des Gehäusebechers 4 an, wodurch die Wandung entlang dieser Berührungslinie 10 nach innen abgestützt ist.

Die Berührungsfläche 10 des Abstützrahmens 6 weist einen Si­ cherheitsabstand 9 von dem Deckelblech 3 auf, der ca. dem 3 bis 10-fachen der Wandstärke des Gehäusemantels 4 entspricht. Um eine bessere Einführung des in den Gehäusemantel 4 paßgenau bzw. unter geringer Vorspannung angeordneten Abstützrahmens 6 zu realisieren, weist der Abstützrahmen 6 entlang seines Au­ ßenumfanges auf der dem Elektrodenplattenstapel 2 zugekehrten Stirnseite eine Angeschrägung in der Art eines Trichters bzw. eines Pyramidenstumpfes auf. Da solche Batterietypen auch für Raumfahr- bzw. Luftfahrzeuge verwendet werden, ist unter ande­ rem ihr Gewicht von besonderem Interesse. Daher beträgt die Wandstärke des Gehäusemantels 4 günstigerweise maximal 0,5 mm und die Schweißnaht 8 ist genau am Übergang zwischen Gehäuse­ mantel 4 und Deckelblech 3 angeordnet. In dem Bereich der Mitte des Deckelbleches 3 ist eine Öffnung für ein Ventil 14 vorge­ sehen. Diese Öffnung ist als Durchzug ausgebildet, der einen nach innen weisenden Kragen bzw. Steg aufweist. Die Halterung und die Anordnung des Ventiles 14 ist in Fig. 2 näher darge­ stellt. Das Ventil 14, das durch eine Rundschnurdichtung, die zwischen dem Kragen und der Wandung des Ventiles 14 anliegt, dichtend durch das Decklblech 3 hindurchgeführt ist, weist nahe seiner batterieinnenseitigen Stirnseite eine Ausnehmung auf, in die Haltezungen ragen, die an ihren Enden entsprechend der Ausnehmung 16 widerhakenähnlich ausgebildet sind. Ferner ist das in der Ausnehmung eingesteckte Ventil 14 über eine Gasaus­ tauschöffnung 17 mit dem zellenstapelseitigen Gasraum fluidisch verbunden. Die korrospondierende Gasaustauschöffnung 17 ist in der axialen Verlängerung der Ausnehmung seitlich versetzt an­ geordnet, damit beim Füllen der Batterie mit dem Elektrolyten der Strahl die Oberkante der Elektroden nicht ausschwemmt.

Das Verfahren des Fügens des Deckelbleches 3 mit dem Gehäuse­ becher zum späteren Verschweißen einer derartigen Batterie wird im Folgenden beschrieben. Der Elektrodenplattenstapel 2 wird in den an einer Stirnseite offenen Gehäusebecher eingeführt, bis das an ihm über die Stromfahnen 7 und die Polbolzen 1 befestig­ te Deckelblech 3 in seiner relativen Sollage am Gehäusemantel 4 des Gehäusebechers anliegt. Hierbei dient der zwischen dem Deckelblech 3 und dem Elektrodenplattenstapel 2 zuvor lagede­ finiert montierte Abstützrahmen 6 durch seinen an seiner bat­ terieinnenseitigen Stirnseite angeordneten Einführkonus 11 als Einführhilfe, sowie zum Zentrieren des Deckelbleches 3 zum Ge­ häusemantel 4. Nachdem das Deckelblech 3 in Sollage angeordnet ist oder ggf. auch schon vor dem Einführen des Elektrodenplat­ tenstapels 2 werden außenseitig an dem Gehäusemantel 4 Kühlbac­ ken 5 angelegt, wobei deren schweißnahe Kante zwischen der spä­ teren Schweißnaht 8 und der Berührungsfläche 10 des Abstützrah­ mens 6 an der Wandung angelegt wird. Dadurch werden die Wan­ dungen des Gehäusemantels 4 nach innen durch den Abstützrah­ men 6 und nach außen durch die Kühlbacken 5 abgestützt, sowie die zu verschweißenden Randbereiche eng aneinander gefügt. Ferner ist der Abstützrahmen 6 durch die Kühlwirkung der Kühl­ backen 5 vor thermischer Zerstörung geschützt und die Gehäuse­ wandung im Bereich der Schweißnaht 8 stabilisiert, wodurch die Schweißnaht 8 eine gute und reproduzierbare Qualität aufweist. Nach dem Verschweißen verbleibt der Abstützrahmen 6 als verlo­ renes Teil im Gehäuse.

Claims (7)

1. Batterie bzw. galvanische Zelle mit einem Gehäuse aus dünnem Blech, welche ein in einem Gehäusebecher eingesetztes und an seinen Rändern mit dem Gehäusebecher gasdicht verschweißtes Deckelblech aufweist, durch das vom Deckelblech elektrisch isolierte und mit einem Elektrodenplattenstapel verbundene Polbolzen hindurchgeführt sind,
und welche Batterie bzw. galvanische Zelle einen Abstützrahmen aus einem elektrisch isolierenden Werkstoff aufweist, das innenseitig im Bereich der Schweißnaht einen Abstand aufweist,
dadurch gekennzeichnet,
daß der Abstützrahmen (6) entlang seines Außenumfanges so bemessen ist, daß er paßgenau oder unter geringer Vorspannung in den eine maximale Wandstärke von 0,5 mm aufweisenden Gehäusemantel (4) einsetzbar ist und zumindest bereichsweise an jeder Innenseite des Gehäusemantels (4) berührend anliegt,
daß der deckelnahe Randbereich des Abstützrahmens (6) in der Weise abgeschrägt oder abgesetzt ist, daß die Berührungsfläche (10) des Abstützteiles (6) an der Innenseite des Gehäusemantels (4) vom Deckelblech (3) einen dem 3 bis 10-fachen der Wandstärke des Gehäusemantels entsprechenden Sicherheitsabstand (9) aufweist und
daß der Abstützrahmen (6) entlang seinem Außenumfang auf der den Elektrodenplattenstapel (2) zugekehrten Stirnseite in einer das Einführen erleichterten Weise angeschrägt ist.

2. Batterie bzw. galvanische Zelle nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Abstützrahmen (6) mit einem inneren Isolationsteil ei­ ner mehrteiligen Polbolzendurchführung baulich integriert ist.

3. Batterie bzw. galvanische Zelle nach einem der Ansprüche 1 und 2, dadurch gekennzeichnet, daß der Polbolzen (1) wenigstens bereichsweise eine vom Kreis­ querschnitt abweichende verdrehsichernde Umfangskontur aufweist und daß der Abstützrahmen (6) im Bereich der Polbolzendurchführung eine entsprechend gegenprofilierte Aufnahme (13) aufweist.

4. Batterie bzw. galvanische Zelle nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß der Abstützrahmen (6) eine Einbauöffnung aufweist, in der ein durch eine im Deckelblech (3) angeordnete Öffnung dichtend hindurchgeführtes Ventil (14) angeordnet und gehaltert ist.

5. Batterie bzw. galvanische Zelle nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß das Ventil (14) mit dem Abstützrahmen (6) verrastet ist.

6. Batterie bzw. galvanische Zelle nach Anspruch 4 oder 5, dadurch gekennzeichnet, daß innerhalb der Einbauöffnung radial bewegliche Haltezungen (15) angeordnet sind, die an ihren Enden widerhakenähnlich ausgebildet sind und die radial in am Ventilumfang angeordnete und entsprechend gegenprofilierte Ausnehmungen (16) eingreifen.

7. Verfahren zum Fügen von Blechteilen zu einem gasdichten Gehäuse einer Batterie bzw. einer galvanischen Zelle nach An­ spruch 1, wobei
das eine Blechteil, ein über Polbolzen mit einem Elektrodenplattenstapel verbundenes Deckelblech, und
das andere Blechteil, ein an einer Stirnseite offener Ge­ häusebecher miteinander verbunden werden, und
beim Fügen das Deckelblech zunächst unter Einführung des daranhängenden Elektrodenplattenstapel in den Gehäusebecher in die gewünschte relative Sollage zum Gehäusebecher und zur An­ lage gebracht und
vor bzw. während des Verschweißens mit dem Deckelblech der Gehäusebecher an seinem Außenumfang durch großflächig berührende Kühlbacken abgekühlt und aufgrund dessen in der Form stabilisiert werden, dadurch gekennzeichnet,
daß die Wandung des Gehäusebechers im Bereich oberhalb des Elektrodenplattenstapels (2) auch innenseitig durch einen im Gehäuse verbleibenden, stramm eingepaßten und einführseitig rundum angeschrägten Abstützrahmen (6) abgestützt wird,
daß das Deckelblech (3) relativ zum Gehäusebecher durch den Abstützrahmen (6) zentriert wird, indem es zuvor in definierter Lage mit dem Deckelblech (3) befestigt wird und
daß während des Schweißens die Wandung des Gehäusebechers auch in dem axialen Bereich zwischen der innenseitigen Abstützung und der Schweißnaht (8) aufgrund der außenseitigen Kühlbacken­ berührung gekühlt wird.