DE4116253C1 - - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft einen Batteriekasten für mehrere Zellen elektrochemischer Speicher gemäß dem Oberbegriff des Anspruchs 1, wie er aus der DE-PS 28 35 501 als bekannt hervorgeht.

In der DE-PS 28 35 501 ist ein Batteriekasten offenbart, in dem in mehreren parallel zueinander versetzten Reihen eine Vielzahl von Zellen elektrochemischer Speicher in Reihe hintereinander angeordnet sind, wobei zwischen zwei benachbarten Zellen je­ weils ein durch einen Abstand der Zellen zueinander gebildeter und wegen der Temperaturabhängigkeit der Kapazität der elektro­ chemischen Speicher zur Temperierung der Zellen von einem Fluid durchströmbarer Umströmungskanal angeordnet ist. Die Umströ­ mungskanäle sind sowohl mit einem Zuström- als auch mit einem Abströmkanal verbunden, wobei der sich in Strömungsrichtung verengende Zuströmkanal im Bereich des Kastenbodens und der sich in Strömungsrichtung erweiternde Abströmkanal im Bereich des Kastendeckels angeordnet ist. Die Anordnung der Zellen in­ nerhalb des Batteriekastens ist jedoch nur rein schematisch dargestellt, und eine technische Lehre für eine Vorrichtung zur Halterung dieser Zellen innerhalb des Batteriekastens geht dar­ aus nicht hervor. Im allgemeinen sind diese Batteriekästen, wenn sie beispielsweise im Bodenteil eines Fahrzeuges angeord­ net sind, aus Blech gefertigt, womit ein hohes Gewicht verbun­ den ist. Des weiteren muß ein solcher Batteriekasten eine hohe Festigkeit bzw. Biegesteifigkeit aufweisen, was wiederum ein erhöhtes Baugewicht zur Folge hat. Dieses hohe Gewicht macht sich aber z. B. beim Betrieb eines batteriebetriebenen Fahr­ zeuges störend bemerkbar.

Der Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, einen Batte­ riekasten zu entwickeln, in dem die Zellen zusammengefaßt und gleichmäßig temperiert untergebracht werden können, wobei der Batteriekasten eine hohe Festigkeit bzw. Biegesteifigkeit, im Vergleich zum Gesamtgewicht der eingestellten Zellen aber den­ noch ein geringes Gewicht aufweist.

Die Aufgabe wird erfindungsgemäß durch einen Batteriekasten mit den kennzeichnenden Merkmalen des Anspruchs 1 gelöst. Die mit ihren Bodenseitenkanten auf treppenförmigen Simsen abgestellten Zellen weisen am Treppenversatz des Simses eine Fixierung auf, wobei die Simsen, um die Umströmungskanäle offen zu halten, quer zu ihrer Längserstreckung nur den Bruchteil der Breite einer Zelle einnehmen und an den Seitenwänden des Batterieka­ stens durch bspw. Kleben, Schrauben oder Schweißen befestigt sind. Das Trittmaß einer jeden Stufe des Simses entspricht hier der Tiefe des Gehäuses einer Zelle zusätzlich der entsprechen­ den Lichtweite des Umströmungskanals, womit auch die Umströmung mit dem temperierenden Fluid gewährleistet ist. Des weiteren wird bodenseitig des Batteriekastens zwischen den Böden der Zellen und dem Kastenboden der Zuströmkanal und in äquivalenter Weise zwischen der Oberseite der Zellen und dem Kastendeckel der Abströmkanal gebildet.

Bei - wie im zugrundegelegten Stand der Technik dargestellt - mehreren nebeneinander angeordneten Zellenreihen, ist es sinn­ voll, zwischen benachbarten Zellenreihen jeweils eine Zwischen­ wand anzuordnen, die beiderseits symmetrisch mit treppenförmi­ gen Simsen versehen ist, wodurch eine gegenseitige Isolierung der in Reihen abgestellten Zellen sowie eine weitere Lagefi­ xierung der jeweiligen Zellen erfolgt.

Damit ein auf den Simsen abgestelltes Zellengehäuse in jeder Richtung der Trittebene durch einen Formschluß fixiert ist, ist es ein Vorteil, an den Oberseiten der Simse an jedem Treppen­ sprung jeweils eine querverlaufende Abstandsrippe anzuordnen, deren bodenseitiges Baumaß in Richtung der Längserstreckung der Simse in etwa dem Abstand zwischen zwei Zellen zueinander und damit dem entsprechenden Lichtmaß der Umströmungskanäle entspricht. Diese Abstandsrippen können günstigerweise an ihrem oberen Endbereich mit Fasen versehen sein, damit die einzelnen Zellen besser eingeführt werden können.

Da bei sehr langen Reihen von Zellen bzw. auch bei mehreren Reihen nebeneinander die Batteriekästen ausbauchen können, ist es von Vorteil, die Seitenwände und/oder die Zwischenwände durch quer zu deren Längserstreckung verlaufende Queranker, die insbesondere auf der Höhe der Simse angeordnet sind, ge­ genseitig zu stabilisieren, womit bei einer geringen Massenzu­ nahme gleichzeitig die Biegesteifigkeit des Batteriekastens erhöht ist.

Für eine noch bessere Lagefixierung der einzelnen Zellen kann es günstig sein, an den quer zu den Zellenreihen liegenden Stirnwänden des Batteriekastens Distanzleisten zur Abstützung der Zellen anzuordnen und als weitere Maßnahme die Seitenwände und/oder Zwischenwände des Batteriekastens in dem zwischen zwei benachbarten Zellengehäusen liegenden Bereich mit vertikal ver­ laufenden Anschlagleisten zu versehen. Des weiteren können die elektrischen Zellenverbinder der Zellen mechanisch stabil aus­ gebildet werden, womit die Zellen an ihren Polbolzen zusätzlich noch starr miteinander verbunden sind. Ergibt sich nun aufgrund einer ausgedehnten Reihenanordnung von Zellen ein so hohes Ge­ wicht, daß die Simse zu hoch belastet werden könnten, ist es sinnvoll, diese Simse gegen den Kastenboden abzustützen. Dies kann einerseits durch eine Verlängerung der Zwischenwand bis auf den Kastenboden hinab geschehen, womit gleichzeitig mehrere Einströmkanäle gebildet werden oder andererseits durch einzelne säulenartige Abstützungen.

Für den Fall, daß mehrere Reihenanordnungen von Zellen gegen­ einander isoliert aufgestellt werden müssen, ist es von Vor­ teil, die Zwischenwände bis in den Bereich der Oberseite der Zellen auszubilden, womit gleichzeitig wiederum die Biegestei­ figkeit des Batteriekastens erhöht wird.

Die Erfindung wird anhand eines in den Zeichnungen dargestell­ ten Ausführungsbeispieles im folgenden näher erläutert. Dabei zeigt

Fig. 1 einen Batteriekasten für mehrere Reihenanordnun­ gen von Zellen in der Draufsicht,

Fig. 2 einen Längsquerschnitt durch den Batteriekasten entlang der Linie II-II,

Fig. 3 den Batteriekasten im Breitenquerschnitt entlang der Linie III-III und

Fig. 4 ein Längsquerschnitt durch einen Batteriekasten mit einigen darin eingestellten Zellen.

In Fig. 1 ist der aus Isolationsgründen vorteilhafterweise aus Kunststoff gefertigte Batteriekasten 1 mit abgenommenem Deckel in Draufsicht dargestellt. Die Wandungen des Batterieka­ stens 1 werden durch die Seitenwände 8 und die Stirnwände 17 gebildet. Der Batteriekasten 1 dieses Ausführungsbeispieles ist für sechzig Zellen 2 vorgesehen, die in fünf Zellenreihen 13 mit jeweils 12 Zellen 2 gestapelt werden. Jede einzelne Zel­ lenreihe 13 weist hierbei jeweils entlang ihrer Boden­ seitenkanten einen treppenförmigen Sims 9 auf. Das Trittmaß 10 jeder einzelnen Stufe der Simse 9 entspricht hierbei der Summe aus der Tiefe 11 des Gehäuses einer Zelle 2 plus der entspre­ chenden Lichtweite 12 des durch den Abstand zweier benachbarter Zellen 2 zueinander gebildeten Umströmungskanals 3. Am Treppen­ sprung der an den Seitenwänden 8 bzw. an den die Zellenreihen 13 voneinander trennenden Zwischenwänden 14 befestigten Simse 9 sind quer zu deren Längserstreckungsrichtung verlaufende Ab­ standsrippen 15 angeordnet, die an ihrem oberen Bereich Fasen 21 aufweisen. Am Ort der Abstandsrippen 15 sind ferner an den Seitenwänden 8 bzw. den Zwischenwänden 14 vertikal verlaufende Anschlagleisten 20 angeordnet, die gleichfalls zur lagedefi­ nierten Fixierung der eingestellten Zellen 2 dienen. Des wei­ teren sind gleichfalls zur Lagefixierung der Zellen 2 und damit auch zur Stabilisierung bei Vibrationsbeanspruchungen an den jeweiligen Stirnwänden 17 auf der Höhe der Simse 9 zwei Di­ stanzleisten 18 angeordnet, die die Zellen 2 gegen die Stirn­ wände 17 abstützen. Im Bereich der Simse 9 sind noch parallel zu den Stirnwänden 17 ausgerichtete Queranker 22 zur Stabili­ sierung des Batteriekastens 1 angeordnet, wobei in dem jewei­ ligen Bereich einer Zellenreihe 13 die Queranker 22 noch mit Distanzhülsen umgeben sein können. Hierbei ist jedoch darauf zu achten, daß die Queranker 22 nicht im Bereich eines Umströmungs­ kanals 3, den sie ja sonst verschließen bzw. beeinträchtigen würden, angeordnet sind. Die Umströmungskanäle 3 sind fluidisch mit einem Zuströmkanal 5 verbunden, der im Bodenbereich des Batteriekastens 1 angeordnet ist und sich in Strömungsrichtung verjüngt. Der Zuströmkanal 5 wird hierbei zwischen dem Kasten­ boden 4 und den Böden der eingestellten Zellen 2 gebildet. So­ mit wird mit der Anordnung der Simse 9 zu dem Kastenboden 4 durch deren eingeschlossenen Winkel die Verjüngung des Zuström­ kanals 5 ausgebildet, wobei es sich in der Praxis gezeigt hat, daß hierbei ein Winkel zwischen 2,5° und 6° günstig ist. Des weiteren ist es, um einen möglichst guten Wärmeübergang zu erzielen, von Vorteil, die Umströmungskanäle 3 zwischen den Breitseiten der Zellen 2 und mit einer Breite zwischen 2 mm und 5 mm anzuordnen. Die Umströmungskanäle 3 münden auf der Ober­ seite 23 der Zellen 2 in einen Abströmkanal 7, der durch den Zwischenraum zwischen dem Kastendeckel 6 und den Oberseiten 23 der Zellen 2 gebildet wird und sich in Strömungsrichtung erwei­ tert. Am Auslaß dieses Abströmkanals 7 kann vorzugsweise ein saugend wirkendes Querstromgebläse 25 angebracht werden. Al­ lerdings ist es je nach Verwendungszweck eines solchen Batte­ riekastens 1 auch denkbar, daß die Strömungsrichtung des tem­ perierenden Fluids umgekehrt werden kann, womit bei gleicher baulicher Ausführung des Batteriekastens 1 der bisherige Ab­ strömkanal 7 dem Zuströmkanal und der bisherige Zuströmkanal 5 dem Abströmkanal entsprechen würde. Ferner ist es auch denkbar, daß, wenn z. B. die einzelnen Zellen 2 erwärmt werden sollen, im Bereich des Zuströmkanals 5 bzw. einer ihm zugeordneten Einströmöffnung 24 eine Heizung (nicht dargestellt) anzubrin­ gen.

Da der Batteriekasten 1 des Ausführungsbeispieles mehrere par­ allel zueinander angeordnete Zelleneihen 13 aufweist, sind die einzelnen Zellenreihen 13 durch parallel zu den Seitenwänden 8 verlaufende Zwischenwände 14 getrennt. Diese Zwischenwände 14 dienen damit einerseits der Lagefixierung der Zellen 2 als auch, z. B. im Falle der Verwendung von Zellen mit Metallgehäusen, zur Isolation der Zellenreihen 13 gegeneinander, weshalb sie vorteilhafterweise aus einem elektrisch isolierenden Werkstoff gefertigt sind. Damit eine Belastung der mit ihren Bodenseiten­ kanten auf den Simsen 9 abgestellten Zellen 2 einfacher abge­ fangen werden kann, ist es günstig, die Zwischenwände 14 als Abstützung 16 bis auf den Kastenboden 4 herunter auszubilden. Damit weist aber dieser Batteriekasten 1 fünf voneinander durch diese Abstützungen 16 getrennte Zuströmkanäle 5 auf, die in diesem Fall über die Umströmkanäle 3 mit dem Abströmkanal 7 fluidisch verbunden sind. Daher ist es zweckmäßig, jedem Zu­ strömkanal 5 eine eigene Einströmöffnung 24 zuzuordnen oder sie untereinander fluidisch zu verbinden. Um die eingestellten Zel­ len 2 neben den bisherigen Maßnahmen wie Abstandsrippen 15, Zwischenwände 14, Anschlagleisten 20 und Distanzleisten 18, die im Falle einer notwendigen Zellengehäuseisolation sowie aus Gewichtsgründen allesamt aus einem isolierenden Werkstoff, ins­ besondere aus Kunststoff gefertigt sind, noch weiter zu stabi­ lisieren, sind die die Pole der Zellen 2 elektrisch verbinden­ den metallischen Zellenverbinder 19 mechanisch starr und ent­ sprechend der Stufenhöhe abgekröpft ausgebildet, womit die Zel­ len 2 auch oberseitig an ihren Polbolzen gehaltert sind. Zur Vermeidung von elektrischen Kurzschlüssen zwischen den Polen und einem evtl. aus Blech bestehenden Kastendeckel 6 können über die Polschrauben bzw. -muttern Kunststoffkappen überge­ steckt werden und die Zellenverbinder 19 im Mittelbereich z. B. mit Schrumpfschläuchen isoliert werden.

Auf die dargestellte Weise erhält man einen steifen, festen und selbsttragenden Batteriekasten 1, dessen Gewicht wesentlich geringer als das Gewicht der Zellen 2 ist. Aufgrund der Steif­ heit dieser Vorrichtung, kann der Batteriekasten mit einem Ge­ wicht gebaut werden, das lediglich ca. 5% des Gewichtes der eingestellten Zellen 2 beträgt.

Je nach Anwendungsfall eines solchen Batteriekastens 1, insbe­ sondere im Bodenbereich eines elektrobetriebenen Fahrzeuges, kann es günstig sein, den Kastenboden 4 schräg auszubilden, damit, wenn der Batteriekasten 1 bspw. im Bereich der Hinter­ achse angeordnet ist, der Böschungswinkel eines Fahrzeuges ver­ größert ist. Hierbei kann es sich aufgrund konstruktiver Aus­ gestaltungen ergeben, daß die Simse 9 nahezu parallel zur Ho­ rizontalen verlaufen und nur noch eine geringe Treppenform auf­ weisen, wobei allerdings der eingeschlossene Winkel zwischen den Simsen 9 und dem Kastenboden 4 nach wie vor zwischen 2,5 und 6° beträgt. Die Eintrittsöffnung 24 wird in einem solchen Fall günstigerweise durch eine Hutze oder eine labyrinthartige Luftführung vor Eintritt von Schmutz geschützt, da sie sich in Fahrtrichtung vorn befindet. Die stehende Anordnung der Zellen 2 ist hierbei von Vorteil, da ein bei einer Kühlung der ein­ zelnen Zellen 2 in den Umströmungskanälen 3 erwärmtes Fluid durch Konvektion nach oben strömt und damit die von dem Quer­ stromgebläse 25 benötigte Pump- bzw. Saugleistung geringer ist.

Die Fertigung der Batteriekästen 1 kann entweder mit aus thermo­ plastischem Kunststoff, beispielsweise aus Polystyrol gefertig­ ten Einzelteilen, oder bei größeren Stückzahlen z. B. durch Spritzgießen wie z. B. aus faserverstärktem Polypropylen erfol­ gen, wobei für eine bequemere Handhabung des Batteriekastens beim Tragen in den Beiten 8 und/oder Stirnwänden 17 Bohrungen angeordnet sein können, in die isolierte Tragehaken eingesteckt werden können.

Claims (15)

1. Batteriekasten für mehrere Zellen elektrochemischer Spei­ cher, die baulich in Reihe hintereinander angeordnet sind, wo­ bei zwischen den Gehäusen zweier benachbarter Zellen jeweils ein durch einen Abstand der Zellen zueinander gebildeter und von einem Fluid durchströmbarer Umströmungskanal angeordnet ist, die alle mit einem sich in Strömungsrichtung verengenden und im Bereich des Kastenbodens angeordneten Zuströmkanal sowie mit einem sich in Strömungsrichtung erweiternden und im Bereich des Kastendeckels angeordneten Abströmkanal fluidisch verbunden sind, dadurch gekennzeichnet, daß die Seitenwände (8) des Batteriekastens (1) im Bodenbereich mit einem treppenförmigen Sims (9), zum gestaffelten Aufstellen der darauf jeweils mit einer ihrer Bodenseitenkante abgestell­ ten und hintereinander angeordneten Zellen (2), versehen sind, wobei die Neigung des Simses (9) in Betrag und Richtung mit der Verengung des bodenseitigen Zuströmkanals (5) übereinstimmt und wobei das Trittmaß (10) der Treppenform des Simses (9) der Tiefe (10) einer Zelle (2) zuzüglich der entsprechenden Licht­ weite (12) des Umströmungskanals (3) entspricht.

2. Batteriekasten nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß bei mehreren nebeneinander angeordneten Zellenreihen (13) zwischen benachbarten Zellenreihen (13) jeweils eine Zwischen­ wand (14) angeordnet ist, die beidseits symmetrisch mit trep­ penförmigen Simsen (9) versehen ist.

3. Batteriekasten nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß an der Oberseite der Simse (9) an jedem Treppensprung je­ weils eine quer verlaufende Abstandsrippe (15) angeordnet ist, deren bodenseitiges Baumaß in Richtung der Längserstreckung der Simse (9) in etwa der Lichtweite (12) zwischen zwei Zellen (2) entspricht.

4. Batteriekasten nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Abstandsrippen (15) an ihrem oberen Endbereich wenig­ stens eine Fase (21) aufweisen.

5. Batteriekasten nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß an den quer zu den Zellenreihen (13) liegenden Stirnwänden (17) des Batteriekastens (1) Distanzleisten (18) angeordnet sind.

6. Batteriekasten nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Seitenwände (8) in den zwischen zwei benachbarten Zel­ len (2) liegenden Bereichen mit vertikal verlaufenden Anschlag­ leisten (20) versehen sind.

7. Batteriekasten nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Seitenwände (8) durch quer zu deren Längserstreckung verlaufende, unterhalb der Simse (9) angeordnete Queranker (22) gegenseitig stabilisiert sind.

8. Batteriekasten nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die elektrischen Zellenverbinder (19) die Zellen (2) auch mechanisch starr miteinander verbinden.

9. Batteriekasten nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, daß die Zellenverbinder (19) entsprechend der Stufenhöhe der Simse (9) abgekröpft sind.

10. Batteriekasten nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der eingeschlossene Winkel zwischen Kastenboden (4) und Sims (9) zwischen 2,5 und 6° beträgt.

11. Batteriekasten nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Lichtweite (12) zwischen zwei Zellen (2) einer Zellen­ reihe (13) zwischen 2 mm und 5 mm beträgt.

12. Batteriekasten nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Zwischenwände (14) bis zur Oberkante (23) der Zellen (2) reichen.

13. Batteriekasten nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Simse (9) der Zwischenwände (14) gegen den Kastenboden (4) abgestützt sind.

14. Batteriekasten nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Zwischenwände (14) in den zwischen zwei benachbarten Zellen (2) liegenden Bereichen mit vertikal verlaufenden An­ schlagleisten (20) versehen sind.

15. Batteriekasten nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Zwischenwände (14) durch quer zu deren Längserstreckung verlaufende, unterhalb der Simse (9) angeordnete Queranker (22) gegenseitig stabilisiert sind.