WO2011116801A1 - Batterie aus einer vielzahl von batterieeinzelzellen - Google Patents

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Abstract

Eine Batterie (1) besteht aus einer Vielzahl von Batterieeinzelzellen (2), welche untereinander elektrisch verschaltet sind. Die Verschaltung erfolgt dabei durch Aneinanderdrücken von Batteriepolen (12, 13) und/oder durch elektrische Verbindungselemente (8) zwischen den Batteriepolen (7). Die Batterie (1) weist eine Elektronikeinheit (5) zur Überwachung von Batterieeinzelzellen (2) oder Gruppen von Batterieeinzelzellen (2) auf. Die Elektronikeinheit (5) ist mit den Batterieeinzelzellen (2) oder Gruppen von Batterieeinzelzellen (2) in elektrischem Kontakt. Erfindungsgemäß ist der elektrische Kontakt über Kontaktelemente (9) in der Elektronikeinheit (5) ausgebildet. Die Kontaktelemente (9) werden kraftschlüssig auf die Batteriepole (12, 13) und/oder Teile der Batteriepole (19) und/oder auf die die Batteriepole (7) verbindenden Verbindungselemente (8) gedrückt.

Description

Batterie aus einer Vielzahl von Batterieeinzelzellen
Die Erfindung betrifft eine Batterie aus einer Vielzahl von Batterieeinzelzellen nach der im Oberbegriff von Anspruch 1 näher definierten Art.
Aus dem allgemeinen Stand der Technik sind Batterien und hier insbesondere
Hochleistungsbatterien bekannt, welche beispielsweise in Hybridfahrzeugen,
Elektrofahrzeugen oder auch Brennstoffzellenfahrzeugen zum Einsatz kommen. Im Allgemeinen sind diese Batterien aus einer Vielzahl von Batterieeinzelzellen aufgebaut, welche typischerweise als Flachzellen mit im Wesentlichen quaderförmigem Aufbau oder als Rundzellen mit im Wesentlichen zylindrischem Aufbau ausgebildet sind. Die
Batterieeinzelzellen sind üblicherweise in Reihe und/oder parallel zueinander verschaltet und befinden sich in einem Gehäuse. Da bei derartigen als Hochleistungs- oder auch Hochvoltbatterien bezeichneten Batterien vergleichsweise viel unerwünschte Abwärme entsteht, weisen diese im Allgemeinen eine Kühleinrichtung auf, welche typischerweise zusammen mit einer Elektronikeinheit ebenfalls in dem Batteriegehäuse angeordnet ist.
Insbesondere dann, wenn die Batterieeinzelzellen in Lithium-Ionen-Technologie ausgeführt sind, ist neben der Kühlung im Allgemeinen auch eine Überwachung der Batterieeinzelzellen hinsichtlich ihrer Spannung notwendig, um zu verhindern, dass produktionsbedingte Unterschiede in den Batterieeinzelzellen zu unterschiedlichen Ladezuständen führen. Bei einer Ladung mit einer konstanten Ladungsspannung für die Gesamtbatterie würden dann einzelne Batterieeinzelzellen, welche Ausreißer nach oben oder unten sind, stärker oder weniger stark geladen. Insbesondere ein Überladen oder das Beaufschlagen mit einer zu hohen Spannung ist dabei für Batterieeinzelzellen in Lithium-Ionen-Technologie schädlich. Die Batterien weisen daher typischerweise eine Elektronikeinheit auf, welche die
Batterieeinzelzellen oder zumindest Gruppen von Batterieeinzelzellen entsprechend überwacht. Um die Elektronikeinheit elektrisch zu isolieren und gegen Feuchtigkeit zu schützen, kann diese in einem separaten Gehäuse abgedichtet in dem Gehäuse der Batterie angeordnet sein. Je nach Bauart der Batterie werden die Batterieeinzelzellen, zum Beispiel wenn sie als Rundzellen ausgebildet sind, über Stromschienen zwischen ihren Batteriepolen entsprechend der gewünschten elektrischen Schaltung miteinander verschaltet. Die Arbeitsspannung der Batterie wird dann an zwei Punkten des so entstehenden Moduls entsprechend abgegriffen. Die Spannungen der
Batterieeinzelzellen werden als Niedervoltspannungen durch die Elektronikeinheit benötigt. Dafür weist jede der Batterieeinzelzellen oder der sie verbindenden elektrischen Verbindungselemente einen Steckanschluss oder dergleichen auf, welche beispielsweise über Kabel oder Ähnliches mit der Elektronikeinheit verbunden ist.
Beim Aufbau der Batterieeinzelzellen als Flachzellen ist dies im Wesentlichen ähnlich. Werden die Batterieeinzelzellen beispielsweise als bipolare Rahmenflachzellen aufgebaut, so liegt auf der einen Seite eines elektrisch isolierenden Rahmens ein
Hüllblech als der eine Pol der Batterie, während auf der anderen Seite ein Hüllblech als der andere Pol der Batterie angeordnet ist. Eine elektrische Reihenschaltung wird dann durch Aufeinanderstapeln und Aneinanderpressen der Batterieeinzelzellen
vorgenommen. An der jeweils letzten Batterieeinzelzelle liegt dann die Arbeitsspannung des Zellenstapels und damit der Batterie an. Jeweils ein Hüllblech der Batterieeinzelzelle weist auch hier einen Abgriff für die Niederspannung der jeweiligen Batterieeinzelzelle oder der Niederspannung von Gruppen von Batterieeinzelzellen auf. Im Allgemeinen ist dies durch ein über den elektrisch isolierenden Rahmen überstehendes Stück des jeweiligen Hüllblechs ausgebildet, in welchem dann ein Stecker angebracht werden kann, welcher die Batterieeinzelzelle mit der Elektronikeinheit verbindet.
All dies stellt einen erheblichen Aufwand dar. Es werden entsprechende Platinen und insbesondere Steckverbindungen mit Steckanschlüssen, Leitungselementen und dergleichen benötigt, um den Niederspannungsabgriff für einzelne der
Batterieeinzelzellen oder Gruppen von Batterieeinzelzellen in der Hochvoltbatterie zu realisieren. Neben dem damit verbundenen Aufwand bei der Montage und einer eventuellen Demontage für Wartungszwecke stellt die große Zahl an Leitungselementen, Steckverbindungen und dergleichen einen erheblichen Kostenaufwand bei der
Herstellung der Hochvoltbatterie dar und erhöht letztlich auch deren Gewicht.
Es ist daher die Aufgabe der hier vorliegenden Erfindung, die oben genannten Nachteile zu vermeiden und eine Batterie, insbesondere eine Hochvoltbatterie für
Fahrzeuganwendungen, zu schaffen, welche entsprechend einfach aufgebaut ist und einfach montiert und demontiert werden kann.
Erfindungsgemäß wird diese Aufgabe durch die im kennzeichnenden Teil von Anspruch 1 genannten Merkmale gelöst. Die abhängigen Ansprüche geben vorteilhafte
Ausgestaltungen und Weiterbildungen dieser erfindungsgemäßen Lösung an.
Dadurch, dass der elektrische Kontakt zwischen den Batterieeinzelzellen oder Gruppen von Batterieeinzelzellen über Kontaktelemente in der Elektronikeinheit ausgebildet ist, welche kraftschlüssig auf die geeigneten Teile von Batteriepolen und/oder
Verbindungselementen gedrückt sind, ist der Aufbau der Batterie selbst denkbar einfach und effizient. Anstelle von Steckverbindern oder dergleichen werden lediglich die
Kontaktelemente, beispielsweise bei der Montage der Batterie, durch ein Auflegen und Andrücken der Elektronikeinheit ermöglicht. Steckverbindungen, Leitungselemente und dergleichen können somit entfallen, sodass einerseits deren Gewicht und Kosten und andererseits der mit ihnen verbundene Montageaufwand eingespart werden kann.
In einer besonders günstigen und vorteilhaften Weiterbildung der erfindungsgemäßen Batterie sind die Kontaktelemente dabei elastisch ausgebildet und/oder federnd gelagert. Aufgrund dieser Elastizität der Kontaktelemente ist sichergestellt, dass diese beim Aufdrücken auf die entsprechenden Verbindungselemente zwischen den Batteriepolen oder die Abschnitte der Batteriepole immer sicher und zuverlässig den elektrischen Kontakt herstellen, auch wenn, typischerweise bedingt durch Fertigungstoleranzen, geringfügige Abweichungen in der endgültigen Position der einzelnen Bauteile zueinander auftreten.
In einer weiteren sehr günstigen und vorteilhaften Ausgestaltung der erfindungsgemäßen Batterie ist es außerdem vorgesehen, dass die Elektronikeinheit auf der einer
Kühleinrichtung abgewandten Seite der Batterieeinzelzellen angeordnet ist, und die Batterieeinzelzellen mit der Elektronikeinheit und der Kühleinrichtung zu einem Modul verspannt sind. Bei diesem Aufbau ist es besonders günstig und vorteilhaft, dass durch das gemeinsame Verspannen von Elektronikeinheit, Batterieeinzelzellen und
Kühleinrichtung ein entsprechend kompaktes und mechanisch stabiles Modul entsteht. Durch die Elektronikeinheit mit den Kontakten, welche an entsprechende Teile der Batterieeinzelzellen angedrückt werden, wird beim Verspannen sichergestellt, dass sämtliche Niedervoltanschlüsse zur Überwachung der Batterieeinzelzellen oder Gruppen von Batterieeinzelzellen sicher und zuverlässig kontaktiert sind. Außerdem unterstützt die so angebracht Elektronikeinheit mit den Kontaktelementen den Druck, welcher beim Verspannen zwischen den Batterieeinzelzellen und der Kühleinrichtung aufgebaut wird. Die Elektronikeinheit mit den Kontaktelementen hilft also, die Batterieeinzelzellen fest und sicher gegen die Kühleinrichtung zu drücken. Damit entsteht auch im Bereich zwischen den Batterieeinzelzellen und der Kühleinrichtung einfach und zuverlässig ein
großflächiger Kontakt, in dessen Bereich die einzelnen Teile gegeneinander gedrückt werden. Hierdurch wird die Kühlung der Batterieeinzelzellen gewährleistet, ohne dass weitere Einrichtungen zum sicheren Aufpressen der Batterieeinzelzellen auf der
Kühleinrichtung notwendig sind. Durch den Einsatz der Elektronikeinheit mit den
Kontaktelementen im Sinne der Erfindung können also weitere ansonsten zum Anpressen der Batterieeinzelzellen an die Kühleinrichtung benötigte Bauteile eingespart werden.
In einer weiteren sehr günstigen und vorteilhaften Ausgestaltung der erfindungsgemäßen Batterie ist es außerdem vorgesehen, dass die Kontaktelemente und/oder die
Batteriepole und/oder die die Batteriepole verbindenden Verbindungselemente zumindest im Kontaktbereich teilweise mit einer Beschichtung versehen sind, welche zumindest eines der Elemente Zinn, Nickel oder Gold aufweist. Eine solche Beschichtung kann im Bereich des rein kraftschlüssig hergestellten Kontakts die Gefahr einer Korrosion und somit die Gefahr eines vergleichsweise hohen Übergangswiderstands zwischen den Batterieeinzelzellen und den Kontaktelementen minimieren.
In einer weiteren besonders günstigen und vorteilhaften Ausführung der
erfindungsgemäßen Batterie ist es ferner vorgesehen, dass die Batterieeinzelzellen als bipolare Rahmenflachzellen ausgebildet sind, welche aus einem isolierenden Rahmen und den Rahmen verschließenden Hüllblechen ausgebildet sind, wobei die Hüllbleche die Batteriepole bilden. Wenigstens eines der Hüllbleche weist dabei einen Abschnitt auf, welcher auf eine Seitenfläche des Rahmens umgebogen ist, wobei die Kontaktelemente auf diesen umgebogenen Abschnitt gedrückt sind. Dieser an sich bekannte und übliche Aufbau einer Batterieeinzelzelle als Rahmenflachzelle weist einige entscheidende Vorteile auf. Durch den elektrisch isolierenden Rahmen und den im Inneren des Rahmens angebrachten elektrochemisch aktiven Material entsteht ein sehr einfacher Aufbau einer Batterieeinzelzelle, welcher durch die Hüllbleche seitlich verschlossen wird. Die
Hüllbleche bilden dabei gleichzeitig die Batteriepole, das eine Hüllblech ist an die positive Elektrode angeschlossen, das andere an die negative Elektrode. Durch einfaches Stapeln kann so eine Reihenschaltung der aufeinandergestapelten bipolaren Rahmenflachzellen realisiert werden. Dies ist insbesondere bei der Montage und der Kontaktierung der Batterieeinzelzellen untereinander sehr einfach und effizient und stellt einen deutlichen Vorteil hinsichtlich Fertigung, Bauraum, Gewicht und dergleichen dar. Werden derartige Rahmenflachzellen nun so ausgebildet, dass eines der Hüllbleche auf einer Seite einen entsprechenden Abschnitt aufweist, welcher über den Rahmen übersteht und auf dessen Seitenkante umgebogen werden kann, entsteht ein Aufbau, bei dem sehr einfach der Stapel aus Batterieeinzelzellen mit diesen umgebogenen Abschnitten in Richtung der Elektronikeinheit positioniert werden kann. Die Kontaktelemente der Elektronikeinheit können dann einfach und effizient auf diese umgebogenen Abschnitte aufgedrückt werden, sodass eine sichere und zuverlässige elektrische Kontaktierung der
Niedervoltanschlüsse zur Überwachung von Spannungen der Batterieeinzelzellen möglich wird.
Die Elektronikeinheit gibt dabei außerdem dem Stapel der Batterieeinzelzellen eine zusätzliche mechanisch stabilisierende Wirkung. Sofern außerdem eine Kühleinrichtung vorhanden ist, welche beispielsweise auf der der Elektronikeinheit abgewandten Seite des Stapels angeordnet wird, so entsteht insgesamt ein Aufbau, welcher durch die
Kühleinrichtung und die Elektronikeinheit entsprechend stabilisiert wird, ohne dass hierfür eigens zur Stabilisierung des Stapels an Batterieeinzelzellen vorgesehene Bauteile notwendig wären. Der Aufbau ist also entsprechend einfach, leicht und kostengünstig.
Wie bereits eingangs erwähnt, liegt die bevorzugte Verwendung einer derartigen
Hochvoltbatterie, wie sie die erfindungsgemäße Batterie darstellt, darin, diese als Traktionsbatterie in Hybridfahrzeugen, Elektrofahrzeugen, Mildhybrid-Fahrzeugen oder dergleichen einzusetzen. Durch den einfachen und effizienten Aufbau mit der Möglichkeit Herstellungskosten, Bauvolumen und Gewicht zu reduzieren, ist eine solche Batterie besonders gut geeignet, um in großen Stückzahlen, wie sie für die Automobilindustrie benötigt werden, hergestellt zu werden. Sie kann dann einfach und effizient in Fahrzeugen mit elektrischem oder teilweise elektrischem Antrieb eingesetzt werden, um in an sich bekannter Art und Weise die Energieeffizienz eines derartigen Fahrzeugs zu steigern und /oder Emissionen örtlich zu verlagern. Neben Fahrzeugen sind auch andere Transportmittel mit zumindest teilweise elektrischem Antrieb für den Einsatz mit einer solchen Batterie geeignet.
Weitere vorteilhafte Ausgestaltungen der erfindungsgemäßen Batterie ergeben sich aus den restlichen Unteransprüchen und werden anhand der Ausführungsbeispiele deutlich, welche nachfolgend unter Bezugnahme auf die Figuren näher erläutert sind.
Dabei zeigen:
Fig. 1 eine dreidimensionale Ansicht einer Batterie aus Rundzellen;
Fig. 2 die Batterie gemäß Fig. 1 in einer von oben gesehenen Explosionsdarstellung;
Fig. 3 die Batterie gemäß Fig. 1 in einer von unten gesehenen
Explosionsdarstellung;
Fig. 4 eine prinzipmäßige Schnittdarstellung durch die Batterie gemäß Fig. 1;
Fig. 5 eine vergrößerte Darstellung eines Bereichs aus Fig. 4;
Fig. 6 eine dreidimensionale Ansicht einer Batterie aus Rahmenflachzellen;
Fig. 7 eine dreidimensionale Ansicht einer einzelnen Rahmenflachzelle;
Fig. 8 die Batterie gemäß Fig. 6 in einer von oben gesehenen Explosionsdarstellung; Fig. 9 die Batterie gemäß Fig. 6 in einer von unten gesehenen
Explosionsdarstellung;
Fig. 10 einen prinzipmäßigen Längsschnitt durch die Batterie gemäß Fig. 6;
Fig. 11 eine vergrößerte Darstellung eines Bereichs aus Fig. 6; und
Fig. 12 einen prinzipmäßigen Querschnitt durch die Batterie gemäß Fig. 6.
In der Darstellung der Figur 1 ist eine Batterie 1 zu erkennen, welche in dem hier dargestellten Ausführungsbeispiel aus einer Vielzahl von Batterieeinzelzellen 2, von denen nur einige mit einem Bezugszeichen versehen sind, besteht. Die
Batterieeinzelzellen 2 des in Figur 1 dargestellten Ausführungsbeispiels sind dabei als sogenannte Rundzellen ausgebildet und weisen ein im Wesentlichen zylinderförmiges Gehäuse auf. Die Batterieeinzelzellen 2 sind mit ihrer einen Stirnseite, in der Darstellung der Figur 1 die untere Stirnseite, auf einer Kühleinrichtung 3 platziert, welche hier als Kühlplatte ausgebildet ist, welche durch zwei Anschlüsse 4 beispielsweise durch ein flüssiges Kühlmedium oder ein im Bereich der Kühleinrichtung 3 verdampfendes
Klimamittel gekühlt werden kann. Dieser Aufbau einer Batterie 1 aus einer Vielzahl von Batterieeinzelzellen 2 und einer Kühleinrichtung 3 ist dabei aus dem Stand der Technik prinzipiell bekannt.
Die Batterie 1 der Figur 1 zeigt außerdem eine Elektronikeinheit 5, welche hier in einem geschlossenen Gehäuse angeordnet und in der Darstellung der Figur 1 auf der Oberseite der Batterieeinzelzellen 2 positioniert ist. Außerdem sind in der Darstellung der Figur 1 zwei elektrische Anschlusselemente 6 zu erkennen. Diese elektrischen
Anschlusselemente 6 stellen dabei die elektrischen Anschlüsse der Batterie 1 dar und dienen insbesondere zum Laden oder Entladen der Batterie 1. Die elektrischen
Anschlüsse 6 werden aufgrund der entsprechend hohen Spannung der Batterie 1 , welche die Batterieeinzelzellen 2 typischerweise als Reihenschaltung aufweist, auch als
Hochvoltanschlüsse 6 bezeichnet.
In der Darstellung der Figur 2 ist derselbe Aufbau nochmals in einer
Explosionsdarstellung zu erkennen, wobei hier die Elektronikeinheit 5 beabstandet von den Batterieeinzelzellen 2 dargestellt ist. Es ist zu erkennen, dass zur elektrischen Verbindung der Batterieeinzelzellen 2 Batteriepole 7 der Batterieeinzelzellen 2 über elektrische Verbindungselemente 8, welche hier in der Art von Stromschienen ausgebildet sind, elektrisch in Reihe geschaltet sind. In Figur 2 sind dabei nur einige der Batteriepole 7 und Verbindungselemente 8 mit einem Bezugszeichen versehen. Neben dieser reinen Reihenschaltung der Batterieeinzelzellen 2 wäre es selbstverständlich auch denkbar, diese parallel zu schalten oder in Gruppen zusammenzufassen, welche jeweils parallel geschaltet sind, um diese Gruppen dann in Reihe zueinander zu verschalten.
Die Batterieeinzelzellen 2 der hier dargestellten Batterie 1 , welche auch als
Hochvoltbatterie bezeichnet wird, sind dabei beispielhaft in Reihe zueinander verschaltet. Die Batterie selbst hat dann eine entsprechende Spannung von bis zu einigen 100 Volt und eine entsprechend hohe Speicherkapazität. Sie bietet sich daher für den Einsatz zur Speicherung von großen Energiemengen an, beispielsweise für ein Hybridfahrzeug, ein Elektrofahrzeug oder als unterstützende Batterie in einem Brennstoffzellenfahrzeug. Um eine möglichst hohe Speicherdichte der Batterie 1 zu erreichen, sind die
Batterieeinzelzellen 2 dabei in einer hierfür geeigneten Technologie auszuführen.
Prinzipiell wären hier beispielsweise Batterieeinzelzellen 2 in Nickelmetallhydrid- oder in Lithium-Ionen-Technologie denkbar. In dem hier dargestellten Ausführungsbeispiel ebenso wie in dem nachfolgend noch dargestellten Ausführungsbeispiel soll die Batterie 1 dabei als Hochvoltbatterie in Lithium-Ionen-Technologie ausgebildet sein. Prinzipiell sind die hier gemachten Ausführungen der erfindungsgemäßen Batterie jedoch auch auf andere Speichertechnologien übertragbar.
Nun ist es so, dass, insbesondere bei Lithium-Ionen-Technologie, die Spannungen der Batterieeinzelzellen 2 oder, falls diese in Gruppen parallel und dann in Reihe verschaltet sind, der Gruppen von Batterieeinzelzellen 2 überwacht werden sollten, um zu verhindern, dass einzelne Batterieeinzelzellen 2, welche beispielsweise aufgrund von
Fertigungstoleranzen geringfügige Abweichungen gegenüber den benachbarten Zellen aufweisen, beim Laden der Batterie 1 überladen werden. Die Elektronikeinheit 5 weist dazu eine Überwachungselektronik für die Batterieeinzelzellen 2 auf und kann bei Bedarf einen Ladungsausgleich zwischen den einzelnen Batterieeinzelzellen 2, das sogenannte Balancing, realisieren. Die elektrische Anbindung der Elektronikeinheit 5 an die Pole 7 der Batterieeinzelzellen 2 ist im Allgemeinen vergleichsweise aufwändig, da über
Steckkontakte Leitungsverbindungen und dergleichen ein Anschluss typischerweise von jeder einzelnen der Batterieeinzelzellen 2 an die Elektronikeinheit 5 realisiert werden muss. Bei dem hier dargestellten Aufbau ist dies nicht der Fall. Wie in der Darstellung der Figur 3, welche eine Ansicht von unten zeigt, zu erkennen ist, weist die Elektronikeinheit 5 eine der Anzahl an Batterieeinzelzellen 2 entsprechende Anzahl an Kontaktelementen 9 auf. Die Kontaktelemente 9, von denen nur einige mit einem Bezugszeichen versehen sind, sind dabei in das Gehäuse der Elektronikeinheit 5 so integriert, dass diese gegeneinander isoliert ausgebildet sind und das Gehäuse der Elektronikeinheit 5 durch die Kontaktelemente 9 nicht in seinem dichten Aufbau beeinträchtigt wird. Die
Kontaktelemente 9 können beispielsweise so in ein durch Spritzgussverfahren oder dergleichen hergestelltes Gehäuse eingebracht sein, dass dieses die Kontaktelemente 9 dicht und elektrisch isoliert gegeneinander umschließt. Im Inneren des Gehäuses 5 sind die Kontaktelemente dann mit den jeweils gewünschten und benötigten elektronischen Bauteilen verbunden.
Wie in der Schnittdarstellung der Figur 4 beziehungsweise in dem vergrößerten
Ausschnitt der Figur 5 näher zu erkennen ist, wird die Elektronikeinheit 5 auf den
Batterieeinzelzellen 2 positioniert. Die Kontaktelemente 9 werden dabei auf die elektrischen Verbindungselemente 8 zwischen den Batteriepolen 7 aufgedrückt, sodass durch das kraftschlüssige Aufdrücken der Kontaktelemente 9 auf die elektrischen
Verbindungselemente 8 ein elektrischer Kontakt hergestellt wird. Dieser Kontakt greift dabei jeweils die Spannung einer einzelnen Batterieeinzelzelle 2 ab. Anders als in der hier gewählten prinzipmäßigen Schnittdarstellung wäre es selbstverständlich auch denkbar, die Spannung jeweils von Gruppen an Batterieeinzelzellen 2 abzugreifen. Aufgrund der Tatsache, dass die Spannungen der Batterieeinzelzellen 2 im Vergleich zur
Gesamtspannung der Batterie 1 vergleichsweise gering sind, wird bei der Kontaktierung der Kontaktelemente 9 auf den elektrischen Verbindungselementen 8 auch von der Herstellung eines sogenannten Niederspannungskontakts beziehungsweise LV-Kontakts (Iv = low volt) gesprochen. Durch das kraftschlüssige Aufdrücken der Kontaktelemente 9 auf die elektrischen Verbindungselemente 8 wird in dem hier dargestellten
Ausführungsbeispiel schnell, sicher und zuverlässig diese Niederspannungskontaktierung der Batterieeinzelzellen 2 mit der Elektronikeinheit 5 erreicht. Neben der hier dargestellten Kontaktierung zwischen den Kontaktelementen 9 und den elektrischen
Verbindungselementen 8 wäre es selbstverständlich auch denkbar, die Kontaktelemente 9 direkt auf die Batteriepole 7 oder die die Batteriepole 7 und die Verbindungselemente 8 verbindenden Schrauben zu drücken. Dabei wären neben den Schrauben
selbstverständlich auch Nieten, Stifte oder Ähnliches zur Verbindung der
Verbindungselemente 8 mit den Batteriepolen 7 denkbar.
Um trotz eventueller Fertigungstoleranzen einen sicheren und zuverlässigen Kontakt aller Kontaktelemente 9 mit den entsprechenden elektrischen Verbindungselementen 8 oder dergleichen sicherzustellen, kann es außerdem vorgesehen sein, dass die
Kontaktelemente 9 selbst elastisch ausgebildet sind oder im Bereich der Elektronikeinheit 5 über federelastische Elemente, beispielsweise metallische Zungen, Federn oder dergleichen gelagert sind. Durch diese elastische Ausbildung beziehungsweise gefederte Lagerung der Kontaktelemente 9 können somit geringfügige Unterschiede aufgrund von Fertigungstoleranzen beispielsweise in der Dicke der elektrischen Verbindungselemente 8, der Höhe der Batterieeinzelzellen 2 oder dergleichen ausgeglichen werden.
Um im Bereich, in dem der Kontakt hergestellt wird, Korrosion sicher und zuverlässig ausschließen zu können, kann es außerdem vorgesehen sein, dass die Kontaktelemente 9 und/oder die elektrischen Verbindungselemente 8 zumindest in dem Bereich, in dem sie mit den Kontaktelementen 9 in Berührung treten, eine entsprechende Beschichtung aufweisen. Als Beschichtungsmaterial haben sich hierfür Materialien auf der Basis von Zinn oder Nickel oder Gold besonders bewährt.
Insbesondere in der Schnittdarstellung der Figur 4, bei der sowohl die Batterieeinzelzellen 2 als auch die Elektronikeinheit 5 und die Kühleinrichtung 3 lediglich schematisch dargestellt und als ein geschnittener Körper gezeichnet sind, lässt sich erkennen, dass durch die Elektronikeinheit 5 und die Kontaktelemente 9 ein weiterer positiver Effekt erzielt werden kann. Um eine sichere Niedervoltkontaktierung der Elektronikeinheit 5 mit den Batterieeinzelzellen 2 zu erreichen, muss die Elektronikeinheit 5 entsprechend gegen die Batterieeinzelzellen 2 gedrückt werden. Typischerweise wird dieser Aufbau, wie er dann im montierten Zustand in Figur 1 zu erkennen ist, über Spannbänder oder dergleichen zu einem Modul verspannt. Dabei muss dafür gesorgt werden, dass die Elektronikeinheit 5 entsprechend in Richtung der Batterieeinzelzellen 2 gedrückt wird, um den Kontakt sicherzustellen. Dies hat den positiven Nebeneffekt, dass dadurch auch die Batterieeinzelzellen 2 gegen die Kühleinrichtung 3 gedrückt werden. Hierdurch kann erreicht werden, dass eine möglichst großflächige Anlage der Batterieeinzelzellen 2 an der Kühleinrichtung 3 und damit eine bestmögliche Kühlung der Batterieeinzelzellen 2 gewährleistet ist.
Neben dem hier dargestellten Ausführungsbeispiel in den Figuren 1 bis 5, bei dem die Batterieeinzelzellen 2 als Rundzellen aufgebaut sind, sind selbstverständlich auch andere Bauarten von Batterieeinzelzellen 2 denkbar. Insbesondere Flachzellen beispielsweise in Form von bipolaren Rahmenflachzellen oder in Folie verschweißten Flachzellen, sogenannten Coffebag- oder Pouch-Zellen, können für den Aufbau der
erfindungsgemäßen Batterie 1 verwendet werden. Im nachfolgenden Ausführungsbeispiel soll daher ein analoger Aufbau beispielhaft anhand von Batterieeinzelzellen 2
beschrieben werden, welche hier als bipolare Rahmenflachzellen ausgebildet sind.
In der Darstellung der Figur 6 ist wiederum der Aufbau der Batterie 1 in seiner
Gesamtheit zu erkennen. Wie auch beim zuvor beschriebenen Ausführungsbeispiel besteht die Batterie 1 aus einer Vielzahl von Batterieeinzelzellen 2, welche hier als Rahmenflachzellen ausgebildet sind. Auf den Aufbau der Batterieeinzelzellen 2 als Rahmenflachzellen wird dabei in Figur 7 noch näher eingegangen. Wie auch bereits bei der Darstellung in Figur 1 ist der Aufbau der Batterie 1 gemäß Figur 6 so gestaltet, dass die Batterieeinzelzellen 2 auf einer Kühlplatte als Kühleinrichtung 3 angeordnet sind, welche ebenfalls über die Anschlüsse 4 verfügt, um beispielsweise durch ein flüssiges Kühlmedium oder ein Klimamittel gekühlt zu werden. Die Batterieeinzelzellen 2 sind im dem hier dargestellten Aufbau zu einem Zellenstapel 10 gestapelt.
Der Aufbau der einzelnen Batterieeinzelzellen 2 ergibt sich dabei aus der Darstellung in Figur 7. Die Batterieeinzelzellen 2 weisen einen elektrisch isolierenden Rahmen 11 auf, in dessen Inneren die elektrochemisch aktiven Materialien, typischerweise als Stapel von Elektroden und Anodenfolien mit dazwischen angeordneten Separatoren angeordnet sind. Der elektrisch isolierende Rahmen 11 wird auf seinen beiden Seitenflächen jeweils durch ein Hüllblech 12, 13 verschlossen. Jedes dieser Hüllbleche 12, 13 ist mit einem Teil der Elektrodenfolien verbunden. Das eine Hüllblech 12 bildet damit den positiven
Batteriepol der Batterieeinzelzelle 2, während das andere Hüllblech 13 den anderen der Batteriepole der Batterieeinzelzelle 2 bildet. Indem die Batterieeinzelzellen 2 zu dem in Figur 6 dargestellten Zellenstapel 10 gestapelt werden, kommen so die jeweils die unterschiedlichen Batteriepole bildenden Hüllbleche 12, 13 in Kontakt zueinander. Durch das Stapeln der bipolaren Rahmenflachzellen entsteht somit automatisch und ohne weiteres Zutun eine Reihenschaltung der in dem Zellenstapel 10 verbauten
Batterieeinzelzellen 2.
In der Darstellung der Figur 6 ist dann auf einer Seite des Zellenstapels eine
abschließende Endplatte 14 zu erkennen, welche aufgrund der beim Stapeln erfolgenden elektrischen Reihenverschaltung der Batterieeinzelzellen gleichzeitig den einen
Hochvoltanschluss 6 der Batterie 1 bildet. Auf der anderen Seite des Zellenstapels 10 ist eine vergleichbare Endplatte 15 als der andere Batteriepol der Batterie 1 angeordnet. Diese Endplatte 15 ist in der Darstellung der Figur 6 jedoch nicht zu erkennen. Der Aufbau aus den Batterieeinzelzellen 2 und der Kühleinrichtung 3 wird dann durch die Elektronikeinheit 5 komplettiert, vergleichbar dem Aufbau gemäß Figur 1. Diese Bauteile, also der Zellenstapel 10, die beiden Endplatten 14, 15, die Kühleinrichtung 3 und die Elektronikeinheit 5 werden dann zu einem Modul verspannt, wozu in dem hier
dargestellten Ausführungsbeispiel Spannbänder 16 beispielhaft angedeutet sind. Die Batterie 1 selbst besteht dann beispielsweise aus einem oder mehreren dieser Module.
Wie in Figur 7 außerdem zu erkennen ist, weist der Rahmen 11 an zwei Seiten quer zur Stapelrichtung überstehende Bereiche 17 auf. Diese überstehenden Bereiche 17 sind für die Funktionalität des Rahmens 11 nicht zwingend notwendig. Beim Stapeln der
Batterieeinzelzellen 2 zu dem Zellenstapel 10 wirken diese jedoch formschlüssig mit der Elektronikeinheit 5 beziehungsweise der Kühleinrichtung 3 zusammen und erleichtern so die Positionierung der Batterieeinzelzellen 2 quer zur Stapelrichtung. Außerdem sorgen sie für eine hohe mechanische Festigkeit der Batterie 1 , da ein seitliches Verrutschen der Batterieeinzelzellen 2 gegenüber der Kühleinrichtung 3 und der Elektronikeinheit 5 verhindert wird. Die beiden Hüllbleche 12, 13 weisen außerdem jeweils einen
abgekanteten Bereich 18 auf, welche in der Darstellung der Figur 7 auf der Unterseite des Rahmens 11 zu liegen kommen. Die abgekanteten Bereiche 18 sind dabei so ausgebildet, dass diese sich nicht untereinander berühren, da diese ja die
unterschiedlichen Polaritäten der Batterieeinzelzelle 2 aufweisen und eine Berührung zu einem Kurzschluss führen würde. Die abgekanteten Bereiche 18 dienen nun im
Wesentlichen dazu, in einen möglichst großflächigen Kontakt mit der Kühleinrichtung 3 zu treten, um so über die Hüllbleche 12, 13 die in der Batterieeinzelzelle 2 entstehende Wärme zur Kühleinrichtung 3 abzuführen. Auf der gegenüberliegenden Seite des Rahmens 11 weist eines der Hüllbleche, in diesem Fall das Hüllblech 12, einen umgebogenen Abschnitt 19 auf. Dieser umgebogene Abschnitt 19 ist ebenfalls so auf der einen Seitenfläche des Rahmens 11 angeordnet, dass dieser nicht mit dem anderen Hüllblech 13, welches die andere Polarität aufweist, in Berührung kommt. Da der umgebogene Bereich 19 einstückig mit dem Hüllblech 12 ausgebildet ist, weist auch dieser umgebogene Bereich 19 die Polarität des Hüllblechs 12 auf und stellt damit einen Teil des einen Batteriepols der bipolaren Rahmenflachzelle dar.
In der Darstellung der Figur 8 ist dieser Aufbau der gestapelten Batterieeinzelzellen 2, wie er in Figur 6 in seinem montierten Zustand angedeutet ist, nochmals in einer
Explosionsdarstellung zu erkennen. Dabei ist die Elektronikeinheit 5 zusammen mit den Spannbändern 16 von dem Zellenstapel 10 abgenommen, sodass man den Zellenstapel 10 und insbesondere die umgebogenen Abschnitt 19 erkennen kann.
In der Darstellung der Figur 9 ist eben diese Ansicht nochmals von unten, also aus Richtung der Kühleinrichtung 3, zu erkennen. Sowohl in den Endplatten 14, 15 als auch in der Kühleinrichtung 3 und in der Elektronikeinheit 5 sind dabei entsprechende Nuten zur Aufnahme der Spannbänder 16 vorgesehen, wie aus den Figuren zu erkennen ist. Diese Nuten verhindern ein seitliches Verrutschen der Spannbänder 16 und stabilisieren den Aufbau der Batterie 1 zusätzlich. In der Explosionsdarstellung in Figur 9 sind nun wieder die einzelnen Kontaktelemente 9 zu erkennen, welche mit Ausnahme der Anordnungen der Elektronikeinheit 5 analog zu den zuvor bereits beschriebenen Kontaktelementen 9 bei den Figuren 1 bis 5 aufgebaut sind. Die Kontaktelemente 9 sind dabei in der
Elektronikeinheit 5 so angeordnet, dass diese mit den umgebogenen Abschnitten 19 der Hüllbleche 12 und damit jeweils mit einem der Batteriepole zusammenwirken. Wird die Elektronikeinheit 5 nun auf den Zellenstapel 10 der Batterieeinzelzellen 2 aufgedrückt, so kommt es zu einem kraftschlüssigen Kontakt zwischen den Kontaktelementen 9 und den umgebogenen Abschnitten 19.
Dies ist in der Darstellung des Längsschnitts der Figur 10 und insbesondere in dem vergrößerten Ausschnitt der Figur 11 zu erkennen, wobei nur eine der Batterieeinzelzellen 2 beispielhaft mit Bezugszeichen versehen ist. Um eine sichere und zuverlässige
Kontaktierung zwischen den umgebogenen Abschnitten 19 und den Kontaktelementen 9 zu erleichtern, weisen die umgebogenen Abschnitte 19 in der hier gezeigten Variante außerdem eine Vertiefung 20 auf, in welcher die Kontaktelemente 9 ideal aufgenommen werden. Auch hier können die Kontaktelemente 9 wieder elastisch ausgebildet oder über gefederte Elemente gelagert sein, um eventuelle Fertigungstoleranzen zwischen den einzelnen Batterieeinzelzellen 2 beziehungsweise den umgebogenen Abschnitten 19 und den Kontaktelementen 9 auszugleichen. Durch die über die Spannbänder aufgebrachte Spannung wird auch bei diesem Aufbau in besonders vorteilhafter Weise dafür gesorgt, dass die Batterieeinzelzellen 2 und damit insbesondere die abgekanteten Bereiche 18 gegen die Kühleinrichtung 3 gedrückt werden, um so einerseits einen stabilen Aufbau des Moduls aus Kühleinrichtung 3, Spannbändern 16, Zellenstapel 10 und Elektronikeinheit 5 zu gewährleisten. Andererseits wird durch das Andrücken neben dem Sicherstellen der Kontaktierung zwischen den Kontaktelementen 9 und den umgebogenen Abschnitten 19 auch ein sicherer und zuverlässiger sowie möglichst großflächiger Kontakt der abgekanteten Bereiche 18 mit der Kühleinrichtung 3 erreicht und damit eine optimale Kühlung der Batterieeinzelzellen 2 sichergestellt.
In der Darstellung der Figur 12 ist dieses Aufdrücken der Elektronikeinheit auf den Zellenstapel 10 nochmals in einem Querschnitt zu erkennen, und durch die Pfeile im Bereich der Elektronikeinheit 5 entsprechend angedeutet. In der Darstellung der Figur 12 ist außerdem zu erkennen, dass in einem Bereich des Rahmens 11 , welcher der Elektronikeinheit 5 zugewandt ist, ein erhöhter Abschnitt 21 des Rahmens 11 ausgebildet ist. Dieser erhöhte Abschnitt 21 weist dabei in etwa die Höhe des über die
Elektronikeinheit 5 hinausstehenden Abschnitts des Kontaktelements 9 auf, sodass die Elektronikeinheit gegenüber der Kühleinrichtung 3 und dem Zellenstapel 10 eben auf die Rahmen 11 der Batterieeinzelzellen 2 aufgedrückt wird und somit eine gleichmäßige Anlage der abgekanteten Bereiche 18 an der Kühleinrichtung 10 unterstützt.
Alles in allem entsteht so ein sehr kompakter und einfacher Aufbau, welcher mit einer entsprechend geringen Zahl an Einzelelementen auskommt, und welcher einschließlich der Niedervoltkontaktierung der einzelnen Batterieeinzelzellen 2 zur
Zellspannungsüberwachung und einem eventuellen Ladungsausgleich, einfach, sicher und zuverlässig realisiert werden kann.

Claims

Patentansprüche
1 . Batterie aus einer Vielzahl von Batterieeinzelzellen, welche untereinander elektrisch durch Aneinanderdrücken der Batteriepole und/oder elektrische
Verbindungselemente zwischen den Batteriepolen verschaltet sind, mit einer Elektronikeinheit zur Überwachung von Batterieeinzelzellen oder Gruppen von Batterieeinzelzellen, wobei die Elektronikeinheit mit den Batterieeinzelzellen oder Gruppen von Batterieeinzelzellen in elektrischem Kontakt steht,
dadurch gekennzeichnet, dass
der elektrische Kontakt über Kontaktelemente (9) in der Elektronikeinheit (5) ausgebildet ist, welche kraftschlüssig auf die Batteriepole (7, 12, 13), Teile der Batteriepole (18) und/oder auf die die Batteriepole (7, 12, 13) verbindenden Verbindungselemente (8) gedrückt sind.
2. Batterie nach Anspruch 1 ,
dadurch gekennzeichnet, dass
die Kontaktelemente (9) in der Elektronikeinheit (5) federnd gelagert sind.
3. Batterie nach Anspruch 1 oder 2,
dadurch gekennzeichnet, dass
die Kontaktelemente (9) elastisch ausgebildet sind.
4. Batterie nach Anspruch 1 , 2 oder 3,
dadurch gekennzeichnet, dass
die Elektronikeinheit (5) auf der einer Kühleinrichtung (3) abgewandten Seite der Batterieeinzelzellen (2) angeordnet ist und die Batterieeinzelzellen (2) mit der Elektronikeinheit (5) und der Kühleinrichtung (3) zu einem Modul verspannt sind.
5. Batterie nach einem der Ansprüche 1 bis 4,
dadurch gekennzeichnet, dass
die Kontaktelemente (9) und/oder die Batteriepole (7, 12, 13) und/oder Teile der Batteriepole (18) und/oder die die Batteriepole verbindenden Verbindungselemente (8) zumindest im Kontaktbereich teilweise mit einer Beschichtung versehen sind, welche eines der Elemente Zinn, Nickel oder Gold aufweist.
6. Batterie nach einem der Ansprüche 1 bis 5,
dadurch gekennzeichnet, dass
die Kontaktelemente (9) isoliert durch ein Gehäuse der Elektronikeinheit (5) durchgeführt sind.
7. Batterie nach Anspruch 6,
dadurch gekennzeichnet, dass
das Gehäuse der Elektronikeinheit (5) durch Spritzguss hergestellt ist.
8. Batterie nach einem der Ansprüche 1 bis 7,
dadurch gekennzeichnet, dass
die Batterieeinzelzellen (2) als Rundzellen ausgebildet sind, welche über
Verbindungselemente (8) in Reihe geschaltet sind, wobei die Kontaktelemente (9) auf die Verbindungselemente (8) aufgedrückt werden.
9. Batterie nach einem der Ansprüche 1 bis 7,
dadurch gekennzeichnet, dass
die Batterieeinzelzellen (2) als bipolare Rahmenflachzellen ausgebildet sind, welche aus einem isolierenden Rahmen (11) und den Rahmen (11) verschließenden Hüllblechen (12, 13) ausgebildet sind, wobei die Hüllbleche (12, 13) die Batteriepole bilden, wobei wenigstens eines der Hüllbleche (12) einen auf eine Seitenfläche des Rahmens (11) umgebogenen Abschnitt (19) aufweist, und wobei die
Kontaktelemente (9) auf diesen umgebogenen Abschnitt (19) gedrückt sind.
10. Batterie nach Anspruch 9,
dadurch gekennzeichnet, dass
die umgebogenen Abschnitte (19) eine Vertiefung (20) zur Aufnahme der
Kontaktelemente (9) aufweisen.
11. Batterie nach Anspruch 9 oder 10,
dadurch gekennzeichnet, dass
die Batterieeinzelzellen (2) auf der dem umgebogenen Abschnitt (19)
gegenüberliegenden Seite des Rahmens (11) abgekantete Bereiche (18) der Hüllbleche (12, 13) zur thermischen Kontaktierung der Batterieeinzelzelle (2) mit der Kühleinrichtung (3) aufweisen.
12. Batterie nach einem der Ansprüche 1 bis 11 ,
dadurch gekennzeichnet, dass
die Batterieeinzelzellen (2) in Lithium-Ionen-Technologie ausgeführt sind.
13. Verwendung einer Batterie nach einem der Ansprüche 1 bis 12 zur Speicherung und Bereitstellung von Antriebsenergie in einem Transportmittel.
14. Verwendung nach Anspruch 13,
dadurch gekennzeichnet, dass
das Transportmittel ein zumindest teilweise elektrisch angetriebenes Fahrzeug ist.
15. Verwendung nach Anspruch 14,
dadurch gekennzeichnet, dass
das Fahrzeug ein gleisloses Landfahrzeug ist.
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