WO2014001034A1 - Batterie mit mechanisch miteinander verbundenen batteriezellen - Google Patents

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    • Y02T10/60—Other road transportation technologies with climate change mitigation effect
    • Y02T10/70—Energy storage systems for electromobility, e.g. batteries

Definitions

  • the present invention relates to a battery and battery cells, wherein in addition to the adhesion, the battery cells are positively connected to each other.
  • the battery cells are connected in a battery cell housing and in series or in parallel with each other and mechanically connected to each other. Furthermore, the invention relates to a motor vehicle containing such a battery.
  • lithium-ion technology Predestined for a wide range of applications is lithium-ion technology. It is characterized among other things by high energy density and extremely low self-discharge.
  • Such lithium-ion cells usually comprise an electrode, which can store reversibly lithium ions in the course of the so-called intercalation or can outsource again in the course of so-called deintercalation.
  • the intercalation takes place during the charging process of the battery cell, and deintercalation takes place during the discharge of the battery cell for the power supply of electrical units.
  • Battery systems are usually composed of individual units (so-called sub-units), which continue to be in terms of integration level
  • the battery cell modules are made of serially and / or parallel-connected battery cells such. As lithium-ion cells, constructed. For fixing these modules are clamped together.
  • a stable mechanical connection between cell and cell or reliable cell compression must always be guaranteed. There must be no relative movement between the cells under any circumstances. This must always be ensured under automotive-typical boundary conditions such as acceleration, vibration, crash, etc. Currently, this is realized by a force / friction or an additional separate form-fitting.
  • EP0065349A discloses a battery having a plurality of individual cell containers which are clamped together and provided with air gaps in the spaces. The air gaps serve to cool the battery.
  • Each container is defined by thin, heat-permeable, plastic end walls. This wall is too weak to withstand bumps.
  • a plurality of small projections are distributed over the end walls of the adjacent container walls over the gap and prevent distortion of the end walls by balancing the internal forces of the one
  • US2008050656 discloses a monolithically integrated lithium thin film battery which provides for increased surface density capacity on a single plane (without multiple cell stacking).
  • the lithium thin-film battery includes a substrate structured with a surface having a plurality of openings and angled with the sides. The angles are between 10 and 80 degrees to the surface.
  • W010095634 discloses a solar battery module in which a first solar battery cell having a first conductive substrate with a photoreceptor surface and a non-photoreceptor surface is provided.
  • the substrate is preferably provided with microscopic asperities known as texture.
  • DE102010013028 discloses a cell assembly with a predeterminable number of parallel and / or serially interconnected single cells, wherein the respective single cell has a housing consisting of cladding sheets and a
  • a device which comprises at least two cells and one or more electrical connectors and positioning elements.
  • Positioning elements have the form of complementary plugs and sockets, z.
  • B a plurality of raised ribs provided on the cells. The ribs are arranged to positively locate a cell relative to an adjacent cell.
  • a battery in particular a lithium-ion battery, which comprises at least two battery cells with battery cell housings which are connected in series or in parallel with one another and are mechanically connected to one another. It is characteristic that the adjacent battery cells each have a texture on the
  • the battery cell case may be made of any metal or metal alloy.
  • the housing may be made of stainless steel, but in particular the housing or housing part is made
  • the battery is a lithium ion battery.
  • the lithium-ion technology particularly high energy storage densities can be achieved, which is particularly in
  • the invention is based on the finding that by the present
  • the texture is a surface structure that can have different shapes and angles.
  • the texture can be produced by the following methods:
  • the texture has an imprint on the
  • An advantage of the present invention is that with the same space, the force / friction between the cells and the Zellverpressung is significantly increased.
  • the positive connection is integrated in the present invention and thereby advantageously the adhesion is optimally performed.
  • Another advantage of the present invention is that the battery cells are connected to each other so that the battery cells can not solve in the assembled state. Furthermore, the cost and complexity are advantageously reduced.
  • the present invention relates in particular to the use of so-called hardcase cells, which are a prismatic or cylindrical
  • the invention is not limited to Li ions
  • the texture is embossed in the battery cell case of the battery cell. As a result, the connection between the battery cells is advantageously secured.
  • the texture is formed so that the textured surfaces mesh according to the key lock principle.
  • the texture is formed linear or crossed to each other. This advantageously ensures that the power flow is amplified and optimally guided.
  • the surveys and / or depressions forming the texture have a meander-shaped structure, whereby the connection between the
  • the textures are at an angle of 1 ° to 90 ° to each other.
  • the angle of 1 ° to 90 ° describes the angle that are parallel or perpendicular to the outer edges of the metal housing in the texture.
  • the angle of 1 ° to 90 ° is provided with crossed texture between the simple textures.
  • the texture can be non-directional, that is, indifferent.
  • the texture is circular or polygonal, whereby the holding force of the battery cells is amplified.
  • a motor vehicle is also provided with a battery, wherein the battery is connected to a drive system of the motor vehicle.
  • FIG. 1 shows a schematic representation of the battery according to the invention with a textured surface
  • Figure 2 is a schematic sectional view of the textured surface
  • Figure 3 is surface texture on the cell surface.
  • FIG. 1 shows a battery 10 with a metallic housing 13 of a lithium-ion battery, wherein individual battery cells 1 1 each have a texture 12 on the outer surface of the battery cell housing 13.
  • a texture 12 is impressed in the cell outer shell of the battery cell 1 1 or in the components for cell compression and cell fixation.
  • This texture 12 is designed so that two opposing textured surfaces 12 mesh according to the key-lock principle.
  • the texture 12 may be formed linear and crossed and are at any angle to each other.
  • texture 12 may be circular or polygonal on the
  • the texture can be non-directional, that is, indifferent.
  • the texture 12 can be made by different methods. In particular, it can be produced by die-casting,
  • the texture 12 has an imprint on the adjacent ones Outside surfaces of the battery cells 1 1, through which the battery cells 1 1 are connected by meshing.
  • Figure 2 shows the sectional view of the textured surfaces 12 of two
  • the elevations and depressions of the texture 12 in this case have a meandering structure, which may be formed both sawtooth and rectangular.
  • FIG. 3 shows a surface structure on the cell surface.
  • FIG. 3 shows two battery cells 11, each having a texture 12 on the cell surface. This texture 12 is designed so that two opposing textured surfaces 12 mesh according to the key-lock principle.

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Abstract

Es wird eine Batterie (10), insbesondere eine Lithium-Ionen-Batterie, beschrieben, die mindestens zwei Batteriezellen (11) mit Batteriezellgehäuse (13) umfasst. Die Batteriezellen (11) sind in Serie oder parallel miteinander verschaltet und mechanisch miteinander verbunden. Die zueinander angrenzenden Batteriezellen (11) weisen jeweils eine Textur (12) auf dem Batteriezellgehäuse (13) auf, wobei zusätzlich zum Kraftschluss die Batteriezellen (11) formschlüssig miteinander verbindbar sind.

Description

Beschreibung Titel
Batterie mit mechanisch miteinander verbundenen Batteriezellen
Die vorliegende Erfindung betrifft eine Batterie und Batteriezellen, wobei zusätzlich zum Kraftschluss die Batteriezellen formschlüssig miteinander verbindbar sind. Die Batteriezellen sind in einem Batteriezellgehäuse und in Serie oder parallel miteinander verschaltet und mechanisch miteinander verbunden. Ferner betrifft die Erfindung ein Kraftfahrzeug, das eine solche Batterie enthält.
Stand der Technik
Es zeichnet sich ab, dass in Zukunft sowohl bei stationären Anwendungen, wie Windkraftanlagen, in Kraftfahrzeugen, die als Hybrid- oder Elektrokraftfahrzeuge ausgelegt sind, als auch bei Elektronikgeräten, wie Laptops oder Mobiltelefonen, neue Batteriesysteme zum Einsatz kommen werden, an die sehr hohe
Anforderungen bezüglich Zuverlässigkeit, Sicherheit, Leistungsfähigkeit und Lebensdauer gestellt werden.
Prädestiniert für ein breites Einsatzgebiet von Applikationen ist die Lithium-Ionen- Technologie. Sie zeichnet sich unter anderem durch hohe Energiedichte und eine äußerst geringe Selbstentladung aus.
Derartige Lithium-Ionen-Zellen umfassen üblicherweise eine Elektrode, die Lithium-Ionen im Zuge der sogenannten Interkalation reversibel einlagern kann oder im Zuge der sogenannten Deinterkalation wieder auslagern kann. Die Interkalation erfolgt beim Ladeprozess der Batteriezelle, und die Deinterkalation erfolgt bei der Entladung der Batteriezelle zur Stromversorgung von elektrischen Aggregaten.
Batteriesysteme sind meist aus einzelnen Einheiten (sogenannten Sub-Units) aufgebaut, die sich hinsichtlich der Integrationsstufe weiter in
Batteriezellenmodule untergliedern lassen. Die Batteriezellenmodule werden aus seriell und/oder parallel verschalteten Batteriezellen wie z. B. Lithium-Ionen- Zellen, aufgebaut. Zur Fixierung werden diese Module miteinander verspannt. Bei automotiven Anwendungen der Lithium-Ionen Speichertechnologie muss eine stabile mechanische Verbindung zwischen Zelle und Zelle bzw. eine zuverlässige Zellverpressung stets gewährleistet sein. Es darf unter keinen Umständen zu einer Relativbewegung zwischen den Zellen kommen. Dies muss unter automobiltypischen Randbedingungen, wie Beschleunigung, Schwingung, Crash usw. immer gewährleistet sein. Momentan wird dies über einen Kraft-/Reibschluss bzw. einen zusätzlichen separaten Formschluss realisiert.
Die EP0065349A offenbart eine Batterie mit einer Vielzahl von einzelnen Zellbehältern, die zusammengeklemmt und in den Zwischenräumen mit Luftspalten versehen sind. Die Luftspalten dienen zum Kühlen der Batterie. Jeder Behälter ist durch dünne, wärmedurchlässige, Kunststoffstirnwände definiert. Diese Wand ist zu schwach, um gegen Beulen standzuhalten. Eine Vielzahl von kleinen Vorsprüngen sind über die Stirnwände der benachbarten Behälterwände über den Spalt verteilt und verhindern eine Verzerrung der Endwände durch Ausgleich der internen Kräfte des einen
Behälters mit den inneren Kräfte des nächsten Behälters. Zusätzliche
Verschachtelungsvorsprünge an den Stirnwänden erleichtern die Ausrichtung der Behälter während der Montage und verhindern ein Verschieben der Behälter relativ zueinander nach dem Zusammenbau. Aus der US2008050656 ist eine monolithisch integrierte Lithium-Dünnschicht-Batterie bekannt, die für eine erhöhte Flächendichtekapazität auf einer einzigen Ebene (ohne Stapelung von mehreren Zellen) sorgt. Die Lithium-Dünnschicht-Batterie umfasst ein Substrat, welches mit einer Oberfläche strukturiert ist, die eine Vielzahl von Öffnungen hat und mit den Seiten abgewinkelt ist. Die Winkel stehen zwischen 10 und 80 Grad zur Oberfläche. Die W010095634 offenbart ein Solarbatteriemodul, in dem eine erste Solarbatteriezelle mit einem ersten leitenden Substrat mit einer Photorezeptor-Fläche und einer Nicht-Fotorezeptor-Fläche vorgesehen ist. Das Substrat ist vorzugsweise mit mikroskopischen Oberflächenunebenheiten versehen, die als Textur bekannt ist .
Die DE102010013028 offenbart einen Zellverbund mit einer vorgebbaren Anzahl von parallel und/oder seriell miteinander verschalteten Einzelzellen, wobei die jeweilige Einzelzelle ein Gehäuse aufweist, das aus Hüllblechen und einem
zwischen diesen angeordneten, elektrisch isolierenden Gehäuserahmen gebildet ist und die nebeneinander angeordneten Einzelzellen anhand von mindestens einem Spannelement in axialer Richtung miteinander verpresst sind.
Aus der AU9665799 ist eine Vorrichtung bekannt, die mindestens zwei Zellen und einen oder mehrere elektrische Verbinder sowie Positionierungselemente umfasst. Die
Positionierungselemente haben die Form von komplementären Steckern und Buchsen, z. B. mehrere erhöhte Rippen, die an den Zellen vorgesehen sind. Die Rippen sind so angeordnet, dass eine Zelle in Bezug zu einer benachbarten Zelle positiv lokalisiert wird.
Offenbarung der Erfindung
Ein oder mehrere Probleme des Standes der Technik werden durch die vorliegende Erfindung behoben oder zumindest gemindert. Erfindungsgemäß wird eine Batterie, insbesondere eine Lithium-Ionen-Batterie zur Verfügung gestellt, die mindestens zwei Batteriezellen mit Batteriezellgehäuse umfasst, die in Serie oder parallel miteinander verschaltet und mechanisch miteinander verbunden sind. Kennzeichnend ist, dass die zueinander angrenzenden Batteriezellen jeweils eine Textur auf dem
Batteriezellgehäuse aufweisen, wobei zusätzlich zum Kraftschluss die Batteriezellen formschlüssig miteinander verbindbar sind.
Das Batteriezellgehäuse kann aus einem beliebigen Metall oder einer beliebigen Metalllegierung bestehen. Beispielsweise kann das Gehäuse aus Edelstahl gefertigt sein, insbesondere besteht das Gehäuse oder Gehäuseteil jedoch aus
Aluminium oder einer Aluminiumlegierung. In der vorliegenden Erfindung handelt es sich bei der Batterie um eine Lithium- Ionen Batterie. Durch die Verwendung der Lithium-Ionen Technologie können besonders hohe Energiespeicherdichten erzielt werden, was besonders im
Bereich der Elektromobilität zu weiteren Vorteilen führt.
Der Erfindung liegt die Erkenntnis zugrunde, dass durch den vorliegenden
Formschluss der Kraftfiuss optimal geführt werden kann. Der Kraft-/Reibschluss kann bei angemessenem Platzbedarf nur geringe Kräfte übertragen. Aufgrund dessen wird momentan ein zusätzlicher Formschluss integriert, um im Überlastfall die Zellen zu fixieren. Durch die Erfindung wird der Kraft-/Reibschluss ohne zusätzlichen
Platzbedarf maßgeblich verstärkt und ist in einem anders angeordneten Formschluss integriert.
Die Textur ist dabei eine Oberflächenstruktur, die unterschiedliche Formen und Winkel haben kann. Die Textur kann durch folgende Verfahren hergestellt werden:
Druckgussverfahren, Tiefziehverfahren, Formgebungsverfahren, Schneid- und
Walzverfahren. Mit anderen Worten, die Textur hat eine Prägung auf den
benachbarten Außenflächen der Batteriezellen, durch die die Batteriezellen durch Ineinandergreifen verbunden werden.
Ein Vorteil der vorliegenden Erfindung ist, dass bei gleichem Bauraum der Kraft- /Reibschluss zwischen den Zellen und der Zellverpressung erheblich gesteigert wird. Der Formschluss ist bei der vorliegenden Erfindung integriert und dadurch wird vorteilhaft der Kraftschluss optimal geführt. Ein weiterer Vorteil der vorliegenden Erfindung ist, dass die Batteriezellen so miteinander verbunden sind, dass sich die Batteriezellen im montierten Zustand nicht lösen können. Weiterhin werden vorteilhaft die Kosten und die Komplexität reduziert.
Die vorliegende Erfindung bezieht sich dabei insbesondere auf den Einsatz von sogenannten Hardcase-Zellen, die ein prismatisches oder zylindrisches
Metallgehäuse besitzen. Die Erfindung ist dabei aber nicht nur auf Li-Ionen
Batteriezellen, sondern auch auf andere Chemiesysteme wie z. B. Nickel-Metall- Hydrid Zellen und Lithium-Metall-Polymer Zellen gerichtet, die ein
entsprechendes Metallgehäuse aufweisen. Nach einer vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung ist die Textur in das Batteriezellgehäuse der Batteriezelle eingeprägt. Dadurch wird vorteilhaft die Verbindung zwischen den Batteriezellen gesichert.
Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung ist vorgesehen, dass die Textur so ausgebildet ist, dass die texturierten Flächen nach dem Schlüssel- Schloss-Prinzip ineinandergreifen. Durch dieses Schlüssel-Schloss-Prinzip wird vorteilhaft erreicht, dass sich die Batteriezellen nicht lösen können und es wird eine stabile mechanische Verbindung zwischen den Zellen gewährleistet.
Gemäß einer weiteren bevorzugten Ausführungsform der Erfindung ist vorgesehen, dass die Textur linear oder gekreuzt zueinander ausgebildet ist. Dadurch wird vorteilhaft gewährleistet, dass der Kraftfluss verstärkt und optimal geführt wird.
In einer besonderen Ausführungsform ist weiterhin vorgesehen, dass die die Textur ausbildenden Erhebungen und/oder Vertiefungen eine mäanderförmige Struktur aufweisen, wodurch vorteilhaft die Verbindung zwischen den
Batteriezellen verstärkt wird.
Alternativ ist mit Vorteil vorgesehen, dass die Texturen zu einem Winkel von 1 ° bis90°zueinander stehen. Der Winkel von 1 ° bis 90° beschreibt den Winkel, der bei der Textur parallel oder senkrecht zu den Außenkanten des Metallgehäuses stehen. Weiterhin ist der Winkel von 1 ° bis 90° bei gekreuzter Textur zwischen den einfachen Texturen vorgesehen.
Des Weiteren kann die Textur ungerichtet, also indifferent, ausgeführt sein.
Nach einer weiteren Ausgestaltung der Erfindung ist die Textur kreis- oder polygonförmig, wodurch die Haltekraft der Batteriezellen verstärkt wird.
Erfindungsgemäß wird zudem ein Kraftfahrzeug mit einer Batterie bereitgestellt, wobei die Batterie mit einem Antriebssystem des Kraftfahrzeuges verbunden ist. Vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung sind in den Unteransprüchen angegeben und in der Beschreibung beschrieben.
Zeichnungen
Ausführungsbeispiele der Erfindung werden anhand der Zeichnungen und der nachfolgenden Beschreibung näher erläutert. Es zeigen:
Figur 1 eine schematische Darstellung der erfindungsgemäßen Batterie mit einer texturierten Fläche,
Figur 2 eine schematische Schnittdarstellung der texturierten Fläche, und Figur 3 Oberflächentextur auf der Zelloberfläche.
Ausführungsform der Erfindung
Figur 1 zeigt eine Batterie 10 mit einem metallischen Gehäuse 13 einer Lithium- Ionen-Batterie, wobei einzelne Batteriezellen 1 1 jeweils eine Textur 12 auf der Außenfläche des Batteriezellgehäuses 13 aufweisen. In die Zellaußenhülle der Batteriezelle 1 1 bzw. in die Bauteile zur Zellverpressung und Zellfixierung wird eine Textur 12 eingeprägt. Diese Textur 12 ist so ausgeführt, dass zwei gegenüberliegende texturierte Flächen 12 nach dem Schlüssel-Schloss-Prinzip ineinandergreifen. Die Textur 12 kann dabei linear und gekreuzt ausgebildet sein und unter beliebigem Winkel zueinander stehen.
Weiterhin kann die Textur 12 kreisförmig oder polygonförmig auf der
Außenfläche der Batteriezelle 1 1 ausgeführt sein. Durch die Verzahnung wird der Kraft-/Reibschluss verstärkt und ein gewisser Formschluss erreicht. Der
Formschluss liegt genau an den Stellen, wo die maximale Belastung auftritt und übertragen werden muss. Des Weiteren kann die Textur ungerichtet, also indifferent, ausgeführt sein. Die Textur 12 kann durch unterschiedliche Verfahren hergestellt werden. Insbesondere kann sie durch Druckgussverfahren,
Tiefziehverfahren, Formgebungsverfahren, Schneid- und Walzverfahren hergestellt werden. Die Textur 12 hat eine Prägung auf den benachbarten Außenflächen der Batteriezellen 1 1 , durch die die Batteriezellen 1 1 durch Ineinandergreifen verbunden werden.
Figur 2 zeigt die Schnittdarstellung der texturierten Flächen 12 zweier
Batteriezellen 1 1. Die Erhebungen und Vertiefungen der Textur 12 weisen dabei eine mäanderförmige Struktur auf, die sowohl sägezahnartig als auch rechtwinklig ausgebildet sein kann.
Figur 3 zeigt eine Oberflächenstruktur auf der Zelloberfläche. In der Figur 3 sind zwei Batteriezellen 1 1 zu sehen, die jeweils eine Textur 12 auf der Zelloberfläche aufweisen. Diese Textur 12 ist so ausgeführt, dass zwei gegenüberliegende texturierte Flächen 12 nach dem Schlüssel-Schloss-Prinzip ineinandergreifen.

Claims

Ansprüche
1 . Batterie (10), insbesondere eine Lithium-Ionen-Batterie, umfassend mindestens zwei Batteriezellen (1 1 ) mit Batteriezellgehäuse (13), die in Serie oder parallel miteinander verschaltet und mechanisch miteinander verbunden sind, dadurch gekennzeichnet, dass
die zueinander angrenzenden Batteriezellen (1 1 ) jeweils eine Textur (12) auf dem Batteriezellgehäuse (13) aufweisen, wobei zusätzlich zum Kraftschluss die Batteriezellen (1 1 ) formschlüssig miteinander verbindbar sind.
2. Batterie (10) nach Anspruch 1 , wobei die Textur (12) in das Batteriezellgehäuse
(13) der Batteriezelle (1 1 ) eingeprägt ist.
3. Batterie (10) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die Textur (12) so ausgebildet ist, dass die sich gegenüberliegenden texturierten Flächen (12) nach dem Schlüssel-Schloss-Prinzip ineinandergreifen.
4. Batterie (10) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die Textur (12) linear oder gekreuzt zueinander ausgebildet ist.
5. Batterie (10) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die die Textur
(10) ausbildenden Erhebungen und/oder Vertiefungen eine mäanderförmige
Struktur aufweisen.
6. Batterie (10) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die Texturen
(12) zu einem Winkel von 1 ° bis 90° zueinander stehen.
7. Batterie (10) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die Textur (12) indifferent ausgeführt ist.
8. Batterie (10) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die Textur (12) kreisförmig oder polygonförmig ist.
9. Kraftfahrzeug mit einer Batterie (10) nach einem der Ansprüche 1 bis 8, wobei die Batterie (10) mit einem Antriebssystem des Kraftfahrzeuges verbunden ist.
PCT/EP2013/061466 2012-06-27 2013-06-04 Batterie mit mechanisch miteinander verbundenen batteriezellen Ceased WO2014001034A1 (de)

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