WO2014128294A1 - Wiederaufladbare batterie - Google Patents

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    • Y02P70/50—Manufacturing or production processes characterised by the final manufactured product

Definitions

  • the invention relates to a rechargeable battery having at least one battery cell, preferably with a cell stack of a plurality of battery cells, with a battery housing having at least one, preferably two end plates, between which the at least one battery cell can be arranged, wherein between at least one of the two end plates and a locking plate disposed adjacent to the end plate and having at least one guide member cooperating with the end plate.
  • the rechargeable batteries used in particular in the automotive industry usually consist of a multiplicity of battery cells, which are combined in cell stacks and interconnected with one another.
  • a variety of cell types are summarized to such cell stacks or modules.
  • these pouch cells are sensitive to mechanical stress. Therefore, such cells are usually fixed in cell frames and these frames are lined up in cell stacks.
  • numerous different systems have become known in the art.
  • a battery housing which has a plurality of cell compartments, in each of which two battery cells are arranged. Between the battery cells, an elastic compensation element is arranged, while the individual cell compartments are positively connected to each other.
  • a battery is disclosed with a tub, wherein the individual cells of the cell stack are arranged on a cooling tube via bracket-like fasteners and spacers are provided to the tub bottom or to the adjacent cells.
  • WO 2012/043594 A1 describes a rechargeable battery in which a cell stack is arranged between two end plates, wherein a locking plate cooperating with the end plate is provided. A similar energy storage can also be found in EP 2 403 032 AI.
  • a compensation element is arranged made of flexible material.
  • the battery according to the invention is therefore constructed such that between at least one of the two end plates and a battery cell arranged adjacent to the end plate a locking plate with at least one guide element is arranged, which cooperates with the end plate.
  • the guide element on the locking plate causes stabilization of the individual battery cells in the cell stack to each other by the interaction of the locking plate is achieved with the end plate when acting on the battery cell forces.
  • two locking plates are provided, which are each arranged between one of the two end plates and a battery cell arranged adjacent to the end plate.
  • At least one compensating element is arranged between the end plate and the locking plate and preferably has the same surface area as the end plate and / or the locking plate in order to produce a uniform distribution of forces.
  • one or more compensation elements are usually necessary in a cell stack in order to be able to compensate for the changes in thickness of the cells during operation.
  • the flexible nature of such a compensating element allows in all directions. If balancing elements are arranged directly adjacent to the cells, the cells may move relative to each other during vibration and thus possibly be damaged. This danger exists especially with pouch cells.
  • the compensation element In order to avoid damage to the cells, the cell connections or other elements, it is desirable to allow the movement made possible by the compensation element only in the stacking direction (y-direction) and not in a direction transverse thereto (x- or z-direction) (see also Fig. 1). If the compensation element is arranged between the end plate and the locking plate, the guide element prevents movement in the x or z direction. Since the compensation element can be compressed in the stacking direction, a movement in the y direction is possible. The locking plate is then rigidly connected, for example by gluing, to the first or last cell of the cell stack. The stability of the cell stack is thereby significantly increased.
  • the locking plate preferably has a substantially same surface dimensioning as the at least one battery cell in order to be able to absorb the forces occurring over the entire surface.
  • This power transmission is particularly improved by the fact that the locking plate with the adjacent battery cell material, form, or non-positively connected.
  • the locking element is bonded to the adjacent battery cell, wherein particularly preferably double-sided adhesive films are used.
  • the interaction of the locking plate with the end plate is effected in a preferred embodiment of the invention in that the at least one guide element of the locking plate is formed as an extension which engages at least positively in a receptacle of the end plate.
  • the end plate is connected via the guide element, through the compensation element according to the invention, with the end plate, wherein it is particularly preferred that the at least one guide element of the locking plate engages positively in the receptacle of the end plate.
  • the locking plate and compensating element are fixed in position to the end plate and in the sequence also related to the locking plate battery cells.
  • This structure has the advantage that, in particular in the case of foil cells, so-called "pouch cells", these are fixed between the two end plates, while the locking plate prevents displacement of the cells with respect to the end plate.
  • the at least one guide element is cylindrical in shape with a circular or oval base.
  • the guide element can also be designed as a cuboid extension. It is essential that this guide element engages in a receptacle of the end plate.
  • the end plate has at least two receptacles, in each of which a guide element of two locking plates can be arranged, wherein the locking plates are arranged on two opposite surfaces of the end plate.
  • the end plate acts as a connecting element between two juxtaposed cell stacks, wherein it is provided in particular that the locking plate of the first cell stack, for example, is arranged rotated by 180 ° to the locking plate of the second cell stack on the connecting end plate.
  • the same locking plates can be used in the production of the battery, they must be oriented only offset by 180 ° to each other.
  • a multiplicity of materials in particular of metal or plastic, can be used for the end plates and the locking plates, while the at least one compensating element is made of an elastic material, in particular of foam.
  • the structure of the battery according to the invention has proven particularly useful when the at least one battery cell is a pouch cell.
  • Fig. 1 is an exploded view of the battery according to the invention in a perspective view
  • Fig. 2 shows the battery of FIG. 1 in the assembled state.
  • FIG. 1 shows a battery 100 with a cell stack 110, which is composed of individual battery cells 111 whose cell contacts 112 communicate with one another.
  • a locking plate 120 is arranged at the outermost battery cell li la of the cell stack 110.
  • This locking plate 120 has an eccentrically arranged guide element 130, which is designed here as a substantially cylindrical extension.
  • an end plate 140 is provided, as well as a compensation element 150, which is arranged between the locking plate 120 and the end plate 140.
  • the locking plate 120, the compensation element 150 and the end plate 140 substantially the same surface dimensioning as the battery cells 111, la la.
  • the guide element 130 In the assembled state (FIG. 2), the guide element 130 extends through a recess 151 of the compensating element 150 and is fixed in the receptacle 141 of the end plate 140 in a form-fitting manner, for example by means of a latching closure. In this way, the guide element 130 prevents a movement of the battery cells 111, 11 a in the x and z directions (FIG. 1), but permits a movement in the y direction, which corresponds to the change in thickness of the battery cells 111, 11 a.
  • an anti-rotation device (not shown) is provided, which is formed, for example, on the guide element 130 and / or on the locking plate 120, for example in the form of one or more pins, which in turn interact with the end plate 140 ,
  • an anti-rotation device is provided, which is formed, for example, on the guide element 130 and / or on the locking plate 120, for example in the form of one or more pins, which in turn interact with the end plate 140 ,
  • a particularly compact construction of the battery 100 according to the invention is achieved without the need for additional fixing means protruding beyond the stack 110 or the end plates 140, as shown in the prior art.

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  • Electrochemistry (AREA)
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Abstract

Die Erfindung betrifft eine wiederaufladbare Batterie (100) mit zumindest einer Batteriezelle (111, 111a), vorzugsweise mit einem Zellstapel (110) aus einer Vielzahl von Batteriezellen (111, 111a), mit einem Batteriegehäuse, das zwei Endplatten (140) aufweist, zwischen die die zumindest eine Batteriezelle (111, 111a) anordenbar ist, wobei zwischen zumindest einer der beiden Endplatten (140) und einer benachbart zu der Endplatte (140) angeordneten Batteriezelle (111, 111a) eine Verriegelungsplatte (120) mit zumindest einem Führungselement (130) angeordnet ist, die mit der Endplatte (140) zusammenwirkt, und wobei zwischen Verriegelungsplatte (120) und Endplatte (140) zumindest ein Ausgleichselement aus flexiblem Material angeordnet ist.

Description

Wiederaufladbare Batterie
Die Erfindung betrifft eine wiederaufladbare Batterie mit zumindest einer Batteriezelle, vorzugsweise mit einem Zellstapel aus einer Vielzahl von Batteriezellen, mit einem Batteriegehäuse, das zumindest eine, vorzugsweise zwei Endplatten aufweist, zwischen die die zumindest eine Batteriezelle anordenbar ist, wobei zwischen zumindest einer der beiden Endplatten und einer benachbart zu der Endplatte angeordneten Batteriezelle eine Verriegelungsplatte mit zumindest einem Führungselement angeordnet ist, die mit der Endplatte zusammenwirkt.
Die insbesondere in der Automobilindustrie zum Einsatz kommenden wiederauf- ladbaren Batterien bestehen üblicherweise aus einer Vielzahl von Batteriezellen, die in Zellstapel zusammengefasst und miteinander verschaltet sind. Hierbei werden verschiedenste Zellentypen zu derartigen Zellstapeln oder auch Modulen zusammengefasst. Besonders von Interesse sind hierbei die sogenannten "Pouch"- Zellen, die eine gute Leistungs- und Energiedichte aufweisen, sowie auf Grund ihres Folienaufbaus besonders gewichtseinsparend und günstig in der Herstellung sind . Allerdings sind diese Pouchzellen empfindlich hinsichtlich mechanischer Beanspruchung . Daher werden üblicherweise derartige Zellen in Zellrahmen fixiert und diese Rahmen zu Zellstapel aneinander gereiht. Um nun die Zelen mechanisch gegen Vibration und Stöße zu schützen, sind im Stand der Technik zahlreiche unterschiedliche Systeme bekannt geworden.
In der WO 2011/057815 AI ist ein Batteriegehäuse beschrieben, das über eine Vielzahl von Zellenfächern verfügt, in denen jeweils zwei Batteriezellen angeordnet sind. Zwischen den Batteriezellen ist ein elastisches Ausgleichselement angeordnet, während die einzelnen Zellenfächer formschlüssig miteinander verbindbar sind .
In der DE 10 2010 051 010 AI ist eine Batterie mit einer Wanne offenbart, wobei die einzelnen Zellen des Zellstapels an einem Kühlrohr über klammerartige Befestigungen angeordnet sind und Abstandshalter zum Wannenboden bzw. zu den benachbarten Zellen vorgesehen sind.
Um nun die mechanische Beanspruchbarkeit weiter zu verbessern, ist es üblich, zwischen den einzelnen Zellen ein elastisches/flexibles Ausgleichselement, ein sogenanntes "Compression Päd" anzuordnen. Aufgrund der innerhalb der Pouchzellen ablaufenden elektrochemischen Reaktionen kommt es zu Dickenveränderungen der Pouchzellen im Laufe der Lebensdauer sowie während eines Lade- Entladezyklus, die ausgeglichen werden müssen. Es hat sich jedoch insbesondere in der Praxis gezeigt, dass es bei mechanischen Belastungen, beispielsweise aufgrund von Beschleunigungskräften, wie sie üblicherweise in Fahrzeugen auftreten, zu einer Beschädigung insbesondere jener Zellen kommen kann, die direkt an einem derartigen Ausgleichselement anliegen.
In der US 2011/0177377 AI ist daher ein Gehäuse für eine Batterie offenbart, wobei der Zellstapel zwischen zwei Endplatten angeordnet ist, und diese Endplatten über Spannelemente, die an der Außenseite des Zellstapels geführt sind und über einen elastischen Zwischenteil verfügen, miteinander in Verbindung stehen.
Die WO 2012/043594 AI beschreibt eine wiederaufladbare Batterie, bei der ein Zellstapel zwischen zwei Endplatten angeordnet ist, wobei eine mit der Endplatte zusammenwirkende Verriegelungsplatte vorgesehen ist. Ein ähnlicher Energiespeicher kann auch der EP 2 403 032 AI entnommen werden.
Es ist Aufgabe der Erfindung, eine wiederaufladbare Batterie der eingangs erwähnten Art zur Verfügung zu stellen, die die Nachteile des Stands der Technik beseitigt und eine verbesserte mechanische Belastungsfähigkeit besonders in Hinblick auf Beschleunigungskräfte aufweist, sowie einfach, platzsparend und kostengünstig herzustellen ist.
Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß dadurch gelöst, dass zwischen Verriegelungsplatte und Endplatte ein Ausgleichselement aus flexiblem Material angeordnet ist. Die erfindungsgemäße Batterie ist daher derart aufgebaut, dass zwischen zumindest einer der beiden Endplatten und einer benachbart zu der Endplatte angeordneten Batteriezelle eine Verriegelungsplatte mit zumindest einem Führungselement angeordnet ist, die mit der Endplatte zusammenwirkt. Das Führungselement auf der Verriegelungsplatte bewirkt, dass bei auf die Batteriezelle wirkenden Kräften eine Stabilisierung der einzelnen Batteriezellen im Zellstapel zueinander durch das Zusammenwirken der Verriegelungsplatte mit der Endplatte erzielt wird . Besonders bevorzugt sind zwei Verriegelungsplatten vorgesehen, die jeweils zwischen einer der beiden Endplatten und einer benachbart zu der Endplatte angeordneten Batteriezelle angeordnet sind. Zwischen Endplatte und Verriegelungsplatte ist hierbei erfindungsgemäß zumindest ein Ausgleichselement angeordnet, das vorzugsweise die gleiche Flächenausdehnung wie die Endplatte und/oder die Verriegelungsplatte aufweist, um eine gleichmäßige Kräfteverteilung zu bewirken. Damit werden Längen- bzw. Dickenänderungen der Batteriezellen während des Betriebs besonders zuverlässig ausgeglichen, wobei in einem Zellstapel meist ein oder mehrere Ausgleichselemente notwendig sind, um die Dickenänderungen der Zellen während des Betriebs kompensieren zu können. Die flexible Eigenschaft eines derartigen Ausgleichselements lässt Bewe- gungen in alle Richtungen zu. Werden Ausgleichelemente direkt an den Zellen angrenzend angeordnet, können sich die Zellen bei Vibrationen relativ zueinander bewegen und dadurch eventuell beschädigt werden. Diese Gefahr besteht insbesondere bei Pouchzellen. Um Beschädigungen der Zellen, der Zellverbindungen oder anderer Elemente zu vermeiden, ist es wünschenswert, die durch das Ausgleichselement ermöglichte Bewegung nur in Stapelrichtung (y-Richtung) und nicht in einer Richtung quer dazu (x- oder z-Richtung) zuzulassen (siehe auch Fig. 1). Wird das Ausgleichselement zwischen der Endplatte und der Verriegelungsplatte angeordnet, verhindert das Führungselement eine Bewegung in x- oder z-Richtung . Da das Ausgleichselement in Stapelrichtung zusammengedrückt werden kann, ist eine Bewegung in y-Richtung möglich. Die Verriegelungsplatte wird dann starr, beispielsweise durch Kleben mit der ersten beziehungsweise letzten Zelle des Zellstapels verbunden. Die Stabilität des Zellstapels wird dadurch deutlich erhöht.
Erfindungsgemäß hat die Verriegelungsplatte vorzugsweise eine im Wesentlichen gleiche Flächendimensionierung wie die zumindest eine Batteriezelle, um die auftretenden Kräfte vollflächig aufnehmen zu können.
Diese Kraftübertragung wird insbesondere dadurch verbessert, dass die Verriegelungsplatte mit der benachbarten Batteriezelle Stoff-, form-, oder kraftschlüssig in Verbindung steht. Hierbei ist besonders bevorzugt vorgesehen, dass das Verriegelungselement mit der benachbarten Batteriezelle verklebt ist, wobei besonders bevorzugt doppelseitige Klebefolien zum Einsatz kommen.
Die Zusammenwirkung der Verriegelungsplatte mit der Endplatte erfolgt in einer bevorzugten Ausführung der Erfindung dadurch, dass das zumindest ein Führungselement der Verriegelungsplatte als Fortsatz ausgebildet ist, der zumindest formschlüssig in eine Aufnahme der Endplatte eingreift. Damit ist die Endplatte über das Führungselement, durch das erfindungsgemäße Ausgleichselement hindurch, mit der Endplatte verbunden, wobei besonders bevorzugt vorgesehen ist, dass das zumindest eine Führungselement der Verriegelungsplatte formschlüssig in die Aufnahme der Endplatte eingreift. Damit sind Verriegelungsplatte und Ausgleichselement in ihrer Position zur Endplatte fixiert und in der Folge auch die mit der Verriegelungsplatte in Verbindung stehenden Batteriezellen . Dieser Aufbau hat den Vorteil, dass insbesondere im Fall von Folienzellen, sogenannten "Pouchzellen", diese zwischen den beiden Endplatten fixiert werden, während die Verriegelungsplatte ein Verschieben der Zellen in Hinblick auf die Endplatte verhindert.
Bevorzugterweise ist hierbei vorgesehen, dass das zumindest ein Führungselement zylinderförmig mit kreisförmiger oder ovaler Basis ausgeführt ist. Alternativ hierzu kann das Führungselement auch als quaderförmiger Fortsatz ausgebildet sein. Wesentlich ist, das dieses Führungselement in eine Aufnahme der Endplatte eingreift.
Um mehrere Zellstapel oder Module zueinander anordnen zu können, ist in einer weiteren Ausführung vorgesehen, dass die Endplatte über zumindest zwei Aufnahmen verfügt, in die jeweils ein Führungselement von zwei Verriegelungsplatten anordenbar sind, wobei die Verriegelungsplatten an zwei einander gegenüberliegenden Oberflächen der Endplatte angeordnet sind . Somit fungiert die Endplatte als Verbindungselement zwischen zwei aneinandergereihte Zellstapel, wobei insbesondere vorgesehen ist, dass die Verriegelungsplatte des ersten Zellstapels beispielsweise um 180° verdreht zu der Verriegelungsplatte des zweiten Zellstapels an der verbindenden Endplatte angeordnet ist. Somit können jeweils die gleichen Verriegelungsplatten bei der Herstellung der Batterie zum Einsatz kommen, sie müssen lediglich um 180° zueinander versetzt orientiert werden.
Bei der erfindungsgemäßen wiederaufladbaren Batterie können für die Endplatten und die Verriegelungsplatten eine Vielzahl von Materialien, insbesonders aus Metall oder Kunststoff zum Einsatz kommen, während das zumindest eine Ausgleichselement aus einem elastischen Material, insbesondere aus Schaumstoff gefertigt ist.
Der Aufbau der erfindungsgemäßen Batterie hat sich insbesondere dann bewährt, wenn die zumindest eine Batteriezelle ein Pouchzelle ist.
Im Folgenden wird anhand eines nicht-einschränkenden Ausführungsbeispiels mit zugehörigen Figuren die Erfindung näher erläutert. Darin zeigt:
Fig. 1 eine explodierte Darstellung der erfindungsgemäßen Batterie in perspektivischer Ansicht; und
Fig. 2 die Batterie aus Fig . 1 im zusammengesetzten Zustand .
Fig. 1 zeigt eine Batterie 100 mit einem Zellstapel 110, der aus einzelnen Batteriezellen 111 zusammengesetzt ist, deren Zellkontakte 112 miteinander in Verbindung stehen. An der äußersten Batteriezelle l i la des Zellstapels 110 ist eine Verriegelungsplatte 120 angeordnet. Diese Verriegelungsplatte 120 verfügt über ein außermittig angeordnetes Führungselement 130, das hier als ein im Wesentlichen zylindrischer Fortsatz ausgebildet ist. Schließlich ist eine Endplatte 140 vorgesehen, sowie ein Ausgleichselement 150, das zwischen Verriegelungsplatte 120 und Endplatte 140 angeordnet ist. Hierbei weisen die Verriegelungsplatte 120, das Ausgleichselement 150 und die Endplatte 140 im Wesentlichen die gleiche Flächendimensionierung wie die Batteriezellen 111, l i la auf.
Im zusammengesetzten Zustand (Fig . 2) reicht das Führungselement 130 durch eine Ausnehmung 151 des Ausgleichselements 150 hindurch und ist in der Aufnahme 141 der Endplatte 140 formschlüssig, beispielsweise mittels Rastver- schluss, fixiert. Damit verhindert das Führungselement 130 eine Bewegung der Batteriezellen 111, l i la in x- und z-Richtung (Fig . 1), lässt aber eine Bewegung in y-Richtung, die der Dickenveränderung der Batteriezellen 111, l i la entspricht, zu.
Um ein Verdrehen der einzelnen Elemente quer zur Stapelrichtung zu vermeiden, ist eine Verdrehsicherung (nicht dargestellt) vorgesehen, die beispielsweise am Führungselement 130 und/oder an der Verriegelungsplatte 120 beispielsweise in Form eines oder mehrerer Stifte ausgebildet ist, die wiederum mit der Endplatte 140 zusammenwirken. Auf diese Weise wird eine besonders kompakter Aufbau der erfindungsgemäßen Batterie 100 erzielt, ohne dass zusätzliche über den Stapel 110 bzw. die Endplatten 140 hinausragende Fixierungsmittel wie im Stand der Technik gezeigt erforderlich sind .
Es versteht sich, dass die vorliegenden Erfindung nicht auf das oben beschriebene Ausführungsbeispiel beschränkt ist. Insbesondere kann das Führungselement unterschiedlich ausgebildet sein, seiner Form sind hierbei kaum Grenzen gesetzt.

Claims

P A T E N T A N S P R Ü C H E
1. Wiederaufladbare Batterie (100) mit zumindest einer Batteriezelle (111, l i la), vorzugsweise mit einem Zellstapel (110) aus einer Vielzahl von Batteriezellen (111, l i la), mit einem Batteriegehäuse, das zumindest eine, vorzugsweise zwei Endplatten (140) aufweist, zwischen die die zumindest eine Batteriezelle (111, l i la) anordenbar ist, dadurch gekennzeichnet, dass zwischen Verriegelungsplatte (120) und Endplatte (140) zumindest aus flexiblem Material angeordnet ist.
2. Batterie (100) nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass zwei Verriegelungsplatten (120) vorgesehen sind, die jeweils zwischen einer der Endplatten (140) und einer benachbart zu der Endplatte (140) angeordneten Batteriezelle (111, l i la) angeordnet sind .
3. Batterie (100) nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Verriegelungsplatte (120) und/oder das zumindest eine Ausgleichselement (150) im Wesentlichen die gleiche Flächendimensionierung wie die zumindest eine Batteriezelle (111, l i la) aufweisen.
4. Batterie (100) nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Verriegelungsplatte mit der benachbarten Batteriezelle (111, l i la) Stoff-, form- oder kraftschlüssig in Verbindung steht.
5. Batterie (100) nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass das zumindest eine Führungselement (130) der Verriegelungsplatte (120) als Fortsatz ausgebildet ist, der formschlüssig in eine Aufnahme der Endplatte (140) eingreift.
6. Batterie (100) nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass das zumindest eine Führungselement (130) zylinderförmig mit kreisförmiger oder ovaler Basis ausgeführt ist.
7. Batterie (100) nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass die Endplatte (140) über zumindest zwei Aufnahmen (141) verfügt, in die jeweils ein Führungselement (130) von zwei Verriegelungsplatten (120) anordenbar sind, wobei die Verriegelungsplatten (120) an zwei einander gegenüberliegenden Oberflächen der Endplatte (140) angeordnet sind .
8. Batterie (100) nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass die Endplatten (140) und die Verriegelungsplatten (120) jeweils aus Metall oder Kunststoff und das Ausgleichselement (150) aus elastischem Material, insbesondere aus Schaumstoff gefertigt sind.
9. Batterie (100) nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass die zumindest eine Batteriezelle (111, l i la) eine Pouchzelle ist.
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