WO2015003847A1 - Batteriezelle mit einem prismatischen oder zylindrischen gehäuse, batteriemodul sowie kraftfahrzeug - Google Patents

Batteriezelle mit einem prismatischen oder zylindrischen gehäuse, batteriemodul sowie kraftfahrzeug Download PDF

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Michael STEIL
Alfons Doerr
Andreas Bosch
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Robert Bosch Gmbh
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Definitions

  • Battery cell with a prismatic or cylindrical housing, battery module and motor vehicle
  • the present invention relates to a battery cell, preferably a
  • Lithium-ion battery cell with a prismatic or cylindrical housing, a battery module and a motor vehicle.
  • lithium-ion battery systems are preferably used as traction batteries because of their relatively high specific energy density, low self-discharge, and lack of memory effect.
  • the battery cells are usually prismatic, cylindrical or so-called pouch secondary cells (also called coffee bag cell).
  • FIG. 10 A common prismatic battery cell of the prior art is shown in FIG.
  • the cell 10 has a cuboid or prismatic housing 1 1, which on one side two connection terminals 12, 13 and a
  • Vent opening 14 has.
  • the construction of the battery cells to form a battery usually takes place according to a hierarchical structure in which firstly battery cells are assembled into one module and two or more modules form a subunit (subunit). Two or more Subunits then turn out the battery (battery pack), with two or more modules, the battery
  • Subunit contact connections made by screws or by welding. Also connections by means of clinching or
  • Batteries are known in which current conductors are arranged on the narrow sides of prismatic cells in such a way that they are already connected to one another in series by the stacking of the cells.
  • a battery cell preferably a battery cell
  • Lithium-ion battery cell which has a prismatic or cylindrical housing, wherein one side of two opposite sides of the housing wholly or partially on cathode potential and the second side of the two opposite sides of the housing are wholly or partially at anode potential and that from the two sides has a fully or partially protruding from the surface peripheral edge, while the opposite side has a relation to the surface wholly or partially retracted circumferential edge.
  • a rechargeable battery cell is within the scope of the invention, a rechargeable
  • Accumulator cell (secondary cell) understood.
  • the protruding from the surface edge is formed corresponding to the edge on the opposite side, so that they interlock when stacking at least two battery cells, similar to a Legostein, and thus the battery cells are fixed in position to each other.
  • the interconnection of the battery cells is therefore carried out simply by stacking the battery cells, since in this case the corresponding surfaces on anode or
  • Cathode potential can be brought into contact with each other.
  • the protruding and the retracted edge can be dimensioned such that a clamping connection between the two battery cells is given.
  • the protruding edge does not have to protrude circumferentially according to the invention. It is also possible that this is interrupted and is provided for example in prismatic cells only in the corner. The retracted edge can be formed accordingly only in sections so, however, is a partially protruding edge readily with a complete
  • the assembly costs are reduced by the battery cells according to the invention, so that, as well as by reducing the components, a cost reduction can be achieved.
  • the lying at different potential parts of the housing are electrically separated from each other by an insulator, for example in the form of a plastic part or in another suitable manner.
  • the areas with the largest area are selected in order to obtain the most space-saving cell stack possible.
  • the areas of the housing, which are at anode or cathode potential, form the connection terminals and are located in each case between said edges and have the largest possible area in order to minimize the contact resistance.
  • these areas do not have to be of identical size.
  • connection terminals are designed raised to allow a good contact.
  • a means for optimizing the contacting such as a contact pad, a contact paste or a soft metallic foil, is preferably arranged between the cells.
  • these adapter pieces can be shaped with the difference that the external connection terminals are designed for connection to conventional connectors.
  • the adapter pieces are provided with two surfaces which have a protruding edge or a retracted edge, these surfaces being arranged side by side and lying at the same potential.
  • juxtaposed battery cell stacks can be interconnected by using an adapter on one side.
  • a tap for voltage measurement is preferably per
  • Voltage level provided. That is, an electrical contact, for example, passed through the broken edge or a separate channel, is for a voltage measurement to a module controller
  • temperature sensors may be mounted on a portion of the surface of the cell housing which is encapsulated by two adjacent cells. The contacting of these temperature sensors is carried out in the same manner as in the above-described voltage measurement.
  • the battery cells are customary
  • the adapter pieces as pressure plates
  • the invention greatly simplifies the combining of cells into modules and / or to a battery pack, wherein advantageously defective cells are replaced individually, so compared to structures with non-detachable
  • This configuration according to the invention of a battery cell or the housing of a battery cell results in cost savings due to the elimination of complex joining techniques and production processes, such as a single screwing of cell connectors or welding of the cell connectors, a significantly increased mechanical stability compared to previously known connection methods and lower contact resistances between the cells. Due to the lower power loss at the cell-to-cell transition and associated lower heat generation, higher powers of the battery modules of the present invention are possible compared to prior art modules.
  • the battery cell according to the invention and the corresponding battery module can be used in all traction battery systems, in particular in lithium battery systems for vehicles.
  • Energy storage for energy networks / supply networks is also possible.
  • the subject of the present invention is also a motor vehicle having an electric drive motor for driving the motor vehicle and a battery connected or connectable to the electric drive motor, which has battery cells or modules according to the invention.
  • FIG. 1 shows a perspective view of a battery cell according to the prior art
  • FIG. 2 shows a side view of a battery cell according to the invention.
  • connection terminal 12, 13, which are raised, are arranged on one side 15 and on the opposite side 16 of the housing 11.
  • One side 15 has a circumferential edge 17 projecting from the surface, while the opposite side 16 has a peripheral edge 18 drawn in with respect to the surface.

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Abstract

Es wird eine Batteriezelle (10), vorzugsweise eine Lithium-Ionen-Batteriezelle mit einem prismatischen oder zylindrischen Gehäuse (11) bereitgestellt, bei dem eine Seite (15) von zwei gegenüberliegenden Seiten (15, 16) des Gehäuses (11) ganz oder teilweise auf Kathodenpotenzial und die zweite Seite (16) der zwei gegenüberliegenden Seiten (15, 16) des Gehäuses (11) ganz oder teilweise auf Anodenpotenzial liegen. Zudem besitzt eine von den zwei Seiten (15, 16) einen aus der Fläche ganz oder teilweise herausragenden umlaufenden Rand (17), während die gegenüberliegende Seite (16) einen gegenüber der Fläche ganz oder teilweise eingezogenen umlaufenden Rand (18) aufweist. Diese Batteriezellen (10) können durch Stapeln leicht zu Batteriemodulen zusammengefügt werden, wobei aufwendige Verbindungstechniken und Produktionsprozesse vermieden werden können. Es werden zudem ein Batteriemodul und ein Kraftfahrzeug mit einem elektrischen Antriebsmotor und einem Batteriesystem offenbart.

Description

Beschreibung
Titel
Batteriezelle mit einem prismatischen oder zylindrischen Gehäuse, Batteriemodul sowie Kraftfahrzeug
Die vorliegende Erfindung betrifft eine Batteriezelle, vorzugsweise eine
Lithium-Ionen-Batteriezelle mit einem prismatischen oder zylindrischen Gehäuse, ein Batteriemodul sowie ein Kraftfahrzeug.
Stand der Technik
Für Hybrid-Elektro- (HEV) und Elektro-Fahrzeuge (EV) werden vorzugsweise Lithium-Ionen-Batteriesysteme als Traktionsbatterien wegen ihrer relativ hohen spezifischen Energiedichte, geringen Selbstentladung und Nichtvorhandenseins eines Memory Effekts verwendet.
Zur Erzielung der zum Betrieb des Antriebsmotors geforderten Leistungs- und Energiedaten wird eine Vielzahl einzelner Batteriezellen, deren Spannung jeweils nur um ca. 4 V beträgt, in Serie oder auch parallel geschaltet, sodass sich eine Gesamtspannung eines Batteriepacks von über 450 V ergeben kann.
Bei den Batteriezellen handelt es sich üblicherweise um prismatische, zylindrische oder sogenannte Pouch-Sekundärzellen (auch coffee bag cell genannt).
Eine übliche prismatische Batteriezelle nach dem Stand der Technik ist in Figur 1 gezeigt. Die Zelle 10 weist ein quaderförmiges bzw. prismatisches Gehäuse 1 1 auf, das auf einer Seite zwei Anschlussterminals 12, 13 sowie eine
Entlüftungsöffnung 14 besitzt. Im Innenraum des Gehäuses 1 1 sind die üblichen Bestandteile einer Batteriezelle - hier nicht sichtbar - angeordnet. Der Aufbau der Batteriezellen zu einer Batterie geschieht üblicherweise nach einer hierarchischen Struktur, bei der zunächst Batteriezellen zu einem Modul zusammengesetzt werden und zwei oder mehr Module eine Untereinheit (Subunit) ausbilden. Zwei oder mehr Subunits bilden dann wiederum die Batterie (Batteriepack) aus, wobei auch zwei oder mehr Module die Batterie
(Batteriepack) bilden können.
Die Verschaltung der Zellen mit Zellverbindern ist aufwendig. Zudem müssen die Zellverbinder mechanisch robust, korrosionsbeständig, gut leitend und elastisch sein, da sich die Zellen beim Laden und Entladen mechanisch ausdehnen bzw. zusammenziehen. Üblicherweise werden Zell-, Modul- und
Subunit-Kontaktverbindungen durch Schrauben oder durch Schweißen hergestellt. Auch Verbindungen mittels Durchsetzfügen oder
Schnellkupplungselemente sind bekannt. Diese Verbindungen beinhalten einen komplexen und kostenintensiven Fertigungsprozess.
Um die Verwendung von Zellverbindern zu vermeiden, sind aus der
DE 10 2009 01 1 524 A1 Batterien bekannt, bei denen an den Schmalseiten von prismatischen Zellen Stromableiter derart angeordnet sind, dass diese bereits durch das Stapeln der Zellen miteinander in Serie geschaltet sind.
Offenbarung der Erfindung Erfindungsgemäß wird eine Batteriezelle, vorzugsweise eine
Lithium-Ionen-Batteriezelle zur Verfügung gestellt, welche ein prismatisches oder zylindrisches Gehäuse aufweist, wobei eine Seite von zwei gegenüberliegenden Seiten des Gehäuses ganz oder teilweise auf Kathodenpotenzial und die zweite Seite der zwei gegenüberliegenden Seiten des Gehäuses ganz oder teilweise auf Anodenpotenzial liegen und dass eine von den zwei Seiten einen ganz oder teilweise aus der Fläche herausragenden umlaufenden Rand aufweist, während die gegenüberliegende Seite einen gegenüber der Fläche ganz oder teilweise eingezogenen umlaufenden Rand besitzt. Unter Batteriezelle wird im Rahmen der Erfindung eine wiederaufladbare
Akkumulatorzelle (Sekundärzelle) verstanden. Der aus der Fläche herausragende Rand ist korrespondierend mit dem Rand auf der gegenüberliegenden Seite ausgebildet, sodass diese beim Stapeln von zumindest zwei Batteriezellen, ähnlich einem Legostein, ineinandergreifen und die Batteriezellen somit in ihrer Position zueinander fixiert sind.
Die Verschaltung der Batteriezellen erfolgt daher einfach durch Stapeln der Batteriezellen, da hierbei die entsprechenden Flächen auf Anoden- bzw.
Kathodenpotenzial miteinander in Kontakt gebracht werden.
Dabei können der herausragende und der eingezogene Rand derart bemessen sein, dass eine Klemmverbindung zwischen beiden Batteriezellen gegeben ist.
Der herausragende Rand muss erfindungsgemäß nicht umlaufend herausragen. Es ist auch möglich, dass dieser unterbrochen ist und beispielsweise bei prismatischen Zellen nur im Eckbereich vorgesehen ist. Der eingezogene Rand kann entsprechend nur in Teilabschnitten derart ausgeformt sein, jedoch ist ein teilweise herausragender Rand ohne Weiteres mit einem vollständig
eingezogenen Rand kombinierbar.
Vorteilhafterweise ist es mit der erfindungsgemäß ausgestalteten Batteriezelle möglich, Zellverbinder bei der Verschaltung von Batteriezellen in Serie zu vermeiden, sodass durch Reduzierung der Passivmaterialien zudem die
Energiedichte der Zelle erhöht wird.
Zudem verringert sich der Montageaufwand durch die erfindungsgemäßen Batteriezellen, sodass, wie auch durch die Reduzierung der Bauteile, eine Kosten red uktion erzielt werden kann.
Die auf unterschiedlichem Potenzial liegenden Teile des Gehäuses sind durch einen Isolator, beispielsweise in Form eines Kunststoffteils oder in anderer geeigneter Weise elektrisch voneinander getrennt.
Vorzugsweise werden als gegenüberliegende Seiten mit unterschiedlichem Potenzial die Flächen mit der größten Fläche ausgewählt, um einen möglichst raumsparenden Zellstapel zu erhalten. Die Bereiche des Gehäuses, die auf Anoden- bzw. Kathodenpotenzial liegen, bilden die Anschlussterminals aus und befinden sich jeweils zwischen den genannten Rändern und weisen eine möglichst große Fläche auf, um den Übergangswiderstand zu minimieren. Diese Bereiche müssen jedoch nicht eine identische Größe aufweisen.
Vorzugsweise sind die Anschlussterminals erhaben ausgestaltet, um eine gute Kontaktierung zu ermöglichen. Beim Aneinanderreihen der Batteriezellen wird vorzugsweise ein Mittel zur Optimierung der Kontaktierung wie ein Kontaktpad, eine Kontaktpaste oder eine weiche metallische Folie zwischen den Zellen angeordnet.
Für den Abschluss eines Zellstapels aus zumindest zwei Batteriezellen, der ein Batteriemodul bildet, sind nach einer bevorzugten Ausführungsform der
Erfindung an der ersten und an der letzten Batteriezelle Adapterstücke angeordnet, die eine Kontaktierung zu zumindest einem weiteren Batteriemodul ermöglichen.
Diese Adapterstücke können wie eine erfindungsgemäße Batteriezelle mit dem Unterschied ausgeformt sein, dass die außen liegenden Anschlussterminals zur Verbindung mit üblichen Verbindern ausgestaltet sind.
Es ist auch möglich, dass die Adapterstücke mit zwei Flächen, die einen herausragenden Rand oder einen eingezogenen Rand aufweisen, versehen sind, wobei diese Flächen nebeneinander angeordnet sind und auf dem gleichen Potenzial liegen. Damit können nebeneinander angeordnete Batteriezellstapel durch Verwendung eines Adapters an einer Seite miteinander verschaltet werden.
Weiterhin ist vorzugsweise ein Abgriff zur Spannungsmessung pro
Spannungsebene vorgesehen. Das heißt, ein elektrischer Kontakt, der beispielsweise durch den unterbrochenen Rand oder einen separaten Kanal geführt ist, ist für eine Spannungsmessung an einen Modulkontroller
angeschlossen. Auch können Temperatursensoren auf einem Teil der Fläche des Zellgehäuses angebracht sein, welcher durch zwei benachbarte Zellen eingekapselt ist. Die Kontaktierung dieser Temperatursensoren erfolgt in gleicher Weise wie bei der vorbeschriebenen Spannungsmessung.
Zur Ausbildung eines ebenfalls beanspruchten Batteriemoduls in Form von zumindest zwei Batteriezellen werden die Batteriezellen üblicherweise
miteinander verspannt, um ein Ausdehnen der Batteriezellen zu verhindern. Dabei werden erfindungsgemäß die Adapterstücke als Anpressplatten
eingesetzt, die vorzugsweise an beiden Enden eines Zellstapels angeordnet sind.
Die Erfindung vereinfacht das Kombinieren von Zellen zu Modulen und/oder zu einem Batteriepack stark, wobei vorteilhafterweise defekte Zellen einzeln ausgetauscht werden, sodass gegenüber Aufbauten mit nicht lösbaren
Verbindern deutlich Kosten gespart werden, da bei diesen stets das ganze Modul getauscht werden muss.
Durch diese erfindungsgemäße Ausgestaltung einer Batteriezelle bzw. des Gehäuses einer Batteriezelle ergeben sich eine Kostenersparnis durch den Wegfall aufwendiger Verbindungstechniken und Produktionsprozesse, wie ein einzelnes Verschrauben von Zellverbindern oder Schweißen der Zellverbinder, eine deutlich erhöhte mechanische Stabilität im Vergleich zu bisher bekannten Verbindungsverfahren sowie geringere Übergangswiderstände zwischen den Zellen. Durch die geringere Verlustleistung am Übergang von Zelle zu Zelle und eine damit verbundene geringere Wärmeentwicklung sind höhere Leistungen der erfindungsgemäßen Batteriemodule im Vergleich zu Modulen nach dem Stand der Technik möglich.
Die Gefahr von einem Kontaktverlust wird vorteilhafterweise im Vergleich zu Batteriemodulen herkömmlicher Bauart stark verringert, sodass die Sicherheit bei Einsatz der erfindungsgemäßen Batteriezellen stark erhöht ist. Gebrochene oder lose Zellverbinder der herkömmlichen Bauart können beispielsweise
Lichtbogenbildung mit allen bekannten negativen Folgen verursachen. Die bisherigen Ausführungen betreffen Batteriezellen und Batteriemodule gleichermaßen.
Die üblicherweise bei einer Batteriezelle vorgesehenen Bauteile, die zur Beschreibung der Erfindung nicht relevant sind, sind nicht explizit genannt.
Die erfindungsgemäße Batteriezelle und das entsprechende Batteriemodul können in allen Traktionsbatteriesystemen, insbesondere in Lithium- Batteriesystemen für Fahrzeuge eingesetzt werden. Eine Anwendung in
Energiespeichern für Energienetze/Versorgungsnetze ist ebenfalls möglich.
Gegenstand der vorliegenden Erfindung ist zudem ein Kraftfahrzeug mit einem elektrischen Antriebsmotor zum Antreiben des Kraftfahrzeugs und eine mit dem elektrischen Antriebsmotor verbundene oder verbindbare Batterie, die erfindungsgemäße Batteriezellen oder Module aufweist.
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 in einer perspektivischen Ansicht eine Batteriezelle nach dem Stand der
Technik, und
Figur 2 in einer Seitenansicht eine erfindungsgemäße Batteriezelle.
Bei der erfindungsgemäßen Batteriezelle 10, die in Figur 2 gezeigt wird, sind auf einer Seite 15 und auf der gegenüberliegenden Seite 16 des Gehäuses 1 1 jeweils ein Anschlussterminal 12, 13 angeordnet, die erhaben ausgebildet sind. Die eine Seite 15 weist einen aus der Fläche herausragenden umlaufenden Rand 17 auf, während die gegenüberliegende Seite 16 einen gegenüber der Fläche eingezogenen umlaufenden Rand 18 besitzt.

Claims

Ansprüche
Batteriezelle mit einem prismatischen oder zylindrischen Gehäuse (1 1 ), dadurch gekennzeichnet, dass
eine Seite (16) von zwei gegenüberliegenden Seiten (15, 16) des Gehäuses (1 1 ) ganz oder teilweise auf Kathodenpotenzial und die zweite Seite (15) der zwei gegenüberliegenden Seiten (15, 16) des Gehäuses (1 1 ) ganz oder teilweise auf Anodenpotenzial liegen und dass eine von den zwei Seiten (15, 16) einen aus der Fläche ganz oder teilweise herausragenden umlaufenden Rand (17) aufweist, während die gegenüberliegende Seite (16) einen gegenüber der Fläche ganz oder teilweise eingezogenen umlaufenden Rand (18) besitzt.
Batteriezelle nach Anspruch 1 , wobei die auf unterschiedlichem Potenzial liegenden Teile des Gehäuses (1 1 ) durch einen Isolator voneinander getrennt sind.
Batteriezelle nach Anspruch 1 oder 2, wobei die Batteriezelle (10) eine Lithium-Ionen-Batteriezelle ist.
Batteriemodul Batteriezellen (10) nach einem der Ansprüche 1 bis 3 aufweisend, die einen Batteriezellenstapel ausbilden.
Batteriemodul nach Anspruch 4, wobei zwischen den Batteriezellen (10) ein Mittel zur Optimierung der Kontaktierung angeordnet ist.
Batteriemodul nach Anspruch 4 oder 5, wobei an beiden Enden des
Batteriezellenstapels jeweils an der letzten Batteriezelle (10) Adapterstücke angeordnet sind, die einen Kontakt zum Anschluss an zumindest ein weiteres Batteriemodul aufweisen.
7. Batteriemodul nach einem der Ansprüche 4 bis 6, wobei zumindest ein elektrischer Kontakt und/oder zumindest ein Temperatursensor auf einem Teil der Fläche des Gehäuses (1 1 ) angebracht sind, welcher durch zwei benachbarte Batteriezellen (10) eingekapselt ist.
8. Kraftfahrzeug mit einem elektrischen Antriebsmotor zum Antreiben des Kraftfahrzeugs und einem mit dem elektrischen Antriebsmotor verbundenen oder verbindbaren Batteriesystem, das Batteriezellen (10) nach einem der Ansprüche 1 bis 3 oder Batteriemodule nach einem der Ansprüche 4 bis 7 aufweist.
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