WO2014040678A2

WO2014040678A2 - Einzelzelle und batterie aus einer mehrzahl von einzelzellen

Info

Publication number: WO2014040678A2
Application number: PCT/EP2013/002396
Authority: WO
Inventors: Jens Meintschel; Dirk Schröter
Original assignee: Daimler AG
Current assignee: Mercedes Benz Group AG
Priority date: 2012-09-13
Filing date: 2013-08-09
Publication date: 2014-03-20
Anticipated expiration: 2015-03-13
Also published as: DE102012018038A1; WO2014040678A3

Description

Einzelzelle und Batterie aus einer Mehrzahl von Einzelzellen

Die Erfindung betrifft eine Einzelzelle für eine Batterie nach den Merkmalen des

Oberbegriffs des Anspruchs 1. Die Erfindung betrifft weiterhin eine Batterie aus einer Mehrzahl von Einzelzellen nach den Merkmalen des Oberbegriffs des Anspruchs 5.

Aus dem Stand der Technik sind Batterien, insbesondere Hochvolt-Batterien für die Verwendung in einem Fahrzeug bekannt, die eine Vielzahl von in Reihe und/oder in Serie geschalteten Einzelzellen aufweisen. Dabei sind die Einzelzellen im Allgemeinen zusammen mit einer Steuerungs- und/oder Überwachungselektronik und einer

Kühlungsvorrichtung in einem gemeinsamen Batteriegehäuse angeordnet. Für die Einzelzellen sind verschiedene Bauformen bekannt und gebräuchlich.

Als Einzelzellen werden herkömmliche bipolare Rahmenflachzellen verwendet. Eine solche Zelle wird von zwei planaren metallischen Hüllblechen umhüllt. In einer

Ausführungsform kann mindestens eines dieser Hüllbleche in Schalenform ausgeführt sein. Die Gehäuseseitenwände sind durch einen elektrisch isolierenden Rahmen voneinander getrennt und dienen gleichzeitig als Pole der Einzelzelle zur Einleitung oder Entnahme von elektrischer Energie. Die Verlustwärme der Einzelzelle wird über die entsprechend aufgedickten Hüllbleche bzw. Gehäuseseitenwände an eine Schmalseite der Einzelzelle geleitet und an eine Kühlplatte abgegeben, die von Klimakühlmittel oder einer Kühlflüssigkeit durchströmt wird. Zur elektrischen Isolation von Hüllblech oder Gehäuseseitenwand und der metallischen Kühlplatte ist dazwischen eine Wärmeleitfolie angeordnet. Zur Verbesserung des Wärmeübergangs sind Hüllbleche oder

Gehäuseseitenwand im Bereich der Kühlplatte parallel zu dieser um 90° als Kühlfahne abgekantet. Über diesen Wärmeleitpfad ist außerdem bedarfsweise eine Beheizung der Einzelzelle, beispielsweise bei niedrigen Außentemperaturen, ermöglicht. Hierzu wird die metallische Kühlplatte z.B. von einem erwärmten Kühlmittel durchströmt.

Der elektrochemisch aktive Teil der Einzelzelle ist der Elektrodenstapel oder -Wickel, der durch Lagen aus Kathoden- und Anodenfolien gebildet wird, die jeweils durch

Separatorlagen getrennt werden. Beispielsweise werden bei einer Lithium-Ionen-Zelle beschichtete Alu- und Kupferfolien verwendet. Anoden- und Kathodenfolien sind an mindestens einem Rand unbeschichtet und ragen aus dem Elektrodenstapel fahnenartig heraus und werden miteinander zu einer Stromabieiterfahne verbunden. Die

Stromabieiterfahnen werden mit der Innenseite des Hüllblechs oder der Innenseite der Gehäuseseitenwand verbunden, um eine elektrische Koppelung zu ermöglichen.

In einer möglichen Ausführung werden die bipolaren Rahmenflachzellen durch

Verschweißung der Hüllbleche oder der Gehäuseseitenwände der im Zellblock nebeneinander angeordneten Einzelzellen elektrisch in Reihe geschaltet. Hierzu sind die Oberseiten der Hüllbleche oder der Gehäuseseitenwände mit zungenartigen

Verlängerungen versehen, die über die Hüllkontur der Einzelzelle hinausragen und beispielsweise durch ein Pressschweißverfahren verbunden werden.

Die DE 10 2007 037 416 betrifft eine elektrochemische Energiespeichereinheit, umfassend eine Mehrzahl von Flachzellen, jeweils umfassend mindestens zwei Abieiter und eine Ummantelung mit einer ersten und einer zweiten Stirnseite und einer ersten und einer zweiten flächigen Seite, wobei die Mehrzahl an Flachzellen mit ihren im

Wesentlichen parallel zueinander angeordneten flächigen Seiten stapelartig übereinander angeordnet sind, wobei die Abieiter zumindest teilweise aus der ersten und/oder zweiten Stirnseite hervortreten und zumindest ein Abieiter einer ersten Flachzelle mit zumindest einem Abieiter einer zweiten Flachzelle über zumindest ein Verbindungselement elektrisch miteinander verbunden sind, wobei zwischen den flächigen Seiten

benachbarter Flachzellen ein Rahmen angeordnet ist.

Die DE 10 2007 031 674 beschreibt eine elektrochemische Energiespeichereinheit, umfassend eine Mehrzahl von Flachzellen, jeweils umfassend mindestens zwei Abieiter und eine Ummantelung mit einer ersten und einer zweiten Stirnseite und einer ersten und einer zweiten flächigen Seite, wobei die Abieiter zumindest teilweise aus der ersten und/oder zweiten Stirnseite hervortreten und über Verbindungselemente elektrisch miteinander verbunden sind, wobei auf einer Stirnseite mehrere Verbindungselemente zu einer Baueinheit zusammengefügt sind.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine verbesserte Einzelzelle für eine Batterie und eine gegenüber dem Stand der Technik verbesserte Batterie aus einer Mehrzahl von Einzelzellen anzugeben.

Die Aufgabe wird erfindungsgemäß durch eine Einzelzelle mit den Merkmalen des Anspruchs 1 gelöst.

Hinsichtlich der Batterie wird die Aufgabe durch die im Anspruch 5 angegebenen

Merkmale gelöst.

Bevorzugte Ausgestaltungen und Weiterbildungen der Erfindung sind in den abhängigen Ansprüchen angegeben.

Bei der Einzelzelle für eine Batterie mit einem innerhalb eines Zellengehäuses

angeordneten Elektrodenstapel, wobei das Zellengehäuse aus zwei elektrisch leitenden, im Wesentlichen parallel gegenüberliegend angeordneten und schalenförmig mit einem randseitig umlaufenden Schalenflansch ausgebildeten Gehäuseseitenwänden ausgeformt ist, wobei die Schalenflansche unter Ausbildung eines Flanschbereichs stoffschlüssig miteinander verbunden und elektrisch voneinander isoliert sind, wobei Polkontaktfahnen des Elektrodenstapels elektrisch leitend mit den Gehäuseseitenwänden verbunden sind, ist erfindungsgemäß zumindest eine der Gehäuseseitenwände den Flanschbereich zumindest einer Gehäusekante des Zellengehäuses zumindest abschnittsweise überragend ausgebildet, wobei der den Flanschbereich überragende Abschnitt der Gehäuseseitenwand in Richtung eines Zellinneren und in Richtung eines Schalenbodens der Gehäuseseitenwand abgewinkelt ist und in oder an zumindest einem Abschnitt ist zumindest ein Befestigungsmittel ausgeformt. Um einen möglichst hohen

Wärmeübergang von der Einzelzelle zur Kühlplatte und/oder eine einfache elektrische und thermische Koppelung benachbarter Einzelzellen in einem Zellblock zu ermöglichen, weist zumindest eine der Gehäuseseitenwände des Zellengehäuses abschnittsweise einen den Flanschbereich hinausgehenden Abschnitt auf, der in Richtung zum

Zelleninneren abgewinkelt ist. Durch eine hieraus resultierende, gegenüber

herkömmlichen Einzelzellen vergrößerte Gehäuseoberfläche ist die Wärmeübergangsfläche ebenfalls vergrößert und somit eine verbesserte Kühlung der Einzelzellen ermöglicht. Mittels des Befestigungsmittels ist eine aufwände-, kosten- und/oder bauraumreduzierte Anordnung der Einzelzelle an einer Kühlplatte ermöglicht.

In einer möglichen Ausgestaltung der Erfindung ist die Gehäuseseitenwand an zwei gegenüberliegenden Gehäusekanten des Zellengehäuses zumindest abschnittsweise den Flanschbereich überragend ausgebildet, wobei an einem Abschnitt zumindest ein

Befestigungsmittel ausgeformt ist. Somit werden zwei gegenüberliegende

Gehäusekanten für eine Befestigung benachbarter Einzelzellen in einem Zellblock untereinander und einen Wärmeübergang und eine daraus resultierende verbesserte Wärmeableitung aus der Einzelzelle verwendet. Weiterhin ist eine Kühlplatte direkt an den Befestigungsmitteln anordenbar, so dass ein effizienter Wärmeübergang von

Zellblock zu Kühlplatte ermöglicht ist.

Vorteilhafterweise ist der den Flanschbereich überragende Abschnitt der

Gehäuseseitenwand rechtwinklig oder nahezu rechtwinklig gegenüber dem

Schalenboden abgewinkelt. Dies ermöglicht eine ebene oder nahezu ebene Fläche, an der auf einfache Art und Weise eine herkömmliche Kühlplatte anordenbar ist.

Besonders bevorzugt sind die den Flanschbereich überragenden Abschnitte benachbarter Gehäuseseitenwände unterschiedlicher Polarität korrespondierend zueinander ausgebildet. Dadurch können nebeneinander im Zellblock angeordnete Einzelzellen einfach elektrisch kontaktiert werden.

Zweckmäßigerweise ist das Befestigungsmittel als Aussparung oder als Ausformung, insbesondere als Lasche, ausgebildet. Auf diese Weise sind zahlreiche unterschiedliche Befestigungsmöglichkeiten gegeben, welche variabel an die Bauraumverhältnisse und/oder Betriebsbedingungen der Einzelzelle und des aus einer Mehrzahl von

Einzelzellen gebildeten Zellblocks anpassbar sind.

Bei der Batterie mit einer Mehrzahl elektrisch seriell und/oder parallel miteinander verbundener Einzelzellen sind die Einzelzellen erfindungsgemäß derart nebeneinander im Zellblock angeordnet, dass die den Flanschbereich überragenden, abgewinkelten

Abschnitte der Gehäuseseitenwände benachbart im Zellblock angeordneter Einzelzellen zumindest abschnittsweise einander überlappend angeordnet sind. Dabei sind die Einzelzellen, insbesondere Flachzellen, vorzugsweise dicht hintereinander angeordnet und parallel zueinander ausgerichtet. Dadurch ist eine Bauraum sparende Anordnung der Einzelzellen erreicht. Da Zellpole der Einzelzellen auf den

Gehäuseseitenwänden des Zellengehäuses liegen, sind die Einzelzellen vorzugsweise durch eine Koppelung von Gehäuseseitenwänden, die eine unterschiedliche Polarität aufweisen, elektrisch seriell miteinander verbindbar. Auf diese Weise ist eine optimale Kontaktierung der Einzelzellen im Zellblock erreichbar und eine Fertigung der Batterie erheblich erleichtert.

Weiterhin können die den Flanschbereich überragenden, abgewinkelten Abschnitte der Gehäuseseitenwände sowohl als Befestigungselement als auch als

Kontaktierungselement verwendet werden. Aufgrund dieser Ausbildung als Befestigungsund Kontaktierungselement als ein Formteil mit der jeweiligen Einzelzelle sind in besonders vorteilhafter Weise keine zusätzlichen separaten Bauteile als Befestigungsund Kontaktierungselemente erforderlich. Daraus resultiert neben einer vereinfachten Handhabbarkeit der Batterie bei deren Montage auch eine Gewichts- und

Kosteneinsparung. Auch ist eine Verkürzung der Montagezeit der Batterie erzielbar.

Die den Flanschbereich überragenden, abgewinkelten Abschnitte der Gehäuseseitenwände benachbart im Zellblock angeordneter Einzelzellen sind in ihrem

Überlappungsbereich vorteilhafterweise form-, Stoff- und/oder kraftschlüssig miteinander verbunden. Die Verbindung der abgewinkelten Abschnitte kann beispielsweise mittels Ultraschall-Schweißung erfolgen. Hierbei umgreift das Schweißwerkzeug, bestehend aus der hochfrequent bewegten Sonotrode und dem ruhenden Amboss, beide zu

verbindenden abgewinkelten Abschnitte der benachbarten Gehäuseseitenwände.

Der Zellblock ist mit zumindest einer Kühlplatte thermisch gekoppelt, wobei die Kühlplatte korrespondierend zum Zellblock ausgeformt und im Bereich der überlappend

angeordneten Abschnitte am Zellblock angeordnet ist, wobei an jeder Längsseite der Kühlplatte ein Koppelelement angeordnet ist, mittels dem eine form-, Stoff- und/oder kraftschlüssige Verbindung zwischen den Einzelzellen des Zellblocks und der Kühlplatte hergestellt ist. Bevorzugt sind die abgewinkelten und überlappend angeordneten

Abschnitte der benachbarten Gehäuseseitenwände parallel zur Kühlplatte angeordnet. Hierdurch kann die Wärme einfach und effektiv über die angrenzende Kühlplatte mit einer hohen Wärmeübergangsfläche abgeführt werden, so dass die Einzelzellen und somit die Batterie gut temperierbar sind. Weiterhin ist mittels der Befestigungsmittel der

Einzelzellen eine einfache Befestigung der Kühlplatte am Zellblock ermöglicht.

In einer ersten Ausführungsvariante sind am Koppelelement Koppelabschnitte

korrespondierend zu als Aussparung ausgebildeten Befestigungsmitteln der Einzelzelle ausgebildet, wobei die Koppelabschnitte zumindest abschnittsweise in den

entsprechenden Aussparungen der Einzelzelle angeordnet und zur Ausbildung einer form-, stoff- und/oder kraftschlüssigen Verbindung aufgeschmolzen werden. Dadurch sind keine weiteren separaten Befestigungselemente zur Koppelung von Zellblock und Kühlplatte notwendig.

In einer zweiten Ausführungsvariante sind im Koppelelement Aufnahmeabschnitte korrespondierend zu als Aussparung ausgebildeten Befestigungsmitteln der Einzelzelle ausgebildet, wobei die jeweiligen Aufnahmeabschnitte und die Aussparungen

deckungsgleich angeordnet und von einem separaten Befestigungselement unter Ausbildung einer form- und/oder kraftschlüssigen Verbindung durchdrungen sind.

In einer dritten Ausführungsvariante ist das Koppelelement mittels jeweils zumindest eines Spannelements mit dem Befestigungsmittel einer Einzelzelle gekoppelt oder ein als Ausformung ausgebildetes Befestigungsmittel der Einzelzelle umgreift das

Koppelelement seitlich und unterseitig zumindest abschnittsweise unter Ausbildung einer form- und/oder kraftschlüssigen Verbindung.

Die erfindungsgemäße Batterie, insbesondere eine Fahrzeugbatterie, ist in einem

Fahrzeug mit Hybridantrieb und/oder in einem mit Brennstoffzellen betriebenen Fahrzeug, insbesondere für ein Kraftfahrzeug zur Personenbeförderung, einsetzbar.

Ausführungsbeispiele der Erfindung werden im Folgenden anhand von Zeichnungen näher erläutert.

Dabei zeigen:

Fig. 1 schematisch eine Explosionsdarstellung einer Einzelzelle mit zwei

Gehäuseseitenwänden und einem dazwischen angeordneten Rahmen, Fig. 2 schematisch eine perspektivische Darstellung einer Einzelzelle gemäß Figur 1 ,

Fig. 3 schematisch eine Explosionsdarstellung eines Zellblocks und einer Kühlplatte mit Koppelementen in einer ersten Ausführungsform mit unverformten Koppelabschnitten,

Fig. 4 schematisch eine perspektivische Darstellung eines Zellblocks und einer

Kühlplatte mit Koppelementen in einer ersten Ausführungsform mit unverformten Koppelabschnitten,

Fig. 5 schematisch eine Schnittdarstellung eines Zellblocks und einer Kühlplatte mit

Koppelementen in einer ersten Ausführungsform mit unverformten Koppelabschnitten,

Fig. 6 schematisch eine Detaildarstellung eines Koppelements in einer ersten

Ausführungsform mit einem unverformten Koppelabschnitt,

Fig. 7 schematisch eine perspektivische Darstellung eines Zellblocks und einer

Kühlplatte mit Koppelementen in einer ersten Ausführungsform mit verformten Koppelabschnitten,

Fig. 8 schematisch eine Schnittdarstellung eines Zellblocks und einer Kühlplatte mit

Koppelementen in einer ersten Ausführungsform mit verformten

Koppelabschnitten,

Fig. 9 schematisch eine Detaildarstellung eines Koppelements in einer ersten

Ausführungsform mit einem verformten Koppelabschnitt,

Fig. 10 schematisch eine Explosionsdarstellung eines Zellblocks und einer Kühlplatte mit Koppelementen in einer zweiten Ausführungsform mit separaten Befestigungselementen,

Fig. 11 schematisch eine perspektivische Darstellung eines Zellblocks und einer

Kühlplatte mit Koppelementen in einer zweiten Ausführungsform mit separaten Befestigungselementen, Fig. 12 schematisch eine Schnittdarstellung eines Zellblocks und einer Kühlplatte mit Koppelementen in einer zweiten Ausführungsform mit separaten Befestigungselementen,

Fig. 13 schematisch eine Detaildarstellung eines Zellblocks und einer Kühlplatte mit

Koppelementen in einer zweiten Ausführungsform mit separaten Befestigungselementen,

Fig. 14 schematisch eine Explosionsdarstellung einer Kühlplatte, einer Wärmeleitfolie und der Koppelemente,

Fig. 15 eine perspektivische Darstellung einer aus einer Kühlplatte, einer

Wärmeleitfolie und den entsprechenden Koppelementen gebildeten Baueinheit,

Fig. 16 schematisch eine Explosionsdarstellung eines Zellblocks und einer Kühlplatte mit Koppelementen in einer dritten Ausführungsform mit separaten Befestigungselementen,

Fig. 17 schematisch eine perspektivische Darstellung eines Zellblocks und einer

Kühlplatte mit Koppelementen in einer dritten Ausführungsform mit separaten Befestigungselementen,

Fig. 18 schematisch eine Schnittdarstellung eines Zellblocks und einer Kühlplatte mit

Koppelementen in einer dritten Ausführungsform mit separaten

Befestigungselementen,

Fig. 19 schematisch eine Detaildarstellung eines Zellblocks und einer Kühlplatte mit

Koppelementen in einer dritten Ausführungsform mit separaten

Befestigungselementen,

Fig. 20 schematisch eine Explosionsdarstellung eines Zellblocks und einer Kühlplatte mit Koppelementen in einer vierten Ausführungsform mit separaten Spannelementen, Fig. 21 schematisch eine perspektivische Darstellung eines Zellblocks und einer

Kühlplatte mit Koppelementen in einer vierten Ausführungsform mit separaten Spannelementen,

Fig. 22 schematisch eine Schnittdarstellung eines Zellblocks und einer Kühlplatte mit

Koppelementen in einer vierten Ausführungsform mit separaten

Spannelementen,

Fig. 23 schematisch eine Detaildarstellung eines Zellblocks und einer Kühlplatte mit

Koppelementen in einer vierten Ausführungsform mit separaten

Spannelementen,

Fig. 24 schematisch eine perspektivische Darstellung einer Einzelzelle 1 mit als

Ausformung ausgebildetem Befestigungsmittel,

Fig. 25 schematisch eine Explosionsdarstellung eines Zellblocks und einer Kühlplatte mit Koppelementen in einer fünften Ausführungsform,

Fig. 26 schematisch eine perspektivische Darstellung eines Zellblocks und einer

Kühlplatte mit Koppelementen in einer fünften Ausführungsform,

Fig. 27 schematisch eine Schnittdarstellung eines Zellblocks und einer Kühlplatte mit

Koppelementen in einer fünften Ausführungsform und

Fig. 28 schematisch eine Detaildarstellung eines Zellblocks und einer Kühlplatte mit

Koppelementen in einer fünften Ausführungsform.

Einander entsprechende Teile sind in allen Figuren mit den gleichen Bezugszeichen versehen.

Figur 1 zeigt schematisch eine Explosionsdarstellung einer Einzelzelle 1 mit zwei Gehäuseseitenwänden 2, 3 und einem dazwischen angeordneten Rahmen 4.

Figur 2 zeigt schematisch eine perspektivische Darstellung einer Einzelzelle 1 gemäß Figur 1. Figur 24 zeigt schematisch eine perspektivische Darstellung einer alternativ

ausgeformten Einzelzelle 1.

Ein Zellengehäuse der Einzelzelle 1 umfasst zwei Gehäuseseitenwände 2, 3, eine erste Gehäuseseitenwand 2 und ein zweite Gehäuseseitenwand 3. Zumindest eine der Gehäuseseitenwände 2, 3 ist als eine Halbschale ausgebildet, die andere

Gehäuseseitenwand 2, 3 kann als herkömmliches, nicht dargestelltes Hüllblech, beispielsweise als eine ebene Platte, ausgebildet sein. Im Darstellungsbeispiel nach Figur 1 sind beide Gehäuseseitenwände 2, 3 schalenförmig ausgebildet. Die beiden Gehäuseseitenwände 2, 3 weisen jeweils einen randseitig umlaufenden Schalenflansch 5 auf.

Zur elektrischen Isolation ist zwischen den beiden Gehäuseseitenwänden 2, 3 der Rahmen 4 angeordnet. Der Rahmen 4 ist korrespondierend zum Schalenflansch 5 ausgebildet.

An jeder Gehäuseseitenwand 2, 3 ist innenseitig der Einzelzelle 1 ein Isolationsmittel 6 angeordnet, welches korrespondierend zur jeweiligen Gehäuseseitenwand 2, 3 ausgebildet ist. Das heißt, das Isolationsmittel 6 ist ebenfalls schalenförmig ausgeführt und weist zu den Abmessungen der Gehäuseseitenwand 2, 3 korrespondierende

Abmessungen auf, wobei das Isolationsmittel 6 die jeweilige Gehäuseseitenwand 2, 3 innenseitig der Einzelzelle 1 weitgehend vollständig bedeckt. Zur elektrischen

Kontaktierung eines Elektrodenstapel 7 mit der Gehäuseseitenwand 2, 3 weist das Isolationsmittel 6 eine Aussparung 8 auf.

Durch die schalenförmige Ausbildung der beiden Gehäuseseitenwände 2, 3 und eine daraus resultierende Beabstandung der Schalenböden 10 der Gehäuseseitenwände 2, 3 ist ein Zellinneres 9 gebildet. Innerhalb des Zellinneren 9 ist der Elektrodenstapel 7 angeordnet. Dabei entspricht der Abstand der beiden Schalenböden 10 vorzugsweise der Höhe des Elektrodenstapels 7, so dass eine kompakte Bauform der Einzelzelle 1 ermöglicht ist.

Der herkömmliche Elektrodenstapel 7 ist aus Elektrodenfolien unterschiedlicher Polarität gebildet. Die Elektrodenfolien sind mittels eines nicht näher dargestellten Separators, insbesondere einer Separatorfolie voneinander elektrisch isoliert. Einer bevorzugten Ausbildung der Erfindung zufolge ist der Elektrodenstapel 7 aus übereinander gestapelten Aluminium- und/oder Kupferfolien und/oder Folien aus einer Metalllegierung gebildet.

Die Elektrodenfolien des Elektrodenstapels 7 einer Polarität sind mit elektrischen leitfähigen Stromabieiterfahnen kontaktiert, die insbesondere mittels einer Verpressung und/oder Verschweißung zu einer Polkontaktfahne 11 zusammengefasst sind. Jeweils eine Polkontaktfahne 11 einer Polarität ist insbesondere mittels einer Verschweißung mit jeweils einer Gehäuseseitenwand 2, 3 elektrisch leitfähig verbunden, so dass die beiden Gehäuseseitenwände 2, 3 als elektrische Pole der Einzelzelle 1 dienen.

Zur Kontaktierung der Polkontaktfahne 11 mit der jeweiligen Gehäuseseitenwand 2, 3 weist das jeweilige Isolationsmittel 6 eine Aussparung 8 auf. Dabei korrespondieren die Abmessungen der Aussparung 8 mit den Abmessungen der Polkontaktfahne 11.

Darüber hinaus dienen die Gehäuseseitenwände 2, 3 als so genannte Wärmeleitbleche, mittels derer innerhalb der Einzelzelle 1 insbesondere während des Ladens und/oder Entladens entstehende Wärme abführbar ist.

Bei einer Montage der Einzelzelle 1 werden die Schalenflansche 5 der

Gehäuseseitenwände 2, 3 unter Ausbildung eines Flanschbereichs 12 stoffschlüssig miteinander verbunden und sind mittels des Rahmens 4 elektrisch voneinander isoliert. Die Verbindung der beiden Gehäuseseitenwände 2, 3 erfolgt vorzugsweise durch einen Heißsiegelvorgang. Hierbei wird der im Flanschbereich 12 angeordnete Rahmen 4 aus Kunststoff mit niedriger Schmelztemperatur in der Heißpresse partiell aufgeschmolzen. Bei Erstarrung des Rahmens 4 bei fallender Temperatur und/oder unter Druck werden die beiden Gehäuseseitenwände 2, 3 miteinander verbunden.

Zumindest eine der Gehäuseseitenwände 2, 3 ist den Flanschbereich 12 zumindest einer Gehäusekante des Zellengehäuses zumindest abschnittsweise überragend ausgebildet. Dabei ist der den Flanschbereich 12 überragende Abschnitt 13 der Gehäuseseitenwand 2, 3 in Richtung des Zellinneren 9 und in Richtung des Schalenbodens 10 der jeweiligen Gehäuseseitenwand 2, 3 abgewinkelt. Bevorzugt ist die jeweilige Gehäuseseitenwand 2, 3 an zwei gegenüberliegenden Gehäusekanten des Zellengehäuses zumindest abschnittsweise den Flanschbereich 12 überragend ausgebildet.

Besonders bevorzugt ist der den Flanschbereich 12 überragende Abschnitt 13 der jeweiligen Gehäuseseitenwand 2, 3 rechtwinklig oder nahezu rechtwinklig gegenüber dem Schalenboden 10 abgewinkelt.

In einer vorteilhaften Ausführungsform sind die den Flanschbereich 12 überragenden, abgewinkelten Abschnitte 13 benachbarter Gehäuseseitenwände 2, 3 unterschiedlicher Polarität korrespondierend zueinander ausgebildet. Beispielsweise weisen die

Abschnitte 13 einen unterschiedlichen Abstand zum jeweiligen Schalenboden 10 auf, so dass eine überlappende Anordnung der Abschnitte 13 benachbarter

Gehäuseseitenwände 2, 3 unterschiedlicher Polarität ermöglicht ist.

Zur Herstellung eines in Figur 3 dargestellten Zellblocks 14 sind die Einzelzellen 1 im dargestellten Ausführungsbeispiel elektrisch in Reihe miteinander verschaltet, wobei bei dieser Reihenschaltung eine elektrische Verbindung der Einzelzellen 1 durch eine Kontaktierung der Abschnitte 13 direkt benachbarter Einzelzellen 1 erreicht wird.

Die Einzelzellen 1 sind derart nebeneinander im Zellblock 14 angeordnet, dass die den Flanschbereich 12 überragenden, abgewinkelten Abschnitte 13 der

Gehäuseseitenwände 2, 3 benachbart im Zellblock 14 angeordneter Einzelzellen 1 zumindest abschnittsweise einander überlappend angeordnet sind. Nach der überlappenden Anordnung der abgewinkelten Abschnitte 13 der

Gehäuseseitenwände 2, 3 benachbart im Zellblock 14 angeordneter Einzelzellen 1 werden selbige in ihrem Überlappungsbereich form-, stoff- und/oder kraftschlüssig miteinander verbunden, wie in Figur 3 dargestellt.

Die Verbindung der abgewinkelten Abschnitte 13 erfolgt vorzugsweise stoffschlüssig, bevorzugt durch ein herkömmliches Pressschweißverfahren. In alternativen

Ausführungsformen kann die Verbindung formschlüssig, beispielsweise durch herkömmliches Clinchen oder Toxen, und/oder kraftschlüssig, beispielsweise durch herkömmliches Nietung oder Verschrauben, erfolgen. Die derartige Verbindung benachbarter Einzelzellen 1 ermöglicht einen elektrischen Kontakt zwischen den Einzelzellen 1 und die mechanische Bildung eines Zellblocks 14 aus mehreren Einzelzellen 1. Zur Verbesserung der mechanischen Belastbarkeit kann die Verbindung der abgewinkelten Abschnitte 13 zusätzlich an der gegenüberliegenden Gehäusekante der Zellengehäuse erfolgen.

Die Verbindung der abgewinkelten Abschnitte 13 erfolgt besonders bevorzugt mittels einer herkömmlichen Ultraschall-Schweißung. Hierbei greift das Schweißwerkzeug, bestehend aus der hochfrequent bewegten Sonotrode und dem ruhenden Amboss, seitlich in die unterhalb der Schalenflansche 5 vorhandenen Spalte. Anschließend wird die hochfrequent schwingende Sonotrode gegen den Amboss gepresst, wodurch die überlappend angeordneten abgewinkelten Abschnitte 13 aneinander gepresst werden, so dass die abgewinkelten Abschnitte 13 lokal durch Reibungswärme auf- oder anschmelzen und verpresst werden, wobei eine stoffschlüssige Verbindung ausgebildet wird.

Während des Schweißens können eine oder mehrere Schweißnähte und/oder

Schweißpunkte 15 erzeugt werden. Besonders bevorzugt wird jeweils ein

Schweißpunkt 15 an jeder Seite der benachbarten Einzelzellen 1 erzeugt.

Die in Längsrichtung des Zellblocks 14 überlappend angeordneten und abgewinkelten Abschnitte 13 ermöglichen vorteilhafterweise einen einfachen Toleranzausgleich von Einzelzellen 1 unterschiedlicher Zelldicke: So kann trotz unterschiedlicher Zelldicken, welche beispielsweise durch Fertigungstoleranzen bedingt sind, ein einheitliches

Rastermaß im Zellblock 14 eingestellt werden.

In oder an zumindest einem abgewinkelten Abschnitt 13 einer Einzelzelle 1 ist zumindest ein Befestigungsmittel 16 ausgeformt. Besonders bevorzugt ist jeweils ein

Befestigungsmittel 16 an jeder Seite der Einzelzelle 1 angeordnet.

Dabei kann das Befestigungsmittel 16 als Aussparung 17 wie in den Figuren 1 und 2 dargestellt ausgebildet sein. Eine solche Aussparung kann beispielsweise als Bohrung, Gewindebohrung, Durchgangsloch oder Langloch ausgebildet sein. Alternativ kann das Befestigungsmittel 16 als Ausformung 18 wie in Figur 24 dargestellt ausgebildet sein. Dabei kann eine solche Ausformung 18 fahnenartig, als Öse oder als Lasche ausgebildet sein.

Die in den in Längsrichtung des Zellblocks 14 überlappend angeordneten und

abgewinkelten Abschnitten 13 ausgeformten Befestigungsmittel 16 benachbarter Einzelzellen 1 sind bevorzugt deckungsgleich angeordnet.

Zur Ableitung einer während des Betriebs des Zellblocks 14 entstehenden Verlustwärme, welche insbesondere während der Lade- und Entladevorgänge entsteht, ist der

Zellblock 14 Wärme leitend mit einer Kühlplatte 19 gekoppelt.

Dabei ist der Zellblock 14 mit zumindest einer Kühlplatte 19 thermisch gekoppelt, wobei die Kühlplatte 19 korrespondierend zum Zellblock 14 ausgeformt und im Bereich der überlappend angeordneten Abschnitte 13 am Zellblock 14 angeordnet ist.

Zur Ausbildung einer form-, stoff- und/oder kraftschlüssige Verbindung zwischen den jeweiligen Einzelzellen 1 des Zellblocks 14 und der Kühlplatte 19 ist an jeder

Längsseite 22 der Kühlplatte 19 ein Koppelelement 23 angeordnet.

Da die Kühlplatte 19 vorzugsweise aus einem sehr gut wärmeleitfähigen und deshalb insbesondere aus einem metallischen Material gebildet ist, ist zwischen dem Zellblock 14 und der Kühlplatte 19 vorzugsweise ein elektrisch isolierendes und wärmeleitfähiges Material, im dargestellten Ausführungsbeispiel eine Wärmeleitfolie 20, eingebracht.

Die Kühlplatte 19 weist in einem Inneren Kanäle 21 auf, welche von einem Kühlmedium durchströmt werden. Dabei ist die Kühlplatte 19 für eine hohe Wärmeabgabe

vorzugsweise von einem Kühlmedium, beispielsweise einem Kältemittel einer

Fahrzeugklimaanlage, durchströmbar, wobei die Kühlplatte 19 entsprechende

Anschlusselemente 24 zur Einbindung in einen derartigen Kühlkreislauf aufweist.

Die Kühlplatte 19 ist im Bereich der abgewinkelten Abschnitte 13 der Einzelzellen 1 am Zellblock 14 angeordnet und thermisch mit den Abschnitten 13 gedoppelt. In den dargestellten Ausführungsbeispielen ist die Kühlplatte 19 an der Unterseite des

Zellblocks 14 angeordnet. In einer nicht dargestellten Ausführungsform kann eine zweite Kühlplatte 19 zusätzlich oder separat oberseitig am Zellblock 14 angeordnet werden.

Die Figuren 3 bis 6 zeigen schematisch verschiedene Darstellungen eines Zellblocks 14 und einer Kühlplatte 19 mit Koppelementen 23 in einer ersten Ausführungsform mit unverformten Koppelabschnitten 25.

In dieser Ausführungsvariante sind am Koppelelement 23 Koppelabschnitte 25 korrespondierend zu als Aussparung 17 ausgebildeten Befestigungsmitteln 16 der Einzelzelle 1 ausgebildet. Bei der Montage werden die stiftförmigen Koppelabschnitte 25 zumindest abschnittsweise in den entsprechenden Aussparungen 17 der Einzelzelle 1 angeordnet.

Zum Ausgleich von Toleranzen in Längsrichtung des Zellblocks 14 sind die

Aussparungen 17 bevorzugt als Langloch ausgebildet.

Die Aussparungen 17 von benachbart im Zellblock 14 angeordneten Einzelzellen 1 sind deckungsgleich übereinander angeordnet.

Das Koppelelement 23 ist aus einem elektrisch isolierenden Kunststoff gebildet.

An jeder der beiden Längsseiten 22 der Kühlplatte 19 ist jeweils ein Koppelelement 23 als Leiste mit im Wesentlichen u-förmigen Querschnitt angespritzt. Auf Grund dieser Ausformung umgreift das Koppelelement 23 Kühlplatte 19 randseitig formschlüssig.

In nicht dargestellten Ausführungsvarianten kann das Koppelelement 23 an die

Kühlplatte 19 geclipst oder geklebt werden.

Oberseitig sind am Koppelelement 23 stift- oder zapfenförmige Koppelabschnitte 25 einstückig ausgeformt. Diese Koppelabschnitte 25 greifen abschnittsweise in die entsprechenden Aussparungen 17 ein.

Der die Aussparungen 17 überragende Teil der Koppelabschnitten 25 wird jeweils durch einen Nietvorgang pilzförmig zu einem Nietkopf 26 erweitert, so dass eine formschlüssige Verbindung ausgebildet ist. Der Nietvorgang erfolgt bevorzugt als Warmnietung durch partielle Aufschmelzung des jeweiligen Koppelabschnitts 25 mit einem beheizten Stempel oder durch Ultraschall- Nietung, wo der Koppelabschnitt 25 durch Eintrag von hochfrequenten Schwingungen mit einer Sonotrode erwärmt, partiell aufgeschmolzen und verformt wird.

Das leistenförmige Koppelelement 23 weist einen Absatz 27 auf, mittels dessen Höhe eine definierte Verpressung der Wärmeleitfolie 20 zwischen Kühlplatte 19 und

Zellblock 14 einstellbar ist.

Darüber hinaus ragt das Koppelelement 23 abschnittsweise unter den Rand der

Wärmeleitfolie 20, so dass hier zwischen Kühlplatte 14 und Wärmeleitfolie 20 die zur elektrischen Isolation erforderliche Luft- und Kriechstrecke zwischen Einzelzelle 1 und Kühlplatte 14 ausgebildet werden.

Die Figuren 7 bis 9 zeigen schematisch verschiedene Darstellungen des Zellblocks 14 und der Kühlplatte 19 mit Koppelementen 23 in der ersten Ausführungsform mit abschnittsweise zu Nietköpfen 26 verformten Koppelabschnitten 25.

Die Figuren 10 bis 13 zeigen schematisch verschiedene Darstellungen eines Zellblocks 14 und einer Kühlplatte 19 mit Koppelementen 23 in einer zweiten Ausführungsform mit separaten Befestigungselementen 28.

In dieser Ausführungsvariante sind im Koppelelement 23 Aufnahmeabschnitte 29 korrespondierend zu als Aussparung 17 ausgebildeten Befestigungsmitteln 16 der Einzelzelle 1 ausgebildet. Bei der Montage werden die jeweiligen Aufnahmeabschnitte 29 und die Aussparungen 17 deckungsgleich übereinander angeordnet und von jeweils einem separaten Befestigungselement 28 unter Ausbildung einer form- und/oder kraftschlüssigen Verbindung durchdrungen.

Zum Ausgleich von Toleranzen in Längsrichtung des Zellblocks 14 sind die

Aussparungen 17 bevorzugt als Langloch ausgebildet.

Die Aussparungen 17 von benachbart im Zellblock 14 angeordneten Einzelzellen 1 sind deckungsgleich übereinander angeordnet. Das Koppelelement 23 ist aus einem elektrisch isolierenden Kunststoff gebildet.

Das Befestigungselement 28 ist beispielsweise als herkömmliche selbstfurchende Schraube ausgebildet. Bei Verwendung von selbstfurchende Schrauben als

Befestigungselemente 28 sind die Aufnahmeabschnitte 29 als Durchgangslöcher ausgebildet.

Bei Verwendung herkömmlicher Schrauben ohne selbstfurchende Eigenschaft können die Aufnahmeabschnitte 29 als Gewindebohrung ausgebildet sein.

In nicht dargestellten Ausführungsvarianten kann das Koppelelement 23 an die

Kühlplatte 19 geclipst oder geklebt werden.

Ein Schraubenkopf 30 des Befestigungselements 28 presst oberseitig auf den

abgewinkelten Abschnitt 13 und diesen an das Koppelelement 23 und die

Wärmeleitfolie 20.

Durch die elektrische Abkoppelung von metallischer Kühlplatte 19 und

Befestigungselement 28, kann dieses aus belastbarem Metall ausgeführt werden und spannungsführend sein.

Figur 14 zeigt schematisch eine Explosionsdarstellung einer Kühlplatte 19, einer

Wärmeleitfolie 20 und der längsseitigen Koppelemente 23.

Figur 15 zeigt schematisch eine perspektivische Darstellung einer aus einer Kühlplatte 19, einer Wärmeleitfolie 20 und den entsprechenden längsseitigen Koppelementen 23 gebildeten Baueinheit.

Dabei können im randseitig an der Kühlplatte 19 ausgebildeten Aufnahmebereich 31 für die Koppelemente 23 halb- oder teilkreisförmige Auskerbungen 32 ausgebildet sein, um eine Kontaktierung zwischen Befestigungselement 28 und Kühlplatte 19 zu vermeiden. Die Figuren 16 bis 19 zeigen schematisch verschiedene Darstellungen eines Zellblocks 14 und einer Kühlplatte 19 mit Koppelementen 23 in einer dritten Ausführungsform mit separaten Befestigungselementen 28.

Diese Ausführungsform entspricht im Wesentlichen der Ausführungsform gemäß den Figuren 10 bis 13 mit dem Unterschied, dass die Befestigungselemente 28 unterseitig in die Koppelemente 23 eingeschraubt werden. Dabei ist der jeweilige

Aufnahmeabschnitt 29 im Koppelement 23 endseitig derart erweitert, dass der

Schraubenkopf des Befestigungselements 28 versenkt in der entsprechenden

Erweiterung 33 angeordnet ist.

Die Figuren 20 bis 23 zeigen schematisch verschiedene Darstellungen eines

Zellblocks 14 und einer Kühlplatte 19 mit Koppelementen 23 in einer vierten

Ausführungsform mit separaten Spannelementen 34.

In dieser Ausführungsvariante ist das Koppelelement 23 mittels jeweils zumindest eines Spannelements 34 mit dem Befestigungsmittel 16 einer Einzelzelle 1 gekoppelt.

Dabei ist das Spannelement 34 als metallische Klammer oder Bügel ausgebildet, welche an einem ersten Ende 35 verrundet ausgebildet ist und an einem gegenüberliegenden zweiten Ende 36 einen Hebelarm ausbildet, welcher eine Haltekraft in den abgewinkelten Abschnitts 13 der jeweiligen Einzelzelle 1 einleitet.

Das Spannelement 34 weist bevorzugt federnde Eigenschaften auf, welche einen Ausgleich von Toleranzen und Setzverlusten zwischen Zellblock 14 und Kühlplatte 19 ermöglichen.

Unterseitig der Kühlplatte 19 kann am Koppelelement 23 ein Hinterschnitt 37 ausgeformt sein. Dieser Hinterschnitt 37 ist korrespondierend zum verrundeten ersten Ende 35 des Spannelements 34 ausgebildet und ermöglicht eine formschlüssige Verklammerung des Spannelements 34 am Koppelelement 23.

Die Figuren 25 bis 28 zeigen schematisch verschiedene Darstellungen eines

Zellblocks 14 und einer Kühlplatte 19 mit Koppelementen 23 in einer fünften

Ausführungsform. In dieser Ausführungsvariante umgreift ein als fahnenartige Ausformung 18 ausgebildetes Befestigungsmittel 16 der Einzelzelle 1 das Koppelelement 23 seitlich und unterseitig zumindest abschnittsweise unter Ausbildung einer form- und/oder kraftschlüssigen Verbindung.

Während der Montage werden die fahnenartigen Ausformungen 18 der Einzelzellen 1 eines Zellblocks 14 in der dargestellten Weise um das jeweilige Koppelelement 23 gebogen.

Dabei kann am Koppelelement 23 unterseitig der Kühlplatte 19 ein Hinterschnitt 37 ausgeformt sein. In diesen Hinterschnitt 37 greift die umgebogene, derart

korrespondierend ausgeformte Ausformung 18 der Einzelzelle 1 formschlüssig ein und ermöglicht derart eine Verklammerung der jeweiligen Einzelzelle 1 mit dem

Koppelelement 23.

Claims

Patentansprüche

Einzelzelle (1 ) für eine Batterie mit einem innerhalb eines Zellengehäuses angeordneten Elektrodenstapel (7), wobei das Zellengehäuse aus zwei elektrisch leitenden, im Wesentlichen parallel gegenüberliegend angeordneten und schalenförmig mit einem randseitig umlaufenden Schalenflansch (5) ausgebildeten Gehäuseseitenwänden (2, 3) ausgeformt ist, wobei die Schalenflansche (5) unter Ausbildung eines Flanschbereichs (12) stoffschlüssig miteinander verbunden und elektrisch voneinander isoliert sind, wobei Polkontaktfahnen (11 ) des

Elektrodenstapels (7) elektrisch leitend mit den Gehäuseseitenwänden (2, 3) verbunden sind,

dadurch gekennzeichnet, dass

zumindest eine der Gehäuseseitenwände (2, 3) den Flanschbereich (12) zumindest einer Gehäusekante des Zellengehäuses zumindest abschnittsweise überragend ausgebildet ist, wobei der den Flanschbereich (12) überragende Abschnitt (13) der Gehäuseseitenwand (2, 3) in Richtung eines Zellinneren (9) und in Richtung eines Schalenbodens (10) der Gehäuseseitenwand (2, 3) abgewinkelt ist und in oder an zumindest einem abgewinkelten Abschnitt (13) zumindest ein

Befestigungsmittel (16) ausgeformt ist.

Einzelzelle (1 ) nach Anspruch 1 ,

dadurch gekennzeichnet, dass

die Gehäuseseitenwand (2, 3) an zwei gegenüberliegenden Gehäusekanten des Zellengehäuses zumindest abschnittsweise den Flanschbereich (12) überragend ausgebildet ist, wobei am jeweiligen abgewinkelten Abschnitt (13) zumindest ein Befestigungsmittel (16) ausgeformt ist. Einzelzelle (1 ) nach Anspruch 1 oder 2,

dadurch gekennzeichnet, dass

der den Flanschbereich (12) überragende, abgewinkelte Abschnitt (13) der Gehäuseseitenwand (2, 3) rechtwinklig oder nahezu rechtwinklig gegenüber dem Schalenboden (10) abgewinkelt ist und die den Flanschbereich (12) überragenden, abgewinkelten Abschnitte (13) benachbarter Gehäuseseitenwände (2, 3) unterschiedlicher Polarität korrespondierend zueinander ausgebildet sind.

Einzelzelle (1) nach einem der vorherigen Ansprüche,

dadurch gekennzeichnet, dass

das Befestigungsmittel (16) als Aussparung (17) oder als Ausformung (18), insbesondere als Lasche, ausgebildet ist.

Batterie mit einer Mehrzahl elektrisch seriell und/oder parallel miteinander verbundener Einzelzellen (1 ) nach einem der Ansprüche 1 bis 4,

dadurch gekennzeichnet, dass

die Einzelzellen (1 ) derart nebeneinander im Zellblock (14) angeordnet sind, dass die den Flanschbereich (12) überragenden, abgewinkelten Abschnitte (13) der Gehäuseseitenwände (2, 3) benachbart im Zellblock (14) angeordneter

Einzelzellen (1) zumindest abschnittsweise einander überlappend angeordnet sind.

Batterie nach Anspruch 5,

dadurch gekennzeichnet, dass

die den Flanschbereich (12) überragenden, abgewinkelten Abschnitte (13) der Gehäuseseitenwände (2, 3) benachbart in einem Zellblock (14) angeordneter Einzelzellen (1 ) in ihrem Überlappungsbereich form-, Stoff- und/oder kraftschlüssig miteinander verbunden sind.

7. Batterie nach einem der vorherigen Ansprüche,

dadurch gekennzeichnet, dass

der Zellblock (14) mit zumindest einer Kühlplatte (19) thermisch gekoppelt ist, wobei die Kühlplatte (19) korrespondierend zum Zellblock (14) ausgeformt und im Bereich der überlappend angeordneten Abschnitte (13) am Zellblock (14) angeordnet ist, wobei an jeder Längsseite (22) der Kühlplatte (19) ein Koppelelement (23) angeordnet ist, mittels dem eine form-, stoff- und/oder kraftschlüssige Verbindung zwischen den Einzelzellen (1 ) des Zellblocks (14) und der Kühlplatte (19) hergestellt ist.

8. Batterie nach Anspruch 7,

dadurch gekennzeichnet, dass

am Koppelelement (23) Koppelabschnitte (25) korrespondierend zu als

Aussparung (17) ausgebildeten Befestigungsmitteln (16) der Einzelzelle (1 ) ausgebildet sind, wobei die Koppelabschnitte (25) zumindest abschnittsweise in den entsprechenden Aussparungen (17) angeordnet und nach der Montage zur

Ausbildung einer form-, stoff- und/oder kraftschlüssigen Verbindung zu einem Nietkopf (26) aufgeschmolzen sind.

9. Batterie nach Anspruch 7,

dadurch gekennzeichnet, dass

im Koppelelement (23) Aufnahmeabschnitte (29) korrespondierend zu als

Aussparung (17) ausgebildeten Befestigungsmitteln (16) der Einzelzelle (1 ) ausgebildet sind, wobei die jeweiligen Aufnahmeabschnitte (29) und die

Aussparungen (17) deckungsgleich angeordnet und von jeweils einem separaten Befestigungselement (28) unter Ausbildung einer form- und/oder kraftschlüssigen Verbindung durchdrungen sind.

10. Batterie nach Anspruch 7,

dadurch gekennzeichnet, dass

das Koppelelement (23) mittels jeweils zumindest eines Spannelements (34) mit dem Befestigungsmittel (16) einer Einzelzelle (1) gekoppelt ist oder dass ein als Ausformung (18) ausgebildetes Befestigungsmitteln (16) der Einzelzelle (1 ) das Koppelelement (23) seitlich und unterseitig zumindest abschnittsweise unter Ausbildung einer form- und/oder kraftschlüssigen Verbindung umgreift.