DE102008059941A1

DE102008059941A1 - Batterieeinheit mit einer Mehrzahl von zylindrischen Einzelzellen

Info

Publication number: DE102008059941A1
Application number: DE102008059941A
Authority: DE
Inventors: Johann German; Jens Dr. Ing. Meintschel; Dirk Dipl.-Ing. Dr. Schröter
Original assignee: Daimler AG
Current assignee: Mercedes Benz Group AG
Priority date: 2008-12-02
Filing date: 2008-12-02
Publication date: 2010-06-10

Abstract

Die Erfindung betrifft eine Batterieeinheit mit einer Mehrzahl von zylindrischen Einzelzellen 2, wobei die zylindrischen Einzelzellen 2 in einem Zellenblock 1 in mehreren Reihen parallel nebeneinander angeordnet sind und der Zellenblock 1 in ein Gehäuse einsetzbar ist. Erfindungsgemäß befinden sich an Randflächen des Zellenblocks 1, welche sich parallel zur Achse der zylindrischen Einzelzellen 2 befinden, Kraftverteilelemente 3, die mit einer Seite formgenau an den Einzelzellen 2 anliegen, an der gegenüberliegenden Seite der Form des Gehäuses entsprechen und deren Höhe geringer als die Höhe der zylindrischen Einzelzellen 2 ist.

Description

Die Erfindung betrifft eine Batterieeinheit mit einer Mehrzahl von zylindrischen Einzelzellen, wobei die zylindrischen Einzelzellen in einem Zellenblock in mehreren Reihen parallel nebeneinander angeordnet sind und der Zellenblock in ein Gehäuse einsetzbar ist.
Derartige Batterieeinheiten sind als Antriebsquelle von Kraftfahrzeugen mit Elektroantrieb, wie Hybridkraftfahrzeugen und Elektromobile, geeignet. Die Einzelzellen sind vorzugsweise Nickel-Wasserstoff-Batterien oder Lithiumbatterien. In der Regel werden mehrere zylindrische Einzelzellen miteinander verbunden und bilden ein säulenförmiges Batteriemodul.
Nach DE 100 64 648 C2 ist eine Batterieeinheit bekannt, bei der Reihenschaltungen von zylindrischen Einzelzellen säulenartige Batteriemodule bilden, die parallel aneinander gereiht sind. Die Module sind in einem Gehäuse angeordnet, welches von Kühlluft durchströmt wird.
Ferner ist in DE 100 03 247 B4 eine Batterieanordnung beschrieben, die zum Speichern eines Kraftfahrzeugantriebsmotors geeignet ist. Die Anordnung enthält eine Vielzahl von parallel zueinander angeordneten Einzelzellen sowie ein Haltergehäuse, das die Vielzahl von Einzelzellen beherbergt, und eine Einrichtung, in der die Stromversorgungsmodule gekühlt werden, indem Luft durch das Haltergehäuse hindurchgeleitet wird. Hierzu ist das Haltergehäuse mit einem Lufteinlass auf einer Seite und mit einem Luftauslass auf der anderen Seite versehen, wobei ein Luftkanal zwischen dem Lufteinlass und dem Luftauslass gebildet ist. Das Haltergehäuse ist mit Deckgehäusen auf beiden Seiten und mit einem Zwischengehäuse zwischen den Deckgehäusen versehen, wobei die Deckgehäuse mit Zwischenlufteinlässen versehen sind.
DE 10 2004 005 393 A1 beschreibt einen elektrochemischen Energiespeicher mit Wärmetauschereinheiten und mehreren jeweils in wenigstens zwei benachbarten Reihen nebeneinander angeordneten Speicherzellen, die zwischen den Wärmetauschereinheiten angeordnet sind. Die Wärmetauschereinheiten weisen von einem Temperiermedium durchströmte Wärmeaustauscherkanäle auf. Die Wärmetauschereinheiten können mit den dazwischen angeordneten Speicherzellen in einem Batteriekasten eingesetzt werden.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine verbesserte Batterieeinheit mit einer Mehrzahl von zylindrischen Einzelzellen, wobei die zylindrischen Einzelzellen in einem Zellenblock in mehreren Reihen parallel nebeneinander angeordnet sind und der Zellenblock in ein Gehäuse einsetzbar ist, anzugeben.
Die Aufgabe wird erfindungsgemäß durch eine Anordnung gelöst, welche die im Anspruch 1 angegebenen Merkmale aufweist.
Vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung sind Gegenstand der Unteransprüche.
An den seitlichen Randflächen des Zellenblocks, also an den Randflächen, die parallel zur Achse der zylindrischen Einzelzellen liegen, sind Kraftverteilelemente angeordnet. Die Kraftverteilelemente liegen jeweils mit ihrer nach innen gerichteten Seite formformschlüssig an den sie berührenden Einzelzellen an. An der gegenüberliegenden Seite entsprechen die Kraftverteilelemente der Form des Gehäuses, in welches der Zellenblock mit den Kraftverteilelementen eingesetzt wird. Die Höhe der Kraftverteilelemente ist geringer als die Höhe der zylindrischen Einzelzellen.
Damit wird eine Batterieeinheit geschaffen, die sich durch eine hohe Stabilität bei einem Crash auszeichnet, ohne dass Bauraum und Gewicht nennenswert vergrößert werden. Dies wird dadurch erreicht, dass die Batterieeinheit vorrangig in Richtung der Crashkräfte verstärkt wird. Mit den Kraftverteilelementen wird das Batteriesystem auf geringstem Bauraum unter Einbeziehung der Stabilität der Einzelzellen und unter Beibehaltung eines leichten Gehäuses, das für sich betrachtet einem Crash nicht standhält, crashsicher gestaltet. Die Durchleitung der Kraft erfolgt im Crashfall von einem Zellenblockrand über ein Kraftverteilelement und von Zelle zu Zelle bis zum gegenüberliegenden Zellenblockrand. Dort wird die Kraft wieder von einem weiteren Kraftverteilelement aufgenommen und an das Gehäuse abgegeben. Das Gehäuse stützt sich an geeigneten Fahrzeugteilen ab. Damit ist eine bauraumoptimierte Batterieauslegung möglich, ohne schwere und Bauraum verbrauchende Gehäuseverstärkungen verwenden zu müssen.
Eine vorteilhafte Ausführung sieht vor, dass die Höhe der Kraftverteilelemente 40 bis 60%, vorzugsweise 50%, der Höhe der zylindrischen Einzelzellen beträgt. Im Crashfall werden die im Notfall weitgehend querkraftfreien Batteriezellen durch das Kraftverteilelement am Randbereich des Zellenblocks mit der durch das Gehäuse eingeleiteten Kräfte großflächig im mittleren Bereich (über ca. 50% der Zellhöhe) belastet.
Vorzugsweise sind die Kraftverteilungselemente in der Mitte der Zellhöhe angeordnet. Die Einleitung der Crashkräfte in dem mittleren Bereich der Zellen ermöglicht es, die relativ verformungssteifen Kopf- und Bodenbereiche lastfrei zu halten, da sich hier Sicherheitseinrichtungen (z. B. Ventingöffnung) oder Steuerungselektronik bzw. Kühlplatten befinden können. Diese Elemente können auch im Rahmen des Gesamtzellenblocks verschoben werden.
Bei einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung ist der Zellenblock quaderförmig ausgebildet, wobei an allen vier Seiten des Zellenblocks Kraftverteilelemente angeordnet sind. Damit können Crashkräfte in mehreren Richtungen aufgenommen werden.
Ferner ist es möglich, dass die zylindrischen Einzelzellen an ihrer Kopfseite elektrische Anschlüsse aufweisen, die durch eine Abdeckplatte geführt sind, wobei die elektrischen Anschlüsse mittels Schienen außerhalb der Abdeckplatte elektrisch verbunden sind, vorzugsweise in einer Reihenschaltung. Damit wird eine stabile und crashsichere Anordnung der elektrischen Anschlüsse gewährleistet.
Eine weitere vorteilhafte Ausgestaltung sieht vor, dass die Abdeckplatte eine Kühleinrichtung einhält, wobei ein Kühlmittel durch einen Kühlmittelzufluss der Abdeckplatte zugeführt wird und durch einen Kühlmittelabfluss die Abdeckplatte wieder verlässt. Die Verwendung einer Abdeckplatte mit Kühleinrichtung ist vorteilhaft, da eine Kühlplatte eine einfache und kostengünstige Vorrichtung zur Temperierung der Batteriezellen darstellt. Durch die Integration elektrischer Bauelemente der Batterie in die Abdeckplatte kann diese gleichzeitig als Träger für elektrische Bauelemente der Batterie verwendet werden. Dadurch werden Bauraum und Herstellungskosten der Batterie eingespart.
Eine weitere vorteilhafte Ausführung sieht vor, dass zwischen den Einzelzellen ein Zellzwischenelement angeordnet ist, dessen Form an die Form der Einzelzellen angepasst ist. Es ist auch möglich, dass mehrere Zellzwischenelemente angeordnet sind.
Durch die Zellzwischenelemente erfolgt die Durchleitung der Kraft im Crashfall von Zelle zu Zelle bis zum Zellenblockrand. Dort wird die Kraft wieder von einem Kraftverteilelement aufgenommen und an das Gehäuse abgegeben. Dabei handelt es sich um weitgehend ”schwimmend” angeordnete Zellzwischenelemente, die auch geringe Relativbewegungen der Zellen gegeneinander aufnehmen können. Als Zusatzfunktionalität kann die Wärmeabfuhr über die Zellzwischenelemente zu einer Kühlplatte genutzt werden. Ein Vorteil der Zellzwischenelemente besteht auch in der Beibehaltung des Zellabstands unter Querkraft, d. h. die Zellen haben wenig Raum um sich zu verformen und somit beschädigt zu werden. Damit wird eine weitere Stabilitätserhöhung erreicht, da sowohl die inneren Batteriekomponenten, wie Batteriezellen oder gegebenenfalls Fixierteile, die Zellzwischenelemente sowie die Kraftverteilelemente zur Stabilitätserhöhung und damit zur Verbesserung der Crashsicherheit beitragen.
Es ist zweckmäßig, dass die Höhenabmessungen der Zellzwischenelemente den Höhenabmessungen der Kraftverteilungselemente entsprechen. Damit wird eine hohe Sicherheit bei geringem Gewicht erreicht.
Ferner ist es möglich, dass als Zellzwischenelemente wellenförmig ausgebildete Wärmetauscherplatten verwendet werden, die sich formschlüssig an eine Reihe zylindrischer Einzelzellen anschließen und die von einem Temperiermedium durchströmte Wärmeaustauscherkanäle aufweisen. Bei dieser Ausführung können alle Einzelzellen gleich gekühlt werden. Wenn eine Temperaturdifferenz in den Einzelzellen entsteht, kann es leicht vorkommen, dass sich der Wirkungsgrad der Batterieeinheit verschlechtert. Bei einer Batterieeinheit, in welcher mehrere Reihen von Einzelzellen parallel nebeneinander angeordnet sind, ist es zweckmäßig, jede Einzelzelle auf gleiche Weise zu kühlen.
Eine weitere Ausführungsform sieht vor, dass als Zellzwischenelemente Stäbe verwendet werden. Damit kann eine geringe Relativbewegung der Einzelzellen gegeneinander und eine gute Wärmeableitung zu einer Kühlplatte ermöglicht werden.
Es ist auch möglich, dass an den Zellzwischenelementen Abstandshalter angeordnet sind, mit denen die Höhenlage der Zellzwischenelemente fixiert wird.
Vorteilhaft ist es, dass die Abstandshalter oben am Gehäusedeckel und/oder unten am Gehäuseboden anliegen. Damit kann mit einfachen Mitteln erreicht werden, dass die Zellzwischenelemente genau in ihrer vorbestimmten Höhenlage gehalten werden. Dies ermöglicht es eine optimale Position einzuhalten, bei der mit geringen Höhenabmessungen und damit geringem Gewicht eine maximale Crashsicherheit erreicht wird.
Weitere Vorteile, Merkmale und Einzelheiten der Erfindung werden im Folgenden anhand von Ausführungsbeispielen unter Bezugnahme auf Zeichnungen beschrieben.
Dabei zeigen:
1 eine Explosionsdarstellung einer Batterieeinheit mit quaderförmigem Zellenblock und vier Kraftverteilelementen,
2 eine perspektivische Darstellung eines Zellenblocks mit vier Kraftverteilelementen,
3 die Seitenansicht auf den in 2 dargestellten Zellenblock,
4 eine perspektivische Darstellung eines Zellenblocks mit vier Kraftverteilelementen und einem Zellzwischenelement,
5 einen Horizontalschnitt durch eine Batterieeinheit mit Stäben als Zellzwischenelemente,
6 einen Horizontalschnitt durch eine Batterieeinheit mit einem einteiligen Zellzwischenelement und
7 die perspektivische Ansicht eines einteiligen Zellzwischenelementes mit Abstandsstäben.
In 1 ist in einer Explosionsdarstellung eine Batterieeinheit gezeigt. Der quaderförmige Zellenblock 1 enthält im dargestellten Beispiel achtzehn Einzelzellen 2, die in drei Reihen zu jeweils sechs Einzelzellen 2 angeordnet sind. In den Figuren ist jeweils nur eine Einzelzelle 2 mit einem Bezugszeichen versehen. An der Kopfseite des Zellenblocks 1 befindet sich eine als Kühlplatte ausgebildete Abdeckplatte 6 mit dem Kühlmittelzulauf 7 und dem Kühlmittelablauf 8. An den vier senkrechten Randflächen des Zellenblocks 1 befindet sich seitlich jeweils ein Kraftverteilelement 3. Die Kraftverteilelemente 3 sind höhenmittig an den Einzelzellen 2 angebracht. Ihre Höhe beträgt etwa 50% der Höhe der Einzelzellen 2.
2 zeigt in einer perspektivischen Darstellung den Zellenblock 1 mit den vier Kraftverteilelementen 3 im zusammengebauten Zustand. Die Kraftverteilelemente 3 liegen formschlüssig an den Einzelzellen 2 an. In diesem Zustand wird der Zellenblock 1 passgenau in das Gehäuse eingesetzt. Der Zellenblock 1 liegt mittels der vier Kraftverteilelemente 3 fest am Gehäuse an. Damit ergibt sich eine hohe Stabilität der Gesamtanordnung, so dass Crashkräfte in verschiedenen Richtungen einer Ebene sicher aufgenommen werden können. Im Crashfall wird die Kraft von einer Gehäusewand über ein Kraftverteilelement und von Zelle zu Zelle bis zum gegenüberliegenden Zellenblockrand geleitet. Dort wird die Kraft wieder von einem weiteren Kraftverteilelement aufgenommen und an das Gehäuse abgegeben, welches sich an einem geeigneten Fahrzeugteil abstützt.
In 3 ist die Seitenansicht des Zellenblocks 1 dargestellt. Wie aus dieser Ansicht ersichtlich ist, ist der stärker gefährdete mittlere Zellenbereich von den Kraftverteilelemente 3 überdeckt. Der über den mittleren Zellenbereich liegende Kopfbereich und der unter dem mittleren Zellenbereich liegende Bodenbereich sind freigehalten, so dass in diesen weniger gefährdeten und durch die angrenzenden Bauteile Kühlplatte und Gehäuseboden geschützten freien Bereichen Zusatzbauelemente untergebracht werden können. Vorteilhaft ist dabei, dass eine definierte Deformation des Gehäuses ohne Zerstörung der Einzelzellen 2 ermöglicht wird.
4 erläutert in einer perspektivischen Darstellung die Ausführungsform eines Zellenblocks 1 mit vier Kraftverteilelementen 3, bei dem zwischen den Einzelzellen 2 ein einteiliges Zellzwischenelement 9 angebracht ist. Das Zellzwischenelement 9 füllt die zwischen den Einzelzellen 2 bestehenden Hohlräume aus. Damit wird eine kompakte Anordnung des Zellenblocks 1 erreicht, die eine hohe Stabilität gewährleistet. Es ist auch möglich, dass anstelle eines einteiligen Zellzwischenelements 9 eine Vielzahl von Zwischenelementen eingebracht wird.
5 zeigt einen Horizontalschnitt durch eine Batterieeinheit, bei der zwischen den Einzelzellen 2 zur Erhöhung der Stabilität Stäbe 10 angeordnet sind. An den Außenflächen befinden sich ebenfalls vier Kraftverteilelemente 3.
6 ist ein Horizontalschnitt durch eine Batterieeinheit, bei der sich zwischen den Einzelzellen 2 ein einteiliges Zellzwischenelement 9 befindet. Der gesamte Zellenblock 1 ist mit den vier seitlichen Kraftverteilelementen 3 passgenau in den Gehäusegrundkörper 4 eingesetzt.
In 7 ist ein Zellzwischenelement 9 dargestellt, welches an dem Abstandshalter 11 angebracht ist. Die Abstandshalter 11 ermöglichen die exakte Höhenpositionierung des Zwischenelements 9 im Gehäuse.

1: Zellenblock
2: Einzelzelle
3: Gehäusegrundkörper
4: Gehäusedeckel
5: Abdeckplatte
6: Abdeckplatte
7: Kühlmittelzufluss
8: Kühlmittelabfluss
9: Zellzwischenelement
10: Stab
11: Abstandshalter

ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

- DE 10064648 C2 [0003]
- DE 10003247 B4 [0004]
- DE 102004005393 A1 [0005]

Claims

Batterieeinheit mit einer Mehrzahl von zylindrischen Einzelzellen (2), wobei die zylindrischen Einzelzellen (2) in einem Zellenblock (1) in mehreren Reihen parallel nebeneinander angeordnet sind und der Zellenblock (1) in ein Gehäuse einsetzbar ist, dadurch gekennzeichnet, dass an Randflächen des Zellenblocks (1), welche sich parallel zur Achse der zylindrischen Einzelzellen (2) befinden, Kraftverteilelemente (3) angeordnet sind, die mit einer Seite formgenau an den Einzelzellen (2) anliegen, an der gegenüberliegenden Seite der Form des Gehäuses entsprechen und deren Höhe geringer als die Höhe der zylindrischen Einzelzellen (2) ist.
Batterieeinheit nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Höhe der Kraftverteilelemente (3) 40 bis 60% der Höhe der zylindrischen Einzelzellen (2) beträgt.
Batterieeinheit nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Kraftverteilungselemente (3) in der Mitte der Zellhöhe angeordnet sind.
Batterieeinheit nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Zellenblock (1) quaderförmig ausgebildet ist und an allen vier seitlichen Wänden des Zellenblocks (1) Kraftverteilelemente (3) angeordnet sind.
Batterieeinheit nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die zylindrischen Einzelzellen (2) an ihrer Kopfseite Anschlüsse aufweisen, die durch eine Abdeckplatte (6) geführt sind, wobei die Anschlüsse mittels Schienen außerhalb der Abdeckplatte (6) elektrisch verbunden sind.
Batterieeinheit nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Abdeckplatte (6) eine Kühleinrichtung einhält, wobei ein Kühlmittel durch einen Kühlmittelzufluss (7) der Abdeckplatte (6) zugeführt wird und durch einen Kühlmittelabfluss (8) die Abdeckplatte (6) wieder verlässt.
Batterieeinheit nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Gehäuse einen unteren Gehäusegrundkörper (4) mit einem Gehäuseboden und vier Seitenflächen aufweist, der mit einem Gehäusedeckel (5) verschließbar ist.
Batterieeinheit nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass zwischen den Einzelzellen (2) ein Zellzwischenelement (9) angeordnet ist, dessen Form an die Form der Einzelzellen (2) angepasst ist.
Batterieeinheit nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass zwischen den Einzelzellen (2) mehrere Zellzwischenelemente (9) angeordnet sind, deren Form an die Form der Einzelzellen angepasst sind.
Batterieeinheit nach Anspruch 8 oder 9, dadurch gekennzeichnet, dass die Höhenabmessungen der Zellzwischenelemente (9) den Höhenabmessungen der Kraftverteilungselemente (3) entsprechen.
Batterieeinheit nach einem der Ansprüche 8 bis 10, dadurch gekennzeichnet, dass als Zellzwischenelemente (9) wellenförmig ausgebildete Wärmetauscherplatten verwendet werden, die sich formschlüssig an eine Reihe zylindrischer Einzelzellen (2) anschließen und die von einem Temperiermedium durchströmte Wärmeaustauscherkanäle aufweisen.
Batterieeinheit nach einem der Ansprüche 9 oder 10, dadurch gekennzeichnet, dass als Zellzwischenelemente (9) Stäbe verwendet werden.
Batterieeinheit nach einem der Ansprüche 9 bis 11 Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass an den Zellzwischenelementen (9) Abstandshalter (11) angeordnet sind, mit denen die Höhenlage der Zellzwischenelemente (9) fixiert werden.
Batterieeinheit nach Anspruch 13, dadurch gekennzeichnet, dass die Abstandshalter (11) oben am Gehäusedeckel (5) und/oder unten am Boden des Gehäusegrundkörpers (4) anliegen.