Die Erfindung betrifft eine Batterie, insbesondere eine Lithium-Ionen-Batterie für ein Fahrzeug, insbesondere eine Batterie für ein Fahrzeug mit Hybridantrieb oder ein Brennstoffzellenfahrzeug, nach den Merkmalen des Oberbegriffs des Anspruchs 1.

Nach dem Stand der Technik sind Batterien bekannt, in denen eine Mehrzahl von in Serie und/oder parallel geschalteten Einzelzellen angeordnet sind und einen Zellblock bilden. Dieser Zellblock muss gekühlt werden, um die entstehende Verlustwärme der Einzelzellen abzuführen. Dies erfolgt durch Flüssigkeitskühlung oder durch Kühlung mittels vorgekühlter Luft, die direkt zwischen die Einzelzellen geleitet wird. Aus Bauraumgründen findet vorzugsweise die Flüssigkeitskühlung Anwendung. Bei dieser Lösung ist am Zellblock eine von Kältemittel durchströmte Kühlplatte angeordnet. In Längsrichtung der Einzelzelle wird die Wärme entweder durch separate Kühlstäbe oder durch die gleichmäßig oder bauraumsparend am Umfang partiell aufgedickte Zellwand der Einzelzellen zur Kühlplatte geleitet. Die wärmetechnische Anbindung der Einzelzellen an die Kühlstäbe erfolgt Stoff- und formschlüssig durch Vergussmasse. Die Vergussmasse übernimmt gleichzeitig die elektrische Isolation und fixiert die Einzelzellen im Zellverbund.

Aus dieser Konstruktion ergeben sich Nachteile durch auftretende mechanische Spannungen im Zellblock, die durch unterschiedliche Wärmedehnungen von Einzelzellen und Vergussmasse sowie unterschiedliche Temperaturniveaus entstehen. Durch diese auftretenden Kräfte lösen sich die Einzelzellen nach einiger Zeit aus der Vergussmasse, so dass der Zusammenhalt des Zellblocks nicht mehr sichergestellt ist.

Ein weiterer Nachteil besteht in der Positionierung der Einzelzellen gegenüber der Kühlplatte. Diese wird durch die Genauigkeit der Vergussvorrichtung vor der endgültigen Montage beeinflusst. Zwischen den Einzelzellen und der Kühlplatte entsteht ein fertigungsbedingter Spalt, dessen Ausdehnung abhängig von den Herstellungstoleranzen der Vergussvorrichtung variabel ist.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Batterie mit einer verbesserten Befestigung der Einzelzellen anzugeben.

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

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

Eine Mehrzahl von in Serie und/oder parallel miteinander verschalteten Einzelzellen sind in einer Batterie, insbesondere einer Lithium-Ionen-Batterie, angeordnet. Erfindungsgemäß sind die Einzelzellen an einem der Enden in Aussparungen einer Halteplatte frei angeordnet und am gegenüberliegenden Ende fixiert.

Aufgrund der Fixierung der Einzelzellen an einem Ende und der freien Anordnung der anderen Enden der Einzelzellen in Aussparungen einer Halteplatte sind die Einzelzellen sicher im Batteriegehäuse befestigt. Gleichzeitig wird aber eine Wärmedehnung der Einzelzellen in axialer Richtung in den Aussparungen der Halteplatte ermöglicht. Da die Fixierung der Einzelzellen am Polende vorzugsweise an einer Kühlplatte erfolgt, wird auf diese Weise auch eine gegenüber dem Stand der Technik optimierte Wärmeableitung von Einzelzellen auf die Kühlplatte erreicht, da kein in Abhängigkeit von Toleranzen variabler fertigungsbedingter Spalt zwischen Einzelzellen und Kühlplatte entsteht. Auch der Einsatz von höhentoleranzausgleichenden Zellverbindern ist nicht mehr nötig, da die Wärmedehnung der Zellen in axialer Richtung vollständig in Richtung Gehäuseboden der Batterie erfolgt.

Auch die aus dem Stand der Technik bekannten Beschädigungen an Batterieteilen, insbesondere Vergussmasse, die nach einiger Betriebszeit infolge von mechanischen Spannungen zwischen den Einzelzellen und anderen Batterieteilen, insbesondere Vergussmasse, aufgrund unterschiedlicher Wärmedehnungen und Temperaturniveaus auftreten, werden durch eine erfindungsgemäße Anordnung vermieden.

Durch die Anordnung der Einzelzellen in den Aussparungen der Halteplatte bereits vor der Batteriemontage können die Einzelzellen während der Montage problemlos mit dem anderen Ende an die Kühlplatte geschoben und dort danach befestigt werden, da eine axiale Verschiebung der Einzelzellen in der Halteplatte möglich ist. Dies erleichtert die Montage der Batterie.

Die Halteplatte ist derart ausgeformt, dass mehrere Aussparungen in Reihe und mehrere Reihen von Aussparungen parallel in jeweils um eine halbe Aussparung versetzter Reihenfolge angeordnet sind und so eine Wabenstruktur der Halteplatte gebildet wird. Diese Anordnung der Aussparungen erhöht die Packungsdichte der darin angeordneten Einzelzellen, was zu einer Reduktion des Bauraumbedarfs der Batterie führt, was insbesondere beim Einsatz der Batterie in Fahrzeugen erwünscht ist.

Werden Einzelzellen verwendet, bei denen Zelldeckel oder Ummantelung einen Polkontakt bilden, dient die Halteplatte auch als elektrisch isolierender Abstandshalter zwischen den Einzelzellen.

In jeweils eine dieser Aussparungen in der Halteplatte ist jeweils eine Einzelzelle in vertikaler Richtung so angeordnet, dass die Einzelzellen mit ihrer Längsachse parallel zueinander in dieser Halteplatte angeordnet sind. Dadurch ist während der Montage eine vertikale Verschiebung der Einzelzellen in Richtung Kühlplatte möglich, was die Fertigung der Batterie vereinfacht und die spaltfreie Anbindung und Fixierung eines Endes der Einzelzellen an die Kühlplatte ermöglicht.

Die Ausformungen der Aussparungen der Halteplatte korrespondieren vorzugsweise mit Ausformungen einer Ummantelung der Einzelzellen. Ist die Ummantelung der Einzelzellen zylinderförmig, so enthält die Halteplatte runde Aussparungen, deren Durchmesser dem Querschnitt der Ummantelung der Einzelzellen entsprechen.

Sind die Einzelzellen vieleckig, zum Beispiel achteckig oder prismenförmig, so korrespondieren die Aussparungen der Halteplatte in Ausformung und Abmessung ebenfalls mit diesen den Außenabmessungen und Formen der Einzelzellen.

In einer möglichen weiteren Ausführungsform, in der die Ummantelung der Einzelzellen zur besseren Ableitung der Verlustwärme partiell aufgedickt ist, sind die Aussparungen in der Halteplatte derart ausgeformt, dass sie mit den Konturen der Ummantelung der Einzelzellen korrespondieren. Auf diese Weise sind die Einzelzellen stabil gegen radiale Lageveränderungen und Drehbewegungen gelagert. Auf der Polseite der Einzelzellen ist vorzugsweise die Kühlplatte angeordnet. Diese Kühlplatte ist mit Ausnehmungen für eine Durchführung der Zellpole der Einzelzellen versehen.

Die Einzelzellen liegen auf der Polseite an der Kühlplatte fest fixiert an. Auf diese Weise ist eine gute wärmetechnische Anbindung der Einzelzellen an die Kühlplatte sichergestellt, so dass die Verlustwärme der Einzelzellen optimal abgeführt werden kann. In einer weiteren Ausführungsform kann zwischen der Polseite der Einzelzellen und der Kühlplatte zur weiteren Verbesserung der wärmetechnischen Anbindung eine Wärmeleitfolie angeordnet sein.

Die Ausnehmungen der Kühlplatte korrespondieren vorzugsweise mit den Abmessungen der Zellpole der Einzelzellen. An der Oberseite der Kühlplatte sind darüber hinaus Zellverbinder angeordnet. Durch diese Zellverbinder, die auf die durch die Ausnehmungen der Kühlplatte hindurchgeführten Zellpole der Einzelzellen aufgesetzt sind, sind die Einzelzellen seriell und/oder parallel miteinander verbunden und an der Kühlplatte befestigt.

Durch die mit den Abmessungen der Zellpole korrespondierenden Ausnehmungen in der Kühlplatte sowie die mit den Ausformungen der Ummantelung der Einzelzellen korrespondierenden Aussparungen in der Halteplatte sind die Einzelzellen mit Kühlplatte und Halteplatte formschlüssig verbunden und gegenüber radialen Bewegungen sowie Drehbewegungen fixiert.

Mit anderen Worten: Halteplatte und Kühlplatte stützen die eingeschobenen Einzelzellen gegen seitliche Bewegungen. Gegen Drehbewegungen sind die Einzelzellen zumindest dadurch gesichert, dass die Konturen der Ausnehmungen für die Polkontakte in der Kühlplatte nicht rund sind, sondern mit den Außenkonturen der Polkontakte korrespondieren und entsprechend formschlüssig an diesen anliegen. Dadurch ist eine Drehbewegung der Polkontakte und damit der Einzelzellen nicht mehr möglich. Sind die Einzelzellen nicht in runder Ausführungsform, sondern zum Beispiel vieleckig, oder ist die Ummantelung der Einzelzellen partiell aufgedickt, wird auch durch die Halteplatte eine Drehbewegung der Einzelzellen verhindert, da die Innenkonturen der Aussparungen in der Halteplatte mit den Außenkonturen der Einzelzellen korrespondieren und formschlüssig an den Einzelzellen anliegen. Die Halteplatte, die darin angeordneten Einzelzellen, die an der Polseite der Einzelzellen angeordnete Kühlplatte sowie die Zellverbinder sind als eine integrierte Baueinheit in einem Batteriegehäuse angeordnet.

Das Batteriegehäuse ist zweckmäßigerweise mit einem Gehäusedeckel von oben und mit einem Gehäuseboden von unten verschlossen. Dabei ist zwischen Gehäuseboden und Bodenteil der Einzelzellen ein Freiraum gebildet. In diesen Freiraum hinein können sich die Einzelzellen in axialer Richtung wärmebedingt ausdehnen, ohne dabei beschädigt zu werden oder andere Teile der Batterie zu beschädigen.

Die Batterie eignet sich insbesondere als Fahrzeugbatterie, insbesondere als Batterie für ein Fahrzeug mit Hybridantrieb oder ein Brennstoffzellen-Fahrzeug.

Die mit der Erfindung erzielten Vorteile bestehen insbesondere darin, dass die sichere Befestigung der Einzelzellen auf Dauer sichergestellt werden kann, da sie sicher im Bereich der Zellpole an der Kühlplatte befestigt sind und durch die Halteplatte radiale Bewegungen der Einzelzellen verhindert werden. Durch den Freiraum zwischen Bodenbereich der Einzelzellen und Gehäuseboden wird eine Wärmedehnung der Einzelzellen ermöglicht, ohne dass dabei mechanische Spannungen zwischen Einzelzellen und anderen Batterieteilen aufgrund unterschiedlicher Wärmedehnungen und Temperaturniveaus verschiedener Teile (z. B. Vergussmasse) auftreten oder die Einzelzellen oder andere Teile der Batterie beschädigt werden.

Durch die Befestigung der Einzelzellen an der Kühlplatte wird ein guter Kontakt der Einzelzellen mit der Kühlplatte hergestellt und so die Wärmeübertragung in die Kühlplatte verbessert. Die lose oder freie Halterung der Einzelzellen in den Aussparungen der Halteplatte, die zwar eine radiale Bewegung der Einzelzellen verhindert, aber eine axiale Bewegung der Einzelzellen zulässt, bietet als weiteren Vorteil, die Einzelzellen während der Batteriemontage axial auf die Kühlplatte zu verschieben, so dass die Einzelzellen mit ihrer Polseite auf der Kühlplatte trotz hoher Fertigungstoleranzen spaltfrei zum Anliegen kommen.

Durch die sichere Befestigung der Einzelzellen an der Polseite entfällt auch der Einsatz von höhentoleranzausgleichenden Zellverbindern, da die Wärmedehnung der Einzelzellen nun ausschließlich in Richtung des Bodens der Einzelzelle bzw. in Richtung des Gehäusebodens der Batterie erfolgt. Ausführungsbeispiele der Erfindung werden anhand von Zeichnungen näher erläutert.

Dabei zeigen:

Fig. 1 eine perspektivische Darstellung einer Batterie von unten,

Fig. 2 eine Explosionsdarstellung einer Batterie,

Fig. 3 eine perspektivische Darstellung einer Batterie von oben,

Fig. 4 eine Darstellung einer Batterie von unten,

Fig. 5 eine Schnittdarstellung einer Batterie entsprechend der in Figur 4 dargestellten Schnittlinie V-V,

Fig. 6 eine Explosionsdarstellung einer Batterie mit Gehäusedeckel und

Gehäuseboden.

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

Figur 1 zeigt eine perspektivische Darstellung einer Batterie 1 von unten. Eine Mehrzahl von Einzelzellen 2 sind in einer Halteplatte 3 angeordnet und mit dieser in einem Batteriegehäuse 4 befestigt, vorzugsweise ist die Halteplatte 3 mit diesem verschraubt. Die Halteplatte 3 verhindert radiale Bewegungen der Einzelzellen 2.

Figur 2 zeigt eine Explosionsdarstellung einer Batterie 1. In der Halteplatte 3 sind Aussparungen 5 für die Aufnahme der Einzelzellen 2 angeordnet.

Die Halteplatte 3 ist derart ausgeformt, dass mehrere Aussparungen 5 in Reihe und mehrere Reihen von Aussparungen 5 parallel in jeweils um eine halbe Aussparung 5 versetzter Reihenfolge angeordnet sind und so eine Wabenstruktur der Halteplatte 3 gebildet wird. Diese Anordnung der Aussparungen 5 erhöht die Packungsdichte der darin angeordneten Einzelzellen 2, was zu einer Reduktion des Bauraumbedarfs der Batterie 1 führt, was insbesondere beim Einsatz der Batterie 1 in Fahrzeugen erwünscht ist. Werden Einzelzellen 2 verwendet, bei denen Zelldeckel 14 oder Ummantelung einen Polkontakt bilden, dient die Halteplatte 3 auch als elektrisch isolierender Abstandshalter zwischen den Einzelzellen 2.

Eine Kühlplatte 6, die oberhalb des Polendes der Einzelzellen 2 angeordnet ist, ist mit Ausnehmungen 7 versehen, deren Innenkonturen mit den Außenkonturen von Zellpolen 8 der Einzelzellen 2 korrespondieren. Die Zellpole 8 werden durch diese Ausnehmungen 7 hindurchgeführt. An der Oberseite der Kühlplatte 6 sind Zellverbinder 9 auf die Zellpole 8 aufgesetzt, um die Einzelzellen 2 seriell und/oder parallel miteinander zu verbinden

Figur 3 zeigt eine perspektivische Darstellung einer Batterie 1 von oben. Die Zellpole 8 der Einzelzellen 2 sind durch die Ausnehmungen 7 der Kühlplatte 6 hindurchgeführt und fest an dieser fixiert.

Auf der Oberseite der Kühlplatte 6 sind auf die Zellpole 8 der Einzelzellen 2 die Zellverbinder 9 aufgesetzt. Diese Zellverbinder 9 müssen aufgrund der festen Fixierung der Einzelzellen 2 auf der Polseite an der Kühlplatte 6 nicht mehr in höhentoleranzausgleichender Bauform eingesetzt werden, da die Wärmeausdehnung der Einzelzellen 2 in axialer Richtung nur noch in Richtung Unterseite der Batterie 1 erfolgt.

Die Baueinheit, bestehend aus Einzelzellen 2, Halteplatte 3, Kühlplatte 6 und Zellverbindern 9, ist in ein Batteriegehäuse 4 eingesetzt und beispielsweise durch Verschraubung von Kühlplatte 6 und Halteplatte 3 fest mit dem Batteriegehäuse 4 verbunden.

Figur 4 zeigt eine Darstellung einer Batterie 1 von unten. Eingezeichnet ist eine Schnittlinie V-V für die Schnittdarstellung in Figur 5. Die Einzelzellen 2 sind in der Halteplatte 3 angeordnet und zusammen mit dieser in das Batteriegehäuse 4 eingefügt. Die Halteplatte 3 wird dabei beispielsweise durch Verschraubung am Batteriegehäuse 4 befestigt. Durch diese Lagerung der Einzelzellen 2 in der Halteplatte 3 sowie deren Fixierung am Polende an der Kühlplatte 6 sind die Einzelzellen 2 stabil gegenüber Lageveränderungen insbesondere in radialer Richtung und Drehung im Batteriegehäuse 4 verbaut.

Figur 5 zeigt eine Schnittdarstellung einer Batterie 1 entsprechend der in Figur 4 dargestellten Schnittlinie V-V. Dargestellt ist eine integrierte Baueinheit bestehend aus der Halteplatte 3, den Einzelzellen 2, der Kühlplatte 6 sowie den Zellverbindern 9. Die Einzelzellen 2 sind in der Halteplatte 3 angeordnet, an der Kühlplatte 6 fixiert und mit den Zellverbindern 9 elektrisch seriell und/oder parallel verbunden. Diese integrierte Baueinheit ist im Batteriegehäuse 4 angeordnet, wobei die Halteplatte 3 sowie die Kühlplatte 6 an diesem beispielsweise durch Verschraubung befestigt sind.

Im Zelldeckel 14 der Einzelzelle 2 ist ein Verschlusselement 13 angeordnet, das eine Öffnung im Zelldeckel 14 verschließt, welche in einer Ausführungsform vorzugsweise zum Befüllen der Einzelzelle 2 mit Elektrolytflüssigkeit verwendet wird.

In die Kühlplatte 6 sind Kühlkanäle 10 integriert, durch die ein Kühlmittel geleitet wird, um die auf die Kühlplatte 6 übertragene Verlustwärme der Einzelzellen 2 aus der Batterie 1 abzuleiten. Anhand der Pfeildarstellung P an den Einzelzellen 2 ist die axiale Wärmedehnung der Einzelzellen 2 ersichtlich.

Die Einzelzellen 2 werden an der Kühlplatte 6 fest fixiert. Durch die formschlüssige Halterung der Einzelzellen 2 in der Kühlplatte 6 und der Halteplatte 3 ist eine sichere Lagerung gegenüber auftretenden Kräften in radialer Richtung sowie Drehrichtung sichergestellt.

In axialer Richtung ist nach fester Fixierung der Einzelzellen 2 an der Kühlplatte 6 ebenfalls keine Bewegung mehr möglich, mit Ausnahme der Wärmedehnung der Einzelzellen 2, dies jedoch nur in Richtung Batterieunterseite.

Des Weiteren ist durch die Fixierung der Einzelzellen 2 an der Kühlplatte 6 auch eine optimale Wärmeübertragung der Verlustwärme der Einzelzellen 2 auf die Kühlplatte 6 bzw. über dazwischen angebrachte Wärmeleitfolie auf die Kühlplatte 6 gegeben.

Vor der Fixierung der Einzelzellen 2 an die Kühlplatte 6 sind diese in den Aussparungen 5 der Halteplatte 3 noch axial verschiebbar, so dass dadurch die Montage der Batterie 1 erleichtert und die spaltfreie Anbindung der Einzelzellen 2 an die Kühlplatte 6 erleichtert wird, da sie durch die Aussparungen 5 in der Halteplatte 3 in Richtung Kühlplatte 6 geschoben werden können, bis die Zellpole 8 der Einzelzellen 2 durch die Ausnehmungen 7 in der Kühlplatte 6 hindurchgeführt sind und die Einzelzellen 2 an der Kühlplatte 6 anliegen. Figur 6 zeigt eine Explosionsdarstellung einer Batterie 1 mit Gehäusedeckel 11 und Gehäuseboden 12. Die Einzelzellen 2 sind in den Aussparungen 5 der Halteplatte 3 axial frei beweglich angeordnet. Die Zellpole 8 der Einzelzellen 2 werden durch die dafür vorgesehenen Ausnehmungen 7 in der Kühlplatte 6 hindurchgeführt. Auf der Oberseite der Kühlplatte 6 werden auf die hindurchragenden Zellpole 8 die Zellverbinder 9 aufgesetzt und die Einzelzellen 2 auf diese Weise seriell und/oder parallel miteinander verbunden und an der Kühlplatte 6 fixiert.

Diese gesamte Baueinheit aus Einzelzellen 2, Halteplatte 3, Kühlplatte 6 und Zellverbindern 9 wird in das Batteriegehäuse 4 eingesetzt und beispielsweise verschraubt. Auf das Batteriegehäuse 4 wird von oben der Gehäusedeckel 11 aufgesetzt. Von unten wird der Gehäuseboden 12 auf das Batteriegehäuse 4 aufgesetzt.

Der Gehäuseboden 12 des Batteriegehäuses 4 ist derart ausgeformt, dass nach kompletter Montage der Batterie 1 ein Freiraum zwischen dem Boden der Einzelzellen 2 und dem Gehäuseboden 12 gebildet ist. Auf diese Weise ist Platz geschaffen für die Wärmedehnung der Einzelzellen 2 in axialer Richtung, die ausschließlich in Richtung Gehäuseboden 12, also in diesen Freiraum hinein erfolgt, da das Polende der Einzelzellen 2 fest an der Kühlplatte 6 fixiert und der Zellenboden in den Aussparungen 5 der Halteplatte 3 axial frei beweglich angeordnet ist.

Bezugszeichenliste

1 Batterie

2 Einzelzellen

3 Halteplatte

4 Batteriegehäuse

5 Aussparungen in der Halteplatte

6 Kühlplatte

7 Ausnehmungen in der Kühlplatte

8 Zellpole

9 Zellverbinder

10 Kühlkanäle

11 Gehäusedeckel

12 Gehäuseboden

13 Verschlusselement

14 Zelldeckel

P Pfeildarstellung