DE102008001283A1 - Energy storage module and power tool with at least one energy storage module - Google Patents
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Abstract
Die Erfindung geht aus von einem Energiespeichermodul (10), insbesondere Akku-Pack zur Stromversorgung eines Elektrowerkzeuges, mit mindestens einer Zelle (12) zur Energiespeicherung. Es wird vorgeschlagen, dass die Zelle (12) primatisch aufgebaut ist. Die Erfindung betrifft ferner ein Elektrowerkzeug mit mindestens einem solchen Energiespeichermodul (10).The invention is based on an energy storage module (10), in particular battery pack for the power supply of a power tool, with at least one cell (12) for energy storage. It is suggested that the cell (12) is primitive. The invention further relates to a power tool having at least one such energy storage module (10).
Description
Stand der TechnikState of the art
Die Erfindung geht aus von einem Energiespeichermodul sowie einem Elektrowerkzeug mit mindestens einem Energiespeichermodul nach den Oberbegriffen der unabhängigen Ansprüche.The The invention is based on an energy storage module and a power tool with at least one energy storage module according to the generic terms the independent one Claims.
Es ist bekannt, dass moderne netzunabhängige Handwerkzeugmaschinen, wie beispielsweise Handbohrmaschinen oder Akku-Schrauber, oftmals durch Energiespeichermodule in Form von Akku-Packs beziehungsweise durch Batteriepacks mit Strom versorgt werden. Die Energiespeichermodule weisen in der Regel mehrere elektrochemische Zellen auf, die elektrisch in Serie oder parallel verschaltet sind. Es werden in der Regel Zellen mit einem metallischen Zellbecher verwendet, der selbsttragend und nur schwer deformierbar ist und entsprechend den Anforderungen beispielsweise durch eine Kunststoffummantelung zusammengehalten werden.It It is known that modern mains-independent hand tool machines, such as hand drills or cordless screwdrivers, often by Energy storage modules in the form of battery packs or through Battery packs are supplied with electricity. The energy storage modules have usually several electrochemical cells that are electrically connected in series or in parallel. It will usually Cells with a metallic cell cup used, self-supporting and is difficult to deform and according to the requirements, for example be held together by a plastic sheath.
Bekannte elektrochemische Zellen für diese Anwendung mit einem formstabilen, selbsttragenden Gehäuse (Zellbecher), insbesondere NiCd-, NiMH- oder Lithiumionenzellen, haben kreisrunde Querschnitte. Sie sind mit einem Metallmantel, vorzugsweise aus Stahl, umgeben. Übliche Durchmesser von bekannten Lithiumionenzellen sind 18 mm und 26 mm. Bei NiCd-Zellen sind Durchmesser von etwa 23 mm üblich. In den elektrochemischen Zellen findet die Energiespeicherung in einem Elektrodenpaar aus einer positiven und einer negativen Elektroden statt, die durch einen Separator getrennt sind. Die Elektroden sind zu einem spiralförmigen Elektrodenwickel aufgewickelt. Die vom Abstand zur Zellenmitte abhängigen unterschiedlichen Krümmungsradien des Elektrodenwickels führen zu Ungleichmäßigkeiten der elektrischen Felder zwischen den Elektroden. Dabei ist die Stromdichte für die von der Zellenmitte weiter entfernte Elektrode eines Elektrodenpaars wegen ihres größeren Krümmungsradius geringer als für die der Zellenmitte nähere Elektrode. Auch entlang ein und derselben Elektrode führen die unterschiedlichen Krümmungsradien zu unterschiedlichen Stromdichteverteilungen. Mit Zunahme des von der elektrochemischen Zelle abgegebenen Stroms nimmt die Wärmeentwicklung in der Zelle zu. Da Bereiche des Elektrodenwickels mit hoher Stromdichte dabei stärker erwärmt werden als solche mit geringerer Stromdichte, ist die Wärmeentwicklung innerhalb der Zelle inhomogen. Die frei werdende Wärme aus den der Zellenmitte näheren Zellbereichen kann ferner schlechter abgegeben werden als die aus außen liegenden Zellbereichen. Dies kann zu einer Begrenzung des maximal entnehmbaren Stromes führen. Durch die wiederholt auftretenden starken Temperaturschwankungen während der Lade- und Entladezyklen kommt es zu unterschiedlicher Alterung von verschiedenen Elektrodenbereichen in der Zelle.Known electrochemical cells for this application with a dimensionally stable, self-supporting housing (cell cup), in particular NiCd, NiMH or lithium-ion cells, have circular Cross-sections. They are with a metal shell, preferably made Steel, surrounded. usual Diameters of known lithium-ion cells are 18 mm and 26 mm. For NiCd cells, diameters of about 23 mm are common. In the electrochemical Cells find the energy storage in a pair of electrodes from a positive and negative electrodes take place through a Separator are separated. The electrodes are wound up into a helical electrode winding. The different radii of curvature depending on the distance to the center of the cell lead the electrode winding to irregularities of the electric fields between the electrodes. Here is the current density for the from the cell center farther away electrode of a pair of electrodes because of their larger radius of curvature less than for nearing the cell center Electrode. Also along one and the same lead the electrode different radii of curvature to different current density distributions. With increase of the electrochemical cell emitted heat decreases the heat in the cell too. There areas of the electrode winding with high current density thereby stronger heated As such, with lower current density, is the evolution of heat inhomogeneous within the cell. The released heat from the near the center of the cell Cell areas can also be delivered poorer than those from outside Cell areas. This can be a limitation of the maximum removable Lead current. By the repeated strong temperature fluctuations during the Charging and discharging cycles lead to different aging of different Electrode areas in the cell.
Beim Aufbau eines bisher üblichen quaderförmigen Energiespeichermoduls aus runden Zellen entstehen im Verhältnis zu den Zellen große Zwischenräume. Je größer die Zwischenräume sind, desto kleiner ist die volumetrischen Energie- und Leistungsdichte und desto größer ist der Materialbedarf für ein Gehäuse oder die Ummantelung des Energiespeichermoduls. Auch der Bedarf an Füllmaterial für die Zwischenräume und Halterungsmaterial für die Zellen wächst mit der Größe der Zwischenräume. Insgesamt ist so die gravimetrische Energie- und Ladungsdichte bei Energiespeichermodulen aus runden Zellen kleiner als bei nicht eingebauten Zellen.At the Structure of a hitherto usual cuboid Energy storage module of round cells arise in relation to the cells big Interspaces. The bigger the interspaces are, the smaller the volumetric energy and power density and the bigger the material requirement for a housing or the sheath of the energy storage module. Also the need on filling material for the interspaces and mounting material for the Cells grow with the size of the gaps. All in all is the gravimetric energy and charge density of energy storage modules from round cells smaller than unincorporated cells.
Offenbarung der ErfindungDisclosure of the invention
Die Erfindung geht aus von einem Energiespeichermodul, insbesondere Akku-Pack zur Stromversorgung eines Elektrowerkzeuges, mit mindestens einer Zelle zur Energiespeicherung. Es wird vorgeschlagen, dass die Zelle prismatisch aufgebaut ist. Unter einer prismatischen Zelle wird eine Zelle verstanden, die im Unterschied zu der rollenförmigen Gestalt von bekannten Rundzellen mit metallischem Zellbecher eine annähernd prismatische, vorzugsweise quaderförmige Gestalt hat und deren Zellkörper bzw. Zellbecher aus einem selbsttragenden, hinreichend formstabilen Material gebildet ist. So ist ein platzsparender Aufbau eines prismatischen, insbesondere quaderförmigen Energiespeichermoduls mit minimalen Zwischenräumen möglich, ohne dessen Funktion zu beeinträchtigen. Dabei kann eine Mehrzahl von prismatischen Zellen stapelweise angeordnet und elektrisch in Serie oder parallel geschaltet sein. Gegebenenfalls erforderliche Isolationsschichten zwischen benachbarten Zellen können gleichmäßig dick sein, so dass sich ein gleichmäßiger Wärmeaustausch zwischen den einander zugewandten Außenflächen der Zellen ergibt. Vorteilhaft zeigt sich, dass die Stromdichteverteilung in den Elektroden erheblich gleichmäßiger gestaltet werden kann als bei Rundzellen. Dadurch kann bei Anwendungen mit hohen Strömen eine übermäßige thermische Belastung einzelner Bereiche vermieden werden. Daher ist das erfindungsgemäße Energiespeichermodul besonders dann vorteilhaft, wenn hohe Ströme fließen, da durch die homogenere Stromverteilung auch die Temperatur innerhalb der Zellen deutlich gleichförmiger ist.The The invention is based on an energy storage module, in particular Battery pack for power supply a power tool, with at least one cell for energy storage. It is proposed that the cell is prismatic. Under A prismatic cell is understood as a cell, in difference to the roll-shaped figure of known round cells with metallic cell cup an approximately prismatic, preferably cuboid Has shape and their cell body or cell cup made of a self-supporting, sufficiently dimensionally stable Material is formed. So is a space-saving construction of a prismatic, in particular cuboidal Energy storage module with minimal gaps possible without its function to impair. In this case, a plurality of prismatic cells arranged in batches and electrically connected in series or in parallel. Possibly Required insulation layers between adjacent cells can be uniformly thick be, so that a uniform heat exchange between the facing outer surfaces of the cells. Advantageous shows that the current density distribution in the electrodes considerably more uniform can be as with round cells. This can be used in applications with high currents an excessive thermal Load of individual areas are avoided. Therefore, the energy storage module according to the invention especially advantageous when high currents flow because of the more homogeneous Electricity distribution also the temperature inside the cells significantly uniform is.
In einer bevorzugten Variante kann die Zelle eine elektrochemische Speicherzelle, insbesondere eine Lithiumionenzelle sein, mit einem Zellbecher, in dem wenigstens ein Elektrodenpaar mit einer ebenen Kathode und einer ebenen Anode, die zueinander parallel verlaufen, angeordnet ist. So ist eine homogene Verteilung der Stromdichte und der Wärme in der Zelle möglich.In In a preferred variant, the cell may be an electrochemical Memory cell, in particular a lithium-ion cell, with a Cell cup, in which at least one electrode pair with a planar cathode and a planar anode, which are parallel to each other, arranged is. So is a homogeneous distribution of current density and heat in the Cell possible.
In einer günstigen Ausführungsform können wenigstens zwei Elektrodenpaare gestapelt oder wenigstens ein Elektrodenpaar als Elektrodenpaarwicklung ausgestaltet sein.In a cheap one embodiment at least two pairs of electrodes stacked or at least one pair of electrodes be designed as an electrode pair winding.
In einer besonders günstigen Variante können wenigstens zwei Zellen vorgesehen sein, deren Zellbecher wenigstens zu einem Teil aus einem elektrisch leitfähigen Material sind, das den Pluspol oder den Minuspol der jeweiligen Zelle mit bildet, und die Zellbecher von wenigstens zwei der Zellen können sich flächig jeweils im Bereich des elektrisch leitfähigen Materials berühren. Die Bereiche aus elektrisch leitfähigem Material können vorteilhafterweise auch gute wärmeleitende Eigenschaften aufweisen, so dass über die sich berührenden Bereiche ein guter Wärmeübergang zwischen den Zellen möglich ist. Elektrisch leitfähige Bereiche der Zellen, die nicht in Kontakt stehen sollen, können einfach gegeneinander elektrisch isoliert werden. Die hierfür verwendeten Isolationsmittel können auch zur Wärmeleitung eingesetzt werden.In a particularly favorable Variant can at least two cells be provided, the cell cup at least are in part of an electrically conductive material that the Plus pole or the negative pole of the respective cell with forms, and the cell cups at least two of the cells can become flat each in the area of electrically conductive material. The Areas of electrically conductive Material can advantageously also good heat-conducting Have properties such that over the touching Areas a good heat transfer between the cells possible is. Electrically conductive Areas of the cells that are not supposed to be in contact can be simple be electrically isolated from each other. The ones used for this Isolation agents can also used for heat conduction become.
Vorteilhafterweise kann dabei einer der Zellbecher den Minuspol der jeweiligen Zelle und der andere Zellbecher den Pluspol der jeweiligen Zelle aufweisen. So kann einfach material- und platzsparend eine Serienschaltung der Zellen realisiert werden, wobei auf einen Teil der Verbindungsleitungen verzichtet werden kann. Ferner ist es so nicht erforderlich, die leitfähigen Bereiche der Zellbecher gegeneinander elektrisch zu isolieren.advantageously, can one of the cell cups the negative pole of each cell and the other cell cup having the positive pole of the respective cell. So can easily save space and material a series circuit the cells are realized, taking on a part of the connecting lines can be waived. Furthermore, it is not necessary that conductive Isolate areas of cell cups against each other electrically.
Vorteilhafterweise können die Zellbecher Überdruckschutzmittel, insbesondere Überdruckventile und/oder Sollbruchstellen, aufweisen. Auf diese Weise kann sich ein Überdruck im Zellbecher, der beispielsweise durch Überhitzung entstehen kann, kontrolliert abbauen und die Explosionsgefahr wird verringert.advantageously, can the cell cup overpressure protection, in particular overpressure valves and / or predetermined breaking points. This way can work an overpressure in the cell cup, which may be caused by overheating, controlled and reduce the risk of explosion.
Um eine sicherheitskritische Erwärmung oder gar Explosion der Zelle, wie sie insbesondere durch zu große Ströme etwa bei einem Kurzschluss hervorgerufen werden kann, zu verhindern, kann bei einer weiteren vorteilhaften Ausführungsform wenigstens ein Drucksensor und/oder ein Temperatursensor und/oder eine elektrische/elektronische Schaltung insbesondere mit einer Stromunterbrechungseinheit und/oder einem Mittel zum Kurzschalten vorgesehen sein. Die Integration eines Drucksensors im Zellstapel ist wegen des prismatischen Aufbaus einfach. Bei einer hinreichend festen Umfassung des Zellstapels insbesondere durch ein formstabiles Modulgehäuse kann das Erreichen eines vorgebbaren sicherheitskritischen Drucks im Zellstapel einfach erfasst werden. Über die Druckbestimmung kann auch auf den Ladezustand des Energiespeichermoduls geschlossen werden.Around a safety critical heating or even explosion of the cell, as in particular due to excessive currents about can be caused in the event of a short circuit, to prevent can in a further advantageous embodiment, at least one pressure sensor and / or a temperature sensor and / or an electrical / electronic circuit in particular with a power interruption unit and / or a Be provided for short switching means. The integration of a pressure sensor in the cell stack is easy because of the prismatic construction. At a sufficiently tight enclosure of the cell stack in particular by a dimensionally stable module housing can achieve a predefinable safety-critical pressure be easily detected in the cell stack. About the pressure determination can also be concluded on the state of charge of the energy storage module.
Bei einer weiteren vorteilhaften Ausführungsform kann die Zelle in einem prismatischen Modulgehäuse angeordnet sein. Einer bei einer Ladung oder Entladung auftretenden Volumenänderung der Zelle wird auf diese Weise einfach entgegengewirkt, indem mit dem Modulgehäuse ein großflächiger Druck auf die Zellenaußenwände ausgeübt wird. Der Druck auf die Zellaußenwände wird flächig auf die Elektroden beziehungsweise die Elektrodenstapel übertragen und ist vorzugsweise parallel zum Stromlinienverlauf gerichtet. Auf diese Weise wird Zerfallserscheinungen an den Elektroden während der wiederholten Lade- beziehungsweise Entladevorgänge entgegengewirkt. Bei der Verwendung einer Mehrzahl von Zellen können diese vorteilhaft so gestapelt sein, dass die großen Außenflächen der prismatischen Zellen einander zugewandt sind, um den Druck optimal zu verteilen.at In another advantageous embodiment, the cell may be in a prismatic module housing be arranged. One occurring during a charge or discharge volume change The cell is thus easily counteracted by using the module housing a large-scale print is exerted on the cell outer walls. The pressure on the cell outer walls becomes flat transferred to the electrodes or the electrode stack and is preferably directed parallel to the streamline. In this way, decay phenomena at the electrodes during the repeated charging or discharging counteracted. In the Using a plurality of cells, these can be advantageously stacked so that the big ones Outside surfaces of the prismatic cells face each other to optimize the pressure to distribute.
Vorteilhafterweise kann ein Wärmeleitmittel zur Ableitung von Wärme von der Zelle vorgesehen sein, welches die Homogenität der Wärmeverteilung im Energiespeichermodul verbessert und so einer lokalen Überhitzung vorbeugt.advantageously, can be a heat transfer to the Dissipation of heat be provided by the cell, which the homogeneity of the heat distribution in Energy storage module improves and so a local overheating prevents.
Ein erfindungsgemäßes Elektrowerkzeug weist mindestens ein solches oder ein ähnliches Energiespeichermodul, insbesondere Akku-Pack zur Stromversorgung eines Elektrowerkzeuges, auf, mit mindestens einer Zelle zur Energiespeicherung. Die Zelle ist prismatisch aufgebaut, was sich positiv auf das Packvolumen, die Homogenität der Stromdichteverteilung in der Zelle und den Wärmehaushalt der Zelle auswirkt.One inventive power tool has at least one such or a similar Energy storage module, in particular battery pack for power supply of a power tool, on, with at least one cell for energy storage. The cell has a prismatic structure, which has a positive effect on the packing volume, the homogeneity the current density distribution in the cell and the heat balance of the cell affects.
Kurze Beschreibung der ZeichnungenBrief description of the drawings
Zeichnungdrawing
Weitere Vorteile ergeben sich aus der folgenden Zeichnungsbeschreibung. In der Zeichnung sind Ausführungsbeispiele der Erfindung dargestellt. Der Fachmann wird die in der Zeichnung, der Beschreibung und den Ansprüchen in Kombination offenbarten Merkmale zweckmäßigerweise auch einzeln betrachten und zu sinnvollen weiteren Kombinationen zusammenfassen.Further Advantages are shown in the following description of the drawing. In the drawing are exemplary embodiments represented the invention. The person skilled in the art will the description and the claims expediently also consider individually in combination and summarize to meaningful further combinations.
Es zeigen:It demonstrate:
Ausführungsform der ErfindungEmbodiment of the invention
In
der
Die
Zellen
In
jedem Zellbecher
In
den Zellen
Die
Zelldeckel sind mit Durchführungen
für elektrische
Verbindungen für
Pole
Die
Zellen
Die
Zellen
Der
Pluspol
Der
Pluspol
Ferner
ist in dem Energiespeichermodul
Im
Zellstapel des Energiespeichermoduls
Zwischen
benachbarten Zellen
Ein
zweites bevorzugtes Ausführungsbeispiel,
dargestellt in der
Der
Temperatursensor
Mit
dem Temperatursensor
Ein
drittes bevorzugtes Ausführungsbeispiel, dargestellt
in der
Bei
einem vierten bevorzugten Ausführungsbeispiel,
dargestellt in der
Bei
jeweils der in der
Zwischen
den Zellen
Bei
allen oben beschriebenen Ausführungsbeispielen
eines Energiespeichermoduls
Die Zellen
The cells
Die
Zellen
Es
können
auch weniger oder mehr als vier Zellen
Statt einer Mehrzahl von Elektrodenpaaren kann auch jeweils nur ein Elektrodenpaar in den Zellen angeordnet sein, welches beispielsweise als ebene Elektrodenpaarwicklung ausgestaltet ist.Instead of A plurality of pairs of electrodes can also each only one pair of electrodes be arranged in the cells, which for example as a flat Electrode pair winding is configured.
Die
Zellen
Die
Kontakte
Statt
aus Kunststoff können
die Trennplatten
Die
Zellbecher
Beim
vierten bevorzugten Ausführungsbeispiel
können
anstelle der gesamten Zellbecher
Anstelle
des PTC-Widerstands
Anstelle
des Bimetallschalters kann auch eine andersartige Überstromsicherung
Die
Schutzschaltung kann statt unmittelbar die Strompfade zu unterbrechen
auch mittelbar durch Übermittlung
eines Signals an das mit dem Energiespeichermodul
Die
Zellen
Claims (11)
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| WO2013091958A1 (en) * | 2011-12-19 | 2013-06-27 | Robert Bosch Gmbh | Electrical energy storage module and method for producing an electrical energy storage module |
Also Published As
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| WO2009129874A1 (en) | 2009-10-29 |
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