DE102010055609A1 - Battery assembly for e.g. electric vehicle, has battery comprising electrochemical individual cells i.e. lithium ion cells, where hydrostatic fluid surrounds lithium ion cells so as to apply predetermined constant excess pressure on cells - Google Patents

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Abstract

The assembly has a battery comprising multiple electrochemical individual cells (1) i.e. lithium ion cells, and a flexible protective sheath surrounding the lithium ion cells. Hydrostatic fluid (F) e.g. water, surrounds the lithium ion cells so as to apply predetermined constant excess pressure (p) on the lithium ion cells against a surrounding area of the battery. The cells are clamped between circular supporting frames, where seals i.e. O-rings, are arranged between the supporting frames. The supporting frames are pressed against each other by a clamping unit.

Description

Die Erfindung betrifft eine Batterieanordnung nach den Merkmalen des Oberbegriffs des Anspruchs 1.The invention relates to a battery assembly according to the features of the preamble of claim 1.

Aus dem Stand der Technik ist, wie in der US 2010/0104927 A1 beschrieben, eine temperaturgesteuerte Batterieanordnung in einem Fahrzeug bekannt. Die Batterieanordnung umfasst ein Gehäuse, eine Mehrzahl von Lithium-Ionen-Zellpacks und Abstandshalter zum Erzeugen vertikaler Kanäle. Die Zellpacks sind im Gehäuse aufgehängt. Zur Steuerung der Temperatur der Zellpacks wird mittels einer mit einem Motor des Fahrzeugs und einem Wärmetauscher gekoppelten Pumpe ein thermisch leitendes und elektrisch nicht leitendes Fluid durch das Gehäuse geleitet, welches in das Gehäuse zu einer Unterseite der Zellpacks einströmt, zwischen den Zellpacks zu einer Oberseite der Zellpacks strömt und wieder aus dem Gehäuse in Richtung des Wärmetauschers ausströmt. Eine Steuereinheit steuert die Pumpe und den Fluidfluss in Abhängigkeit von der Temperatur der Batterieanordnung, um die Temperatur in einem vorgegebenen Bereich zu halten.From the prior art, as in the US 2010/0104927 A1 described a temperature-controlled battery assembly in a vehicle. The battery assembly includes a housing, a plurality of lithium-ion cell packs and spacers for creating vertical channels. The cell packs are suspended in the housing. To control the temperature of the cell packs, by means of a pump coupled to an engine of the vehicle and a heat exchanger, a thermally conductive and electrically nonconductive fluid is passed through the housing, which flows into the housing to an underside of the cell packs, between the cell packs to a top side of the cell packs Cell packs flows and flows out of the housing in the direction of the heat exchanger. A control unit controls the pump and fluid flow in response to the temperature of the battery assembly to maintain the temperature within a predetermined range.

In der DE 602 13 474 T2 werden eine Vorrichtung und ein Verfahren zur Temperaturkontrolle bei elektrochemischen Zellen mit hoher Energiedichte beschrieben. Eine elektrochemische Speichereinheit weist mehrere elektrochemische Zellen auf, welche mit Abstand voneinander angeordnet sind. Jede der elektrochemischen Zellen weist gegenüberliegende erste und zweite ebene Flächen, erste und zweite Seitenflächen und erste und zweite Endflächen auf. Die elektrochemischen Zellen unterliegen während des Ladungs- und Entladungszyklus Volumenveränderungen. Des Weiteren umfasst die Speichereinheit einen Kühlbalg, welcher aus einem verformbaren, Wärme leitenden Material gebildet ist und einen Einlassanschluss und einen Auslassanschluss aufweist. Der Kühlbalg fügt sich zu einer schlangenförmigen Anordnung, um während der Volumenveränderungen die abwechselnden ersten und zweiten Endflächen benachbarter elektrochemischer Zellen zu berühren. Zwischen dem Einlass- und dem Auslassanschluss strömt ein Wärmeübertragungsmedium, um die Betriebstemperatur der elektrochemischen Zellen zu steuern.In the DE 602 13 474 T2 describe a device and a method for temperature control in electrochemical cells with high energy density. An electrochemical storage unit has a plurality of electrochemical cells, which are arranged at a distance from each other. Each of the electrochemical cells has opposing first and second planar surfaces, first and second side surfaces, and first and second end surfaces. The electrochemical cells undergo volume changes during the charge and discharge cycle. Furthermore, the storage unit comprises a cooling bellows which is formed from a deformable, heat-conducting material and has an inlet connection and an outlet connection. The cooling bladder merges into a serpentine configuration to contact the alternating first and second end surfaces of adjacent electrochemical cells during volume changes. Between the inlet and outlet ports, a heat transfer medium flows to control the operating temperature of the electrochemical cells.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine verbesserte Batterieanordnung anzugeben.The invention has for its object to provide an improved battery assembly.

Die Aufgabe wird erfindungsgemäß durch eine Batterieanordnung mit den Merkmalen des Anspruchs 1 gelöst.The object is achieved by a battery assembly with the features of claim 1.

Bevorzugte Ausgestaltungen und Weiterbildungen der Erfindung sind in den abhängigen Ansprüchen angegeben.Preferred embodiments and further developments of the invention are specified in the dependent claims.

Eine Batterieanordnung umfasst zumindest eine Batterie mit einer Mehrzahl elektrochemischer Einzelzellen.A battery arrangement comprises at least one battery with a plurality of individual electrochemical cells.

Erfindungsgemäß weisen die Einzelzellen eine flexible Hülle auf und sind hydrostatisch gelagert, wobei durch ein die Einzelzellen umgebendes Fluid zur hydrostatischen Lagerung der Einzelzellen ein gegenüber einer Umgebung der Batterie vorgegebener konstanter Überdruck auf die Einzelzellen einwirkt.According to the invention, the individual cells have a flexible sheath and are stored in a hydrostatically active manner, wherein a constant overpressure given to an environment of the battery acts on the individual cells through a fluid surrounding the individual cells for the hydrostatic storage of the individual cells.

Die Batterie ist insbesondere eine Fahrzeugbatterie, beispielsweise für Elektrofahrzeuge, Hybridfahrzeuge oder Brennstoffzellenfahrzeuge. Die Einzelzellen sind insbesondere Lithium-Ionen-Zellen, welche eine folienbeutelartige Umhüllung aufweisen, auch als so genannte Pouch-Zellen bezeichnet.The battery is in particular a vehicle battery, for example for electric vehicles, hybrid vehicles or fuel cell vehicles. The individual cells are in particular lithium-ion cells, which have a foil bag-like envelope, also referred to as so-called pouch cells.

Durch die Sicherstellung konstanter Druckverhältnisse ist eine erheblich verbesserte Langzeitstabilität der Einzelzellen erreicht. Aus der hydrostatischen Lagerung mittels des die Einzelzellen umgebenden Fluids resultierende konstante Druckspannungen auf die Einzelzellen sind homogen verteilt, da der Druck eine skalare Größe ist, unabhängig davon, ob sich die Einzelzelle beispielsweise ausdehnt oder zusammenzieht, beispielsweise aufgrund chemischer Reaktionen in der Einzelzelle und/oder aufgrund von Temperaturveränderungen, zum Beispiel bei Lade- und/oder Entladevorgängen. Dadurch ist eine längere Lebensdauer der Einzelzellen erzielbar. Zudem ermöglicht die hydrostatische Lagerung eine Dämpfung von Reaktionskräften dynamischer mechanischer Belastungen, welche auf die Einzelzellen einwirken, beispielsweise bei Erschütterungen oder bei einem Unfall des Fahrzeugs.By ensuring constant pressure conditions, a significantly improved long-term stability of the individual cells is achieved. Constant compressive stresses on the individual cells resulting from the hydrostatic bearing by means of the fluid surrounding the individual cells are homogeneously distributed, since the pressure is a scalar quantity, regardless of whether the single cell expands or contracts, for example because of chemical reactions in the single cell and / or due to temperature changes, for example during charging and / or discharging operations. As a result, a longer life of the individual cells can be achieved. In addition, the hydrostatic bearing allows damping of reaction forces of dynamic mechanical loads, which act on the individual cells, for example, in shock or in an accident of the vehicle.

Des Weiteren sind die Einzelzellen durch das zur hydrostatischen Lagerung genutzte Fluid gleichzeitig temperierbar, wobei eine direkte Temperierung über Zellseitenwände ermöglicht ist, welche von dem Fluid umströmt sind, so dass eine optimierte Wärmeübertragung erreicht ist. Dies ermöglicht eine leistungsfähige und gleichmäßige Temperierung, insbesondere Kühlung der Einzelzellen mit einem geringen Temperaturgradienten, wodurch so genannte Hot Spots vermieden sind, d. h. heißere Bereiche der Einzelzelle aufgrund einer unzureichenden Kühlung.Furthermore, the individual cells can be tempered simultaneously by the fluid used for hydrostatic storage, wherein a direct temperature control over cell side walls is allowed, which are flowed around by the fluid, so that an optimized heat transfer is achieved. This allows a powerful and uniform temperature, in particular cooling of the individual cells with a low temperature gradient, whereby so-called hot spots are avoided, d. H. hotter areas of the single cell due to insufficient cooling.

Ein weiterer Vorteil ist eine vereinfachte Herstellung der Batterieanordnung, insbesondere der Batterie, aufgrund eines reduzierten Montage- und Verschraubungsaufwandes und aufgrund geringerer Toleranzanforderungen im Vergleich zu Batterien nach dem Stand der Technik. Beispielsweise ist keine thermische Kopplung der Einzelzellen an eine Kühlplatte erforderlich. Eine derartige thermische Kopplung von Einzelzellen an Kühlplatten in Batterien nach dem Stand der Technik erfordert eine hohe Präzision und damit einen höheren Fertigungsaufwand und höhere Herstellungskosten, um die Wärmeübertragung auf die Kühlplatte zu ermöglichen. Auch sind Toleranzanforderungen an eine Planarität von Zellverbindern im Vergleich zum Stand der Technik erheblich reduziert. Des Weiteren ist eine Verrohrung zur Zu- und Ableitung des Fluids erheblich vereinfacht, da keine aufwändigen Kühlkanäle zur Durchströmung von Kühlplatten oder Umströmung der Einzelzellen erforderlich sind.Another advantage is a simplified manufacture of the battery assembly, in particular the battery, due to a reduced assembly and Verschraubungsaufwandes and due to lower tolerance requirements compared to batteries of the prior art. For example, no thermal coupling of the individual cells to a cooling plate is required. Such thermal coupling of single cells to cooling plates in prior art batteries requires a high level of thermal efficiency Precision and thus a higher production cost and higher production costs to allow heat transfer to the cooling plate. Also, tolerance requirements for planarity of cell connectors are significantly reduced compared to the prior art. Furthermore, a piping for the supply and discharge of the fluid is considerably simplified, since no complex cooling channels for the flow through cooling plates or flow around the individual cells are required.

Zudem sind ein Bauraumbedarf und ein Gewicht der Batterieanordnung, insbesondere der Batterie reduziert, da keine Kühlplatten, Druckplatten und Wärmeleitfolien erforderlich sind. Auch sind Sicherheitsrisiken erheblich reduziert, da keine metallischen Kühlplatten in unmittelbarer Nähe elektrischer Kontakte erforderlich sind und eine bessere Zugänglichkeit zur Batterie und zu den Einzelzellen ermöglicht ist. Dies ist insbesondere bei einer Verwendung in Fahrzeugen von erheblicher Bedeutung. Des Weiteren ermöglicht die Batterieanordnung ein so genanntes Remanufacturing, d. h. es sind Nacharbeitskonzepte integrierbar, die Batterieanordnung ist wieder demontierbar, zerlegbar, die einzelnen Bestandteile überprüfbar und wieder verwendbar oder gegebenenfalls aufbereitbar oder ersetzbar, wobei auch eine Anpassung der Batterieanordnung an neue Erfordernisse oder eine schrittweise Modernisierung möglich ist.In addition, a space requirement and a weight of the battery assembly, in particular the battery are reduced because no cooling plates, pressure plates and Wärmeleitfolien are required. Also, safety risks are significantly reduced, since no metallic cooling plates are required in the immediate vicinity of electrical contacts and better accessibility to the battery and the individual cells is possible. This is particularly important for use in vehicles of considerable importance. Furthermore, the battery arrangement allows a so-called remanufacturing, d. H. rework concepts can be integrated, the battery arrangement can be dismantled, dismounted, the individual components can be checked and reused or optionally reprocessed or replaced, wherein an adaptation of the battery assembly to new requirements or a gradual modernization is possible.

Ausführungsbeispiele der Erfindung werden anhand von Zeichnungen näher erläutert.Embodiments of the invention will be explained in more detail with reference to drawings.

Dabei zeigen:Showing:

1 eine schematische Darstellung einer hydrostatischen Lagerung einer Einzelzelle, 1 a schematic representation of a hydrostatic storage of a single cell,

2 eine schematische Darstellung einer Einzelzelle und eines Halterahmens in seitlicher Draufsicht, 2 a schematic representation of a single cell and a holding frame in a lateral plan view,

3 eine schematische Querschnittdarstellung mehrerer Einzelzellen mit Halterahmen, 3 a schematic cross-sectional view of a plurality of single cells with holding frame,

4 eine schematische Detailansicht einer Querschnittdarstellung mehrerer Einzelzellen mit Halterahmen, 4 1 is a schematic detail view of a cross-sectional view of a plurality of individual cells with holding frames,

5 eine weitere schematische Darstellung einer Einzelzelle und eines Halterahmens in seitlicher Draufsicht, 5 a further schematic representation of a single cell and a holding frame in a lateral plan view,

6 eine weitere schematische Querschnittdarstellung mehrerer Einzelzellen mit Halterahmen, 6 a further schematic cross-sectional view of a plurality of individual cells with holding frame,

7 eine schematische Schnittdarstellung durch einen Zellblock aus Einzelzellen mit Schnittrichtung in Richtung einer Längsausdehnung der Einzelzellen, und 7 a schematic sectional view through a cell block of single cells with a cutting direction in the direction of a longitudinal extension of the individual cells, and

8 eine weitere schematische Schnittdarstellung durch einen Zellblock aus Einzelzellen mit Schnittrichtung in Richtung einer Längsausdehnung der Einzelzellen. 8th a further schematic sectional view through a cell block of single cells with a cutting direction in the direction of a longitudinal extension of the individual cells.

Einander entsprechende Teile sind in allen Figuren mit den gleichen Bezugszeichen versehen.Corresponding parts are provided in all figures with the same reference numerals.

1 zeigt eine schematische Prinzipdarstellung einer hydrostatischen Lagerung einer elektrochemischen Einzelzelle 1. Eine Batterieanordnung umfasst eine Batterie 2 mit einer Mehrzahl derartig gelagerter Einzelzellen 1. Die Batterie 2 ist beispielsweise eine Fahrzeugbatterie und zum Beispiel in einem Elektrofahrzeug, Hybridfahrzeug oder Brennstoffzellenfahrzeug verwendbar. 1 shows a schematic diagram of a hydrostatic storage of a single electrochemical cell 1 , A battery assembly includes a battery 2 with a plurality of such stored individual cells 1 , The battery 2 For example, a vehicle battery and usable in, for example, an electric vehicle, hybrid vehicle, or fuel cell vehicle.

Die Einzelzelle 1 ist insbesondere eine Lithium-Ionen-Zelle, welche eine folienbeutelartige Umhüllung, d. h. eine flexible Hülle aufweist, in welcher ein Elektrodenfolienstapel und ein Elektrolyt angeordnet sind, auch als so genannte Pouch-Zelle bezeichnet. Die Batterie 2 weist eine Mehrzahl derartiger Einzelzellen 1 auf, welche seriell und/oder parallel elektrisch miteinander verbunden sind.The single cell 1 is in particular a lithium-ion cell, which has a foil bag-like envelope, ie a flexible shell, in which an electrode foil stack and an electrolyte are arranged, also referred to as a so-called pouch cell. The battery 2 has a plurality of such single cells 1 on, which are electrically connected to each other in series and / or in parallel.

Zur hydrostatischen Lagerung ist die Einzelzelle 1 von einem Fluid F vollständig oder zumindest nahezu vollständig umgeben, wobei durch das Fluid F ein gegenüber einer Umgebung der Batterie 2 vorgegebener konstanter Überdruck p auf die Einzelzelle 1 einwirkt. Das Fluid F ist beispielsweise Wasser, Glykol oder bevorzugt ein Wasser-Glykol-Gemisch. Des Weiteren kann das Fluid F beispielsweise auch ein Öl, ein anderer fluidischer Stoff oder ein anderes fluidisches Stoffgemisch sein.For hydrostatic storage is the single cell 1 completely or at least almost completely surrounded by a fluid F, with the fluid F being opposite an environment of the battery 2 given constant overpressure p on the single cell 1 acts. The fluid F is for example water, glycol or preferably a water-glycol mixture. Furthermore, the fluid F may, for example, also be an oil, another fluid substance or another fluid mixture.

Durch die Sicherstellung konstanter Druckverhältnisse ist eine erheblich verbesserte Langzeitstabilität derartiger hydrostatisch gelagerter Einzelzellen 1 in der Batterie 2 erreicht. Aus der hydrostatischen Lagerung mittels des die Einzelzellen 1 umgebenden Fluids F resultierende konstante Druckspannungen auf die Einzelzellen 1 sind homogen verteilt, da der Druck eine skalare Größe ist, unabhängig davon, ob sich die Einzelzelle 1 beispielsweise ausdehnt oder zusammenzieht, beispielsweise aufgrund chemischer Reaktionen in der Einzelzelle 1 und/oder aufgrund von Temperaturveränderungen, zum Beispiel bei Lade- und/oder Entladevorgängen. Dadurch ist eine längere Lebensdauer der Einzelzellen 1 erzielbar.By ensuring constant pressure conditions is a significantly improved long-term stability of such hydrostatically supported single cells 1 in the battery 2 reached. From the hydrostatic storage by means of the single cells 1 surrounding fluid F resulting constant compressive stresses on the single cells 1 are distributed homogeneously because the pressure is a scalar size, regardless of whether the single cell 1 For example, expands or contracts, for example due to chemical reactions in the single cell 1 and / or due to temperature changes, for example during charging and / or discharging operations. This results in a longer life of the individual cells 1 achievable.

Zudem ermöglicht die hydrostatische Lagerung eine Dämpfung von Reaktionskräften dynamischer mechanischer Belastungen, welche auf die Einzelzellen 1 einwirken, beispielsweise bei Erschütterungen oder bei einem Unfall des Fahrzeugs. Auf diese Weise sind beispielsweise starke Schwingungen der Einzelzellen 1, welche diese beschädigen könnten, vermieden.In addition, the hydrostatic bearing allows damping of reaction forces of dynamic mechanical loads, which affect the individual cells 1 act, for example Shakes or in the event of an accident of the vehicle. In this way, for example, strong vibrations of the individual cells 1 , which could damage them avoided.

Des Weiteren sind die Einzelzellen 1 durch das zur hydrostatischen Lagerung genutzte Fluid F gleichzeitig temperierbar, wobei eine direkte Temperierung über Zellseitenwände ermöglicht ist, welche von dem Fluid F umströmt sind, so dass eine optimierte Wärmeübertragung erreicht ist. Dies ermöglicht eine leistungsfähige und gleichmäßige Temperierung, insbesondere Kühlung der Einzelzellen 1 mit einem geringen Temperaturgradienten, wodurch so genannte Hot Spots vermieden sind, d. h. heißere Bereiche der Einzelzelle 1 aufgrund einer unzureichenden Kühlung.Furthermore, the single cells 1 temperature controlled by the fluid F used for hydrostatic storage at the same time, wherein a direct temperature control over cell side walls is made possible, which are flowed around by the fluid F, so that an optimized heat transfer is achieved. This allows a powerful and uniform temperature, in particular cooling of the individual cells 1 with a low temperature gradient, whereby so-called hot spots are avoided, ie hotter areas of the single cell 1 due to insufficient cooling.

Wie in den 2 und 3 dargestellt, sind die Einzelzellen 1 in der Batterie 2 mit Schmalseiten zwischen umlaufenden Halterahmen 3, vorzugsweise aus Kunststoff, eingespannt und auf diese Weise in der Batterie 2 gehaltert. Die Einzelzellen 1 und die Halterahmen 3 sind in der Batterie 2 derart hintereinander und parallel zueinander angeordnet, dass die Halterahmen 3, zwischen denen jeweils eine Einzelzelle 1 eingespannt ist, fluiddicht aneinander anliegen.As in the 2 and 3 shown, are the single cells 1 in the battery 2 with narrow sides between circumferential support frame 3 , preferably made of plastic, clamped and in this way in the battery 2 supported. The single cells 1 and the support frame 3 are in the battery 2 arranged one behind the other and parallel to one another, that the holding frame 3 , between each of which a single cell 1 is clamped, fluid-tight abut each other.

Um die Fluiddichtheit sicherzustellen, ist zwischen den Halterahmen 3 jeweils zumindest eine entlang des Halterahmens 3 umlaufende erste Dichtung 4 angeordnet. In der in 3 dargestellten Ausführungsform sind zwischen jeweils zwei Halterahmen 3 zwei erste Dichtungen 4 angeordnet, wobei jede der ersten Dichtungen 4 zwischen einem der Halterahmen 3 und einem zwischen den Halterahmen 3 eingespannten Bereich der jeweiligen Einzelzelle 1 angeordnet ist. Die ersten Dichtungen 4 sind jeweils beispielsweise als O-Ring oder als eine Mehrlippendichtung ausgebildet. Im hier dargestellten Beispiel ist die erste Dichtung 4 beispielsweise als eine zwei Millimeter dicke Dichtschnur ausgebildet. Die Einzelzellen 1 sind über Ableiterfahnen 5, welche zwischen den Halterahmen 3 hindurchgeführt sind, seriell und/oder parallel elektrisch miteinander verbunden.To ensure fluid tightness is between the holding frame 3 in each case at least one along the holding frame 3 circumferential first seal 4 arranged. In the in 3 illustrated embodiment are between two holding frame 3 two first seals 4 arranged, each of the first seals 4 between one of the holding frames 3 and one between the support frame 3 clamped area of the respective single cell 1 is arranged. The first seals 4 are each formed for example as an O-ring or as a multi-lip seal. In the example shown here is the first seal 4 For example, formed as a two millimeters thick sealing cord. The single cells 1 are via arrester flags 5 which between the holding frame 3 passed through, connected in series and / or parallel electrically.

Wie in 4 dargestellt, sind die Einzelzellen 1 in einer bevorzugten Ausführungsform jeweils von einer fluiddichten Schutzhülle 6 umgeben. Diese Schutzhülle 6 schützt die Einzelzellen 1 vor dem sie umgebenden Fluid F und ist beispielsweise erforderlich, wenn die flexiblen Hüllen der Einzelzellen 1 nicht ausreichend beständig gegenüber dem jeweils verwendeten Fluid F sind.As in 4 shown, are the single cells 1 in a preferred embodiment each of a fluid-tight protective cover 6 surround. This protective cover 6 protects the individual cells 1 before the surrounding fluid F and is required, for example, when the flexible shells of the individual cells 1 are not sufficiently resistant to the particular fluid F used.

Auf diese Weise ist keine Modifikation der Einzelzellen 1 und deren flexibler Hülle erforderlich und es ist ein Einsatz einer Vielzahl verschiedener Ausführungsformen von Einzelzellen 1 und einer Vielzahl verschiedener Fluide F möglich. Im hier dargestellten Beispiel weist die Schutzhülle 6 eine Wandstärke von 100 μm auf und ist beispielsweise aus Polypropylen oder Aluminium gebildet. Auf diese Weise ist beispielsweise eine Wasser-Glykol-Beständigkeit der Schutzhülle 6 sichergestellt.In this way, there is no modification of the single cells 1 and their flexible sheath required and it is a use of a variety of different embodiments of single cells 1 and a variety of different fluids F possible. In the example shown here, the protective cover 6 a wall thickness of 100 microns and is formed for example of polypropylene or aluminum. In this way, for example, a water-glycol resistance of the protective cover 6 ensured.

Alternativ zur Verwendung der Schutzhülle 6 ist beispielsweise ein auf eine Beständigkeit der Hüllen der jeweils verwendeten Einzelzellen 1 abgestimmtes Fluid F zu verwenden oder die Hüllen der Einzelzellen 1 sind an das jeweils verwendete Fluid F anzupassen. Mittels der Schutzhülle 6 sind zudem beispielsweise auch die Ableiterfahnen 5 der Einzelzellen 1 vor einem Kontakt mit dem Fluid F schützbar, insbesondere wenn das Fluid F elektrisch leitfähig ist.Alternatively to the use of the protective cover 6 is, for example, a durability of the sheaths of the individual cells used in each case 1 to use matched fluid F or the shells of the individual cells 1 are to be adapted to the particular fluid F used. By means of the protective cover 6 are also, for example, the arrester flags 5 of the single cells 1 Protective against contact with the fluid F, in particular if the fluid F is electrically conductive.

Selbstverständlich ist auch die Schutzhülle 6 flexibel ausgebildet, um die Überdruckwirkung durch das Fluid F auf die jeweilige Einzelzelle 1 nicht zu unterbinden. Ist die Schutzhülle 6 aus Aluminium oder einem anderen elektrisch leitfähigen Material, so ist gegebenenfalls ein direkter Kontakt der Schutzhülle 6 mit den Ableiterfahnen 5 der jeweiligen Einzelzelle 1 zu unterbinden, beispielsweise durch eine elektrisch nicht leitfähige Innenbeschichtung der Schutzhülle 6 zumindest in Berührungsbereichen zu den Ableiterfahnen 5.Of course, the protective cover 6 designed to be flexible to the overpressure effect of the fluid F on the respective single cell 1 not to stop. Is the protective cover 6 made of aluminum or other electrically conductive material, so is possibly a direct contact of the protective cover 6 with the arrester lugs 5 the respective single cell 1 to prevent, for example, by an electrically non-conductive inner coating of the protective cover 6 at least in contact areas with the arrester lugs 5 ,

Wie in den 5 und 6 dargestellt, sind ein Fluidzulauf 7 und ein Fluidablauf 8 vorzugsweise in die Halterahmen 3 integriert, beispielsweise, wie in 5, in Eckbereichen der Halterahmen 3 oder, wie in 6, in oberen und unteren Bereichen der Halterahmen 3. Die Fluidzuläufe 7 und Fluidabläufe 8 weisen, wie insbesondere in 5 dargestellt, in Richtung der Einzelzellen 1 Öffnungen 9 auf, um ein Strömen des Fluids F aus dem jeweiligen Fluidzulauf 7 in Richtung der jeweiligen Einzelzelle 1, an dieser entlang und danach in den jeweiligen Fluidablauf 8 zu ermöglichen. Eine derartige Ausformung der Halterahmen 3 ist beispielsweise durch eine Herstellung der Halterahmen 3 zum Beispiel aus Kunststoff mittels eines Gussverfahrens, insbesondere mittels eines Spritzgussverfahrens, auf einfache und kostengünstige Weise in großen Stückzahlen, d. h. in Serienproduktion möglich.As in the 5 and 6 are shown, are a fluid inlet 7 and a fluid drain 8th preferably in the holding frame 3 integrated, for example, as in 5 , in corner areas of the support frame 3 or, as in 6 , in upper and lower areas of the support frame 3 , The fluid inlets 7 and fluid processes 8th wise, as in particular in 5 shown in the direction of the single cells 1 openings 9 on to a flow of the fluid F from the respective fluid inlet 7 in the direction of the individual cell 1 , along this and then into the respective fluid flow 8th to enable. Such a shape of the support frame 3 is for example by making the support frame 3 For example, from plastic by means of a casting process, in particular by means of an injection molding process, in a simple and cost-effective manner in large quantities, ie in series production possible.

Durch die Aneinanderreihung der Halterahmen 3 bilden die in jedem Halterahmen 3 ausgeformten Fluidzuläufe 7 und Fluidabläufe 8 einen Zulaufkanal bzw. Ablaufkanal für eine durch die Halterahmen 3 gebildete gemeinsame Zellumhüllung der Einzelzellen 1 aus, deren Innenraum zumindest in einem Betriebszustand der Batterie 2 mit dem unter Überdruck p stehenden Fluid F gefüllt ist, so dass das Fluid F die Einzelzellen 1 umgibt. Über den auf diese Weise ausgebildeten Zulaufkanal und Ablaufkanal sind die Fluidzuläufe 7 und Fluidabläufe 8 mit einer nicht dargestellten Pumpe der Batterieanordnung und bevorzugt mit einem ebenfalls nicht dargestellten Wärmetauscher der Batterieanordnung fluidisch verbunden.By juxtaposing the holding frame 3 form the in each holding frame 3 molded fluid inlets 7 and fluid processes 8th an inlet channel or outlet channel for a through the support frame 3 formed common cell envelope of the individual cells 1 from whose interior at least in an operating condition of the battery 2 is filled with the under pressure P standing fluid F, so that the fluid F, the single cells 1 surrounds. About the inlet channel and drainage channel formed in this way are the fluid inlets 7 and fluid processes 8th with a pump, not shown, of the battery assembly and preferably fluidly connected to a likewise not shown heat exchanger of the battery assembly.

Mit dieser Pumpe und/oder dem Wärmetauscher können auch weitere Batterien 2 fluidisch verbunden sein. Beispielsweise in einem Fahrzeug sind häufig eine Mehrzahl derartiger Batterien 2 eingesetzt und alle mit derselben Pumpe und demselben Wärmetauscher verbunden. D. h. die Batterieanordnung in einem solchen Fahrzeug umfasst dann eine Pumpe, einen Wärmetauscher und eine Mehrzahl von mit diesen fluidisch verbundenen Batterien 2. Der Wärmetauscher und/oder die Pumpe kann/können dabei auch Bestandteil anderer Einrichtungen des Fahrzeugs sein, beispielsweise einer Klimaanlage des Fahrzeugs.With this pump and / or the heat exchanger can also other batteries 2 be fluidly connected. For example, in a vehicle are often a plurality of such batteries 2 used and all connected to the same pump and heat exchanger. Ie. the battery assembly in such a vehicle then includes a pump, a heat exchanger, and a plurality of batteries fluidly connected thereto 2 , The heat exchanger and / or the pump can / may also be part of other devices of the vehicle, such as an air conditioner of the vehicle.

Mittels der Pumpe ist der vorgegebene Überdruck p im Innenraum der durch die Halterahmen 3 gebildeten Zellumhüllung konstant aufrecht erhaltbar und bei einem angeschlossenen Wärmetauscher ist das Fluid F mittels der Pumpe durch den Innenraum der Zellumhüllung und den Wärmetauscher hindurch zu pumpen, um auf diese Weise auch die Temperierung der Einzelzellen 1 zu ermöglichen. Um auch eine Fluiddichtheit des Zulaufkanals und des Ablaufkanals sicherzustellen, sind im Bereich der Fluidzuläufe 7 und Fluidabläufe 8 zwischen den Halterahmen 3 zweite Dichtungen 10 angeordnet, beispielsweise in Form von O-Ringen, wie in 5 dargestellt.By means of the pump is the predetermined pressure p in the interior of the support frame 3 The cell envelope formed is constantly maintained upright and, in the case of a connected heat exchanger, the fluid F is to be pumped through the interior of the cell envelope and the heat exchanger by means of the pump, in order in this way also to control the tempering of the individual cells 1 to enable. In order to ensure a fluid tightness of the inlet channel and the outlet channel, are in the range of fluid inlets 7 and fluid processes 8th between the holding frame 3 second seals 10 arranged, for example in the form of O-rings, as in 5 shown.

In einer alternativen Ausführungsform weisen nicht alle Fluidzuläufe 7 und Fluidabläufe 8 die Öffnungen 9 in Richtung der Einzelzellen 1 auf, sondern es weist beispielsweise nur ein Halterahmen 3 eine derartige Öffnung 9 am Fluidzulauf 7 auf, vorzugsweise ein Halterahmen 3 an einer Stirnseite der Batterie 2, und ein anderer Halterahmen 3, vorzugsweise an einer gegenüberliegenden Stirnseite der Batterie 2, weist eine Öffnung 9 am Fluidablauf 8 auf. Die anderen Halterahmen 3 können beispielsweise Fluidzuläufe 7 und Fluidabläufe 8 ohne Öffnungen 9 oder keine Fluidzuläufe 7 und Fluidabläufe 8 aufweisen oder es kann Halterahmen 3 mit und ohne Fluidzulauf 7 und/oder Fluidablauf 8 mit und ohne Öffnungen 9 geben. Durch eine derartige Variation und Kombination verschieden ausgeformter Halterahmen 3 ist eine Verteilung der Einströmung des Fluids F in den Innenraum und der Ausströmung des Fluids F aus dem Innenraum optimierbar und an jeweilige Erfordernisse anpassbar.In an alternative embodiment, not all fluid inlets 7 and fluid processes 8th the openings 9 in the direction of the single cells 1 on, but it has, for example, only a support frame 3 such an opening 9 at the fluid inlet 7 on, preferably a holding frame 3 on one end of the battery 2 , and another support frame 3 , preferably at an opposite end of the battery 2 , has an opening 9 at the fluid outlet 8th on. The other support frame 3 For example, fluid inlets 7 and fluid processes 8th without openings 9 or no fluid inlets 7 and fluid processes 8th or it may be holding frame 3 with and without fluid inlet 7 and / or fluid drainage 8th with and without openings 9 give. By such a variation and combination of differently shaped support frame 3 a distribution of the inflow of the fluid F in the interior and the outflow of the fluid F from the interior can be optimized and adapted to respective requirements.

Zumindest bei dieser alternativen Ausführungsform dürfen die Einzelzellen 1 nicht über ihren gesamten Umfang zwischen den Halterahmen 3 eingeklemmt sein, d. h. es muss, wie in 8 dargestellt, zumindest eine Durchlassöffnung 11 zwischen jeder Einzelzelle 1 und den jeweiligen Halterahmen 3 geben, so dass das Fluid F an einer Stirnseite der Batterie 2 durch einen Fluidzulauf 7 mit Öffnung 9 in den Innenraum der durch die Halterahmen 3 gebildeten Zellumhüllung einströmt, über die Durchlassöffnungen 11 durch den Innenraum an den Einzelzellen 1 vorbei strömt und an der anderen Stirnseite der Batterie 2 durch den Fluidablauf 8 mit Öffnung 9 wieder aus dem Innenraum ausströmt.At least in this alternative embodiment, the single cells may 1 not over its entire circumference between the support frame 3 be pinched, ie it must, as in 8th represented, at least one passage opening 11 between each individual cell 1 and the respective holding frame 3 give so that the fluid F at one end of the battery 2 through a fluid inlet 7 with opening 9 in the interior of the through the support frame 3 formed cell envelope flows through the passage openings 11 through the interior of the individual cells 1 flows past and on the other end of the battery 2 through the fluid drain 8th with opening 9 flows out of the interior again.

Wie in 7 dargestellt, sind die Halterahmen 3 durch Spannmittel 12, beispielsweise durch Spannbänder oder, wie hier dargestellt, durch Zuganker, miteinander verspannt und auf diese Weise gegeneinander gepresst, so dass die Fluiddichtheit sichergestellt ist. An Stirnseiten der Batterie 2 ist die durch die Halterahmen 3 gebildete Zellumhüllung beispielsweise durch hier nicht dargestellte Abschlussplatten fluiddicht verschlossen, d. h. die Abschlussplatten sind durch die Spannmittel 12 gegen die jeweils angrenzenden Halterahmen 3 gepresst, wobei auch zwischen den Abschlussplatten und den angrenzenden Halterahmen 3 erste Dichtungen 4 und, falls erforderlich, auch zweite Dichtungen 10 angeordnet sind. Auf diese Weise ist durch die Halterahmen 3 und die Abschlussplatten der mit Ausnahme des Zulaufkanals und des Ablaufkanals vollständig fluiddicht ausgebildete Innenraum in der Zellumhüllung ausgebildet, in welchem die Einzelzellen 1 angeordnet sind und welcher zumindest im Betriebszustand der Batterie 2 mit dem Fluid F unter Überdruck p gefüllt ist, so dass das Fluid F die Einzelzellen 1 umgibt.As in 7 are shown, the holding frame 3 through tensioning means 12 , For example, by tension bands or, as shown here, by tie rods, clamped together and pressed in this way against each other, so that the fluid-tightness is ensured. On front sides of the battery 2 is the through the support frame 3 formed cell envelope, for example, by fluid-tight closure plates, not shown here, ie, the end plates are through the clamping means 12 against the respective adjacent holding frame 3 pressed, and also between the end plates and the adjacent support frame 3 first seals 4 and, if necessary, second seals 10 are arranged. In this way is through the support frame 3 and the end plates formed with the exception of the inlet channel and the drainage channel completely fluid-tight interior in the cell envelope, in which the individual cells 1 are arranged and which at least in the operating state of the battery 2 is filled with the fluid F under pressure p, so that the fluid F, the single cells 1 surrounds.

Um eine Steifigkeit der Batterie 2, d. h. insbesondere der durch die Halterahmen 3 gebildeten Zellumhüllung zu erhöhen, sind in einer bevorzugten Ausführungsform in den Halterahmen 3, wie in 8 dargestellt, Versteifungselemente 13 angeordnet. Diese Versteifungselemente 13 sind, wie hier dargestellt, beispielsweise in Form von Steifigkeitsblechen durch entsprechend ausgeformte Aussparungen in den Halterahmen 3 hindurchgeschoben, zum Beispiel unmittelbar vor oder nach dem Verspannen der aneinander angeordneten Halterahmen 3, oder die Halterahmen 3 sind während des aneinander Anordnens auf die Steifigkeitsbleche aufgeschoben und danach miteinander verspannt.To get a stiffness of the battery 2 , ie in particular by the holding frame 3 In a preferred embodiment, the cell envelope formed in the holding frame is increased 3 , as in 8th shown, stiffening elements 13 arranged. These stiffening elements 13 are, as shown here, for example in the form of stiffness plates by appropriately shaped recesses in the holding frame 3 pushed through, for example, immediately before or after the clamping of the mutually arranged holding frame 3 , or the holding frame 3 are pushed onto each other during the arrangement on the stiffness plates and then clamped together.

Mittels der Steifigkeitsbleche ist eine Flächenträgheit nutzbar, um eine Verwindung und Verformung, insbesondere der durch die Halterahmen 3 gebildeten Zellumhüllung, aufgrund über eine Einsatzdauer auftretender Belastungen als auch aufgrund kurzfristig auftretender Belastungen beispielsweise bei einem Unfall des Fahrzeugs zu verhindern. Dadurch ist sichergestellt, dass die Zellumhüllung nicht aufbricht und das unter Überdruck p stehende Fluid F nicht austreten kann.By means of the stiffness plates, a surface inertia can be used to a distortion and deformation, in particular by the holding frame 3 formed cell envelope, due to prevent over a period of use occurring loads as well as due to short-term loads, for example, in an accident of the vehicle. This ensures that the cell envelope does not break up and the fluid F under pressure p can not escape.

Des Weiteren ist dadurch sichergestellt, dass die mit dem Fluid F unter Überdruck p erzielten Vorteile der konstanten und homogen verteilten Druckspannungen auf die Einzelzellen 1, der Dämpfung von Reaktionskräften dynamischer mechanischer Belastungen der Einzelzellen 1 und der Temperierung der Einzelzellen 1 auch während eines Unfalls und unmittelbar nach einem Unfall des Fahrzeugs noch wirksam sind. Dies ist von großer Bedeutung, da es in derartigen Unfallsituationen beispielsweise zu Kurzschlüssen in elektrischen Einrichtungen des Fahrzeugs und dadurch zu einer starken Erwärmung, Druckerhöhung und Ausdehnung der Einzelzellen 1 kommen kann. Durch die Überdruck- und Temperierwirkung des Fluids F ist dann eine Gefährdung von Personen und Gegenständen verhindert, welche eintreten könnte aufgrund einer zu starken Erwärmung und Ausdehnung der Einzelzellen 1 und einer daraus resultierenden Gefahr einer Explosion der Einzelzellen 1 und eines Austritts schädlicher Stoffe.Furthermore, this ensures that the advantages achieved with the fluid F under overpressure p of the constant and homogeneously distributed Compressive stresses on the individual cells 1 , the damping of reaction forces of dynamic mechanical loads of single cells 1 and the temperature of the individual cells 1 even during an accident and immediately after an accident of the vehicle are still effective. This is of great importance, since in such accident situations, for example, short-circuits in the vehicle's electrical equipment and, as a result, excessive heating, pressure increase and expansion of the individual cells occur 1 can come. Due to the overpressure and tempering effect of the fluid F, a risk of persons and objects is prevented, which could occur due to excessive heating and expansion of the individual cells 1 and a resulting risk of explosion of the individual cells 1 and leakage of harmful substances.

Ein großer Vorteil der Batterieanordnung, insbesondere der Batterie 2, ist eine vereinfachte Herstellung aufgrund eines reduzierten Montage- und Verschraubungsaufwandes und aufgrund geringerer Toleranzanforderungen im Vergleich zu Batterien nach dem Stand der Technik. Beispielsweise ist keine thermische Kopplung der Einzelzellen 1 an eine Kühlplatte erforderlich. Eine derartige thermische Kopplung in Batterien nach dem Stand der Technik erfordert eine hohe Präzision und damit einen höheren Fertigungsaufwand und höhere Herstellungskosten, um die Wärmeübertragung auf die Kühlplatte zu ermöglichen.A big advantage of the battery assembly, especially the battery 2 , is a simplified manufacturing because of a reduced assembly and bolting costs and due to lower tolerance requirements compared to batteries of the prior art. For example, there is no thermal coupling of the individual cells 1 to a cooling plate required. Such thermal coupling in prior art batteries requires a high degree of precision and thus a higher manufacturing outlay and higher manufacturing costs in order to enable heat transfer to the cooling plate.

Des Weiteren sind Toleranzanforderungen an eine Planarität von Zellverbindern zum Verbinden der Ableiterfahnen 5 bzw. an die Ableiterfahnen 5 selbst bei einem direkten Verbinden im Vergleich zum Stand der Technik erheblich reduziert. Auch eine Verrohrung zur Zu- und Ableitung des Fluids F ist erheblich vereinfacht, da keine aufwändigen Kühlkanäle zur Durchströmung von Kühlplatten oder Umströmung der Einzelzellen 1 erforderlich sind.Furthermore, tolerance requirements for a planarity of cell connectors for connecting the arrester lugs 5 or to the arrester lugs 5 even with a direct connection compared to the prior art significantly reduced. Also, a piping for supply and discharge of the fluid F is considerably simplified because no complex cooling channels for the flow through cooling plates or flow around the individual cells 1 required are.

Zudem sind ein Bauraumbedarf und ein Gewicht der Batterieanordnung, insbesondere der Batterie 2 reduziert, da keine Kühlplatten, Druckplatten und Wärmeleitfolien erforderlich sind. Auch sind Sicherheitsrisiken erheblich reduziert, da keine metallischen Kühlplatten in unmittelbarer Nähe elektrischer Kontakte erforderlich sind und eine bessere Zugänglichkeit zur Batterie 2 und zu den Einzelzellen 1 ermöglicht ist. Dies ist insbesondere bei einer Verwendung in Fahrzeugen von erheblicher Bedeutung.In addition, a space requirement and a weight of the battery assembly, in particular the battery 2 reduced because no cooling plates, pressure plates and Wärmeleitfolien are required. Also, safety risks are significantly reduced since no metallic cooling plates are required in the immediate vicinity of electrical contacts and better accessibility to the battery 2 and to the single cells 1 is possible. This is particularly important for use in vehicles of considerable importance.

Des Weiteren ermöglicht die Batterieanordnung ein so genanntes Remanufacturing, d. h. es sind Nacharbeitskonzepte integrierbar, die Batterieanordnung ist wieder demontierbar, zerlegbar, die einzelnen Bestandteile überprüfbar und wieder verwendbar oder gegebenenfalls aufbereitbar oder ersetzbar, wobei auch eine Anpassung der Batterieanordnung an neue Erfordernisse oder eine schrittweise Modernisierung möglich ist.Furthermore, the battery arrangement allows a so-called remanufacturing, d. H. rework concepts can be integrated, the battery arrangement can be dismantled, dismounted, the individual components can be checked and reused or optionally reprocessed or replaced, wherein an adaptation of the battery assembly to new requirements or a gradual modernization is possible.

BezugszeichenlisteLIST OF REFERENCE NUMBERS

11
Einzelzellesingle cell
22
Batteriebattery
33
Halterahmenholding frame
44
erste Dichtungfirst seal
55
Ableiterfahneconductor lug
66
Schutzhüllecover
77
Fluidzulauffluid inlet
88th
Fluidablauffluid flow
99
Öffnungopening
1010
zweite Dichtungsecond seal
1111
DurchlassöffnungPort
1212
Spannmittelclamping means
1313
Versteifungselementstiffener
FF
Fluidfluid
pp
Überdruckoverprint

ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG QUOTES INCLUDE IN THE DESCRIPTION

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Zitierte PatentliteraturCited patent literature

  • US 2010/0104927 A1 [0002] US 2010/0104927 A1 [0002]
  • DE 60213474 T2 [0003] DE 60213474 T2 [0003]

Claims (7)

Batterieanordnung, umfassend zumindest eine Batterie (2) mit einer Mehrzahl elektrochemischer Einzelzellen (1), dadurch gekennzeichnet, dass die Einzelzellen (1) eine flexible Hülle aufweisen und hydrostatisch gelagert sind, wobei durch ein die Einzelzellen (1) umgebendes Fluid (F) zur hydrostatischen Lagerung der Einzelzellen (1) ein gegenüber einer Umgebung der Batterie (2) vorgegebener konstanter Überdruck (p) auf die Einzelzellen (1) einwirkt.Battery assembly comprising at least one battery ( 2 ) with a plurality of electrochemical single cells ( 1 ), characterized in that the individual cells ( 1 ) have a flexible shell and are stored hydrostatically, whereby the individual cells ( 1 ) surrounding fluid (F) for the hydrostatic storage of the individual cells ( 1 ) to an environment of the battery ( 2 ) given constant overpressure (p) on the individual cells ( 1 ) acts. Batterieanordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Einzelzellen (1) in der Batterie (2) mit Schmalseiten zwischen umlaufende Halterahmen (3) eingespannt sind, wobei die Halterahmen (3) derart hintereinander und parallel zueinander angeordnet sind, dass sie fluiddicht aneinander anliegen.Battery arrangement according to claim 1, characterized in that the individual cells ( 1 ) in the battery ( 2 ) with narrow sides between circumferential support frame ( 3 ) are clamped, wherein the support frame ( 3 ) are arranged one behind the other and parallel to each other, that they rest against each other in a fluid-tight manner. Batterieanordnung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass eine durch die Halterahmen (3) gebildete gemeinsame Zellumhüllung der Einzelzellen (1) zumindest einen Fluidzulauf (7) und zumindest einen Fluidablauf (8) aufweist, welche mit einer Pumpe und einem Wärmetauscher fluidisch verbunden sind.Battery assembly according to claim 2, characterized in that a through the support frame ( 3 ) formed common cell envelope of the individual cells ( 1 ) at least one fluid inlet ( 7 ) and at least one fluid outlet ( 8th ), which are fluidly connected to a pump and a heat exchanger. Batterieanordnung nach Anspruch 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, dass zwischen den Halterahmen (3) erste Dichtungen (4) angeordnet sind.Battery arrangement according to claim 2 or 3, characterized in that between the holding frame ( 3 ) first seals ( 4 ) are arranged. Batterieanordnung nach einem der Ansprüche 2 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass die Halterahmen (3) durch zumindest ein Spannmittel (12) gegeneinander gepresst sind.Battery arrangement according to one of claims 2 to 4, characterized in that the holding frame ( 3 ) by at least one tensioning means ( 12 ) are pressed against each other. Batterieanordnung nach einem der Ansprüche 2 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass in den Halterahmen (3) zumindest ein Versteifungselement (13) angeordnet ist.Battery arrangement according to one of claims 2 to 5, characterized in that in the holding frame ( 3 ) at least one stiffening element ( 13 ) is arranged. Batterieanordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass die Einzelzellen (1) jeweils von einer fluiddichten Schutzhülle (6) umgeben sind.Battery arrangement according to one of claims 1 to 6, characterized in that the individual cells ( 1 ) each of a fluid-tight protective cover ( 6 ) are surrounded.
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