WO2009129874A1 - Energiespeichermodul sowie elektrowerkzeug mit mindestens einem energiespeichermodul - Google Patents

Energiespeichermodul sowie elektrowerkzeug mit mindestens einem energiespeichermodul Download PDF

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WO2009129874A1
WO2009129874A1 PCT/EP2008/067996 EP2008067996W WO2009129874A1 WO 2009129874 A1 WO2009129874 A1 WO 2009129874A1 EP 2008067996 W EP2008067996 W EP 2008067996W WO 2009129874 A1 WO2009129874 A1 WO 2009129874A1
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energy storage
storage module
cells
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Cornelius Liebenow
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Robert Bosch Gmbh
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    • H01M50/20—Mountings; Secondary casings or frames; Racks, modules or packs; Suspension devices; Shock absorbers; Transport or carrying devices; Holders
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    • H01M50/543—Terminals
    • H01M50/545—Terminals formed by the casing of the cells
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    • Y02—TECHNOLOGIES OR APPLICATIONS FOR MITIGATION OR ADAPTATION AGAINST CLIMATE CHANGE
    • Y02E—REDUCTION OF GREENHOUSE GAS [GHG] EMISSIONS, RELATED TO ENERGY GENERATION, TRANSMISSION OR DISTRIBUTION
    • Y02E60/00—Enabling technologies; Technologies with a potential or indirect contribution to GHG emissions mitigation
    • Y02E60/10—Energy storage using batteries

Definitions

  • Energy storage module and power tool with at least one
  • the invention is based on an energy storage module and a
  • Electrodes 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 surrounded by a metal jacket, preferably made of steel. Typical diameters of known lithium-ion cells are 18 mm and 26 mm. For NiCd cells, diameters of about 23 mm are common.
  • the energy storage takes place in a pair of electrodes consisting of a positive and a negative electrode, which are separated by a separator. The Electrodes are wound up into a spiral-shaped electrode winding.
  • Gaps and support material for the cells grows with the size of the gaps. Overall, the gravimeth energy and charge density of energy storage modules of round cells is smaller than in non-installed cells. Disclosure of the invention
  • the invention is based on an energy storage module, in particular battery pack for the power supply of a power tool, with at least one cell for energy storage.
  • the cell is prismatic.
  • a prismatic cell is understood as meaning a cell which, in contrast to the roller-shaped form of known round cells with metallic cell cups, has an approximately prismatic, preferably parallelepipedal shape and whose cell body or cell cup is formed from a self-supporting, sufficiently dimensionally stable material.
  • a space-saving design of a prismatic, in particular cuboid energy storage module with minimal gaps is possible without affecting its function.
  • a plurality of prismatic cells can be arranged in batches and electrically connected in series or in parallel.
  • Optionally required insulation layers between adjacent cells can be uniformly thick, so that a uniform heat exchange results between the mutually facing outer surfaces of the cells.
  • the current density distribution in the electrodes can be designed considerably more uniformly than in round cells. This can be avoided in applications with high currents excessive thermal stress of individual areas. Therefore, the energy storage module according to the invention is particularly advantageous when high currents flow, as well as the temperature within the cells is much more uniform due to the more homogeneous current distribution.
  • the cell may be an electrochemical storage cell, in particular a lithium-ion cell, with a cell cup, in which at least one pair of electrodes having a planar cathode and a flat anode, which run parallel to one another, is arranged.
  • a homogeneous distribution of the current density and heat in the cell is possible.
  • at least two pairs of electrodes can be stacked or at least one pair of electrodes can be designed as an electrode pair winding.
  • At least two cells can be provided, the cell cups of which are at least partly made of an electrically conductive material which also forms the positive pole or the negative pole of the respective cell, and the cell cups of at least two of the cells can be arranged flat in each case Touch the area of the electrically conductive material.
  • the regions of electrically conductive material can advantageously also have good heat-conducting properties, so that a good heat transfer between the cells is possible over the contacting regions. Electrically conductive areas of the cells that are not to be in contact can be easily electrically isolated from each other. The insulation used for this purpose can also be used for heat conduction.
  • one of the cell cups may have the negative pole of the respective cell and the other cell cup may have the positive pole of the respective cell.
  • a series connection of the cells can be realized simply in a manner that saves space and space, it being possible to dispense with a part of the connecting lines.
  • the cell cups can have overpressure protection means, in particular overpressure valves and / or predetermined breaking points.
  • overpressure protection means in particular overpressure valves and / or predetermined breaking points.
  • an overpressure in the cell cup which can be caused by overheating for example, can be reduced in a controlled manner and the danger of explosion is reduced.
  • at least one pressure sensor and / or a temperature sensor and / or an electrical / electronic circuit be provided in particular with a power interruption unit and / or a means for short switching.
  • the integration of a pressure sensor in the cell stack is easy because of the prismatic structure.
  • the cell can be arranged in a prismatic module housing.
  • a change in volume of the cell occurring during a charge or discharge is easily counteracted in this way by applying a large-area pressure to the cell outer walls with the module housing.
  • the pressure on the cell outer walls is transferred flat to the electrodes or the electrode stacks and is preferably parallel to the
  • a heat conducting means for dissipating heat from the cell may be provided, which improves the homogeneity of the heat distribution in the energy storage module and thus prevents local overheating.
  • a power tool according to the invention has at least one such or a similar energy storage module, in particular battery pack for the power supply of a power tool, 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 of the current density distribution in the cell and the heat balance of the cell.
  • FIG. 1 shows schematically a section through an energy storage module with cuboid cells according to a first embodiment
  • FIG. 2 schematically shows a section through an energy storage module similar to that of FIG. 1 with a temperature sensor according to a second exemplary embodiment
  • FIG. 3 schematically shows a section through an energy storage module similar to that of FIG. 2, in which separating plates between the cells are heat-conductively connected to a module housing, according to a third exemplary embodiment
  • FIG. 4 schematically shows a section through an energy storage module similar to that of FIGS. 1 to 3, in which the cell beakers form poles of the cells, according to a fourth exemplary embodiment
  • Figure 5 schematically shows an isometric view of the coarse shape of a cell similar to the cells of Figures 1 to 4 cell.
  • Energy storage module 10 in the form of a battery pack for the power supply of a power tool, not shown, which includes four cells 12 for energy storage.
  • the cells 12 of the energy storage module 10 are arranged in a cuboid module housing 14 and thermally connected thereto.
  • the cells 12 are lithium ion cells preferably based on transition metal oxide cathodes or phosphate-containing cathodes or cathodes of mixtures of these classes.
  • the cells 12 are cuboid.
  • the coarse shape of a similar cell 212 is shown in FIG.
  • the cells 12 each have a dimensionally stable cell cup 16 made of steel, which are pressure-tight and hermetically sealed at its base or cover side, on the short-edged sides of the cuboid, with cell lids.
  • the cell 12 is designed so that it can withstand a certain overpressure in the interior, without resulting in a strong deformation of the cell 12.
  • each cell cup 16 a plurality of electrode pairs, not shown in FIG. 1, are stacked.
  • the pairs of electrodes each have a planar cathode and a planar anode, which are parallel to each other and held with a separator at a uniform distance from each other.
  • In the cells 12 is also a liquid electrolyte solution. Energy storage takes place in the electrode pairs in a manner not of further interest here.
  • the cell lids are provided with feedthroughs for electrical connections for poles 18a and 18b of the electrodes and relief valves (not shown).
  • the overpressure valves open reversibly or irreversibly at a defined overpressure inside the cell 12 and thus reduce the overpressure.
  • the cells 12 are further equipped with predetermined breaking points, not shown, which allow a controlled pressure reduction as soon as the defined excess pressure is exceeded, thus providing an additional overpressure protection.
  • the four cells 12 are stacked in a row such that the large areas of the cells 12 facing each other and the polarities of two adjacent cells 12 are directed opposite to each other.
  • the cells 12 are connected in series.
  • the positive terminal 18a of the left in the figure 1, outer cell 12 of the cell row ( Figure 1 bottom left) is connected to a connecting line 20 to the negative terminal 18b of the second cell 12 from the left.
  • the positive pole 18a of the second cell 12, in the top of FIG. 1 is connected to a connecting line 22 to the negative pole 18b of the third cell 12, and the positive pole 18a of the third cell 12, in the bottom of FIG. 1, is connected to another connecting line 20 the negative pole 18b of the fourth, right outer cell 12 is connected.
  • the positive pole 18a of the right outer cell 12 (FIG. 1, top) is electrically conductively connected via a positive line 24 to a positive contact 26 in the form of a metal surface on the outer side of the module housing 14.
  • the negative terminal 18b of the left outer cell 12 (FIG. 1, top) is connected to a corresponding minus contact 30 via a negative lead 28.
  • About the plus contact 26 and the negative contact 30 is a separable electrical connection with corresponding load lines of the power tool to produce.
  • the positive terminal 18a of the right outer cell 12 is further electrically connected via a charging line 32 to a charging contact 34 for connection to a charger or a charging circuit of the power tool.
  • a charging line 32 In the charging line 32, an overcurrent protection 36 is arranged in the form of a bimetallic switch.
  • Protection circuit integrated. This is electrically connected to each cell 12 via voltage lines, not shown, so that the voltage at each cell 12 can be detected individually and the voltage of the entire energy storage module 10 with the protection circuit. When exceeding or falling below predetermined limits for the voltages of the current path of the affected cell 12 or the entire energy storage module 10 is interrupted immediately with the protection circuit.
  • a pressure sensor is provided in the cell stack of the energy storage module 10, from which a value characterizing the pressure in the cell stack is transmitted to the protection circuit. When a predetermined safety-critical pressure in the cell stack is reached, this is detected by the protective circuit and the charging or load current path is interrupted.
  • each have a partition plate 38 is disposed of an electrically insulating plastic.
  • the plastic has a good thermal conductivity.
  • the partition plates 38 bear against the entire surface of the facing large side surfaces of the cell cup 16.
  • a second preferred embodiment shown in FIG. 2 differs from the first one described in FIG Embodiment in that in addition a temperature sensor 40 with an NTC (negative temperature coefficient) - resistance with a negative temperature coefficient in the energy storage module 10 is integrated.
  • NTC negative temperature coefficient
  • the temperature sensor 40 is located in a line 42, which is electrically connected to a terminal to the negative lead 28 and thus to the negative pole 18 b of the left outer cell 12. With another connection, the line 42 is electrically connected to the protection circuit and to a temperature sensor contact 44 in the form of a metal surface on the outside of the energy storage module 10. With the temperature sensor contact 44, the electrical connection to the charger or the power tool is made.
  • a temperature characterizing the temperature in the energy storage module 10 is realized and transmitted to the protection circuit and the charger or the power tool. If it is detected with the protection circuit that the value exceeds a predetermined limit value, for example if the heat generation is too high, as occurs, for example, when short-circuit currents flow, the current flow through the energy storage module 10 is interrupted with the protection circuit, thus preventing a further increase in temperature.
  • a third preferred exemplary embodiment, illustrated in FIG. 3, differs from the first two exemplary embodiments described in FIGS. 1 and 2 in that the separating plates 38b project beyond the cell cups 16.
  • the edges of the partition plates 38b are thermally conductive with the walls of the module housing 14 in contact. Thus, heat can be dissipated from the areas between the cells 12 via the partition plates 38b and the module housing 14 to the outside.
  • FIG. 4 In a fourth preferred embodiment, shown in FIG. 4, those elements which correspond to those of the first, second and third, in the 1 to 3 described embodiments are given the same reference numerals plus 100, so that with respect to the description of the comments on the first three embodiments reference is made.
  • This exemplary embodiment differs from the first three exemplary embodiments in that in each case two cells 112a and 112b are combined in pairs, namely the first cell 112a in FIG. 4 from the left to the second cell 112b and the third cell 112a to the fourth cell 112b.
  • the mutually facing side surfaces of the cell cups 116a and 116b of a pair are electrically conductive to each other over the entire surface.
  • cells 112a of a pair of cell cup 116a forms the positive pole.
  • the cell cup 116b forms the negative pole.
  • the cell cups 116a forming the plus poles are made of aluminum instead of steel. The cell cups 116a and 116b thus replace the corresponding poles that were required in the first three embodiments in Figures 1 to 3 below, so that the local connection lines 20 can be omitted.
  • an electrically insulating, heat-conducting separating plate 138b is arranged, which is in heat-conducting contact with the module housing 114.
  • the cells 12; 112a, 112b may also be other types of preferably electrochemical storage cells, for example NiCd or NiMH cells, instead of lithium-ion cells.
  • the cells 12; 112a, 112b may be constructed differently prismatic instead of parallelepiped, for example, with triangular or other polygonal base and top surface.
  • each case only one pair of electrodes may be arranged in the cells, which is designed, for example, as a planar electrode pair winding.
  • the cells 12; 112a, 112b may take place in a module housing 14; 114 arranged to be surrounded by a module casing, for example made of plastic.
  • the contacts 26, 30, 34, 44; 126, 130, 134, 144 may be realized instead of metal surfaces in another way, for example as plug contacts.
  • the separating plates 38, 38b; 138b also be made of a different type of electrically insulating material, preferably with good thermal conductivity.
  • the cell cups 16; 116a, 116b can also be made of another stable material instead of steel or aluminum, so that the cells 12; 112a, 112b are self-supporting and sufficiently dimensionally stable.
  • the cell cups 16 can also be made of an electrically non-conductive material.
  • the cell cups 16; 116a, 116b good thermal conductivity.
  • instead of the entire cell cups 116a, 116b, only respective contacting areas may be made of electrically conductive material.
  • the cell bumpers 116a, 116b forming the negative pole and the positive pole can also be made of the same material.
  • a different type of temperature sensor such as a negative temperature coefficient (NTC) resistor, may be used.
  • NTC negative temperature coefficient
  • overcurrent protection 36; 136 instead of the bimetallic switch and a different type of overcurrent protection 36; 136 are used.
  • the overcurrent protection 36; 136 may also be part of the protection circuit.
  • the protection circuit can also be indirectly connected by transmitting a signal to the energy storage module 10; 110 connected charger or power tool cause an interruption of the charging or load current.
  • the cells 12; 112a, 112b may also be connected in parallel instead of in series. Combinations of series and parallel circuits can also be realized with the invention.

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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) prismatisch aufgebaut ist. Die Erfindung betrifft ferner ein Elektrowerkzeug mit mindestens einem solchen Energiespeichermodul (10).

Description

Beschreibung
Titel
Energiespeichermodul sowie Elektrowerkzeug mit mindestens einem
Energiespeichermodul
Stand der Technik
Die Erfindung geht aus von einem Energiespeichermodul sowie einem
Elektrowerkzeug mit mindestens einem Energiespeichermodul nach den Oberbegriffen der unabhängigen Ansprüche.
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.
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.
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 gravimethsche Energie- und Ladungsdichte bei Energiespeichermodulen aus runden Zellen kleiner als bei nicht eingebauten Zellen. Offenbarung der Erfindung
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.
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 einer günstigen Ausführungsform können wenigstens zwei Elektrodenpaare gestapelt oder wenigstens ein Elektrodenpaar als Elektrodenpaarwicklung ausgestaltet sein.
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.
Vorteilhafterweise kann dabei einer der Zellbecher den Minuspol der jeweiligen Zelle und der andere Zellbecher den Pluspol der jeweiligen Zelle aufweisen. So kann einfach matehal- 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.
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. 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.
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.
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. 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.
Kurze Beschreibung der Zeichnungen
Zeichnung
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.
Es zeigen:
Figur 1 schematisch einen Schnitt durch ein Energiespeichermodul mit quaderförmigen Zellen gemäß einem ersten Ausführungsbeispiel;
Figur 2 schematisch einen Schnitt durch ein zu dem aus Figur 1 ähnliches Energiespeichermodul mit einem Temperatursensor gemäß einem zweiten Ausführungsbeispiel;
Figur 3 schematisch einen Schnitt durch ein zu dem aus Figur 2 ähnliches Energiespeichermodul, bei dem Trennplatten zwischen den Zellen wärmeleitend mit einem Modulgehäuse verbunden sind, gemäß einem dritten Ausführungsbeispiel; Figur 4 schematisch einen Schnitt durch ein zu denen aus den Figuren 1 bis 3 ähnliches Energiespeichermodul, bei dem die Zellbecher Pole der Zellen bilden, gemäß einem vierten Ausführungsbeispiel;
Figur 5 schematisch eine isometrische Darstellung der Grobform einer zu den Zellen aus den Figuren 1 bis 4 ähnlichen Zelle.
Ausführungsform der Erfindung
In der Figur 1 ist ein erstes bevorzugtes Ausführungsbeispiel eines
Energiespeichermoduls 10 in Form eines Akku-Packs zur Stromversorgung eines nicht gezeigten Elektrowerkzeuges dargestellt, das vier Zellen 12 zur Energiespeicherung umfasst. Die Zellen 12 des Energiespeichermoduls 10 sind in einem quaderförmigen Modulgehäuse 14 angeordnet und mit diesem thermisch verbunden.
Die Zellen 12 sind Lithiumionenzellen bevorzugt auf der Basis von Übergangsmetalloxid-Kathoden oder phosphathaltigen Kathoden oder Kathoden aus Mischungen dieser Stoffklassen. Die Zellen 12 sind quaderförmig aufgebaut. Die Grobform einer ähnlichen Zelle 212 ist in der Figur 5 gezeigt. Die Zellen 12 weisen jeweils einen formstabilen Zellbecher 16 aus Stahl auf, der an seiner Grund- beziehungsweise Deckseite, an den kurzkantigen Seiten des Quaders, mit Zelldeckeln druckfest und luftdicht verschlossen sind. Die Zelle 12 ist so gestaltet, dass sie einem gewissen Überdruck im Inneren standhalten kann, ohne dass es zu einer starken Verformungen der Zelle 12 kommt.
In jedem Zellbecher 16 ist eine Mehrzahl von in der Figur 1 nicht gezeigten Elektrodenpaaren gestapelt. Die Elektrodenpaare weisen jeweils eine ebene Kathode und eine ebene Anode auf, die zueinander parallel verlaufen und mit einem Separator in einem gleichmäßigen Abstand voneinander gehalten sind. In den Zellen 12 befindet sich ferner eine flüssige Elektrolytlösung. In den Elektrodenpaaren findet in hier nicht weiter interessierender Weise die Energiespeicherung statt.
Die Zelldeckel sind mit Durchführungen für elektrische Verbindungen für Pole 18a und 18b der Elektroden und nicht gezeigten Überdruckventilen ausgestattet. Die Überdruckventile öffnen bei einem definierten Überdruck im Inneren der Zelle 12 reversibel oder irreversibel und bauen damit den Überdruck ab.
Die Zellen 12 sind ferner mit nicht gezeigten Sollbruchstellen ausgestattet, die einen kontrollierten Druckabbau ermöglichen, sobald der definierte Überdruck überschritten wird, und stellt so eine zusätzliche Überdrucksicherung dar. Die vier Zellen 12 sind derart in einer Reihe gestapelt, dass die großen Flächen der Zellen 12 einander zugewandt sind und die Polaritäten von zwei benachbarten Zellen 12 jeweils entgegen gerichtet sind.
Die Zellen 12 sind in Serie geschaltet. Der Pluspol 18a der in der Figur 1 linken, äußeren Zelle 12 der Zellenreihe (Figur 1 unten links) ist mit einer Verbindungsleitung 20 mit dem Minuspol 18b der zweiten Zelle 12 von links verbunden. Der Pluspol 18a der zweiten Zelle 12, in der Figur 1 oben, ist mit einer Verbindungsleitung 22 mit dem Minuspol 18b der dritten Zelle 12, und der Pluspol 18a der dritten Zelle 12, in der Figur 1 unten, ist mit einer weiteren Verbindungsleitung 20 mit dem Minuspol 18b der vierten, rechten äußeren Zelle 12 verbunden.
Der Pluspol 18a der rechten äußeren Zelle 12 (Figur 1 oben) ist über eine Plusleitung 24 mit einem Pluskontakt 26 in Form einer Metallfläche an der Außenseite des Modulgehäuses 14 elektrisch leitend verbunden. Der Minuspol 18b der linken äußeren Zelle 12 (Figur 1 oben) ist über eine Minusleitung 28 mit einem entsprechenden Minuskontakt 30 verbunden. Über den Pluskontakt 26 und den Minuskontakt 30 ist eine trennbare elektrische Verbindung mit entsprechenden Lastleitungen des Elektrowerkzeugs herstellbar.
Der Pluspol 18a der rechten äußeren Zelle 12 ist ferner über eine Ladeleitung 32 mit einem Ladekontakt 34 für die Verbindung mit einem Ladegerät oder einer Ladeschaltung des Elektrowerkzeugs elektrisch leitend verbunden. In der Ladeleitung 32 ist eine Überstromsicherung 36 in Form eines Bimetallschalters angeordnet.
Ferner ist in dem Energiespeichermodul 10 eine nicht gezeigte
Schutzschaltung integriert. Diese ist über nicht gezeigte Spannungsleitungen mit jeder Zelle 12 elektrisch verbunden, so dass die Spannung an jeder Zelle 12 einzeln und die Spannung des gesamten Energiespeichermoduls 10 mit der Schutzschaltung erfasst werden kann. Beim überschreiten oder unterschreiten von vorgegebenen Grenzwerten für die Spannungen wird der Strompfad der betroffenen Zelle 12 oder des gesamten Energiespeichermoduls 10 unmittelbar mit der Schutzschaltung unterbrochen.
Im Zellstapel des Energiespeichermoduls 10 ist ferner ein nicht gezeigter Drucksensor vorgesehen, vom dem ein den Druck im Zellstapel charakterisierender Wert an die Schutzschaltung übermittelt wird. Bei Erreichen eines vorgegebenen sicherheitskritischen Drucks im Zellstapel wird dies mit der Schutzschaltung erfasst und der Lade- oder Laststrompfad unterbrochen.
Zwischen benachbarten Zellen 12 ist jeweils eine Trennplatte 38 aus einem elektrisch isolierenden Kunststoff angeordnet. Der Kunststoff besitzt eine gute Wärmeleitfähigkeit. Die Trennplatten 38 liegen ganzflächig an den einander zugewandten großen Seitenflächen der Zellbecher 16 an.
Ein zweites bevorzugtes Ausführungsbeispiel, dargestellt in der Figur 2 unterscheidet sich von ersten, in der Figur 1 beschriebenen Ausführungsbeispiel dadurch, dass zusätzlich ein Temperatursensor 40 mit einem NTC (negative temperature coefficient) - Widerstand mit negativem Temperaturkoeffizient im Energiespeichermodul 10 integriert ist.
Der Temperatursensor 40 befindet sich in einer Leitung 42, die mit einem Anschluss mit der Minusleitung 28 und so mit dem Minuspol 18b der linken äußeren Zelle 12 elektrisch verbunden ist. Mit einem anderen Anschluss ist die Leitung 42 mit der Schutzschaltung und mit einem Temperatursensorkontakt 44 in Form einer Metallfläche an der Außenseite des Energiespeichermoduls 10 elektrisch verbunden. Mit dem Temperatursensorkontakt 44 wird die elektrische Verbindung zu dem Ladegerät oder dem Elektrowerkzeug hergestellt.
Mit dem Temperatursensor 40 wird ein die Temperatur in dem Energiespeichermodul 10 charakterisierender Wert realisiert und an die Schutzschaltung und das Ladegerät oder das Elektrowerkzeug übermittelt. Wird mit der Schutzschaltung erkannt, dass der Wert beispielsweise bei zu hoher Wärmeentwicklung einen vorgegebenen Grenzwert übersteigt, wie dies beispielsweise beim Fließen von Kurzschlussströmen vorkommt, wird der Stromfluss durch das Energiespeichermodul 10 mit der Schutzschaltung unterbrochen und so eine weitere Temperaturerhöhung unterbunden.
Ein drittes bevorzugtes Ausführungsbeispiel, dargestellt in der Figur 3, unterscheidet sich von den ersten beiden, in den Figuren 1 und 2 beschriebenen Ausführungsbeispielen dadurch, dass die Trennplatten 38b die Zellbecher 16 überragen. Die Ränder der Trennplatten 38b stehen wärmeleitend mit den Wänden des Modulgehäuses 14 in Kontakt . So kann Wärme aus den Bereichen zwischen den Zellen 12 über die Trennplatten 38b und das Modulgehäuse 14 nach Außen abgeführt werden.
Bei einem vierten bevorzugten Ausführungsbeispiel, dargestellt in der Figur 4, sind diejenigen Elemente, die zu denen des ersten, zweiten und dritten, in den Figuren 1 bis 3 beschriebenen Ausführungsbeispielen ähnlich sind, mit denselben Bezugszeichen zuzüglich 100 versehen, so dass bezüglich deren Beschreibung auf die Ausführungen zu den ersten drei Ausführungsbeispielen Bezug genommen wird. Dieses Ausführungsbeispiel unterscheidet sich von den ersten drei Ausführungsbeispielen dadurch, dass jeweils zwei Zellen 112a und 112b paarweise zusammengefasst sind, nämlich die in der Figur 4 erste Zelle 112a von links mit der zweiten Zelle 112b und die dritte Zelle 112a mit der vierten Zelle 112b. Die einander zugewandten Seitenflächen der Zellbecher 116a und 116b eine Paares liegen ganzflächig elektrisch leitend aneinander.
Bei jeweils der in der Figur 4 linken Zellen 112a eines Paares bildet der Zellbecher 116a den Pluspol. Bei den jeweils rechten Zellen 112b bildet der Zellbecher 116b den Minuspol. Die Zellbecher 116a, die die Pluspole bilden, sind statt aus Stahl aus Aluminium. Die Zellbecher 116a und 116b ersetzen also die entsprechenden Pole, die bei den ersten drei Ausführungsbeispielen in den Figuren 1 bis 3 unten erforderlich waren, so dass die dortigen Verbindungsleitungen 20 entfallen können.
Zwischen den Zellen 112a und 112b eines Paares sind keine elektrisch isolierenden Trennplatten erforderlich. Zwischen den beiden Zellpaaren ist, wie beim dritten Ausführungsbeispiel (Figur 3), eine elektrisch isolierende, wärmeleitende Trennplatte 138b angeordnet, die wärmeleitend mit dem Modulgehäuse 114 in Kontakt stehen.
Bei allen oben beschriebenen Ausführungsbeispielen eines
Energiespeichermoduls 10; 110 sind unter anderem die folgenden Modifikationen möglich:
Die Zellen 12; 112a, 112b können statt Lithiumionenzellen auch andersartige vorzugsweise elektrochemische Speicherzellen, beispielsweise NiCd- oder NiMH-Zellen, sein. Die Zellen 12; 112a, 112b können statt quaderförmig auch andersartig prismatisch, beispielsweise mit dreieckiger oder anderer polygoner Grundfläche und Deckfläche, aufgebaut sein.
Es können auch weniger oder mehr als vier Zellen 12; 112a, 112b in einem Energiespeichermodul 10; 110 zusammengefasst sein.
Statt einer Mehrzahl von Elektrodenpaaren kann auch jeweils nur ein Elektrodenpaar in den Zellen angeordnet sein, welches beispielsweise als ebene Elektrodenpaarwicklung ausgestaltet ist.
Die Zellen 12; 112a, 112b können statt in einem Modulgehäuse 14; 114 angeordnet auch von einer Modul-Ummantelung beispielsweise aus Kunststoff umgeben sein.
Die Kontakte 26, 30, 34, 44; 126, 130, 134, 144 können statt als Metallflächen auch in einer anderen Art, beispielsweise als Steckkontakte, realisiert sein.
Statt aus Kunststoff können die Trennplatten 38, 38b; 138b auch aus einem andersartigen elektrisch isolierenden Material vorzugsweise mit guter Wärmeleitfähigkeit sein.
Die Zellbecher 16; 116a, 116b können statt aus Stahl beziehungsweise aus Aluminium auch aus einem anderen stabilen Material sein, so dass die Zellen 12; 112a, 112b selbsttragend und hinreichend formstabil sind. In den ersten drei Ausführungsbeispielen (Figuren 1 bis 3) können die Zellbecher 16 auch aus einem elektrisch nicht leitenden Material sein. Vorzugsweise besitzen die Zellbecher 16; 116a, 116b eine gute Wärmeleitfähigkeit. Beim vierten bevorzugten Ausführungsbeispiel können anstelle der gesamten Zellbecher 116a, 116b auch nur jeweils sich berührende Bereiche aus elektrisch leitfähigem Material sein. Die den Minuspol und den Pluspol bildenden Zellbecher 116a, 116b können auch aus dem gleichen Material sein.
Anstelle des PTC -Widerstands 36; 136 kann auch ein andersartiger Temperatursensor, beispielsweise ein NTC (negative temperature coefficient) - Widerstand, verwendet werden. Anstelle nur eines Temperaturbeziehungsweise Drucksensors können auch mehrere solcher Sensoren vorgesehen sein.
Anstelle des Bimetallschalters kann auch eine andersartige Überstromsicherung 36; 136 eingesetzt werden. Die Überstromsicherung 36; 136 kann auch Teil der Schutzschaltung sein.
Die Schutzschaltung kann statt unmittelbar die Strompfade zu unterbrechen auch mittelbar durch Übermittlung eines Signals an das mit dem Energiespeichermodul 10; 110 verbundene Ladegerät oder Elektrowerkzeug eine Unterbrechung des Lade- oder Laststroms veranlassen.
Die Zellen 12; 112a, 112b können statt in Serie auch parallel geschaltet sein. Es können auch Kombinationen von Serien- und Parallelschaltungen mit der Erfindung realisiert werden.

Claims

Ansprüche
1. Energiespeichermodul (10; 110), insbesondere Akku-Pack zur
Stromversorgung eines Elektrowerkzeuges, mit mindestens einer Zelle (12; 112a, 112b) zur Energiespeicherung, dadurch gekennzeichnet, dass die Zelle (12; 112a, 112b) prismatisch aufgebaut ist.
2. Energiespeichermodul nach Anspruch 1 , dadurch gekennzeichnet, dass die Zelle (12; 112a, 112b) eine elektrochemische Speicherzelle, insbesondere eine Lithiumionenzelle ist, mit einem Zellbecher (16; 116a, 116b), in dem wenigstens ein Elektrodenpaar mit einer ebenen Kathode und einer ebenen Anode, die zueinander parallel verlaufen, angeordnet ist.
3. Energiespeichermodul nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass wenigstens zwei Elektrodenpaare gestapelt oder wenigstens ein Elektrodenpaar als Elektrodenpaarwicklung ausgestaltet sind.
4. Energiespeichermodul nach Anspruch 2 oder 3, gekennzeichnet durch wenigstens zwei Zellen (112a, 112b), deren Zellbecher (116a, 116b) wenigstens zu einem Teil aus einem elektrisch leitfähigen Material sind, das den Pluspol oder den Minuspol der jeweiligen Zelle (112a, 112b) mit bildet, und die Zellbecher (116a, 116b) von wenigstens zwei der Zellen
(112a, 112b) sich flächig jeweils im Bereich des elektrisch leitfähigen Materials berühren.
5. Energiespeichermodul nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass einer der Zellbecher (116b) den Minuspol der jeweiligen Zelle (112b) und der andere Zellbecher (116a) den Pluspol der jeweiligen Zelle (112a) aufweist.
6. Energiespeichermodul nach einem der Ansprüche 2 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass die Zellbecher (16; 116a, 116b)
Überdruckschutzmittel, insbesondere Überdruckventile und/oder Sollbruchstellen, aufweisen.
7. Energiespeichermodul nach einem der Ansprüche 2 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass die Zellbecher (16; 116a, 116b) aus einem formstabilen, vorzugsweise selbsttragenden Material gebildet sind.
8. Energiespeichermodul nach einem der vorherigen Ansprüche, gekennzeichnet durch wenigstens einen Drucksensor und/oder einen Temperatursensor (40; 140) und/oder eine elektrische/elektronische
Schaltung insbesondere mit einer Stromunterbrechungseinheit und/oder einem Mittel zum Kurzschalten.
9. Energiespeichermodul nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Zelle (12; 112a, 112b) in einem prismatischen Modulgehäuse (14; 114) angeordnet ist.
10. Energiespeichermodul nach einem der vorhergehenden Ansprüche, gekennzeichnet durch ein Wärmeleitmittel (38; 38b; 138b) zur Ableitung von Wärme von der Zelle (12; 112a, 112b).
11. Elektrowerkzeug mit mindestens einem Energiespeichermodul (10; 110), insbesondere Akku-Pack zur Stromversorgung eines Elektrowerkzeuges, mit mindestens einer Zelle (12; 112a, 112b) zur Energiespeicherung, insbesondere nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Zelle (12; 112a, 112b) prismatisch aufgebaut ist.
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