DE102021124388A1 - battery cell - Google Patents
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Abstract
Batteriezelle (1), zumindest umfassend ein formfestes Gehäuse (2) und darin angeordnet eine Mehrzahl von aufeinander zumindest gestapelten Lagen (3), umfassend mindestens eine Anode und mindestens eine Kathode als Elektroden und zwischen den unterschiedlichen Elektroden einen Separator; wobei das Gehäuse (2) eine äußere Ummantelung (4) zur Ausbildung eines von dem Gehäuse (2) eingeschlossenen Volumens (5) sowie innerhalb des Volumens (5) eine mit der äußeren Ummantelung (4) verbundene Wärmetauscherplatte (6) umfasst, wobei die Wärmetauscherplatte (6) in einem Wärmeaustauschabschnitt (7) zumindest teilweise hohl ausgeführt ist und mindestens einen Hohlraum (9) aufweist, der zumindest teilweise mit einem Phasenwechselmaterial (10) gefüllt ist.Battery cell (1), at least comprising a dimensionally stable housing (2) and arranged therein a plurality of layers (3) at least stacked on top of one another, comprising at least one anode and at least one cathode as electrodes and a separator between the different electrodes; wherein the housing (2) comprises an outer casing (4) to form a volume (5) enclosed by the housing (2) and, within the volume (5), a heat exchanger plate (6) connected to the outer casing (4), the The heat exchanger plate (6) is at least partially hollow in a heat exchange section (7) and has at least one cavity (9) which is at least partially filled with a phase change material (10).
Description
Die Erfindung betrifft eine Batteriezelle, zumindest umfassend ein formfestes Gehäuse und darin angeordnet mindestens eine Mehrzahl von aufeinander zumindest gestapelten Lagen, umfassend mindestens eine Anode und mindestens eine Kathode als Elektroden und zwischen den unterschiedlichen Elektroden einen Separator. Die Lagen bilden mindestens einen Stapel.The invention relates to a battery cell, at least comprising a dimensionally stable housing and arranged therein at least a plurality of layers at least stacked on top of one another, comprising at least one anode and at least one cathode as electrodes and a separator between the different electrodes. The layers form at least one stack.
Die zumindest gestapelten, ggf. zusätzlich gewickelten bzw. gefalteten, Kathoden, Anoden und Separatoren bilden insbesondere einen Stapel. Jede Elektrode ist mit einem sich aus dem Stapel nach außen erstreckenden Ableiter verbunden, so dass ein elektrischer Strom aus dem Stapel ab- oder dem Stapel zugeführt werden kann. Die Ableiter der Anoden und die Ableiter der Kathoden werden jeweils miteinander verbunden, um die jeweiligen Elektroden elektrisch parallel zu verschalten. In der Batteriezelle können auch mehrere Stapel angeordnet sein.The at least stacked, possibly additionally wound or folded, cathodes, anodes and separators form in particular a stack. Each electrode is connected to a conductor extending outwardly from the stack so that an electrical current can be drawn from or supplied to the stack. The conductors of the anodes and the conductors of the cathodes are respectively connected to each other in order to electrically connect the respective electrodes in parallel. Several stacks can also be arranged in the battery cell.
Für den Antrieb von Kraftfahrzeugen werden vermehrt Batterien, insbesondere Lithium-Ionen-Batterien eingesetzt. Batterien werden üblicherweise aus Batteriezellen und/ oder aus mehrere Batteriezellen umfassenden Batteriemodulen zusammengesetzt.Batteries, in particular lithium-ion batteries, are increasingly being used to drive motor vehicles. Batteries are usually composed of battery cells and/or battery modules comprising several battery cells.
Aus der nachveröffentlichten
Diese Bauart einer Batteriezelle ermöglicht eine effektive Ausnutzung eines Bauraums, es wird also ein hoher Wert für diesen Parameter in Wh/I [Watt-Stunde pro Liter] erreicht.This type of battery cell enables effective use of space, so a high value is achieved for this parameter in Wh/I [watt hour per liter].
Weiterhin ist eine Anbindung der Zelle an die Kühlung im System sehr wichtig. Ein direkter Kühlpfad zwischen den Stapeln bzw. dem Block Aktivmaterial zu einer Systemkühlung ist in aktuellen Bauformen nicht vorhanden. Durch das in der
Aus der
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Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, die mit Bezug auf den Stand der Technik angeführten Probleme zumindest teilweise zu lösen. Insbesondere soll eine Batteriezelle vorgeschlagen werden, die kostengünstig herstellbar ist, eine effektive Raumnutzung des Gehäuses ermöglicht sowie eine verbesserte Temperierung der Batteriezelle bzw. der in dem Gehäuse angeordneten Stapel gewährleistet.The object of the present invention is to at least partially solve the problems cited with reference to the prior art. In particular, a battery cell is to be proposed which can be produced cost-effectively, enables effective use of space in the housing and ensures improved temperature control of the battery cell or of the stack arranged in the housing.
Zur Lösung dieser Aufgaben trägt eine Batteriezelle mit den Merkmalen gemäß Patentanspruch 1 bei. Vorteilhafte Weiterbildungen sind Gegenstand der abhängigen Patentansprüche. Die in den Patentansprüchen einzeln aufgeführten Merkmale sind in technologisch sinnvoller Weise miteinander kombinierbar und können durch erläuternde Sachverhalte aus der Beschreibung und/oder Details aus den Figuren ergänzt werden, wobei weitere Ausführungsvarianten der Erfindung aufgezeigt werden.A battery cell with the features according to
Es wird eine Batteriezelle vorgeschlagen, zumindest umfassend ein formfestes Gehäuse und darin angeordnet eine Mehrzahl von aufeinander zumindest gestapelten Lagen, umfassend mindestens eine Anode und mindestens eine Kathode als Elektroden und zwischen den unterschiedlichen Elektroden einen Separator. Das Gehäuse umfasst eine äußere Ummantelung zur Ausbildung eines von dem Gehäuse eingeschlossenen Volumens sowie innerhalb des Volumens eine mit der äußeren Ummantelung verbundene Wärmetauscherplatte. Die Wärmetauscherplatte ist in einem Wärmeaustauschabschnitt zumindest teilweise hohl ausgeführt und weist mindestens einen Hohlraum auf, der zumindest teilweise mit einem Phasenwechselmaterial gefüllt ist.A battery cell is proposed, at least comprising a dimensionally stable housing and arranged therein a plurality of layers at least stacked on top of one another, comprising at least one anode and at least one cathode as electrodes and a separator between the different electrodes. The housing includes an outer shell to form a volume enclosed by the housing and, within the volume, a heat exchanger plate connected to the outer shell. The heat exchanger plate is at least partially hollow in a heat exchange section and has at least one cavity which is at least partially filled with a phase change material.
Die zumindest gestapelten, ggf. zusätzlich gewickelten bzw. gefalteten, Kathoden, Anoden und Separatoren bilden insbesondere einen Stapel. Die Elektroden weisen Aktivmaterialien insbesondere als Beschichtungen auf elektrisch leitenden Trägermaterialien auf, die insbesondere als Ableiter dienen. Die Anode, die Kathode und der Separator werden jeweils als Lage bezeichnet. Die Lagen können als Einzelblattstapel, Laminierung, Z-Faltung, Jelly Roll angeordnet sein, jeweils in beliebiger Anzahl.The at least stacked, possibly additionally wound or folded, cathodes, anodes and separators form in particular a stack. The electrodes have active materials, in particular as coatings on electrically conductive carrier materials, which serve in particular as conductors. The anode, cathode and separator are each referred to as a layer. The layers can be arranged as a single sheet stack, lamination, Z-fold, jelly roll, each in any number.
Jede Elektrode ist mit einem sich aus dem Stapel nach außen erstreckenden Ableiter verbunden, so dass ein elektrischer Strom aus dem Stapel ab- oder dem Stapel zugeführt werden kann. Die Ableiter der Anoden und die Ableiter der Kathoden werden jeweils miteinander verbunden, um die jeweiligen Elektroden elektrisch parallel zu verschalten. In der Batteriezelle können auch mehrere Stapel angeordnet sein.Each electrode is connected to a conductor extending outwardly from the stack so that an electrical current can be drawn from or supplied to the stack. The conductors of the anodes and the conductors of the cathodes are respectively connected to each other in order to electrically connect the respective electrodes in parallel. Several stacks can also be arranged in the battery cell.
Die Elektroden sind insbesondere in bekannter Weise zur Bildung des Stapels angeordnet und werden von einem Elektrolyten bzw. einer Elektrolytflüssigkeit beaufschlagt.In particular, the electrodes are arranged in a known manner to form the stack and are acted upon by an electrolyte or an electrolyte liquid.
Die Elektroden sind insbesondere folienartig ausgeführt, weisen also eine große Seitenfläche und eine geringe Dicke auf. Auf der Seitenfläche bzw. auf jeder Seitenfläche der Elektrode ist insbesondere eine Beschichtung mit Aktivmaterial angeordnet. Die Separatoren sind jeweils zwischen den Seitenflächen der benachbart angeordneten unterschiedlichen Elektroden angeordnet. Insbesondere erstrecken sich unbeschichtete Teile der Elektroden als Ableiter aus dem Stapel heraus.The electrodes are designed in particular in the form of foils, ie they have a large side surface and a small thickness. In particular, a coating with active material is arranged on the side surface or on each side surface of the electrode. The separators are each arranged between the side surfaces of the adjacently arranged different electrodes. In particular, uncoated parts of the electrodes extend out of the stack as conductors.
Insbesondere sind jeweils die Anoden und die Kathoden innerhalb des Stapels miteinander parallelgeschaltet, so dass die Ableiter einer Mehrzahl von Anoden miteinander elektrisch leitend verbunden sind und die Ableiter einer Mehrzahl von Kathoden miteinander elektrisch leitend verbunden sind.In particular, the anodes and the cathodes within the stack are connected in parallel with one another, so that the conductors of a plurality of anodes are electrically conductively connected to one another and the conductors of a plurality of cathodes are electrically conductively connected to one another.
Das Gehäuse der Batteriezelle ist insbesondere nur plastisch verformbar. Das Gehäuse wird auch als „Hardcase“ bezeichnet und die Batteriezelle z. B. als eine prismatische Zelle.The housing of the battery cell is in particular only plastically deformable. The housing is also referred to as a "hard case" and the battery cell z. B. as a prismatic cell.
Die Batteriezelle ist insbesondere eine lithiumhaltige Batteriezelle, insbesondere eine Sekundärzelle, also eine wiederaufladbare Batteriezelle.The battery cell is in particular a lithium-containing battery cell, in particular a secondary cell, ie a rechargeable battery cell.
Ein Phasenwechselmaterial ist insbesondere bei normalen/tiefen Temperaturen fest und wird bei erhöhten Temperaturen flüssig oder gasförmig. Bei dem Phasenwechsel des Phasenwechselmaterials wird sehr viel thermische Energie aufgenommen. Diese Eigenschaft kann insbesondere für zwei Ziele genutzt werden:
- • durch die Aufnahme von thermischer Energie kann ein „thermal runaway“ (ein thermisches Durchgehen der Batteriezelle bzw. „thermalpropagation“ (ein Übergreifen des Durchgehens auf benachbarte Batteriezellen) verzögert oder sogar komplett verhindert werden;
- • durch die Aufnahme von thermischer Energie in einem gezielten Temperaturbereich kann eine „passive“ Kühlung der Batteriezelle erreicht werden; eine klassische, aktive Kühlung kann somit ggf. vollständig entfallen; stattdessen heizt sich die Batteriezelle im Betrieb bis zu der Temperatur auf, bei der der Phasenwechsel eintritt, so dass dadurch ein Übersteuern der Temperatur verhindert wird; durch Wahl des Phasenwechselmaterials kann diese Maximaltemperatur auf die Zellchemie/-auslegung abgestimmt werden.
- • by absorbing thermal energy, "thermal runaway" (thermal runaway of the battery cell or "thermal propagation" (runaway spreading to neighboring battery cells) can be delayed or even completely prevented;
- • “passive” cooling of the battery cell can be achieved by absorbing thermal energy in a specific temperature range; a classic, active cooling can therefore be completely omitted; instead, the battery cell heats up during operation to the temperature at which the phase change occurs, thereby preventing temperature overshoot; this maximum temperature can be matched to the cell chemistry/design by selecting the phase change material.
Nachteilig ist insbesondere, dass durch den erhöhten Platzbedarf des Wärmetaustauschabschnitts und das erhöhte Gewicht der Batteriezelle die Energiedichte (volumetrisch sowie gravimetrisch) auf Zellebene sinkt. Auf Systemebene (Batteriemodul bzw. Batterie) kann dieser „Nachteil“ durch die Einsparungen im Batteriemodul jedoch wieder ausgeglichen werden, da Sicherheitsfeatures minimiert werden und/ oder eine „aktive“ Kühlung der Batteriezelle bzw. des Batteriemoduls entfallen kann.A particular disadvantage is that due to the increased space requirement of the heat exchange section and the increased weight of the battery cell, the energy density (volumetrically and gravimetrically) drops at cell level. At the system level (battery module or battery), however, this "disadvantage" can be offset by the savings in the battery module, since safety features are minimized and/or "active" cooling of the battery cell or battery module can be omitted.
Die vorgeschlagene Anpassung des Wärmeaustauschabschnitts bzw. der Wärmetauscherplatte stellt eine batteriezelleninterne Maßnahme dar, so dass auf der Ebene eines Batteriemoduls kein konstruktiver Mehraufwand erforderlich ist. Insbesondere verhalten sich alle Batteriezellen, auch bei Zellchemieänderungen, auf Modulebene identisch. Eine Neuentwicklung bei Modellpflegen ist insbesondere nicht erforderlich. Ebenso kann ein Modulkonzept mit verschiedenen Batteriezellen (geringe Kosten gegenüber hoher Leistungsfähigkeit; also lowcost vs. high-performance) identisch angewandt werden. Somit sinkt der Entwicklungsaufwand in einem diversen Portfolio substanziell.The proposed adaptation of the heat exchange section or the heat exchanger plate represents a battery cell-internal measure, so that no additional design effort is required at the level of a battery module. In particular, all battery cells behave identically at the module level, even with changes in cell chemistry. In particular, a new development for facelifts is not required. Likewise, a module concept with different battery cells (low costs versus high performance; i.e. low cost versus high performance) can be used identically. This substantially reduces the development effort in a diverse portfolio.
Die Herstellung zumindest des Wärmeaustauschabschnitts kann z. B. durch ein Gießverfahren erfolgen, z. B. durch ein bekanntes Druckgussverfahren. Der Wärmeaustauschabschnitt bzw. die Wärmetauscherplatte kann durch das Fügen zweier Halbschalen z. B. durch Schweißen erfolgen. Weiter kann zumindest der Wärmeaustauschabschnitt bzw. die Wärmetauscherplatte durch Strangpressprofile oder durch ein additives Herstellungsverfahren, z. B. dreidimensionales Drucken hergestellt werden.The production of at least the heat exchange section can, for. B. done by a casting process, z. B. by a known Druckgussver drive. The heat exchange section or the heat exchanger plate can be z. B. done by welding. Furthermore, at least the heat exchange section or the heat exchanger plate can be produced by extruded profiles or by an additive manufacturing process, e.g. B. three-dimensional printing can be produced.
Bei dem Verfahren Strangpressen wird ein Ausgangsmaterial auf eine Umformtemperatur erhitzt und mit hohem Druck durch eine formgebende Matrize gedrückt. Das so entstehende Profil wird aus der Matrize entlang einer Vorschubrichtung weiterbewegt.In the extrusion process, a starting material is heated to a forming temperature and pressed through a shaping die at high pressure. The resulting profile is moved out of the die along a feed direction.
Bei dem Verfahren Druckguss wird ein flüssiges Ausgangsmaterial in ein Formnegativ eingeleitet und nach Erstarrung entformt.In the die casting process, a liquid starting material is introduced into a mold negative and demolded after solidification.
Das Verschließen des mindestens einen, mit dem Phasenwechselmaterial gefüllten Hohlraum des Wärmeaustauschabschnitts kann insbesondere durch ein Anordnen von Stopfen, z. B. durch Löten oder Schweißen, an dem Hohlraum erreicht werden. Der mindestens eine Stopfen kann z. B. aus einem Metall oder auch aus einem Kunststoff ausgeführt sein.The sealing of the at least one cavity of the heat exchange section filled with the phase change material can be achieved in particular by arranging plugs, e.g. B. by soldering or welding, can be achieved at the cavity. The at least one plug can, for. B. be made of a metal or of a plastic.
Insbesondere umfasst die Wärmetauscherplatte mindestens ein Anschlusselement, das mit dem Wärmeaustauschabschnitt einteilig verbunden ist und zumindest einen Teil der äußeren Ummantelung bildet.In particular, the heat exchanger plate comprises at least one connection element which is connected in one piece to the heat exchange section and forms at least part of the outer casing.
Das Gehäuse ist bei der einsatzbereiten Batteriezelle insbesondere einteilig ausgeführt. Das Gehäuse bzw. die das Volumen umschließende Ummantelung setzt sich insbesondere aus dem mindestens einen Anschlusselement der Wärmetauscherplatte zusammen und weiteren die Ummantelung bildenden Bauteilen, die erst im Rahmen der Herstellung des Gehäuses miteinander verbunden werden, vorher aber getrennt voneinander vorliegen. Anschlusselement(-e) und Wärmetauscherplatte bilden insbesondere eine Vormontagegruppe, die dann mit den weiteren Bauteilen zur Ummantelung verbunden werden.In the case of the ready-to-use battery cell, the housing is in particular made in one piece. The housing or the casing enclosing the volume is composed in particular of the at least one connection element of the heat exchanger plate and other components forming the casing, which are only connected to one another during the manufacture of the housing, but are separate from one another beforehand. Connection element(s) and heat exchanger plate form, in particular, a pre-assembly group which is then connected to the other components for the sheathing.
Insbesondere sind der Wärmeaustauschabschnitt und ggf. zusätzlich das mindestens eine Anschlusselement einteilig als Druckgussteil, als Strangpressprofil oder als Schweißkonstruktion ausgeführt. Dabei ist es auch möglich, zwei Halbschalen zu fertigen und diese zu verbinden, z. B. durch Schweißen. Eine Herstellung durch additive Fertigungsverfahren, also z. B. durch dreidimensionalen Druck ist natürlich auch möglich.In particular, the heat exchange section and possibly also the at least one connection element are designed in one piece as a die-cast part, as an extruded profile or as a welded construction. It is also possible to manufacture two half-shells and to connect them, e.g. B. by welding. A production by additive manufacturing processes, e.g. B. by three-dimensional printing is of course also possible.
Insbesondere kann der Wärmeaustauschabschnitt elastisch und/oder plastisch verformbar sein, insbesondere abhängig vom Zustand des Phasenwechselmaterials. Dabei kann z. B. die den Hohlraum umgebende Wandung des Wärmeaustauschabschnitts so dünnwandig bzw. verformbar ausgeführt sein, dass das Phasenwechselmaterial die Wandung abstützt.In particular, the heat exchange section can be elastically and/or plastically deformable, in particular depending on the state of the phase change material. In doing so, e.g. B. the wall of the heat exchange section surrounding the cavity can be designed to be so thin-walled or deformable that the phase change material supports the wall.
Mit der elastischen und/ oder plastischen Verformbarkeit des Wärmeaustauschabschnitts können insbesondere Volumenänderungen der Batteriezelle innerhalb des Gehäuses ausgeglichen werden.With the elastic and/or plastic deformability of the heat exchange section, changes in volume of the battery cell within the housing can be compensated for in particular.
Der Wärmeaustauschabschnitt ist insbesondere als Strukturprofil-Bauteil (also mit inneren Strukturen, z. B. Waben- oder Tragwerkkonstruktion) konstruiert oder es werden in den mindestens einen Hohlraum zusätzlich Federn oder auch Schäume eingebaut. Der Wärmeaustauschabschnitt kann auch in der Art einer Honigwabenstruktur ausgeführt sein, wobei die Waben so angeordnet sind, dass eine elastische bzw. plastische Verformbarkeit des Wärmeaustauschabschnitts zwischen den einzelnen Stapeln gewährleistet ist.The heat exchange section is constructed in particular as a structural profile component (that is to say with internal structures, for example honeycomb or support structure construction) or additional springs or else foams are installed in the at least one cavity. The heat exchange section can also be designed in the manner of a honeycomb structure, the honeycombs being arranged in such a way that elastic or plastic deformability of the heat exchange section between the individual stacks is ensured.
Insbesondere wird die Batteriezelle gemäß der
Insbesondere umfasst die Ummantelung zumindest ein Mantelteil mit zumindest einer offenen ersten Stirnseite. Das Mantelteil umschließt die Lagen und den Wärmeaustauschabschnitt entlang einer Umfangsrichtung vollumfänglich. Die erste Stirnseite ist zumindest teilweise durch das mindestens eine Anschlusselement verschlossen.In particular, the casing comprises at least one casing part with at least one open first end face. The jacket part completely encloses the layers and the heat exchange section along a circumferential direction. The first end face is at least partially closed by the at least one connection element.
Das Mantelteil ist insbesondere zylindrisch ausgeführt, weist also nur zueinander parallel verlaufende Flächen auf. Die erste Stirnseite erstreckt sich insbesondere quer dazu. Das Mantelteil kann als Tiefziehteil ausgeführt sein, wobei beide Stirnseiten offen oder aber eine Stirnseite geschlossen ausgeführt sein kann.The casing part is in particular of cylindrical design, ie it only has surfaces which run parallel to one another. The first end face extends in particular transversely thereto. The jacket part can be designed as a deep-drawn part, with both end faces being open or one end face being able to be closed.
Insbesondere umfasst das Mantelteil eine offene zweite Stirnseite, die durch das mindestens eine Anschlusselement, dass mit dem Wärmeaustauschabschnitt einteilig verbunden ist, zumindest teilweise verschlossen ist.In particular, the casing part comprises an open second end face which is at least partially closed by the at least one connection element which is connected in one piece to the heat exchange section.
Die Stirnseiten liegen einander entlang einer axialen Richtung gegenüber. Die axiale Richtung verläuft insbesondere parallel zu der Erstreckung der zylindrischen Flächen des Mantelteils bzw. quer zur Erstreckung der ersten Stirnseite.The end faces face each other along an axial direction. The axial direction runs in particular parallel to the extension of the cylindrical surfaces of the casing part or transversely to the extension of the first end face.
Das mindestens eine Anschlusselement bzw. die Anschlusselemente erstrecken sich, z. B. bei der Herstellung der Wärmetauscherplatte durch Strangpressen, jeweils parallel zur Vorschubrichtung, und parallel zu der mindestens einen Stirnseite.The at least one connection element or the connection elements extend, e.g. B. in the manufacture of the heat exchanger plate by extrusion, each parallel to the feed direction, and parallel to the at least one end face.
Das bzw. die Anschlusselemente weisen in einer radialen Richtung, also quer zur axialen Richtung und quer zu einer größten Seite des Wärmeaustauschabschnitts, eine größere Breite als der Wärmeaustauschabschnitt auf, insbesondere um einen Faktor größer 3, bevorzugt größer 5. Die Anschlusselemente erstrecken sich insbesondere senkrecht zum Wärmeaustauschabschnitt. Der Wärmeaustauschabschnitt weist eine Breite von 3 bis 15 Millimeter, insbesondere von höchstens 8 Millimeter, bevorzugt von höchstens 5 Millimetern, auf. Der Wärmeaustauschabschnitt weist, insbesondere parallel zur Breite des Wärmeaustauschabschnitts, eine geringste Wanddicke (also insbesondere eine Wandstärke eines Vollmaterials) von 0,2 bis 5 Millimeter, insbesondere von höchstens 3 Millimeter, bevorzugt von höchstens 2 Millimetern, auf. Die Anschlusselemente weisen insbesondere eine geringste Wanddicke auf, für die die Grenzen der Wanddicke des Wärmeaustauschabschnitts ebenfalls gelten. Die Wanddicke der einzelnen Teile kann aber voneinander unterschiedlich ausgeführt sein.In a radial direction, i.e. transversely to the axial direction and transversely to a largest side of the heat exchange section, the connection element(s) has a greater width than the heat exchange section, in particular by a factor greater than 3, preferably greater than 5. The connection elements extend in particular perpendicularly to the heat exchange section. The heat exchange section has a width of 3 to 15 millimeters, in particular at most 8 millimeters, preferably at most 5 millimeters. The heat exchange section has, in particular parallel to the width of the heat exchange section, a minimum wall thickness (ie in particular a wall thickness of a solid material) of 0.2 to 5 millimeters, in particular at most 3 millimeters, preferably at most 2 millimeters. In particular, the connection elements have a very small wall thickness, for which the limits of the wall thickness of the heat exchange section also apply. However, the wall thickness of the individual parts can be different from one another.
Die Breite der Anschlusselemente ist insbesondere so ausgeführt, dass sie die Erstreckung des mindestens einen Stapels entlang der radialen Richtung gerade überdeckt.The width of the connection elements is designed in particular in such a way that it just covers the extension of the at least one stack along the radial direction.
Das mindestens eine Anschlusselement umfasst insbesondere eine vollständig geschlossene Oberfläche, so dass damit eine Stirnseite auch vollständig verschließbar ist. Alternativ kann das Anschlusselement aber z. B. mindestens einen Anschluss zum Befüllen des von dem Gehäuse umschlossenen Volumens mit einem Elektrolyten aufweisen.The at least one connecting element comprises in particular a completely closed surface, so that one end face can also be completely closed with it. Alternatively, the connection element but z. B. have at least one connection for filling the volume enclosed by the housing with an electrolyte.
Als Material zumindest für den Wärmeaustauschabschnitt und die Anschlusselemente kann insbesondere Aluminium bzw. eine Aluminiumlegierung oder aber auch andere Werkstoffe eingesetzt werden. Dabei sollte das eingesetzte Material insbesondere eine gute Wärmeleitfähigkeit, bevorzugt vergleichbar oder höher als die Wärmleitfähigkeit von Aluminium, aufweisen.In particular, aluminum or an aluminum alloy or other materials can be used as the material at least for the heat exchange section and the connecting elements. The material used should in particular have good thermal conductivity, preferably comparable to or higher than the thermal conductivity of aluminum.
Insbesondere wird der mindestens eine Stapel so angeordnet, dass sich die Lagen im Bereich der Seiten des Wärmeaustauschabschnitts jeweils parallel zu den Seiten erstrecken. Ist nur ein Stapel vorgesehen, können die Lagen um den Wärmeaustauschabschnitt herum gewickelt angeordnet sein. Sind zwei Stapel vorgesehen, kann jeder Stapel benachbart zu der jeweiligen Seite angeordnet sein.In particular, the at least one stack is arranged in such a way that the layers in the area of the sides of the heat exchange section each extend parallel to the sides. If only one stack is provided, the layers may be wrapped around the heat exchange section. If two stacks are provided, each stack may be adjacent to the respective side.
Zur Herstellung der Batteriezelle wird insbesondere zunächst die Wärmetauscherplatte bereitgestellt. Der mindestens eine Stapel wird an dem Wärmeaustauschabschnitt der Wärmetauscherplatte, insbesondere zwischen den Stirnseiten, angeordnet.In order to produce the battery cell, the heat exchanger plate is first provided in particular. The at least one stack is arranged on the heat exchange section of the heat exchanger plate, in particular between the end faces.
Der mindestens eine Stapel kann von einer elektrischen Isolierung eingefasst sein.The at least one stack can be surrounded by electrical insulation.
Der mindestens eine Stapel kann insbesondere über eine Art Klammer an dem Wärmeaustauschabschnitt angeordnet werden. Die Klammer kann den mindestens einen Stapel außen umfassen und so eine Breite des mindestens einen Stapels fixieren. Die Breite verläuft quer zu den Seiten des Wärmeaustauschabschnitts. Insbesondere ist der mindestens eine Stapel so an dem Wärmeaustauschabschnitt angeordnet, dass er entlang der axialen Richtung fluchtend zu dem mindestens einen Anschlusselement angeordnet ist.The at least one stack can be arranged in particular via a type of clamp on the heat exchange section. The clamp can encompass the at least one stack on the outside and thus fix a width of the at least one stack. The width runs across the sides of the heat exchange section. In particular, the at least one stack is arranged on the heat exchange section in such a way that it is arranged in alignment with the at least one connection element along the axial direction.
Die Wärmetauscherplatte kann zusammen mit dem mindestens einen Stapel (insbesondere zusammen mit einer Isolierung) in das Mantelteil eingeschoben werden, insbesondere entlang der axialen Richtung.The heat exchanger plate can be pushed into the casing part together with the at least one stack (in particular together with insulation), in particular along the axial direction.
Das mindestens eine Anschlusselement kann an der jeweiligen Stirnseite mit dem Mantelteil verbunden werden, bevorzugt stoffschlüssig, z. B. durch Schweißen. Insbesondere kann das Anschlusselement zumindest an mit dem Mantelteil ausgebildeten Kontaktstellen an der jeweiligen Stirnseite mit dem Mantelteil verbunden werden. Damit kann eine zumindest flüssigkeitsdichte, ggf. auch gasdichte Verbindung zwischen Mantelteil und Anschlusselement hergestellt werden.The at least one connection element can be connected to the casing part on the respective end face, preferably in a materially bonded manner, e.g. B. by welding. In particular, the connecting element can be connected to the casing part at least at contact points formed with the casing part on the respective end face. In this way, an at least liquid-tight, possibly also gas-tight connection can be produced between the casing part and the connection element.
Das Gehäuse ist insbesondere quaderförmig ausgebildet. Die sich parallel zu den Seiten des Wärmeaustauschabschnitts erstreckenden Seitenflächen des Gehäuses weisen dabei die größten Flächen auf und werden insbesondere durch das Mantelteil gebildet. Die erste und zweite Stirnseite, an denen mindestens ein Anschlusselement angeordnet ist, können die Seitenflächen mit den jeweils kleineren Flächen bilden.The housing is in particular cuboid. The side surfaces of the housing that extend parallel to the sides of the heat exchange section have the largest surfaces and are formed in particular by the casing part. The first and second end faces, on which at least one connection element is arranged, can form the side surfaces with the respective smaller surfaces.
Insbesondere deckt das mindestens eine erste Anschlusselement mindestens 10 %, bevorzugt mindestens 20 %, der Stirnseite ab, an der es angeordnet ist.In particular, the at least one first connection element covers at least 10%, preferably at least 20%, of the end face on which it is arranged.
Insbesondere verläuft eine Längsrichtung, insbesondere die Vorschubrichtung beim Strangpressen der Wärmetauscherplatte, senkrecht zur axialen Richtung und parallel zu den Seiten des Wärmeaustauschabschnitts.In particular, there is a longitudinal direction, in particular the feed direction in the strand pressing the heat exchange plate, perpendicular to the axial direction and parallel to the sides of the heat exchange section.
Insbesondere verläuft eine Längsrichtung parallel zu dem Wärmeaustauschabschnitt und parallel zu der ersten Stirnseite und/oder zweiten Stirnseite. Die Ummantelung ist an zumindest einer der Stirnseiten durch mindestens zwei voneinander entlang der Längsrichtung beabstandete Anschlusselemente gebildet, wobei zwischen den Anschlusselementen ein Zwischenraum ausgebildet ist.In particular, a longitudinal direction runs parallel to the heat exchange section and parallel to the first end face and/or second end face. The casing is formed on at least one of the end faces by at least two connection elements spaced apart from one another in the longitudinal direction, with an intermediate space being formed between the connection elements.
Insbesondere sind zumindest an der ersten Stirnseite oder an der zweiten Stirnseite zwei Zwischenräume ausgebildet. Insbesondere sind die Zwischenräume entlang der Längsrichtung, insbesondere durch ein Anschlusselement, voneinander beabstandet angeordnet.In particular, two intermediate spaces are formed at least on the first end face or on the second end face. In particular, the intermediate spaces are arranged spaced apart from one another along the longitudinal direction, in particular by a connection element.
Insbesondere ist zumindest ein elektrischer Kontakt der Batteriezelle in einem Zwischenraum angeordnet.In particular, at least one electrical contact of the battery cell is arranged in an intermediate space.
In jedem Zwischenraum kann mindestens ein elektrischer Kontakt angeordnet sein, über den die in dem Volumen angeordneten Stapel mit einem außerhalb des Gehäuses angeordneten Stromkreis verbindbar sind. Insbesondere sind in jedem Zwischenraum ein Kontakt oder mehrere Kontakte angeordnet.At least one electrical contact can be arranged in each intermediate space, via which the stacks arranged in the volume can be connected to a circuit arranged outside of the housing. In particular, one contact or several contacts are arranged in each intermediate space.
Infolge der Bereitstellung mehrerer Kontakte (also mehrerer Kontakte eines Pols) kann der Innenwiderstand verringert werden.As a result of the provision of multiple contacts (that is, multiple contacts of one pole), the internal resistance can be reduced.
Ein Zwischenraum kann insbesondere durch mechanische Bearbeitung aus dem Anschlusselement bzw. aus der Wärmetauscherplatte herausgearbeitet werden (z. B. bei Ausführung der Wärmetauscherplatte als Strangpressprofil) oder direkt darin vorgesehen sein (z. B. bei Ausführung der Wärmetauscherplatte als Druckgussteil oder als Schweißkonstruktion). Insbesondere weist die Wärmetauscherplatte nach dem Strangpressen keine Zwischenräume auf.An intermediate space can be machined out of the connection element or heat exchanger plate in particular by mechanical processing (e.g. when the heat exchanger plate is designed as an extruded profile) or can be provided directly therein (e.g. when the heat exchanger plate is designed as a die-cast part or as a welded construction). In particular, the heat exchanger plate has no gaps after extrusion.
Insbesondere erstreckt sich das jeweilige Anschlusselement entlang der Längsrichtung über den Wärmeaustauschabschnitt hinaus. Insbesondere können sich so die Lagen eines Stapels von einer Seite des Wärmeaustauschabschnitts hin zur anderen Seite des Wärmeaustauschabschnitts erstrecken, insbesondere durch Wickeln der Lagen entlang der Umfangsrichtung um den Wärmeaustauschabschnitt. Die Erstreckung des jeweiligen Anschlusselements entlang der Längsrichtung ist insbesondere so ausgeführt, dass sie die Erstreckung des mindestens einen Stapels entlang der Längsrichtung gerade überdeckt.In particular, the respective connection element extends along the longitudinal direction beyond the heat exchange section. In particular, the layers of a stack can thus extend from one side of the heat exchange section to the other side of the heat exchange section, in particular by wrapping the layers along the circumferential direction around the heat exchange section. The extension of the respective connection element along the longitudinal direction is in particular designed in such a way that it just covers the extension of the at least one stack along the longitudinal direction.
Insbesondere ist zumindest eine Stirnseite ausschließlich durch nur ein Anschlusselement verschlossen. In diesem Fall bildet das eine Anschlusselement z. B. eine komplette Stirnseite der Ummantelung aus.In particular, at least one end face is exclusively closed by only one connection element. In this case, forms a connection element z. B. from a complete end face of the casing.
Insbesondere ist das zumindest eine Anschlusselemente stoffschlüssig mit dem Mantelteil verbunden.In particular, the at least one connecting element is integrally connected to the casing part.
Mit der Verbindung von Wärmetauscherplatte und Mantelteil ist das Gehäuse der Batteriezelle insbesondere hergestellt. Das Gehäuse ist, bei stoffschlüssiger Verbindung von Wärmetauscherplatte und Mantelteil, insbesondere einteilig ausgeführt, aber dabei immer aus zumindest zwei Teilen, nämlich aus Wärmetauscherplatte und Mantelteil, hergestellt.The housing of the battery cell is produced in particular with the connection of the heat exchanger plate and the casing part. The housing is, in the case of a material connection between the heat exchanger plate and the jacket part, in particular made in one piece, but is always made from at least two parts, namely the heat exchanger plate and the jacket part.
Insbesondere ist das Mantelteil ein Strangpressprofil. Die in Bezug auf die Wärmetauscherplatte vorliegenden Ausführungen zu dem Strangpressverfahren und den Materialstärken gelten hier insbesondere entsprechend.In particular, the casing part is an extruded profile. The statements made regarding the extrusion process and the material thicknesses in relation to the heat exchanger plate apply here in particular accordingly.
Insbesondere ist die Ummantelung an den Stirnseiten vergleichbar, ggf. sogar identisch ausgeführt und weist jeweils mindestens einen Zwischenraum oder zwei Zwischenräume, ggf. sogar mehr, auf. Alternativ weist die Wärmetauscherplatte im Bereich zumindest einer Stirnseite mindestens zwei Zwischenräume auf, während sie im Bereich der anderen Stirnseite geschlossen (ohne Zwischenraum, also als durchgehendes Anschlusselement) ausgeführt ist. In particular, the casing on the end faces is comparable, possibly even identical, and has at least one gap or two gaps, possibly even more. Alternatively, the heat exchanger plate has at least two intermediate spaces in the area of at least one end face, while it is closed (without an intermediate space, ie as a continuous connection element) in the area of the other end face.
Ebenso können die Stirnseiten aber auch unterschiedliche Anzahlen von Zwischenräumen aufweisen, also keinen, einen, zwei oder sogar mehr.However, the end faces can also have different numbers of intermediate spaces, ie none, one, two or even more.
Die mindestens zwei elektrischen Kontakte der Batteriezelle können an einer Stirnseite oder auf die zwei Stirnseiten verteilt angeordnet sein.The at least two electrical contacts of the battery cell can be arranged on one end face or distributed over the two end faces.
Es können an jeder Stirnseite, oder aber an nur einer der Stirnseiten, auch mehrere elektrische Kontakte angeordnet sein. Dabei können an einer Stirnseite gleichartige oder unterschiedliche Kontakte angeordnet sein.Several electrical contacts can also be arranged on each end face, or on only one of the end faces. In this case, identical or different contacts can be arranged on one end face.
Die hier beschriebene Batteriezelle mit Wärmetauscherplatte kann insbesondere vergleichbare Abmessungen (zumindest in zwei von drei Raumdimensionen, bevorzugt in allen Raumdimensionen) wie eine übliche Pouchzelle mit verformbarem Gehäuse oder eine bekannte prismatische Batteriezelle, die keine Wärmetauscherplatte aufweist, aufweisen. Insbesondere sind die elektrischen Kontakte in nahezu beliebiger Konfiguration an dem Gehäuse anordenbar, so dass eine Adaption der vorgeschlagenen Batteriezelle an für bekannte Batteriezellen vorgesehene Anordnungen in einfacher Weise möglich ist.The battery cell described here with a heat exchanger plate can in particular have comparable dimensions (at least in two of three spatial dimensions, preferably in all spatial dimensions) as a conventional pouch cell with a deformable housing or a known prismatic battery cell that has no heat exchanger plate. In particular, the electrical contacts can be arranged on the housing in almost any configuration, so that an adaptation of the proposed Genetic battery cell to arrangements provided for known battery cells is possible in a simple manner.
Insbesondere ist der jeweilige elektrische Kontakt gegenüber dem Gehäuse elektrisch isoliert. Z. B. kann der elektrische Kontakt einen metallischen Rahmen aufweisen, der mit dem Gehäuse, z. B. stoffschlüssig, verbindbar ist bzw. verbunden werden kann. Die elektrische Kontaktierung des Stapels erfolgt insbesondere über einen elektrischen Leiter, der sich von dem Stapel durch den elektrischen Kontakt hin zu der Umgebung der Batteriezelle erstreckt. Der elektrische Kontakt ist insbesondere gegenüber dem metallischen Rahmen elektrisch isoliert angeordnet, z. B. über eine Kontaktisolierung.In particular, the respective electrical contact is electrically insulated from the housing. For example, the electrical contact may comprise a metallic frame which is integral with the housing, e.g. B. cohesively, connectable or can be connected. The electrical contacting of the stack takes place in particular via an electrical conductor which extends from the stack through the electrical contact to the environment of the battery cell. The electrical contact is arranged electrically insulated in particular from the metal frame, z. B. via a contact insulation.
Der Kontakt ist insbesondere gegenüber dem mindestens einen Stapel durch eine Stapelisolierung elektrisch isoliert angeordnet. Insbesondere kann zumindest ein Kontakt auch gegenüber dem Gehäuse nicht isoliert angeordnet sein, so dass das Gehäuse ein elektrisches Potential aufweist.The contact is arranged electrically insulated in particular from the at least one stack by stack insulation. In particular, at least one contact can also be arranged non-insulated with respect to the housing, so that the housing has an electrical potential.
Insbesondere ist zumindest eine Elektrode des mindestens einen Stapels mit einem, in einem Zwischenraum angeordneten, ersten Kontakt oder mit einem, in einem anderen Zwischenraum angeordneten, zweiten Kontakt über einen sich nur im Bereich des Zwischenraums aus dem Stapel heraus erstreckenden Ableiter elektrisch leitend verbunden.In particular, at least one electrode of the at least one stack is electrically conductively connected to a first contact arranged in an intermediate space or to a second contact arranged in another intermediate space via an arrester extending out of the stack only in the region of the intermediate space.
Insbesondere erstrecken sich die Ableiter also nur dort aus dem Stapel bzw. der Isolierung des Stapels heraus, wo der Zwischenraum bzw. wo der mit den Ableitern zu kontaktierende elektrische Kontakt bzw. elektrische Leiter angeordnet ist. Damit muss ein sonst erforderlicher, für die Ableiter freizuhaltender Raum zwischen dem Stapel und der Stirnseite bzw. der Ummantelung nur im Bereich des Kontakts freigehalten werden. Da in diesem Bereich der Zwischenraum vorliegt, also gerade kein Anschlusselement, kann das mindestens eine Anschlusselement direkt auf dem Stapel, also ohne vorzuhaltenden Spalt, angeordnet werden. Der jeweilige Kontakt kann den für die Kontaktierung erforderlichen Bauraum zwischen Ableiter(-n) und Kontakt aufweisen, bzw. so angeordnet werden, dass dieser Bauraum vorliegt.In particular, the conductors therefore only extend out of the stack or the insulation of the stack where the intermediate space or where the electrical contact or electrical conductor to be contacted with the conductors is arranged. This means that a space between the stack and the end face or the casing that is otherwise necessary and has to be kept free for the arresters only has to be kept free in the area of the contact. Since the intermediate space is present in this area, ie no connection element, the at least one connection element can be arranged directly on the stack, ie without a gap to be provided. The respective contact can have the installation space required for contacting between arrester(s) and contact, or can be arranged in such a way that this installation space is available.
Insbesondere sind alle Ableiter einer Elektrodenart, also der Anode oder der Kathode, mit dem einen der beiden Kontakte verbunden. Bevorzugt sind alle Ableiter der anderen Elektrodenart mit dem anderen der beiden Kontakte verbunden.In particular, all conductors of one type of electrode, ie the anode or the cathode, are connected to one of the two contacts. All conductors of the other type of electrode are preferably connected to the other of the two contacts.
Der mindestens eine Stapel erstreckt sich insbesondere über mehr als 95 %, bevorzugt über mehr als 98 %, besonders bevorzugt über mehr als 99 %, einer sich entlang der axialen Richtung erstreckenden geringsten Höhe zwischen den Anschlusselementen bzw. den Stirnseiten der Ummantelung. Insbesondere weist der Stapel ein Untermaß von höchstens 1 Millimeter, bevorzugt von höchstens 0,5 Millimeter gegenüber der geringsten Höhe auf. Insbesondere kontaktiert der mindestens eine Stapel die Ummantelung an den Stirnseiten gleichzeitig.The at least one stack extends in particular over more than 95%, preferably over 98%, particularly preferably over 99%, of a minimum height extending along the axial direction between the connecting elements or the end faces of the casing. In particular, the stack has an undersize of at most 1 millimeter, preferably of at most 0.5 millimeter compared to the smallest height. In particular, the at least one stack contacts the casing at the end faces at the same time.
Dieses geringe Untermaß ist möglich, weil durch das Strangpressen, insbesondere bei nach dem Strangpressen kalibrierten Bauteilen, sehr hohe Genauigkeiten erzielt werden können. Es ist also seitens des Stapels oder bei der Gestaltung des Gehäuses kein Spiel vorzuhalten, um eine spätere Passung bei der Anordnung des Stapels in dem Gehäuse, wie z. B. bei tiefgezogenen Gehäuse-Bauteilen, zu gewährleisten.This slight undersize is possible because very high accuracies can be achieved through extrusion, especially in the case of components calibrated after extrusion. So there is no play on the part of the stack or in the design of the housing to allow for a later fit in the arrangement of the stack in the housing, e.g. B. with deep-drawn housing components to ensure.
Die Verwendung unbestimmter Artikel („ein“, „eine“, „einer“ und „eines“), insbesondere in den Patentansprüchen und der diese wiedergebenden Beschreibung, ist als solche und nicht als Zahlwort zu verstehen. Entsprechend damit eingeführte Begriffe bzw. Komponenten sind somit so zu verstehen, dass diese mindestens einmal vorhanden sind und insbesondere aber auch mehrfach vorhanden sein können.The use of indefinite articles (“a”, “an”, “an” and “an”), particularly in the claims and the description reflecting them, is to be understood as such and not as a numeral. Correspondingly introduced terms or components are to be understood in such a way that they are present at least once and in particular can also be present several times.
Vorsorglich sei angemerkt, dass die hier verwendeten Zahlwörter („erste“, „zweite“, ...) vorrangig (nur) zur Unterscheidung von mehreren gleichartigen Gegenständen, Größen oder Prozessen dienen, also insbesondere keine Abhängigkeit und/oder Reihenfolge dieser Gegenstände, Größen oder Prozesse zueinander zwingend vorgeben. Sollte eine Abhängigkeit und/oder Reihenfolge erforderlich sein, ist dies hier explizit angegeben oder es ergibt sich offensichtlich für den Fachmann beim Studium der konkret beschriebenen Ausgestaltung. Soweit ein Bauteil mehrfach vorkommen kann („mindestens ein“), kann die Beschreibung zu einem dieser Bauteile für alle oder ein Teil der Mehrzahl dieser Bauteile gleichermaßen gelten, dies ist aber nicht zwingend. Soweit hier eine Mehrzahl von Bauteilen angesprochen ist, umfasst dies auch mehr als zwei Bauteile.As a precaution, it should be noted that the numerals used here (“first”, “second”, ...) primarily (only) serve to distinguish between several similar objects, sizes or processes, i.e. in particular no dependency and/or sequence of these objects, sizes or make processes mandatory for each other. Should a dependency and/or order be necessary, this is explicitly stated here or it is obvious to the person skilled in the art when studying the specifically described embodiment. If a component can occur several times (“at least one”), the description of one of these components can apply equally to all or part of the majority of these components, but this is not mandatory. Insofar as a plurality of components is addressed here, this also includes more than two components.
Die Erfindung sowie das technische Umfeld werden nachfolgend anhand der beiliegenden Figuren näher erläutert. Es ist darauf hinzuweisen, dass die Erfindung durch die angeführten Ausführungsbeispiele nicht beschränkt werden soll. Insbesondere ist es, soweit nicht explizit anders dargestellt, auch möglich, Teilaspekte der in den Figuren erläuterten Sachverhalte zu extrahieren und mit anderen Bestandteilen und Erkenntnissen aus der vorliegenden Beschreibung zu kombinieren. Insbesondere ist darauf hinzuweisen, dass die Figuren und insbesondere die dargestellten Größenverhältnisse nur schematisch sind. Es zeigen:
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1 : eine Batteriezelle in einer Explosionsdarstellung in perspektivischer Ansicht; -
2 : ein Kernteil gemäß derDE 10 2021 112 444 -
3 : eine Wärmetauscherplatte, jeweils in perspektivischer Ansicht.
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1 1: a battery cell in an exploded perspective view; -
2 : a core part according to theDE 10 2021 112 444 -
3 : a heat exchanger plate, each in a perspective view.
Die Batteriezelle 1 umfasst ein formfestes Gehäuse 2 und darin angeordnet zwei Stapel 28 mit jeweils eine Mehrzahl von aufeinander zumindest gestapelten Lagen 3, umfassend mindestens eine Anode und mindestens eine Kathode als Elektroden und zwischen den unterschiedlichen Elektroden einen Separator. Das Gehäuse 2 umfasst eine äußere Ummantelung 4 zur Ausbildung eines von dem Gehäuse 2 eingeschlossenen Volumens 5 sowie innerhalb des Volumens 5 eine mit der äußeren Ummantelung 4 verbundene Wärmetauscherplatte 6. Die Wärmetauscherplatte 6 ist in einem Wärmeaustauschabschnitt 7 mit mindestens einem Hohlraum 9 ausgeführt. Die Wärmetauscherplatte 6 umfasst mehrere Anschlusselemente 8, die mit dem Wärmeaustauschabschnitt 7 einteilig verbunden ist und zumindest einen Teil der äußeren Ummantelung 4 bildet.The
Das Gehäuse 2 ist bei der einsatzbereiten Batteriezelle 1 einteilig ausgeführt. Das Gehäuse 2 bzw. die das Volumen 5 umschließende Ummantelung 4 setzt sich aus den Anschlusselementen 8 zusammen und weiteren die Ummantelung 4 bildenden Bauteilen (z. B. den Kontakten 17), die erst im Rahmen der Herstellung des Gehäuses 2 miteinander verbunden werden, vorher aber getrennt voneinander vorliegen. Anschlusselemente 8 und Wärmetauscherplatte 6 bilden eine Vormontagegruppe, die dann mit den weiteren Bauteilen zur Ummantelung 4 verbunden werden.The
Der Wärmeaustauschabschnitt 7 ist innerhalb des Volumens 5 angeordnet und mit den beiden größten Seiten 20 benachbart zu dem jeweiligen Stapel 28 angeordnet. Der Wärmeaustauschabschnitt 7 ist zumindest teilweise als Hohlraum 9 ausgeführt und zumindest teilweise mit einem Phasenwechselmaterial 10 gefüllt.The
Die Batteriezelle 1 gemäß der
Die Ummantelung 4 umfasst ein Mantelteil 11 mit einer offenen ersten Stirnseite 12, das die Lagen 3 und den Wärmeaustauschabschnitt 7 entlang einer Umfangsrichtung 13 vollumfänglich umschließt. Die erste Stirnseite 12 ist teilweise durch die Anschlusselemente 8 verschlossen. Das Mantelteil 11 ist zylindrisch ausgeführt, weist also nur zueinander parallel verlaufende Flächen auf. Die erste Stirnseite 12 erstreckt sich quer dazu. Das Mantelteil 11 umfasst eine offene zweite Stirnseite 14, die durch ein weiteres Anschlusselement 8, das mit dem Wärmeaustauschabschnitt 7 einteilig verbunden ist, vollständig verschlossen ist.The
Die Stirnseiten 12, 14 liegen einander entlang einer axialen Richtung 18 gegenüber. Die axiale Richtung 18 verläuft parallel zu der Erstreckung der zylindrischen Flächen des Mantelteils 11 bzw. quer zur Erstreckung der Stirnseiten 12, 14.The end faces 12, 14 are opposite to one another along an
Die Anschlusselemente 8 erstrecken sich, z. B. bei der Herstellung der Wärmetauscherplatte 6 durch Strangpressen jeweils parallel zur Vorschubrichtung, und parallel zu den Stirnseiten 12, 14.The
Die Anschlusselemente 8 weisen in einer radialen Richtung 19, also quer zur axialen Richtung 18 und quer zu den größten Seiten 20 des Wärmeaustauschabschnitts 7, eine größere Breite 29 als der Wärmeaustauschabschnitt 7 auf. Die Anschlusselemente 8 erstrecken sich senkrecht zum Wärmeaustauschabschnitt 7.The
Die Breite 29 der Anschlusselemente 8 ist so ausgeführt, dass sie die Erstreckung der Stapel 28 entlang der radialen Richtung 19 gerade überdeckt.The
Die Anschlusselemente 8 weisen jeweils eine vollständig geschlossene Oberfläche auf, so dass damit die zweite Stirnseite 14 vollständig verschlossen ist.The connecting
Die Stapel 28 sind so angeordnet, dass sich die Lagen 3 im Bereich der Seiten 20 des Wärmeaustauschabschnitts 7 jeweils parallel zu den Seiten 20 erstrecken.The
Zur Herstellung der Batteriezelle 1 wird insbesondere zunächst die Wärmetauscherplatte 6 bereitgestellt. Die Stapel 28 werden an dem Wärmeaustauschabschnitt 7 der Wärmetauscherplatte 6 zwischen den Stirnseiten 12, 14 angeordnet. Jeder Stapel 28 ist von einer elektrischen Isolierung 23 eingefasst.In order to produce the
Die Stapel 28 werden über eine Art Klammer 26 an dem Wärmeaustauschabschnitt 7 angeordnet. Die Klammer 26 umfasst die Stapel 28 außen und fixiert so eine sich entlang der radialen Richtung 19 erstreckende Breite 29 der Stapel 28. Die Breite 29 verläuft quer zu den Seiten 20 des Wärmeaustauschabschnitts 7. Die Stapel 28 sind so an dem Wärmeaustauschabschnitt 7 angeordnet, dass sie entlang der axialen Richtung 18 fluchtend zu den Anschlusselementen 8 angeordnet sind.The
Die Wärmetauscherplatte 6 wird zusammen mit den Stapeln 28 und zusammen mit der Isolierung 23 in das Mantelteil 11 entlang der axialen Richtung 18 eingeschoben.The
Die Anschlusselemente 8 sind an der jeweiligen Stirnseite 12, 14 mit dem Mantelteil 11 über eine Schweißnaht 27 verbunden. Das Gehäuse 2 ist quaderförmig ausgebildet. Die sich parallel zu den Seiten 20 des Wärmeaustauschabschnitts 7 erstreckenden Seitenflächen des Gehäuses 2 weisen dabei die größten Flächen auf und werden durch das Mantelteil 11 gebildet. Die erste und zweite Stirnseite 12, 14, an denen die Anschlusselemente 8 angeordnet sind, bilden die Seitenflächen mit den jeweils kleineren Flächen.The
Eine Längsrichtung 15, die Vorschubrichtung beim Strangpressen der Wärmetauscherplatte 6, verläuft senkrecht zur axialen Richtung 18 und parallel zu den Seiten 20 des Wärmeaustauschabschnitts 7.A
Die Längsrichtung 15 verläuft parallel zu dem Wärmeaustauschabschnitt 7 und parallel zu der ersten Stirnseite 12 und zweiten Stirnseite 14. Die Ummantelung 4 ist an der ersten Stirnseite 12 durch drei voneinander entlang der Längsrichtung 15 beabstandete Anschlusselemente 8 gebildet, wobei zwischen den Anschlusselementen 8 jeweils ein Zwischenraum 16 ausgebildet ist. An der ersten Stirnseite 12 sind zwei Zwischenräume 16 ausgebildet. Die Zwischenräume 16 sind entlang der Längsrichtung 15 durch das eine Anschlusselement 8 voneinander beabstandet angeordnet.The
In jedem Zwischenraum 16 ist jeweils ein elektrischer Kontakt 17 angeordnet, über den die in dem Volumen 5 angeordneten Stapel 28 mit einem außerhalb des Gehäuses 2 angeordneten Stromkreis verbindbar sind.An
Die anderen Anschlusselemente 8 erstrecken sich entlang der Längsrichtung 15 über den Wärmeaustauschabschnitt 7 hinaus. Die Erstreckung des jeweiligen Anschlusselements 8 entlang der Längsrichtung 15 ist so ausgeführt, dass sie die Erstreckung der Stapel 28 entlang der Längsrichtung 15 gerade überdeckt.The
Mit der Verbindung von Wärmetauscherplatte 6 und Mantelteil 11 ist das Gehäuse 2 der Batteriezelle 1 hergestellt. Das Gehäuse 2 ist, bei stoffschlüssiger Verbindung von Wärmetauscherplatte 6 und Mantelteil 11, einteilig ausgeführt, aber dabei immer aus mehreren Teilen, nämlich zumindest aus Wärmetauscherplatte 6 und Mantelteil 11, hergestellt.With the connection of the
Der jeweilige elektrische Kontakt 17 ist gegenüber dem Gehäuse 2 elektrisch isoliert. Der elektrische Kontakt 17 weist einen metallischen Rahmen 30 auf, der mit dem Gehäuse, z. B. stoffschlüssig, verbindbar ist bzw. verbunden werden kann. Die elektrische Kontaktierung des Stapels 28 erfolgt über einen elektrischen Leiter, der sich von dem Stapel 28 durch den elektrischen Kontakt 17 hin zu der Umgebung der Batteriezelle 1 erstreckt. Der elektrische Kontakt 17 ist gegenüber dem metallischen Rahmen 30 über eine Kontaktisolierung 24 elektrisch isoliert angeordnet. Der Kontakt 17 ist gegenüber den Stapeln 28 durch eine Stapelisolierung 25 elektrisch isoliert angeordnet.The respective
Die Ableiter 31 erstrecken sich nur dort aus dem Stapel 28 bzw. der Isolierung 23 des Stapels 28 heraus, wo der Zwischenraum 16 bzw. wo der mit den Ableitern 31 zu kontaktierende elektrische Kontakt 17 bzw. elektrische Leiter angeordnet ist. Damit muss ein sonst erforderlicher, für die Ableiter 31 freizuhaltender Raum zwischen dem Stapel 28 und der ersten Stirnseite 12 bzw. der Ummantelung 4 nur im Bereich des Kontakts 17 freigehalten werden. Da in diesem Bereich der Zwischenraum 16 vorliegt, also gerade kein Anschlusselement 8, kann das Anschlusselement 8 direkt auf dem Stapel 28, also ohne vorzuhaltenden Spalt, angeordnet werden. Der jeweilige Kontakt 17 kann den für die Kontaktierung erforderlichen Bauraum zwischen Ableitern 31 und Kontakt 17 aufweisen, bzw. so angeordnet werden, dass dieser Bauraum vorliegt.The
Bezugszeichenlistereference list
- 11
- Batteriezellebattery cell
- 22
- GehäuseHousing
- 33
- LagePosition
- 44
- Ummantelungsheathing
- 55
- Volumenvolume
- 66
- Wärmetauscherplatteheat exchanger plate
- 77
- Wärmeaustauschabschnittheat exchange section
- 88th
- Anschlusselementconnection element
- 99
- Hohlraumcavity
- 1010
- Phasenwechselmaterialphase change material
- 1111
- Mantelteiljacket part
- 1212
- erste Stirnseitefirst face
- 1313
- Umfangsrichtungcircumferential direction
- 1414
- zweite Stirnseitesecond face
- 1515
- Längsrichtunglongitudinal direction
- 1616
- Zwischenraumspace
- 1717
- KontaktContact
- 1818
- axiale Richtungaxial direction
- 1919
- radiale Richtungradial direction
- 2020
- SeitePage
- 2121
- Kernteilcore part
- 2222
- Mittelteilcenter part
- 2323
- Isolierunginsulation
- 2424
- Kontaktisolierungcontact insulation
- 2525
- Stapelisolierungstack insulation
- 2626
- Klammerbracket
- 2727
- SchweißnahtWeld
- 2828
- Stapelstack
- 2929
- BreiteBroad
- 3030
- RahmenFrame
- 3131
- Ableiterarrester
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNGQUOTES INCLUDED IN DESCRIPTION
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Zitierte PatentliteraturPatent Literature Cited
- DE 102021112444 [0004, 0006, 0033, 0077, 0078, 0082]DE 102021112444 [0004, 0006, 0033, 0077, 0078, 0082]
- KR 102120157 B1 [0007]KR 102120157 B1 [0007]
- KR 102263291 B1 [0008]KR 102263291 B1 [0008]
- CN 212230580 U [0009]CN 212230580U [0009]
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2021
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Produktionsprozess einer Lithium-Ionen-Batteriezelle. In: PEM und VDMA Eigendruck, 2. überarbeitete Auflage, Oktober 2015, 1 - 16. https://www.pem.rwth-aachen.de/global/show_document.asp?id=aaaaaaaaaaoqixv [abgerufen am 18.08.2022] |
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