DE102008034696A1 - Batteriezelle mit einem Zellgehäuse und einem Folienwickel - Google Patents

Batteriezelle mit einem Zellgehäuse und einem Folienwickel Download PDF

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Abstract

Die Erfindung betrifft eine Batteriezelle (1) für eine Batterie, insbesondere für eine Batterie für Kraftfahrzeuge mit einem Hybrid- oder Brennstoffzellenantrieb. Die Batteriezelle (1) weist ein Zellgehäuse und einen Folienwickel (7) mit um einen Wickeldorn (2) gewickelte Elektrodenfolien (3, 4) auf. Dabei sind die Elektrodenfolien (3, 4) gleicher Polarität elektrisch leitend mit jeweils einem elektrischen Kontaktelement (8, 9) verbunden, wobei die beiden elektrischen Kontaktelemente (8, 9) jeder Batteriezelle (1) voneinander und von dem Zellgehäuse elektrisch isoliert sind.

Description

  • Die Erfindung betrifft eine Batteriezelle mit einem Zellgehäuse und einem Folienwickel.
  • Üblicherweise weist eine Batterie zur Anwendung in Kraftfahrzeugen, insbesondere in Kraftfahrzeugen mit einem Hybridantrieb oder Brennstoffzellen-Fahrzeugen, mehrere elektrisch in Reihe und/oder parallel geschaltete Batteriezellen, beispielsweise Lithium-Ionen-Zellen, auf, wobei ein elektrischer Pol auf einem Zellgehäuse der Batteriezelle liegt.
  • Dabei werden die Batteriezellen beispielsweise als Rundzellen ausgeführt, zu deren Herstellung Elektrodenfolien und zwischen diesen angeordnete Separatorfolien gestapelt und um einen Wickeldorn, z. B. ein hohles Rohr, gewickelt werden. An einer Oberseite und einer Unterseite eines dadurch gebildeten Folienwickels werden die Elektrodenfolien jeweils einer elektrischen Polarität miteinander elektrisch verbunden.
  • Zur elektrischen Kontaktierung wird ein elektrischer Pol der Batteriezelle beispielsweise durch einen an die Oberseite des Folienwickels angebundenen Kupferableiter elektrisch isoliert durch einen Zellgehäusedeckel geführt. Die Unterseite des Folienwickels wird beispielsweise am Zellboden über einen zweiten Ableiter direkt mit dem Zellgehäuse verbunden, an dem somit der andere elektrische Pol anliegt.
  • Ferner weist eine derartige Batterie üblicherweise eine Kühlplatte auf, mittels derer Wärme aus der Batterie abführbar ist. Dabei sind die Batteriezellen beispielsweise bodenseitig wie in der DE 10 2007 010 748 beschrieben oder kopfseitig wie in der DE 10 2007 010 739 beschrieben an der Kühlplatte angeordnet.
  • Derartige Batterien haben den Nachteil, dass sich die Batteriezellen beim Zusammenbau einer Batterie nicht berühren dürfen. Außerdem muss die Kühlplatte gegen die Batteriezellen elektrisch isoliert werden. Um gleichzeitig eine gute Wärmeleitung von den Batteriezellen zu der Kühlplatte zu erreichen, wird die Kühlplatte mit den Batteriezellen beispielsweise über eine elektrisch isolierende Kunststoffvergussmasse oder Wärmeleitfolie Wärme leitend verbunden. Kunststoffvergussmasse und Wärmeleitfolie sind teuer und insbesondere die Verwendung von Kunststoffvergussmasse ist auch fertigungstechnologisch aufwendig.
  • Der Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, eine gegenüber dem Stand der Technik verbesserte Batteriezelle anzugeben.
  • Die Aufgabe wird erfindungsgemäß durch eine Batteriezelle gelöst, welche die in Anspruch 1 angegebenen Merkmale aufweist.
  • Vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung sind Gegenstand der Unteransprüche.
  • Die erfindungsgemäße Batteriezelle weist ein Zellgehäuse und einen Folienwickel mit um einen Wickeldorn gewickelten Elektrodenfolien zweier verschiedener Polaritäten auf. Die Elektrodenfolien einer ersten Polarität sind elektrisch leitend mit einem erstem elektrischen Kontaktelement verbunden und die Elektrodenfolien der zweiten Polarität sind elektrisch leitend mit einem zweitem elektrischen Kontaktelement verbunden, wobei die beiden elektrischen Kontaktelemente jeder Batteriezelle voneinander und von dem Zellgehäuse elektrisch isoliert sind.
  • Dies hat den Vorteil, dass keine Spannung am Zellgehäuse der Batteriezelle anliegt. Dadurch kann die Batteriezelle direkt an einer Kühlplatte angeordnet werden, ohne dass zwischen der Kühlplatte und der Batteriezelle ein elektrisch isolierendes und Wärme leitendes Material benötigt wird. Dies vereinfacht die Herstellung und reduziert die Herstellungskosten einer aus derartigen Batteriezellen aufgebauten Batterie durch den Wegfall elektrisch isolierenden und Wärme leitenden Materials und verbessert gegenüber bekannten Batteriezellen die Wärmeleitung zwischen der Kühlplatte und der Batteriezelle durch den direkten Kontakt der Kühlplatte mit der Batteriezelle.
  • Ferner ist vorteilhaft, dass sich einzelne erfindungsgemäße Batteriezellen aufgrund ihres spannungsfreien Zellgehäuses berühren dürfen. Dadurch können die räumlichen Ausdehnungen einer aus derartigen Batteriezellen aufgebauten Batterie und somit der Bauraumbedarf für die Batterie verringert werden.
  • Des Weiteren werden durch die Batteriezelle verursachte Gefahren verringert, da das Zellgehäuse nicht mehr einen elektrischen Pol der Batterie bildet und somit beispielsweise bei einem Platzen von Batteriezellen oder auslaufendem Elektrolytstoff weniger gefährlich als herkömmliche Batteriegehäuse ist.
  • Im Detail sind die Elektrodenfolien der ersten Polarität über ein erstes elektrisches Verbindungselement elektrisch leitend mit dem ersten elektrischen Kontaktelement verbunden und die Elektrodenfolien der zweiten Polarität über ein zweites elektrisches Verbindungselement elektrisch leitend mit dem zweiten elektrischen Kontaktelement verbunden.
  • Die elektrischen Verbindungselemente bestehen dabei vorzugsweise aus Weichkupfer oder lamelliertem Kupfer. Dies hat den Vorteil, dass die elektrischen Verbindungselemente eine hohe elektrische Leitfähigkeit aufweisen und gleichzeitig einfach formbar sind. Dabei sind die elektrischen Verbindungselemente an den zugehörigen Elektrodenfolien und/oder dem zugehörigen elektrischen Kontaktelement beispielsweise mittels Laserschweißung befestigt.
  • Vorzugsweise ist eines der elektrischen Verbindungselemente durch den Wickeldorn hindurch geführt und gegen den Wickeldorn elektrisch isoliert. Alternativ ist der Wickeldorn Teil eines der elektrischen Verbindungselemente und gegen den Folienwickel elektrisch isoliert. Dies hat den Vorteil, dass dadurch kein zusätzlicher Bauraum für die elektrischen Verbindungselemente erforderlich ist, da der Bauraum für den ohnehin benötigten Wickeldorn genutzt wird.
  • Bevorzugt weist jede Batteriezelle eine Ummantelung auf, die zur Ableitung von Wärme aus der Batteriezelle ausgebildet ist. Dabei hat die Ummantelung in einer Ebene senkrecht zu einer Längsachse der Batteriezelle vorzugsweise einen Querschnitt mit einer wabenförmigen äußeren Kontur. Dies hat den Vorteil, dass die größere der Ummantelung an den Ecken der wabenförmigen Kontur die Wärmeableitung durch die Ummantelung erhöht.
  • Weitere Merkmale und Einzelheiten der Erfindung werden im Folgenden anhand von Ausführungsbeispielen unter Bezugnahme der Zeichnungen beschrieben. Dabei zeigen:
  • 1 eine Schnittdarstellung einer Batteriezelle mit einem durch den Wickeldorn hindurch geführten elektrischen Verbindungselement,
  • 2 eine perspektivische Darstellung einer Batteriezelle,
  • 3 eine Explosionsdarstellung einer Batteriezelle ohne Ummantelung,
  • 4 eine Explosionsdarstellung einer Batteriezelle ohne Ummantelung und Batteriedeckel,
  • 5 eine perspektivische Darstellung eines Folienwickels und elektrischer Verbindungselemente,
  • 6 eine perspektivische Darstellung eines Wickeldorns und elektrischer Verbindungselemente,
  • 7 eine perspektivische Darstellung elektrischer Verbindungselemente,
  • 8 eine perspektivische Darstellung eines Folienwickels,
  • 9 eine Schnittdarstellung eines Wickeldorns und eines durch diesen hindurch geführten elektrischen Verbindungselementes mit einer elektrischen Isolierung,
  • 10 eine perspektivische Darstellung eines Wickeldorns und eines durch diesen hindurch geführten elektrischen Verbindungselementes mit einer elektrischen Isolierung,
  • 11 eine perspektivische Darstellung eines elektrischen Verbindungselementes mit einer elektrischen Isolierung, und
  • 12 eine Schnittdarstellung einer Batteriezelle mit einem Wickeldorn, der Teil eines elektrischen Verbindungselementes ist.
  • Einander entsprechende Teile sind in allen Figuren mit den gleichen Bezugszeichen versehen.
  • 1 zeigt eine Schnittdarstellung einer Batteriezelle 1. Die Batteriezelle 1 weist einen Folienwickel 7 mit um einen Wickeldorn 2 gewickelten Elektrodenfolien 3, 4 zweier verschiedener Polaritäten auf. Der Wickeldorn 2 ist rohrförmig ausgebildet, so dass er innen hohl ist.
  • Dabei weisen im Folienwickel 7 benachbarte Elektrodenfolien 3, 4 jeweils verschiedene Polarität auf und sind durch eine nicht dargestellte Separatorfolie voneinander getrennt.
  • Die Elektrodenfolien 3 einer ersten Polarität ragen an einer Oberseite des Folienwickels 7 über den Wickeldorn 2 hinaus und sind dort mit einem unten anhand der 3 bis 5 näher beschriebenen ersten elektrischen Verbindungselement 5 elektrisch leitend verbunden, welches außerdem elektrisch leitend mit einem an einer Stirnseite der Batteriezelle 1 angeordneten ersten elektrischen Kontaktelement 8 verbunden ist. Dadurch liegt ein erster elektrischer Pol der Batteriezelle 1 an dem ersten elektrischen Kontaktelement 8 an.
  • Die Elektrodenfolien 4 einer zweiten Polarität ragen an einer Unterseite des Folienwickels 7 über den Wickeldorn 2 hinaus und sind dort mit einem unten anhand der 6 und 7 näher beschriebenen zweiten elektrischen Verbindungselement 6 elektrisch leitend verbunden.
  • Das zweite elektrische Verbindungselement 6 ist durch den Wickeldorn 2 hindurch zu einem an der Stirnseite der Batteriezelle 1 angeordneten zweiten elektrischen Kontaktelement 9 geführt und mit diesem elektrisch leitend verbunden. Dadurch liegt der zweite elektrische Pol der Batteriezelle 1 an dem zweiten elektrischen Kontaktelement 9 an.
  • Die elektrischen Kontaktelemente 8, 9 sind voneinander und von dem Zellgehäuse der Batteriezelle 1 elektrisch isoliert, indem sie über elektrisch isolierende Dichtungen 11 an einem Zelldeckel 10 der Batteriezelle 1 befestigt und durch diesen herausgeführt sind. Zum Schutz der Dichtungen 11 sind über ihnen Unterlegscheiben 15 angeordnet.
  • Die Batteriezelle 1 weist eine Ummantelung 12 auf, welche zur Ableitung von Wärme aus der Batteriezelle 1 ausgebildet ist. Dazu besteht die Ummantelung 12 bevorzugt aus einem Material mit einer hohen Wärmeleitfähigkeit, beispielsweise aus Aluminium.
  • 2 zeigt die Batteriezelle 1 in einer perspektivischen Darstellung. Die Ummantelung 12 weist in einer Ebene senkrecht zu einer Längsachse der Batteriezelle 1 einen Querschnitt mit einer wabenförmigen äußeren Kontur auf und ist dadurch an den Ecken dieser Kontur partiell aufgedickt. Dies verbessert die Wärmeableitung aus der Batteriezelle 1.
  • Die 3 bis 5 zeigen Explosionsdarstellungen der Batteriezelle 1 bzw. von Teilen derselben, wobei die Batteriezelle 1 in 3 ohne die Ummantelung 12, in 4 ohne die Ummantelung 12 und ohne den Zelldeckel 10 und in 5 außerdem ohne die elektrischen Kontaktelemente 8, 9 dargestellt ist.
  • Das erste elektrische Verbindungselement 5 ist gemäß diesen Zeichnungen klammerförmig ausgebildet und weist zwei Kontaktzungen 14 auf, über die die Elektrodenfolien 3 der ersten Polarität kontaktiert werden. Zwischen den Kontaktzungen 14 ist das obere Ende des zweiten elektrischen Verbindungselementes 6 hindurch zu dem zweiten elektrischen Kontaktelement 9 geführt.
  • Die 6 und 7 zeigen die beiden elektrischen Verbindungselemente 5, 6, wobei in 6 zusätzlich der Wickeldorn 2 dargestellt ist. Das zweite elektrische Verbindungselement 6 ist gemäß diesen Zeichnungen bügelförmig ausgebildet mit einem durch den Wickeldorn 2 hindurch geführten Mittelteil. Die Enden des zweiten elektrischen Verbindungselementes 6 sind von dem Mittelteil rechtwinklig abgebogen zum Kontaktieren der Elektrodenfolien 4 der zweiten Polarität am unteren Ende und des zweiten elektrischen Kontaktelementes 9 am oberen Ende.
  • Die elektrischen Verbindungselemente 5, 6 bestehen bevorzugt aus Weichkupfer oder lamelliertem Kupfer.
  • 8 zeigt den Folienwickel 7 in einer perspektivischen Darstellung.
  • 9 zeigt eine Schnittdarstellung des Wickeldorns 2 und eines durch diesen hindurch geführten zweiten elektrischen Verbindungselementes 6 mit einer elektrischen Isolierung 13, welche im Falle eines elektrisch leitfähigen Wickeldorns 2 diesen von dem zweiten elektrischen Verbindungselement 6 elektrisch isoliert.
  • Die 10 und 11 zeigen das in 10 dargestellte zweite elektrische Verbindungselement 6 und die elektrische Isolierung 13 in einer perspektivischen Darstellung, in 10 mit dem Wickeldorn 2 und in 11 ohne den Wickeldorn 2.
  • 12 zeigt ein alternatives Ausführungsbeispiel einer Batteriezelle 1 in einer Schnittdarstellung. Dabei ist im Unterschied zu der in 1 gezeigten Batteriezelle 1 der Wickeldorn 2 Teil des zweiten elektrischen Verbindungselementes 6 und gegen den Folienwickel 7 elektrisch isoliert.
  • ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
  • Diese Liste der vom Anmelder aufgeführten Dokumente wurde automatisiert erzeugt und ist ausschließlich zur besseren Information des Lesers aufgenommen. Die Liste ist nicht Bestandteil der deutschen Patent- bzw. Gebrauchsmusteranmeldung. Das DPMA übernimmt keinerlei Haftung für etwaige Fehler oder Auslassungen.
  • Zitierte Patentliteratur
    • - DE 102007010748 [0005]
    • - DE 102007010739 [0005]

Claims (12)

  1. Batteriezelle (1) mit einem Zellgehäuse und einem Folienwickel (7), welcher um einen Wickeldorn (2) gewickelte Elektrodenfolien (3, 4) zweier verschiedener Polaritäten aufweist, wobei die Elektrodenfolien (3) einer ersten Polarität elektrisch leitend mit einem ersten elektrischen Kontaktelement (8) verbunden sind und die Elektrodenfolien (4) der zweiten Polarität elektrisch leitend mit einem zweiten elektrischen Kontaktelement (9) verbunden sind, dadurch gekennzeichnet, dass die beiden elektrischen Kontaktelemente (8, 9) jeder Batteriezelle (1) voneinander und von dem Zellgehäuse elektrisch isoliert sind.
  2. Batteriezelle (1) nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Elektrodenfolien (3) der ersten Polarität über ein erstes elektrisches Verbindungselement (5) elektrisch leitend mit dem ersten elektrischen Kontaktelement (8) verbunden sind.
  3. Batteriezelle (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Elektrodenfolien (4) der zweiten Polarität über ein zweites elektrisches Verbindungselement (6) elektrisch leitend mit dem zweiten elektrischen Kontaktelement (9) verbunden sind.
  4. Batteriezelle (1) nach Anspruch 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, dass eines der elektrischen Verbindungselemente (5, 6) durch den Wickeldorn (2) hindurch geführt ist.
  5. Batteriezelle (1) nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass das durch den Wickeldorn (2) hindurch geführte elektrische Verbindungselement (5, 6) gegen den Wickeldorn (2) elektrisch isoliert ist.
  6. Batteriezelle (1) nach Anspruch 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, dass der Wickeldorn (2) ein Teil eines der elektrischen Verbindungselemente (5, 6) ist.
  7. Batteriezelle (1) nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass der Wickeldorn (2) gegen den Folienwickel (7) elektrisch isoliert ist.
  8. Batteriezelle (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass jede Batteriezelle (1) eine Ummantelung (12) aufweist.
  9. Batteriezelle (1) nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass die Ummantelung zur Ableitung von Wärme aus der Batteriezelle (1) ausgebildet ist.
  10. Batteriezelle (1) nach Anspruch 8 oder 9, dadurch gekennzeichnet, dass die Ummantelung (12) in einer Ebene senkrecht zu einer Längsachse der Batteriezelle (1) einen Querschnitt mit einer wabenförmigen äußeren Kontur aufweist.
  11. Batteriezelle (1) nach einem der Ansprüche 2 bis 10, dadurch gekennzeichnet, dass die elektrischen Verbindungselemente (5, 6) aus Weichkupfer oder lamelliertem Kupfer bestehen.
  12. Batteriezelle (1) nach einem der Ansprüche 2 bis 11, dadurch gekennzeichnet, dass ein elektrisches Verbindungselement (5, 6) an den mit ihm verbundenen Elektrodenfolien (3, 4) und/oder an dem mit ihm verbundenen elektrischen Kontaktelement (8, 9) mittels Laserschweißung befestigt ist.
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