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Die Erfindung betrifft eine Batterie mit mehreren Batteriezellen, die jeweils zwei Polkontakte zu ihrer elektrischen Kontaktierung aufweisen, wobei ein erster Polkontakt aus einem ersten Metall gefertigt ist und der zweite Polkontakt aus einem von dem ersten Metall verschiedenen zweiten Metall gefertigt ist, und wobei wenigstens ein erster Polkontakt mittels einer Stromsammelschiene mit wenigstens einem zweiten Polkontakt elektrisch leitfähig verbunden ist.
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Bei der Herstellung derartiger Batteriezellen werden die Stromsammelschienen gegenwärtig beispielsweise durch Ultraschallschweißen mit den jeweiligen Polkontakten von Batteriezellen verbunden. Dabei werden die Stromsammelschienen und/oder die mit ihnen zu verschweißenden Polkontakte mit einer Sonotrode in Kontakt gebracht, um Ultraschallschwingungen auf die zu verschweißenden Bauteile zu übertragen.
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Der Erfindung liegt die Aufgabe zu Grunde, eine verbesserte Batterie mit mehreren miteinander verschalteten Batteriezellen, die jeweils zwei Polkontakte aus unterschiedlichen Metallen aufweisen, anzugeben. Ferner liegt der Erfindung die Aufgabe zu Grunde, ein Verfahren zur Herstellung einer derartigen Batterie anzugeben.
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Die Aufgabe wird erfindungsgemäß hinsichtlich der Batterie durch die Merkmale des Anspruchs 1 und hinsichtlich des Verfahrens durch die Merkmale des Anspruchs 6 gelöst.
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Vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung sind Gegenstand der Unteransprüche.
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Eine erfindungsgemäße Batterie weist mehrere Batteriezellen auf, die jeweils zwei Polkontakte zu ihrer elektrischen Kontaktierung aufweisen. Dabei ist ein erster Polkontakt zur Kontaktierung des Minuspols der jeweiligen Batteriezelle aus einem ersten Metall gefertigt und der zweite Polkontakt zur Kontaktierung des Pluspols der jeweiligen Batteriezelle ist aus einem von dem ersten Metall verschiedenen zweiten Metall gefertigt. Wenigstens ein erster Polkontakt ist mittels einer Stromsammelschiene mit wenigstens einem zweiten Polkontakt elektrisch leitfähig verbunden. Jede Stromsammelschiene besteht aus zwei miteinander verbundenen Abschnitten. Dabei ist ein erster Abschnitt aus dem ersten Metall gefertigt und mit wenigstens einem ersten Polkontakt elektrisch leitfähig verbunden. Der zweite Abschnitt ist aus dem zweiten Metall gefertigt und mit wenigstens einem zweiten Polkontakt elektrisch leitfähig verbunden.
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Batteriezellen werden somit mittels Stromsammelschienen elektrisch miteinander verschaltet. Dabei sind die beiden Abschnitte der Stromsammelschienen aus jeweils demselben Metall gefertigt wie die Polkontakte der Batteriezellen, mit denen sie verbunden sind. Dies hat den Vorteil, dass sich durch die Gleichheit des Metalls der jeweilige Abschnitt der Stromsammelschiene in einfacher Weise mit den entsprechenden Polkontakten verbinden lässt. Beispielsweise kann zu diesem Zweck vorteilhaft Laserschweißen verwendet werden, denn gleichartige Metalle lassen sich im Unterschied zu ungleichartigen Metallen zuverlässig mittels Laserschweißen miteinander verbinden. insbesondere kann auf Ultraschallschweißen zum Verbinden der Stromsammelschiene mit den Polkontakten verzichtet werden, das deutlich aufwändiger und kostspieliger als Laserschweißen ist, da beim Ultraschallschweißen eine Sonotrode in direkten Kontakt mit den zu verschweißenden Bauteilen gebracht werden muss.
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In einer Ausgestaltung der Erfindung weisen die Batteriezellen jeweils einen Stapel elektrochemisch aktiver Elektrodenfolien auf, der von einer elektrisch isolierenden folienartigen Hülle umgeben ist.
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Derartige Batteriezellen sind auch unter den Begriffen Pouch-Zellen, Coffee-Bag-Zellen und Beutelzellen bekannt und weisen häufig eine Elektrolytflüssigkeit auf Polymerbasis auf. Ihre Vorteile sind unter anderem ihre leichte und flexible Bauweise sowie gute Kühleigenschaften und eine hohe Energiedichte.
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In einer weiteren Ausgestaltung der Erfindung ist eines der Metalle, aus dem die Polkontakte einer Batteriezelle gefertigt sind, Kupfer und das andere Metall ist Aluminium.
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Diese Kombination von Metallen wird insbesondere häufig für die beiden Polkontakte der oben genannten, unter den Begriffen Pouch-Zellen, Coffee-Bag-Zellen und Beutelzellen bekannten Batteriezellen verwendet. Sie eignet sich daher insbesondere vorteilhaft für Batterien mit derartigen Batteriezellen.
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In einer weiteren Ausgestaltung der Erfindung verbindet der erste Abschnitt wenigstens einer Stromsammelschiene mehrere erste Polkontakte elektrisch leitfähig miteinander. Zusätzlich oder alternativ verbindet der zweite Abschnitt wenigstens einer Stromsammelschiene mehrere zweite Polkontakte elektrisch leitfähig miteinander.
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Auf diese Weise können mittels einer Stromsammelschiene mehrere gleichpolige Polkontakte miteinander elektrisch parallel und mit einem oder mehreren der jeweils gegenpoligen Polkontakte elektrisch seriell verschaltet werden.
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Bei dem erfindungsgemäßen Verfahren zur Herstellung einer erfindungsgemäßen Batterie werden die beiden Abschnitte jeder Stromsammelschiene miteinander verbunden, bevor sie mit den jeweiligen Polkontakten von Batteriezellen verbünden werden.
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Diese Reihenfolge der Verbindung der Abschnitte der Stromsammelschienen miteinander und mit den Polkontakten hat den Vorteil, dass die Verbindung der beiden Abschnitte einer Stromsammelschiene vor ihrer Verbindung mit Polkontakten sehr viel einfacher ist als nach ihrer Verbindung mit Polkontakten. Einerseits sind die Abschnitte einer Stromsammelschiene nämlich nach ihrer Verbindung mit Polkontakten bereits an der Batterie angeordnet und daher schwieriger zugänglich und bearbeitbar als vor ihrer Verbindung mit Polkontakten. Andererseits würde eine Verbindung der beiden Abschnitte einer Stromsammelschiene nach ihrer Verbindung mit Polkontakten eine hohe Präzision bei dem Verbinden der Abschnitte mit Polkontakten erfordern, um eine spätere passgenaue Verbindung der beiden Abschnitte einer Stromsammelschiene zu ermöglichen.
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In einer Ausgestaltung des Verfahrens werden die beiden Abschnitte jeder Stromsammelschiene in einer räumlichen Mindestentfernung von den Batteriezellen miteinander verbunden.
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Die Mindestentfernung ist dabei ein Sicherheitsabstand, um elektrische Wechselwirkungen zwischen den Batteriezellen und der elektrischen leitfähigen Stromsammelschiene zu vermeiden, die die Batteriezellen beschädigen oder den Herstellungsprozess beeinflussen können. Dadurch wird vorteilhaft eine Ausschussquote bei der Herstellung der Batterien reduziert.
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In weiteren, zueinander alternativen Ausgestaltungen des Verfahrens werden die beiden Abschnitte jeder Stromsammelschiene entweder durch Verlöten oder durch Ultraschallschweißen miteinander verbunden.
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Verlöten und Ultraschallschweißen sind Techniken, mit denen sich verschiedene Metalle zuverlässig miteinander verbinden lassen und die sich deshalb besonders vorteilhaft zum Verbinden der beiden Abschnitte einer Stromsammelschiene eignen.
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Die beiden Abschnitte jeder Stromsammelschiene werden vorzugsweise durch Laserschweißen mit den jeweiligen Polkontakten von Batteriezellen verbunden.
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Wie oben bereits ausgeführt wurde, eignet sich Laserschweißen in besonderem Maße zum zuverlässigen Verbinden von Bauteilen, die aus gleichartigen Metallen gefertigt sind, und somit insbesondere vorteilhaft zum Verbinden der Abschnitte der Stromsammelschienen mit jeweils aus dem gleichen Metall gefertigten Polkontakten.
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Ausführungsbeispiele der Erfindung werden im Folgenden anhand von Zeichnungen näher erläutert.
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Dabei zeigen:
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1 eine perspektivische Darstellung einer Stromsammelschiene, die aus zwei miteinander verbundenen Abschnitten besteht,
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2 eine perspektivische Darstellung einer Batteriezelle einer Batterie und
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3 eine perspektivische Darstellung eines Halterahmens für mehrere Batteriezellen einer Batterie und an dem Halterahmen angeordnete Stromsammelschienen zur elektrischen Verschaltung von Batteriezellen.
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Einander entsprechende Teile sind in den Figuren mit den gleichen Bezugszeichen versehen.
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1 zeigt eine perspektivische Darstellung einer Stromsammelschiene 1 einer erfindungsgemäßen Batterie, die aus zwei miteinander verbundenen Abschnitten 2, 3 besteht.
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Ein erster Abschnitt 2 der Stromsammelschiene 1 ist aus einem ersten Metall, beispielsweise aus Kupfer, gefertigt. Der zweite Abschnitt 3 ist aus einem von dem ersten Metall verschiedenen zweiten Metall, beispielsweise aus Aluminium, gefertigt.
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Die Abschnitte 2, 3 sind jeweils gabelförmig geformt, wobei die Gabelzinken als geradlinig, zueinander parallel verlaufende stabförmige Kontaktierungsstege 4 gleicher Länge und gleichen Abstands voneinander ausgebildet sind und jeweils von einer orthogonal zu den Kontaktierungsstegen 4 verlaufenden Verbindungsbrücke 5 ausgehen, welche die Kontaktierungsstege 4 miteinander elektrisch leitfähig verbindet. Die Richtung, in der die Kontaktierungsstege 4 verlaufen, definiert eine x-Richtung. Die Richtung, in der die Verbindungsbrücken 5 verlaufen, definiert eine y-Richtung.
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Jeder Abschnitt 2, 3 weist ferner einen Verbindungssteg 6 auf, der von der Verbindungsbrücke 5 auf einer Seite ausgeht, die der mit den Kontaktierungsstegen 4 verbundenen Seite gegenüberliegt.
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Die Verbindungsstege 6 der beiden Abschnitte 2, 3 korrespondieren zueinander und sind in der xy-Ebene parallel zueinander und Seite an Seite nebeneinander angeordnet, wobei sie durch Verlötung oder Ultraschweißen miteinander stoffschlüssig und elektrisch leitfähig verbunden sind.
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Dabei verlaufen die Verbindungsstege 6 jeweils in einer von der x-Richtung und der y-Richtung abgewinkelten Richtung der xy-Ebene, so dass die beiden Verbindungsbrücken 5 in y-Richtung gegeneinander um ihre y-Ausdehnung versetzt sind.
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In einer zu der x-Richtung und der y-Richtung orthogonalen z-Richtung haben die Kontaktierungsstege 4, die Verbindungsbrücken 5 und die Verbindungsstege 6 dieselbe Ausdehnung.
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2 zeigt eine perspektivische Darstellung einer Batteriezelle 7 einer erfindungsgemäßen Batterie.
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Die Batteriezelle 7 weist dabei in nicht näher dargestellter Art und Weise einen Stapel aufeinander liegender elektrochemisch aktiver Elektrodenfolien auf, die im Zelleninneren (= Zellenkern) der Batteriezelle 7 angeordnet sind.
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Die Batteriezelle 7 ist als unter den Begriffen Pouch-Zelle, Coffee-Bag-Zelle und Beutelzelle bekannte Flachzelle ausgebildet, deren Zellenkern von einer dünnen, elektrisch isolierenden folienartigen Hülle 8 umgeben ist, die an einem umlaufenden Rand 9 durch Folienschweißung verschlossen ist und ein Zellengehäuse der Batteriezelle 7 bildet. Zwei fahnenartige elektrische Polkontakte 10, 11, die auch als Ableiterfahnen bezeichnet werden, sind an einer oberen Kante durch das Zellengehäuse hindurchgeführt und mit jeweils einem Zellpol der Batteriezelle 7 verbunden. Dabei ist ein erster Polkontakt 10 mit dem Minuspol und der zweite Polkontakt 11 mit dem Pluspol verbunden. Der erste Polkontakt 10 ist aus demselben ersten Metall wie der erste Abschnitt 2 der in 1 dargestellten Stromsammelschiene 1 gefertigt. Der zweite Polkontakt 11 ist aus demselben zweiten Metall wie der zweite Abschnitt 3 der in 1 dargestellten Stromsammelschiene 1 gefertigt.
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3 zeigt eine perspektivische Darstellung eines Halterahmens 12 für mehrere (in 3 nicht dargestellte) Batteriezellen 7 der in 2 dargestellten Art und an dem Halterahmen 12 angeordneten Stromsammelschienen 1 der in 1 dargestellten Art. Die Stromsammelschienen 1 dienen der elektrischen Verschaltung von Batteriezellen 7.
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Der Halterahmen 12 ist aus einem elektrisch isolierenden Material gefertigt, im hier dargestellten Ausführungsbeispiel aus Kunststoff. Eine Oberseite 13 des Halterahmens 12 weist schlitzförmige, in x-Richtung verlaufende Aussparungen 14.1, 14.2 zur Durchführung jeweils eines Polkontaktes 10, 11 einer Batteriezelle 7 auf. Dabei verlaufen erste Aussparungen 14.1 auf einer ersten Seite einer Längsachse 15 der Oberseite 13 des Halterahmens 12 und zweite Aussparungen 14.2 auf der zweiten Seite dieser Längsachse 15, wobei sich jeweils eine erste Aussparung 14.1 und eine zweite Aussparung 14.2 spiegelsymmetrisch zur Längsachse 15 gegenüber liegen. Durch die ersten Aussparungen 14.1 werden erste Polkontakte 10 von Batteriezellen 7 geführt. Durch die zweiten Aussparungen 14.2 werden zweite Polkontakte 11 von Batteriezellen 7 geführt.
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Dabei werden die Batteriezellen 7 jeweils in einem zu ihrer Größe korrespondierenden Zellenschacht 16 des Halterahmens 12 angeordnet. Die Zellenschächte 16 weisen in xz-Ebenen verlaufende Schachtwände 17 auf und sind in y-Richtung in gleichen Abständen hintereinander angeordnet.
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Jeder Zellenschacht 16 ist einer ersten Aussparung 14.1 und der ihr gegenüber liegenden zweiten Aussparung 142 in der Oberseite 13 des Halterahmens 12 zugeordnet, so dass die Polkontakte 10, 11 einer in dem Zellenschacht 16 angeordneten Batteriezelle 7 durch diese Aussparungen 14.1, 14.2 führbar sind.
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Der Abstand benachbarter Aussparungen 14.1, 14.2 in y-Richtung korrespondiert zu dem Abstand benachbarter Kontaktierungsstege 4 der Stromsammelschienen 1, Der Abstand sich gegenüber liegender erster Aussparungen 14.1 und zweiter Aussparungen 14.2 in x-Richtung korrespondiert zu dem Abstand der beiden Verbindungsbrücken 5 einer Stromsammelschiene 1. Die Stromsammelschienen 1 sind an der Oberseite 13 des Halterahmens 12 derart angeordnet, dass die Kontaktierungsstege 4 ihrer ersten Abschnitte 2 jeweils über einer ersten Aussparung 14.1 und die Kontaktierungsstege 4 ihrer zweiten Abschnitte 3 jeweils über einer zweiten Aussparung 14.2 angeordnet sind, so dass diese Kontaktierungsstege 4 jeweils an einem korrespondierenden Polkontakt 10, 11 einer in dem darunter liegenden Zellenschacht 16 angeordneten Batteriezelle 7 anliegen können. Zu der entsprechenden Ausrichtung der Stromsammelschienen 1 weist der Halterahmen 12 an seiner Oberseite 13 entlang der Längsachse 15 angeordnete Ausrichtungsrahmen 18 auf, an deren Außenwänden entsprechende Außenseiten von Verbindungsstegen 6, Verbindungsbrücken 5 und Kontaktierungsstegen 4 von Stromsammelschienen 1 zu deren Ausrichtung angelegt werden.
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Der Versatz der beiden Abschnitte 2, 3 einer Stromsammelschiene 1 in y-Richtung um die Breite einer Verbindungsbrücke 5 verhindert vorteilhaft einen Kurzschluss zwischen einem ersten Polkontakt 10 und einem zweiten Polkontakt 11 derselben Batteriezelle 7.
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Bei der erfindungsgemäßen Herstellung einer Batterie werden zunächst die beiden Abschnitte 2, 3 jeder Stromsammelschiene 1 durch Verlöten oder Ultraschallschweißen miteinander verbunden. Dann werden die Stromsammelschienen 1 unter Verwendung der Ausrichtungsrahmen 18 auf der Oberseite 13 des Halterahmens 12 wie oben beschrieben angeordnet und die Batteriezellen 7 in die Zellenschächte 16 eingesetzt, wobei jeweils der erste Polkontakte 10 durch eine erste Aussparung 14.1 und der zweite Polkontakt 11 durch die gegenüber liegende zweite Aussparung 14.2 geführt wird. Schließlich werden die Kontaktierungsstege 4 der Stromsammelschienen 1 mit dem jeweiligen Polkontakt 10, 11 einer Batteriezelle 7 durch Laserschweißen stoffschlüssig verbunden.
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Bezugszeichenliste
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- 1
- Stromsammelschiene
- 2
- erster Abschnitt
- 3
- zweiter Abschnitt
- 4
- Kontaktierungssteg
- 5
- Verbindungsbrücke
- 6
- Verbindungssteg
- 7
- Batteriezelle
- 8
- Hülle
- 9
- Rand
- 10
- erster Polkontakt
- 11
- zweiter Polkontakt
- 12
- Halterahmen
- 13
- Oberseite
- 14.1
- erste Aussparung
- 14.2
- zweite Aussparung
- 15
- Längsachse
- 16
- Zellenschacht
- 17
- Schachtwand
- 18
- Ausrichtungsrahmen
- x, y, z
- Richtung
