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Gebiet der Erfindung
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Die vorliegende Erfindung betrifft eine Batteriezelle, insbesondere eine Lithium-Ionen-Batteriezelle. Die Erfindung betrifft ferner ein Kraftfahrzeug mit einer solchen Batteriezelle.
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Stand der Technik
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Batteriezellen, teilweise auch als Akkumulatorzellen bezeichnet, dienen zur chemischen Speicherung von elektrisch zur Verfügung gestellter Energie. Bereits heute werden Batteriezellen zur Energieversorgung einer Vielzahl mobiler Geräte eingesetzt. Zukünftig sollen Batteriezellen unter anderem zur Energieversorgung von mobilen Elektrofahrzeugen oder Hybridfahrzeugen, zu Land wie auch zu Wasser, oder zur stationären Zwischenspeicherung von aus alternativen Energiequellen stammender elektrischer Energie eingesetzt werden.
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Hierzu wird meist eine Vielzahl von Batteriezellen zu Batteriepaketen zusammengesetzt. Um hierbei ein zur Verfügung stehendes Paketvolumen möglichst effizient auszunutzen, werden für solche Zwecke vornehmlich Batteriezellen mit einer prismatischen, beispielsweise einer Quader-artigen Form eingesetzt.
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Wegen ihrer möglichen hohen Energiedichte, thermischen Stabilität und fehlendem Memory-Effekt wird für anspruchsvolle Anwendungen wie beispielsweise Speicherlösungen für Kraftfahrzeuge meist eine Lithium-Ionen-Akku-Technologie eingesetzt, welche aufgrund der hohen wirtschaftlichen Bedeutung einer zukünftigen Elektromobilität derzeit intensiv weiterentwickelt wird.
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Es existieren bereits viele verschiedene Typen von Batteriezellen, insbesondere Lithium-Ionen-Batteriezellen, und ferner insbesondere Batteriezellen mit prismatischer Form. Allerdings weisen solche herkömmlichen Batteriezellen meist einen komplexen Aufbau auf, bei dem zum Zusammenbau der gesamten Batteriezelle eine Vielzahl unterschiedlicher Einzelteile eingesetzt wird. Eine solche Vielzahl von Einzelteilen mit unterschiedlichen Formen, Funktionen und bestehend aus unterschiedlichen Materialien erfordert den Einsatz verschiedenster Herstellungstechnologien und Gerätschaften. Außerdem muss die Vielzahl unterschiedlicher Einzelbauteile bei der Fertigung der Batteriezelle stets in ihrer Gesamtheit zur Verfügung stehen, was eine Koordination der Fertigung der Einzelbauteile sowie eine geeignete Bevorratung erfordert. All dies kann zu erhöhten Kosten bei der Fertigung der Batteriezelle beitragen.
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Offenbarung der Erfindung
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Mit Hilfe von Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung kann unter anderem die Anzahl von zum Zusammenbau einer Batteriezelle notwendigen Einzelbauteilen verringert werden und/oder ein Zusammenbau einer Batteriezelle vereinfacht werden.
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Es wird eine Batteriezelle, insbesondere eine Lithium-Ionen-Batteriezelle vorgeschlagen, die ein Wickelelement, einen Elektrolyten, zwei Stromabnehmer und ein Gehäuse aufweist. Das Wickelelement weist wenigstens einen gewickelten Stapel aus einer mit Anodenmaterial beschichteten ersten Folie, einer mit Kathodenmaterial beschichteten zweiten Folie und zwei als Diaphragmen dienenden Kunststofffolien auf. Einer der Stromabnehmer ist an einer ersten Seite des Wickelelements angeordnet und mit der ersten Folie elektrisch leitfähig verbunden. Der zweite Stromabnehmer ist an einer zweiten gegenüberliegenden Seite des Wickelelements angeordnet und mit der zweiten Folie elektrisch leitfähig verbunden. Das Gehäuse besteht aus Metall und umgibt das Wickelelement einschließlich der daran angeordneten Stromabnehmer. Die vorgeschlagene Batteriezelle zeichnet sich dadurch aus, dass das Wickelelement einschließlich der daran angeordneten Stromabnehmer einerseits und das Gehäuse andererseits durch einen zwischengelagerten Isolationsrahmen, der das Wickelelement einschließlich der daran angeordneten Stromabnehmer an zumindest drei Seiten umgibt, elektrisch voneinander isoliert sind. Der Isolationsrahmen weist hierbei einen Boden und zwei Seitenwände auf, wobei sich die Seitenwände gegenüberliegen und jede der Seitenwände jeweils an einem Ende mit dem Boden verbunden ist.
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Ausführungsformen der erfindungsgemäßen Batteriezelle liegen unter anderem die folgenden Ideen und Erkenntnisse zugrunde:
In herkömmlichen Batteriezellen wird eine Vielzahl von Komponenten, wie beispielsweise ein Wickelelement, zwei Stromabnehmer sowie mehrere kleinere Bauteile in einem Gehäuse aufgenommen. In das Gehäuse wird auch ein meist flüssiger Elektrolyt eingefüllt. Das Gehäuse dient dabei dazu, einerseits zu verhindern, dass Elektrolyt aus der Batteriezelle austritt, und andererseits zu verhindern, dass Fremdstoffe, insbesondere Feuchtigkeit, ins Innere der Batteriezelle gelangen, wo sie erheblichen Schaden anrichten könnten. Das Gehäuse besteht dabei meist aus Metall, um dem chemisch aggressiven Elektrolyt widerstehen zu können.
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Um zu vermeiden, dass elektrisch leitfähige Teile der in dem Gehäuse aufgenommenen Komponenten in Kontakt mit dem ebenfalls elektrisch leitfähigen Gehäuse gelangen und auf diese Weise unerwünschte Strompfade oder schlimmstenfalls ein Kurzschluss in der Batteriezelle entstehen, sind bei herkömmlichen Batteriezellen die einzelnen Komponenten meist mit jeweils einzeln zugeordneten elektrisch isolierenden Schutzelementen versehen. Beispielsweise ist ein Isolationselement zwischen dem Wickelelement und dem Boden des Gehäuses vorgesehen, zwei zusätzliche Isolationselemente sind jeweils zwischen dem Wickelelement und Seitenwänden des Gehäuses vorgesehen und weitere zwei Isolationselemente sind zwischen jeweils einem der Stromabnehmer und einer angrenzenden Seitenwand des Gehäuses vorgesehen. Die Vielzahl von Isolationselementen muss hergestellt, gelagert und letztendlich an den Komponenten der Batteriezelle montiert werden.
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Es wird nun vorgeschlagen, diese Vielzahl von Isolationselementen durch einen einzigen, einteiligen Isolationsrahmen zu ersetzen. Der Isolationsrahmen kann dabei eine geeignete Geometrie aufweisen, so dass alle elektrischen Isolationserfordernisse zwischen innenliegenden Komponenten der Batteriezelle einerseits und dem Gehäuse andererseits erfüllt werden und so dass außerdem der Isolationsrahmen sowohl einfach hergestellt als auch einfach montiert werden kann.
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Hierzu weist der Isolationsrahmen eine im Wesentlichen U-förmige Geometrie auf mit einem unten liegenden Boden und zwei Seitenwänden, die jeweils mit einem der gegenüberliegenden Enden des Bodens verbunden sind. Mit dem Boden und den zwei Seitenwänden kann der Isolationsrahmen das Wickelelement sowie die daran angebrachten Stromabnehmer an zumindest drei Seiten umgeben und dadurch vermeiden, dass diese in Kontakt mit dem Gehäuse gelangen. Da der Isolationsrahmen selbst vorzugsweise aus einem elektrisch isolierenden Material besteht oder zumindest mit einem solchen Material beschichtet ist, kann auf diese Weise ein elektrischer Kontakt zwischen den genannten Komponenten und dem metallischen Gehäuse vermieden werden.
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In einer vorteilhaften Ausgestaltung der beschriebenen Batteriezelle ist jede der beiden Seitenwände relativ zu dem Boden des Isolationsrahmens verschwenkbar ausgeführt. Jede der Seitenwände kann dabei aus einer ersten Orientierung, in der sie in einer Ebene parallel zu dem Boden angeordnet ist, in eine zweite Orientierung, in der sie in einer Ebene quer zu dem Boden, vorzugsweise senkrecht zu dem Boden, angeordnet ist, klappbar ausgeführt sein.
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Durch eine solche verschwenkbare bzw. klappbare Ausgestaltung der an dem Boden angebrachten Seitenwände kann erreicht werden, dass der Isolationsrahmen einfach um das Wickelelement einschließlich der daran angeordneten Stromabnehmer herum montiert werden kann. Das Wickelelement kann dabei beispielsweise zuerst auf dem aufgeklappten Isolationsrahmen, bei dem beide Seitenwände in einer Ebene parallel zu dem Boden angeordnet sind, angeordnet werden. Anschließend können die beiden Seitenwände nach oben in eine Orientierung quer zu dem Boden geklappt werden, so dass sie sich entlang der Seiten des Wickelelements bzw. der daran angeordneten Stromabnehmer erstrecken und diese umgeben.
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Ein freitragendes Ende jeder Seitenwand kann dabei jeweils an einem der seitlich an dem Wickelelement angebrachten Stromabnehmer befestigt werden. Während ein erstes Ende der Seitenwand an dem Boden des Isolationsrahmens gehalten ist, ist somit das zweite, freitragende Ende direkt an dem Stromabnehmer befestigt, welcher wiederum an dem Wickelelement montiert ist. Es ergibt sich somit ein einfach handhabbares Paket, so dass das Wickelelement und die beiden Stromabnehmer zusammen mit dem sie umgebenden Isolationsrahmen einfach handgehabt und letztendlich in das Gehäuse eingeschoben werden können. Das freitragende Ende der Seitenwand kann beispielsweise durch Hakenstifte oder geeignete Verrastelemente an dem Stromabnehmer befestigt werden.
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Eine Innenkontur des Isolationsrahmens kann an eine Außenkontur des Wickelelements einschließlich der daran angeordneten Stromabnehmer angepasst sein). Dadurch kann der Isolationsrahmen das Wickelelement sowie die Stromabnehmer eng umschließen, so dass es allenfalls zu einem geringfügigen Raumverlust innerhalb des Gehäuses durch den Isolationsrahmen kommt. Außerdem kann ein derart angepasster Isolationsrahmen zur Gesamtstabilität der Batteriezelle beitragen und die innenliegenden Komponenten beispielsweise für den Fall, dass das Gehäuse der Batteriezelle während eines Unfalls beschädigt oder deformiert wird, mechanisch schützen. Eine Außenkontur des Isolationsrahmens kann an eine Innenkontur des Gehäuses angepasst sein. Der Isolationsrahmen kann sich somit spielfrei zwischen dem Gehäuse und den darin aufzunehmenden Komponenten einfügen lassen.
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Insbesondere in dem Boden des Isolationsrahmens können Durchgangsausnehmungen ausgebildet sein. Diese Durchgangsausnehmungen können eine thermische Ankopplung des in dem Gehäuse aufgenommenen Elektrolyten an den Boden des Gehäuses ermöglichen und so eine effiziente Wärmeabfuhr bzw. Kühlung der Batteriezelle von außen ermöglichen.
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Zur Erhöhung einer mechanischen Stabilität kann der Isolationsrahmen Versteifungsrippen aufweisen. Solche Versteifungsrippen können zwar das von dem Isolationsrahmen benötigte Volumen innerhalb des Gehäuses geringfügig vergrößern, sie können aber insbesondere in mechanisch schwachen Bereichen, wie beispielsweise Bereichen zwischen zwei nebeneinander liegenden Durchgangsausnehmungen in dem Boden, für eine erhebliche Erhöhung der Steifigkeit und mechanischen Stabilität des Isolationsrahmens und damit letztendlich zu einer Erhöhung von dessen Sicherheit und elektrischen Isolationseigenschaften führen.
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Der Isolationsrahmen kann aus einem leicht verarbeitbaren Material wie beispielsweise Kunststoff bestehen. Da der Isolationsrahmen innerhalb des Gehäuses angeordnet wird, sollte er aus einem Material gefertigt sein, welches chemisch resistent gegen den aggressiven Elektrolyten ist. Beispielsweise kann der Isolationsrahmen aus Polypropylen gefertigt sein.
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Der Isolationsrahmen kann als Spritzgussteil bereitgestellt werden. Spritzgussverfahren eignen sich besonders, um Kunststoffteile wie beispielsweise den hier vorgeschlagenen Isolationsrahmen mit hoher Genauigkeit und in großen Stückzahlen bei verhältnismäßig geringen Herstellungskosten bereitzustellen. Insbesondere erlauben es Spritzgussverfahren, auch Kunststoffteile mit komplexen Geometrien herzustellen. Beispielsweise kann mit Hilfe eines Spritzgussverfahrens ein Isolationsrahmen hergestellt werden, der einerseits einstückig ausgebildet ist und bei dem andererseits Scharnierbereiche mit einer stark verringerten Materialstärke realisiert werden können, so dass mit Hilfe dieser Scharnierbereiche die Seitenwände in Relation zu dem Boden des Isolationsrahmens verschwenkt werden können.
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Die beschriebenen Merkmale der Batteriezelle und Ausgestaltungen der Komponenten der Batteriezelle, insbesondere des Isolationsrahmens, sind insbesondere für den Einsatz bei Batteriezellen geeignet, deren Gehäuse eine prismatische Form aufweist.
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Es wird darauf hingewiesen, dass mögliche Merkmale und Vorteile einer erfindungsgemäßen Batteriezelle hierin mit Bezug auf unterschiedliche Ausführungsformen beschrieben sind. Ein Fachmann versteht, dass die einzelnen Merkmale in geeigneter Weise miteinander kombiniert oder ausgetauscht werden können, um auf diese Weise zu weiteren Ausführungsformen und möglicherweise Synergieeffekten zu gelangen.
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Kurze Beschreibung der Zeichnungen
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Nachfolgend werden Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung mit Bezug auf die beigefügten Zeichnungen beschrieben, wobei weder die Beschreibung noch die Zeichnungen als die Erfindung einschränkend auszulegen sind.
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1 zeigt eine Explosionszeichnung einer Lithium-Ionen-Batteriezelle.
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2 zeigt eine perspektivische Ansicht eines Isolationsrahmens für eine erfindungsgemäße Batteriezelle mit nach außen geklappten Seitenwänden.
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3 zeigt eine perspektivische Ansicht eines Isolationsrahmens für eine erfindungsgemäße Batteriezelle mit nach oben geklappten Seitenwänden.
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4 zeigt innenliegende Komponenten einer erfindungsgemäßen Batteriezelle mit einem umgebenden Isolationsrahmen.
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5 zeigt ein Kraftfahrzeug mit einer Batterie gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung.
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Die Figuren sind lediglich schematisch und nicht maßstabsgetreu. Gleiche Bezugszeichen bezeichnen in den Figuren gleiche oder gleich wirkende Merkmale.
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Ausführungsformen der Erfindung
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1 zeigt eine konventionelle Lithium-Ionen-Batteriezelle in einer Explosionsansicht. Es ist zu erkennen, dass die Batteriezelle aus einer Vielzahl einzelner Komponenten besteht, die separat vorgehalten werden und während der Fertigung aufwendig zusammengebaut werden müssen. Es werden hierin lediglich die für das Verständnis von Ausführungsformen der Erfindung notwendigen Bauteile und deren Merkmale beschrieben, auf eine Beschreibung der übrigen Bauteile der Batteriezelle wird verzichtet.
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Die Batteriezelle 1 weist ein Wickelelement 3 mit einem gewickelten Stapel 5 aus einer Kupferfolie, welche mit Anodenmaterial beschichtet ist, und einer Aluminiumfolie, welche mit Kathodenmaterial beschichtet ist, sowie dazwischen liegenden Kunststofffolien, die als Diaphragmen dienen, auf.
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Zur elektrischen Kontaktierung werden die Kupferfolie und die Aluminiumfolie entlang der Wickelachse in entgegengesetzter Richtung leicht versetzt übereinander gestapelt, so dass die Kupferfolie auf einer Schmalseite und die Aluminiumfolie auf einer gegenüberliegenden Schmalseite über einen jeweiligen Rand des Wickelelements geringfügig überstehen. An einen überstehenden Bereich 4 der Kupferfolie wird ein aus Kupfer bestehender Stromabnehmer 7 angeschweißt, so dass dieser Stromabnehmer mit der Anode des Wickelelements elektrisch verbunden ist. An einen gegenüberliegenden überstehenden Bereich der Aluminiumfolie wird ein aus Aluminium bestehender zweiter Stromabnehmer 9 angeschweißt, um einen elektrischen Kontakt zu der Kathode des Wickelelements 3 herzustellen.
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Das mit den Stromabnehmern 7, 9 versehene Wickelelement 3 soll anschließend in einem Gehäuse 11 aufgenommen werden, das aus einem nach oben offenen Behälter 13 sowie einer die Öffnung 14 des Behälters 13 hermetisch dicht verschließenden Deckelanordnung 15 besteht. Die Deckelanordnung 15 weist dabei unter anderem eine Deckplatte 23 auf, die die Öffnung 14 des Behälters 13 nach oben verschließen soll und die am Rand mit einer Innenwand des Behälters 13 verschweißt wird, wobei eine in der Figur dargestellte Vielzahl kleinerer Bauteile eingesetzt wird, um Öffnungen in der Deckplatte 23 hermetisch zu verschließen und dabei eine Reihe von Funktionen zu implementieren, wie beispielsweise ein Herausführen von elektrischen Kontakten, einen Überdruckschutz oder einen Übertemperaturschutz.
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Bevor das Wickelelement 3 mit den daran angebrachten Stromabnehmern 7, 9 jedoch in den Behälter 13 eingeführt wird, werden jedoch an den Seiten des Wickelelements 3 wie auch an den gefährdeten Oberflächen der Stromabnehmer 7, 9 geeignet ausgebildete Isolierungselemente 17, 19 angebracht. Auch zwischen einer Unterseite des Wickelelements 3 und einem Boden des Behälters 13 wird ein flächiges Isolierungselement 21 angeordnet. Insgesamt müssen somit fünf separate Isolierungselemente 17, 19, 21 vorgehalten und installiert werden, bevor das Wickelelement 3 und die Stromabnehmer 7, 9 letztendlich in den Behälter 13 eingebracht und das Gehäuse 11 mit Hilfe der Deckelanordnung 15 verschlossen werden kann.
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In den 2 und 3 ist ein Isolationsrahmen 23 gezeigt, der die Aufgabe dieser fünf separaten Isolierungselemente als einzelnes Bauteil übernehmen kann und dabei leicht herzustellen und zu montieren ist. Der Isolationsrahmen besteht aus einem elektrisch nicht leitfähigen Kunststoff wie beispielsweise Polypropylen und kann als Spritzgussbauteil hergestellt werden. Er weist einen Boden 25 und zwei Seitenwände 27 auf. Abmessungen des Bodens 25 sowie der Seitenwände 27 sind dabei derart gewählt, dass sich der Isolationsrahmen 23 weitgehend spielfrei in das Innere des Behälters 13 einpassen lässt und dabei in Anlage mit dessen Boden- und Seitenwänden kommt.
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Die beiden Seitenwände 27 des Isolationsrahmens 23 sind über Klappscharniere 29 mit den seitlichen Enden des Bodens 25 verbunden. Die Klappscharniere 29 sind ebenfalls Teil des einstückigen Isolationsrahmens 23 und sind als verdünnte, folienartige flexible Bereiche ausgebildet, um die herum eine Seitenwand 27 in Relation zu dem Boden 25 verschwenken kann. Jede der Seitenwände 27 kann somit aus einer Orientierung, in der sie, wie in 2 dargestellt, sich im Wesentlichen parallel zu der Ebene des Bodens 25 erstreckt, in eine Orientierung verschwenkt werden, in der sie sich, wie in 3 dargestellt, quer, vorzugsweise im 90°-Winkel, zu der Ebene des Bodens 25 erstreckt.
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In der in 2 dargestellten Konstellation kann das Wickelelement 3 mit samt den daran angebrachten Stromabnehmern 7, 9 einfach auf dem Boden 25 des Isolierungselements 23 angeordnet werden, wobei die Innenkontur des Bodens 25 vorteilhafterweise an die Außenkontur des Wickelelements 3 angepasst ist. Anschließend können die beiden Seitenwände 27 nach oben geklappt werden, wie mit den Pfeilen in 2 angedeutet. Die Seitenwände kommen dabei in Anlage mit den Seiten des Wickelelements 3 bzw. den daran angebrachten Stromabnehmern 7, 9. Mit Hilfe von Hakenstiften 31, die an den freitragenden Enden der Seitenwände 27 vorgesehen sind, können die Seitenwände 27 an den Stromabnehmern 7, 9 befestigt werden.
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Im Boden 25 des Isolationsrahmens 23 sind großflächige Durchgangsausnehmungen 33 vorgesehen. Durch diese Durchgangsausnehmungen 33 hindurch kann der in das Gehäuse 11 der Batteriezelle 1 eingefüllte Elektrolyt in Kontakt mit einer Bodenfläche des Gehäuses 11 kommen, so dass die gesamte Batteriezelle besser gekühlt werden kann.
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Im Bereich des Bodens 25 des Isolationsrahmens 23 sind ferner Versteifungsrippen 35 vorgesehen, welche die mechanische Stabilität des Bodens deutlich erhöhen können, insbesondere im Bereich der schmalen Stege 37 zwischen benachbarten Durchgangsausnehmungen 33.
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4 zeigt eine Gesamtanordnung bestehend aus einem Wickelelement 3, daran angebrachten Stromabnehmern 7, 9 und einem diese Komponenten an drei Seiten umgebenden Isolationsrahmen 23. Durch die Einstückigkeit des Isolationsrahmens 23 kann diese Gesamtanordnung einfach zusammengebaut und anschließend in einen Behälter 13 einer Batteriezelle 1 eingebracht werden.
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5 zeigt ein Kraftfahrzeug 100, mit einer Batterie 102, die aus mehreren der oben beschriebenen Batteriezellen 1 zusammengesetzt ist.
