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Die vorliegende Erfindung betrifft eine Batteriezelle, bevorzugt eine Lithium-Ionen-Batteriezelle, mit einem Gehäuse, bei dem auf zwei einander gegenüberliegenden Seitenflächen Terminals angeordnet sind, ein Batteriemodul sowie ein Kraftfahrzeug.
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Stand der Technik
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Für Hybrid-Elektro-(HEV) und Elektro-Fahrzeuge (EV) werden Lithium-Ionen-Batteriesysteme als Traktionsbatterien wegen ihrer relativ hohen spezifischen Energiedichte, geringen Selbstentladung und Nichtvorhandenseins eines Memory Effekts verwendet. Zur Erzielung der zum Betrieb des Antriebsmotors geforderten Leistungs- und Energiedaten wird eine Vielzahl einzelner Batteriezellen in Serie oder auch parallel geschaltet, sodass sich eine Gesamtspannung der Batterie von über 450 V ergeben kann.
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Der Aufbau der Batteriezellen zu einer Batterie geschieht üblicherweise nach einer hierarchischen Struktur, bei der zunächst Batteriezellen zu einem Modul zusammengesetzt werden und zwei oder mehr Module eine Untereinheit (SubUnit) ausbilden. Zwei oder mehr SubUnits bilden dann wiederum die Batterie (Batteriepack) aus, wobei auch zwei oder mehr Module die Batterie (Batteriepack) bilden können. Die Module werden üblicherweise verspannt, um ein Anschwellen der Zellen zu minimieren, sodass Performance und Lebensdauer der Batterie erhöht werden.
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Sämtliche dieser Komponenten müssen aufwendig in geeigneter Weise mittels Verbindern unter sich und miteinander elektrisch verbunden werden. Dazu müssen die Zellverbinder, die in der Regel aus Kupfer oder Aluminium sind, stoff-, form- oder kraftschlüssig mit den Zellterminals verbunden werden.
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Zudem müssen die Zellverbinder mechanisch robust, korrosionsbeständig, gut leitend und elastisch sein, da sich die Zellen beim Laden und Entladen mechanisch ausdehnen beziehungsweise zusammenziehen.
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Üblicherweise werden Zell-, Modul- und SubUnit-Kontaktverbindungen durch Schrauben oder durch Schweißen hergestellt. Schraubverbindungen sind zwar wieder lösbar, jedoch nicht feldtauglich, da im Fahrbetrieb zu hohe Übergangswiderstände durch Setzungen des Terminal- und/oder Schraubklemmen-Materials entstehen können. Außerdem sind sie zeitaufwendig herzustellen und damit lohnkostenintensiv. Schweißverbindungen sind nachteilhafterweise nicht lösbar und erfordern teure Fertigungseinrichtungen, üblicherweise Laser-Schweißgeräte. Zudem kann beim Schweißen ein schädlicher Hitzeeintrag bei der Fertigung in die Zelle erfolgen.
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Auch Verbindungen mittels Durchsetzfügen, beispielsweise Tox-Clinchen, die nicht lösbar sind und bei denen spezielle Fertigungseinrichtungen für das Durchsetzfügen erforderlich sind, werden eingesetzt. Bekannt aus dem Stand der Technik sind auch Schnellkupplungselemente, sogenannte Quick-Coupling-Elements, die lösbar, jedoch relativ teuer sind.
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Aus den Druckschriften
US 2010/0310926 und
DE 10 2009 046 801 A1 sind Batteriezellen bekannt, bei denen die üblich ausgeformten Pole beziehungsweise Terminals auf einander gegenüberliegenden Seiten der Zelle angeordnet sind.
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Um eine Verwendung von Zellverbindern und damit deren Nachteile zu vermeiden, ist es in der
DE 1010 2010 039 979 A1 offenbart, bei Batteriezellen mit auf einander gegenüberliegend angeordneten Terminals, die Seitenfläche als Terminals auszugestalten, sodass durch ein Stapeln der Batteriezellen eine Kontaktierung der Zellen miteinander gegeben ist. Nach einer bevorzugten Ausführungsform ist ein Terminal als elastisch verformbares Element ausgestaltet, das mit dem gegenpoligen Terminal einer anderen Batteriezelle, das als Vertiefung ausgestaltet ist, korrespondiert.
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Offenbarung der Erfindung
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Erfindungsgemäß wird eine Batteriezelle, vorzugsweise eine Lithium-Ionen-Batteriezelle mit einem Gehäuse, bei dem auf zwei einander gegenüberliegenden Seitenflächen Terminals angeordnet sind, bereitgestellt, wobei die Terminals Kontaktflächen aufweisen, die entweder als Steckelement oder als Aufnahme oder nur als Aufnahme, in die zur Ausbildung eines Steckelements jeweils ein Zwischenelement einbringbar ist, ausgebildet sind.
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Das Gehäuse der Batteriezelle ist vorzugsweise ein festes Gehäuse, ein sogenanntes Hardcase, das vorzugsweise prismatisch oder zylindrisch ausgebildet ist.
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Vorzugsweise werden als gegenüberliegende Seitenflächen zur Anordnung der Terminals die Flächen mit der größten Ausdehnung ausgewählt, um nach der Verschaltung der Batteriezellen zu einer größeren Einheit einen möglichst raumsparenden Zellstapel zu erhalten.
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Die erfindungsgemäße Batteriezelle weist alle üblichen Bauteile, wie Elektroden, Membran und Elektrolyt, auf, ohne dass auf diese explizit in der Beschreibung eingegangen wird. Die Teile des Gehäuses, die auf einem unterschiedlichen Potenzial liegen, werden durch einen Isolator oder in anderer geeigneter Weise elektrisch voneinander getrennt.
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Die Aufnahme kann als positives Terminal und das Steckelement als negatives Terminal oder auch umgekehrt vorgesehen sein.
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Aufnahme und Steckelement sind formschlüssig ausgestaltet, wobei die Formgebung vorzugsweise ein Selbstzentrieren bei der Montage erlauben soll.
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Nach einer Ausführungsform der Batteriezelle ist auf einer Seitenfläche ein positives Terminal und auf der gegenüberliegenden Seitenfläche ein negatives Terminal ausgebildet. Bei dieser Ausführungsform ist eine Reihenschaltung realisierbar.
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Nach einer zweiten Ausführungsform sind auf beiden einander gegenüberliegenden Seitenflächen jeweils ein positives und ein negatives Terminal angeordnet, wobei die gleichpoligen Terminals jeweils über den Innenraum des Gehäuses elektrisch leitend miteinander verbunden sind. Hierbei können die einzelnen Batteriezellen in Reihe oder parallel geschaltet werden. Auch eine Kombination von Reihen- oder Parallelschaltung ist vorteilhafterweise möglich.
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Bei der Ausführungsform der Batteriezelle, bei der alle Kontaktflächen der Terminals als Aufnahme ausgestaltet sind, sind zur Ausbildung eines Zellstapels beziehungsweise eines Moduls Zwischenelemente vorgesehen, die in die entsprechend ausgebildeten Verbindungselemente einlegbar sind, wodurch ein Steckelement ausgebildet wird.
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Die Zwischenelemente können dabei in unterschiedlicher Weise beschaffen sein, um die Verschaltung der Batteriezellen miteinander in gewünschter Weise zu ermöglichen.
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So kann das Zwischenelement aus einem leitenden Material bestehen, sodass zwei Aufnahmen von unterschiedlichen Batteriezellen miteinander verschaltet werden können.
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Das Zwischenelement kann aber auch aus einem elektrisch isolierenden Material bestehen und dient lediglich als Hilfe zum Zentrieren. Eine Kontaktierung von zwei Aufnahmen erfolgt dabei über eine Randfläche der Aufnahmen, die das Zwischenelement umgibt.
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Das vorgenannte Zwischenelement aus einem elektrisch isolierenden Material kann zudem mit einem Zylinderring oder dergleichen kombiniert werden. Ist dieser ebenfalls elektrisch isolierend, so kann eine Kontaktierung von zwei Aufnahmen von benachbarten Batteriezellen unterbunden werden. Zum Höhenausgleich können die Aufnahmen, die verschaltet werden sollen, mit einem Zwischenelement und einem elektrisch leitfähigen Zylinderring oder dergleichen versehen sein.
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Ansonsten erfolgt die Verschaltung der erfindungsgemäßen Batteriezellen zu einem Batteriezellenstapel beziehungsweise einem Batteriemodul, das ebenfalls erfindungsgemäß beansprucht wird, einfach durch Aneinanderreihen der Batteriezellen in gewünschter Weise, um eine Reihen- oder Parallelschaltung oder eine Kombination daraus zu erhalten.
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Um beim Verspannen die Verspann-/Kontaktnormalkraft von Zelle zu Zelle zu übertragen sind vorzugsweise im Inneren der Batteriezellen Stützkörper vorgesehen.
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Bei Bereitstellung der elektrischen Kontaktierung zwischen den einzelnen Batteriezellen wird die Klemmung der Modulverspannung genutzt, um die erforderliche Kontaktnormalkraft aufzubringen beziehungsweise um den Übergangswiderstand zwischen den Zellterminals zu minimieren.
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Die bisherigen Ausführungen betreffen Batteriezelle und Batteriemodul gleichermaßen.
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Gegenstand der vorliegenden Erfindung ist zudem ein Kraftfahrzeug mit einem elektrischen Antriebsmotor zum Antreiben des Kraftfahrzeugs und eine mit dem elektrischen Antriebsmotor verbundene oder verbindbare Batterie, die erfindungsgemäße Batteriezellen oder Module aufweist.
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Durch die erfindungsgemäße Batteriezelle ergeben sich folgende Vorteile gegenüber dem Stand der Technik:
- – Entfall aufwändiger Fügeprozesse, beispielsweise Ultraschall-, Widerstandsschweißen, Schrauben und dergleichen.
- – Entfall zusätzlicher Verbindungselemente, wie Zellverbinder, Busbars, Gewindebolzen und Muttern, Steckverbinder oder andere.
- – Reduzierung der erforderlichen Montageschritte beim Zusammenbau der Module, da mit der Verspannung der Zellen gleichzeitig die Kontaktierung der Zellen untereinander erfolgt.
- – Die Zellterminals befinden sich abgeschirmt zwischen den Zellen und bieten kein Gefährdungspotenzial bezüglich des Berührens. Dadurch sind keine weiteren Maßnahmen zur Isolation erforderlich. Zusätzliche Elemente zum Schutz vor Berührung können entfallen.
- – Da Zellverbinder entfallen, entfällt auch die Anforderung des Ausgleichs von Maßtoleranzen zwischen den Zellterminals.
- – Ein modularer Aufbau ist möglich, da die Zellen samt Terminals derart gestaltet sind, dass sich die einzelnen Zellen in sandwichartiger Anordnung aneinanderreihen lassen.
- – Aufgrund der durchgängigen Zellterminals lassen sich die einzelnen Zellen im Modul wahlweise parallel- oder in Reihe schalten.
- – Defekte Zellen können einzeln ausgetauscht werden, sodass gegenüber Aufbauten mit nicht lösbaren Verbindern deutlich Kosten gespart werden, da bei diesen stets das ganze Modul getauscht werden muss.
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Vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung sind in den Unteransprüchen angegeben und in der Beschreibung beschrieben.
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Zeichnungen
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Ausführungsbeispiele der Erfindung werden anhand der Zeichnungen und der nachfolgenden Beschreibung näher erläutert. Es zeigen:
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1 in einer perspektivischen Ansicht eine schematische Darstellung einer erfindungsgemäßen Batteriezelle mit prismatischem Gehäuse, das zwei Terminals aufweist,
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2 in einer perspektivischen Ansicht eine schematische Darstellung einer erfindungsgemäßen Batteriezelle mit zylindrischem Gehäuse, das zwei Terminals aufweist,
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3 in einer perspektivischen Ansicht eine schematische Darstellung einer erfindungsgemäßen Batteriezelle mit prismatischem Gehäuse, das vier Terminals aufweist,
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4 in einer schematischen Seitenansicht ein Batteriemodul und verschiedene Ausgestaltungen der Terminals einer Batteriezelle,
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5 in einer schematischen Seitenansicht ein Batteriemodul und eine Batteriezelle nach einer zweiten Ausführungsform,
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6 in einer schematischen Seitenansicht ein Batteriemodul und verschiedene Ausführungsformen einer Batteriezelle nach einer dritten Ausführungsform,
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7 in einer schematischen Seitenansicht ein Batteriemodul und eine Batteriezelle nach einer vierten Ausführungsform, und
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8 in einer schematischen Seitenansicht ein Batteriemodul mit Batteriezellen nach einer fünften Ausführungsform.
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Ausführungsformen der Erfindung
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Der prinzipielle Aufbau einer Ausführungsform der erfindungsgemäßen Batteriezelle 10 ist in den 1 und 2 dargestellt. Die Batteriezelle 10 besitzt ein prismatisches Gehäuse 11 (1) beziehungsweise ein zylindrisches Gehäuse 12 (2), wobei auf zwei einander gegenüberliegenden Seitenflächen 13, 14, jeweils ein positives Terminal 15 beziehungsweise ein negatives Terminal 16 angeordnet ist.
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Bei der Ausführungsform der Batteriezelle 20 gemäß 3 sind auf den zwei einander gegenüberliegenden Seitenflächen 13, 14 des Gehäuses 11 jeweils ein positives Terminal 15 und ein negatives Terminal 16 angeordnet.
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In 4 sind Batteriezellen 10 gemäß 1 mit verschiedenen Ausführungsformen der Terminals 15, 16 dargestellt sowie der Aufbau zu einem Batteriemodul 17 der Batteriezellen 10 durch Aneinanderreihen, wobei die positiven und die negativen Terminals 15, 16 sich direkt kontaktieren. Die positiven Terminals 15 sind als Steckelemente 18 aufgeformt, sodass diese über die Seitenfläche 13 herausragen. Dabei kann der herausragende Teil des Steckelements 18 zylindrisch, kegel- oder kegelstumpfförmig und abgerundet ausgeführt sein, um eine Zentrierung verschiedener Batteriezellen 10 zueinander beziehungsweise eine leichtere Montage zu ermöglichen. Durch das negative Terminal 16 ist eine Aufnahme 19 ausgebildet, die mit der jeweiligen Ausführungsform des Steckelements 18 korrespondiert. Die gezeigte Ausführungsform der Batteriezellen 10 ergibt bei der Montage eine Reihenschaltung.
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Bei den in 5 gezeigten Batteriezellen 10 sind das positive Terminal 15 und das negative Terminal 16 als Aufnahme 19 ausgebildet. Zum Aufbau eines Batteriemoduls 17 in Reihenschaltung wird in eine Aufnahme 19 eines Terminals 15, 16 ein Zwischenelement 21 eingebracht, sodass sich ein Steckelement ergibt, das das positive Terminal 15 einer Batteriezelle mit dem negativen Terminal 16 einer zweiten Batteriezelle verbindet.
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Die 6 bis 8 betreffen Batteriezellen 20 gemäß 3 mit jeweils zwei gegenpoligen Terminals 15, 16 auf zwei einander gegenüberliegenden Seitenflächen 13, 14 des Gehäuses 11. Die Terminals 15, 16 einer Seitenfläche 13 sind nach einer Ausführungsform, wie in 6 dargestellt, als Steckelement 18 ausgebildet, während die Terminals 15, 16 auf der gegenüberliegenden Seitenfläche 14 als Aufnahme 19 ausgeformt sind. Dabei können die Steckelemente 18 und die Aufnahmen 19, wie bereits zu 4 erläutert, verschiedenartig geformt sein. Beim Aneinanderfügen von Batteriezellen 20 ergibt sich eine Parallelschaltung der Batteriezellen 20. Es ist jedoch ebenso möglich, jedoch hier nicht dargestellt, die Batteriezellen 20 in Reihe zu schalten.
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In 7 sind die gezeigten Batteriezellen 20 analog zur 5 mit Terminals 15, 16, die als Aufnahme 19 ausgebildet, ausgestattet. Es wird auch hier ein Zwischenelement 21 in die Terminals 15, 16 eingebracht, um zwei Terminals 15, 16 leitend miteinander zu verbinden.
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8 zeigt ein Batteriemodul 17 aus Batteriezellen 20 mit jeweils zwei Terminals 15, 16, die als Aufnahme 19 ausgebildet und in die jeweils ein Zwischenelement 21 eingebracht ist, auf zwei einander gegenüberliegenden Flächen 13, 14. Um eine Reihenschaltung zu realisieren, ist auf jeder Seitenfläche 13, 14 nur ein Terminal 15, 16 mit dem entsprechenden Terminal 15, 16 der anderen Batteriezelle 20 kontaktiert. Dazu sind auf die Zwischenelemente 21 Ringe 22, 23 aufgesteckt, wobei ein Ring 22 auf jeweils einer der Seitenflächen 13, 14 ein Isolator und der andere Ring 23 auf derselben Seitenfläche 13, 14 elektrisch leitend ist.
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Die in den Figuren dargestellten Ausführungsformen zum Aufbau eines Batteriemoduls 17 zeigen der Einfachheit halber lediglich zwei Batteriezellen 10, 20, ohne dass ein erfindungsgemäßes Batteriemodul 17 darauf beschränkt wäre.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- US 2010/0310926 [0008]
- DE 102009046801 A1 [0008]
- DE 10102010039979 A1 [0009]
