DE102014018975A1

DE102014018975A1 - Batteriezelle für eine Kraftfahrzeugbatterie

Info

Publication number: DE102014018975A1
Application number: DE102014018975.9A
Authority: DE
Inventors: Jens Meintschel; Dirk Schröter; Knut Welke
Original assignee: Daimler AG
Current assignee: Mercedes Benz Group AG
Priority date: 2014-12-18
Filing date: 2014-12-18
Publication date: 2016-06-23

Abstract

Die Erfindung betrifft eine Batteriezelle für eine Kraftfahrzeugbatterie (30a), mit zumindest einer Schweißstelle (14a–k, 15a–k), mit einem elektrochemisch aktiven Teil, der zur Speicherung elektrischer Energie vorgesehen ist, und mit einer thermischen Isolierung (16a–k), die dazu vorgesehen ist, den elektrochemisch aktiven Teil gegen einen Wärmeeintrag an der zumindest einen Schweißstelle (14a–k, 15a–k) zu isolieren.

Description

Die Erfindung betrifft eine Batteriezelle für eine Kraftfahrzeugbatterie, insbesondere eine Batteriezelle für eine Hochvolt-Kraftfahrzeugbatterie.
Aus der DE 10 2012 018 128 A1 ist bereits eine Batteriezelle für eine Kraftfahrzeugbatterie mit zumindest einer Schweißstelle und mit einem elektrochemisch aktiven Teil, der zur Speicherung elektrischer Energie vorgesehen ist, bekannt.
Der Erfindung liegt insbesondere die Aufgabe zugrunde, eine Herstellung einer Batteriezelle zu verbessern. Sie wird durch eine erfindungsgemäße Ausgestaltung entsprechend dem Anspruch 1 gelöst. Weiterbildungen der Erfindung ergeben sich aus den abhängigen Ansprüchen.
Die Erfindung geht aus von einer Batteriezelle für eine Kraftfahrzeugbatterie, mit zumindest einer Schweißstelle und mit einem elektrochemisch aktiven Teil, der zur Speicherung elektrischer Energie vorgesehen ist.
Es wird vorgeschlagen, dass die Batteriezelle eine thermische Isolierung aufweist, die dazu vorgesehen ist, den elektrochemisch aktiven Teil gegen einen Wärmeeintrag an der zumindest einen Schweißstelle zu isolieren. Durch eine thermische Isolierung kann verhindert werden, dass sich der elektrochemisch aktive Teil bei einem Wärmeeintrag an der Schweißstelle zumindest lokal zu stark erwärmt. Durch eine thermische Isolierung kann somit verhindert werden, dass der elektrochemisch aktive Teil bei einer Herstellung einer Schweißverbindung zumindest lokal überhitzt wird, und es können unerwünschte chemische Reaktionen innerhalb des chemisch aktiven Teils vermieden werden. Indem unerwünschte chemische Reaktionen vermieden werden können, kann eine Schädigung der Batteriezelle während der Herstellung vermieden werden. Gleichzeitig ermöglicht die zumindest eine Schweißstelle eine einfache Herstellung der Batteriezelle. Durch eine solche Ausgestaltung kann somit eine Herstellung einer Batteriezelle verbessert werden. Unter einer „Schweißstelle” soll dabei insbesondere ein Bereich an einer Oberfläche der Batteriezelle verstanden werden, der für eine Herstellung einer Schweißverbindung vorgesehen ist. Die Schweißstelle kann beispielsweise für eine Verbindung zweier Batteriezellen, zur Anbindung eines Kontaktelements oder ähnliches vorgesehen sein. Unter einem „elektrochemisch aktiven Teil” der Batteriezelle soll insbesondere ein Elektrodenpakt und/oder ein Elektrolyt verstanden werden. Unter einer „thermischen Isolierung” soll insbesondere eine Ausgestaltung verstanden werden, die im Bereich der Schweißstelle eine geringere Wärmeleitfähigkeit bewirkt, verglichen mit einer Wärmeleitfähigkeit in einem Bereich um die Schweißstelle herum.
Vorzugsweise ist die zumindest eine Schweißstelle dazu vorgesehen, benachbarte Batteriezellen elektrisch und mechanisch miteinander zu verbinden. Durch die mechanische Verbindung kann die Batteriezelle einfach mit weiteren Batteriezellen zu einem Zellblock zusammengeschaltet werden, wobei insbesondere durch die gleichzeitige elektrische Verbindung eine Hochvolt-Kraftfahrzeugbatterie einfach realisiert werden kann.
Es wird vorgeschlagen, dass die Batteriezelle zumindest ein Hüllelement aufweist, das die zumindest eine Schweißstelle aufweist und das dazu vorgesehen ist, einen Elektrolytraum zur Aufnahme des elektrochemisch aktiven Teils zumindest teilweise zu umschließen. Indem die Batteriezelle ein Hüllelement mit der Schweißstelle aufweist, kann die Schweißstelle besonders vorteilhaft für die elektrische Verbindung mehrere Batteriezellen verwendet werden. Unter einem „Hüllelement” soll grundsätzlich ein aus einem Blech oder Kunststoff geformtes Gehäuseteil der Batteriezelle verstanden werden, das dazu vorgesehen ist, einen Elektrolytraum zur Aufnahme eines elektrochemisch aktiven Teils der Batteriezelle auf zumindest einer Seite zu begrenzen. Insbesondere soll unter einem „Hüllelement” eine Gehäusehälfte der Batteriezelle verstanden werden. Ist die Batteriezelle als eine bipolare Rahmenflachzelle ausgebildet, ist das Hüllelement vorzugsweise aus einem elektrisch leitenden Material. Ist die Batteriezelle als ein Pouchzelle ausgebildet, ist das Hüllelement vorzugsweise aus einen elektrisch isolierenden Material. Grundsätzlich kann das Hüllelement mehrschichtig ausgebildet sein. Unter der Formulierung, dass „das Hüllelement die Schweißstelle aufweist”, soll insbesondere verstanden werden, dass das Hüllelement einen zur Herstellung der Schweißverbindung vorgesehenen Bereich aufweist, der durch die thermische Isolierung eine bessere thermische Abschirmung in Richtung des Elektrolytraums aufweist.
Alternativ oder zusätzlich ist es auch denkbar, dass die Batteriezelle zumindest ein Kontaktelement aufweist, das für eine elektrische Kontaktierung des elektrochemisch aktiven Teils vorgesehen ist und die zumindest eine Schweißstelle aufweist. Auch mittels eines Kontaktelements, das die Schweißstelle aufweist, können mehrere Batteriezellen einfach zu einem Zellblock zusammengeschaltet werden. Unter einem „Kontaktelement zur elektrischen Kontaktierung des elektrochemisch aktiven Teils” soll dabei insbesondere ein Kontaktelement verstanden werden, das in den Elektrolytraum hineingeführt ist und an das das Elektrodenpaket angebunden ist. Insbesondere ist das Kontaktelement dazu vorgesehen, einen Pol der Batteriezelle auszubilden.
Weiter wird vorgeschlagen, dass die Batteriezelle zumindest ein Isolierelement aufweist, das für die thermische Isolierung vorgesehen ist. Durch ein zusätzliches Isolierelement kann die thermische Isolierung besonders einfach realisiert werden. Unter einem „Isolierelement” soll dabei insbesondere ein Bauteil verstanden werden, das getrennt von dem Bauteil ausgeführt ist, welches die Schweißstelle aufweist. Vorzugsweise weist das Isolierelement eine geringere Wärmeleitfähigkeit auf als das Bauteil, das die Schweißstelle aufweist.
Vorzugsweise ist das zumindest eine Isolierelement zusätzlich zur Ausbildung einer elektrischen Innenisolierung für den elektrochemisch aktiven Teil vorgesehen. Indem die elektrische Innenisolierung und die thermische Isolierung im Bereich der Schweißstelle durch das gleiche Isolierelement ausgebildet sind, kann eine Anzahl von Bauteilen reduziert werden. Eine solche Ausgestaltung ist insbesondere für eine Batteriezelle vorteilhaft, welche als bipolare Rahmenflachzelle ausgebildet ist. Darunter, dass das Isolierelement für die elektrische Innenisolierung und die thermische Isolierung vorgesehen ist, soll insbesondere verstanden werden, dass das Isolierelement eine Ausgestaltung aufweist, welche dazu vorgesehen ist, die Wärmeleitfähigkeit im Bereich der Schweißstelle im Vergleich zu anderen Bereichen zu verringern.
Weiter wird vorgeschlagen, dass die Batteriezelle zumindest eine Aufdickung aufweist, die für die thermische Isolierung vorgesehen ist. Indem eines der Bauteile an einer Stelle eine Aufdickung aufweist, weist das Bauteil an dieser Stelle eine höhere Wärmekapazität auf als an anderen Stellen. Durch die höhere Wärmekapazität kann die Aufdickung für eine thermische Isolierung im Bereich der Schweißstelle genutzt werden. Durch die Aufdickung lässt sich die thermische Isolierung damit konstruktiv besonders einfach ausbilden. Unter einer „Aufdickung” soll in diesem Zusammenhang insbesondere verstanden werden, dass das Bauteil, das für die thermische Isolierung vorgesehen ist, im Bereich der Schweißstelle eine größere Dicke aufweist als in restlichen Bereichen, d. h. im Bereich der Schweißstelle weist die Dicke des Bauteils ein lokales Maximum auf. Ist die Dicke des Bauteils in den restlichen Bereichen zumindest im Wesentlichen konstant, soll unter einer „Aufdickung” insbesondere eine Stelle verstanden werden, an der die Dicke zumindest doppelt so groß ist wie in den restlichen Bereichen. Unter einer „Dicke” soll dabei insbesondere eine Materialdicke des Bauteils an einem Punkt des Bauteils verstanden werden, wobei die Materialdicke senkrecht zu einer Oberfläche bestimmt wird. Unter „zumindest im Wesentlichen konstant” soll insbesondere eine innerhalb von Fertigungstoleranzen konstante Dicke verstanden werden. Unter „im Bereich der Schweißstelle” soll insbesondere verstanden werden, dass das Bauteil die Aufdickung an einer Stelle aufweist, die räumlich zwischen der Schweißstelle und dem Elektrolytraum liegt.
Vorzugsweise weist das zumindest eine Isolierelement die Aufdickung auf. Dadurch kann die thermische Isolierung besonders einfach realisiert werden, insbesondere wenn das Isolierelement für die thermische Isolierung und die elektrische Innenisolierung vorgesehen ist.
Es ist auch denkbar, dass das zumindest eine Hüllelement die Aufdickung aufweist. Dadurch kann die thermische Isolierung ebenfalls gut realisiert werden. Weist das Hüllelement im Bereich der Schweißstelle die Aufdickung auf, bildet es eine Wärmekapazität aus, die sich bei einem Wärmeeintrag an der Schweißstelle weniger stark erwärmt als bei einer Ausgestaltung ohne Aufdickung. Durch die Aufdickung kann somit ebenfalls eine gute Isolierung bereitgestellt werden, die insbesondere auch einfach herzustellen ist. Weist das Kontaktelement die Schweißstelle auf, kann auch vorgesehen sein, dass das Kontaktelement eine Aufdickung zur Ausbildung der thermischen Isolierung aufweist.
Zudem wird vorgeschlagen, dass das zumindest eine Isolierelement und das Hüllelement einen Hohlraum umschließen, der für die thermische Isolierung vorgesehen ist. Dadurch kann die thermische Isolierung ebenfalls gut ausgebildet werden. insbesondere wenn das Isolierelement für die elektrische Innenisolierung vorgesehen ist, kann durch eine solche Ausgestaltung einfach die thermische Isolierung ohne zusätzliche Bauteile realisiert werden.
Weiter wird eine Batterie, insbesondere eine Kraftfahrzeug-Hochvoltbatterie, mit zumindest zwei benachbart angeordneten Batteriezellen, die durch eine Schweißverbindung miteinander verbunden sind, vorgeschlagen.
Weitere Vorteile ergeben sich aus der folgenden Figurenbeschreibung. In den Figuren sind mehrere Ausführungsbeispiele der Erfindung dargestellt. Die Figuren, die Figurenbeschreibung und die Ansprüche enthalten zahlreiche Merkmale in Kombination. Der Fachmann wird die Merkmale zweckmäßigerweise auch einzeln betrachten und zu sinnvollen weiteren Kombinationen zusammenfassen.
Dabei zeigen:
1 einen Kraftfahrzeugantriebsstrang mit einer Kraftfahrzeugbatterie, die zumindest einen Zellblock mit einer Mehrzahl von Batteriezellen in gestapelter Bauweise aufweist,
2 eine Schnittdarstellung durch drei Batteriezellen eines Zellblocks, die eine Schweißstelle für eine Schweißverbindung und eine thermische Isolierung im Bereich der Schweißstellen aufweisen,
3 die Schnittdarstellung aus 2 nach einer Verbindung der Batteriezellen über eine Schweißverbindung,
4 ein zweites Ausführungsbeispiel von miteinander verbundenen Batteriezellen mit einer alternativ ausgestalteten thermischen Isolierung,
5 ein drittes Ausführungsbeispiel von miteinander verbundenen Batteriezellen mit einer thermischen Isolierung, die durch einen Hohlraum realisiert ist,
6 ein viertes Ausführungsbeispiel von miteinander verbundenen Batteriezellen mit einer thermischen Isolierung, die durch Aufdickung von Hüllelementen realisiert ist,
7 ein fünftes Ausführungsbeispiel von miteinander verbundenen Batteriezellen mit einer thermischen Isolierung, die durch Aufdickung von Isolierelementen realisiert ist,
8 ein sechstes Ausführungsbeispiel von miteinander verbundenen Batteriezellen, die sich in einer Ausgestaltung der Batteriezellen von den vorherigen Ausführungsbeispielen unterscheiden,
9 ein siebtes Ausführungsbeispiel von miteinander verbundenen Batteriezellen, die durch eine Bördelung verschlossen sind,
10 ein achtes Ausführungsbeispiel von miteinander verbundenen Batteriezellen, die Kontaktfahnen zur Verbindung mit der benachbarten Batteriezelle aufweisen,
11 ein neuntes Ausführungsbeispiel von miteinander verbundenen Batteriezellen, die durch ein zusätzliches Verbindungselement miteinander verbunden sind,
12 ein zehntes Ausführungsbeispiel von miteinander verbundenen Batteriezellen, die jeweils ein angeschweißtes Kontaktelement zur elektrischen Kontaktierung aufweisen,
13 ein elftes Ausführungsbeispiel von miteinander verbundenen Batteriezellen, die als miteinander verschweißte Pouchzellen ausgeführt sind.
Die 1 bis 3 zeigen schematisiert einen Kraftfahrzeugantriebsstrang mit einer Kraftfahrzeugbatterie 30a sowie eine Verbindung von Batteriezellen 10a der Kraftfahrzeugbatterie 30a im Detail. Der Kraftfahrzeugantriebsstrang umfasst einen Verbrennungsmotor 42a und einen Elektromotor 43a, die zum Antrieb von Antriebsrädern 44a vorgesehen sind. Die Kraftfahrzeugbatterie 30a ist insbesondere zur Abgabe von elektrischer Leistung an den Elektromotor 43a und zur Aufnahme von elektrischer Leistung, die der Elektromotor 43a in einem Generatorbetrieb erzeugt, vorgesehen. Die Kraftfahrzeugbatterie 30a ist als eine Hochvolt-Kraftfahrzeugbatterie ausgebildet.
Die Kraftfahrzeugbatterie 30a umfasst einen oder mehrere Zellblöcke 36a. Die Zellblöcke 36a umfassen eine Mehrzahl von Batteriezellen 10a, die zur Speicherung und Abgabe von elektrischer Leistung vorgesehen sind. Die Zellblöcke 36a sowie die Batteriezellen 10a in den Zellblöcken 36a sind elektrisch parallel und/oder seriell geschaltet, um eine für den Kraftfahrzeugantriebsstrang erforderliche Spannung und Leistung bereitstellen zu können. Die Batteriezellen 10a weisen jeweils eine Zellspannung im Niedervoltbereich auf, wobei die Zellspannung von einer verwendeten Zellchemie abhängt. Bei einer Ausbildung der Batteriezellen 10a als Lithium-Ionen-Batterien beträgt die Zellspannung beispielsweise 3,6 Volt. Grundsätzlich kann die Zellspannung aber auch andere Werte aufweisen. Die Kraftfahrzeugbatterie 30a weist je nach Verschaltung der Batteriezellen 10a eine Batteriespannung auf, die in Abhängigkeit von einer vorgesehenen Verwendung im Niedervoltbereich oder im Hochvoltbereich liegen kann. Ist die Kraftfahrzeugbatterie 30a als Starterbatterie ausgebildet, kann die Batteriespannung beispielsweise bei 12 Volt liegen. Insbesondere für eine Anwendung in einem Hybridantriebsstrang oder Elektroantriebsstrang kann die Kraftfahrzeugbatterie 30a auch für eine Batteriespannung von 120 Volt oder mehr vorgesehen sein.
Die Kraftfahrzeugbatterie 30a weist ein Batteriegehäuse 31a auf, das die Zellblöcke 36a mit den Batteriezellen 10a aufnimmt. Weiter umfasst die Kraftfahrzeugbatterie 30a eine Elektronik 32a, die insbesondere zur Überwachung der Batteriezellen 10a sowie zur Einstellung einer elektrischen Leistung, die den Batteriezellen 10a zugeführt oder den Batteriezellen 10a entnommen wird, vorgesehen ist. Außerdem umfasst die Kraftfahrzeugbatterie 30a eine Temperiereinrichtung 33a für die Batteriezellen 10a und/oder die Elektronik 32a, welche insbesondere zur Kühlung und/oder Heizung der Batteriezellen 10a vorgesehen ist. Die Zellblöcke 36a mit den Batteriezellen 10a, die Elektronik 32a und die Temperiereinrichtung 33a sind in dem gemeinsamen Batteriegehäuse 31a angeordnet (vgl. 1).
Sämtliche Batteriezellen 10a sind analog ausgebildet. Um in der nachfolgenden Beschreibung und den Zeichnungen zwischen den einzelnen Batteriezellen 10a unterscheiden zu können, sind die Bezugszeichen der einzelnen Batteriezellen 10a um eine mit einem Punkt gekennzeichnete Nummerierung ergänzt, die lediglich der Unterscheidung der Batteriezellen 10a in der Beschreibung und den Zeichnungen dient. Bauteile der einzelnen Batteriezellen 10a sind, sofern eine Unterscheidung zwischen den Bauteilen der einzelnen Batteriezellen 10a hilfreich ist, mit der gleichen Nummerierung versehen. Bezugszeichen ohne Nummerierung beziehen sich immer auf alle Bauteile, welche das gleiche Bezugszeichen aufweisen. Eine nachfolgende Beschreibung der einzelnen Batteriezelle 10a beispielsweise ist auf sämtliche Batteriezellen 10.1a, 10.2a übertragbar.
Die Batteriezelle 10a ist als bipolare Rahmenflachzelle ausgebildet. Die Batteriezelle 10a weist zwei Hüllelemente 11a, 12a und einen Rahmen 13a auf, der die Hüllelemente 11a, 12a miteinander verbindet. Die Hüllelemente 11a, 12a und der Rahmen 13a bilden ein Zellgehäuse der Batteriezelle 10a aus. Die Hüllelemente 11a, 12a, die jeweils eine Zellgehäusehälfte ausbilden, sind aus einem elektrisch leitenden Material. Der Rahmen 13a, der die Hüllelemente 11a, 12a verbindet, ist elektrisch isolierend. Die Hüllelemente 11a, 12a bilden Pole der Batteriezelle 10a aus und sind zum Einleiten und/oder Entnehmen von elektrischer Leistung vorgesehen.
Die Batteriezelle 10a weist einen elektrochemisch aktiven Teil zur Speicherung elektrischer Energie auf, der ein Elektrodenpaket 18a und ein Elektrolyt umfasst. Die Hüllelemente 11a, 12a und der Rahmen 13a begrenzen einen Elektrolytraum 19a, der zur Aufnahme des Elektrodenpaketes 18a und des Elektrolyts vorgesehen ist. Die Hüllelemente 11a, 12a und der Rahmen 13a schließen den Elektrolytraum 19a in Richtung einer Umgebung vollständig ab. Der Rahmen 13a oder eines der Hüllelemente 11a, 12a kann eine Einfüllöffnung aufweisen, die dazu vorgesehen ist, das Elektrodenpaket 18a mit dem Elektrolyt zu tränken, nachdem die Hüllelemente 11a, 12a durch den Rahmen 13a miteinander verbunden wurden. Alternativ kann das Elektrodenpaket 18a auch mit dem Elektrolyt getränkt werden, bevor die Batteriezelle 10a verschlossen wird, wodurch auf die Einfüllöffnung verzichtet werden kann.
Die Temperiereinrichtung 33a der Kraftfahrzeugbatterie 30a ist zur Kühlung und/oder Erwärmung der Batteriezellen 10a vorgesehen. Die Temperiereinrichtung 33a umfasst eine Kühlplatte, die mit Kanälen für ein Fluid versehen ist. Die Kühlplatte wird in einem Betrieb von einem Klimakühlmittel oder einer Kühlflüssigkeit als Kühlfluid durchströmt. Die Hüllelemente 11a, 12a der Batteriezelle 10a sind an die Kühlplatte angebunden. Die Hüllelemente 11a, 12a sind an einer Seite aufgedickt. Ein Wärmeaustausch zwischen der Kühlpatte, die alternativ oder zusätzlich auch als Heizplatte wirken kann, und der Batteriezelle 10a erfolgt über die Seite der Hüllelemente 11a, 12a. Zwischen den Hüllelementen 11a, 12a und der Kühlplatte ist eine elektrisch isolierende Wärmeleitfolie angeordnet. Zur Verbesserung eines Wärmeübergangs sind die Hüllelemente 11a, 12a im Bereich der Kühlplatte parallel zu dieser um 90° abgekantet und bilden eine sogenannte Kühlfahne aus. Über die Kühlplatte ist bedarfsweise eine Heizung der Batteriezellen 10a, beispielsweise bei niedrigen Außentemperaturen, möglich. Hierzu wird die Kühlplatte, die vorzugsweise aus einem metallischen Material ist, von einem warmen Fluid durchströmt.
Der Elektrolyt besteht typischerweise aus organischen Lösungsmitteln, wie beispielsweise Dimethylcarbonat, Ethylencarbonat, Propylencarbonat, Diethylcarbonat oder aus Gemischen derselben sowie einem darin gelösten Leitsalz, wie beispielsweise LiPF₆. Der Elektrolyt kann zusätzlich Additive aufweisen. Das Elektrodenpaket 18a weist wechselweise angeordnete Lagen aus Kathodenfolien 20a, Separatorfolien 21a und Anodenfolien 22a auf. Die Kathodenfolien 20a und die Anodenfolien 22a werden jeweils durch eine der Separatorfolien 21a getrennt. Bei einer Lithium-Ionen-Zellchemie können die Kathodenfolien 20a und die Anodenfolien 22a beispielsweise beschichtete Alu- und Kupferfolien sein. Grundsätzlich ist aber auch eine andere Zellchemie denkbar.
Für das Elektrodenpaket 18a sind unterschiedliche Ausgestaltungen möglich. In dem dargestellten Ausführungsbeispiel sind die Lagen aus Kathodenfolie 20a, Anodenfolie 22a und Separatorfolie 21a gestapelt. Alternativ ist denkbar, Bänder aus einer Mehrzahl von Lagen zu wickeln oder flachzuwickeln. Weiter ist es denkbar, eine bandförmige Separatorfolie 21a in Z-Form zu falten und die Kathodenfolie 20a und Anodenfolien 22a in Form von Blättern seitlich in sich dadurch ausbildende Taschen einzuschieben. Auch ist es denkbar, zwei benachbarte Batteriezellen 10a teilweise einstückig auszuführen, indem zumindest eines der Hüllelemente 11a, 12a dazu vorgesehen wird, beidseitig jeweils einen Elektrolytraum 19a zu begrenzen.
Die Anodenfolien 22a und Kathodenfolien 20a weisen jeweils mindestens einen Rand auf, an dem sie unbeschichtet sind. An diesem Rand ragen die Anodenfolien 22a und Kathodenfolien 20a in Form von Kontaktfahnen aus dem Elektrodenpaket 18a heraus. An diesem Rand sind die Anodenfolien 22a und die Kathodenfolien 20a jeweils mit einer Innenseite von jeweils einem der Hüllelemente 11a, 12a verbunden, um eine elektrisch leitende Verbindung mit dem entsprechenden Hüllelement 11a, 12a für eine Stromeinleitung und eine Stromausleitung zu ermöglichen. Für eine Verbindung der Anodenfolien 22a und/oder der Kathodenlagen mit den Hüllelementen 11a, 12a sind unterschiedliche Arten denkbar, wie beispielsweise ein Press- oder Schmelzschweißverfahren, wie insbesondere ein Widerstandspunktschweißverfahren, ein Ultraschallschweißverfahren oder ein Laserschweißverfahren. Ebenfalls denkbar ist eine kraftschlüssige Anbindung der Anodenfolien 22a und/oder der Kathodenfolien 20a an die Hüllelemente 11a, 12a, beispielsweise mittels Nieten.
In dem dargestellten Ausführungsbeispiel sind die benachbart zueinander angeordneten Batteriezellen 10.1a, 10.2a durch eine Schweißverbindung stoffschlüssig miteinander verbunden. Die Batteriezellen 10.1a, 10.2a weisen Schweißstellen 14.1a, 15.1a, 14.2a, 15.2a auf (vgl. 2). Zur Verbindung werden die Batteriezellen 10.1a, 10.2a miteinander in Kontakt gebracht. Durch einen Wärmeeintrag im Bereich der Schweißstellen 14.1a, 15.1a, 14.2a, 15.2a werden die Batteriezellen 10.1a. 10.2a miteinander verschweißt. Die Batteriezellen 10.1a, 10.2a sind dazu vorgesehen, durch ein Laserschweißverfahren miteinander verbunden zu werden. Alternativ kann auch ein anderes der vorgenannten Schweißverfahren verwendet werden.
Um den elektrochemisch aktiven Teil der Batteriezelle 10a gegen den Wärmeeintrag an den Schweißstellen 14a zu isolieren, umfasst die Batteriezelle 10.a im Bereich der Schweißstellen 14a eine thermische Isolierung. Die thermische Isolierung ist dazu vorgesehen, die Schweißstellen 14a, 15a und den elektrochemisch aktiven Teil der Batteriezelle 10a thermodynamisch voneinander zu entkoppeln. Durch den Wärmeeintrag an der entsprechenden Schweißstelle 14a, 15a wird die Schweißverbindung hergestellt. Gleichzeitig ist ein Wärmeübertrag auf den elektrochemisch aktiven Teil der Batteriezelle 10a so gering, dass auch lokal eine Temperatur des chemisch aktiven Teils unterhalb einer kritischen Temperatur bleibt, ab der unerwünschte chemische Reaktionen innerhalb des chemisch aktiven Teils zu erwarten sind.
Die Schweißstellen 14.1a, 15.1a, 14.2a, 15.2a sind dazu vorgesehen, die benachbarten Batteriezellen 10.1a, 10.2a elektrisch und mechanisch miteinander zu verbinden. In dem dargestellten Ausführungsbeispiel weisen die Hüllelemente 11.1a, 12.1a, 11.2a, 12.2a, welche die Elektrolyträume 19.1a, 19.2a zur Aufnahme der elektrochemisch aktiven Teile umschließen, die Schweißstellen 14.1a, 15.1a, 14.2a, 15.2a auf. Jede der Batteriezellen 10.1a, 10.2a weist zumindest zwei der Schweißstellen 14.1a, 14.2a, 15.1a, 15.2a auf. Die Schweißstellen 14.1a, 15.1a, 14.2a, 15.2a einer der Batteriezellen 10.1a, 10.2a sind beabstandet zueinander an den Hüllelementen 11.1a, 12.1a, 11.2a, 12.2a angeordnet. In dem dargestellten Ausführungsbeispiel weist jedes der Hüllelemente 11.1a, 12.1a, 11.2a, 12.2a vier Schweißstellen 14.1a, 15.1a, 14.2a, 15.2a auf. Die Hüllelemente 11.1a, 12.1a, 11.2a, 12.2a weisen einander gegenüberliegende Kanten 28.1a, 29.1a, 28.2a, 29.2a auf, in deren Bereich die Schweißstellen 14.1a, 15.1a, 14.2a, 15.2a angeordnet sind. In den Figuren sind nicht alle Schweißstellen 14.1a, 15.1a, 14.2a, 15.2a mit einem Bezugszeichen versehen.
Der Zellblock 36a, welchem die Batteriezellen 10a zugeordnet sind, weist eine mechanische Stabilität auf, die durch die Verbindung der Batteriezellen 10a über die Schweißstellen 14a, 15a hergestellt wird. Die Hüllelemente 11a, 12a benachbarter Batteriezellen sind mittels der Schweißstellen 14a, 15a stoffschlüssig miteinander verbunden. Indem die Schweißstellen 14a, 15a über eine Kontaktfläche, an der sich die benachbarte Batteriezellen 10a berühren, verteilt sind, kann eine hohe mechanische Stabilität des Zellblocks 36a erreicht werden.
Da die Hüllelemente 11.1a, 12.1a, 11.2a, 12.2a gleichzeitig die Pole der Batteriezellen 10.1a, 10.2a ausbilden, sind die Batteriezellen 10.1a, 10.2a über die Schweißstellen 14.1a, 15.1a, 14.2a, 15.2a elektrisch miteinander verbunden. In dem dargestellten Ausführungsbeispiel sind die Batteriezellen 10.1a, 10.2a so angeordnet, dass die über die Schweißstellen 14.1a, 15.1a, 14.2a, 15.2a miteinander verbundenen Hüllelemente 11a, 12a jeweils wechselweise gepolt sind, wodurch die miteinander verbundenen Batteriezellen 10a über die Schweißstellen 14.1a, 15.1a, 14.2a, 15.2a seriell geschaltet sind. Alternativ ist es aber auch denkbar, die Batteriezellen 10.1a, 10.2a über die Schweißstellen 14.1a, 15.1a, 14.2a, 15.2a jeweils paarweise parallel zu schalten. In dem dargestellten Ausführungsbeispiel ist jeweils das Hüllelement 12.1a der Batteriezelle 10.1a mit dem Hüllelement 11.2a der Batteriezelle 10.2a verbunden.
Die Batteriezelle 10a umfasst eine Mehrzahl von Isolierelementen 16a, 17a, 24a, 25a, die innerhalb der Hüllelemente 11a, 12a und dem Rahmen 13a angeordnet sind. Die zwei Isolierelemente 16a, 17a bilden eine Innenisolierung aus. Die Innenisolierung ist zur elektrischen Isolierung des elektrochemisch aktiven Teils vorgesehen. Die Isolierelemente 16a, 17a weisen über ihre gesamte Erstreckung eine im Wesentlichen konstante Dicke auf. Sie sind in Form von Schalen ausgebildet, welche innerhalb der Hüllelemente 11a, 12a angeordnet sind. Lediglich in Bereichen, in denen das Elektrodenpaket 18a an die Hüllelemente 11a, 12a angebunden ist, weisen die Isolierelemente 16a, 17a eine Aussparung auf. Die Anodenfolien 22a sind durch eine Aussparung hindurch geführt und mit dem ersten Hüllelement 11a verbunden. Die Kathodenfolien 20a sind durch die andere Aussparung hindurch geführt und mit dem zweiten Hüllelement 12a verbunden. Die Bereiche, in denen die Isolierelemente 16a, 17a angeordnet sind, sind auf gegenüberliegenden Seiten des Elektrodenpakets 18a angeordnet.
Die weiteren Isolierelemente 24a, 25a sind für die thermische Isolierung im Bereich der Schweißstellen 14a, 15a vorgesehen. Die Isolierelemente 24a, 25a sind mit den Isolierelementen 16a, 17a, die für die elektrische Innenisolierung vorgesehen sind, verbunden, beispielsweise durch eine Klebeverbindung. Die Isolierelemente 24a, 25a können beispielsweise aus einem massiven Kunststoff, einem geschäumten Kunststoff oder als Kunststoffhohlkörper ausgebildet sein. Insbesondere ist es denkbar, dass die Isolierelemente 24a, 25a zur thermischen Isolierung und die Isolierelemente 16a, 17a zur elektrischen Isolierung aus einem gleichen Material bestehen. In den Figuren ist lediglich ein Teil der Isolierelemente 24a, 25a zur thermischen Isolierung mit einem Bezugszeichen versehen.
Die Isolierelemente 24a, 25a zur thermischen Isolierung sind in einem Bereich angeordnet, in dem die Hüllelemente 11a, 12a abgewinkelt sind. Die Isolierelemente 16a, 17a für die elektrische Isolierung weisen Innenkanten auf, die parallel zu den Kanten 28a, 29a der Hüllelemente 11a, 12a verlaufen, in deren Bereich die Schweißstellen 14a, 15a liegen. Die Isolierelemente 24a, 25a zur thermischen Isolierung sind an den Innenkanten der Isolierelemente 16a, 17a zur elektrischen Innenisolierung angeordnet. Die Isolierelemente 24a, 25a weisen einen Querschnitt mit einer dreieckigen Grundform auf, welche an die Innenkanten, insbesondere eine Abrundung der Innenkanten, angepasst ist.
An den Seiten, an denen das Elektrodenpaket 18a elektrisch an die Hüllelemente 11a, 12a angebunden ist, ist das Elektrodenpaket 18a beabstandet zu den Isolierelementen 16a, 17a für die elektrische Innenisolierung angeordnet. Zwischen den Innenseiten der Isolierelemente 16a, 17a für die elektrische Isolierung und dem Elektrodenpaket 18a verbleibt dadurch ein Zwischenraum, in dem die Isolierelemente 24a, 25a zur thermischen Isolierung angeordnet sind. In dem Zwischenraum sind zudem die Kontaktfahnen angeordnet, durch welche die Anodenfolien 22a und Kathodenfolien 20a mit den Hüllelementen 11a, 12a verbunden sind.
Bei einer Herstellung der Batteriezellen 10a werden die Isolierelemente 16a, 17a für die elektrische Innenisolierung und die Isolierelemente 24a, 25a für die thermische Isolierung miteinander verbunden. Anschließend werden die Isolierelemente 16a, 17a, 24a, 25a in die Hüllelemente 11a, 12a eingelegt und die Hüllelemente 11a, 12a über den Rahmen 13a miteinander verbunden. Der Elektrolyt kann zu einem späteren Zeitpunkt eingefüllt werden, insbesondere wenn in dem Zellgehäuse eine Einfüllöffnung vorgesehen ist.
Anschließend werden die Batteriezellen 10.1a, 10.2a miteinander verschweißt. Zur Verschweißung der Batteriezellen 10.1a, 10.2a wird vorzugsweise ein Laserschweißverfahren verwendet. Um die Batteriezellen 10.1a, 10.2a miteinanderzu verschweißen, werden sie entsprechend ihrer Position in dem Zellblock 36a zunächst lose zueinander angeordnet, wobei die Hüllelemente 12.1a, 11.2a benachbarter Batteriezellen 10.1a, 10.2a miteinander in Kontakt gebracht werden. Anschließend werden die Hüllelemente 12.1a, 11.2a im Bereich der Schweißstellen 15.1a, 14.2a lokal erwärmt und miteinander verschweißt.
Die Schweißstellen 14a, 15a sind zur Ausbildung von Schweißnähten vorgesehen, welche sich entlang der Kanten 28a, 29a über zumindest ein Viertel einer Länge der Kanten 28a, 29a erstrecken. Die Kanten 28a, 29a verlaufen parallel zu einer Schmalseite der Batteriezelle 10a. Die Isolierelemente 24a, 25a, die an den zu den Kanten 28a, 29a korrespondierenden Innenkanten angeordnet sind, erstrecken sich über eine gesamte Länge der Innenkanten. Alternativ können an jeder Innenkante auch zwei oder mehr Isolierelemente vorgesehen werden.
In den 4 bis 13 sind zehn weitere Ausführungsbeispiele der Erfindung gezeigt. Die nachfolgenden Beschreibungen beschränken sich im Wesentlichen auf die Unterschiede zwischen den Ausführungsbeispielen, wobei bezüglich gleichbleibender Bauteile, Merkmale und Funktionen auf die Beschreibung der anderen Ausführungsbeispiele, insbesondere der 1 bis 3, verwiesen werden kann. Zur Unterscheidung der Ausführungsbeispiele ist der Buchstabe a in den Bezugszeichen des Ausführungsbeispiels der 1 bis 3 durch die Buchstaben b bis k in den Bezugszeichen der Ausführungsbeispiele der 4 bis 13 ersetzt. Bezüglich gleich bezeichneter Bauteile, insbesondere in Bezug auf Bauteile mit gleichen Bezugszeichen, kann grundsätzlich auch auf die Zeichnungen und/oder die Beschreibung der anderen Ausführungsbeispiele, insbesondere der 1 bis 3, verwiesen werden.
4 zeigt ein zweites Ausführungsbeispiel eines Zellblocks 36b mit Batteriezellen 10b, die Schweißstellen 14b, 15b zur elektrischen und mechanischen Verbindung der Batteriezellen 10b aufweisen. Jede der Batteriezellen 10b weist zwei Hüllelemente 11b, 12b auf, wobei die Hüllelemente 11b, 12b die Schweißstellen 14b, 15b aufweisen. Analog zu dem vorangegangenen Ausführungsbeispiel sind die Schweißstellen 14b, 15b für eine Verschweißung durch ein Laserschweißverfahren vorgesehen. Die Batteriezellen 10b weisen eine thermische Isolierung auf, die dazu vorgesehen ist, den elektrochemisch aktiven Teil gegen einen Wärmeeintrag an den Schweißstellen 14b, 15b zu isolieren.
Die Batteriezelle 10b weist ein Elektrodenpaket 18b und zwei Isolierelemente 16b, 17b, die für eine elektrische Innenisolierung vorgesehen sind, auf. Weiter weist die Batteriezelle 10b Isolierelemente 24b, 25b auf, die für die thermische Isolierung im Bereich der Schweißstellen 14b, 15b vorgesehen ist. Eine Ausgestaltung der Hüllelemente 11b, 12b entspricht im Wesentlichen der des vorangegangenen Ausführungsbeispiels. Im Unterschied zu dem vorangegangenen Ausführungsbeispiel sind die Isolierelemente 24b, 25b zur thermischen Isolierung zwischen den Hüllelementen 11b, 12b und den Isolierelementen 16b, 17b für die elektrische Innenisolierung angeordnet.
Die Hüllelemente 11b, 12b weisen im Bereich der Schweißstellen 14b, 15b Innenkanten auf. Die Isolierelemente 24b, 25b sind an den Innenkanten angeordnet. Die Isolierelemente 24b, 25b weisen einen Querschnitt mit einer dreieckigen Grundform auf. Die Isolierelemente 24b, 25b liegen mit zwei Seiten, bezogen auf diese dreieckige Grundform, an den Hüllelementen 11b, 12b an.
Die Isolierelemente 24b, 25b füllen die Innenkanten der Hüllelemente 11b, 12b aus. An einer dritten Seite der Grundform liegen die Isolierelemente 24b, 25b zur thermischen Isolierung an den Isolierelementen 16b, 17b für die elektrische Innenisolierung an. Die Isolierelemente 16b, 17b, 24b, 25b sind aneinander angepasst.
5 zeigt ein drittes Ausführungsbeispiel eines Zellblocks 36c mit Batteriezellen 10c, die Schweißstellen 14c, 15c zur elektrischen und mechanischen Verbindung der Batteriezellen 10c aufweisen. Jede der Batteriezellen 10c weist zwei Hüllelemente 11c, 12c auf, wobei die Hüllelemente 11c, 12c die Schweißstellen 14c, 15c aufweisen. Analog zu dem vorangegangenen Ausführungsbeispiel sind die Schweißstellen 14c, 15c für eine Verschweißung durch ein Laserschweißverfahren vorgesehen. Die Batteriezellen 10c weisen thermische Isolierungen auf, die dazu vorgesehen sind, den elektrochemisch aktiven Teil gegen einen Wärmeeintrag an den Schweißstellen 14c, 15c zu isolieren.
Im Unterschied zu dem vorangegangen Ausführungsbeispiel wird auf ein Isolierungselement für die thermische Isolierung verzichtet. Die Batteriezelle 10c weist analog zu dem vorangegangenen Ausführungsbeispiel Isolierelemente 16c, 17c auf, die zur Ausbildung einer elektrischen Innenisolierung für einen elektrochemisch aktiven Teil der Batteriezelle 10c vorgesehen sind. Die Isolierelemente 16c, 17c und die Hüllelemente 11c, 12c umschließen im Bereich der Schweißstellen 14c, 15c Hohlräume, die für die thermische Isolierung vorgesehen sind. Die Hüllelemente 11c, 12c weisen im Bereich der Schweißstellen 14c, 15c konkav gekrümmte Innenkanten auf. Die Isolierelemente 16c, 17c weisen im Bereich konvex gekrümmte Außenkanten auf. Die Innenkanten der Hüllelemente 11c, 11c weisen eine Krümmung auf, die kleiner ist als eine Krümmung, welche die Außenkanten der Isolierelemente 16c, 17c aufweisen. Die dadurch zwischen den Isolierelementen 16c, 17c und den Hüllelementen 11c, 12c entstehenden Hohlräume weisen in einem Querschnitt eine dreieckige Grundform auf.
6 zeigt ein viertes Ausführungsbeispiel eines Zellblocks 36d mit Batteriezellen 10d, die Schweißstellen 14d, 15d zur elektrischen und mechanischen Verbindung der Batteriezellen 10d aufweisen. Jede der Batteriezellen 10d weist zwei Hüllelemente 11d, 12d auf, wobei die Hüllelemente 11d, 12d die Schweißstellen 14d, 15d aufweisen. Analog zu dem vorangegangenen Ausführungsbeispiel sind die Schweißstellen 14d, 15d für eine Verschweißung durch ein Laserschweißverfahren vorgesehen. Die Batteriezelle 10d weist eine thermische Isolierung auf, die dazu vorgesehen ist, den elektrochemisch aktiven Teil gegen einen Wärmeeintrag an der Schweißstelle 14d, 15d zu isolieren. Die Batteriezelle 10d weist analog zu dem vorangegangenen Ausführungsbeispiel Isolierelemente 16d, 17d auf, die zur Ausbildung einer elektrischen Innenisolierung für einen elektrochemisch aktiven Teil vorgesehen sind und die über ihre gesamte Erstreckung eine im Wesentlichen konstante Dicke aufweisen.
Im Unterschied zu dem vorangegangenen Ausführungsbeispiel weisen die Hüllelemente 11d, 12d im Bereich der Schweißstellen 14d, 15d eine Aufdickung 26d, 27d auf, welche die thermische Isolierung ausbildet. Außerhalb der Bereiche weisen die Hüllelemente 11d, 12d eine im Wesentlichen konstante Dicke auf. Im Bereich der Schweißstellen 14d, 15d weisen die Hüllelemente 11d, 12d eine maximale Dicke auf, welche zumindest doppelt so groß ist wie die Dicke außerhalb der Bereiche. In dem dargestellten Ausführungsbeispiel beträgt die maximale Dicke der Hüllelemente 11d, 12d ca. das 3-fache bis 4-fache der Dicke außerhalb der Bereiche. Analog zu den vorangegangenen Ausführungsbeispielen weisen die Hüllelemente 11d, 12d im Bereich der Schweißstellen 14d, 15d jeweils eine Kante 28d, 29d auf. Die Hüllelemente 11d, 12d sind im Bereich der Kanten 28d, 29d aufgedickt. Die Kanten 28d, 29d umfassen jeweils eine Innenkante und eine Außenkante. Zur Ausbildung der Aufdickungen 26d, 27d weisen die Innenkanten eine geringere Krümmung auf als die Außenkanten.
7 zeigt ein fünftes Ausführungsbeispiel eines Zellblocks 36e mit Batteriezellen 10e, die Schweißstellen 14e, 15e zur elektrischen und mechanischen Verbindung der Batteriezellen 10e aufweisen. Jeder der Batteriezellen 10e weist zwei Hüllelemente 11e, 12e auf, wobei die Hüllelemente 11e, 12e die Schweißstellen 14e, 15e aufweisen. Analog zu dem vorangegangenen Ausführungsbeispiel sind die Schweißstellen 14e, 15e für eine Verschweißung durch ein Laserschweißverfahren vorgesehen. Die Batteriezelle 10e weist eine thermische Isolierung auf, die dazu vorgesehen ist, den elektrochemisch aktiven Teil gegen einen Wärmeeintrag an den Schweißstellen 14e, 15e zu isolieren.
Die Batteriezelle 10e weist analog zu dem Ausführungsbeispiel in 5 Isolierelemente 16e, 17e auf, die zur Ausbildung einer elektrischen Innenisolierung für den elektrochemisch aktiven Teil vorgesehen sind. Gleichzeitig sind die Isolierelemente 16e, 17e für die elektrische Innenisolierung zur thermischen Isolierung vorgesehen. Die Isolierelemente 16e, 17e weisen dazu im Bereich der Schweißstellen 14e, 15e jeweils eine Aufdickung 26e, 27e auf, welche die thermische Isolierung ausbildet. Außerhalb der Bereiche weisen die Isolierelemente 16e, 17e eine im Wesentlichen konstante Dicke auf. Im Bereich der Aufdickungen 26e, 27e weisen die Isolierelemente 16e, 17e eine maximale Dicke auf, welche zumindest doppelt so groß ist wie die Dicke in den restlichen Bereichen. In dem dargestellten Ausführungsbeispiel beträgt die maximale Dicke ca. das 3-fache bis 4-fache der Dicke in den restlichen Bereichen.
8 zeigt ein sechstes Ausführungsbeispiel eines Zellblocks 36f mit Batteriezellen 10f, die Schweißstellen 14f, 15f zur elektrischen und mechanischen Verbindung der Batteriezellen 10f aufweisen. Jede der Batteriezellen 10f weist zwei Hüllelemente 11f, 12f auf, wobei die Hüllelemente 11f, 12f die Schweißstellen 14f, 15f aufweisen. Analog zu dem vorangegangenen Ausführungsbeispiel sind die Schweißstellen 14f, 15f für eine Verschweißung durch ein Laserschweißverfahren vorgesehen. Die Batteriezellen 10f weisen jeweils zwei Isolierelemente 16f, 17f auf, die eine thermische Isolierung ausbilden und die dazu vorgesehen sind, den elektrochemisch aktiven Teil gegen einen Wärmeeintrag an den Schweißstellen 14f, 15f zu isolieren. Die Isolierelemente 16f, 17f sind analog zu dem vorangegangenen Ausführungsbeispiel für eine elektrische Innenisolierung vorgesehen. Für die thermische Isolierung weisen die Isolierelemente 16f, 17f Aufdickungen auf.
Die Batteriezelle 10f unterscheidet sich insbesondere durch ihre Bauart von dem vorangegangenen Ausführungsbeispiel. Die Batteriezelle 10f weist einen Rahmen 13f auf, der durch eine Umspritzung hergestellt wurde. Auf eine Einfüllöffnung, die ein Einbringen eines Elektrolyts nach einem Verbinden der Hüllelemente 11f, 12f ermöglicht, wird vorzugsweise verzichtet. Die Batteriezelle 10f weist daher ein Elektrodenpaket 18f auf, das in einem Verfahrensschritt während einer Herstellung des Zellblocks 36f, in dem die Hüllelemente 11f, 12f benachbarter Batteriezellen 10f miteinander verschweißt werden, bereits mit dem Elektrolyt getränkt ist. Die thermische Isolierung, die den elektrochemisch aktiven Teil dabei schützt, ist analog zu dem vorangegangenen Ausführungsbeispiel ausgestaltet. Sie kann alternativ auch eine Ausgestaltung aufweisen.
9 zeigt ein siebtes Ausführungsbeispiel eines Zellblocks 36g mit Batteriezellen 10g, die Schweißstellen 14g, 15g zur elektrischen und mechanischen Verbindung der Batteriezellen 10g aufweisen. Jede der Batteriezellen 10g weist zwei Hüllelemente 11g, 12g auf, wobei die Hüllelemente 11g, 12g die Schweißstellen 14g, 15g aufweisen. Analog zu dem vorangegangenen Ausführungsbeispiel sind die Schweißstellen 14g, 15g für eine Verschweißung durch ein Laserschweißverfahren vorgesehen. Die Batteriezelle 10g weist zwei Isolierelemente 16g, 17g auf, die eine thermische Isolierung ausbilden und die dazu vorgesehen sind, den elektrochemisch aktiven Teil gegen einen Wärmeeintrag an der Schweißstelle 14g, 15g zu isolieren. Die Isolierelemente 16g, 17g sind analog zu dem vorangegangenen Ausführungsbeispiel für eine elektrische Innenisolierung vorgesehen.
Für die thermische Isolierung weisen die Isolierelemente 16g, 17g Aufdickungen auf. Die Batteriezelle 10g unterscheidet sich ebenfalls durch ihre Bauart von dem vorangegangenen Ausführungsbeispiel. In dem Ausführungsbeispiel in 9 sind die Hüllelemente 11g, 12g zur Verbindung miteinander umgebördelt.
10 zeigt ein achtes Ausführungsbeispiel eines Zellblocks 36h mit Batteriezellen 10h, die Schweißstellen 14h, 15h zur elektrischen und mechanischen Verbindung der Batteriezellen 10f aufweisen. Jede der Batteriezellen 10h weist zwei Hüllelemente 11h, 12h auf, wobei die Hüllelemente 11h, 12h die Schweißstellen 14h, 15h aufweisen. Analog zu dem vorangegangenen Ausführungsbeispiel sind die Schweißstellen 14h, 15h für eine Verschweißung durch ein Laserschweißverfahren vorgesehen. Die Batteriezellen 10h weisen eine thermische Isolierung auf, die dazu vorgesehen sind, den elektrochemisch aktiven Teil gegen einen Wärmeeintrag an den Schweißstellen 14h, 15h zu isolieren.
Die Batteriezelle 10h unterscheidet sich ebenfalls durch ihre Bauart von den vorangegangenen Ausführungsbeispielen. In dem Ausführungsbeispiel in 10 weist das zweite Hüllelement 12h der Batteriezelle 10h eine Kontaktfahne aus, die zur Verbindung mit dem ersten Hüllelement 11h der benachbarten Batteriezelle 10h vorgesehen ist. Die eine Schweißstelle 15h ist an der Kontaktfahne angeordnet. Das erste Hüllelement 11h weist eine Kante 28h auf, in deren Bereich die Schweißstelle 14h angeordnet ist.
Die Batteriezelle 10h weist zwei Isolierelemente 16h, 17h auf, die für eine elektrische Innenisolierung vorgesehen sind. Das erste Isolierelement 16h ist für das Hüllelement 11h vorgesehen, welches die Schweißstelle 14h aufweist. Im Bereich der Kante 28h des Hüllelements 11h weist das Isolierelement 16h eine Aufdickung 26h auf, welche die thermische Isolierung ausbildet. Das zweite Isolierelement 17h ist für das Hüllelement 12h, welches die Kontaktfahne aufweist, vorgesehen. Das zweite Isolierelement 17h weist über seine gesamte Erstreckung eine im Wesentlichen konstante Dicke auf.
11 zeigt ein neuntes Ausführungsbeispiel eines Zellblocks 36i mit Batteriezellen 10i, die Schweißstellen 14i, 15i zur elektrischen und mechanischen Verbindung der Batteriezellen 10i aufweisen. Jede der Batteriezellen 10i weist zwei Hüllelemente 11i, 12i auf, wobei die Hüllelemente 11i, 12i die Schweißstellen 14i, 15i aufweisen. Die Batteriezelle 10i weist eine thermische Isolierung auf, die dazu vorgesehen ist, den elektrochemisch aktiven Teil gegen einen Wärmeeintrag an der Schweißstelle 14i, 15i zu isolieren. Eine Ausgestaltung der Batteriezelle 10i entspricht im Wesentlichen der des Ausführungsbeispiels in 7. Für die thermische Isolierung weist die Batteriezelle 10i zwei Isolierelemente 16i, 17i auf, die eine elektrische Innenisolierung ausbilden und die im Bereich der Schweißstellen 14i, 15i Aufdickungen 26i, 27i aufweisen.
Im Unterschied zu dem Ausführungsbeispiel in 7 weist der Zellblock 36i wenigstens ein Verbindungselement 37i auf, das dazu vorgesehen ist, zwei benachbarte Batteriezellen 10i miteinander zu verbinden. Das Verbindungselement 37i weist zwei Schweißstellen 38i, 39i auf. Jede der Schweißstellen 38i, 39i ist zur Verbindung mit einer der Schweißstellen 14i, 15i der Hüllelemente 11i, 12i vorgesehen. Analog zu dem vorangegangenen Ausführungsbeispiel sind die Schweißstellen 14i, 15i, 38i, 39i für eine Verschweißung durch ein Laserschweißverfahren vorgesehen.
12 zeigt ein zehntes Ausführungsbeispiel eines Zellblocks 36j mit Batteriezellen 10j, die Schweißstellen 14j, 15j zur elektrischen und mechanischen Verbindung der Batteriezellen 10j aufweisen. Jede der Batteriezellen 10j weist zwei Hüllelemente 11j, 12j auf, wobei die Hüllelemente 11j, 12j die Schweißstellen 14j, 15j aufweisen. Die Batteriezelle 10j weist eine thermische Isolierung auf, die dazu vorgesehen ist, den elektrochemisch aktiven Teil gegen einen Wärmeeintrag an den Schweißstellen 14j, 15j zu isolieren. Eine Ausgestaltung der Batteriezelle 10j entspricht im Wesentlichen der des Ausführungsbeispiels in 7. Für die thermische Isolierung weist die Batteriezelle 10j zwei Isolierelemente 16j, 17j auf, die eine elektrische Innenisolierung ausbilden und die im Bereich der Schweißstellen 14j, 15j Aufdickungen 26j, 27j aufweisen.
Die Batteriezelle 10j weist ein Kontaktelement 23j auf, das für einen Abgriff einer Zellspannung vorgesehen ist. Das Kontaktelement 23j ist dazu vorgesehen, mit dem Hüllelement 11j der Batteriezelle 10j verschweißt zu werden. Das Kontaktelement 23j weist eine Schweißstelle 38j auf, die für eine mechanische und elektrische Verbindung mit dem Hüllelement 11j vorgesehen ist. Das Hüllelement 11j weist eine Kante 28j auf, in deren Bereich die Schweißstelle 14j für die Verbindung mit der benachbarten Batteriezelle 10j angeordnet ist. Die Schweißstelle 14j ist ebenfalls für die Anbindung des Kontaktelements 23j vorgesehen. Das Isolierelement 17j, das die thermische Isolierung für die Schweißstelle 14j bereitstellt, isoliert den elektrochemisch aktiven Teil gegen einen Wärmeeintrag beim Verschweißen der Batteriezellen 10j miteinander, und beim Anschweißen des Kontaktelements 23j an das Hüllelement 11j.
13 zeigt ein elftes Ausführungsbeispiel eines Zellblocks 36k mit Batteriezellen 10k, 10.1k, 10.2k, die Schweißstellen 14k, 15k zur elektrischen und mechanischen Verbindung der Batteriezellen 10k aufweisen. Die Batteriezellen 10k sind als Pouchzellen ausgeführt. Sie weisen ein Hüllelement 11k auf, das ein potentialfreies Zellgehäuse ausbildet und das einen Elektrolytraum 19k zur Aufnahme eines elektrochemisch aktiven Teils umschließt. Weiter weisen die Batteriezellen 10k ein Elektrodenpaket 18k sowie zwei Kontaktelemente 45k, 46k zur elektrischen Kontaktierung des Elektrodenpakets 18k auf. Die Batteriezellen 10k weisen Schweißstellen 14k, 15k zur elektrischen und mechanischen Verbindung mit der benachbarten Batteriezelle 10k auf. Dabei weisen die Kontaktelemente 45k, 46k die Schweißstellen 14k, 15k auf.
Die Kontaktelemente 45k, 46k der unterschiedlichen Batteriezellen 10k sind direkt miteinander verschweißt. Um den elektrochemisch aktiven Teil gegen einen Wärmeeintrag an den Schweißstellen 14k, 15k zu isolieren, weisen die Batteriezellen 10k thermische Isolierungen auf. Die Kontaktelemente 45k, 46k, die in Form von Kontaktfahnen ausgebildet sind, weisen die thermische Isolierung auf.
Die Kontaktelemente 45k, 46k der Batteriezelle 10k weisen eine Aufdickung 26k, 27k auf, welche für die thermische Isolierung vorgesehen ist. Das Zellgehäuse weist einen Rahmen 13k mit Durchführungen für die Kontaktelemente 45k, 46k auf. Die Aufdickungen 26k, 27k sind außerhalb des Zellgehäuses angeordnet. Bezogen auf einen Wärmeeintrag an den Schweißstellen 14k, 15k, sind die Aufdickungen 26k, 27k zwischen den Schweißstellen 14k, 15k und einer Durchführung der Kontaktelemente 45k, 46k durch das Zellgehäuse angeordnet. Zur Verbindung miteinander sind die Kontaktelemente 45k, 46k abgewinkelt. Die Schweißstellen 14k, 15k sind in einem abgewinkelten Bereich des korrespondierenden Kontaktelements 45k, 46k angeordnet. Die Aufdickungen 26k, 27k sind in einem nicht abgewinkelten Bereich des korrespondierenden Kontaktelements 45k, 46k angeordnet.
Bezugszeichenliste

10: Batteriezelle
11: Hüllelement
12: Hüllelement
13: Rahmen
14: Schweißstelle
15: Schweißstelle
16: Isolierelement
17: Isolierelement
18: Elektrodenpaket
19: Elektrolytraum
20: Kathodenfolie
21: Separatorfolie
22: Anodenfolie
23: Kontaktelement
24: Isolierelement
25: Isolierelement
26: Aufdickung
27: Aufdickung
28: Kante
29: Kante
30: Kraftfahrzeugbatterie
31: Batteriegehäuse
32: Elektronik
33: Temperiereinrichtung
36: Zellblock
37: Verbindungselement
38: Schweißstellen
39: Schweißstellen
42: Verbrennungsmotor
43: Elektromotor
44: Antriebsräder
45: Kontaktelement
46: Kontaktelement

ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

DE 102012018128 A1 [0002]

Claims

Batteriezelle für eine Kraftfahrzeugbatterie (30a), mit zumindest einer Schweißstelle (14a–k, 15a–k) und mit einem elektrochemisch aktiven Teil, der zur Speicherung elektrischer Energie vorgesehen ist, gekennzeichnet durch eine thermische Isolierung (16a–k), die dazu vorgesehen ist, den elektrochemisch aktiven Teil gegen einen Wärmeeintrag an der zumindest einen Schweißstelle (14a–k, 15a–k) zu isolieren.
Batteriezelle nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die zumindest eine Schweißstelle (14a–k, 15a–k) dazu vorgesehen ist, benachbarte Batteriezellen elektrisch und mechanisch miteinander zu verbinden.
Batteriezelle nach einem der vorhergehenden Ansprüche, gekennzeichnet durch zumindest ein Hüllelement (11a–j, 12a–j), das die zumindest eine Schweißstelle (14a–j, 15a–j) aufweist und das dazu vorgesehen ist, einen Elektrolytraum (19a; 19k) zur Aufnahme des elektrochemisch aktiven Teils zumindest teilweise zu umschließen.
Batteriezelle nach einem der vorhergehenden Ansprüche, gekennzeichnet durch zumindest ein Kontaktelement (45k, 46k), das für eine elektrische Kontaktierung des elektrochemisch aktiven Teils vorgesehen ist und die zumindest eine Schweißstelle (14k) aufweist.
Batteriezelle nach einem der vorhergehenden Ansprüche, gekennzeichnet durch zumindest ein Isolierelement (24a, 25a; 24b, 25b; 16c, 17c; 16e; 17e; 16f, 17f; 16g, 17g; 16h; 16i, 17i; 16h, 17h), das für die thermische Isolierung vorgesehen ist.
Batteriezelle nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass das zumindest eine Isolierelement (16c, 17c; 16e; 17e; 16f, 17f; 16g, 17g; 16h, 17h; 16i, 17i) zur Ausbildung einer elektrischen Innenisolierung für den elektrochemisch aktiven Teil vorgesehen ist.
Batteriezelle nach einem der vorhergehenden Ansprüche, gekennzeichnet durch zumindest eine Aufdickung (26d, 27d; 26e, 27e; 26h; 26i, 27i; 26j, 27j; 26k), die für die thermische Isolierung vorgesehen ist.
Batteriezelle zumindest nach den Ansprüchen 5 und 7, dadurch gekennzeichnet, dass das zumindest eine Isolierelement (16c, 17c; 16e; 17e; 16f, 17f; 16g, 17g; 16h; 16i, 17i) die Aufdickung (26e, 27e; 26h; 26i, 27i) aufweist.
Batteriezelle zumindest nach den Ansprüchen 3 und 7, dadurch gekennzeichnet, dass das zumindest eine Hüllelement (11d, 12d) die Aufdickung (26d, 27d) aufweist.
Batteriezelle zumindest nach den Ansprüchen 3 und 5, dadurch gekennzeichnet, dass das zumindest eine Isolierelement (16c, 17c) und das Hüllelement (11c, 12c) einen Hohlraum umschließen, der für die thermische Isolierung vorgesehen ist.
Kraftfahrzeug-Hochvoltbatterie mit zumindest zwei benachbart angeordneten Batteriezellen (10.1a–k, 10.2a–k) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, die durch eine Schweißverbindung miteinander verbunden sind.