DE102014019505A1

DE102014019505A1 - Einzelzelle und Zellblock für eine elektrische Batterie

Info

Publication number: DE102014019505A1
Application number: DE102014019505.8A
Authority: DE
Inventors: Jens Meintschel; Dirk Schröter; Knut Welke
Original assignee: Daimler AG
Current assignee: Mercedes Benz Group AG
Priority date: 2014-12-23
Filing date: 2014-12-23
Publication date: 2016-06-23

Abstract

Die Erfindung betrifft eine Einzelzelle (1) mit mindestens einer von einem Zellgehäuse (4) umgebenden Elektrodenanordnung (3), deren Stromableiterfahnen (2.1, 2.2) zumindest einer Polarität an einem Zellende mit einem Zellableiter (5) verbunden sind, wobei erfindungsgemäß mehrere Stromableiterfahnen (2.1, 2.2) der zumindest einen Polarität zu mehreren, in Stapelrichtung (R) voneinander beabstandeten Gruppenfahnenenden (T1, T2) zusammengefasst sind und mindestens zwei der voneinander beabstandeten Gruppenfahnenenden (T1, T2) im Zellgehäuse (4) direkt oder mittels eines Stromleitelements (7) mit dem Zellableiter (5) verbunden sind.

Description

Die Erfindung betrifft eine Einzelzelle mit mindestens einer von einem Zellgehäuse umgebenden Elektrodenanordnung, deren Stromableiterfahnen zumindest einer Polarität an einem Zellende mit einem Zellableiter verbunden sind. Weiterhin betrifft die Erfindung einen Zellblock mit mehreren elektrisch parallel und/oder seriell verschalteten Einzelzellen für eine elektrische Batterie.
Aus dem Stand der Technik bekannte elektrische Batterien, insbesondere für Fahrzeuganwendungen, umfassen eine Mehrzahl elektrisch seriell und/oder parallel miteinander verschalteter Einzelzellen, die jeweils eine elektrisch aktive Elektrodenanordnung aufweisen. Die Elektrodenanordnung ist üblicherweise aus einem Elektrodenstapel gebildet und von einem Zellgehäuse umgeben, so dass diese von der Umgebung abgeschirmt ist. Mehrere Einzelzellen sind zu einem Zellblock für eine elektrische Batterie zusammengefasst, wobei der Zellblock mit einer Elektronik und einer Temperiervorrichtung in einem Gehäuse der Batterie angeordnet sind.
Aus der US 2010/0248030 A1 ist eine Elektrodenanordnung mit miteinander verbundenen Elektrodenfahnen bekannt.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Einzelzelle mit einer gegenüber dem Stand der Technik verbesserten Kontaktierung der Stromableiterfahnen der Einzelzelle anzugeben. Hinsichtlich des Zellblocks liegt der Erfindung die Aufgabe zugrunde, einen Zellblock mit einer gegenüber dem Stand der Technik verbesserten Kontaktierung der Stromableiterfahnen mehrerer Einzelzellen anzugeben.
Die Aufgabe wird erfindungsgemäß hinsichtlich der Einzelzelle durch die im Anspruch 1 angegebenen Merkmale und hinsichtlich des Zellblocks durch die im Anspruch 9 angegebenen Merkmale gelöst.
Vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung sind Gegenstand der Unteransprüche.
Die Einzelzelle umfasst ein Zellgehäuse, das zumindest eine Elektrodenanordnung umgibt, deren Stromableiterfahnen zumindest einer Polarität an einem Zellende mit einem Zellableiter verbunden sind. Erfindungsgemäß sind mehrere Stromableiterfahnen der zumindest einen Polarität zu mehreren, in Stapelrichtung voneinander beabstandeten Gruppenfahnenenden zusammengefasst, wobei mindestens zwei der voneinander beabstandeten Gruppenfahnenenden im Zellgehäuse direkt oder mittels eines Stromleitelements mit dem Zellableiter verbunden sind.
Eine solche mehrfache direkte oder indirekte Kontaktierung der Elektrodenanordnung einer Einzelzelle einer elektrischen Batterie mit dem Zellableiter stellt sicher, dass selbst bei einer Einzelzelle mit zunehmender Lagenzahl der Elektrodenanordnung und somit bei zunehmender Dicke der Elektrodenanordnung eine sichere elektrische Kontaktierung ermöglicht ist. Somit ist die Gefahr nicht angebundener bzw. sich lösender Fahnenenden weitgehend vermieden. Daraus resultierend ist auch die Gefahr von Kurzschlüssen aufgrund freier Fahnenenden weiter reduziert. Ferner sind alle Kathoden- und/oder Anodenelemente der Elektrodenanordnung (auch Elektrodenstapel genannt) nutzbar, so dass der Wirkungsgrad der Einzelzelle verbessert ist. Dabei ist die Mehrfachkontaktierung mittels der Gruppenfahnenenden zwischen Elektrodenanordnung und Zellableiter derart ausgestaltet, dass diese gegenüber der herkömmlichen Einzelkontaktierung keinen zusätzlichen Bauraum benötigt.
In einer möglichen Ausführungsform sind die Stromableiterfahnen der jeweiligen Polarität in Abhängigkeit von der Gesamtanzahl der Stromableiterfahnen, insbesondere von einer vorgegebenen maximalen Fahnenanzahl von bündelbaren Stromableiterfahnen, in Gruppen unterteilt und zu einer entsprechenden Anzahl von Gruppenfahnenenden zusammengefasst. Mit anderen Worten: Die Anzahl der Stromableiterfahnen, die zu einem Gruppenfahnenende zusammengefasst werden, ist gegeben durch die maximale Fahnenanzahl von bündelbaren Stromableiterfahnen. Beispielsweise können maximal 20 oder 30 Stromableiterfahnen gebündelt werden, um auch die äußeren Stromableiterfahnen bei einer Bündelung sicher und dauerhaft mit dem Zellableiter zu kontaktieren. Mit zunehmender Lagenzahl der Elektrodenanordnung mit mehr als 40 oder 50 oder mehr Folien je Elektrode werden die Stromableiterfahnen der jeweiligen Polarität gruppiert und zu Gruppenfahnenenden zusammengefasst. Die maximale Fahnenanzahl der bündelbaren Stromableiterfahnen kann darüber hinaus in Abhängigkeit von der maximalen Dicke aller Stromableiterfahnen einer Elektrode bestimmt werden.
Durch die fahnenanzahlabhängigen Unterteilung oder Gruppierung der Stromableiterfahnen und somit Begrenzung der Fahnenanzahl von zu bündelnden Stromableiterfahnen in Stapelrichtung können die Enden der Stromableiterfahnen einer Gruppe eine gleiche Länge aufweisen und kürzer ausgeführt werden, so dass der innenliegende Bauraumbedarf für die Kontaktierung zum Zellableiter durch die Gruppierung nicht vergrößert ist. Darüber hinaus ist die Herstellung der Elektroden, insbesondere der als Elektrodenfolien ausgebildeten Elektroden, aufgrund der gleichen Länge aller Elektroden und eines reduzierten Verschnitts deutlich vereinfacht und besonders kostengünstig. Ferner können ohne wesentlichen Bauraumnachteil praktisch beliebig viele Gruppenfahnenenden (auch Fähnchenpakete genannt) an einen Zellableiter angeschlossen sein.
Eine Weiterbildung sieht vor, dass das Stromleitelement und/oder der Zellableiter mehrere Anschlüsse aufweist, die kaskadenförmig oder fächerförmig angeordnet sind. Dabei weist das Stromleitelement oder der Zellableiter ableiterseitig mindestens einen Ableiteranschluss und elektrodenseitig mindestens zwei oder mehrere Fahnenanschlüsse zu den Gruppenfahnenenden auf. Hierbei ist das Stromleitelement oder der Zellableiter jeweils derart ausgebildet, dass dieses bzw. dieser elektrodenseitig die mehreren Fahnenanschlüsse zu den Gruppenfahnenenden in Stapelrichtung des Elektrodenstapels überbrückt. Beispielsweise ist das Stromleitelement oder der Zellableiter als ein Überbrückungszweig mit einer sich in Stapelrichtung erstreckenden Kaskade von mehreren Fahnenanschlüssen für die Gruppenfahnenenden ausgebildet, wobei von dem Überbrückungszweig zumindest ein Ableiteranschluss für den Zellableiter bzw. die Zellableiter selbst senkrecht abgeht.
Eine mögliche einfache Ausführungsform sieht vor, dass das Stromleitelement zumindest einen Ableiteranschluss zum Zellableiter und mindestens zwei Fahnenanschlüsse zu den Gruppenfahnenenden aufweist. Dabei ragen der Ableiteranschluss und die mindestens zwei Fahnenanschlüsse vom Stromleitelement in entgegensetzte Richtungen ab. Beispielsweise bei einer Einzelzelle mit in Längsausrichtung angeordneter Elektrodenanordnung ist der Ableiteranschluss zumindest in Längsausrichtung von den Fahnenanschlüssen beabstandet, wobei diese in Querausrichtung zueinander beabstandet sind.
Bei einer direkten Kontaktierung der Elektrodenanordnung mit dem Zellableiter weist dieser selbst mindestens zwei Fahnenanschlüsse zu den Gruppenfahnenenden auf. Bei einer solchen direkten elektrischen Kontaktierung von Gruppenfahnenenden und Zellableiter durch Ausbildung des Zellableiters selbst als Überbrückungszweig sind zusätzliche Bauteile sicher vermieden.
Gemäß einer weiteren Ausführungsform ist das Stromleitelement anschlussseitig gerade, L-förmig oder U-förmig oder mehrfach gebogen ausgebildet. So kann das Stromleitelement anschlussseitig, insbesondere an dem Ableiteranschluss und/oder den Fahnenanschlüssen, ein- oder beidseitig angeordnet und befestigt, insbesondere geschweißt oder gelötet, sein. Bei einer beidseitigen Anschlussbefestigung weist der jeweilige Anschluss – der Ableiteranschluss oder der jeweilige Fahnenanschluss – ein U-förmiges Ende auf, das beide Seiten des jeweiligen Gruppenfahnenendes oder des Zellableiters umschließt. Hierdurch ist eine zweifache – auf jeder Seite eine – und somit sichere elektrische Kontaktierung an dem jeweiligen Anschluss zwischen Elektrodenanordnung und Zellableiter ermöglicht. Zudem ist die Elektrodenanordnung sicher am Zellableiter fixiert und im Zellgehäuse angeordnet.
Analog dazu ist beim alternativen Ausführungsbeispiel mit der direkten Kontaktierung von Elektrodenanordnung und Zellableiter dieser anschlussseitig entsprechend gerade, L-förmig oder U-förmig oder mehrfach gebogen ausgebildet. Hierdurch kann der Zellableiter den jeweiligen Fahnenanschluss ein- oder beidseitig umschließen. Dies ermöglicht eine sichere elektrische Kontaktierung sowie eine einfache Befestigung des Zellableiters an den Gruppenfahnenenden beispielsweise durch Schweißen oder Löten.
In einer weiteren Ausführungsform sind die Fahnenenden mehrerer Stromableiterfahnen zellintern, insbesondere innerhalb des Zellgehäuses, zu den mehreren, in Stapelrichtung voneinander beabstandeten Gruppenfahnenenden zusammengefasst. Hierdurch ist die elektrische Kontaktierung geschützt innerhalb des Zellgehäuses angeordnet.
Zusätzlich oder alternativ zu der gruppenweisen Kontaktierung einer einzelnen Elektrodenanordnung einer Einzelzelle zu einem Zellableiter sind Gruppenfahnenenden einer Polarität von benachbarten Elektrodenanordnungen in einer Einzelzelle im Zellgehäuse direkt oder mittels des Stromleitelements mit dem Zellableiter der Einzelzelle verbunden.
Erfindungsgemäß ist ein Zellblock durch eine Mehrzahl von elektrisch seriell und/oder parallel miteinander verbundenen und von einem Gehäuse umgebenden Einzelzellen der oben beschriebenen Art und Weise gebildet.
Um eine vergleichsweise gute elektrische Leitfähigkeit des Stromleitelementes zu erzielen, besteht dieses aus Kupfer und/oder Aluminium.
Zur Verbesserung der Kontaktierung von Elektrodenanordnung und Zellableiter ist vorgesehen, dass das Stromleitelement und/oder der Zellableiter stoffschlüssig an den Gruppenfahnenenden befestigt sind bzw. ist. Mittels der stoffschlüssigen Befestigung ist weitestgehend eine dauerhafte Verbindung zwischen dem Stromleitelement und/oder dem Zellableiter herstellbar. Vorzugsweise ist die stoffschlüssige Verbindung derart ausgebildet, dass diese über eine gesamte Lebensdauer der Einzelzelle hält.
Ausführungsbeispiele der Erfindung werden im Folgenden anhand von Zeichnungen näher erläutert.
Dabei zeigen:
1A bis 1C schematisch in Schnittdarstellung ein Ausführungsbeispiel einer Einzelzelle mit einem Zellgehäuse und darin angeordneter Elektrodenanordnung, die mehrfach mittels eines Stromleitelements mit einem Zellableiter verbunden ist,
2 bis 4 schematisch in Schnittdarstellung jeweils einen vergrößerten Ausschnitt verschiedener Ausführungsbeispiele einer Einzelzelle mit einem Zellgehäuse und darin angeordneter Elektrodenanordnung, die mittels eines Stromleitelements in verschiedenen Ausführungsformen mehrfach mit einem Zellableiter verbunden ist,
5 bis 8 schematisch in Schnittdarstellung jeweils einen vergrößerten Ausschnitt verschiedener Ausführungsbeispiele einer Einzelzelle mit einem Zellgehäuse und darin angeordneter Elektrodenanordnung, die direkt mehrfach mit einem Zellableiter in verschiedenen Ausführungsformen verbunden ist, und
9 bis 11 schematisch in Schnittdarstellung jeweils einen vergrößerten Ausschnitt verschiedener Ausführungsbeispiele einer Einzelzelle mit weiteren Ausführungsformen für eine elektrische Kontaktierung von Elektrodenanordnung und Zellableiter.
Einander entsprechende Teile sind in allen Figuren mit den gleichen Bezugszeichen versehen.
Die 1A bis 1C sowie 2 bis 3 zeigen eine Schnittdarstellung einer Einzelzelle 1 für eine elektrische Batterie. Insbesondere ist die Batterie für ein Elektrofahrzeug, ein Hybridfahrzeug oder ein mit Brennstoffzellen betriebenes Fahrzeug vorgesehen.
1A und 1B zeigen eine Schnittdarstellung einer gesamten Einzelzelle 1 in Explosionsdarstellung und im zusammengebauten Zustand. Bei der Einzelzelle 1 handelt es sich insbesondere um eine Flachzelle, eine sogenannte Pouch- oder Coffeebagzelle.
Die Einzelzelle 1 umfasst eine Elektrodenanordnung 3, die aus mehreren in einer Stapelrichtung R gestapelten Elektrodenfolien 2 und als elektrochemisch aktives Material ausgebildet ist. Die Elektrodenanordnung 3 ist aus Lagen von Kathoden- und Anodenfolien, insbesondere beschichteten Aluminium- und Kupferfolien, mit einer Dicke von ca. 10 bis 20 μm gebildet. Die jeweilige Lage ist dabei durch einen nicht näher dargestellten, herkömmlichen Separator getrennt.
Alternativ zur Stapelung der Elektrodenfolien 2 können diese auch gefaltet und/oder gewickelt sein.
Die Elektrodenanordnung 3 ist von einem Zellgehäuse 4 umgeben, das beispielsweise aus zwei Gehäusehälften gebildet ist. Bei einer als Flachzelle ausgebildeten Einzelzelle 1 ist das Zellgehäuse 4 aus zwei einander gegenüberliegenden Folien gebildet, zwischen denen die Elektrodenanordnung 3 angeordnet ist. Dadurch ist die Elektrodenanordnung 3 gegenüber ihrer Umgebung geschützt und abgeschirmt.
Zur elektrischen Kontaktierung der Einzelzelle 1 weist diese an gegenüberliegenden Enden der Einzelzelle 1 herausstehende Stromableiterfahnen 2.1, 2.2 verschiedener Polaritäten auf. Alternativ können diese auch an einem Ende der Einzelzelle 1 herausragen.
Im Ausführungsbeispiel ragen an einem Ende oder an einer Stirnseite der Elektrodenanordnung 3 Stromableiterfahnen 2.1 einer der Polaritäten – beispielsweise der Kathode oder der Anode – aus der Elektrodenanordnung 3 heraus. An der gegenüberliegenden Stirnseite der Elektrodenanordnung 3 sind die Stromableiterfahnen 2.2 der anderen Polarität – der Anode bzw. der Kathode – aus der Elektrodenanordnung 3 herausgeführt. Die Stromableiterfahnen 2.1, 2.2 sind unbeschichtet.
Zur Bildung eines gemeinsamen Anschlusspols für jede Polarität der Einzelzelle 1 sind die Stromableiterfahnen 2.1, 2.2 der Elektrodenfolien 2 der jeweiligen Polarität zellintern miteinander verbunden, beispielsweise aneinander geheftet, geklebt, gelötet, und mit einem aus dem Zellgehäuse 4 herausstehenden Zellableiter 5 verbunden und elektrisch gekoppelt.
Die endseitig herausstehenden Zellableiter 5 bilden dabei die elektrischen Pole der Einzelzelle 1.
Mit zunehmender Anzahl von Elektrodenfolien 2, wodurch die Dicke der Einzelzelle 1 im Bereich der Elektrodenanordnung 3 zunimmt, besteht das Risiko, dass nicht alle Stromableiterfahnen 2.1, 2.2 mit dem entsprechenden Zellableiter 5 elektrisch verbunden werden können oder sich im verbundenen Zustand welche lösen.
Um eine elektrische Anbindung aller Stromableiterfahnen 2.1, 2.2 an den entsprechenden Zellableiter 5 weitestgehend sicherzustellen, ist vorgesehen, die Stromableiterfahnen 2.1, 2.2 der jeweiligen Polarität der Elektrodenanordnung 3 zu teilen.
Erfindungsgemäß sind die Stromableiterfahnen 2.1, 2.2 zumindest einer oder beider Polaritäten unterteilt und zu mehreren, in Stapelrichtung R der Elektrodenfolien 2 voneinander beabstandeten Gruppenfahnenenden T1, T2 im Zellgehäuse 4 gruppiert oder zusammengefasst. Im Ausführungsbeispiel nach 1A bis 1C sind die Stromableiterfahnen 2.1, 2.2 einer Polarität in zwei Gruppen unterteilt und zu zwei Bündeln von Gruppenfahnenenden T1, T2 zusammengefasst.
Je nach Gesamtzahl der aufeinander gestapelten, gewickelten oder gefalteten Elektrodenfolien 2 können die Stromableiterfahnen 2.1, 2.2 der jeweiligen Polarität mehrfach unterteilt sein und somit mehr als zwei Bündeln von Gruppenfahnenenden T1, T2 gebildet sein.
Zur elektrischen Verbindung der zu den Gruppenfahnenenden T1, T2 gebündelten oder gruppierten Stromableiterfahnen 2.1 oder 2.2 der jeweiligen Polarität mit dem entsprechenden Zellableiter 5 sind diese direkt miteinander verbunden (siehe 5 bis 8, 11) oder mittels eines Stromleitelements 7 miteinander verbunden (siehe 1 bis 4, 9, 10).
Das Stromleitelement 7 ist hierzu aus einem gut elektrisch leitfähigem Material, beispielsweise aus Kupfer oder Aluminium, gebildet. Das Stromleitelement 7 kann dabei einteilig (1, 3, 4) oder mehrteilig (2, 9, 10) ausgebildet sein.
Die Verbindung zwischen den Gruppenfahnenenden T1, T2 und dem Zellableiter 5 (direkte Verbindung) oder zwischen Gruppenfahnenenden T1, T2 und dem Stromleitelement 7 und zwischen dem Stromleitelement 7 und den Zellableitern 5 (indirekte Verbindung) erfolgt mittels zumindest eines stoffschlüssigen Press- und/oder Schmelzschweißverfahrens, z. B. mittels Widerstandspunktschweißen, Vibrations- oder Ultraschallschweißen und/oder Laserschweißen. Bei Befestigung mittels Schweißen entstehen an den jeweiligen Verbindungsstellen Schweißstellen S.
Zusätzlich oder alternativ können die Zellableiter 5 auch kraft- und/oder formschlüssig an den Gruppenfahnenenden T1, T2 oder dem Stromleitelement 7 befestigt sein. Zur kraftschlüssigen Verbindung sind beispielsweise Nieten einsetzbar, wobei sich Clinchen und/oder Toxen zur formschlüssigen Befestigung ebenso eignen bzw. eignet.
Darüber hinaus ist die Innenseite des jeweiligen Gehäuseteils des Zellgehäuses 4 beispielsweise aus Polypropylen gebildet. Dabei sind die beiden Gehäuseteile derart ausgebildet, dass diese beim Verschluss randseitig aufeinander liegen und die Einzelzelle 1 umlaufen. An diesem umlaufenden Rand sind die beiden Gehäuseteile mittels eines Heißpressvorganges miteinander verbindbar, insbesondere miteinander verschweißbar.
Zur verbesserten Anbindung der Gehäuseteile des Zellgehäuses 4 an die Zellableiter 5, beispielsweise zum Ausgleich unterschiedlicher Dicken und Fertigungs-/Herstellungstoleranzen von Zellableitern 5, insbesondere im Kantenbereich, und/oder Zellgehäuse 4 kann optional zwischen den Zellableitern 5 und dem Zellgehäuse 4 jeweils ein Vorsiegelband 6 angeordnet sein. Die Vorsiegelbänder 6 bestehen beispielsweise aus aminosäuremodifiziertem Polypropylen, wobei in einem mittigen Bereich des jeweiligen Vorsiegelbandes 6 ein Kunststoff höherer Schmelztemperatur, beispielsweise Polyethylenterephthalat in Vlies- oder Folienform vorgesehen ist. Dieser Kunststoff höherer Schmelztemperatur stellt beim Verschließen des Zellgehäuses 4 der Einzelzelle 1 und somit beim Verbinden der aufeinanderliegenden Ränder der Gehäuseteile den zur elektrischen Isolation zwischen den spannungsführenden Zellableitern 5 und der Metallschicht, insbesondere eine Aluminiumschicht, des Zellgehäuses 4 erforderlichen Mindestabstand ein.
Nach einem Einfüllen eines Elektrolyten in die Einzelzelle 1 wird diese mit Hilfe von Unterdruck mittels einer den Rand des Zellgehäuses 4 umlaufenden Versiegelung verschlossen. Dabei schmilzt das an der Innenseite der übereinander angeordneten Gehäuseteile des Zellgehäuses 4 und auf die Vorsiegelbänder 6 aufgebrachte Polypropylen zumindest partiell auf und verbindet sich beim Erkalten, so dass das Zellgehäuse 4 verschlossen ist.
1A bis 1C zeigen eine indirekte Verbindung von Elektrodenanordnung 3 und Zellableiter 5 mittels eines einteiligen Stromleitelements 7 in einer ersten Ausführungsform.
Das Stromleitelement 7 ist zur mehrfachen Kontaktierung der Elektrodenanordnung 3 mit dem Zellableiter 5 der jeweiligen Polarität als ein Überbrückungszweig K ausgebildet. Das Stromleitelement 7 weist im Wesentlichen eine U-Form auf.
Das Stromleitelement 7 weist zur Ausbildung als Überbrückungszweig K mehrere Anschlüsse 7.2 bis 7.n auf, die von einem Steg 7.1 abgehen. Ableiterseitig in Richtung des Zellableiters 5 ist der Anschluss 7.2 ein Ableiteranschluss zum Verbinden mit dem Zellableiter 5 und elektrodenseitig in Richtung der Elektrodenanordnung 3 sind zwei Anschlüsse 7.3, 7.4 als Fahnenanschlüsse zum Verbinden mit der Elektrodenanordnung 3 vorgesehen.
Wie in 1A bis 1C am Beispiel gezeigt, sind die Stromableiterfahnen 2.1 oder 2.2 der Polaritäten jeweils derart zu Gruppenfahnenenden T1, T2 gebündelt, dass diese in Stapelrichtung R der Elektrodenanordnung 3 voneinander beabstandet sind und im Wesentlichen zentriert zu den jeweils zugehörigen gebündelten Stromableiterfahnen 2.1 oder 2.2 angeordnet sind.
Zur Überbrückung und elektrischen Verbindung der zentrierten und beabstandeten Gruppenfahnenenden T1, T2 weist das Stromleitelement 7 den Steg 7.1 auf, von dem der Ableiteranschluss (Anschluss 7.2) in Richtung des Zellableiters 5 abragt und die Fahnenanschlüsse (Anschlüsse 7.3, 7.4) in entgegengesetzte Richtung, in Richtung der Elektrodenanordnung 3 abragen.
Hierzu ist das Stromleitelement 7 fächerförmig aufgebaut. Dabei kann die Breite des Stegs 7.1 derart ausgebildet sein, dass die Fahnenanschlüsse (Anschlüsse 7.3, 7.4) an sich zugewandten Flächen der Gruppenfahnenenden T1, T2 anliegen und somit innenseitig an diesen befestigt sind. Die Ebene der Verbindungsstelle liegt somit parallel zu den Gruppenfahnenenden T1, T2 und zu der Elektrodenanordnung 3 sowie zu den Zellableitern 5.
Ist die Elektrodenanordnung 3 in nicht näher dargestellter Art und Weise als ein Wickel ausgeführt, so ist unter einem Abstand in Wickelrichtung ein Winkelabstand zu verstehen, in welchem die beiden Gruppenfahnenenden T1, T2 der Elektrodenanordnung 3 voneinander beabstandet sind.
Gemäß dem vorliegenden Ausführungsbeispiel sind die beiden Gruppenfahnenenden T1, T2 gleich dick ausgebildet, so dass jedes Gruppenfahnenende T1, T2 im Wesentlichen die gleiche Anzahl von gebündelten Stromableiterfahnen 2.1 oder 2.2 umfasst und bündelt.
Der mittig von dem horizontal verlaufenden Steg 7.1 abragende Ableiteranschluss (Anschluss 7.2) ist mit dem Zellableiter 5 verbunden.
Insbesondere ist das Stromleitelement 7 als Überbrückungszweig K mittels Schweißung mit den beiden Gruppenfahnenenden T1, T2 und dem Zellableiter 5 verbunden, wobei Schweißstellen S entstehen, die parallel zur Ausrichtung des Zellableiters 5 und der Elektrodenanordnung 3 angeordnet sind.
Vorzugsweise erfolgt eine Staffelung der Schweißstellen S parallel zur Dickenrichtung und Stapelrichtung R der Elektrodenanordnung 3, d. h. senkrecht zur Längsausdehnung der Elektrodenanordnung 3 und somit senkrecht zur Längsausdehnung der Einzelzelle 1 und in Querausdehnung der Einzelzelle 1, so dass ein Bauraumbedarf gegenüber herkömmlichen in Längsausdehnung der Einzelzelle 1 gestaffelt angeordneten Verbindungsstellen deutlich reduziert ist.
Die aus der Elektrodenanordnung 3 herausgeführten Stromableiterfahnen 2.1, 2.2 weisen bei einer solchen Ausbildung der Verbindungsstellen identische Abmessungen auf, da das Stromleitelement 7 als Überbrückungszweig K den Abstand zwischen Austritt der jeweiligen Bündel von Stromableiterfahnen 2.1 oder 2.2 aus der Elektrodenanordnung 3 und dem jeweiligen Zellableiter 5 überbrückt. Da alle Stromableiterfahnen 2.1, 2.2 die gleichen Abmessungen aufweisen, ist eine Fertigung der Elektrodenfolien 2 vereinfacht, wobei gleichzeitig Kosten verringert sind.
2 zeigt eine Einzelzelle 1 mit einer weiteren Ausführungsform für ein Stromleitelement 7 zur elektrischen Verbindung von Elektrodenanordnung 3 und Zellableiter 5. Das Stromleitelement 7 ist mehrteilig ausgebildet und ist aus zwei im Wesentlichen gleichen Stromleitelementen 7 gebildet, die gespiegelt entlang des als Spiegelachse dienenden Zellableiters 5 zwischen diesem und den Gruppenfahnenenden T1, T2 angeordnet sind.
Das jeweilige Stromleitelement 7 ist stufenförmig ausgebildet, wobei vom Steg 7.1 zwei Anschlüsse 7.2, 7.3 in entgegengesetzte Richtungen abragen. Der jeweilige Anschluss 7.2 als ein Fahnenanschluss ragt in Richtung der Elektrodenanordnung 3 vom jeweiligen Steg 7.1 ab und ist mit dem Gruppenfahnenende T1 bzw. T2 verbunden und elektrisch gekoppelt. Der jeweilige Anschluss 7.3 als Ableiteranschluss ragt in Richtung des Zellableiters 5 vom Steg 7.1 ab. Durch die doppelte Ausführung des Stromleitelements 7 weist der aus diesen gebildete Überbrückungszweig K zwei Fahnenanschlüsse (Anschlüsse 7.2) auf und zwei Ableiteranschlüsse (Anschlüsse 7.3) auf, die beidseitig an einem einzigen Zellableiter 5 angeordnet und befestigt sowie elektrisch mit diesen gekoppelt sind.
Die beiden Ableiteranschlüsse (Anschlüsse 7.3) liegen jeweils außen am Zellableiter 5 an, so dass der Zellableiter 5 beidseitig und somit mehrfach über den jeweiligen Anschluss 7.3 der beiden Stromleitelemente 7 mit den beiden Gruppenfahnenenden T1, T2 der Elektrodenanordnung 3 verbunden und elektrisch gekoppelt ist.
Das jeweilige Stromleitelement 7 ist stufenförmig ausgeformt und weist zwei Abwinklungen auf. Im gezeigten Ausführungsbeispiel sind die beiden Stromleitelemente 7 jeweils zweimal um 90° abgewinkelt, so dass die in Längsausdehnung voneinander abstehenden Enden die Anschlüsse 7.2 und 7.3 bilden, welche zum Schweißen der Schweißstellen S gut zugänglich sind.
Bei Montage der Stromleitelemente 7 zur elektrischen Verbindung der Gruppenfahnenenden T1, T2 der Elektrodenanordnung 3 mit dem Zellableiter 5 ist das jeweilige Stromleitelement 7 mittels des elektrodenseitigen Anschlusses 7.2 am Gruppenfahnenende T1 und T2 befestigbar. Anschließend ist der Zellableiter 5 an dem ableiterseitigen Anschluss 7.3 des jeweiligen Stromleitelements 7 befestigbar.
Dabei kann vorgesehen sein, dass beide Stromleitelemente 7 als Überbrückungszweig K zuerst an den Gruppenfahnenenden T1, T2 befestigbar sind und der Zellableiter 5 anschließend zwischen den beiden Anschlüssen 7.3 anordbar und mit diesen verschweißbar ist oder umgekehrt.
3 zeigt eine alternative Ausbildung der Einzelzelle 1 mit einem einteiligen, insbesondere gestuften Stromleitelement 7 zur elektrischen Verbindung der Elektrodenanordnung 3 mit dem Zellableiter 5. Anstelle einer zentrierten Bündelung und Gruppierung der Stromableiterfahnen 2.1 der einen Polarität zu den Gruppenfahnenenden T1, T2 sind die jeweils zu bündelnden Stromableiterfahnen 2.1 seitlich abgeknickt. Die daraus resultierenden gebündelten Gruppenfahnenenden T1, T2 weisen gegenüber den zentriert gebündelten Gruppenfahnenenden T1, T2 eine geringere Bauhöhe auf, so dass Bauraum eingespart werden kann.
Zu Reduzierung der Anzahl zusätzlicher Teile ist eines der Gruppenfahnenenden T2 direkt an dem Zellableiter 5 elektrisch gekoppelt und befestigt. Das andere Gruppenfahnenende T1 ist mittels des gestuften einzelnen Stromleitelements 7 mit dem Zellableiter 5 verbunden.
4 zeigt eine weitere Ausführungsform für eine Einzelzelle 1, welche zwei Elektrodenanordnungen 3 umfasst, die parallel nebeneinander angeordnet sind.
In diesem gezeigten Ausführungsbeispiel sind die Stromableiterfahnen 2.1 einer Polarität einer jeden Elektrodenanordnung 3 jeweils zu einem Gruppenfahnenende T1 gebündelt.
Diese gebündelten Gruppenfahnenenden T1 von benachbarten Elektrodenanordnungen 3 sind im Zellgehäuse 4 mittels des Stromleitelements 7 mit dem Zellableiter 5 verbunden und elektrisch kontaktiert, wie oben bereits beschrieben.
Alternativ können diese auch direkt mehrfach mit dem Zellableiter 5 verbunden sein, wie es nachfolgend anhand weiterer Beispiele beschrieben ist.
Je nach Dicke der jeweiligen Elektrodenanordnungen 3, insbesondere der Gesamtanzahl der Stromabieiterfahnen 2.1 einer jeden Polarität, können die Stromableiterfahnen 2.1 der jeweiligen Polarität wiederum unterteilt sein. In diesem nicht dargestellten Beispiel ist das Stromleitelement 7 kaskadenförmig mit einer Vielzahl von Anschlüssen 7.2 bis 7.n ausgebildet, wobei zum Beispiel zunächst die mehrfach gebündelten und gruppierten Stromableiterfahnen 2.1 einer Elektrodenanordnung 3 überbrückt und diese dann wiederum mit den gebündelten Stromableiterfahnen 2.1 der benachbarten Elektrodenanordnung 3 überbrückt und anschließend mit dem Zellableiter 5 elektrisch verbunden sind.
5 zeigt ein Ausführungsbeispiel für eine Einzelzelle 1 mit einer direkten mehrfachen elektrischen Kopplung der Elektrodenanordnung 3 mit dem Zellableiter 5. Hierzu ist der Zellableiter 5 selbst entsprechend ausgestaltet, insbesondere mehrfach gebogen, so dass das der Elektrodenanordnung 3 zugewandte, mehrfach gebogene Ende 5.2 des Zellableiters 5 den Überbrückungszweig K für die gebündelten Gruppenfahnenenden T1, T2 der Elektrodenanordnung 3 bildet.
Dabei ist das elektrodenseitige Ende 5.2 des Zellableiters 5 derart ausgeführt, dass dieses in Stapelrichtung R der Elektrodenanordnung 3 mehrere Verbindungsstellen, insbesondere Schweißstellen S, bereitstellt. Beispielsweise ist hierzu das elektrodenseitige Ende 5.2 U-förmig gebogen, so dass die Schweißstellen S an einander zugewandten Flächen der Gruppenfahnenenden T1, T2 liegen.
Ableiterseitig ist ein entsprechend gerades Ende 5.1 des Zellableiters 5 aus dem Zellgehäuse 4 herausgeführt. Das Ende 5.1 ist vom elektrodenseitigen Ende 5.2 derart abgewinkelt, dass sich dieses gerade und parallel zur Elektrodenanordnung 3 erstreckt und aus dem Zellgehäuse 4 herausgeführt ist.
Die elektrodenseitigen Schweißstellen S der Befestigung des Zellableiters 5 an den Gruppenfahnenenden T1, T2 sind durch die Ausformung, insbesondere U-förmige Biegung des Endes 5.2 des Zellableiters 5, elektrodennah in Richtung der Elektrodenanordnung 3 angeordnet, wodurch der erforderliche Bauraum, wie oben beschrieben, sehr gering ist und die Einzelzelle 1 eine kompakte Bauform aufweist.
6 und 7 zeigen eine weitere Ausführungsform für eine Einzelzelle 1 mit einer direkten Kontaktierung von Elektrodenanordnung 3 und Zellableiter 5.
Der einen elektrischen Pol der Einzelzelle 1 bildende Zellableiter 5 ist in Explosionsdarstellung gezeigt.
In 7 ist der Zellableiter 5 mit den Gruppenfahnenenden T1, T2 der Elektrodenanordnung 3 mehrfach an den Schweißstellen S verbunden.
Das elektrodenseitige Ende 5.2 des Zellableiters 5 ist derart mehrfach mäanderförmig gebogen, dass dieses die mehreren Gruppenfahnenenden T1, T2 der Elektrodenanordnung 3 beidseitig umgibt, wodurch mehrere ebene Verbindungsstellen, insbesondere Schweißstellen S, ermöglicht sind, wie in 7 dargestellt.
Der elektrodenseitig mehrfach mäanderförmig gebogenen Zellableiter 5 überbrücken dabei die mehrfach gebündelten Gruppenfahnenenden T1, T2 der Elektrodenanordnung 3 und bilden den Überbrückungszweig K selbst, so dass die Elektrodenanordnung 3 mehrfach mit dem Zellableiter 5 ohne zusätzliches Stromleitelement 7 elektrisch verbunden ist.
Durch die Mäanderform des elektrodenseitigen Endes 5.2 ist der Zellableiter 5 an den Gruppenfahnenenden T1, T2 vorfixierbar und die gruppierten Stromableiterfahnen 2.1 zueinander gehalten und ebenfalls vorfixierbar. Ein zusätzliches Heften der zu gruppierenden Stromableiterfahnen 2.1 kann hierdurch entfallen.
Insbesondere kann das beidseitig an den Gruppenfahnenenden T1, T2 anliegende gebogene Ende 5.2 des Zellableiters 5 mit diesen kraftschlüssig vorfixiert, insbesondere verpresst und anschließend verschweißt werden.
Beispielsweise sind die Gruppenfahnenenden T1, T2 form- und/oder kraftschlüssig innerhalb der U-förmigen Ausformungen des Endes 5.2 des Zellableiters 5 derart angeordnet und vorfixiert, dass die gruppierten Stromableiterfahnen 2.1 des jeweiligen Gruppenfahnenendes T1, T2 miteinander verpresst werden. Dadurch kann ein zusätzliches Aneinanderheften der Stromableiterfahnen 2.1 als ein Herstellschritt der Einzelzelle 1 entfallen.
Darüber hinaus kann die Verbindungsstelle von beiden Seiten und beispielsweise zweifach geschweißt werden, beispielsweise mittels Punkt- oder Ultraschallschweißung oder Laserschweißung mit beidseitiger Einstrahlung, wodurch die Verbindung und elektrische Kontaktierung der Elektrodenanordnung 3 mit dem Zellableiter 5 verbessert ist.
Erfolgt alternativ die Verschweißung mittels des Lasers von einer Seite, kann die Strahlenenergie erhöht werden, da das auf der anderen Seite angeordnete Ende 5.2 des Zellableiters 5 das Austreten des Laserstrahls verhindert (= Prinzip „Opferblech”). Ohne zusätzlichen Aufwand kann dabei die doppelte Anzahl von Fahnenenden der Elektrodenanordnung 3 verschweißt werden.
Je nach Anzahl der Elektrodenfolien 2 der Elektrodenanordnung 3 kann nur ein Gruppenfahnenende T1 oder T2 oder können mehrere Gruppenfahnenenden T1 bis Tn je Elektrodenanordnung 3 gebündelt sein. Der betreffende Zellableiter 5 weist ein dementsprechend einfach oder mehrfach, insbesondere einfach oder mehrfach mäanderförmig gebogenes Ende 5.2 auf.
8 zeigt ein Ausführungsbeispiel für eine einfach gruppierte Elektrodenanordnung 3 mit einem Gruppenfahnenende T1 von gebündelten Stromableiterfahnen 2.1, welche zweifach geschweißt direkt mit dem elektrodenseitigen, mäanderförmig oder U-förmig gebogenen Ende 5.2 des Zellableiters 5 verbunden ist.
Die jeweiligen vorgesehenen Schweißstellen S sind mittels des Zellableiters 5 beidseitig umschlossen.
Die Schweißstellen S sind in den beschriebenen Ausführungsformen parallel zur Ausrichtung der Elektrodenanordnung 3 zwischen dem Zellableiter 5 und der Elektrodenanordnung 3 angeordnet.
Alternativ können die Schweißstellen S in nicht näher dargestellter Art und Weise bei um ca. 90° abgewinkelten Gruppenfahnenenden T1 bis Tn senkrecht zur Längsausrichtung der Elektrodenanordnung 3 und damit parallel zur Stapelrichtung R ausgerichtet und angeordnet sein, wodurch ein erforderlicher Bauraum verringert werden kann.
9 zeigt ein weiteres Ausführungsbeispiel für ein zweiteiliges Stromleitelement 7 jeweils in Form eines L-Profils.
Dabei ist das jeweilige L-förmige Stromleitelement 7 an einem der gebündelten Gruppenfahnenenden T1, T2 derart angeordnet, dass der den elektrodenseitige Anschluss 7.3 des Stromleitelements 7 bildende Schenkel parallel zur Ausrichtung der Elektrodenanordnung 3 angeordnet ist und der ableiterseitige Anschluss 7.2 um 90° abgewinkelt ist, wobei die ableiterseitigen Schenkel der benachbarten Stromleitelemente 7 voneinander weg gebogen sind und somit voneinander wegweisen. Dabei kann die Abwinkelung oder das Umbiegen des ableiterseitigen Anschlusses 7.2 des jeweiligen Stromleitelements 7 nach erfolgter Verbindung und Schweißung der Schweißstelle S erfolgen, wodurch beidseitig ein Zugang zu den Schweißstellen S ermöglicht ist.
Zusätzlich können die elektrodenseitigen Anschlüsse 7.3 mit den angeschweißten Gruppenfahnenenden T1, T2 gemäß Pfeil P in Richtung der Elektrodenanordnung 3 gebogen werden, wodurch die abgewinkelten ableiterseitigen Anschlüsse 7.2 beider Stromleitelemente 7 von der Elektrodenanordnung 3 weg und parallel zu diesen angeordnet sind.
Anschließend wird der Zellableiter 5 zwischen den vertikal, insbesondere nach oben von der Elektrodenanordnung 3 weg weisenden elektrodenseitigen Anschlüssen 7.2 angeordnet und dieser an zwei Schweißstellen S mit diesen verschweißt, wie dies in 10 gezeigt ist. Der Zellableiter 5 weist ein I-Profil auf.
Im Endzustand sind die Schweißstellen S parallel zur Stapelrichtung R der Elektrodenanordnung 3 ausgerichtet.
11 zeigt ein weiteres Ausführungsbeispiel für eine direkte mehrfache Verbindung der Elektrodenanordnung 3 mit dem Zellableiter 5. Hierzu sind die gebündelten Gruppenfahnenenden T1, T2 der Elektrodenanordnung 3 in Richtung der Elektrodenanordnung 3 um ca. 90° abgewinkelt. Auf die abgewinkelten Gruppenfahnenenden T1, T2 ist ein elektrodenseitiges Ende 5.2 des Zellableiters 5 zur Überbrückung der beiden Gruppenfahnenenden T1 und T2 angeordnet und mit diesen verschweißt. Der Zellableiter 5 weist eine L-Form auf, wobei das elektrodenseitige Ende 5.2 des Zellableiters 5 ein Schenkel des L-Profils bildet.
Die Schweißstellen S sind dabei parallel zur Stapelrichtung R der Elektrodenanordnung 3 ausgerichtet.
Dabei kann ein Strahlkegel L eines Lasers einer Schweißvorrichtung zur Befestigung des Zellableiters 5 an den horizontal abgewinkelten Gruppenfahnenenden T1, T2 von Stromableiterfahnen 2.1 senkrecht auf die Schweißstellen S gerichtet werden. Dies stellt eine einfache Zugänglichkeit und ein einfaches Verbinden von Elektrodenanordnung 3 und Zellableiter 5 sicher.
Bezugszeichenliste

1: Einzelzelle
2: Elektrodenfolien
2.1, 2.2: Stromableiterfahnen
3: Elektrodenanordnung
4: Zellgehäuse
5: Zellableiter
5.1 bis 5.m: Enden
6: Vorsiegelband
7: Stromleitelement
7.1: Steg
7.2 bis 7.n: Anschlüsse
K: Überbrückungszweig
L: Strahlkegel
P: Pfeil
R: Stapelrichtung
S: Schweißstelle
T1 bis Tn: Gruppenfahnenenden

ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

US 2010/0248030 A1 [0003]

Claims

Einzelzelle (1) mit mindestens einer von einem Zellgehäuse (4) umgebenden Elektrodenanordnung (3), deren Stromableiterfahnen (2.1, 2.2) zumindest einer Polarität an einem Zellende mit einem Zellableiter (5) verbunden sind, dadurch gekennzeichnet, dass mehrere Stromableiterfahnen (2.1, 2.2) der zumindest einen Polarität zu mehreren, in Stapelrichtung (R) voneinander beabstandeten Gruppenfahnenenden (T1, T2) zusammengefasst sind und mindestens zwei der voneinander beabstandeten Gruppenfahnenenden (T1, T2) im Zellgehäuse (4) direkt oder mittels eines Stromleitelements (7) mit dem Zellableiter (5) verbunden sind.
Einzelzelle (1) nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Stromableiterfahnen (2.1, 2.2) der jeweiligen Polarität in Abhängigkeit von der Gesamtanzahl aller Stromableiterfahnen (2.1, 2.2) dieser Polarität unterteilt und zu einer entsprechenden Anzahl von Gruppenfahnenenden (T1, T2) zusammengefasst sind.
Einzelzelle (1) nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass das Stromleitelement (7) und/oder der Zellableiter (5) jeweils mehrere Enden oder Anschlüsse (5.1 bis 5.m, 7.2 bis 7.n) aufweisen bzw. aufweist, die kaskadenförmig oder fächerförmig angeordnet sind.
Einzelzelle (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Stromleitelement (7) zumindest einen Ableiteranschluss zum Zellableiter (5) und mindestens zwei Fahnenanschlüsse zu den Gruppenfahnenenden (T1, T2) aufweist.
Einzelzelle (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Zellableiter (5) mindestens zwei Fahnenanschlüsse zu den Gruppenfahnenenden (T1, T2) aufweist.
Einzelzelle (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Stromleitelement (7) anschlussseitig gerade, L-förmig oder U-förmig oder mehrfach gebogen ausgebildet ist.
Einzelzelle (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Zellableiter (5) anschlussseitig gerade, L-förmig oder U-förmig oder mehrfach gebogen ausgebildet ist.
Einzelzelle (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass Gruppenfahnenenden (T1, T2) einer Polarität von mehreren Elektrodenanordnungen (3) im Zellgehäuse (4) direkt oder mittels des Stromleitelements (7) mit dem Zellableiter (5) verbunden sind.
Zellblock mit einer Mehrzahl elektrisch seriell und/oder parallel miteinander verbundener Einzelzellen (2) nach einem der Ansprüche 1 bis 8.