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Stand der Technik
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Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf ein Batteriegehäuse, eine Batterie und ein Verfahren zum Herstellen einer Batterie.
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Batteriezellen, beispielsweise auf Lithium-Ionen-Technik basierend, können im Fahrzeugbereich oder in der Gebäudetechnik als Energiespeicher verwendet werden. Aufgrund der hohen Energiedichte heutiger Zellen sind Fehlfunktionen solcher Zellen zu vermeiden. Die Sicherheit solcher Zellen kann durch Elektronik und Sensoren, die die Performanz der Zelle überwachen und bei frühzeitigem Erkennen einer Fehlfunktion die Zelle abschalten, erheblich verbessert werden.
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In der Regel werden die Sensoren außen an der Zelle verbaut.
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Offenbarung der Erfindung
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Vor diesem Hintergrund werden mit dem hier vorgestellten Ansatz ein Batteriegehäuse, eine Batterie sowie ein Verfahren zum Herstellen einer Batterie gemäß den Hauptansprüchen vorgestellt. Vorteilhafte Ausgestaltungen ergeben sich aus den jeweiligen Unteransprüchen und der nachfolgenden Beschreibung.
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Der vorliegende Ansatz schafft ein Batteriegehäuse zum Aufnehmen zumindest eines Zellwickels, wobei das Batteriegehäuse folgende Merkmale aufweist:
eine Gehäuseöffnung zum Einführen des Zellwickels in das Batteriegehäuse;
ein der Gehäuseöffnung gegenüberliegend angeordnetes Bodenelement;
zumindest eine mit dem Bodenelement verbundene Sensoreinrichtung zum Erfassen zumindest einer Messgröße; und
zumindest ein mit der Sensoreinrichtung elektrisch gekoppeltes Sensorkontaktelement, wobei zumindest ein Teilabschnitt des Sensorkontaktelements aus einer der Gehäuseöffnung zugewandten Seite des Bodenelements herausragt und ausgebildet ist, um beim Einführen des Zellwickels in das Batteriegehäuse mit einem Zellwickelkontaktelement des Zellwickels verbunden zu werden, um die Sensoreinrichtung elektrisch zu kontaktieren.
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Ein Batteriegehäuse, englisch can, kann beispielsweise ein zylindrisches oder quaderförmiges Gehäuse aus einem Kunststoff oder Metall wie beispielsweise Aluminium oder Stahl sein. Unter einem Zellwickel kann ein Wickel aus einer eine Anode repräsentierenden Elektrodenschicht, einer eine Kathode repräsentierenden Elektrodenschicht und einer zwischen den Elektrodenschichten angeordneten Elektrolytschicht, auch Separator genannt, verstanden werden. Das Bodenelement kann beispielsweise eine Grundplatte umfassen. Dabei kann die Sensoreinrichtung an oder in der Grundplatte angeordnet sein. Die Sensoreinrichtung kann vollständig oder teilweise in der Grundplatte integriert angeordnet sein oder auf eine Oberfläche der Grundplatte aufgesetzt sein. Unter einer Sensoreinrichtung kann beispielsweise ein Sensor oder ein mit einer elektrischen Schaltung, insbesondere einer Auswerteelektronik gekoppelter Sensor verstanden werden. Bei der Messgröße kann es sich um eine im Inneren des Batteriegehäuses erfassbare Größe, beispielsweise des Zellwickels oder der Batteriezelle handeln. Eine Messgröße kann beispielsweise ein Druck, insbesondere ein innerhalb des Batteriegehäuses herrschender Innendruck, eine Temperatur, eine Luftfeuchtigkeit, eine Gaskonzentration oder eine an dem Zellwickel abgreifbare Spannung sein. Unter einem Sensorkontaktelement kann ein Anschlusskontakt zum elektrischen Kontaktieren der Sensoreinrichtung verstanden werden. Das Sensorkontaktelement kann beispielsweise ein Draht, eine Metallfolie oder ein Pin sein. Unter einem Zellwickelkontaktelement kann ein Stromsammler des Zellwickels verstanden werden. Das Zellwickelkontaktelement kann an einer Außenfläche des Zellwickels angebracht sein. Mittels des Zellwickelkontaktelements kann eine durch den Zellwickel bereitgestellte elektrische Energie abgegriffen werden. Das Zellwickelkontaktelement kann beispielsweise als Teil einer Stromgabel ausgeführt sein. Der Teilabschnitt kann zum Herstellen einer kraft-, form- oder stoffschlüssigen Verbindung mit dem Zellwickelkontaktelement vorgesehen sein.
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Beispielsweise kann die Verbindung hergestellt werden, indem das Zellwickelkontaktelement beim Einführen in das Batteriegehäuse gegen den Teilabschnitt gedrückt wird. Dadurch kann eine kalte Kontaktierung realisiert werden.
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Der hier vorgestellte Ansatz beruht auf der Erkenntnis, dass es möglich ist, eine Sensorelektronik zur Überwachung einer Batteriezelle bereits beim Einführen des Zellwickels in das Batteriegehäuse durch sogenannte kalte Kontaktierung elektrisch mit einem Stromsammler des Zellwickels zu koppeln. Vorteilhafterweise kann dabei die Sensorelektronik in dem Batteriegehäuse angeordnet sein.
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Eine derartige Anordnung der Sensorelektronik innerhalb der Batteriezelle, insbesondere auf dem Boden des Batteriegehäuses, ermöglicht zum einen eine aussagekräftige Messung relevanter physikalischer Messgrößen wie beispielsweise Druck, Spannung und Temperatur in der Batteriezelle. Zum anderen lässt sich ein solcher Einbau sehr einfach in einen Fertigungsprozess der Batteriezelle einfügen, sodass ein nur geringer Zusatzaufwand entsteht. Zusätzlich lässt sich dadurch eine effektive Kühlung der Elektronik realisieren.
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Es ist vorteilhaft, wenn der Teilabschnitt als ein Federelement zum Herstellen einer kraftschlüssigen Verbindung zwischen dem Teilabschnitt und dem Zellwickelkontaktelement realisiert ist. Dabei kann das Federelement ausgebildet sein, um beim Einführen des Zellwickels durch das Zellwickelkontaktelement in einer Einführrichtung des Zellwickelkontaktelements zusammengedrückt zu werden. Alternativ oder zusätzlich kann das Federelement ausgebildet sein, um beim Einführen des Zellwickels durch das Zellwickelkontaktelement gegen eine Gehäusewand des Batteriegehäuses gedrückt zu werden. Dabei kann das Federelement zwischen der Gehäusewand und dem Zellwickelkontaktelement angeordnet sein. Ein Federelement kann beispielsweise eine Schraubenfeder oder ein mehrfach gefalztes Metallband sein. Eine Einfederrichtung des Federelements kann im Wesentlichen der Einführrichtung entsprechen oder quer zu der Einführrichtung ausgerichtet sein. Die Einführrichtung kann beispielsweise einer Flächennormalen des Bodenelements entsprechen. Unter einer Gehäusewand kann eine an das Bodenelement angrenzende Wandfläche des Batteriegehäuses verstanden werden. Durch ein Federelement kann ein zum Herstellen einer elektrischen Verbindung zwischen dem Sensorkontaktelement und dem Zellwickelkontaktelement erforderlicher Anpressdruck dauerhaft bereitgestellt werden.
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Das Batteriegehäuse kann gemäß einer weiteren Ausführungsform mit einer Isolierschicht vorgesehen sein, die zwischen der Gehäusewand und dem Teilabschnitt angeordnet ist, um die Gehäusewand elektrisch von dem Teilabschnitt zu isolieren. Die Isolierschicht kann beispielsweise eine isolierende Folie aus Kunststoff sein. Durch die Isolierschicht können Kurzschlüsse vermieden werden, insbesondere wenn die Gehäusewand aus einem elektrisch leitfähigen Material gefertigt ist.
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Der Teilabschnitt kann ausgeformt sein, um beim Einführen des Zellwickels formschlüssig mit dem Zellwickelkontaktelement verbunden zu werden. Dabei kann ein freies Ende des Teilabschnitts eine Kontur zum Ausformen einer formschlüssigen Verbindung mit einer der Kontur entsprechenden Gegenkontur des Zellwickelkontaktelements aufweist. Die Gegenkontur kann derart geformt sein, dass sie beim Einführen des Zellwickels in die Kontur des Teilelements formschlüssig eingreift. Dadurch kann eine stabile elektrisch leitfähige Verbindung zwischen dem Sensorkontaktelement und dem Zellwickelkontaktelement garantiert werden.
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Gemäß einer Ausführungsform kann der Teilabschnitt durch ein Metallband ausgeformt werden. Beispielsweise kann ein freies Ende eines solchen Teilabschnitts vor oder während des Einführens des Zellwickels in das Batteriegehäuse durch ein Schweißverfahren, ein Lötverfahren oder ein Fügeverfahren mit dem Zellwickelkontaktelement verbunden werden.
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Es ist ferner vorteilhaft, wenn die Sensoreinrichtung mit dem Bodenelement vergossen ist. Dadurch kann die Sensoreinrichtung vor mechanischen Belastungen und Umwelteinflüssen geschützt werden. Je nach Ausführungsform kann die Sensoreinrichtung vollständig oder teilweise mit einer Vergussmasse umhüllt sein.
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Gemäß einer weiteren Ausführungsform kann das Batteriegehäuse mit zumindest einem mit der Sensoreinrichtung elektrisch gekoppelten Anschlusselement vorgesehen sein. Dabei kann zumindest ein Teilabschnitt des Anschlusselements aus einer einer Außenumgebung des Batteriegehäuses zugewandten Seite des Bodenelements herausragen. Ein Anschlusselement kann beispielsweise ein Draht, ein Kontaktpad oder -pin sein. Das Anschlusselement kann als Schnittstelle zum Auslesen von Signalen der Sensoreinrichtung mittels einer geeigneten Auswertevorrichtung fungieren. Eine solche Auswertevorrichtung kann beispielsweise ein Steuergerät eines Elektro- oder Hybridfahrzeugs sein.
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Zusätzlich kann das Batteriegehäuse zumindest ein Dichtungselement aufweisen. Der Teilabschnitt des Anschlusselements kann durch das Dichtungselement, etwa einen Dichtring oder eine Dichtmasse, hindurchgeführt sein. So kann verhindert werden, dass Staub oder Feuchtigkeit von der Außenumgebung durch das Bodenelement in das Batteriegehäuse eindringt und Elektrolyt aus der Zelle an die Umgebung entweicht.
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Das Batteriegehäuse kann mit zumindest einem mit der Sensoreinrichtung elektrisch gekoppelten weiteren Sensorkontaktelement vorgesehen sein. Dabei kann zumindest ein Teilabschnitt des weiteren Sensorkontaktelements aus der der Gehäuseöffnung zugewandten Seite des Bodenelements herausragen und ausgebildet sein, um beim Einführen des Zellwickels in das Batteriegehäuse mit einem weiteren Zellwickelkontaktelement des Zellwickels verbunden zu werden, um die Sensoreinrichtung elektrisch zu kontaktieren. Beispielsweise können das Sensorkontaktelement und das Zellwickelkontaktelement je einem ersten elektrischen Potenzial und das weitere Sensorkontaktelement und das weitere Zellwickelkontaktelement je einem zweiten elektrischen Potenzial zugeordnet sein. Ein solches Batteriegehäuse ermöglicht eine einfache und schnelle Kontaktierung der den jeweiligen Potenzialen zugeordneten Sensorkontaktelemente. Die von dem Zellwickel bereitgestellte elektrische Energie kann dabei zur Stromversorgung der Sensoreinrichtung genutzt werden.
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Ferner schafft der hier vorgestellte Ansatz eine Batterie mit folgenden Merkmalen:
einem Batteriegehäuse gemäß einer der hier beschriebenen Ausführungsformen; und
zumindest einem in das Batteriegehäuse eingeführten Zellwickel mit zumindest einem Zellwickelkontaktelement zum elektrischen Kontaktieren des Zellwickels, wobei der Teilabschnitt des Sensorkontaktelements mit dem Zellwickelkontaktelement verbunden ist, um die Sensoreinrichtung elektrisch zu kontaktieren.
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Je nach Ausführungsform kann der Teilabschnitt kraftschlüssig, formschlüssig und/oder stoffschlüssig mit dem Zellwickelkontaktelement verbunden sein.
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Durch den Einbau der Sensoreinrichtung in das Batteriegehäuse kann eine sehr genaue Messung relevanter Kenngrößen durchgeführt werden.
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Gemäß einer Ausführungsform ist eine die Sensoreinrichtung umfassende Elektronik in das einen Boden des Batteriegehäuses bildende Bodenelement integriert und wird mit dem Zellwickelkontaktelement, etwa in Form einer Stromgabel, beim Zusammenfügen der Batterie automatisch kontaktiert. Dadurch lässt sich der Einbau der Elektronik beispielsweise gut in den Produktionsprozess einer prismatischen Zelle einfügen. Somit können bei der Montage der prismatischen Zelle anfallende Zusatzkosten verringert werden.
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Die Batterie kann mit einem Deckel vorgesehen sein, der die Gehäuseöffnung fluiddicht verschließt. Dabei kann das Zellwickelkontaktelement durch den Deckel hindurchreichen, um eine elektrische Kontaktierung des Zellwickels durch den Deckel zu ermöglichen. Das Zellwickelkontaktelement kann an dem Deckel befestigt sein, um ein Deckelmodul zu bilden, auch Deckelbaugruppe genannt. Alternativ oder zusätzlich kann hierzu auch der Zellwickel an dem Deckel befestigt sein. Mithilfe eines solchen Deckelmoduls lässt sich der Zellwickel präzise in das Batteriegehäuse einführen. Das Deckelmodul bietet ferner den Vorteil, dass es unabhängig von dem Batteriegehäuse bereitgestellt werden kann. Dadurch lässt sich das Deckelmodul in großen Stückzahlen vorfertigen.
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Schließlich schafft der vorgeschlagene Ansatz ein Verfahren zum Herstellen einer Batterie, wobei das Verfahren folgende Schritte umfasst:
Bereitstellen zumindest eines Zellwickels mit zumindest einem Zellwickelkontaktelement zum elektrischen Kontaktieren des Zellwickels;
Bereitstellen eines Batteriegehäuses, das eine Gehäuseöffnung, ein der Gehäuseöffnung gegenüberliegend angeordnetes Bodenelement, zumindest eine mit dem Bodenelement verbundene Sensoreinrichtung zum Erfassen zumindest einer vorbestimmten Messgröße des Zellwickels und zumindest ein Sensorkontaktelement aufweist, das elektrisch mit der Sensoreinrichtung gekoppelt ist, wobei zumindest ein Teilabschnitt des Sensorkontaktelements aus einer der Gehäuseöffnung zugewandten Seite des Bodenelements herausragt; und
Zusammenführen des Zellwickels und des Batteriegehäuses, wobei der Teilabschnitt des Sensorkontaktelements mit dem Zellwickelkontaktelement verbunden wird, um die Sensoreinrichtung elektrisch zu kontaktieren.
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Beispielsweise kann im Schritt des Zusammenführens der Zellwickel durch die Gehäuseöffnung in das Batteriegehäuse eingeführt werden, wobei der Teilabschnitt des Sensorkontaktelements mit dem Zellwickelkontaktelement verbunden wird. Diese Ausführungsform ermöglicht eine sehr einfache Montage der Batterie. Beispielsweise kann während eines Einführens das Sensorkontaktelement gegen das Zellwickelkontaktelement gedrückt werden, um das Sensorkontaktelement mit dem Zellwickelkontaktelement zu verbinden.
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Alternativ oder zusätzlich können der Teilabschnitt und das Zellwickelkontaktelement vor Beginn des Einführens beispielsweise stoffschlüssig miteinander verbunden werden. Entsprechend kann im Schritt des Zusammenführens der Teilabschnitt des Sensorkontaktelements mit dem Zellwickelkontaktelement verbunden werden. Anschließend kann der Zellwickel durch die Gehäuseöffnung in das Batteriegehäuse eingeführt werden. Vorteilhafterweise kann der Teilabschnitt für diese Ausführungsform sehr einfach, beispielsweise als ein Metallband, ausgeführt sein. Dabei kann es sich gemäß einer Ausführungsform auch um ein folienartiges Metallband handeln.
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Ein solches Herstellungsverfahren hat den Vorteil, dass während des Herstellungsprozesses relativ einfach zwischen der Produktion von Zellen mit Elektronik und Zellen ohne Elektronik gewechselt werden kann. Dabei kann zwischen einem Batteriegehäuse mit oder ohne Elektronik gewählt werden. Wird ein Batteriegehäuse mit Elektronik gewählt, so wird unter Umständen lediglich der Zellwickel entsprechend gekürzt, um den Prozess anzupassen.
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Der hier vorgestellte Ansatz wird nachstehend anhand der beigefügten Zeichnungen beispielhaft näher erläutert. Es zeigen:
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1 eine schematische Darstellung einer Batterie gemäß einem Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung;
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2 eine schematische Darstellung eines Bodenelements eines Batteriegehäuses gemäß einem Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung;
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3a, 3b, 3c, 3d schematische Darstellungen eines Sensorkontaktelements gemäß verschiedenen Ausführungsbeispielen der vorliegenden Erfindung; und
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4 ein Ablaufdiagramm eines Verfahrens gemäß einem Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung.
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In der nachfolgenden Beschreibung günstiger Ausführungsbeispiele der vorliegenden Erfindung werden für die in den verschiedenen Figuren dargestellten und ähnlich wirkenden Elemente gleiche oder ähnliche Bezugszeichen verwendet, wobei auf eine wiederholte Beschreibung dieser Elemente verzichtet wird.
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1 zeigt eine schematische Darstellung einer Batterie 100 gemäß einem Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung. Bei der Batterie 100 handelt es sich beispielsweise um eine Lithium-Ionen-Batterie. Die Batterie 100 umfasst ein Batteriegehäuse 102 aus einem Bodenelement 104, hier einer Bodenplatte, einer Gehäusewand 106 und einer dem Bodenelement 104 gegenüberliegend angeordneten Gehäuseöffnung 108. Das Bodenelement 104 weist eine Sensoreinrichtung 110 auf, die gemäß diesem Ausführungsbeispiel in das Bodenelement 104 integriert ist. Dabei kann die Sensoreinrichtung 110 mit dem Bodenelement 104 vergossen sein. Alternativ kann die Sensoreinrichtung 110 auch auf einer Oberfläche des Bodenelements 104 angeordnet sein. Mit der Sensoreinrichtung 110 ist ein Sensorkontaktelement 112 verbunden. In 1 verläuft das Sensorkontaktelement 112 teilweise innerhalb des Bodenelements 104. Ein Teilabschnitt 114 des Sensorkontaktelements 112 ragt aus einer der Gehäuseöffnung 108 zugewandten Seite des Bodenelements 104 heraus.
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In dem Batteriegehäuse 102 ist ein Zellwickel 120 angeordnet. Der Zellwickel 120, englisch jelly roll, ist durch die Gehäuseöffnung 108 in das Batteriegehäuse 102 eingeführt. An einer Außenfläche des Zellwickels 120 ist ein Zellwickelkontaktelement 122 angebracht und elektrisch leitfähig mit dem Zellwickel 120 verbunden. Dabei ist ein Teilabschnitt des Zellwickelkontaktelements 122 der Gehäusewand 106 gegenüberliegend angeordnet. Das Zellwickelkontaktelement 122 dient dem Abgreifen einer durch den Zellwickel 120 bereitgestellten elektrischen Energie.
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Der Teilabschnitt 114 des Sensorkontaktelements 112 erstreckt sich in 1 teilweise zwischen der Gehäusewand 106 und dem Zellwickelkontaktelement 122. Der Teilabschnitt 114 ist ausgebildet, um bei in das Batteriegehäuse 102 eingeführtem Zellwickel 120 gegen das Zellwickelkontaktelement 122 zu drücken. Somit ist der Zellwickel 120 elektrisch leitfähig mit der Sensoreinrichtung 110 verbunden. Beispielsweise kann die Sensoreinrichtung 110 über die Verbindung zu dem Zellwickelkontaktelement 122 mit einer zum Betrieb der Sensoreinrichtung 110 erforderlichen Energie versorgt werden.
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Gemäß diesem Ausführungsbeispiel ist der Teilabschnitt 114 als Federkontakt ausgebildet. Wie in 1 zu erkennen, kann der Teilabschnitt 114 dazu in einem Überlappungsbereich zu dem Zellwickelkontaktelement 120 einen in Richtung zu dem Zellwickelkontaktelement 120 ausgeknickten Abschnitt aufweisen. Beim Einführen des Zellwickels 120 in das Batteriegehäuse 102 wird der ausgeknickte Abschnitt des Teilabschnitts 114 durch das an der Außenseite des Zellwickels 120 befindliche Zellwickelkontaktelement 122 in Richtung der Gehäusewand 106 gedrückt, die wiederum einen nicht ausgeknickten Bereich des Teilabschnitts 114 gegen den durch das Zellwickelkontaktelement 122 ausgeübten Druck abstützt. Dadurch wird der ausgeknickte Abschnitt des Teilabschnitts 114 gegen das Zellwickelkontaktelement 122 gepresst und eine sogenannte kalte Kontaktierung zwischen dem Teilabschnitt 114 und dem Zellwickelkontaktelement 122 hergestellt.
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Die Sensoreinrichtung 110 ist beispielsweise ausgebildet, um eine Spannung des Zellwickels 120 oder eine Temperatur, eine Gaskonzentration, eine Luftfeuchtigkeit oder einen Druck in dem Batteriegehäuse 102 zu erfassen. Zum Erfassen derartiger Messgrößen des Zellwickels 120 bzw. der Umweltbedingungen in dem Batteriegehäuse 102 kann das Bodenelement 104 auch mit einer Mehrzahl von Sensoreinrichtungen 110 vorgesehen sein.
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Optional ist zwischen dem Teilabschnitt 114 und der Gehäusewand 106 eine Isolierschicht 124 ausgebildet, um den Teilabschnitt 114 elektrisch von der Gehäusewand 106 zu isolieren. Gemäß diesem Ausführungsbeispiel bedeckt die Isolierschicht 124 eine Innenseite der Gehäusewand 106. Zusätzlich oder alternativ kann der Teilabschnitt 114 mit einer Isolierschicht überzogen sein.
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Zusätzlich umfasst die in 1 gezeigte Batterie 100 einen Deckel 126, der die Gehäuseöffnung 108 fluiddicht verschließt. Der Deckel 126 weist eine Deckelöffnung 128 auf. Das Zellwickelkontaktelement 122 ist als Stromgabel mit einem Anschlusspol 130 ausgeführt. Die Stromgabel weist beispielhaft einen winkelförmigen Querschnitt auf. Der Anschlusspol 130 ist durch die Deckelöffnung 128 hindurchgeführt. Somit kann der Zellwickel 120 durch den Deckel 126 hindurch elektrisch kontaktiert werden.
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Die Stromgabel 122 kann mit dem Deckel 126 fest verbunden sein, sodass der Zellwickel 120 mit dem Deckel 126 ein Deckelmodul 132 bildet. Alternativ oder zusätzlich kann dazu auch der Zellwickel 120 mit dem Deckel 126 fest verbunden sein.
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Gemäß dem in 1 gezeigten Ausführungsbeispiel ist die Sensoreinrichtung 110 mit einem optionalen weiteren Sensorkontaktelement 140 vorgesehen. Dabei kann der Zellwickel 120 mit einem weiteren Zellwickelkontaktelement 142 vorgesehen sein, das hier analog zum Zellwickelkontaktelement 122 als weitere Stromgabel ausgeführt ist und auf einer dem Zellwickelkontaktelement 120 gegenüberliegenden Außenseite des Zellwickels 120 angebracht ist. Beispielsweise kann das Zellwickelkontaktelement 120 einem Pluspol und das weitere Zellwickelkontaktelement 142 einem Minuspol der Batterie 100 zugeordnet sein.
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Ein aus dem Bodenelement 104 herausragender weiterer Teilabschnitt 144 des weiteren Sensorkontaktelements 140 erstreckt sich zwischen dem weiteren Zellwickelkontaktelement 142 und der Gehäusewand 106. Der weitere Teilabschnitt 144 ist analog zum Teilabschnitt 114 als weiterer Federkontakt ausgeführt und ausgebildet, um gegen das weitere Zellwickelkontaktelement 142 zu drücken. Zwischen der Gehäusewand 106 und dem weiteren Teilabschnitt 144 kann die Isolierschicht 124 angeordnet sein.
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Ein weiterer Anschlusspol 146 der weiteren Stromgabel 142 ist durch eine weitere Deckelöffnung 148 des Deckels 126 hindurchgeführt. Die weitere Stromgabel 142 kann wie die Stromgabel 122 fest mit dem Deckel 126 verbunden sein, um das Deckelmodul 132 zu bilden.
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Wird der Sensor 110, auch Sensoreinrichtung genannt, innerhalb der Batterie 100 verbaut, so ist die Messung relevanter physikalischer Größen wie Temperatur, Druck oder Spannung genauer als bei der Verwendung außen an der Batterie 100 verbauter Sensoren. Dadurch kann eine etwaige Fehlfunktion frühzeitig und mit großer Sicherheit erkannt werden und die Batterie 100 entsprechend frühzeitig in einen sicheren Zustand überführt werden.
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Um eine elektrische Spannung zu messen, können Sensorkontaktelemente 112, 140 als elektrische Verbindungen zu beiden Stromsammlern 122, 142 vorgesehen sein. Zum Auslesen der Elektronik, hier des Sensors 110, und ihrer Energieversorgung können entweder die beiden Stromsammler 122, 142 oder zusätzliche elektrische Verbindungen, die von der Elektronik 110 aus der Batterie 100 herausführen, verwendet werden, wie nachfolgend anhand von 2 beschrieben. Somit kann die Elektronik 110 auf möglichst einfache Weise mit wenigen Zusatzschritten gegenüber einem Standardbatterieherstellungsprozess montiert werden. Somit fallen nur geringe Zusatzkosten während des Zusammenfügens einer prismatischen Batterie 100 an.
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Eine prismatische oder zylindrische Batterie 100 kann gemäß einem Ausführungsbeispiel eine sogenannte Can („Dose“) als Batteriegehäuse 102 und eine Deckelbaugruppe 132 aus einem Deckel 126, Stromgabeln 122, 142 mit isolierter Durchführung durch den Deckel 126 und einem an den Stromsammlern 122, 142 befestigten Zellwickel 120 umfassen. In einem der letzten Montageschritte kann die bereits mit dem Zellwickel 120 verbundene Deckelbaugruppe 132 so in das Batteriegehäuse 102 eingebracht werden, dass die Deckelbaugruppe 132 beispielsweise durch Schweißen mit dem Batteriegehäuse 102 dicht verbunden wird.
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In 1 ist beispielhaft eine typische prismatische Batteriezelle 100, auch Batterie genannt, gezeigt. Die Elektronik 110 ist auf dem Boden 104 der Zelle 100 integriert. Die Elektronik 110 ist durch kalte Kontaktierung, hier über einen Federkontakt, direkt elektrisch mit den Stromgabeln 122, 142 verbunden.
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Signale der Elektronik 110 können beispielsweise mittels einer elektrischen Durchführung im Rand oder Boden der Can 102, über die Stromgabeln 122, 142 oder, sofern der Boden 104 oder zumindest ein Teil einer Wand der Can 102 nicht aus Metall gefertigt ist, durch Funk nach außen übertragen werden.
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Es kann zumindest eine weitere Durchführung im Deckel 126 der Zelle 100 vorgesehen sein. Die Durchführung kann parallel zur Stromgabel 122 verlaufen und über ein weiter unten beschriebenes Kontaktierverfahren mit der Elektronik 110 im Boden 104 verbunden sein.
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Die Elektronik 110 kann durch eine Vergussmasse oder eine Lackschicht geschützt sein. Die Vergussmasse bzw. der Lack kann auf Epoxidharz oder Polyurethan basieren. Eine derart geschützte Elektronik 110 kann am Boden 104 befestigt sein. Alternativ wird die Elektronik 110 ungeschützt eingebaut und nachträglich durch Verguss geschützt.
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Aus der Vergussmasse oder dem Lack können neben den Kontakten zu den Stromgabeln 122, 142, d. h. den Sensorkontaktelementen 112, 140, weitere Teile der Elektronik 110 in den Innenraum der Zelle 100 herausragen, beispielsweise Drähte zur Temperaturmessung oder Teile von Sensoren zur Druck- oder Gasmessung.
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Die elektrische Verbindung zwischen der Elektronik 110 und den Kontakten 112, 140 kann durch Drähte, Metallfolien, Metallbänder oder starre Pins hergestellt sein. Beispielsweise können die Kontakte 112, 140 zusätzlich durch eine isolierende Folie oder Schicht 124 auf der Gehäusewand 106 von der Gehäusewand 106 isoliert sein. Bei der Verwendung von isolierten Drähten oder Metall- oder Kunststoffverbundfolien kann eine solche Isolation entfallen.
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Das Batteriegehäuse 106 kann elektrisch leitfähig sein und dadurch ein elektrisches Potenzial der Batterie 100 repräsentieren. Dabei kann ein dem elektrischen Potenzial zugeordnetes Sensorkontaktelement statt mit einer Stromgabel mit der Gehäusewand 106 elektrisch kontaktiert sein. Eine entsprechende Kontaktstelle kann durch Vergussmasse oder Lack geschützt sein.
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Die Verbindung zwischen Stromgabel und elektrischem Kontakt zur Elektronik 110 kann alternativ oder zusätzlich durch Ultraschallschweißen, Reibschweißen, Crimpen, Laserschweißen, elektromagnetisches Impulsschweißen oder Anpressen hergestellt sein.
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2 zeigt eine schematische Darstellung eines Bodenelements 104 eines Batteriegehäuses 102 gemäß einem Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung. Im Unterschied zu 1 ist das Bodenelement 104 hier mit einer elektrischen Durchführung zur Übertragung von Sensorsignalen der Sensoreinrichtung 110 nach außen realisiert. Wie in 1 kann eine Elektronik, hier in Form der Sensoreinrichtung 110, in dem Bodenelement 104 vergossen sein. Durch eine Anschlussöffnung 200 in einer Außenwand des Bodenelements 104, auch Boden genannt, sind beispielhaft zwei Kontaktpins 202 als Anschlusselemente hindurchgeführt. Die Kontaktpins 202 sind je mit der Sensoreinrichtung 110 elektrisch leitfähig verbunden. Zusätzlich sind die Kontaktpins 202 durch eine in der Anschlussöffnung 200 platzierte Dichtung 204 hindurchgeführt, die ausgebildet ist, um das Eindringen von Feuchtigkeit oder Schmutzpartikeln durch die Anschlussöffnung 200 zu verhindern.
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Die 3a bis 3d zeigen schematische Darstellungen eines Sensorkontaktelements 112 gemäß verschiedenen Ausführungsbeispielen der vorliegenden Erfindung. Dabei sind verschiedene Möglichkeiten der Kontaktierung einer Elektronik mit einer Stromgabel 122 gezeigt. Bei der Stromgabel kann es sich um ein Zellwickelkontaktelement eines Zellwickels handeln. Die Elektronik kann die anhand von 1 beschriebene Sensoreinrichtung umfassen.
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3a zeigt das Sensorkontaktelement 112 aus 1, genauer den als Federkontakt ausgebildeten Teilabschnitt 114. Dabei ist der Teilabschnitt 114 dreimal derart umgeknickt, dass sich eine Spitze ergibt, die gegen die dem Teilabschnitt 114 gegenüberliegende Stromgabel 122 drückt. Gemäß diesem Ausführungsbeispiel ist der Federkontakt 114 gegenüber der Gehäusewand 106 elektrisch isoliert.
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In 3b ist die Kontaktierung im Unterschied zu 3a über eine sich im Wesentlichen parallel zur Gehäusewand 106 erstreckende und unterhalb der Stromgabel 122 angeordnete Feder, hier eine Schraubenfeder, realisiert. Der Teilabschnitt 114 in Form der Schraubenfeder ist ausgebildet, um durch die Stromgabel 122 im Wesentlichen in einer Einführrichtung 300 des Zellwickels zusammengedrückt zu werden, wenn der Zellwickel in das Batteriegehäuse eingeführt wird.
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In den 3c und 3d ist der Teilabschnitt anstatt als Schraubenfeder wie in 3b als schneidender Gegenkontakt realisiert. Dazu können ein Ende des Teilabschnitts 114 und ein dem Ende des Teilabschnitts 114 gegenüberliegendes Ende der Stromgabel 122 je keilförmig eingeschlitzt sein, wie in 3d dargestellt. Die beiden Enden können ausgebildet sein, um sich beim Einführen des Zellwickels in das Batteriegehäuse formschlüssig ineinander zu verdrehen. Beispielsweise sind die beiden Enden um 30, 60 oder 90 Grad ineinander verdrehbar.
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4 zeigt ein Ablaufdiagramm eines Verfahrens 400 zum Herstellen einer Batterie, beispielsweise der anhand von 1 beschriebenen Batterie, gemäß einem Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung.
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In einem Schritt 402 wird zunächst zumindest ein Zellwickel mit zumindest einem Zellwickelkontaktelement zum elektrischen Kontaktieren des Zellwickels bereitgestellt. Weiterhin wird im Schritt 402 ein Batteriegehäuse bereitgestellt, das eine Gehäuseöffnung und ein der Gehäuseöffnung gegenüberliegend angeordnetes Bodenelement mit zumindest einer Sensoreinrichtung zum Erfassen zumindest einer vorbestimmten Messgröße des Zellwickels aufweist. Dabei ist zumindest ein Sensorkontaktelement elektrisch mit der Sensoreinrichtung gekoppelt. Ferner ragt zumindest ein Teilabschnitt des Sensorkontaktelements aus einer der Gehäuseöffnung zugewandten Seite der Bodenplatte heraus.
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In einem weiteren Schritt 404 werden der Zellwickel und das Batteriegehäuse zusammengeführt.
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Gemäß einer Ausführungsform wird dazu der Zellwickel durch die Gehäuseöffnung in das Batteriegehäuse eingeführt, wobei während des Einführens durch eine spezielle Ausformung des Sensorkontaktelements und des Zellwickelkontaktelements automatisch eine elektrisch leitfähige Verbindung zwischen dem Teilabschnitt und dem Zellwickelkontaktelement hergestellt wird.
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Hierbei wird der Teilabschnitt des Sensorkontaktelements beispielsweise gegen das Zellwickelkontaktelement gedrückt. Zusätzlich oder alternativ kann der Teilabschnitt auf eine andere geeignete Weise mit dem Zellwickelkontaktelement verbunden werden.
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Gemäß einer weiteren Ausführungsform wird die elektrisch leitfähige Verbindung zwischen dem Teilabschnitt des Sensorkontaktelements und dem Zellwickelkontaktelement hergestellt, bevor der Zellwickel durch die Gehäuseöffnung in das Batteriegehäuse eingeführt wird.
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Optional kann in dem Schritt 404 beispielsweise zeitgleich zu dem Verbinden des Teilabschnitts mit dem Zellwickelkontaktelement ein weiterer Teilabschnitt eines weiteren Sensorkontaktelements mit einem weiteren Zellwickelkontaktelement des Zellwickels verbunden werden.
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Gemäß einem Ausführungsbeispiel wird beispielsweise im Schritt 402 eine die Sensoreinrichtung umfassende Elektronik innerhalb einer beispielsweise prismatischen oder zylindrischen Batteriezelle auf den Boden des Batteriegehäuses positioniert, wobei die Elektronik im Schritt 404 beim Einführen einer Deckelbaugruppe mittels einer sogenannten kalten Kontaktierung mit den Stromgabeln der Batteriezelle verbunden wird.
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Die beschriebenen und in den Figuren gezeigten Ausführungsbeispiele sind nur beispielhaft gewählt. Unterschiedliche Ausführungsbeispiele können vollständig oder in Bezug auf einzelne Merkmale miteinander kombiniert werden. Auch kann ein Ausführungsbeispiel durch Merkmale eines weiteren Ausführungsbeispiels ergänzt werden. Ferner können die hier vorgestellten Verfahrensschritte wiederholt sowie in einer anderen als in der beschriebenen Reihenfolge ausgeführt werden.
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Umfasst ein Ausführungsbeispiel eine „und/oder“-Verknüpfung zwischen einem ersten Merkmal und einem zweiten Merkmal, so ist dies so zu lesen, dass das Ausführungsbeispiel gemäß einer Ausführungsform sowohl das erste Merkmal als auch das zweite Merkmal und gemäß einer weiteren Ausführungsform entweder nur das erste Merkmal oder nur das zweite Merkmal aufweist.
