DE102015111572A1

DE102015111572A1 - Batteriezellengehäuse und Verfahren zu dessen Herstellung

Info

Publication number: DE102015111572A1
Application number: DE102015111572.7A
Authority: DE
Inventors: Carsten Brechling; Rainer Berkefeld
Original assignee: L Schuler GmbH
Current assignee: L Schuler GmbH
Priority date: 2015-07-16
Filing date: 2015-07-16
Publication date: 2017-01-19
Also published as: KR20180028463A; WO2017009104A1; US20180138464A1; CN107851740A

Abstract

Die Erfindung betrifft ein Batteriezellengehäuse (15), das einen Innenraum (18) zur Aufnahme eines elektrische Energie bereitstellenden Kernmaterials (19) begrenzt. Das Batteriezellengehäuse (15) besteht aus einer Gehäuseschale (16) und einem Gehäusedeckel (17). Die Gehäuseschale (16) hat einen Boden (20) und eine sich ausgehend vom Boden koaxial zu einer Gehäuseachse (G) erstreckenden Gehäuseschalenwand (21). Der Gehäusedeckel (17) hat eine topf- oder napfförmige Gestalt. Er wird in die Gehäuseschalenwand (21) mit Abstand zum Boden (20) eingesetzt, nachdem das Kernmaterial (19) eingebracht wurde. Durch eine Falzverbindung (31), vorzugsweise eine Doppelfalzverbindung, wird die Gehäuseschalenwand (21) mit dem Gehäusedeckel (17) mechanisch verbunden. Eine stoffschlüssige Verbindung ist nicht vorgesehen. Die Falzverbindung (31) erfolgt radial nach innen zur Gehäuseachse (G) hin und befindet sich radial zur Gehäuseachse (G) betrachtet näher an der Gehäuseachse (G) als die Außenfläche der Gehäuseschalenwand (21).

Description

Die Erfindung betrifft ein Batteriezellengehäuse zur Aufnahme eines elektrische Energie bereitstellenden Kernmaterials. Außerdem betrifft die Erfindung ein Verfahren zur Herstellung des Batteriezellengehäuses.
Das Batteriezellengehäuse besteht aus einer Gehäuseschale und einem mit der Gehäuseschale verbundenen Gehäusedeckel. Bei hergestellter Verbindung umschließen die Gehäuseschale und der Gehäusedeckel einen Innenraum, in dem sich das Kernmaterial befindet. Der Gehäusedeckel und die Gehäuseschale sind auf geeignete Weise miteinander verbunden. Häufig wird der Gehäusedeckel stoffschlüssig mit der Gehäuseschale verbunden.
Es sind auch Batteriezellengehäuse bekannt, bei denen der Gehäusedeckel über eine Falzverbindung mit einer Umfangswand verbunden ist. Ein solches Batteriezellengehäuse ist beispielsweise aus DE 10 2010 030 993 A1 bekannt. Nachteilig ist dabei, dass die Falzung über die Außenabmessung der sich an die Falzung anschließenden Umfangswand hinausragt und somit den Raum, den das Batteriezellengehäuse in einem Einbaubereich einnimmt, vergrößert. Werden mehrere Batteriezellengehäuse nebeneinander angeordnet, so können sich aufgrund der Falzung die Umfangswände nicht berühren bzw. nicht beliebig dicht nebeneinander angeordnet werden, sondern weisen abhängig von der Größe der Falzung einen Mindestabstand zueinander auf.
DE 699 28 674 T2 schlägt vor, eine Falzverbindung zwischen dem Gehäusedeckel und der Gehäuseschale in einem Bereich anzuordnen, in dem die Umfangswand nach innen eingezogen und dadurch der Innenraum im Bereich der Gehäuseöffnung verjüngt ist. Die nach außen ausgeführte Falzverbindung ist in dem Bereich mit radial geringerer Abmessung angeordnet und ragt daher nicht aus dem Lichtraumprofil des Batteriezellengehäuses hinaus. Es hat sich aber gezeigt, dass das konische Einziehen vor dem Einbringen des Kernmaterials in das Batteriezellengehäuse erfolgen muss. Ansonsten können Schmutzpartikel in den Innenraum des Batteriezellengehäuses gelangen und die elektrische bzw. elektrochemische Funktion des Kernmaterials beeinträchtigen. Das Einbringen des Kernmaterials nach dem Einziehen ist auch nachteilig. In einer Gehäuseschale mit einer sich zur Gehäuseöffnung verjüngenden bzw. eingezogenen Gehäusewand kann ein zylindrisch konturiertes Kernmaterial aus einem festen Stoff nicht mehr den gesamten Innenraum ausfüllen, so dass die Energiedichte der Batteriezelle verringert ist. Dieses bekannte Batteriezellengehäuse eignet sich daher insbesondere für zumindest teilweise flüssige bzw. gelförmige Kernmaterialien.
DE 601 05 076 T2 schlägt ein Batteriezellengehäuse vor, bei dem eine formschlüssige Verbindung zwischen einer Umfangswand einer Gehäuseschale und einem Gehäusedeckel dadurch hergestellt ist, dass ein Verbindungsabschnitt der Gehäuseschalenwand radial nach innen zur Gehäuseachse eingeschnürt wird. Der Gehäusedeckel wird axial zwischen der Einschnürung einerseits und einem nach Innen umgeformten axialen Endabschnitt umgriffen. Die radiale Einschnürung ist ebenso nachteilig wie das vorstehend beschriebene Einziehen.
Ausgehend von diesem Stand der Technik kann es als Aufgabe der vorliegenden Erfindung angesehen werden, ein Batteriezellengehäuse zu schaffen, das den verfügbaren Innenraum für das Kernmaterial maximiert und gleichzeitig eine kleine Bauform und eine einfache Herstellung gewährleistet.
Diese Aufgabe wird durch ein Batteriezellengehäuse mit den Merkmalen des Patentanspruches 1 und ein Verfahren zur Herstellung des Batteriezellengehäuses mit den Merkmalen des Patentanspruches 13 gelöst.
Das Batteriezellengehäuse hat einen Innenraum zur Aufnahme eines elektrische Energie bereitstellenden Kernmaterials. Das Kernmaterial kann aus einem festen Stoff, aus einem Gel oder einer Flüssigkeit bestehen. Das Batteriezellengehäuse gemäß der vorliegenden Erfindung eignet sich insbesondere auch für aus einem festen Kernmaterial bestehende Wickelkörper, die auch als „Jelly Roll“ oder „Swiss Roll“ bezeichnet werden.
Das Batteriezellengehäuse weist eine Gehäuseschale und einen mit der Gehäuseschale durch eine Falzverbindung verbundenen Gehäusedeckel auf. Vorzugsweise besteht das Batteriezellengehäuse ausschließlich aus diesen beiden Teilen.
Die Gehäuseschale hat einen Boden und eine sich an den Boden anschließende Gehäuseschalenwand, die eine Gehäuseachse umschließt. Die Gehäuseschalenwand hat einen hohlzylindrischen Umfangsabschnitt, der sich an den Boden anschließt und in einer Axialrichtung vom Boden weg ragt. An der dem Boden entgegengesetzten Axialseite schließt sich an den hohlzylindrischen Umfangsabschnitt ein Verbindungsabschnitt der Gehäuseschalenwand an. Der Verbindungsabschnitt begrenzt eine Gehäuseöffnung. Vor der Verbindung der Gehäuseschale mit dem Gehäusedeckel ist der Verbindungsabschnitt ebenfalls hohlzylindrisch und hat denselben Innendurchmesser und/oder Außendurchmesser wie der Umfangsabschnitt.
Der Umfangsabschnitt und der Verbindungsabschnitt sind vor der Herstellung der Verbindung mit dem Gehäusedeckel im Querschnitt vorzugsweise kreiszylindrisch.
Der Gehäusedeckel hat einen sich schräg oder vorzugsweise rechtwinklig zu der Axialrichtung erstreckenden Abdeckteil. An den Abdeckteil schließt sich ein Randteil an. Der Randteil umschließt die Gehäuseachse ringförmig. Der Randteil kann aus mehreren Abschnitten bestehen und beispielsweise einen hohlzylindrischen Seitenabschnitt aufweisen, der mit dem Abdeckteil verbunden ist. Auf der dem Abdeckteil entgegengesetzten Axialseite kann der Seitenabschnitt einen Flanschabschnitt aufweisen, der sich schräg oder rechtwinklig zu der Axialrichtung nach innen auf die Gehäuseachse zu erstreckt. Die Außenabmessung des Randteils ist maximal so groß wie die Innenabmessung des Verbindungsabschnitts, so dass der Gehäusedeckel in den Verbindungsabschnitt der Gehäuseschalenwand eingesetzt und durch Herstellung der Falzverbindung mit dem Verbindungsabschnitt verbunden werden kann. Bei hergestellter Verbindung ist der Abdeckteil des Gehäusedeckels so angeordnet, dass er von dem hohlzylindrischen Umfangsabschnitt umschlossen wird. Zwischen dem Boden der Gehäuseschale und dem Abdeckteil ist der Innenraum zylindrisch und weist vorzugsweise rechtwinklig zur Gehäuseachse eine konstante Innenquerschnittsfläche und beispielsgemäß einen konstanten Innendurchmesser auf. Die Falzverbindung ist bzw. wird zwischen dem Verbindungsabschnitt und dem Randteil durch ein zur Gehäuseachse hin nach innen gerichtetes Falzen des Verbindungsabschnitts sowie des Randteils hergestellt. Die Falzverbindung ist vorzugsweise als Doppelfalz ausgeführt.
Somit befindet sich die Falzverbindung vom Umfangsabschnitt aus betrachtet weiter innen zur Gehäuseachse hin oberhalb des Abdeckteils des Gehäusedeckels. Vor dem Ausbilden der Falzverbindung steht der maximal mögliche Öffnungsquerschnitt der Gehäuseöffnung zur Verfügung. Es kann daher auch festes Kernmaterial in den Innenraum eingebracht werden, das den Innenraum rechtwinklig zur Axialrichtung bzw. zur Gehäuseachse maximal ausfüllt und eine hohe Energiedichte der Batteriezelle ermöglicht. Außerdem ragt die Falzverbindung nicht über das zylindrische Lichtraumprofil des Batteriezellengehäuses hinaus, so dass mehrere Batteriezellengehäuse sehr dicht nebeneinander und erforderlichenfalls mit Kontakt zueinander in einem Einbauraum einer Batterie angeordnet werden können.
Die Gehäuseschale und der Gehäusedeckel sind zumindest gegenüber dem Innenraum elektrisch isoliert. Hierfür können sie eine Beschichtung aufweisen. Die Gehäuseschale und der Gehäusedeckel können auch nach außen beschichtet bzw. elektrisch isoliert sein. Beispielsweise können die Gehäuseschale und der Gehäusedeckel aus einem Blechmaterial durch Umformung hergestellt werden, das auf einer oder beiden Blechseiten eine elektrisch isolierende Beschichtung aufweist. Die Isolation kann auch durch Aufbringen einer Beschichtung nach der Herstellung der Gehäuseschale bzw. des Gehäusedeckels aufgebracht werden.
Es ist bevorzugt, wenn die Falzverbindung vollständig innerhalb eines durch eine Hohlzylindermantelfläche begrenzten Bereichs angeordnet ist. Die Hohlzylindermantelfläche ist dabei durch eine Fläche gebildet, in der sich die Außenfläche des Umfangsabschnitts erstreckt und die in Axialrichtung das gesamte Batteriezellengehäuse umschließt.
Vorzugsweise befindet sich sowohl die Gehäuseschale, als auch der Gehäusedeckel vollständig innerhalb des durch die beschriebene Hohlzylindermantelfläche begrenzten Bereichs.
Das Batteriezellengehäuse bzw. die Gehäuseschale und der Gehäusedeckel sind vorzugsweise aus einem Metall oder einer Metalllegierung hergestellt, die beispielsweise Stahl oder Aluminium enthalten kann. Die Gehäuseschale kann durch einen Umformvorgang aus einem Rohling hergestellt werden, beispielsweise durch Fließpressen oder Abstreckgleitziehen.
Das Batteriezellengehäuse kann für jede Art von elektrischem Energiespeicher verwendet werden, wie etwa für eine Einwegbatterie, einen Akkumulator, einen Kondensator, usw.
Bei einer Ausführungsform ist die Innenabmessung und/oder die Außenabmessung des Umfangsabschnitts der Gehäuseschalenwand konstant. Die Innenkontur und die Außenkontur des Umfangsabschnitts sind im Querschnitt gesehen vorzugsweise kreisförmig.
Es ist auch möglich, an einer Stelle des Umfangsabschnitts der Gehäuseschalenwand wenigstens einen Auflagevorsprung für den Gehäusedeckel vorzusehen, um dessen Position innerhalb der Gehäuseschalenwand vor dem Herstellen der Falzverbindung vorzugeben. Der wenigstens eine Auflagevorsprung kann beispielsweise durch eine Änderung der Dicke der Gehäuseschalenwand erzeugt werden. Der wenigstens eine Auflagevorsprung kann auch durch eine lokale Umformung des Umfangsabschnitts erzeugt werden. Der wenigstens eine Auflagevorsprung kann in Umfangsrichtung um die Gehäuseachse ringförmig geschlossen sein oder es können mehrere Auflagevorsprünge in Umfangsrichtung mit Abstand angeordnet sein, vorzugsweise mindestens drei.
Der Gehäusedeckel und/oder die Gehäuseschale können jeweils einstückig bzw. integral ohne Naht- und Fügestelle hergestellt sein.
Es ist vorteilhaft, wenn der Randteil des Gehäusedeckels einen ersten Deckelfalzabschnitt und einen zweiten Deckelfalzabschnitt aufweist, die bei hergestellter Verbindung mit dem Verbindungsabschnitt koaxial zueinander angeordnet sind.
Der Verbindungsabschnitt der Gehäuseschalenwand kann einen ersten Schalenfalzabschnitt und einen zweiten Schalenfalzabschnitt aufweisen, die bei hergestellter Verbindung mit dem Gehäusedeckel koaxial zueinander angeordnet sind.
Dabei ist es vorteilhaft, wenn der erste Schalenfalzabschnitt zwischen dem ersten Deckelfalzabschnitt und dem zweiten Deckelfalzabschnitt angeordnet ist und vorzugsweise unmittelbar an den beiden Deckelfalzabschnitten anliegt. Bevorzugt kann der zweite Deckelfalzabschnitt zwischen dem ersten Schalenfalzabschnitt und dem Umfangsabschnitt der Gehäuseschalenwand angeordnet sein und vorzugsweise unmittelbar am ersten Schalenfalzabschnitt und dem Umfangsabschnitt anliegen.
Ferner kann es dabei vorgesehen sein, dass der erste Deckelfalzabschnitt zwischen dem ersten Schalenfalzabschnitt und dem zweiten Schalenfalzabschnitt angeordnet ist und vorzugsweise an den beiden Schalenfalzabschnitten unmittelbar anliegt.
Durch die eine oder mehrere Ausgestaltungen der Falzverbindung kann eine dichte Verbindung zwischen dem Gehäusedeckel und der Gehäuseschale erreicht werden, die sich einfach herstellen lässt.
Es ist bei einem Ausführungsbeispiel vorgesehen, dass die Dicken der Ausgangsbleche, aus dem die Gehäuseschale und der Gehäusedeckel hergestellt sind, gleich groß sind.
Zur Herstellung der Verbindung der vorstehend beschriebenen Gehäuseschale und des vorstehend beschriebenen Gehäusedeckels kann wie folgt vorgegangen werden:
In unverformtem Zustand sind sowohl der Umfangsabschnitt, als auch der Verbindungsabschnitt jeweils hohlzylindrisch vorzugsweise mit denselben Außenabmessungen. Die Innenabmessung des Verbindungsabschnitt ist mindestens so groß wie die Innenabmessung des Umfangsabschnitts. Für das Einsetzen des Kernmaterials steht somit der maximale Querschnitt an der Gehäuseöffnung zur Verfügung. Nach dem Einbringen des Kernmaterials in die Gehäuseschale wird der Innenraum dadurch verschlossen, dass die Gehäuseschale mit dem Gehäusedeckel durch Herstellen der Falzverbindung verbunden wird.
Um die Falzverbindung herzustellen, wird der Gehäusedeckel entlang der Gehäuseachse in die Gehäuseschale eingesetzt, so dass die Gehäuseschalenwand den Gehäusedeckel in Umfangsrichtung um die Gehäuseachse umschließt. Der Verbindungsabschnitt der Gehäuseschalenwand befindet sich in dieser Lage zumindest teilweise axial oberhalb des Gehäusedeckels. Mit Hilfe einer Falzvorrichtung mit einem oder mehreren Werkzeugen wird die Falzverbindung hergestellt. Der Verbindungsabschnitt und zumindest ein Flanschabschnitt des Randteils werden nach innen zur Gehäuseachse hin gefalzt bzw. gebördelt, wodurch eine formschlüssige Verbindung entsteht. Rechtwinklig zur Gehäuseachse können der Verbindungsabschnitt und der Randteil verpresst oder gequetscht werden, um die Falzverbindung zu verbessern.
Vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung ergeben sich aus den abhängigen Patentansprüchen, der Beschreibung und der Zeichnungen. Nachfolgend werden bevorzugte Ausführungsbeispiele der Erfindung anhand der beigefügten Zeichnungen im Einzelnen erläutert. Es zeigen:
1 eine schematische perspektivische Darstellung eines Ausführungsbeispiels eines Batteriezellengehäuses,
2 eine geschnittene Teildarstellung der Falzverbindung zwischen einem Gehäusedeckel und einer Gehäuseschale beim Batteriezellengehäuse nach 1 im Bereich II,
3 eine Explosionsdarstellung des Batteriezellengehäuses aus 1,
4 eine Teildarstellung eines Längsschnitts durch das Ausführungsbeispiel des Batteriezellengehäuses aus den 1 bis 3 vor der Herstellung der Falzverbindung,
5 ein gegenüber 4 abgewandeltes Ausführungsbeispiel eines Batteriezellengehäuses mit einer Gehäuseschalenwand, deren Dicke sich an einer Stelle ändert,
6 bis 8 unterschiedliche Stadien beim Herstellen der Falzverbindung mit Hilfe einer Falzvorrichtung in schematischer beispielhafter Darstellung,
9 einen Längsschnitt durch ein Ausführungsbeispiel des Batteriezellengehäuses im Bereich des Gehäusedeckels bei hergestellter Falzverbindung,
10 und 11 jeweils ein Ausführungsbeispiel der Ausgestaltung des Bodens des Batteriezellengehäuses in perspektivischer Teildarstellung und
12 mehrere Ausführungsbeispiele des Batteriezellengehäuses in einer Draufsicht auf den Gehäusedeckel parallel zu den Gehäuseachsen.
In den 1 und 3 ist ein Ausführungsbeispiel eines zylindrischen und beispielsgemäß kreiszylindrischen Batteriezellengehäuses 15 dargestellt. Das Batteriezellengehäuse 15 weist eine Gehäuseschale 16 und einen Gehäusedeckel 17 auf. Beim Ausführungsbeispiel besteht das Batteriezellengehäuse 15 ausschließlich aus diesen beiden Teilen 16, 17.
Das Batteriezellengehäuse 15 begrenzt einen Innenraum 18, der zur Aufnahme von Kernmaterial und vorzugsweise festem Kernmaterial 19 eingerichtet und vorgesehen ist. Das feste Kernmaterial 19 kann beispielsweise durch einen Wickelkörper gebildet sein, der auch als „Jelly Roll“ oder „Swiss Roll“ bezeichnet wird. Das feste Kernmaterial 19 hat wie in 3 veranschaulicht, eine zylindrische und beispielsgemäß kreiszylindrische Kontur. Der Innendurchmesser des Innenraums 18 entspricht abgesehen von einem notwendigen Spiel dem Außendurchmesser des festen Kernmaterials 19.
Die Gehäuseschale 16 hat einen Boden 20 sowie eine eine Gehäuseachse G umschließende Gehäuseschalenwand 21. Die Gehäuseachse G erstreckt sich in einer Axialrichtung A. Die Richtung radial zur Gehäuseachse G wird als Radialrichtung R bezeichnet.
Die Gehäuseschalenwand 21 schließt sich an den Boden 20 an und umschließt den Boden 20 in Umfangsrichtung um die Gehäuseachse G vollständig. Die Gehäuseschalenwand 21 hat im Anschluss an den Boden 20 einen Umfangsabschnitt 22 mit einer hohlzylindrischen Kontur. Der Innendurchmesser des Umfangsabschnitts 22 gibt den Innendurchmesser des Innenraums 18 vor.
Auf der dem Boden 20 entgegengesetzten Axialseite geht der Umfangsabschnitt 22 in einen Verbindungsabschnitt 23 über. Der Verbindungsabschnitt 23 ist in einem unverformten Ausgangszustand der Gehäuseschale 16 (3) ebenfalls hohlzylindrisch und kann bei einem Ausführungsbeispiel denselben Innendurchmesser und denselben Außendurchmesser wie der Umfangsabschnitt 22 aufweisen. Der Verbindungsabschnitt 23 begrenzt eine Gehäuseöffnung 24, durch die das Kernmaterial 19 in die Gehäuseschale 16 eingebracht werden kann. Der Querschnitt der Gehäuseöffnung 24 ist beim Ausführungsbeispiel kreisförmig und entspricht im unverformten Ausgangszustand der Gehäuseschale 16 dem Innendurchmesser des Verbindungsabschnitts 23 und beispielsgemäß auch dem Innendurchmesser des Umfangsabschnitts 22 sowie des Innenraums 18. Somit steht für das Einbringen des Kernmaterials 19 der vollständige Innenraumquerschnitt zur Verfügung.
Der Gehäusedeckel 17 ist perspektivisch in 3 und im Querschnitt in 4 veranschaulicht. Der Gehäusedeckel hat einen Abdeckteil 29, der sich beim Ausführungsbeispiel in Radialrichtung R erstreckt. Der Abdeckteil 29 könnte auch zumindest abschnittsweise schräg zur Gehäuseachse G verlaufen.
An den Abdeckteil 29 schließt sich ein Randteil 30 an. Der Randteil 30 dient dazu, mit dem Verbindungsabschnitt 23 der Gehäuseschalenwand 21 eine Falzverbindung 31 (2 und 9) herzustellen. In 4 ist der Gehäusedeckel 17 in seinem unverformten Ausgangszustand veranschaulicht. Der Gehäusedeckel 17 hat in seinem unverformten Ausgangszustand eine topf- oder napfähnliche Form. Der Randteil 30 ist in diesem Ausgangszustand durch einen Seitenabschnitt 32 und einen Flanschabschnitt 33 gebildet. Der Seitenabschnitt 32 verläuft koaxial zur Gehäuseachse G und bildet einen hohlzylindrischen Teil des Gehäusedeckels 17, solange dieser noch unverformt ist. Der Flanschabschnitt 33 hat die Gestalt eines Ringes, der die Gehäuseachse G umschließt. Der Flanschabschnitt 33 erstreckt sich beim Ausführungsbeispiel in einer Radialebene. Er könnte auch eine konische Form aufweisen und geneigt zur Gehäuseachse G ausgerichtet sein. Vorzugsweise wird beim Herstellen der Falzverbindung 31 der Flanschabschnitt 33 gemeinsam mit dem Verbindungsabschnitt 23 umgeformt. Der Seitenabschnitt 32 kann zumindest im Wesentlichen unverformt bleiben.
Zur Herstellung der Batteriezelle wird das Kernmaterial 19 in die Gehäuseschale 16 eingebracht und dort im Innenraum 18 angeordnet. Anschließend wird der Gehäusedeckel 17 oberhalb des Kernmaterials 19 innerhalb der Gehäuseschalenwand 21 angeordnet. Um den Gehäusedeckel 17 an einer definierten Position anzuordnen, kann wenigstens ein Auflagevorsprung 34 vorhanden sein, der von der Gehäuseschalenwand 21 und insbesondere vom Umfangsabschnitt 22 in Radialrichtung R zur Gehäuseachse G hin weg ragt. Es ist beispielsweise ausreichend, in Umfangsrichtung um die Gehäuseachse G verteilt mehrere und beispielsweise drei Auflagevorsprünge 34 vorzusehen. Diese können beispielsweise nach dem Einbringen des Kernmaterials durch Eindrücken der Gehäuseschalenwand 21 durch eine Umformkraft F erzeugt werden. Da die Auflagevorsprünge 34 nicht zur Falzverbindung 31 gehören, können sie in Radialrichtung R sehr klein ausgeführt werden und beispielsweise eine Radialerstreckung aufweisen, die maximal das 1,0-fach oder das 1,5-fache oder das 2,0-fache der Dicke des Umfangsabschnitts 22 an dieser Stelle entspricht.
Die Auflagevorsprünge 34 können zum Beispiel von innen gesehen konkav und von außen gesehen konvex im Umfangsabschnitt 22 der Gehäuseschalenwand 21 ausgeführt sein. In 4 sind schematisch noppenförmige Auflagevorsprünge 34 gestrichelt veranschaulicht.
Alternativ hierzu ist es auch möglich, an der Stelle, an der sich der Abdeckteil 29 des Gehäusedeckels 17 befinden soll, die Dicke der Gehäuseschalenwand 21 zu vergrößern und dadurch einen ringförmigen Auflagevorsprung zu bilden. Die Auflagefläche kann sich dabei in einer Radialebene R oder schräg zur Gehäuseachse G geneigt erstrecken. In 5 ist schematisch ein ringförmig geschlossener Auflagevorsprung 34 veranschaulicht, der durch eine Dickenänderung der Gehäuseschalenwand 21 gebildet ist.
Wie in den 4 und 5 veranschaulicht ist, hat der Gehäusedeckel 17 einen maximalen Außenradius, der abgesehen von einem erforderlichen Spiel dem Innenradius des Gehäusewandabschnitts 21 im Bereich der Gehäuseöffnung 24 entspricht, zumindest bis zu der Stelle, an der der Abdeckteil 29 in der Gehäuseschale 16 angeordnet werden soll, also beispielsweise bis zu dem wenigstens einen Auflagevorsprung 34.
Nach dem Anordnen des Gehäusedeckels 17 in der Gehäuseschale 16 wird die Falzverbindung 31 zwischen dem Verbindungsabschnitt 23 der Gehäuseschalenwand 21 und dem Randteil 30 und insbesondere dem Flanschabschnitt 33 hergestellt. Der Ablauf ist stark vereinfacht in den 6 bis 8 veranschaulicht.
Zur Herstellung der Falzverbindung 31 dient eine Falzvorrichtung 38 mit mehreren Werkzeugen. In den 6 und 7 ist ein erstes Werkzeug 39 sowie ein zweites Werkzeug 40 veranschaulicht. Die beiden Werkzeuge 39, 40 greifen von entgegengesetzten Radialseiten an. Das erste Werkzeug 39 ist abschnittsweise zylindrisch ausgeführt und drückt gegen die Außenseite der Gehäuseschalenwand 21 in dem Bereich, in dem sich der Gehäusedeckel 17 befindet. Das zweite Werkzeug 40 greift in den topfförmigen Gehäusedeckel 17 ein. Die Umformung zur Herstellung der Falzverbindung 31 wird durch die Werkzeuge der Falzvorrichtung 38 erreicht.
In einem ersten, nicht veranschaulichten Schritt, wird die Gehäuseschalenwand 21 im Verbindungsabschnitt 23 nach innen abgewinkelt, so dass sie an dem Flanschabschnitt 33 anliegt. Das zweite Werkzeug 40 weist eine konkave Vertiefung, beispielsweise eine konkave Ringnut auf, in der die radial der Gehäuseachse G zugeordneten Enden des Verbindungsabschnitts 23 und des Flanschabschnitts 33 hinein ragen. Der Verbindungsabschnitt 23 wird mittels des zweiten Werkzeugs 40 dabei sozusagen um die radial innere Kante des Flanschabschnitts 33 herum geführt bzw. gefaltet. Gleichzeitig wird der Flanschabschnitt 33 an einer Biegestelle umgebogen, so dass seine freie Kante zunächst schräg zum Abdeckteil 29 hin weist (7).
Zur weiteren Formgebung wird das zweite Werkzeug 40 durch ein drittes Werkzeug 41 ersetzt, dessen konkave Ausnehmung bzw. Ringnut die Form aufweist, die die Falzverbindung 31 schließlich haben soll und beispielsweise in Axialrichtung etwas größer ist als die konkave Ausnehmung des zweiten Werkzeugs 40. Das erste Werkzeug 39 und das dritte Werkzeug 41 werden in Radialrichtung gegeneinander gedrückt, so dass der Randteil 30 und insbesondere der Flanschabschnitt 33 mit dem Verbindungsabschnitt 23 eng aneinander gedrückt werden und die Falzverbindung 31 fertiggestellt wird.
Die fertiggestellte Falzverbindung 31 ist in den 2 und 9 beispielhaft schematisch veranschaulicht. Beispielsgemäß wird die Verbindung zwischen dem Gehäusedeckel 17 und der Gehäuseschale 16 ausschließlich mittels der Falzverbindung 31 bewirkt. Eine stoffschlüssige Verbindung ist nicht vorgesehen.
Durch das Umformen beim Herstellen der Falzverbindung 31 ist an dem Randteil 30 ein erster Deckelfalzabschnitt 45 sowie ein zweiter Deckelfalzabschnitt 46 entstanden, wobei der zweite Deckelfalzabschnitt 46 den ersten Deckelfalzabschnitt 45 koaxial umgibt. Der erste Deckelfalzabschnitt 45 schließt sich an die freie Kante des umgeformten Flanschabschnitts 33 an. Der zweite Deckelfalzabschnitt 46 ist durch einen Bereich des Seitenabschnitts 32 gebildet, der sich an den Flanschabschnitt 33 anschließt.
An dem Verbindungsabschnitt 23 ist ein erster Schalenfalzabschnitt 47 sowie ein zweiter Schalenfalzabschnitt 48 gebildet worden. Der erste Schalenfalzabschnitt 47 umschließt den zweiten Schalenfalzabschnitt 48 koaxial. Der erste Schalenfalzabschnitt 47 ist zwischen den beiden Deckelfalzabschnitten 45, 46 angeordnet und liegt unmittelbar daran an bzw. ist zwischen die beiden Deckelfalzabschnitte 45, 46 geklemmt. Entsprechend ist der erste Deckelfalzabschnitt 45 zwischen den beiden Schalenfalzabschnitten 47, 48 angeordnet und liegt unmittelbar an diesen an bzw. ist zwischen diesen geklemmt. Die Falzabschnitte 45, 46, 47, 48 erstrecken sich koaxial zur Gehäuseachse G in Axialrichtung A. Der zweite Deckelfalzabschnitt 46 ist koaxial vom Umfangsabschnitt 22 der Gehäuseschalenwand 21 umschlossen und liegt unmittelbar an diesem an.
Zwischen den beiden Deckelfalzabschnitten 45, 46 ist ein Übergangsabschnitt vorhanden, der zumindest stellenweise gekrümmt verläuft. Analog hierzu ist zwischen den beiden Schalenfalzabschnitten 47, 48 ein Übergangsabschnitt vorhanden, der zumindest stellenweise gekrümmt verläuft. Weiterhin ist der zweite Schalenfalzabschnitt 48 mit dem Umfangsabschnitt 22 der Gehäuseschalenwand über einen zumindest stellenweise gekrümmt verlaufenden Übergangsabschnitt verbunden, an dem die Oberkante 50 des Batteriezellengehäuses 15 gebildet ist.
Die Oberkante 50 ist in Axialrichtung A mit Abstand zum Abdeckteil 29 des Gehäusedeckels 17 angeordnet (2 und 9). Dieser Abstand ist abhängig von einem Freiraum x In Axialrichtung A zwischen dem Abdeckteil 29 und dem Übergangsabschnitt vom ersten Schalenfalzabschnitt 47 zum zweiten Schalenfalzabschnitt 48, den die Werkzeuge 40, 41 bei der Herstellung der Falzverbindung benötigen (8).
Beispielsgemäß sind der Gehäusedeckel 17 und die Gehäuseschale 16 jeweils integral ohne Naht- und Fügestelle hergestellt. Der Gehäusedeckel 17 und die Gehäuseschale 16 können aus Metall oder einer Metalllegierung, die Stahl oder Aluminium enthält, hergestellt sein. Zum Innenraum 18 hin ist der Gehäusedeckel 17 sowie die Gehäuseschale 16 elektrisch isoliert. Hierzu kann eine elektrisch isolierende Beschichtung vorhanden sein. Diese Beschichtung kann bereits auf dem Ausgangsblech vorhanden sein, aus dem der Gehäusedeckel 17 bzw. die Gehäuseschale 16 hergestellt wird. Das Batteriezellengehäuse 15 kann auch vollständig durch eine elektrisch isolierende Beschichtung ummantelt sein.
Die Falzverbindung 31 befindet sich vollständig innerhalb des axialen Lichtraumprofils des Batteriezellengehäuses 15. Mit anderen Worten ist eine sich koaxial zur Gehäuseachse G erstreckende Hohlzylindermantelfläche M definiert, die das Batteriezellengehäuse 15 vollständig enthält. Die Hohlzylindermantelfläche M definiert um die Gehäuseachse G einen zylindrischen Bereich B, aus dem die Falzverbindung 31 nicht hinausragt. Beispielsgemäß befindet sich das gesamte Batteriezellengehäuse 15 innerhalb dieses Bereiches B. Die Hohlzylindermantelfläche M hat dabei einen Radius in Radialrichtung R, der dem Außenradius des Umfangsabschnitts 22 der Gehäuseschalenwand 21 entspricht. Die Hohlzylindermantelfläche M und der dadurch definierte Bereich B sind schematisch in 9 gezeigt.
In den 10 und 11 sind unterschiedliche Ausgestaltungen des Bodens 20 der Gehäuseschale 16 dargestellt. Wie bei den Ausführungsbeispielen gem. der 1 und 3 kann der Boden 20 plattenförmig oder scheibenförmig ausgeführt sein und sich im Wesentlichen in einer Radialebene erstrecken (11). Alternativ hierzu ist es auch möglich, dass der Boden 20 zumindest abschnittsweise geneigt oder rechtwinkelig zur Radialrichtung R verläuft. Er kann auch zur Bildung eines Batteriepols eine vom Innenraum 18 aus gesehen im Wesentlichen zylinderförmige Vertiefung aufweisen. Von außen auf das Batteriezellengehäuse 15 gesehen ergibt sich dadurch eine Erhebung 51, was beispielhaft in 10 veranschaulicht ist.
In 12 ist stark schematisiert die Anordnung mehrerer Batteriezellengehäuse 15 dargestellt. 12 zeigt die Batteriezellengehäuse 15 mit Blick in Axialrichtung A von oben auf den Gehäusedeckel 17 bzw. den Abdeckteil 29 des Gehäusedeckels 17. Die durch die Falzverbindung 31 gebildete Oberkante 50 ist ebenfalls erkennbar. Die Batteriezellengehäuse 15 können abhängig von der Ausgestaltung der Batterie elektrisch zueinander in Reihe und/oder parallel geschaltet sein. Dies hängt von der gewünschten Batteriespannung bzw. der gewünschten Batterieleistung ab. Die Batteriezellengehäuse 15 können, wie in 12 veranschaulicht, sehr dicht nebeneinander angeordnet werden. Dadurch, dass die Falzverbindung 31 nicht über die Hohlzylindermantelfläche M hinaus ragt, haben die Batteriezellengehäuse 15 eine zylindrische Kontur und lassen sich mit geringem Platzbedarf dicht nebeneinander anordnen.
Die benachbarten Batteriezellengehäuse 15 können aneinander anliegen. Sie können in Abwandlung zur Darstellung in 12 auch mit einem definierten Abstand zueinander angeordnet sein. Die Zwischenräume zwischen den Batteriezellengehäusen 15 können mit einem Füllmittel 53 aufgefüllt sein. Das Füllmittel 53 kann ein gut wärmeleitendes Material sein. Beispielsweise kann ein Gemisch aus Harz mit gut wärmeleitenden Partikeln bzw. einem gut wärmeleitenden Pulver verwendet werden. Die dem Harz beigemischten Partikel bzw. das beigemischte Pulver kann Bornitrit und/oder Kupfer und/oder andere Metalle und/oder Kohlenstoff aufweisen. Anstelle von Partikeln oder Pulver können auch Körper, wie etwa Stäbe aus den erwähnten Materialien zwischen die Batteriezellengehäuse 15 eingesetzt werden. Das Füllmittel 53 kann auch zur Erzeugung einer Wärmesenke dienen und beispielsweise ein Phasenwechselmaterial (PCM-Material) wie etwa Natriumacetat oder Ähnliches enthalten.
Die Erfindung betrifft ein Batteriezellengehäuse 15, das einen Innenraum 18 zur Aufnahme eines elektrische Energie bereitstellenden Kernmaterials 19 begrenzt. Das Batteriezellengehäuse 15 besteht aus einer Gehäuseschale 16 und einem Gehäusedeckel 17. Die Gehäuseschale 16 hat einen Boden 20 und eine sich ausgehend vom Boden koaxial zu einer Gehäuseachse G erstreckenden Gehäuseschalenwand 21. Der Gehäusedeckel 17 hat eine topf- oder napfförmige Gestalt. Er wird in die Gehäuseschalenwand 21 mit Abstand zum Boden 20 eingesetzt, nachdem das Kernmaterial 19 eingebracht wurde. Durch eine Falzverbindung 31, vorzugsweise eine Doppelfalzverbindung, wird die Gehäuseschalenwand 21 mit dem Gehäusedeckel 17 mechanisch verbunden. Eine stoffschlüssige Verbindung ist nicht vorgesehen. Die Falzverbindung 31 erfolgt radial nach innen zur Gehäuseachse G hin und befindet sich radial zur Gehäuseachse G betrachtet näher an der Gehäuseachse G als die Außenfläche der Gehäuseschalenwand 21.
Bezugszeichenliste

15: Batteriezellengehäuse
16: Gehäuseschale
17: Gehäusedeckel
18: Innenraum
19: Kernmaterial
20: Boden
21: Gehäuseschalenwand
22: Umfangsabschnitt
23: Verbindungsabschnitt
24: Gehäuseöffnung
29: Abdeckteil
30: Randteil
31: Falzverbindung
32: Seitenabschnitt
33: Flanschabschnitt
34: Auflagevorsprung
38: Falzvorrichtung
39: erstes Werkzeug
40: zweites Werkzeug
41: drittes Werkzeug
45: erster Deckelfalzabschnitt
46: zweiter Deckelfalzabschnitt
47: erster Schalenfalzabschnitt
48: zweiter Schalenfalzabschnitt
50: Oberkante
51: Erhebung
53: Füllmittel
A: Axialrichtung
B: Bereich
F: Umformkraft
G: Gehäuseachse
M: Hohlzylindermantelfläche
R: Radialrichtung
x: Freiraum

ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

DE 102010030993 A1 [0003]
DE 69928674 T2 [0004]
DE 60105076 T2 [0005]

Claims

Batteriezellengehäuse (15) mit einem Innenraum (18) zur Aufnahme eines elektrische Energie bereitstellenden Kernmaterials (19), mit einer Gehäuseschale (16), die einen Boden (20) und eine eine Gehäuseachse (G) umschließende Gehäuseschalenwand (21) aufweist, die einen vom Boden (20) in einer Axialrichtung (A) weg ragenden hohlzylindrischen Umfangsabschnitt (22) und einen sich auf der dem Boden (20) entgegengesetzen Axialseite an den Umfangsabschnitt (22) anschließenden Verbindungsabschnitt (23) aufweist, der eine Gehäuseöffnung (24) begrenzt, mit einem Gehäusedeckel (17), der einen sich schräg oder rechtwinkelig zu der Axialrichtung (A) erstreckenden Abdeckteil (29) und einen sich an den Abdeckteil (29) anschließenden und die Gehäuseachse (G) umschließenden Randteil (30) aufweist, wobei die Außenabmessung des Randteils (30) maximal der Innenabmessung des Verbindungsabschnitts (23) der Gehäuseschalenwand (21) entspricht, wobei der Abdeckteil (29) des Gehäusedeckel (17) von dem Umfangsabschnitt (22) der Gehäuseschalenwand (21) umschlossen ist und der Randteil (30) mit dem Verbindungsabschnitt (23) der Gehäuseschalenwand (21) durch eine nach innen zur Gehäuseachse (G) hin umgebördelten Falzverbindung (31) verbunden ist, so dass die Gehäuseöffnung (24) verschlossen ist.
Batteriezellengehäuse nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Falzverbindung (31) vollständig innerhalb eines durch eine Hohlzylindermantelfläche (M) begrenzten Bereichs angeordnet ist, wobei sich die Außenfläche des Umfangsabschnitts (22) entlang der Hohlzylindermantelfläche (M) erstreckt.
Batteriezellengehäuse nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass sowohl die Gehäuseschale (16) als auch der Gehäusedeckel (17) vollständig innerhalb eines durch eine Hohlzylindermantelfläche (M) begrenzten Bereichs angeordnet ist, wobei sich die Außenfläche des Umfangsabschnitts (22) entlang der Hohlzylindermantelfläche (M) erstreckt.
Batteriezellengehäuse nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Innenabmessung und/oder die Außenabmessung des Umfangsabschnitts (22) der Gehäuseschalenwand (21) konstant ist.
Batteriezellengehäuse nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass an der dem Innenraum (18) zugewandten Innenfläche der Gehäuseschalenwand (21) oder des Umfangsabschnitts (22) wenigstens ein Auflagevorsprung (34) für den Gehäusedeckel (17) vorhanden ist.
Batteriezellengehäuse nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Falzverbindung (31) als Doppelfalz ausgeführt ist.
Batteriezellengehäuse nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Gehäusedeckel (17) und/oder die Gehäuseschale (16) jeweils einstückig ohne Naht- und Fügestelle ausgeführt ist.
Batteriezellengehäuse nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Randteil (30) des Gehäusedeckels (17) einen ersten Deckelfalzabschnitt (45) und eine zweiten Deckelfalzabschnitt (46) aufweist, die koaxial zueinander angeordnet sind.
Batteriezellengehäuse nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Verbindungsabschnitt (23) der Gehäuseschalenwand (21) einen ersten Schalenfalzabschnitt (47) und einen zweiten Schalenfalzabschnitt (48) aufweist, die koaxial zueinander angeordnet sind.
Batteriezellengehäuse nach Anspruch 8 und 9, dadurch gekennzeichnet, dass der erste Schalenfalzabschnitt (47) zwischen dem ersten Deckelfalzabschnitt (45) und dem zweiten Deckelfalzabschnitt (46) angeordnet ist.
Batteriezellengehäuse nach Anspruch 8 und 9 oder nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, dass der zweite Deckelfalzabschnitt (46) zwischen dem ersten Schalenfalzabschnitt (47) und dem Umfangsabschnitt (22) der Gehäuseschalenwand (21) angeordnet ist.
Batteriezellengehäuse nach Anspruch 8 und 9 oder nach Anspruch 10 oder 11, dadurch gekennzeichnet, dass der erste Deckelfalzabschnitt (45) zwischen dem ersten Schalenfalzabschnitt (47) und dem zweiten Schalenfalzabschnitt (48) angeordnet ist.
Verfahren zur Herstellung eines Batteriezellengehäuses (15) mit einem Innenraum (18) zur Aufnahme eines elektrische Energie bereitstellenden Kernmaterials (19) mit folgenden Schritten: – Bereitstellen einer Gehäuseschale (16), die einen Boden (20) und eine eine Gehäuseachse (G) umschließende Gehäuseschalenwand (21) aufweist, die einen vom Boden (20) in einer Axialrichtung (A) weg ragenden hohlzylindrischen Umfangsabschnitt (22) und einen sich auf der dem Boden (20) entgegengesetzen Axialseite an den Umfangsabschnitt (22) anschließenden Verbindungsabschnitt (23) aufweist, der eine Gehäuseöffnung (24) begrenzt, – Bereitstellen eines Gehäusedeckels (16) mit einem Abdeckteil (29), der sich schräg oder rechtwinkelig zu der Axialrichtung (A) erstreckt und mit einem sich an den Abdeckteil (29) anschließenden und die Gehäuseachse (G) umschließenden Randteil (30), dessen Außenabmessung maximal der Innenabmessung des Verbindungsabschnitts (23) der Gehäuseschalenwand (21) entspricht, – Einsetzen des Gehäusedeckels (17) in die Gehäuseschalenwand (21), so dass der Verbindungsabschnitt (22) den Randteil (30) umschließt, – Herstellen einer Falzverbindung zwischen dem Verbindungsabschnitt (23) und dem Randteil (30), wobei der Verbindungsabschnitt (23) und der Randteil (30) nach innen zur Gehäuseachse (G) hin umgebördelt werden.