DE102015201655A1

DE102015201655A1 - Batteriezelle und Batteriesystem

Info

Publication number: DE102015201655A1
Application number: DE102015201655.2A
Authority: DE
Inventors: Holger Reinshagen; Martin Gerlach; Andreas Grasser
Original assignee: Robert Bosch GmbH
Current assignee: Robert Bosch GmbH
Priority date: 2015-01-30
Filing date: 2015-01-30
Publication date: 2016-08-04
Also published as: US10461305B2; JP2018503961A; CN107210390B; CN107210390A; JP6454424B2; US20180013122A1; WO2016120359A1

Abstract

Die Erfindung betrifft eine Batteriezelle (2), umfassend ein prismatisch ausgebildetes Zellengehäuse (3) mit einer Deckfläche (31), an welcher ein negatives Terminal (11) und ein positives Terminal (12) angeordnet sind, und mindestens einen innerhalb des Zellengehäuses (3) angeordneten Elektrodenwickel (10) mit einer Kathode (14), welche Kathodenkontaktfahnen (24) aufweist, und mit einer Anode (16), welche Anodenkontaktfahnen (26) aufweist. Die Kathodenkontaktfahnen (24) und die Anodenkontaktfahnen (26) erstrecken sich nebeneinander von dem Elektrodenwickel (10) auf genau eine Stirnfläche (35, 36) des Zellengehäuses (3) zu, und die Stirnfläche (35, 36) verläuft rechtwinklig zu der Deckfläche (31). Die Erfindung betrifft auch Batteriesystem, das mindestens eine erfindungsgemäße Batteriezelle (2) umfasst.

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft eine Batteriezelle, umfassend ein prismatisch ausgebildetes Zellengehäuse mit einer Deckfläche, an welcher ein negatives Terminal und ein positives Terminal angeordnet sind, und mindestens einen innerhalb des Zellengehäuses angeordneten Elektrodenwickel mit einer Kathode, welche Kathodenkontaktfahnen aufweist, und mit einer Anode, welche Anodenkontaktfahnen aufweist. Die Erfindung betrifft auch ein Batteriesystem mit mindestens einer erfindungsgemäßen Batteriezelle.
Stand der Technik
Es zeichnet sich ab, dass in Zukunft sowohl bei stationären Anwendungen, wie Windkraftanlagen, in Kraftfahrzeugen, die als Hybridfahrzeuge oder Elektrokraftfahrzeuge ausgelegt sind, als auch bei Elektronikgeräten, wie Laptops oder Mobiltelefonen, neue Batteriesysteme zum Einsatz kommen werden, an die sehr hohe Anforderungen bezüglich Zuverlässigkeit, Sicherheit, Leistungsfähigkeit und Lebensdauer gestellt werden.
Hierbei finden insbesondere sogenannte Lithium-Ionen-Batteriezellen Verwendung. Diese zeichnen sich unter anderem durch hohe Energiedichten, thermische Stabilität und eine äußerst geringe Selbstentladung aus. Lithium-Ionen-Batteriezellen weisen eine positive und eine negative Elektrode auf, an denen Lithium-Ionen bei einem Ladevorgang sowie bei einem Entladevorgang reversibel einlagern sowie wieder auslagern können. Ein solcher Vorgang wird auch als Interkalation, beziehungsweise Deinterkalation bezeichnet.
Eine Batteriezelle umfasst in der Regel eine oder mehrere Elektrodeneinheiten, welche in Form einer Wicklung ausgestaltet sind. Eine Elektrodeneinheit weist zwei folienartig ausgebildete Elektroden auf, nämlich eine Anode und eine Kathode. Die Elektroden sind unter Zwischenlage eines Separators zu einem Elektrodenwickel, welcher auch als Jelly-Roll bezeichnet wird, gewunden. Die beiden Elektroden des Elektrodenwickels werden mittels Kollektoren elektrisch mit Polen der Batteriezelle, welche auch als Terminals bezeichnet werden, verbunden.
Eine Batteriezelle weist ferner ein Zellengehäuse auf, welches beispielsweise aus Aluminium besteht. Das Zellengehäuse ist in der Regel prismatisch, insbesondere quaderförmig, ausgestaltet und druckfest ausgebildet. Nach dem Verbinden der Elektroden mit den Terminals wird eine Elektrolytlösung in das Zellengehäuse gefüllt.
Aus der EP 2 675 000 A1 ist eine gattungsgemäße Batteriezelle mit einem Elektrodenwickel bekannt. Die Anode und die Kathode ragen dabei an entgegengesetzten Seiten parallel zu der Wickelachse aus dem Elektrodenwickel heraus und sind an je einen Kollektor angeschlossen. Die beiden Kollektoren verlaufen im Wesentlichen senkrecht zu der Wickelachse des Elektrodenwickels und verbinden die Anode und die Kathode mit den Terminals.
Aus der US 2010/0028770 A1 ist eine weitere gattungsgemäße Batteriezelle bekannt. Die Elektroden des Elektrodenwickels weisen Kontaktfahnen auf, welche aus dem Elektrodenwickel heraus ragen und mit Kollektoren verbunden sind. Vor der Verbindung mit den Kollektoren weisen die Kontaktfahnen unterschiedliche Längen auf.
Zur elektrischen Isolierung der Elektroden und des Zellengehäuses sind Isolatoren vorgesehen, welche beispielsweise aus Kunststoff bestehen. In der US 2013/0288092 A1 ist ein Elektrodenwickel mit entsprechenden Isolatoren für eine Batteriezelle dargestellt.
Lithium-Ionen-Batteriezellen sind verhältnismäßig empfindlich gegen Umwelteinflüsse, insbesondere gegen Luft und Feuchtigkeit. Das erwähnte Zellengehäuse bietet Schutz gegen besagte Umwelteinflüsse. Mehrere solcher Batteriezellen können zu einem Batteriesystem, welches auch als Batteriepack bezeichnet wird, zusammengefasst werden.
Offenbarung der Erfindung
Es wird eine Batteriezelle vorgeschlagen, welche ein prismatisch ausgebildetes Zellengehäuse mit einer Deckfläche, an welcher ein positives Terminal und ein negatives Terminal angeordnet sind, umfasst. Die Batteriezelle umfasst ferner mindestens einen innerhalb des Zellengehäuses angeordneten Elektrodenwickel mit einer Anode, welche Anodenkontaktfahnen aufweist, und mit einer Kathode, welche Kathodenkontaktfahnen aufweist.
Erfindungsgemäß erstrecken sich die Anodenkontaktfahnen und die Kathodenkontaktfahnen nebeneinander von dem Elektrodenwickel auf genau eine Stirnfläche des Zellengehäuses zu, wobei die Stirnfläche rechtwinklig zu der Deckfläche verläuft. Die Anodenkontaktfahnen und die Kathodenkontaktfahnen erstrecken sich somit auf dieselbe Stirnfläche des Zellengehäuses zu. Die Terminals sind dabei an einer anderen Fläche des Zellengehäuses angebracht, nämlich an der Deckfläche. Die Stirnfläche, auf die sich die Anodenkontaktfahnen und die Kathodenkontaktfahnen zu erstrecken, grenzt an die Deckfläche an.
Vorzugsweise ist das Zellengehäuse quaderförmig ausgebildet und weist sechs Flächen mit drei verschieden großen Flächeninhalten auf, wobei jeweils zwei der sechs Flächen mit gleich großen Flächeninhalten einander gegenüber liegen. Die Stirnfläche, auf die sich die Anodenkontaktfahnen und die Kathodenkontaktfahnen zu erstrecken, grenzt dabei an die Deckfläche an.
Vorteilhaft erstrecken sich die Anodenkontaktfahnen und die Kathodenkontaktfahnen auf die erste Stirnfläche des Zellengehäuses zu, wobei die erste Stirnfläche und die der ersten Stirnfläche gegenüberliegende zweite Stirnfläche einen kleinsten Flächeninhalt der Flächen des Zellengehäuses aufweisen.
Die Deckfläche, an welcher die Terminals angeordnet sind, und eine der Deckfläche gegenüberliegende Bodenfläche weisen dabei einen mittelgroßen Flächeninhalt der Flächen des Zellengehäuses auf.
Gemäß einer vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung sind die Anodenkontaktfahnen oder die Kathodenkontaktfahnen elektrisch mit einem Kollektor verbunden, welcher sich zwischen dem Elektrodenwickel und der Bodenfläche, sowie zwischen dem Elektrodenwickel und der zweiten Stirnfläche erstreckt. Der Kollektor ist dabei auch mit einem der Terminals elektrisch verbunden.
Gemäß einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung sind die Anodenkontaktfahnen oder die Kathodenkontaktfahnen elektrisch mit einem Kollektor verbunden, welcher sich zwischen dem Elektrodenwickel und einer Frontfläche erstreckt. Die Frontflächen weisen dabei einen größten Flächeninhalt der Flächen des Zellengehäuses auf. Der Kollektor ist dabei auch mit einem der Terminals elektrisch verbunden.
Vorzugsweise ist das Zellengehäuse elektrisch isolierend ausgeführt, beispielsweise aus einem Kunststoff.
Auch kann das Zellengehäuse elektrisch leitend ausgeführt sein, beispielsweise aus Aluminium.
Vorteilhaft sind in diesem Fall die Anodenkontaktfahnen oder die Kathodenkontaktfahnen elektrisch mit dem elektrisch leitfähigen Zellengehäuse verbunden. Wenn zusätzlich eines der Terminals mit dem elektrisch leitfähigen Zellengehäuse verbunden ist, kann der Kollektor auch entfallen.
Gemäß einer weiteren Ausgestaltung der Erfindung ist zwischen den Kathodenkontaktfahnen und den Anodenkontaktfahnen eine Isolationsfolie vorgesehen, welche sich auf die Stirnfläche des Zellengehäuses zu erstreckt.
Die Kathode und die Anode sind unter Zwischenlage mindestens eines Separators zu dem Elektrodenwickel gewickelt. Vorteilhaft ist die Isolationsfolie dabei durch den mindestens einen Separator gebildet.
Es wird auch ein Batteriesystem vorgeschlagen, welches mindestens eine erfindungsgemäße Batteriezelle umfasst.
Eine erfindungsgemäße Batteriezelle findet vorteilhaft Verwendung in einem Elektrofahrzeug (EV), in einem Hybridfahrzeug (HEV), oder in einem Plug-In-Hybridfahrzeug (PHEV).
Vorteile der Erfindung
Gegenüber einer aus dem Stand der Technik bekannten Batteriezelle, bei welcher die Anode und die Kathode an entgegengesetzten Seiten aus dem Elektrodenwickel heraus ragen, ist der für die Kollektoren erforderliche Raumbedarf innerhalb des Zellengehäuses vorteilhaft verringert. Der so zusätzlich gewonnene Raum kann für eine Vergrößerung des Elektrodenwickels genutzt werden, wodurch die Kapazität der Batteriezelle bei gleichen Abmessungen des Zellengehäuses erhöht ist. Auch gegenüber einer Batteriezelle, bei welcher die Anode und die Kathode nebeneinander auf die Deckfläche zu ragen, an der die Terminals angeordnet sind, ist der Raumbedarf für die Kollektoren verringert. Bei der erfindungsgemäßen Batteriezelle verlaufen die Kollektoren in den Anschlussbereichen an die Anode und an die Kathode an derselben Stirnfläche, welche den kleinsten Flächeninhalt der Flächen eines quaderförmigen Zellengehäuses aufweist. Damit benötigen die Kollektoren in den Anschlussbereichen an die Anode und an die Kathode das geringstmögliche Volumen.
Einer der beiden Kollektoren ist von der besagten Stirnfläche unmittelbar zu der benachbarten Deckfläche zu einem der Terminals geführt. Der andere der beiden Kollektoren ist um den Elektrodenwickel herum zu dem anderen Terminal geführt. Dieser Kollektor ist dabei verhältnismäßig dünn ausgeführt und beansprucht nur ein geringes Volumen auf seinem Weg um den Elektrodenwickel herum.
Kurze Beschreibung der Zeichnungen
Ausführungsformen der Erfindung werden anhand der Zeichnungen und der nachfolgenden Beschreibung näher erläutert.
Es zeigen:
1 eine schematische, perspektivische, halbtransparente Darstellung einer Batteriezelle ohne Kollektoren,
2 eine schematische, perspektivische, halbtransparente Darstellung einer Batteriezelle gemäß einer ersten Ausführungsform ohne Elektrodenwickel,
3 eine schematische, perspektivische, halbtransparente Darstellung einer Batteriezelle gemäß einer zweiten Ausführungsform ohne Elektrodenwickel,
4 eine Draufsicht auf eine Stirnseite eines Elektrodenwickels vor Einbau in ein Zellengehäuse,
5a eine teilweise Schnittdarstellung des Elektrodenwickels aus 4 entlang der Schnittlinie V-V vor Verbindung mit einem Kollektor,
5b den Elektrodenwickel aus 5a nach Verbindung mit dem Kollektor,
6a eine Abwandlung des Elektrodenwickels aus 5a vor Verbindung mit einem Kollektor,
6b den Elektrodenwickel aus 6a nach Verbindung mit dem Kollektor,
7 eine schematische Darstellung der Herstellung eines Elektrodenwickels,
8 eine schematische Schnittdarstellung einer Batteriezelle mit einer ersten Ausführungsform eines Halters für den Elektrodenwickel,
9 eine schematische Schnittdarstellung einer Batteriezelle mit einer zweiten Ausführungsform eines Halters für den Elektrodenwickel,
10 eine schematische Schnittdarstellung einer Batteriezelle mit einer dritten Ausführungsform eines Halters für den Elektrodenwickel und
11 eine weitere Abwandlung eines Elektrodenwickels in schematischer, perspektivischer Darstellung.
Ausführungsformen der Erfindung
Eine Batteriezelle 2 umfasst ein Zellengehäuse 3, welches prismatisch, vorliegend quaderförmig, ausgebildet ist. Das Zellengehäuse 3 ist vorliegend elektrisch leitend ausgeführt und beispielsweise aus Aluminium gefertigt. Es auch denkbar, dass das Zellengehäuse 3 elektrisch nicht leitend, insbesondere aus einem elektrisch isolierenden Material, beispielsweise Kunststoff, gefertigt ist oder mit einem elektrisch isolierenden Material beschichtet ist.
Die Batteriezelle 2 umfasst ein negatives Terminal 11 und ein positives Terminal 12. Über die Terminals 11, 12 kann eine von der Batteriezelle 2 zur Verfügung gestellte Spannung abgegriffen werden. Ferner kann die Batteriezelle 2 über die Terminals 11, 12 auch geladen werden.
Das quaderförmig ausgebildete Zellengehäuse 3 der Batteriezelle 2 weist sechs Flächen mit drei verschieden großen Flächeninhalten auf, wobei jeweils zwei Flächen mit gleich großen Flächeninhalten einander gegenüber liegen. Die Flächen mit den größten Flächeninhalten werden im Folgenden als erste Frontfläche 33 und zweite Frontfläche 34 bezeichnet. Die Flächen mit den kleinsten Flächeninhalten werden im Folgenden als erste Stirnfläche 35 und zweite Stirnfläche 36 bezeichnet. Die verbleibenden Flächen mit den mittelgroßen Flächeninhalten werden im Folgenden als Deckfläche 31 und als Bodenfläche 32 bezeichnet.
Die Terminals 11, 12 sind beabstandet voneinander an der Deckfläche 31 des Zellengehäuses 3 angeordnet. Dabei liegt das negative Terminal 11 benachbart zu der ersten Stirnfläche 35, und das positive Terminal 12 liegt benachbart zu der zweiten Stirnfläche 36. Zwischen den Terminals 11, 12 und der Deckfläche 31 können Isolatoren vorgesehen sein.
Innerhalb des Zellengehäuses 3 der Batteriezelle 2 ist ein Elektrodenwickel 10 angeordnet, welcher zwei Elektroden, nämlich eine Kathode 14 und eine Anode 16, aufweist. Die Kathode 14 und die Anode 16 sind folienartig ausgeführt und unter Zwischenlage eines ersten Separators 18 und eines zweiten Separators 19 um eine Wickelachse A zu dem Elektrodenwickel 10 gewickelt. Der Elektrodenwickel 10 ist derart in dem Zellengehäuse 3 angeordnet, dass die Wickelachse A senkrecht zu den Stirnflächen 35, 36 verläuft.
Es ist auch denkbar, dass die Batteriezelle 2 mehrere Elektrodenwickel 10 umfasst, welche elektrisch parallel oder, bei ausreichender Isolation, in Reihe geschaltet sind. Innerhalb des Zellengehäuses 3 ist ferner ein Elektrolyt vorhanden.
Die Anode 16 weist mehrere Anodenkontaktfahnen 26 auf, welche elektrisch mit dem negativen Terminal 11 der Batteriezelle 2 verbunden sind. Die Kathode 14 weist mehrere Kathodenkontaktfahnen 24 auf, welche elektrisch mit dem positiven Terminal 12 der Batteriezelle 2 verbunden sind. Die Anodenkontaktfahnen 26 und die Kathodenkontaktfahnen 24 ragen nebeneinander an derselben Stirnseite aus dem Elektrodenwickel 10 heraus und erstrecken sich von dem Elektrodenwickel 10 auf die erste Stirnfläche 35 des Zellengehäuses 3 zu.
Zur elektrischen Verbindung der Anode 16 mit dem negativen Terminal 11 ist ein erster Kollektor 41 vorgesehen. Der erste Kollektor 41 weist einen ersten Bereich 42 auf, welcher parallel zu der ersten Stirnfläche 35 und nahe der ersten Stirnfläche 35 verläuft und mit den Anodenkontaktfahnen 26 der Anode 16 verbunden ist. Der erste Bereich 42 des ersten Kollektors 41 erstreckt sich auf die Deckfläche 31 zu und geht in einem zweiten Bereich 43 über, der sich parallel zu der Deckfläche 31 erstreckt. Der zweite Bereich 43 des ersten Kollektors 41 ist mit dem negativen Terminal 11 verbunden. Zwischen dem ersten Kollektor 41 und dem Zellengehäuse 3 der Batteriezelle 2 sind elektrische Isolatoren vorgesehen.
Zur elektrischen Verbindung der Kathode 14 mit dem positiven Terminal 12 ist ein zweiter Kollektor 51 vorgesehen. Der zweite Kollektor 51 weist einen ersten Bereich 52 auf, welcher parallel zu der ersten Stirnfläche 35 nahe der ersten Stirnfläche 35 verläuft und mit den Kathodenkontaktfahnen 24 der Kathode 14 verbunden ist. Der zweite Kollektor 51 weist einen zweiten Bereich 53 auf, welcher mit dem positiven Terminal 12 verbunden ist.
Gemäß einer ersten Ausführungsform der Batteriezelle 2, die in 2 dargestellt ist, weist der zweite Kollektor 51 einen mittigen Bereich 55 auf, welcher mit dem ersten Bereich 52 und mit dem zweiten Bereich 53 verbunden ist. Der mittige Bereich 55 des zweiten Kollektors 51 erstreckt sich dabei parallel zu den Frontflächen 33, 34. Vorliegend ist der mittige Bereich 55 des zweiten Kollektors 51 zwischen dem Elektrodenwickel 10 und der ersten Frontfläche 33 angeordnet. Zwischen dem zweiten Kollektor 51 und dem Zellengehäuse 3 der Batteriezelle 2 sind elektrische Isolatoren vorgesehen.
Der mittige Bereich 55 des zweiten Kollektors 51 kann auch zwischen dem Elektrodenwickel 10 und der zweiten Frontfläche 34 angeordnet sein. Auch können zwei parallel verlaufende mittige Bereich 55 des zweiten Kollektors 51 vorgesehen sein, welche beidseitig des Elektrodenwickels 10 angeordnet sind.
Gemäß einer zweiten Ausführungsform der Batteriezelle 2, die in 3 dargestellt ist, weist der zweite Kollektor 51 einen unteren Bereich 56 auf, welcher mit dem ersten Bereich 52 verbunden ist. Ferner weist der zweite Kollektor 51 einen hinteren Bereich 57 auf, welcher mit dem zweiten Bereich 53 verbunden ist. Dabei ist der untere Bereich 56 des zweiten Kollektors 51 mit dem hinteren Bereich 57 des zweiten Kollektors 51 verbunden.
Der untere Bereich 56 des zweiten Kollektors 51 erstreckt sich von dem ersten Bereich 52 des zweiten Kollektors 51 parallel zu der Bodenfläche 32 zwischen dem Elektrodenwickel 10 und der Bodenfläche 32 auf die zweite Stirnfläche 36 zu. Der hintere Bereich 57 des zweiten Kollektors 51 erstreckt sich von dem zweiten Bereich 53 des zweiten Kollektors 51 parallel zu der zweiten Stirnfläche 36 zwischen dem Elektrodenwickel 10 und der zweiten Stirnfläche 36 auf die Bodenfläche 32 zu. Ferner ist der hintere Bereich 57 des zweiten Kollektors 51 mit dem unteren Bereich 56 des zweiten Kollektors 51 verbunden. Zwischen dem zweiten Kollektor 51 und dem Zellengehäuse 3 der Batteriezelle 2 sind ebenfalls elektrische Isolatoren vorgesehen.
Gemäß einer weiteren, hier nicht dargestellten, Ausführungsform der Batteriezelle 2 ist das elektrisch leitfähige Zellengehäuse 3 elektrisch mit dem positiven Terminal 12 verbunden. In diesem Fall ist zwischen dem zweiten Kollektor 51 und dem Zellengehäuse 3 kein Isolator erforderlich.
Ferner ist es denkbar, das positive Terminal 12 und die Kathodenkontaktfahnen 24 der Kathode 14 elektrisch mit dem Zellengehäuse 3 zu verbinden. In diesem Fall würde das Zellengehäuse 3 die Funktion des zweiten Kollektors 51, nämlich die elektrische Verbindung der Kathode 14 mit dem positiven Terminal 12, übernehmen. In diesem Fall könnte der zweite Kollektor 51 ganz entfallen. Es ist auch denkbar, dass der zweite Kollektor 51 die Kathodenkontaktfahnen 24 der Kathode 14 elektrisch mit der ersten Stirnfläche 35 des Zellengehäuses 3 verbindet.
In 4 ist eine Draufsicht auf eine Stirnseite des Elektrodenwickels 10 vor dem Einbau in das Zellengehäuse 3 der Batteriezelle 2 dargestellt. Die Anodenkontaktfahnen 26 der Anode 16 ragen annähernd parallel zu der Wickelachse A aus dem Elektrodenwickel 10 heraus. In einer Richtung senkrecht zu der Wickelachse A sind die Anodenkontaktfahnen 26 der Anode 16 auf einer Linie miteinander fluchtend angeordnet. Die Kathodenkontaktfahnen 24 der Kathode 14 ragen annähernd parallel zu der Wickelachse A aus dem Elektrodenwickel 10 heraus. In einer Richtung senkrecht zu der Wickelachse A sind die Kathodenkontaktfahnen 24 der Kathode 14 auf einer Linie miteinander fluchtend angeordnet.
In 5a ist eine teilweise Schnittdarstellung des Elektrodenwickels 10 aus 4 entlang einer Schnittlinie V-V gezeigt. Es ist dabei der Teil des Elektrodenwickels 10 mit den Kathodenkontaktfahnen 24 der Kathode 14 vor Verbindung mit dem zweiten Kollektor 51 gezeigt. Der zweite Kollektor 51 verläuft dabei senkrecht zu der Wickelachse A des Elektrodenwickels 10.
Die einzelnen Kathodenkontaktfahnen 24 der Kathode 14 weisen dabei unterschiedliche Längen auf. Die Kathodenkontaktfahne 24, welche der Wickelachse A zugewandt ist, hat die geringste Länge. Die Länge der Kathodenkontaktfahnen 24 wächst mit zunehmendem Abstand der Kathodenkontaktfahnen 24 von der der Wickelachse A. Die Kathodenkontaktfahne 24, welche der Wickelachse A abgewandt ist, hat die größte Länge.
In 5b ist der Elektrodenwickel 10 aus 5a nach Verbindung mit dem zweiten Kollektor 51 dargestellt. Die einzelnen Kathodenkontaktfahnen 24 der Kathode 14 sind jeweils um eine Achse, welche senkrecht zu der Wickelachse A verläuft, umgebogen und aufeinander gelegt. Die der Wickelachse A abgewandte Kathodenkontaktfahne 24 der Kathode 14 ist auf den zweiten Kollektor 51 gelegt. Die Kathodenkontaktfahnen 24 der Kathode 14 sind miteinander sowie mit dem zweiten Kollektor 51 verbunden, insbesondere verschweißt.
Die Längen der einzelnen Kathodenkontaktfahnen 24 der Kathode 14 sind derart aufeinander abgestimmt, dass die dem Elektrodenwickel 10 abgewandten Enden der Kathodenkontaktfahnen 24 nach der Verbindung der Kathodenkontaktfahnen 24 mit dem zweiten Kollektor 51 miteinander fluchten.
In 6a ist eine Abwandlung des Elektrodenwickels 10 aus 5a vor Verbindung mit dem zweiten Kollektor 51 gezeigt. Der zweite Kollektor 51 verläuft dabei parallel zu der Wickelachse A des Elektrodenwickels 10.
Bei besagter Abwandlung des Elektrodenwickels 10 weisen die einzelnen Kathodenkontaktfahnen 24 der Kathode 14 unterschiedliche Längen auf. Die Kathodenkontaktfahne 24, welche der Wickelachse A und dem zweiten Kollektor 51 zugewandt ist, hat die geringste Länge. Die Länge der Kathodenkontaktfahnen 24 wächst mit zunehmendem Abstand der Kathodenkontaktfahnen 24 von der der Wickelachse A und von dem zweiten Kollektor 51. Die Kathodenkontaktfahne 24, welche der Wickelachse A und dem zweiten Kollektor 51 abgewandt ist, hat die größte Länge.
In 6b ist der Elektrodenwickel 10 aus 6a nach Verbindung mit dem zweiten Kollektor 51 dargestellt. Die einzelnen Kathodenkontaktfahnen 24 der Kathode 14 sind aufeinander gelegt. Die der Wickelachse A zugewandte Kathodenkontaktfahne 24 der Kathode 14 ist auf den zweiten Kollektor 51 gelegt. Die Kathodenkontaktfahnen 24 der Kathode 14 sind miteinander sowie mit dem zweiten Kollektor 51 verbunden, insbesondere verschweißt.
Bei besagter Abwandlung des Elektrodenwickels 10 sind die Längen der einzelnen Kathodenkontaktfahnen 24 der Kathode 14 derart aufeinander abgestimmt, dass die dem Elektrodenwickel 10 abgewandten Enden der Kathodenkontaktfahnen 24 nach der Verbindung der Kathodenkontaktfahnen 24 mit dem zweiten Kollektor 51 miteinander fluchten.
In 7 ist schematisch die Herstellung des Elektrodenwickels 10 gezeigt. Ein Wickelkern 65 wird um eine Drehachse D gedreht. Eine folienartig ausgebildete Kathode 14, ein folienartig ausgebildeter erster Separator 18, eine folienartig ausgebildete Anode 16 und ein folienartig ausgebildeter zweiter Separator 19 sind an dem Wickelkern 65 befestigt. Die Drehachse D des Wickelkerns 65 fluchtet mit der Wickelachse A des Elektrodenwickels 10.
Durch die Drehung des Wickelkerns 65 werden die Kathode 14, der erste Separator 18, die Anode 16 und der zweite Separator 19 auf den Wickelkern 65 aufgewickelt. Zwischen der Kathode 14 und der Anode 16 liegt somit jeweils einer der Separatoren 18, 19.
Ein erster Laserstrahl 61 schneidet einen Randbereich der folienartigen Anode 16 ab. Dabei bleiben die Anodenkontaktfahnen 26 der Anode 16 jedoch stehen. Nach jeweils einer ganzen Umdrehung des Wickelkerns 65 bleibt eine der Anodenkontaktfahnen 26 der Anode 16 stehen. Dadurch ist sichergestellt, dass die Anodenkontaktfahnen 26 der Anode 16, wie in 4 dargestellt, auf einer Linie miteinander fluchtend angeordnet sind.
Die Länge der stehenbleibenden Anodenkontaktfahnen 26 der Anode 16 vergrößert sich dabei mit jeder Umdrehung. Dadurch hat die der Drehachse D sowie der Wickelachse A zugewandte Anodenkontaktfahne 26 der Anode 16 die geringste Länge, und die der Drehachse D sowie der Wickelachse A abgewandte Anodenkontaktfahne 26 der Anode 16 hat die größte Länge.
Ein zweiter Laserstrahl 62 schneidet einen Randbereich der folienartigen Kathode 14 ab. Dabei bleiben die Kathodenkontaktfahnen 24 der Kathode 14 jedoch stehen. Nach jeweils einer ganzen Umdrehung des Wickelkerns 65 bleibt eine der Kathodenkontaktfahnen 24 der Kathode 14 stehen. Dadurch ist sichergestellt, dass die Kathodenkontaktfahnen 24 der Kathode 14, wie in 4 dargestellt, auf einer Linie miteinander fluchtend angeordnet sind.
Die Länge der stehenbleibenden Kathodenkontaktfahnen 24 der Kathode 14 vergrößert sich dabei mit jeder Umdrehung. Dadurch hat die der Drehachse D sowie der Wickelachse A zugewandte Kathodenkontaktfahne 24 Kathode 14 die geringste Länge, und die der Drehachse D sowie der Wickelachse A abgewandte Kathodenkontaktfahne 24 Kathode 14 hat die größte Länge, wie in 5a dargestellt ist.
Nachdem die Kathode 14, die Anode 16 und die Separatoren 18, 19 vollständig aufgewickelt sind, kann der Wickelkern 65 entfernt werden. Der Elektrodenwickel 10 kann leicht zusammen gedrückt werden, wodurch der durch den fehlenden Wickelkern 65 verursachte Hohlraum geschlossen wird.
In 8 ist eine schematische Schnittdarstellung einer Batteriezelle 2 mit einem Halter 70 gemäß einer ersten Ausführungsform für einen Elektrodenwickel 10 gezeigt. Die Kollektoren 41, 51 sind nicht vollständig dargestellt.
Der Halter 70 gemäß der ersten Ausführungsform ist als rechteckiger Rahmen ausgeführt und aus einem elektrisch nicht leitfähigen Material, insbesondere aus einem Kunststoff, gefertigt. Der Halter 70 gemäß der ersten Ausführungsform umfasst eine erste Längsseite 71 und eine parallel zu der ersten Längsseite 71 verlaufende zweite Längsseite 72. Die erste Längsseite 71 und die zweite Längsseite 72 sind an ihren Enden durch eine erste Querseite 73 und eine zweite Querseite 74 miteinander verbunden. Die erste Querseite 73 und die zweite Querseite 74 verlaufen parallel zueinander und rechtwinklig zu den Längsseiten 71, 72.
Die erste Längsseite 71 des rahmenförmigen Halters 70 gemäß der ersten Ausführungsform ist an der Deckfläche 31 des Zellengehäuses 3 der Batteriezelle 2 befestigt. Von den Enden der ersten Längsseite 71 des Halters 70 gemäß der ersten Ausführungsform erstrecken sich die erste Querseite 73 und die zweite Querseite 74 rechtwinklig von der Deckfläche 31 weg auf die nicht dargestellte Bodenfläche 32 des Zellengehäuses 3 zu. Die erste Querseite 73 verläuft dabei nahe der nicht dargestellten ersten Stirnfläche 35 des Zellengehäuses 3, und die zweite Querseite 74 verläuft nahe der nicht dargestellten zweiten Stirnfläche 36 des Zellengehäuses 3. Die zweite Längsseite 72 verläuft nahe der nicht dargestellten Bodenfläche 32 des Zellengehäuses 3.
In den rahmenförmigen Halter 70 gemäß der ersten Ausführungsform ist der Elektrodenwickel 10 eingeklemmt. Die Wickelachse A des Elektrodenwickels 10 verläuft dabei parallel zu den Längsseiten 71, 72 des Halters 70 gemäß der ersten Ausführungsform. Die Anode 16 und die Kathode 14 ragen nahe der ersten Querseite 73 des Halters 70 gemäß der ersten Ausführungsform aus dem Elektrodenwickel 10 heraus.
Der erste Kollektor 41 der Batteriezelle 2 ist elektrisch und mechanisch mit dem negativen Terminal 11 verbunden. Zwischen dem ersten Kollektor 41 und der Deckfläche 31 des Zellengehäuses 3 ist ein erster Abstandshalter 67 angeordnet. Der erste Abstandshalter 67 ist aus einem elektrisch nicht leitfähigen Material, insbesondere aus einem Kunststoff, gefertigt und isoliert den ersten Kollektor 41 elektrisch von der Deckfläche 31 des Zellengehäuses 3. Der erste Abstandshalter 67 ist somit mechanisch innerhalb des Zellengehäuses 3 an der Deckfläche 31 fixiert.
Der zweite Kollektor 51 der Batteriezelle 2 ist elektrisch und mechanisch mit dem positiven Terminal 12 verbunden. Zwischen dem zweiten Kollektor 51 und der Deckfläche 31 des Zellengehäuses 3 ist ein zweiter Abstandshalter 68 angeordnet. Der zweite Abstandshalter 68 ist aus einem elektrisch nicht leitfähigen Material, insbesondere aus einem Kunststoff, gefertigt und isoliert den zweiten Kollektor 51 elektrisch von der Deckfläche 31 des Zellengehäuses 3. Der zweite Abstandshalter 68 ist somit mechanisch innerhalb des Zellengehäuses 3 an der Deckfläche 31 fixiert.
Die erste Längsseite 71 des Halters 70 gemäß der ersten Ausführungsform ist mechanisch mit dem ersten Abstandshalter 67 und mit dem zweiten Abstandshalter 68 verbunden. Die erste Längsseite 71 des Halters 70 gemäß der ersten Ausführungsform ist dabei, ähnlich einer Clipsverbindung, in entsprechende Aussparungen der Abstandshalter 67, 68 eingedrückt und dort formschlüssig gehalten. Es ist auch denkbar, dass der Halter 70 gemäß der ersten Ausführungsform einstückig mit den Abstandshaltern 67, 68 ausgebildet ist.
In 9 ist eine schematische Schnittdarstellung einer Batteriezelle 2 mit einem Halter 80 gemäß einer zweiten Ausführungsform für einen nicht dargestellten Elektrodenwickel 10 gezeigt. Die Kollektoren 41, 51 sind nicht vollständig dargestellt.
Der Halter 80 gemäß der zweiten Ausführungsform ist in Form einer, zumindest weitgehend, geschlossenen Dose ausgeführt und ist aus einem elektrisch nicht leitfähigen Material, insbesondere aus einem Kunststoff, gefertigt. Der Halter 80 gemäß der zweiten Ausführungsform umfasst einen Deckelbereich 81 und einen Bodenbereich 82.
Der Deckelbereich 81 des Halters 80 gemäß der zweiten Ausführungsform ist an der Deckfläche 31 des Zellengehäuses 3 der Batteriezelle 2 befestigt. In der gezeigten Darstellung ist der Bodenbereich 82 von dem Deckelbereich 81 entfernt angeordnet. Der Bodenbereich 82 wird, nach Anschluss des nicht dargestellten Elektrodenwickels 10, auf den Deckelbereich 81 gedrückt und verrastet an dem Deckelbereich 81 formschlüssig. Der nicht dargestellte Elektrodenwickel 10 ist danach von dem in Form einer Dose ausgestalteten Halter 80 gemäß der zweiten Ausführungsform umgeben.
Der erste Kollektor 41 der Batteriezelle 2 ist elektrisch und mechanisch mit dem negativen Terminal 11 verbunden. Zwischen dem ersten Kollektor 41 und der Deckfläche 31 des Zellengehäuses 3 ist ein erster Abstandshalter 67 angeordnet. Der erste Abstandshalter 67 ist aus einem elektrisch nicht leitfähigen Material, insbesondere aus einem Kunststoff, gefertigt und isoliert den ersten Kollektor 41 elektrisch von der Deckfläche 31 des Zellengehäuses 3. Der erste Abstandshalter 67 ist somit mechanisch innerhalb des Zellengehäuses 3 an der Deckfläche 31 fixiert.
Der zweite Kollektor 51 der Batteriezelle 2 ist elektrisch und mechanisch mit dem positiven Terminal 12 verbunden. Zwischen dem zweiten Kollektor 51 und der Deckfläche 31 des Zellengehäuses 3 ist ein zweiter Abstandshalter 68 angeordnet. Der zweite Abstandshalter 68 ist aus einem elektrisch nicht leitfähigen Material, insbesondere aus einem Kunststoff, gefertigt und isoliert den zweiten Kollektor 51 elektrisch von der Deckfläche 31 des Zellengehäuses 3. Der zweite Abstandshalter 68 ist somit mechanisch innerhalb des Zellengehäuses 3 an der Deckfläche 31 fixiert.
Der Deckelbereich 81 des Halters 80 gemäß der zweiten Ausführungsform ist mechanisch mit dem ersten Abstandshalter 67 und mit dem zweiten Abstandshalter 68 verbunden. Der Deckelbereich 81 umfasst Laschen, welche ähnlich einer Clipsverbindung, in entsprechende Aussparungen der Abstandshalter 67, 68 eingedrückt und dort formschlüssig gehalten sind. Es ist auch denkbar, dass der Deckelbereich 81 einstückig mit den Abstandshaltern 67, 68 ausgebildet ist.
In 10 ist eine schematische Schnittdarstellung einer Batteriezelle 2 mit einem Halter 90 gemäß einer dritten Ausführungsform für einen nicht dargestellten Elektrodenwickel 10 gezeigt. Die Kollektoren 41, 51 sind nicht vollständig dargestellt.
Der Halter 90 gemäß der dritten Ausführungsform ist als rechteckiger, flächiger Gegenstand ausgeführt und ist aus einem elektrisch nicht leitfähigen Material, insbesondere aus einem Kunststoff, gefertigt. Der Halter 90 gemäß der dritten Ausführungsform ist von einer Kopfseite 91, einer parallel zu der Kopfseite 91 verlaufenden Fußseite 92, einer ersten Außenseite 93 und einer zweiten Außenseite 94 begrenzt. Die erste Außenseite 93 und die zweite Außenseite 94 verlaufen parallel zueinander und rechtwinklig zu der Kopfseite 91 und der Fußseite 92.
Die Kopfseite 91 des Halters 90 gemäß der dritten Ausführungsform ist an der Deckfläche 31 des Zellengehäuses 3 der Batteriezelle 2 befestigt. Die erste Außenseite 93 und die zweite Außenseite 94 erstrecken sich rechtwinklig von der Deckfläche 31 weg auf die nicht dargestellte Bodenfläche 32 des Zellengehäuses 3 zu. Die erste Außenseite 93 verläuft dabei nahe der nicht dargestellten ersten Stirnfläche 35 des Zellengehäuses 3, und die zweite Außenseite 94 verläuft nahe der nicht dargestellten zweiten Stirnfläche 36 des Zellengehäuses 3. Die Fußseite 92 verläuft nahe der nicht dargestellten Bodenfläche 32 des Zellengehäuses 3.
Der nicht dargestellte Elektrodenwickel 10 ist um den Halter 90 gemäß der dritten Ausführungsform herum gewickelt. Die Wickelachse A des Elektrodenwickels 10 verläuft dabei rechtwinklig zu der Kopfseite 91 des Halters 90 gemäß der dritten Ausführungsform und rechtwinklig zu der Deckfläche 31 des Zellengehäuses 3. Die Anode 16, die Kathode 14 und die Separatoren 18, 19 sind also um die Außenseiten 93, 94 des Halters 90 gemäß der dritten Ausführungsform herum gelegt.
Der erste Kollektor 41 der Batteriezelle 2 ist elektrisch und mechanisch mit dem negativen Terminal 11 verbunden. Zwischen dem ersten Kollektor 41 und der Deckfläche 31 des Zellengehäuses 3 ist ein erster Abstandshalter 67 angeordnet. Der erste Abstandshalter 67 ist aus einem elektrisch nicht leitfähigen Material, insbesondere aus einem Kunststoff, gefertigt und isoliert den ersten Kollektor 41 elektrisch von der Deckfläche 31 des Zellengehäuses 3. Der erste Abstandshalter 67 ist somit mechanisch innerhalb des Zellengehäuses 3 an der Deckfläche 31 fixiert.
Der zweite Kollektor 51 der Batteriezelle 2 ist elektrisch und mechanisch mit dem positiven Terminal 12 verbunden. Zwischen dem zweiten Kollektor 51 und der Deckfläche 31 des Zellengehäuses 3 ist ein zweiter Abstandshalter 68 angeordnet. Der zweite Abstandshalter 68 ist aus einem elektrisch nicht leitfähigen Material, insbesondere aus einem Kunststoff, gefertigt und isoliert den zweiten Kollektor 51 elektrisch von der Deckfläche 31 des Zellengehäuses 3. Der zweite Abstandshalter 68 ist somit mechanisch innerhalb des Zellengehäuses 3 an der Deckfläche 31 fixiert.
Die Kopfseite 91 des Halters 90 gemäß der dritten Ausführungsform ist mechanisch mit dem ersten Abstandshalter 67 und mit dem zweiten Abstandshalter 68 verbunden. Die Kopfseite 91 des Halters 90 gemäß der dritten Ausführungsform ist dabei, ähnlich einer Clipsverbindung, in entsprechende Aussparungen der Abstandshalter 67, 68 eingedrückt und dort formschlüssig gehalten. Es ist auch denkbar, dass der Halter 90 gemäß der dritten Ausführungsform einstückig mit den Abstandshaltern 67, 68 ausgebildet ist.
Eine weitere Abwandlung eines Elektrodenwickels 10 ist in schematischer, perspektivischer Darstellung in 11 gezeigt. Die Kathodenkontaktfahnen 24 der Kathode 14 und die Anodenkontaktfahnen 26 der Anode 16 ragen nebeneinander an derselben Stirnseite aus dem Elektrodenwickel 10 heraus. Die Anodenkontaktfahnen 26 der Anode 16 und die Kathodenkontaktfahnen 24 der Kathode 14 ragen dabei annähernd parallel zu der Wickelachse A aus dem Elektrodenwickel 10 heraus.
Zwischen den Kathodenkontaktfahnen 24 und den Anodenkontaktfahnen 26 ragen dabei Teile des ersten Separators 18 und des zweiten Separators 19 an derselben Stirnseite aus dem Elektrodenwickel 10 heraus. Besagte Teile des ersten Separators 18 und des zweiten Separators 19 verlaufen dabei parallel zu den Kathodenkontaktfahnen 24 und den Anodenkontaktfahnen 26 sowie zu der Wickelachse A auf die erste Stirnfläche 35 des Zellengehäuses 3 zu.
Die aus dem Elektrodenwickel 10 heraus ragenden Teile des ersten Separators 18 und des zweiten Separators 19 dienen dabei als Isolationsfolie 21 und isolieren die Kathodenkontaktfahnen 24 der Kathode 14 elektrisch von den Anodenkontaktfahnen 26 der Anode 16.
Die Erfindung ist nicht auf die beschriebenen Ausführungsbeispiele und die darin hervor gehobenen Aspekte beschränkt. Vielmehr ist innerhalb des durch die Ansprüche angegebenen Bereichs eine Vielzahl von Abwandlungen möglich, die im Rahmen des fachmännischen Handelns liegen.
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

EP 2675000 A1 [0006]
US 2010/0028770 A1 [0007]
US 2013/0288092 A1 [0008]

Claims

Batteriezelle (2), umfassend ein prismatisch ausgebildetes Zellengehäuse (3) mit einer Deckfläche (31), an welcher ein negatives Terminal (11) und ein positives Terminal (12) angeordnet sind, und mindestens einen innerhalb des Zellengehäuses (3) angeordneten Elektrodenwickel (10) mit einer Kathode (14), welche Kathodenkontaktfahnen (24) aufweist, und mit einer Anode (16), welche Anodenkontaktfahnen (26) aufweist, dadurch gekennzeichnet, dass die Kathodenkontaktfahnen (24) und die Anodenkontaktfahnen (26) sich nebeneinander von dem Elektrodenwickel (10) auf genau eine Stirnfläche (35, 36) des Zellengehäuses (3) zu erstrecken, und dass die Stirnfläche (35, 36) rechtwinklig zu der Deckfläche (31) verläuft.
Batteriezelle (2) nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das Zellengehäuse (3) quaderförmig ausgebildet ist und sechs Flächen (31, 32, 33, 34, 35, 36) mit drei verschieden großen Flächeninhalten aufweist, wobei jeweils zwei Flächen (31, 32, 33, 34, 35, 36) mit gleich großen Flächeninhalten einander gegenüber liegen.
Batteriezelle (2) nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Kathodenkontaktfahnen (24) und die Anodenkontaktfahnen (26) sich auf die erste Stirnfläche (35) des Zellengehäuses (3) zu erstrecken, wobei die erste Stirnfläche (35) und die der ersten Stirnfläche (35) gegenüberliegende zweite Stirnfläche (36) einen kleinsten Flächeninhalt der Flächen (31, 32, 33, 34, 35, 36) des Zellengehäuses (3) aufweisen.
Batteriezelle (2) nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Deckfläche (31) und eine der Deckfläche (31) gegenüberliegende Bodenfläche (32) einen mittelgroßen Flächeninhalt der Flächen (31, 32, 33, 34, 35, 36) des Zellengehäuses (3) aufweisen.
Batteriezelle (2) nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass die Kathodenkontaktfahnen (24) oder die Anodenkontaktfahnen (26) elektrisch mit einem Kollektor (51) verbunden sind, welcher sich zwischen dem Elektrodenwickel (10) und der Bodenfläche (32), sowie zwischen dem Elektrodenwickel (10) und der zweiten Stirnfläche (36) erstreckt.
Batteriezelle (2) nach einem der Ansprüche 2 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass die Kathodenkontaktfahnen (24) oder die Anodenkontaktfahnen (26) elektrisch mit einem Kollektor (51) verbunden sind, welcher sich zwischen dem Elektrodenwickel (10) und einer Frontfläche (33, 34) erstreckt, wobei die Frontflächen (33, 34) einen größten Flächeninhalt der Flächen (31, 32, 33, 34, 35, 36) des Zellengehäuses (3) aufweisen.
Batteriezelle (2) nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Zellengehäuse (3) elektrisch isolierend ausgeführt ist
Batteriezelle (2) nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass das Zellengehäuse (3) elektrisch leitend ausgeführt ist.
Batteriezelle (2) nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass die Kathodenkontaktfahnen (24) oder die Anodenkontaktfahnen (26) elektrisch mit dem Zellengehäuse (3) verbunden sind.
Batteriezelle (2) nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass zwischen den Kathodenkontaktfahnen (24) und den Anodenkontaktfahnen (26) eine Isolationsfolie (21) vorgesehen ist, welche sich auf die Stirnfläche (35, 36) des Zellengehäuses (3) zu erstreckt.
Batteriezelle (2) nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, dass die Kathode (14) und die Anode (16) unter Zwischenlage mindestens eines Separators (18, 19) zu dem Elektrodenwickel (10) gewickelt sind, und dass die Isolationsfolie (21) durch den mindestens einen Separator (18, 19) gebildet ist.
Batteriesystem, umfassend mindestens eine Batteriezelle (2) nach einem der vorstehenden Ansprüche.
Verwendung einer Batteriezelle (2) nach einem der Ansprüche 1 bis 11 in einem Elektrofahrzeug (EV), in einem Hybridfahrzeug (HEV), oder in einem Plug-In-Hybridfahrzeug (PHEV).