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Die Erfindung betrifft eine Batterie für Fahrzeuge mit Schutz vor Funkenbildung, die für automotive Anwendungen, beispielsweise als Antriebsbatterie für Fahrzeuge, einsetzbar ist.
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Eine Fahrzeugbatterie umfasst üblicherweise mehrere einzelne galvanische Zellen, die sogenannten Batteriezellen. Um aus den Batteriezellen eine Batterie aufzubauen, können die einzelnen Batteriezellen elektrisch in Serie geschaltet werden.
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Derzeit gebräuchliche Batteriezellen für automotive Anwendungen als Antriebsbatterie für Fahrzeuge sind oft in metallischen Gehäusen angeordnet. Das Gehäuse der Batterie kann beispielsweise aus Aluminium gefertigt sein. Aus Gründen der Korrosionsbeständigkeit wird das elektrische Potential der Kathode einer Batterie häufig auf das Gehäuse gelegt. Das Gehäuse wird oftmals auch selbst als Kathodenanschluss eingesetzt. Eine weitere oft übliche Konfiguration einer Batterie besteht in der Verwendung eines Edelstahlgehäuses, das mit dem Anodenpotential verbunden wird.
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Die unmittelbare Verbindung des äußeren Anoden- beziehungsweise Kathodenanschlusses mit dem Gehäuse der Batterie wirkt sich zwar vorteilhaft auf die Korrosionsbeständigkeit des Batteriegehäuses aus. Eine Anordnung, bei der das Gehäuse der Batterie und eine Elektrode direkt miteinander verschaltet sind, hat jedoch Nachteile in Bezug auf die Zellsicherheit, vor allem bei einer Nageltest-Prüfung, bei der ein Nagel durch die Batteriezelle getrieben wird. Dies ist dadurch bedingt, dass die gute elektrische Anbindung des äußeren Anoden- beziehungsweise Kathodenanschlusses an das Gehäuse der Batterie während der Nageltest-Prüfung hohe Stromflüsse zulässt. In vielen Fällen werden dadurch Funkenbildungen und somit Zündquellen verursacht.
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Ein Anliegen der vorliegenden Erfindung ist es, eine Batterie für Fahrzeuge anzugeben, bei der eine Funkenbildung, beispielsweise bei der Durchführung einer Nageltest-Prüfung, weitestgehend vermieden werden kann und die somit eine hohe Zellsicherheit aufweist.
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Eine Ausführungsform einer derartigen Batterie für Fahrzeuge mit Schutz vor Funkenbildung ist im Patentanspruch 1 angegeben. Die Fahrzeugbatterie umfasst ein Gehäuse, eine Anode und eine Kathode, die jeweils innerhalb des Gehäuses angeordnet sind. Weiter umfasst die Batterie einen Anodenanschluss, der mit der Anode verbunden ist, und einen Kathodenanschluss, der mit der Kathode verbunden ist. Der Anodenanschluss und der Kathodenanschluss sind auf einer äußeren Oberfläche des Gehäuses der Batterie derart angeordnet, dass zwischen dem Anodenanschluss und der äußeren Oberfläche des Gehäuses der Batterie und zwischen dem Kathodenanschluss und der äußeren Oberfläche des Gehäuses der Batterie jeweils eine Isolationsschicht vorhanden ist.
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Gemäß dem vorgeschlagenen Batteriekonzept werden vorteilhaft sowohl der äußere Anodenanschluss als auch der äußere Kathodenanschluss elektrisch gegen das Zellgehäuse isoliert. Dadurch treten beispielsweise bei Nageltest-Prüfungen zwischen dem Gehäuse der Batterie und den äußeren Kontaktanschlüssen nur noch geringe Stromflüsse auf, sodass eine Funkenbildung und somit Zündquellen weitestgehend vermieden werden können, wodurch die Zellsicherheit der Batterie erhöht wird.
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Gemäß einer weiteren Ausführungsform der Batterie kann mindestens eine der Anode oder der Kathode, das heißt entweder die Anode oder die Kathode, über einen definierten Widerstand an das Gehäuse der Batterie angebunden werden. Beispielsweise kann ein definierter Kontaktwiderstand im Inneren der Batteriezelle zwischen die Anode und das Gehäuse geschaltet werden. Bei einer anderen Ausführungsform kann ein definierter Kontaktwiderstand im Inneren der Batteriezelle zwischen die Kathode und das Gehäuse geschaltet werden. Der Widerstand kann beispielsweise im Inneren des Gehäuses der Batterie an einer Seite an die Anode oder die Kathode angeschlossen sein und mit der anderen Seite mit der inneren Oberfläche des Gehäuses der Batterie verbunden sein. Vorzugsweise kann der Kontaktwiderstand einen Widerstandsbereich zwischen 0,1 mΩ und 400 GΩ aufweisen.
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Durch das Widerstandselement wird das Gehäuse der Batterie auf ein definiertes Potential gelegt, das von dem Anodenpotential abhängig ist, wenn das Widerstandselement zwischen der Anode und dem Gehäuse im Inneren der Batteriezelle angeordnet ist. Gemäß einer weiteren Ausführungsform kann das Gehäuse durch das Widerstandselement auf ein definiertes Potential, das von dem Kathodenpotential abhängig ist, gelegt werden, wenn das Widerstandselement im Inneren der Batterie zwischen der Kathode und dem Gehäuse angeordnet ist.
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Durch die definierte Anbindung des Gehäuses an die Anode oder die Kathode kann erreicht werden, dass ein fixiertes Spannungspotential am Gehäuse anliegt. Dies wirkt sich vorteilhaft auf die Korrosionsbeständigkeit des Gehäuses der Batterie aus. Durch das Anordnen einer elektrischen Isolation zwischen dem äußeren Anoden- und Kathodenanschluss und dem Vorsehen eines definierten Kontaktwiderstands zwischen mindestens einer der Anode und der Kathode im Inneren der Batteriezelle und dem Gehäuse lässt sich das Verhalten der Batteriezelle gezielt beeinflussen. Der Widerstand zwischen dem Anoden- beziehungsweise Kathodenanschluss und dem Gehäuse, welcher den Stromfluss bei einer Nageltest-Prüfung bestimmt, wird eine einstellbare Größe.
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Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung werden im Folgenden anhand von Figuren anschaulich näher erläutert. Es zeigen:
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1 eine erste Ausführungsform einer Batterie für Fahrzeuge mit hoher Zellsicherheit in Bezug auf Funkenbildung und Zündquellen.
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2 eine zweite Ausführungsform einer Batterie für Fahrzeuge mit hoher Zellsicherheit in Bezug auf Funkenbildung und Zündquellen.
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Die 1 und 2 zeigen jeweils einen Querschnitt einer Fahrzeugbatterie 1 mit Schutz vor Funkenbildung. Die Batterie 1 weist mindestens eine Batteriezelle auf, die in den 1 und 2 dargestellt ist. Die mindestens eine Batteriezelle kann als eine Lithium-Ionenzelle ausgebildet sein.
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Die in 1 gezeigte Batterie 1 umfasst ein Gehäuse 10 sowie eine Anode 20 und eine Kathode 30, die innerhalb des Gehäuses 10 angeordnet sind. Das Gehäuse weist ein metallisches Material auf. Die Anode 20 und die Kathode 30 sind im Inneren des Gehäuses 10 von einem Elektrolyt, der zwischen der Anode 20 und der Kathode 30 einen elektrochemisch aktiven Bereich 80 bildet, umgeben. Die Anode 20 und die Kathode 30 können als plattenförmige Elektroden innerhalb des Gehäuses 10 angeordnet sein.
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Die Batterie umfasst des Weiteren einen äußeren Anodenanschluss 40 und einen äußeren Kathodenanschluss 50 zum Abgreifen einer Spannung an der Batterie. Der Anodenanschluss 40 ist mit der im Inneren der Batterie angeordneten Anode 20 verbunden ist. Der Kathodenanschluss 50 ist mit der im Inneren der Batterie angeordneten Kathode 30 verbunden ist.
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Zwischen dem Anodenanschluss 40 und einer äußeren Oberfläche O10 des Gehäuses 10 als auch zwischen dem Kathodenanschluss 50 und der äußeren Oberfläche O10 des Gehäuses 10 ist jeweils eine Isolationsschicht 60 angeordnet. Wie in 1 gezeigt ist, kann die Isolationsschicht 60 unmittelbar auf der äußeren Oberfläche O10 des Gehäuses unter dem Anodenanschluss 40 und unter dem Kathodenanschluss 50 angeordnet sein. Isolationsschicht 60 kann auf den Bereich des Anodenanschlusses 40 und auf den Bereich des Kathodenanschlusses 50 begrenzt sein. Somit weist das Gehäuses zwei voneinander getrennte Isolationsbereiche auf, von denen einer unter dem Anodenanschluss 40 und der andere unter dem Kathodenanschluss 50 angeordnet ist.
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Aufgrund der Isolationsschicht 60 ist das Gehäuse 10 sowohl von dem äußeren Anodenanschluss 40 als auch von dem äußeren Kathodenanschluss 50 elektrisch isoliert. Die Isolationsschicht 60 kann beispielsweise ein geeignetes Kunststoffmaterial, beispielsweise Polyprophylen, enthalten. Die Dicke des Materials der Isolationsschicht ist derart gewählt, dass zwischen den beiden äußeren Zellanschlüssen 40 und 50 einerseits und dem Gehäuse 10 andererseits eine elektrische Isolation gewährleistet ist.
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Aufgrund der elektrischen Isolation des Gehäuses 10 von dem äußeren Anodenanschluss 40 und dem äußeren Kathodenanschluss 50 können zwischen den äußeren Anschlüssen 40, 50 und dem Gehäuse 10 keine oder nur noch geringe Stromflüsse auftreten. Dies wirkt sich vorteilhaft bei Batterieprüfungen, beispielsweise bei Nageltest-Prüfungen, aus. Aufgrund der elektrischen Isolation zwischen dem äußeren Anoden- und Kathodenanschluss 40, 50 und dem Zellgehäuse 10 können bei einer derartigen Nageltest-Prüfung der Batterie hohe Stromflüsse vermieden werden, sodass eine Funkenbildung und somit das Entstehen von Zündquellen während des Tests weitestgehend ausgeschlossen werden können.
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Um zu vermeiden, dass das Gehäuse 10 der Batterie aufgrund der elektrischen Isolation auf einem undefinierten Potential liegt, ist gemäß einer weiteren vorteilhaften Ausführungsform der Batterie 1 zwischen dem Gehäuse 10 und mindestens einer der Anode 20 und der Kathode 30 ein Widerstandselement 70 angeordnet.
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Gemäß der in 1 dargestellten Ausführungsform der Batterie ist das Widerstandselement 70 im Inneren der Batterie zwischen der Anode 20 und dem Gehäuse 10 beziehungsweise zwischen der Anode 20 und einer inneren Oberfläche I10 des Gehäuses 10 angeordnet. Das Widerstandelement 70 stellt zwischen dem Gehäuse 10 und der Anode 20 einen definierten Kontaktwiderstand her. Durch die Anbindung des Gehäuses 10 über das Widerstandselement 70 an die Anode 20 kann das Gehäuse 10 auf ein definiertes Potential, das von dem Anodenpotential abhängig ist, gelegt werden.
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Dadurch liegt ein fixiertes Potential am Gehäuse 10 an, wodurch insbesondere die Korrosionsbeständigkeit des Gehäuses 10 erhöht wird. Der Widerstand zwischen dem äußeren Zellanschluss 40 und dem Zellgehäuse 10, welcher beispielsweise bei einer Nageltest-Prüfung den Stromfluss bestimmt, wird somit eine einstellbare Größe. Dadurch lässt sich das Verhalten der Batteriezelle gezielt beeinflussen.
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Das Widerstandselement 70 kann vorzugsweise einen Widerstand in einem Bereich zwischen 0,1 mΩ und 400 GΩ aufweisen. Das Widerstandselement 70 kann beispielsweise als ein Draht/ Bonddraht ausgebildet sein, der die Anode 20 mit der inneren Oberfläche I10 des Gehäuses 10 verbindet. Eine weitere Möglichkeit ist, das Widerstandselement als eine dünne leitfähige Schicht, beispielsweise mit einer Dicke im Bereich von 50 nm bis 5 mm, auszubilden. Das Widerstandselement 70 ist innerhalb des Gehäuses 10 vorzugsweise außerhalb des elektrochemisch aktiven Bereichs 80 angeordnet. Gemäß einer weiteren möglichen Ausführungsform kann das Widerstandselement 70 auch innerhalb des elektrochemisch aktiven Bereichs 80 angeordnet sein.
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2 zeigt eine zweite mögliche Ausführungsform der Fahrzeugbatterie 1 mit Schutz vor Funkenbildung. Die Batterie umfasst das Gehäuse 10 sowie die Anode 20 und die Kathode 30, die innerhalb des Gehäuses 10 angeordnet sind. Die Anode 20 und die Kathode 30 können jeweils als eine Plattenelektrode ausgebildet sein. Das Gehäuse 10 weist ein metallisches Material auf. Im Inneren des Gehäuses 10 sind die Anode 20 und die Kathode 30 von einem Elektrolyt umgeben, sodass zwischen der Anode 20 und der Kathode 30 ein elektrochemisch aktiver Bereich 80 vorhanden ist.
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Auf einer äußeren Oberfläche O10 des Gehäuses 10 weist die Batterie 1 einen Anodenanschluss 40 sowie einen Kathodenanschluss 50 zum Abgreifen der von der Batterie erzeugten Spannung auf. Der Anodenanschluss 40 ist mit der im Inneren des Gehäuses 10 angeordneten Anode 20 verbunden. Der Kathodenanschluss 50 ist mit der im Inneren des Gehäuses 10 angeordneten Kathode 30 verbunden. Zwischen dem Anodenanschluss 40 und der äußeren Oberfläche O10 des Gehäuses 10 als auch zwischen dem Kathodenanschluss 50 und der äußeren Oberfläche O10 des Gehäuses 10 ist jeweils eine Isolationsschicht 60 vorhanden. Auch bei der in 2 dargestellten Ausführungsform der Batterie ist die Isolationsschicht 60 derart ausgebildet, dass das Gehäuse 10 von dem Anodenanschluss 40 und dem Kathodenanschluss 50 elektrisch isoliert ist. Die Isolationsschicht 60 kann ein Kunststoffmaterial, beispielsweise ein Material aus Polyprophylen, enthalten.
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Wie bereits anhand von 1 erläutert, so ist auch bei der in 2 gezeigten Ausführungsform der Batterie sowohl der Anodenanschluss 40 als auch der Kathodenanschluss 50 elektrisch gegen das Zellgehäuse 10 isoliert. Die Isolation bewirkt, dass das Zellgehäuse nicht direkt mit den elektrochemisch reaktiven Schichten leitend verbunden ist, sodass bei Batterietests, wie beispielsweise einer Nageltest-Prüfung, zwischen der Anoden 20 beziehungsweise der Kathode 30 und dem Zellgehäuse 10 nur kleine Ströme fließen können. Dadurch kann eine Funkenbildung, durch die eine Zündquelle verursacht würde, wirksam vermieden werden.
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Wenn das Zellgehäuse 10 vollständig gegenüber der Anode 20 und der Kathode 30 elektrisch isoliert wäre, würde das Zellgehäuse 10 allerdings auch bei der in 2 gezeigten Ausführungsform auf einem undefinierten Potentialzustand liegen.
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Im Hinblick auf eine Korrosion des Gehäuses 10 ist dieser Zustand jedoch nicht empfehlenswert.
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Gemäß einer möglichen in 2 gezeigten Ausführungsform der Batterie 1 kann zwischen dem Gehäuse 10 und der Kathode 30 ein Widerstandselement 70 angeordnet sein. Durch das Widerstandselement 70 liegt das Gehäuse 10 auf einem definierten Potential, das in diesem Fall von dem Kathodenpotential abhängig ist. Das Widerstandselement 70 stellt einen definierten Kontaktwiderstand zwischen der Kathode 30 und dem Zellgehäuse 10 der Batterie her. Der Kontaktwiderstand kann sehr hochohmig sein und beispielsweise Widerstandswerte zwischen 0,1 mΩ und 400 GΩ aufweisen. Ähnlich wie bei der in 1 gezeigten Ausführungsform kann das Widerstandselement 70 beispielsweise als ein Draht/Bonddraht oder als eine dünne leitfähige Schicht, beispielsweise mit einer Schichtdicke im Bereich von 50 nm bis 5 mm, ausgebildet sein, der/die die Kathode 30 mit dem Gehäuse 10 elektrisch verbindet. Vorzugsweise ist das Widerstandselement 70 im Inneren der Batteriezelle außerhalb des elektrochemisch aktiven Bereichs 80 angeordnet. Es besteht auch die Möglichkeit, das Widerstandselement innerhalb des elektrochemisch aktiven Bereichs anzuordnen.
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Auch bei der in 2 gezeigten Ausführungsform der Batterie wird durch die aufgrund des Widerstandselements 70 definierte Anbindung des Gehäuses 10 an die Kathode 30 erreicht, dass ein fixiertes Potential am Zellgehäuse 10 anliegt. Dadurch wird der Widerstand zwischen der Kathode 50 und dem Gehäuse 10, welcher den Stromfluss insbesondere bei einer Nageltest-Prüfung bestimmt, eine einstellbare Größe. In Abhängigkeit von dem Widerstandswert des Widerstandselements 70 lässt sich somit auch bei der in 2 gezeigten Ausführungsform das Verhalten der Batterie gezielt beeinflussen.
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Bezugszeichenliste
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- 1
- Batterie
- 10
- Gehäuse der Batterie
- 20
- Anode
- 30
- Kathode
- 40
- Anodenanschluss
- 50
- Kathodenanschluss
- 60
- Isolationsschicht
- 70
- Widerstandselement
- 80
- elektrochemisch aktiver Bereich
