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Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf eine Batteriezelle mit einem dreiseitig-prismatischen Gehäuse, auf ein Batteriemodul und auf eine Batterie sowie auf eine Verwendung derselben nach dem Oberbegriff der unabhängigen Ansprüche.
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Stand der Technik
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Eine Batteriezelle ist ein elektrochemischer Energiespeicher, der bei seiner Entladung die gespeicherte chemische Energie durch eine elektrochemische Reaktion in elektrische Energie umwandelt. Es zeichnet sich ab, dass in der Zukunft sowohl bei stationären Anwendungen, wie Windkraftanlagen, in Kraftfahrzeugen, die als Hybrid- oder Elektrokraftfahrzeuge ausgelegt sind, wie auch bei Elektronikgeräten neue Batteriesysteme zum Einsatz kommen werden, an die sehr hohen Anforderungen bezüglich Zuverlässigkeit, Sicherheit, Leistungsfähigkeit und Lebensdauer gestellt werden.
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Aufgrund ihrer großen Energiedichte sowie ihrer geringen Selbstentladung werden insbesondere Lithiumionen-Batterien als Energiespeicher für elektrisch angetriebene Kraftfahrzeuge verwendet.
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Für Hochleistungsenergiesysteme, beispielsweise zur Verwendung in Kraftfahrzeugen, werden mehrere Batteriezellen mechanisch zu Modulen zusammengefügt, und beispielsweise miteinander parallel- oder in Reihe geschaltet. Aus solchen Batteriemodulen werden beispielsweise Batteriepacks aufgebaut. Die kleinste Einheit eines Batteriepacks bilden zwei Batteriemodule. Eine Batterie umfasst beispielsweise ein oder mehrere Batteriezellen, Batteriemodule oder Batteriepacks.
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Übliche Bauformen bekannter Batteriezellen sind Rundzellen, quadratisch-prismatische Batteriezellen, Pouchzellen sowie Knopfzellen.
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In
JP2008-066089 ist eine Sekundärbatterie offenbart, welche ein gleichseitig dreieckiges Batteriegehäuse aufweist innerhalb welchem eine Anode, ein Separator und eine Kathode untergebracht sind.
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Offenbarung der Erfindung
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Erfindungsgemäß wird eine Batteriezelle, insbesondere eine Lithiumionen-Batteriezelle, mit einem dreiseitig-prismatischen Gehäuse, ein Batteriemodul, eine Batterie sowie die Verwendung derselben mit den kennzeichnenden Merkmalen der unabhängigen Ansprüche bereitgestellt.
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Die Batteriezelle, insbesondere Lithiumionen-Batteriezelle, umfasst ein dreiseitig-prismatisches Gehäuse mit zwei Bodenflächen und drei Seitenflächen. Hierbei sind ein positives Terminal und ein negatives Terminal zumindest teilweise durch je eine Seitenfläche oder Bodenfläche der Batteriezelle gebildet. Vorteilhaft hierbei ist, dass so eine großflächige elektrische Kontaktierung möglich ist, welche einfach, schnell und effektiv realisiert werden kann. Desweiteren entfallen Bauteile wie beispielsweise separate Terminals herkömmlicher Batteriezellen, welche nicht durch Gehäuseflächen realisiert sind, Dichtungen sowie Isolierungen der Terminals. Hierdurch werden zum einen Arbeitsschritte und zum anderen Zeit und Kosten eingespart. Desweiteren sind die Gehäuseflächen, an welchen ein elektrisches Potential anliegt vor Korrosion geschützt.
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Weitere vorteilhafte Ausführungsformen ergeben sich aus den Unteransprüchen.
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In einer vorteilhaften Ausführungsform ist die teilweise als Terminal ausgebildete Seitenfläche oder Bodenfläche in einem mittigen Bereich der jeweiligen Seitenfläche oder Bodenfläche als Terminal ausgebildet und der Randbereich der jeweiligen Seitenfläche oder Bodenfläche ist aus einem elektrisch isolierenden Material ausgebildet. Vorteilhaft hierbei ist, dass die durch den mittigen Bereich der Seitenflächen oder Bodenflächen gebildeten Terminals auf diese Weise elektrisch voneinander isoliert sind, sodass es zu keinem Kurzschluss zwischen diesen kommen kann. Hierdurch wird die Sicherheit der Batteriezelle erhöht.
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Das Gehäuse umfasst beispielsweise ein starres Gehäuse. Alternativ weist die Batteriezelle ein flexibles Gehäuse auf. Das Gehäuse der Batteriezelle umfasst beispielsweise Aluminium, Stahl und/oder Kunststoff. Das elektrisch isolierende Material des Randbereichs der Seitenfläche umfasst beispielsweise Kunststoff, bevorzugt ein Polyolefin, insbesondere ein Polyethylen, ein Polypropylen, ein Polyethylenterephthalat oder ein Polykarbonat.
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In einer weiteren vorteilhaften Ausführungsform weisen die drei Seitenflächen des Gehäuses der Batteriezelle eine rechteckige Grundfläche auf und die zwei Bodenflächen des Gehäuses der Batteriezelle weisen eine dreieckige Grundfläche auf. Hierbei ist das positive Terminal zumindest teilweise durch eine erste Seitenfläche des Gehäuses der Batteriezelle gebildet und das negative Terminal ist zumindest teilweise durch eine zweite Seitenfläche des Gehäuses der Batteriezelle gebildet. Vorteilhaft hierbei ist, dass auf diese Weise die Aneinanderreihung sowie elektrische Kontaktierung der Batteriezelle mit weiteren Batteriezellen sehr einfach realisiert werden kann.
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In einer weiteren vorteilhaften Ausführungsform weist das Gehäuse der Batteriezelle zumindest teilweise eine zusätzliche Versteifung auf. Das Material der zusätzlichen Versteifung ist beispielsweise ein nicht elektrisch leitender Kunststoff, insbesondere in Form von Kunststoffplatten. Der elektrisch nicht leitende Kunststoff ist bevorzugt auf einer Außenseite des Gehäuses angebracht, alternativ ist der Kunststoff auf einer Innenseite des Gehäuses der Batteriezelle angebracht.
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Vorteilhaft hierbei ist, dass das Gehäuse der Batteriezelle auf diese Weise biegesteif und robust ist, wodurch die Komponenten im Inneren der Batteriezelle gut geschützt sind.
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In einer Ausführungsform weisen lediglich die drei Seitenflächen des Gehäuses der Batteriezelle eine zusätzliche Versteifung auf.
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In einer weiteren Ausführungsform liegen eine Anode, ein Separator und eine Kathode der Batteriezelle aufeinander gestapelt vor. Vorteilhaft hierbei ist, dass der Elektrolyt bei Lade- und Entladezyklen leicht aus dem Elektrodenbereich, umfassend mindestens die Anode, den Separator und die Kathode, ausgedrückt bzw. eingesogen werden kann. Dadurch wird der Abstand zwischen Anode und Kathode minimiert wodurch die Funktionsfähigkeit der Batteriezelle erhöht ist.
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In einer alternativen Ausführungsform liegen die Anode, der Separator und die Kathode ineinander aufgewickelt vor als eine so genannte jellyroll. Weiterhin alternativ weist der Separator eine zickzack-Faltung auf, wobei die Anode und die Kathode jeweils abwechselnd zwischen zwei gefaltete Separatorblätter eingebracht sind. Desweiteren können die Anode, der Separator und die Kathode miteinander laminiert sein.
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Die vorgeschlagene dreiseitig-prismatische Zellgeometrie eignet sich für Batteriezellen mit einem flüssigen Elektrolyten sowie auch für Batteriezellen mit einem Feststoffelektrolyten.
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In einer besonders bevorzugten Ausführungsform ist ein Batteriemodul offenbart, welches zumindest zwei erfindungsgemäße Batteriezellen umfasst, welche zusammen eine flächige Anordnung bilden, indem die Batteriezellen mit jeweils einer der Seitenflächen aneinander anliegen. Hierbei liegt beispielsweise eine erste Seitenfläche einer ersten Batteriezelle, welche zumindest teilweise ein positives Terminal bildet an einer zweiten Seitenfläche einer zweiten Batteriezelle an, welche zumindest teilweise ein negatives Terminal bildet.
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Vorteilhaft hierbei ist, dass auf diese Weise großflächige Batteriemodule und Batteriepacks erhalten werden, welche eine geringe Bauhöhe haben. Desweiteren vorteilhaft ist, dass solche Batteriemodule und Batteriepacks durch die in einer dreieckigen Form aneinander liegenden Gehäuse der Batteriezellen eine deutlich höhere mechanische Stabilität aufweisen im Vergleich zu herkömmlichen Batteriemodulen und Batteriepacks aus Rundzellen, quadratisch-prismatischen Batteriezellen oder Pouchzellen.
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Durch den Verband der dreiecksförmigen Batteriezellen wird die Fläche ausgesteift, wodurch wiederum die Fahrzeugkarosserie eine Versteifung erfährt.
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Durch das dreiseitig-prismatische Gehäuse der Batteriezellen wird ein diese enthaltendes Batteriemodul bzw. ein diese enthaltendes Batteriepack, versteift. Hierdurch kann das Batteriemodul bzw. der Batteriepack nicht so einfach beschädigt werden, beispielsweise durch stoßartige Kräfte, welche von außen auf die Batteriezelle einwirken. Entsprechende stoßartige Kräfte erfährt beispielsweise ein in ein Batteriesystem eines Fahrzeugs eingebautes Batteriemodul oder Batteriepack beispielsweise bei einem Aufprall, verursacht beispielsweise durch einen Unfall, oder bei der Fortbewegung auf unebenen Fahrbahnen. Mittels der vorgeschlagenen Zellgeometrie wird das Innenleben der Batteriezelle somit geschützt und die Gefahr einer Batteriezellschädigung erheblich reduziert, was zusätzliche Sicherheit für Insassen eines Fahrzeuges bedeutet.
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Desweiteren vorteilhaft ist, das durch die Stabilität des Batteriemoduls bzw. Batteriepacks aufgrund des dreiseitig-prismatischen Zelldesigns die Gehäuse der einzelnen Batteriezellen leichter ausgeführt werden können, beispielsweise indem das Gehäuse selbst eine geringere Dicke aufweist oder indem ein leichteres Material für das Gehäuse verwendet wird.
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Großflächige Batteriemodule und Batteriepacks mit geringer Bauhöhe, einer hohen mechanischen Stabilität und einem geringen Gewicht sind beispielsweise besonders vorteilhaft für rein elektrisch betriebene Fahrzeuge.
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In einer weiteren bevorzugen Ausführungsform ist eine Kühleinheit an einer Bodenfläche oder an einer Seitenfläche des Gehäuses der Batteriezelle angebracht. In einer bevorzugten Ausführungsform ist die Kühleinheit an einer dritten Seitenfläche der Batteriezellen angebracht. Vorteilhaft hierbei ist, dass die Kühleinheit geradflächig ausgeführt sein kann. Die Kühleinheit ist beispielsweise flächig auf einer Seite des Batteriemoduls bzw. des Batteriepacks angeordnet. In einer bevorzugten Ausführungsform ist beidseitig des Batteriemoduls bzw. des Batteriepacks eine Kühleinheit angeordnet, sodass jede Batteriezelle mit deren dritten Seitenfläche an einer Kühleinheit anliegt.
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In einer alternativen Ausführungsform ist die Kühleinheit jeweils zwischen den aneinander angrenzenden Batteriezellen angeordnet. Das positive und das negative Terminal sind in diesem Fall beispielsweise durch die Bodenflächen ausgebildet. Vorteilhaft hierbei ist, dass jede Batteriezelle an zwei Seitenflächen gekühlt wird und die Kühlwirkung somit sehr effektiv ist.
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Beiden Ausführungsformen zur Platzierung der Kühleinheit ist gemein, dass eine großflächige und somit sehr gute thermische Anbindung der Batteriezellen an die Kühleinheit gewährleistet ist.
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Desweiteren ist eine Batterie offenbart, welche zumindest eine erfindungsgemäße Batteriezelle und/oder zumindest ein erfindungsgemäßes Batteriemodul umfasst.
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In einer besonders bevorzugten Ausführungsform ist die Höhe der Batterie kleiner als 10 cm und die Länge, und insbesondere die Breite, der Batterie ist größer als 10 cm. Diese Bauform ist insbesondere für rein elektrisch betriebene Fahrzeuge sehr gut geeignet.
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Desweiteren ist die Verwendung einer erfindungsgemäßen Batterie in einem Elektrofahrzeug, in einem Hybridfahrzeug oder in einem Plug-In-Hybridfahrzeug Gegenstand der vorliegenden Erfindung. Alternativ findet die Batterie beispielsweise Anwendung in Schiffen, Zweirädern, Flugzeugen, stationären Energiespeichern, Elektrowerkzeugen, Unterhaltungselektronik, Smartphones und/oder Haushaltsgeräten.
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Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung sind in der Zeichnung dargestellt und in der nachfolgenden Figurenbeschreibung näher erläutert. Es zeigt:
- 1: die schematische Darstellung einer erfindungsgemäßen Batteriezelle mit drei Seitenflächen, wobei eine erste Seitenfläche der Batteriezelle als positives Terminal ausgebildet ist und eine zweite Seitenfläche der Batteriezelle als negatives Terminal ausgebildet ist, und
- 2: die schematische Darstellung eines erfindungsgemäßen Batteriemoduls mit drei Batteriezellen gemäß 1.
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Ausführungsformen der Erfindung
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In 1 ist eine Batteriezelle 10 mit einem dreiseitig-prismatisches Gehäuse dargestellt. Das Gehäuse umfasst zwei Bodenflächen 1, eine erste Seitenfläche 3a, eine zweite Seitenfläche 3b und eine dritte Seitenfläche 3c. Die Bodenflächen 1 des Gehäuses der Batteriezelle 10 weisen eine dreieckige Grundfläche auf und die Seitenflächen 3a, 3b, 3c weisen eine rechteckige Grundfläche auf. Ein positives Terminal 5a und ein negatives Terminal 5b sind in 1 teilweise durch die erste Seitenfläche 3a und die zweite Seitenfläche 3b der Batteriezelle 10 gebildet. Hierbei sind die Terminals 5a, 5b jeweils in einem mittigen Bereich 33a, 33b der ersten Seitenfläche 3a und der zweiten Seitenfläche 3b ausgebildet, während ein Randbereich 333 der ersten Seitenfläche 3a und der zweiten Seitenfläche 3b jeweils aus einem elektrisch isolierenden Material ausgebildet ist. In 1 sind die Seitenlängen a, b, und c eingezeichnet, welche die Bodenfläche 1 begrenzen, sowie die Seitenlänge d, welche zusammen mit einer der Seitenlängen a, b oder c je eine Seitenfläche 3a, 3b, 3c begrenzt. Die Seitenlängen a, b und d sind beliebig variierbar. Hierbei bleibt die Seitenlänge c gleich lang ist wie die Seitenlänge b. In einer bevorzugten Ausführungsform ist die Seitenlänge d länger als die Seitenlänge a.
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In einer nicht in 1 dargestellten Ausführungsform weist das Gehäuse der Batteriezelle 10 zumindest teilweise eine zusätzliche Versteifung auf.
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In 2 ist ein erfindungsgemäßes Batteriemodul 100 mit drei Batteriezellen 10a, 10b, 10c gemäß 1 dargestellt. Die drei Batteriezellen 10a, 10b, 10c stehen beispielhaft für eine beliebige Anzahl an Batteriezellen beginnend ab zwei. Die erste Batteriezellen 10a und die dritte Batteriezelle 10c sind nebeneinander angeordnet, sodass deren dritte Seitenflächen 3c nach unten weisen. In den zwischen diesen entstehenden dreiecksförmigen Spalt ist eine zweite Batteriezelle 10b so eingebracht, dass deren dritte Seitenfläche 3c nach oben weist. Die Batteriezellen 10a, 10b, 10c bilden auf diese Weise zusammen eine flächige Anordnung. Hiermit ist gemeint, dass das Batteriemodul 100 oben und unten eine gerade Fläche aufweist, welche jeweils durch die dritten Seitenflächen 3c aneinander anliegender Batteriezellen 10 gebildet ist. Hierbei liegt eine erste Seitenfläche 3a einer ersten Batteriezelle 10a, welche zumindest teilweise als positives Terminal 5a ausgebildet ist, an einer zweiten Seitenfläche 3b einer zweiten Batteriezelle 10b an, welche zumindest teilweise ein negatives Terminal 5b bildet. Die erste Seitenfläche 3a der zweiten Batteriezelle 10b, welche zumindest teilweise als positives Terminal 5a ausgebildet ist, liegt wiederum an der zweiten Seitenfläche 3b der dritten Batteriezelle 10c an, welche zumindest teilweise als negatives Terminal 5b ausgebildet ist und so weiter. Auf diese Weise sind die Batteriezellen 10a, 10b, 10c des Batteriemoduls 100 elektrisch miteinander kontaktiert. In 2 ist nur das positive Terminal 5a der dritten Batteriezelle 10c dargestellt, die anderen Terminals 5a, 5b sind in 2 verdeckt.
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Bei der ersten Batteriezelle 10a ist das Gehäuse an der zum Betrachter zeigenden Bodenfläche 1 nicht dargestellt, sodass die aufeinandergestapelten Anoden 12, Separatoren 13 und Kathoden 14 sichtbar sind. Die Kontaktierung der Anoden 12 bzw. Kathoden 14 mit dem positiven Terminal 5a bzw. dem negativen Terminal 5b ist in 2 nicht dargestellt. Es soll hier lediglich verdeutlicht werden, wie die aufeinander gestapelten Anoden 12, Separatoren 13 und Kathoden 14 in der ersten Batteriezelle 10a angeordnet sind. Alternativ sind die Anode 12, der Separator 13 und die Kathode 14 in einer nicht in 2 dargestellten Weise aufeinander gestapelt, oder beispielsweise ineinander aufgewickelt.
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Desweiteren ist eine Kühleinheit 50 an der dritten Seitenfläche 3c der Batteriezellen 10a und 10c angebracht, sowie eine weitere Kühleinheit 50 an der dritten Seitenfläche 3c der zweiten Batteriezelle 10b. Alternativ kann auch nur eine Kühleinheit 50 angebracht sein. In einer weiteren, nicht in 2 dargestellten Ausführungsform ist eine Kühleinheit 50 zwischen die Batteriezellen 10a, 10b, 10c eingebracht, sodass die Kühleinheit 50 an der ersten Seitenfläche 3a der ersten Batteriezelle 10a und an der zweiten Seitenfläche 3b der zweiten Batteriezelle 10b anliegt, sowie an der ersten Seitenfläche 3a der zweiten Batteriezelle 10b und der zweiten Seitenfläche 3b der dritten Batteriezelle 10c.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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