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Die Erfindung betrifft eine Batteriezelle, insbesondere Lithium-Ionen-Batteriezelle, für ein Kraftfahrzeug, mit einem Gehäuse, in welchem ein Zellstapel aus zumindest zwei Elektroden und einem zwischen den Elektroden angeordneten Separator angeordnet ist, wobei das Gehäuse zumindest abschnittsweise aus einer Folie gefertigt ist und einen zumindest im Wesentlichen formstabilen, elektrisch nicht leitfähigen Rahmen aufweist, der den Zellstapel seitlich ringförmig umfasst.
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Weiterhin betrifft die Erfindung einen Energiespeicher für ein Kraftfahrzeug, insbesondere Traktionsbatterie, der sich durch die vorstehend genannte Batteriezelle auszeichnet.
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Batteriezellen der eingangs genannten Art sind aus dem Stand der Technik bereits bekannt. So offenbart beispielsweise die Offenlegungsschrift
EP 2 980 882 A1 eine Batteriezelle, die als Pouch-Zelle ausgebildet ist, die eine obere und eine untere Druckfolie aufweist, die miteinander verschweißt sind, um darin angeordnete Elektroden-Separator-Schichten einzuhausen. Die Deckfolien bilden somit ein Gehäuse für den Zellstapel. Weiterhin weist die offenbarte Batteriezelle zwischen den Deckfolien herausstehende und zusätzlich mit einer Folie abgedichtete Folien-Stromableiter auf. Diese Batteriezelle wird durch einen Rahmen fixiert, der wenigstens einen Kühlkanal für ein Kühlmedium aufweist. Der Zellstapel umfasst somit ringförmig den zwischen den Folien angeordneten Zellstapel. Für die elektrische Kontaktierung desselben sind jedoch die zusätzlichen Folien-Stromableiter notwendig.
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Aus der Offenlegungsschrift
DE 10 2015 113 564 A1 geht außerdem ein Energiespeicher mit einer Vielzahl von Batteriezellen hervor, die ebenfalls als Pouch-Zellen ausgebildet sind und leitfähige positive und negative Folienanschlüsse enthalten können, die laschenähnlich ausgebildet sind und sich aus einem Korpus der jeweiligen Pouch-Zelle heraus erstrecken.
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Weiterhin offenbart die Offenlegungsschrift
DE 10 2014 204 245 A1 einen Energiespeicher mit Batteriezellen, die ebenfalls einen durch ein aus Folien gebildetes Gehäuse umfassten Zellstapel aufweist.
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Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Batteriezelle zu schaffen, die ohne großen Aufwand besonders dicht den Zellstapel von der Umgebung trennt und dennoch eine einfache elektrische Kontaktierung sowie eine Stapelbarkeit mehrerer Batteriezellen dieser Art zu ermöglichen.
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Die der Erfindung zugrundeliegende Aufgabe wird durch eine Batteriezelle mit den Merkmalen des Anspruchs 1 gelöst. Diese hat den Vorteil, dass für die elektrische Kontaktierung keine gesonderten Kontaktabschnitte, die aus dem Gehäuse der Batteriezelle herausgeführt werden müssen, notwendig sind, wodurch eine besonders dichte Abschirmung des Zellstapels durch das Gehäuse der Batteriezelle nach außen dauerhaft sichergestellt ist. Durch den Rahmen ist eine einfache Stapelbarkeit mehrerer Batteriezellen gewährleistet. Im Unterschied zum Stand der Technik bildet der Rahmen jedoch zusammen mit zwei Folien das Gehäuse der Batteriezelle, wobei der Rahmen den Zellstapel seitlich ringförmig umfasst und an seinen zwei offenen Stirnseiten durch jeweils eine elektrisch leitfähige Folie, die mit einer der Elektroden elektrisch verbunden ist, verschlossen ist. Die elektrischen Folien dienen somit selbst als elektrische Anschlusskontakte der Batteriezelle. Dadurch, dass die Folien jeweils eine offene Stirnseite des Rahmens verschließen, ist durch die Folien und den Rahmen ein insgesamt geschlossenes Gehäuse für den Zellstapel gewährleistet. Weil die Folien selbst als elektrische Anschlusskontakte dienen, kann auf zusätzliche Anschlusskontakte, die aus der Batteriezelle herausgeführt werden, verzichtet werden. Dadurch ergibt sich eine kompakte und einfach handhabbare Batteriezelle, die die oben genannten Anforderungen erfüllt.
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Optional weist zumindest eine der Folien einen vorstehenden elektrischen Kontaktanschluss auf. Dieser ist optional zusätzlich vorhanden, um beispielsweise einen Klemmkontakt an diesem zu befestigen. Insbesondere ist dabei der Kontaktanschluss einstückig mit der Folie ausgebildet, um die Dichtheit der Folien nicht zu gefährden.
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Weiterhin ist bevorzugt vorgesehen, dass die Folien jeweils an einer Elektrode des Zellstapels anliegen. Dadurch ist durch Berührungskontakt der Folie mit der jeweiligen Elektrode eine einfache und sichere elektrische Verbindung zwischen der jeweiligen Folie und der zugeordneten Elektrode dauerhaft gewährleistet.
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Insbesondere liegt die jeweilige Folie unter Vorspannung an der jeweiligen Elektrode an. Dadurch ist auch über eine lange Lebensdauer und bei unterschiedlichen Betriebstemperaturen eine sichere Anlage und damit ein sicherer Berührungskontakt der Folie an der zugeordneten Elektrode sichergestellt.
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Optional ist die jeweilige Folie an der zugeordneten Elektrode mittels eines elektrisch leitfähigen Klebers befestigt. Hierdurch wird die Haltbarkeit der elektrischen Verbindung zwischen Folie und Elektrode weiter optimiert. Insbesondere ist eine der Folien der einen als Kathode ausgebildeten Elektrode und die andere der Folien der anderen als Anode ausgebildeten Elektrode zugeordnet, sodass die eine Folie einen elektrischen Negativanschluss und die andere der Folien einen elektrischen Positivanschluss der Batteriezelle bildet.
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Bevorzugt weist jede Elektrode einen Sammelstreifen auf, wobei jeweils ein Sammlerstreifen an einer der Folien flächig anliegt und dadurch den elektrischen Kontakt von der jeweiligen Elektrode zu der zugeordneten Folie herstellt. Der Sammlerstreifen ist insbesondere ein Trägerstreifen der jeweiligen Elektrode, der sich jedoch von dieser dadurch unterscheidet, dass er nicht mit einer aktiven Elektrodenschicht, wie beispielsweise mit einer Anodenbeschichtung oder einer Kathodenbeschichtung, versehen ist, sondern allein der Stromleitung dient. Dazu ist der Sammlerstreifen beispielsweise aus Kupfer gefertigt.
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Gemäß einer bevorzugten Weiterbildung der Erfindung erstreckt sich der Sammlerstreifen über die durch die Folie verschlossene Gehäuseöffnung des Rahmens hinweg und liegt auch an dem Rahmen an. Dadurch ist eine Positionierung des Sammlerstreifens gegenüber der Folie an dem Rahmen sicher und dauerhaft gewährleistet. Insbesondere ist der Sammlerstreifen an dem Rahmen formschlüssig, kraftschlüssig und/oder stoffschlüssig gehalten.
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Gemäß einer weiteren Ausführungsform der Erfindung weist der Rahmen wenigstens ein Ventil auf, durch welches ein Medium, insbesondere Reaktionsmedium vorzugsweise Elektrolytflüssigkeit, in das Gehäuse beziehungsweise in den Gehäuseinnenraum förderbar oder durch welches ein Medium, insbesondere ein Gas, beispielsweise zur Druckentlastung aus dem Gehäuse beziehungsweise Gehäuseinnenraum in die Umgebung entlassbar ist. Durch die Anordnung des Ventils in dem Rahmen ergibt sich der Vorteil, dass eine einfache Befüllung und/oder Druckentlastung des Innenraums des Gehäuses und damit des Zellstapels selbst erfolgen kann, wobei durch die Anordnung des Ventils in dem formstabilen Rahmen eine dichte und dauerhafte Verbindung des Ventils an dem Gehäuse gewährleistet ist. Insbesondere ist der Rahmen des Gehäuses mehrteilig ausgebildet, mit einem ersten Abschnitt, der eine der Folien trägt, einen zweiten Abschnitt, der die zweite der Folien trägt, und einen dritten Abschnitt, der das wenigstens eine Ventil trägt. Dadurch ist es möglich und bevorzugt vorgesehen, dass die jeweilige Folie an einem Rahmenteil vor der Montage befestigt wird, wodurch die Montage vereinfacht und dennoch der sichere elektrische Kontakt und die dichte Ausbildung der Batteriezelle, wie vorstehend beschrieben, dauerhaft gewährleistet ist. Optional weist der Rahmen eine Kühleinrichtung auf, die beispielsweise einen oder mehrere Kühlmittelkanäle umfasst, die sich entlang des Rahmens getrennt vom Gehäuseinnenraum erstrecken. Optional ist das Gehäuse zur Befestigung oder Aufnahme weiterer Komponenten ausgebildet. Insbesondere ist das Gehäuse dazu ausgebildet, mit dem Gehäuse einer benachbarten Batteriezelle, die gleich ausgebildet ist, verbunden zu werden. Insbesondere ist das Gehäuse dazu ausgebildet, dass die Gehäuse mehrerer derartiger Batteriezellen aneinander gereiht miteinander befestigt werden können. Insbesondere sind benachbarte Gehäuse miteinander formschlüssig, beispielsweise verrastend, verbindbar. Optional wird dabei auch ein elektrischer Kontakt zwischen den benachbarten Batteriezellen hergestellt. Ist die gewünschte Anzahl von Batteriezellen hintereinander gereiht beziehungsweise gestapelt, wird der Batteriezellenstapel bevorzugt über eine separate Schaltbox kontaktiert, beispielsweise direkt oder indirekt über die Gehäuse, wobei eine Kontaktierung auch über nur eines der Gehäuse erfolgen kann, das elektrisch mit den anderen Gehäusen bereits verbunden ist.
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Der erfindungsgemäß Energiespeicher mit den Merkmalen des Anspruchs 9 zeichnet sich dadurch aus, dass er zumindest eine erfindungsgemäße Batteriezelle aufweist. Es ergeben sich hierdurch die bereits genannten Vorteile.
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Weitere Vorteile und bevorzugte Merkmale und Merkmalskombinationen ergeben sich insbesondere aus dem zuvor Beschriebenen sowie aus den Ansprüchen. Im Folgenden soll die Erfindung anhand der Zeichnung näher erläutert werden. Dazu zeigen
- 1 eine vorteilhafte Batteriezelle in einer vereinfachten Schnittdarstellung und
- 2 die Batteriezelle gemäß einem weiteren Ausführungsbeispiel in einer Explosionsdarstellung.
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1 zeigt in einer vereinfachten Schnittdarstellung eine Batteriezelle 1 für einen hier nicht näher dargestellten Energiespeicher 2, der mehrere derartiger Batteriezellen 1 aufweist.
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Die Batteriezelle 1 weist ein Gehäuse 3 auf, in welchem ein Zellstapel 4 angeordnet ist. Der Zellstapel 4 weist eine Anode 5 und eine Kathode 6 als Elektroden des Zellstapels 4 auf. Anode 5 und Kathode 6 weisen dabei mehrere Elektrodenstreifen auf, die abwechselnd übereinander liegen, wobei zwischen jeweils zwei benachbarten Elektrodenstreifen ein Separatorstreifen 7 angeordnet ist, der einen direkten elektrischen Kontakt zwischen dem benachbarten Elektrodenstreifen von Anode 5 und Kathode 6 verhindert.
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Beide Elektroden weisen weiterhin einen Sammlerstreifen 8, 9 auf, der die Elektrodenstreifen elektrisch miteinander verbindet und die elektrischen Ströme der jeweiligen Elektrode zusammenführt.
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Das Gehäuse 3 weist einen zumindest im Wesentlichen formstabilen Rahmen 10 auf, der den Zellstapel 3 seitlich ringförmig umfasst. Die Ringform weist dabei eine echteckförmige Kontur auf, sodass sich an einer Oberseite 11 und einer Unterseite 12 des Rahmens jeweils eine rechteckige Rahmenöffnung 13 beziehungsweise 14 ergibt. Der Sammlerstreifen 8 ist der Gehäuseöffnung 13 derart zugeordnet, dass er diese überdeckt und damit beidseits der Gehäuseöffnung 13, wie im Schnitt von 1 gezeigt, vorzugsweise allseits an der Innenseite des Rahmens 10 im Randbereich der Gehäuseöffnung 13 anliegt. Optional ist eine verkürzte Ausbildung des jeweiligen Sammlerstreifens 8, 9 vorgesehen, bei welcher sich der Sammlerstreifen 8, 9 nicht über die gesamte Gehäuseöffnung 13 beziehungsweise 14 erstreckt.
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Die Gehäuseöffnungen 13, 14 sind durch elektrisch leitfähige Folien 15 und 16 verschlossen. Die Folie 15 erstreckt sich dabei über die gesamte Gehäuseöffnung 13, um die Stirnseite des Gehäuses 3 an der Oberseite 11 zu verschließen, und die Folie 16 über die gesamte Gehäuseöffnung 14, um die Stirnseite an der Unterseite 12 des Gehäuses 3 zu verschließen. Die Folien 15, 16 bilden somit das Gehäuse 3 mit und sorgen dafür, dass dieses mediendicht ausgebildet ist, wodurch der in dem Gehäuse 3 liegende Zellstapel 4 sicher vor äußeren Einflüssen geschützt ist.
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Die Sammlerschiene 8 liegt dabei an der Innenseite des Gehäuses 3 derart an, dass sie im flächigen Berührungskontakt zu der Folie 15 steht. Entsprechendes gilt für den Sammlerstreifen 9, der an der Innenseite des Gehäuses 3 flächig auf der Folie 16 aufliegt. Weil die Folien 15, 16 elektrisch leitfähig ausgebildet sind, wird durch den Berührungskontakt eine sichere elektrische Verbindung der Folien 15, 16 zu dem im Gehäuse inneren liegenden Zellstapel 4 gewährleistet. Optional sind die Folien 15, 16 auf den jeweiligen Sammlerstreifen 8, 9 durch einen elektrisch leitfähigen Kleber aufgeklebt, durch welchen eine dauerhafte elektrische Verbindung gewährleistet wird. Optional weist die eine oder die andere Folie 15, 16 einen vorstehenden Kontaktanschluss 17 auf, der einstückig mit der jeweiligen Folie 15, 16 ausgebildet ist, und in der 1 nur für die Folie 15 gezeigt ist. Dieser Kontaktanschluss 17 dient beispielsweise zur Verbindung mit einem Klemmanschluss, der auf den Kontaktanschluss 17 aufgeschoben wird. Der Klemmanschluss kann beispielsweise der Klemmanschluss einer benachbarten Batteriezelle sein oder der Klemmanschluss eines Stromsammlers des Energiespeichers, in welchem die Batteriezelle 1 angeordnet ist.
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Eine elektrische Kontaktierung des Zellstapels 4 erfolgt somit durch die Folien 15, 16, ohne dass hierzu ein separater Kontaktanschluss aus dem Gehäuse 3 herausgeführt werden muss. Dadurch ist eine einfache und sichere elektrische Kontaktierung des Zellstapels 4 gewährleistet, die außerdem eine bauraumsparende Gestaltung der Batteriezelle 1 mit einer einfachen Stapelbarkeit mehrerer Batteriezellen 1 übereinander ermöglicht. Insbesondere weist dazu der Gehäuserahmen 10 Mittel zum Ausrichten und/oder Arretieren benachbarter Batteriezellen 1 zueinander beziehungsweise aneinander auf.
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Gemäß dem vorliegenden Ausführungsbeispiel weist der Gehäuserahmen 10 außerdem ein oder mehrere Ventile 18, 19 auf, die sich jeweils durch den Rahmen 10 hindurch in das Gehäuseinnere erstrecken, die wahlweise einen Durchströmungsquerschnitt freigeben oder verschließen. Dadurch ist es möglich, ein Medium, insbesondere ein Reaktionsmedium, vorzugsweise Elektrolytflüssigkeit, in das Gehäuseinnere dem Zellstapel 4 zuzuführen. So ist beispielsweise das Ventil 18 als Befüllungsventil ausgebildet, durch welches bei Bedarf das Reaktionsmedium in den Gehäuseinnenraum gefördert wird, und das Ventil 19 als Überdruckventil, das gewährleistet, dass der in dem Gehäuse 3 erzeugte Druck, der sich beispielsweise durch ein Ausgasen aus dem Reaktionsmedium erhöhen kann, nicht einen vorgebbaren Grenzwert überschreitet. Bei Überschreiten des Grenzwerts öffnet das Ventil 19 automatisch und lässt insbesondere gasförmiges Medium aus dem Gehäuse 3 entweichen. Dadurch ist auf einfache Art und Weise ein sicherer Betrieb der Batteriezelle 1 gewährleistet. Optional weist der Rahmen 3 eine Kühleinrichtung auf, beispielsweise in Form eines oder mehrerer Kühlkanäle, die sich entlang des Rahmens getrennt von dem Gehäuseinnenraum erstrecken und im Betrieb ein Kühlmedium führen, durch welches die Batteriezelle 1 vorteilhaft kühlbar ist.
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Weil der Gehäuserahmen 3 zumindest im Wesentlichen formstabil ist, ist ein einfaches Aufeinanderstapeln mehrerer Batteriezellen möglich und die jeweilige Batteriezelle 1 weist selbst eine ausreichende Formstabilität für eine einfache Handhabung und Verwendung auf. Optional weist der Rahmen 3 dazu außerdem Mittel zum formschlüssigen Verbinden der Rahmen benachbarter Batteriezellen 1 auf, um einen stabilen Batteriezellenstapel 1 zu bilden. Die Mittel können außerdem elektrische Kontaktiermittel aufweisen, durch welche eine elektrische Kontaktierung mit benachbarter Batteriezellen erreicht wird. Die Folien 15, 16 sind optional flexibel ausgebildet, um Druckunterschiede zwischen Gehäuseinnenraum und Umgebung auszugleichen und/oder eine einfache elektrische Kontaktierung zu gewährleisten.
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2 zeigt ein weiteres Ausführungsbeispiel der Batteriezelle 1 in einer perspektivischen Explosionsdarstellung. Gemäß diesem Ausführungsbeispiel ist der Gehäuserahmen 3 dreigeteilt. Die Dreiteilung ist in 1 durch gestrichelte Linien zum leichteren Verständnis angedeutet.
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Der Gehäuserahmen 3 weist ein Rahmenunterteil 10_1 auf, das die Gehäuseöffnung 14 aufweist und die Folie 16 trägt. Weiterhin weist der Rahmen 10 ein Rahmenmittelteil 10-2, in welchem die Ventile 18, 19, insbesondere auf einander gegenüberliegenden Seiten, wie in 1 gezeigt, angeordnet sind. Ein drittes Rahmenteil 10_3 bildet die Oberseite des Rahmens 10 und weist die Gehäuseöffnung 13 mit der die Gehäuseöffnung 13 verschließenden Folie 15 auf. Bei der Montage wird der Zellstapel 4 in dem mittleren Rahmenteil 10_2 angeordnet und weist dazu entsprechend eine Außenkontur auf, die kleiner ist als die Innenkontur des Mittelteils 10_2. Anschließend werden der Unterteil 10_2 und der Oberteil 10_3 auf dem Mittelteil 10_2 aufgesetzt und dadurch das Gehäuse 3 verschlossen. Insbesondere werden die Rahmenteile miteinander verschweißt und/oder formschlüssig verbunden. Auch können die Rahmenteile miteinander verklemmt oder verklebt werden. Durch die Aufteilung des Rahmens 10 in mehrere Teile ist eine einfache Montage des Gesamtrahmens 10 sowie eine einfache Herstellung der Einzelteile gewährleistet, wodurch die Batteriezelle 1 kostengünstig und zeitnah herstellbar ist. Alternativ zu der Dreiteilung ist gemäß einem weiteren Ausführungsbeispiel, hier nicht dargestellt, vorgesehen, dass das Gehäuse 3 zweigeteilt ist, sodass aus zwei Gehäusehälften mit jeweils formstabilen Rahmenteilen und die jeweilige Gehäuseöffnung 13, 14 verschließenden Folien 15, 16 ausgebildet ist.
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Bezugszeichenliste
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- 1
- Batteriezelle
- 2
- Energiespeicher
- 3
- Gehäuse / Gehäuserahmen
- 4
- Zellstapel
- 5
- Anode / Elektrode
- 6
- Kathode / Elektrode
- 7
- Separatorstreifen
- 8
- Sammlerstreifen
- 9
- Sammlerstreifen
- 10
- Rahmen
- 10_1
- Rahmenunterteil
- 10_2
- Rahmenmittelteil
- 10_3
- Rahmenoberteil
- 11
- Oberseite
- 12
- Unterseite
- 13
- Gehäuseöffnung
- 14
- Gehäuseöffnung
- 15
- Folie
- 16
- Folie
- 17
- Kontaktanschluss
- 18
- Ventil
- 19
- Ventil
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- EP 2980882 A1 [0003]
- DE 102015113564 A1 [0004]
- DE 102014204245 A1 [0005]
