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Die Erfindung betrifft eine Einzelzelle für ein Batteriemodul nach der im Oberbegriff von Anspruch 1 näher definierten Art sowie ein solches Batteriemodul.
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Batterien dienen als mobile Energiespeicher und sind generell aus dem Stand der Technik bekannt. Diese umfassen eine oder mehrere galvanische Zellen, bei denen es sich um eine Gleichspannungsquelle in Form von zwei über ein Elektrolyt in Verbindung stehende Elektroden handelt und welche ein Wandeln von chemischer in elektrischer Energie ermöglichen. Die Funktion einer galvanischen Zelle beruht auf einer Redoxreaktion. Dabei findet an einer ersten Elektrode, der Anode, eine Oxidation statt und an einer zweiten Elektrode, der Kathode, eine Reduktion stattfindet. Wird die galvanische Zelle entladen, bildet die Anode einen Minuspol aus und die Kathode einen Pluspol. Wird hingegen die Batterie aufgeladen, beispielsweise bei einer Batterie in Form eines Akkumulators, bildet die Anode den Pluspol und die Kathode den Minuspol aus. Typischerweise umfassen die Anode und die Kathode zueinander abweichende Metalle oder Metalllegierungen. Eine Spezialform der Batterie ist die sogenannte Pouch-Zelle, bei der eine durch eine Trennschicht getrennte, flächenförmige Anode und Kathode in einem Folienbeutel angeordnet sind und somit eine besonders flache Batterie ausbilden. Solche Pouch-Zellen werden zur Energieversorgung von Geräten eingesetzt welche spezielle Anforderungen an einen zur Verfügung stehenden Bauraum stellen.
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Typischerweise umfassen Batterien mehrere galvanische Zellen, welche zur Erhöhung einer Kapazität der Batterie parallel geschaltet und/oder zur Erhöhung einer Spannung der Batterie in Reihe geschaltet werden können. Hierzu weisen die einzelnen galvanischen Zellen aus einer Umhüllung der galvanischen Zellen herausragende Kontaktelemente, sogenannte Ableiter auf. Dabei stellen die Ableiter typischerweise Fortbildungen der Anode und der Kathode dar und umfassen somit das Material, aus dem die Anode und Kathode bestehen. Typischerweise handelt es sich dabei um Kupfer sowie Aluminiumwerkstoffe. Um zwei galvanische Zellen in Reihe zu schalten, ist ein Pluspol der ersten galvanische Zelle mit einem Minuspol der zweiten galvanische Zelle zu verbinden. Somit ist eine Kontaktierung eines Kupferableiters mit einem Aluminiumableiter herzustellen. Dies erfolgt typischerweise durch Verschweißen der beiden Ableiter, wodurch eine stoffschlüssige Mischverbindung aus Kupfer und Aluminium entsteht. Diese ist aufgrund der so entstehenden intermetallischen Phasen besonders rissanfällig und aufgrund der unterschiedlichen Eigenschaften der einzelnen Metalle schwer herzustellen. Zum parallelen Verschalten mehrerer galvanischer Zellen sind außerdem Zusatzelemente, sogenannte Zellverbinder, notwendig. Dies erschwert ein Verschalten der galvanischen Zellen und erhöht einen Aufwand hierzu.
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Aus dem Stand der Technik sind Bimetallbänder bekannt, welche einen Verbund aus zwei unterschiedlichen, beispielsweise durch Walzplattieren verbundenen Metallen darstellen.
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Zudem ist aus der
DE 10 2018 009 711 A1 ein elektrischer Energiespeicher bekannt, wobei sowohl eine Anode als auch eine Kathode des Energiespeichers wenigstens zwei Ableiter aufweisen und diese so angeordnet sind, dass auf zwei gegenüberliegenden Stirnseiten des Energiespeichers jeweils zwei Ableiter mit unterschiedlicher Polarität vorliegen. Ferner offenbart das Dokument auch das Vorliegen von wenigstens zwei Ableitern an einer dritten Seite des Energiespeichers. Dies erlaubt ein Herstellen eines großformatigen elektrischen Energiespeichers, welcher ohne Verringerung einer Energiedichte mit einer höheren C-Rate betrieben werden kann. Nachteilig ist dabei jedoch, dass sich auch hier ein Kontaktieren einer Anode des Energiespeichers mit einer Kathode eines zweiten Energiespeichers aufgrund einer Ausbildung der Ableiter aus unterschiedlichen Materialien schwierig gestaltet.
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Der vorliegenden Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Einzelzelle für ein Batteriemodul anzugeben, deren Ableiter gegenüber dem Stand der Technik einfacher und zuverlässiger kontaktiert werden können.
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Erfindungsgemäß wird diese Aufgabe durch eine Einzelzelle für ein Batteriemodul mit den Merkmalen des Anspruchs 1 und ein entsprechendes Batteriemodul mit den Merkmalen des Anspruchs 7 gelöst. Vorteilhafte Ausgestaltungen und Weiterbildungen ergeben sich aus den hiervon abhängigen Ansprüchen.
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Bei einer Einzelzelle für ein Batteriemodul, bei der wenigstens eine Elektrode zwei Ableiter zum Herstellen einer elektrischen Kontaktierung aufweist, ist erfindungsgemäß wenigstens einer der zwei Ableiter von einem Hybridableiter ausgebildet. Dabei umfasst der Hybridableiter anteilsweise sowohl das erste Material, aus dem die Anode besteht, als auch das zweite Material, aus dem die Kathode besteht.
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Dadurch, dass wenigstens eine der Elektroden einen monolithischen Ableiter und einen Hybridableiter aufweist, können die Ableiter mehrerer Einzelzellen so kontaktiert werden, dass ausschließlich ein Werkstoffverbund aus demselben Material, sprich dem ersten oder dem zweiten Material, hergestellt wird. Typischerweise wird eine Kontaktierung der Ableiter durch Schweißen hergestellt, wobei ein Aufwand zum Herstellen einer Einstoff-Schweißverbindung geringer ist, als bei einer Mischverbindung aus dem ersten und dem zweiten Material, wodurch eine Sicherheit und Leitfähigkeit der Schweißverbindung erhöht wird. Ferner ermöglicht es das Ausbilden eines Ableiters als Hybridableiter neue Verschaltungskonzepte umzusetzen, wodurch eine Gestaltungsfreiheit bei der Verschaltung von Einzelzellen vergrößert wird. Generell liegen an einer Einzelzelle dabei wenigstens ein monolithischer Ableiter je Elektrode sowie wenigstens ein Hybridableiter an wenigstens einer der Elektroden vor. Es ist denkbar, dass die Einzelzelle aber auch mehrere monolithische Ableiter und/oder Hybridableiter je Elektrode aufweist.
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Dabei können ein monolithischer Ableiter und ein Hybridableiter einer der Elektroden voneinander getrennt aus der Umhüllung hinausragen, oder der Hybridableiter kann außerhalb der Umhüllung an den monolithischen Ableiter angeformt sein. Generell ist es ferner möglich, nicht genutzte Ableiter von den Einzelzellen abzutrennen oder diese zu isolieren, um Kurzschlüsse zu vermeiden.
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Eine vorteilhafte Weiterbildung der Einzelzelle sieht vor, dass sowohl die Anode als auch die Kathode wenigstens zwei Ableiter aufweisen, wobei jeweils wenigstens einer der zwei Ableiter der Anode und der Kathode von einem Hybridableiter ausgebildet ist. Somit weist die Einzelzelle wenigstens vier Ableiter auf, von denen wenigstens zwei Ableiter als Hybridableiter ausgestaltet sind. Dabei können alle Ableiter als Hybridableiter ausgestaltet sein, oder vorteilhafterweise je Elektrode wenigstens ein monolithischer Ableiter und wenigstens ein Hybridableiter vorgesehen sein. Hierdurch wird eine Gestaltungsfreiheit bei der Verschaltung mehrerer Einzelzellen noch weiter gesteigert. Insbesondere sind zum parallelen Verschalten von Einzelzellen keine weiteren Bauteile wie Zellverbinder mehr notwendig, wodurch sich Kosten einsparen lassen. Dadurch, dass die Einzelzelle eine verbesserte Gestaltungsfreiheit bei der Verschaltung von mehreren Einzelzellen ermöglicht, bildet die Einzelzelle eine Art „Universalzelle“ aus, welche zur Ausbildung von Batteriemodulen unterschiedlichster Ansprüche eingesetzt werden kann. Dies bedingt eine reduzierte Stückzahl spezieller Einzelzellen, welche nur bei einem bestimmten Batteriemodul eingesetzt werden können, und eine erhöhte Stückzahl der Universalzelle. Somit lassen sich aufgrund von Skalierungsfaktoren Kosten noch weiter senken.
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Entsprechend einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung der Einzelzelle ist das erste Material Kupfer oder eine Kupferlegierung und das zweite Material Aluminium oder eine Aluminiumlegierung. Hierbei handelt es sich um zwei üblicherweise zur Ausbildung der Anode und der Kathode eingesetzte Metalle bzw. Metalllegierungen.
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Eine weitere vorteilhafte Ausgestaltung der Einzelzelle sieht vor, dass wenigstens ein monolithischer Ableiter und wenigstens ein Hybridableiter der Anode und/oder wenigstens ein monolithischer Ableiter und wenigstens ein Hybridableiter der Kathode jeweils auf einer gemeinsamen Seite angeordnet sind. Dadurch, dass wenigstens ein monolithischer Ableiter und wenigstens ein Hybridableiter einer der Anode und/oder der Kathode auf einer gemeinsamen Seite angeordnet sind, lassen sich beim Verschalten mehrerer Einzelzellen die hierzu zu verbindenden Ableiter besonders einfach verbinden.
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Entsprechend einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung der Einzelzelle weisen die Anode und die Kathode jeweils genau einen monolithischen Ableiter und einen Hybridableiter auf, wobei der monolithische Ableiter und der Hybridableiter der Anode auf einer ersten gemeinsamen Seite und der monolithische Ableiter und der Hybridableiter der Kathode auf einer zweiten gemeinsamen Seite, welche der ersten gemeinsamen Seite gegenüberliegt, angeordnet sind. Dies stellt einen besonders einfachen Aufbau der Einzelzelle dar, welcher sowohl ein in Reihe schalten als auch ein Parallelverschalten mehrerer Einzelzellen ermöglicht. Insbesondere dadurch, dass der monolithische Ableiter und der Hybridableiter der Anode auf gegenüberliegenden Seiten zu entsprechenden Ableitern der Kathode angeordnet sind, lassen sich mehrere Einzelzellen besonders einfach in Reihe oder Parallel schalten.
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Bevorzugt ist die Umhüllung in Form einer Pouch-Folie ausgebildet. Somit lässt sich die Einzelzelle zur Ausbildung einer Pouch-Zelle einsetzen, was ein Ausbilden eines besonders flachen und leichten Energiespeichers ermöglicht.
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Erfindungsgemäß umfasst ein Batteriemodul wenigstens zwei im vorigen beschriebene Einzelzellen. Hierdurch lässt sich lässt sich ein Aufwand zur Herstellung eines Batteriemoduls verringern, dadurch, dass die erfindungsgemäßen Einzelzellen besonders einfach und kostengünstig miteinander verschaltet werden können. Dabei kann auch eine Ausrichtung der Einzelzellen nach Aufnahme vom Batteriemodul beliebig gewählt werden, sodass sich zu verbindende Ableiter gegenüberliegen. Beispielsweise kann eine erste Einzelzelle einer ersten Seite des Batteriemoduls mit einem Pluspol zugewandt sein und eine zweite Einzelzelle der ersten Seite des Batteriemoduls mit einem Minuspol zugewandt sein.
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Eine vorteilhafte Ausgestaltung des Batteriemoduls sieht vor, dass dieses wenigstens zwei in Reihe geschaltete Einzelzellen zur Erhöhung einer elektrischen Spannung umfasst, wobei die Einzelzellen durch Kontaktierung wenigstens eines monolithischen Ableiters einer der Einzelzellen mit wenigstens einem Hybridableiter der anderen Einzelzelle kontaktiert sind. Um Einzelzellen in Reihe zu schalten, sind ein Pluspol einer Einzelzelle mit einem Minuspol der anderen Einzelzelle zu verbinden. Entsprechend dem Stand der Technik sind die dem Pluspol und dem Minuspol ausbildenden Elektroden aus einem unterschiedlichen Material gefertigt. Mit Hilfe der erfindungsgemäßen Einzelzelle lassen sich stattdessen artgleiche Verbindungen zum Kontaktieren der Ableiter ausführen. Hierzu wird ein monolithischer Ableiter einer Zelle, welcher aus einem ersten Material besteht, mit einem Hybridableiter einer weiteren Einzelzelle, welcher sowohl das erste als auch ein zweites Material umfasst, so verbunden, dass eine stoffschlüssige Verbindung zwischen dem ersten Material des monolithischen Ableiters und dem ersten Materials des Hybridableiters vorliegt.
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Bevorzugt weist das Batteriemodul wenigstens zwei parallel geschaltete Einzelzellen zur Erhöhung einer Kapazität auf, wobei hierzu die Einzelzellen sowohl an ihrem Pluspol, als auch an ihrem Minuspol kontaktiert sind. Eine solche Verschaltung ist sowohl durch Kontaktieren zweier monolithischer Ableiter des Plus- und/oder Minuspols beider Einzelzellen, als auch zweier Hybridableiter des Plus- und/oder Minuspols beider Einzelzellen möglich. Dies erhöht eine Flexibilität bei der Verschaltung der Einzelzellen weiter.
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Weitere vorteilhafte Ausgestaltungen der erfindungsgemäßen Einzelzelle und des erfindungsgemäßen Batteriemoduls ergeben sich auch aus den Ausführungsbeispielen, welche nachfolgend unter Bezugnahme auf die Figuren näher beschrieben werden.
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Dabei zeigen:
- 1 eine Einzelzelle eines Batteriemoduls gemäß dem Stand der Technik;
- 2 eine erfindungsgemäße Einzelzelle;
- 3 zwei Schnittdarstellungen durch über eine Schweißverbindung kontaktierte Ableiter;
- 4 mehrere in Reihe geschaltete erfindungsgemäße Einzelzellen; und
- 5 vier verschiedene Darstellungen parallel geschalteter erfindungsgemäßer Einzelzellen.
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1 zeigt eine Einzelzelle 1, welche eine Anode 5.1 aus einem ersten Material 3.1 und eine Kathode 5.2 aus einem zweiten Material 3.2 umfasst. Die Einzelzelle 1 ist dabei beispielhaft als sogenannte Pouch-Zelle ausgebildet. Ihre Umhüllung 2 besteht aus einer Folie, in welcher das erste und zweite Material 3.1, 3.2 eingeschweißt sind. Zum elektrischen Kontaktieren der Anode 5.1 und der Kathode 5.2 ragen aus der Umhüllung 2 zwei Ableiter 4 heraus. Bei einem Entladevorgang der Einzelzelle 1 findet eine Oxidation an der Anode 5.1 statt, welche dann einen Minuspol ausbildet, und eine Reduktion an der Kathode 5.2 statt, welche dann einen Pluspol ausbildet. Typischerweise umfasst das erste Material 3.1 Kupfer oder eine Kupferlegierung und das zweite Material 3.2 Aluminium oder eine Aluminiumlegierung. Sind zum Erhöhen einer Spannung der Einzelzelle 1 mehrere Einzelzellen 1 in Reihe zu schalten, sind eine Anode 5.1 einer der Einzelzellen 1 mit einer Kathode 5.2 einer weiteren Einzelzelle 1 zu verbinden. Erfolgt diese Verbindung durch Schweißen, gehen das erste und das zweite Material 3.1, 3.2 eine Mischverbindung ein. Handelt es sich bei den Materialien um Kupfer und Aluminium beziehungsweise. Legierungen daraus, ist die Mischverbindung besonders rissanfällig. Eine stoffschlüssige Verbindung aus zwei unterschiedlichen Materialien lässt sich zudem durch Schweißen nur schwer herstellen.
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2 zeigt eine erfindungsgemäße Einzelzelle 1, welche an einer ersten gemeinsamen Seite S1 und einer dieser Seite gegenüberliegenden gemeinsamen zweiten Seite S2 jeweils einen monolithischen Ableiter 4.1 und einen Hybridableiter 4.2 aufweist. Die Hybridableiter 4.2 umfassen dabei jeweils das erste und das zweite Material 3.1, 3.2. Dabei ist der mit der Anode 5.1 verbundene Hybridableiter 4.2 über das erste Material 3.1 mit dieser verbunden, sodass sich ein Teil des Hybridableiters 4.2, welcher das zweite Material 3.2 umfasst, von der zweiten gemeinsamen Seite S2 weg erstreckt. Der Hybridableiter 4.2, welcher mit der Kathode 5.2 verbunden ist, ist entsprechend über das zweite Material 3.2 mit der Kathode 5.2 verbunden, wobei sich ein Teil des Hybridableiters 4.2, welcher das erste Material 3.1 umfasst, von der ersten gemeinsamen Seite S1 weg erstreckt. Dies erlaubt das Herstellen von Kontaktierungen zwischen Anode 5.1 und Kathode 5.2 durch Ausbilden einer artgleichen Verbindung, was in 3 im Detail dargestellt ist.
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Dabei zeigt 3a eine Kontaktierung über zwei Schweißnähte 6 eines monolithischen Ableiters 4.1 aus dem ersten Material 3.1 mit einem Hybridableiter 4.2, dessen zu verschweißende Kontaktfläche ebenfalls aus dem ersten Material 3.1 besteht. 3b hingegen zeigt eine Kontaktierung über zwei Schweißnähte 6 eines monolithischen Ableiters 4.1, welcher das zweite Material 3.2 umfasst, mit einem Hybridableiter 4.2, dessen zu verschweißende Kontaktfläche ebenfalls das zweite Material 3.2 umfasst. Eine solche artgleiche Verbindung weist gegenüber einer aus dem Stand der Technik bekannten Mischverbindung eine erhöhte Rissbeständigkeit sowie verbesserte Leitfähigkeit auf und ist einfacher herzustellen.
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4 zeigt mehrere in Reihe geschaltete erfindungsgemäße Einzelzellen 1. Hierzu sind die Einzelzellen 1 alternierend jeweils durch eine Kontaktierung eines Hybridableiters 4.2 mit einem monolithischen Ableiter 4.1 verbunden. Dabei kann, abhängig von mit einem Aufbau eines die Einzelzellen 1 umfassenden Batteriemoduls eine Kontaktierung der Einzelzellen 1 sowohl über einen monolithischen Ableiter 4.1 der Anode 5.1 mit einem Hybridableiter 4.2 der Kathode 5.2, oder über einen Hybridableiter 4.2 der Anode 5.1 mit einem monolithischen Ableiter 4.1 der Kathode 5.2 erfolgen. Die Einzelzellen 1 sind dabei so zueinander ausgerichtet, dass zwei Pole unterschiedlichen Typs zweier benachbarter Einzelzellen aneinander angrenzen. Zur Vereinfachung wurde auf eine Darstellung der Schweißnähte 6 verzichtet.
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Zum Parallelverschalten zweier Einzelzellen 1 ist ein Pluspol der ersten Einzelzelle 1 mit dem Pluspol der zweiten Einzelzelle 1 und ein Minuspol der ersten Einzelzelle 1 mit dem Minuspol der zweiten Einzelzelle 1 kontaktiert. In Abhängigkeit eines hierzu gewählten Ableiters 4.1, oder 4.2 ergeben sich somit vier in 5 dargestellte Möglichkeiten zur Ausgestaltung einer solchen Parallelschaltung. Dabei kann eine artgleiche Verbindung entweder über zwei Paare monolithischer Ableiter 4.1, zwei Paare Hybridableiter 4.2, oder je einen Paar monolithischer Ableiter 4.1 und ein Paar Hybridableiter 4.2 hergestellt werden. Die Einzelzellen 1 sind dabei so zueinander ausgerichtet, dass zwei Pole gleichen Typs zweier parallelgeschalteter benachbarter Einzelzellen aneinander angrenzen. Je nachdem welcher Verbindungstyp gewählt wird, stehen zum Kontaktieren einer dritten Einzelzelle entsprechende Ableiter 4 zur Verfügung, was einen flexiblen Zellenaufbau zur Ausbildung eines Batteriemoduls erlaubt. Zur Vereinfachung sind entsprechende Ableiter 4 zur Verbindung einer dritten und/oder vierten Einzelzelle 1 beziehungsweise eines Verbrauchers nur für das erste, in 5 links dargestellte Einzelzellenpaar dargestellt.
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Dabei kann ein Batteriemodul eine beliebige Anzahl an Einzelzellen 1 umfassen, welche beliebig in Reihe und/oder parallel geschaltet sein können (nicht dargestellt). Somit lassen sich einfach und kostengünstig Batteriemodule an unterschiedliche Anforderungen anpassen. Beispielsweise kann ein solches Batteriemodul zwölf Einzelzellen 1 umfassen, von denen jeweils zwei Einzelzellen 1 zusammen parallel geschaltet sind und diese zueinander parallel geschalteten Zellen jeweils nochmals in Reihe zueinander geschaltet sind, sodass eine sogenannte „2P-Verschaltung“ entsteht.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- DE 102018009711 A1 [0005]
