-
Die Erfindung betrifft eine Batteriezelle für eine Batterie eines Kraftfahrzeugs sowie eine Batterie.
-
Die Hauptkomponenten von üblichen Batteriezellen sind zwei voneinander elektrisch isolierte Elektroden, die beispielsweise zu einem biskuitrollenförmigen Elektrodenpaket, einer sogenannten Jellyroll, aufgerollt und in einem Gehäuse der Batteriezelle aufgenommen sind.
-
Eine der Elektroden ist mit einem Deckel der Batteriezelle elektrisch gekoppelt. Neben der elektrischen Leitfunktion hat der Deckel typischerweise eine Entlüftungsfunktion. Dafür ist in dem Deckel eine Sollbruchstelle ausgebildet, die bei Überdruck oder zu hoher Temperatur in der Batteriezelle zerstört wird. Teilweise ist auch ein Trennvorrichtung, ein sog. CID (current interrupt device) integriert.
-
Durch die integrierte Entlüftungsvorrichtung und das CID sind derartige Deckel jedoch mehrteilig aufgebaut und weisen mehrere kleine Bauteile auf. Dementsprechend ist eine Herstellung derartiger Deckel kompliziert.
-
Die Aufgabe der Erfindung ist es, eine einfach aufgebaute Batteriezelle sowie eine Batterie mit einfach aufgebauten Batteriezellen bereitzustellen, die die Nachteile des Stands der Technik ausräumt.
-
Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß durch eine Batteriezelle für eine Batterie eines Kraftfahrzeugs gelöst, die ein insbesondere hülsenförmiges Gehäuse, wenigstens eine erste Elektrode und wenigstens eine zweite Elektrode und ein separat zum Gehäuse ausgebildeter, einteiliger Deckel umfasst. Das Gehäuse begrenzt hierbei einen Innenraum, in dem die beiden Elektroden angeordnet sind, und weist eine Öffnung auf, in der der Deckel angeordnet ist. Der Deckel ist gegenüber dem Gehäuse elektrisch isoliert und verschließt die Öffnung. Dabei ist die wenigstens eine erste Elektrode mit dem Deckel und die wenigstens eine zweite Elektrode mit dem Gehäuse elektrisch verbunden. Durch die Einteiligkeit des Deckels weist der Deckel keine unterschiedlichen Bauteile auf, wodurch die Komplexität des Deckels stark verringert werden kann. Der Deckel hat dadurch einen sehr einfachen Aufbau und ausschließlich eine elektrische und/oder thermische Leitfunktion, wodurch die Anforderungen an den Deckel deutlich reduziert und so die Herstellung des Deckels deutlich vereinfacht werden kann.
-
Insbesondere stellt die Batteriezelle eine Kraftfahrzeug-Batteriezelle dar.
-
Die Batteriezelle kann ein Wärmeübertragungselement aufweisen, das zwischen den Elektroden und der Grundfläche angeordnet ist und das mit der wenigstens einen zweiten Elektrode in Kontakt ist. Dabei kann das Wärmeübertragungselement mehrere Kontaktstellen haben, über die das Wärmeübertragungselement in Kontakt mit der Grundfläche ist. Über die mehreren Kontaktstellen wird die Wärme der Elektroden über die Grundfläche einheitlich verteilt, wodurch eine höhere und effizientere Wärmeübertragung ermöglicht wird. Des Weiteren wird so eine größere Fläche zur Wärmeübertragung zur Grundfläche bereitgestellt.
-
Alternativ kann die wenigstens eine zweite Elektrode in direktem physischen Kontakt mit dem Gehäuse stehen. Durch den direkten physischen Kontakt des Gehäuses mit der wenigstens einen zweiten Elektrode sind keine weiteren Bauteile zwischen dem Gehäuse und der zweiten Elektrode angeordnet. Dadurch kann die Anzahl an Bauteilen reduziert und so die Herstellung vereinfacht werden. Des Weiteren kann ohne die Zwischenschaltung eines weiteren Bauteils eine effizientere Wärmeleitung und elektrische Leitung zwischen dem Gehäuse und der wenigstens einen zweiten Elektrode sichergestellt werden. Das Gehäuse bildet somit einen Teil der wenigstens einen zweiten Elektrode.
-
Beispielsweise ist der Deckel als kreisförmige Platte ausgebildet, die insbesondere an ihrem radial äußeren Rand eine geringere Dicke aufweist als im restlichen Bereich des Deckels.
-
Der Deckel kann aus einem wärmeleitfähigen und/oder elektrisch leitfähigen Material sein, insbesondere aus Stahl oder Aluminium. Auf diese Weise kann eine Wärmeleitung und/oder elektrische Leitung von einer mit dem Deckel gekoppelten Elektrode zum Deckel erfolgen.
-
Bevorzugt ist der Deckel vollständig aus einem Material gefertigt, beispielsweise aus Aluminium. Auf diese Weise kann die Einteiligkeit sichergestellt werden.
-
Gemäß einem Aspekt bildet das Gehäuse im Bereich der Öffnung eine Aufnahme für den Deckel, in der der Deckel aufgenommen ist. In diese Aufnahme kann der Deckel lösbar befestigt werden. Dadurch kann der Deckel vom Gehäuse abgenommen und so ein Innenraum des Gehäuses zugänglich gemacht werden.
-
Insbesondere ist in der Aufnahme ein Isolator vorgesehen, der den Deckel gegenüber dem Gehäuse elektrisch isoliert. Auf diese Weise kann ein ungewollter elektrischer Strom und folglich ein Kurzschluss zwischen dem Deckel und dem Gehäuse verhindert werden.
-
Eine Ausführungsform sieht vor, dass der Deckel in direktem Kontakt oder mittelbaren thermischen Kontakt mit der ersten Elektrode steht. Leitend sind zwischen dem Deckel und der ersten Elektrode demnach, wenn überhaupt, nur Bauteile geschaltet, deren ausschließliche Funktion die Wärmeleitung und/oder elektrische Leitung zwischen dem Deckel und der ersten Elektrode ist. Der Deckel stellt demnach einen Teil der ersten Elektrode dar. Über den Deckel ist die erste Elektrode somit in Wärmeleitverbindung und/oder elektrischer Leitverbindung mit einem Außenbereich der Batteriezelle.
-
Das Gehäuse kann zylindrisch sein und eine zur Öffnung entgegengesetzte Grundfläche aufweisen, wobei das Gehäuse an der Grundfläche geschlossen ist. Das Gehäuse begrenzt demnach einen Innenraum, in dem die Elektroden geschützt aufgenommen werden können.
-
Insbesondere ist das Gehäuse einstückig und bildet dadurch eine Hülse. Beispielsweise ist das Gehäuse zylindrisch.
-
Beispielsweise ist das Gehäuse elektrisch und/oder thermisch mit der zweiten Elektrode gekoppelt. Auf diese Weise bildet das Gehäuse einen Teil der zweiten Elektrode.
-
Gemäß einem weiteren Aspekt weist das Gehäuse, insbesondere die Grundfläche, eine Soll-Bruchstelle zur Erzeugung einer Entlüftungsöffnung im Gehäuse auf, die eine Entlüftungsvorrichtung darstellt. Die Soll-Bruchstelle wird beispielsweise ab einem bestimmten Überdruck und/oder ab einer bestimmten Temperatur zerstört, wodurch die Entlüftungsöffnung gebildet wird. Das trägt zur Sicherheit der Batteriezelle bei.
-
Ferner wird die Aufgabe erfindungsgemäß durch eine Batterie für ein Kraftfahrzeug gelöst, das eine erfindungsgemäße Batteriezelle, eine Kontaktierungseinrichtung, die elektrisch mit dem Deckel und/oder dem Gehäuse der Batteriezelle gekoppelt ist, und eine Kühleinrichtung umfasst, die wärmeleitend mit dem Deckel gekoppelt ist. Durch den simpel aufgebauten Deckel kann die Batteriezelle elektrisch kontaktiert und gleichzeitig gekühlt werden. Das spart Platz, Bauteile und Herstellungskosten.
-
Insbesondere stellt die Batterie eine Kraftfahrzeug-Batterie dar.
-
Ein Aspekt sieht vor, dass die Kontaktierungseinrichtung von einer wärmeleitenden Schutzschicht, insbesondere von einem wärmeleitenden Epoxid umgeben ist, und/oder dass die Kontaktierungseinrichtung und die Kühleinrichtung wärmeleitend miteinander gekoppelt sind, insbesondere durch einen wärmeleitenden Kleber. Auf diese Weise kann die Kontaktierungseinrichtung vor teils aggressiven Medien in der Batterie, beispielsweise Batterieflüssigkeit, geschützt werden und gleichzeitig eine gute Wärmeübertragung zwischen der Kontaktierungseinrichtung und der Kühlreinrichtung gewährleistet werden.
-
Ein weiterer Aspekt sieht vor, dass die Batterie eine Halterung aufweist, die die Batteriezelle im Bereich der Entlüftungsvorrichtung haltert, insbesondere wobei sich die Batteriezelle im Bereich der Entlüftungsvorrichtung durch die Halterung erstreckt, sodass die Entlüftungsvorrichtung freiliegt. So kann ein sicherer und zuverlässiger Halt der Batteriezelle in der Batterie gewährleistet werden und gleichzeitig sichergestellt werden, dass die Entlüftungsvorrichtung nicht verdeckt ist. Eine freiliegende Entlüftungsvorrichtung ist wichtig, um im Bedarfsfall eine effiziente und zuverlässige Entlüftung der Batteriezelle zu gewährleisten.
-
Die beschriebenen Vorteile und Merkmale der erfindungsgemäßen Batteriezelle gelten gleichermaßen für die Batterie und umgekehrt.
-
Weitere Vorteile und Merkmale der Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung sowie aus den beigefügten Zeichnungen, auf die Bezug genommen wird. In den Zeichnungen zeigen:
- - 1 eine schematische Seitenansicht eines Kraftfahrzeugs mit einer erfindungsgemäßen Kraftfahrzeug-Batterie, die mehrere erfindungsgemäße Batteriezellen aufweist,
- - 2 eine schematische Schnittansicht einer der erfindungsgemäßen Batteriezellen gemäß 1, und
- - 3 eine schematische Schnittansicht der erfindungsgemäßen Kraftfahrzeug-Batterie gemäß 1.
-
In 1 ist ein Kraftfahrzeug 10 gezeigt, das einen Elektromotor 12, eine Batterie 14, einen Ladeanschluss 16 und mehrere Räder 18 umfasst.
-
Der Motor 12 ist in bekannter Weise mit einem Rad 18 oder mehreren Rädern 18 gekoppelt.
-
Die Batterie 14 ist in bekannter Weise elektrisch mit dem Ladeanschluss 16 und dem Elektromotor 12 gekoppelt. Des Weiteren weist die Batterie 14 mehrere, in dieser Ausführungsform vier, Batteriezellen 20 auf.
-
In 2 ist eine der Batteriezellen 20 geschnitten dargestellt.
-
Die Batteriezelle 20 weist ein hülsenförmiges Gehäuse 22 mit einer Öffnung 23, einer an einem der Öffnung 23 entgegengesetzten Ende angeordneten Grundfläche 24 und einen in der Öffnung 23 angeordneten Deckel 26 auf.
-
Das Gehäuse 22 ist beispielsweise zylindrisch.
-
In der Grundfläche 24 ist eine Entlüftungsvorrichtung in Form einer Sollbruchstelle 25 vorgesehen. Bei Überdruck oder zu hoher Temperatur in der Batteriezelle 20 wird die Sollbruchstelle 25 zerstört, wodurch die Batteriezelle 20 nach außen hin geöffnet wird und so der Überdruck bzw. die Temperatur abgebaut werden kann.
-
Das Gehäuse 22 begrenzt einen Innenraum 27, der durch den Deckel 26 verschlossen ist.
-
Der Deckel 26 ist einstückig, beispielsweise aus Aluminium.
-
Der Deckel 26 weist dabei eine Scheiben- oder Plattenform auf, wodurch sie einfach herzustellen ist.
-
Der Deckel 26 hat eine radial abstehende Rippe, die den Deckel 26 beispielsweise vollständig umläuft.
-
Im Bereich der Öffnung 23 bildet das Gehäuse 22 eine Aufnahme 31, in der der Deckel 26 oder genauer die Rippe des Deckels 26 aufgenommen ist.
-
In der Aufnahme 31 zwischen dem Gehäuse 22 und der Rippe des Deckels 26 ist ein Isolator 29 angeordnet, über den das Gehäuse 22 und der Deckel 26 zueinander elektrisch isoliert sind.
-
Der Isolator 29 kann auch eine Dichtung darstellen.
-
Die Batteriezelle 20 umfasst weiterhin ein Elektrodenpaket 28, das im Innenraum 27 aufgenommen ist, und optional ein Wärmeübertragungselement 30, das zwischen dem Elektrodenpaket 28 und der Grundfläche 24 angeordnet ist.
-
Das Elektrodenpaket 28 weist eine erste Elektrode 32 und eine zweite Elektrode 34 auf.
-
Die beiden Elektroden 32, 34 sind zwischen zwei elektrisch isolierenden Isolatorschichten 36, 38 angeordnet, wobei zwischen den beiden Elektroden 32, 34 eine elektrisch isolierende Zwischenisolatorschicht 40 vorgesehen ist.
-
In der hier gezeigten Ausführungsform sind die Elektroden 32, 34 und die Isolatorschichten 36, 38, 40 als unterschiedliche Schichten darstellende Bänder ausgebildet. Die einzelnen Bänder sind schichtartig aufeinandergelegt und dann zum Elektrodenpaket 28 zusammengerollt. Das Elektrodenpaket 28 stellt demnach eine sogenannte Jellyroll dar.
-
Optional sind die Elektroden 32, 34 und die Isolatorschichten 36, 38, 40 in einer, insbesondere elektrisch isolierenden Außenhülle 42 angeordnet.
-
In 2 ist lediglich eine Wicklung des Elektrodenpakets 28 dargestellt.
-
Beispielsweise ist die erste Elektrode 32 eine Kathode und die zweite Elektrode 34 eine Anode.
-
An einem grundflächenseitigen Ende des Elektrodenpakets 28 ist die zweite Elektrode 34 länger als die benachbarten Isolatorschichten 36, 38, 40, die erste Elektrode 32 und die Außenhülle 42. In anderen Worten ausgedrückt, steht die zweite Elektrode 34 in diesem Bereich hervor. Die überstehenden können als zweite Ableiter 48 bezeichnet werden.
-
Über die zweiten Ableiter 48 ist die zweite Elektrode 34 elektrisch und wärmeleitend mit dem Wärmeübertragungselement 30 verbunden, zum Beispiel stehen sie in direktem physischen Kontakt.
-
An einem deckelseitigen Ende des Elektrodenpakets 28 ist die erste Elektrode 32 etwas länger als die benachbarten Isolatorschichten 36, 38, 40, die zweite Elektrode 34 und die Außenhülle 42. Die erste Elektrode 32 steht in diesem Bereich hervor. Die hervorstehenden Abschnitte können auch als erste Ableiter 44 bezeichnet werden.
-
Zwischen dem Elektrodenpaket 28 und dem Deckel 26 ist ein Kontaktelement 46 positioniert, über das die ersten Ableiter 44 elektrisch und wärmeleitend mit dem Deckel 26 gekoppelt sind.
-
Der Deckel 26 hat somit eine elektrische Leitfunktion und eine Wärmeleitfunktion. Die Entlüftungsfunktion entfällt, da diese im Gehäuse 22, genauer in der Grundfläche 24 ausgebildet ist.
-
Im Vergleich zu herkömmlichen Batteriezellen, bei denen die Entlüftungsfunktion typischerweise im Deckel 26 realisiert ist, kann der Deckel 26 somit deutlich einfacher gestaltet sein, insbesondere lediglich eine einteilige Scheibe oder Platte ohne besondere geometrische Form oder Anbringteile darstellen.
-
In 3 ist ein Innenbereich der Batterie 14 mit zwei Batteriezellen 20 sowie einer Halterung 50, einer Kontaktierungseinrichtung 52 und einer Kühleinrichtung 54 gezeigt.
-
Über die Halterung 50 werden die Batteriezellen 20 vor allen im Bereich ihrer Grundflächen 24 in der Batterie 14 gehaltert. Hierbei erstrecken sich die Batteriezellen 20 mit ihrer Grundfläche 24 derart durch die Halterung 50, dass die Entlüftungsvorrichtung bzw. die Sollbruchstelle 25 freiliegt.
-
Das Freiliegen der Sollbruchstelle 25 ist wichtig, da so im Bedarfsfall, d.h. bei einer Zerstörung der Sollbruchstelle 25, in der betreffenden Batteriezelle 20 ein ungestörter Abbau von Überdruck oder Temperatur erfolgen kann.
-
Die Kontaktierungseinrichtung 52 umfasst mehrere Kontakte 56, die von einer wärmeleitenden Schutzschicht 58 derart umgeben sind, dass die Kontakte 56 batteriezellenseitig und kühlvorrichtungsseitig freiliegen.
-
Beispielsweise ist die wärmeleitende Schutzschicht 58 ein wärmeleitendes Epoxid.
-
Die Kontakte 56 liegen jeweils wärmeleitend und elektrisch leitend an den Deckeln 26 der Batteriezellen 20 an.
-
Zwischen der Kontaktierungseinrichtung 52 und der Kühleinrichtung 54 ist ein wärmeleitender Kleber 60 angeordnet, über den die Kontaktierungseinrichtung 52 und insbesondere die Kontakte 56 wärmeleitend mit der Kühleinrichtung 54 gekoppelt sind.
-
Über die Kontakte 56 sind die Deckel 26 und dementsprechend die ersten Elektroden 32 der Batteriezellen 20 elektrisch kontaktiert. Die dabei auftretende Wärme wird über die Kühleinrichtung 54 abgeführt.
-
Kontakte der Kontaktierungseinrichtung 52, die die zweiten Elektroden 34 kontaktieren, sind der Übersichtlichkeit halber nicht gezeigt.
