DE102020121500A1 - Batteriezelle - Google Patents

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Abstract

Eine Batteriezelle für eine Batterie eines Kraftfahrzeugs, hat ein Gehäuse (22), das einen Innenraum (25) begrenzt, und wenigstens eine erste Elektrode (32) und wenigstens eine zweite Elektrode (34), die beide im Innenraum (25) des Gehäuses (22) angeordnet sind, wobei zumindest eine der wenigstens einen ersten Elektroden (32) mit dem Gehäuse (22) elektrisch verbunden ist. Dabei steht das Gehäuse (22) mit der wenigstens einen ersten Elektrode (32) in direktem physischen Kontakt.

Description

  • Die Erfindung betrifft eine Batteriezelle für eine Batterie eines Kraftfahrzeugs.
  • 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.
  • In der Regel kommt es beim Betrieb der Batteriezelle zur einer Wärmeentwicklung. Um einen zuverlässigen und effizienten Betrieb der Batteriezelle sicherzustellen, ist eine zuverlässige Wärmeabfuhr essentiell. Dafür ist in üblichen Batteriezellen ein separates Wärmeübertragungselement zwischen der Jellyroll und dem Gehäuse angeordnet. Das Wärmeübertragungselement ist zum einen mit einer Elektrode der Jellyroll und zum anderen mit dem Gehäuse in physischen Kontakt. Auf diese Weise wird die in der Jellyroll entstandene Wärme über das Wärmeübertragungselement an das Gehäuse übertragen.
  • Allerdings ist die Wärmeübertragungskapazität üblicher Wärmeübertragungselemente sehr eingeschränkt und nicht optimal. Zudem stellt das Wärmeübertragungselement ein zusätzliches Bauteil dar, dass separat hergestellt und in die Batteriezelle montiert werden muss.
  • Hierzu muss das Wärmeübertragungselement zuerst an die Jellyroll und anschließend in einem separaten Herstellungsschritt an das Gehäuse angeschweißt werden.
  • Der Herstellungsprozess der Batteriezelle ist somit aufwendig.
  • Die Aufgabe der Erfindung ist es, eine einfach aufgebaute Batteriezelle bereitzustellen, die eine gute und effiziente Wärmeübertragung zwischen den Elektroden und dem Gehäuse aufweist und die die Nachteile des Stands der Technik ausräumt.
  • Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß durch eine Batteriezelle für eine Batterie eines Kraftfahrzeugs gelöst, das ein, insbesondere hülsenförmiges Gehäuse, das einen Innenraum begrenzt, und wenigstens eine erste Elektrode und wenigstens eine zweite Elektrode aufweist, die beide im Innenraum des Gehäuses angeordnet sind. Dabei ist zumindest eine der wenigstens einen ersten Elektroden mit dem Gehäuse elektrisch verbunden, und das Gehäuse steht in direktem physischen Kontakt mit der wenigstens einen ersten Elektrode. Durch den direkten physischen Kontakt des Gehäuses mit der wenigstens einen ersten Elektrode sind keine weiteren Bauteile wirkungstechnisch zwischen dem Gehäuse und der ersten 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 eine effizientere elektrische Leitung zwischen dem Gehäuse und der wenigstens einen ersten Elektrode sichergestellt werden. Das Gehäuse bildet somit einen Teil der wenigstens einen ersten Elektrode.
  • Das Gehäuse ist beispielsweise kreiszylinderförmig.
  • Insbesondere stellt die Batteriezelle eine Kraftfahrzeug-Batteriezelle dar.
  • Die Batteriezelle kann eine Öffnung im Gehäuse und eine separat zum Gehäuse ausgebildete, einteilige Kappe umfassen, die in der Öffnung angeordnet ist, die gegenüber dem Gehäuse elektrisch isoliert ist und die die Öffnung verschließt. Dabei ist die wenigstens eine zweite Elektrode mit der Kappe und die wenigstens eine erste Elektrode mit dem Gehäuse elektrisch verbunden. Durch die Einteiligkeit der Kappe weist die Kappe keine unterschiedlichen Bauteile auf, wodurch die Komplexität der Kappe stark verringert werden kann. Die Kappe hat dadurch einen sehr einfachen Aufbau und ausschließlich eine elektrische und/oder thermische Leitfunktion, wodurch die Anforderungen an die Kappe deutlich reduziert und so die Herstellung der Kappe deutlich vereinfacht werden kann.
  • Das Gehäuse kann aus einem wärmeleitfähigen und/oder elektrisch leitfähigen Material sein, insbesondere aus Stahl oder Aluminium, insbesondere wobei das Gehäuse einen Pol der Batteriezelle bildet. Das Gehäuse weist demnach mehrere Funktionen als Schutzgehäuse und Wärmeleiter und/oder elektrischer Leiter auf. Dadurch kann die Anzahl an Bauteilen weiter reduziert werden.
  • Gemäß einem Aspekt sind die Elektroden als Elektrodenbänder ausgebildet und/oder zu einem, insbesondere kreiszylinderförmigen Elektrodenpaket geformt, insbesondere zusammengerollt, wobei das Elektrodenpaket unmittelbar am Gehäuse befestigt, insbesondere angeschweißt ist.
  • Ein weiterer Aspekt sieht vor, dass das Gehäuse eine Grundfläche und eine Mantelfläche aufweist, wobei die Grundfläche mit der wenigstens einen ersten Elektrode in direktem physischen Kontakt steht und/oder wobei von der Grundfläche zumindest eine Ausbuchtung in den Innenraum absteht, insbesondere wobei die Grundfläche achsensymmetrisch ist. Die Mantelfläche und die Grundfläche gehen dabei einstückig ineinander über. Die Grundfläche kann an einem anderen Bauteil, beispielsweise an einer Kühleinrichtung und/oder Kontaktierungseinrichtung, anliegen, wobei das Gehäuse als Wärmeleiter und/oder elektrischer Leiter fungiert.
  • Beispielsweise sind die Ausbuchtungen gestanzt oder geprägt, sodass die Ausbuchtungen durch eine Verformung der Grundfläche gebildet sind. Die Ausbuchtungen können somit leicht hergestellt werden. Die Ausbuchtungen stellen Kontaktierungsflächen dar, über die die zumindest eine erste Elektrode wärmeleitend und/oder elektrisch leitend kontaktiert ist.
  • Das Elektrodenpaket kann an der zumindest einen Ausbuchtung der Grundfläche unmittelbar befestigt, insbesondere angeschweißt sein. Dadurch kann die Wärmeleitfähigkeit und/oder elektrische Leitfähigkeit verbessert werden.
  • Beispielsweise erstreckt sich die Ausbuchtung von einer radialen Außenseite zu einer radial entgegengesetzten radialen Außenseite.
  • Insbesondere sind mehrere Ausbuchtungen vorgesehen, die in Umfangsrichtung oder Radialrichtung der Grundfläche nebeneinander angeordnet sind. Durch mehrere Ausbuchtungen wird eine größere Kontaktfläche zwischen der Grundfläche und der wenigstens einen ersten Elektrode gebildet, sodass die Wärmeleitung und/oder elektrische Leitung zwischen der Grundfläche und der wenigstens einen ersten Elektrode verbessert wird.
  • Gemäß einer Ausführungsform weist die Batteriezelle eine Entlüftungsvorrichtung auf, die an der Grundfläche des Gehäuses angeordnet ist. Durch die Entlüftungsvorrichtung kann die Gefahr einer Beschädigung der Batteriezelle durch Überdruck und/oder hohe Temperaturen verringert oder vermieden werden.
  • Optional kann die Entlüftungsvorrichtung auch in einer Kappe der Batteriezelle vorgesehen sein.
  • Beispielsweise ist die Entlüftungsvorrichtung als Sollbruchstelle ausgebildet, die ab einem bestimmten Überdruck und/oder ab einer bestimmten Temperatur zerstört wird und dann eine Entlüftungsöffnung bildet. Durch die Entlüftungsöffnung kann der Überdruck und/oder die heiße Luft abgelassen werden. Das trägt zur Sicherheit der Batteriezelle bei.
  • Die Batteriezelle kann eine Kappe aufweisen, die vom Gehäuse isoliert ist und einen zweiten Pol der Batteriezelle bildet. Die Kappe dient als lösbarer Verschluss der Batteriezelle, der eine Öffnung der Batteriezelle zuverlässig verschließt und dadurch die innerhalb des Gehäuses angeordneten Bauteile schützt. Gleichzeitig kann die Batteriezelle über die Kappe elektrisch kontaktiert werden.
  • 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 Perspektivansicht der erfindungsgemäßen Batteriezelle gemäß den 1 und 2 während der Herstellung.
  • 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 kreiszylindrischen Mantelfläche 23 und einer Grundfläche 24 auf. Weiterhin umfasst die Batteriezelle 20 eine an einem der Grundfläche 24 entgegengesetzten Ende angeordnete, separate Kappe 26.
  • Das Gehäuse 22 ist einteilig ausgebildet.
  • Demnach geht die Grundfläche 24 einstückig in die Mantelfläche 23 des Gehäuses 22 über. Die Grundfläche 24 und die Mantelfläche 23 sind demnach integraler Bestandteil des Gehäuses 22.
  • Das Gehäuse 22 begrenzt einen Innenraum 25, der durch die Kappe 26 verschlossen ist.
  • Zwischen dem Gehäuse 22 und der Kappe 26 ist ein Isolator 27 angeordnet, über den das Gehäuse 22 und die Kappe 26 zueinander elektrisch isoliert sind.
  • In der Grundfläche 24 ist eine Entlüftungsvorrichtung in Form einer Sollbruchstelle 29 vorgesehen.
  • Optional kann die Entlüftungsvorrichtung bzw. die Sollbruchstelle 29 in der Kappe 26 ausgebildet sein.
  • Des Weiteren sind in der Grundfläche 24 mehrere Ausbuchtungen 30 geformt, beispielsweise durch Stanzen oder Prägen.
  • Die Grundfläche 24 hat somit einen unverformten Basisabschnitt 31 von der die Ausbuchtungen 30 abstehen.
  • In 2 ist ein Schnitt durch die Batteriezelle 20 im Bereich der Ausbuchtungen 30 gezeigt.
  • In 3 ist die Batteriezelle 20 von außen dargestellt.
  • Die Ausbuchtungen 30 stehen vom Basisabschnitt 31 in den Innenraum 25 ab.
  • In der hier gezeigten Ausführungsform erstrecken sich die Ausbuchtungen 30 von einer radialen Außenseite zu einer radial entgegengesetzten radialen Außenseite der Grundfläche 24. Hierbei sind die Ausbuchtungen 30 kreuzförmig angeordnet.
  • Die Batteriezelle 20 umfasst weiterhin ein Elektrodenpaket 28, das im Innenraum 25 aufgenommen 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 Anode und die zweite Elektrode 34 eine Kathode.
  • An einem kappenseitigen Ende des Elektrodenpakets 28 ist die zweite Elektrode 34 etwas länger als die benachbarten Isolatorschichten 36, 38, 40, die erste Elektrode 32 und die Außenhülle 42. Die zweite Elektrode 34 steht in diesem Bereich hervor. Die hervorstehenden Abschnitte können auch als zweite Ableiter 44 bezeichnet werden.
  • Zwischen dem Elektrodenpaket 28 und der Kappe 26 ist ein Kontaktelement 46 positioniert, über das die zweiten Ableiter 44 elektrisch mit der Kappe 26 gekoppelt sind.
  • An einem grundflächenseitigen Ende des Elektrodenpakets 28 ist die erste Elektrode 32 länger als die benachbarten Isolatorschichten 36, 38, 40, die zweite Elektrode 34 und die Außenhülle 42. In anderen Worten ausgedrückt, steht die erste Elektrode 32 in diesem Bereich hervor. Die hervorstehenden Abschnitte können als erste Ableiter 48 bezeichnet werden.
  • Über die ersten Ableiter 48 ist die erste Elektrode 32 elektrisch und wärmeleitend mit der Grundfläche 24 verbunden, zum Beispiel stehen sie in direktem physischen Kontakt.
  • Genauer gesagt, ist die erste Elektrode 32 unmittelbar an den Ausbuchtungen 30 elektrisch und wärmeleitend angebracht, beispielsweise durch Schweißen, Löten, Kleben oder ähnliche Methoden.
  • Zwischen der Grundfläche 24 bzw. den Ausbuchtungen 30 und der ersten Elektrode 32 ist demnach kein weiteres Bauteil angeordnet bzw. wärmeleitend oder elektrisch leitend dazwischengeschaltet.
  • Die Grundfläche 24 und somit das Gehäuse 22 stellen einen Teil der ersten Elektrode 32 dar.
  • Bei der Herstellung wird das Elektrodenpaket 28, wie in 3 gezeigt, in das Gehäuse 22 eingeschoben.
  • Danach werden die Ableiter 48 der ersten Elektroden 32 von außen im Bereich der Ausbuchtungen 30 an das Gehäuse 22 bzw. die Grundfläche 24 angeschweißt.
  • Es entfallen demnach mehrere Herstellungsschritte, die die Herstellung eines separaten Wärmeübertragungselements und die Anbringung des Wärmeübertragungselements an das Elektrodenpaket 28 betreffen.

Claims (10)

  1. Batteriezelle für eine Batterie (14) eines Kraftfahrzeugs (10), mit einem Gehäuse (22), das einen Innenraum (25) begrenzt, und wenigstens einer ersten Elektrode (32) und wenigstens einer zweiten Elektrode (34), die beide im Innenraum (25) des Gehäuses (22) angeordnet sind, wobei zumindest eine der wenigstens einen ersten Elektroden (32) mit dem Gehäuse (22) elektrisch verbunden ist, und wobei das Gehäuse (22) mit der wenigstens einen ersten Elektrode (32) in direktem physischen Kontakt steht.
  2. Batteriezelle nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das Gehäuse (22) aus einem wärmeleitfähigen und/oder elektrisch leitfähigen Material, insbesondere aus Stahl oder Aluminium ist, insbesondere wobei das Gehäuse (22) einen Pol der Batteriezelle (20) bildet.
  3. Batteriezelle nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Elektroden (32, 34) als Elektrodenbänder ausgebildet sind und/oder zu einem, insbesondere kreiszylinderförmigen Elektrodenpaket (28) geformt, insbesondere zusammengerollt sind, wobei das Elektrodenpaket (28) unmittelbar am Gehäuse (22) befestigt, insbesondere angeschweißt ist.
  4. Batteriezelle nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Gehäuse (22) eine Grundfläche (24) und eine Mantelfläche (23) aufweist, wobei die Grundfläche (24) mit der wenigstens einen ersten Elektrode (32) in direktem physischem Kontakt steht und/oder wobei von der Grundfläche (24) zumindest eine Ausbuchtung (30) in den Innenraum (25) absteht, insbesondere wobei die Grundfläche (24) achsensymmetrisch ist.
  5. Batteriezelle nach Anspruch 3 und 4, dadurch gekennzeichnet, dass das Elektrodenpaket (28) an der zumindest einen Ausbuchtung (30) der Grundfläche (24) unmittelbar befestigt, insbesondere angeschweißt ist.
  6. Batteriezelle nach Anspruch 4 oder 5, dadurch gekennzeichnet, dass sich die Ausbuchtung (30) von einer radialen Außenseite zu einer radial entgegengesetzten radialen Außenseite erstreckt.
  7. Batteriezelle nach einem der Ansprüche 4 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass mehrere Ausbuchtungen (30) vorgesehen sind, die in Umfangsrichtung oder Radialrichtung der Grundfläche (24) nebeneinander angeordnet sind.
  8. Batteriezelle nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Batteriezelle (20) eine Entlüftungsvorrichtung aufweist, die an der Grundfläche (24) des Gehäuses (22) angeordnet ist.
  9. Batteriezelle nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass die Entlüftungsvorrichtung als Sollbruchstelle (29) ausgebildet ist, die ab einem bestimmten Überdruck und/oder ab einer bestimmten Temperatur zerstört wird und dann eine Entlüftungsöffnung bildet.
  10. Dass die Batteriezelle eine Kappe (26) aufweist, die vom Gehäuse (22) isoliert ist und einen zweiten Pol der Batteriezelle (20) bildet.
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