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Die Erfindung betrifft eine Hochvoltzelle einer Batterie, aufweisend einen Zellenstapel mit einer Anzahl von entlang einer Stapelrichtung angeordneten elektrochemischen Batteriezellen. Die Erfindung betrifft weiterhin ein Batteriemodul einer Fahrzeugbatterie sowie eine Fahrzeugbatterie.
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Elektrisch beziehungsweise elektromotorisch angetriebene oder antreibbare Kraftfahrzeuge, wie beispielsweise Elektro- oder Hybridfahrzeuge, umfassen in der Regel einen Elektromotor, mit dem eine oder beide Fahrzeugachsen antreibbar sind. Zur Versorgung mit elektrischer Energie ist der Elektromotor üblicherweise an eine fahrzeuginterne (Hochvolt-)Batterie als elektrischen Energiespeicher angeschlossen.
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Unter einer insbesondere elektrochemischen Batterie ist hier und im Folgenden insbesondere eine sogenannte sekundäre Batterie (Sekundärbatterie) des Kraftfahrzeugs zu verstehen. Bei einer solchen (sekundären) Fahrzeugbatterie ist eine verbrauchte chemische Energie mittels eines elektrischen (Auf-)Ladevorgangs wiederherstellbar. Derartige Fahrzeugbatterien sind beispielsweise als elektrochemische Akkumulatoren, insbesondere als Lithium-Ionen-Akkumulatoren, ausgeführt. Zur Erzeugung oder Bereitstellung einer ausreichend hohen Betriebsspannung weisen solche Fahrzeugbatterien typischerweise mindestens ein Batteriemodul auf, bei welchem mehrere einzelne Batteriezellen modular verschaltet sind.
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Die Batteriezellen sind hierbei häufig als elektrochemische (Dünn-)Schichtzellen ausgeführt, welche innerhalb eines jeweiligen Batterie- oder Zellengehäuses entlang einer Stapel- oder Reihenrichtung zu einem Zellenstapel oder Zellenpaket beziehungsweise Zellenwickel aneinandergereiht beziehungsweise gestapelt werden. Die Schichtzellen weisen in der Regel einen geschichteten Aufbau mit einer Kathodenschicht und mit einer Anodenschicht sowie mit einer dazwischen eingebrachten Separatorschicht auf.
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Aus der
US 2018/0233721 A1 und der
US 2018/0233752 sowie der
US 2018/0233768 A1 ist eine Hochvoltzelle für ein Batteriemodul einer Fahrzeugbatterie offenbart, bei welchem die einzelnen Batteriezellen eines Zellenstapels in jeweils einem zugeordneten Kunststoff- oder Polymerrahmen angeordnet und gehalten sind. Die Polymerrahmen sind hierbei im Stapelverbund mechanisch miteinander gekoppelt, so dass die Batteriezellen in einer definierten Lage zueinander gehalten sind. Die Batteriezellen sind hierbei innerhalb des (Zellen-)Stapels mittels stirnseitig angeordneter Bipolarplatten als bipolare Elektroden (Bipolarelektroden, bipolare Stromkollektoren) elektrochemisch voneinander separiert und elektrisch zu einer internen Serien- oder Reihenschaltung gekoppelt.
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Bei der Herstellung von Batteriezellen, insbesondere von Lithium-Ionen-Zellen, wird die Batteriezelle während der sogenannten Formierung zum ersten Mal geladen und entladen. Durch den Ladeprozess bilden sich die Grenzschichten zwischen dem Separator und den Aktivmaterialien der Kathoden- und Anodenschicht, deren Beschaffenheiten einen wesentlichen Einfluss auf die Leistungsfähigkeit und das Alterungsverhalten der Batteriezelle haben. Die Grenzschicht auf der Anodenseite wird hierbei auch als Solid Electrolyte Interface, kurz SEI, und die auf der Kathodenseite als Cathodic Decomposition Layer, kurz CDL, bezeichnet.
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Speziell bei der Formierung von Batteriezellen mit flüssigem oder geliertem Elektrolyten kommt es je nach Elektrolytbestandteilen während der Formierung zu einer Gasentwicklung aufgrund von Zerfallprozessen durch die SEI-Bildung. Diese Gasentwicklung während der Formierung stellt ein Problem für gestapelte Hochvoltzellen dar. Insbesondere bei hermetisch abgedichteten, gestapelten Hochvoltzellen kann das bei der Formierung entstehende Formierungsgas nicht entweichen. Dies führt aufgrund des ansteigenden Zelleninnendrucks zu einem Aufblähen der einzelnen Batteriezellen-Lagen, wodurch die Leistungsfähigkeit oder Zellenperformance reduziert wird. Des Weiteren kann es hierbei zu einer Beschädigung oder sogar zu einer vollständigen Zerstörung der Batteriezellen oder des gesamten Zellenstapels kommen.
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Bei gewöhnlichen Lithium-Ionen-Batterien entsteht bei der Formierung der Batteriezelle Formierungsgas, welches in einem extra bereit gestellten Raum des Batteriegehäuses gesammelt wird. Nach der Formierung die Batteriezelle wird dieser Raum partiell geöffnet um das Formierungsgas zu entfernen. Das Batteriegehäuse beziehungsweise der Raum wird nach der Entgasung anschließend wieder verschlossen. Beispielsweise weisen Pouchzellen eine für das Formierungsgas vorgesehene Gastasche als (Aufnahme-)Raum auf, welche nach der Entgasung und Wiederversiegelung von dem Batteriegehäuse abgetrennt wird.
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Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine besonders geeignete Hochvoltzelle anzugeben. Insbesondere soll eine einfache und zuverlässige Entfernung von Formierungsgas aus den Batteriezellen angegeben werden. Der Erfindung liegt weiterhin die Aufgabe zugrunde, ein besonders geeignetes Batteriemodul sowie eine besonders geeignete Fahrzeugbatterie anzugeben.
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Hinsichtlich der Hochvoltzelle wird die Aufgabe mit den Merkmalen des Anspruchs 1 und hinsichtlich des Batteriemoduls mit den Merkmalen des Anspruchs 9 sowie hinsichtlich der Fahrzeugbatterie mit den Merkmalen des Anspruchs 10 erfindungsgemäß gelöst. Vorteilhafte Ausgestaltungen und Weiterbildungen sind Gegenstand der Unteransprüche. Die im Hinblick auf die Hochvoltzelle angeführten Vorteile und Ausgestaltungen sind sinngemäß auch auf das Batteriemodul und/oder die Fahrzeugbatterie übertragbar und umgekehrt.
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Die erfindungsgemäße Hochvoltzelle ist insbesondere für ein Batteriemodul einer Fahrzeugbatterie vorgesehen, sowie dafür geeignet und eingerichtet. Die Hochvoltzelle weist einen Zellenstapel mit einer Anzahl von entlang einer Stapelrichtung angeordneten (gestapelten) elektrochemischen Batteriezellelementen auf. Die Batteriezellelemente bilden somit einzelne (Stapel-/Zellen-)Lagen oder (Stapel-)Schichten des Zellenstapels. Die Batteriezellelemente weisen hierbei jeweils eine Kathodenschicht, also eine Schicht aus kathodischen Aktivmaterial, und eine Anodenschicht, also eine Schicht aus einem anodischen Aktivmaterial, sowie einen dazwischen angeordneten Separator oder eine Separatorschicht, also eine Schicht aus einem Separatormaterial, auf.
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Die Batteriezellelemente sind stirnseitig jeweils von einem Stromableiter, beispielsweise von einem Kathoden-Stromableiter und einem Anoden-Stromableiter, flankiert. Die Batteriezellelemente sind umfangsseitig jeweils von einem Rahmen eingefasst. Mit anderen Worten weisen die Batteriezellelemente jeweils einen zugeordneten Rahmen auf, welcher das Schichtsystem von Kathode-Separator-Anode umgibt. Die Rahmen der einzelnen Zellenlagen sind zu einem Gehäuse des Zellenstapels gefügt. Das Gehäuse ist hierbei insbesondere hermetisch dicht, also fluid- und/oder druckundruchlässig.
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Die Konjunktion „und/oder“ ist hier und im Folgenden derart zu verstehen, dass die mittels dieser Konjunktion verknüpften Merkmale sowohl gemeinsam als auch als Alternativen zueinander ausgebildet sein können.
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Zur Entgasung und zum Druckausgleich weist das Gehäuse erfindungsgemäß mindestens ein Druckausgleichselement auf, mittels welchem zumindest zeitweise eine fluid- und/oder drucktechnische Kopplung des Gehäuseinneren beziehungsweise des Zellenstapels mit einer Umgebung realisiert ist. Dadurch ist eine besonders geeignete Hochvoltzelle realisiert. Das Druckausgleichselement ermöglicht eine zuverlässige Entfernung eines bei einer Formierung entstehenden Formierungsgases aus dem Gehäuse.
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Vorzugsweise sind die Stromableiter als Bipolarplatten, also als bipolare Elektroden (Bipolarelektroden, bipolare Stromkollektoren), ausgeführt. Dies bedeutet, dass die Hochvoltzelle insbesondere als eine Bipolar-Stapelzelle ausgeführt ist. Bei einer solchen Bipolar-Stapelzelle wirkt der Kathoden-Stromableiter eines ersten Batteriezellelements gleichzeitig auch als Anoden-Stromableiter eines in Stapelrichtung unmittelbar benachbarten zweiten Batteriezellelements. Mit anderen Worten weisen teilen sich zwei unmittelbar benachbarte Batteriezellelemente jeweils einen gemeinsamen Stromableiter. Die Batteriezellelemente sind innerhalb des (Zellen-)Stapels mittels der Bipolarplatten beziehungsweise der Stromableiter elektrochemisch voneinander separiert und elektrisch zu einer internen Serien- oder Reihenschaltung gekoppelt.
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Bei der Verschaltung der Batteriezellelemente der Hochvoltzelle wird vorzugsweise die Spannung der einzelnen Batteriezellelemente addiert, und nicht ein Strom oder eine Kapazität. Bei der gestapelten Hochvoltzelle ist vorzugsweise jede Lage beziehungsweise jedes Batteriezellelement als eine eigenständige Batteriezelle ausgeführt, wobei der Rahmen als Dichtungs- oder Hilfsrahmen ein Zellengehäuse des jeweiligen Batteriezellenelements bildet.
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Die Batteriezellelemente sind beispielsweise als Festkörper- oder Feststoff-Batteriezellen, also als Schichtsysteme bei welchem der Separator als eine feste Elektrolytschicht ausgebildet oder mit einer solchen ersetzt ist, ausgeführt. Die Batteriezellen sind insbesondere als Flüssigzellen, also als Schichtsysteme mit einem Flüssigelektrolyten, ausgeführt, wobei die Rahmen (chemisch) inert gegenüber den Flüssigelektrolyten ausgebildet sind. Unter einem Flüssigelektrolyten wird hier und im Folgenden insbesondere ein Elektrolyt in einem flüssigen oder gelartigen (gelierten) Aggregatzustand verstanden.
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Die Rahmen sind insbesondere aus einem Kunststoffmaterial, vorzugsweise aus einem Thermoplast, beispielsweise aus Polypropylen (PP), hergestellt. Die Rahmen sind hierbei im Stapelverbund mechanisch miteinander zu dem dichten Gehäuse gekoppelt, so dass die Batteriezellen in einer definierten Lage zueinander gehalten sind. Die Rahmen sind zu diesem Zwecke beispielsweise stoffschlüssig miteinander gefügt. Durch die stoffschlüssige, permanente Fügung ist ein hermetisch geschlossenes Gehäuse für den Zellenstapel realisiert.
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Unter einem „Stoffschluss“ oder einer „stoffschlüssigen Verbindung“ zwischen wenigstens zwei miteinander verbundenen Teilen wird hier und im Folgenden insbesondere verstanden, dass die miteinander verbundenen Teile an Ihren Kontaktflächen durch stoffliche Vereinigung oder Vernetzung (beispielsweise aufgrund von atomaren oder molekularen Bindungskräften) gegebenenfalls unter Wirkung eines Zusatzstoffs zusammengehalten werden. Die Rahmen sind hierbei vorzugsweise miteinander verschweißt, verklebt, oder laminiert.
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In einer vorteilhaften Weiterbildung ist das Druckausgleichselement zwischen zwei benachbarten Rahmen angeordnet. Mit anderen Worten ist das Druckausgleichselement beispielsweise stirnseitig an den Rahmen angeordnet. Das Druckausgleichselement kommuniziert somit insbesondere mit beiden zugeordneten Batteriezellen. Dadurch wird eine besonders vorteilhafte Entfernung von Formierungsgas ermöglicht.
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In einer geeigneten Ausführung sind die Rahmen der Batteriezellen an den zugeordneten Stromableitern befestigt. Dies bedeutet, dass der Rahmen, welcher als Zellengehäuse des jeweiligen Batteriezellelements wirkt, auf den blanken Stromableiter befestigt wird. Die Stromableiter stehen hierbei dem Außenumfang der Batteriezellelementen zumindest teilweise über, insbesondere stehen die Stromableiter den Batteriezellelementen umlaufend radial über, so dass eine umlaufende geschlossene Befestigung der Rahmen realisiert ist. Dadurch schließen die Rahmen die Elektrodenschichten der Batteriezellelemente ein. Des Weiteren ist somit eine Rahmen-Elektrodeneinheit der Hochvoltzelle gebildet.
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In einer bevorzugten Ausgestaltung weist jede Batteriezelle beziehungsweise jedes Batteriezellelement mindestens ein zugeordnetes Druckausgleichselement auf. Dadurch sind die Druckausgleichselemente in jeder Zellenlage des Zellenstapels vorhanden, wodurch ein lokaler Überdruck während der Formierung vorteilhaft und einfach vermieden wird. Dies bedeutet, dass mindestens eine der Anzahl der Batteriezellelemente entsprechende Anzahl von Druckausgleichselementen am Zellenstapel vorgesehen sind. Jedes Batteriezellelement weist somit mindestens ein Druckausgleichelement auf, wobei je nach Größe, Form und Kapazität der gestapelten Hochvoltzelle auch mehr als ein Druckausgleichelement pro Lage vorgesehen ist.
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In einer vorteilhaften Ausbildung sind die Druckausgleichselemente benachbarter Batteriezellen in Stapelrichtung nicht übereinander angeordnet. Mit anderen Worten fluchten die Druckausgleichselemente benachbarter Batteriezellen entlang der Stapelrichtung nicht miteinander. Die Druckausgleichselemente benachbarter Batteriezellen sind also quer zur Stapelrichtung gegeneinander versetzt angeordnet. Somit sind die Druckausgleichselemente räumlich voneinander getrennt oder separiert. Dadurch wird ein Austausch oder eine Verbindung von den (Flüssig-)Elektrolyten unterschiedlicher Batteriezellelemente verhindert, wodurch sich keine Mischpotentiale aufbauen, welche zu einem Fehler oder Defekt der gestapelten Hochvoltzelle führen könnte.
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Bei einer liegend verbauten Hochvoltzelle, bei welcher die Stapelrichtung parallel zu einem Untergrund ist, ist es wichtig, dass die angrenzenden oder benachbarten Batteriezellelemente nicht direkt über austretende Elektrolyten miteinander ionisch verbindbar sind. Sollte dies der Fall sein, so kommt es zu einem internen Kurzschluss und zur Entladung des Batteriezellelemente, da beide direkt angrenzenden Batteriezellelemente ionisch und elektrisch miteinander verbunden sind. Die Lithiumionen können über den ausgetretenen Elektrolyten von einem Batteriezellelement zum anderen gelangen, wodurch die Anode des einen Batteriezellelementes über den Bipolar-Stromableiter elektrisch mit der Kathode des anderen Batteriezellelementes verbunden wäre. Dadurch würde sich ein neues effektives Batteriezellelement bilden, was zu einer sofortigen Entladung führt. Durch die beabstandete oder versetzte Anordnung der Druckausgleichselemente ist bei einem Kontakt von ausgetretenen Elektrolyten zumindest ein Batteriezellelement zwischen den kontaktierten Batteriezellelementen angeordnet, welche die Elektroden der kontaktierten Batteriezellelemente elektrisch voneinander isoliert. Dadurch kann somit weder ein Kurzschluss entstehen, noch eine Entladung der Batteriezellelemente stattfinden.
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Bei liegend verbauten Hochvoltzellen können die Druckausgleichselemente auf einer gemeinsamen Seite des Zellenstapels angebracht werden oder alternierend auf verschiedenen Seiten implementiert werden.
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Bei einem aufrechten Verbau der Hochvoltzelle, bei welchem die Stapelrichtung senkrecht zum Untergrund orientiert ist, reduziert sich aufgrund der Schwerkraft das Risiko das ein Elektrolyt nach oben hinaustritt. Des Weiteren sollten die Druckausgleichselemente bei aufrecht gestellten Zelllagen immer nach oben angeordnet werden, um einen Elektrolyten-Auswurf zu reduzieren. Werden hier die Druckausgleichselemente am Boden oder seitlich angeordnet, kann durch den hydraulischen Druck der Elektrolyt aus den Batteriezellelementen gepresst werden.
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In einer denkbaren Ausgestaltung sind die Druckausgleichselemente der Batteriezellelemente an einer gemeinsamen Gehäuseseite, also an jeweils der gleichen Rahmenseite, angeordnet. Dadurch wird ein einfacher Druckausgleich oder eine einfache Entgasung während der Formierung sowie im Einbauzustand ermöglicht.
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Ein zusätzlicher oder weiterer Aspekt der Erfindung sieht vor, dass das oder jedes Druckausgleichselement als ein Ventil oder als ein offener Kanal ausgeführt ist.
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Das Ventil ist beispielsweise als ein Überdruckventil ausgeführt, und weist beispielsweise zwei lose aufeinanderliegende Streifen auf, welche jeweils an einem Rahmen angeordnet sind. Ebenso denkbar ist eine form- und/oder kraftschlüssige Verbindung zwischen den Streifen, beispielsweise mittels einer Verhakung nach Art eines Druckverschlusses. Dies bedeutet, dass die Streifen zwei form- und/oder kraftschlüssig ineinandergreifende Profile oder Konturen aufweisen.
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Unter einem „Formschluss“ oder einer „formschlüssigen Verbindung“ zwischen wenigstens zwei miteinander verbundenen Teilen wird hier und im Folgenden insbesondere verstanden, dass der Zusammenhalt der miteinander verbundenen Teile zumindest in einer Richtung durch ein unmittelbares Ineinandergreifen von Konturen der Teile selbst oder durch ein mittelbares Ineinandergreifen über ein zusätzliches Verbindungsteil erfolgt. Das „Sperren“ einer gegenseitigen Bewegung in dieser Richtung erfolgt also formbedingt.
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Unter einem „Kraftschluss“ oder einer „kraftschlüssigen Verbindung“ zwischen wenigstens zwei miteinander verbundenen Teilen wird hier und im Folgenden insbesondere verstanden, dass die miteinander verbundenen Teile aufgrund einer zwischen ihnen wirkenden Reibkraft gegen ein Abgleiten aneinander gehindert sind. Fehlt eine diese Reibkraft hervorrufende „Verbindungskraft“ (dies bedeutet diejenige Kraft, welche die Teile gegeneinanderdrückt, beispielsweise eine Schraubenkraft oder die Gewichtskraft selbst), kann die kraftschlüssige Verbindung nicht aufrechterhalten und somit gelöst werden.
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Der Kanal kann beispielsweise als ein Rohr oder eine Leitung oder als Aussparung beziehungsweise Durchführöffnung ausgebildet sein. Zum Beispiel kann ein Rohr in das Gehäuse implementiert werden. Hierbei liegt das Rohr zuerst zwischen zwei Rahmen und wird anschließend durch laminieren, kleben oder verschweißen in die Rahmenstruktur des Gehäuses integriert. Durch den Kanal bzw. das Rohr ist das System und somit jede Zellenlage fortlaufend zur Umgebung geöffnet, wodurch stets ein Druckausgleich gewährleistet ist. Alternativ ist ein offenes System beziehungsweise ein Kanal direkt in den Rahmen eingeformt. Beispielsweise wird der Rahmen an einer bestimmten Stelle eingeschnitten oder die Stelle ausgestanzt, und somit der Kanal erzeugt. An den freigestellten Stellen befindet sich somit kein Rahmenmaterial mehr welches beim Fügen des Gehäuses dauerhaft miteinander verbunden wird. Somit verbleibt im resultierenden Gehäuse der Kanal, über welchen ein Überdruck jederzeit entweichen kann.
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In einer vorteilhaften Ausführung ist bei einem als Kanal ausgebildeten Druckausgleichselement der Durchmesser des Kanals klein genug dimensioniert, dass Flüssigelektrolyt des Batteriezellelements nicht austreten kann. Dadurch wird die Gefahr von ionischen Kontakten zwischen den Batteriezellelementen reduziert oder vollständig vermieden.
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In einer bevorzugten Anwendung ist die vorstehend beschriebene Hochvoltzelle ein Teil eines Batteriemoduls einer Fahrzeugbatterie. Das erfindungsgemäße Batteriemodul weist hierbei mindestens eine Hochvoltzelle auf. Dadurch ist ein besonders geeignetes Batteriemodul realisiert.
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Die erfindungsgemäße Fahrzeugbatterie ist für ein elektrisch angetriebenes oder antreibbares Kraftfahrzeug, beispielsweise für ein Elektro- oder Hybridfahrzeug, geeignet und eingerichtet. Die Fahrzeugbatterie ist hierbei insbesondere als eine Traktionsbatterie mit mindestens einem vorstehend beschriebenen Batteriemodul ausgeführt. Dadurch ist eine besonders geeignete Fahrzeugbatterie realisiert.
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Nachfolgend sind Ausführungsbeispiele der Erfindung anhand einer Zeichnung näher erläutert. Darin zeigen in schematischen und vereinfachten Darstellungen:
- 1 ein Kraftfahrzeug mit einer Fahrzeugbatterie,
- 2 eine Hochvoltzelle der Fahrzeugbatterie,
- 3 ein Batteriezellelement der Hochvoltzelle,
- 4, 5 eine erste Ausführungsform eines Druckausgleichselements als Ventil mit zwei Streifen,
- 6, 7 eine zweite Ausführungsform des Druckausgleichselements als Ventil mit einer Druckverschlusskontur,
- 8, 9 eine dritte Ausführungsform des Druckausgleichselements mit einem als integriertes Rohr ausgebildeten Kanal,
- 10, 11 eine vierte und fünfte Ausführungsform des Druckausgleichselements mit durch Aussparungen gebildeten Kanälen,
- 12, 13 unterschiedliche Anordnungen der Druckausgleichselemente in einem Zellenstapel der Hochvoltzelle, und
- 14 bis 20 unterschiedliche Anordnung der Druckausgleichselemente an einem Batteriezellelement.
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Einander entsprechende Teile und Größen sind in allen Figuren stets mit den gleichen Bezugszeichen versehen.
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Die 1 zeigt in einer schematischen und vereinfachten Darstellung ein elektrisch angetriebenes oder antreibbares Kraftfahrzeug 2, insbesondere ein Elektro- oder Hybridfahrzeug. Das Kraftfahrzeug 2 weist einen internen elektrochemischen Energiespeicher in Form einer als Traktionsbatterie ausgeführten Fahrzeugbatterie 4 auf. Die Fahrzeugbatterie 4 weist hierbei eine Anzahl von miteinander verschalteten Batteriemodulen 6 auf, wobei in der 1 beispielhaft lediglich vier Batteriemodule 6 schematisch gezeigt sind. Zur (Auf-)Ladung der Fahrzeugbatterie 4 beziehungsweise der Batteriemodule 6 ist eine Ladeschnittstelle 8 des Kraftfahrzeugs 2 vorgesehen, mittels welcher das Kraftfahrzeug 2 beispielsweise an ein Ladekabel 10 elektrisch anschließbar ist. Im Zuge eines Ladevorgangs wird die Fahrzeugbatterie 4 mittels eines Ladestroms aufgeladen.
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Die Batteriemodule 6 weisen jeweils mindestens eine Hochvoltzelle 12 auf. Die in 2 einzeln dargestellte Hochvoltzelle 12 weist einen in einem Gehäuse 14 aufgenommenen Zellenstapel 16 auf. Der Zellenstapel 16 ist mit einer Anzahl von entlang einer axialen Stapelrichtung S gestapelten oder aneinander stirnseitig angereihten Batteriezellen 18 ausgeführt. In dem Ausführungsbeispiel der 2 weist der Zellenstapel 16 beispielsweise fünf gestapelte Batteriezellen 18 auf. Die Batteriezellen 18 sind in den Figuren lediglich teilweise mit Bezugszeichen versehen.
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Die Batteriezellen 18 weisen jeweils als ein als (Dünn-)Schichtzelle ausgebildetes Batteriezellelement 20 mit einem nicht näher gezeigten Flüssigelektrolyten auf. Die Batteriezellen 18 sind insbesondere als Lithium-Ionen-Flüssigzellen ausgeführt. Das Batteriezellelement 20 weist hierbei eine Kathodenschicht 22 und eine Anodenschicht 24 sowie eine dazwischen angeordnete Separatorschicht (Separator) 26 auf.
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Die gestapelten Batteriezellen 18 beziehungsweise die Batteriezellelemente 20 im Stapelverbund an den einander zugewandten Stirnseiten jeweils mit einer Bipolarelektrode oder Bipolarplatte als Stromableiter 28 gekoppelt, so dass die Batteriezellen 18 des Zellenstapels 16 entlang der Stapelrichtung S elektrisch in Reihe oder Serie geschaltet sind. An den gegenüberliegenden Stirnseiten des Zellenstapels 16 ist hierbei jeweils ein nicht näher dargestellter End-Stromableiter vorgesehen. Die End-Stromableiter sind hierbei an zwei Anschlüsse oder Terminals der Hochvoltzelle 12 geführt.
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Bei der gestapelten Hochvoltzelle 12 ist jede Lage beziehungsweise jedes Batteriezellelement 20 als eine eigenständige Batteriezelle 18 ausgeführt. Hierzu weist jede Batteriezelle 18 einen Rahmen 30 als Dichtungs- oder Hilfsrahmen auf, welcher ein umfangsseitiges Zellengehäuse für das jeweilige Batteriezellelement 20 bildet. Der Rahmen 30 ist an den stirnseitigen Stromableitern 28 befestigt, welche somit einen Gehäusedeckel und einen Gehäuseboden der jeweiligen Batteriezelle 18 bilden. Die Stromableiter 28 stehen dem Außenumfang der Batteriezellelemente 20- wie anhand der 3 ersichtlich - umlaufend über, so dass eine umfangsseitig geschlossene Befestigung des Rahmens 30 ermöglicht ist. Der Rahmen 30 wird hierbei auf den blanken Stromableiter 28 befestigt, und schließt somit die Elektrodenschicht des jeweiligen Batteriezellelementes 20 ein. Die Batteriezelle 18 ist somit eine Rahmen-Elektrodeneinheit aus dem Batteriezellelement 20 und dem Rahmen 30.
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Bei der gestapelten Hochvoltzelle 12 sind die Rahmen 30 miteinander stoffschlüssig, beispielsweise mittels Verkleben, Verschweißen oder Laminieren, dauerhaft gefügt. Durch diese Fügung der Rahmen 30 wird das Gehäuse 14 gebildet, welches aufgrund der stoffschlüssigen Rahmenverbindungen hermetisch verschlossen ist.
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Zum Zwecke eines Druckausgleichs sowie der Entfernung von Formierungsgasen ist mindestens ein Druckausgleichselement 32 in das Gehäuse 14 beziehungsweise in einen Rahmen 30 eingebracht, welches in den 2 und 3 nicht näher gezeigt ist. Nachfolgend sind anhand der 4 bis 11 unterschiedliche Ausführungen des Druckausgleichselements 32 näher erläutert. Vorzugsweise weist hierbei jede Batteriezelle 18 beziehungsweise jedes Batteriezellelement 20 mindestens ein zugeordnetes Druckausgleichselement 32 auf.
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In dem Ausführungsbeispiel der 4 und 5 ist das Druckausgleichselement 32 als ein Ventil ausgeführt. Das Druckausgleichselement 32 weist in dieser Ausführungsform eine vergleichsweise einfache Geometrie mit zwei nicht verbundenen Plättchen oder Streifen 34 auf. Die Rahmen 30 bestehen in diesem Ausführungsbeispiel insbesondere aus einem thermoplastischen Kunststoffmaterial, wie beispielsweise Polypropylen (PP). Die Rahmen 30 sind somit miteinander zu dem Gehäuse 14 laminierbar (5). Auf zwei in Stapelrichtung S benachbart angeordnete Rahmen 30 ist jeweils ein Streifen 34 aus einem nicht-thermoplastischen Material, wie zum Beispiel Kapton, einseitig auf den jeweiligen Rahmen 30 geklebt. Im Zuge der Laminierung verschmelzen die Streifen 34 somit nicht miteinander, so dass die Rahmen 30 zwischen den Streifen 34 nicht verbunden sind. Die Streifen 34 liegen in Stapelrichtung S lose aufeinander, so dass im Falle eines Überdrucks die Streifen 34 auseinander gedrückt werden, um den entstandenen Gasdruck entweichen zu lassen. Diese (Formierungs-)Gas kann beispielsweise in einer Gastasche aufgefangen werden.
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In dem in den 6 und 7 gezeigten Ausführungsbeispiel ist das Druckausgleichselement 32 als ein Überdruckventil nach Art eines Druckverschlusses ausgeführt. Das Druckausgleichselement 32 weist hierbei zwei Druckverschlussstreifen 36, 38 aus nicht thermoplastischen Material auf, welche an jeweils einer Stirnseite eines Rahmens 30 befestigt sind. Die Druckverschlussstreifen 36, 38 verhaken im Fügezustand form- und/oder kraftschlüssig miteinander, wobei der gebildete Druckverschluss bei einem hinreichenden Innendruck des Gehäuses 14 öffnet.
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Die Ausführungsform der 8 und 9 zeigt ein als Kanal ausgeführtes Druckausgleichselement 32. In dieser Ausführung ist in das Gehäuse 14 beziehungsweise in die Rahmen 30 ein Rohr 40 implementiert oder integriert. Das Rohr 40 ist hierbei zwischen zwei benachbarten Rahmen 30 angeordnet (8), und wird anschließend durch laminieren, kleben oder verscheißen in die Rahmenstruktur des Gehäuses 14 integriert (9). Durch das Rohr 40 oder den Kanal bleibt das System und somit die zugeordnete Zellenlage offen, so dass während des Betriebs der Hochvoltzelle 12 ein Druckausgleich oder eine Gasentfernung fortwährend gewährleistet ist.
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Die 10 und die 11 zeigen eine zweite Variante für ein als Kanal ausgeführtes Druckausgleichselement 32. In dieser Variante wird das Druckausgleichselement 32 als Aussparung direkt in den Rahmen 30 erzeugt. Hierzu wird der Rahmen 30 beispielsweise an einer bestimmten Stelle eingeschnitten oder die Stelle ausgestanzt und somit eine schlitzförmige Aussparung oder Lücke 42, also ein lichter Abstand in dem Rahmen 30, als Kanal erzeugt. Ebenso denkbar ist beispielsweise eine Bohrung als Kanal oder Druckausgleichselement 32.
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Im Bereich der Lücke 42 befindet sich kein Rahmenmaterial welches beim Fügen dauerhaft miteinander verbunden wird. Im Fügezustand der Rahmen 30 bleibt im resultierenden Gehäuse 14 somit die Lücke 42 bestehen, über welche jeder Zeit ein Überdruck entweichen kann. Die Lücke 42 ist hierbei klein genug dimensioniert, damit kein Elektrolyt aus dem Batteriezellelement 20 herausfließen kann.
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Damit keine Mischpotentiale aufgebaut und somit Fehler in der gestapelten Hochvoltzelle 12 erzeugt werden ist es wichtig, dass die Druckausgleichselemente 32 des Zellenstapels 16 nicht direkt benachbart angeordnet sind. Mit anderen Worten ist es wichtig, dass es nicht zu einem Austausch oder Verbindung vom Elektrolyten verschiedener Batteriezellelementen 20 kommt. Um dies zu vermeiden werden die Druckausgleichselemente 32 der Batteriezellen 18 - wie insbesondere anhand der 12 und der 13 ersichtlich - räumlich verteilt angeordnet. Insbesondere sind die Druckausgleichselemente 32 benachbarter Batteriezellen 18 entlang der Stapelrichtung S nicht fluchtend übereinander angeordnet, sondern quer zur Stapelrichtung S versetzt angeordnet.
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In den Ausführungsbeispielen der 12 und 13 ist jeweils ein Zellenstapel 16 mit fünf Batteriezellelementen 20 mit jeweils einem Druckausgleichselement 32 dargestellt. Die Druckausgleichselemente 32 sind in der 13 auf der gleichen Batteriezellseite oder Gehäuseseite implementiert, jedoch pro Batteriezellelementlage an unterschiedlichen Positionen.
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Kommt es zu einem Austritt vom Elektrolyten bei einem Batteriezellelement 20, so muss der ausgetretene Elektrolyt eine größere Elektrolytbrücke aufbauen und aufrechterhalten. Kommt es hierbei zu einem Kontakt von ausgetretenen Elektrolyten der Batteriezellelemente 20 so wird die Elektrolytbrücke einen ionischen Kontakt herstellen, jedoch isoliert ein dazwischen angeordnetes Batteriezellelement 20 die Elektroden der kontaktierten Batteriezellen 18 elektrisch voneinander, so dass weder ein Kurzschluss entstehen noch eine Entladung stattfinden kann.
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Der Zellenstapel 16 beziehungsweise die Batteriezellelemente 20 sind beispielsweise liegend verbaut. Bei liegend verbaute Batterien können die Druckausgleichselemente auf der gleichen Seite einer Batteriezellen 18 beziehungsweise des Gehäuses 14 angebracht werden (13), oder alternierend auf verschiedenen Seiten (12) implementiert werden.
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Bei einem aufrechten Verbau des Zellenstapels 16 reduziert sich aufgrund der Schwerkraft das Risiko das Elektrolyt nach obenhin austritt. Hierbei sollten die Druckausgleichselemente 32 bei aufrecht gestellten Zelllagen immer noch oben angeordnet werden, um einen Elektrolyten-Auswurf zu reduzieren. Dies bedeutet, dass die Druckausgleichselemente 32 an einer Seite angeordnet sind, wobei die Seite vorzugsweise nach oben orientiert ist.
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Vorzugsweise weist jede Batteriezelle 18 beziehungsweise jedes Batteriezellelement 20 mindestens ein Druckausgleichselement 32 auf, wobei je nach Größe, Form und Kapazität der gestapelten Hochvoltzelle 12 auch mehr als ein Druckausgleichselement 32 je Batteriezelle 18 vorgesehen sein kann. So zeigt das Ausführungsbeispiel der 14 beispielsweise eine Batteriezelle 18 mit acht verteilt angeordneten Druckausgleichselementen 32.
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In den 15, 17 und 19 sind Ausführungsbeispiele für die Anordnung eines einzelnen Druckausgleichelements 32 bei einer Batteriezelle 18 gezeigt. Die 16, 18 und 20 zeigen jeweils eine Batteriezelle 18 mit zwei Druckausgleichselementen 32 in unterschiedlichen Anordnungen.
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Die beanspruchte Erfindung ist nicht auf die vorstehend beschriebenen Ausführungsbeispiele beschränkt. Vielmehr können auch andere Varianten der Erfindung von dem Fachmann hieraus im Rahmen der offenbarten Ansprüche abgeleitet werden, ohne den Gegenstand der beanspruchten Erfindung zu verlassen. Insbesondere sind ferner alle im Zusammenhang mit den verschiedenen Ausführungsbeispielen beschriebenen Einzelmerkmale im Rahmen der offenbarten Ansprüche auch auf andere Weise kombinierbar, ohne den Gegenstand der beanspruchten Erfindung zu verlassen.
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Bezugszeichenliste
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- 2
- Kraftfahrzeug
- 4
- Fahrzeugbatterie
- 6
- Batteriemodul
- 8
- Ladeschnittstelle
- 10
- Ladekabel
- 12
- Hochvoltzelle
- 14
- Gehäuse
- 16
- Zellenstapel
- 18
- Batteriezelle
- 20
- Batteriezellelement
- 22
- Kathodenschicht
- 24
- Anodenschicht
- 26
- Separatorschicht
- 28
- Stromableiter
- 30
- Rahmen
- 32
- Druckausgleichselement
- 34
- Streifen
- 36
- Druckverschlussstreifen
- 38
- Druckverschlussstreifen
- 40
- Rohr
- 42
- Lücke
- S
- Stapelrichtung
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- US 2018/0233721 A1 [0005]
- US 2018/0233752 [0005]
- US 2018/0233768 A1 [0005]
