DE102021002756A1 - Round cell, battery module and vehicle - Google Patents

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Abstract

Die erfindungsgemäß betrifft eine Rundzelle (1) mit einem Pluspol (+) und einem Minuspol (-), wobei der Pluspol (+) und der Minuspol (-) zumindest bereichsweise aus dem gleichen Material gefertigt sind. Die erfindungsgemäße Rundzelle ist dadurch gekennzeichnet, dass in Richtung eines Zelläußeren reichende Kontaktstellen des Pluspols (+) und des Minuspols (-) Aluminium oder eine Aluminiumlegierung umfassen.The invention relates to a round cell (1) with a positive pole (+) and a negative pole (-), the positive pole (+) and the negative pole (-) being made of the same material at least in some areas. The round cell according to the invention is characterized in that contact points of the positive pole (+) and the negative pole (-) which extend in the direction of the exterior of the cell comprise aluminum or an aluminum alloy.

Description

Die Erfindung betrifft eine Rundzelle nach der im Oberbegriff von Anspruch 1 näher definierten Art sowie ein Batteriemodul und ein Fahrzeug.The invention relates to a round cell according to the type defined in more detail in the preamble of claim 1, as well as a battery module and a vehicle.

Batterieelektrisch angetriebene Fahrzeuge speichern den von Elektromotoren benötigten Strom in einer sogenannten Traktionsbatterie. Eine solche Traktionsbatterie kann ein oder mehrere Batteriemodule umfassen. Ein solches Batteriemodul wiederum umfasst typischerweise eine Vielzahl einzelner galvanischer Zellen. Eine besonders häufig zur Ausbildung von Traktionsbatterien verwendete galvanische Zelle ist die sogenannte Rundzelle. Diese besteht aus einem einen Zellwickel umschließenden metallenen Becher und einem den Becher gegenüber der Umgebung abschließenden Deckel. Dabei bilden typischerweise der Becher und der Deckel jeweils einen Batteriepol aus.Battery-powered vehicles store the electricity required by electric motors in what is known as a traction battery. Such a traction battery can comprise one or more battery modules. Such a battery module in turn typically comprises a large number of individual galvanic cells. A galvanic cell that is used particularly frequently to form traction batteries is the so-called round cell. This consists of a metal cup enclosing a cell roll and a lid that closes the cup off from the environment. The cup and the lid typically each form a battery pole.

Aus dem allgemeinen Stand der Technik sind verschiedene Ausführungsformen von solchen Rundzellen bekannt. Dabei kann der Becher sowohl den Pluspol als auch den Minuspol der Rundzelle ausbilden. Analog kann auch der Deckel den Plus- bzw. Minuspol ausbilden. Es sind Rundzellen bekannt, bei denen sowohl der Becher, als auch der Deckel vernickelten Stahl umfassen. Häufig weisen der Plus- und der Minuspol jedoch verschiedene Werkstoffe auf, um eine günstig herzustellende Materialpaarung zwischen den von der Rundzelle umfassten Zellwickel sowie den jeweiligen Plus- und Minuspol herstellen zu können. So ist meist der Pluspol aus Aluminium gefertigt und der Minuspol aus Kupfer, Stahl oder vernickeltem Stahl.Various embodiments of such round cells are known from the general prior art. The cup can form both the positive pole and the negative pole of the round cell. Similarly, the cover can also form the plus or minus pole. Round cells are known in which both the cup and the lid comprise nickel-plated steel. Often, however, the plus and minus poles have different materials in order to be able to produce a material pairing that is inexpensive to produce between the cell coil encompassed by the round cell and the respective plus and minus pole. The positive pole is usually made of aluminum and the negative pole is made of copper, steel or nickel-plated steel.

Zur Erhöhung einer Kapazität bzw. einer Spannung eines Batteriemoduls werden mehrere Rundzellen in Reihe bzw. parallel geschaltet. Eine Verbindung der Rundzellen erfolgt dabei über sogenannte Zellverbinder. Die Zellverbinder sind meist aus Aluminium gefertigt. Da Kupfer und Aluminium, beispielsweise mittels Schweißen, nur schwer verbindbar sind, ist ein Prozess zum Verschalten mehrerer Rundzellen besonders aufwändig, teuer und es besteht das Risiko, dass einzelne Kontaktierungen in unzureichender Qualität ausgeführt werden. Dies kann dazu führen, dass sich die Kontaktierungen während dem Betrieb lösen oder ein übermäßig hoher elektrischer Widerstand zwischen zwei über einen Zellverbinder verbundenen Zellen vorliegt.To increase the capacity or voltage of a battery module, several round cells are connected in series or in parallel. The round cells are connected using so-called cell connectors. The cell connectors are mostly made of aluminum. Since copper and aluminum can only be connected with difficulty, for example by means of welding, a process for interconnecting several round cells is particularly complex and expensive, and there is a risk that individual contacts will be made of inadequate quality. This can lead to the contacts becoming detached during operation or to an excessively high electrical resistance between two cells connected via a cell connector.

Der vorliegenden Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine verbesserte Rundzelle anzugeben, welche besonders zuverlässig mit weiteren Rundzellen parallel und/oder in Reihe verschaltet werden kann, die besonders leicht ist und die einfach und kostengünstig verbaut werden kann.The present invention is based on the object of specifying an improved round cell which can be connected in parallel and / or in series with further round cells in a particularly reliable manner, which is particularly light and which can be installed simply and inexpensively.

Erfindungsgemäß wird diese Aufgabe durch eine Rundzelle mit den Merkmalen des Anspruchs 1 gelöst. Vorteilhafte Ausgestaltungen und Weiterbildungen sowie ein Batteriemodul mit einer solchen Rundzelle und ein Fahrzeug mit einem solchen Batteriemodul ergeben sich aus den hiervon abhängigen Ansprüchen.According to the invention, this object is achieved by a round cell with the features of claim 1. Advantageous refinements and developments as well as a battery module with such a round cell and a vehicle with such a battery module result from the dependent claims.

Bei einer Rundzelle mit einem Pluspol und einem Minuspol, wobei der Pluspol und der Minuspol zumindest bereichsweise aus dem gleichen Material gefertigt sind, umfassen erfindungsgemäß in Richtung eines Zelläußeren reichende Kontaktstellen des Pluspols und des Minuspols Aluminium oder eine Aluminiumlegierung.In the case of a round cell with a positive pole and a negative pole, the positive pole and the negative pole being at least partially made of the same material, according to the invention, contact points of the positive pole and the negative pole reaching towards the outside of the cell comprise aluminum or an aluminum alloy.

Die erfindungsgemäße Rundzelle weist einen Pluspol und einen Minuspol auf, die aus demselben Material gefertigt sind. Typischerweise wird Aluminium auch zur Ausbildung von Zellverbindern genutzt. Somit lässt sich die erfindungsgemäße Rundzelle besonders einfach, kostengünstig und zuverlässig verschalten. Beispielsweise kann ein Zellverbinder mit einer solchen Rundzelle verschweißt werden. Eine dabei auftretende Werkstoffpaarung erfolgt immer durch Aluminium auf Aluminium. Dies ermöglicht einen besonders einfachen Schweißvorgang und ermöglicht die Herstellung zuverlässiger Schweißverbindungen. Dies erlaubt es Zellverbinder geometrisch einfacher und kompakter auszuführen. Durch Reduktion von Material lässt sich damit Gewicht einsparen.The round cell according to the invention has a positive pole and a negative pole which are made of the same material. Typically, aluminum is also used to form cell connectors. The round cell according to the invention can thus be interconnected particularly simply, inexpensively and reliably. For example, a cell connector can be welded to such a round cell. A material pairing that occurs is always made of aluminum on aluminum. This enables a particularly simple welding process and enables reliable welded connections to be made. This allows cell connectors to be designed in a geometrically simpler and more compact manner. By reducing material, weight can be saved.

Eine vorteilhafte Weiterbildung der Rundzelle sieht vor, dass die in ein Zellinneres reichende Kontaktstelle des Minuspols Kupfer oder eine Kupferlegierung umfasst. Der von einer Rundzelle umfasste Zellwickel umfasst typischerweise eine oder mehrere Kupferfolien. Bei der erfindungsgemäßen Rundzelle erfolgt eine Verbindung eines Kupferableiters des Zellwickels zu einem Aluminium aufweisenden Minuspol innerhalb der Rundzelle. Somit wird eine vergleichsweise schwierige Kontaktierung von Mischmaterialien aus einem Produktionsprozess eines Batteriemoduls in einen Herstellungsprozess von Batteriezellen verlagert. Kommt es zu einer fehlerhaften Verbindung der Mischmaterialien, so stellt dieses im Falle einer einzelnen unzureichend hergestellten Rundzelle ein geringeres Behinderungspotenzial für den Herstellungsprozess dar. So kann eine einzelne Rundzelle einfacher und schneller ausgetauscht werden als ein Batteriemodul. Zudem kann eine fehlerhafte Kontaktierung schneller aufgefunden werden. So kann jede Rundzelle nach ihrer Herstellung auf eine korrekte Funktionsweise überprüft und bei Bedarf ausgetauscht werden. Bei einem Batteriemodul sind hingegen aufwändig sämtliche Kontaktierungen zwischen Zellverbinder und Batteriepolen auf eine korrekte Ausführung hin zu überprüfen. Eine fehlerhafte Kontaktierung lässt sich aufgrund einer schwierigen Zugänglichkeit dann nur mit Aufwand beheben.An advantageous development of the round cell provides that the contact point of the negative pole reaching into the interior of the cell comprises copper or a copper alloy. The cell roll encompassed by a round cell typically comprises one or more copper foils. In the case of the round cell according to the invention, a copper conductor of the cell coil is connected to an aluminum-containing negative pole within the round cell. A comparatively difficult contacting of mixed materials is thus shifted from a production process of a battery module to a production process of battery cells. If there is a faulty connection between the mixed materials, this represents a lower potential hindrance to the manufacturing process in the case of a single, inadequately manufactured round cell. A single round cell can be replaced more easily and quickly than a battery module. In addition, faulty contact can be found more quickly. In this way, every round cell can be checked for correct functioning after its production and replaced if necessary. In the case of a battery module, on the other hand, all contacts between cell connectors and battery poles are laboriously checked for correct execution. A faulty one Contacting can then only be eliminated with great effort due to difficult accessibility.

Entsprechend einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung der erfindungsgemäßen Rundzelle liegt ein Materialübergang des Minuspols innerhalb einer Deckelbaugruppe. Hierdurch lässt sich der Minuspol vergleichsweise kompakt ausführen, wodurch ein Gewicht der Rundzelle verringert werden kann. Somit lassen sich Batteriemodule und Traktionsbatterien leichter ausführen, wodurch ein Energieverbrauch eines Fahrzeugs im Betrieb gesenkt werden kann. Zur Isolation kann eine elektrisch nicht-leitende Dichtung zwischen Deckelbaugruppe und Minuspol angebracht werden.According to a further advantageous embodiment of the round cell according to the invention, a material transition of the negative pole lies within a cover assembly. As a result, the negative pole can be made comparatively compact, so that the weight of the round cell can be reduced. Battery modules and traction batteries can thus be implemented more easily, which means that energy consumption of a vehicle during operation can be reduced. For insulation purposes, an electrically non-conductive seal can be attached between the cover assembly and the negative pole.

Eine weitere vorteilhafte Ausgestaltung der Rundzelle sieht ferner vor, dass der Minuspol aus wenigstens zwei Einzelteilen gefertigt ist, welche durch Reibschweißen oder Gießen gefügt sind. Durch Reibschweißen sowie Gießen lassen sich der aus Kupfer bestehende Teil des Minuspols und der aus Aluminium bestehende Teil des Minuspols besonders einfach und zuverlässig verbinden. Insbesondere Reibschweißen eignet sich hierbei für eine Fertigung in Großserie.Another advantageous embodiment of the round cell also provides that the negative pole is made from at least two individual parts which are joined by friction welding or casting. The part of the negative pole made of copper and the part of the negative pole made of aluminum can be connected particularly easily and reliably by friction welding and casting. Friction welding, in particular, is suitable for large-scale production.

Bevorzugt ist der Minuspol dazu eingerichtet, einen innerhalb eines festgelegten Toleranzbereichs liegenden elektrischen Widerstand für wenigstens 10 Jahre aufzuweisen. Durch Alterung kann ein elektrischer Widerstand einzelner elektronischer Komponenten mit der Zeit zunehmen. Somit sinkt eine von einem Batteriemodul abgegebene Leistung. Einen solchen Leistungseinbruch gilt es nach Möglichkeiten zu verhindern. Durch entsprechende Schutzmaßnahmen lässt sich der Alterungsprozess des Minuspols, sprich der Materialpaarung aus Kupfer und Aluminium, verlangsamen. Somit wird verhindert, dass der Widerstand des Minuspols zu schnell zunimmt. Der festgelegte Toleranzbereich kann dabei beispielsweise einen Wert von 0,1 Ohm pro Jahr entsprechen. Ferner wird die erfindungsgemäße Rundzelle aus ausgeführt, dass auch eine ausreichende mechanische Festigkeit, beziehungsweise Belastbarkeit für die vorgesehene Lebensdauer gewährleistet wird.The negative pole is preferably set up to have an electrical resistance that is within a specified tolerance range for at least 10 years. As a result of aging, the electrical resistance of individual electronic components can increase over time. As a result, the power output by a battery module drops. Such a drop in performance must be prevented wherever possible. Appropriate protective measures can slow down the aging process of the negative pole, i.e. the material pairing of copper and aluminum. This prevents the resistance of the negative pole from increasing too quickly. The specified tolerance range can correspond to a value of 0.1 ohm per year, for example. Furthermore, the round cell according to the invention is designed in such a way that sufficient mechanical strength or resilience is guaranteed for the intended service life.

Erfindungsgemäß umfasst ein Batteriemodul wenigstens eine im vorigen beschriebene Rundzelle.According to the invention, a battery module comprises at least one round cell described above.

Bevorzugt umfasst ein Fahrzeug ein Batteriemodul mit wenigstens solch einer Rundzelle. Bei dem Fahrzeug kann es sich um ein beliebiges Fahrzeug wie einen Pkw, Transporter, Bus, eine Baumaschine oder dergleichen handeln. Das Fahrzeug kann als rein batterieelektrisch angetriebenes Fahrzeug ausgeführt sein oder auch als Hybridfahrzeug. Das Hybridfahrzeug wiederum kann auch als Plugin-Hybrid ausgestaltet sein. Bei einem solchen Fahrzeug kann die Traktionsbatterie über einen vergleichsweise langen Lebensdauerbereich zuverlässig eingesetzt werden.A vehicle preferably comprises a battery module with at least one such round cell. The vehicle can be any vehicle such as a car, van, bus, construction machine or the like. The vehicle can be designed as a purely battery-powered vehicle or as a hybrid vehicle. The hybrid vehicle, in turn, can also be designed as a plug-in hybrid. In such a vehicle, the traction battery can be used reliably over a comparatively long service life.

Weitere vorteilhafte Ausgestaltungen der erfindungsgemäßen Rundzelle ergeben sich auch aus dem Ausführungsbeispiel, welches nachfolgend unter Bezugnahme auf die Figur näher beschrieben wird.Further advantageous configurations of the round cell according to the invention also result from the exemplary embodiment, which is described in more detail below with reference to the figure.

Dabei zeigt die einzige Figur eine schematische Schnittansicht durch eine erfindungsgemäße Rundzelle in einer teilexplodierten Darstellung.The single FIGURE shows a schematic sectional view through a round cell according to the invention in a partially exploded view.

Die einzige beigefügte 1 zeigt eine erfindungsgemäße Rundzelle 1. Diese umfasst einen Becher 4, der einen Zellwickel 5 bereichsweise umschließt. Der Becher 4 weist an einer Stirnseite eine Öffnung auf, die durch eine Deckelbaugruppe 2 verschlossen ist. Die Darstellung der Figur zeigt eine teilexplodierte Rundzelle 1, in der die Deckelbaugruppe 2 vom Becher 4 abgehoben dargestellt ist. Der Becher 4 sowie die Deckelbaugruppe 2 sind aus Aluminium gefertigt und bilden einen Pluspol + aus.The only one attached 1 shows a round cell according to the invention 1 . This includes a mug 4th holding a cell wrap 5 encloses in areas. The cup 4th has an opening on one end face that passes through a cover assembly 2 is locked. The representation of the figure shows a partially exploded round cell 1 , in which the lid assembly 2 from the mug 4th is shown lifted. The cup 4th as well as the lid assembly 2 are made of aluminum and form a plus pole +.

Ein Minuspol - der Rundzelle 1 wird von zwei Einzelteilen 3.1 und 3.2 ausgebildet. Zur elektrischen Isolation sind die beiden Einzelteile 3.1 und 3.2 über eine Dichtung 6 in die Deckelbaugruppe 2 eingelassen. Ein erstes Einzelteil 3.1 umfasst Aluminium oder eine Aluminiumlegierung und ist in Richtung eines Zelläußeren orientiert. Ein zweites Einzelteil 3.2 umfasst Kupfer oder eine Kupferlegierung und ist in Richtung eines Zellinneren orientiert. Das zweite Einzelteil 3.2 ist mit einem Kupferableiter 7 des Zellwickels 5 elektrisch leitend verbunden. Die Kontaktierung zwischen dem Kupferableiter 7 und dem zweiten Einzelteil 3.2 kann beispielsweise durch Schweißen hergestellt werden.A negative pole - the round cell 1 is made up of two parts 3.1 and 3.2 educated. The two individual parts are used for electrical insulation 3.1 and 3.2 about a seal 6th into the lid assembly 2 let in. A first item 3.1 comprises aluminum or an aluminum alloy and is oriented towards a cell exterior. A second item 3.2 comprises copper or a copper alloy and is oriented towards a cell interior. The second item 3.2 is with a copper drain 7th of the cell roll 5 electrically connected. The contact between the copper arrester 7th and the second item 3.2 can for example be made by welding.

Analog ist ein Aluminium bzw. eine Aluminiumlegierung umfassender Zellverbinder 8 mit dem ersten Einzelteil 3.1 elektrisch leitend kontaktiert. Auch diese Kontaktierung kann beispielsweise durch Schweißen hergestellt werden. Zur elektrischen Verschaltung der Rundzelle 1 ist ebenfalls ein Zellverbinder 8 mit dem Pluspol + der Rundzelle 1 elektrisch leitend kontaktiert. In der Figur ist der positive Zellverbinder 8 an die Deckelbaugruppe 2 angeschlossen. Generell ist es jedoch auch möglich, dass der Pluspol + mit einem entsprechenden Zellverbinder 8 im Bereich des Bechers 4 kontaktiert ist.A cell connector comprising aluminum or an aluminum alloy is analogous 8th with the first item 3.1 electrically conductive contacted. This contact can also be made, for example, by welding. For the electrical connection of the round cell 1 is also a cell connector 8th with the positive pole + of the round cell 1 electrically conductive contacted. In the figure is the positive cell connector 8th to the lid assembly 2 connected. In general, however, it is also possible for the positive pole + to be connected to a corresponding cell connector 8th in the area of the cup 4th is contacted.

Mit Hilfe der erfindungsgemäßen Rundzelle 1 ist ein besonders einfaches, kostengünstiges und zuverlässiges Verschalten von Rundzellen 1 möglich. Da sowohl der Pluspol + als auch der Minuspol - das gleiche Material umfassen, können Arbeitsschritte zum Verschalten mehrerer Rundzellen 1 vereinfacht werden. Zudem sind lediglich Materialpaarungen aus demselben Material erforderlich, welche einfacher herzustellen sind als Materialpaarungen aus unterschiedlichen Materialien und die zudem sowohl mechanisch als auch elektrisch leitend zuverlässiger ausgestaltet werden können.With the help of the round cell according to the invention 1 is a particularly simple, inexpensive and reliable way to interconnect round cells 1 possible. Since both the positive pole + and the negative pole - are made of the same material, work steps for interconnecting several round cells can be carried out 1 be simplified. In addition, only material pairings made of the same material are required, which are easier to produce than material pairings made of different materials and which can also be designed to be more reliable, both mechanically and electrically conductive.

Claims (7)

Rundzelle (1) mit einem Pluspol (+) und einem Minuspol (-), wobei der Pluspol (+) und der Minuspol (-) zumindest bereichsweise aus dem gleichen Material gefertigt sind, dadurch gekennzeichnet, dass in Richtung eines Zelläußeren reichende Kontaktstellen des Pluspols (+) und des Minuspols (-) Aluminium oder eine Aluminiumlegierung umfassen.Round cell (1) with a positive pole (+) and a negative pole (-), the positive pole (+) and the negative pole (-) being at least partially made of the same material, characterized in that contact points of the positive pole reaching towards the outside of the cell (+) and the negative (-) pole comprise aluminum or an aluminum alloy. Rundzelle (1) nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die in ein Zellinneres reichende Kontaktstelle des Minuspols (-) Kupfer oder eine Kupferlegierung umfasst.Round cell (1) Claim 1 , characterized in that the contact point of the negative pole (-) reaching into a cell interior comprises copper or a copper alloy. Rundzelle (1) nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass ein Materialübergang des Minuspols (-) innerhalb einer Deckelbaugruppe (2) liegt.Round cell (1) Claim 2 , characterized in that a material transition of the negative pole (-) lies within a cover assembly (2). Rundzelle (1) nach Anspruch 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, dass der Minuspol (-) aus wenigstens zwei Einzelteilen (3.1, 3.2) gefertigt ist, welche durch Reibschweißen oder Gießen gefügt sind.Round cell (1) Claim 2 or 3 , characterized in that the negative pole (-) is made from at least two individual parts (3.1, 3.2) which are joined by friction welding or casting. Rundzelle (1) nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass der Minuspol (-) dazu eingerichtet ist einen innerhalb eines festgelegten Toleranzbereichs liegenden elektrischen Widerstand für wenigstens zehn Jahre aufzuweisen.Round cell (1) after one of the Claims 1 to 4th , characterized in that the negative pole (-) is set up to have an electrical resistance lying within a specified tolerance range for at least ten years. Batteriemodul, gekennzeichnet durch wenigstens eine Rundzelle (1) nach einem der Ansprüche 1 bis 5.Battery module, characterized by at least one round cell (1) according to one of the Claims 1 to 5 . Fahrzeug, gekennzeichnet durch wenigstens ein Batteriemodul nach Anspruch 6.Vehicle characterized by at least one battery module according to Claim 6 .
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