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Die Erfindung betrifft eine Batterieeinzelzelle mit zwei Batteriepolen nach der im Oberbegriff von Anspruch 1 näher definierten Art.
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Batterieeinzelzellen werden typischerweise zur Verwendung in größeren Batteriemodulen mechanisch zusammengefasst und, beispielsweise über Schweißnähte, fest miteinander verschaltet, beispielsweise in Form einer Reihen- und/oder Parallelschaltung. Derartige Batterieeinzelzellen sind dabei häufig in prismatischer Bauweise ausgeführt, beispielsweise indem ein Elektrodenstapel oder Elektrodenflachwickel in einem Folienbeutel oder einem festen Gehäuse als Umhüllung als sogenannte Hardcasezellen angeordnet wird. Beim Verschalten werden nun die einzelnen Zellableiter der beiden Batteriepole in der gewünschten Art und Weise verschaltet, um die Reihenbeziehungsweise Parallelverschaltung der Batterieeinzelzellen zu realisieren. Kommt es nun bei einem größeren Batteriemodul zum Defekt einer Batterieeinzelzelle, dann müsste diese herausgetrennt werden. Die Enden der Zellableiter, welche durch das Verschweißen der Zellableiter benachbarter Zellen nur zerstörend getrennt werden können, sind dann jedoch zu kurz um eine neue Zelle in das Zellmodul einsetzen zu können, sodass häufig das ganze Batteriemodul recycelt werden muss.
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Die
DE 10 2012 215 206 A1 schlägt in diesem Zusammenhang nun eine Batterieeinzelzelle vor, welche neben dem eigentlichen Zellableiter einen Ersatzzellableiter für den jeweiligen Batteriepol aufweist, sodass eine Defekte Batterieeinzelzelle gegen eine neue Batterieeinzelzelle ausgetauscht werden kann. Zum erneuten Verschalten des Batteriemoduls wird dann der Ersatzzellableiter verwendet, sodass der Zustand des eigentlichen Zellableiters nach dem Durchtrennen der Verbindung für die Reparatur ohne Belang ist.
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Problematisch bei diesem Aufbau ist es, dass die Position des neu eingebrachten Zellverbinders nicht der Position des vorherigen Zellverbinders entspricht, sodass gegebenenfalls weitere Anpassungen bei der elektrischen Kontaktierung von Sensoren, bei der thermischen Kontaktierung mit einem Kühlelement oder dergleichen vorzunehmen sind, was den in der
DE 10 2012 215 206 A1 beschriebenen Aufbau kompliziert in der praktischen Anwendung macht.
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Die Aufgabe der hier vorliegenden Erfindung besteht nun darin eine verbesserte Batterieeinzelzelle mit zwei Batteriepolen in prismatischer Bauweise gemäß dem Oberbegriff des Anspruchs 1 anzugeben, welche gegenüber dem Stand der Technik weiter verbessert ist.
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Erfindungsgemäß wird diese Aufgabe durch eine Batterieeinzelzelle mit den Merkmalen im Anspruch 1, und hier insbesondere mit den Merkmalen im kennzeichnenden Teil des Anspruchs 1 gelöst. Vorteilhafte Ausgestaltungen und Weiterbildungen ergeben sich aus den hiervon abhängigen Unteransprüchen.
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Bei der erfindungsgemäßen Batterieeinzelzelle ist es, vergleichbar wie im eingangs genannten Stand der Technik, vorgesehen, dass für jeden der Batteriepole ein Zellableiter und ein Ersatzzellableiter vorgesehen sind. Erfindungsgemäß ist der jeweilige Zellableiter und der jeweilige Ersatzzellableiter des entsprechenden Batteriepols bezogen auf eine senkrecht zur Verbindungsrichtung und damit zur Stapelrichtung der prismatischen Batterieeinzelzelle stehenden Querrichtung zumindest teilweise überlappend angeordnet. Dadurch, dass der Zellableiter und der Ersatzzellableiter des jeweiligen Pols sich zumindest teilweise überlappen entsteht ein Aufbau, bei welchem der Ersatzzellableiter in genau dem Bereich kontaktiert werden kann, in dem der Zellableiter sich befunden hat. Hierdurch ist eine außerordentlich effiziente Reparatur möglich, bei welcher die Verbindung zwischen den Batterieeinzelzellen in ihrer Position nicht verändert werden muss, da der Zellableiter bezogen auf die Querrichtung in exakt derselben Position zu liegen kommt.
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Gemäß einer außerordentlich günstigen Weiterbildung ist es dabei vorgesehen, dass der Zellableiter und der Ersatzzellableiter als aus einer Umhüllung herausgeführte Ableiterfahnen ausgebildet sind. Solche beispielsweise aus der Folienumhüllung einer Pouch-Zelle oder aus dem Hardcase der Batterieeinzelzelle herausgeführte Ableiterfahnen stehen typischerweise an einer der Stirnseiten der prismatischen Batterieeinzelzelle über diese über und werden bei der Kontaktierung mit den benachbarten Zellen in Richtung der jeweils zu kontaktierenden Ableiterfahne der benachbarten Zelle gebogen. Überlappen sich der Zellableiter und der Ersatzzellableiter als Ableiterfahnen, treten diese also gemeinsam oder parallel zueinander aus der jeweiligen Stirnseite aus. Der eine Zellableiter wird dann entsprechend der gewünschten Verschaltung umgebogen. Muss dieser aufgrund einer defekten Batterieeinzelzelle benachbart zu dieser Batterieeinzelzelle aufgetrennt werden, dann kann der Ersatzzellableiter als Ableiterfahne in eine der Position des Zellableiters vergleichbare Position umgebogen werden, um so den Aufbau ohne nennenswerte Änderungen der mechanischen Konstruktion mit der ausgetauschten Batterieeinzelzelle wieder verbinden zu können.
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Eine weitere außerordentlich günstige Ausgestaltung der erfindungsgemäßen Batterieeinzelzelle sieht es ferner vor, dass der Ersatzzellableiter mit einer entfernbaren elektrischen Isolierung ausgeführt ist. Der Ersatzzellableiter ist also bei der Herstellung der Batterieeinzelzelle isoliert ausgeführt, kann also egal in welcher Position er sich befindet keinen elektrischen Kontakt zu dem eigentlichen Zellableiter oder den Zellableitern benachbarter Batterieeinzelzellen aufbauen. Für die Praxis ist es dann so, dass im Falle einer Reparatur, wenn also eine der Batterieeinzelzellen ausgetauscht werden muss und einer der Ersatzzellableiter benötigt wird, um die ausgetauschte Batterieeinzelzelle in dem Zellmodul zu verschalten, diese Isolierung entfernt werden kann, um so einen vollwertigen Zellableiter auf Basis des Ersatzzellableiters zur Verfügung stellen zu können.
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Gemäß einer weiteren sehr günstigen Ausgestaltung der erfindungsgemäßen Batterieeinzelzelle kann es nun ferner so sein, dass die Erstreckung der jeweiligen Zellableiter in Querrichtung der Erstreckung des jeweiligen Ersatzzellableiters in dieser Querrichtung entspricht. Die beiden Zellableiter erstrecken sich also in derselben Richtung um dasselbe Wegstück, sind also typischerweise im Bereich üblicher Fertigungstoleranzen gleich breit.
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Eine weitere außerordentlich günstige Ausgestaltung der erfindungsgemäßen Batterieeinzelzelle sieht es dabei ferner vor, dass die Zellableiter der beiden Batteriepole und die Ersatzzellableiter der beiden Batteriepole in Querrichtung jeweils nacheinander angeordnet sind, sodass diese also sowohl in die eine als auch in die andere Richtung bewegt werden können, falls sie gemäß der oben beschriebenen besonders vorteilhaften Ausgestaltung als Ableiterfahnen ausgestaltet sind, ohne sich untereinander zu berühren und damit einen potentiellen Kurzschluss der Batterieeinzelzelle zu verursachen.
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Eine weitere außerordentlich günstige Ausgestaltung der erfindungsgemäßen Batterieeinzelzelle kann es nun ferner vorsehen, dass die Erstreckung der Zellableiter der beiden Batteriepole in Querrichtung zusammen mehr als die Hälfte der Erstreckung der Batterieeinzelzelle in dieser Richtung ausmacht. Die Zellableiter nehmen also nicht nur einen kleinen räumlichen Abschnitt der jeweiligen Stirnseite der prismatischen Batterieeinzelzelle ein, sondern erstrecken sich gemeinsam über mehr als die Hälfte der Batterieeinzelzelle. Sie sind dabei, insbesondere auch wenn sie gemäß der oben beschriebenen vorteilhaften Ausgestaltung als Ableiterfahnen und damit aus relativ dünnem Material ausgebildet sind, ausreichend groß um einerseits eine zuverlässige elektrische Kontaktierung mit den Zellableitern benachbarter Batterieeinzelzellen zu gewährleisten und gleichzeitig eine gute elektrische Verbindung mit den elektrochemisch aktiven Materialien im Inneren der Batterieeinzelzelle zu ermöglichen.
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Weitere vorteilhafte Ausgestaltungen der erfindungsgemäßen Batterieeinzelzelle und ihrer Einsatzmöglichkeiten ergeben sich auch aus dem Ausführungsbeispiel, welches nachfolgend unter Bezugnahme auf die Figuren näher beschrieben ist.
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Dabei zeigen:
- 1 eine dreidimensionale Ansicht einer möglichen Ausführungsform einer Batterieeinzelzelle gemäß der Erfindung;
- 2 eine schematische Draufsicht auf ein Batteriemodul mit verbundenen Batterieeinzelzellen, von welchen eine defekt ist; und
- 3 die Draufsicht gemäß 2 mit einer ausgetauschten und über die Ersatzzellableiter der benachbarten Batterieeinzelzellen kontaktierten neuen Batterieeinzelzelle.
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In der Darstellung der 1 ist eine Batterieeinzelzelle 1 in einer möglichen Ausführungsform gemäß der Erfindung in einer schematischen dreidimensionalen Darstellung zu erkennen. Die Batterieeinzelzelle 1 kann entweder als sogenannte Pouch-Zelle mit einem Folienbeutel als Umhüllung oder als Batterieeinzelzelle 1 mit einem Hardcase ausgebildet sein. Die Batterieeinzelzelle 1 weist für jeden ihrer Batteriepole +, - an ihrer in einer Längsrichtung L oben liegenden Stirnseite 2 jeweils einen Zellableiter 3, 4 sowie für jeden der Batteriepole +, - einen Ersatzzellableiter 5, 6 auf. Diese liegen bezogen auf eine Querrichtung Q überlappend und treten vorzugsweise bei gleicher Erstreckung in diese Querrichtung Q jeweils aus einem oder zwei parallelen Schlitzen für jeden der Batteriepole +, - aus der Stirnseite 2 der Batterieeinzelzelle 1 aus. Die Ersatzzellableiter 5, 6 für den Pluspol + bzw. den Minuspol - sind dabei vorzugsweise elektrisch isoliert und zwar mit einer bei Bedarf entfernbaren elektrischen Isolierung.
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Diese Batterieeinzelzellen 1 werden nun zu einem Batteriemodul bzw. Zellmodul 7 verschaltet, von welchem in der Darstellung der 2 ein Ausschnitt zu erkennen ist. Der Ausschnitt zeigt drei der Batterieeinzelzellen 1, eine erste links dargestellte Batterieeinzelzelle 1.1, daneben eine Batterieeinzelzelle 1.2 und rechts eine Batterieeinzelzelle 1.3. Die in der Mitte positionierte Batterieeinzelzelle 1.2 ist mit strichpunktierter Linie bezüglich ihres äußeren Umrisses gezeigt, was darstellen soll, dass diese Batterieeinzelzelle 1.2 in dem Zellmodul 7 defekt ist. Der Blick in der Darstellung der 2 ist dabei von oben auf die jeweiligen Stirnseiten 2 der Batterieeinzelzellen 1.1, 1.2 und 1.3 gerichtet. Bei der Batterieeinzelzelle 1.1 ist der Zellableiter 4 für den negativen Pol nach links außerhalb des dargestellten Bereichs verbunden, der elektrisch isolierte Ersatzzellableiter 6 des Minuspols ist wie es durch die gestrichelte Linie angedeutet ist, elektrisch isoliert und kommt unterhalb des Zellableiters 4 zu liegen. Der Ersatzzellableiter 5 für den Pluspol + ist mit seiner elektrischen Isolierung erkennbar, daneben ist der Zellableiter 3 für den Pluspol + mit dem entsprechenden Zellableiter 3 der benachbarten nun jedoch defekten Batterieeinzelzelle 1.2 entsprechend verbunden. Die Verbindung zwischen diesen beiden Zellableitern 3 ist durch zwei Laserschweißnähte 8 schematisch angedeutet. Der Ersatzzellableiter 6 der defekten Batterieeinzelzelle 1.2 in der Mitte ist ungenutzt, der Zellableiter 4 für den Minuspol - ist mit dem Zellableiter 4 des Minuspols der benachbarten Batterieeinzelzelle 1.3 verbunden, welcher analog zur Darstellung bei der Batterieeinzelzelle 1.2 den elektrisch isolierter Ersatzableiter 6 unter sich liegen hat. Vergleichbares gilt auch für den Ersatzzellableiter 5 des Pluspols + sowie den Zellableiter 3 der Batterieeinzelzelle 1.2, welcher mit dem Zellableiter 3 der Batterieeinzelzelle, welche sich benachbart rechts neben der Batterieeinzelzelle 1.3 befindet, entsprechend verbunden ist. Die Verbindung erfolgt dabei in der Stapelrichtung bzw. Verbindungsrichtung V, welche senkrecht auf der Querrichtung Q steht, wie es in den Figuren entsprechend angedeutet ist.
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Zu Reparaturzwecken soll nun die mittlere defekte Batterieeinzelzelle 1.2 herausgetrennt werden. Hierfür wird, wie es mit dicker punktierter Linie angedeutet ist, der jeweilige Zellableiter 4 der Batterieeinzelzelle 1.3 und der Zellableiter 3 der Batterieeinzelzelle 1.2 und der jeweils mit ihm verbundene Zellableiter 3, 4 der jeweils benachbarten Batterieeinzelzelle aufgetrennt. Damit liegt nun die Situation vor, dass die defekte Batterieeinzelzelle 1.2 entnommen werden kann.
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In der Darstellung der 3 ist zu erkennen, dass die mit strichpunktierter Linie dargestellte defekte Batterieeinzelzelle 1.2 durch eine neue Batterieeinzelzelle 1.4 ausgetauscht worden ist. Der Aufbau ist nun so, dass der Zellableiter 3 der Batterieeinzelzelle 1.1 und der Zellableiter 4 des Minuspols der Batterieeinzelzelle 1.3 durch das Auftrennen entsprechend verkürzt sind und typischerweise nicht mehr für die Verbindung verwendet werden können. An ihre Stelle treten nun die Ersatzzellableiter 5 der Batterieeinzelzelle 1.1 für den Pluspol + und der Ersatzzellableiter 6 der Batterieeinzelzelle 1.3 für den Minuspol -. Diese werden von ihrer elektrischen Isolierung befreit, was hier durch die nicht mehr eingezeichnete gestrichelte Linie angedeutet ist. Sie können dann mit den jeweiligen Zellableitern 3, 4 der neuen Batterieeinzelzelle 1.4 über die Laserschweißnähte 8 verbunden und elektrisch kontaktiert werden.
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Die Ersatzzellableiter 5, 6 des jeweiligen Batteriepols +, - erlauben dadurch den Austausch einer defekten Batterieeinzelzelle 1.2 in einem Zellmodul 7, so dass dieses entsprechend repariert und damit über einen längeren Zeitraum wirtschaftlich eingesetzt werden kann.
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Die Batterieeinzelzellen 1.1, 1.2, 1.3 und 1.4 werden mit 1 bezeichnet, sofern sie alle gemeinsam gemeint sind.
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Innerhalb des Zellmoduls 7 ergibt sich damit eine Verbindung zwischen den einzelnen Batteriezellen 1 durch das Abkanten bzw. Umbiegen und Verbinden der Zellableiter 3, 4 als elektrische Reihenschaltung, wobei auch eine Parallelschaltung denkbar wäre.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- DE 102012215206 A1 [0003, 0004]
