DE102021121017A1

DE102021121017A1 - Batteriezelle und Batteriezellenmodul für ein Kraftfahrzeug

Info

Publication number: DE102021121017A1
Application number: DE102021121017.8A
Authority: DE
Inventors: Stefan Viehbeck; Jochen FRIEDL; Matthias Schroeder
Original assignee: Bayerische Motoren Werke AG
Current assignee: Bayerische Motoren Werke AG
Priority date: 2021-08-12
Filing date: 2021-08-12
Publication date: 2023-02-16

Abstract

Die Erfindung betrifft eine Batteriezelle für ein Kraftfahrzeug, aufweisend (i) ein zylindrisches Zellgehäuse mit einem Hohlzylinder, (ii) eine den Hohlzylinder auf einer ersten Stirnseite abschließende erste Abschlussplatte mit einer ersten Öffnung, (iii) einen Elektrodenwickel oder -stapel, (iv) einen Stab, der sich entlang einer Längsachse des Hohlzylinders von einer zweiten Stirnseite des Hohlzylinders mit einem ersten Endbereich bis durch die erste Öffnung der ersten Stirnseite hindurch erstreckt, wobei der Elektrodenstapel im Wesentlichen radialsymmetrisch zur Längsachse des Stabs um den Stab herum innerhalb des Hohlzylinders angeordnet ist, und wobei der erste Endbereich zur Befestigung an einer ersten Befestigungseinrichtung ausgebildet ist.

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft eine Batteriezelle und ein Batteriezellenmodul für ein Kraftfahrzeug.
Auf dem Gebiet der Batteriezellen, insbesondere von Lithium-lonen-Batteriezellen, sind vor allem zylindrische, prismatische und pouch-förmige Batteriezellen bekannt.
Bei zylindrischen Batteriezellen können in einem zylindrischen Gehäuse insbesondere gewickelte Elektroden verbaut sein. Eine Mehrzahl von Batteriezellen können in einem Modul-Gehäuse angeordnet sein, und ein Batteriezellenmodul ausbilden. Dabei werden die Batteriezellen elektronisch seriell oder parallel miteinander verbunden. Die Batteriezellen können nebeneinanderstehend, d.h. so dass die jeweiligen Längsachsen der zylindrischen Batterien im Wesentlichen parallel zueinander verlaufen, angeordnet sein. Eine mechanische Befestigung kann durch eine Verguss-Masse erreicht werden, die in flüssigem Zustand in das Batteriezellenmodul mit den darin angeordneten Batteriezellen gegossen wird. Die Verguss-Masse, die Kunststoff aufweisen kann, der durch Wärmezuführung verflüssigt wurde, kann durch Abkühlen in einen festen Zustand überführt werden, wodurch die Batteriezellen im Batteriezellenmodul mechanisch befestigt werden. Durch diese Art der Befestigung kann eine große Menge von kunststoffhaltiger Verguss-Masse erforderlich sein, wenn hierfür die Batteriezellen im Modul-Gehäuse von der Verguss-Masse umschlossen werden, und die Zwischenbereiche zwischen den einzelnen Batteriezellen mit der Verguss-Masse aufgefüllt werden. Darüber hinaus ist es nicht möglich, eine einzelne Batteriezelle, ohne einer wenigstens teilweisen Zerstörung der Verguss-Masse, zu ersetzen. Ein Ersetzen einer einzelnen defekten Batteriezelle kann kostengünstiger sein als der Austausch eines Batteriezellenmoduls.
Der vorliegenden Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Befestigungsmöglichkeit einer Batteriezelle in einem Batteriezellenmodul vorzuschlagen, durch welche die Batteriezelle stabil befestigt werden kann, und die Befestigung zerstörungsfrei gelöst werden kann.
Die Lösung dieser Aufgabe wird gemäß der Lehre der unabhängigen Ansprüche erreicht. Verschiedene Ausführungsformen und Weiterbildungen der Erfindung sind Gegenstand der Unteransprüche.
Ein erster Aspekt der Erfindung betrifft eine Batteriezelle für ein Kraftfahrzeug, aufweisend (i) ein zylindrisches Zellgehäuse mit einem Hohlzylinder, (ii) eine den Hohlzylinder auf einer ersten Stirnseite abschließende erste Abschlussplatte mit einer ersten Öffnung, (iii) einen Elektrodenstapel,, insbesondere in einer als Elektrodenwickel aufgewickelter Form (iv) einen Stab, der insbesondere auch als Rohr ausgestaltet sein kann, der sich entlang einer Längsachse des Hohlzylinders von einer zweiten Stirnseite des Hohlzylinders mit einem ersten Endbereich bis durch die erste Öffnung der ersten Stirnseite hindurch erstreckt, wobei der Elektrodenstapel im Wesentlichen radialsymmetrisch zur Längsachse des Stabs um den Stab herum innerhalb des Hohlzylinders angeordnet ist, und wobei der erste Endbereich zur Befestigung an einer ersten Befestigungseinrichtung ausgebildet ist.
Die hierein gegebenenfalls verwendeten Begriffe „umfasst“, „beinhaltet“, „schließt ein“, „weist auf“, „hat“, „mit“, oder jede andere Variante davon sollen eine nicht ausschließliche Einbeziehung abdecken. So ist beispielsweise ein Verfahren oder eine Vorrichtung, die eine Liste von Elementen umfasst oder aufweist, nicht notwendigerweise auf diese Elemente beschränkt, sondern kann andere Elemente einschließen, die nicht ausdrücklich aufgeführt sind oder die einem solchen Verfahren oder einer solchen Vorrichtung inhärent sind.
Ferner bezieht sich „oder“, sofern nicht ausdrücklich das Gegenteil angegeben ist, auf ein inklusives oder und nicht auf ein exklusives „oder“. Zum Beispiel wird eine Bedingung A oder B durch eine der folgenden Bedingungen erfüllt: A ist wahr (oder vorhanden) und B ist falsch (oder nicht vorhanden), A ist falsch (oder nicht vorhanden) und B ist wahr (oder vorhanden), und sowohl A als auch B sind wahr (oder vorhanden).
Die Begriffe „ein“ oder „eine“, wie sie hier verwendet werden, sind im Sinne von „ein/eine oder mehrere“ definiert. Die Begriffe „ein anderer“ und „ein weiterer“ sowie jede andere Variante davon sind im Sinne von „zumindest ein Weiterer“ zu verstehen.
Der Begriff „Mehrzahl“, wie er hier verwendet wird, ist im Sinne von „zwei oder mehr“ zu verstehen.
Unter dem Begriff „konfiguriert“ oder „eingerichtet“ eine bestimmte Funktion zu erfüllen, (und jeweiligen Abwandlungen davon) ist im Sinne der Erfindung zu verstehen, dass die entsprechende Vorrichtung bereits in einer Ausgestaltung oder Einstellung vorliegt, in der sie die Funktion ausführen kann oder sie zumindest so einstellbar - d.h. konfigurierbar - ist, dass sie nach entsprechender Einstellung die Funktion ausführen kann. Die Konfiguration kann dabei beispielsweise über eine entsprechende Einstellung von Parametern eines Prozessablaufs oder von Schaltern oder ähnlichem zur Aktivierung bzw. Deaktivierung von Funktionalitäten bzw. Einstellungen erfolgen. Insbesondere kann die Vorrichtung mehrere vorbestimmte Konfigurationen oder Betriebsmodi aufweisen, so dass das Konfigurieren mittels einer Auswahl einer dieser Konfigurationen bzw. Betriebsmodi erfolgen kann.
Unter einem Elektrodenstapel, insbesondere einem elektrochemischem Elektrodenstapel, ist im Sinne der Erfindung insbesondere eine Einrichtung zu verstehen, welche insbesondere der Bereitstellung elektrischer Energie dient, welche insbesondere zur Wandlung chemischer Energie in elektrische Energie ausgestaltet ist, welche vorzugsweise zur Wandlung elektrischer Energie in chemische Energie ausgestaltet ist. Dazu kann der Elektrodenstapel, insbesondere Elektrodenwickel, mehrere Stapellagen aufweisen, wobei wenigstens eine der Stapellagen als kathodische Elektrode, als anodische Elektrode oder als Separator ausgestaltet ist. Der Elektrodenstapel kann wenigstens eine der kathodischen Elektroden, wenigstens eine der anodischen Elektroden und wenigstens einen der Separatoren aufweisen. Der Elektrodenstapel kann eine Abfolge von Stapellagen aufweisen, bei welcher der Separator zwischen der kathodischen Elektrode und der anodischen Elektrode angeordnet ist, d.h. kathodische Elektrode - Separator - anodische Elektrode. Vorzugsweise weist der Elektrodenstapel mehrere dieser Abfolgen auf. Vorzugsweise weisen eine oder mehrere der Stapellagen jeweils eine im wesentlichen rechteckige Gestalt auf, die im Falle eines Stapels in Elektrodenwickelform entsprechend zusammen mit den anderen Stapellagen (mit-)aufgewickelt ist. Vorzugsweise ragt wenigstens einer dieser Separatoren im Elektrodenstapel über die benachbarte kathodische Elektrode und/oder über die benachbarte anodische Elektrode hinaus. Der Separator ist für Ionen durchlässig, nicht aber für Elektronen. Dazu weist der Separator einen Elektrolyten oder ein Leitsalz auf. Vorzugsweise weist der Elektrolyt oder das Leitsalz Lithiumionen auf. Vorzugsweise kann der Elektrodenstapel als „Elektrodenwickel“ ausgebildet sein, wobei die Elektroden der ersten Polung, die Elektroden der zweiten Polung und der Separator um eine gemeinsame Achse herumgewickelt angeordnet sind, wodurch eine im Wesentlichen zylindrische Form ausgebildet sein kann.
Durch die Batteriezelle nach dem ersten Aspekt kann erreicht werden, dass durch einen in der Batteriezelle angeordneten Stab eine Befestigung der Batteriezelle an der ersten Befestigungseinrichtung ermöglicht wird. Dadurch wird eine Befestigungsmöglichkeit für eine Batteriezelle unter Verwendung des Stabs, der wenigstens teilweise in der Batteriezelle angeordnet ist, bereitgestellt. Dies ist vorteilhaft gegenüber dem beschriebenen Stand der Technik, aus dem bekannt ist, dass eine Mehrzahl von Batteriezellen durch eine Verguss-Masse gemeinsam in einem Batteriezellenmodul befestigt werden. Denn durch die vorgeschlagene Befestigung der Batteriezelle kann die Verwendung einer Verguss-Masse vermieden werden, wodurch ein geringerer Materialaufwand für die Befestigung erforderlich ist.
Nachfolgend werden bevorzugte Ausführungsformen der Batteriezelle beschrieben, die jeweils, soweit dies nicht ausdrücklich ausgeschlossen wird oder technisch unmöglich ist, beliebig miteinander sowie mit den weiteren beschriebenen anderen Aspekten der Erfindung kombiniert werden können.
Bei einigen Ausführungsformen weist der Stab Metall auf. Die Verwendung von Metall für den Stab kann von Vorteil sein, da hierdurch eine besonders stabile Verbindung zwischen dem Stab und der ersten und/oder zweiten Befestigungseinrichtung hergestellt werden kann. Darüber hinaus kann durch die Verwendung von Metall, auf Kunststoff verzichtet werden. Bei Kunststoffen kann ein erheblicher Aufwand für die Wiederaufbereitung erforderlich sein.
Ein zweiter Aspekt der Erfindung betrifft ein Batteriezellenmodul aufweisend eine Batteriezelle nach dem ersten Aspekt, einer ersten Befestigungseinrichtung, wobei der erste Endbereich des Stabs der Batteriezelle an der ersten Befestigungseinrichtung reversibel befestigt ist.
Durch das Batteriezellenmodul nach dem zweiten Aspekt kann erreicht werden, dass durch einen in der Batteriezelle angeordneten Stab die Batteriezelle an der Befestigungseinrichtung befestigt ist. Hierdurch wird eine Batteriezelle individuell befestigt. Weiterhin kann durch die reversible mechanische Befestigung erreicht werden, dass die Befestigung wieder gelöst werden kann. Dies ist besonders vorteilhaft, da die Batteriezelle, insbesondere bei einem Defekt, von der ersten Befestigungseinrichtung gelöst und gegen eine andere Batteriezelle ausgetauscht werden kann.
Nachfolgend werden bevorzugte Ausführungsformen des Batteriezellenmoduls beschrieben, die jeweils, soweit dies nicht ausdrücklich ausgeschlossen wird oder technisch unmöglich ist, beliebig miteinander sowie mit den weiteren beschriebenen anderen Aspekten der Erfindung kombiniert werden können.
Bei einigen Ausführungsformen weist die erste Befestigungseinrichtung Metall auf. Die Verwendung von Metall für die erste Befestigungseinrichtung kann für eine zusätzliche Stabilität im Betrieb des Batteriezellenmoduls im Kraftfahrzeug von Vorteil sein, insbesondere wenn durch die Bewegung des Kraftfahrzeugs mechanische Kräfte auf das Batteriezellenmodul wirken. Hierbei kann eine mechanische Belastbarkeit eines Metalls vorteilhaft sein.
Bei einigen Ausführungsformen weist die erste Befestigungseinrichtung einen Vorsprung auf, und der Stab weist eine Nut auf, die sich von einer ersten Öffnung des Stabs entlang einer Längsachse des Stabs in den Stab hinein erstreckt, wobei der Vorsprung in der Nut angeordnet ist, und der Vorsprung mit dem Stab eine reversible Befestigung ausbildet. Durch die Anordnung des Vorsprungs in der Nut kann möglichen Kippbewegungen des Stabs und der Batteriezelle entgegengewirkt werden. Dadurch kann eine zusätzliche Stabilität der Befestigung erreicht werden.
Bei einigen Ausführungsformen weist das Batteriezellenmodul eine Rohrleitung auf, durch die ein Fluid aus einem Reservoir fließen kann, wobei die Rohrleitung sich entlang der Längsachse des Hohlzylinders in der Nut erstreckt. Dadurch kann ein Fluid in die Rohrleitung fließen, das Wärmeenergie mit dem Stab und damit indirekt mit dem Elektrodenstapel austauschen kann. Dadurch kann die Wärme bzw. die Temperatur des Elektrodenstapels durch das Fluid reguliert werden. Dabei kann vorteilhaft sein, dass der Elektrodenstapel im Wesentlichen radialsymmetrisch zu dem Stab angeordnet ist, wodurch die Regulierung der Temperatur gleichmäßig erfolgen kann.
Bei einigen Ausführungsformen ist die Rohrleitung im Wesentlichen U-förmig ausgebildet, mit einem Einlass und einem Auslass, die mit dem Reservoir eine fluide Kommunikation ausbilden können. Dadurch kann ein kontinuierlicher Durchfluss eines Fluids durch die Rohrleitung ermöglicht werden, wobei das Fluid durch den Einlass in das Rohr gelangt, und durch den Auslass aus dem Rohr hinausgelangt. Dadurch kann während des Durchfließens des Fluids durch die Rohrleitung kontinuierlich ein Wärmeenergie-Austausch des Fluids mit dem Stab erfolgen kann. Dadurch kann ermöglicht werden, eine Temperatur der Batteriezelle kontinuierlich anzupassen bzw. im Wesentlichen auf einem vorgegebenen Wert zu halten.
Bei einigen Ausführungsformen weist die erste Befestigungseinrichtung ein erstes Reservoir zur Aufnahme eines Fluids auf, wobei zwischen dem ersten Reservoir und der Rohrleitung eine fluide Kommunikation ausgebildet werden kann. Dadurch kann erreicht werden, dass ein Fluid aus dem Reservoir in die Rohrleitung geleitet werden kann. Dadurch kann eine Wärmeenergie-Austausch zwischen dem Fluid und dem Stab und dem Elektrodenstapel, der um den Stab herum angeordnet ist, erfolgen, wobei durch das Reservoir eine Fluidmenge bereitgestellt werden kann. Abhängig davon, ob dem Elektrodenstapel Wärmeenergie zugeführt werden soll, oder Wärmeenergie von dem Elektrodenstapel an das Fluid übertragen werden soll, kann ein geeignetes Fluid mit einer geeigneten Temperatur verwendet werden.
Bei einigen Ausführungsformen weist das Batteriezellenmodul eine zweite Befestigungseinrichtung, und eine den Hohlzylinder auf einer zweiten Stirnseite abschließende zweite Abschlussplatte mit einer zweiten Öffnung auf, wobei der Stab einen zweiten Endbereich aufweist, der sich durch die zweite Öffnung hindurch erstreckt, und, wobei der zweite Endbereich an der zweiten Befestigungseinrichtung reversibel befestigt ist. Durch die Befestigung des Stabs mit seinen ersten und zweiten Endbereichen an dem ersten Befestigungsbereich und dem zweiten Befestigungsbereich kann eine besonders stabile Befestigung des Stabes und damit der Batteriezelle erreicht werden. Weiterhin können beide Verbindungen zerstörungsfrei gelöst werden, so dass eine Batteriezelle zur Reparatur oder zum Austausch gegen eine andere Batteriezelle aus dem Batteriezellenmodul entfernt werden kann.
Bei einigen Ausführungsformen weist die zweite Befestigungseinrichtung Metall auf. Die Verwendung von Metall für die zweite Befestigungseinrichtung kann für eine zusätzliche Stabilität im Betrieb des Batteriezellenmoduls im Kraftfahrzeug von Vorteil sein, insbesondere wenn durch die Bewegung des Kraftfahrzeugs mechanische Kräfte auf das Batteriezellenmodul wirken.
Bei einigen Ausführungsformen weist die zweite Befestigungseinrichtung ein zweites Reservoir zur Aufnahme eines Fluids auf, wobei das zweite Reservoir eine fluide Kommunikation mit der Rohrleitung ausbilden kann. Dadurch kann ein kontinuierlicher Durchfluss des Fluids durch die Nut von dem ersten Reservoir zu dem zweiten Reservoir ermöglicht werden. Im Vergleich zu einer Anordnung mit einem Reservoir kann das Fluid mit einer größeren Fließrate durch den Stab fließen, da eine mögliche Anordnung zur Rückführung des Fluids nicht notwendig ist, und dadurch die Nut bei gleichbleibendem Durchmesser alleinig für eine Fließrichtung verwendet werden kann. Weiterhin kann vermieden werden, dass im ersten Reservoir ein Wärmeenergie-Austausch mit einem rückgeführten Fluid aus dem Stab erfolgt, da das Fluid durch den Stab in das zweite Reservoir fließen kann. Ein Wärmeenergie-Austausch im ersten Reservoir kann zur Folge haben, dass ein Temperaturunterschied des Fluids des ersten Reservoirs zur Temperatur des Stabs und des Elektrodenstapels verringert sein kann, und dadurch der Austausch der Wärmeenergie zwischen dem Fluid und dem Stab weniger effektiv ist.
Bei einigen Ausführungsformen weist das Batteriezellenmodul eine Mehrzahl von Batteriezellen auf, die beabstandet zueinander entlang der Längsachse des Stabes angeordnet sind, wobei der Stab sich jeweils durch die ersten und zweiten Öffnungen der Batteriezellen hindurch erstreckt, und wobei die Batteriezellen elektrisch seriell oder parallel miteinander verbunden sind. Dadurch kann erreicht werden, dass die erforderliche Höhe eines Bauraums für das Batteriezellenmodul im Vergleich zu einer Anordnung, bei der die Batteriezellen so angeordnet sind, so dass ihre Längsachsen x jeweils parallel zueinander verlaufen, und bei gleicher elektrischer Kapazität, geringer ist.
Bei einigen Ausführungsformen weist der Stab ein mechanisches Verbindungselement auf, durch das benachbarte Batteriezellen entlang der Längsachse des Stabs mechanisch miteinander verbunden sind. Dadurch kann sichergestellt werden, dass die Batteriezellen entlang des Stabs stabil und ortsfest angeordnet sind.
Bei einigen Ausführungsformen weist das Batteriezellenmodul eine Mehrzahl von Batteriezellen auf, wobei die ersten Endbereiche der Mehrzahl der Stäbe jeweils an der ersten Befestigungseinrichtung und die zweiten Endbereiche der Mehrzahl der Stäbe jeweils an der zweiten Befestigungseinrichtung reversibel befestigt sind. Dies ist vorteilhaft gegenüber dem beschriebenen Stand der Technik, aus dem bekannt ist, dass eine Mehrzahl von Batteriezellen durch eine Verguss-Masse gemeinsam in einem Batteriezellenmodul befestigt werden. Denn durch die vorgeschlagene Befestigung der Mehrzahl der Batteriezellen kann die Verwendung einer Verguss-Masse vermieden werden. Durch die Befestigung der Mehrzahl der Batteriezellen durch die Stäbe und deren ersten und zweiten Endbereiche jeweils an der ersten und der zweiten Befestigungseinrichtung kann eine zusätzliche mechanische Stabilität des gesamten Batteriezellenmoduls, insbesondere gegenüber mechanischen Querkräften, erreicht werden. Diese Querkräfte die im Wesentlichen senkrecht oder auch schräg zu den Längsachsen der Hohlzylinder der einzelnen Batteriezellen gerichtet sind, können durch die Bewegung des Fahrzeugs hervorgerufen werden.
Die in Bezug auf den ersten Aspekt der Erfindung erläuterten Merkmale und Vorteile gelten entsprechend auch für die weiteren Aspekte der Erfindung.
Weitere Vorteile, Merkmale und Anwendungsmöglichkeiten der vorliegenden Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden detaillierten Beschreibung im Zusammenhang mit den Figuren.
Dabei zeigt

1A schematisch eine Batteriezelle in einer Seitenansicht;
1B schematisch die Batteriezelle in einer Draufsicht;
2A schematisch ein Batteriezellenmodul mit zwei Befestigungseinrichtungen, an denen die Batteriezelle befestigt ist, gemäß einem ersten Ausführungsbeispiel;
2B schematisch ein Batteriezellenmodul mit zwei Befestigungseinrichtungen, an denen mehrere Batteriezellen befestigt sind, gemäß dem ersten Ausführungsbeispiel;
3A schematisch ein Batteriezellenmodul gemäß 2A mit einer Rohrleitung;
3B schematisch ein Batteriezellenmodul gemäß 3A mit mehreren Batteriezellen;
4A schematisch Batteriezellenmodul mit einer Befestigungseinrichtung gemäß einem zweiten Ausführungsbeispiel;
4B schematisch ein Batteriezellenmodul gemäß 4A mit einer in einem Stab angeordneten U-förmigen Rohrleitung;
4C schematisch ein Batteriezellenmodul gemäß 4A mit einer durch den Stab hindurchreichenden Rohrleitung; und
5 schematisch ein Batteriezellenmodul gemäß einem dritten Ausführungsbeispiel.

In den Figuren werden durchgängig dieselben Bezugszeichen für dieselben oder einander entsprechenden Elemente der Erfindung verwendet.
1A zeigt schematisch eine Batteriezelle 100 in einer Seitenansicht. Die Batteriezelle 100 weist ein Gehäuse 130 mit einem Hohlzylinder 135, sowie einem Gehäuseboden 140 und einem Gehäusedeckel 145, die an den Stirnseiten des Hohlzylinders angebracht sind. Der Gehäuseboden 140 und der Gehäusedeckel 145 weisen jeweils eine Öffnung auf. Die Batteriezelle 100 weist ferner einen Stab 120 auf, der sich entlang der Längsachse des Hohlzylinders 135 erstreckt. Der Stab 120 weist einen ersten Stab-Befestigungsbereich 150 auf, der sich durch die Öffnung des Gehäusebodens 140 erstreckt, und einen zweiten Stab-Befestigungsbereich 160 auf, der sich durch die Öffnung des Gehäusedeckels 145 erstreckt. Durch den ersten Stab-Befestigungsbereich 150 und den zweiten Stab-Befestigungsbereich 160 kann der Stab 120 und damit die Batteriezelle 100 jeweils an einer Befestigungseinrichtung 200, die in 2A näher beschrieben wird, befestigt werden. Der Stab 120 weist einen kreisförmigen Querschnitt auf. Es ist aber auch eine andere Geometrie des Querschnitts denkbar.
Die Batteriezelle 100 weist weiterhin einen Elektrodenwickel 110 auf. Der Elektrodenwickel 110 weist zumindest eine Elektrode einer ersten elektrischen Polung und zumindest eine Elektrode einer zweiten, zur ersten Polung entgegengesetzten elektrischen Polung auf, wobei die Elektroden verschiedener Polung voneinander durch zumindest einen Separator voneinander separiert sind (hier nicht gezeigt). Der Elektrodenwickel 110 ist im Hohlzylinder 135 angeordnet, wobei die Elektroden und der Separator im Wesentlichen radialsymmetrisch um die Längsachse x des Stabs 120 angeordnet sind. Dabei kann die Elektrode der ersten elektrischen Polung, welche eine Anode sein kann, mit einem ersten elektrischen Kontaktelement 170 elektrisch verbunden sein. Dabei ist ein Bereich der Anode mit dem ersten elektrischen Kontaktelement 170 elektrisch verbunden, der an den Stab 120 angrenzt, und auf einer Innenseite des Elektrodenwickels 110 ausgebildet ist. Dabei kann das erste elektrische Kontaktelement 170 mit dem Stab 120, der ein elektrisch leitendes Material aufweist, insbesondere ein Metall, elektrisch verbunden sein. Dadurch kann die Anode von einer Stirnseite des Stabs 120 abgegriffen werden. Die Elektrode der zweiten elektrischen Polung, welche eine Kathode sein kann, ist durch ein zweites elektrisches Kontaktelement 180 mit dem Gehäuse 130, insbesondere mit dem Gehäusedeckel 145, elektrisch verbunden. In dieser Konfiguration ist der Stab 120 zum Gehäuse 130, insbesondere zum Gehäuseboden 140 und Gehäusedeckel 145 elektrisch isoliert.
Die elektrischen Kontaktierungen mit der Anode und der Kathode sind beispielhaft zu verstehen. Denkbar sind ebenso elektrische Kontaktierungen der Anode und der Kathode des Elektrodenwickels 110 an anderen Positionen des Elektrodenwickels 110 und an anderen Positionen des Gehäuses 130 und/oder des Stabs 120. In der jeweiligen angedachten Konfiguration der elektrischen Anschlüsse ist darauf zu achten, einen elektrischen Kurzschluss zu vermeiden.
Bei der Herstellung von zylindrischen Batteriezellen 100 ist bekannt, einen Stab 120 als Stützelement für einen Elektrodenwickel 110 zu verwenden. Dieser Stab 120 kann mit Abschluss der Herstellung der Batteriezelle 100 entfernt werden. Gemäß der vorliegenden Erfindung wird der Stab 120 für die Befestigung der Batteriezelle 100 an einer Befestigungseinrichtung 200 weiterverwendet.
1B zeigt schematisch die Batteriezelle in einer Draufsicht. Dabei zeigt 1B den kreisförmigen Querschnitt des Stabs 120, das Gehäuse 130, sowie den in dem Gehäuse 130 angeordneten Elektrodenwickel 110.
2A zeigt schematisch ein Batteriezellenmodul 300 mit zwei Befestigungseinrichtungen 200, an denen eine Batteriezelle 100 befestigt ist, gemäß einem ersten Ausführungsbeispiel. Die Befestigungseinrichtungen 200 weisen jeweils eine Hülse 210 auf. Die Hülsen 210 sind jeweils in Bezug auf den Stab 120 so angeordnet, dass eine Längsachse der jeweiligen Hülse 210 im Wesentlichen deckungsgleich mit der Längsachse des Stabs bzw. der Längsachse des Hohlzylinders 135 des Gehäuses 130 und gegenüberliegend zu einer Stirnseite des Stabs 120 angeordnet sind. Die Hülsen 210 weisen bevorzugt dieselbe Querschnittsform wie der Stab 120 auf, insbesondere eine kreisförmige Querschnittsform. Die Hülsen 210 sind so ausgebildet, dass sie jeweils entsprechend den ersten Stab-Befestigungsbereich 150 oder den zweiten Stab-Befestigungsbereich 160 des Stabs 120 wenigstens teilweise aufnehmen können. Dabei können die Hülsen 210 und der Stab 120 so ausgebildet sein, dass beim Aufnehmen bzw. einem Einstecken eines Stab-Befestigungsbereichs 150, 160 in die jeweilige Hülse 210 eine Pressverbindung ausgebildet wird. Während der Montage des Batteriezellenmoduls 300 kann zunächst der Stab 120 mit dem ersten Stab-Befestigungsbereich 150 in eine Hülse 210 gesteckt werden. Im Anschluss daran kann die andere Befestigungseinrichtung 200 mit einer Hülse 210 auf den zweiten Stab-Befestigungsbereich 160 gesteckt werden. Die Hülsen 210 sind jeweils an einer der Befestigungseinrichtungen 200 befestigt. Es ist auch denkbar, dass eine Hülse 210 mit einer Befestigungseinrichtung 200 einstückig ausgebildet ist. Der Bereich der Befestigungseinrichtung 200, an dem die jeweilige Hülse 210 befestigt ist, kann eine größere Materialdicke aufweisen als die anderen Bereiche der Befestigungseinrichtung 200, so dass die jeweilige Hülse 210 stabil befestigt ist. Die Befestigungseinrichtungen 200 können Platten oder auch einen flachen Quaderförmigen Körper aufweisen. Die Hülsen 210 und/oder die Befestigungseinrichtungen 200 können jeweils Metall aufweisen.
Die Verbindungen zwischen den Hülsen 210 und dem ersten Stab-Befestigungsbereich 150 und/oder dem zweiten Stab-Befestigungsbereich 160 können jeweils auch durch Schraubverbindungen ausgebildet sein. Dabei weist die Hülse 210 auf ihrer Innenseite ein Gewinde auf, und der entsprechende Stab-Befestigungsbereich 150, 160 weist ein passendes Gegengewinde auf einer Außenseite auf. Weiterhin ist auch eine Klickverbindung zwischen der Hülse 210 und dem jeweiligen Stab-Befestigungsbereich 150, 160 denkbar. Die mechanischen Verbindungen des ersten Stab-Befestigungsbereichs 150 und des zweiten Stab-Befestigungsbereichs 160 mit der jeweiligen Hülse 210 können auch unterschiedlich ausgestaltet sein, so dass eine Verbindung als Schraubverbindung und eine andere Verbindung als Klickverbindung oder als Pressverbindung ausgebildet ist.
2B zeigt schematisch ein Batteriezellenmodul 300 mit zwei Befestigungseinrichtungen 200, an denen drei Batteriezellen 100 gemäß dem ersten Ausführungsbeispiel befestigt sind. Dabei weist jede Befestigungseinrichtung 200 drei Hülsen 210 auf, an denen jeweils die ersten Stab-Befestigungsbereiche 150 und die zweiten Stab-Befestigungsbereiche 160 befestigt sind, wobei die Hülsen 210 einer Befestigungsreinrichtung 200 im Wesentlichen in einer Ebene angeordnet sind. Dabei sind die Batteriezellen 100 so angeordnet, dass die Längsachsen x der zugehörigen Hohlzylinder 135 parallel zueinander verlaufen. In der vorliegenden Darstellung sind drei Batteriezellen 100 gezeigt. Ebenso ist es denkbar, dass mehr als drei Batteriezellen 100 an den entsprechenden Hülsen 210 der Befestigungseinrichtungen 200 angeordnet sind. Dabei können die Batteriezellen 100 in einer Ebene verteilt angeordnet sein.
3A zeigt schematisch ein Batteriezellenmodul 300 gemäß 2A mit einer Rohrleitung 310.
In einer ersten Variante ist eine zusätzliche Rohrleitung 310 vorgesehen, die eine fluide Kommunikation zwischen den beiden Befestigungseinrichtungen 200 ermöglicht. Dabei weisen die Befestigungseinrichtungen 200 jeweils einen Hohlraum mit einem Reservoir 320 mit einem Fluid auf. Ein Ende der Rohrleitung 310 ist in einer der beiden Befestigungsreinrichtungen 200 angeordnet und mit einem Reservoir 320 eines Fluids in fluider Kommunikation. Das andere Ende der Rohrleitung ist in der anderen Befestigungsreinrichtung 200 angeordnet und mit einem anderen Reservoir 320 eines Fluids in fluider Kommunikation Die Reservoire 320 sind in den Befestigungseinrichtungen 200 integriert. Es ist auch denkbar, dass die Reservoire 320 außerhalb der Befestigungseinrichtung 200 angeordnet sind, und das Fluid der Rohrleitung durch eine Leitung zugeführt wird. Die Rohrleitung 310 verläuft von der einen Befestigungseinrichtung 200 durch den Stab 120 zur anderen Befestigungseinrichtung 200. Dadurch kann ein Fluid von einem Reservoir 310 der einen Befestigungseinrichtung 200 durch den Stab 120 und an dem Elektrodenwickel 110 vorbei zur dem Reservoir 320 der anderen Befestigungseinrichtung 200 fließen. Durch die Verwendung einer entsprechenden Pumpeinrichtung (hier nicht gezeigt) kann das Fluid kontrolliert von der einen zur anderen Befestigungseinrichtung 200 gepumpt werden.
Diese Anordnung kann zur Kühlung der Batteriezelle 100 verwendet werden. Dabei wird ein Fluid mit einer entsprechend niedrigen Temperatur verwendet. Während des Vorbeifließens an dem Elektrodenwickel 110 durch den Stab 120 erfolgt ein Austausch von Wärmeenergie zwischen dem Fluid, dem Stab 120 und dem Elektrodenwickel 110 durch Wärmeleitung. Wenn die Batteriezelle 100 im Betrieb eine Temperatur aufweist, die über der Temperatur des Fluids liegt, erfolgt ein Wärmeübertrag von der Batteriezelle 110 über den Stab 120 an das Fluid, und die Wärme wird auf diesem Wege aus der Batteriezelle 100 in das Reservoir 310 der anderen Befestigungseinrichtung 200 abgeführt. Die Fließrichtung des Fluids wird durch die Richtungspfeile schematisch angezeigt.
Ebenso kann diese Anordnung zur Erwärmung der Batteriezelle 100 verwendet werden. Dies kann bei sehr kalten Außentemperaturen, beispielsweise bei -10°C und darunter, relevant sein. Dabei kann ein Fluid mit einer entsprechend höheren Temperatur verwendet werden, um gemäß dem gleichen Ablauf wie oben beschrieben, eine Erwärmung der Batteriezelle 100 herbeigeführt werden.
In einer zweiten Variante ist denkbar, dass anstatt der zusätzlichen Rohrleitung 310 der Stab 120 als Hohlzylinder ausgebildet ist und als Rohrleitung verwendet wird, durch den das Fluid von dem Reservoir 320 der einen Befestigungsreinrichtung 200 zu dem Reservoir 320 der anderen Befestigungseinrichtung 200 fließen kann. Dabei weisen die Befestigungseinrichtungen 200 jeweils geeignete Öffnungen auf, so dass das Fluid zwischen dem Hohlzylinder des Stabs 120 und dem jeweiligen Reservoir 320 fließen kann. Dabei ist zu beachten, dass die Verbindung zwischen dem Stab und den Hülsen 210 fluiddicht ausgestaltet sein sollte, beispielsweise durch die Verwendung einer zusätzlichen Dichtung, die zwischen dem Stab und den Hülsen angeordnet ist.
Weiterhin ist darauf zu achten, dass bei einer Konfiguration einer elektrischen Kontaktierung der Batteriezelle 100 ein Kontakt des Fluids mit den Elektroden der Batteriezelle 100, sowohl direkt also auch indirekt, vermieden werden sollte. In dem vorliegenden Ausführungsbeispiels sind das erste elektrische Kontaktelement 170 und das zweite elektrische Kontaktelement 180 jeweils an dem Gehäusedeckel 145 angeordnet, wobei die Kontaktelemente elektrisch zueinander isoliert angeordnet sind (hier nicht gezeigt).
3B zeigt schematisch ein Batteriezellenmodul 300 gemäß 3A mit drei Batteriezellen 100. In jeder Batteriezelle 100 ist eine Rohrleitung 310 gemäß der ersten oder zweiten Variante wie in 3A beschrieben angeordnet. Die Befestigungseinrichtungen 200 weisen jeweils ein Reservoir 320 auf. Entsprechend weist die eine Befestigungseinrichtung 200, aus der das Fluid an den Elektrodenwickeln 110 vorbeifließt, ein Reservoir 320 auf, aus dem alle Rohrleitungen 310 mit Fluid versorgt werden. Genauso weist die andere Befestigungseinrichtung 200 ein Reservoir 320 auf, in welches das Fluid aller Rohrleitungen fließt. Es ist auch denkbar, dass jede Rohrleitung einem separaten Reservoir 320 zugeordnet ist. Dadurch wäre beispielsweise eine geringer Pumpenergie für jede Rohrleitung erforderlich, da die Gesamtmenge des zu bewegenden Fluids geringer wäre. Die Fließrichtung des Fluids wird durch die Richtungspfeile schematisch angezeigt.
Benachbart angeordnete Batteriezellen 100 sind durch ein elektrisches Verbindungselement 330 elektrisch miteinander verbunden. Entsprechend werden dadurch alle Batteriezellen 100 des Batteriezellenmoduls 300 miteinander elektrisch verbunden. Diese elektrische Verbindung kann eine elektrische serielle oder parallele Verbindung der Batteriezellen ausbilden.
4A zeigt schematisch Batteriezellenmodul 400 mit einer Befestigungseinrichtung 200 gemäß einem zweiten Ausführungsbeispiel. Die Befestigungseinrichtung weist zur Befestigung der Batteriezelle 100 einen Vorsprung 410 auf. Der Stab 120 weist eine Nut auf, die sich von einer Stirnseite des Stabs entlang der Längsachse des Stabs 120 in den Stab hinein erstreckt. Die Nut ist derart ausgestaltet, dass der Vorsprung 410 der Befestigungseinrichtung 200 darin angeordnet werden kann.
Die Verbindung des Stabs 210 mit dem in der Nut des Stabs angeordneten Vorsprung 410 kann als Pressverbindung, als Schraubverbindung oder als Klickverbindung ausgestaltet sein.
Dabei ist die Elektrode der ersten elektrischen Polung des Elektrodenwickels 110 mit dem ersten elektrischen Kontaktelement 170 elektrisch verbunden. Das erste elektrische Kontaktelement 170 ist zwischen dem Elektrodenwickel 110 und dem Vorsprung 410 angeordnet. Dabei kann das erste elektrische Kontaktelement 170 mit dem Vorsprung 410, der ein elektrisch leitendes Material aufweist, insbesondere ein Metall, elektrisch verbunden sein. Dadurch kann die Elektrode der ersten elektrischen Polung an dem Befestigungselement 200, das Metall aufweist, abgegriffen werden. Die Elektrode der zweiten elektrischen Polung, ist durch ein zweites elektrisches Kontaktelement 180 mit dem Gehäuse 130, insbesondere mit dem Gehäusedeckel 145, elektrisch verbunden. In dieser Konfiguration ist der Stab 120 zum Gehäuse 130, insbesondere zum Gehäuseboden 140 und Gehäusedeckel 145 elektrisch isoliert.
4B zeigt schematisch ein Batteriezellenmodul 400 basierend auf 4A. Im Unterschied zum Batteriezellenmodul 400 gemäß 4A ist innerhalb des Vorsprungs 410 eine im Wesentlichen U-förmig ausgestaltete Rohrleitung 420 angeordnet. Dadurch kann ein Fluid, dass von der Befestigungseinrichtung 200 in die U-förmige Rohrleitung 420 fließt, wieder zurück in dieselbe Befestigungseinrichtung 200 fließen. Dadurch kann die Befestigung der Batteriezelle 100 und deren Kühlung bzw. Erwärmung durch eine einzige Befestigungseinrichtung 200 erfolgen.
4C zeigt schematisch ein Batteriezellenmodul 400 basierend auf 4A. Im Unterschied zum Batteriezellenmodul 400 gemäß 4A ist innerhalb des Vorsprungs 410 eine Rohrleitung 420 angeordnet, die durch den Vorsprung 410 hindurch und bis außerhalb der Batteriezelle 100 geführt wird. Dabei ist die Batteriezelle 100 zwischen den beiden Enden der Rohrleitung 310 angeordnet. Dabei weist der Vorsprung 410 eine durchgehende Nut auf, durch den die Rohrleitung 310 hindurchgeführt werden kann, so dass das Fluid nicht wie bei der U-förmigen Rohrleitung 420 zurückgeführt wird. Dadurch kann vermieden werden, dass ein Austausch von Wärmeenergie des Fluids in dem Reservoir 320 mit dem Fluid, das durch die U-förmig ausgestaltete Rohrleitung 420 in das Reservoir 320 zurückgeflossen ist, erfolgt.
5 zeigt schematisch ein Batteriezellenmodul 500 gemäß einem dritten Ausführungsbeispiel. Dabei sind drei Batteriezellen 100 an einem Stab 120 angeordnet, wobei die Längsachsen der Batteriezellen 100 sich im Wesentlichen überlappen. Der Stab 120 ist wie in den vorherigen Ausführungsbeispielen beschrieben jeweils mit einer Befestigungseinrichtung 200 verbunden. In Bezug auf die Längsachse benachbarte Batteriezellen 100 sind jeweils durch eine Schraubverbindung 430 miteinander verbunden. Ebenso ist eine Klickverbindung denkbar. In Bezug auf die Längsachse benachbarte Batteriezellen 100 sind elektrisch seriell oder parallel miteinander verbunden. Durch diese Anordnung ist die erforderliche Höhe eines Bauraums für das Batteriezellenmodul 500 im Vergleich zu einer Anordnung, bei der die Batteriezellen 100 so angeordnet sind, so dass ihre Längsachsen x jeweils parallel zueinander verlaufen, wie in den 2B und 3B gezeigt, und bei gleicher elektrischer Kapazität, geringer.
Während vorausgehend wenigstens eine beispielhafte Ausführungsform beschrieben wurde, ist zu bemerken, dass eine große Anzahl von Variationen dazu existiert. Es ist dabei auch zu beachten, dass die beschriebenen beispielhaften Ausführungsformen nur nichtlimitierende Beispiele darstellen, und es nicht beabsichtigt ist, dadurch den Umfang, die Anwendbarkeit oder die Konfiguration der hier beschriebenen Vorrichtungen und Verfahren zu beschränken. Vielmehr wird die vorausgehende Beschreibung dem Fachmann eine Anleitung zur Implementierung mindestens einer beispielhaften Ausführungsform liefern, wobei sich versteht, dass verschiedene Änderungen in der Funktionsweise und der Anordnung der in einer beispielhaften Ausführungsform beschriebenen Elemente vorgenommen werden können, ohne dass dabei von dem in den angehängten Ansprüchen jeweils festgelegten Gegenstand sowie seinen rechtlichen Äquivalenten abgewichen wird.
Bezugszeichenliste

100: Batteriezelle
110: Elektrodenwickel
120: Stab
130: Gehäuse
135: Hohlzylinder
140: Gehäuseboden
145: Gehäusedeckel
150: Erster Stab-Befestigungsbereich
160: Zweiter Stab-Befestigungsbereich
170: Erstes elektrisches Kontaktelement
180: Zweites elektrisches Kontaktelement
200: Befestigungseinrichtung
210: Hülse
300, 400, 500: Batteriezellenmodul
310: Rohrleitung
320: Reservoir
330: Elektrisches Verbindungselement
410: Vorsprung
420: U-förmige Rohrleitung
430: Schraubverbindung
x: Längsachse des Hohlzylinders

Claims

Batteriezelle (100) für ein Kraftfahrzeug, aufweisend ein zylindrisches Zellgehäuse (130) mit einem Hohlzylinder (135), eine den Hohlzylinder (135) auf einer ersten Stirnseite abschließende erste Abschlussplatte (140) mit einer ersten Öffnung, einen Elektrodenstapel (110), einen Stab (120), der sich entlang einer Längsachse des Hohlzylinders (135) von einer zweiten Stirnseite des Hohlzylinders (135) mit einem ersten Endbereich (150) bis durch die erste Öffnung der ersten Stirnseite hindurch erstreckt, wobei der Elektrodenstapel (110) im Wesentlichen radialsymmetrisch zur Längsachse des Stabs (120) um den Stab (120) herum innerhalb des Hohlzylinders (135) angeordnet ist, und wobei der erste Endbereich (150) zur reversiblen Befestigung an einer ersten Befestigungseinrichtung (200) ausgebildet ist.
Batteriezelle nach Anspruch 1, wobei der Stab (120) Metall aufweist.
Batteriezellenmodul (300, 400, 500) für ein Kraftfahrzeug, aufweisend eine Batteriezelle (100) nach einem der vorherigen Ansprüche, mit einer ersten Befestigungseinrichtung (200), wobei der erste Endbereich des Stabs (120) der Batteriezelle (100) an der ersten Befestigungseinrichtung (200) reversibel befestigt ist.
Batteriezellenmodul (300, 400, 500) nach Anspruch 3, wobei die erste Befestigungseinrichtung (200) Metall aufweist.
Batteriezellenmodul (300, 400, 500) nach Anspruch 3 oder 4, wobei die erste Befestigungseinrichtung (200) einen Vorsprung (410) aufweist, und der Stab (120) eine Nut aufweist, die sich von einer ersten Öffnung des Stabs (120) entlang einer Längsachse des Stabs (120) in den Stab (120) hinein erstreckt, wobei der Vorsprung (410) in der Nut angeordnet ist, und der Vorsprung (410) mit dem Stab (120) eine reversible Befestigung ausbildet.
Batteriezellenmodul (300, 400, 500) nach einem der Ansprüche 3 bis 5, aufweisend eine Rohrleitung (310, 420), durch die ein Fluid aus einem Reservoir (320) fließen kann, wobei die Rohrleitung sich entlang der Längsachse (x) des Hohlzylinders (135) in der Nut erstreckt.
Batteriezellenmodul (300, 400, 500) nach Anspruch 6, wobei die Rohrleitung (420) im Wesentlichen U-förmig ausgebildet ist, mit einem Einlass und einem Auslass, die mit dem Reservoir (320) eine fluide Kommunikation ausbilden können.
Batteriezellenmodul (300, 400, 500) nach Anspruch 6 oder 7, wobei die erste Befestigungseinrichtung (200) ein erstes Reservoir (320) zur Aufnahme eines Fluids aufweist, wobei zwischen dem ersten Reservoir und der Rohrleitung (310, 420) eine fluide Kommunikation ausgebildet werden kann.
Batteriezellenmodul (300, 400, 500) nach einem der vorherigen Ansprüche 3 bis 8, aufweisend eine zweite Befestigungseinrichtung (200), und eine den Hohlzylinder (135) auf einer zweiten Stirnseite abschließende zweite Abschlussplatte (145) mit einer zweiten Öffnung, wobei der Stab (120) einen zweiten Endbereich (160) aufweist, der sich durch die zweite Öffnung hindurch erstreckt, und wobei der zweite Endbereich (160) an der zweiten Befestigungseinrichtung (200) reversibel befestigt ist.
Batteriezellenmodul (300, 400, 500) nach Anspruch 9, wobei die zweite Befestigungseinrichtung (200) Metall aufweist.
Batteriezellenmodul (300, 400, 500) nach Anspruch 9 oder 10, wobei die zweite Befestigungseinrichtung (200) ein zweites Reservoir (320) zur Aufnahme eines Fluids aufweist, wobei das zweite Reservoir eine fluide Kommunikation mit der Rohrleitung (310, 420) ausbilden kann.
Batteriezellenmodul (300, 400, 500) nach einem der vorherigen Ansprüche 3 bis 11, aufweisend eine Mehrzahl von Batteriezellen (100), die beabstandet zueinander entlang der Längsachse des Stabes angeordnet sind, wobei der Stab (120) sich jeweils durch die ersten und zweiten Öffnungen der Batteriezellen (100) hindurch erstreckt, und wobei die Batteriezellen elektrisch seriell oder parallel miteinander verbunden sind.
Batteriezellenmodul (300, 400, 500) nach Anspruch 12, wobei der Stab (120) ein mechanisches Verbindungselement (430) aufweist, durch das benachbarte Batteriezellen (100) entlang der Längsachse des Stabs (120) mechanisch miteinander verbunden sind.
Batteriezellenmodul (300, 400, 500) nach einem der Ansprüche 9 bis 11, aufweisend eine Mehrzahl von Batteriezellen, wobei die ersten Endbereiche der Mehrzahl der Stäbe (120) jeweils an der ersten Befestigungseinrichtung (200) und die zweiten Endbereiche der Mehrzahl der Stäbe (120) jeweils an der zweiten Befestigungseinrichtung (200) befestigt sind.