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Die Erfindung betrifft eine Batteriezelle, zumindest umfassend ein formfestes Gehäuse und darin angeordnet mindestens eine Mehrzahl von aufeinander zumindest gestapelten Lagen, umfassend mindestens eine Anode und mindestens eine Kathode als Elektroden und zwischen den unterschiedlichen Elektroden einen Separator. Die Lagen bilden mindestens einen Stapel.
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Die zumindest gestapelten, ggf. zusätzlich gewickelten bzw. gefalteten, Kathoden, Anoden und Separatoren bilden insbesondere einen Stapel. Jede Elektrode ist mit einem sich aus dem Stapel nach außen erstreckenden Ableiter verbunden, so dass ein elektrischer Strom aus dem Stapel ab- oder dem Stapel zugeführt werden kann. Die Ableiter der Anoden und die Ableiter der Kathoden werden jeweils miteinander verbunden, um die jeweiligen Elektroden elektrisch parallel zu verschalten. In der Batteriezelle können auch mehrere Stapel angeordnet sein.
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Für den Antrieb von Kraftfahrzeugen werden vermehrt Batterien, insbesondere Lithium-Ionen-Batterien eingesetzt. Batterien werden üblicherweise aus Batteriezellen und/ oder aus mehrere Batteriezellen umfassenden Batteriemodulen zusammengesetzt.
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Aus der nachveröffentlichten DE 10 2021 112 444.1 ist eine Batteriezelle, zumindest umfassend ein Gehäuse und darin angeordnet mindestens einen Block Aktivmaterial, bekannt. Der Block Aktivmaterial weist eine Mehrzahl von aufeinander zumindest gestapelten Lagen auf. Das Gehäuse umfasst ein Mantelteil mit einer offenen ersten Stirnseite und einer offenen zweiten Stirnseite, das den mindestens einen Block Aktivmaterial entlang einer Umfangsrichtung vollumfänglich umschließt, sowie ein einteilig ausgeführtes Kernteil. Das Kernteil weist ein an der ersten Stirnseite angeordnetes und mit dem Mantelteil verbundenes Bodenteil und ein entlang einer axialen Richtung beabstandet dazu an der zweiten Stirnseite angeordnetes und mit dem Mantelteil verbundenes Deckelteil auf, sowie ein das Bodenteil mit dem Deckelteil verbindendes Mittelteil. Der mindestens eine Block Aktivmaterial ist auf einer ersten Seite des Mittelteils entlang einer radialen Richtung zwischen dem Mantelteil und dem Mittelteil sowie auf einer, der ersten Seite gegenüberliegenden zweiten Seite des Mittelteils zwischen dem Mantelteil und dem Mittelteil angeordnet. Das Kernteil ist ein Strangpressprofil.
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Diese Bauart einer Batteriezelle ermöglicht eine effektive Ausnutzung eines Bauraums, es wird also ein hoher Wert für diesen Parameter in Wh/I [Watt-Stunde pro Liter] erreicht.
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Weiterhin ist eine Anbindung der Zelle an die Kühlung im System sehr wichtig. Ein direkter Kühlpfad zwischen den Stapeln bzw. dem Block Aktivmaterial zu einer Systemkühlung ist in aktuellen Bauformen nicht vorhanden. Durch das in der DE 10 2021 112 444.1 vorgeschlagene, als Strangpressprofil ausgeführte Kernteil kann in dem Gehäuse entstehende Wärme einfach abgeführt werden.
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Einzelne Batteriezellen werden zu einem Batteriemodul zusammengebaut. Weil die Batteriezellen beim Zyklisieren „atmen“, d. h. sich ausdehnen und zusammenziehen und über Alterung generell dicker werden, besteht im Batteriemodul die Notwendigkeit, diese Formveränderungen auszugleichen und eine zu große Ausdehnung über einen festen Rahmen zu verhindern, damit der Bauraum nicht gesprengt wird. Das Atmen ist besonders stark ausgeprägt bei Zellen mit Si- oder Lithium-Metall Anoden. Auch bei klassischen Zellchemien mit Graphit-Anoden kommt es über Lebensdauer zu Swelling (also einer Ausdehnung des Aktivmaterials bzw. des mindestens einen Stapels), d. h. der Druck in der Batteriezelle steigt nach und nach immer mehr an, so dass eine Konstruktion des Batteriemoduls limitiert ist. Bei einem technischen Update der Batteriezellen, z. B. im Rahmen einer Modellpflege, bei dem z. B. eine Zellchemieoptimierung oder eine Bauformanpassung vorgenommen wird, muss der komplette Modulrahmen neu konstruiert werden, evtl. das gesamte Modulkonzept neu entwickelt und abgesichert werden. Dieses Problem besteht auch bei Cell-to-pack-Systemen.
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Aus der
CN 211828956 U ist ein Wärmeableitelement für eine prismatische Batteriezelle bekannt.
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Aus der
DE 10 2018 215 543 A1 ist ein Batteriemodulelement bekannt. Es umfasst ein Rahmenelement, in dem eine Batteriezelle mit einem Kühlelement und einem Einlageelement gehaltert sind. Das Einlageelement ist elastisch ausgeführt und kann ein Dickenwachstum der Batteriezelle ausgleichen.
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Aus der
US 2016/0164149 A1 ist ein Batteriemodul, aufweisend eine Mehrzahl von Batteriezellen, bekannt. Die Batteriezellen sind benachbart zu Wärmeableiterplatten positioniert.
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Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, die mit Bezug auf den Stand der Technik angeführten Probleme zumindest teilweise zu lösen. Insbesondere soll eine Batteriezelle vorgeschlagen werden, die kostengünstig herstellbar ist, eine effektive Raumnutzung des Gehäuses ermöglicht, eine verbesserte Temperierung der Batteriezelle bzw. der in dem Gehäuse angeordneten Stapel gewährleistet sowie eine Dickenveränderung der Lagen über die Laufzeit der Batteriezelle kompensieren kann.
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Zur Lösung dieser Aufgaben trägt eine Batteriezelle mit den Merkmalen gemäß Patentanspruch 1 bei. Vorteilhafte Weiterbildungen sind Gegenstand der abhängigen Patentansprüche. Die in den Patentansprüchen einzeln aufgeführten Merkmale sind in technologisch sinnvoller Weise miteinander kombinierbar und können durch erläuternde Sachverhalte aus der Beschreibung und/oder Details aus den Figuren ergänzt werden, wobei weitere Ausführungsvarianten der Erfindung aufgezeigt werden.
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Es wird eine Batteriezelle vorgeschlagen, zumindest umfassend ein formfestes Gehäuse und darin angeordnet eine Mehrzahl von aufeinander zumindest gestapelten Lagen, umfassend mindestens eine Anode und mindestens eine Kathode als Elektroden und zwischen den unterschiedlichen Elektroden einen Separator. Das Gehäuse umfasst eine äußere Ummantelung zur Ausbildung eines von dem Gehäuse eingeschlossenen Volumens sowie innerhalb des Volumens eine mit der äußeren Ummantelung verbundene Wärmetauscherplatte. Die Wärmetauscherplatte ist in einem Wärmeaustauschabschnitt zumindest elastisch oder plastisch verformbar ausgeführt. Die Wärmetauscherplatte umfasst mindestens ein Anschlusselement, das mit dem Wärmeaustauschabschnitt einteilig verbunden ist und zumindest einen Teil der äußeren Ummantelung bildet.
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Die zumindest gestapelten, ggf. zusätzlich gewickelten bzw. gefalteten, Kathoden, Anoden und Separatoren bilden insbesondere einen Stapel. Die Elektroden weisen Aktivmaterialien insbesondere als Beschichtungen auf elektrisch leitenden Trägermaterialien auf, die insbesondere als Ableiter dienen. Die Anode, die Kathode und der Separator werden jeweils als Lage bezeichnet. Die Lagen können als Einzelblattstapel, Laminierung, Z-Faltung, Jelly Roll angeordnet sein, jeweils in beliebiger Anzahl.
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Jede Elektrode ist mit einem sich aus dem Stapel nach außen erstreckenden Ableiter verbunden, so dass ein elektrischer Strom aus dem Stapel ab- oder dem Stapel zugeführt werden kann. Die Ableiter der Anoden und die Ableiter der Kathoden werden jeweils miteinander verbunden, um die jeweiligen Elektroden elektrisch parallel zu verschalten. In der Batteriezelle können auch mehrere Stapel angeordnet sein.
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Die Elektroden sind insbesondere in bekannter Weise zur Bildung des Stapels angeordnet und werden von einem Elektrolyten bzw. einer Elektrolytflüssigkeit beaufschlagt.
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Die Elektroden sind insbesondere folienartig ausgeführt, weisen also eine große Seitenfläche und eine geringe Dicke auf. Auf der Seitenfläche bzw. auf jeder Seitenfläche der Elektrode ist insbesondere eine Beschichtung mit Aktivmaterial angeordnet. Die Separatoren sind jeweils zwischen den Seitenflächen der benachbart angeordneten unterschiedlichen Elektroden angeordnet. Insbesondere erstrecken sich unbeschichtete Teile der Elektroden als Ableiter aus dem Stapel heraus.
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Insbesondere sind jeweils die Anoden und die Kathoden innerhalb des Stapels miteinander parallelgeschaltet, so dass die Ableiter einer Mehrzahl von Anoden miteinander elektrisch leitend verbunden sind und die Ableiter einer Mehrzahl von Kathoden miteinander elektrisch leitend verbunden sind.
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Das Gehäuse der Batteriezelle ist insbesondere nur plastisch verformbar. Das Gehäuse wird auch als Hardcase bezeichnet und die Batteriezelle z. B. als eine prismatische Zelle.
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Die Batteriezelle ist insbesondere eine lithiumhaltige Batteriezelle, insbesondere eine Sekundärzelle, also eine wiederaufladbare Batteriezelle.
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Das Gehäuse ist bei der einsatzbereiten Batteriezelle insbesondere einteilig ausgeführt. Das Gehäuse bzw. die das Volumen umschließende Ummantelung setzt sich aus dem mindestens einen Anschlusselement der Wärmetauscherplatte zusammen und weiteren die Ummantelung bildenden Bauteilen, die erst im Rahmen der Herstellung des Gehäuses miteinander verbunden werden, vorher aber getrennt voneinander vorliegen. Anschlusselement(-e) und Wärmetauscherplatte bilden insbesondere eine Vormontagegruppe, die dann mit den weiteren Bauteilen zur Ummantelung verbunden werden.
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Der Wärmeaustauschabschnitt ist insbesondere innerhalb des Volumens angeordnet und insbesondere auf beiden (größten) Seiten benachbart zu mindestens einem Stapel angeordnet. Die Wärmetauscherplatte ist, insbesondere ausschließlich, in dem Wärmeaustauschabschnitt zumindest elastisch oder plastisch (ggf. elastisch und plastisch) verformbar ausgeführt. Die elastische Verformbarkeit kann insbesondere ein Dickenwachstum der Lagen beim Zyklisieren (also beim Laden und Entladen) aber auch über Laufzeit kompensieren. Damit kann insbesondere ein Dickenwachstum innerhalb der Ummantelung des Gehäuses kompensiert werden, so dass sich die Größe des Gehäuses über Laufzeit nicht verändert.
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Insbesondere ist die Wärmetauscherplatte, insbesondere ausschließlich, in dem Wärmeaustauschabschnitt (auch oder ausschließlich) plastisch verformbar ausgeführt. Die plastische Verformbarkeit kann insbesondere ein Dickenwachstum der Lagen über Laufzeit kompensieren.
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Die Verformbarkeit der Wärmetauscherplatte dient insbesondere dazu, das Dickenwachstum der Lagen zu kompensieren, so dass eine Verformung des Gehäuses insbesondere nicht auftritt. Die plastische Verformung der Wärmetauscherplatte tritt insbesondere vor einer (plastischen) Verformung des Gehäuses auf. Insbesondere wird so eine (plastische) Verformung des Gehäuses verhindert.
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Dabei kann der Wärmeaustauschabschnitt auch z. B. mehrere Funktionen erfüllen. Neben der elastischen und/ oder plastischen Verformbarkeit kann er insbesondere zumindest teilweise als Hohlraum ausgeführt sein, so dass er von einem, von außerhalb des Gehäuses zugeführten Kühlfluid beaufschlagt werden kann. Insbesondere kann die Batteriezelle bzw. kann der mindestens eine Stapel über den Wärmeaustauschabschnitt temperiert, also gekühlt oder falls erforderlich, erwärmt werden.
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Insbesondere sind der Wärmeaustauschabschnitt und das mindestens eine Anschlusselement einteilig als Druckgussteil, als Strangpressprofil oder als Schweißkonstruktion ausgeführt. Dabei ist es auch möglich, zwei Halbschalen zu fertigen und diese zu verbinden, z. B. durch Schweißen. Eine Herstellung durch additive Fertigungsverfahren, also z. B. durch dreidimensionalen Druck ist natürlich auch möglich.
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Bei dem Verfahren Strangpressen wird ein Ausgangsmaterial auf eine Umformtemperatur erhitzt und mit hohem Druck durch eine formgebende Matrize gedrückt. Das so entstehende Profil wird aus der Matrize entlang einer Vorschubrichtung weiterbewegt.
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Bei dem Verfahren Druckguss wird ein flüssiges Ausgangsmaterial in ein Formnegativ eingeleitet und nach Erstarrung entformt.
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Insbesondere ist zumindest der Wärmeaustauschabschnitt zumindest teilweise hohl ausgeführt und weist mindestens einen Hohlraum auf, der zumindest teilweise mit einem elastisch verformbaren Material gefüllt ist. Dabei kann z. B. die den Hohlraum umgebende Wandung des Wärmeaustauschabschnitts so dünnwandig bzw. verformbar ausgeführt sein, dass das elastisch bzw. plastisch verformbare Material die Wandung abstützt.
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Der Wärmeaustauschabschnitt wird insbesondere im Inneren mit einem kompressionsfähigen Material gefüllt, z. B. mit einem Material, das in bekannten und in Batteriemodulen verwendeten Compression Pads verwendet wird.
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Mit der elastischen und/ oder plastischen Verformbarkeit des Wärmeaustauschabschnitts können insbesondere sämtliche Volumenänderungen der Batteriezelle innerhalb des Gehäuses ausgeglichen werden. Hierbei ist es möglich und sinnvoll, den nun zellinternen Ausgleichkörper, also den Wärmeaustauschabschnitt, auf die spezielle Batteriezelle ideal anzupassen. Somit muss auf Modulebene kein konstruktiver Mehraufwand getrieben werden und alle Batteriezellen, auch bei Zellchemieänderungen, verhalten sich auf Modulebene identisch. Eine Neuentwicklung bei Modellpflegen ist insbesondere nicht erforderlich. Ebenso kann ein Modulkonzept mit verschiedenen Batteriezellen (geringe Kosten gegenüber hoher Leistungsfähigkeit; also low-cost vs. high-performance) identisch angewandt werden. Somit sinkt der Entwicklungsaufwand in einem diversen Portfolio substanziell.
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Der Wärmeaustauschabschnitt ist insbesondere als Strukturprofil-Bauteil (also mit inneren Strukturen, z. B. Waben- oder Tragwerkkonstruktion) konstruiert oder es werden in den mindestens einen Hohlraum zusätzlich Federn oder auch Schäume eingebaut. Der Wärmeaustauschabschnitt kann auch in der Art einer Honigwabenstruktur ausgeführt sein, wobei die Waben so angeordnet sind, dass eine elastische bzw. plastische Verformbarkeit des Wärmeaustauschabschnitts zwischen den einzelnen Stapeln gewährleistet ist.
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Insbesondere wird die Batteriezelle gemäß der DE 10 2021 112 444.1 so verändert, dass das dort vorgeschlagene Kernteil nun als elastisch bzw. plastisch verformbar ausgeführt ist. Dafür wird das Kernteil zumindest im Bereich des Mittelteils insbesondere mit einer größeren Breite ausgeführt, so dass Dickenänderungen der Lagen kompensiert werden können.
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Infolge des erhöhten Platzbedarfs und des erhöhten Gewichts des Wärmeaustauschabschnitts innerhalb des Volumens sinkt die Energiedichte (volumetrisch sowie gravimetrisch) auf der Ebene der Batteriezelle. Auf Modulebene (also wenn mehrere Batteriezellen betrachtet werden) gleicht sich das durch die Einsparungen im Batteriemodul jedoch wieder aus, da andere Kompensationselemente entfallen können.
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Insbesondere umfasst die Ummantelung zumindest ein Mantelteil mit zumindest einer offenen ersten Stirnseite, das die Lagen und den Wärmeaustauschabschnitt entlang einer Umfangsrichtung vollumfänglich umschließt. Die erste Stirnseite ist zumindest teilweise durch das mindestens eine Anschlusselement verschlossen.
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Das Mantelteil ist insbesondere zylindrisch ausgeführt, weist also nur zueinander parallel verlaufende Flächen auf. Die erste Stirnseite erstreckt sich insbesondere quer dazu. Das Mantelteil kann als Tiefziehteil ausgeführt sein, wobei beide Stirnseiten offen oder aber eine Stirnseite geschlossen ausgeführt sein kann.
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Insbesondere umfasst das Mantelteil eine offene zweite Stirnseite, die durch das mindestens eine Anschlusselement, dass mit dem Wärmeaustauschabschnitt einteilig verbunden ist, zumindest teilweise verschlossen ist.
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Die Stirnseiten liegen einander entlang einer axialen Richtung gegenüber. Die axiale Richtung verläuft insbesondere parallel zu der Erstreckung der zylindrischen Flächen des Mantelteils bzw. quer zur Erstreckung der ersten Stirnseite.
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Das mindestens eine Anschlusselement bzw. die Anschlusselemente erstrecken sich, z. B. bei der Herstellung der Wärmetauscherplatte durch Strangpressen, jeweils parallel zur Vorschubrichtung, und parallel zu der mindestens einen Stirnseite.
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Die Anschlusselemente weisen in einer radialen Richtung, also quer zur axialen Richtung und quer zu einer größten Seite des Wärmeaustauschabschnitts, eine größere Breite als der Wärmeaustauschabschnitt auf, insbesondere um einen Faktor größer 3, bevorzugt größer 5. Die Anschlusselemente erstrecken sich insbesondere senkrecht zum Wärmeaustauschabschnitts. Der Wärmeaustauschabschnitt weist eine Breite von 3 bis 15 Millimeter, insbesondere von höchstens 8 Millimeter, bevorzugt von höchstens 5 Millimetern, auf. Der Wärmeaustauschabschnitt weist, insbesondere parallel zur Breite des Wärmeaustauschabschnitts, eine geringste Wanddicke (also insbesondere eine Wandstärke eines Vollmaterials) von 0,2 bis 5 Millimeter, insbesondere von höchstens 3 Millimeter, bevorzugt von höchstens 2 Millimetern, auf). Die Anschlusselemente weisen insbesondere eine geringste Wanddicke auf, für die die Grenzen der Wanddicke des Wärmeaustauschabschnitts ebenfalls gelten. Die Wanddicke der einzelnen Teile kann aber voneinander unterschiedlich ausgeführt sein.
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Die Breite der Anschlusselemente ist insbesondere so ausgeführt, dass sie die Erstreckung des mindestens einen Stapels entlang der radialen Richtung gerade überdeckt.
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Das mindestens eine Anschlusselement umfasst insbesondere eine vollständig geschlossene Oberfläche, so dass damit eine Stirnseite auch vollständig verschließbar ist. Alternativ kann das Anschlusselement aber z. B. Anschlüsse zum Anschluss des Gehäuses bzw. der Wärmetauscherplatte an eine Kühlung aufweisen.
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Als Material zumindest für den Wärmeaustauschabschnitt und die Anschlusselemente kann insbesondere Aluminium bzw. eine Aluminiumlegierung oder aber auch andere Werkstoffe eingesetzt werden. Dabei sollte das eingesetzte Material insbesondere eine gute Wärmeleitfähigkeit, bevorzugt vergleichbar oder höher als die Wärmleitfähigkeit von Aluminium, aufweisen.
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Insbesondere wird der mindestens eine Stapel so angeordnet, dass sich die Lagen im Bereich der Seiten des Wärmeaustauschabschnitts jeweils parallel zu den Seiten erstrecken. Ist nur ein Stapel vorgesehen, können die Lagen um den Wärmeaustauschabschnitt herum gewickelt angeordnet sein. Sind zwei Stapel vorgesehen, kann jeder Stapel benachbart zu der jeweiligen Seite angeordnet sein.
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Zur Herstellung der Batteriezelle wird insbesondere zunächst die Wärmetauscherplatte bereitgestellt. Der mindestens eine Stapel wird an dem Wärmeaustauschabschnitt der Wärmetauscherplatte, insbesondere zwischen den Stirnseiten, angeordnet.
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Der mindestens eine Stapel kann von einer elektrischen Isolierung eingefasst sein.
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Der mindestens eine Stapel kann insbesondere über eine Art Klammer an dem Wärmeaustauschabschnitt angeordnet werden. Die Klammer kann den mindestens einen Stapel außen umfassen und so eine Breite des mindestens einen Stapels fixieren. Die Breite verläuft quer zu den Seiten des Wärmeaustauschabschnitts. Insbesondere ist der mindestens eine Stapel so an dem Wärmeaustauschabschnitt angeordnet, dass er entlang der axialen Richtung fluchtend zu dem mindestens einen Anschlusselement angeordnet ist.
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Die Wärmetauscherplatte kann zusammen mit dem mindestens einen Stapel (insbesondere zusammen mit einer Isolierung) in das Mantelteil eingeschoben werden, insbesondere entlang der axialen Richtung.
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Das mindestens eine Anschlusselement kann an der jeweiligen Stirnseite mit dem Mantelteil verbunden werden, bevorzugt stoffschlüssig, z. B. durch Schweißen. Insbesondere kann das Anschlusselement zumindest an mit dem Mantelteil ausgebildeten Kontaktstellen an der jeweiligen Stirnseite mit dem Mantelteil verbunden werden. Damit kann eine zumindest flüssigkeitsdichte, ggf. auch gasdichte Verbindung zwischen Mantelteil und Anschlusselement hergestellt werden.
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Das Gehäuse ist insbesondere quaderförmig ausgebildet. Die sich parallel zu den Seiten des Wärmeaustauschabschnitts erstreckenden Seitenflächen des Gehäuses weisen dabei die größten Flächen auf und werden insbesondere durch das Mantelteil gebildet. Die erste und zweite Stirnseite, an denen mindestens ein Anschlusselement angeordnet ist, können die Seitenflächen mit den jeweils kleineren Flächen bilden.
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Insbesondere deckt das mindestens eine erste Anschlusselement mindestens 10 %, bevorzugt mindestens 20 %, der Stirnseite ab, an der es angeordnet ist.
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Insbesondere verläuft eine Längsrichtung, insbesondere die Vorschubrichtung beim Strangpressen der Wärmetauscherplatte, senkrecht zur axialen Richtung und parallel zu den Seiten des Wärmeaustauschabschnitts.
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Insbesondere verläuft eine Längsrichtung parallel zu dem Wärmeaustauschabschnitt und parallel zu der ersten Stirnseite und/oder zweiten Stirnseite. Die Ummantelung ist an zumindest einer der Stirnseiten durch mindestens zwei voneinander entlang der Längsrichtung beabstandete Anschlusselemente gebildet, wobei zwischen den Anschlusselementen ein Zwischenraum ausgebildet ist.
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Insbesondere sind zumindest an der ersten Stirnseite oder an der zweiten Stirnseite zwei Zwischenräume ausgebildet. Insbesondere sind die Zwischenräume entlang der Längsrichtung, insbesondere durch ein Anschlusselement, voneinander beabstandet angeordnet.
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Insbesondere ist zumindest ein elektrischer Kontakt der Batteriezelle in einem Zwischenraum angeordnet.
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In jedem Zwischenraum kann mindestens ein elektrischer Kontakt angeordnet sein, über den die in dem Volumen angeordneten Stapel mit einem außerhalb des Gehäuses angeordneten Stromkreis verbindbar sind. Insbesondere sind in jedem Zwischenraum ein Kontakt oder mehrere Kontakte angeordnet.
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Infolge der Bereitstellung mehrerer Kontakte (also mehrerer Kontakte eines Pols) kann der Innenwiderstand verringert werden.
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Ein Zwischenraum kann insbesondere durch mechanische Bearbeitung aus dem Anschlusselement bzw. aus der Wärmetauscherplatte herausgearbeitet werden (z. B. bei Ausführung der Wärmetauscherplatte als Strangpressprofil) oder direkt darin vorgesehen sein (z. B. bei Ausführung der Wärmetauscherplatte als Druckgussteil oder als Schweißkonstruktion). Insbesondere weist die Wärmetauscherplatte nach dem Strangpressen keine Zwischenräume auf.
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Insbesondere erstreckt sich das jeweilige Anschlusselement entlang der Längsrichtung über den Wärmeaustauschabschnitt hinaus. Insbesondere können sich so die Lagen eines Stapels von einer Seite des Wärmeaustauschabschnitts hin zur anderen Seite des Wärmeaustauschabschnitts erstrecken, insbesondere durch Wickeln der Lagen entlang der Umfangsrichtung um den Wärmeaustauschabschnitt. Die Erstreckung des jeweiligen Anschlusselements entlang der Längsrichtung ist insbesondere so ausgeführt, dass sie die Erstreckung des mindestens einen Stapels entlang der Längsrichtung gerade überdeckt.
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Insbesondere ist zumindest eine Stirnseite ausschließlich durch nur ein Anschlusselement verschlossen. In diesem Fall bildet das eine Anschlusselement z. B. eine komplette Stirnseite der Ummantelung aus.
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Insbesondere ist das zumindest eine Anschlusselemente stoffschlüssig mit dem Mantelteil verbunden.
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Mit der Verbindung von Wärmetauscherplatte und Mantelteil ist das Gehäuse der Batteriezelle insbesondere hergestellt. Das Gehäuse ist, bei stoffschlüssiger Verbindung von Wärmetauscherplatte und Mantelteil, insbesondere einteilig ausgeführt, aber dabei immer aus zumindest zwei Teilen, nämlich aus Wärmetauscherplatte und Mantelteil, hergestellt.
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Insbesondere ist das Mantelteil ein Strangpressprofil. Die in Bezug auf die Wärmetauscherplatte vorliegenden Ausführungen zu dem Strangpressverfahren und den Materialstärken gelten hier insbesondere entsprechend.
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Insbesondere ist die Ummantelung an den Stirnseiten vergleichbar, ggf. sogar identisch ausgeführt und weist jeweils mindestens einen Zwischenraum oder zwei Zwischenräume, ggf. sogar mehr, auf. Alternativ weist die Wärmetauscherplatte im Bereich zumindest einer Stirnseite mindestens zwei Zwischenräume auf, während sie im Bereich der anderen Stirnseite geschlossen (ohne Zwischenraum, also als durchgehendes Anschlusselement) ausgeführt ist. Ebenso können die Stirnseiten aber auch unterschiedliche Anzahlen von Zwischenräumen aufweisen, also keinen, einen, zwei oder sogar mehr.
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Die mindestens zwei elektrischen Kontakte der Batteriezelle können an einer Stirnseite oder auf die zwei Stirnseiten verteilt angeordnet sein.
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Es können an jeder Stirnseite, oder aber an nur einer der Stirnseiten, auch mehrere elektrische Kontakte angeordnet sein. Dabei können an einer Stirnseite gleichartige oder unterschiedliche Kontakte angeordnet sein.
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Die hier beschriebene Batteriezelle mit Wärmetauscherplatte kann insbesondere vergleichbare Abmessungen (zumindest in zwei von drei Raumdimensionen, bevorzugt in allen Raumdimensionen) wie eine übliche Pouchzelle mit verformbarem Gehäuse oder eine bekannte prismatische Batteriezelle, die keine Wärmetauscherplatte aufweist, aufweisen. Insbesondere sind die elektrischen Kontakte in nahezu beliebiger Konfiguration an dem Gehäuse anordenbar, so dass eine Adaption der vorgeschlagenen Batteriezelle an für bekannte Batteriezellen vorgesehene Anordnungen in einfacher Weise möglich ist.
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Insbesondere ist der jeweilige elektrische Kontakt gegenüber dem Gehäuse elektrisch isoliert. Z. B. kann der elektrische Kontakt einen metallischen Rahmen aufweisen, der mit dem Gehäuse, z. B. stoffschlüssig, verbindbar ist bzw. verbunden werden kann. Die elektrische Kontaktierung des Stapels erfolgt insbesondere über einen elektrischen Leiter, der sich von dem Stapel durch den elektrischen Kontakt hin zu der Umgebung der Batteriezelle erstreckt. Der elektrische Kontakt ist insbesondere gegenüber dem metallischen Rahmen elektrisch isoliert angeordnet, z. B. über eine Kontaktisolierung.
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Der Kontakt ist insbesondere gegenüber dem mindestens einen Stapel durch eine Stapelisolierung elektrisch isoliert angeordnet. Insbesondere kann zumindest ein Kontakt auch gegenüber dem Gehäuse nicht isoliert angeordnet sein, so dass das Gehäuse ein elektrisches Potential aufweist.
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Insbesondere ist zumindest eine Elektrode des mindestens einen Stapels mit einem, in einem Zwischenraum angeordneten, ersten Kontakt oder mit einem, in einem anderen Zwischenraum angeordneten, zweiten Kontakt über einen sich nur im Bereich des Zwischenraums aus dem Stapel heraus erstreckenden Ableiter elektrisch leitend verbunden.
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Insbesondere erstrecken sich die Ableiter also nur dort aus dem Stapel bzw. der Isolierung des Stapels heraus, wo der Zwischenraum bzw. wo der mit den Ableitern zu kontaktierende elektrische Kontakt bzw. elektrische Leiter angeordnet ist. Damit muss ein sonst erforderlicher, für die Ableiter freizuhaltender Raum zwischen dem Stapel und der Stirnseite bzw. der Ummantelung nur im Bereich des Kontakts freigehalten werden. Da in diesem Bereich der Zwischenraum vorliegt, also gerade kein Anschlusselement, kann das mindestens eine Anschlusselement direkt auf dem Stapel, also ohne vorzuhaltenden Spalt, angeordnet werden. Der jeweilige Kontakt kann den für die Kontaktierung erforderlichen Bauraum zwischen Ableiter(-n) und Kontakt aufweisen, bzw. so angeordnet werden, dass dieser Bauraum vorliegt.
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Insbesondere sind alle Ableiter einer Elektrodenart, also der Anode oder der Kathode, mit dem einen der beiden Kontakte verbunden. Bevorzugt sind alle Ableiter der anderen Elektrodenart mit dem anderen der beiden Kontakte verbunden.
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Der mindestens eine Stapel erstreckt sich insbesondere über mehr als 95 %, bevorzugt über mehr als 98 %, besonders bevorzugt über mehr als 99 %, einer sich entlang der axialen Richtung erstreckenden geringsten Höhe zwischen den Anschlusselementen bzw. den Stirnseiten der Ummantelung. Insbesondere weist der Stapel ein Untermaß von höchstens 1 Millimeter, bevorzugt von höchstens 0,5 Millimeter gegenüber der geringsten Höhe auf. Insbesondere kontaktiert der mindestens eine Stapel die Ummantelung an den Stirnseiten gleichzeitig.
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Dieses geringe Untermaß ist möglich, weil durch das Strangpressen, insbesondere bei nach dem Strangpressen kalibrierten Bauteilen, sehr hohe Genauigkeiten erzielt werden können. Es ist also seitens des Stapels oder bei der Gestaltung des Gehäuses kein Spiel vorzuhalten, um eine spätere Passung bei der Anordnung des Stapels in dem Gehäuse, wie z. B. bei tiefgezogenen Gehäuse-Bauteilen, zu gewährleisten.
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Die Verwendung unbestimmter Artikel („ein“, „eine“, „einer“ und „eines“), insbesondere in den Patentansprüchen und der diese wiedergebenden Beschreibung, ist als solche und nicht als Zahlwort zu verstehen. Entsprechend damit eingeführte Begriffe bzw. Komponenten sind somit so zu verstehen, dass diese mindestens einmal vorhanden sind und insbesondere aber auch mehrfach vorhanden sein können.
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Vorsorglich sei angemerkt, dass die hier verwendeten Zahlwörter („erste“, „zweite“, ...) vorrangig (nur) zur Unterscheidung von mehreren gleichartigen Gegenständen, Größen oder Prozessen dienen, also insbesondere keine Abhängigkeit und/oder Reihenfolge dieser Gegenstände, Größen oder Prozesse zueinander zwingend vorgeben. Sollte eine Abhängigkeit und/oder Reihenfolge erforderlich sein, ist dies hier explizit angegeben oder es ergibt sich offensichtlich für den Fachmann beim Studium der konkret beschriebenen Ausgestaltung. Soweit ein Bauteil mehrfach vorkommen kann („mindestens ein“), kann die Beschreibung zu einem dieser Bauteile für alle oder ein Teil der Mehrzahl dieser Bauteile gleichermaßen gelten, dies ist aber nicht zwingend. Soweit hier eine Mehrzahl von Bauteilen angesprochen ist, umfasst dies auch mehr als zwei Bauteile.
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Die Erfindung sowie das technische Umfeld werden nachfolgend anhand der beiliegenden Figuren näher erläutert. Es ist darauf hinzuweisen, dass die Erfindung durch die angeführten Ausführungsbeispiele nicht beschränkt werden soll. Insbesondere ist es, soweit nicht explizit anders dargestellt, auch möglich, Teilaspekte der in den Figuren erläuterten Sachverhalte zu extrahieren und mit anderen Bestandteilen und Erkenntnissen aus der vorliegenden Beschreibung zu kombinieren. Insbesondere ist darauf hinzuweisen, dass die Figuren und insbesondere die dargestellten Größenverhältnisse nur schematisch sind. Es zeigen:
- 1: eine Batteriezelle in einer Explosionsdarstellung in perspektivischer Ansicht;
- 2: ein Kernteil gemäß der DE 10 2021 112 444.1 und eine Wärmetauscherplatte, jeweils in perspektivischer Ansicht; und
- 3: eine Wärmetauscherplatte, jeweils in perspektivischer Ansicht.
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1 zeigt eine Batteriezelle 1 in einer Explosionsdarstellung in perspektivischer Ansicht. 2 zeigt ein Kernteil 21 gemäß der DE 10 2021 112 444.1 und eine Wärmetauscherplatte 6, jeweils in perspektivischer Ansicht. 3 zeigt eine Wärmetauscherplatte 6, jeweils in perspektivischer Ansicht. Die 1 bis 3 werden im Folgenden gemeinsam beschrieben.
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Die Batteriezelle 1 umfasst ein formfestes Gehäuse 2 und darin angeordnet zwei Stapel 28 mit jeweils eine Mehrzahl von aufeinander zumindest gestapelten Lagen 3, umfassend mindestens eine Anode und mindestens eine Kathode als Elektroden und zwischen den unterschiedlichen Elektroden einen Separator. Das Gehäuse 2 umfasst eine äußere Ummantelung 4 zur Ausbildung eines von dem Gehäuse 2 eingeschlossenen Volumens 5 sowie innerhalb des Volumens 5 eine mit der äußeren Ummantelung 4 verbundene Wärmetauscherplatte 6. Die Wärmetauscherplatte 6 ist in einem Wärmeaustauschabschnitt 7 elastisch und/ oder plastisch verformbar ausgeführt. Die Wärmetauscherplatte 6 umfasst mehrere Anschlusselemente 8, die mit dem Wärmeaustauschabschnitt 7 einteilig verbunden ist und zumindest einen Teil der äußeren Ummantelung 4 bildet.
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Das Gehäuse 2 ist bei der einsatzbereiten Batteriezelle 1 einteilig ausgeführt. Das Gehäuse 2 bzw. die das Volumen 5 umschließende Ummantelung 4 setzt sich aus den Anschlusselementen 8 zusammen und weiteren die Ummantelung 4 bildenden Bauteilen (z. B. den Kontakten 17), die erst im Rahmen der Herstellung des Gehäuses 2 miteinander verbunden werden, vorher aber getrennt voneinander vorliegen. Anschlusselemente 8 und Wärmetauscherplatte 6 bilden eine Vormontagegruppe, die dann mit den weiteren Bauteilen zur Ummantelung 4 verbunden werden.
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Der Wärmeaustauschabschnitt 7 ist innerhalb des Volumens 5 angeordnet und mit den beiden größten Seiten 20 benachbart zu dem jeweiligen Stapel 28 angeordnet. Der Wärmeaustauschabschnitt 7 ist zumindest teilweise als Hohlraum 9 ausgeführt und zumindest teilweise mit einem elastisch oder plastisch verformbaren Material 10 gefüllt. Dabei ist die den Hohlraum 9 umgebende Wandung des Wärmeaustauschabschnitts 7 so dünnwandig bzw. verformbar ausgeführt, dass das elastisch oder plastisch verformbare Material 10 die elastisch verformbare Wandung abstützt.
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Die Batteriezelle 1 gemäß der DE 10 2021 112 444.1 wird so verändert, dass das dort vorgeschlagene Kernteil 21 nun elastisch und/ oder plastisch verformbar ausgeführt ist. Dafür ist das Mittelteil 22 des Kernteils 21 nun als Wärmeaustauschabschnitt 7 mit einer größeren Breite 29 ausgeführt, so dass Dickenänderungen der Lagen 3 kompensiert werden können.
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Die Ummantelung 4 umfasst ein Mantelteil 11 mit einer offenen ersten Stirnseite 12, das die Lagen 3 und den Wärmeaustauschabschnitt 7 entlang einer Umfangsrichtung 13 vollumfänglich umschließt. Die erste Stirnseite 12 ist teilweise durch die Anschlusselemente 8 verschlossen. Das Mantelteil 11 ist zylindrisch ausgeführt, weist also nur zueinander parallel verlaufende Flächen auf. Die erste Stirnseite 12 erstreckt sich quer dazu. Das Mantelteil 11 umfasst eine offene zweite Stirnseite 14, die durch ein weiteres Anschlusselement 8, das mit dem Wärmeaustauschabschnitt 7 einteilig verbunden ist, vollständig verschlossen ist.
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Die Stirnseiten 12, 14 liegen einander entlang einer axialen Richtung 18 gegenüber. Die axiale Richtung 18 verläuft parallel zu der Erstreckung der zylindrischen Flächen des Mantelteils 11 bzw. quer zur Erstreckung der Stirnseiten 12, 14.
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Die Anschlusselemente 8 erstrecken sich, z. B. bei der Herstellung der Wärmetauscherplatte 6 durch Strangpressen jeweils parallel zur Vorschubrichtung, und parallel zu den Stirnseiten 12, 14.
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Die Anschlusselemente 8 weisen in einer radialen Richtung 19, also quer zur axialen Richtung 18 und quer zu den größten Seiten 20 des Wärmeaustauschabschnitts 7, eine größere Breite 29 als der Wärmeaustauschabschnitt 7 auf. Die Anschlusselemente 8 erstrecken sich senkrecht zum Wärmeaustauschabschnitt 7.
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Die Breite 29 der Anschlusselemente 8 ist so ausgeführt, dass sie die Erstreckung der Stapel 28 entlang der radialen Richtung 19 gerade überdeckt.
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Die Anschlusselemente 8 weisen jeweils eine vollständig geschlossene Oberfläche auf, so dass damit die zweite Stirnseite 14 vollständig verschlossen ist.
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Die Stapel 28 sind so angeordnet, dass sich die Lagen 3 im Bereich der Seiten 20 des Wärmeaustauschabschnitts 7 jeweils parallel zu den Seiten 20 erstrecken.
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Zur Herstellung der Batteriezelle 1 wird insbesondere zunächst die Wärmetauscherplatte 6 bereitgestellt. Die Stapel 28 werden an dem Wärmeaustauschabschnitt 7 der Wärmetauscherplatte 6 zwischen den Stirnseiten 12, 14 angeordnet. Jeder Stapel 28 ist von einer elektrischen Isolierung 23 eingefasst.
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Die Stapel 28 werden über eine Art Klammer 26 an dem Wärmeaustauschabschnitt 7 angeordnet. Die Klammer 26 umfasst die Stapel 28 außen und fixiert so eine sich entlang der radialen Richtung 19 erstreckende Breite 29 der Stapel 28. Die Breite 29 verläuft quer zu den Seiten 20 des Wärmeaustauschabschnitts 7. Die Stapel 28 sind so an dem Wärmeaustauschabschnitt 7 angeordnet, dass sie entlang der axialen Richtung 18 fluchtend zu den Anschlusselementen 8 angeordnet sind.
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Die Wärmetauscherplatte 6 wird zusammen mit den Stapeln 28 und zusammen mit der Isolierung 23 in das Mantelteil 11 entlang der axialen Richtung 18 eingeschoben.
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Die Anschlusselemente 8 sind an der jeweiligen Stirnseite 12, 14 mit dem Mantelteil 11 über eine Schweißnaht 27 verbunden. Das Gehäuse 2 ist quaderförmig ausgebildet. Die sich parallel zu den Seiten 20 des Wärmeaustauschabschnitts 7 erstreckenden Seitenflächen des Gehäuses 2 weisen dabei die größten Flächen auf und werden durch das Mantelteil 11 gebildet. Die erste und zweite Stirnseite 12, 14, an denen die Anschlusselemente 8 angeordnet sind, bilden die Seitenflächen mit den jeweils kleineren Flächen.
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Eine Längsrichtung 15, die Vorschubrichtung beim Strangpressen der Wärmetauscherplatte 6, verläuft senkrecht zur axialen Richtung 18 und parallel zu den Seiten 20 des Wärmeaustauschabschnitts 7.
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Die Längsrichtung 15 verläuft parallel zu dem Wärmeaustauschabschnitt 7 und parallel zu der ersten Stirnseite 12 und zweiten Stirnseite 14. Die Ummantelung 4 ist an der ersten Stirnseite 12 durch drei voneinander entlang der Längsrichtung 15 beabstandete Anschlusselemente 8 gebildet, wobei zwischen den Anschlusselementen 8 jeweils ein Zwischenraum 16 ausgebildet ist. An der ersten Stirnseite 12 sind zwei Zwischenräume 16 ausgebildet. Die Zwischenräume 16 sind entlang der Längsrichtung 15 durch das eine Anschlusselement 8 voneinander beabstandet angeordnet.
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In jedem Zwischenraum 16 ist jeweils ein elektrischer Kontakt 17 angeordnet, über den die in dem Volumen 5 angeordneten Stapel 28 mit einem außerhalb des Gehäuses 2 angeordneten Stromkreis verbindbar sind.
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Die anderen Anschlusselemente 8 erstrecken sich entlang der Längsrichtung 15 über den Wärmeaustauschabschnitt 7 hinaus. Die Erstreckung des jeweiligen Anschlusselements 8 entlang der Längsrichtung 15 ist so ausgeführt, dass sie die Erstreckung der Stapel 28 entlang der Längsrichtung 15 gerade überdeckt.
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Mit der Verbindung von Wärmetauscherplatte 6 und Mantelteil 11 ist das Gehäuse 2 der Batteriezelle 1 hergestellt. Das Gehäuse 2 ist, bei stoffschlüssiger Verbindung von Wärmetauscherplatte 6 und Mantelteil 11, einteilig ausgeführt, aber dabei immer aus mehreren Teilen, nämlich zumindest aus Wärmetauscherplatte 6 und Mantelteil 11, hergestellt.
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Der jeweilige elektrische Kontakt 17 ist gegenüber dem Gehäuse 2 elektrisch isoliert. Der elektrische Kontakt 17 weist einen metallischen Rahmen 30 auf, der mit dem Gehäuse, z. B. stoffschlüssig, verbindbar ist bzw. verbunden werden kann. Die elektrische Kontaktierung des Stapels 28 erfolgt über einen elektrischen Leiter, der sich von dem Stapel 28 durch den elektrischen Kontakt 17 hin zu der Umgebung der Batteriezelle 1 erstreckt. Der elektrische Kontakt 17 ist gegenüber dem metallischen Rahmen 30 über eine Kontaktisolierung 24 elektrisch isoliert angeordnet. Der Kontakt 17 ist gegenüber den Stapeln 28 durch eine Stapelisolierung 25 elektrisch isoliert angeordnet.
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Die Ableiter 31 erstrecken sich nur dort aus dem Stapel 28 bzw. der Isolierung 23 des Stapels 28 heraus, wo der Zwischenraum 16 bzw. wo der mit den Ableitern 31 zu kontaktierende elektrische Kontakt 17 bzw. elektrische Leiter angeordnet ist. Damit muss ein sonst erforderlicher, für die Ableiter 31 freizuhaltender Raum zwischen dem Stapel 28 und der ersten Stirnseite 12 bzw. der Ummantelung 4 nur im Bereich des Kontakts 17 freigehalten werden. Da in diesem Bereich der Zwischenraum 16 vorliegt, also gerade kein Anschlusselement 8, kann das Anschlusselement 8 direkt auf dem Stapel 28, also ohne vorzuhaltenden Spalt, angeordnet werden. Der jeweilige Kontakt 17 kann den für die Kontaktierung erforderlichen Bauraum zwischen Ableitern 31 und Kontakt 17 aufweisen, bzw. so angeordnet werden, dass dieser Bauraum vorliegt.
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Bezugszeichenliste
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- 1
- Batteriezelle
- 2
- Gehäuse
- 3
- Lage
- 4
- Ummantelung
- 5
- Volumen
- 6
- Wärmetauscherplatte
- 7
- Wärmeaustauschabschnitt
- 8
- Anschlusselement
- 9
- Hohlraum
- 10
- Material
- 11
- Mantelteil
- 12
- erste Stirnseite
- 13
- Umfangsrichtung
- 14
- zweite Stirnseite
- 15
- Längsrichtung
- 16
- Zwischenraum
- 17
- Kontakt
- 18
- axiale Richtung
- 19
- radiale Richtung
- 20
- Seite
- 21
- Kernteil
- 22
- Mittelteil
- 23
- Isolierung
- 24
- Kontaktisolierung
- 25
- Stapelisolierung
- 26
- Klammer
- 27
- Schweißnaht
- 28
- Stapel
- 29
- Breite
- 30
- Rahmen
- 31
- Ableiter
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- CN 211828956 U [0008]
- DE 102018215543 A1 [0009]
- US 20160164149 A1 [0010]
