DE102021132477A1

DE102021132477A1 - Gehäusebauteil für ein prismatisches Zellgehäuse, Zellgehäuse und Verfahren zum Herstellen eines Gehäusebauteils

Info

Publication number: DE102021132477A1
Application number: DE102021132477.7A
Authority: DE
Inventors: Tamas GYULAI
Original assignee: Audi AG
Current assignee: Audi AG
Priority date: 2021-12-09
Filing date: 2021-12-09
Publication date: 2023-06-15
Also published as: US20230187737A1; CN116259890A

Abstract

Die Erfindung betrifft ein Gehäusebauteil (14, 16) für ein prismatisches Zellgehäuse (12) einer Batteriezelle (10), das einen als Hohlprofil ausgebildeten Grundkörper (14) und zwei Deckel (16) umfasst, die bezüglich einer ersten Richtung (x) auf gegenüberliegenden Seiten des Grundkörpers (14) angeschweißt oder anzuschweißen sind, wobei das Gehäusebauteil (14, 16) als ein erstes Gehäusebauteil (14, 16) zum Anschweißen an mindestens ein zweites Gehäusebauteil (16, 14) des Zellgehäuses (12) bereitgestellt ist, und wobei das erste Gehäusebauteil (14, 16) den Grundkörper (14) oder einen der zwei Deckel (16) darstellt. Dabei umfasst das erste Gehäusebauteil (14, 16) einen Randbereich (R, 20a) zur Anordnung am zweiten Gehäusebauteil (16, 14), wobei der Randbereich (R, 20a) eine in der ersten Richtung (x) variierende Querschnittsgeometrie bezogen auf einen zur ersten Richtung (x) parallelen Querschnitt durch den Randbereich (R, 20a) aufweist.

Description

Die Erfindung betrifft ein Gehäusebauteil für ein prismatisches Zellgehäuse einer Batteriezelle, das einen als Hohlprofil ausgebildeten Grundkörper und zwei Deckel umfasst, die bezüglich einer ersten Richtung auf gegenüberliegenden Seiten des Grundkörpers angeschweißt oder anzuschweißen sind, wobei das Gehäusebauteil als ein erstes Gehäusebauteil zum Anschweißen an mindestens ein zweites Gehäusebauteil des Zellgehäuses bereitgestellt ist, und wobei das erste Gehäusebauteil den Grundkörper oder einen der zwei Deckel darstellt. Des Weiteren betrifft die Erfindung auch ein Zellgehäuse und ein Verfahren zum Herstellen zumindest eines Teils eines prismatischen Zellgehäuses.
Bei bislang üblichen prismatischen Batteriezellen, insbesondere für Hochvoltbatterien in Kraftfahrzeugen, sind die Zellpole oder Zellterminals sowie ein Vent-Element, welches eine freigebbare Entgasungsöffnung bereitstellt, auf der oberen Seite der Zelle angeordnet, das heißt am höchsten Punkt der Zelle, wenn die Zelle bestimmungsgemäß im Kraftfahrzeug eingebaut ist. Aber auch davon abweichende Geometrien und Ausbildungen prismatischer Zellen rücken aktuell zunehmend in den Fokus.
Beispielsweise beschreibt die DE10 2018 207 327 A1 eine Speichereinrichtung zum Speichern von elektrischer Energie für ein Kraftfahrzeug mit einer Mehrzahl von entlang einer Stapelrichtung aufeinanderfolgend angeordneten und wenigstens einen Zellstapel bildenden Speicherzellen. Eine jeweilige der Speicherzellen umfasst dabei wenigstens zwei Anschlusselemente, die seitlich angeordnet sind, insbesondere auf voneinander abgewandten Seiten der Speicherzelle. Weiterhin weist die Speicherzelle eine Berstmembran auf, welche auf der Oberseite angeordnet ist. Das Zellgehäuse kann genau drei jeweils einstückig und separat voneinander ausgebildete und miteinander verbundene Gehäuseteile aufweisen oder auch genau zwei jeweils einstückig und separat voneinander ausgebildete und miteinander verbundene Gehäuseteile, welche als Schalenelemente ausgebildet sind. Zum Beispiel können die Oberwand und die Unterwand einstückig miteinander und/oder einstückig mit der Vorderwand und der Rückwand ausgebildet sein. Zwei Seitenwände, die als Deckel fungieren, können stoffschlüssig mit der Oberwand, der Unterwand, der Vorderwand und der Rückwand verbunden sein, insbesondere verschweißt sein.
Aufgrund der neuen Zellgeometrie, insbesondere in Bezug auf die Anordnung der Zellpole, wird auch der Fertigungsprozess zur Herstellung solcher Zellgehäuse beeinflusst beziehungsweise verändert. Solche Zellgehäuse sollten sich dabei idealerweise möglichst einfach und kostengünstig fertigen lassen. Gleichzeitig müssen diese Gehäuse auch hohen Sicherheitsanforderungen genügen und beispielsweise muss sichergestellt sein, dass die Fügestellen, an denen die einzelnen Gehäusebauteile miteinander gefügt sind, auch robust genug ausgeführt sind, über Lebensdauer der Zelle zu halten. Ein weiterer Aspekt, den es bei der Fertigung immer zu berücksichtigen gilt, sind gewisse Bauteiltoleranzen. Diese erschweren die Abstimmung der einzelnen Bauteile zueinander, sowie den Fügeprozess.
Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es daher, ein Gehäusebauteil für ein prismatisches Zellgehäuse, ein Zellgehäuse und ein Verfahren bereitzustellen, die eine Bereitstellung eines Zellgehäuses auf möglichst einfache und kostengünstige und gleichzeitig auf sichere und robuste Weise ermöglichen.
Diese Aufgabe wird gelöst durch ein Gehäusebauteil, ein Zellgehäuse und ein Verfahren mit den Merkmalen gemäß den jeweiligen unabhängigen Patentansprüchen. Vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung sind Gegenstand der abhängigen Patentansprüche, der Beschreibung sowie der Figuren.
Ein erfindungsgemäßes Gehäusebauteil für ein prismatisches Zellgehäuse einer Batteriezelle, das einen als Hohlprofil ausgebildeten Grundkörper und zwei Deckel umfasst, die bezüglich einer ersten Richtung auf gegenüberliegenden Seiten des Grundkörpers angeschweißt oder anzuschweißen sind, ist als ein erstes Gehäusebauteil zum Anschweißen an mindestens ein zweites Gehäusebauteil des Zellgehäuses bereitgestellt, wobei das erste Gehäusebauteil den Grundkörper oder einen der zwei Deckel bereitstellt. Dabei weist das erste Gehäusebauteil einen Randbereich zur Anordnung am zweiten Gehäusebauteil auf, wobei der Randbereich eine in der ersten Richtung variierende Querschnittsgeometrie bezogen auf einen zur ersten Richtung parallelen Querschnitt durch den Randbereich aufweist.
Durch einen solchen Randbereich, der eine variierende Querschnittsgeometrie aufweist, lässt sich sowohl das Fertigungsverfahren zum Fertigen des Zellgehäuses einfacher gestaltet als auch das Aneinanderfügen der einzelnen Gehäusebauteile miteinander zuverlässiger und robuster gestalten. Dies gilt sowohl für den Fall, wenn das Gehäusebauteil als der oben genannte als Hohlprofil ausgebildeter Grundkörper ausgestaltet ist, als auch, wenn das Gehäusebauteil als einer der zwei Deckel ausgebildet ist. Durch die variierende Querschnittsgeometrie lässt sich beispielsweise ein Toleranzausgleich bereitstellen, mit welchem sich Bauteiltoleranzen zwischen dem Grundkörper und den Deckel abfangen lassen. Zudem ist es möglich, gezielt in den Anordnungsbereich zwischen Grundkörper und Deckel durch das Vorsehen einer entsprechenden Aussparung, entweder im Grundkörper und/oder Deckel, einen optimierten Bereich für eine spätere Schweißnahtsetzung vorzusehen, insbesondere in Form einer Schweißfuge. Dies führt letztendlich zu einer deutlich robusteren und stabileren Schweißverbindung zwischen den zu fügenden Bauteilen. Ist das Gehäusebauteil beispielsweise als der als Hohlprofil ausgebildete Grundkörper bereitgestellt, so kann dieser einfach an seinen offenen Enden mit einer solchen umlaufenden Randgeometrie bereitgestellt werden, zum Beispiel durch geeignete Bearbeitungsschritte, zum Beispiel Fräsen oder ähnliches, vor dem Fügen mit den entsprechenden an diesen offenen Enden anzubringenden Deckeln. Zudem lässt sich der Grundkörper, der als Hohlprofil ausgebildet ist, damit einfach als einstückiges, extrudiertes Hohlprofil bereitstellen. Dies ermöglicht insbesondere die Bereitstellung des Grundkörpers auf einfache Weise in großen Stückzahlen, da diese Grundkörper einfach durch Stückeln, d.h. durch in Stücke schneiden, eines extrudierten langen Strangs bereitgestellt werden können. Die variierende Querschnittsgeometrie im Randbereich lässt sich dann einfach durch einen separaten Bearbeitungsschritt an einem oder vorzugsweise beiden Enden des Grundkörpers bereitstellen. Ist das Gehäusebauteil dagegen als solcher Deckel ausgeführt, so kann auch dieses mit einer entsprechenden umlaufenden Randgeometrie versehen werden, insbesondere ebenfalls durch geeignete Bearbeitungsverfahren. Damit lässt sich auf besonders einfache und kostengünstige Weise letztendlich ein äußerst robust zusammengefügtes Zellgehäuse bereitstellen. Die variierende Querschnittsgeometrie ermöglicht sowohl eine äußerst robuste Schweißnahtsetzung als auch den Ausgleich von Bauteiltoleranzen, was die Fertigung als solche wiederum vereinfacht.
Das Zellgehäuse der Batteriezelle, für welche das erfindungsgemäße Gehäusebauteil und seine nachfolgend noch näher erläuterten Ausführungsformen bereitgestellt werden soll, und welches selbst ebenso als zur Erfindung gehörend angesehen werden soll, umfasst also, wie beschrieben, einen als Hohlprofil ausgebildeten Grundkörper, sowie zwei Deckel. Der Grundkörper sowie die zwei Deckel sind dabei vorzugsweise aus metallischem Material, besonders bevorzugt aus Aluminium, gebildet. Weiterhin ist es bevorzugt, so wie dies später noch näher erläutert wird, dass die zwei Zellpole für die Batteriezelle, insbesondere die Polabgriffe, auch Zellterminals genannt, an den Deckeln angeordnet sind, insbesondere pro Deckel genau ein solches Zellterminal. Diese Terminals sind ebenfalls aus einem metallischen Material. Die eingangs genannte freigebbare Entgasungsöffnung, insbesondere das Vent-Element, ist bevorzugt nicht an einem der Deckel angeordnet, sondern stattdessen am Grundkörper. Die zwei Deckel werden zur Bereitstellung des Zellgehäuses an den jeweils gegenüberliegenden, offenen Enden des Grundkörpers angeschweißt. Ohne die am Grundkörper angeordneten Deckel weist der Grundkörper aufgrund seiner Ausbildung als Hohlprofil entsprechend eine Durchgangsöffnung auf, die sich in der oben genannten ersten Richtung erstreckt. Zur vereinfachten Beschreibung weiterer Merkmale des Grundkörpers und des Deckels kann zudem auch eine Mittelachse des Grundkörpers so definiert werden, dass diese sich parallel zur ersten Richtung erstreckt und zentral durch den Grundkörper verläuft, d.h. mittig bezüglich einer zweiten und dritten Richtung, die zueinander und zur ersten Richtung senkrecht sind. Die durch den Grundkörper bereitgestellte Gehäusewand umschließt also diese zentrale Mittelachse in radialer Richtung. Als radiale Richtung ist dabei insbesondere jede von der zentralen Mittelachse wegweisende und senkrecht zur zentralen Mittelachse stehende Richtung gemeint. Im Querschnitt senkrecht zu dieser Mittelachse betrachtet weist die durch den Grundkörper bereitgestellte Gehäusewand eine im Wesentlichen rechteckige Geometrie auf. Im Wesentlichen bedeutet hier, dass der Grundkörper mit abgerundeten Ecken beziehungsweise in der ersten Richtung verlaufenden abgerundeten Kanten, sowohl innenseitig als auch außenseitig, ausgebildet sein kann.
Im Allgemeinen ist die erste Richtung in Bezug auf den Grundkörper so definiert, dass sich diese offenen Enden bezüglich der ersten Richtung gegenüberliegen. Bezüglich der Deckel ist die erste Richtung so definiert, als wären diese bestimmungsgemäß am Grundkörper angeordnet. Die dem Innenraum des Zellgehäuses zugewandte Deckelfläche, sowie die der Umgebung zugewandte Deckelfläche, sind dann entsprechend senkrecht zur ersten Richtung orientiert beziehungsweise die entsprechenden Flächennormalen diese Deckelflächen sind parallel zur ersten Richtung ausgerichtet. Stellt das Gehäusebauteil den Grundkörper dar, so ist der Randbereich als das Ende des Grundkörpers bezüglich der ersten Richtung umfassend definiert. In diesem Fall hat der Grundkörper zwei Randbereiche, die ihn in seiner Erstreckung in der ersten Richtung begrenzen. Beide solche Randbereiche können mit einer entsprechenden variierenden Querschnittsgeometrie ausgebildet sein. Die zuvor erläuterte Querschnittsgeometrie sowie die nachfolgend noch detaillierter beschriebene Querschnittsgeometrie wird zur Vereinfachung dabei nur in Bezug auf einen einzelnen solchen Randbereich erläutert, kann für den Fall der Ausbildung des Gehäusebauteils als Grundkörper analog auch für den anderen, bezüglich der ersten Richtung gegenüberliegenden Randbereich des Grundkörpers gelten. Der Randbereich in Bezug auf einen der Deckel ist als den Deckel senkrecht zur ersten Richtung begrenzend definiert, insbesondere geschlossen umlaufend um eine zur ersten Richtung parallele Mittelachse des Deckels, d.h. also begrenzend in jeder Richtung, die senkrecht zur ersten Richtung ist. Auch hierbei ist es bevorzugt, dass beide Deckel des Zellgehäuses gleich ausgebildet sein können, das heißt beide Deckel können eine variierende Querschnittsgeometrie im Randbereich aufweisen, wenngleich diese zur Vereinfachung nur in Bezug auf einen Deckel erläutert wird. Wird das Zellgehäuse aus den einzelnen genannten Gehäusebauteilen zusammengesetzt, so entspricht die Fügerichtung, in welcher die Bauteile zusammengesetzt werden, der ersten Richtung. Mit anderen Worten können jeweilige Deckel auf eines der offenen Enden des Grundkörpers durch Bewegen in Richtung des Grundkörpers in beziehungsweise entgegen der ersten Richtung aufgesetzt werden und anschließend angeschweißt werden. Durch die auf beiden Enden des Grundkörpers maschinell bearbeiteten Flächen und/oder durch die im Randbereich der Deckel maschinell bearbeiteten Flächen lässt sich damit vorteilhafterweise beim Fügen sowohl ein Toleranzausgleich bereitstellen als auch eine besonders robuste Schweißnaht setzen.
Der Deckel wird vorzugsweise nicht einfach stirnseitig auf den Hohlkörper des Grundkörpers aufgelegt oder aufgesetzt, sondern der Deckel weist in radialer Richtung bezogen auf oben definierte Mittelachse zumindest bereichsweise einen geringeren Außendurchmesser auf als der Innendurchmesser des Hohlkörpers, der durch den Grundkörper bereitgestellt wird, misst. Der Begriff „bereichsweise“ bezieht sich hierbei auf die erste Richtung und nicht auf die Umfangsrichtung. Dadurch kann der Deckel zum Teil in den Innenraum des Grundkörpers hineinragen. Somit verschließt der Deckel den Hohlkörper ähnlich wie ein Korken eine Flasche verschließt. Dies ermöglicht eine äußerst stabile Verbindung zwischen Deckel und Grundkörper. Dies gilt insbesondere wiederum für beide Deckel.
Die Querschnittsgeometrie bezieht sich dabei auf einen Querschnitt durch den Randbereich parallel zur ersten Richtung und beispielsweise parallel zur oben definierten Mittelachse. Die Querschnittsebene steht dabei vorzugsweise senkrecht auf der Zellgehäusewand des betrachteten Gehäusebauteils, das heißt entweder des Deckels oder des Grundkörpers.
Gemäß einer bevorzugten Ausgestaltung der Erfindung stellt das erste Gehäusebauteil den als Hohlprofil ausgebildeten Grundkörper dar, der eine Länge in der ersten Richtung, eine Breite in einer zur ersten Richtung senkrechten zweiten Richtung und eine Höhe in einer zur ersten und zweiten Richtung senkrechten dritten Richtung aufweist.
Grundsätzlich hat sich die Ausbildung des Zellgehäuses mit einem Grundkörper, der als Hohlprofil ausgebildet ist, und zwei korrespondierenden Deckeln als besonders vorteilhaft und effizienterer herausgestellt, da sich diese Gehäusebauteile besonders einfach und kostengünstig fertigen lassen, wie oben bereits erwähnt. Insbesondere der als Hohlprofil ausgebildete Grundkörper kann auf einfache und kostengünstige Weise als Strangpressbauteil gefertigt sein, was es beispielsweise ermöglicht, vielzählige solche Grundkörper in Form eines Strangs zu extrudieren und anschließend auf Länge zuzuschneiden, um so vielzählige solcher Grundkörper bereitzustellen. Anschließend können diese Hohlprofile im Randbereich zur Bereitstellung der variierenden Querschnittsgeometrie bearbeitet werden.
Weiterhin ist es bevorzugt, dass der Randbereich einen den Grundkörper in der ersten Richtung begrenzenden und eine Stirnseite des Grundkörpers bereitstellenden Rand umfasst, wobei der Randbereich derart ausgebildet ist, dass sich ein Innendurchmesser des Grundkörpers, der eine Innenabmessung des Grundkörpers in der zweiten und/oder dritten Richtung definiert, sich im Randbereich mit zunehmendem Abstand vom Rand verkleinert. Der Innendurchmesser des als Hohlprofil ausgebildeten Grundkörpers verkleinert sich also mit zunehmendem Abstand vom Rand. Dies betrifft jedoch lediglich den Randbereich des Grundkörpers. In anderen Bereichen des Grundkörpers, zum Beispiel dem später als zentralen Bereich des Grundkörpers bezeichneten restlichen Bereich des Grundkörpers, kann dieser mit einer konstant dicken Wandstärke ausgebildet sein. Gerade durch diese sich verjüngende Geometrie im Randbereich können die oben beschriebenen Vorteile erzielt werden. Weist zum Beispiel ein Deckel eine Höhe und Breite in der zweiten und dritten Richtung auf, die leicht toleranzbehaftet ist, so kann dieser Deckel einfach in beziehungsweise entgegen der ersten Richtung auf das Ende des Hohlkörpers aufgesetzt werden und so weit auf den Hohlkörper zu bewegt werden und teilweise in diesen hinein, bis der Deckel letztendlich mit seinem außenseitigen Randbereich am innenseitigen Randbereich des Grundkörpers zur Anlage kommt. Dass der Deckel zur Anlage kommt, ist durch die sich verjüngende Innengeometrie des Grundkörpers gewährleistet. Ein Durchrutschen in das Innere des Hohlkörpers kann somit vermieden werden. Außerdem ermöglicht dies, dass der Deckel in radialer Richtung nicht über den Grundkörper hinausstehen muss, insbesondere kann so die den Rand des Grundkörpers bezüglich der ersten Richtung bereitstellende Stirnseite frei gehalten werden, um hier die Schweißverbindung vorzusehen. Durch die sich verjüngende Geometrie des Grundkörpers ist zudem eine Abstützung des Deckels bezüglich der ersten Richtung gegeben. Dies stabilisiert zudem die noch die Schweißnaht, wenn diese in diesem stirnseitigen Bereich des Grundkörpers zwischen Deckel und Grundkörper gesetzt wurde.
Die Verjüngung des Innendurchmessers des Grundkörpers kann zum Beispiel auf einfache Weise durch eine abgeschrägte Innenkante im Randbereich bereitgestellt werden. Besonders vorteilhaft ist es dabei vor allem, wenn die Verjüngung mit zunehmendem Abstand zum Rand nicht linear erfolgt, sondern nicht-linear und zum Beispiel unterschiedlich in verschiedenen Abschnitten, die sich mit Bezug auf ihren Abstand zum Rand unterscheiden. Dadurch lassen sich nämlich die zumindest zwei primären Funktionen dieser sich verjüngenden Innengeometrie, nämlich die Bereitstellung des Toleranzausgleichs sowie die Bereitstellung einer Schweißfuge bzw. Vertiefung zum Setzen der Schweißnaht, auf deutlich effizientere und verbesserte Weise umsetzen.
Daher stellt es eine weitere sehr vorteilhafte Ausgestaltung der Erfindung dar, wenn der Randbereich einen ersten Abschnitt bezüglich der ersten Richtung aufweist, wobei der erste Abschnitt den Rand umfasst, und wobei der erste Abschnitt eine dem Innenraum zugewandte abgeschrägte Kante, insbesondere eine gemäß einem ersten Neigungswinkel gegenüber der ersten Richtung abgeschrägte Kante, aufweist. Durch eine solche abgeschrägte Kante lässt sich stirnseitig eine keilförmige Vertiefung bereitstellen, insbesondere an der Grenzfläche beziehungsweise Anordnungsfläche zum zweiten Gehäusebauteil, insbesondere einem der Deckel. Werden der Deckel und der Grundkörper durch eine Schweißnaht in diesem Bereich miteinander verbunden, können durch diese Vertiefung bzw. Fuge Schweißzusatzwerkstoffe in geschmolzenem Zustand aufgenommen werden. Dadurch kann eine deutlich robustere Schweißnaht bereitgestellt werden und das seitliche herabfließen der Schweißzusatzwerkstoffe kann verhindert oder reduziert werden. Durch diese geometrische Querschnittsverjüngung im Randbereich kann sozusagen eine Schweißfuge bereitgestellt werden.
Bei einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung weist der Randbereich einen zweiten Abschnitt bezüglich der ersten Richtung auf, der sich an den ersten Abschnitt anschließt, wobei der zweite Abschnitt eine dem Innenraum zugewandte Innenseite umfasst, die gegenüber der ersten Richtung geneigt ist, insbesondere über einen zweiten Neigungswinkel, der kleiner ist als der erste Neigungswinkel und im einstelligen Gradbereich liegt. Beispielsweise kann dieser Neigungswinkel gegenüber der ersten Richtung um ein bis zwei Grad geneigt sein beziehungsweise um maximal ein Grad oder zwei Grad geneigt sein. Dieser Neigungsbereich dient sozusagen dem oben beschriebenen Toleranzausgleich. Damit muss vorteilhafterweise ein Deckel in seiner Ausdehnung in der zweiten und dritten Richtung nicht exakt auf einen bestimmten Innendurchmesser des Hohlkörpers abgestimmt sein, um in den Hohlkörper zumindest im Randbereich teilweise aufgenommen werden zu können. Durch die leichte Verjüngung des Innendurchmessers in diesem zweiten Abschnitt des Grundkörpers kann vorteilhafterweise also ein Toleranzausgleich bereitgestellt werden. Gleichzeitig lässt sich hierdurch eine Abstützwirkung bezüglich der ersten Richtung in Richtung der Grundkörpermitte bereitstellen, wie dies oben bereits beschrieben wurde. Da typischerweise die Fertigungstoleranzen gering ausfallen, ist entsprechend auch ein geringer Neigungswinkel in diesem zweiten Abschnitt vollkommen ausreichend. Entsprechend ist es vorteilhaft, wenn zum Beispiel der oben genannte und dem ersten Abschnitt zugeordnete erste Neigungswinkel deutlich größer ist, und beispielsweise mehr als ein bis zwei Grad beträgt, vorzugsweise mehr als zehn Grad, und insbesondere weniger als 90 Grad, da hierdurch eine besonders vorteilhafte Schweißfuge bereitgestellt werden kann, die eine verhältnismäßig große Menge an Schweißzusatzwerkstoff im geschmolzenen Zustand aufnehmen kann. Beispielsweise kann der oben genannte erste Neigungswinkel im Bereich von zirka 45 Grad liegen.
Gemäß einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung schließt sich der Randbereich bezüglich der ersten Richtung an einen zentralen Bereich des Grundkörpers an, der eine größere Wandstärke senkrecht zur ersten Richtung aufweist, als der Randbereich. Mit anderen Worten ist ein Teil von der Wand des Grundkörpers im Randbereich zur Bereitstellung der oben beschriebenen, variierenden Querschnittsgeometrie im Randbereich abgetragen. In anderen Bereichen des Grundkörpers, die vorliegend als zentrale Bereiche des Grundkörpers bezeichnet sind, weist der Grundkörper dagegen eine konstante Wandstärke auf, die zudem auch größer ist, als im Randbereich. Dabei ist es bevorzugt, dass die Wandstärke im Übergangsbereich vom Randbereich zum zentralen Bereich nicht linear zunimmt, sondern vorzugsweise derart stark zunimmt, quasi abrupt, sodass eine Kante zwischen dem Randbereich und dem zentralen Bereich bereitgestellt ist, das heißt eine innenseitige Kante, die dem Innenraum zugewandt ist. Wird der Deckel auf eine Seite des Grundkörpers aufgesetzt und dabei in der ersten Richtung beziehungsweise entgegen der ersten Richtung auf den Grundkörper zubewegt, so kann der Deckel auf dieser Kante zur Anlage kommen. Der Deckel kann sozusagen maximal bis zu dieser Kante in den Innenraum in den Grundkörper eingeschoben werden. Durch die oben beschriebene sich verjüngende Innengeometrie des Grundkörpers wird jedoch der Deckel diese Kante vorzugsweise nicht erreichen. Im Falle eines Versagens zum Beispiel der Schweißnaht bildet eine solche Kante eine zusätzliche Schutzmaßnahme, um zum Beispiel ein Eindringen des Deckels in den Innenraum des fertiggestellten Zellgehäuses zu verhindern. Dadurch gestaltet sich das Zellgehäuse besonders sicher. Zudem lässt sich auf diese Weise die oben beschriebene Schräge im zweiten Abschnitt besonders einfach realisieren. Die Bearbeitung des Grundkörpers kann sich somit hauptsächlich auf den Randbereich konzentrieren. Der übrige Grundkörper kann auf einfache Weise mit konstanter Wanddicke als Strangpressbauteil wie oben bereits beschrieben ausgebildet werden. Einzig für die Entgasungsöffnung kann zusätzlich noch ein Loch im Grundkörper an anderer Stelle, das heißt in einem vom Randbereich verschiedenen Bereich des Grundkörpers, vorgesehen werden. Diese Öffnung kann einfach ausgeschnitten werden.
Entsprechend stellt es eine weitere sehr vorteilhafte Ausgestaltung dar, wenn der Grundkörper zwei bezüglich der dritten Richtung gegenüberliegende Seiten aufweist, von denen eine als eine Unterseite und die andere als eine Oberseite definiert ist, wobei an der Unterseite eine Entgasungsöffnung angeordnet ist, insbesondere in der Mitte bezüglich der ersten und zweiten Richtung. Grundsätzlich kann die Unterseite als jede beliebige Seite des Grundkörpers, die von seinen offenen Enden verschieden ist, definiert sein. Bevorzugt sind die Begriffe Oberseite und Unterseite jedoch in Bezug auf die bestimmungsgemäße Einbaulage der den Grundkörper umfassenden Batteriezelle in einem Kraftfahrzeug bezogen. Der Grundkörper soll also bestimmungsgemäß derart in einem Kraftfahrzeug Anwendung finden, dass die Unterseite des Grundkörpers auch nach unten gerichtet ist. Im Falle einer am Unterbodenbereich des Kraftfahrzeugs angeordneten Batterie mit Batteriezellen, welche mit solchen Zellgehäusen ausgebildet sind, die einen solchen Grundkörper umfassen, sind also entsprechend die Entgasungsöffnungen von der Fahrgastzelle weg gerichtet und nach unten, zum Beispiel in Richtung eines Unterfahrschutzes des Kraftfahrzeugs, gerichtet. Dadurch lässt sich die Sicherheit weiter steigern. Im Falle eines thermischen Events, das heißt eines thermischen Durchgehens einer Batteriezelle, kann sich die freigebbare Entgasungsöffnung, die zum Beispiel durch eine Bestmembran verschlossen sein kann, selbsttätig öffnen, um ein kontrolliertes Ausgasen der Zelle zu ermöglichen. Diese sehr heißen Gase, die dabei aus der Entgasungsöffnung der Zelle austreten, können damit vorteilhafterweise von einer Fahrgastzelle weg gerichtet aus der Zelle abgeleitet werden.
Zur Fertigung des Grundkörpers kann dieser zunächst als Strangpressprofil bereitgestellt werden. Anschließend kann ein Ausschnitt in der Unterseite des Grundkörpers gemacht werden, um die Entgasungsöffnung wie beschrieben bereitzustellen. Dies kann insbesondere vor der Bearbeitung der Randbereiche des Grundkörpers erfolgen, um die oben beschriebenen variierenden Querschnittsgeometrien im Randbereich bereitzustellen, gleichzeitig dazu oder auch danach. An der Entgasungsöffnung kann ein entsprechendes Verschlussbauteil, auc Vent-Element genannt, angebracht werden, welches eine Berstmembran bereitstellt. Beispielsweise kann eine solche Berstmembran die Entgasungsöffnung überdeckend angeschweißt werden. Die Positionierung dieser Entgasungsöffnung in der Mitte bezüglich der ersten und zweiten Richtung hat den großen Vorteil, dass diese dann entsprechend einen gleichen Abstand zu den beiden an den Deckeln des Zellgehäuses angeordneten Zellpolen aufweist. Damit kann sozusagen der Abstand zu jedem der Zellpole maximiert werden. Dies erleichtert die Entkopplung des Hochvoltpfads von einem möglicherweise aus der Entgasungsöffnung austretenden Gas.
Weiterhin ist es bevorzugt, dass die Unterseite und die Oberseite flächenmäßig kleiner sind als die Vorder- und Rückseite des Grundkörpers, welche den Grundkörper also bezüglich der zweiten Richtung begrenzen. Somit stellt die zweite Richtung auch die bevorzugte Stapelrichtung dar, in welcher mehrere Batteriezellen, die ein solches Zellgehäuse mit einem solchen Gehäusebauteil aufweisen, nebeneinander angeordnet sind, um eine Batterie bereitzustellen, insbesondere eine Hochvoltbatterie für ein Kraftfahrzeug.
Bei einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung stellt das erste Gehäusebauteil einen der Deckel dar, der eine Dicke in der ersten Richtung, eine Breite in einer zur ersten Richtung senkrechten zweiten Richtung und eine Höhe in einer zur ersten und zweiten Richtung senkrechten dritten Richtung aufweist, wobei der Randbereich den Deckel in der zweiten und/oder dritten Richtung begrenzt und derart ausgebildet ist, dass ein Außendurchmesser des Deckels, der eine Außenabmessung des Deckels in der zweiten und/oder dritten Richtung definiert, in der ersten Richtung variiert, insbesondere wobei sich der Außendurchmesser ausgehend von einer Terminalseite des Deckels, an welcher ein Polterminal angeordnet ist, in Richtung einer Innenseite des Deckels, die der Terminalseite bezüglich der ersten Richtung gegenüberliegt, zumindest bereichsweise vergrößert. Dies dient vornehmlich dazu, analog wie zum Grundkörper beschrieben, eine Schweißfuge bereitzustellen. Besonders bevorzugt ist es dabei, dass eine solche variierende Querschnittsgeometrie zur Bereitstellung einer solchen Schweißfuge sowohl an einem jeweiligen Deckel des Zellgehäuses vorgesehen ist, als auch am Grundkörper. Gerade hierdurch lässt sich eine besonders effiziente und stabile Schweißnaht bereitstellen. Grundsätzlich ist es auch denkbar, durch diese Querschnittsgeometrie des Deckels auch einen Toleranzausgleich in Bezug auf den Grundkörper bereitzustellen. Bevorzugt ist es jedoch, dies über den beschriebenen zweiten Abschnitt des Grundkörpers zu realisieren. Dieser kann insbesondere, wie oben zum Grundkörper beschrieben, ausgebildet sein, ohne die Notwendigkeit eines entsprechend ausgebildeten ersten Abschnitts des Grundkörpers. Mit anderen Worten kann der Grundkörper im Randbereich zwar die Schräge für den Toleranzausgleich im zweiten Abschnitt bereitstellen, die Bereitstellung einer Schräge für die Schweißfuge ist jedoch nicht notwendigerweise erforderlich, wenn dies durch eine entsprechend geometrische Ausbildung des Deckels selbst realisiert ist. Entsprechend kann also auch die beschriebene Vergrößerung des Deckels in Richtung der Innenseite des Deckels durch eine zumindest bereichsweise abgeschrägte Kante im Randbereich realisiert sein. Dies lässt sich fertigungstechnisch besonders einfach und kostengünstig bereitstellen.
Sowohl die Bearbeitungsmöglichkeiten des Randbereichs des Deckels beziehungsweise der beiden Deckel, als auch die Bearbeitungsmöglichkeiten der Randbereiche des Grundkörpers beziehen sich dabei vorzugsweise auf den gesamten umlaufenden Randbereich, der insbesondere als geschlossen umlaufend um oben definierte Mittelachse ausgebildet ist.
Des Weiteren betrifft die Erfindung auch ein Zellgehäuse für eine Batteriezelle, insbesondere eines Kraftfahrzeugs, wobei das Zellgehäuse ein erfindungsgemäßes Bauteil oder einer seiner Ausführungsformen aufweist. Dabei ist es bevorzugt, dass das Zellgehäuse einen als Hohlprofil ausgebildeten Grundkörper und zwei Deckel umfasst, die bezüglich einer ersten Richtung auf gegenüberliegenden Seiten des Grundkörpers angeschweißt sind, wobei das Gehäusebauteil den Grundkörper oder einen der zwei Deckel darstellt, und wobei ein jeweiliger Deckel derart in Bezug auf den Grundkörper angeordnet ist, dass dieser zumindest zum Teil bezüglich der ersten Richtung in einen Innenraum, der vom Grundkörper umschlossen ist, hineinragt.
Im Übrigen kann das Zellgehäuse wie oben bereits beschrieben ausgebildet sein. Vor allen können sowohl der Grundkörper als auch die Deckel des Zellgehäuses wie zum erfindungsgemäßen Gehäusebauteil und seinen Ausführungsformen beschrieben ausgebildet sein.
Auch eine Batteriezelle mit einem erfindungsgemäßen Zellengehäuse oder einer seiner Ausgestaltungen soll als zur Erfindung gehörend angesehen werden. Eine solche Batteriezellekann zum Beispiel als Lithium-Ionen-Zelle ausgebildet sein. Des Weiteren betrifft die Erfindung auch eine Batterie, insbesondere eine Hochvoltbatterie, für ein Kraftfahrzeug mit einer solchen Batteriezelle, vorzugsweise mit mehreren solchen Batteriezellen. Des Weiteren soll auch ein Kraftfahrzeug mit einer solchen Batterie, insbesondere Hochvoltbatterie, vorzugsweise als Traktionsbatterie als zur Erfindung gehörend angesehen werden.
Das erfindungsgemäße Kraftfahrzeug ist bevorzugt als Kraftwagen, insbesondere als Personenkraftwagen oder Lastkraftwagen, oder als Personenbus oder Motorrad ausgestaltet.
Des Weiteren betrifft die Erfindung auch ein Verfahren zum Herstellen zumindest eines Teils eines prismatischen Zellgehäuses für eine Batteriezelle, das einen als Hohlprofil ausgebildeten Grundkörper und zwei Deckel umfasst, die bezüglich einer ersten Richtung auf gegenüberliegenden Seiten des Grundkörpers angeschweißt oder anzuschweißen sind. Dabei wird ein erstes Gehäusebauteil zum Anschweißen an mindestens ein zweites Gehäusebauteil des Zellgehäuses bereitgestellt, wobei das erste Gehäusebauteil den Grundkörper oder einen der zwei Deckel darstellt. Weiterhin weist das erste Gehäusebauteil einen Randbereich zur Anordnung am zweiten Gehäusebauteil auf, wobei der Randbereich derart bearbeitet wird, dass dieser eine in der ersten Richtung variierende Querschnittsgeometrie bezogen auf einen zur ersten Richtung parallelen Querschnitt durch den Randbereich aufweist.
Auch hier gelten die für das erfindungsgemäße Gehäusebauteil und seine Ausgestaltungen sowie die für das erfindungsgemäße Zellgehäuse und seine Ausgestaltungen beschriebenen Vorteile in gleicher Weise für das erfindungsgemäße Verfahren.
Zudem können im Zuge des erfindungsgemäßen Verfahrens oder seiner weiteren Ausgestaltungen die jeweiligen Gehäusebauteile wie oben bereits beschrieben gefertigt werden und/oder zusammengefügt werden. Das erfindungsgemäße Verfahren kann gemäß weiterer Ausführungsformen noch zusätzliche Verfahrensschritte umfassen, um zum Beispiel nicht nur einen Teil eines prismatischen Zellgehäuses bereitzustellen, sondern das gesamte Zellgehäuse für eine Batteriezelle zu fertigen. Der Grundkörper kann zum Beispiel zunächst als extrudiertes Bauteil bereitgestellt werden, welches bezüglich der ersten Richtung auf Länge geschnitten wird. Zeitlich danach kann dann die Bearbeitung der Randbereiche stattfinden. Weiterhin kann auch ein Ausschneiden der oben beschriebenen Entgasungsöffnung durchgeführt werden. Auch kann ein oder mehrere Gehäusedeckel bereitgestellt werden, insbesondere als Rohbauteile mit nach unten bearbeitetem Randbereich. Auch diese Randbereiche können mit einer korrespondierenden Geometrie versehen werden. Nach fertiggestellter Bearbeitung der Randbereiche der Deckel sowie des Grundkörpers können die Deckel in die jeweiligen Randbereiche des Grundkörpers eingesetzt werden und angeschweißt werden. Vorher kann auch das Zellinnenleben der bereitzustellenden Batteriezelle in den Innenraum eingebracht werden. Der Elektrolyt kann auch nachträglich durch eine Öffnung im Zellgehäuse eingefüllt werden.
Zu der Erfindung gehören auch Weiterbildungen des erfindungsgemäßen Verfahrens, die Merkmale aufweisen, wie sie bereits im Zusammenhang mit den Weiterbildungen des erfindungsgemäßen Gehäusebauteils und des erfindungsgemäßen Zellgehäuses beschrieben worden sind. Aus diesem Grund sind die entsprechenden Weiterbildungen des erfindungsgemäßen Verfahrens hier nicht noch einmal beschrieben.
Die Erfindung umfasst auch die Kombinationen der Merkmale der beschriebenen Ausführungsformen. Die Erfindung umfasst also auch Realisierungen, die jeweils eine Kombination der Merkmale mehrerer der beschriebenen Ausführungsformen aufweisen, sofern die Ausführungsformen nicht als sich gegenseitig ausschließend beschrieben wurden.
Im Folgenden sind Ausführungsbeispiele der Erfindung beschrieben. Hierzu zeigt:

1 eine schematische Darstellung einer Batteriezelle mit einem Zellgehäuse in einer Draufsicht von unten gemäß einem Ausführungsbeispiel der Erfindung;
2 eine schematische Darstellung des Grundkörpers des Zellgehäuses aus 1 in einer schematischen Draufsicht von unten gemäß einem Ausführungsbeispiel der Erfindung;
3 eine schematische Seitenansicht der Batteriezelle aus 1;
4 eine schematische Darstellung des Grundkörpers des Zellgehäuses aus 1 in einer Seitenansicht;
5 eine schematische Darstellung der Batteriezelle aus 1 in einer Draufsicht auf eine Stirnseite mit einem Zellterminal gemäß einem Ausführungsbeispiel der Erfindung;
6 eine schematische Darstellung des Grundkörpers des Zellgehäuses aus 1 in einer Draufsicht auf eine Stirnseite; und
7 eine schematische Querschnittsdarstellung eines Querschnitts durch einen Randbereich des Grundkörpers und eines Deckels gemäß einem Ausführungsbeispiel der Erfindung.

Bei den im Folgenden erläuterten Ausführungsbeispielen handelt es sich um bevorzugte Ausführungsformen der Erfindung. Bei den Ausführungsbeispielen stellen die beschriebenen Komponenten der Ausführungsformen jeweils einzelne, unabhängig voneinander zu betrachtende Merkmale der Erfindung dar, welche die Erfindung jeweils auch unabhängig voneinander weiterbilden. Daher soll die Offenbarung auch andere als die dargestellten Kombinationen der Merkmale der Ausführungsformen umfassen. Des Weiteren sind die beschriebenen Ausführungsformen auch durch weitere der bereits beschriebenen Merkmale der Erfindung ergänzbar.
In den Figuren bezeichnen gleiche Bezugszeichen jeweils funktionsgleiche Elemente.
1 zeigt eine schematische Darstellung einer Batteriezelle 10, insbesondere einer prismatischen Batteriezelle 10, mit einem korrespondierend prismatisch ausgebildeten Zellgehäuse 12 gemäß einem Ausführungsbeispiel der Erfindung. Die Batteriezelle 10 ist dabei in einer Draufsicht von unten dargestellt, insbesondere in Bezug auf ihre bestimmungsgemäße Einbaulage in einem Kraftfahrzeug. Bezüglich dieser bestimmungsgemäßen Einbaulage ist die z-Achse des hier dargestellten Koordinatensystems entsprechend in Richtung einer Fahrzeughochachse eines solchen Kraftfahrzeugs ausgerichtet. Bevorzugt findet eine solche Batteriezelle 10 in einer Hochvoltbatterie für ein solches Kraftfahrzeug Anwendung.
Die Batteriezelle 10 kann zum Beispiel als Lithium-Ionen-Zelle ausgebildet sein. Das Innenleben dieser Batteriezelle 10 ist vorliegend weniger relevant und wird im Folgenden auch nicht näher beschrieben. Das Zellgehäuse 12 ist als prismatisches Zellgehäuse 12 ausgebildet und weist entsprechend eine quaderförmige Grundstruktur auf. Das Zellgehäuse 12 gliedert sich in einen Grundkörper 14 und zwei Deckel 16. Der Grundkörper 14 ist als extrudiertes Hohlprofil, vorzugsweise aus Aluminium, gefertigt.
Der Grundkörper 14 ist in dieser Untenansicht nochmal separat schematisch in 2 dargestellt. 4 zeigt entsprechend den Grundkörper 14 in einer Seitenansicht, und 6 in einer Draufsicht auf ein Ende 14a, welches den Grundkörper 14 in x-Richtung begrenzt. Im Übrigen zeigt 3 die Batteriezelle 10 in der Seitenansicht, in welcher der Grundkörper in 4 separat illustriert ist, und 5 zeigt die Batteriezelle 10 in der Draufsicht auf einen der Deckel 16. Entsprechend werden die 1 bis 6 im Folgenden zur Beschreibung der Batteriezelle 10 und ihres Zellgehäuses 12 teilweise gemeinsam erörtert.
Wie in 6 zu sehen ist, schließt der Grundkörper 14 aufgrund seiner Ausbildung als Hohlprofil einen Innenraum 18 ein. An den beiden Enden 14a des Grundkörpers 14 ist, wie in 1 dargestellt, jeweils ein Deckel 16 angeordnet. An einem jeweiligen Deckel 16 ist dabei zudem ein Zellpol beziehungsweise Zellterminal 20 angeordnet, wobei eines der beiden Zellterminals 20 einem Pluspol zugeordnet ist und das andere der beiden Terminals 20 einem Minuspol der Zelle 10. Die Zellterminals 20 sind folglich also auf gegenüberliegenden Seiten der Batteriezelle 10 angeordnet. Die Deckel 16 sind dabei an den Grundkörper 14 angeschweißt. Die Schweißnaht, die die Deckel 16 mit dem Grundkörper 14 verbindet, ist in 1 mit 19 bezeichnet und rein schematisch illustriert. Tatsächlich verläuft diese im Bereich der Stirnseite 14a des Grundkörpers 14, wie in 7 dargestellt, was später im Zusammenhang mit 7 näher erläutert wird.
Neben den beiden Enden 14a, die unter anderem auch als Stirnseiten 14a des Grundkörpers 14 bezeichnet werden, umfasst der Grundkörper 14 noch weitere Seiten, nämlich eine Unterseite 14b, wie diese in 1 dargestellt ist, eine Vorderseite 14c, eine Rückseite 14d und eine Oberseite 14e, wie diese zum Beispiel in 3 in der Seitenansicht zu sehen ist. An der Unterseite 14b weist der Grundkörper 14 eine Entgasungsöffnung 22 (vergleiche 2) auf, die von einem Verschlusselement 24, wie in 1 illustriert, zum Beispiel einer Berstmembran, verschlossen sein kann. Diese Öffnung 22 wird auch als Vent-Öffnung 22 bezeichnet und entsprechend das Verschlusselement 24 als Vent-Element 24.
Die Batteriezelle 10 und insbesondere der Grundkörper 14 sind also so gestaltet, dass diese Vent-Öffnung 22 bezüglich der bestimmungsgemäßen Einbaulage der Zelle 10 im Kraftfahrzeug nach unten zeigt und auf der unteren Seite der Zelle 10 liegt. Eine weitere Besonderheit bei der Ausgestaltung der Batteriezelle 10 besteht zudem darin, dass die Zellterminals 20 wie beschrieben an den Seiten der Zelle 10 angeordnet sind, insbesondere auf gegenüberliegenden Seiten. Damit kann eine deutlich bessere Kühlung der Zelle 10, zum Beispiel über die Unterseite 14b und die Oberseite 14e, bereitgestellt werden, eine deutlich bessere Entkopplung der Hochvoltpfade von einem aus der Entgasungsöffnung 22 austretenden Gas und gleichzeitig eine besonders kompakte Anordnung mehrerer solcher Zellen 10 nebeneinander, insbesondere in einer Stapelrichtung, die zur hier dargestellten y-Richtung korrespondiert.
Die Schweißnaht 19 ist dabei vollständig umlaufend ausgebildet, insbesondere umlaufend in Bezug auf eine Mittelachse M, die parallel zur x-Richtung durch die Mitte des Grundkörpers 14 beziehungsweise eines jeweiligen Deckels 16 verläuft. Insbesondere ist diese Mittelachse M bezüglich der Abmessungen der Deckel 16 sowie des Grundkörpers 14 mittig bezüglich der y-Richtung und z-Richtung angeordnet. Diese Mittelachse M ist beispielsweise in 1, 3 und 6 dargestellt. Die Vent-Öffnung 22 und das Vent-Element 24, welche jeweils in 2 und 1 illustriert sind, sind dabei mittig in Bezug auf die Unterseite 14b angeordnet. Mit anderen Worten befindet sich die Vent-Öffnung 22 in der Mitte der Unterseite 14b des Grundgehäuses 14 in Bezug auf die x-Richtung als auch in Bezug auf die y-Richtung. Der Mittelpunkt dieser Vent-Öffnung 22 ist als gleichweit von den beiden Enden 14a des Grundkörpers entfernt, wobei der Abstand in 2 mit ½ L bezeichnet ist, da er der Hälfte der Länge L (vgl. 4) des Grundkörpers in der x-Richtung entspricht, und gleichweit von der Vorder- und Rückseite 14c, 14d entfernt, wobei dieser Abstand in 2 mit ½ B2 bezeichnet ist, da er der Hälfte der Breite B2 (vgl. 6) des Grundkörpers in der y-Richtung entspricht. Wie in 4 in einer Seitendarstellung gezeigt, weist der Grundkörper 14 die Länge L in x-Richtung und eine Höhe H in z-Richtung auf. Die Länge L des Grundkörpers 14 ist dabei größer als die Höhe H. Die Höhe H ist vorzugsweise wiederum größer als eine Breite B2 des Grundkörpers 14, wie dieser in 6 dargestellt ist. Die Breite B2 bezieht sich entsprechend auf die Abmessung des Grundkörpers 14 in y-Richtung.
Die Abmessung der im Grundkörper 14 eingebrachten Entgasungsöffnung 22 ist durch deren Höhe C in y-Richtung charakterisiert, sowie durch deren Breite B1 in x-Richtung. Diese Öffnung 22 hat eine im Wesentlichen rechteckförmige Geometrie mit abgerundeten Ecken, die insbesondere mit einem Radius R3 (vgl. 2) abgerundet sind. Dieser bezeichnet den Krümmungsradius der Ecken. Eine Abrundung dieser Ecken mit dem Radius R3, der insbesondere für alle dargestellten Ecken gleich ist, erleichtert dabei die Fertigung der Öffnung 22.
Ein minimaler Abstand der Öffnung 22 vom Rand 14a ist im Übrigen mit A bezeichnet. Der Grundkörper 14 ist in Umfangsrichtung ebenfalls mit einem Krümmungsradius R1 abgerundet ausgeführt, wie dieser in 6 illustriert ist. Dieser bezieht sich insbesondere auf die Außenfläche F1 des Grundkörpers 14, während die dem Innenraum 18 zugewandte Innenfläche F2 in Umfangsrichtung um die Mittelachse M mit einem Krümmungsradius R2 ausgeführt ist.
Weiterhin weist der Grundkörper eine Wandstärke W auf, wie diese auch in 6 dargestellt ist. Der Grundkörper 14 weist dabei darüber hinaus einen Randbereich R auf, der in 4 illustriert ist. Dieser Randbereich R umfasst dabei die jeweiligen Enden 14a des Grundkörpers 14 bezüglich der x-Richtung und begrenzt den Grundkörper 14 in x-Richtung. Dieser Randbereich R definiert sozusagen beidseitig vom Grundkörper 14 bezüglich der x-Richtung einen Abschnitt des Grundkörpers 14, der den Rand 14a umfasst und sich etwas in beziehungsweise entgegen x-Richtung in Richtung Mitte des Grundkörpers 14 erstreckt. Die eben genannte Wandstärke W bezieht sich dabei auf eine Wandstärke W des Grundkörpers 14 zumindest in einem von diesem Randbereich R verschiedenen Bereich des Grundkörpers 14, nämlich auf einen zentralen Bereich Z, wie dieser ebenfalls schematisch in 4 dargestellt ist. Vorteilhafterweise können nämlich die jeweiligen Randbereiche R des Grundkörpers 14 maschinell bearbeitete Flächen aufweisen und spezielle Geometrien zur späteren Schweißnahtsetzung.
Die Geometrie im Randbereich R des Grundkörpers 14 und auch der korrespondierenden Deckel 16 wird nun genauer anhand von 7 erläutert.
7 zeigt dabei eine schematische Darstellung eines Querschnitts senkrecht zur y-Achse durch einen Endbereich des Grundkörpers 14, welcher den Randbereich R des Grundkörpers 14 umfasst. Die Querschnittsebene verläuft hierbei durch die Mittelachse M. Die Geometrie des Grundkörpers 14, sowie auch des hier lediglich gestrichelt angedeuteten Deckels 20, insbesondere beider Deckel 20, ist hierbei identisch zu einem entsprechenden Querschnitt senkrecht zur z-Richtung durch die Mittelachse M. Mit anderen Worten, die nachfolgend beschriebene Geometrie in den entsprechenden Randbereichen R ist dabei umlaufend identisch in Bezug auf die Mittelachse M ausgebildet, sowohl bezüglich des Grundkörpers 14 als auch in Bezug auf die Deckel 20, von welchen hier lediglich nur einer dargestellt ist. Eine dem Innenraum 18 abgewandte Außenseite des Deckels 20 ist durch die gestrichelte Linie 20a veranschaulicht, und eine dem Innenraum 18 zugewandte Seite des Deckels 20 durch die gestrichelte Linie 20b. Auch dem Deckel 20 kann entsprechend ein Randbereich 20c zugeordnet sein, der für den Deckel 20 in radialer Richtung bezüglich der Mittelachse M definiert ist.
Der Grundkörper 14 gliedert sich in x-Richtung wie beschrieben in den zentralen Bereich Z sowie die beiden an diesen zentralen Bereich Z in und entgegen x-Richtung unmittelbar angrenzende Randbereiche R. Vorliegend wird nur ein Randbereich R näher beschrieben, der andere der Randbereiche R kann aber ganz analog ausgebildet sein. Die Wandstärke W des zentralen Bereichs Z ist in 7 ebenfalls illustriert. Wie zu sehen ist, weist der Randbereich R also eine in x-Richtung variierende Querschnittsgeometrie auf. Die Außenfläche F1 (vergleiche 6) ist im Randbereich R in x-Richtung geradlinig verlaufend ausgebildet, während jedoch die Innenfläche F2 zur Ausbildung einer speziellen Geometrie bearbeitet ist, und entsprechend nicht-geradlinig in x-Richtung verläuft. Der Randbereich R ist grundsätzlich zu ausgebildet, dass ein Innendurchmesser Ri in x-Richtung variiert. Insbesondere nimmt dieser Innendurchmesser Ri mit zunehmendem Abstand von den Enden 14a des Grundkörpers ab. Auf diese Weise lässt sich einerseits sowohl eine besonders vorteilhafte Schweißfuge 26 bereitstellen, sowie ein Toleranzausgleich zur Kompensation von Bauteiltoleranzen zwischen dem Grundkörper 14 und dem Deckel 20.
Der Randbereich R des Grundkörpers 14 kann wiederum in einzelne Teilbereiche untergliedert werden, insbesondere bezogen auf die x-Richtung. Der Randbereich R weist dabei einen ersten Abschnitt A1 auf, der auch das Ende 14a des Grundkörpers 14 umfasst, sowie einen sich an diesen unmittelbar in x-Richtung anschließenden zweiten Abschnitt A2. Der erste Abschnitt A1 ist mit einer abgeschrägten Kante 28 ausgebildet, welcher ein Winkel α in Bezug auf die x-Richtung zugeordnet ist. Die zwischen dem Deckel 20 und dem Grundkörper 14 einzubringende Schweißnaht 19 ist ebenfalls dargestellt. Wie zu sehen ist, kann für diese Schweißnaht 19 durch diese schräge Kante 28 vorteilhafterweise die bereits beschriebene Schweißfuge 26 bereitgestellt werden. Hierdurch kann eine sehr zuverlässige Schweißverbindung zwischen dem Deckel 20 und dem Grundkörper 14 bereitgestellt werden. Auch der Deckel 20 kann entsprechend mit einer korrespondierenden Schräge 30 im Randbereich 20c des Deckels 20 ausgebildet sein. Dadurch ist ein noch größeres Volumen für die Schweißnaht 19 bereitgestellt.
Im zweiten Abschnitt A2 weist die Innenfläche F2 des Grundkörpers 14 ebenfalls eine Neigung gegenüber der x-Richtung auf, die durch den Winkel H beschrieben ist. Dieser ist sehr klein und liegt näherungsweise bei ein bis zwei Grad. Entsprechend erscheinen die Flächen F1, F2 in der Darstellung in 7 nahezu parallel zueinander, sind dies im Randbereich R jedoch nicht. Im zentralen Bereich Z verlaufen die Flächen F1, F2 parallel zueinander, wodurch die konstante Wanddicke W im zentralen Bereich Z bereitgestellt ist. Der Übergang zwischen dem zweiten Abschnitt A2 und dem zentralen Bereich Z, der sich unmittelbar an diesen zweiten Abschnitt A2 in x-Richtung beziehungsweise entgegen x-Richtung anschließt, ist relativ abrupt ausgestaltet. Eine leichte Krümmung, die sich durch den Krümmungsradius R4 beschreiben lässt, ist zwischen diesen beiden Abschnitten A2 und dem zentralen Bereich Z vorhanden. Dadurch entsteht eine Aufsatzkante 32. Der Deckel 20 kann also maximal bis zu dieser Aufsatzkante 32 in oder entgegen x-Richtung in Richtung des Innenraums 18 bewegt werden. Bedingt durch den sich verjüngenden Innendurchmesser Ri kommt der Deckel 20 jedoch vorzugsweise bereits vorher an der Innenfläche F2 des Grundkörpers 14 zum Anliegen und wird in seiner Position in x-Richtung beziehungsweise entgegen x-Richtung durch die Schräge 34 im zweiten Abschnitt A2 an einem weiteren Eindringen in Innenraumrichtung gehindert. Hierdurch lässt sich also vorteilhafterweise ein Toleranzausgleich bereitstellen. Je nach Breite des Deckels 20 zum Beispiel in der hier dargestellten z-Richtung kann dieser mehr oder weniger tief in Richtung Innenraum 18 in den Grundkörper 14 eingebracht werden, maximal jedoch bis zur Auflagekante 32. Entsprechend ist es auch vorteilhaft, wenn der Deckel 20 in einem zentralen Bereich, der also den vom Randbereich 20c verschiedenen Bereich des Deckels 20 definiert, erhöht gegenüber dem Randbereich 20c in x-Richtung ausgebildet ist. Dies ermöglicht auch eine stabile Schweißnahtsetzung, selbst wenn der Deckel 20 etwas tiefer in den Grundkörper 14 Richtung Innenraum 18 eingebracht wird.
Mit G ist übrigens die Länge des Randbereichs R in x-Richtung bezeichnet. F bezeichnet die Höhe des ersten Abschnitts A1 in x-Richtung. E bezeichnet die Abmessung der Schräge 28 in z-Richtung und D den Abstand der abgeschrägten Kante 28 von der Außenfläche F1. Die maschinell bearbeiteten Flächen im Randbereich R des Gehäuses beziehungsweise des Grundkörpers 14 sind beispielsweise durch die Maße D, E, F, G und durch den Winkel H und den Radius R4 bestimmt. Die Rundungen R1, R2, R3, R4, die zuvor erläutert wurden, vereinfachen dabei die jeweiligen Fertigungsschritte beziehungsweise Bearbeitungsschritte, z.B. zur Bereitstellung der jeweiligen Bauteile, Geometrien, Ausschnitte, usw..
Insgesamt zeigen die Beispiele, wie durch die Erfindung Merkmale am Zellgehäuse mit seitlichen Terminals und Vent nach unten bereitgestellt werden. Die seitlichen Terminals bei einer prismatischen Zelle ermöglichen eine Bauweise im Batteriesystem, die bis jetzt nur mit Pouchzellen möglich war. Die Vent-Öffnung nach unten ermöglicht theoretisch eine räumliche Trennung des Hochvoltpfads von den Gasen, die im Fall eines Ausgasens aus der Zelle auftreten. Durch die im Randbereich des Grundkörpers und/oder der jeweiligen Deckel bereitgestellten maschinell eingebrachten Geometrien lässt sich eine besonders robuste Schweißnaht setzen und zudem ein Toleranzausgleich auf einfache und kostengünstige Weise bereitstellen, der eine entsprechend einfache und kostengünstige Ausbildung des Zellgehäuses ermöglicht.
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

DE 102018207327 A1 [0003]

Claims

Gehäusebauteil (14, 16) für ein prismatisches Zellgehäuse (12) einer Batteriezelle (10), das einen als Hohlprofil ausgebildeten Grundkörper (14) und zwei Deckel (16) umfasst, die bezüglich einer ersten Richtung (x) auf gegenüberliegenden Seiten des Grundkörpers (14) angeschweißt oder anzuschweißen sind, - wobei das Gehäusebauteil (14, 16) als ein erstes Gehäusebauteil (14, 16) zum Anschweißen an mindestens ein zweites Gehäusebauteil (16, 14) des Zellgehäuses (12) bereitgestellt ist; - wobei das erste Gehäusebauteil (14, 16) den Grundkörper (14) oder einen der zwei Deckel (16) darstellt; dadurch gekennzeichnet, dass das erste Gehäusebauteil (14, 16) einen Randbereich (R, 20a) zur Anordnung am zweiten Gehäusebauteil (16, 14) aufweist, wobei der Randbereich (R, 20a) eine in der ersten Richtung (x) variierende Querschnittsgeometrie bezogen auf einen zur ersten Richtung (x) parallelen Querschnitt durch den Randbereich (R, 20a) aufweist.
Gehäusebauteil (14, 16) nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das erste Gehäusebauteil (14, 16) den als Hohlprofil ausgebildeten Grundkörper (14) darstellt, der eine Länge (L) in der ersten Richtung (x), eine Breite (B2) in einer zur ersten Richtung (x) senkrechten zweiten Richtung (y) und eine Höhe (H) in einer zur ersten und zweiten Richtung (x) senkrechten dritten Richtung (z) aufweist, wobei der Grundkörper (14) einen Innenraum (18) umschließt, wobei der Randbereich (R) einen den Grundkörper (14) in der ersten Richtung (x) begrenzenden und eine Stirnseite (14a) des Grundkörpers (14) bereitstellenden Rand (14a) umfasst, wobei der Randbereich (R) derart ausgebildet ist, dass sich ein Innendurchmesser (Ri) des Grundkörpers (14), der eine Innenabmessung (Ri) des Grundkörpers (14) in der zweiten und/oder dritten Richtung (y, z) definiert, sich im Randbereich (R) mit zunehmendem Abstand vom Rand (14a) verkleinert.
Gehäusebauteil (14, 16) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Randbereich (R) einen ersten Abschnitt (A1) bezüglich der ersten Richtung (x) aufweist, wobei der erste Abschnitt (A1) den Rand (14a) umfasst, wobei der erste Abschnitt (A1) eine dem Innenraum (18) zugewandte abgeschrägte Kante (26), insbesondere eine gemäß einem ersten Neigungswinkel (α) gegenüber der ersten Richtung (x) abgeschrägte Kante (26), aufweist.
Gehäusebauteil (14, 16) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Randbereich (R) einen zweiten Abschnitt (A2) bezüglich der ersten Richtung (x) aufweist, der sich an den ersten Abschnitt (A1) anschließt, wobei der zweite Abschnitt (A2) eine dem Innenraum (18) zugewandte Innenseite (34) umfasst, die gegenüber der ersten Richtung (x) geneigt ist, insbesondere um einen zweiten Neigungswinkel (H), der kleiner ist als der erste Neigungswinkel (α) und im einstelligen Gradbereich liegt.
Gehäusebauteil (14, 16) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass sich der Randbereich (R) bezüglich der ersten Richtung (x) an einen zentralen Bereich (Z) des Grundkörpers (14) anschließt, der eine größere Wandstärke (W) senkrecht zur ersten Richtung (x) aufweist, als der Randbereich (R).
Gehäusebauteil (14, 16) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Grundkörper (14) zwei bezüglich der dritten Richtung (z) gegenüberliegende Seiten (14b, 14e) aufweist, von denen eine als eine Unterseite (14b) und die andere als eine Oberseite (14e) definiert ist, wobei in der Unterseite (14b) eine Entgasungsöffnung (22) angeordnet ist, insbesondere in der Mitte bezüglich der ersten und zweiten Richtung (x, y).
Gehäusebauteil (14, 16) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das erste Gehäusebauteil (14, 16) einen der Deckel (16) darstellt, der eine Dicke in der ersten Richtung (x), eine Breite in einer zur ersten Richtung (x) senkrechten zweiten Richtung (x) und eine Höhe in einer zur ersten und zweiten Richtung (x) senkrechten dritten Richtung (x) aufweist, wobei der Randbereich (20a) den Deckel (16) in der zweiten und/oder dritten Richtung (x) begrenzt und derart ausgebildet ist, dass ein Außendurchmesser des Deckels (16), der eine Außenabmessung des Deckels (16) in der zweiten und/oder dritten Richtung (x) definiert, in der ersten Richtung (x) variiert, insbesondere wobei sich der Außendurchmesser ausgehend von einer Terminalseite des Deckels (16), an welcher ein Polterminal (20) angeordnet ist, in Richtung (x) einer Innenseite des Deckels (16), die der Terminalseite bezüglich der ersten Richtung (x) gegenüberliegt, zumindest bereichsweise vergrößert.
Zellgehäuse (12) für eine Batteriezelle (10), das ein Gehäusebauteil (14, 16) nach einem der vorhergehenden Ansprüche aufweist, dadurch gekennzeichnet, dass das Zellgehäuse (12) einen als Hohlprofil ausgebildeten Grundkörper (14) und zwei Deckel (16) umfasst, die bezüglich einer ersten Richtung (x) auf gegenüberliegenden Seiten des Grundkörpers (14) angeschweißt sind, wobei das Gehäusebauteil (14, 16) den Grundkörper (14) oder einen der zwei Deckel (16) darstellt, wobei in jeweiliger Deckel (16) derart in Bezug auf den Grundkörper (14) angeordnet ist, dass dieser zumindest zum Teil bezüglich der ersten Richtung (x) in einen Innenraum (18), der vom Grundkörper (14) umschlossen ist, hineinragt.
Verfahren zum Herstellen zumindest eines Teils eines prismatischen Zellgehäuses (12) für eine Batteriezelle (10), das einen als Hohlprofil ausgebildeten Grundkörper (14) und zwei Deckel (16) umfasst, die bezüglich einer ersten Richtung (x) auf gegenüberliegenden Seiten des Grundkörpers (14) angeschweißt oder anzuschweißen sind, aufweisend die Schritte: - Bereitstellen eines ersten Gehäusebauteils (14, 16) zum Anschweißen an mindestens ein zweites Gehäusebauteil (16, 14) des Zellgehäuses (12); - wobei das erste Gehäusebauteil (14, 16) den Grundkörper (14) oder einen der zwei Deckel (16) darstellt; dadurch gekennzeichnet, dass das erste Gehäusebauteil (14, 16) einen Randbereich (R, 20a) zur Anordnung am zweiten Gehäusebauteil (16, 14) aufweist, wobei der Randbereich (R, 20a) derart bearbeitet wird, dass dieser eine in der ersten Richtung (x) variierende Querschnittsgeometrie bezogen auf einen zur ersten Richtung (x) parallelen Querschnitt durch den Randbereich (R, 20a) aufweist.
Verfahren nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, dass der Grundkörper (14) mittels eines Strangpressverfahrens bereitgestellt wird.