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Die Erfindung betrifft eine Batterie eines Kraftfahrzeugs. Die Batterie weist zwei flächige Elektroden nämlich eine Anode und einer Kathode auf, die jeweils einen Ableiter umfassen, der mit einer ein Aktivmaterial enthaltenen Schicht versehen ist.
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In zunehmendem Maße werden Kraftfahrzeuge zumindest teilweise mittels eines Elektromotors angetrieben, sodass diese als Elektrofahrzeug oder Hybridfahrzeug ausgestaltet sind. Zur Bestromung des Elektromotors wird üblicherweise eine Hochvoltbatterie herangezogen, die mehrere einzelne Batteriemodule umfasst. Die Batteriemodule sind meist zueinander baugleich sowie miteinander elektrisch in Reihe und/oder parallel geschaltet, sodass die an der Hochvoltbatterie anliegende elektrische Spannung einem Vielfachen der mittels jedes der Batteriemodule bereitgestellten elektrischen Spannung entspricht. Jedes Batteriemodul wiederum umfasst mehrere Batterien, die meist in einem gemeinsamen Gehäuse angeordnet sind, und die miteinander elektrisch in Reihe und/oder parallel geschaltet sind.
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Jede Batterie weist meist mehrere Batteriezellen auf, die jeweils zwei Elektroden umfassen, nämlich eine Anode und eine Kathode. Dazwischen sind ein Separator und ein Elektrolyt mit freibeweglichen Ladungsträgern angeordnet. Als ein derartiger Elektrolyt wird beispielsweise eine Flüssigkeit herangezogen. In einer Alternative ist die Batterie als Festkörperbatterie ausgestaltet, und der Elektrolyt liegt als Festkörper vor.
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Die Anode und die Kathode, die die Elektroden der Batteriezelle bilden, umfassen üblicherweise einen Ableiter/Träger, der als Stromableiter fungiert. An diesem ist üblicherweise ein Aktivmaterial befestigt, das ein Bestandteil einer auf den Träger aufgebrachten Schicht ist. Hierbei ist es möglich, dass in der Schicht bereits der Elektrolyt vorhanden ist, oder dieser wird nachträglich eingebracht. Zumindest jedoch ist das Aktivmaterial zur Aufnahme der Arbeitsionen, z.B. Lithium-Ionen, geeignet. Je nach Verwendung als Anode oder Kathode wird ein anderes Material für den Träger und eine unterschiedliche Art des Materials der Schicht verwendet.
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Jeder der Elektroden weist zudem einen Anschluss auf, der der elektrischen Kontaktierung mit weiteren Bestandteilen der Batterie dient. Diese sind meist gegen eine gemeinsame Stromschiene der Batterie geführt, sodass die einzelnen Batteriezellen jeder Batterie mittels der Stromschienen geeignet verschaltet sind. Die Anschlüsse sind dabei üblicherweise mittels des jeweiligen Ableiters gebildet, der im Bereich des Anschlusses über die weiteren Bestandteile der jeweiligen Batteriezelle übersteht. Infolgedessen ist zwischen den beiden Anschlüssen ein Bereich gebildet, der ungenutzt ist, und für den jedoch in einem Gehäuse der Batterie entsprechender Bauraum vorhanden sein muss.
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Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine besonders geeignete Batterie eines Kraftfahrzeugs anzugeben, wobei vorteilhafterweise eine Energiedichte erhöht ist.
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Erfindungsgemäß wird diese Aufgabe durch die Merkmale des Anspruchs 1 gelöst. Vorteilhafte Weiterbildungen und Ausgestaltungen sind Gegenstand der jeweiligen Unteransprüche.
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Die Batterie ist im bestimmungsgemäßen Zustand ein Bestandteil eines Kraftfahrzeugs. Hierfür ist die Batterie geeignet, insbesondere vorgesehen und eingerichtet. Im bestimmungsgemäßen Zustand ist die Batterie beispielsweise ein Bestandteil eines Energiespeichers des Kraftfahrzeugs, der mehrere derartige Batterien aufweist. Vorzugsweise sind hierbei die Batterien auf mehrere Batteriemodule aufgeteilt, die zueinander wiederum baugleich sind. Die Batterien sind insbesondere in einem Behälter des Energiespeichers bzw. des jeweiligen Batteriemoduls angeordnet und miteinander elektrisch parallel und/oder in Reihe geschaltet. Somit ist die an dem Energiespeicher/Batteriemodul anliegende elektrische Spannung ein Vielfaches der mittels jeder der Batterien bereitgestellten elektrischen Spannung. Zweckmäßigerweise sind sämtliche Batterien dabei zueinander baugleich, was eine Fertigung vereinfacht. Der Behälter ist bevorzugt aus einem Metall gefertigt, beispielsweise einem Stahl, wie einem Edelstahl, oder einer Aluminium-Legierung. Zur Herstellung des jeweiligen Behälters wird zum Beispiel ein Druckgussverfahren verwendet. Insbesondere ist der Behälter verschlossen ausgestaltet. Zweckmäßigerweise ist in den Behälter eine Schnittstelle eingebracht, die einen Anschluss des Energiespeichers/Batteriemoduls bildet. Die Schnittstelle ist dabei elektrisch mit den Batterien kontaktiert, sodass ein Einspeisen von elektrischer Energie und/oder eine Entnahme von elektrischer Energie aus den Batterien von außerhalb des Energiespeichers möglich ist, sofern an den Anschluss ein entsprechender Stecker gesteckt ist.
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Das Kraftfahrzeug ist bevorzugt landgebunden und weist vorzugsweise eine Anzahl an Rädern auf, von denen zumindest eines, vorzugsweise mehrere oder alle, mittels eines Antriebs angetrieben sind. Geeigneterweise ist eines, vorzugsweise mehrere, der Räder steuerbar ausgestaltet. Somit ist es möglich, das Kraftfahrzeug unabhängig von einer bestimmten Fahrbahn, beispielsweise Schienen oder dergleichen, zu bewegen. Dabei ist es zweckmäßigerweise möglich, das Kraftfahrzeug im Wesentlichen beliebig auf einer Fahrbahn zu positionieren, die insbesondere aus einem Asphalt, einem Teer oder Beton gefertigt ist. Das Kraftfahrzeug ist beispielsweise ein Nutzkraftwagen, wie ein Lastkraftwagen (Lkw) oder ein Bus. Besonders bevorzugt jedoch ist das Kraftfahrzeug ein Personenkraftwagen (Pkw).
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Mittels des Antriebs erfolgt zweckmäßigerweise eine Fortbewegung des Kraftfahrzeugs. Zum Beispiel ist der Antrieb, insbesondere der Hauptantrieb, zumindest teilweise elektrisch ausgestaltet, und das Kraftfahrzeug ist beispielsweise ein Elektrofahrzeug. Der Elektromotor wird zum Beispiel mittels des Energiespeichers betrieben, der geeigneterweise als eine Hochvoltbatterie ausgestaltet ist. Mittels der Hochvoltbatterie wird zweckmäßigerweise eine elektrische Gleichspannung bereitgestellt, wobei die elektrische Spannung zum Beispiel zwischen 200 V und 800 V und beispielsweise im Wesentlichen 400 V beträgt. Vorzugsweise ist zwischen dem Energiespeicher und dem Elektromotor ein elektrischer Umrichter angeordnet, mittels dessen die Bestromung des Elektromotors eingestellt wird. In einer Alternative weist der Antrieb zusätzlich einen Verbrennungsmotor auf, sodass das Kraftfahrzeug als Hybrid-Kraftfahrzeug ausgestaltet ist. In einer Alternative wird mittels des Energiespeichers ein Niedervoltbordnetz des Kraftfahrzeugs gespeist, und mittels des Energiespeichers wird insbesondere eine elektrische Gleichspannung von 12 V, 24 V oder 48 V bereitgestellt.
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Die Batterie weist zwei flächige Elektroden auf, von denen eine eine Anode und die andere eine Kathode ist. Insbesondere sind dabei die Elektroden rechteckförmig. Jede der Elektroden weist einen Ableiter auf, der auch als Träger bezeichnet ist, und der ebenfalls flächig ausgestaltet ist. Die jeweilige Ableiter ist vorzugsweise aus einem Metall gefertigt ist. Der Ableiter ist beispielsweise aus einer Folie erstellt. Hierbei wird für die Kathode beispielsweise eine Aluminiumfolie und für die Anode eine Kupferfolie verwendet. Jeder Ableiter ist mit einer Schicht versehen ist. Somit ist der Ableiter beschichtet. Die Schicht ist dabei beispielsweise lediglich auf einer der Seiten des flächigen Ableiter das angeordnet oder bevorzugt auf beiden. Jede Schicht umfasst jeweils ein Aktivmaterial und vorzugsweise einen Binder und/oder ein Leitadditiv. Zum Beispiel ist in der Schicht ferner ein Lösungsmittel enthalten. Als Leitadditiv wird beispielsweise Leitruß, Leitgraphit oder Nanoröhrchen verwendet. Als Aktivmaterial wird beispielsweise ein Lithium-Metall-Oxid, wie Lithium-Cobalt(III)-Oxid (LiCoO2), NMC, NCA, LFP, GIC, LTO verwendet. Alternativ wird als Aktivmaterial NMC622 oder NMC811 herangezogen.
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Zwischen den beiden Elektroden ist ferner ein Separator angeordnet, der ebenfalls flächig und vorzugsweise rechteckförmig ausgestaltet ist. Die Elektroden und der Separator sind dabei übereinandergestapelt. Beispielsweise sind die Elektroden hierbei eben, also in einer jeweiligen Ebene angeordnet, oder die Fläche, innerhalb derer jede Elektrode angeordnet ist, beschreibt eine bestimmte Funktion. Beispielsweise sind die Elektroden aufgerollt, sodass die Fläche gekrümmt ist. Hierbei ist vorzugsweise ein Wickel erstellt.
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Zusammenfassend wird mittels des Separators und der beiden Elektroden jeweils eine Batteriezelle gebildet, die somit ein galvanisches Element ist. Zweckmäßigerweise ist zusätzlich noch ein Elektrolyt vorhanden, der eine Anzahl an freibeweglichen Ladungsträger, wie z.B. Lithium-Ionen, bereitstellt. Beispielsweise ist der Elektrolyt ein Bestandteil der Anode und/oder Kathode, oder ist zumindest geeignet, sich dort anzulagern und somit von diesen aufgenommen zu werden. Die Batterie ist beispielsweise eine Festkörperbatterie, sodass der Elektrolyt als Festkörper vorliegt. Alternativ ist der Elektrolyt flüssig.
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Jede der Elektroden weist randseitig zwei Schlitze auf, die somit von einem Rand der jeweiligen Elektrode jeweils nach innen gerichtet sind und vorzugsweise jeweils senkrecht zu dem jeweiligen Rand verlaufen. Insbesondere ist die Länge der beiden Schlitze zueinander gleich. Zwischen den beiden Schlitzen jede Elektrode ist ein jeweiliger Anschluss gebildet, der elektrischen Kontaktierung dieser Elektrode mit weiteren Bestandteilen der Batterie dient. Hierbei reicht der Anschluss beispielsweise lediglich bis zu dem Rand, in denen die Schlitze eingebracht sind, und der Rand ist somit insbesondere mittels einer durchgehenden geraden Kante gebildet. Alternativ hierzu steht der Anschluss teilweise über den Rand über, weswegen eine elektrische Kontaktierung erleichtert ist. Somit ist der Anschluss lediglich teilweise zwischen den beiden Schlitzen gebildet.
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Ferner weist jede Elektrode randseitig eine Aussparung auf. Vorzugsweise ist hierbei die Aussparung rechteckförmigen. Somit ist dort der Rand zumindest teilweise eine Stufe gebildet. Dabei ist die Aussparung vorzugsweise zu den Schlitzen der gleichen Elektrode versetzt und somit in einen anderen Teil der jeweiligen Elektrode eingebracht. Die beiden Elektroden sind derart angeordnet, dass der Anschluss der einen Elektroden sich mit der Aussparung der anderen Elektrode überdeckt sowie umgekehrt. Als Überdeckung wird dabei insbesondere bezeichnet, dass die Projektionen der Aussparung und des zugeordneten Anschlusses senkrecht zu der Fläche, in der die jeweiligen Elektroden angeordnet sind, zumindest teilweise ineinander enthalten sind. Vorzugsweise ist die Tiefe der Schlitze im Wesentlichen gleich der Tiefe der zugeordneten Aussparung, und/oder der Abstand der Schlitze korrespondiert zu der Breite der zugeordneten Aussparung. Vorzugsweise sind die Aussparungen der beiden Elektroden gleich groß.
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Aufgrund der Schlitze ist somit zwischen den beiden Anschlüssen zusätzliches Aktivmaterial vorhanden, sodass eine vergleichsweise effiziente Raumausnutzung erfolgt. Infolgedessen ist eine Energiedichte erhöht. Aufgrund der Aussparung ist dabei eine elektrische Kontaktierung mit dem Anschluss der jeweils anderen Elektrode erleichtert. Auch ist hierbei ein elektrischer Kurzschluss zwischen dem Anschluss und der jeweils anderen Elektrode vermieden. Da zudem der jeweilige Anschluss zumindest teilweise mittels der Schlitze bestimmt wird, ist dessen Fertigung insbesondere bereits bei der Herstellung des Ableiter möglich, vorzugsweise mittels Stanzens. Alternativ werden de Schlitze eingebracht, nachdem der jeweilige Ableiter bereits mit der Schicht versehen wurde. Zumindest ist eine Herstellung mit einem Stanzwerkzeug möglich, sodass eine Herstellungszeit vergleichsweise kurz ist.
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In einer Ausführungsform ist der Ableiter der Kathode zwischen den Schlitzen auf der der Anode zugewandten Seite frei von der Schicht. Mit anderen Worten ist auf dem Ableiter der Kathode zwischen den Schlitzen nicht die Schicht der Kathode aufgetragen. Beispielsweise wird dabei die Elektrode bereits entsprechend gefertigt, oder die Schicht wird nachträglich entfernt. Vorzugsweise ist der vollständige Anschluss frei von der Schicht. Zum Beispiel ist lediglich der Ableiter auf der der Anode zugewandten Seite im Bereich zwischen den Schlitzen frei von der Schicht oder geeigneterweise auf beiden Seiten. Da der Anschluss frei von der Schicht ist, ist einerseits eine elektrische Kontaktierung vereinfacht. Andererseits erfolgt bei Betrieb keine Anlagerung der etwaigen Arbeitsionen oder sonstigen Materialien, wie dem Aktivmaterial, im Bereich des Anschlusses, sodass kein Plating-Effekt auftritt. Somit ist ein übermäßiget Alterungseffekt verhindert. Bei einer Anlagerung von Material an dem Anschluss der Kathode ist es möglich, dass dieses bis in die Aussparung der Anode reicht, sodass ein elektrischer Kurzschluss auftritt. Da jedoch die Anlagerung verhindert ist, tritt kein Kurzschluss auf, der zum Ausfall der Batterie oder zumindest zu einem Ausfall dieser Elektroden führen würde.
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Alternativ hierzu ist die Ableiter auf der der Anode zugewandten Seite zwischen den Schlitzen mit der Schicht versehen. Vorzugsweise ist die Schicht der Kathode in diesem Bereich, also zwischen den Schlitzen auf der der Anode zugewandten Seite mit einem weiteren Element abgedeckt. Beispielsweise ist die Schicht mit dem weiteren Element beschichtet, oder das weitere Element ist auf die Schicht geklebt oder auf sonstige Weise dort befestigt. Alternativ hierzu ist das weitere Element lediglich lose auf der Schicht angeordnet und wird dort vorzugsweise anderweitig stabilisiert. Insbesondere dient das weitere Element als elektrischer Isolator. Mittels des weiteren Elements wird somit ebenfalls ein Anlagern von Material im Bereich des Anschlusses der Kathode verhindert, das sich bis in die Aussparung der Anode erstrecken und somit dort einen Kurzschluss hervorrufen könnte. Somit ist eine Betriebssicherheit erhöht.
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In einer Weiterbildung ist das weitere Element mittels des Separators gebildet. Daher sind vergleichsweise wenige Bauteile und wenige Prozessschritte zur Herstellung erforderlich. Beispielsweise sind dabei in den Separator ebenfalls Schlitze eingebracht, die vorzugsweise mit den Schlitzen der Kathode fluchten, die zumindest teilweise den Anschluss bilden. Alternativ hierzu ist der Separator nicht ausgespart, und deckt auch die Schlitze ab. Auf diese Weise ist eine Fertigung vereinfacht. Insbesondere sind dabei die Elektroden, insbesondere Kathode, rechteckförmig, und der Separator ist ebenfalls rechteckförmig. Somit ist eine Herstellung erleichtert. In einer Weiterbildung ist der Separator ebenfalls im Bereich der Aussparungen der Kathode randseitig ausgespart. Somit ist eine elektrische Kontaktierung des Anschlusses der Anode erleichtert.
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Beispielsweise ist der Separator im Bereich des Anschlusses der Kathode unverändert. Besonders bevorzugt jedoch ist der Separator im Bereich des Anschlusses angeschmolzen, vorzugsweise auf der dem Anschluss gegenüberliegenden Seite, was eine Fertigung erleichtert. So wird bei der Herstellung insbesondere zunächst der Separator auf die Kathode aufgelegt und beispielsweise dort befestigt. Im Anschluss hieran erfolgt das Anschmelzen des Separators im Bereich des Anschlusses auf der der Kathode abgewandten Seite. Dabei wird lediglich die Oberfläche des Separators aufgeschmolzen und der Separator nicht vollständig von der Kathode entfernt oder beschädigt. Aufgrund des Anschmelzens werden etwaigen Poren in dem Separator geschlossen, sodass ein Durchtritt von Ladungsträgern in diesem Bereich unterbunden ist. Somit wird auch eine Anlagerung von Material dort und daher auch der Plating-Effekt verhindert. Somit ist eine Betriebssicherheit weiter erhöht.
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In einer Alternative ist der Separator im Bereich beider Aussparungen ausgespart, sodass eine elektrische Kontaktierung der beiden Anschlüsse erleichtert ist. Dabei ist vorzugsweise der Ableiter der Kathode zumindest zwischen den Schlitzen auf der der Anode zugewandten Seite frei von der Schicht.
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Beispielsweise ist der Ableiter der Anode auf der der Kathode zugewandten Seite zwischen den Schlitzen ebenfalls frei von der Schicht. Bei der Herstellung ist beispielsweise zunächst die Schicht vorhanden und anschließend wird die Schicht entfernt. Alternativ hierzu erfolgt die Fertigung der Anode bereits derart, dass der Bereich zwischen den Schlitzen auf der der Kathode zugewandten Seite frei von der Schicht ist. In einer weiteren Alternative ist die Schicht der Anode zwischen den Schlitzen auf der der Kathode zugewandten Seite mit einem Element abgedeckt, das als Isolator dient.
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Besonders bevorzugt jedoch ist der Ableiter der Anode auf der der Kathode zugewandten Seite zwischen den Schlitzen mit der Schicht versehen, sodass der Anschluss der Anode zumindest teilweise mit der Schicht versehen ist und sich somit dort ebenfalls Aktivmaterial befindet. Folglich ist der Anteil an Aktivmaterial erhöht. Zudem ist eine Herstellung vereinfacht, und die Beschichtung der Anode kann beispielsweise als Rechteckform aufgebracht werden. Da es sich um die Anode handelt, tritt dort keine (übermäßige) Anlagerung von Material bei Betrieb auf, weswegen auch eine Ausbildung eines Kurzschlusses zwischen der Anode und der Kathode in diesem Bereich nicht erfolgt. Somit ist aufgrund der Unversehrtheit der Schicht der Anode in diesem Bereich eine Betriebssicherheit nicht verringert.
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Beispielsweise sind der Anschluss und die Aussparung jeder Elektrode dem gleichen Rand der jeweiligen Elektrode zugeordnet. Auf diese Weise sind eine elektrische Kontaktierung und eine Montage vereinfacht. Auch ist das Einbringen der Schlitze und der Aussparung nach Anbringung der Schicht auf dem jeweiligen Ableiter auf diese Weise vereinfacht, und es ist lediglich erforderlich an einzigen der Ränder der jeweiligen Elektrode zu bearbeiten. Alternativ hierzu sind die Aussparung und der Anschluss unterschiedlichen Rändern der jeweiligen Elektrode zugeordnet. Auf diese Weise ist eine vergleichsweise flexible Ausgestaltung der Batterie ermöglicht. Auch wird ein elektrischer Kurzschluss zwischen den beiden Anschlüssen effektiv vermieden. In einer besonders bevorzugten Variante sind die Aussparung und der Anschluss gegenüberliegenden Rändern zugeordnet. Somit befinden sich auch die beiden Anschlüsse der Batteriezelle auf gegenüberliegenden Seiten. Auch ist es möglich, die beiden Elektroden mittels des gleichen Werkzeugs zu fertigen, wobei im Anschluss an die Fertigung die eine der Elektroden bezüglich der anderen um 180° gedreht wird.
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Vorzugsweise umfasst die Batterie ein Gehäuse, in dem die beiden Elektroden und der Separator angeordnet sind. Somit sind diese vor Umwelteinflüssen geschützt. Zweckmäßigerweise sind in das Gehäuse zwei Pole eingebracht, die beispielsweise mittels Kupferstäben gebildet sind. Jeder der Anschlüsse ist elektrisch mit jeweils einem der Pole verbunden. Hierfür wird zweckmäßigerweise jeweils eine Stromschiene herangezogen. Diese ist zum Beispiel aus einem Metall, wie Kupfer, erstellt und/oder einstückig mit dem jeweiligen Pol. Somit ist auch eine elektrische Kontaktierung der Elektroden von außerhalb des Gehäuses ermöglicht. Vorzugsweise sind in dem Gehäuse mehrere derartige Elektroden vorhanden, also insbesondere derartige Batteriezellen. Diese sind geeigneterweise mittels der Stromschienen elektrisch miteinander kontaktiert, wobei vorzugsweise lediglich zwei Stromschienen vorhanden sind. Hierbei sind sämtliche Batteriezellen der Batterie mittels der Stromschienen beispielsweise elektrisch parallel oder elektrisch in Reihe geschaltet. Alternativ hierzu ist mittels der beiden Stromschienen ein Teil der Batteriezellen elektrisch in Reihe und ein Teil davon elektrisch parallel geschaltet.
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Nachfolgend werden Ausführungsbeispiele der Erfindung anhand einer Zeichnung näher erläutert. Darin zeigen:
- 1 schematisch vereinfacht ein Kraftfahrzeug, das eine Hochvoltbatterie mit mehreren baugleichen Batterien aufweist,
- 2 in einem Längsschnitt schematisch vereinfacht eine der zueinander baugleichen Batterien,
- 3 in einem Querschnitt schematisch vereinfacht die Batterie, die mehrere Batteriezellen aufweist
- 4 - 6 jeweils perspektivisch unterschiedliche Ausführungsformen der Batteriezellen, und
- 7 gemäß 2 eine alternative Ausführungsform der Batterie.
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Einander entsprechende Teile sind in allen Figuren mit den gleichen Bezugszeichen versehen.
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In 1 ist schematisch vereinfacht ein Kraftfahrzeug 2 in Form eines Personenkraftwagens (Pkw) dargestellt. Das Kraftfahrzeug 2 weist eine Anzahl an Rädern 4 auf, von denen zumindest einige mittels eines Antriebs 6 angetrieben sind, der einen Elektromotor umfasst. Somit ist das Kraftfahrzeug 2 ein Elektrofahrzeug oder ein Hybrid-Fahrzeug. Der Antrieb 6 weist einen Umrichter auf, mittels dessen der Elektromotor bestromt ist. Der Umrichter des Antriebs 6 wiederum ist mittels eines Energiespeichers 8 in Form einer Hochvoltbatterie bestromt. Hierfür ist der Antrieb 6 mit einer Schnittstelle 10 des Energiespeichers 8 verbunden, die in einen gehäuseartigen Behälter 12 des Energiespeichers 8 eingebracht ist, das aus einem Edelstahl erstellt ist. Innerhalb des Behälters 12 sind mehrere Batteriemodule angeordnet, die miteinander elektrisch kontaktiert sind. Ein Teil der Batteriemodule ist dabei zueinander elektrisch in Reihe und diese wiederum elektrisch zueinander parallel geschaltet sind. Der elektrische Verband der Batteriemodule ist mit der Schnittstelle 10 elektrisch kontaktiert, sodass bei Betrieb des Antriebs 6 ein Entladen oder Laden (Rekuperation) der Batteriemodule erfolgt. Aufgrund der elektrischen Verschaltung ist die an der Schnittstelle 10 bereitgestellte elektrische Spannung, die 400 V beträgt, ein Vielfaches der mit den zueinander baugleichen Batteriemodule jeweils bereitgestellten elektrischen Spannung.
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Jedes Batteriemodule weist wiederum mehrere Batterien 14 auf, von denen hier zwei gezeigt sind. Ein Teil der Batterien 14 jedes Batteriemoduls sind zueinander elektrisch in Reihe geschaltet. Die auf diese Weise gebildeten Stränge wiederum sind zueinander elektrisch parallel geschaltet. Somit ist die mittels jedes der Batteriemodulen bereitgestellte elektrische Spannung ein Vielfaches der mittels einer der zueinander baugleichen Batterien 14, die jeweils als Lithium-Ionen-Batterien ausgestaltet sind.
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In 2 ist in einem Längsschnitt und in 3 in einem Querschnitt, also senkrecht zu dem Längsschnitt, eine der zueinander baugleichen Batterien 14 schematisch vereinfacht gezeigt. Die Batterie 14 weist ein Gehäuse 16 auf, das aus einem Metall, nämlich Edelstahl, gefertigt und geschlossen ausgestaltet ist. In das Gehäuse 16 sind zwei Pole 18 eingebracht, die somit durch eine Wand des Gehäuses 16 ragen und mittels dessen stabilisiert sind. Die Pole 18 sind als Kupferstangen ausgebildet. Innerhalb des Gehäuses 16 ist an jedem Pol 18 eine Stromschiene 20 angeschweißt, die ebenfalls aus Kupfer gefertigt sind.
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Ferner sind innerhalb des Gehäuses 16 mehrere Batteriezellen 22, auch als aktiver Stapel oder (aktives) Schichtpaket bezeichnet, angeordnet, von denen hier drei dargestellt sind. Jede der Batteriezellen 22 weist zwei Elektroden 24 auf, nämlich eine Anode 26 und eine Kathode 28. Die Elektroden 24 sind flächig und eben ausgestaltet, und jede Elektroden 24 weist einen Ableiter 30 auf, der aus einer Metallfolie erstellt ist. Der Ableiter 30 der Anode 26 ist aus einer Kupferfolie und der Ableiter 30 der Kathode 28 aus einer Aluminiumfolie gefertigt. Jeder der flächigen Ableiter 30 ist auf beiden Seiten mittels jeweils einer Schicht 32 versehen, die ein Aktivmaterial, einen Binder und einer Leitadditiv aufweist. Auf den beiden Seiten der Kathode 28 und auf beiden Seiten der Anode 26 ist jeweils die gleiche Zusammensetzung der Schicht 32 vorhanden, jedoch ist die Zusammensetzung der Schicht 32 zwischen der Kathode 28 und Anode 26 unterschiedlich. Zumindest ist jeweils ein unterschiedliches Aktivmaterial vorhanden. Die beiden Schichten 32 werden dabei beispielsweise mittels Druckens oder eines Kalandrierprozesses auf den jeweiligen Ableiter 30 aufgetragen.
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Die Elektroden 24 der gleichen Batteriezelle 22 liegen über einen Separator 34 aneinander an, sodass die beiden Elektroden 24 und der Separator übereinander gestapelt sind. Zusammenfassend weist jede Batteriezelle 22 die beiden flächigen Elektroden 24, nämlich die Anode 26 und die Kathode 28 auf, die den jeweiligen Ableiter 30 umfassen, der mit der das jeweilige Aktivmaterial enthaltenen Schicht 32 versehen ist, und zwischen denen jeweils der flächige Separator 34 angeordnet ist. Die Batteriezellen 22 sind in der gleichen Stapelrichtung, in der auch die Elektroden 24 und der Separator 34 übereinander gestapelt sind, in dem Gehäusen 16 übereinander gestapelt, wobei jeweils zwischen benachbarten Batteriezellen 22 ein Isolator 36 angeordnet ist, sodass ein Kurzschluss zwischen den einzelnen Batteriezellen 22 verhindert wird. Als Isolator 36 wird zum Beispiel ebenfalls ein Separator verwendet, und der Isolator 36 ist vorzugsweise aus dem gleichen Material wie der Separator 34 gefertigt.
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Zusammenfassend ist insbesondere jede der Batteriezellen 22 mittels der Anode 26, der Kathode 28 und dem dazwischen angeordneten Separator 34 gebildet und weist somit vorzugsweise keine weiteren Bestandteile oder zumindest kein eigenes Gehäuse auf. Somit ist jede Batteriezelle 22 vorzugsweise ein aktiver Stapel/Schichtpaket. In einer nicht näher dargestellten Variante ist die Batteriezelle 22 ein Wickel („Jelly Roll“).
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In 4 ist perspektivisch eine Ausführungsform der Batteriezellen 22 dargestellt, wobei alle Batteriezelle 22 der gleichen Batterie 14 baugleich sind. Die beiden Elektroden 24 sind im Wesentlichen rechteckförmig, wobei in einen Rand 38 jeder der Elektroden 24 jeweils eine Aussparung 40 eingebracht ist, die rechteckförmig ist. Auch sind in den gleichen Rand 38 jeder Elektrode 24 zwei Schlitze 42 eingebracht, die senkrecht zu dem Rand 38 verlaufen, und die die gleiche Tiefe wie die Aussparung 40 aufweisen. Zwischen den beiden Schlitzen 42 ist jeweils teilweise ein Anschluss 44 gebildet, wobei ein Teil des Anschlusses 44 über den Rand 38 übersteht. Hierbei steht lediglich der Ableiter 30 der jeweiligen Elektrode 24 über den Rand 38 über, und der Anschluss 44 und die Aussparung 40 jeder Elektrode 24 sind dem gleichen Rand 38 zugeordnet.
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Die beiden Anschlüsse 44 der gleichen Batteriezelle 22 sind dabei jeweils unterschiedlichen Stromschiene 20 zugeordnet und mit diesen elektrisch kontaktiert. Somit ist jeder der Anschlüsse mit jeweils einem der Pole 18 elektrisch verbunden. Bei einer anderen Verschaltung sind beispielsweise jeweils einer der Anschlüsse 44 einer der Batteriezellen 22 mit einem der Anschlüsse 44 einer weiteren der Batteriezellen 22 verbunden.
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Die beiden Elektroden 24 sind derart angeordnet, dass der Anschluss 44 der Anode 26 sich mit der Aussparung 40 der Kathode 28 und umgekehrt überdeckt. Infolgedessen sind in der Batteriezelle 22 zwei in der Stapelrichtung verlaufende Kanäle gebildet, wobei in jedem der Kanäle jeweils einer der Anschlüsse 44 angeordnet ist. Hierbei fluchten sowohl die Tiefe der Schlitze 42 mit der Tiefe der jeweiligen Aussparung 40, und die dem Anschluss 44 abgewandten Kanten der Schlitze 42 fluchten mit den Kanten der Aussparung 40. Der Separator 34 ist im Bereich der beiden Aussparungen 40 ebenfalls teilweise ausgespart, ebenso wie der Isolator 36. Aufgrund der gebildeten Kanäle, also aufgrund der Aussparungen 40 ist eine elektrische Kontaktierung der Anschlüsse 44 der jeweils anderen Elektrode 24 mit der jeweiligen Stromschiene 20 erleichtert.
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Der Ableiter 30 der Anode 26 ist bis zum Rand 38 mit der Schicht 32 versehen und somit auch auf der der Kathode 28 zugewandten Seite zwischen den Schlitzen 42. Zur Herstellung der Anode 26 wird zunächst ein rechteckförmige Metallfolienabschnitt als Ableiter 30 bereitgestellt, wobei zur Bildung des späteren Anschlusses 44 ein teilweiser Überstand vorhanden ist. Nach Versehen mit der Schicht 32 werden die Aussparung 40 und die Schlitze 42 gestanzt.
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Bei der Kathode 28 hingegen ist der Anschluss 44 vollständig frei von der Schicht 32 der Kathode 28. Somit ist auch der Ableiter 30 der Kathode 28 zwischen den Schlitzen 42 auf der der Anode 26 zugewandten Seite frei von der Schicht 32. Bei Betrieb der Batterie 14, und auch der Batteriezelle 22 erfolgt eine Materialanlagerung auf Seiten der Kathode. Da der Ableiter 30 im Bereich des Anschlusses 44 frei von der Schicht 32 ist, lagert sich kein Material an dem Anschluss 44 der Kathode 28 an, was anderweitig des ausgesparten Separators 34 auch in die Aussparung 40 der Anode 26 gelangen könnte, was wiederum zu einem Kurzschluss führen würde.
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In 5 ist eine Abwandlung der Batteriezelle 22 dargestellt, wobei die Anode 26 und deren zumindest teilweise mit der Schicht 32 versehener Ableiter 30 im Bereich des Anschlusses 44 zwischen den Schlitzen 42 nicht verändert ist. Auch der Separator 34 ist im Vergleich zur vorhergehenden Ausführungsform nicht verändert. Jedoch ist der Ableiter 30 der Kathode 28 zwischen den beiden Schlitzen 42 mit der Schicht 32 versehen, sodass die beiden Elektroden 24 mittels des gleichen Herstellungsverfahrens gefertigt werden können, wobei jedoch unterschiedlich Materialien verwendet werden. Damit einem Materialanlagerung an dem Anschluss 44 der Kathode 28 und ein damit einhergehender möglicher Übertritt von Material in die Aussparung 40 der Anode 26 unterbunden wird, ist die Schicht 32 der Kathode 28 zwischen den Schlitzen 42 auf der der Anode 26 zugewandten Seite mit einem weiteren Element 46 abgedeckt, das aus einem elektrisch isolierenden Material gefertigt ist, wie einem Kunststoff. Das weitere Element 46 ist auf die Schicht 32 des Anschlusses 44 der Kathode 28 aufgeklebt, oder alternativ ist das weitere Element 46 gänzlich mittels eines Klebers gebildet. Hierbei ist die Grö-ße des weiteren Element 46 auf die Größe des Anschlusses 44 angepasst und dieses reicht bis zu den Schlitzen 42.Somit ist eine Anlagerung von Material an der Schicht 32 zwischen den Schlitzen 42 auf der der Anode 26 zugewandten Seite der Kathode 28 mittels des weiteren Elements 46 vermieden.
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In 6 ist eine weitere Abwandlung der Batteriezelle 22 dargestellt. Die beiden Elektroden 24 sind entsprechend der vorhergehenden Ausführungsform ausgebildet. So sind die Ableiter 30 zwischen den beiden Schlitzen 42 jeweils bis zum Rand 38 mit der jeweiligen Schicht 32 beidseitig versehen. Jedoch ist nunmehr das weitere Element 46 kein separates Bauteil mehr, sondern mittels des Separators 34 gebildet, der somit die Aussparung 40 der Anode 26 vollständig überdeckt. Folglich sind weniger Bauteile erforderlich. Zusammenfassend bildet der Separator 34 das weitere Element 46. Zudem ist der Separator 34 im Bereich des Anschlusses, also in dem Bereich, in dem dieser die Aussparung 40 der Anode 26 überdeckt, angeschmolzen. Hierfür wird der Separator 34, der als Festkörper vorliegt, teilweise erwärmt und in den flüssigen Zustand überführt. Dies erfolgt dabei lediglich an der der Aussparung 40 zugewandten Oberfläche, sodass dort etwaige Poren in dem Separator 34 geschlossen werden. Infolgedessen ist ein Durchtritt von Ladungsträgern in diesem Bereich durch den Separator 34 unterbunden, weswegen dort auch keine Anlagerung von Material erfolgen kann.
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In 7 ist gemäß 2 eine alternative Ausgestaltung der Batterien 14 gezeigt. Auch hier ist das Gehäuse 16 vorhanden, in das die beiden Pole 18 eingebracht sind, und in dem sich die Batteriezellen 22 befinden. Diese sind auch weiterhin mit den Stromschienen 20 elektrisch mit den Polen 18 elektrisch kontaktiert. Auch weist hier wiederum jede der Elektroden 24 randseitig die Aussparung 40 sowie die beiden Schlitze 42 auf, zwischen denen der jeweilige Anschluss 44 teilweise gebildet ist. Dabei ist jedoch jeweils einer der Schlitze 42 direkt mit einer der Kanten gebildet. Ferner überdecken sich der Anschluss 44 jeder Elektrode 24 mit der Aussparung 40 der jeweils anderen Elektrode 24 der gleichen Batteriezelle 22. Im Vergleich zu der vorhergehenden Ausführungsform sind die Schlitze 42 und die Aussparung 40 nicht dem gleichen Rand 38 zugeordnet, sondern gegenüberliegenden Rändern. Infolgedessen befinden sich auch die Anschlüsse 44 der gleichen Batteriezelle 22 an gegenüberliegenden Enden, weswegen ein elektrischer Kurzschluss zwischen den beiden Anschlüssen 44 der gleichen Batteriezelle 22 vermieden ist. Auch ist ein dichteres Befüllen des Gehäuses 16 auf diese Weise möglich, sodass eine Energiedichte weiter erhöht ist.
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Die Erfindung ist nicht auf die vorstehend beschriebenen Ausführungsbeispiele beschränkt. Vielmehr können auch andere Varianten der Erfindung von dem Fachmann hieraus abgeleitet werden, ohne den Gegenstand der Erfindung zu verlassen. Insbesondere sind ferner alle im Zusammenhang mit den einzelnen Ausführungsbeispielen beschriebene Einzelmerkmale auch auf andere Weise miteinander kombinierbar, ohne den Gegenstand der Erfindung zu verlassen.
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Bezugszeichenliste
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- 2
- Kraftfahrzeug
- 4
- Rad
- 6
- Antrieb
- 8
- Energiespeicher
- 10
- Schnittstelle
- 12
- Behälter
- 14
- Batterie
- 16
- Gehäuse
- 18
- Pol
- 20
- Stromschiene
- 22
- Batteriezelle
- 24
- Elektrode
- 26
- Anode
- 28
- Kathode
- 30
- Ableiter
- 32
- Schicht
- 34
- Separator
- 36
- Isolator
- 38
- Rand
- 40
- Aussparung
- 42
- Schlitz
- 44
- Anschluss
- 46
- weiteres Element
