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Die Erfindung betrifft eine Batteriezelle für einen Hochvoltspeicher nach dem Oberbegriff des Anspruches 1, ein Hilfsfügeelement für eine solche Batteriezelle nach Anspruch 16 sowie ein Verfahren zum Zusammenbau einer solchen Batteriezelle nach Anspruch 17.
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Eine gattungsgemäße Batteriezelle weist ein Zellgehäuse auf, das aus Metall gefertigt ist und innenseitig mit Kunststoffmaterial beschichtet ist. Das Zellgehäuse ist aus zumindest zwei Gehäuseteilen aufgebaut, die mittels einer Siegelflansch-Konstruktion miteinander verbunden sind. Die Siegelflansch-Konstruktion ist aus Fügeflanschen der beiden Gehäuseteile aufgebaut. Die Fügeflansche sind in einem Siegelverfahren miteinander in Stoffschlussverbindung bringbar.
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Eine solche Siegelflansch-Konstruktion kann bei einem aufgrund eines internen Zell defekts erfolgenden Druckaufbau im Zellgehäuse-Inneren nicht ausreichend verbindungsfest sein und frühzeitig aufreißen. Zudem kann bei einer solchen Siegelflansch-Konstruktion die im Zellgehäuse befindliche Elektrolytflüssigkeit im Laufe der Batteriezellen-Lebensdauer durch das Kunststoffmaterial ausdiffundieren.
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Die Aufgabe der Erfindung besteht darin, eine Batteriezelle bereitzustellen, deren Fügestelle zwischen Gehäuseteilen im Vergleich zum Stand der Technik eine gesteigerte Diffusionsdichtheit und/oder eine gesteigerte Verbindungsfestigkeit aufweist.
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Die Aufgabe ist durch die Merkmale des Anspruches 1,16 oder 17 gelöst. Bevorzugte Weiterbildungen der Erfindung sind in den Unteransprüchen offenbart.
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Die Erfindung geht von einer Batteriezelle für einen Hochvoltspeicher aus, die ein Zellgehäuse aufweist, das aus zwei Gehäuseteilen aufgebaut ist. Die beiden Gehäuseteile sind an einer Fügestelle mittelbar oder unmittelbar zum Beispiel über ein Siegelverfahren in Stoffschlussverbindung bringbar. Gemäß dem kennzeichnenden Teil des Anspruches 1 wird zur Steigerung der Diffusionsdichtheit und/oder der Verbindungsfestigkeit zumindest ein Hilfsfügeelement bereitgestellt. Das Hilfsfügeelement weist Klemmbacken auf, zwischen denen die Fügeflansche der beiden Gehäuseteile unter Aufbau einer Klemmverbindung mit einer Klemmkraft verspannt sind. Erfindungsgemäß sind somit die beiden Fügeflansche der Gehäuseteile nicht nur in Stoffschlussverbindung sondern zusätzlich auch in Klemmverbindung, das heißt mittels einer Klemmkraft gegeneinander verspannt. Dadurch wird in konstruktiv einfacher Weise eine im Vergleich zum Stand der Technik gesteigerte Diffusionsdichtheit sowie Verbindungsfestigkeit an der Fügestelle bereitgestellt.
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In einer technischen Umsetzung können die Fügeflansche der beiden Gehäuseteile zueinander überlappungsfrei positioniert sein, und zwar unter Bildung einer Sockel-Durchführung zwischen einander zugewandten Fügerändern der beiden Fügeflansche. Im Zusammenbauzustand ist ein Klemmbacken-Sockel des ersten Klemmbackens durch die Sockel-Durchführung geführt. Der Klemmbacken-Sockel wirkt mit dem zweiten Klemmbacken zusammen, der auf der (in Fügerichtung) gegenüberliegenden Seite der Fügeflansche positioniert ist.
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Das erfindungsgemäße Hilfsfügeelement ist bevorzugt nicht unmittelbar in Kontakt mit den beiden Fügeflanschen, sondern vielmehr unter Zwischenlage von Kunststoffmaterial von den beiden Fügeflanschen elektrisch isoliert. Eine solche elektrische Isolation zwischen den beiden Gehäuseteilen ist insbesondere bei den nachfolgend beschriebenen Batteriezellen-Aufbau von Bedeutung: So kann jedes der beiden Gehäuseteile einen Batteriezellenpol bilden, an dem ein Stromabgriff erfolgt. Die beiden Gehäuseteile übernehmen daher die Funktion von Zell-Terminals einer herkömmlichen Batteriezelle. In diesem Fall ist die erfindungsgemäße Batteriezelle frei von am Zellgehäuse montierten Zell-Terminals.
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Beispielhaft kann die Stoffschlussverbindung zwischen den beiden Fügeflanschen mittels eines Siegelverfahrens realisiert werden. Im Siegelverfahren wird die Fügestelle erwärmt, wodurch das zwischen den Fügeflanschen befindliche Kunststoffmaterial zumindest teilweise aufschmilzt. Nach erfolgter Aushärtung des Kunststoffmaterials bildet sich die Stoffschlussverbindung zwischen den Fügeflanschen und dem Hilfsfügeelement. Erfindungsgemäß können während des Siegelverfahrens zusätzlich die beiden Klemmbacken gegeneinander verspannt werden, wodurch sich die Klemmverbindung aufbaut. Zur Aufrechterhaltung der Klemmkraft kann der zweite Klemmbacken mit dem Klemmbacken-Sockel des ersten Klemmbackens über eine Schweiß- oder Lötnaht verschweißt/verlötet sein.
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Im Hinblick auf eine einfache Anbindung des zweiten Klemmbacken am Klemmbacken-Sockel des ersten Klemmbackens ist die nachfolgende Klemmbacken-Geometrie von Vorteil: So kann der zweite Klemmbacken eine Sockel-Durchführung aufweisen, durch die der Klemmbacken-Sockel des ersten Klemmbackens geführt ist. Der Klemmbacken-Sockel kann den zweiten Klemmbacken mit einem Sockel-Überstand überragen. Dadurch wird ein Inneneckbereich zwischen dem Sockel-Überstand und dem zweiten Klemmbacken aufgespannt, in dem die Schweiß- oder Lötnaht als eine Kehlnaht (zum Beispiel durch Laserstrahl-Schweißen) appliziert werden kann.
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Die beiden Gehäuseteile des Zellgehäuses, einschließlich der Fügeflansche, können bevorzugt aus Metall gefertigt sein und innenseitig eine Kunststoffbeschichtung überzogen sein.
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In einer alternativen Ausführungsform können die Fügeflansche der beiden Gehäuseteile zueinander nicht überlappungsfrei angeordnet sein, sondern vielmehr unter Bildung einer Siegelflansch-Konstruktion miteinander überlappen. In diesem Fall können die beiden Fügeflansche mit zwischengeordnetem, elektrisch isolierenden Kunststoffmaterial miteinander in Stoffschlussverbindung sein, und zwar bevorzugt dem oben beschriebenen Siegelverfahren.
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Zur Anbindung des Hilfsfügeelements an der Siegelflansch-Konstruktion können folgende Maßnahmen durchgeführt werden: So können die beiden einander überlappenden Fügeflansche jeweils Sockel-Durchführungen aufweisen, durch die der Klemmbacken-Sockel des ersten Klemmbackens führbar ist, der mit dem zweiten Klemmbacken zusammenwirkt. Die im jeweiligen Fügeflansch ausgebildete Sockel-Durchführung ist von einem Fügeflansch-Rand begrenzt. Dieser kann bevorzugt von einem Kunststoffmaterial eingefasst sein, wodurch ein unmittelbarer, insbesondere elektrischer Kontakt zwischen dem jeweiligen Fügeflansch und dem Hilfsfügeelement verhindert ist.
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In einer konkreten Ausführungsvariante kann das Zellgehäuse quaderförmig ausgebildet sein, und zwar mit großflächigen Flachwänden, die in einer Gehäusequerrichtung einander gegenüberliegen. Die beiden in Gehäusequerrichtung gegenüberliegenden Flachwände können mit in Gehäusehochrichtung einander gegenüberliegenden Boden- und Deckwänden miteinander verbunden sein sowie mit in Gehäuselängsrichtung einander gegenüberliegenden schmalen Seitenwänden.
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In diesem Fall kann das Zellgehäuse an einer Fügeebene in zwei, insbesondere baugleiche Gehäusehälften aufgeteilt sein. Die Fügeebene kann parallel zu den großflächigen Flachwänden ausgerichtet sein sowie in der Gehäusequerrichtung mittig positioniert sein, so dass die Boden-, Deck- und Seitenwände von der Fügeebene geschnitten werden.
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Die beiden Gehäusehälften können in der Fügeebene nach gehäuseaußen abragende, umlaufende Fügeflansche aufweisen. Diese können unter Bildung einer umlaufenden Siegelflansch-Konstruktion miteinander in Stoffschlussverbindung gebracht sein (zum Beispiel in einem Siegelverfahren).
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Bei der obigen Zellgehäuse-Geometrie kann sich ein erstes Hilfsfügeelement leistenförmig in der Gehäuselängsrichtung entlang der Bodenwand erstrecken, während sich analog dazu ein zweites Hilfsfügeelement leistenförmig entlang der Deckwand erstreckt. Ein weiteres drittes sowie viertes Hilfsfügeelement kann sich jeweils leistenförmig in der Gehäusehochrichtung entlang der jeweiligen schmalen Seitenwand erstrecken.
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Am Fügeflansch des jeweiligen Gehäuseteils können in Umfangsrichtung betrachtet voneinander separate Sockel-Durchführungen ausgebildet sein, die über Fügeflansch-Stege voneinander beabstandet sind. In diesem Fall können die der Bodenwand, der Deckwand und den Seitenwänden verbauten Hilfsfügeelemente an den Fügeflansch-Stegen voneinander in Umfangsrichtung beabstandet sein. Die Fügeflansch-Stege können bevorzugt in den Zellgehäuse-Eckbereichen positioniert sein, das heißt am Übergang zwischen der schmalen Seitenwand in die Deckwand sowie in die Bodenwand. In diesem Fall ist die Siegelflansch-Konstruktion an den Zellgehäuse-Eckbereichen zielgerichtet geschwächt, das heißt ohne Klemmverbindung realisiert. Bei einem Druckaufbau in Folge eines Zelldefekts im Zellgehäuse-Inneren reißt daher die Siegelflansch-Konstruktion zielgerichtet an den Zellgehäuse-Ecken auf, um einen Druckabbau zu ermöglichen.
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Nachfolgend sind Ausführungsbeispiele der Erfindung anhand der beigefügten Figuren beschrieben.
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Es zeigen:
- 1 bis 3 unterschiedliche Ansichten einer Batteriezelle gemäß einem ersten Ausführungsbeispiel;
- 4 bis 7 jeweils Ansichten, anhand derer ein Zusammenbauvorgang der Batteriezelle veranschaulicht ist;
- 8 in einer Detailansicht eine Fügestelle in einer Batteriezelle gemäß einem zweiten Ausführungsbeispiel.
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In den 1 bis 3 ist eine prismatische Batteriezelle im Zusammenbauzustand gezeigt. Die Batteriezelle weist ein bauteilsteifes, quaderförmiges Metall-Zellgehäuse 1 auf, in dem ein Aktivmaterial 2 (in der 2 angedeutet) bestehend aus übereinander gestapelten Anoden-, Separator- und Kathodenlagen sowie aus einer Elektrolytflüssigkeit angeordnet ist. Das Aktivmaterial 2 kann als eine Flachwicklung oder als ein Stapel realisiert sein.
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In der 1 ist das quaderförmige Metall-Zellgehäuse 1 aus zwei, in einer Gehäusequerrichtung y einander gegenüberliegenden Flachwänden 3 aufgebaut. Die beiden Flachwände 3 sind mit, in Gehäuselängsrichtung x einander gegenüberliegenden schmalen Seitenwänden 5 sowie mit, in Gehäusehochrichtung z einander gegenüberliegenden schmalen Boden- und Deckwänden 7, 9 verbunden. Das Zellgehäuse 1 ist in den Figuren ohne Elektrolyteinfüllloch gezeigt. Dieses kann, wie im Stand der Technik, im Zellgehäuse 1 realisiert sein.
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Wie aus der 1 weiter hervorgeht, ist das Zellgehäuse 1 an einer Fügeebene F in zwei baugleiche Gehäusehälften 11, 12 aufgeteilt. Die Fügeebene F ist parallel zu den beiden Flachwänden 3 ausgerichtet sowie in Gehäusequerrichtung y mittig positioniert, so dass die Fügeebene F die Boden-, Deck- und Seitenwände 5, 7, 9 schneidet. Die beiden Gehäusehälften 11, 12 weisen in der Fügeebene F nach gehäuseaußen abragende, umlaufende Fügeflansche 13 (2) auf. Diese sind unter Bildung einer umlaufenden Siegelflansch-Konstruktion 15 miteinander in Stoffschlussverbindung. Die Siegelflansch-Konstruktion 15 wird in einen Heißsiegelverfahren hergestellt, bei der die beiden Fügeflansche 13 erwärmt werden, wodurch die innenseitige Kunststoffbeschichtung 17 zwischen den beiden Fügeflanschen 13 aufschmilzt. Die beiden Gehäusehälften 11, 12 werden in einem weiteren Prozessschritt an ihren Fügeflanschen 13 aneinander gedrückt. Nach erfolgter Aushärtung der Kunststoffbeschichtung 17 sind die beiden Gehäusehälften 11 an ihren Fügeflanschen 13 miteinander in Stoffschlussverbindung.
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In der erfindungsgemäßen Batteriezelle sind die beiden Gehäusehälften 11, 12 mittels der zwischen den Fügeflanschen 13 befindlichen Kunststoffbeschichtung 17 voneinander elektrisch isoliert. Jede der beiden Gehäusehälften 11, 12 bildet einen Batteriezellenpol. In der 2 sind ein kathodenseitiger Stromableiter 21 und ein anodenseitiger Stromableiter 23 jeweils mit der Innenseite der kathodenseitigen Gehäusehälfte 11 und der anodenseitigen Gehäusehälfte 12 unmittelbar in elektrischer Verbindung.
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Der Kern der Erfindung besteht darin, dass die Diffusionsdichtheit sowie die Verbindungsfestigkeit der Siegelflansch-Konstruktion 15 mittels der nachfolgend beschriebenen Hilfsfügeelemente 19 gesteigert ist. Ein erstes Hilfsfügeelement 19 und ein zweites Hilfsfügeelement 19 erstrecken sich in der 1 leistenförmig in der Gehäuselängsrichtung x jeweils entlang der Bodenwand 7 und entlang der Deckwand 9. Ein drittes Hilfsfügeelement 19 und viertes Hilfsfügeelement 19 erstrecken sich jeweils leistenförmig in der Gehäusehochrichtung z entlang der jeweiligen schmalen Seitenwand 5.
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Nachfolgend wird anhand der 2 und 3 der Aufbau sowie die Funktionsweise des jeweiligen Hilfsfügeelements 19 beschrieben: Demnach ist das Hilfsfügeelement 19 aus zwei Klemmbacken 25, 27 aufgebaut. Zwischen den Klemmbacken 25, 27 sind die beiden einander überlappenden Fügeflansche 13 unter Aufbau einer zusätzlichen Klemmverbindung mit einer Klemmkraft FK (6) verspannt. Ein erster Klemmbacken 25 ist mit einem Klemmbacken-Sockel 29 ausgebildet. Dieser ist in der 2 durch Sockel-Durchführungen 31, 33 (vergleiche 4 und 5) der beiden Fügeflansche 13 sowie des zweiten Klemmbackens 27 geführt.
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In der 2 überragt der Klemmbacken-Sockel 29 den zweiten Klemmbacken 27 mit einem Sockel-Überstand 35, wodurch sich ein Inneneckbereich zwischen den Sockel-Überstand 35 und dem zweiten Klemmbacken 27 aufspannt. Im Zusammenbauzustand (2) ist in dem Inneneckbereich eine Laserschweiß-Kehlnaht 37 appliziert, damit die auf die Fügeflansche 13 wirkende Klemmkraft FK aufrechterhalten bleibt.
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Die beiden Sockel-Durchführungen 31 sind von einem Fügeflansch-Rand 37 (4) begrenzt, der von einem zusätzlichen Kunststoffmaterial 39 (3) eingefasst ist. Auf diese Weise ist ein unmittelbarer elektrischer Kontakt zwischen den Fügeflanschen 13 und dem Hilfsfügeelement 19 verhindert.
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Nachfolgend wird anhand der 4 bis 7 eine Prozessabfolge zum Zusammenbau des Zellgehäuses 1 beschrieben: Demnach werden zunächst in den beiden umlaufenden Fügeflanschen 13 gemäß der 4 zum Beispiel in einem Stanzprozess Sockel-Durchführungen 31 eingebracht. Diese sind über Fügeflansch-Stege 41 (1 oder 3) in Umfangsrichtung voneinander beabstandet. Die Fügeflansch-Stege 41 sind jeweils am Zellgehäuse-Eckbereich positioniert, das heißt am Übergang zwischen den Seitenwänden 5 und der Bodenwand 7 bzw. der Deckwand 9.
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Die beiden Gehäusehälften 11, 12 werden mit ihren einander zugewandten Fügeflanschen 13 miteinander in Anlage gebracht, so dass die Sockel-Durchführungen 31 der beiden Fügeflansche 13 zueinander in Flucht sind.
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Anschließend wird ein die Sockel-Durchführung 31 begrenzender Fügeflansch-Rand 37 ( 4) mit Kunststoffmaterial 39 (5) eingefasst. Danach wird der erste Klemmbacken 25 mit seinem Klemmbacken-Sockel 29 durch die Sockel-Durchführungen 31 der beiden einander überlappenden Fügeflansche 13 geführt. Auf der in Fügerichtung gegenüberliegenden Seite wird der rahmenförmige zweite Klemmbacken 27 mit einer Klemmkraft FK auf den Klemmbacken-Sockel 29 des ersten Klemmbackens 25 geschoben. Danach startet ein Heißsiegelverfahren, bei dem das Kunststoffmaterial 17 zwischen den beiden Fügeflanschen 13 unter Wärmeeinwirkung Q (6) aufschmilzt. Nach erfolgter Aushärtung des Kunststoffmaterials 17 ergibt sich eine Stoffschlussverbindung zwischen den beiden Fügeflanschen 13 sowie zwischen dem Hilfsfügeelement 19 und den Fügeflanschen 13.
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Wie oben erwähnt, werden während des Siegelverfahrens die beiden Klemmbacken 25, 27 gegeneinander unter Aufbau einer Klemmkraft FK zu einer Klemmverbindung verspannt. Damit die Klemmkraft FK aufrechterhalten bleibt, werden die beiden Klemmbacken 25, 27 mit der Laserschweiß-Naht 40 miteinander verschweißt.
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In dem Ausführungsbeispiel der 1 bis 7 ist die Siegelflansch-Konstruktion 15 an den Zellgehäuse-Eckbereichen jeweils ohne Hilfsfügeelement 19, das heißt ohne zusätzliche Klemmverbindung realisiert. Die Siegelflansch-Konstruktion 15 bildet daher an jedem Zellgehäuse-Eckbereich eine Sollreißstelle, die im Falle eines Druckaufbaus im Zellgehäuse-Inneren infolge eines Zelldefekts aufreißt, damit sich das Zellgehäuse 1 für einen Druckabbau öffnet.
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In der 8 ist eine Fügestelle von Gehäuseteilen 11, 12 einer Batteriezelle gemäß einem zweiten Ausführungsbeispiel gezeigt. Der grundsätzliche Aufbau sowie die Funktionsweise der Fügestelle ist im Wesentlichen identisch mit der in den 1 bis 7 gezeigten Fügestelle, so dass auf die Vorbeschreibung verwiesen wird. In der 8 weisen die beiden Gehäuseteile 11, 12 Fügeflansche 13 auf, die im Gegensatz zu den 1 bis 7 nicht unmittelbar, sondern nur mittelbar unter Zwischenschaltung eines erfindungsgemäßen Hilfsfügeelements 19 miteinander in Stoffschlussverbindung sind. Die Fügeflansche 13 der beiden Gehäuseteilen 11, 12 sind daher in der 8 zueinander überlappungsfrei angeordnet, und zwar unter Bildung einer Sockel-Durchführung 43 zwischen Fügerändern 45 der beiden Fügeflansche 13. Durch die Sockel-Durchführung 43 wird der Klemmbacken-Sockel 29 des ersten Klemmbackens 25 geführt, der mit dem zweiten Klemmbacken 27 zusammenwirkt. Wie im ersten Ausführungsbeispiel ist auch im zweiten Ausführungsbeispiel das Hilfsfügeelement 19 nicht unmittelbar in elektrischem Kontakt mit den Fügeflanschen 13, sondern vielmehr unter Zwischenlage von Kunststoffmaterial 39 von den beiden Fügeflanschen 13 elektrisch isoliert. Das Kunststoffmaterial 39 fasst die beiden einander zugewandten Fügeränder 45 der Fügeflansche 13 ein.
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Bezugszeichenliste
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- 1
- Zellgehäuse
- 2
- Aktivmaterial
- 3
- Flachwände
- 5
- Seitenwände
- 7
- Bodenwand
- 9
- Deckwand
- 11, 12
- Gehäusehälften
- 13
- Fügeflansch
- 15
- Siegelflansch-Konstruktion
- 17
- innenseitiges Kunststoffmaterial
- 19
- Hilfsfügeelement
- 21
- kathodenseitiger Stromableiter
- 23
- anodenseitiger Stromableiter
- 25
- erster Klemmbacken
- 27
- zweiter Klemmbacken
- 29
- Klemmbacken-Sockel
- 31, 33
- Sockel-Durchführungen
- 35
- Sockel-Überstand
- 37
- Fügeflansch-Rand
- 39
- Kunststoffmaterial
- 41
- Fügeflansch-Stege
- 40
- Schweißnaht
- 43
- Sockel-Durchführung
- 45
- Fügeflansch-Ränder
- 47
- Kunststoffmaterial
- F
- Fügeebene
- FK
- Klemmkraft
- Q
- Wärmeeinwirkung
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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