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Die vorliegende Erfindung betrifft eine Deckelbaugruppe eines Batteriezellengehäuses und deren Verwendung gemäß dem Oberbegriff der unabhängigen Patentansprüche.
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Stand der Technik
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Zur Umsetzung der Elektromobilität werden wiederaufladbare Batterien zur mehrfachen Umwandlung von chemischer in elektrische Energie verwendet. Dafür sind Lithium-Ionen-Batterien aufgrund ihrer vergleichsweise großen Energiedichte, ihrer guten thermischen Stabilität und ihrer geringen Selbstentladung besonders geeignet.
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Eine Lithium-Ionen-Batterie umfasst in der Regel mehrere Batteriemodule. Ein Batteriemodul setzt sich wiederum aus mehreren Batteriezellen zusammen. Eine Batteriezelle weist typischerweise ein Batteriezellengehäuse auf, welches zumindest eine Elektrodeneinheit in Form eines Elektrodenwickels oder eines Elektrodenstapels aufnimmt. Dabei kann das Batteriezellengehäuse beispielsweise prismatisch ausgebildet sein.
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Ein prismatisches Batteriezellengehäuse ist typischerweise mit einem plattenförmig ausgebildeten Gehäusedeckel verschlossen, an dem ein positiver und ein negativer Batteriezellenpol zur elektrischen Kontaktierung mit weiteren Batteriezellen angeordnet sind. Dabei kann der positive bzw. negative Batteriezellenpol durch eine Öffnung des Gehäusedeckels durchgeführt und an dem Gehäusedeckel befestigt sein. Im Fall eines undicht ausgeführten Verschlusses dieser Öffnung kann Luft oder Umgebungsfeuchtigkeit durch die Öffnung des Gehäusedeckels in den Innenraum des Batteriezellengehäuses eindringen. Auf solche äußeren Einflüsse reagieren die Elektrodeneinheiten der Batteriezelle sehr empfindlich. Umgekehrt kann auch ein flüssiger Elektrolyt durch diese Öffnung aus dem Innenraum des Batteriezellengehäuses in die Umgebung austreten, welcher entzündbar ist und einen Brand verursachen kann. Daher sollte die Öffnung möglichst abgedichtet ausgebildet werden.
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Dafür wird oftmals eine Mehrzahl an Dichtungselementen und Isolationselementen verwendet, welche wiederum hohe Herstellungskosten und aufwendige Herstellungsprozesse einer Batteriezelle verursachen können.
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Aus dem Dokument
JP 2002216717 A2 ist ein Bleiakkumulator bekannt, bei dem mehrere ringförmige Dichtungselemente umlaufend um ein Durchführungselement eines Batteriezellenpols angeordnet sind.
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Ferner ist aus dem Dokument
JP 2001076689 A2 eine Batteriezelle bekannt, bei der mehrere Isolationsfolien auf einer Elektrodeneinheit der Batteriezelle aufgebracht sind.
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Offenbarung der Erfindung
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Gemäß der vorliegenden Erfindung werden eine Deckelbaugruppe eines Batteriezellengehäuses und deren Verwendung mit den kennzeichnenden Merkmalen der unabhängigen Patentansprüche bereitgestellt.
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Eine erfindungsgemäße Deckelbaugruppe umfasst dabei einen Gehäusedeckel mit einer ersten Aufnahmeöffnung und einen ersten Batteriezellenpol mit einem Durchführungselement, das durch die erste Aufnahmeöffnung des Gehäusedeckels hindurchgeführt ist und das an dessen einem Ende mit einer Polplatte verbunden ist. Dabei ist ein erstes elektrisches Isolationselement zwischen der ersten Polplatte des ersten Batteriezellenpols und dem Gehäusedeckel angeordnet. Erfindungsgemäß ist vorgesehen, dass das erste elektrische Isolationselement einen Schaumstoff aufweist.
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Eine derartige Lösung bietet den Vorteil, dass das Gewicht des ersten elektrischen Isolationselements mit einem Schaumstoff reduziert wird und somit wird das Gesamtgewicht der Deckelbaugruppe möglichst klein gehalten. Ein weiterer Vorteil besteht darin, dass die Menge an Materialien zur Herstellung des ersten elektrischer Isolationselements, welches einen Schaumstoff aufweist, gegenüber solchen Isolationselementen aus festen Materialien reduziert wird. Auf diese Weise werden die Herstellungskosten der betroffen Deckelbaugruppe verringert.
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Weitere vorteilhafte Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung sind Gegenstand der Unteransprüche.
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So ist es von Vorteil, wenn der Schaumstoff ein geschäumtes Polymer aufweist. Dabei ist das Polymer vorzugsweise ein Polyphenylensulfid (PPS).
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PPS gilt hierbei als relativ kostspieliges Material, welches daher eher weniger bei Batteriezellen bevorzugt wird. Jedoch weist PPS eine relativ hohe Temperaturbeständigkeit und eine relativ gute chemische Stabilität auf. Als geschäumtes PPS wird die benötigte Materialienmenge zur Herstellung eines elektrischen Isolationselements verringert und somit wird der genannte Kostennachteil kompensiert. Auf diese Weise wird die Verwendung von PPS in der Deckelbaugruppe ermöglicht ohne hohe Herstellungskosten zu verursachen.
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Alternativ ist es von Vorteil, wenn der Schaumstoff einen geschäumten Klebstoff aufweist. Dabei ist der Klebstoff beispielsweise ein Epoxid-, Acrylat- oder Polyurethan- Klebstoff. Auf diese Weise wird der Gehäusedeckel ohne zusätzliche Verbindungselemente mit der ersten Polplatte des ersten Batteriezellenpols verbunden.
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Weiter ist es vorteilhaft, wenn der Schaumstoff geschlossenzellig ausgeführt ist.
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Ein derartiger Schaumstoff ist dafür vorgesehen, keine Feuchtigkeit oder Flüssigkeit aufzunehmen. So fungiert das erste elektrische Isolationselement, welches den geschlossenzellig ausgeführten Schaumstoff aufweist, auch als Dichtungselement in der betroffenen Deckelbaugruppe. Somit wird kein zusätzliches Dichtungselement benötigt.
Weiterhin ist es vorteilhaft, wenn das erste elektrische Isolationselement einen Mantel und einen von dem Mantel umgebenen Kern umfasst. Dabei weist zumindest der Mantel den Schaumstoff auf.
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Diese Ausgestaltung bietet den technischen Vorteil, dass z.B. raue und unebene Oberflächen des Gehäusedeckels oder der ersten Polplatte des ersten Batteriezellenpols der Deckelbaugruppe durch den Mantel aus Schaumstoff ausgeglichen werden.
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Ferner ist es vorteilhaft, wenn der Mantel und der von dem Mantel umgebene Kern des ersten elektrischen Isolationselements dasselbe Material umfassen.
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Auf diese Weise wird ein elektrisches Isolationselement mit zwei unterschiedlichen Härten relativ einfach bereitgestellt. Weist der Kern des ersten elektrischen Isolationselements einen massiven Aufbau auf, wird ein Mindestabstand zwischen dem Gehäusedeckel und der ersten Polplatte des ersten Batteriezellenpols sichergestellt. Dadurch wird eine zuverlässige elektrische Isolation des Gehäusedeckels gegenüber dem ersten Batteriezellenpol gewährleistet.
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Die gemäß der vorliegenden Erfindung bereitgestellte Deckelbaugruppe lässt sich vorteilhaft in Batteriezellen einsetzen, welche wiederum ihre Anwendung in einem Elektrofahrzeug (Electric Vehicle, EV), in einem Hybridfahrzeug (Hybride Electric Vehicle, HEV) oder in einem Plug-In-Hybridfahrzeug (Plug-In-Hybride Electric Vehicle, PHEV) finden.
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Figurenliste
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In der Zeichnung sind vorteilhafte Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung dargestellt und in der nachfolgenden Figurenbeschreibung näher erläutert. Es zeigt:
- 1 eine Schnittansicht einer Deckelbaugruppe gemäß einer beispielhaften Ausführungsform der vorliegenden Erfindung und
- 2 eine Schnittansicht eines ersten elektrischen Isolationselements gemäß einer weiteren beispielhaften Ausführungsform der vorliegenden Erfindung.
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In 1 ist eine beispielhafte Ausführungsform einer erfindungsgemäßen Deckelbaugruppe 10 gemäß der vorliegenden Erfindung schematisch dargestellt.
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Die Deckelbaugruppe 10 umfasst beispielsweise einen Gehäusedeckel 12, welcher in 1 mit einer ersten Aufnahmeöffnung 14 versehen ist. In der Regel beinhaltet der Gehäusedeckel 12 noch eine zweite Aufnahmeöffnung, welche typischerweise der ersten Aufnahmeöffnung 14 entsprechend ausgestaltet ist. Die zweite Aufnahmeöffnung ist in 1 schematisch nicht abgebildet und bezüglich deren entsprechender Beschreibung wird auf die erste Aufnahmeöffnung 14 des Gehäusedeckels 12 verwiesen.
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Weiter umfasst die Deckelbaugruppe 10 einen ersten Batteriezellenpol 16, welcher sich beispielsweise aus einem Durchführungselement 160 und einer an dessen einem Ende aufgebrachten ersten Polplatte 161 sowie einer mit dessen anderem Ende verbundenen zweiten Polplatte 162 zusammensetzt. Die erste Polplatte 161 des ersten Batteriezellenpols 16 ist dabei beispielsweise mit dem Durchführungselement 160 des ersten Batteriezellenpols 16 verschraubt. Dabei kann die erste Polplatte 161 derart gegen die zweite Polplatte 162 des ersten Batteriezellenpols 16 verspannt sein, dass das Durchführungselement 160 des ersten Batteriezellenpols 16 in der ersten Aufnahmeöffnung 14 des Gehäusedeckels 12 ortsfest fixiert wird. Dabei sind das Durchführungselement 160 und die erste sowie die zweite Polplatte 161, 162 des ersten Batteriezellenpols 16 beispielsweise aus Aluminium hergestellt. Die Länge bzw. die Breite der beiden Polplatten 161, 162 des ersten Batteriezellenpols 16 ist grundsätzlich nach jeweiligem Anwendungsfall frei wählbar. Ein Luftspalt 17 ist bspw. vollumfänglich umlaufend um das Durchführungselement 160 des ersten Batteriezellenpols 16 in der ersten Aufnahmeöffnung 14 des Gehäusedeckels 12 ausgebildet. Auf diese Weise ist das Durchführungselement 160 des ersten Batteriezellenpols 16 z.B. gegenüber dem Gehäusedeckel 12 elektrisch isoliert.
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Um die erste Aufnahmeöffnung 14 des Gehäusedeckels 12 gegenüber einem Austreten eines flüssigen Elektrolyten abzudichten und um den Gehäusedeckel 12 gegenüber der ersten Polplatte 161 des ersten Batteriezellenpols 16 elektrisch zu isolieren, ist beispielsweise ein erstes elektrisches Isolationselement 18 mit einer ersten Öffnung 180 für das Durchführungselement 160 des ersten Batteriezellenpols 16 zwischen der ersten Polplatte 161 des ersten Batteriezellenpols 16 und dem Gehäusedeckel 12 angeordnet. Dabei weist das erste elektrische Isolationselement 18 z.B. einen Schaumstoff 183 auf. Der Schaumstoff 183 ist z.B. ein geschäumtes Polyphenylensulfid (PPS), welches durch Mischen des zu schäumenden PPS mit einer gasentwickelnden Substanz bereitgestellt ist. Alternativ ist das geschäumtes PPS durch Zugeben eines Inertgases zu dem zu schäumenden PPS bereitgestellt. Das geschäumtes PPS ist dabei z.B. geschlossenzellig ausführt.
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Weiter ist ein zweites elektrisches Isolationselement 19 mit einer zweiten Öffnung 190 zwischen dem Gehäusedeckel 12 und der zweiten Polplatte 162 des ersten Batteriezellenpols 16 positioniert, um die erste Aufnahmeöffnung 14 des Gehäusedeckels 12 gegenüber einem Eindringen von Umgebungsfeuchtigkeit abzudichten und weiterhin beispielsweise um den Gehäusedeckel 12 gegenüber der zweiten Polplatte 162 des ersten Batteriezellenpols 16 elektrisch zu isolieren. Dabei ist das zweite elektrische Isolationselement 19 z.B. dem ersten elektrischen Isolationselement 18 entsprechend ausgebildet und weist ein geschäumtes PPS auf.
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In 2 ist eine weitere beispielhafte Ausführungsform eines ersten elektrischen Isolationselements 28 gemäß der vorliegenden Erfindung schematisch dargestellt. Es bezeichnen gleiche Bezugszeichen gleiche Bauteilkomponenten wie in 1.
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Das erste elektrische Isolationselement 28 ist beispielsweise ringförmig ausgebildet und mit einer ersten Öffnung 180 versehen. Weiter ist das erste elektrische Isolationselement 28 z.B. ein mittels Spritzguss bereitgestelltes zweitteiliges Bauteil, welches einen Mantel 281 und einen von dem Mantel 281 umgebenen Kern 282 aufweist. Der Mantel 281 und der Kern 282 sind beispielsweise aus einem Polyphenylensulfid (PPS) ausgeführt, wobei der Mantel 281 ein geschäumtes PPS 283 als Schaumstoff aufweist. Dabei ist das geschäumtes PPS 283 z.B. geschlossenzellig ausgeführt und umfasst mehrere Poren 284 unterschiedlicher Größe.
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Die erfindungsgemäße Deckelbaugruppe 10 lässt sich vorteilhaft in Lithium-Ionen-Batterien verwenden. Diese wiederum finden Anwendung in E-Bikes oder Kraftfahrzeugen sowie in der stationären Speicherung elektrischer Energie.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- JP 2002216717 A2 [0006]
- JP 2001076689 A2 [0007]
