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Die Erfindung betrifft eine Batteriezelle für ein Hochvoltbatteriesystem nach dem Oberbegriff des Anspruches 1.
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In einer herkömmlichen Batteriezelle sind die Batteriezellenpole als Zell-Terminals realisiert. Diese sind als separate Bauteile unter Zwischenlage einer elektrischen Isolierung durch Durchführungsöffnungen zum Beispiel in der Zellgehäuse-Deckwand geführt. Im Zellgehäuse-Inneren sind die beiden Batteriezellenpole zum Beispiel über Stromsammelschienen an den Stromableitern des Aktivmaterials der Batteriezelle angebunden.
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Im Gegensatz dazu ist in einer gattungsgemäßen Batteriezelle zumindest einer der Stromableiterbereiche nicht mehr mit einem Zell-Terminal verbunden. Vielmehr ist der Stromableiterbereich unmittelbar mit einer Zellgehäusewand elektrisch leitend verbunden, so dass die Zellgehäusewand den Batteriezellenpol bildet.
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Bei einer solchen Batteriezelle kann der Stromableiterbereich nicht mehr aus einem einzelnen umgeklappten Stromableiterfähnchen bestehen, sondern aus einer Vielzahl solcher Stromableiterfähnchen, die insgesamt eine große Kontaktierungsfläche bereitstellen, die in direktem Kontakt mit der Zellgehäusewand ist.
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Um einen reduzierten Übergangswiderstand zu erzielen, kann die Kontaktierungsfläche mit der Zellgehäusewand verschweißt sein. Dagegen würde ein loser Kontakt zwischen der Zellgehäusewand und der Kontaktierungsfläche zu einem bedeutend größeren Übergangswiderstand führen. Aufgrund der beschränkten Zugänglichkeit der Fügestelle zwischen der Kontaktierungsfläche und der Zellgehäusewand ist jedoch die Schweißverbindung fertigungstechnisch aufwendig durchzuführen.
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Die Aufgabe der Erfindung besteht darin, eine Batteriezelle für ein Hochvoltbatteriesystem bereitzustellen, die im Vergleich zum Stand der Technik fertigungstechnisch einfacher herstellbar ist.
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Die Aufgabe ist durch die Merkmale des Anspruches 1 gelöst. Bevorzugte Weiterbildungen der Erfindung sind in den Unteransprüchen offenbart.
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Die Erfindung geht von einer Batteriezelle mit einem Zellgehäuse aus, in dem zumindest ein Aktivmaterial angeordnet ist. Das Aktivmaterial besteht aus Kathoden-, Separator- und Anoden-Lagen. Beispielhaft kann das Aktivmaterial als eine Wicklung oder als ein Stapel bereitgestellt sein. Das Aktivmaterial weist einen kathodenseitigen Stromableiterbereich und einen anodenseitigen Stromableiterbereich auf, die jeweils mit einem kathodenseitigen Batteriezellenpol und mit einem anodenseitigen Batteriezellenpol verbunden sind. An den Batteriezellenpolen erfolgt ein Batteriezellen-Stromabgriff. Zumindest einer der Stromableiterbereiche ist unmittelbar mit einer Zellgehäusewand elektrisch leitend verbunden, so dass die Zellgehäusewand den Batteriezellenpol bildet (unter Wegfall eines separaten Zell-Terminals). Um eine fertigungstechnisch einfache Herstellung der Batteriezelle zu ermöglichen, weist gemäß dem kennzeichnenden Teil des Anspruches 1 die Zellgehäusewand eine Doppelwandstruktur auf, und zwar mit einer inneren Montagewand und einer Außenwand. An der inneren Montagewand ist der Stromableiterbereich elektrisch leitend befestigt. Die Außenwand überdeckt im Zusammenbauzustand die innere Montagewand und dichtet das Zellgehäuse nach außen ab. Von daher kann die innere Montagewand im Hinblick auf ihre Montagefunktion optimiert werden, während die Außenwand im Hinblick auf ihre Dichtfunktion und/oder Versteifungsfunktion optimierbar ist.
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Der Stromableiterbereich kann aus einer Vielzahl von umgeklappten Ableiterfähnchen realisiert sein, die insgesamt eine große Kontaktierungsfläche bilden.
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Sowohl für Rundzellen als auch für prismatische Zellen kann der Becher so gefertigt werden, dass die Seitenwände die finale Dicke erlangen, aber der Boden sehr dünn ausgeprägt ist. Dies lässt sich beispielsweise mit dem Fließpressverfahren umsetzen. In dem Boden der Gehäusekönnen entweder Löchereingelassen werden oderimZuge des Fließpressverfahrens die Löcher angedeutet werden, indem diese durch eine Stempelform beim Fließpressen extrem dünn gestaltet werden, dass diese im weiteren Verfahren den ausgestanzten Löchern keinen Nachteil bringen. Das Muster der Löcher kann variieren.
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Nachdem die Löcher oder das extrem dünne Lochmuster im dünnen Boden des Bechers umgesetzt wurden, wird der zumindest eine Wickel in das Gehäuse eingelassen. Die aus den Ableiterfähnchen entstehende Kontaktierungsfläche muss den dünnen Boden des ausgestanzten Bodens berühren und darauf aufliegen.
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Anschließend wird der Wickel von unten zum Beispiel mithilfe von Laserschweißen durch die Löcher stoffschlüssig mit dem dünnen Boden verbunden, sodass eine umlaufendverschweißte und verstärkende Platte den tatsächlichen Zellboden bildet. Diese Bodenplatte kann in unterschiedlichen Varianten ausgeführt werden.
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Nachfolgend sind Erfindungsaspekte nochmals im Einzelnen hervorgehoben: So kann in einer technischen Umsetzung der Stromableiterbereich des Aktivmaterials über eine Stoffschlussverbindung, insbesondere über eine Schweißverbindung, an der inneren Montagewand befestigt werden. Hierzu eignet sich insbesondere ein Laserschweißprozess. Um die Befestigung des Stromableiterbereiches an der inneren Montagewand zu vereinfachen, kann die innere Montagewand Zugangsöffnungen aufweisen, mittels der die Zugänglichkeit zur Fügestelle zwischen dem Stromableiterbereich und der inneren Montagewand gesteigert ist, und zwar insbesondere für einen Schweißzugang.
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In einer technischen Umsetzung kann das Zellgehäuse ein becherförmiges Gehäuseteil mit einem Gehäuseboden und einer davon hochgezogenen Seitenwandung aufweisen. Deren offene Deck-Stirnseite kann eine Bestückungsöffnung bilden, über die das Aktivmaterial in das Zellgehäuse-Innere einsetzbar ist. In diesem Fall kann speziell der Gehäuseboden als doppelwandige Zellgehäusewand im Sinne der Erfindung realisiert sein. Nach erfolgter Bestückung mit dem Aktivmaterial wird das becherförmige Gehäuseteil mit einer Deckel-Baugruppe geschlossen. In der Deckel-Baugruppe kann ein Zell-Terminal eingebaut sein, der als separates Bauteil unter Zwischenlage einer elektrischen Isolierung durch Durchführungsöffnungen in der Deckel-Baugruppe geführt ist. Der Zell-Terminal ist im Zellgehäuse-Inneren zum Beispiel über eine Stromsammelschiene mit dem anderen Stromableiterbereich des Aktivmaterials elektrisch leitend verbunden.
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Die doppelwandige Zellgehäusewand kann bevorzugt elektrisch leitend im Zellgehäuse integriert sein. In diesem Fall kann das gesamte Zellgehäuse, mit Ausnahme des Zell-Terminals, den Batteriezellenpol bilden.
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Die innere Montagewand sowie die Seitenwandung können bevorzugt materialeinheitlich und einstückig in einem Tiefziehteil ausgebildet sein.
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Die Hauptfunktion der inneren Montagewand besteht darin, eine fertigungstechnisch einfache Anbindung des Stromableiterbereiches zu ermöglichen, während die Hauptfunktion der Außenwand einerseits darin besteht, das Zellgehäuse nach außen abzudichten und andererseits die Bauteilsteifigkeit des Zellgehäuses zu erhöhen. Vor diesem Hintergrund kann die innere Montagewand mit einer im Vergleich zur Außenwand stark reduzierten Wandstärke ausgebildet sein.
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Im Hinblick auf ein formstabiles Zellgehäuse können die innere Montagewand und die Außenwand miteinander großflächig, das heißt im Wesentlichen spaltfrei, in Anlage sein. Alternativ dazu können die innere Montagewand und die Außenwand über einen Freiraum voneinander beabstandet sein, in den Fügemittel, zum Beispiel Schweißnähte, einragen können. Der Freiraum kann bevorzugt mit einem Wärmeleitmedium, etwa einer Wärmeleitpaste gefüllt sein.
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Zur Steigerung der Gehäusesteifigkeit kann die Außenwand unter Bildung einer kraftübertragenden Knotenstelle mit der Seitenwandung verbunden sein. Nachfolgend werden unterschiedliche Ausführungsvarianten einer solchen Knotenstelle beschrieben: So kann gemäß einer ersten Ausführungsvariante die Seitenwandung in einer Zellgehäuse-Hochrichtung die innere Montagewand mit einem Randsteg bodenseitig überragen. Die Außenwand kann an der Steg-Bodenseite des Randstegs angebunden sein.
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In einer weiteren Ausführungsvariante kann die Außenwand eine randseitige Anlageschulter aufweisen, die unter Bildung eines Inneneckbereiches in einen Außenwand-Sockel übergeht. Der Inneneckbereich der Außenwand kann die Steg-Bodenseite und eine Steg-Innenseite formschlüssig sowie konturangepasst einfassen.
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In einer weiteren Ausführungsvariante kann sich die Außenwand zwischen einander gegenüberliegenden Steg-Innenseiten von Randstegen erstrecken. In diesem Fall kann die Außenwand flächenbündig mit der Steg-Bodenseite abschließen.
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In einer weiteren Ausführungsvariante kann die Außenwand auf der, der inneren Montagewand zugewandten Seite zurückgesetzte Freigänge aufweisen, in die gegebenenfalls Fügemittel, zum Beispiel Schweißnähte, einragen können.
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Nachfolgend sind Ausführungsbeispiele der Erfindung anhand der beigefügten Figuren beschrieben.
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Es zeigen:
- 1 bis 13 jeweils Ansichten unterschiedlicher Ausführungsbeispiele der Batteriezelle.
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In der 1 ist grob vereinfacht eine Batteriezelle in Schnittdarstellung gezeigt. Die Batteriezelle ist insoweit dargestellt, als es für das Verständnis der Erfindung erforderlich ist. Die Batteriezelle weist in der 1 ein Metall-Zellgehäuse 1 auf, das aus einem Gehäuseboden 3, einer Seitenwandung 5 und einer Deckel-Baugruppe 7 aufgebaut ist. Im Zellgehäuse-Inneren ist ein Aktivmaterial 9 angeordnet. Das Aktivmaterial 9 besteht in der 1 beispielhaft aus zwei Wicklungen, in denen Kathoden-, Separator- und Anoden-Lagen aufgewickelt sind. Zudem weist das Aktivmaterial 9 deckseitige Stromableiterbereiche 11 und bodenseitige Stromableiterbereiche 13 auf. Die beiden bodenseitigen Stromableiterbereiche 13 sind in der 1 über Schweißverbindungen 10 mit dem Gehäuseboden 3 elektrisch verbunden.
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Die deckelseitigen Stromableiterbereiche 11 sind in der 1 über eine Stromsammelschiene 15 mit einem Zell-Terminal 17 elektrisch verbunden, der einen Batteriezellenpol bildet. Der Zell-Terminal 17 ist in der 1 unter Zwischenlage einer elektrischen Isolierung 19 durch eine Durchführungsöffnung der Deckel-Baugruppe 7 geführt. Der andere Batteriezellenpol ist in der 1 vom Zellgehäuse 1 gebildet, bestehend aus Gehäuseboden 3, Seitenwandung 5 und Deckel-Baugruppe 7.
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Wie aus der 1 weiter hervorgeht, weist der Gehäuseboden 3 eine Doppelwandstruktur auf, und zwar mit einer inneren Montagewand 21 und einer Außenwand 23. Die bodenseitigen Stromableiterbereiche 13 sind über die Schweißverbindungen 10 an der inneren Montagewand 21 angebunden. Die Außenwand 23 überdeckt die innere Montagewand 21 und ist an kraftübertragenden Knotenpunkten K bauteilsteif an der Seitenwandung 5 angebunden.
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In der 1 sind die innere Montagewand 21 sowie die Seitenwandung 5 materialeinheitliche und einstückige Bestandteile eines Tiefziehteiles, während die Außenwand 23 als separates Bauteil über ein geeignetes Fügeverfahren bodenseitig am Tiefziehteil angebunden ist.
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In der 3 ist die innere Montagewand 21 des Tiefziehteils in einer Ansicht von oben gezeigt. Demnach ist die innere Montagewand 21 nicht vollflächig geschlossen ausgebildet, sondern vielmehr mit Zugangsöffnungen 25, die als Längsschlitze realisiert sind. Mittels der Zugangsöffnungen 25 ist ein Schweißzugang bereitgestellt, mit dem eine Anbindung der bodenseitigen Stromableiterbereiche 13 an der inneren Montagewand 21 vereinfacht ist. Die innere Montagewand 21 weist in der 1 eine Wandstärke auf, die im Vergleich zur Wandstärke der Außenwand 23 stark reduziert ist. Gemäß der 1 oder 2 sind die innere Montagewand 21 und die Außenwand 23 miteinander großflächig, das heißt spaltfrei, in Anlage. Die innere Montagewand 21 schließt mit ihren äußeren Randkanten 27 flächenbündig mit der Seitenwandung 5 ab.
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In den 4 und 5 ist ein weiteres Ausführungsbeispiel gezeigt, in dem die Seitenwandung 5 in einer Zellgehäuse-Hochrichtung z die innere Montagewand 21 mit einem Randsteg 29 bodenseitig überragt. Die Außenwand 23 des Gehäusebodens 3 weist in der 4 eine randseitige Anlageschulter 31 auf, die unter Bildung eines Inneneckbereiches in einen Außenwand-Sockel 35 übergeht. Der Inneneckbereich der Außenwand 23 fasst eine Steg-Bodenseite und eine Steg-Innenseite des Randstegs 29 formschlüssig sowie konturangepasst ein.
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In den 6 bis 8 ist ein weiteres Ausführungsbeispiel der Batteriezelle gezeigt. Demzufolge ist die Außenwand 23 des Gehäusebodens 3 in Anlage mit der Steg-Bodenseite des Randstegs 29. Zudem ist zwischen der Außenwand 23 und der inneren Montagewand 21 ein Freiraum 37 gebildet. Dieser kann gegebenenfalls mit einem Wärmeleitmedium 39 (8) gefüllt sein.
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Gemäß den 9 und 10 weist die Außenwand 23 auf der, der inneren Montagewand 21 zugewandten Seite zurückgesetzte Freigänge 41 auf, in die die Schweißnähte der Schweißverbindung 10 einragen können.
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In der 11 ist ein weiteres Ausführungsbeispiel gezeigt, in dem die innere Montagewand 21 und die Außenwand 23 des Gehäusebodens 3 miteinander spaltfrei in Anlage sind. Die Außenwand 23 erstreckt sich in Querrichtung zwischen den, in der Zellgehäuse-Querrichtung gegenüberliegenden Steg-Innenseiten und schließt mit der Steg-Bodenseite flächenbündig ab.
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In den 12 und 13 sind weitere Ausführungsbeispiele der inneren Montagewand 21 gezeigt. In der 12 sind die Zugangsöffnungen 25 als eine Vielzahl von ovalen Ausnehmungen in die innere Montagewand 21 eingearbeitet. In der 13 sind die Zugangsöffnungen 25 als Querschlitze realisiert.
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Bezugszeichenliste
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- 1
- Zellgehäuse
- 3
- Gehäuseboden
- 5
- Seitenwandung
- 7
- Deckel-Baugruppe
- 9
- Aktivmaterial
- 10
- Schweißverbindung
- 11, 13
- Stromableiterbereiche
- 15
- Stromsammelschiene
- 17
- Zell-Terminal
- 19
- elektrische Isolierung
- 21
- innere Montagewand
- 23
- Außenwand
- 25
- Zugangsöffnungen
- 27
- Randkanten der Außenwand 23
- 29
- Randsteg
- 31
- Anlageschulter
- 35
- Sockel
- 37
- Freiraum
- 39
- Wärmeleitmedium
- K
- Knotenstelle
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- EP 2071649 A1 [0006]
- EP 2472642 A2 [0006]
