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Die Erfindung betrifft eine Batterie mit einem starren wannenförmigen Gehäuseteil. Ferner betrifft die Erfindung ein Verfahren zur Herstellung einer Batterie.
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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 Modulgehäuse angeordnet sind, und die miteinander elektrisch in Reihe und/oder parallel geschaltet sind.
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Jede der Batterien wiederum umfasst üblicherweise mehrere Batteriezellen, die auch als galvanisches Element bezeichnet werden. Diese weisen jeweils zwei Elektroden, nämlich eine Anode und eine Kathode, sowie einen dazwischen angeordneten Separator als auch einen Elektrolyten mit freibeweglichen Ladungsträgern auf. 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. Die Anode und die Kathode, die die Elektroden der Batterie bilden, umfassen üblicherweise einen Träger, der als Stromableiter fungiert. An diesem ist üblicherweise ein Aktivmaterial befestigt, das ein Bestandteil einer auf den Träger, der auch als Ableiter bezeichnet wird, 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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Zum Schutz der Batteriezellen sind diese üblicherweise in einem Gehäuse der Batterie angeordnet, der auch als Zellbecher bezeichnet wird. Auch wird mittels des Gehäuses zudem der Elektrolyt vor Umwelteinflüssen geschützt. Damit mittels der Batterie eine vergleichsweise große Kapazität bereitgestellt ist, sind üblicherweise mehrere derartige Batteriezellen, üblicherweise mehr als 80 Stück, beispielsweise zwischen 84 Stück und 108 Stück, in dem gemeinsamen Gehäuse angeordnet. Um den vorhandenen Platz vergleichsweise effizient auszunutzen und eine Fertigung zu vereinfachen, sind die einzelnen Bestandteile der jeweiligen Batteriezellen flächig ausgestaltet und in einer Stapelrichtung übereinander gestapelt. Die einzelnen Batteriezellen sind dabei in der Stapelrichtung übereinander gestapelt, sodass ein im Wesentlichen quaderförmiger Zellstapel gebildet ist.
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Damit eine vergleichsweise hohe Lebensdauer und Zyklenbeständigkeit der einzelnen Batteriezellen gegeben ist, ist es erforderlich, dass die Anoden und Kathoden deckungsgleich übereinander liegen. Anderenfalls sind Alterungsreaktionen beschleunigt. Zudem werden für die Bereitstellung der Kapazität der Batterie, also zur Aufnahme der jeweiligen Ionen, lediglich diejenigen Bereiche der Anoden und Kathoden herangezogen, die deckungsgleich übereinanderliegen. Bei einem Versatz der Anoden und Kathoden wird somit lediglich ein Teil der jeweiligen Elektroden zur Bereitstellung der Kapazität verwendet, sodass eine Energiedichte verringert ist. Daher ist es erforderlich, bei der Herstellung die Anoden und Kathoden zueinander vergleichsweise exakt auszurichten. Hierfür werden üblicherweise zunächst die einzelnen Elektroden sowie die Separatoren an einen Führungsrahmen befestigt.
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An den einzelnen Elektroden ist meist jeweils eine Elektrodenfahne angeformt, wofür der jeweiligen Ableiter oder Träger verlängert ausgeführt und in diesem Bereich nicht mit dem Aktivmaterial versehen ist. Die einzelnen Elektrodenfahnen werden miteinander elektrisch kontaktiert, sodass eine gewünschte Verschaltung der einzelnen Batteriezellen erfolgt. Zudem werden zwei Terminals bei der Verschaltung berücksichtigt, die mit einigen der Elektrodenfahnen elektrisch kontaktiert werden, und die den Anschluss der Batterie bilden. Nach Befestigung der beiden Terminals wird der Führungsrahmen in dem Gehäuse platziert, wobei die Terminals durch entsprechende Durchbrüche in dem Gehäuse geführt werden, sodass diese außerhalb des Gehäuses angeordnet sind. Nachfolgend wird das Gehäuse verschlossen.
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Aufgrund des Führungsrahmens ist in dem Gehäuse ein Raumbereich erforderlich, der nicht mit Aktivmaterial oder sonstigem Material befüllt ist, das zur Speicherung der elektrischen Energie dient. Folglich ist ein Energiedichte verringert und ein Gewicht erhöht. Auch ist das das Durchführen der Terminals durch die jeweiligen Durchbrüche in dem Gehäuse vergleichsweise aufwendig.
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Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine besonders geeignete Batterie und ein besonders geeignetes Verfahren zur Herstellung einer Batterie anzugeben, wobei vorteilhafterweise eine Energiedichte erhöht und/oder ein Gewicht verringert ist, wobei zweckmäßigerweise die Herstellung vereinfacht ist.
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Hinsichtlich der Batterie wird diese Aufgabe durch die Merkmale des Anspruchs 1 und hinsichtlich des Verfahrens durch die Merkmale des Anspruchs 9 erfindungsgemäß gelöst. Vorteilhafte Weiterbildungen und Ausgestaltungen sind Gegenstand der jeweiligen Unteransprüche.
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Die Batterie ist insbesondere wiederaufladbar ausgestaltet und zweckmäßigerweise eine Sekundärbatterie. Insbesondere ist die Batterie eine prismatische Zelle. Vorzugsweise ist die Batterie 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 Gehäuse 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.
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Das Gehäuse des Energiespeichers bzw. des jeweiligen Batteriemoduls ist bevorzugt aus einem Metall gefertigt, beispielsweise einem Stahl, wie einem Edelstahl, oder einer Aluminiumlegierung. Zur Herstellung wird zum Beispiel ein Druckgussverfahren, Tiefzugverfahren, Gießpressen oder Strangpressen verwendet. Insbesondere ist das Gehäuse des Energiespeichers bzw. des jeweiligen Batteriemoduls verschlossen ausgestaltet. Zweckmäßigerweise ist in das Gehäuse des Energiespeichers bzw. des jeweiligen Batteriemoduls 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, geeigneterweise mehrere oder alle, mittels eines Antriebs angetrieben sind. Insbesondere 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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In einer weiteren Alternative ist die Batterie ein Bestandteil eines Flurförderfahrzeug, einer Industrieanlage, eines handgeführten Geräts, wie beispielsweise eines Werkzeugs, insbesondere eines Akkuschraubers. In einer weiteren Alternative ist die Batterie ein Bestandteil einer Energieversorgung und wird dort beispielsweise als sogenannte Pufferbatterie verwendet. In einer weiteren Alternative ist die Batterie ein Bestandteil eines tragbaren Geräts, beispielsweise eines tragbaren Mobiltelefons, oder eines sonstigen Wearables. Auch ist es möglich, eine derartige Batterie im Campingbereich, Modellbaubereich oder für sonstige Outdoor-Aktivitäten zu verwenden.
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Die Batterie weist mehrere Elektroden auf, die flächig ausgestaltet sind. Folglich weisen die Elektroden eine Hauptausdehnung in zwei Dimensionen auf, wobei in der dritten Dimension die Ausdehnung vergleichsweise gering ist. Insbesondere sind hierbei die Elektroden platten-, blattförmig oder folienartig ausgestaltet. Hierbei sind die Elektroden auf Anoden und Kathoden aufgeteilt, wobei die Batterie zweckmäßigerweise genauso viele Anoden wie Kathoden aufweist oder insbesondere eine Anode mehr. Zudem umfasst die Batterie mehrere Separatoren, die beispielsweise zueinander baugleich sind. Zumindest jedoch sind die Separatoren ebenfalls flächig ausgestaltet. Folglich ist auch bei den Separatoren eine Ausdehnung in einer der dritten Dimension vergleichsweise gering, und die Separatoren sind folienartig oder blattförmig.
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Die Elektroden und Separatoren sind zueinander parallel und senkrecht zu einer ersten Richtung angeordnet. Ferner sind die Elektroden und Separatoren abwechselnd übereinander in der ersten Richtung gestapelt und insbesondere zumindest teilweise deckungsgleich zueinander angeordnet. Hierbei wechseln sich in der ersten Richtung zweckmäßigerweise die Anoden und die Kathoden ab.
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Die Elektroden, also die Anoden und Kathoden, umfassen vorzugsweise einen metallischen Ableiter, der auch als Träger bezeichnet ist. Dieser ist aus einem Metall gefertigt und mit einem Aktivmaterial versehen. Das Aktivmaterial dient zur Aufnahme von Arbeitsionen, wie Lithium-Ionen, und ist hierfür geeignet sowie vorgesehen und eingerichtet. Als Aktivmaterial wird für die Kathode beispielsweise ein Lithium-Metall-Oxid, wie Lithium-Cobalt(III)-Oxid (LiCoO2), NMC, beispielsweise NMC622 oder NMC811, NCA oder, LFP, und für die Anode, LTO oder Graphit, Si-basiert, verwendet. Insbesondere ist das Aktivmaterial ein Bestandteil einer jeweiligen Schicht, die auf den jeweiligen Ableiter aufgetragen ist. Die Schicht umfasst dabei zweckmäßigerweise ein Leitadditiv, wie Leitruß, und beispielsweise einen Binder. Als Metall des Ableiters der Kathoden wird beispielsweise Aluminium und als Metall des Ableiter der Anoden Kupfer verwendet. Insbesondere sind die Ableiter folienförmig ausgestaltet und weisen zweckmäßigerweise eine Dicke unter 0,1 mm auf. Besonders bevorzugt sind dabei sämtliche Anode und sämtliche Kathoden jeweils zueinander baugleich, was eine Herstellung vereinfacht.
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An zumindest einige der Elektroden ist jeweils eine Elektrodenfahne angeformt. Die Elektrodenfahnen sind vorzugsweise aus einem elektrisch leitfähigen Material erstellt. Geeigneterweise steht jede Elektrodenfahne randseitig über die jeweilige Elektrode über. Insbesondere ist jede Elektrodenfahne mittels des etwaigen Ableiters/Trägers der jeweiligen Elektrode gebildet, der hierfür vergrößert ist. Die Elektrodenfahnen sind jeweils insbesondere streifenförmig und erstrecken sich vorzugsweise in der gleichen Ebene wie die jeweilige Elektrode. Mit anderen Worten sind die Elektrodenfahnen somit ebenfalls flächig ausgestaltet sowie senkrecht zur ersten Richtung angeordnet.
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Die Batterie weist ferner ein wannenförmiges Gehäuseteil auf, das starr ausgebildet ist. Mit anderen Worten ist das Gehäuseteil topfförmig und weist folglich einen Boden, der auch als Gehäuseboden bezeichnet ist, sowie einen hohlzylindrischen Abschnitt auf, der beispielsweise mittels einer gemeinsamen Wand, die auch als Seitenwand bezeichnet ist, oder mehrere Wände/Seitenwände gebildet ist oder diese zumindest umfasst. Der zylindrische Abschnitt ist beispielsweise ein Hohlzylinder oder weist im Vergleich zum Hohlzylinder geneigte (Seiten-)Wände oder zumindest eine geneigte Seitenwand auf. Der Querschnitt des Hohlzylinders ist beispielsweise kreisförmig oder besonders bevorzugt rechteckförmig, sodass das Gehäuseteil im Wesentlichen quaderförmig ausgestaltet ist. Das Gehäuseteil erstreckt sich entlang der ersten Richtung. Mit anderen Worten ist der Boden des Gehäuseteils senkrecht zur ersten Richtung, und die Achse des etwaigen hohlzylindrischen Abschnitts ist parallel zur ersten Richtung. Insbesondere ist eine Symmetrieachse des Gehäuseteils parallel zur ersten Richtung. Das Gehäuseteil ist besonders bevorzugt einstückig und vorzugsweise aus einem Metall gefertigt. Beispielsweise ist das Gehäuseteil aus einem Aluminium oder Edelstahl erstellt, zweckmäßigerweise jeweils mittels Tiefziehens.
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Das Gehäuseteil, das auch als Zellwanne bezeichnet ist, weist einen zur ersten Richtung parallel verlaufenden ersten Schlitz auf, der randseitig offen ist. Mit anderen Worten ist der erste Schlitz U-förmig. Der erste Schritt ist hierbei in die etwaige Wand oder eine der Wände des Gehäuseteils eingebracht, zumindest jedoch bevorzugt in den hohlzylindrischen Abschnitt. Die randseitige Öffnung des ersten Schlitzes befinden sich zweckmäßigerweise auf der dem (Gehäuse-) Boden in der ersten Richtung gegenüberliegenden Ende des etwaigen hohlzylindrischen Abschnitts. Aufgrund der randseitigen Öffnung ist es möglich, in der ersten Richtung Objekte in den ersten Schlitz einzuführen.
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Die Elektrodenfahnen liegen in dem ersten Schlitz ein. Folglich ragen die Elektrodenfahnen durch den ersten Schlitz hindurch und sind somit durch das Gehäuseteil geführt, vorzugsweise die etwaige Wand. Mit anderen Worten befindet sich ein Teil der Elektrodenfahnen oder zumindest die jeweils zugeordnete Elektrode innerhalb des Gehäuseteils, wohingegen zumindest ein Teil jeder Elektrodenfahne außerhalb des Gehäuseteils angeordnet ist.
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Folglich wird die Position der Elektrodenfahnen mittels des ersten Schlitzes bestimmt, und die Position der die Elektrodenfahnen aufweisenden Elektroden wird mittels des ersten Schlitzes vorgegeben. Auch werden diese Elektroden mittels des ersten Schlitzes stabilisiert. Infolgedessen ist es zur Fertigung möglich, bei Stapeln der Elektroden in das Gehäuseteil die Elektrodenfahnen in den ersten Schlitz einzuführen. Infolgedessen wird die Position dieser Elektroden innerhalb des Gehäuseteils bestimmt, wobei kein zusätzliches Bauteil, wie ein Rahmen, erforderlich ist, weswegen ein Gewicht reduziert ist. Auch sind vergleichsweise wenige Bauteile erforderlich, sodass Herstellungskosten reduziert sind. Zudem ist es nicht erforderlich, innerhalb des Gehäuseteils einen zusätzlichen Raumbereich für einen (Führungs-)Rahmen oder ein sonstiges Bauteil vorzuhalten. Daher ist es möglich, das vollständige Gehäuseteil mittels der Elektroden und der Separatoren aufzufüllen, sodass eine, insbesondere volumetrische, Energiedichte erhöht ist. Hierbei ist es zudem möglich, die Elektroden von außerhalb des Gehäuseteils mittels der Elektrodenfahnen elektrisch zu kontaktieren, sodass ein sicherer Betrieb möglich ist. Dabei ist es nicht erforderlich, etwaige Terminals oder dergleichen durch eine Wand des Gehäuseteils zu führen, weswegen die Herstellung vereinfacht ist.
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Beispielsweise ist an sämtlichen Elektroden eine jeweilige Elektrodenfahne angeformt, die in dem ersten Schlitz jeweils einliegt. Somit ist die Position sämtlicher Elektroden mittels des ersten Schlitzes bestimmt. Alternativ hierzu weisen zum Beispiel sämtliche Kathoden oder Anoden die in dem ersten Schlitz einliegende jeweilige Elektrodenfahne auf, sodass die Position sämtlicher Anoden bzw. Kathoden mittels des ersten Schlitzes bestimmt ist. Bevorzugt sind dabei alle in dem ersten Schlitz einliegenden Elektrodenfahnen miteinander elektrisch direkt kontaktiert, vorzugsweise direkt, sodass sämtliche in dem Gehäuseteil angeordneten Batteriezellen den jeweils eine der Anode und eine der Kathoden zugeordnet sind, elektrisch parallel geschaltet sind. Zum Beispiel sind mehrere derartige erste Schlitze, zum Beispiel 2, 3, 4 oder mehr erste Schlitze, vorhanden, und die jeweiligen Elektroden weisen eine zu der Anzahl an ersten Schlitzen korrespondierende Anzahl an Elektrodenfahnen, auf, wobei jedem der ersten Schlitze jeweils eine der Elektrodenfahnen zugeordnet ist. Somit ist eine Genauigkeit bei der Positionierung erhöht.
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Beispielsweise wird bei Herstellung zusätzlich eine Führungskante oder ein sonstiger Führungsblock herangezogen, der beispielsweise innerhalb des Gehäuseteils oder außerhalb des Gehäuseteils angeordnet ist. Dabei werden bei Herstellung, nämlich beim, vorzugsweise direkten, Stapeln der Elektroden/Separatoren in das Gehäuseteil, insbesondere die jeweilige Elektrodenfahnen, beispielsweise der Teil der Elektrodenfahne, der außerhalb des Gehäuseteils angeordnet ist, zumindest teilweise entlang der Führungskante/Führungsblocks geführt, sodass die Positionierung vergleichsweise genau ist. Falls der Führungsblock innerhalb des Gehäuseteils angeordnet ist, wird dabei insbesondere die jeweilige Elektrode, die verbleibenden Elektroden und/oder Separatoren entlang des Führungsblocks in der ersten Richtung bewegt, sodass mittels des Führungsblocks die jeweilige Position vergleichsweise genau bestimmt ist. Beispielsweise wird nachfolgend der Führungsblock aus dem Gehäuseteil entfernt, oder dieser verbleibt innerhalb des Gehäuseteils. Dabei ist der Führungsblock beispielsweise einstückig mit dem Gehäuseteil oder besonders bevorzugt aus einem elektrisch nicht leitfähigen Material, sodass ein elektrischer Kurzschluss über den Führungsblock vermieden ist.
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Besonders bevorzugt umfasst die Batterie einen Deckel, mittels dessen der Gehäuseteil verschlossen ist. Hierbei ist der erste Schlitz auf der dem Deckel zugewandten Seite randseitig geöffnet, und im Montagezustand ist der erste Schlitz randseitig vorzugsweise mittels des Deckels verschlossen. Insbesondere ist der Deckel mit dem Gehäuseteils verschweißt, und/oder der Deckel ist aus dem gleichen Material wie das Gehäuseteil erstellt, sodass beispielsweise eine Kontaktkorrosion oder dergleichen vermieden ist. Der Deckel ist beispielsweise ebenfalls wannen- oder topfförmig oder besonders bevorzugt plan ausgestaltet, sodass eine Fertigung vereinfacht ist. Der Deckel überdeckt beispielsweise teilweise den ersten Schlitz, oder vorzugsweise ist der erste Schlitz frei von dem Deckel. Folglich werden die Elektrodenfahnen durch den Deckel nicht beeinflusst.
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Insbesondere wird mittels des Deckels auf die innerhalb des Gehäuseteils angeordneten Elektroden und Separatoren eine Kraft in der ersten Richtung ausgeübt, sodass diese zusammengepresst werden. Infolgedessen ist eine Kompaktheit erhöht. Zweckmäßigerweise befindet sich innerhalb des Gehäuseteils der etwaige Elektrolyt, der beispielsweise flüssig ist. Vorzugsweise wird dieser vor Anordnen des Deckels das Gehäuseteil mit dem Elektrolyten befüllt. Alternativ hierzu erfolgt die Befüllung nach Montage des Deckels, insbesondere über eine entsprechende Öffnung.
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Besonders bevorzugt weist das Gehäuseteil einen parallel zur ersten Richtung angeordneten und randseitig offenen zweiten Schlitz auf. Der zweite Schlitz ist insbesondere parallel zum ersten Schlitz, und geeigneterweise sind diese auf der gleichen Seite randseitig geöffnet. Beispielsweise ist der zweite Schlitz in die gleiche etwaige Wand wie der erste Schlitz eingebracht, oder der zweite Schlitz ist in eine gegenüberliegende Wand oder eine sonstige Wand eingebracht. An die verbleibenden Elektroden sind ebenfalls Elektrodenfahnen angeformt, die somit einstückig mit der jeweiligen Elektrode sind. Diese Elektrodenfahnen liegen in dem zweiten Schlitz ein. Zusammenfassend ist somit an sämtliche Elektroden jeweils eine der Elektrodenfahnen angeformt, und diese liegen entweder in dem ersten oder zweiten Schlitz ein. Folglich wird die Position sämtlicher Elektroden mittels des ersten bzw. zweiten Schlitzes vorgegeben, sodass die Position sämtlicher Elektroden vergleichsweise genau bestimmt ist. In einer Weiterbildung wird bei der Herstellung/Fertigung zusätzlich noch ein Führungsblock oder eine sonstige Führungskante herangezogen, wobei beispielsweise den den unterschiedlichen Schlitzen zugeordneten Elektroden unterschiedliche Führungsblöcke und/oder Führungskanten zugeordnet sind. Besonders bevorzugt sind sämtliche Anoden dem einen der Schlitze und sämtliche Kathoden dem anderen der Schlitze zugeordnet. Infolgedessen ist eine vergleichsweise einfache elektrische Parallelschaltung der einzelnen innerhalb des Gehäuseteils gebildeten Batteriezellen, die jeweils eine der Anoden und eine der Kathode umfassen, ermöglicht. Zum Beispiel sind mehrere derartige zweite Schlitze, zum Beispiel 2, 3, 4 oder mehr zweite Schlitze, vorhanden, und diese jeweiligen Elektroden weisen eine zu der Anzahl an zweiten Schlitzen korrespondierende Anzahl an Elektrodenfahnen, auf, wobei jedem der zweiten Schlitze jeweils eine der Elektrodenfahnen zugeordnet ist. Somit ist eine Genauigkeit bei der Positionierung erhöht.
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Geeigneterweise liegt jeder Separator randseitig an dem Gehäuseteil an. Mit anderen Worten entsprechen die Außenabmessungen jedes Separators den Innenabmessungen des Gehäuseteils, und zwischen dem Separator und dem Gehäuseteils ist vorzugsweise eine Spielpassung erstellt. Auf diese Weise ist die Position jedes Separators mittels des Gehäuseteils bestimmt, wobei eine Montage kraftarm erfolgen kann. Zudem ist zur Positionsbestimmung kein zusätzliches Bauteil erforderlich. Falls beispielsweise der zur Montage der etwaige innerhalb des Gehäuseteils angeordnete Führungsblock vorhanden ist, ist insbesondere jeder Separator im Bereich des Führungsblocks ausgespart, sodass der Separator in diesem Bereich an dem Führungsblock anliegt. Zusammenfassend wird die Position der Elektroden mittels des oder der Schlitze und die Position der Separatoren mittels der Innenabmessungen des Gehäuseteils vorgegeben, und diese, also die jeweiligen Batteriezellen, werden vergleichsweise genau positioniert sowie zusammengefügt.
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Beispielsweise liegen die Elektroden randseitig, also an der Begrenzung in der jeweiligen Fläche, in der die Elektroden angeordnet sind, ebenfalls an dem Gehäuseteil an. Besonders bevorzugt jedoch sind diese randseitig von dem Gehäuseteils beabstandet. Auf diese Weise ist ein elektrischer Kurzschluss über das Gehäuseteil vermieden, und es ist möglich, das Gehäuseteil bei Betrieb auf elektrische Masse und/oder Erde zu setzen, sodass eine Sicherheit erhöht ist. Auch ist es möglich, bei der Herstellung der Elektroden vergleichsweise hohe Fertigungstoleranzen zu wählen, wobei die Position der Elektroden innerhalb des Gehäuseteils dennoch vergleichsweise genau, nämlich mittels des ersten Schlitzes und gegebenenfalls des etwaigen zweiten Schlitzes vorgegeben ist.
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Beispielsweise ist die jeweilige Elektrodenfahne von dem Rand des jeweiligen Schlitzes, in dem diese einliegt, insbesondere des ersten Schlitzes oder des zweiten Schlitzes, sofern dieser vorhanden ist, beabstandet. Besonders bevorzugt jedoch liegen die Elektrodenfahnen mechanisch an dem Rand des jeweiligen Schlitzes an, in dem diese einliegen, also zum Beispiel des ersten Schlitzes oder des zweiten Schlitzes. Auf diese Weise ist eine Genauigkeit bei der Positionierung der Elektroden vergrößert und auch eine Positionierung vereinfacht. Sofern der zweite Schlitz vorhanden ist, liegen die dem zweiten Schlitz zugeordneten Elektrodenfahnen zweckmäßigerweise ebenfalls mechanisch an dem jeweiligen gen Rand an.
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Beispielsweise sind die Elektrodenfahnen randseitig elektrisch isoliert, sodass eine elektrische Kontaktierung mit dem Gehäuseteil vermieden ist. Besonders bevorzugt jedoch ist der Rand des ersten Schlitzes mit einer elektrischen Isolierung versehen. Somit ist ein elektrischer Kontakt zwischen den Elektrodenfahnen und dem Gehäuseteil vermieden. Die elektrische Isolierung ist beispielsweise eine Beschichtung des Gehäuseteils, oder bevorzugt ist der erste Schlitz mit einem Isolationsrahmen ausgekleidet, der insbesondere aus einem Kunststoff gefertigt ist. Der Isolationsrahmen ist zweckmäßigerweise u-förmig ausgestaltet, sodass mittels des Isolationskörpers die Kontur des ersten Schlitzes nachgeahmt ist. Sofern der Deckel vorhanden ist, weist dieser insbesondere im Bereich des ersten Schlitzes einen zum Isolationsrahmen korrespondierenden Steg auf, der an dem Isolationsrahmen im Montagezustand anliegt, und der ebenfalls bevorzugt aus einem Kunststoff gefertigt ist. Somit ist auch ein elektrischer Kontakt mit dem Deckel vermieden. Sofern die Elektrodenfahnen mechanisch an dem Rand des ersten Schlitzes anliegen, liegen diese zweckmäßigerweise über die elektrische Isolierung, geeigneterweise den Isolationsrahmen, an dem Rand des ersten Schlitzes an. Folglich ist einerseits der elektrische Kontakt vermieden und andererseits eine vergleichsweise genaue Positionierung ermöglicht. Sofern der zweite Schlitz vorhanden ist, ist dieser zweckmäßigerweise ebenfalls randseitig mit einer elektrischen Isolierung versehen.
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Beispielsweise sind die Elektrodenfahnen endseitig mit einer Stromschiene oder einem sonstigen elektrischen Bauteil im Montagezustand elektrisch kontaktiert, wie beispielsweise einer oder mehrerer Elektrodenfahnen einer weiteren Batterie, sodass insbesondere ein Batteriemodul teilweise gebildet ist. Mit anderen Worten sind die Teile der Elektrodenfahnen, die außerhalb des Gehäuseteils angeordnet sind, mit der Stromschiene oder dergleichen elektrisch kontaktiert. Besonders bevorzugt jedoch sind die Elektrodenfahnen endseitig elektrisch mit einem Terminal kontaktiert, das außenseitig an dem Gehäuseteil befestigt ist. Vorzugsweise sind die Elektrodenfahnen an dem Terminal mechanisch befestigt, was eine Robustheit weiter erhöht. Das Terminal ist zum Beispiel zumindest teilweise aus einem elektrisch leitfähigen Material, wie Metall gefertigt.
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Das Terminal ist ein Bestandteil der Batterie und dient der elektrischen Kontaktierung der innerhalb des Gehäuseteils angeordneten Elektroden. Zweckmäßigerweise ist das Terminal starr an dem Gehäuseteil befestigt, sodass sich dieses stets an der gleichen Position befindet, weswegen ein Einbau der Batterie vereinfacht ist. Besonders bevorzugt werden die Elektrodenfahnen endseitig komprimiert, also insbesondere in die erste Richtung aufeinander gepresst, sodass ein etwaig vorher vorhandener Abstand zwischen diesen, der insbesondere aufgrund der Anlage der Elektroden über die jeweiligen Separatoren entsteht oder bedingt ist, verringert oder vollständig beseitigt wird und folglich die Elektrodenfahnen elektrisch miteinander kontaktiert werden. Ferner ist auf diese Weise eine Stabilität erhöht.
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Das Terminal ist beispielsweise im Wesentlichen ringförmig, also hohlzylindrisch, und vorzugsweise sind die Elektrodenfahnen von dem Terminal zumindest teilweise umfangsseitig umschlossen, sodass diese mittels des Terminals stabilisiert werden. Der Querschnitt des Rings ist beispielsweise rund oder rechteckförmig. Somit ist es insbesondere möglich, die Elektrodenfahnen bereits vor Einführen in das Gehäuseteil mit dem Terminal elektrisch zu kontaktieren. Besonders bevorzugt jedoch erfolgt dies erst nach dem die Elektroden innerhalb des Gehäuseteils angeordnet und mittels des ersten Schlitzes geeignet zueinander positioniert sind. Somit ist eine Genauigkeit beim Übereinanderstapeln der Elektroden gegeben, und etwaige Toleranzen werden insbesondere mittels des Terminals ausgeglichen. Vorzugsweise ist der etwaige Ring senkrecht zur ersten Richtung angeordnet. Besonders bevorzugt ist der Ring hierbei endseitig, insbesondere an dem dem Gehäuseteil abgewandten Ende, abgeschlossen, sodass die Elektrodenfahnen endseitig geschützt sind, und das Terminal topfförmig ausgestaltet ist. Besonders bevorzugt liegt der Teil der Elektrodenfahnen, der außerhalb des Gehäuseteils angeordnet ist, vollständig innerhalb des Terminals ein, weswegen eine Robustheit erhöht ist.
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Zum Beispiel ist derjenige Teil des Terminals, der an dem Gehäuseteils befestigt ist, aus einem elektrisch nicht leitenden Material, wie einem Kunststoff gefertigt, sodass ein elektrischer Kurzschluss zwischen dem Terminal und dem Gehäuseteil vermieden ist. Besonders bevorzugt jedoch weist der Terminal einen Ring auf, der an dem Gehäuseteil befestigt ist, beispielsweise mittels Schweißens. Hierfür ist der Ring zweckmäßigerweise aus einem Metall gefertigt, was eine Robustheit erhöht. Die Elektrodenfahnen sind durch den Ring geführt und somit von diesem umgeben und daher geschützt. Hierbei ist der Ring innenseitig elektrisch isoliert, sodass ein elektrischer Kontakt zwischen dem Ring und den Elektrodenfahnen vermieden ist. Aufgrund der Befestigung des Rings an dem Gehäuseteil ist jedoch eine Robustheit erhöht, und es insbesondere möglich, den Bereich um den ersten Schlitz vergleichsweise dicht auszugestalten, sodass insbesondere ein Austritt des etwaigen Elektrolyten vermieden ist.
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Das Terminal umfasst zweckmäßigerweise einen topfförmigen Abschluss, der insbesondere konzentrisch zu dem Ring angeordnet ist. Der topfförmige Abschluss ist zweckmäßigerweise aus einem elektrisch leitfähigen Material, wie einem Metall, gefertigt. In dem topfförmigen Abschluss liegen die Elektrodenfahnen endseitig ein und sind mit diesem elektrisch kontaktiert, sodass der topfförmige Abschluss das elektrische Potential der jeweiligen Elektrodenfahnen aufweist. Zweckmäßigerweise sind dabei die Elektrodenfahnen an den topfförmigen Abschluss geschweißt, sodass einerseits eine mechanische Verbindung und andererseits die elektrische Kontaktierung erfolgt. Der topfförmige Abschluss ist vorzugsweise über einen Isolationsring an dem Ring befestigt, der somit zwischen dem Ring und dem topfförmigen Abschluss angeordnet ist. Insbesondere ist eine fluiddichte Verbindung zwischen dem topfförmigen Abschluss, dem Isolationsring und dem Ring vorhanden, sodass auch dort ein Austritt des Elektrolyten und/oder ein Eindringen von Fremdpartikeln in das Gehäuseteil vermieden wird.
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Der Isolationsring ist zweckmäßigerweise aus einem Kunststoff gefertigt und insbesondere einstückig mit der elektrischen Isolierung mittels derer der Ring innenseitig ausgekleidet ist. Zusammenfassend erfolgt mittels des Terminals einerseits eine vergleichsweise robuste Befestigung an dem Gehäuseteil, wobei andererseits eine elektrische Verbindung des Gehäuseteils mit den Elektrodenfahnen vermieden ist. So ist auf diese Weise möglich, den ersten Schlitz mittels des Terminals vergleichsweise sicher und fluiddicht abzudichten, sodass ein Austritt des Elektrolyten durch den ersten Schlitz vermieden ist.
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Sofern der zweite Schlitz vorhanden ist, ist diesem vorzugsweise ebenfalls ein Terminal zugeordnet, das beispielsweise baugleich zu dem anderen Terminal ausgestaltet ist. Folglich ist jedem Schlitz jeweils ein Terminal zugeordnet, mit dem die durch den jeweiligen Schlitz geführten Elektrodenfahnen endseitig elektrisch kontaktiert sind, und die beide außenseitig an dem Gehäuseteil befestigt sind. Infolgedessen ist ein Einspeisen von elektrischer Energie und/oder eine Entnahme von elektrischer Energie über die beiden Terminals möglich, und an diesen liegt bei Betrieb der Batterie insbesondere eine elektrische Gleichspannung an.
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Das Verfahren dient der Herstellung einer Batterie, die ein starres wannenförmiges Gehäuseteil umfasst, das sich entlang einer ersten Richtung erstreckt, und das einen parallel zur ersten Richtung, randseitig offenen ersten Schlitz aufweist. In dem Gehäuseteil sind abwechselnd flächige, senkrecht zur ersten Richtung angeordnete Elektroden und Separatoren gestapelt, wobei an einigen der Elektroden jeweils eine Elektrodenfahne angeformt ist, die in dem ersten Schlitz einliegt.
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Gemäß dem Verfahren ist vorgesehen, dass zunächst das starre wannenförmige Gehäuseteil bereitgestellt wird, das sich entlang der ersten Richtung erstreckt. Hierbei ist in dem Gehäuseteil bereits der randseitig offene erste Schlitz vorhanden, der parallel zur ersten Richtung verläuft Mit anderen Worten weist das Gehäuseteil den ersten Schlitz auf. Beispielsweise wird das Gehäuseteil bereits mit dem ersten Schlitz gefertigt, oder dieser wird nachträglich in das Gehäuseteil eingebracht.
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Nachfolgend wird in das Gehäuseteil abwechselnd die flächigen, senkrecht zur ersten Richtung angeordneten Elektroden und Separatoren gestapelt, wobei sich in der ersten Richtung als Elektroden insbesondere Anoden und Kathoden abwechseln, und wobei jeweils zwischen benachbarten Anoden und Kathoden einer der Separatoren angeordnet ist, die zweckmäßigerweise zueinander baugleich sind. Zum Stapeln werden dabei die Elektroden/Separatoren bevorzugt in der ersten Richtung bewegt. An einige der Elektroden ist dabei bereits die jeweilige Elektrodenfahne angeformt. Bei dem Stapeln werden die Elektrodenfahnen in den ersten Schlitz eingeführt, vorzugsweise von dem offenen Rand her. Mit anderen Worten werden zum Stapeln die die Elektroden, in der ersten Richtung in das Gehäuseteil eingelegt, wobei die Elektrodenfahnen in den ersten Schlitz eingeführt und in diesem bis zur endgültigen Position in der ersten Richtung bewegt werden. Vorzugsweise unterbleibt hierbei im Wesentlichen eine Bewegung der Elektroden/Elektrodenfahnen senkrecht zur ersten Richtung. Folglich wird die endgültige Position der Elektroden, an die die Elektrodenfahnen angeformt sind, in dem Gehäuseteil mittels der Elektrodenfahnen und des ersten Schlitzes vorgegeben ist.
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Besonders bevorzugt umfasst das Gehäuseteil einen zweiten Schlitz, und an den verbleibenden Elektroden ist ebenfalls eine Elektrodenfahne angeformt, die jedoch in den zweiten Schlitz eingeführt wird. Somit werden bei dem Stapeln der Elektroden in das Gehäuseteil diesem mittels der beiden Schlitze zueinander positioniert, insbesondere derart, dass diese deckungsgleich zueinander sind.
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Vorzugsweise wird nach Abschluss des Stapels das Gehäuseteil mittels eines Deckels verschlossen, der insbesondere mit dem Gehäuseteil verschweißt wird. Vorzugsweise wird nach Abschluss des Stapels, beispielsweise wenn der Deckel auf das Gehäuseteil aufgesetzt ist, oder bereits davor, mit dem Teil der Elektrodenfahnen, der sich außerhalb des Gehäuseteils befinden, ein Terminal elektrisch kontaktiert und vorzugsweise an diesen befestigt. Hierbei ist insbesondere jedem der beiden Schlitze, insbesondere also den durch die jeweiligen Schlitze geführten Elektrodenfahnen, ein unterschiedliches Terminal zugeordnet, und die beiden Terminals, sofern die beiden Schlitze vorhanden sind, werden zweckmäßigerweise an dem Gehäuseteil und/oder dem Deckel befestigt. Die beiden Terminals dienen insbesondere der elektrischen Kontaktierung der sich innerhalb des Gehäuseteils befindenden Elektroden von außerhalb des Gehäuseteils.
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In einer Weiterbildung des Verfahrens wird zusätzlich ein Führungsblock verwendet, der beispielsweise in das Gehäuseteil eingesetzt wird, bevor die Elektroden und/oder Separatoren in das Gehäuseteil gestapelt werden. Bei dem Stapeln werden die Elektroden und/oder Separatoren in der ersten Richtung entlang des Führungsblocks geführt, sodass ein etwaiger Freiheitsgrad der Elektroden/Separatoren bei der Positionierung mittels des Führungsblocks beschränkt oder zumindest verringert wird. Zusammenfassend befinden sich die Elektroden/Separatoren in direktem mechanischem Kontakt mit dem Führungsblock, wenn diese in das Gehäuseteil eingestapelt werden. Hierbei ist zwischen dem Führungsblock und den Elektroden bzw. Separatoren zweckmäßigerweise eine Spielpassung erstellt, sodass das Stapeln erleichtert wird. Somit wird die Position der Elektroden an zwei unterschiedlichen Stellen vorgegeben, nämlich an dem ersten Schlitz bzw. dem zweiten Schlitz, sofern diese vorhanden ist. Auch wird insbesondere die Position der Separatoren mittels des Führungsblocks bestimmt.
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Beispielsweise verbleibt der Führungsblock innerhalb des Gehäuseteils und dient zum Beispiel nachfolgend der Stabilisierung des Gehäuseteils und/oder des Deckels, sofern dieser auf das Gehäuseteil aufgesetzt wird. Zum Beispiel ist hierbei der Führungsblock an das Gehäuseteil angeformt und zweckmäßigerweise aus dem gleichen Material wie der Gehäuseteil. Alternativ hierzu ist der Führungsblock aus einem unterschiedlichen Material, wie beispielsweise einen Kunststoff, erstellt stellt und dieser ist zum Beispiel in das Gehäuseteil eingeklebt. Aufgrund des Kunststoffs ist eine elektrische Kontaktierung der einzelnen Elektroden über den Führungsblock vermieden.
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Besonders bevorzugt jedoch wird nach Abschluss des Stapels der Führungsblock aus dem Gehäuseteil entfernt. Somit ist es möglich, den Führungsblock aus einem Metall oder einem sonstigen vergleichsweise robusten Material zu erstellen, wobei bei Betrieb der Batterie der Führungsblock nicht vorhanden ist, sodass eine elektrische Kontaktierung der Elektroden über den Führungsblock vermieden ist.
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In einer Alternative wird der Führungsblock außerhalb des Gehäuseteils angeordnet und wird nach Beenden des Stapels entfernt. Alternativ oder in Kombination hierzu ist zusätzlich eine Führungskante vorhanden, der beispielsweise mittels des Gehäuseteils oder besonders bevorzugt mittels eines weiteren Bauteils bereitgestellt ist, das insbesondere außerhalb des Gehäuseteils angeordnet wird. Hierbei werden zum Stapeln ebenfalls die Elektroden, die Elektrodenfahnen und/oder Separatoren entlang der ersten Richtung geführt, sodass mittels der Führungskante die Position der Elektroden, der Elektrodenfahnen (und daher auch der Elektroden) bzw. der Separatoren direkt bestimmt wird.
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Die Erfindung betrifft ferner ein Kraftfahrzeug, das vorzugsweise landgebunden ist. Beispielsweise ist das Kraftfahrzeug ein Nutzkraftwagen, wie ein Lastkraftwagen (Lkw) oder Bus. Bevorzugt ist das Kraftfahrzeug ein Personenkraftwagen (Pkw). Das Kraftfahrzeug weist einen Antrieb mit einem Elektromotor auf. Beispielsweise ist der Antrieb ein Bestandteil eines Nebenaggregats oder besonders bevorzugt ein Hauptantrieb, mittels dessen eine Fortbewegung des Kraftfahrzeugs erfolgt. Ferner umfasst das Kraftfahrzeug eine Batterie, mittels derer der Elektromotor bestromt ist. Die Batterie umfasst ein starres wannenförmiges Gehäuseteil, das sich entlang einer ersten Richtung erstreckt, und das einen parallel zur ersten Richtung, randseitig offenen ersten Schlitz aufweist. In dem Gehäuseteil sind abwechselnd flächige, senkrecht zur ersten Richtung angeordnete Elektroden und Separatoren gestapelt, wobei an einigen der Elektroden jeweils eine Elektrodenfahne angeformt ist, die in dem ersten Schlitz einliegt.
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Die im Zusammenhang mit der Batterie beschriebenen Vorteile und Weiterbildungen sind sinngemäß auch auf das Verfahren /das Kraftfahrzeug sowie untereinander zu übertragen und umgekehrt.
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Nachfolgend werden Ausführungsbeispiele der Erfindung anhand einer Zeichnung näher erläutert. Darin zeigen:
- 1 schematisch vereinfacht ein Kraftfahrzeug, das mehrere baugleiche Batterien aufweist,
- 2 schematisch perspektivisch eine der Batterien,
- 3 ein Verfahren zur Herstellung der Batterie,
- 4 schematisch perspektivisch die Batterie während der Herstellung,
- 5 schematisch in einer Draufsicht die Batterie während der Herstellung,
- 6 schematisch perspektivisch ein Terminal der Batterie, und
- 7 eine alternative Ausführungsform des Terminals gemäß 6.
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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 gespeist 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 ein Energiespeichergehäuse 12 des Energiespeichers 8 eingebracht ist, das aus einem Edelstahl erstellt ist.
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Innerhalb des Energiespeichergehäuses 12 des Energiespeichers 8 sind mehrere nicht gezeigte Batteriemodule angeordnet, von denen ein Teil 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 dabei die an der Schnittstelle 10 bereitgestellte elektrische Spannung, die 400 V beträgt, ein Vielfaches der mit jedem der Batteriemodule bereitgestellten elektrischen Spannung. Jedes der zueinander baugleichen Batteriemodule weist ein Gehäuse auf, innerhalb dessen zwischen 50 und 100 zueinander baugleicher Batterien 14 angeordnet sind, die elektrisch miteinander in Reihe und/oder parallel geschaltet sind.
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In 2 ist perspektivisch eine der zueinander baugleichen Batterien 14 dargestellt. Die Batterie 14 weist ein Gehäuse 16 auf, das ein Gehäuseteil 18 umfasst, das mittels eines flächigen Deckels 20 verschlossen ist. Das Gehäuse 16 umfasst optional eine nicht näherdargestellte Elektrolytbefüllöffnung und eine ebenfalls nicht gezeigte Berstöffnung. Der Deckel 20 ist an dem Gehäuseteil 18 angeschweißt, und das Gehäuseteil 18 und der Deckel 20 sind jeweils aus dem gleichen Aluminium erstellt. Zudem weist die Batterie 14 zwei zueinander baugleiche Terminals 22 auf, wobei einer der Terminals 22 den Pluspol und der andere den Minuspol der Batterie 14 darstellt. Die Terminals 22 sind außenseitig an dem Gehäuseteil 18 und dem Deckel 20 befestigt. Jedes Terminal 22 weist einen Ring 24 auf, der aus einem Metall gefertigt ist, und der einen rechteckförmigen Querschnitt aufweist. Die Ringe 24 der beiden Terminals 22 sind auf die gleiche Schmalseite des Gehäuseteils 18 aufgesetzt und dort verschweißt. Zudem sind an jeden Ring 24 zwei Laschen 26 angeformt, die das Gehäuse 16 übergreifen und zu einer verbesserten mechanischen Befestigung führen. In einer nicht näher dargestellten Variante sind die Laschen 26 nicht vorhanden.
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Auf jeden Ring 24 ist auf der dem Gehäuse 16 abgewandten Seite jeweils ein Isolationsring 28 aufgesetzt und bündig mit diesem. Jeder Isolationsring 28 ist aus einem Kunststoff gefertigt, und einstückig mit einer nicht gezeigten (elektrischen) Isolierung, mit der der jeweilige Ring 24 innenseitig ausgekleidet ist. Auf jeden Isolationsring 28 wiederum ist ein jeweiliger topfförmiger Abschluss 30 aufgesetzt und daran befestigt. Hierbei ist der topfförmige Abschluss 30 bündig mit dem Isolationsring 28 sowie dem Ring 24 angeordnet. Zudem ist jeder Abschluss 30 aus einem elektrisch leitfähigen Metall gefertigt und dient dem elektrischen Anschluss der Batterie 14 an weitere Bestandteile, nämlich insbesondere an weitere Batterien 14.
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In 3 ist ein Verfahren 32 zur Herstellung der Batterien 14 gezeigt. In einem ersten Arbeitsschritt 34 wird das starre Gehäuseteil 18 bereitgestellt, das wannenförmig ausgestaltet ist. Das starre Gehäuseteil 18 ist aus einem Aluminium erstellt und erstreckt sich in einer ersten Richtung, wie in 4 dargestellt. Das Gehäuseteil 18 weist somit einen Boden 38 auf, der senkrecht zur ersten Richtung 36 angeordnet ist, und der randseitig in eine umlaufende Wand 40 übergeht, die parallel zur ersten Richtung 36 ist. Die Wand 40 bildet einen hohlzylindrischen Abschnitt, und der Querschnitt der Wand 40 senkrecht zur ersten Richtung 36 ist rechteckförmig. Hierbei ist mit der Wand 40 auch die Schmalseite gebildet, auf die im Montagezustand die beiden Terminals 22 aufgesetzte sind. In diese Schmalseite ist ein erster Schlitz 42 und ein zweiter Schlitz 44 eingebracht. Die beiden Schlitze 42, 44 sind zueinander beabstandet und verlaufen parallel zueinander und parallel zur ersten Richtung 36. Hierbei sind die beiden Schlitze 42, 44 randseitig geöffnet, also auf der dem Boden 38 gegenüberliegenden Seite. Der Rand jedes Schlitzes 42, 44 ist mit einer elektrischen Isolierung 46 versehen, die somit U-förmig ist und mittels eines in den jeweiligen Schlitz 42, 44 eingesetzten und an der Wand 40 sowie dem Boden 38 befestigten Isolationsrahmen aus einem Kunststoff realisiert ist.
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In einem sich anschließenden zweiten Arbeitsschritt 48 wird ein Führungsblock 50 in das Gehäuseteil 18 eingesetzt, wobei der Führungsblock 50 zwischen den beiden Schlitzen 42, 44 angeordnet und derselben Schmalseite zugeordnet ist sowie an der Wand 40 anliegt. Auch wird eine U-förmige Führungskante 52 außerhalb des Gehäuseteils 18 positioniert. Nachfolgend werden in das Gehäuseteil 18 in der ersten Richtung 36 übereinander abwechselnd flächige Elektroden 54 sowie flächige Separatoren 56 gestapelt, die jeweils senkrecht zur ersten Richtung 36 angeordnet sind. Die Elektroden 54 sind in Anoden 58 sowie Kathoden 60 aufgeteilt, und die Anoden 58 sowie die Kathoden 60 wechseln sich in der ersten Richtung 36 ab, sodass jeweils Batteriezellen 62 gebildet sind, die eine der Anoden 58, eine der Kathoden 60 sowie zwei der Separatoren 56 aufweisen, und die in der ersten Richtung 36 übereinander in das Gehäuseteil 18 gestapelt sind.
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Die Elektroden 54 sind mittels eines metallischen Trägers oder Ableiters gebildet, auf den eine Schicht aufgetragen ist, die jeweils ein Aktivmaterial umfasst. Die Träger der Anoden 58 sind aus einer Kupferfolie und die Träger der Kathoden 60 aus einer Aluminiumfolie gefertigt. Die Träger sind zudem jeweils verlängert, sodass eine jeweilige Elektrodenfahne 64 gebildet ist, die an die jeweilige Elektrode 54 angeformt ist. Die Elektrodenfahnen 64 sind streifenförmig und ebenfalls senkrecht zur ersten Richtung 36 angeordnet.
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Bei dem Stapeln in das Gehäuseteil 18 werden sämtliche Elektrodenfahnen 64, die den Kathoden 60 zugeordnet sind, in den ersten Schlitz 42 eingeführt. Die Elektrodenfahnen 64, die den Anoden 58 zugeordnet sind, werden in gleicher Weise in den zweiten Schlitz 54 eingeführt. Dabei werden die Elektrodenfahnen 64 von der randseitigen Öffnung des jeweiligen Schlitzes 42, 44 in diesen in der ersten Richtung 36 mit den jeweiligen Elektroden 54 bewegt. Hierbei liegen die Elektrodenfahnen 64 über die elektrische Isolierung mechanisch an dem Rand des jeweiligen Schlitzes 42, 44 an, wobei der mechanische Kontakt auch nach Abschluss des Stapelns beibehalten wird. Zudem werden die Elektrodenfahnen 64 endseitig entlang der Führungskante 52 und teilweise entlang des Führungsblocks 50 in der erste Richtung 36 bewegt. Auch werden die Elektroden 54 entlang des Führungsblocks 50 in der erste Richtung 36 beim Stapeln bewegt. Dabei ist eine Spielpassung zwischen dem Führungsblock 50 sowie den in der ersten Richtung 36 zum Stapeln entlang geführten Elektroden 54 und Elektrodenfahnen 64 gebildet, weswegen ein vergleichsweise geringer Kraftaufwand erforderlich ist. Jedoch werden die Elektroden 54 innerhalb des Gehäuseteils 18 vergleichsweise genau positioniert, wobei die Position mittels des Führungsblocks 50, der Führungskante 52 und der beiden Schlitze 42, 44 sowie der Elektrodenfahnen 64 vorgegeben ist.
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Dabei werden die Elektroden 54 exakt übereinander in der erste Richtung 36 positioniert, wie in 5 in einer Draufsicht dargestellt. Die Elektrodenfahnen 64 liegen dabei in dem jeweils zugeordneten Schlitz 42, 44 ein. Die Elektroden 54 sind randseitig von dem Gehäuseteil 18 beabstandet, sodass ein elektrischer Kontakt zwischen den Elektroden 54 und dem Gehäuseteil 18 unterbleibt. Die Separatoren 56 hingegen liegen randseitig an dem Gehäuseteils 18 sowie dem Führungsblock 50 an. Zum Stapeln werden die Separatoren 56 entlang der Wand 40 des Gehäuseteils 18 sowie des Führungsblocks 50 in der ersten Richtung 36 bewegt, weswegen auch die Position jedes Separators 56 genau bestimmt ist.
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In einem sich anschließenden dritten Arbeitsschritt 66, der durchgeführt wird, wenn sämtliche Elektroden 54 und Separatoren 56 in das Gehäuseteile 18 gestapelt wurden, wird der Führungsblock 50 aus dem Gehäuseteil 18 entfernt. Auch wird der flächige Deckel 20, der senkrecht zur ersten Richtung 36 angeordnet ist, auf das Gehäuseteil 18 aufgesetzt, nämlich die Wand 40, und mit diesem verschweißt, sodass das Gehäuse 16 gebildet ist. An den Deckel 20 sind dabei im Bereich der beiden Schlitze 42, 44 jeweils ein Steg 68 aus einem Kunststoff befestigt, mittels derer der jeweilige Schlitz 42, 44 randseitig verschlossen wird.
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In einem sich anschließenden vierten Arbeitsschritt 70 werden die Elektrodenfahnen 64 kompaktiert. Hierfür werden die Elektrodenfahnen 64, nämlich die sich jeweils außerhalb des Gehäuses 16 befindenden Bereiche, in der ersten Richtung 36 aufeinandergepresst und der etwaige Abstand zwischen diesen entfernt. Nachfolgend werden die beiden Terminals 22 an dem Gehäuseteils 18 sowie den Deckel 20 befestigt, von denen eines in 6 perspektivisch gezeigt ist. Hierbei ist jedem der Schlitze 42, 44 jeweils eines der Terminals 22 zugeordnet, und zur Montage werden die Terminals 22 entlang der Erstreckungsrichtung der Elektrodenfahnen 64 senkrecht zur ersten Richtung 36 auf diese aufgesetzt. Dabei werden die jeweiligen Elektrodenfahnen 64 durch den jeweiligen Ring 24 geführt, der anschließend mittels der Laschen 26 an dem Gehäuseteil 18 und dem Deckel 20 verschweißt wird, wobei eine fluiddichte Verbindung zwischen den Terminals 22 und dem Gehäuse 16 erstellt wird. Aufgrund der innenseitigen elektrischen Isolierung der Ringe 24 unterbleibt eine elektrische Kontaktierung der Elektrodenfahnen 64 über den Ring 24 mit dem Gehäuse 20. Zudem werden die Elektrodenfahnen 64 endseitig elektrisch mit dem topfförmigen Abschluss 30 verschweißt, in den diese endseitig eingelegt sind. Infolgedessen erfolgt auch eine elektrische Kontaktierung der Elektrodenfahnen 64 mit dem Abschluss 30 des jeweiligen Terminals 22. Aufgrund des Isolationsrings 28 unterbleibt eine elektrische Kontaktierung mit dem Ring 24 und somit auch mit dem Gehäuse 16.
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Zwischen dem Ring 24, dem Isolationsring 28 und dem Abschluss 30 jedes Terminals 22 besteht eine fluiddichte Verbindung. Aufgrund des Verschweißens des Rings 24 mit dem Gehäuse 16 sind auch bei beiden Schlitze 42, 44 fluiddicht gegenüber der Umgebung der Batterie 14 abgedichtet, sodass ein Eindringen von Fremdpartikeln in diesem Bereich in das Gehäuse 16 vermieden ist. Im Anschluss hieran wird das Gehäuse 16 mit einem flüssigen Elektrolyten befüllt, und die Batterie 14 ist einsatzbereit und kann insbesondere geladen werden.
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In 7 ist eine Abwandlung des Terminals 22 dargestellt. Bei dieser Varianten ist der Ring 24 nicht vorhanden, jedoch der topfförmige Abschluss 30 und der Isolationsring 28, der aus einem Kunststoff gefertigt ist. Zur Montage wird der Isolationsring 28 fluiddicht an dem Gehäuses 16 befestigt, nämlich an dem Gehäuseteil 18 und den Deckel 20. Somit sind auch hier die beiden Schlitze 42, 44 fluiddicht von der Umgebung abgedichtet.
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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 beschriebenen 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
- Energiespeichergehäuse
- 14
- Batterie
- 16
- Gehäuse
- 18
- Gehäuseteil
- 20
- Deckel
- 22
- Terminal
- 24
- Ring
- 26
- Lasche
- 28
- Isolationsring
- 30
- Abschluss
- 32
- Verfahren
- 34
- erster Arbeitsschritt
- 36
- erste Richtung
- 38
- Boden
- 40
- Wand
- 42
- erster Schlitz
- 44
- zweiter Schlitz
- 46
- elektrische Isolierung
- 48
- zweiter Arbeitsschritt
- 50
- Führungsblock
- 52
- Führungskante
- 54
- Elektrode
- 56
- Separator
- 58
- Anode
- 60
- Kathode
- 62
- Batteriezelle
- 64
- Elektrodenfahne
- 66
- dritter Arbeitsschritt
- 68
- Steg
- 70
- vierter Arbeitsschritt
