DE102021210275B4

DE102021210275B4 - Verfahren zur Herstellung einer Batterie

Info

Publication number: DE102021210275B4
Application number: DE102021210275.1A
Authority: DE
Inventors: Marius Ebbighausen; Stephan Leonhard Koch; Miriam Kunze
Original assignee: Volkswagen AG
Current assignee: Volkswagen AG
Priority date: 2021-09-16
Filing date: 2021-09-16
Publication date: 2024-02-29
Anticipated expiration: 2041-09-17
Also published as: DE102021210275A1

Abstract

Verfahren (32) zur Herstellung einer Batterie (14), bei dem- ein starres wannenförmiges Gehäuseteil (18), das sich entlang einer ersten Richtung (36) erstreckt, und das einen ersten Polabschnitt (22) und einen hierzu elektrisch isolierten zweiten Polabschnitt (24) aufweist, bereitgestellt wird,- in das Gehäuseteil (18) abwechselnd flächige, senkrecht zur ersten Richtung (36) angeordnete Anoden (48) und Kathoden (50) mittels einer Positionierhilfe (44) überlappend gestapelt werden, und- die Anoden (48) elektrisch mit dem ersten Polabschnitt (22) und die Kathoden (50) elektrisch mit dem zweiten Polabschnitt (24) verbunden werden,wobeials Positionierhilfe (44) ein Führungsblock (70) herangezogen wird, der in das Gehäuseteil (18) eingesetzt wird, und entlang dessen die Anoden (48) und/oder Kathoden (50) in der ersten Richtung (36) geführt werden,oder wobeials Positionierhilfe (44) ein in den jeweiligen Polabschnitt (22, 24) eingebrachter parallel zur ersten Richtung (36) verlaufender und randseitig offener Schlitz (42) herangezogen wird, in den jeweils eine an jeder Kathode (50) und Anode (48) angeformte Elektrodenfahne (56) eingeführt wird.

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Herstellung einer Batterie sowie eine Batterie. Die Batterie weist jeweils ein wannenförmiges Gehäuseteil auf, das sich entlang einer ersten Richtung erstreckt, und das einen ersten Polabschnitt und einen hierzu elektrisch isolierten zweiten Polabschnitt umfasst.
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.
Jede der Batterien wiederum umfasst üblicherweise mehrere Batteriezellen, die jeweils 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.
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 bis zu 100 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.
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.
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 wir 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. Über die Terminals ist bei Betrieb ein Einspeisen/Entnahme von elektrischer Energie aus der jeweiligen Batterie ermöglicht.
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 eine Energiedichte verringert und ein Gewicht erhöht. Auch ist das Durchführen der Terminals durch die jeweiligen Durchbrüche in dem Gehäuse vergleichsweise aufwendig, wobei auf eine elektrische Isolierung gegenüber dem Gehäuse geachtet werden muss, da anderweitig ein elektrischer Kurzschluss zwischen den beiden Terminals erfolgt. Zudem ist bei der nachfolgenden elektrischen Kontaktierung mehrerer Batterien oder der Batterie mit sonstigen Bestandteilen ein Raumbereich zur Anordnung der Terminals vorzuhalten, in dem ebenfalls kein Material zur Speicherung von elektrischer Energie vorhanden ist.
Aus DE 10 2011 076 919 A1 ist eine Batteriezelle bekannt, die ein Gehäuse und in dem Gehäuse wenigstens ein Elektrodenensemble umfasst. In diesem sind in einem Querschnitt Elektroden in mehr als zwei Schichten angeordnet sind. Das Gehäuse weist mindestens zwei das Elektrodenensemble von der Umgebung im Wesentlichen separierende Gehäuseelemente auf. Es ist vorgesehen, dass ein erstes Gehäuseelement elektrisch mit dem positiven Pol des Elektrodenensembles verbunden ist und ein zweites Gehäuseelement elektrisch mit dem negativen Pol des Elektrodenensembles verbunden ist.
DE 10 2014 013 401 A1 zeigt eine Energiespeichereinrichtung, welche insbesondere als Flachzelle ausgebildet ist. Die Energiespeichereinrichtung weist einen elektrochemischen Elektrodenstapel auf. Der Elektrodenstapel weist mehrere Stapellagen auf. Weiter weist die Energiespeichereinrichtung ein rahmenförmiges Einlegeteil aus elektrolytbeständigem und elektrisch nicht-leitendem Material auf. Das Einlegeteil weist ein durch die Rahmenform definiertes und zumindest teilweise eingeschlossenes Rahmeninneres sowie eine Rahmeninnenseite auf, welche an das Rahmeninnere grenzt.
DE 10 2016 218 490 A1 offenbart ein Verfahren zur Herstellung eines Folienstapels für eine Batteriezelle mit den Schritten: Bereitstellen einer Separatorfolie mit zumindest einer ersten Schicht, die ein Polyolefin aufweist, und zumindest einer Keramikschicht, Abtragen der Keramikschicht an definierten Stellen der Separatorfolie mittels eines Lasers, Anordnen einer ersten Elektrodenfolie auf der Separatorfolie, Verbinden der Separatorfolie an Stellen, an denen die Keramikschicht abgetragen wurde, mit einer weiteren Separatorfolie oder nach Faltung mit sich selbst zur Ausbildung einer Tasche, in welcher die erste Elektrodenfolie angeordnet ist und Anordnen derartig hergestellter Taschen und zweiter Elektrodenfolien zu Folienstapeln.
In DE 10 2016 221 562 A1 ist eine Batteriezelle gezeigt, umfassend ein Zellengehäuse, in welchem eine Elektrodeneinheit angeordnet ist, wobei die Elektrodeneinheit eine mit einem negativen Terminal elektrisch verbundene Anode und eine mit einem positiven Terminal elektrisch verbundene Kathode aufweist. Das Zellengehäuse weist ein erstes Gehäuseteil, welches das negative Terminal bildet, und ein zweites Gehäuseteil, welches das positive Terminal bildet, auf, wobei ein Isolationselement vorgesehen ist, welches die Gehäuseteile voneinander elektrisch isoliert.
Aus US 2003/0 031 920 A1 ist ein Elementkörper für einen komprimierbaren Stapel von Batterieelementen bekannt. Der Elementkörper definiert einen Hohlraum zur Aufnahme des komprimierbaren Stapels von Batterieelementen. Der Hohlraum hat eine Höhe, die kleiner ist als die unkomprimierte Höhe des komprimierbaren Stapels von Batterieelementen.
In DE 10 2016 205 160 A1 eine Batteriezelle offenbart. Diese umfasst ein Zellengehäuse, in welchem eine Elektrodeneinheit angeordnet ist, wobei die Elektrodeneinheit eine mit einem negativen Terminal verbundene Anode und eine mit einem positiven Terminal verbundene Kathode aufweist. Dabei ist die Elektrodeneinheit (als Elektrodenstapel ausgeführt, welcher mehrere Schichten der Anode und mehrere Schichten der Kathode aufweist, die in einer Stapelrichtung übereinandergestapelt sind.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein besonders geeignetes Verfahren zur Herstellung einer Batterie und eine besonders geeignete Batterie anzugeben, wobei vorteilhafterweise eine Energiedichte erhöht und/oder ein Gewicht verringert ist, wobei zweckmäßigerweise die Herstellung vereinfacht ist.
Hinsichtlich des Verfahrens wird diese Aufgabe durch die Merkmale des Anspruchs 1 und hinsichtlich der Batterie durch die Merkmale des Anspruchs 7 erfindungsgemäß gelöst. Vorteilhafte Weiterbildungen und Ausgestaltungen sind Gegenstand der jeweiligen Unteransprüche.
Das Verfahren dient der Herstellung einer Batterie. Die Batterie ist insbesondere wiederladbar 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.
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.
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).
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.
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.
Gemäß dem Verfahren wird zunächst ein wannenförmiges Gehäuseteil bereitgestellt, das starr ausgebildet ist. Mit anderen Worten ist das Gehäuseteil, das auch als Zellwanne bezeichnet ist oder diese beispielsweise teilweise bildet, 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 umfasst einen ersten Polabschnitt und einen zweiten Polabschnitt, die zueinander elektrisch isoliert sind. Besonders bevorzugt umfasst das Gehäuseteils einen Isolationsabschnitt, der zwischen den beiden Polabschnitten angeordnet ist. Der Isolationsabschnitt dient zweckmäßigerweise der elektrischen Isolierung der beiden Polabschnitte zueinander. Vorzugsweise liegt hierfür der Isolationskörper mechanisch direkt an dem ersten und dem zweiten Polabschnitt an. Der Isolationsabschnitt ist zum Beispiel aus einem Kunststoff oder besonders bevorzugt aus einem Glaslot erstellt. Auf diese Weise ist eine vergleichsweise effektive Isolationswirkung gegeben, wobei eine mechanische Robustheit erhöht ist.
Zum Beispiel umfasst das Gehäuseteil weitere Bestandteile. Besonders bevorzugt jedoch ist das Gehäuseteil mittels der beiden Polabschnitte und dem Isolationsabschnitt gebildet, sodass das Gehäuseteil insgesamt aus drei Teilen besteht. Auf diese Weise ist eine Fertigung vereinfacht. Besonders bevorzugt sind dabei die beiden Polabschnitte jeweils teilweise topfförmig ausgestaltet, und der Isolationskörper ist zum Beispiel C-förmig ausgestaltet und vorzugsweise zwischen den beiden Polabschnitten angeordnet. Zweckmäßigerweise ist dabei auch die Außenoberfläche des Gehäuseteils glatt, und der Isolationsabschnitt fluchtet mit den beiden Polabschnitten.
Nachfolgend wird in das Gehäuseteil abwechselnd flächige, senkrecht zur ersten Richtung angeordnete Anoden und Kathoden abwechseln, und wobei jeweils zwischen benachbarten Anoden und Kathoden vorzugsweise ein Separator angeordnet ist, die zweckmäßigerweise zueinander baugleich sind. Zum Stapeln werden dabei die Anoden, Kathoden und/oder Separatoren bevorzugt in der ersten Richtung bewegt. Die Anoden und Kathoden bilden insbesondere die flächig ausgestalteten Elektroden der Batterie. Folglich weisen die Elektroden eine Hauptausdehnung in zwei Dimensionen auf, wobei in der dritten Dimension die Ausdehnung vergleichsweise gering ist. Insbesondere sind die Elektroden, also die Anode und Kathoden, platten-, blattförmig oder folienartig ausgestaltet. Zweckmäßigerweise werden zum Stapeln genauso viele Anode wie Kathoden verwendet oder ggf. eine Anode mehr. Bevorzugt sind die Separatoren ebenfalls flächig ausgestaltet. Folglich ist auch bei den Separatoren eine Ausdehnung in der dritten Dimension vergleichsweise gering, und die Separatoren sind folienartig oder blattförmig.
Die Anoden und Kathoden sowie die etwaigen Separatoren sind zueinander parallel und senkrecht zu einer ersten Richtung angeordnet. 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/oder 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 Anoden und sämtliche Kathoden jeweils zueinander baugleich, was eine Herstellung vereinfacht.
Zum Stapeln wird eine Positionierhilfe verwendet, sodass die Anoden und Kathoden überlappend gestapelt werden. Mit anderen Worten werden mittels der Positionierhilfe die Anoden und Kathoden senkrecht zu der ersten Richtung derart angeordnet, dass deren Projektion aufeinander in der ersten Richtung sich zumindest teilweise, vorzugsweise vollständig, überdeckt. Hierbei werden insbesondere die Anoden und/oder Kathoden in der ersten Richtung zumindest teilweise entlang der Positionierhilfe bewegt, wobei insbesondere ein mechanischer Kontakt der Anoden/Kathoden mit der Positionierhilfe erfolgt. Mittels der Positionierhilfe wird somit die Position der Anoden/Kathode vorgegeben, und hierfür ist die Positionierhilfe geeignet, insbesondere vorgesehen und eingerichtet. Zumindest wird ein oder mehrere Freiheitsgrade, vorzugsweise sämtliche Freiheitsgrade, bei der Positionierung der Anoden/Kathoden aufgehoben, sodass deren Position innerhalb des Gehäuseteils vergleichsweise genau bestimmt ist. Somit erfolgt bei dem Stapeln deren Anoden und Kathoden in das Gehäuseteil, also beim Einführen der Anoden und Kathoden, die geeigneterweise zueinander separat eingeführt werden, die Positionierung innerhalb des Gehäuseteils, wofür lediglich ein einziger Arbeitsschritt erforderlich ist.
In einem nachfolgenden Arbeitsschritt werden die Anoden elektrisch mit dem ersten Polabschnitt und die Kathoden elektrisch mit dem zweiten Polabschnitt verbunden. Mit anderen Worten werden die Anode elektrisch mit dem ersten Polabschnitt kontaktiert, und die Kathoden elektrisch mit dem zweiten Polabschnitt kontaktiert. Somit liegen bei Betrieb der Batterie die beiden Polabschnitte auf einem unterschiedlichen elektrischen Potential und zwischen diesen liegt insbesondere eine elektrische Spannung an. Besonders bevorzugt werden zur elektrischen Kontaktierung die Anoden mit dem ersten Polabschnitt verschweißt oder an diesen angelötet. Ebenso wenn die Kathoden zweckmäßigerweise mit dem zweiten Polabschnitt verschweißt oder beispielsweise an diesen angelötet. Somit sind die Anode/Kathoden auch bezüglich des Gehäuseteils stabilisiert.
Aufgrund des Verfahrens wird somit eine Batterie bereitgestellt, bei der keine herausragenden Terminals vorhanden sind, sondern über das Gehäuse der Batterie, nämlich zumindest einen Abschnitt des Gehäuses, nämlich das wannenförmige Gehäuseteil, ist ein elektrisches Einspeisen/Entnahme von elektrischer Energie aus der Batterie möglich. Somit ist eine Energiedichte erhöht, zumindest im eingebauten Zustand. Ferner ist kein weiteres Bauteil zur Stabilisierung der einzelnen Anoden/Kathoden zueinander erforderlich, das innerhalb des Gehäuseteils angeordnet ist, weswegen auf diese Weise ebenfalls eine Energiedichte und ein Gewicht verringert ist. Zudem erfolgte bei dem Stapeln der Anoden/Kathoden in das Gehäuseteil bereits deren Positionierung, sodass die Herstellung vereinfacht und keine zu unterschiedlichen Arbeitsschritte erforderlich sind, wie zunächst das Erstellen eines Zellstapels, der nachfolgend in das Gehäuseteil eingefügt wird, wobei dieser bei dem Einfügen der Zellstapels stabilisiert werden muss. Somit ist einerseits eine Herstellung vereinfacht. Andererseits sind vergleichsweise wenige Arbeitsschritte erforderlich, weswegen die Herstellungszeit der Batterie verkürzt ist.
Beispielsweise werden sämtliche Anoden der Batterie mit dem ersten Polabschnitt und sämtliche Kathoden elektrisch mit dem zweiten Polabschnitt verbunden. Somit sind alle Batteriezellen der Batterie, die jeweils mittels einer der Anode, einer der Kathoden sowie eines dazwischen angeordneten Separators gebildet sind, zueinander elektrisch parallel geschaltet. Alternativ hierzu umfasst die Batterie noch weitere Anoden/Kathoden, die jedoch nicht mit dem ersten bzw. zweiten Polabschnitt elektrisch verbunden sind. Somit ist es möglich, unterschiedliche Verschaltungen der Batteriezellen zu realisieren.
Vorzugsweise wird nach Abschluss des Stapels das Gehäuseteil mittels eines Deckels verschlossen, der insbesondere mit dem Gehäuseteil verschweißt wird. Geeigneterweise erfolgt hierbei ein Aufeinanderpressen der Anoden/Kathoden sowie der etwaigen Separatoren in der ersten Richtung, sodass ein Kraftschluss erstellt ist. Auf diese Weise ist ein Bewegen des Elektrolyten sowie ein Anlagern der Arbeitsionen verbessert vorzugsweise weist der Deckel zwei Abschnitte auf, die jeweils elektrisch leitend und zueinander elektrisch isoliert sind. Hierbei ist einer der Abschnitt dem ersten Polabschnitt und der andere Abschnitt dem zweiten Polabschnitt zugeordnet und mit diesem jeweils elektrisch kontaktiert, vorzugsweise mittels Schweißens. Zum Beispiel sind hierbei die Abschnitte aus dem gleichen Material wie die jeweiligen Polabschnitte gefertigt. Geeigneterweise ist zwischen den beiden Abschnitten ein weiterer Isolationsabschnitt vorhanden, der vorzugweise aus dem gleichen Material, wie der etwaige vorhandene Isolationsabschnitt gefertigt ist. Vorzugsweise werden die beiden Isolationsabschnitte ebenfalls miteinander verschweißt. Aufgrund der beiden Abschnitte ist es somit ist möglich, die Batterie in unterschiedlichen Positionen zu montieren, wobei die elektrische Kontaktierung mit weiteren Bauteilen sowohl an den Polabschnitten als auch an den Abschnitten des Deckels erfolgen kann.
Bei einer Variante wird als Positionierhilfe ein Führungsblock verwendet, der beispielsweise in das Gehäuseteil eingesetzt wird, bevor die Anoden/Kathoden und/oder Separatoren in das Gehäuseteil gestapelt werden. Bei dem Stapeln werden die Anoden und/oder Kathoden, also vorzugsweise die Elektroden, und/oder etwaigen 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 Anoden/Kathoden/Separatoren in direktem mechanischem Kontakt mit dem Führungsblock, wenn diese in das Gehäuseteil (ein-)gestapelt werden. Hierbei ist zwischen dem Führungsblock und den Anoden/Kathoden bzw. Separatoren zweckmäßigerweise eine Spielpassung erstellt, sodass das Stapeln erleichtert wird. In einer Weiterbildung sind zwei derartige Führungsblöcke vorhanden, wobei einer hiervon den Anoden und der andere den Kathoden zugeordnet ist. Infolgedessen ist es möglich, die Form der Anoden und Kathoden oder deren Orientierung innerhalb des Gehäuseteils unterschiedlich zu wählen, wobei dennoch ein vergleichsweise exaktes Positionieren erfolgt.
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 einem Kunststoff, erstellt, und dieser ist zum Beispiel in das Gehäuseteil eingeklebt. Aufgrund des Kunststoffs ist eine elektrische Kontaktierung der einzelnen Anoden mit den Kathoden über den Führungsblock vermieden. Alternativ hierzu sind den Anoden und Kathoden unterschiedliche Führungsblöcke zugeordnet, sodass auch hier eine elektrische Kontaktierung der einzelnen Anoden mit den Kathoden vermieden ist. Hierbei werden beispielsweise die Anoden mit dem zugeordneten Führungsblock und die Kathoden anderen Führungsblock elektrisch kontaktiert und vorzugsweise mechanisch an diesem angebunden, geeigneterweise jeweils mittels Schweißens oder Lötens. Jeder Führungsblock selbst ist elektrisch, und vorzugsweise mechanisch, mit dem jeweils zugeordneten Polabschnitt verbunden, sodass über die Führungsblöcke die elektrische Kontaktierung der Anoden/Kathoden mit dem jeweiligen Polabschnitt erfolgt.
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.
Vorzugsweise ist das Gehäuseteil und der etwaige Deckel geschlossen ausgestaltet, und zum Positionieren werden die Führungsblöcke verwendet. Auf diese Weise sind in aus dem Gehäuseteil und dem Deckel gebildeten Gehäuse keine Schwachstellen vorhanden, und ein Austritt eines Elektrolyten bei Betrieb der Batterie ist vermieden. Auch ist ein Eindringen von Fremdpartikeln in das Gehäuse lediglich im Bereich des Übergangs zwischen dem Gehäuseteil und dem Deckel möglich, die vorzugsweise miteinander verschweißt sind. Somit ist zur Qualitätskontrolle im Wesentlichen lediglich ein Überprüfen der Schweißnaht erforderlich, weswegen eine Herstellungszeit der Batterie beschleunigt ist.
Alternativ oder in Kombination hierzu wird als Positionierhilfe ein parallel zur ersten Richtung verlaufender Schlitz verwendet, der in den jeweiligen Polabschnitt eingebracht ist. Mit anderen Worten weist jeder Polabschnitt den Schlitz auf, der vorzugsweise randseitig offen ist. Mit anderen Worten ist jeder Schlitz U-förmig. Sie Schlitze sind dabei in die etwaige Wand oder eine der Wände des Gehäuseteils eingebracht, zumindest jedoch bevorzugt in den hohlzylindrischen Abschnitt. Die randseitige Öffnung der Schlitze 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 jeden Schlitz einzuführen.
An den Anoden und Kathoden 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.
Bei dem Stapeln werden die Elektrodenfahnen in die Schlitze eingeführt, vorzugsweise von dem offenen Rand her. Mit anderen Worten werden zum Stapeln die Anoden und Kathoden, in der ersten Richtung in das Gehäuseteil eingelegt, wobei die Elektrodenfahnen in den jeweiligen 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 Anoden und Kathoden, an die die Elektrodenfahnen angeformt sind, in dem Gehäuseteil mittels der Elektrodenfahnen und der Schlitze vorgegeben.
Besonders bevorzugt sind den Anoden und den Kathoden dabei unterschiedliche Schlitze zugeordnet, und die elektrische Kontaktierung der Anoden und Kathoden mittels des jeweiligen gen Polabschnitts erfolgt vorzugsweise über die Elektrodenfahne und den jeweils zugeordneten Schlitz. Somit erfolgt die elektrische Kontaktierung der Anoden mit dem jeweiligen Polabschnitt bereits beim Stapeln, weswegen vergleichsweise wenige Arbeitsschritte erforderlich sind.
Zum Beispiel sind hierbei die Elektrodenfahne rechteckförmig, was eine Herstellung vereinfacht. In einer Alternative hierzu sind diese trapezförmig ausgestaltet, sodass auch eine Positionierung der Elektrodenfahnen innerhalb des jeweils zugeordneten Schlitzes lediglich in einem begrenzten Bereich möglich ist. Auf diese Weise ist eine Positioniergenauigkeit erhöht. In einer Weiterbildung sind insbesondere mehrere derartige Schlitze vorhanden, wobei jedem der Polabschnitte vorzugsweise mehrere derartige Schlitze, beispielsweise zwei Schlitze, zugeordnet sind. Hierbei ist an jede Anode und/oder Kathode eine korrespondierende Anzahl an Elektrodenfahne angeformt, sodass eine weiter Positioniergenauigkeit erhöht ist.
in einer Weiterbildung ist zusätzlich eine oder mehrere Führungskante vorhanden, die ebenfalls ein Bestandteil der Positionierhilfe bildet. Die Führungskante verläuft hierbei insbesondere parallel zur ersten Richtung, und die Elektrodenfahnen, die zumindest in einem der Schlitze angeordnet werden, werden entlang der Führungskante bewegt und somit geführt, wobei ein mechanischer Kontakt der Elektrodenfahnen mit der Führungskante erfolgt. Vorzugsweise ist hierbei zwischen den Elektrodenfahnen und der jeweils zugeordneten Führungskante eine Spielpassung erstellt, weswegen ein Kraftaufwand beim Führen in der ersten Richtung vergleichsweise gering ist. Somit wird die Position der Elektrodenfahnen, und somit auch der jeweils zugeordneten Elektroden, also beispielsweise der Anoden oder der Kathoden vergleichsweise genau bestimmt. Besonders bevorzugt ist jedem der Schlitze jeweils zumindest eine Führungskante zugeordnet, sodass sämtliche Elektrodenfahnen, und folglich auch sämtliche Elektroden, also sämtliche Anoden und sämtliche Kathoden, vergleichsweise genau positioniert werden. Hierbei ist es möglich, die Führungskante aus einem vergleichsweise harten Material zu fertigen, sodass ein Verschleiß vergleichsweise gering ist. Nach Abschluss des Stapelns oder zumindest nach Beenden des Herstellens der Batterie wird die Führungskante entfernt und wird insbesondere zur Herstellung einer weiteren Batterie verwendet.
Beispielsweise erfolgt die elektrische Kontaktierung der Elektroden, also der Anoden und der Kathoden, mit dem jeweiligen Polabschnitt über die Elektrodenfahnen und den jeweiligen Schlitz, wobei beispielsweise bereits beim Stapeln ein mechanischer Kontakt der Elektrodenfahnen und somit auch eine elektrische Kontaktierung erfolgt. Beispielsweise werden nachfolgend die Schlitze offengelassen oder zum Beispiel mittels eines Kunstharzes ausgespritzt, sodass ein Eindringen von Fremdpartikeln über die Schlitze in das Gehäuse vermieden ist. Auch werden die Elektrodenfahnen innerhalb der Schlitze stabilisiert.
Besonders bevorzugt jedoch werden die über das Gehäuseteil überstehenden Bereiche der Elektrodenfahnen, also diejenigen Teile der Elektrodenfahnen, die sich außerhalb des Gehäuseteils befinden, mit dem jeweiligen Polabschnitt verschweißt. Folglich werden die Elektrodenfahnen, und somit auf die zugeordneten Elektroden, bezüglich des Gehäuseteils stabilisiert. Hierbei erfolgt insbesondere auch ein Verschließen des jeweiligen Schlitzes erfolgt. Die Schlitze werden beim Verschweißen beispielsweise mittels Bestandteilen der Elektrodenfahnen verschlossen, die aufgrund des Schweißens teilweise verflüssigt werden. Alternativ oder in Kombination hierzu werden beim Schweißen Bestandteile des Gehäuseteils verflüssigt, oder sonstiges Schweißlot oder dergleichen wird zum Verschließen verwendet. Somit wird mittels eines einzigen Arbeitsschritts die elektrische Kontaktierung zwischen den Elektroden und den jeweiligen Polabschnitten erstellt, sofern diese noch nicht vorhanden ist, und die Elektroden werden bezüglich des jeweiligen Polabschnitts stabilisiert, wobei auch ein elektrisches Ablösen vermieden wird. Somit ist eine Robustheit erhöht. Auch wird auf diese Weise das Gehäuse fluiddicht ausgestaltet, sodass auch hier eine Robustheit erhöht ist. In einer Alternative oder Weiterbildung sind an dem etwaigen Deckel randseitig Laschen angeordnet, die im Montagezustand zumindest teilweise den jeweiligen Schlitz überdecken. Mit anderen Worten weist der Deckel genauso viele Laschen auf, wie das Gehäuseteil Schlitze umfasst, und diese werden bei der Montage mittels jeweils einer der Laschen abgedeckt. Vorzugsweise werden die Laschen mit dem Gehäuseteil und insbesondere den etwaigen Elektrodenfahnen verschweißt
Alternativ oder in Kombination hierzu werden die über das Gehäuseteil überstehenden Bereiche der Elektrodenfahnen der Anoden mit einer außerhalb des Gehäuseteils angeordneten Stromschiene verschweißt. Die Stromschiene ist insbesondere aus einem elektrisch leitenden Material, wie einem Kupfer oder Nickel, gefertigt. Alternativ oder besonders bevorzugt Kombination hierzu sind die über das Gehäuseteil überstehenden Bereiche der den Kathoden zugeordneten Kathodenfahnen mit einer außerhalb des Gehäuseteils angeordneten Stromschiene verschweißt, sodass insbesondere insgesamt zwei derartige Stromschienen vorhanden sind. Die Stromschiene(n) selbst ist/sind im Montagezustand vorzugsweise an weiteren Teilen/Komponenten angebunden, vorzugsweise des etwaigen Kraftfahrzeugs. Somit ist eine vergleichsweise robuste Anbindung der Batterie realisiert.
In einer Weiterbildung werden anstatt der jeweiligen Stromschiene die Elektrodenfahnen einer weiteren Batterie herangezogen, sodass auf diese Weise mehrere Batterien miteinander elektrisch kontaktiert werden. Insbesondere betrifft die Erfindung daher auch ein Verfahren zur Herstellung eines Batteriemoduls, das mehrere derartige Batterien aufweist. Dabei werden beispielsweise die Elektrodenfahnen, die den Anoden der einen Batterie zugeordnet sind, mit den Elektrodenfahnen, die den Kathoden der anderen Batterie zugeordnet sind, verschweißt, sodass eine elektrische Reihenschaltung realisiert wird. Alternativ hierzu werden die Elektrodenfahnen der beiden Batterien, die jeweils den Anoden zugeordnet sind, miteinander verschweißt, und auch die Elektrodenfahnen, die den Kathoden der beiden Batterien zugeordnet sind, werden miteinander verschweißt, sodass die beiden Batterien elektrisch parallel geschaltet sind. Insbesondere wird an die überstehenden Bereiche zumindest einer der Elektrodenfahnen zusätzlich eine jeweilige Stromschiene verschweißt, sodass auch ein Anschluss des Batteriemoduls an weitere Teile erleichtert ist.
Beispielsweise liegen die Elektroden randseitig, also an der Begrenzung in der jeweiligen Fläche, in der die Elektroden angeordnet sind, 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.
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.
Alternativ hierzu wird beispielsweise jede Anode vor dem Stapeln in das Gehäuseteil mit einem Separator laminiert, sodass eine Einheit aus der jeweiligen Anode und dem Separator gebildet ist. Dabei steht der Separator zweckmäßigerweise randseitig über, sodass mittels des jeweiligen Separators die Anoden von der Innenwand des Gehäuseteils beabstandet werden. Alternativ oder in Kombination hierzu sind sämtliche Kathoden vor dem Stapeln einseitig mit jeweils einem zugeordneten Separator laminiert. Somit wird mittels Stapelns der Anoden auf jeweils eine der Kathoden zwischen diesen einer der Separatoren angeordnet, sodass ein elektrischer Kurzschluss zwischen diesen vermieden und jeweils eine Batteriezelle gebildet ist. In einer weiteren Alternative sind beispielsweise die Anoden beidseitig oder die Kathoden beidseitig jeweils mittels des Separators laminiert, sodass lediglich entweder bei den Anoden oder Kathoden eine zusätzliche Aktion, nämlich das Laminieren, erforderlich ist, wohingegen die andere Art der Elektroden im Wesentlichen unverändert verwendet werden kann.
Die Batterie weist ein starres wannenförmiges Gehäuseteil auf, das sich entlang einer ersten Richtung erstreckt, und das einen ersten Polabschnitt und einen hierzu elektrisch isolierten zweiten Polabschnitt aufweist. In das Gehäuseteil sind abwechseln flächige, senkrecht zur ersten Richtung angeordnete Anoden und Kathoden gestapelt, die insbesondere blatt- oder folienartig sind. Die Anoden sind elektrisch mit dem ersten Polabschnitt und die Kathoden elektrisch mit dem zweiten Polabschnitt verbunden. Zudem umfasst die Batterie eine Positionierhilfe zum überlappenden Stapeln der Anoden und Kathoden. Zumindest bei der Herstellung der Batterie wird die Positionierhilfe verwendet, um die Anoden und Kathoden geeignet zueinander auszurichten. Beispielsweise wird nachfolgend die Positionierhilfe abgeändert und insbesondere in einen anderen Zustand überführt, sodass nach Fertigung die Positionierhilfe nicht weiter einsatzfähig ist. Zum Beispiel übernimmt die Positionierhilfe bei Betrieb eine weitere Aufgabe.
Insbesondere ist die Batterie gemäß einem Verfahren hergestellt, bei dem das starre wannenförmige Gehäuseteil, das sich entlang der ersten Richtung erstreckt, und das den ersten Polabschnitt und den hierzu elektrisch isolierten zweiten Polabschnitt aufweist, bereitgestellt wird. In das Gehäuseteil werden abwechseln flächige, senkrecht zur ersten Richtung angeordnete Anoden und Kathoden mittels einer Positionierhilfe überlappend gestapelt werden. Die Anoden werden elektrisch mit dem ersten Polabschnitt und die Kathoden elektrisch mit dem zweiten Polabschnitt verbunden. Besonders bevorzugt wird nachfolgend das Gehäuseteil mittels eines Deckels verschlossen, der zweckmäßigerweise flächig ausgestaltet ist. Insbesondere ist auf diese Weise ein Gehäuse der Batterie gebildet, das das Gehäuseteil und den Deckel aufweist. Vorzugsweise ist das Gehäuse quaderförmig.
Die im Zusammenhang mit dem Verfahren beschriebenen Vorteile und Weiterbildungen sind sinngemäß auch auf die Batterie sowie untereinander zu übertragen und umgekehrt.
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, 5 schematisch perspektivisch die Batterie während der Herstellung in unterschiedlichen Fertigungsstadien,
6 -8 schematisch in einer Draufsicht alternative Ausführungsformen der Batterie während der Herstellung,
9 eine alternative Ausführungsform der Batterie gemäß 4, und
10 schematisch in einer Draufsicht die Batterie gemäß 9 während der Herstellung.

Einander entsprechende Teile sind in allen Figuren mit den gleichen Bezugszeichen versehen.
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.
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 150, nämlich in diesem Beispiel 108, zueinander baugleiche Batterien 14 angeordnet sind, die elektrisch miteinander in Reihe und/oder parallel geschaltet sind.
In 2 ist perspektivisch in einer Schnittdarstellung eine der zueinander baugleichen Batterien 14 dargestellt. Die Batterie 14 weist ein Gehäuse 16 auf, das starr ausgestaltet ist. Somit handelt es sich bei der Batterie 14 um eine prismatische Zelle. Das Gehäuse 16 weist ein wannenförmiges, starres Gehäuseteil 18 auf, das mittels eines Deckels 20 verschlossen ist, sodass das Gehäuse 16 quaderförmig ausgestaltet ist.
Das Gehäuseteil 18 weist einen ersten Polabschnitt 22 und einen zweiten Polabschnitt 24 auf, die zueinander mittels eines U-förmigen Isolationsabschnitts 26 zueinander getrennt sind, der aus einem Glaslot erstellt ist. Die beiden elektrisch leitfähigen Polabschnitte 22, 24 sind zueinander baugleich und mittels Tiefziehens aus einem Metall. Der Isolationsabschnitt 26 ist zwischen den beiden Polabschnitten 22, 24 angeordnet und liegt an diesen mechanisch direkt an. Zudem fluchtet der Isolationsabschnitt 26 mit den beiden Polabschnitten 22, 24.
Der flächige Deckel 20 weist zwei rechteckförmige Abschnitte 28 auf, die aus dem gleichen Material wie die Polabschnitte 22, 24 gefertigt sind. Hierbei ist jeweils einer der Abschnitte 28 einem der Polabschnitte 22, 24 zugeordnet und daran befestigt. Die aus dem Abschnitten 28 und dem jeweiligen Polabschnitt 22, 24 erstellten Einheiten sind dabei tropfenförmig. Zwischen den Abschnitten 28 ist ein rechteckförmiger weiterer Isolationsabschnitt 30 des Deckels 20 angeordnet, der aus einem Glaslot erstellt und endseitig an den Rändern des Isolationsabschnitts 26 befestigt ist. Die Einheit aus den beiden Isolationsabschnitten 26, 30 ist O-förmig. Die Befestigung des Deckels 20 an dem Gehäuseteils 18 erfolgt mittels Schweißens, sodass das Gehäuse 16 fluiddicht ausgestaltet ist.
In 3 ist ein Verfahren 32 zur Herstellung der Batterie 14 dargestellt. In einem erste Arbeitsschritt 34 wird das sich in einer ersten Richtung 36 erstreckende Gehäuseteil 18 bereitgestellt, das den Isolationsabschnitt 26 sowie den ersten Polabschnitt 22 als auch den zweiten Polabschnitt 24 aufweist. Hierfür ist ein Boden 38 des Gehäuseteils 18 senkrecht zur ersten Richtung 36 angeordnet, wobei der Boden 38 teilweise mittels der beiden Polabschnitte 22, 24 und des Isolationsabschnitts 26 gebildet ist. Der Boden 38 im randseitig von einer parallel zur ersten Richtung 36 verlaufenden Wand 40 umgeben, die einen hohlzylindrischen Abschnitt bildet, und die ebenfalls teilweise mittels der beiden Polabschnitte 22, 24 sowie des Isolationsabschnitts 26 gebildet ist.
In den ersten und zweiten Polabschnitt 22, 24, nämlich in den jeweiligen Teil der Wand 40, ist jeweils ein parallel zur ersten Richtung 36 verlaufender und randseitig offener Schlitz 42 eingebracht. Die Schlitze 42 sind somit an dem dem Boden 38 abgewandten Ende offen und reichen jeweils bis zum Boden 38. Die beiden Schlitze 42 bilden einen Teil einer Positionierhilfe 44, die in einer Weiterentwicklung zusätzlich zwei Führungskanten 46 umfasst. Diese werden außerhalb des Gehäuseteils 18 an jedem Schlitz 42 positioniert, wobei in 4 lediglich die dem Schlitz 42 des zweite Polabschnitts 24 zugeordnete Führungskante 46 gezeigt ist. Die Führungskanten 46 weisen senkrecht zur ersten Richtung 36 einen U-förmigen Querschnitt auf und sind jeweils bündig mit den Rändern des jeweiligen Schlitzes 42 angeordnet. In einer nicht näher dargestellten Variante wird während der Herstellung eine lösbare mechanische Verbindung zwischen den Führungskanten 46 und dem Gehäuseteil 18 hergestellt, die nach Abschluss oder bereits während der Herstellung gelöst wird.
Ferner werden mehrere flächige Anoden 48 sowie mehrere flächige Kathoden 50 bereitgestellt, die jeweils Elektroden 52 sind. Die Elektroden 52 weisen jeweils einen Träger 54 auf, der aus einer Metallfolien erstellt ist. Die Metallfolie ist beidseitig mit einer jeweiligen Schicht versehen, die ein Aktivmaterial umfasst. Hierbei unterscheiden sich das Aktivmaterial sowie die Metallfolie für die Anode 48 und die Kathoden 50 verwendet werden Die Elektroden 52 weisen eine Rechteckform auf, und an diesen ist jeweils eine Elektrodenfahne 56 angeformt, wofür der jeweilige Träger 54 verlängert ist. Die Elektrodenfahnen 56 sind rechteckförmig ausgestaltet, wobei beim Übergang zu der jeweiligen Elektrode 52 jeweils eine Stufe gebildet ist.
Ferner werden sämtliche Elektroden 52, also die Kathoden 50 und die Anoden 48, auf einer Seite mit einem Separator 58 laminiert, der über die jeweilige Elektrode 52 randseitig übersteht, und dessen Außenabmessungen den Innenabmessungen des Gehäuseteils 18 entsprechen. Zumindest die Freienden der Elektrodenfahne 56 werden dabei frei von dem Separator 58 belassen.
In einem sich anschließenden zweiten Arbeitsschritt 60 werden die Anoden 48 und die Kathoden 50, die mit dem Separator 58 laminiert sind, abwechselnd in der ersten Richtung 36 in das Gehäuseteil 18 gestapelt, wobei die Anoden 48 und die Kathoden 50 senkrecht zur erste Richtung 36 angeordnet sind. Hierbei werden die Elektrodenfahnen 56 in die Schlitze 42 eingeführt, wobei die Elektrodenfahnen 56, die den Anoden 48 zugeordnet sind, in den Schlitz 42 des erste Polabschnitts 22 eingefügt werden. Die Elektrodenfahnen 56, die den Kathoden 50 zugeordnet sind, werden hingegen in den Schlitz 42 des zweiten Polabschnitts 24 in der erste Richtung 36 eingeführt. Ferner werden die Elektrodenfahnen 56 entlang in der erste Richtung 36 entlang der jeweiligen außerhalb des Gehäuseteils 18 angeordneten Führungskante 46 bewegt, innerhalb derer die jeweilige Elektrodenfahne 56 endseitig einliegen, und zwischen denen eine Spielpassung gebildet ist. Zusammenfassend werden somit die Elektrodenfahne 56 mittels der Schlitze 42 sowie der etwaigen jeweiligen Führungskante 46 vergleichsweise genau positioniert, weswegen auch die Anoden 48 und die Kathoden 50 vergleichsweise genau positioniert werden. Zusammenfassend dienen die beiden Schlitze 42 und die etwaigen Führungskanten 46 als die Positionierhilfe 44, mittels derer die Anoden 48 und die Kathode 50 überlappend angeordnet werden, sodass deren Projektion aufeinander in der ersten Richtung 36 direkt übereinander liegen. Bei der Positionierung der Anoden 48 und der Kathoden 50 wirken zudem die jeweiligen Separatoren 58 mit, die umfangsseitig an der Innenseite des Gehäuseteils 18 anliegen und somit die jeweils zugeordnete Anode 48 bzw. Kathode 50 positionieren
Wenn sämtliche Anoden 48 und sämtliche Kathoden 50 in das Gehäuseteil 18 gestapelt wurden, wird ein dritter Arbeitsschritt 62 durchgeführt. In diesem wird der Deckel 20 auf das Gehäuseteil 18 gesetzt, wobei mittels des Deckels 20 die Elektroden 52 sowie die Separatoren 58 in der ersten Richtung 36 aufeinander gedrückt und somit komprimiert werden. An die beiden Abschnitte 28 des Deckels 20 ist dabei randseitig jeweils eine Lasche 64 angeformt, die jeweils einen der Schlitze 42 überdecken, wenn sich der Deckel 20 auf dem Gehäuseteil 18 befindet, wie in 5 gezeigt. Mittels der Laschen 64 wird der über das Gehäuseteil 18 überstehenden Bereich/Teil der Elektrodenfahnen 56 komprimiert und aufeinander gepresst.
In einem sich anschließenden vierten Arbeitsschritt 66 wird der Deckel 20 mit dem Gehäuseteil 18 verschweißt, wobei die beiden Isolationsabschnitte 26, 30 und jeweils einer der Abschnitte 28 an einen der Polabschnitte 22, 24 geschweißt werden. Zudem werden die über das Gehäuseteil 18 überstehenden Bereiche der Elektrodenfahnen 56 außenseitig mit dem jeweiligen Polabschnitt 22, 24 verschweißt, sodass eine dauerhafte elektrische Kontaktierung erfolgt. Infolgedessen werden die Anoden 48 elektrisch mit dem ersten Polabschnitt 22 und die Kathoden 50 elektrisch mit dem zweiten Polabschnitt 24 verbunden. Zudem werden die Laschen 64 derart aufgeschmolzen, dass der jeweilige Schlitz 42 geschlossen wird, sodass das diese Weise erstellte Gehäuse 16 fluiddicht ist.
In einer in 5 teilweise angedeuteten Weiterbildung wird an die über das Gehäuseteil 18 überstehenden Bereiche der Elektrodenfahnen 56 zusätzlich eine stark vereinfacht dargestellte Stromschiene 68 angeschweißt, die beispielsweise aus Nickel erstellt ist. Dabei ist jedem der Schlitze 42 und somit jedem der Polabschnitte 22, 24 jeweils eine entsprechenden Stromschiene 68 zugeordnet. Die Stromschiene 68 wird in einer Variante an die jeweilige Lasche 64 angeschweißt oder an der Lasche 64 sowie in dem jeweiligen Polabschnitt 22 sodass mittels der Stromschiene 68 eine Dichtigkeit des Gehäuses 16 erhöht ist. In einer Alternative sind die Laschen 64 nicht vorhanden, und die Funktion der Laschen 64 wird vollständig mittels der Stromschienen 68 wahrgenommen.
In einer nicht näher gezeigten Alternative werden die Separatoren 58 separat in das Gehäuseteil 18 gestapelt, und diese nicht an die Anoden 48 und die Kathoden 50 laminiert, sondern liegen als separate Bauteile vor. Hierbei werden auch weiterhin zwischen benachbarten Anoden 48 und Kathoden 50 jeweils einer der Separatoren 58 angeordnet.
In 6 ist in einer Draufsicht eine Weiterbildung der Verfahrens 32 dargestellt, wobei die Batterie 14 während der Herstellung in einer Draufsicht in der erste Richtung 36 gezeigt ist. Das Gehäuseteil 18 ist nicht abgeändert. Die Elektroden 52 sind verkürzt ausgestaltet, wobei die Träger 54 nicht verändert sind. Infolgedessen sind die Elektrodenfahnen 56 T-förmig. Die beiden Führungskanten 46 sind vorhanden, wobei den Anoden 48 und den Kathoden 50 unterschiedliche der Führungskanten 46 zugeordnet sind. Die Führungskanten 46 sind bei dieser Variante vereinfacht und weisen einen L-förmigen Querschnitt senkrecht zur ersten Richtung 36 auf. Die Elektrodenfahnen 46 liegen dabei endseitig nicht mehr vollständig innerhalb der jeweiligen Führungskanten ein, sondern lediglich ein der Ecken liegt mechanisch direkt an der jeweiligen Führungskante 46 an.
In 7 ist eine Abwandlung der Batterie 14 gezeigt. Hierbei sind lediglich die Elektrodenfahnen 56 abgeändert, und diese weisen nunmehr eine Trapezform auf, wobei die zueinander parallelen Kanten der Trapezform auch parallel zu einer Kante der rechteckförmigen jeweiligen Elektrode 52 sind. Zudem liegt die verkürzte Kante in dem jeweiligen Schlitz 42 ein. Aufgrund der Ausgestaltung der Elektrodenfahnen 56 ist ein Positionieren der Elektrodenfahne 56 lediglich in einer einzigen Position oder in einer begrenzten Anzahl von Position innerhalb des jeweiligen Schlitzes 42 möglich. Bei der vorhergehenden Ausgestaltung hingegen, wurde die Tiefe der Anordnung innerhalb des jeweiligen Schlitzes 42 mittels der Führungskanten 46 sowie des Separators 58 vorgegeben. Daher ist bei dieser Ausgestaltungsform die Führungskante 46 nicht zwingend erforderlich. Falls diese, wie in 7 gezeigt, dennoch verwendet werden, ist deren Form auf die Form der Ecken der Trapezform angepasst.
In 8 ist eine weitere Abwandlung der Batterie 14 dargestellt. Hierbei sind jeder Elektrode 52 zwei Elektrodenfahnen 56 zugeordnet, die zueinander parallel sind, und die jeweils in einem zugeordneten Schlitz 42 einliegen. Folglich weist jeder der Polabschnitte 22, 24 zwei derartige Schlitze 42 auf. Jeder der Elektrodenfahnen 56 ist eine der Führungskanten 46 zugeordnet, die in dieser Variante einen rechteckförmigen Querschnitt senkrecht zur ersten Richtung 36 aufweisen. Die Führungskanten 46, die den der gleichen Elektrode 52 zugeordneten Elektrodenfahnen 56 zugeordnet sind, sind senkrecht zueinander angeordnet, sodass mittels dieser beiden Führungskanten 46 zwei Freiheitsgrade bei der Positionierung der jeweiligen Elektrode 52 begrenzt werden, wobei eine weitere Begrenzung mittels der Schlitze 42 erfolgt. Bei dieser Variante ist das Herstellen der Führungskanten 46 vergleichsweise kostengünstig, wobei dennoch ein vergleichsweise genaues Positionieren der Elektroden 52 erfolgt. Bei dieser Variante weist der Deckel insgesamt vier Laschen 64 auf, wobei jedem der Abschnitte 28 zwei der Laschen 64 zugeordnet sind. In einer Alternative hierzu sind lediglich insgesamt zwei Laschen 64 vorhanden, wobei diese jedoch verlängert sind, sodass die beiden Schlitze 42 jedes Polabschnitts 22, 24 mittels der gleichen Lasche 64 des Deckels 20 abgedeckt wird.
In 9 ist entsprechend der Darstellung der 4 und in 10 in einer Draufsicht in der ersten Richtung 36 eine weitere Alternative der Batterie 14 während der Herstellung gezeigt. Das Gehäuseteil 18 ist unversehrt und weist nunmehr keinen der Schlitze 42 auf. Es sind jedoch auch weiterhin die Anoden 48 und die Kathoden 50 vorhanden, von denen jeweils lediglich eine dargestellt ist, und die auch weiterhin rechteckförmigen sind. Jede von diesen ist auch weiterhin einseitig mittels eines jeweiligen rechteckförmigen Separators 58 einlaminiert. Die Elektrodenfahnen 56 sind auch weiterhin vorhanden und mittels des jeweiligen verlängerten Trägers 54 gebildet, wobei jedoch die Länge der Elektrodenfahnen 56 im Vergleich zu den vorherigen Varianten verkürzt ist. Bei dem Stapeln verbleiben die Elektrodenfahne 56 vollständig innerhalb des Gehäuseteils 18, wobei aufgrund der verringerten Ausdehnung ein Umbiegen im Bereich des Gehäuseteils 18 vermieden ist. Vielmehr ist eine Spielpassung zwischen den Freienden der Elektrodenfahnen 56 und der Innenwand des Gehäuseteils 18 realisiert.
Zudem werden zu Beginn des zweiten Arbeitsschritts 60 in das Gehäuseteil 18 an zwei gegenüberliegenden Ecken jeweils ein Führungsblock 70 eingesetzt, der quader- oder würfelförmig ausgestaltet ist, und dessen Höhe der Ausdehnung der Wand 40 in der ersten Richtung 36 entspricht. Bei dem nachfolgenden Stapeln werden die Anoden 48 und die Kathoden 50 in der ersten Richtung 36 entlang jeweils eines der Führungsblöcke 70 bewegt, wobei die Anoden 48 entlang des Führungsblocks 70 bewegt werden, der in dem ersten Polabschnitt 22 einliegt, und die Kathoden 50 werden entlang des Führungsblocks 70 in der ersten Richtung 36 bewegt, der in dem zweiten Polabschnitt 24 einliegt. Die Elektroden 52 liegen über den jeweils zugeordneten Träger 54 mechanisch an dem jeweiligen Führungsblock 70 an, die nunmehr als die Positionierhilfe 44 dienen. Mit anderen Worten werden als Positionierhilfe 44 die beiden Führungsblöcke 70 herangezogen. Die Führungsblöcke 70 sowie in die Elektrodenfahnen 56 sind derart dimensioniert, dass die Elektroden 52 jeweils überlappend angeordnet werden. In einer nicht näher dargestellten Variante ist lediglich einer der Führungsblöcke 70 vorhanden, und alle Elektroden 52 sind beispielsweise L-förmig ausgestaltet. Mit anderen Worten sind die Elektrodenfahnen 56 ebenfalls mit der Schicht versehen und bilden somit einen Teil der jeweiligen Elektrode 52. In einer weiteren Alternative sind auch weiterhin die beiden Führungsblöcke 70 vorhanden, wobei jedoch die Elektroden 52 entsprechend Z-förmig ausgestaltet sind.
Die Separatoren 58 werden zwischen den beiden Führungsblöcken 70 positioniert und entlang dieser in der ersten Richtung 36 bewegt, wobei ein direkter mechanischer Kontakt hergestellt wird. Somit wird mittels der Führungsblöcke 70 die Position der Separatoren 58 bestimmt. Nach Abschluss des Stapelns werden die beiden Führungsblöcke 70 aus dem Gehäuseteil 18 entfernt. Somit ist innerhalb des Gehäuses 16 ein Freiraum gebildet, der beispielsweise für weitere Komponenten genutzt werden kann, wie eine Sicherung, oder eine sonstige Vorrichtung, insbesondere zum Vermeiden eines Kurzschlusses oder eines thermischen Durchgehens. Bei den in 9 und 10 gezeigten Varianten der Batterie 14 erfolgt im Montagezustand die elektrische Kontaktierung direkt über die jeweilige Polabschnitte 22, 24 sowie die Abschnitte 28.
In einer Alternative werden die Führungsblöcke 70 an den jeweiligen Polabschnitten 22, 24 befestigt, beispielsweise mittels Klebens oder Schweißens. Vorzugsweise sind in diesem Fall die Führungsblöcke 70 aus einem Metall gefertigt, und die elektrische Kontaktierung der Elektroden 52 mit dem jeweiligen Polabschnitt 22, 24 erfolgt in diesem Fall zumindest teilweise über den jeweiligen Führungsblock 70. Zudem wird der Deckel 20 mittels der beiden Führungsblöcke 70 stabilisiert, weswegen eine Robustheit erhöht ist.
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.

Claims

Verfahren (32) zur Herstellung einer Batterie (14), bei dem - ein starres wannenförmiges Gehäuseteil (18), das sich entlang einer ersten Richtung (36) erstreckt, und das einen ersten Polabschnitt (22) und einen hierzu elektrisch isolierten zweiten Polabschnitt (24) aufweist, bereitgestellt wird, - in das Gehäuseteil (18) abwechselnd flächige, senkrecht zur ersten Richtung (36) angeordnete Anoden (48) und Kathoden (50) mittels einer Positionierhilfe (44) überlappend gestapelt werden, und - die Anoden (48) elektrisch mit dem ersten Polabschnitt (22) und die Kathoden (50) elektrisch mit dem zweiten Polabschnitt (24) verbunden werden, wobei als Positionierhilfe (44) ein Führungsblock (70) herangezogen wird, der in das Gehäuseteil (18) eingesetzt wird, und entlang dessen die Anoden (48) und/oder Kathoden (50) in der ersten Richtung (36) geführt werden, oder wobei als Positionierhilfe (44) ein in den jeweiligen Polabschnitt (22, 24) eingebrachter parallel zur ersten Richtung (36) verlaufender und randseitig offener Schlitz (42) herangezogen wird, in den jeweils eine an jeder Kathode (50) und Anode (48) angeformte Elektrodenfahne (56) eingeführt wird.
Verfahren (32) nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Führungsblock (70) nach Abschluss des Stapelns aus dem Gehäuseteil (18) entfernt wird.
Verfahren (32) nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Elektrodenfahnen (56) entlang einer zugeordneten außerhalb des Gehäuseteils (18) angeordneten Führungskante (46) geführt werden.
Verfahren (32) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die über das Gehäuseteil (18) überstehenden Bereiche der Elektrodenfahnen (56) mit dem jeweiligen Polabschnitt (22, 24) verschweißt werden, wobei der jeweilige Schlitz (42) geschlossen wird.
Verfahren (32) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die über das Gehäuseteil (18) überstehenden Bereiche der Elektrodenfahnen (56) der Anoden (48) und/oder Kathoden (50) mit einer außerhalb des Gehäuseteils (18) angeordneten Stromschiene (68) verschweißt werden.
Verfahren (32) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass jede Anode (48) und/oder Kathode (50) vor dem Stapeln einseitig mit einem Separator (58) laminiert wird.
Batterie (14) hergestellt nach einem Verfahren (32) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, mit einem starren wannenförmiges Gehäuseteil (18), das sich entlang einer ersten Richtung (36) erstreckt, und das einen ersten Polabschnitt (22) und einen hierzu elektrisch isolierten zweiten Polabschnitt (24) aufweist, wobei in das Gehäuseteil (18) abwechselnd flächige, senkrecht zur ersten Richtung (36) angeordnete Anoden (48) und Kathoden (50) gestapelt sind, und wobei die Anoden (48) elektrisch mit dem ersten Polabschnitt (22) und die Kathoden (50) elektrisch mit dem zweiten Polabschnitt (24) verbunden sind, und mit einer Positionierhilfe (44) zum überlappenden Stapeln der Anoden (48) und Kathoden (50).