DE102022000036A1 - Lid assembly for a single battery cell - Google Patents
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Abstract
Die Erfindung betrifft eine Deckelbaugruppe (1) für eine Batterieeinzelzelle (2) mit einem eine Öffnung aufweisenden Deckel (7) und einem durch diese Öffnung hindurchgeführten Durchführungselement (8), welches ein innenliegendes elektrisch leitendes Element (5) mit einem außenliegenden Batteriepol (9) verbindet, und welches gegenüber dem Deckel (7) elektrisch isoliert ausgebildet ist. Die erfindungsgemäße Deckelbaugruppe ist dadurch gekennzeichnet, dass das Durchführungselement (8) aus zwei miteinander verschweißten Teilelementen (8.1, 8.2) aus Aluminium oder einer Aluminiumlegierung einerseits und aus Kupfer oder einer Kupferlegierung andererseits ausgebildet ist.The invention relates to a cover assembly (1) for an individual battery cell (2) with a cover (7) having an opening and a lead-through element (8) which is led through this opening and which has an internal electrically conductive element (5) with an external battery pole (9). connects, and which is electrically isolated from the cover (7). The cover assembly according to the invention is characterized in that the lead-through element (8) is formed from two partial elements (8.1, 8.2) welded to one another made of aluminum or an aluminum alloy on the one hand and copper or a copper alloy on the other hand.
Description
Die Erfindung betrifft eine Deckelbaugruppe für eine Batterieeinzelzelle nach der im Oberbegriff von Anspruch 1 näher definierten Art. Außerdem betrifft die Erfindung ein Verfahren zur elektrischen Kontaktierung eines außenliegenden Batteriepols mit einem innenliegenden elektrisch leitenden Element in einer solchen Deckelbaugruppe.The invention relates to a cover assembly for an individual battery cell according to the type defined in more detail in the preamble of
Eine gattungsgemäße Deckelbaugruppe eines Batteriezellengehäuses ist aus der
Die Aufgabe der hier vorliegenden Erfindung ist es nun, ein Batteriegehäuse für eine Batterieeinzelzelle gemäß dem Oberbegriff des Anspruchs 1 anzugeben, welche gegenüber dem Stand der Technik verbessert ist.The object of the present invention is now to specify a battery housing for a single battery cell according to the preamble of
Erfindungsgemäß wird diese Aufgabe durch eine Deckelbaugruppe mit den Merkmalen im Anspruch 1, und hier insbesondere im kennzeichnenden Teil des Anspruchs 1, gelöst. Vorteilhafte Ausgestaltungen und Weiterbildungen ergeben sich aus den hiervon abhängigen Unteransprüchen. Außerdem löst ein Verfahren zur elektrischen Kontaktierung eines außenliegenden Batteriepols und eines innenliegenden elektrisch leitenden Elements mit einer derartigen Deckelbaugruppe die Aufgabe. Auch hier ergibt sich eine vorteilhafte Ausgestaltung aus dem abhängigen Unteranspruch.According to the invention, this object is achieved by a cover assembly having the features in
Bei der erfindungsgemäßen Deckelbaugruppe ist es ähnlich wie im Stand der Technik vorgesehen, dass der Deckel selbst eine Öffnung hat, durch welche ein Durchführungselement hindurchgeführt ist. Dieses Durchführungselement ist einerseits mit einem innenliegenden elektrisch leitenden Element, also einem innerhalb das Batteriegehäuses der Batterieeinzelzelle liegenden elektrisch leitenden Element einerseits und einem außenliegenden Batteriepol, also einem außerhalb des Gehäuses der Batterieeinzelzelle liegenden elektrisch leitenden Element als Batteriepol andererseits verbunden. Das Durchführungselement ist gegenüber dem Deckel des Batteriegehäuses elektrisch isoliert ausgebildet, was beispielsweise über eine Kombination aus elektrischer Isolation und Dichtung, prinzipiell aber auch über einen Luftspalt vergleichbar wie im Stand der Technik, realisiert werden könnte. Der Deckel selbst ist dann mit dem Gehäuse, typischerweise einem becherförmigen Gehäuse, verbunden, welches gleichzeitig den anderen Batteriepol ausbildet. Häufig ist dieses Gehäuse aus Aluminium tiefgezogen und wird mit dem Deckel aus demselben Material verschweißt.In the case of the cover assembly according to the invention, it is provided, similarly to the prior art, that the cover itself has an opening through which a lead-through element is passed. This lead-through element is connected on the one hand to an internal electrically conductive element, i.e. an electrically conductive element located inside the battery housing of the individual battery cell, on the one hand, and to an external battery pole, i.e. an electrically conductive element located outside the housing of the individual battery cell as a battery pole, on the other hand. The lead-through element is designed to be electrically insulated from the cover of the battery housing, which could be implemented, for example, via a combination of electrical insulation and seal, but in principle also via an air gap comparable to the prior art. The cover itself is then connected to the housing, typically a cup-shaped housing, which at the same time forms the other battery pole. This housing is often deep-drawn from aluminum and welded to the cover made from the same material.
Erfindungsgemäß ist es nun so, dass das Durchführungselement aus zwei miteinander verschweißten Teilelementen besteht, welche einerseits aus Aluminium oder einer Aluminiumlegierung bestehen und andererseits aus Kupfer oder einer Kupferlegierung. Ein solches Durchführungselement, welches zwei Teilelemente aufweist, bietet die Möglichkeit, beim Verschweißen der Teilelemente den Deckel selbst zusammen mit einer Dichtung und/oder Isolierung formschlüssig zu fassen. Es ermöglichst ferner eine sehr gute elektrische Leitfähigkeit innerhalb des Durchführungselements. Darüber hinaus ist es so, dass dieser Aufbau aus zwei unterschiedlichen Materialien die Möglichkeit schafft, den außenliegenden Batteriepol und das innenliegende elektrisch leitende Element aus unterschiedlichen Materialien auszubilden, beispielsweise ebenfalls aus Aluminium oder einer Aluminiumlegierung einerseits und Kupfer oder einer Kupferlegierung andererseits. Diese Materialien werden dann sortenrein mit dem jeweils aus denselben Material bestehenden Teilelement des Durchführungselements verbunden, was ein außerordentlich einfaches und effizientes Schweißen ermöglicht, da hier zwei gleichartige Materialien miteinander verbunden werden können, was bezüglich der Schweißnaht und ihrer Dauerbelastbarkeit ein entscheidender Vorteil ist.According to the invention, the leadthrough element consists of two sub-elements welded together, which consist on the one hand of aluminum or an aluminum alloy and on the other hand of copper or a copper alloy. Such a lead-through element, which has two partial elements, offers the possibility of gripping the cover itself together with a seal and/or insulation in a form-fitting manner when the partial elements are welded together. It also enables very good electrical conductivity within the leadthrough element. In addition, this construction from two different materials creates the possibility of forming the external battery pole and the internal electrically conductive element from different materials, for example also from aluminum or an aluminum alloy on the one hand and copper or a copper alloy on the other. These materials are then connected by type to the partial element of the lead-through element, each made of the same material, which enables extremely simple and efficient welding, since two similar materials can be connected to one another here, which is a decisive advantage with regard to the weld seam and its long-term resilience.
Gemäß einer sehr vorteilhaften Weiterbildung der erfindungsgemäßen Deckelbaugruppe kann es dabei so sein, dass das Teilelement aus dem Kupfer oder Kupferlegierung das innenliegende Teilelement des Durchführungselements ausbildet und das Teilelement aus Aluminium oder der Aluminiumlegierung das außenliegende Teilelement. Dies ermöglicht den typischen Aufbau für eine Batterieeinzelzelle, bei welcher beide Außenpole aus Aluminium ausgebildet werden können, sodass diese sehr einfach und effizient miteinander verschaltet werden können, beispielsweise indem Kontaktfahnen angeschweißt werden. Gleichzeitig ermöglicht es beispielsweise beim Aufbau in Lithium-Ionen-Technologie ein innenliegendes elektrisch leitendes Element, welches aus Kupfer oder einer Kupferlegierung ausgebildet ist.According to a very advantageous development of the cover assembly according to the invention, it can be the case that the partial element made of copper or copper alloy forms the inner partial element of the feedthrough element and the partial element made of aluminum or the aluminum alloy forms the outer partial element. This enables the typical structure for a single battery cell, in which both outer poles can be made of aluminum so that they can be connected to one another very easily and efficiently, for example by welding on contact lugs. At the same time, for example, when built using lithium-ion technology, it enables an electrically conductive interior Element made of copper or a copper alloy.
Gemäß einer außerordentlich günstigen Weiterbildung dieser Idee kann es dabei vorgesehen sein, dass das innenliegende elektrisch leitende Element als ein mit den Elektroden verbundener Kollektor aus Kupfer oder einer Kupferlegierung ausgebildet ist. Dies ermöglicht eine sehr gute Anbindung der einzelnen Elektroden, beispielsweise einer spiralförmig gewickelten Kupferfolie. Bei einem Aufbau in Lithium-Ionen-Technologie wäre dann die andere Elektrode aus einer Aluminiumfolie ausgebildet. Mit dem Kollektor aus Kupfer oder einer Kupferlegierung lassen sich dann die Kupferfolien der einen Elektrode ideal verbinden, während die Aluminiumfolien der anderen Elektrode beispielsweise mit einem becherförmigen Gehäuse aus tiefgezogenem Aluminium effizient kontaktiert werden können. Das erste Teilelement des Durchführungselements, welches ebenfalls aus Kupfer ausgebildet ist, lässt sich dann ideal mit dem Kollektor verbinden, während ein außenliegender beispielsweise aus Aluminium oder einer Aluminiumlegierung ausgebildeter Batteriepol mit dem anderen Teilelement effizient verbunden werden kann und werden kann. Die Batterieeinzelzelle hat dann beide Pole in ihrem außenliegenden Bereich aus Aluminium, sodass über Aluminiumverbinder durch effizientes und zuverlässiges Verschweißen, beispielsweise Laserschweißen, eine Parallel- oder Reihenschaltung mehrerer Batterieeinzelzellen erfolgen kann.According to an extraordinarily favorable further development of this idea, provision can be made for the internally located electrically conductive element to be in the form of a collector made of copper or a copper alloy and connected to the electrodes. This enables a very good connection of the individual electrodes, for example a spirally wound copper foil. In the case of a structure using lithium-ion technology, the other electrode would then be formed from an aluminum foil. The copper foils of one electrode can then be ideally connected to the collector made of copper or a copper alloy, while the aluminum foils of the other electrode can be efficiently contacted, for example with a cup-shaped housing made of deep-drawn aluminum. The first partial element of the leadthrough element, which is also made of copper, can then be ideally connected to the collector, while an external battery pole made of aluminum or an aluminum alloy, for example, can and can be efficiently connected to the other partial element. The single battery cell then has both poles in its outer area made of aluminum, so that aluminum connectors can be used to efficiently and reliably weld, for example laser welding, for several single battery cells to be connected in parallel or in series.
Eine außerordentlich günstige Weiterbildung der erfindungsgemäßen Deckelbaugruppe sieht es dabei vor, dass das Durchführungselement mit dem außenliegenden Batteriepol einerseits und dem innenliegenden elektrisch leitenden Element, insbesondere also dem Kollektor, andererseits verschweißt ausgebildet ist. Ein solches Verschweißen, welches gemäß einer vorzugsweisen Ausgestaltung als Reibschweißen realisiert werden kann, ermöglicht eine außerordentlich sichere, zuverlässige und dauerhafte Verbindung, welche eine hohe elektrische Leitfähigkeit bei geringem elektrischem Widerstand gewährleistet.An extraordinarily favorable further development of the cover assembly according to the invention provides that the feedthrough element is welded to the external battery terminal on the one hand and the internal electrically conductive element, ie in particular the collector, on the other hand. Such welding, which according to a preferred embodiment can be implemented as friction welding, enables an extraordinarily safe, reliable and permanent connection, which ensures high electrical conductivity with low electrical resistance.
Dabei können das Durchführungselement einerseits und der Kollektor andererseits sowie das Durchführungselement einerseits und der außenliegende Batteriepol andererseits jeweils korrespondierende Konturen zur Zentrierung aufweisen. Damit lassen sich diese Bauteile sehr einfach aufeinander positionieren, um sie dann beispielsweise über Reibschweißen effizient und zuverlässig miteinander zu verbinden.The lead-through element on the one hand and the collector on the other hand as well as the lead-through element on the one hand and the external battery pole on the other hand can each have corresponding contours for centering. This makes it very easy to position these components on top of each other so that they can then be connected to one another efficiently and reliably, for example using friction welding.
Zwischen dem Kollektor und dem Deckel kann dabei ebenso eine Isolation angeordnet sein, wie zwischen dem Deckel und dem Durchführungselement, um so den Deckel mit dem Außengehäuse beispielsweise durch Laserschweißen, Reibschweißen oder dergleichen verbinden zu können, um ein in sich geschlossenes Außengehäuse, vorzugsweise aus einer Aluminiumlegierung, zu schaffen.Insulation can also be arranged between the collector and the cover, as well as between the cover and the lead-through element, in order to be able to connect the cover to the outer housing, for example by laser welding, friction welding or the like, in order to create a self-contained outer housing, preferably made of a aluminum alloy to create.
Das erfindungsgemäße Verfahren sieht es nun vor, dass zur elektrischen Kontaktierung des außenliegenden Batteriepols mit dem innenliegenden elektrisch leitenden Element in einer derartigen Deckelbaugruppe in einem ersten Schritt die Teilelemente des Durchführungselementes miteinander verschweißt werden. In einem darauffolgenden zweiten Schritt wird das Durchführungselement mit dem innenliegenden elektrisch leitenden Element verschweißt. In einem auf den zweiten Schritt folgenden dritten Schritt wird der außenliegende Batteriepol mit dem Durchführungselement verschweißt. Vorteilhaft werden dabei zwischen dem ersten und dem zweiten Schritt der Deckel und die Isolierung mit dem Durchführungselement verbunden.The method according to the invention now provides for the partial elements of the leadthrough element to be welded to one another in a first step in order to make electrical contact between the external battery pole and the internal electrically conductive element in such a cover assembly. In a subsequent second step, the feedthrough element is welded to the internal electrically conductive element. In a third step following the second step, the external battery pole is welded to the lead-through element. The cover and the insulation are advantageously connected to the lead-through element between the first and the second step.
Das Verschweißen kann dabei auf verschiedene Arten erfolgen, beispielsweise durch Laserschweißen, besonders vorteilhaft jedoch durch Reibschweißen, welches sich besonders gut zur Ausbildung der benötigten Verbindungen sowohl zwischen den Teilelementen als auch zwischen dem außenliegenden Batteriepol und dem Durchführungselement einerseits und dem innenliegenden elektrisch leitenden Element und dem Durchführungselement andererseits eignet.The welding can be done in various ways, for example by laser welding, but particularly advantageously by friction welding, which is particularly good for forming the required connections both between the sub-elements and between the external battery pole and the lead-through element on the one hand and the internal electrically conductive element and the Feedthrough element on the other hand is suitable.
Weitere vorteilhafte Ausgestaltungen der Deckelbaugruppe sowie des Verfahrens ergeben sich auch aus dem Ausführungsbeispiel, welches nachfolgend unter Bezugnahme auf die Figuren näher beschrieben ist.Further advantageous configurations of the cover assembly and the method also result from the exemplary embodiment, which is described in more detail below with reference to the figures.
Dabei zeigen:
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1 einen Ausschnitt aus einer Batterieeinzelzelle mit der erfindungsgemäßen Deckelbaugruppe im Querschnitt; -
2 eine Schnittdarstellung der erfindungsgemäßen Deckelbaugruppe; -
3 eine vergrößerte Darstellung eines Durchführungselements der erfindungsgemäßen Deckelbaugruppe; und -
4 eine Draufsicht auf einen Ausschnitt des Kollektors.
-
1 a section of a single battery cell with the cover assembly according to the invention in cross section; -
2 a sectional view of the cover assembly according to the invention; -
3 an enlarged view of a lead-through element of the cover assembly according to the invention; and -
4 a plan view of a section of the collector.
In der Darstellung der
Die Elektroden der anderen Polung ragen nach oben über den Wickel 4 hinaus und kontaktieren einen Kollektor 5 als innenliegendes elektrisch leitendes Element 5. Die Elektrodenfolien dieser Polung sind typischerweise aus Kupfer ausgebildet, sodass zur idealen Anbindung dieser Elektroden an den Kollektor 5 auch dieser aus Kupfer oder einer Kupferlegierung hergestellt ist. Über eine elektrische Isolation 6 ist dieser Kollektor 5 als das innenliegende elektrisch leitende Element 5 gegenüber einem Deckel 7 der Deckelbaugruppe 1 elektrisch isoliert. Der Deckel 7 wird dann typischerweise mit dem becherförmigen Gehäuse 3 abdichtend verbunden, um das Elektrolyt sicher einzuschließen. Meistens ist der Deckel 7 dabei auch elektrisch leitend mit den Gehäuse 3 verbunden, z.B. durch verschweißen der abdichtenden Verbindung, sodass der Deckel 7 auf dem Potenzial der anderen Elektroden liegt und gemeinsam mit dem Gehäuse 3 der Batterieeinzelzelle 2 deren einen Pol, beispielsweise den negativen Batteriepol, ausbildet. Der Kollektor 5 ist über ein Durchführungselement 8 der Deckelbaugruppe 1 elektrisch mit einem aufgesetzten außenliegenden entgegensetzt gepolten Batteriepol 9 verbunden und elektrisch kontaktiert. Zwischen dem Deckel 7 und diesem Durchführungselement 8 ist eine mit 10 bezeichnete Dichtung und/oder Isolierung angeordnet, um das Innere der Batterieeinzelzelle 2 gegenüber der Umgebung abzudichten und das Durchführungselement 8 gegenüber dem Deckel 7 elektrisch zu isolieren.The electrodes of the other polarity protrude upwards beyond the winding 4 and contact a
Der außenliegende Batteriepol 9 ist idealerweise ebenfalls aus Aluminium oder einer Aluminiumlegierung ausgebildet, da dies die Verschaltung der Batterieeinzelzellen 2, beispielsweise das Verschweißen der Batterieeinzelzellen 2 bzw. ihrer Batteriepole bei einer Reihen- oder Parallelschaltung erleichtert, da, wenn durchgehend die gleichen Materialien für alle Batteriepole und Verbinder eingesetzt werden können, diese besonders effizient und dauerfest, z.B. durch Laserschweißen, angebunden werden können.The
Die Deckelbaugruppe 1 ist in der Darstellung der
Darüber hinaus ist es so, dass das andere Teilelement 8.1 bzw. nach dem Verschweißen der Teilelemente 8.1 und 8.2 das obere Ende des Durchführungselements 8 in der Darstellung der
Bevorzugt erfolgt das Verschweißen durch Reibschweißen. Vorzugsweise werden dabei zuerst die beiden Teilelemente 8.1 und 8.2 miteinander verschweißt oder gleichzeitig zum Verschweißen der Teilelemente 8.1 und 8.2 wird der Batteriepol 9 mit aufgeschweißt. Dieser Aufbau mit dem formschlüssig aufgenommenen Deckel 7 samt Dichtung/Isolierung 10 wird dann mit dem Kollektor 5 verschweißt und das Gehäuse 3 der Batterieeinzelzelle 2 wird durch das Aufbringen des Deckels 7 auf das Außengehäuse 3 verschlossen.The welding is preferably carried out by friction welding. The two partial elements 8.1 and 8.2 are preferably first welded to one another or the
Durch die spezielle Ausgestaltung des Durchführungselements, welches in seinem dem innenliegenden elektrisch leitenden Element 5, also dem Kollektor 5, zugewandten Ende aus Kupfer oder einer Kupferlegierung besteht und an seinem dem außenliegenden Batteriepol 9 zugewandten Ende aus Aluminium oder einer Aluminiumlegierung erlaubt dabei ein einfaches und zuverlässiges Verschweißen sowohl mit dem Kollektor 5 einerseits als auch mit dem Batteriepol 9 andererseits, da hier jeweils dieselben Materialien miteinander verbunden werden. Durch die passgenau ineinandergreifenden Elemente, also dem Vorsprung 14 und dem Sackloch 13 bzw. dem Vorsprung 11 und der Ringnut 12, ist dabei eine einfache und zuverlässige Positionierung der Bauteile zueinander möglich, sodass die Herstellung der Batterieeinzelzelle 2 sehr einfach und effizient erfolgen kann. Gleichzeitig ist durch das Verschweißen eine sehr hohe elektrische Leitfähigkeit bei guter Anbindung der Werkstoffe aneinander gewährleistet. The special design of the lead-through element, which consists of copper or a copper alloy at its end facing the internal electrically
Die eher kritische Verbindung zwischen den unterschiedlichen Werkstoffen erfolgt auf einer relativ großen Fläche innerhalb des Durchführungselements, in dessen Inneren die beiden Teilelemente 8.1 und 8.2 miteinander verschweißt sind, sodass auch hier durch die große Querschnittfläche der Verschweißung eine gute Anbindung und Durchmischung der Materialien im Übergangsbereich gewährleistet ist. Hierdurch wird eine sehr gute Dauerfestigkeit erzielt, welche eine verbesserte elektrische Leitfähigkeit im Gegensatz zu einer reinen Laserschweißnaht beispielsweise zwischen einem der Batteriepole und einem Zellverbinder aufweist.The rather critical connection between the different materials takes place on a relatively large area within the lead-through element, inside which the two sub-elements 8.1 and 8.2 are welded together, so that the large cross-sectional area of the weld also ensures good connection and mixing of the materials in the transition area is. This achieves a very good fatigue strength, which has improved electrical conductivity in contrast to a pure laser weld seam, for example between one of the battery poles and a cell connector.
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Citations (1)
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---|---|---|---|---|
DE102019213897A1 (en) | 2019-09-11 | 2021-03-11 | Robert Bosch Gmbh | Lid assembly of a battery cell housing, method for the production thereof and use of such |
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2022
- 2022-01-03 DE DE102022000036.9A patent/DE102022000036A1/en active Pending
Patent Citations (1)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
DE102019213897A1 (en) | 2019-09-11 | 2021-03-11 | Robert Bosch Gmbh | Lid assembly of a battery cell housing, method for the production thereof and use of such |
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