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Die Erfindung betrifft eine Batterieeinzelzelle mit einem Gehäuse aus einem elektrisch leitfähigen Material, nach der im Oberbegriff von Anspruch 1 näher definierten Art. Außerdem betrifft die Erfindung ein Batteriemodul mit mehreren derartigen Batterieeinzelzellen.
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Batterieeinzelzellen in Gehäusen, welche beispielsweise aus Aluminium oder einer Aluminiumlegierung tiefgezogen werden, sind soweit aus dem Stand der Technik bekannt. Das elektrisch leitende Gehäuse bildet dann häufig einen der Batteriepole aus. Der jeweils andere Batteriepol ist aus diesem Gehäuse herausgeführt, beispielsweise durch einen Deckel aus elektrisch nicht leitendem Material oder einen Deckel mit einem Einsatz, z.B. einem Ring, aus elektrisch nicht leitendem Material, welcher den anderen Batteriepol umgibt.
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Generell ist es bei Batterieeinzelzellen immer so, dass diese zu einem Batteriemodul verbaut werden, insbesondere wenn es sich um Lithium-Ionen-Batterien handelt, welche als Hochvoltbatterien oder Traktionsbatterien in zumindest teilweise elektrisch angetriebenen Fahrzeugen zum Einsatz kommen. Dabei ist der Aufwand, um die einzelnen Batterieeinzelzellen elektrisch und auch mechanisch zur Ausbildung des Batteriemoduls zu verbinden, nicht zu vernachlässigen.
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Die
DE 10 2012 223 812 A1 beschreibt in diesem Zusammenhang die Verbindung von Polen von Batterieeinzelzellen, um ein Batteriemodul auszubilden. Die Zellverbinder sind vergleichsweise aufwändig konstruiert und umfassen elastische Elemente, um potenzielle mechanische Spannungen und Bewegungen in der Batterie ausgleichen zu können.
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Insgesamt ist der Aufwand, welcher für die Produktion der Zellverbinder und das anschließende Fügen derselben betrieben werden muss, hoch.
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Die Aufgabe der hier vorliegenden Erfindung besteht nun darin, eine verbesserte Batterieeinzelzelle mit einem Gehäuse aus einem elektrisch leitenden Material sowie ein Batteriemodul hieraus anzugeben, welches den Aufwand bei der Montage eines Batteriemoduls aus den Batterieeinzelzellen reduziert. Gleichzeitig soll dabei ein gut zu temperierendes Batteriemodul mit hoher mechanischer Festigkeit entstehen.
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Erfindungsgemäß wird diese Aufgabe durch eine Batterieeinzelzelle mit den Merkmalen im Anspruch 1, und hier insbesondere im kennzeichnenden Teil des Anspruchs 1, gelöst. Vorteilhafte Ausgestaltungen und Weiterbildungen einer solchen Batterieeinzelzelle ergeben sich aus den hiervon abhängigen Unteransprüchen. Im Anspruch 9 ist außerdem ein Batteriemodul aus derartigen Batterieeinzelzellen beschrieben. Auch hier ergibt sich eine vorteilhafte Weiterbildung des Batteriemoduls aus dem abhängigen Unteranspruch.
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Bei der erfindungsgemäßen Batterieeinzelzelle liegt die Besonderheit in dem Gehäuse. Dieses Gehäuse ist, so wie es auch im Stand der Technik häufig der Fall ist, aus einem elektrisch leitfähigen Material hergestellt, welches insbesondere gleichzeitig einen der Batteriepole der Batterieeinzelzelle ausbildet. Das Gehäuse kann dabei gemäß einer sehr vorteilhaften Ausgestaltung aus Aluminium, einer Aluminiumlegierung, Stahl oder einer Stahllegierung ausgebildet sein. Ein geeigneter Werkstoff ist beispielsweise unter dem Markennamen Hilumin bekannt. Es kann insbesondere als prismatisches oder becherförmiges (zylindrisches) Gehäuse aus dem entsprechenden Material durch Tiefziehen, Fließpressen oder durch Umformen und Verbinden von Blechteilen hergestellt werden.
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Die erfindungsgemäße Besonderheit besteht nun darin, dass das Gehäuse in wenigstens einem Abschnitt seiner Oberfläche einen Vorsprung aufweist. Ein solcher Vorsprung kann nun ideal genutzt werden, um eine benachbarte Batterieeinzelzelle und hier insbesondere einen Vorsprung einer gleichartig ausgeführten benachbarten Batterieeinzelzelle zu kontaktieren. Die Vorsprünge können in einem aus solchen Batterieeinzelzellen aufgebauten Batteriemodul also miteinander verbunden werden, um einerseits eine mechanische Verbindung der Batterieeinzelzellen und andererseits eine elektrische Verbindung zu gewährleisten.
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Die Verbindung lässt sich prinzipiell in vielfältiger Art realisieren. Grundlegend sind bekannte Verfahren wie Löten oder auch ein Durchsetzfügen wie beispielsweise Toxen oder Clinchen denkbar. Gemäß einer außerordentlich günstigen Weiterbildung des erfindungsgemäßen Batteriemoduls können die Vorsprünge durch Schweißen miteinander verbunden werden, vorzugsweise durch Laserschweißen. Damit lässt sich außerordentlich einfach, effizient und prozesssicher eine Verbindung der Vorsprünge benachbarter Batterieeinzelzellen herstellen, beispielsweise um deren durch das Gehäuse ausgebildeten Pole allesamt miteinander zu verbinden und die Batterieeinzelzellen somit innerhalb des Batteriemoduls parallel zu verschalten. Selbstverständlich sind auch andere Verschaltungsvarianten denkbar, bei denen die Batterieeinzelzellen innerhalb eines Batteriemoduls in mehreren Reihen oder Gruppen angeordnet sind, wobei sie jeweils innerhalb der Gruppe miteinander verbunden und dann parallel verschaltet werden, wobei die Gruppen untereinander dann wiederum in Reihe verschaltet werden können.
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Die erfindungsgemäße Batterieeinzelzelle sieht es dabei gemäß einer außerordentlich günstigen Weiterbildung vor, dass der Vorsprung aus dem Material des Gehäuses ausgebildet ist. Der Vorsprung ist also aus demselben Material realisiert wie das Gehäuse selbst. Er kann hier beispielsweise aus demselben Aluminiumwerkstoff hergestellt werden, wie es das Gehäuse vorzugsweise ist. Insbesondere kann er als Blechstreifen realisiert und mit dem Gehäuse verlötet oder verschweißt werden.
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Gemäß einer außerordentlich günstigen Weiterbildung der erfindungsgemäßen Batterieeinzelzelle kann es jedoch auch vorgesehen sein, dass der Vorsprung einteilig mit dem Gehäuse ausgebildet ist. Der Vorsprung kann also einteilig mit dem Gehäuse realisiert werden. Insbesondere kann der Vorsprung dabei durch ein Umformen aus dem Material des Gehäuses ausgebildet werden, beispielsweise indem ein Teil des Gehäuses nach außen umgekantet wird oder auch indem bei der Herstellung des Gehäuses ein Umformen in der Art erfolgt, dass ein Teil des Gehäuses nach außen und dann wieder nach innen geformt wird, um so einen partiell umlaufenden Flansch oder Bund an dem Gehäuse zu erreichen.
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Vorzugsweise ist es so, dass der Vorsprung in wenigstens zwei Abschnitten des Gehäuses angeordnet ist. Zwei verschiedene Abschnitte des Gehäuses weisen also gemäß dieser vorteilhaften Ausgestaltung jeweils wenigstens einen der Vorsprünge auf.
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Gemäß einer vorteilhaften Weiterbildung der Idee können diese Abschnitte mit dem jeweils einen Vorsprung gegenüberliegend an dem Gehäuse ausgebildet sein, um so beispielsweise in einer Reihe zueinander positionierte Batterieeinzelzellen effizient miteinander verbinden und verschalten zu können.
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Eine außerordentlich günstige Ausgestaltung der erfindungsgemäßen Batterieeinzelzelle sieht es dabei ferner vor, dass die jeweiligen Vorsprünge des jeweiligen Abschnitts bezogen auf eine Bezugsfläche des Gehäuses um die Materialstärke wenigstens eines Vorsprungs versetzt angeordnet sind. Die Vorsprünge in verschiedenen Abschnitten desselben Gehäuses können also beispielsweise auf eine Grundfläche des Gehäuses bezogen in unterschiedlichen Höhen angeordnet werden. Der Höhenunterschied zwischen den Vorsprüngen des einen Abschnitts und des anderen Abschnitts beträgt dabei in etwa die Materialstärke des jeweiligen Vorsprungs. Die Batterieeinzelzellen können dann bei der Montage des Moduls beispielsweise mit ihrer entsprechenden Bezugsfläche, in dem eben dargelegten Beispiel also ihrer Bodenfläche, auf eine ebene Platte gestellt werden. Beim Zusammenschieben gelangen die Vorsprünge so aneinander, dass sie sich überlappen, weil der Vorsprung in dem einen Abschnitt des Gehäuses um die Materialhöhe des Vorsprungs versetzt zu demjenigen im anderen Abschnitt des Nachbargehäuses angeordnet ist. Dieser Überlapp eignet sich ideal, um dann die Vorsprünge durch Laserschweißen miteinander zu verbinden. Damit werden die Batterieeinzelzellen elektrisch kontaktiert und gleichzeitig mechanisch miteinander verbunden. Durch die Vorsprünge gegenüber der eigentlichen Fläche des Gehäuses wird außerdem ein gewisser Leerraum zwischen den einzelnen Batterieeinzelzellen geschaffen, welcher sich dann ideal eignet, um ein Kühlmedium, beispielsweise ein Kühlfluid, insbesondere Kühlluft, zwischen den Batterieeinzelzellen zirkulieren zu lassen, um so anfallende Abwärme effizient abzuführen oder bei sehr niedrigen Umgebungstemperaturen zur Temperierung der Batterie über ein vorgewärmtes Medium Wärme zuzuführen.
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Die einzelnen Abschnitte können dabei jeweils gleichmäßig um den Umfang des Gehäuses herum verteilt angeordnet sein. So sind beispielsweise zwei, drei oder vier Abschnitte in regelmäßiger Anordnung um ein ovales oder rundes Gehäuse denkbar. Bei einem prismatischen Gehäuse wäre es dann gemäß einer sehr vorteilhaften Weiterbildung der Idee entsprechend vorgesehen, dass jede der Seiten des prismatischen Gehäuses mit Ausnahme des Bodens und des Deckels einen der Vorsprünge trägt, sodass insgesamt an allen Seiten Vorsprünge vorhanden sind. Alternativ dazu ließen sich die Vorsprünge auch hier selbstverständlich wieder an wenigstens zwei der Seiten als die entsprechenden Abschnitte anbringen, sodass sie beispielsweise gegenüberliegend auf der einen oder anderen Seite wären. Dabei ist es selbstverständlich denkbar, für jede der Seiten mehr als einen Vorsprung vorzusehen. Insbesondere bei einem prismatischen Gehäuse der Batterieeinzelzelle könnte es von Vorteil sein, wenn dieses beispielsweise aus einem U-förmigen Blechteil besteht, an welches zwei der Seiten rechts und links angeschweißt werden, um die Grundform des Gehäuses zu realisieren. Wenn die angeschweißten Elemente dann teilweise über die Fläche der Seitenwände des U entsprechend überstehen, könnten sie hier die Vorsprünge ausbilden. Werden die Batterieeinzelzellen dann zu dem Batteriemodul aufgestapelt, würden jeweils rechts und links von der durch das U-förmige Blech ausgebildeten Seite des Gehäuses die entsprechenden Vorsprünge überstehen, sodass die Batterieeinzelzellen in diesem Bereich von der Seite eines Stapels her ideal miteinander verbunden werden könnten und gleichzeitig in Stapelrichtung zwischen den einzelnen Batterieeinzelzellen ein Freiraum verbleibt, welcher von einem flüssigen oder gasförmigen Kühlmedium durchströmt werden kann.
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Weitere vorteilhafte Ausgestaltungen der erfindungsgemäßen Batterieeinzelzelle sowie eines Batteriemoduls mit mehreren derartigen Batterieeinzelzellen ergeben sich auch aus dem Ausführungsbeispiel, welches nachfolgend unter Bezugnahme auf die Figuren näher beschrieben ist.
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Dabei zeigen:
- 1 eine schematische Darstellung einer beispielhaften Batterieeinzelzelle gemäß der Erfindung;
- 2 ein mögliches Detail zur Realisierung eines der Vorsprünge;
- 3 ein Batteriemodul aus mehreren Batterieeinzelzellen gemäß 1; und
- 4 drei verschiedene Varianten zur Anordnung der Vorsprünge in der Draufsicht auf jeweils eine der Batterieeinzelzellen und einer Anordnung mit wenigstens zwei Batterieeinzelzellen.
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In der Darstellung der 1 ist eine beispielhafte Batterieeinzelzelle 1 zu erkennen. Die Batterieeinzelzelle 1 besteht aus einem hier nicht erkennbaren Zellwickel, welcher in Elektrolyt getränkt und im Inneren eines becherförmigen Gehäuses 2 angeordnet ist. Dieses becherförmige Gehäuse 2 ist dabei rein beispielhaft zu verstehen, es könnte genauso gut als prismatisches Gehäuse, als sechseckiges Gehäuse oder dergleichen ausgelegt sein. Das Gehäuse 2, welches hier in Form eines tiefgezogenen Bechers 3 beispielsweise aus Aluminium oder einer Aluminiumlegierung realisiert ist, umfasst eben diesen Becher 3 sowie einen Deckel 4, welcher beispielsweise aus einem elektrisch isolierenden Material besteht oder einen z.B. ringförmigen Einsatz aus einem solchen Material aufweist. Das Gehäuse 2 bildet dabei den negativen Pol der Batterieeinzelzelle 1 aus. In dem Deckel 4 des Gehäuses 2 bzw. falls dieser aus metallischem Material ausgebildet ist über einen elektrisch isolierenden Einsatz innerhalb dieses Deckels 4 befindet sich der positive Batteriepol der Batterieeinzelzelle 1, welcher hier mit dem Bezugszeichen 6 bezeichnet ist. Dieser bisher beschriebene Aufbau ist soweit aus dem Stand der Technik bekannt. Die Besonderheit der Batterieeinzelzelle 1 besteht nun darin, dass das Batteriegehäuse 2, und hier insbesondere der Becher 3 des Batteriegehäuses 2, zwei Vorsprünge 7 in zwei unterschiedlichen Abschnitten des Bechers 3 bzw. des Gehäuses 2 aufweist. Diese Vorsprünge 7 sind beispielsweise in zwei bezüglich des Umfangs des Gehäuses 2 gegenüberliegenden Abschnitte ausgebildet. Sie bestehen vorzugsweise aus demselben Material wie der Becher 3 und sind idealerweise einstückig aus diesem ausgebildet und werden bei der Herstellung des Gehäuses 2 unmittelbar mit angeformt.
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In der Darstellung der 2 ist schematisch und rein beispielhaft eine Möglichkeit für eine derartige Ausbildung der Vorsprünge 7 gezeigt. Sie sind hier als umgeformte Elemente aus dem Becher 3 ausgeführt. So könnte beispielsweise ein Teil des Randes oder der gesamte in der Darstellung der 1 oben liegende Rand des Bechers 3 nach außen umgeformt werden, sodass dieser also einen Flansch aufweist. Der Deckel 4 wäre dann im Bereich der in 2 angedeuteten umlaufenden Schweißnaht 8 mit dem Becher 3 bzw. dem Vorsprung 7 verschweißt, um die Batterieeinzelzelle 1 bzw. ihr Gehäuse 2 entsprechend zu verschließen. Andere Möglichkeiten zum Umformen der Vorsprünge 7 aus dem Material des Gehäuses 2 sind ebenso denkbar. Auch ein nachträgliches Anbringen, indem beispielsweise Blechstreifen durch Laserschweißen angeschweißt werden, ist möglich.
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Die beiden in 1 gezeigten Vorsprünge 7, welche sich bezüglich des Umfangs des Gehäuses 2 gegenüberliegen, sind nun zusätzlich bezüglich ihrer Höhe, beispielsweise auf den Boden des Bechers 3 als Bezugsfläche bezogen, in unterschiedlicher Höhe angeordnet. Eine Höhendifferenz Δh ist dabei in der Darstellung der 1 nur schematisch angedeutet. Idealerweise entspricht diese Höhendifferenz Δh, also der Abstand der jeweils oberen Oberfläche der beiden Vorsprünge 7 in der Ansicht gemäß 1, in etwa der Materialstärke der Vorsprünge 7. Dies ermöglicht es, mehrere Batterieeinzelzellen 1 nebeneinander zu positionieren, sodass die Vorsprünge 7 jeweils überlappend zueinander zu liegen kommen. In der Darstellung der 3 ist dies basierend auf Batterieeinzelzellen 1 gemäß 1 schematisch angedeutet. Der links in der 3 dargestellte vergrößerte Ausschnitt zeigt zwei der Vorsprünge 7 an den Bechern 3 zweier benachbarter Batterieeinzelzellen 1. Diese kommen beim Abstellen der Batterieeinzelzellen 1 auf einem ebenen Untergrund überlappend zueinander zu liegen und können über eine hier mit 9 bezeichnete Schweißnaht miteinander verschweißt werden. Hierdurch wird eine sehr gute elektrische und mechanische Anbindung der einzelnen Batterieeinzelzellen 1 zueinander gewährleistet. In der Darstellung der 3 ist dabei im Bereich der rechts vorne liegenden Schweißnaht 9 das Verschweißen mittels eines Laserschweißgeräts durch einen angedeuteten Laserstrahl 10 gezeigt.
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Durch die Verbindung der Vorsprünge 7 mittels der Schweißnähte 9 wird so einerseits ein stabiler mechanischer Aufbau geschaffen und andererseits werden sämtliche Minuspole des hier dargestellten Batteriemoduls 12 miteinander verbunden. Die Pluspole 6 müssen dann in herkömmlicher Art und Weise über einen Zellverbinder 11, welcher nun einfach ausgeformt werden kann, miteinander verbunden werden, was hier rein beispielhaft für zwei der Batterieeinzelzellen 1 entsprechend dargestellt ist. Die weiteren Batteriepole 6 sind hier nicht verbunden, würden dies aber entsprechend werden. Da diese obenliegenden Batteriepole 6 relativ einfach über Zellverbinder 11 zu verbinden sind, stellt dies in Kombination mit der Verbindung der Minuspole über die Vorsprünge 7 eine außerordentlich effiziente Art des Aufbaus und der Verschaltung des Batteriemoduls 12 dar.
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Neben der einfachen elektrischen Kontaktierbarkeit über die Vorsprünge 7 entsteht durch die Vorsprünge 7 außerdem der Vorteil, dass zwischen den einzelnen Gehäusen 2 der Batterieeinzelzellen 1 jeweils ein durch die Vorsprünge definierter Raum bleibt, welcher sich ideal eignet, um ein Kühlmedium hindurchzuleiten, beispielsweise eine Kühlflüssigkeit oder insbesondere Kühlluft. Dies ist in der Darstellung der 3 durch die mit 13 bezeichneten Pfeile entsprechend angedeutet.
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Die einzelnen Vorsprünge 7 in der Darstellung der 4 sind hier für verschiedene Ausführungsvarianten zur Anordnung der jeweiligen Vorsprünge 7 am äußeren Umfang der Batterieeinzelzellen 1, am Beispiel der hier beispielhaft genutzten Rundzellen, dargestellt. In 4 ganz links ist eine Draufsicht auf den im Rahmen der 1 und 3 bereits beschriebenen Aufbau gezeigt. Die beiden Vorsprünge 7 liegen hier in gegenüberliegenden Abschnitten bezüglich des Umfangs des Gehäuses 2 der Batterieeinzelzelle 1. Die Batterieeinzelzellen 1 lassen sich dann beispielsweise in einer Reihe zueinander anordnen und parallel verschalten. Eine höhere Flexibilität bei der Anordnung ergibt sich durch den in der Darstellung der 4 in der Mitte gezeigten Aufbau, bei welchem vier einzelne Vorsprünge 7 gleichmäßig über den Umfang der Batterieeinzelzelle 1 verteilt angeordnet sind. Hierdurch lassen sich auch nebeneinander liegende Reihen oder Anordnungen mit einer hexagonalen Platzierung der Batterieeinzelzellen 1 realisieren. In der Darstellung der 4 ganz rechts ist eine weitere Möglichkeit gezeigt, bei welcher drei Vorsprünge 7 gleichmäßig um den Umfang verteilt angeordnet sind. Auch hierdurch ergeben sich weitere Möglichkeiten zur Anordnung der Batterieeinzelzellen 1, welche wiederum im unteren Bereich der 4 angedeutet sind.
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Selbstverständlich lässt sich die erfindungsgemäße Idee mit den Vorsprüngen auch auf andere Bauformen von Batterieeinzelzellen 1, beispielsweise prismatische Zellen, sechseckige Zellen oder dergleichen problemlos übertragen.
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Die Batterieeinzelzellen 1 können insbesondere als Lithium-Ionen-Zellen aufgebaut sein und beispielsweise zu einzelnen Batteriemodulen 12 kombiniert werden, welche dann wiederum zu einer Gesamtbatterie zusammengefasst werden. Eine solche Gesamtbatterie eignet sich sowohl für stationäre als auch für mobile Anwendungen, insbesondere kann sie als Hochvoltbatterie, also als Batterie mit einer Gleichspannung von mehr als 60 V, zur Bereitstellung von elektrischer Antriebsleistung in einem zumindest teilweise elektrisch angetriebenen Fahrzeug eingesetzt werden. Eine solche Batterie wird auch als Traktionsbatterie bezeichnet.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- DE 102012223812 A1 [0004]
