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Die Erfindung betrifft eine Batteriezelle für ein Batteriesystem, ein Verfahren zur Herstellung einer solchen Batteriezelle, ein Batteriesystem mit einer solchen Batteriezelle sowie ein Kraftfahrzeug mit einem solchen Batteriesystem.
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Ein Batteriesystem im Sinne der vorliegenden Erfindung umfasst eine Batterie mit zumindest einer und insbesondere mit mehreren elektrisch leitend miteinander verschalteten Batteriezellen, wobei eine solche Batteriezelle bevorzugt eine Spannung im Bereich von 3,5 bis 4 Volt bereitstellt. Eine solche Batteriezelle kann als eine prismatische Zelle, eine Pouchzelle oder als Rundzelle ausgebildet sein. Die Batterie ist bevorzugt als eine sogenannte Hochvoltbatterie ausgestaltet, die dazu eingerichtet ist, eine elektrische Spannung im Bereich von mehr als 60 Volt, insbesondere im Bereich von mehreren 100 Volt, bereitzustellen. Eine solche Hochvoltbatterie kann Teil eines Batteriesystems für ein Kraftfahrzeug sein, wo sie einen elektrischen Verbraucher, insbesondere einen Antriebsmotor, mit elektrischer Energie versorgen kann.
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Eine Batteriezelle der oben beschriebenen Art weist in der Regel ein Zellengehäuse und einen Zelleninnenraum auf, wobei in dem Zelleninnenraum zumindest ein Elektrodenpaar mit zwei Elektroden angeordnet ist. Bekanntermaßen wird im Betrieb einer solchen Batteriezelle durch die im Zelleninnenraum ablaufenden physikochemischen Prozesse thermische Energie in Form von Wärme freigesetzt. Die resultierende Wärmeentwicklung findet zumeist nicht gleichmäßig überall in der Batteriezelle statt, sondern es können lokal Wärmespitzen oder Hot Spots entstehen. Diese ungleichmäßige Temperaturentwicklung und der Temperaturanstieg können einen Alterungsprozess der Batteriezelle beschleunigen.
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Aus der
DE 10 2012 212 451 A1 ist eine Lösung bekannt, wie die innerhalb einer Batteriezelle entstehende Wärme homogen innerhalb der Zelle verteilt werden kann. Hierzu ist ein Wärmeausgleichselement vorgesehen, welches mit einem Wärmeträgermedium befüllt und in die Zelle eingesetzt werden kann. Hierdurch findet ein Temperaturausgleich innerhalb der Zelle statt, wobei die Zelle sich nach wie vor insgesamt erwärmen kann, da keine Wärmeabfuhrmöglichkeit vorgesehen ist.
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Um die entstehende Wärme aus der Batteriezelle abführen zu können, sieht die
DE 10 2018 207 328 A1 Kühlkanäle vor, welche in eine Wandung der Batteriezelle eingearbeitet sind und von einem Kühlmedium durchströmt werden können. Hierdurch kann zwar Wärme abtransportiert werden, die beschriebene Kühlung wirkt allerdings aufgrund der Positionierung der Kanäle in der Wandung in nachteiliger Weise nur im äußersten Randbereich der Batteriezelle. Im Inneren der Batteriezelle, wo die Wärmeentwicklung am größten ist, findet hingegen keine Kühlung statt.
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Es ist eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung, Alterungsprozesse innerhalb einer Batteriezelle zu verlangsamen.
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Die Aufgabe wird durch die Gegenstände der unabhängigen Patentansprüche gelöst. Vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung sind durch die abhängigen Patentansprüche, die folgende Beschreibung sowie die Figuren beschrieben.
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Durch die Erfindung ist eine Batteriezelle für ein Batteriesystem bereitgestellt. Die Batteriezelle weist ein Zellengehäuse und einen Zelleninnenraum auf, wobei in dem Zelleninnenraum zumindest ein Elektrodenpaar mit zwei Elektroden angeordnet ist. Die Batteriezelle weist zudem zumindest einen Kühlkanal oder Temperierkanal auf, der dazu ausgebildet ist, an ein Kühlmittelleitsystem oder Temperiermittelleitsystem des Batteriesystems angeschlossen zu werden und ein durch das Kühlmittelleitsystem bereitgestelltes Kühlmedium oder Temperiermedium aufzunehmen. Mit anderen Worten weist der Kühlkanal entsprechende, insbesondere fluidisch abdichtende Anschlüsse auf, mittels derer er mit dafür vorgesehenen Anschlüssen des Kühlmittelleitsystems fluidisch verbunden werden kann.
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Erfindungsgemäß tritt der Kühlkanal durch das Zellengehäuse hindurch in den Zelleninnenraum ein und aus dem Zelleninnenraum aus. Hierzu kann das Zellengehäuse zumindest einen Anschluss aufweisen, der einerseits eine Anbindung an das Kühlmittelleitsystem und andererseits an den Kühlkanal bereitstellt. Somit kann das Kühlmittel von dem Kühlmittelleitsystem in den Kühlkanal und somit in den Zelleninnenraum eingeleitet und wieder aus diesem entnommen werden. Mit anderen Worten verläuft der Kühlkanal also zumindest abschnittsweise vollständig innerhalb des Zelleninnenraums. Insbesondere durchquert der Kühlkanal den Zelleninnenraum. Der Kühlkanal ist also dazu ausgebildet, zur Kühlung oder Temperierung der Elektroden das Kühlmittel durch den Zelleninnenraum hindurchzuleiten.
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Bevorzugt weist das Zellengehäuse zumindest zwei Anschlüsse auf, wobei ein erster Anschluss oder Eintrittsanschluss dazu ausgebildet ist, das Kühlmittel in den Kühlkanal einzuleiten und ein zweiter Anschluss oder Austrittsanschluss dazu ausgebildet ist, das Kühlmittel aus dem Kühlkanal auszuleiten. Ein- und Austrittsanschluss befinden sich bevorzugt an einander gegenüberliegenden Stirnflächen des Zellengehäuses. Hierdurch ergibt sich in vorteilhafter Weise eine Durchströmung des Zelleninnenraums, wodurch eine besonders effiziente Kühlung oder Temperierung der Elektroden in dem Zelleninnenraum ermöglicht ist.
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Der Erfindung liegt die Erkenntnis zugrunde, dass eine Kühlkapazität für eine Batteriezelle gegenüber den bekannten Lösungen durch einen Kühlkanal, der nicht nur in einem Randbereich bzw. einer Wandung der Batteriezelle verläuft, sondern direkt in den Zelleninnenraum eingebracht ist und diesen zumindest abschnittsweise durchquert, erheblich gesteigert werden kann. Auf diese Weise kann eine effiziente Temperierung der Elektroden bereitgestellt werden. Die Temperierung kann nicht nur die beschriebene Kühlung umfassen, sondern ebenso eine Erwärmung der Zelle vor einem Startvorgang auf eine gewünschte Starttemperatur. Durch die Erfindung ist ein Betrieb der Batteriezelle bei einer beliebigen, gewünschten oder bauartbedingt besonders bevorzugten Betriebstemperatur ermöglicht, was in vorteilhafter Weise zu einer Verlangsamung der Alterungsprozesse in der Batteriezelle beiträgt.
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Zu der Erfindung gehören auch Ausführungsformen, durch die sich zusätzliche Vorteile ergeben.
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Eine Ausführungsform sieht vor, dass der Kühlkanal innerhalb des Zelleninnenraums entlang einer im Wesentlichen zentral verlaufenden Längsachse der Batteriezelle verläuft. Handelt es sich bei der Batteriezelle um eine Rundzelle, so verläuft der Kühlkanal bevorzugt derart entlang der Längsachse, dass er in radialer Richtung einen konstanten Abstand zum Zellengehäuse oder einer Wandung des Zellengehäuses aufweist, wobei der Abstand größer Null ist. Die genannten Anschlüsse können sich jeweils an den einander gegenüberliegenden Stirnseiten der Batteriezelle befinden. Durch die beschriebene Geometrie ergibt sich der Vorteil, dass die im Zelleninnenraum angeordneten Elektroden besonders gleichmäßig gekühlt oder temperiert werden können.
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Eine Ausführungsform sieht vor, dass eine Außenumfangsfläche des Kühlkanals zumindest abschnittsweise durch zumindest eine der Elektroden bereitgestellt ist. Mit anderen Worten kann der Kühlkanal innerhalb zumindest einer der Elektroden ausgebildet sein. Hierdurch ergibt sich der Vorteil, dass das Kühlmittel durch die den Kühlkanal bereitstellende Elektrode hindurchgeleitet werden kann. Hierdurch wird die Effizienz der Elektrodenkühlung weiter verbessert.
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Der Kühlkanal kann zumindest abschnittsweise durch ein Rohr oder einen ähnlich geformten Körper ausgekleidet sein, wobei das Material des Rohres oder des Körpers bevorzugt eine hohe thermische Leitfähigkeit aufweist. Alternativ kann es vorgesehen sein, dass der Kühlkanal zumindest abschnittsweise keine derartige Auskleidung aufweist, sondern dass das durch den Kühlkanal geleitete Kühlmittel direkt mit dem Elektrodenmaterial in Kontakt steht. Das kann beispielsweise dadurch realisiert sein, dass das genannte Rohr als ein geschlitztes Rohr ausgestaltet ist. Entsprechend sieht eine Ausführungsform vor, dass der Kühlkanal dazu ausgebildet ist, das Kühlmittel zumindest abschnittsweise direkt thermisch mit zumindest einer der Elektroden zu koppeln. Mit anderen Worten kann vorgesehen sein, dass der Kühlkanal direkt in zumindest eine der Elektroden eingebracht ist, und dass das den Kühlkanal durchströmende Kühlmittel zumindest abschnittsweise in direktem Kontakt zu der Elektrode steht.
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Bekanntermaßen können Batteriezellen der eingangs beschriebenen Art unterschiedliche Bauweisen aufweisen. Gemäß einer ersten Bauweise können die beiden Elektroden des Elektrodenpaares innerhalb des Zellengehäuses zu einem Zellwickel aufgewickelt sein. In der Art einer sogenannten Jelly-Role bilden die Elektroden und ein zwischen den Elektroden befindlicher gelartiger Elektrolyt eine galvanische Zelle.
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Eine Ausführungsform sieht vor, dass bei Batteriezellen der beschriebenen ersten Bauart der Kühlkanal zumindest abschnittsweise entlang einer Wickelachse eines durch die Elektroden gebildeten Zellwickels verläuft und von den Elektroden umwickelt ist. Wird das Kühlmittel durch den Kühlkanal geleitet, kann es also zumindest abschnittsweise in direkten Kontakt mit der innersten Windung des Elektrodenwickels treten und so effizient die Elektroden kühlen.
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Gemäß einer zweiten Bauart kann das Elektrodenpaar aus einer entlang einer Batteriezellenlängsachse verlaufenden ersten Elektrode und einer die erste Elektrode ummantelnden zweiten Elektrode gebildet sein.
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Eine Ausführungsform sieht vor, dass in Batteriezellen der beschriebenen zweiten Bauart der Kühlkanal zumindest abschnittsweise als eine Bohrung innerhalb zumindest einer der Elektroden, bevorzugt innerhalb der ersten entlang der Batteriezellenlängsachse verlaufenden Elektrode, ausgebildet ist. Mit anderen Worten kann diese zentrale Elektrode hohl ausgeführt sein. In dem Hohlraum kann das Kühlmedium oder Kühlmittel strömen und bevorzugt zumindest abschnittsweise in direkten Kontakt mit dem Elektrodenmaterial treten.
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Die Erfindung umfasst auch ein Batteriesystem mit zumindest einer Batteriezelle der oben beschriebenen Art. Zudem umfasst die Erfindung ein Kraftfahrzeug mit einem solchen Batteriesystem.
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Zu der Erfindung gehören auch Weiterbildungen des erfindungsgemäßen Batteriesystems und des erfindungsgemäßen Kraftfahrzeugs, die Merkmale aufweisen, wie sie bereits im Zusammenhang mit den Weiterbildungen der erfindungsgemäßen Batteriezelle beschrieben worden sind. Aus diesem Grund sind die entsprechenden Weiterbildungen des erfindungsgemäßen Batteriesystems und/oder des erfindungsgemäßen Kraftfahrzeugs hier nicht noch einmal beschrieben.
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Das erfindungsgemäße Kraftfahrzeug ist bevorzugt als Kraftwagen, insbesondere als Personenkraftwagen oder Lastkraftwagen, oder als Personenbus oder Motorrad ausgestaltet.
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Die Erfindung umfasst ferner ein erstes Verfahren zur Herstellung einer Batteriezelle. Die Batteriezelle weist ein Zellengehäuse und einen Zelleninnenraum auf, wobei in dem Zelleninnenraum zumindest ein Elektrodenpaar mit zwei Elektroden angeordnet ist.
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Die gemäß dem hier beschriebenen ersten Herstellungsverfahren hergestellte Batteriezelle ist dergestalt ausgeführt, dass in ihrem Zelleninnenraum die Elektroden zu einem Zellwickel aufgewickelt sind.
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Außerdem weist die Batteriezelle zumindest einen Kühlkanal auf, der dazu ausgebildet ist, an ein Kühlmittelleitsystem des Batteriesystems angeschlossen zu werden und ein durch das Kühlmittelleitsystem bereitgestelltes Kühlmedium aufzunehmen.
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Das hier beschriebene erste Herstellungsverfahren sieht vor, dass beim Aufwickeln des Zellwickels ein Wickelkörper eingewickelt wird. Der Wickelkörper kann eine beliebige Geometrie aufweisen und je nach der äußeren Form der Batteriezelle gewählt werden. Handelt es sich um eine Rundzelle, wird bevorzugt ein stabförmiger Wickelkörper mit einem kreisförmigen Querschnitt verwendet. Handelt es sich um eine prismatische Zelle, kann ein plattiger Wickelkörper verwendet werden.
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Nach dem Aufwickeln wird der Wickelkörper entfernt, wobei nach dem Entfernen des Wickelkörpers ein Hohlraum entlang einer Wickellängsachse oder Wickelebene bestehen bleibt. Dieser Hohlraum kann als Kühlkanal verwendet werden. Hierzu wird er mit zumindest einem Anschluss zum Anschließen an das Kühlmittelleitsystem des Batteriesystems ausgestattet. Der Hohlraum kann also als Kühlkanal an das Kühlmittelleitsystem des Batteriesystems angeschlossen werden.
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Das erste Herstellungsverfahren bietet den Vorteil einer besonders einfachen Fertigung einer Batteriezelle mit zentral verlaufendem Kühlkanal.
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Die Erfindung betrifft ferner ein zweites Verfahren zur Herstellung einer Batteriezelle. Die derart hergestellte Batteriezelle weist ein Zellengehäuse und einen Zelleninnenraum auf, wobei in dem Zelleninnenraum zumindest ein Elektrodenpaar mit einer entlang einer Batteriezellenlängsachse verlaufenden ersten Elektrode und einer die erste Elektrode ummantelnden zweiten Elektrode angeordnet ist. Die Batteriezelle weist zudem zumindest einen Kühlkanal auf, der dazu ausgebildet ist, an ein Kühlmittelleitsystem des Batteriesystems angeschlossen zu werden und ein durch das Kühlmittelleitsystem bereitgestelltes Kühlmedium aufzunehmen.
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Das hier beschriebene zweite Herstellungsverfahren sieht vor, dass der Kühlkanal in die erste Elektrode eingeformt, insbesondere eingebohrt oder eingefräst wird. Mit anderen Worten wird die erste Elektrode zumindest bereichsweise ausgehöhlt oder hohl ausgestaltet. Dieser Hohlraum kann als Kühlkanal verwendet werden. Hierzu wird mit zumindest einem Anschluss zum Anschließen an das Kühlmittelleitsystem des Batteriesystems ausgestattet. Somit kann der Hohlraum als Kühlkanal an das Kühlmittelleitsystem des Batteriesystems angeschlossen werden.
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Das zweite Herstellungsverfahren bietet den Vorteil, dass kein zusätzlicher Wickelkörper zur Herstellung des Hohlraums benötigt wird.
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Zu der Erfindung gehören auch Weiterbildungen der gemäß den beschriebenen Herstellungsverfahren hergestellten Batteriezellen, die Merkmale aufweisen, wie sie bereits im Zusammenhang mit den Weiterbildungen der erfindungsgemäßen Batteriezelle beschrieben worden sind. Aus diesem Grund sind die entsprechenden Weiterbildungen der derart hergestellten Batteriezellen hier nicht noch einmal beschrieben.
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Die Erfindung umfasst auch die Kombinationen der Merkmale der beschriebenen Ausführungsformen. Die Erfindung umfasst also auch Realisierungen, die jeweils eine Kombination der Merkmale mehrerer der beschriebenen Ausführungsformen aufweisen, sofern die Ausführungsformen nicht als sich gegenseitig ausschließend beschrieben wurden.
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Im Folgenden sind Ausführungsbeispiele der Erfindung beschrieben. Hierzu zeigt:
- 1 eine schematische Querschnittsdarstellung einer Rundzelle gemäß einer erfindungsgemäßen Ausführungsform;
- 2 eine schematische Längsschnittdarstellung einer Batteriezelle gemäß einer weiteren erfindungsgemäßen Ausführungsform;
- 3 eine schematische Darstellung des ersten erfindungsgemäßen Herstellungsverfahrens zur Herstellung einer Batteriezelle; und
- 4 eine schematische Darstellung des zweiten erfindungsgemäßen Herstellungsverfahrens zur Herstellung einer Batteriezelle.
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Bei den im Folgenden erläuterten Ausführungsbeispielen handelt es sich um bevorzugte Ausführungsformen der Erfindung. Bei den Ausführungsbeispielen stellen die beschriebenen Komponenten der Ausführungsformen jeweils einzelne, unabhängig voneinander zu betrachtende Merkmale der Erfindung dar, welche die Erfindung jeweils auch unabhängig voneinander weiterbilden. Daher soll die Offenbarung auch andere als die dargestellten Kombinationen der Merkmale der Ausführungsformen umfassen. Des Weiteren sind die beschriebenen Ausführungsformen auch durch weitere der bereits beschriebenen Merkmale der Erfindung ergänzbar.
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In den Figuren bezeichnen gleiche Bezugszeichen jeweils funktionsgleiche Elemente.
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1 zeigt eine schematische Querschnittsdarstellung einer Batteriezelle 10 für ein Batteriesystem. Die Batteriezelle 10 weist ein Zellengehäuse 12 und einen Zelleninnenraum 14 auf. Im Inneren des Zelleninnenraums 14 ist in der hier dargestellten Ausführungsform ein Elektrodenpaar zu einem Zellwickel 16 aufgewickelt. Im Zentrum des Zellwickels 16, insbesondere entlang einer Längsachse der Batteriezelle 10, ist ein Kühlkanal 18 angeordnet. Der Kühlkanal 18 kann durch ein Rohr 20 ausgekleidet sein. Insbesondere kann der Kühlkanal 18 durch Aufwickeln des Zellwickels 16 um einen nicht dargestellten Wickelkörper gebildet worden sein. Ein derartig zentral angeordneter Kühlkanal 18 kann dazu beitragen, eine Kühlung oder Temperierung der Batteriezelle 10 zu verbessen. Insbesondere kann mithilfe eines solchen Kühlkanals 18 eine im Zentrum der Batteriezelle 10 entstehende Wärme abgeführt werden.
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2 zeigt eine weitere schematische Darstellung einer Ausführungsform einer erfindungsgemäßen Batteriezelle 10 mit einem zentralen Kühlkanal 18. Die Batteriezelle 10 der 2 unterscheidet sich in ihrer Bauart von der in 1 dargestellten Batteriezelle 10.
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Die in 2 dargestellte Batteriezelle 10 umfasst ebenfalls ein Elektrodenpaar, wobei eine erste Elektrode 22 zentral entlang einer Batteriezellenlängsachse verläuft. Eine zweite Elektrode 24 ummantelt die erste Elektrode 22 innerhalb des Zelleninnenraums 14. Der Kühlkanal 18 kann als eine Bohrung entlang der ersten Elektrode 22 ausgeführt sein. Mit anderen Worten kann die erste Elektrode 22 hohl ausgeführt sein. Innerhalb des Hohlraums oder Kühlkanals 18 kann nach Anschluss des Kühlkanals 18 an ein hier nicht dargestelltes Kühlmittelleitsystem des Batteriesystems ein durch dieses bereitgestelltes Kühlmedium den Zelleninnenraum 14 durchströmen. Der Kühlkanal 18 kann eine Wandung aufweisen, insbesondere eine Wandung aus einem thermisch leitfähigen Material. Alternativ kann der Kanal 18 auch wandungslos als Bohrung derart in die erste Elektrode 22 eingebracht sein, dass das Kühlmittel beim Durchströmen des Kühlkanals 18 das Material der ersten Elektrode 22 direkt kontaktiert und somit besonders effizient kühlt.
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3 zeigt eine schematische Darstellung eines ersten Verfahrens zur Herstellung einer Batteriezelle 10. Wie oben beschrieben, kann die Batteriezelle 10 ein Zellengehäuse 12 und einen Zelleninnenraum 14 aufweisen. Gemäß dem hier beschriebenen Verfahren kann eine Batteriezelle 10 hergestellt werden, in deren Zelleninnenraum 14 zumindest ein Elektrodenpaar mit zwei zu einem Zellwickel 16 aufgewickelten Elektroden 22, 24 angeordnet ist.
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Gemäß dem hier beschriebenen Herstellungsverfahren wird in einem ersten Verfahrensschritt S1.1 der Zellwickel 16 aufgewickelt. Hierbei wird entlang einer zentralen Wickelachse des Zellwickels 16 ein Wickelkörper eingewickelt. In einem darauffolgenden Verfahrensschritt S1.2 wird der Wickelkörper entfernt. Zurück bleibt ein zentral im Zellwickel 16 angeordneter Hohlraum oder Kühlkanal 18. In einem weiteren Verfahrensschritt S1.3 wird der Hohlraum mit Anschlüssen zum Anschließen des Hohlraums als Kühlkanal 18 an das Kühlmittelleitsystem des Batteriesystems ausgestattet.
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4 zeigt eine schematische Darstellung eines zweiten Herstellungsverfahrens zum Herstellen einer Batteriezelle 10. Eine derart hergestellte Batteriezelle 10 weist ein Zellengehäuse 12 und einen Zelleninnenraum 14 auf, wobei in dem Zelleninnenraum 14 zumindest ein Elektrodenpaar mit einer entlang einer Batteriezellenlängsachse verlaufenden ersten Elektrode 22 und einer die erste Elektrode 22 ummantelnden zweiten Elektrode 24 angeordnet ist. Auch diese Batteriezelle 10 weist zumindest einen Kühlkanal 18 auf, der dazu ausgebildet ist, an ein Kühlmittelleitsystem des Batteriesystems angeschlossen zu werden und ein durch das Kühlmittelleitsystem bereitgestelltes Kühlmedium aufzunehmen.
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Gemäß dem hier beschriebenen Herstellungsverfahren ist es vorgesehen, dass in einem Verfahrensschritt S2.1 der Kühlkanal 18 in die erste Elektrode 22 eingeformt, insbesondere eingebohrt, wird. In einem weiteren Verfahrensschritt S2.2 wird der derart gebildete Kühlkanal 18 mit Anschlüssen zum Anschließen des Kühlkanals 18 an das Kühlmittelleitsystem des Batteriesystems ausgestattet.
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Die beiden beschriebenen Verfahren zur Herstellung einer Batteriezelle 10 sehen also vor, einen Kühlkanal 18 zentral in die Batteriezelle 10 bzw. in eine der Elektroden 22, 24 einzubringen. Hierdurch ergibt sich die Möglichkeit, eine Kühlkapazität erheblich zu steigern und damit die Leistung der Batteriezelle 10 länger auf einem hohen Niveau zu halten. Insbesondere kann der Kühlkanal 18 durch Benutzung eines Wickelkörpers, dessen Querschnitt frei gestaltet und der nach dem Wickeln entfernt werden kann, hergestellt werden.
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Insgesamt zeigen die Beispiele, wie durch die Erfindung eine effektive Elektrodenkühlung in einer Batteriezelle bereitgestellt werden kann.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- DE 102012212451 A1 [0004]
- DE 102018207328 A1 [0005]