DE102022119246A1

DE102022119246A1 - Batteriezelle und verfahren zur herstellung einer batteriezelle

Info

Publication number: DE102022119246A1
Application number: DE102022119246.6A
Authority: DE
Inventors: Philip Kotter
Original assignee: Bayerische Motoren Werke AG
Current assignee: Bayerische Motoren Werke AG
Priority date: 2022-08-01
Filing date: 2022-08-01
Publication date: 2024-02-01

Abstract

Die Erfindung betrifft eine Batteriezelle für ein Kraftfahrzeug, aufweisend: (i) ein quaderförmiges Zellgehäuse; (ii) einen ersten Elektrodenwickel, der um eine Längsachse herum angeordnet ist, wobei der erste Elektrodenwickel in dem Zellgehäuse angeordnet ist; (iii) einen zweiten Elektrodenwickel, der um den ersten Elektrodenwickel herum angeordnet ist; (iv) ein erstes Abstandselement, das zwischen dem ersten Elektrodenwickel und dem zweiten Elektrodenwickel angeordnet ist; (v) und wobei das erste Abstandselement derart geformt ist, so dass beim Anordnen des zweiten Elektrodenwickels um das erste Abstandselement, an einer von dem ersten Abstandselement wegzeigenden Außenfläche des zweiten Elektrodenwickels, ein erster Bereich mit einem auf die Längsachse bezogenen ersten Radius, und ein zweiter Bereich mit einem auf die Längsachse bezogenen zweiten Radius, ausgebildet wird, wobei der zweite Radius kleiner ist als der erste Radius.

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft eine Batteriezelle und ein Verfahren zur Herstellung einer Batteriezelle für ein Kraftfahrzeug.
Auf dem Gebiet der Batteriezellen, insbesondere von Lithium-lonen-Batteriezellen, sind vor allem zylindrische, prismatische und pouch-förmige Batteriezellen bekannt. Mehrere Batteriezellen können in einem Modul bzw. einem Batteriezellen-Modul angeordnet sein. Beispielsweise kann ein Modul für eine 12V Starter-Batterie vier Batteriezellen aufweisen, wohingegen ein Hochvoltspeicher, der 400V oder auch 800V als Ausgangsspannung bereitstellen kann, mehrere Module aufweisen kann.
An einer Oberseite einer Batteriezelle kann ein Zellkontaktiersystem zur elektrischen Kontaktierung der Batteriezelle angeordnet sein. An einer Unterseite, insbesondere bei prismatischen Zellen, kann eine Kühleinrichtung angeordnet sein. Bei Rundzellen, die einen Elektrodenwickel und ein zylindrisches Gehäuse aufweisen können, kann die Kühleinrichtung zwischen den Batteriezellen, auch als Seitenkühlung bekannt, angeordnet sein.
Bei einem Modul, bei dem mehrere Rundzellen, beispielsweise zylindrische Batteriezellen, in einem quaderförmigen Gehäuse angeordnet sind, kann der durch das Gehäuse zur Verfügung stehende Bauraum aufgrund der runden Geometrien der Rundzellen nicht vollständig genutzt werden. Dadurch entstehen ungenutzte Hohlräume. Zudem weist jede Batteriezelle ein eigenes Gehäuse auf, das ebenfalls Bauraum beansprucht.
Der vorliegenden Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Batteriezelle mit Elektrodenwickeln bereitzustellen, durch die eine verbesserte Bauraumnutzung in einem quaderförmigen Gehäuse erreicht werden kann.
Eine Lösung dieser Aufgabe wird gemäß der Lehre der unabhängigen Ansprüche erreicht. Verschiedene Ausführungsformen und Weiterbildungen der Erfindung sind Gegenstand der Unteransprüche.
Ein erster Aspekt der Erfindung betrifft eine Batteriezelle für ein Kraftfahrzeug, aufweisend: (i) ein quaderförmiges Zellgehäuse; (ii) einen ersten Elektrodenwickel, der um eine Längsachse herum angeordnet ist, wobei der erste Elektrodenwickel in dem quaderförmigen Zellgehäuse angeordnet ist; (iii) einen zweiten Elektrodenwickel, der um den ersten Elektrodenwickel herum angeordnet ist; (iv) ein erstes Abstandselement, das zwischen dem ersten Elektrodenwickel und dem zweiten Elektrodenwickel angeordnet ist; (v) und wobei das erste Abstandselement derart geformt ist, so dass beim Anordnen des zweiten Elektrodenwickels um das erste Abstandselement, an einer von dem ersten Abstandselement wegzeigenden Außenfläche des zweiten Elektrodenwickels, ein erster Bereich mit einem auf die Längsachse bezogenen ersten Radius, und ein zweiter Bereich mit einem auf die Längsachse bezogenen zweiten Radius, ausgebildet wird, wobei der zweite Radius kleiner ist als der erste Radius.
Die hierein gegebenenfalls verwendeten Begriffe „umfasst“, „beinhaltet“, „schließt ein“, „weist auf“, „hat“, „mit“, oder jede andere Variante davon sollen eine nicht ausschließliche Einbeziehung abdecken. So ist beispielsweise ein Verfahren oder eine Vorrichtung, die eine Liste von Elementen umfasst oder aufweist, nicht notwendigerweise auf diese Elemente beschränkt, sondern kann andere Elemente einschließen, die nicht ausdrücklich aufgeführt sind oder die einem solchen Verfahren oder einer solchen Vorrichtung inhärent sind.
Ferner bezieht sich „oder“, sofern nicht ausdrücklich das Gegenteil angegeben ist, auf ein inklusives oder und nicht auf ein exklusives „oder“. Zum Beispiel wird eine Bedingung A oder B durch eine der folgenden Bedingungen erfüllt: A ist wahr (oder vorhanden) und B ist falsch (oder nicht vorhanden), A ist falsch (oder nicht vorhanden) und B ist wahr (oder vorhanden), und sowohl A als auch B sind wahr (oder vorhanden).
Die Begriffe „ein“ oder „eine“, wie sie hier verwendet werden, sind im Sinne von „ein/eine oder mehrere“ definiert. Die Begriffe „ein anderer“ und „ein weiterer“ sowie jede andere Variante davon sind im Sinne von „zumindest ein Weiterer“ zu verstehen.
Der Begriff „Mehrzahl“, wie er hier verwendet wird, ist im Sinne von „zwei oder mehr“ zu verstehen.
Unter dem Begriff „konfiguriert“ oder „eingerichtet“ eine bestimmte Funktion zu erfüllen, (und jeweiligen Abwandlungen davon) ist im Sinne der Erfindung zu verstehen, dass die entsprechende Vorrichtung bereits in einer Ausgestaltung oder Einstellung vorliegt, in der sie die Funktion ausführen kann oder sie zumindest so einstellbar - d.h. konfigurierbar - ist, dass sie nach entsprechender Einstellung die Funktion ausführen kann. Die Konfiguration kann dabei beispielsweise über eine entsprechende Einstellung von Parametern eines Prozessablaufs oder von Schaltern oder ähnlichem zur Aktivierung bzw. Deaktivierung von Funktionalitäten bzw. Einstellungen erfolgen. Insbesondere kann die Vorrichtung mehrere vorbestimmte Konfigurationen oder Betriebsmodi aufweisen, so dass das Konfigurieren mittels einer Auswahl einer dieser Konfigurationen bzw. Betriebsmodi erfolgen kann.
Unter einem „Elektrodenwickel“ im Sinne der Erfindung ist insbesondere eine Einrichtung zu verstehen, welche als Baugruppe einer galvanischen Zelle, insbesondere einer Batteriezelle, auch der Speicherung chemischer Energie und zur Abgabe elektrischer Energie dient. Dazu weist der Elektrodenwickel wenigstens zwei Elektroden, nämlich eine Anode und eine Kathode, und einen Separator, insbesondere einen elektrisch isolierenden Separator, auf, der einen Elektrolyten wenigstens teilweise aufnehmen kann. Dabei sind Anode, Separator und Kathode um eine Längsachse herum zu einem Elektrodenwickel aufgewickelt. Vor der Abgabe von elektrischer Energie wird gespeicherte chemische Energie in elektrische Energie umgewandelt. Während des Ladens der Zelle wird die dem Elektrodenwickel zugeführte elektrische Energie in chemische Energie umgewandelt und abgespeichert. Besonders bevorzugt sind einige Elektroden untereinander insbesondere elektrisch miteinander verbunden.
Unter einem „Separator“ bzw. einer „Separatorschicht“ im Sinne der Erfindung ist insbesondere eine elektrisch isolierende Einrichtung zu verstehen, welche eine Anode von einer Kathode trennt und beabstandet. Vorzugsweise ist eine Separatorschicht auf eine Anodenschicht und/oder eine Kathodenschicht aufgetragen. Vorzugsweise ist die Separatorschicht als unabhängiger Körper ausgebildet. Die Separatorschicht bzw. der Separator kann auch einen Elektrolyten wenigstens teilweise aufnehmen, wobei der Elektrolyt vorzugsweise Lithium-Ionen enthält. Der Elektrolyt kann auch mit benachbarten Schichten eines Elektrodenwickels elektrochemisch wirkverbunden sein. Vorzugsweise entspricht die Gestalt eines Separators im Wesentlichen der Gestalt einer Anode des Elektrodenstapels. Vorzugsweise ist ein Separator dünnwandig ausgebildet, besonders bevorzugt als mikroporöse Folie. Vorzugsweise ist die Separatorschicht bzw. der Separator mit einem Additiv benetzt, welches auch die Beweglichkeit der Separatorschicht bzw. des Separators erhöht. Besonders bevorzugt erfolgt die Benetzung mit einem ionischen Additiv. Vorzugsweise erstreckt sich die Separatorschicht bzw. der Separator wenigstens bereichsweise über eine Begrenzungskante wenigstens einer Elektrode. Besonders bevorzugt erstreckt sich die Separatorschicht bzw. der Separator über sämtliche Begrenzungskanten benachbarter Elektroden hinaus.
Durch die Batteriezelle nach dem ersten Aspekt kann erreicht werden, dass in einem quaderförmigen Zellgehäuse eine Batteriezelle angeordnet ist, die wenigstens zwei Elektrodenwickel aufweist, wobei die Elektrodenwickel den vorhandenen Bauraum des quaderförmigen Zellgehäuses verbessert nutzen. Durch das erste Abstandselement wird erreicht, dass der zweite Elektrodenwickel einen ersten Bereich mit einem ersten Radius und einen zweiten Bereich mit einem zweiten Radius ausbildet, wobei der zweite Radius kleiner ist als der erste Radius. Durch den kleineren zweiten Radius kann erreicht werden, dass der zweite Elektrodenwickel im zweiten Bereich so ausgebildet ist, dass dieser näher an einen ersten Eckenbereich des quaderförmigen Zellgehäuses angeordnet werden kann, wodurch der nicht genutzte Bauraum in diesem Eckenbereich verringert werden kann. Dadurch kann gleichzeitig ermöglicht werden, dass der erste und/oder der zweite Elektrodenwickel größer ausbildet werden können, wodurch, in Abhängigkeit von der elektrischen Zusammenschaltung der beiden Elektrodenwickel, insgesamt eine größere Kapazität oder Ausgangsspannung der Batteriezelle erreicht werden kann. Zudem kann im Vergleich zu einer Anordnung, bei der jeder Elektrodenwickel ein Zellgehäuse aufweist, bei der vorgeschlagenen Batteriezelle ein Zellgehäuse eingespart werden. Dadurch kann einerseits der technische und finanzielle Aufwand bei der Herstellung reduziert werden. Andererseits wird durch das eingesparte Zellgehäuse zusätzlicher Bauraum in dem quaderförmigen Zellgehäuse verfügbar.
Nachfolgend werden bevorzugte Ausführungsformen Batteriezelle beschrieben, die jeweils, soweit dies nicht ausdrücklich ausgeschlossen wird oder technisch unmöglich ist, beliebig miteinander sowie mit den weiteren beschriebenen anderen Aspekten der Erfindung kombiniert werden können.
Bei einigen Ausführungsformen weist das erste Abstandselement eine erste Kühleinrichtung auf. Dadurch kann erreicht werden, dass eine Kühlung unmittelbar an die beiden Elektrodenwickel angrenzt, da die erste Kühleinrichtung zwischen den beiden Elektrodenwickeln angeordnet ist. Dadurch kann eine im Vergleich zu einer an einem Zellgehäuse angeordneten Kühleinrichtung, eine effektivere Kühlung der Elektrodenwickel und damit der Batteriezelle erreicht werden. Weiterhin kann hierdurch insgesamt Bauraum eingespart werden, da außerhalb an der Batteriezelle keine zusätzliche Kühleinrichtung angeordnet werden muss.
Bei einigen Ausführungsformen weist die erste Kühleinrichtung einen Hohlraum auf, durch den ein Kühlmittel, insbesondere ein Kühlfluid, insbesondere Wasser, fließen kann. Dadurch kann das Kühlmittel entstandene Wärme in den Elektrodenwickeln aufnehmen, und durch entsprechende Leitungen, die Wärme aus der Batteriezelle hinausbewegen. Dadurch kann ein effektives Kühlen erreicht werden.
Bei einigen Ausführungsformen weist die erste Kühleinrichtung ein Rohr mit einem zylinderförmigen Hohlraum auf, wobei das Rohr im Wesentlichen parallel zur Längsachse angeordnet ist. Dabei ist vorteilhaft, dass ein Rohr einfach herzustellen ist. Zudem kann das Rohr so angeordnet werden, dass an einem spezifischen Bereich des Elektrodenwickels gekühlt wird. Insbesondere können mehrere Rohre verteilt angeordnet werden, und so eine gezielte und effektive Kühlung mit, im Vergleich zu einer flächendeckenden Kühlung, verringertem notwendigen Volumen von Kühlmittel erreicht werden. Durch die Anordnung des Rohres parallel zur Längsachse wird beim Anordnen des zweiten Elektrodenwickels der zweite Bereich mit dem zweiten Radius ausgebildet, der kleiner ist als der erste Radius.
Bei einigen Ausführungsformen erstreckt sich der Hohlraum um den ersten Elektrodenwickel und bildet dabei im Wesentlichen einen Hohlzylinder aus. Dadurch kann im Wesentlichen über einen Umfang des ersten Elektrodenwickels und des zweiten Elektrodenwickels flächendeckend eine Kühlung erreicht werden. Dies ermöglicht eine insgesamt stärkere bzw. schnellere Kühlung im Vergleich zu einer ortsspezifischen Kühlung.
Bei einigen Ausführungsformen weist die Batteriezelle einen Temperatursensor zur Messung einer Temperatur auf, wobei der Temperatursensor am ersten Abstandselement angeordnet ist. Dadurch kann eine Temperatur innerhalb der Batteriezelle an einem der Elektrodenwickel, insbesondere am ersten Abstandselement, gemessen werden.
Bei einigen Ausführungsformen weist das Abstandselement ein elektrisch nichtleitendes Material auf. Dadurch sind der erste Elektrodenwickel und der zweite Elektrodenwickel zueinander elektrisch isoliert. Dadurch kann ein elektrischer Kurzschluss vermieden werden, wenn der erste Elektrodenwickel und der zweite Elektrodenwickel elektrisch seriell miteinander verbunden sind.
Bei einigen Ausführungsformen ist das erste Abstandselement derart geformt, so dass beim Anordnen des zweiten Elektrodenwickels um das erste Abstandselement, an der von dem ersten Abstandselement wegzeigenden Außenfläche des zweiten Elektrodenwickels, ein dritter Bereich mit dem auf die Längsachse bezogenen zweiten Radius (r2), ausgebildet wird, wobei der dritte Bereich zum zweiten Bereich in Bezug auf die Längsachse (L) um einen Winkel (α) versetzt ist. Durch eine geeignete Wahl des Winkels, die von der Grundfläche des quaderförmigen Zellgehäuses abhängt, können die Elektrodenwickel in zwei Eckenbereiche des quaderförmigen Zellgehäuses besser eingepasst werden, wodurch zusätzlicher Bauraum des quaderförmigen Zellgehäuses genutzt werden kann.
Bei einigen Ausführungsformen weist die Batteriezelle ferner auf: (i) einen dritten Elektrodenwickel, der um den zweiten Elektrodenwickel herum angeordnet ist; (ii) ein zweites Abstandselement, das eine zweite Kühleinrichtung aufweist, die zwischen dem zweiten Elektrodenwickel und dem dritten Elektrodenwickel angeordnet ist; (iii) wobei die zweite Kühleinrichtung derart geformt ist, so dass beim Anordnen des dritten Elektrodenwickels um die zweite Kühleinrichtung, an einer von der zweiten Kühleinrichtung wegzeigenden Außenfläche des dritten Elektrodenwickels, ein erster Bereich mit einem auf die Längsachse bezogenen dritten Radius, und ein zweiter Bereich mit einem auf die Längsachse bezogenen vierten Radius, ausgebildet wird, wobei der vierte Radius kleiner ist als der dritte Radius, wobei die Längsachse, der zweite Bereich des zweiten Elektrodenwickels und der zweite Bereich des dritten Elektrodenwickels so zueinander angeordnet sind, dass sie im Wesentlichen durch eine Gerade verbunden werden können. Dadurch wird ermöglicht, dass die zweiten Bereiche des zweiten Elektrodenwickels und des dritten Elektrodenwickels ausgehend von der Längsachse radial nach außen auf einer Geraden liegen, und damit noch besser in einen Eckenbereich des quaderförmigen Zellgehäuses eingepasst werden können.
Bei einigen Ausführungsformen sind die erste Kühleinrichtung und die zweite Kühleinrichtung fluidtechnisch seriell miteinander verbunden. Dadurch kann dasselbe Kühlmittel nacheinander durch die erste Kühleinrichtung und dann durch die zweite Kühleinrichtung, oder umgekehrt, fließen. Hierdurch wird ein einfacher Aufbau ermöglicht, da die zwei Kühleinrichtungen nur fluidtechnisch miteinander verbunden werden müssen, und insgesamt ein Kühlkreislauf mit einem Einfluss und einem Ausfluss ausgebildet wird. Gleichzeitig können durch den einen Kühlkreislauf alle drei Elektrodenwickel gekühlt.
Bei einigen Ausführungsformen sind die erste Kühleinrichtung und die zweite Kühleinrichtung fluidtechnisch parallel miteinander verbunden. Dadurch kann eine stärkere bzw. schnellere Kühlung im Vergleich zu einer fluidtechnisch seriellen Verbindung der Kühleinrichtungen erreicht werden. Denn das Kühlmittel wird nicht beim Hindurchfließen durch eine der Kühleinrichtungen bereits erwärmt, bevor es durch die nächste Kühleinrichtung fließt. Eine starke oder schnelle Kühlung kann bei Batteriezellen von Vorteil sein, die eine vergleichsweise hohe Leistung bereitstellen, und sich dadurch stark erwärmen.
Bei einigen Ausführungsformen sind wenigstens zwei der drei Elektrodenwickel elektrisch seriell miteinander verbunden. Dadurch kann die durch die Batteriezelle bereitstellbare Spannung erhöht werden.
Bei einigen Ausführungsformen sind wenigstens zwei der drei Elektrodenwickel elektrisch parallel miteinander verbunden. Dadurch kann die durch die Batteriezelle bereitstellbare Kapazität erhöht werden.
Ein zweiter Aspekt der Erfindung betrifft ein Verfahren zur Herstellung einer Batteriezelle für ein Kraftfahrzeug mit folgenden Schritten: (i) Herstellen einer Elektrodenwickel-Anordnung durch folgende Schritte: (i-i) Bereitstellen eines ersten Elektrodenwickels durch Herumwickeln einer ersten Elektrodenanordnung, aufweisend zwei Elektroden und einem dazwischen angeordneten Separator, um eine Längsachse bis zu einem vorgegebenen ersten Außendurchmesser des ersten Elektrodenwickels; (i-ii) Anordnen eines Abstandselements an einer Außenfläche des ersten Elektrodenwickels, (i-iii) Herumwickeln einer zweiten Elektrodenanordnung zu einem zweiten Elektrodenwickel, aufweisend zwei Elektroden und einem dazwischen angeordneten Separator, um den ersten Elektrodenwickel und das Abstandselement bis zu einem vorgegebenen zweiten Außendurchmesser des zweiten Elektrodenwickels, und wobei das erste Abstandselement derart geformt ist, so dass beim Herumwickeln des zweiten Elektrodenwickels um das erste Abstandselement, an einer von dem ersten Abstandselement wegzeigenden Außenfläche des zweiten Elektrodenwickels, ein erster Bereich mit einem auf die Längsachse bezogenen ersten Radius, und ein zweiter Bereich mit einem auf die Längsachse bezogenen zweiten Radius, ausgebildet wird, wobei der zweite Radius kleiner ist als der erste Radius; (ii) Anordnen der Elektrodenwickel-Anordnung in einem quaderförmigen Zellgehäuse, so dass der zweite Bereich in einem Eckenbereich des quaderförmigen Zellgehäuses angeordnet wird.
Nachfolgend werden bevorzugte Ausführungsformen des Verfahrens zur Herstellung einer Batteriezelle beschrieben, die jeweils, soweit dies nicht ausdrücklich ausgeschlossen wird oder technisch unmöglich ist, beliebig miteinander sowie mit den weiteren beschriebenen anderen Aspekten der Erfindung kombiniert werden können.
Bei einigen Ausführungsformen wird der zweite Elektrodenwickel dadurch bereitgestellt, dass die erste Elektrodenanordnung im Anschluss an den erreichten vorgegebenen ersten Außendurchmessers des ersten Elektrodenwickels abgeschnitten wird, und mit einem Teil der Elektrodenanordnung, der nicht für den ersten Elektrodenwickel verwendet wurde, der zweite Elektrodenwickel hergestellt wird. Dadurch wird eine effiziente Herstellung ermöglicht, da nur eine Elektrodenanordnung hergestellt werden muss, die dann für beide Elektrodenwickel verwendet werden kann. Zudem wird hierdurch sichergestellt, dass die Elektrodenwickel vergleichbare elektrische und physikalische Eigenschaften aufweisen. Hierdurch wird weiterhin ermöglicht, zusätzliche Elektrodenwickel für die Batteriezelle vorzusehen.
Die in Bezug auf den ersten Aspekt der Erfindung erläuterten Merkmale und Vorteile gelten entsprechend auch für die weiteren Aspekte der Erfindung.
Weitere Vorteile, Merkmale und Anwendungsmöglichkeiten der vorliegenden Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden detaillierten Beschreibung im Zusammenhang mit den Figuren.
Dabei zeigt

1A schematisch eine Batteriezelle in einer Draufsicht;
1B schematisch einen Ausschnitt einer Batteriezelle in einer Draufsicht;
1C schematisch elektrische Schaltungen von Elektrodenwickeln der Batteriezelle;
2 schematisch vier ineinander steckbare Elektrodenwickel in einer Seitenansicht;
3A schematisch elektrisch parallel verschaltete Elektrodenwickel in einer Seitenansicht;
3B schematisch Elektrodenwickel mit einer Isolation in einer Seitenansicht; und
4 ein Flussdiagramm zur Veranschaulichung einer bevorzugten Ausführungsform des erfindungsgemäßen Verfahrens zur Herstellung einer Batteriezelle.

In den Figuren werden durchgängig dieselben Bezugszeichen für dieselben oder einander entsprechenden Elemente der Erfindung verwendet.
In 1A ist schematisch eine Batteriezelle 100 mit einem quaderförmigen Gehäuse 110 in einer Draufsicht gezeigt. In dieser Draufsicht ist ein Querschnitt der Batteriezelle 100 gezeigt. Dabei ist ein Ausschnitt A1 der Batteriezelle 100 gekennzeichnet, der in etwa ein Viertel der Fläche des in 1A gezeigten Querschnitts aufweist. Der Ausschnitt A1 wird in 1 B detaillierter erläutert. Für eine leichtere Zuordnung von Richtungen sind in der Draufsicht zusätzlich Achsen eingezeichnet, die entsprechend einer x-Achse bzw. y-Achse gemäß dem schematisch dargestellten Koordinatensystem zugeordnet werden können. Senkrecht zur x-Achse und zur y-Achse erstreckt sich die z-Achse, die zudem am Schnittpunkt der x-Achse und der y-Achse als Längsachse L der Elektrodenwickel der Batteriezelle 100 ausgebildet ist. Das heißt, dass die Elektrodenwickel um die Längsachse L herum angeordnet sind. Das quaderförmige Zellgehäuse 110 weist einen ersten Eckbereich E1, einen zweiten Eckbereich E2, einen dritten Eckbereich E3 und einen vierten Eckbereich E4 auf. Der erste Eckbereich E1 und der zweite Eckbereich E4 bilden mit der Längsachse L einen Winkel α. Die Größe dieses Winkels α hängt von einem Seitenverhältnis einer Grundfläche des quaderförmigen Zellgehäuses ab. Weist die Grundfläche beispielsweise ein Quadrat auf, bei dem die Seiten alle gleich lang sind, also das Seitenverhältnis 1:1 ist, wird ein anderer Winkel α ausgebildet als bei einer rechteckigen Grundfläche, bei dem das Seitenverhältnis verschieden zu 1:1 ist.
In 1B ist schematisch ein Ausschnitt A1 der Batteriezelle 100 aus 1A in einer Draufsicht gezeigt.
Die Batteriezelle 100 weist das quaderförmige Zellgehäuse 110 und vier Elektrodenwickel 125, 135, 145, 155 auf. Dabei repräsentiert ein erster Elektrodenwickel 125 mit einem innersten Kern 120, den innersten Elektrodenwickel 125, der zugleich einen kleinsten Außendurchmesser im Vergleich zu den anderen Elektrodenwickeln 135, 145, 155 aufweist. Ein zweiter Elektrodenwickel 135 ist um den ersten Elektrodenwickel 125 herum angeordnet, und weist entsprechend einen im Vergleich zum ersten Elektrodenwickel 125 größeren Radius auf. Zwischen dem ersten Elektrodenwickel 125 und dem zweiten Elektrodenwickel 135 ist eine erste Kühleinrichtung 130 mit einem ersten Hohlraum 185 angeordnet. Dabei erstreckt sich der erste Hohlraum 185 um einen vollständigen Umfang des ersten Elektrodenwickels 125. Ein dritter Elektrodenwickel 145 ist um den zweiten Elektrodenwickel 135 herum angeordnet, und weist entsprechend einen im Vergleich zum zweiten Elektrodenwickel 135 größeren Radius auf. Zwischen dem zweiten Elektrodenwickel 135 und dem dritten Elektrodenwickel 145 ist eine zweite Kühleinrichtung 140 mit einem zweiten Hohlraum 190 angeordnet. Dabei erstreckt sich der zweite Hohlraum 190 um einen vollständigen Umfang des zweiten Elektrodenwickels 135. Ein vierter Elektrodenwickel 155 ist um den dritten Elektrodenwickel 145 herum angeordnet, und weist entsprechend einen im Vergleich zum dritten Elektrodenwickel 145 größeren Radius auf. Zwischen dem vierten Elektrodenwickel 155 und dem dritten Elektrodenwickel 145 ist eine dritte Kühleinrichtung 150 mit einem dritten Hohlraum 195 angeordnet. Dabei erstreckt sich der dritte Hohlraum 195 um einen vollständigen Umfang des dritten Elektrodenwickels 145. Durch den ersten Hohlraum 185, den zweiten Hohlraum 190 und den dritten Hohlraum 195 kann ein Kühlmittel, insbesondere Wasser, zur Kühlung der zur jeweiligen Kühleinrichtung 130, 140, 150 benachbarten Elektrodenwickel 125, 135, 145, 155 fließen. Die drei Hohlräume 130, 140, 150 können jeweils durch zwei zueinander beabstandet angeordnete Wände ausgebildet sein.
Die Kühleinrichtungen 130, 140, 150 sind so geformt, dass sie jeweils wenigstens einen Bereich mit einem in Bezug auf die Längsachse L ersten Radius r1 aufweisen, der größer ist als ein zweiter Radius r2 eines zweiten Bereichs. Dies ist in 1B beispielhaft für eine Elektrode 147 des dritten Elektrodenwickels 145 gezeigt. Dieser Unterschied des zweiten Radius r2 zum ersten Radius r1 vergrößert sich mit zunehmendem Abstand von der Längsachse L. Das bedeutet, dass Kühleinrichtungen, und die um die jeweilige Kühleinrichtung herum angeordneten Elektrodenwickel, die radial weiter außen angeordnet sind, einen kleineren zweiten Radius r2, und damit eine stärkere Biegung im zweiten Bereich aufweisen als Elektrodenwickel, die radial weiter innen angeordnet sind. Durch den radial am weitesten außen angeordneten vierten Elektrodenwickel 155 wird die radiale Ausdehnung der Elektrodenwickel 125, 135, 145, 155 insgesamt bestimmt, die gleichzeitig durch eine vorgegebene Fläche des Zellgehäuses beschränkt ist. Es wäre vorteilhaft, wenn die Elektrodenwickel 125, 135, 145, 155 das quaderförmige Zellgehäuse 110 möglichst vollständig ausfüllen, und ein ungenütztes Volumen bzw. ein ungenützter Bauraum geringgehalten werden kann. Durch eine stärkere Biegung der radial äußeren Elektrodenwickel können diese besser in Ecken des quaderförmigen Zellgehäuses 110 eingepasst werden. Dadurch kann ein durch das quaderförmige Gehäuse 110 bereitgestellter Bauraum optimaler genutzt werden, das heißt der Bauraum, der ungenutzt bleibt, kann verkleinert werden.
An jeweils einer Wand der jeweiligen Kühleinrichtungen 130, 140, 150 ist jeweils ein Temperatursensor 170, 175, 180 angeordnet. Dabei ist an einer Wand der ersten Kühleinrichtung 130 ein erster Temperatursensor 170, an einer Wand der zweiten Kühleinrichtung 140 ein zweiter Temperatursensor 175 und an einer Wand der dritten Kühleinrichtung 180 ein dritter Temperatursensor 180 angeordnet. Das Kühlmittel kann in Bezug auf die gezeigte Darstellung in z-Richtung also in die Zeichenebene hinein oder aus der Zeichenebene herausfließen. Dabei kann es vorteilhaft sein, wenn der jeweilige Temperatursensor verlässt an einem Bereich angeordnet ist, an dem das Kühlmittel die Batteriezelle 100 wieder verlässt. An so einem Bereich wurde die Temperatur des Kühlmittels durch die jeweiligen Elektrodenwickel 125, 135, 145, 155 bereits erwärmt, und der Temperaturunterschied zwischen dem Kühlmittel und den jeweiligen Elektrodenwickeln 125, 135, 145, 155 ist geringer als an einem Kühlmittel-Einlass. Entsprechend kann eine für einen Elektrodenwickel 125, 135, 145, 155 repräsentative Temperatur besser an einem Bereich, an dem das Kühlmittel, die Batteriezelle 100 verlässt, gemessen werden.
In 1C sind schematisch elektrische Schaltungen S1 bis S3 der vier Elektrodenwickel 125, 135, 145, 155 der Batteriezelle 100 gezeigt. Gemäß einer möglichen ersten Schaltung S1 sind die Elektrodenwickel 125, 135, 145, 155 elektrisch seriell miteinander verbunden. Unter der Annahme, dass jeder der Elektrodenwickel 125, 135, 145, 155 eine Ausgangsspannung von 4V bereitstellen kann, addiert sich die gesamte Ausgangsspannung der Batteriezelle 100 zu 16V.
Gemäß einer möglichen zweiten Schaltung S2 werden je zwei der Elektrodenwickel 125, 135, 145, 155 elektrisch seriell zusammengeschaltet, wodurch diese zwei seriell zusammengeschalteten Elektrodenwickel jeweils 8V Ausgangsspannung bereitstellen können. Diese seriell zusammengeschalteten Elektrodenwickel werden wiederum zueinander parallelgeschaltet. Dadurch kann die Batteriezelle 100 bei einer Ausgangsspannung von 8V eine zu einem einzelnen Elektrodenwickel erhöhte Kapazität bereitstellen.
Gemäß einer möglichen dritten Schaltung S3 werden alle vier Elektrodenwickel 125, 135, 145, 155 parallel zueinander geschaltet. Dadurch kann die Batteriezelle 100 eine Ausgangsspannung von 4V bereitstellen.
Bei einer höheren oder niedrigeren möglichen Ausgangsspannung auf Basis der Elektrodenwickel 125, 135, 145, 155 wird die gesamte Ausgangsspannung der Batteriezelle 100 entsprechend angepasst.
In 2 sind schematisch vier ineinander steckbare Elektrodenwickel 125, 135, 145, 155 in einer Seitenansicht gezeigt. Dass die vier Elektrodenwickel 125, 135, 145, 155 ineinander gesteckt werden können ist durch die Pfeile, die in eine Richtung entlang der Längsachse L zeigen, angedeutet. Dabei repräsentiert ein erster Elektrodenwickel 125 mit einem innersten Kern 120, den innersten Elektrodenwickel, der zugleich einen geringsten Außendurchmesser im Vergleich zu den anderen Elektrodenwickeln 135, 145, 155 aufweist. Der erste Elektrodenwickel 125 ist in den zweiten Elektrodenwickel 135 gesteckt, so dass der erste Elektrodenwickel 125 im Wesentlichen innerhalb des zweiten Elektrodenwickels 135 angeordnet ist. Zwischen dem ersten Elektrodenwickel 125 und dem zweiten Elektrodenwickel 135 ist eine erste Kühleinrichtung 130 angeordnet. Zwischen dem zweiten Elektrodenwickel 135 und dem dritten Elektrodenwickel 145 ist eine zweite Kühleinrichtung 140 angeordnet. Zwischen dem dritten Elektrodenwickel 135 und dem vierten Elektrodenwickel 145 ist eine dritte Kühleinrichtung 140 angeordnet.
Die Kühleinrichtungen 130, 140, 150 können parallel oder auch seriell zueinander geschaltet sein. In einer parallelen Anordnung kann durch jede Kühleinrichtung 130, 140, 150 jeweils getrennt zu den anderen Kühleinrichtungen 130, 140, 150 ein Kühlmittel, beispielsweise in z-Richtung fließen. Bei einer seriellen Schaltung können die Kühleinrichtungen 130, 140, 150 miteinander in fluider Kommunikation stehen, so dass das Kühlmittel, nachdem es durch eine der Kühleinrichtungen 130, 140, 150 geflossen ist, weiter durch eine weitere der Kühleinrichtungen 130, 140, 150 fließt.
Dabei sind alle vier Elektrodenwickel 125, 135, 145, 155 um die Längsachse L, die parallel zur z-Achse verläuft, angeordnet.
In 3A sind schematisch vier Elektrodenwickel 125, 135, 145, 155 in einer Seitenansicht gezeigt, wobei die Elektrodenwickel 125, 135, 145, 155 elektrisch parallel verschaltet sind, gemäß der in 1C beschriebenen dritten Schaltung S3. Ferner ist schematisch ein Deckel 300 der Batteriezelle 100 gezeigt. Über elektrische Kontakte 310, 320, die mit der dritten Schaltung S3 elektrisch verbunden sind, kann die Spannung der Batteriezelle 100 von außerhalb der Batteriezelle 100 abgegriffen werden.
In 3B sind schematisch Elektrodenwickel 125, 135, 145, 155 in einer Seitenansicht gemäß 3A mit zusätzlichen elektrischen Isolierungen 330, 350, 350 gezeigt. Diese elektrischen Isolierungen dienen dazu die Elektrodenwickel 125, 135, 145, 155 voneinander elektrisch zu isolieren, wobei die jeweiligen Elektrodenwickel 125, 135, 145, 155 dabei auch abgedichtet werden. Die elektrischen Isolierungen hängen dabei von der jeweiligen Verschaltung ab, also ob eine parallele oder serielle Schaltung vorliegt. Ebenso können die Kühleinrichtungen 130, 140, 150 und auch der erste Kern elektrisch isoliert sein oder ein elektrisch isolierendes Material aufweisen.
In 4 ist ein Flussdiagramm zur Veranschaulichung einer bevorzugten Ausführungsform des erfindungsgemäßen Verfahrens zur Herstellung einer Batteriezelle für ein Kraftfahrzeug gezeigt.
In einem ersten Schritt 410 des Verfahrens 400 erfolgt ein Bereitstellen eines ersten Elektrodenwickels 125 durch Herumwickeln einer ersten Elektrodenanordnung, aufweisend zwei Elektroden und einem dazwischen angeordneten Separator, um eine Längsachse bis zu einem vorgegebenen ersten Außendurchmesser des ersten Elektrodenwickels.
In einem weiteren Schritt 420 des Verfahrens erfolgt ein Anordnen eines Abstandselements 130 an einer Außenfläche des ersten Elektrodenwickels 125.
In einem weiteren Schritt 430 des Verfahrens erfolgt ein Herumwickeln einer zweiten Elektrodenanordnung zu einem zweiten Elektrodenwickel, aufweisend zwei Elektroden und einem dazwischen angeordneten Separator, um den ersten Elektrodenwickel 125 und das Abstandselement 130 bis zu einem vorgegebenen zweiten ersten Außendurchmesser des zweiten Elektrodenwickels, und wobei das erste Abstandselement 130 derart geformt ist, so dass beim Herumwickeln des zweiten Elektrodenwickels 135 um das erste Abstandselement 130, an einer von dem ersten Abstandselement 130 wegzeigenden Außenfläche des zweiten Elektrodenwickels 135, ein erster Bereich mit einem auf die Längsachse L bezogenen ersten Radius r1, und ein zweiter Bereich mit einem auf die Längsachse L bezogenen zweiten Radius r2, ausgebildet wird, wobei der zweite Radius r2 kleiner ist als der erste Radius r1.
In einem weiteren Schritt 440 des Verfahrens erfolgt ein Anordnen der Elektrodenwickel-Anordnung in einem quaderförmigen Zellgehäuse 110, so dass der zweite Bereich in einem ersten Eckenbereich E1 des quaderförmigen Zellgehäuses 110 angeordnet wird.
Während vorausgehend wenigstens eine beispielhafte Ausführungsform beschrieben wurde, ist zu bemerken, dass eine große Anzahl von Variationen dazu existiert. Es ist dabei auch zu beachten, dass die beschriebenen beispielhaften Ausführungsformen nur nichtlimitierende Beispiele darstellen, und es nicht beabsichtigt ist, dadurch den Umfang, die Anwendbarkeit oder die Konfiguration der hier beschriebenen Vorrichtungen und Verfahren zu beschränken. Vielmehr wird die vorausgehende Beschreibung dem Fachmann eine Anleitung zur Implementierung mindestens einer beispielhaften Ausführungsform liefern, wobei sich versteht, dass verschiedene Änderungen in der Funktionsweise und der Anordnung der in einer beispielhaften Ausführungsform beschriebenen Elemente vorgenommen werden können, ohne dass dabei von dem in den angehängten Ansprüchen jeweils festgelegten Gegenstand sowie seinen rechtlichen Äquivalenten abgewichen wird.
BEZUGSZEICHENLISTE

100: Batteriezelle
110: Quaderförmiges Zellgehäuse
120: Innerster Kern
125, 135, 145, 155: Erster bis vierter Elektrodenwickel
130, 140, 150: Erste bis dritte Kühleinrichtung
147: Elektrode des dritten Elektrodenwickels
170, 175, 180: Erster bis dritter Temperatursensor
185, 190, 195: Erster bis dritter Hohlraum
300: Deckel
310, 320: Elektrische Kontakte
330, 340, 350: Elektrische Isolierungen
α: Winkel
L: Längsachse
x, y, z: Koordinatenachsen
r1, r2, r3, r4: Erster bis vierter Radius
E1 bis E4: Erster bis vierter Eckenbereich
S1 bis S3: Erste bis Dritte Schaltung
400: Flussdiagramm zur Veranschaulichung einer bevorzugten Ausführungsform des erfindungsgemäßen Verfahrens zur Herstellung einer Batteriezelle
410: ein Bereitstellen eines ersten Elektrodenwickels
420: Anordnen eines Abstandselements
430: Herumwickeln einer zweiten Elektrodenanordnung zu einem zweiten Elektrodenwickel
440: Anordnen der Elektrodenwickel-Anordnung in einem quaderförmigen Zellgehäuse

Claims

Batteriezelle (100) für ein Kraftfahrzeug, aufweisend: ein quaderförmiges Zellgehäuse (110); einen ersten Elektrodenwickel (125), der um eine Längsachse (L) herum angeordnet ist, wobei der erste Elektrodenwickel (125) in dem quaderförmigen Zellgehäuse (110) angeordnet ist; einen zweiten Elektrodenwickel (135), der um den ersten Elektrodenwickel (125) herum angeordnet ist; ein erstes Abstandselement (130), das zwischen dem ersten Elektrodenwickel (125) und dem zweiten Elektrodenwickel (135) angeordnet ist, und wobei das erste Abstandselement derart geformt ist, so dass beim Anordnen des zweiten Elektrodenwickels (135) um das erste Abstandselement (130), an einer von dem ersten Abstandselement (130) wegzeigenden Außenfläche des zweiten Elektrodenwickels (135), ein erster Bereich mit einem auf die Längsachse (L) bezogenen ersten Radius (r1), und ein zweiter Bereich mit einem auf die Längsachse (L) bezogenen zweiten Radius (r2), ausgebildet wird, wobei der zweite Radius (r2) kleiner ist als der erste Radius (r1).
Batteriezelle (100) nach Anspruch 1, wobei das erste Abstandselement (130) eine erste Kühleinrichtung (130) aufweist.
Batteriezelle (100) nach Anspruch 2, wobei die erste Kühleinrichtung (130) einen Hohlraum (185) aufweist, durch den ein Kühlmittel fließen kann.
Batteriezelle (100) nach Anspruch 3, wobei die erste Kühleinrichtung (130) ein Rohr mit einem zylinderförmigen Hohlraum (185) aufweist, wobei das Rohr im Wesentlichen parallel zur Längsachse (L) angeordnet ist.
Batteriezelle (100) nach Anspruch 3, wobei sich der Hohlraum (185) um den ersten Elektrodenwickel (125) erstreckt und dabei im Wesentlichen einen Hohlzylinder ausbildet.
Batteriezelle (100) nach einem der vorherigen Ansprüche, aufweisend einen Temperatursensor (170) zur Messung einer Temperatur, wobei der Temperatursensor (170) am ersten Abstandselement (130) angeordnet ist.
Batteriezelle (100) nach einem der vorherigen Ansprüche, wobei das erste Abstandselement (130) ein elektrisch nichtleitendes Material aufweist.
Batteriezelle (100) nach einem der vorherigen Ansprüche, wobei das erste Abstandselement (130) und wobei das erste Abstandselement derart geformt ist, so dass beim Anordnen des zweiten Elektrodenwickels (135) um das erste Abstandselement (130), an der von dem ersten Abstandselement (130) wegzeigenden Außenfläche des zweiten Elektrodenwickels (135), ein dritter Bereich mit dem auf die Längsachse (L) bezogenen zweiten Radius (r2), ausgebildet wird, wobei der dritte Bereich zum zweiten Bereich in Bezug auf die Längsachse (L) um einen Winkel (α) versetzt ist.
Batteriezelle (100) nach einem der vorherigen Ansprüche 2 bis 8, aufweisend: einen dritten Elektrodenwickel (145) der um den zweiten Elektrodenwickel (135) herum angeordnet ist; ein zweites Abstandselement (140), das eine zweite Kühleinrichtung aufweist, die zwischen dem zweiten Elektrodenwickel (135) und dem dritten Elektrodenwickel (145) angeordnet ist; wobei die zweite Kühleinrichtung (140) derart geformt ist, so dass beim Anordnen des dritten Elektrodenwickels (135) um die zweite Kühleinrichtung (140), an einer von der zweiten Kühleinrichtung (140) wegzeigenden Außenfläche des dritten Elektrodenwickels (145), ein erster Bereich mit einem auf die Längsachse (L) bezogenen dritten Radius (r3), und ein zweiter Bereich mit einem auf die Längsachse (L) bezogenen vierten Radius (r4), ausgebildet wird, wobei der vierte Radius (r4) kleiner ist als der dritte Radius (r3); wobei die Längsachse (L), der zweite Bereich des zweiten Elektrodenwickels (135) und der zweite Bereich des dritten Elektrodenwickels (145) so zueinander angeordnet sind, dass sie im Wesentlichen durch eine Gerade verbunden werden können.
Batteriezelle (100) nach Anspruch 9, wobei die erste Kühleinrichtung (125) und die zweite Kühleinrichtung (135) fluidtechnisch seriell miteinander verbunden sind.
Batteriezelle (100) nach Anspruch 9, wobei die erste Kühleinrichtung (125) und die zweite (135) Kühleinrichtung fluidtechnisch parallel miteinander verbunden sind.
Batteriezelle (100) nach einem der Ansprüche 9 bis 11, wobei wenigstens zwei der drei Elektrodenwickel (125, 135, 145) elektrisch seriell miteinander verbunden sind.
Batteriezelle (100) nach einem der Ansprüche 9 bis 11, wobei wenigstens zwei der drei Elektrodenwickel (125, 135, 145) elektrisch parallel miteinander verbunden sind.
Verfahren zur Herstellung einer Batteriezelle (100) für ein Kraftfahrzeug mit folgenden Schritten: Herstellen einer Elektrodenwickel-Anordnung durch folgende Schritte: Bereitstellen eines ersten Elektrodenwickels (125) durch Herumwickeln einer ersten Elektrodenanordnung, aufweisend zwei Elektroden und einem dazwischen angeordneten Separator, um eine Längsachse bis zu einem vorgegebenen ersten Außendurchmesser des ersten Elektrodenwickels (125); Anordnen eines Abstandselements (130) an einer Außenfläche des ersten Elektrodenwickels (125), Herumwickeln einer zweiten Elektrodenanordnung zu einem zweiten Elektrodenwickel (135), aufweisend zwei Elektroden und einem dazwischen angeordneten Separator, um den ersten Elektrodenwickel (125) und das Abstandselement (130) bis zu einem vorgegebenen zweiten Außendurchmesser des zweiten Elektrodenwickels (135), und wobei das erste Abstandselement (130) derart geformt ist, so dass beim Herumwickeln des zweiten Elektrodenwickels (135) um das erste Abstandselement (130), an einer von dem ersten Abstandselement (130) wegzeigenden Außenfläche des zweiten Elektrodenwickels (135), ein erster Bereich mit einem auf die Längsachse (L) bezogenen ersten Radius (r1), und ein zweiter Bereich mit einem auf die Längsachse (L) bezogenen zweiten Radius (r2), ausgebildet wird, wobei der zweite Radius (r2) kleiner ist als der erste Radius (r1); Anordnen der Elektrodenwickel-Anordnung in einem quaderförmigen Zellgehäuse (110), so dass der zweite Bereich in einem Eckenbereich (E1) des quaderförmigen Zellgehäuses (110) angeordnet wird.
Verfahren zur Herstellung einer Batteriezelle (100) nach Anspruch 14, wobei der zweite Elektrodenwickel (135) dadurch bereitgestellt wird, dass die erste Elektrodenanordnung im Anschluss an den erreichten vorgegebenen ersten Außendurchmesser des ersten Elektrodenwickels (125) abgeschnitten wird, und mit einem Teil der Elektrodenanordnung, der nicht für den ersten Elektrodenwickel verwendet wurde, der zweite Elektrodenwickel hergestellt wird.