-
FELD DER ERFINDUNG
-
Die vorliegende Erfindung betrifft eine Batteriezelle mit einem Gehäuse, insbesondere einem prismatischen Gehäuse, und mit mehreren innerhalb des Gehäuses schichtartig abwechselnd und jeweils durch eine Separatorschicht getrennt angeordneten, Schichtpakete bildenden Anoden- und Kathodenschichten, wobei die Batteriezelle als Hoch-Volt-Kontakte ausgelegte Batteriepole, so genannte HV-Terminals, aufweist, an denen jeweils die Anoden- und die Kathodenschichten zusammenführend kontaktiert sind. Ebenfalls betrifft die Erfindung ein elektrisch oder teilelektrisch angetriebenes Fahrzeug mit solchen Batteriezellen.
-
Batteriezellen in einer Batterie, beispielsweise in einer Batterie eines Elektrofahrzeugs, besitzen üblicherweise ein Batteriezellgehäuse, zwei HV-Terminals, mehrere Kathodenzellschichten als positive Elektroden und mehrere Anodenzellschichten als negative Elektroden, wobei die Kathoden- und Anodenzellschichten durch eine isolierende Separatorschicht getrennt werden. Die Separatorschicht hat verschieden Funktionen, stoppt u.a. die Wanderung der Ionen zwischen Anode und Kathode ab einer kritischen Temperatur der Zelle und verhindert Kurzschlüsse.
-
Üblicherweise sind an einer Seite der Zelle bzw. des Batteriezellgehäuses alle Kathodenschichten elektrisch miteinander verbunden und an einer anderen Seite der Zelle alle Anodenschichten. Die die Zellschichten jeweils verbindenden Kontakte sind dann als Hochvolt-Terminals außerhalb des Batteriezellgehäuse mit einsprechenden Einrichtungen elektrisch kontaktierbar.
-
STAND DER TECHNIK
-
Hersteller von Elektrofahrzeugen sind daran interessiert, unterschiedliche Batteriegrößen in einem Fahrzeug bereitzustellen, um verschiedene Einstiegsvarianten und Leistungsklassen von Elektrofahrzeugen anbieten zu können. Dazu sollen die Einstiegsvarianten mit etwas kostengünstigeren Batterien ausgestattet sein, deren Energiemenge und Leistung dementsprechend reduziert ist. Nach dem Stand der Technik geschieht dies entweder durch die Verringerung der Anzahl der Batteriezellen oder durch Einsatz einer veränderten Zellchemie bei gleichbleibender Anzahl.
-
Beide Möglichkeiten stoßen jedoch an Grenzen. So erfordert eine Verminderung der Batteriezellenanzahl in aller Regel nicht nur eine Veränderung der Abmessungen oder Baugröße der Batterie und ihrer Anschlussteile, sondern reduziert auch die Systemspannung und damit die Effizienz der Batterie, was dazu führt, dass die Einstiegsbatterie maximal um ca. 15 % verkleinert werden kann. Eine Reduzierung der Batteriezellenanzahl erhöht somit die Fertigungsvarianz und Teilevielfalt in einer im Hinblick auf Kosten unerwünschten Weise.
-
Auf der anderen Seite führt eine bei gleichbleibender Zellenanzahl veränderte Zellchemie dazu, dass keinerlei Gewichtsersparnis für die Batterie eines Einstiegsfahrzeugs erreichbar ist. In punkto Wettbewerbsfähigkeit sind eine geringere Energiemenge und Leistung bei einem ansonsten gewichtsgleichen Fahrzeug aber eher nicht gewünscht.
-
Im Stand der Technik sind Möglichkeiten bekannt, die Eigenschaften und das Gewicht von Batteriezellen zu verändern. So offenbart die
DE 102009035491 A1 eine Batteriezelle mit einem in einem Gehäuse angeordneten aktiven Material und einem das aktive Material umgebenden Elektrolyt, wobei an dem Gehäuse ein Füllkörper aus einem geschlossenporigen Schaum angeordnet ist. Durch diesen im Bereich der Anoden- und Kathodenbleche angeordneten Füllkörper wird jedoch keine Veränderung der Energiemenge und Leistung der Batterie erreicht, sondern lediglich eine Reduzierung des überschüssigen Elektrolytvolumens.
-
Die
DE 102011077676 A1 offenbart eine Batteriezelle mit einem Gehäuse und einem im Gehäuse angeordneten Elektrodenensemble, wobei in einem Hohlraum zwischen einer Gehäusewandung und dem Elektrodenensemble ein Füllkörper angeordnet ist, welcher eine geringe Dichte relativ zur Gehäusewandung aufweist. Auch durch diese Maßnahme entsteht keine Veränderung der Energiemenge oder Leistung. Hier soll neben der Reduzierung des Elektrolytraumes eine bessere Druckeinstellung für eine Berstscheibe oder eine Kontaktmembran erreichbar sein.
-
BESCHREIBUNG DER ERFINDUNG
-
Eine Aufgabe der Erfindung besteht darin, eine im wesentlichen abmessungsgleiche, für eine Reihe von Fahrzeugen unterschiedlicher Leistung einheitlich verwendbare und im Wesentlichen ähnlich oder gleich herstellbare Batteriezelle bereitzustellen, deren Energiedichte, Leistung und Gewicht auf einfache Weise angepasst werden kann.
-
Gelöst wird diese Aufgabe wird durch die Merkmale des Anspruchs 1. Vorteilhafte Ausgestaltungen und Weiterentwicklungen sind in den jeweiligen abhängigen Ansprüchen beschrieben. Ebenfalls beansprucht ist ein elektrisch oder teilelektrisch angetriebenes Fahrzeug mit einer Traktionsbatterie, welche eine oder mehrere erfindungsgemäße Batteriezellen enthält.
-
Die erfindungsgemäße Batteriezelle weist mindestens einen parallel zu den Anoden- und Kathodenschichten angeordneten, zum Schichtpaket form- und abmessungsgleichen, elektrisch nicht aktiven Füllkörper auf, welcher ein Teilvolumen des Gehäuses ausfüllt.
-
Durch das Einbringen eines solchen abmessungsgleichen Körpers wird weder die Geometrie der Batteriezelle noch ihre äußere konstruktive Ausbildung in Bezug auf mechanische oder elektrische Anschluss- oder Kontaktelemente verändert und trotzdem eine Verringerung der Energiemenge und des Gewichts erreicht. Der Füllkörper füllt also den Raum aus, der bei stärkeren Batterien mit aktiven Schichtpaketen aus Anoden- und Kathodenschichten zu füllen wäre, ersetzt quasi diese aktiven Schichten. Die erfindungsgemäße Batteriezelle erlaubt es somit, eine Einstiegsbatterie mit beliebiger Leistungsverringerung herzustellen, ohne die eingangs geschilderten Nachteile in Kauf zu nehmen, nämlich ohne die Fertigungsvarianz der Batteriezelle und die Teilevielfalt der Batterie und des Fahrzeugs zu erhöhen. Die Anzahl der Batteriezellen und alle Fertigungsschritte im Batteriesystem sind damit identisch mit einer leistungsstärkeren „großen“ Batterie, ebenso wie die Systemspannung. Dabei können die Kosten, die Energiemenge und Leistung nahezu linear reduziert werden.
-
Dies gilt ebenso für die Reduzierung des Gewichts der Batteriezelle, insbesondere im Zusammenhang mit einem weiteren Aspekt der Erfindung, bei dem der Füllkörper eine niedrigere Dichte aufweist als die durchschnittliche Dichte der Batteriezelle. Der den Gehäuseinnenraum der Batteriezelle anstelle der schwereren aktiven Elemente ausfüllende Füllkörper reduziert Energiemenge und Leistung der Zelle ohne wesentliche Veränderung der Spannung und ohne Einfluss auf nachfolgende oder fortlaufende Fertigungsschritte. Darüber hinaus bleibt durch die annähernd baugleiche Ausbildung von Batteriezellen das Verhalten von Traktionsbatterien bei Fahrzeugen unterschiedlicher Leistungsstärke im Falle eines Unfalls im Wesentlichen unverändert. Dasselbe gilt für das Kühlungsverhalten einer leistungsstärkeren, „großen“ Batterie im Vergleich zu einer Einstiegsvariante.
-
Eine Weiterbildung der Erfindung besteht darin, dass der Füllkörper neben einem oder zwischen mehreren Schichtpaketen angeordnet ist, vorzugsweise mittig in der Batteriezelle angeordnet ist. Damit kann der Füllkörper auf sehr einfache Weise in das Gehäuse eingebaut werden, ohne etwa Kontaktierung oder andere Einrichtungen innerhalb der Zelle zu stören.
-
Gemäß einem weiteren Aspekt der Erfindung ist der Füllkörper elastisch reversibel komprimierbar ist, vorzugsweise aus einem Schaumkunststoff ausgebildet. Der Füllkörper, der als elektrisch inaktive Masse der Füllung des vorhandenen Bauraumes bzw. des Gehäuseinnenraums der Batteriezelle dient, kann dann als ein elastisches, schaumartiges Kompressionspad ausgebildet werden, welches bei einem Ausdehnen, einem „Swelling“ des Zellaktivmaterials unter Krafteinwirkung elastisch reversibel komprimiert wird und damit im Inneren der Batteriezelle das Ausdehnen ausgleichen kann, ohne dass die Zelle selbst nach außen geometrisch verformt wird.
-
Gemäß einem weiteren Aspekt der Erfindung ist der Füllkörper inkompressibel, oder nur geringfügig kompressibel, bspw. weniger um als 5% in einer Raumdimension. Eine solche Ausführung ist dann vorteilhaft, wenn ein Ausdehnen/Swelling der erfindungsgemäßen Batteriezelle mit Füllkörper gegenüber dem Ausdehnen/Swelling einer Batteriezelle ohne Füllkörper nicht verändert werden soll.
-
Gemäß einem weiteren Aspekt der Erfindung ist der Füllkörper quaderförmig ausgebildet, was dessen Herstellung sehr vereinfacht.
-
Eine Weiterbildung der Erfindung besteht darin, dass die Batteriezelle ein prismatisches Gehäuse in Form eines Quaders aufweist, wobei die die Schichtpakete bildenden Anoden- und Kathodenschichten flächenparallel zur Grund- und Deckfläche des Quaders ausgebildet sind und die Seitenlängen der Grund- und Deckfläche um ein Vielfaches größer sind als ihr Abstand. Durch diese Ausbildung erhält man im Wesentlichen flächig ausgebildete Batteriezellen, welche in einfachster Weise zu einem Zellstack zusammengestellt werden können.
-
Eine weitere Ausbildung der Erfindung besteht darin, dass die als Hoch-Volt-Kontakte ausgelegten Batteriepole (HV-Terminals) an einer der Mantelflächen angeordnet sind, vorzugsweise an gegenüberliegenden Mantelflächen. Damit ist die Kontaktierung der Batteriezellen mit einfachen Anschlusseinrichtungen möglich.
-
Ein weiterer Aspekt der Erfindung betrifft ein elektrisch oder teilelektrisch angetriebenes Fahrzeug mit einer Traktionsbatterie, die Batteriezellen der erfindungsgemäßen Art aufweist. Insbesondere in Verbindung mit einem wiederum weiteren Aspekt der Erfindung, bei dem ein elektrisch oder teilelektrisch angetriebenes Fahrzeug eine Traktionsbatterie mit geometrisch gleich ausgebildeten Batteriezellen aufweist, welche mit Schichtpaketen aus Anoden-, Kathoden- und Separatorschichten sowie mit Füllkörpern versehen sind, ist es möglich, Fahrzeugmodelle mit hinsichtlich ihrer Leistung und/oder Reichweite verschiedenen Batteriegrößen anzubieten. So können bspw. bei einer Fahrzeugbaureihe in einer ersten Variante, etwa dem Top-Modell der Reihe, keine oder dünne Füllkörper, und in einer zweiten Variante, etwa einem Einstiegsmodell, dicke Füllkörper zur Energiemengenreduktion und/oder Gewichtsreduktion und/oder Kostenreduktion in den Zellen vorgesehen sein.
-
Dabei kann entweder eine Batterie mit kleinerer Energiemenge und/oder Leistung bereitgestellt werden, nämlich durch die Verwendung äußerlich geometrisch nahezu gleicher Batteriezellen mit Füllkörper oder aber eine Batterie mit größerer Energiemenge und/oder Leistung, nämlich durch die Anordnung von Batteriezellen ohne einen Füllkörper. Der Füllkörper schafft also ein elektrisch nicht wirksames „Totvolumen“ im Batteriezellinneren, welches in seiner Größe beliebig angepasst werden kann.
-
Gemäß einem weiteren Aspekt der Erfindung können in einer Fahrzeugbaureihe in einer ersten Variante bei Verwendung von Batteriezellen mit einer ersten Zellchemie mit geringem Swelling keine oder dünne zumindest teilweise komprimierbare Füllkörper, und in einer zweiten Variante bei Verwendung von Batteriezellen mit einer zweiten Zellchemie mit starkem Swelling dicke zumindest teilweise komprimierbare Füllkörper vorgesehen sein, um ein unterschiedliches Swellingverhalten im Inneren der Zellen auszugleichen und andere Batteriekomponenten als Gleichteile verwenden zu können.
-
Die Vorteile der erfindungsgemäßen Batteriezelle liegen, wie zum Teil bereits erwähnt, in einer Gewichtsreduktion von Batterien für Einstiegsvarianten von Fahrzeugen, in einer Reduktion von Varianzen des Batteriesystems und in der Beibehaltung einer hohen Spannungslage und Vermeidung einer reduzierten Effizienz.
-
Im Folgenden wird die Erfindung mit Bezugnahme auf die in den Figuren gezeigte beispielhafte Ausführung beschrieben. Es zeigen
- 1 die prinzipielle Ausbildung einer erfindungsgemäßen Batteriezelle in Form einer perspektivischen Skizze,
- 2 eine vereinfachte Schnittdarstellung einer Batteriezelle mit Füllkörper gemäß 1,
-
In den Figuren können gleiche oder ähnliche Elemente mit denselben Bezugszeichen referenziert sein.
-
Die erfindungsgemäße Ausbildung der Batteriezelle erschließt sich am Besten in der Zusammenschau der 1 und 2.
-
1 zeigt eine Batteriezelle 1 mit einem prismatischen Gehäuse 2 mit mehreren innerhalb des Gehäuses 2 schichtartig abwechselnd und jeweils durch eine Separatorschicht 5 getrennt angeordneten Anodenschichten 3 und Kathodenschichten 4, wie gut in 2 erkennbar.
-
Die Anodenschichten 3, die Kathodenschichten 4 und die Separatorschichten 5 bilden dabei ein Schichtpaket 6. Das Gehäuse 2 ist in Form eines viereckigen Prismas ausgebildet ist, wie in 2 erkennbar. Dabei sind die die Schichtpakete 6 bildenden Anoden- und Kathodenschichten 3, 4 flächenparallel zur Grund- und Deckfläche 10, 11 des Prismas ausgebildet sind, wobei die Seitenlängen A, B der Grund- und Deckfläche 10, 11 um ein Vielfaches größer sind als ihr Abstand C.
-
Die Batteriezelle weist als Hoch-Volt-Kontakte ausgelegte Batteriepole 7, 8 auf, so genannte HV-Terminals, an denen jeweils die Anoden- und die Kathodenschichten zusammenführend kontaktiert sind, wie man gut in der 2 sehen kann.
-
Die erfindungsgemäße Batteriezelle 1 weist weiterhin mindestens einen parallel zu den Anoden- und Kathodenschichten 3, 4 angeordneten, zum Schichtpaket 6 form- und abmessungsgleichen, elektrisch nicht aktiven Füllkörper 9 auf. Der Füllkörper 9 ist als länglicher Quader ausgebildet, füllt ein Teilvolumen des Gehäuses 2 aus und ist in diesem Ausführungsbeispiel zwischen zwei Schichtpaketen 6 mittig in der Batteriezelle 1 angeordnet.
-
Der Füllkörper 9 weist eine niedrigere Dichte auf als die durchschnittliche Dichte der Batteriezelle bzw. ihrer Komponenten und trägt somit zur Gewichtsverringerung der Zelle bei. Der Füllkörper 9 ist hier aus einem Schaumkunststoff ausgebildet und elastisch reversibel komprimierbar.
-
Die als Hoch-Volt-Kontakte ausgelegte Batteriepole 7, 8 sind an der Mantelflächen 12 des prismatischen Gehäuses 2 angeordnet sind, hier an gegenüberliegenden Teilen der Mantelfläche.
-
Liste der Bezugszeichen
-
- 1
- Batteriezelle
- 2
- prismatisches Gehäuse
- 3
- Anodenschicht
- 4
- Kathodenschicht
- 5
- Separatorschicht
- 6
- Schichtpaket
- 7
- Batteriepol, Hoch-Volt-Terminal, Anode
- 8
- Batteriepol, Hoch-Volt-Terminal, Kathode
- 9
- Füllkörper
- 10
- Grundfläche des prismatischen Gehäuses 2
- 11
- Deckfläche des prismatischen Gehäuses 2
- 12
- Mantelfläche(n) des prismatischen Gehäuses 2
- A, B
- Seitenlänge der Grund- und Deckflächen 10, 11
- C
- Abstand der Grund- und Deckflächen 10, 11
-
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
-
Diese Liste der vom Anmelder aufgeführten Dokumente wurde automatisiert erzeugt und ist ausschließlich zur besseren Information des Lesers aufgenommen. Die Liste ist nicht Bestandteil der deutschen Patent- bzw. Gebrauchsmusteranmeldung. Das DPMA übernimmt keinerlei Haftung für etwaige Fehler oder Auslassungen.
-
Zitierte Patentliteratur
-
- DE 102009035491 A1 [0007]
- DE 102011077676 A1 [0008]
