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Die Erfindung betrifft eine Batteriezelle, eine Hochvoltbatterie mit mehreren Batteriezellen und ein Kraftfahrzeug mit einer solchen Hochvoltbatterie.
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In elektrisch angetriebenen Kraftfahrzeugen wie Elektrofahrzeugen, Hybrid- oder Plug-In-Hybridfahrzeugen werden Hochvoltbatterien eingesetzt, die eine Vielzahl von Batteriezellen aufweisen. Aufgrund der erzielbaren hohen Energiedichte werden in Kraftfahrzeugen insbesondere Lithiumionen-Batteriezellen eingesetzt.
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Bei der Herstellung von elektrischen Energiespeichern wie beispielsweise Hochvolt-Batterien für Kraftfahrzeuge werden die Batteriezellen zu größeren Einheiten verbunden. Beispielsweise werden die Batteriezellen zu Modulen verbunden und dann die Module zum gesamten Energiespeicher. Alternativ können die Batteriezellen direkt zu einem elektrischen Energiespeicher miteinander verbunden werden. Eine galvanische Verbindung der Zellen erfolgt meist über dafür vorgesehene Anschlusskontakte am Gehäuse. Bei prismatischen Batteriezellen und Rundzellen sind diese Anschlusskontakte zumeist direkt am Gehäuse angeordnet, beispielsweise an einem Deckel des Gehäuses. Es ist auch möglich, dass das Gehäuse selbst als ein Anschlusskontakt verwendet wird, wobei der andere Anschlusskontakt dann galvanisch getrennt am Gehäuse angeordnet ist. Die Anschlusskontakte sind mit den Elektroden einer in der Batteriezelle angeordneten Elektrodeneinheit, die beispielsweise als Elektrodenwickel (Jelly Roll) oder Elektrodenstapel ausgebildet ist, verbunden.
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Die elektrischen Verbindungen der Anschlusskontakte werden typischerweise durch Löt- oder Schweißverfahren wie beispielsweise Laserschweißen, Rührreibschweißen, Widerstands-Punktschweißen oder ähnliche Verfahren hergestellt. Weiterhin wird typischerweise auch der Deckel des Gehäuses auf das Gehäuse geschweißt. Die Schweißverfahren haben den Nachteil, dass beim Schweißen Partikel entstehen können, die sich negativ auf die Langzeitstabilität der Batteriezelle auswirken oder sogar zu einem zellinternen Kurzschluss führen können. Weiterhin kann das Schweißen zu einem unerwünschten Wärmeeintrag in die Elektrodeneinheit führen.
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Eine zu lösende Aufgabe besteht somit darin, eine verbesserte Batteriezelle anzugeben, die sich insbesondere durch eine verbesserte Langzeitstabilität und einen geringen Herstellungsaufwand auszeichnet.
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Gelöst wird diese Aufgabe durch eine Batteriezelle gemäß Anspruch 1. Vorteilhafte Ausführungsformen und Weiterbildungen der Erfindung ergeben sich aus den abhängigen Ansprüchen.
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Gemäß einer Ausführungsform weist die Batteriezelle eine Elektrodeneinheit auf, die einen ersten Anschlusskontakt einer ersten Polung und einen zweiten Anschlusskontakt einer zweiten Polung aufweist. Beispielsweise ist der erste Anschlusskontakt mit einer negativen Elektrode der Elektrodeneinheit und der zweite Anschlusskontakt mit einer positiven Elektrode der Elektrodeneinheit verbunden, oder umgekehrt. Die Elektrodeneinheit ist beispielsweise als Elektrodenwickel (Jelly Roll) oder Elektrodenstapel ausgebildet. Die Batteriezelle ist insbesondere eine Sekundärbatterie. Die Batteriezelle kann insbesondere eine Lithiumionen-Batteriezelle sein.
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Die Batteriezelle weist ein vorzugsweise festes Batteriezellgehäuse auf, dass beispielsweise im Wesentlichen die Form eines Quaders oder eines Zylinders aufweisen kann. Im erstgenannten Fall ist die Batteriezelle eine prismatische Batteriezelle und im zweitgenannten Fall eine zylindrische Batteriezelle, auch Rundzelle genannt. Das Batteriezellgehäuse kann insbesondere Aluminium oder Stahl aufweisen. Alternativ ist es möglich, dass das Batteriezellgehäuse einen Kunststoff aufweist. In dem Batteriezellgehäuse ist die Elektrodeneinheit der Batteriezelle angeordnet.
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Gemäß zumindest einer Ausführungsform der Erfindung ist der erste Anschlusskontakt und/oder der zweite Anschlusskontakt durch eine Öffnung in dem Batteriezellgehäuse zu einer Außenseite des Batteriezellgehäuses geführt und mittels einer Federklemme kraftschlüssig in der Öffnung fixiert. Dadurch, dass der erste Anschlusskontakt und/oder der zweite Anschlusskontakt mittels einer Federklemme in einer Öffnung des Batteriezellgehäuses fixiert ist, kann insbesondere auf einen Schweißvorgang zur Herstellung einer elektrischen Verbindung des ersten und/oder des zweiten Anschlusskontakts zu einer Außenseite des Batteriezellgehäuses verzichtet werden. Auf diese Weise wird das Risiko vermindert, dass Partikel entstehen, die die Langzeitstabilität der Batteriezelle beeinträchtigen könnten, und es wird bei der Herstellung ein Wärmeeintrag in die Batteriezelle durch einen Schweißprozess vermieden.
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Der erste Anschlusskontakt und/oder der zweite Anschlusskontakt weist insbesondere keine stoffschlüssige Verbindung zu dem Batteriezellgehäuse auf. Die Fixierung des ersten Anschlusskontakts und/oder des zweiten Anschlusskontakts in der Öffnung des Gehäuses kann durch Lösen der Federklemme auf vergleichsweise einfache Weise aufgehoben werden. Dadurch wird ein Recyclingprozess der Batteriezelle vorteilhaft erleichtert.
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Gemäß einer Ausgestaltung ist die Federklemme an einem Deckel des Batteriezellgehäuses angeordnet. Beispielsweise weist der Deckel des Batteriezellgehäuses eine Federklemme auf, in der der erste Anschlusskontakt fixiert ist. Zusätzlich kann der Deckel eine weitere Federklemme aufweisen, in der der zweite Anschlusskontakt fixiert ist.
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Bei einer Ausgestaltung ist der Deckel aus einem flexiblen Material gebildet, beispielsweise aus einem Kunststoff. Der Kunststoff kann beispielsweise eine Folie sein. Geeignete Folien, wie sie beispielsweise zur Herstellung von Pouch-Zellen verwendet werden, sind dem Fachmann an sich bekannt. Der Deckel aus einem flexiblen Material ermöglicht es insbesondere, bei der Herstellung der Batteriezelle eine Öffnung in dem Deckel durch Krafteinwirkung zu vergrößern oder durch Aufheben der Krafteinwirkung zu verkleinern, um den ersten Anschlusskontakt und/oder den zweiten Anschlusskontakt in der Öffnung zu fixieren.
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Bei einer Ausgestaltung der Batteriezelle ist der Deckel auf einen Gehäusegrundkörper des Batteriezellgehäuses geklebt. Auf diese Weise kann ein Löt- oder Schweißprozess zur Verbindung des Deckels mit dem Gehäusegrundkörper des Batteriezellgehäuses vermieden werden. Das Risiko des Entstehens von Partikeln und der Wärmeeintrag in das Batteriezellgehäuse beim Herstellungsprozess werden so weiter vermindert.
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Bei einer bevorzugten Ausgestaltung ist das Batteriezellgehäuse mittels der Federklemme gasdicht verschlossen. Unter „gasdicht verschlossen“ ist hier zu verstehen, dass unter normalen Betriebsbedingungen der Batteriezelle Gase, insbesondere Gase eines in der Batteriezelle enthalten Elektrolyten, nicht durch die Federklemme nach außen entweichen können.
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Bei einer bevorzugten Ausgestaltung ist die Federklemme dazu eingerichtet, das Batteriezellgehäuse beim Überschreiten eines kritischen Drucks in dem Batteriezellgehäuse zu öffnen. Dadurch wird das Risiko eines thermischen Durchgehens der Batteriezelle vermindert und so die Sicherheit erhöht. Bei dieser Ausgestaltung hat die Federklemme zusätzlich zu ihrer Funktion als Fixierung des mindestens einen Anschlusskontakts die Funktion eines Überdruckventils für die Batteriezelle. Bei dieser Ausgestaltung ist es vorteilhaft möglich, dass das Batteriezellgehäuse abgesehen von der Federklemme kein Überdruckventil oder Zellvent aufweist. Der Herstellungsaufwand und die Kosten der Batteriezelle vermindern sich auf diese Weise.
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Das Batteriezellgehäuse weist vorteilhaft einen Boden auf, der mit einem Grundkörper des Batteriezellgehäuses verschraubt ist. Durch Lösen der Schraubverbindung zum Entfernen des Bodens kann in diesem Fall die Elektrodeneinheit leicht entnommen werden. Dadurch wird die Recyclingfähigkeit der Batteriezelle weiter verbessert.
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Es werden weiterhin eine Hochvoltbatterie mit mehreren der hierin beschriebenen Batteriezellen sowie ein Kraftfahrzeug mit einer solchen Hochvoltbatterie vorgeschlagen. Die Hochvoltbatterie kann beispielsweise eine Spannung von mindestens 60V, vorzugsweise mindestens 400 V oder mindestens 800 V bereitstellen. Die Hochvoltbatterie kann insbesondere als Traktionsbatterie eines zumindest teilweise elektrisch angetriebenen Kraftfahrzeugs vorgesehen sein.
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Im Folgenden werden anhand der Figuren Ausführungsbeispiele der Erfindung beschrieben. Daraus ergeben sich weitere Details, bevorzugte Ausführungsformen und Weiterbildungen der Erfindung. Im Einzelnen zeigen schematisch
- 1 eine Batteriezelle gemäß einem Ausführungsbeispiel im Querschnitt und
- 2 eine Batteriezelle gemäß einem weiteren Ausführungsbeispiel im Querschnitt.
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Gleiche oder gleich wirkende Bestandteile sind in den Figuren jeweils mit den gleichen Bezugszeichen versehen. Die dargestellten Bestandteile sowie die Größenverhältnisse der Bestandteile untereinander sind nicht als maßstabsgerecht anzusehen.
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In den 1 ist ein Ausführungsbeispiel einer Batteriezelle 1 in einem Schnitt parallel zur Querseite dargestellt. Die Batteriezelle 1 weist bei dem hier gezeigten Ausführungsbeispiel ein prismatisches Batteriezellgehäuse 3 auf. Das Batteriezellgehäuse 3 weist bei dem Ausführungsbeispiel eine rechteckige Grundfläche auf und ist im Wesentlichen quaderförmig. Alternativ kann das Batteriezellgehäuse 3 als Rundzelle, d.h. in zylindrischer Form, ausgeführt sein. Das Batteriezellgehäuse 3 bildet einen mechanisch festen Mantel für eine darin angeordnete Elektrodeneinheit 2 der Batteriezelle 1 aus. Die Elektrodeneinheit 2 kann beispielsweise als Elektrodenstapel oder Elektrodenwickel vorliegen. Das Batteriezellgehäuse 3 kann ein Metall wie zum Beispiel Aluminium oder Stahl aufweisen. Es ist möglich, dass das Batteriezellgehäuse 3 zumindest bereichsweise eine elektrisch isolierende Beschichtung aufweist. Das Batteriezellgehäuse 3 weist beispielsweise einen Gehäusegrundkörper 31, einen Deckel 32 und einen Boden 33 auf.
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Zur elektrischen Kontaktierung der positiven und negativen Elektroden der Elektrodeneinheit 2 sind ein erster Anschlusskontakt 6 und ein zweiter Anschlusskontakt 7 vorgesehen. Beispielsweise ist der erste Anschlusskontakt 6 mit der positiven Elektrode und der zweite Anschlusskontakt 7 mit der negativen Elektrode der Elektrodeneinheit verbunden. In 1 sind der erste Anschlusskontakt 6 und der zweite Anschlusskontakt 7 in der Richtung senkrecht zur Zeichenebene gesehen hintereinander angeordnet und daher nicht einzeln sichtbar. Der Aufbau des ersten Anschlusskontakts 6 und des zweiten Anschlusskontakts 7 kann identisch sein. Der erste und/oder der zweite Anschlusskontakt 6, 7 sind insbesondere jeweils als Kontaktfahne ausgebildet, die aus dem Batteriezellgehäuse 3 herausgeführt ist. Der erste Anschlusskontakt 6 und/oder der zweite Anschlusskontakt 7, vorzugsweise sowohl der erste Anschlusskontakt 6 als auch der zweite Anschlusskontakt 7, sind aus dem Deckel 32 des Batteriezellgehäuses 3 herausgeführt und mittels einer Federklemme 5 in dem Batteriezellgehäuse 3 fixiert.
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Durch die Federklemme 5 sind der erste und/oder der zweite Anschlusskontakt 6, 7 kraftschlüssig in den Batteriezellgehäuse 3 fixiert. Der erste Anschlusskontakt 6 und/oder der zweite Anschlusskontakt 7 weisen insbesondere keine stoffschlüssige Verbindung zu dem Batteriezellgehäuse 3 auf. Dies hat den Vorteil, dass insbesondere auf Verfahren zur Herstellung einer stoffschlüssigen Verbindung wie zum Beispiel Schweißverfahren, die durch einen hohen Wärmeeintrag eine thermische Belastung der Batteriezelle 1 bewirken, verzichtet werden kann. Außerdem wird eine Zerlegung der Batteriezelle 1 auf diese Weise vereinfacht und somit die Recyclingfähigkeit der Batteriezelle 1 verbessert.
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Die Federklemme 5 ist an dem Deckel 32 des Batteriezellgehäuses 3 angeordnet. Bei dem hier dargestellten Ausführungsbeispiel ist der Deckel 32 des Batteriezellgehäuses 3 aus einem flexiblen Material gebildet. Das flexible Material ist beispielsweise ein Kunststoff, insbesondere eine Folie, oder ein Metall, das zur Erzielung der erforderlichen Flexibilität hinreichend dünn ist. Bei Ausübung einer Kraft in der durch die Pfeile symbolisierte Kraftrichtung 4 kann die Federklemme 5 geöffnet oder geschlossen werden. Dadurch ist die Fixierung der Anschlusskontakte 6, 7 beim Recyclen der Batteriezelle auf einfache Weise lösbar. Weiterhin ist der Deckel 32 vorzugsweise auf den Gehäusegrundkörper 31 geklebt.
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Durch die Federklemme 5 werden die Anschlusskontakte 6, 7 an dem Batteriezellgehäuse 3 fixiert und das Batteriezellgehäuse 3 gasdicht verschlossen. „Gasdicht verschlossen“ bedeutet in diesem Zusammenhang insbesondere, dass bei normalen Betriebsbedingungen der Batteriezelle 1 kein Gas aus der Batteriezelle 1 austreten und/oder in die Batteriezelle 1 eintreten kann. Die Federklemme 5 kann aber dazu eingerichtet sein, bei einem kritischen Überdruck in der Batteriezelle 1 Gas aus der Batteriezelle 1 austreten zu lassen. Beispielsweise ist eine Federkraft der Federklemme 5 derart eingestellt, dass beim Überschreiten eines kritischen Drucks, der beispielsweise bei einem thermischen Durchgehen in der Batteriezelle 1 entsteht, Gas aus der Batteriezelle 1 austreten kann. Dadurch wird die Sicherheit der Batteriezelle 1 verbessert. Auf ein Zellvent kann in diesem Fall vorteilhaft verzichtet werden, wodurch sich der Herstellungsaufwand für die Batteriezelle vermindert.
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In 2 ist schematisch ein zweites Ausführungsbeispiel der Batteriezelle 1 dargestellt. Dieses Ausführungsbeispiel unterscheidet sich vom ersten Ausführungsbeispiel dadurch, dass der Deckel 32 des Batteriezellgehäuses 3 aus einem festen Material, beispielsweise Aluminium oder Stahl, gebildet ist. Die Federklemme 5 ist in diesem Beispiel fest an dem Deckel 32 angebracht und fixiert die Anschlusskontakte 6, 7 unterhalb des Deckels 32 kraftschlüssig,
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Bei beiden Ausführungsbeispielen der 1 und 2 ist es vorteilhaft, wenn der Boden 33 des Batteriezellgehäuses 2 durch eine Schraubverbindung mit dem Gehäusegrundkörper 31 verbunden ist. Der Boden 33 kann in diesem Fall zur Entnahme der Elektrodeneinheit 2, zum Beispiel beim Recyclen der Batteriezelle, auf vergleichsweise einfache Weise entfernt werden.
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Obwohl die Erfindung im Detail anhand von Ausführungsbeispielen illustriert und beschrieben wurde, so ist die Erfindung nicht durch die Ausführungsbeispiele eingeschränkt. Vielmehr können andere Variationen der Erfindung vom Fachmann hieraus abgeleitet werden, ohne den durch die Ansprüche definierten Schutzumfang der Erfindung zu verlassen.
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Bezugszeichenliste
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- 1
- Batteriezelle
- 2
- Elektrodeneinheit
- 3
- Batteriezellgehäuse
- 4
- Kraftrichtung
- 5
- Federklemme
- 6
- erster Anschlusskontakt
- 7
- zweiter Anschlusskontakt
- 31
- Gehäusegrundkörper
- 32
- Deckel
- 33
- Boden