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Die Erfindung betrifft ein Batteriezellgehäuse sowie eine Anordnung einer Batteriezelle in einem Batteriegehäuse, insbesondere eine Anordnung einer Batteriezelle in einem Batteriegehäuse mit einem an das Batteriegehäuse angrenzenden Kühlelement.
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Insbesondere betrifft die Erfindung prismatische Batteriezellgehäuse für Batteriezellen mit einer Zellspannung von 1 V bis 10 V, bevorzugt mit 2 V bis 8 V und besonders bevorzugt mit 2,5 V bis 5 V. Die Erfindung lässt sich aber auch mit anders geformten Batteriezellgehäusen realisieren, beispielsweise mit zylindrischen, kegelförmigen, pyramidenförmigen oder nicht formstabilen Batteriegehäusen.
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Im Zusammenhang mit prismatischen Batteriezellengehäusen wird insbesondere auf quaderförmige oder würfelförmige Batteriezellgehäuse verwiesen. Derartige Batteriezellgehäuse werden insbesondere für die Erstellung von Batteriemodulen für Fahrzeuge verwendet, wobei in der Praxis häufig mehrere Module zu einem Batteriesystem zusammengeschaltet werden. Es ist alternativ möglich, alle Batteriezellen bzw. Batteriezellgehäuse direkt in einen Batteriekasten einzubauen oder unmittelbar im Bereich eines Fahrzeugbodens eines Kraftfahrzeuges zu befestigen. Die Spannung der Batteriesysteme von Fahrzeugen liegt in der Praxis üblicherweise bei mindestens 48 V, insbesondere in einem Bereich zwischen 48 V und 800 V, bevorzugt zwischen 200 V und 1.000 V und besonders bevorzugt zwischen 400 V und 800 V.
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Aus
DE 10 2014 018 975 A1 ist eine Batteriezelle für eine Kraftfahrzeugbatterie bekannt, die zumindest eine Schweißstelle, einen elektrochemisch aktiven Teil, der zur Speicherung von Energie vorgesehen ist, und eine thermische Isolierung aufweist. Die thermische Isolierung ist dazu vorgesehen, den elektrochemisch aktiven Teil gegen einen Wärmeeintrag an der zumindest einen Schweißstelle zu isolieren, und erstreckt sich dazu über weite Teile der inneren Umfangswand der Batteriezelle.
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Aus
DE 10 2014 226 260 A1 sind eine Batteriezelle, ein Batteriemodul und eine Verwendung derselben bekannt. Im Zusammenhang mit der Batteriezelle ist eine Ausführungsform eines Batteriezellengehäuses beschrieben, bei welcher ein Isolationselement in Form einer isolierenden Schicht auf der Innenseite einer Seitenwand vorgesehen ist. Das Isolationselement soll in Form einer Lackierung oder in Form einer selbstklebenden Folie ausgeführt sein und sich im Wesentlichen über die gesamte Höhe des Batteriezellengehäuses erstrecken, wobei optional auch die Innenseite des Bodens oder die Innenseite des Deckels mit einer derartigen Beschichtung des Isolationselements versehen sein soll.
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Aus
DE 10 2015 210 988 A1 sind ein Batteriemodul mit einer Mehrzahl an Batteriezellen und eine Batterie mit einem solchen Batteriemodul bekannt. Das Batteriemodul weist ein erstes Trennelement auf, das zur Abfuhr eines ersten Wärmestromes aus dem Batteriemodul dient, und ein zweites Trennelement, das zur Abfuhr eines zweiten Wärmestromes aus dem Batteriemodul dient, wobei ein Trennelement zwischen jeweils zwei Batteriezellen angeordnet ist. Dabei sind das erste Trennelement und das zweite Trennelement in der Art ausgebildet, dass ein von dem ersten Wärmestrom verschiedener zweiter Wärmestrom aus dem Batteriemodul abführbar ist. Dazu sollen insbesondere unterschiedliche Materialien zum Einsatz kommen und/oder über die Länge der Trennelemente unterschiedliche Wärmeleitfähigkeiten vorgesehen sein. Hinsichtlich der Gestaltung der einzelnen Batteriezellen und deren Batteriezellgehäuse sind dem Dokument keine Informationen zu entnehmen.
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Aktiv gekühlte Batteriezellen werden üblicherweise mit mindestens einer Seite des Batteriezellgehäuses an eine fluidführende Kühlplatte angebunden. Diese Anbindung erfolgt häufig über einen Bodenabschnitt des Batteriegehäuses, der auch als Zellboden bezeichnet wird (Bodenkühlung). Alternativ sind auch Ausführungen der Kühlung über den Bodenabschnitt und einen Deckelabschnitt der Batteriezelle (beidseitige Kühlung) möglich. Bei Umsetzung dieser Konstruktionsvarianten kommt es häufig innerhalb des elektrochemisch aktiven Bereichs der Batteriezelle in einem Batteriezellstapel (bzw. oder alternativ in einem Batteriezellwickel) zur Herausbildung von lokal begrenzten Bereichen niedriger Temperatur. Diese werden im Allgemeinen und im Folgenden auch als „Cold Spots“ bezeichnet. Erfahrungsgemäß bilden sich „Cold Spots“ meist in Wandnähe an den Kühlflächen zugewandten Enden des Batteriezellstapels heraus.
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Insbesondere beim Schnellladen sind „Cold Spots“ nachteilig, da hierbei viel Abwärme anfällt und die Batteriezelle intensiv gekühlt werden muss. Die Batteriezelle kann innerhalb der „Cold Spots“ deutlich weniger Lithium einlagern als in den übrigen Bereichen. Dadurch entsteht die Gefahr lokaler Abscheidung von metallischem Lithium auf der Elektrodenoberfläche (sogenanntes. „Plating“), welches die Batteriezelle irreversibel schädigen kann und zu einer deutlich beschleunigten Alterung führen führt. Im ungünstigsten Fall kann infolge des „Platings“ auch lokales Wachstum von Lithium-Dendriten entstehen, welches einen sicherheitsrelevanten Zustand der Batteriezelle (thermisches Durchgehen) nach sich ziehen kann. Dies ist insbesondere vor dem Hintergrund kritisch, dass innerhalb der Batterie verbaute Temperatursensorik üblicherweise nicht den Bereich von „Cold Spots“ erfasst.
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Um „Cold Spots“ Rechnung zu tragen und eine Schädigung der Batteriezellen bei Schnellladevorgängen zu vermeiden, wird in der Praxis der Ladestrom der Batteriezelle begrenzt. Dabei wird zur Festlegung der temperaturabhängigen Stromfreigabe vom Temperatur-Messwert ein gewisser Offset als Sicherheitsabschlag berücksichtigt, um die geschätzte Temperatur in den „Cold Spots“ zu berücksichtigen. In solchen Fällen werden die Sicherheitsabschläge üblicherweise größer gewählt als nötig, wodurch die Effizienz beim Schnellladen leidet.
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Alternativ sind aus der Praxis auch aufwändigere Kühlkonzepte bekannt, die aber nicht nur mit einem hohen Herstellungs- und Kostenaufwand verbunden sind, sondern auch aufgrund des erhöhten Platz- und Teilebedarfs zu Mehrgewicht und einer reduzierten Energiedichte führen.
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Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Batteriezellgehäuse sowie eine Anordnung einer Batteriezelle in einem Batteriegehäuse, insbesondere in Verbindung mit einem an das Batteriegehäuse angrenzenden Kühlelement, zur Verfügung zu stellen, mit welchen auf einfache und kostengünstige Art und Weise das Problem von „Cold Spots“ vermieden oder zumindest reduziert werden kann.
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Die Lösung der Aufgabe erfolgt erfindungsgemäß mit den Merkmalen der unabhängigen Ansprüche. Weitere praktische Ausführungsformen und Vorteile der Erfindung sind in Verbindung mit den abhängigen Ansprüchen beschrieben.
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Ein erfindungsgemäßes behälterartiges Batteriezellgehäuse umfasst einen Grundkörper, der einen Bodenabschnitt und mindestens einen, sich von dem Bodenabschnitt nach oben erstreckenden Seitenwandabschnitt aufweist, wobei innenseitig des Seitenwandabschnitts an der Innen-Umfangswand des Seitenwandabschnitts mindestens eine sich von dem Bodenabschnitt in Hochrichtung nach oben erstreckende Isolationsfolie angeordnet ist. Dabei ist die Isolationsfolie in einem als Isolationsabschnitt bezeichneten, unteren Behälterabschnitt so angeordnet oder ausgebildet, dass sich im Vergleich zu mindestens einem weiter von dem Bodenabschnitt entfernten Behälterabschnitt eine verbesserte Isolationswirkung ergibt. Durch diese über die Höhe des Batteriezellgehäuses angepasste Isolationswirkung kann auf einfache und kostengünstige Art und Weise das Problem von „Cold Spots“ vermieden oder zumindest reduziert werden. Die Realisierung der angepassten Isolationswirkung kann auf verschiedene Art und Weise und insbesondere auch mit unterschiedlichem Detailierungsgrad erfolgen. In diesem Zusammenhang wird insbesondere darauf hingewiesen, dass mit dem Begriff „Bodenabschnitt“ und „nach oben“ in dieser Offenbarung nicht nur die enge Auslegung „nach oben entgegen der Schwerkraftrichtung“ umfasst sein soll. Als Bodenabschnitt kann optional auch ein „Deckelabschnitt“ dienen, von welchem sich mindestens ein Seitenwandabschnitt „nach unten“ erstreckt. Die Anordnung des Bodenabschnitts als - in Schwerkraftrichtung betrachtet - tiefste Stelle ist besonders bevorzugt, und ebenfalls bevorzugt ist die Anordnung eines Bodenabschnitts an der höchsten Stelle als Deckelabschnitt.
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Darüber hinaus möglich ist jedoch optional auch eine Orientierung in Querrichtung und somit in seitlicher Richtung mit einem parallel zur Schwerkraftrichtung orientierten „Bodenabschnitt“ und mindestens einem, sich in einer Richtung senkrecht oder quer zur Schwerkraft erstreckenden Seitenwandabschnitt.
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Als Bodenabschnitte werden insbesondere diejenigen Wandabschnitte angesehen, an welche mindestens eine Kühlplatte oder eine sonstige Kühlvorrichtung angrenzt.
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Sofern es sich um ein Batteriezellgehäuse mit beidseitiger Kühlung handelt, können insbesondere ein Bodenabschnitt und ein Deckelabschnitt oben und unten vorgesehen sein bzw. zwei Bodenabschnitte an jeweils gegenüberliegenden Seiten des Batteriezellgehäuses. In diesem Fall ist die erfindungsgemäße Gestaltung vorzugweise jeweils an jedem an den jeweiligen Bodenabschnitt bzw. Deckelabschnitt angrenzenden Seitenwandabschnitt realisiert.
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Im Folgenden werden weitere Realisierungsmöglichkeiten sowie deren Vorteile erläutert, die sowohl bei Batteriezellgehäusen mit einseitiger Kühlung als auch bei solchen mit beidseitiger Kühlung anwendbar sind.
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Vorzugsweise kommen bei einem erfindungsgemäßen Batteriezellgehäuse Isolationsfolien mit einer Dicke von weniger als 1 mm zum Einsatz, insbesondere mit einer Dicke von weniger als 100 µm, bevorzugt zwischen 20 µm und 80 µm und besonders bevorzugt zwischen 40 µm und 70 µm.
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Vorab wird noch darauf hingewiesen, dass ein erfindungsgemäßes Batteriezellgehäuse insbesondere im Falle einer runden Grundfläche, d.h. beispielsweise im Falle einer zylindrischen Grundform, nur einen Seitenwandabschnitt aufweist. Bei einer eckigen, z.B. viereckigen Grundfläche, d.h. beispielsweise bei einer quaderförmigen Grundform, weist das Batteriezellgehäuse vier Seitenwandabschnitte auf. Unabhängig von der Zahl der Seitenwandabschnitte kann die Isolationsfolie an einer oder mehreren Innen-Umfangswänden der Seitenwandabschnitte angeordnet sein. Vorzugsweise ist die Isolationsfolie an den Innen-Umfangswänden aller Seitenwandabschnitte vollständig innenseitig umlaufend angeordnet oder zumindest an zwei sich gegenüberliegenden Innen-Umfangswänden angeordnet.
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Der Isolationsabschnitt erstreckt sich insbesondere über einen Bereich in der - in Hochrichtung der Batteriezelle betrachtet - unteren Hälfte des Batteriezellgehäuses, vorzugsweise in dem unteren Drittel, in dem unteren Viertel oder in dem unteren Fünftel des Batteriezellgehäuses.
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Vorzugsweise erstreckt sich der Isolationsabschnitt, d.h. ein Seitenwandabschnitt mit erhöhter oder maximaler Isolationswirkung, nur über einen Teilabschnitt der Höhe beginnend am Bodenabschnitt, d.h. der Isolationsabschnitt grenzt unmittelbar an den Bodenabschnitt an.
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Bei dem erfindungsgemäßen Batteriezellgehäuse ist in dem Isolationsabschnitt mindestens eine, sich nur über einen Teil der Höhe erstreckende zusätzliche Isolationsfolie angeordnet. Dadurch ist die wirksame Dicke der insgesamt angeordneten Isolationsfolie in dem Bereich durch die zusätzliche Isolationsfolie vergrößert, so dass die Isolationswirkung in dem Isolationsabschnitt verbessert ist.-
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Es wird klargestellt, dass auch mehrere zusätzliche Isolationsfolien vorgesehen sein können, um die Isolationswirkung über den gesamten Isolationsabschnitt oder nur einen Teil des Isolationsabschnitts weiter zu erhöhen.
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Bei dem erfindungsgemäßen Batteriezellgehäuse erstreckt sich in dem Isolationsabschnitt mindestens eine der zusätzlichen Isolationsfolien über maximal 25 Prozent der Höhe des Seitenwandabschnitts. In einer weiteren bevorzugten Ausführungsform erstreckt sich mindestens eine der zusätzlichen Isolationsfolien in dem Isolationsabschnitt maximal über 20 Prozent, weiter bevorzugt maximal 15 Prozent und besonders bevorzugt maximal 10 Prozent der Höhe des Seitenwandabschnitts. Es hat sich gezeigt, dass mit einem auf die genannte Höhe des Seitenwandabschnitts begrenzten Isolationsabschnitt das eingangs angesprochene Problem der „Cold Spots“ bereits weitestgehend beseitigt werden kann, um die Performance einer in dem Batteriezellengehäuse angeordneten Batteriezelle deutlich zu verbessern, insbesondere bei Schnellladevorgängen.
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In einer weiteren praktischen Ausführungsform eines erfindungsgemäßen Batteriezellgehäuses weist die Isolationsfolie in einem an den Bodenabschnitt angrenzenden unteren Folienabschnitt eine größere Materialstärke auf als in mindestens einem sich oberseitig anschließenden mittleren und/oder oberen Folienabschnitt. In diesem Fall ist die Isolationsfolie herstellungstechnisch durch die über die Höhe der Folie variierende Materialstärke so optimiert, dass die Anordnung der Folie auf gleiche Art und Weise und ohne zusätzlichen Montageaufwand erfolgen kann gemäß dem Stand der Technik, wobei aufgrund der variierenden Materialstärke dennoch die Vorteile der Erfindung erzielt werden.
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Wenn die Materialstärke der Isolationsfolie von einem unteren Folienabschnitt aus über die Höhe betrachtet mit einer kontinuierlich oder stufenförmig abnehmenden Materialstärke ausgebildet ist, kann mittels der Isolationsfolie eine über einen Großteil oder auch die gesamte Höhe des Batteriezellengehäuses temperaturoptimierte Gestaltung erzielt werden, so dass sich während des Betriebes einer Batteriezelle eine über die Höhe des Batteriezellgehäuses weitestgehend konstante Temperatur einstellt. Bevorzugt ist eine Gestaltung mit 2 bis 10 Stufen, insbesondere 3 bis 10 Stufen oder 3 bis 5 Stufen.
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Wie bereits erwähnt, können bei erfindungsgemäßen Batteriezellgehäusen auch zwei oder mehr Isolationsfolien mehrlagig übereinander angeordnet sein, um durch die Zahl der Lagen der Isolationsfolien die wirksame Dicke der Isolationsfolie zu variieren. Diese Ausführungsform hat den Vorteil, dass mit einfachen und kostengünstigen Folien, die jeweils eine konstante Materialstärke aufweisen, die Vorteile der Erfindung realisiert werden können.
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Hinsichtlich der Montage eines erfindungsgemäßen Batteriezellgehäuses ist es vorteilhaft, wenn die mindestens eine Isolationsfolie unmittelbar an der Innen-Umfangswand anliegend angeordnet ist und/oder sich die mindestens eine Isolationsfolie vollständig über den Umfang des Seitenwandabschnitts erstreckt. Vorzugsweise erstreckt sich jede der Isolationsfolien vollständig über den Umfang des Seitenwandabschnitts des Batteriezellgehäuses, so dass die Isolationswirkung in alle Richtungen des Batteriezellgehäuses jeweils gleich groß ist. Wenn zumindest eine Isolationsfolie unmittelbar an der Innen-Umfangswand anliegend angeordnet ist, kann diese unmittelbar nach der Herstellung des Batteriezellgehäuses montiert werden, bevor ein Batteriezellstapel in das Batteriegehäuse eingesetzt wird. Dies ermöglicht es, die korrekte Installation der Isolationsfolie vor dem Einsetzen des Batteriezellstapels zu überprüfen und so eine hohe Montagequalität sicherzustellen.
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In Kraftfahrzeugen kommen meist Batteriezellgehäuse mit einem Grundkörper zum Einsatz, der eine prismatische oder zylindrische Grundform aufweist. Daher sind diese Formen von Grundkörpern für die Realisierung der Erfindung bevorzugt.
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Die Erfindung betrifft auch die Anordnung einer Batteriezelle mit einem Batteriezellstapel in einem wie vorstehend beschriebenen Batteriezellgehäuse, insbesondere eine solche Anordnung mit einem Batteriezellstapel, der mit zumindest einer Isolationsfolie umwickelt ist. In diesem Fall kann die Isolationsfolie nicht nur die bereits beschriebene Isolationswirkung zur Vermeidung von „Cold Spots“ erzielen, sondern erleichtert auch das Einführen des Batteriezellstapels, weil dieser mittels der Isolationsfolie eine glattflächige und/oder eine niedrige Reibung aufweisende Umhüllung erzielt. Die Isolationsfolie dient in diesem Fall auch als Einführhilfe für die Montage des Batteriezellstapels in das Batteriegehäuse. Der Isolationsabschnitt kann in diesem Fall auch ausschließlich durch das Einführen des Batteriezellstapels mit umwickelter Isolationsfolie gebildet sein, d.h. es ist nicht zwingend erforderlich, dass vor dem Einführen des Batteriezellstapels bereits eine (zusätzliche) Isolationsfolie an der Innen-Umfangswand angeordnet ist. Das erfindungsgemäße Batteriezellgehäuse kann in dieser Ausführungsform dementsprechend erst durch die Montage des mit Isolationsfolie umwickelten Batteriezellstapels erfolgen. In diesem Fall muss jedoch die Umwicklung so ausgebildet sein, dass durch die Montage ein Isolationsabschnitt im Sinne der Erfindung im unteren Behälterabschnitt entsteht.
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Wie eingangs bereits erwähnt, wurde die Erfindung insbesondere für aktiv gekühlte Batteriezellgehäuse gemacht. Es wird insoweit auch auf eine erfindungsgemäße Anordnung verwiesen, gemäß welcher im Bereich des Bodenabschnitts und/oder im Bereich eines Deckelabschnitts des Grundkörpers des Batteriezellgehäuses eine Kühlplatte angeordnet ist.
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Der Vollständigkeit halber wird noch darauf verwiesen, dass ein Bodenabschnitt eines erfindungsgemäßen Batteriezellgehäuses nicht zwingend im Montagezustand nach unten orientiert angeordnet sein muss. In vielen Anwendungsfällen ist dies zwar erfüllt. Die Erfindung erstreckt sich jedoch auch auf andere Montagevarianten, bei welchen der Bodenabschnitt in eine beliebige andere Richtung orientiert ist. Es wird insoweit darauf verwiesen, dass als Bodenabschnitt im Sinne der Erfindung, insbesondere in Verbindung mit aktiver Kühlung eines Batteriezellgehäuses mittels einer Kühlplatte oder einer anderen Kühleinrichtung, diejenige Seite des Batteriezellgehäuses vorgesehen sein soll, welche an die Kühlplatte bzw. Kühleinrichtung angrenzend angeordnet ist. Sofern mehrere Kühleinrichtungen vorgesehen sind, z.B. eine wie eingangs erläuterte beidseitige Kühlung, können auch zwei Bodenabschnitte vorgesehen sein, um die jeweils von der Kühlplatte bzw. Kühleinrichtung ausgehenden Cold Spots zu vermeiden.
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Weitere praktische Ausführungsformen der Erfindung sind nachfolgend im Zusammenhang mit den Zeichnungen beschrieben. Es zeigen:
- 1 eine Längsschnittdarstellung einer ersten Ausführungsform eines erfindungsgemäßen Batteriezellgehäuses mit einer zusätzlichen Isolationsfolie in dem Isolationsabschnitt,
- 2 eine Längsschnittdarstellung einer Ausführungsform eines Batteriezellgehäuses mit einer Isolationsfolie, deren Materialstärke über die Höhe des Batteriezellgehäuses ausgehend vom Bodenabschnitt kontinuierlich abnimmt,
- 3 eine schematische Darstellung der Auslegung der Foliendicke einer Ausführungsform eines Batteriezellgehäuses, die als Funktion der Höhe des Batteriezellgehäuses ausgelegt ist und
- 4 eine Längsschnittdarstellung einer Ausführungsform eines erfindungsgemäßen Batteriezellgehäuses mit einer beidseitigen Kühlung an einem Bodenabschnitt und an einem Deckelabschnitt.
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1 zeigt eine Längsschnittdarstellung eines quaderförmigen Batteriezellgehäuses 10. Das Batteriezellgehäuse 10 weist einen Grundkörper 12 auf, der einen Bodenabschnitt 14 und vier, sich von dem Bodenabschnitt 14 nach oben erstreckende Seitenwandabschnitte 16 aufweist, wobei in 1 nur zwei, sich gegenüberliegende Seitenwandabschnitte 16 erkennbar sind. Innenseitig der Seitenwandabschnitte 16 ist an der jeweiligen Innen-Umfangswand 18 eine sich von dem Bodenabschnitt 14 in Hochrichtung nach oben erstreckende Isolationsfolie 20 angeordnet.
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Wie in 1 erkennbar ist, sind in dem in 1 gezeigten Ausführungsbeispiel in einem als Isolationsabschnitt 22 bezeichneten unteren Behälterabschnitt jeweils zwei Isolationsfolien 20 so angeordnet, dass sich im Vergleich zu mindestens dem sich weiter oberseitig angeordneten Behälterabschnitt eine verbesserte Isolationswirkung ergibt.
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Abgesehen von einem - sich nur über eine geringe Höhe erstreckenden - Elektrolyt-Sammelraum 24, mittels welchem ein kleiner Abstand zwischen einem in das Batteriezellgehäuse 10 eingesetzten Batteriezellstapel 26 und dem Bodenabschnitt 14 hergestellt ist, schließt sich der Isolationsabschnitt 22 unmittelbar an den Bodenabschnitt 14 an.
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In einer alternativen, nicht dargestellten Ausführungsform kann sich der Isolationsabschnitt 22 auch unmittelbar an den Bodenabschnitt 14 anschließen.
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In einer anderen alternativen, nicht dargestellten Ausführungsform erstrecken sich über 3-10 Höhenabschnitte des Batteriezellgehäuses 10 eine sich zumindest teilweise unterscheidende Zahl von Isolationsfolien 20, beispielsweise in einem unteren Abschnitt drei Isolationsfolien 20, in einem sich darüber anschließenden Abschnitt zwei Isolationsfolien 20 übereinander und in einem weiteren, sich darüber anschließenden Abschnitt nur eine Isolationsfolie 20. In diesem Fall ergibt sich eine treppenförmige Abstufung der Isolationsfolien 20 von unten nach oben.
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Der Isolationsabschnitt 22 erstreckt sich in dem Ausführungsbeispiel gemäß 1 nur über eine Höhe von ca. 10-15 Prozent der Gesamthöhe H des Batteriezellgehäuses 10.
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In dem gezeigten Ausführungsbeispiel ist das Batteriezellgehäuse 10 gebildet durch einen rohrförmigen Grundkörper 12, ein Bodenelement 28 und ein Deckelelement 30, die zu einem geschlossenen Gebilde miteinander verbunden sind. Es wird jedoch darauf verwiesen, dass die Erfindung von der Detailgestaltung des Batteriezellgehäuses 10 unabhängig ist. Insbesondere können der Grundkörper 12 und das Bodenelement 28 auch einstückig ausgebildet sein, wenn es sich um ein zwei- statt dreiteiliges Batteriezellgehäuse 10 handelt.
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Oberseitig des Deckelelements 30 ist ein nur schematisch dargestelltes Terminal 32 angeordnet, das zwei nicht dargestellte Pole umfasst. Weitere, optionale Elemente, wie beispielsweise eine Berstmembran, sind nicht dargestellt.
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Der Bodenabschnitt 14 ist unmittelbar anliegend an einer Kühlplatte 34 angeordnet, mittels welcher bedarfsweise eine aktive Kühlung des Batteriezellstapels 26 erfolgen kann.
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Die verwendeten Materialstärken der Isolationsfolien 20 sind in dem gezeigten Ausführungsbeispiel der 1 jeweils gleich groß, so dass die Erfindung mit nur einem Typ von Isolationsfolie realisiert ist. Dies macht die Erfindung einfach und kostengünstig realisierbar.
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In den 2 und 3 sind weitere Ausführungsbeispiele gezeigt, wobei für identische oder zumindest funktionsgleiche Elemente jeweils die gleichen Bezugszeichen verwendet wurden. Soweit nicht anders beschrieben oder dargestellt, gilt das Vorstehende entsprechend auch für diese Ausführungsformen.
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Die Ausführungsform gemäß 2 unterscheidet sich von der Ausführungsform gemäß 1 dadurch, dass nur eine Isolationsfolie 20 an den jeweiligen Innen-Umfangswänden 18 angeordnet ist. Diese Isolationsfolie 20 weist eine über die Höhe H des Batteriezellgehäuses 10 variierende Materialstärke auf. In der gezeigten Ausführungsform nimmt die Materialstärke von dem Bodenabschnitt 14 bis zu einem - hier ebenfalls durch ein Deckelelement 30 gebildeten - Deckelabschnitt 36 kontinuierlich ab.
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Die Ausführungsform gemäß 3 ist nur schematisch dargestellt. Hier wurde zunächst in einem ersten Verfahrensschritt ein Temperaturverlauf T (x-Achse) der Zelltemperatur über die Höhe h (y-Achse) in einem Batteriezellgehäuse 10 mit einer Isolationsfolie 20 mit konstanter Materialstärke d erstellt (linkes Diagramm von 3). Damit ist der Temperaturverlauf gemeint, welcher sich innerhalb des Batteriezellgehäuses 10 ergibt, wenn die maximale Temperatur in einem Bereich des Batteriezellgehäuses 10 erreicht ist. Ausgehend von diesem Temperaturverlauf wurde als Umkehrfunktion die Dicke d der Materialstärke der (wirksamen) Isolationsfolie 20 über die Höhe h angepasst. Dieser Verlauf ist im rechten Diagramm von 3 dargestellt. Dabei wurde davon ausgegangen, dass mit der jeweils angepassten wirksamen Dicke d der Isolationsfolie 20 ein annähernd konstanter Temperaturverlauf T über die Höhe h erzielbar ist. Dies ist vorteilhaft für eine Verlangsamung des Alterungsprozesses einer Batteriezelle.
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Alternativ zu diesem Verfahren kann auch iterativ und/oder durch Simulationsrechnungen ein Detailverlauf für die wirksame Dicke d der Isolationsfolie 20 ermittelt werden, damit bei maximaler Erwärmung des Batteriezellgehäuses 10 eine definierte Abweichung der Temperatur T über die Höhe h nicht überschritten wird, beispielsweise eine Abweichung von maximal 5 Prozent, 10 Prozent, 15 Prozent oder 20 Prozent.
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Für die praktische Umsetzung eignet sich insbesondere eine Approximation über 3 bis 10 Stufen. Dabei können die Stufen insbesondere durch die Anordnung mehrerer Isolationsfolien 20 übereinander und/oder durch die herstellungstechnische Anpassung der Dicke der Materialstärke über die Höhe gebildet sein.
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4 zeigt eine Längsschnittdarstellung einer dritten Ausführungsform eines erfindungsgemäßen Batteriezellgehäuses 10. Das Batteriezellgehäuse 10 weist im Wesentlichen die gleiche geometrische Gestaltung wie die Ausführungsform in 1 auf. Für identische oder zumindest funktionsgleiche Elemente wurden insoweit die gleichen Bezugszeichen verwendet.
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Im Unterschied zu der Ausführungsform aus 1 ist unmittelbar an das Deckelelement 30 bzw. den Deckelabschnitt 36 angrenzend als weitere Kühlvorrichtung eine weitere Kühlplatte 34 angeordnet, so dass eine beidseitige Kühlung sowohl an einem Bodenabschnitt 14 als auch an dem Deckelabschnitt 36 realisiert ist. Über die gesamte Höhe des Batteriezellstapels 26 erstreckt sich eine Isolationsfolie 20. Zusätzliche Isolationsfolien 20 sind in den jeweils an die Kühlplatte 34 angrenzenden Bereichen der Seitenwandabschnitte 16 angeordnet. Dadurch ergibt sich in den, den Kühlplatten 34 zugewandten Seitenwandabschnitten 16 eine bessere Isolationswirkung als in den weiter entfernten Bereichen, in welchen sich nur eine Isolationsfolie 20 befindet.
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Der Vollständigkeit halber wird darauf hingewiesen, dass ein oder mehrere der in den 1 und 2 gezeigten Terminals 32, welche in diesen Figuren jeweils an dem Deckelabschnitt 36 angeordnet sind, bei der in 4 gezeigten Ausführungsform entweder in einer Ebene vor oder hinter den Kühlplatten 34 angeordnet sein können oder alternativ an den Seitenwandabschnitten 16, wenn ein sogenanntes „Side-Terminal-Design“ realisiert ist. Keine dieser Varianten ist in 4 dargestellt.
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Die in der vorliegenden Beschreibung, in den Zeichnungen sowie in den Ansprüchen offenbarten Merkmale der Erfindung können sowohl einzeln als auch in beliebigen Kombinationen für die Verwirklichung der Erfindung in ihren verschiedenen Ausführungsformen wesentlich sein. Die Erfindung kann im Rahmen der Ansprüche und unter Berücksichtigung der Kenntnisse des zuständigen Fachmanns variiert werden.
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In den Figuren nicht dargestellt sind Ausführungsformen, bei welchen die Materialstärke der Isolationsfolie 20 über die gesamte Höhe des Batteriezellgehäuses 10 zwar gleich groß ist, jedoch die erhöhte Isolationswirkung in dem Isolationsabschnitt durch die Auswahl bzw. Auslegung des Materials der Isolationsfolie 20 erzielt wird.
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Ferner wird insbesondere darauf hingewiesen, dass die Erfindung in der Figurenbeschreibung anhand gestapelter Elektrodenanordnungen mit Zellstapeln beschrieben ist. Dies ist zwar eine in der Praxis bevorzugte Zellanordnung, die Erfindung ist jedoch in Verbindung mit Batteriezellen mit anderen Elektrodentypen anwendbar, insbesondere in Verbindung mit gewickelten Elektroden (nicht dargestellt).
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Bezugszeichenliste
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- 10
- Batteriezellgehäuse
- 12
- Grundkörper
- 14
- Bodenabschnitt
- 16
- Seitenwandabschnitt
- 18
- Innen-Umfangswand
- 20
- Isolationsfolie
- 22
- Isolationsabschnitt
- 24
- Elektrolyt-Sammelraum
- 26
- Batteriezellstapel
- 28
- Bodenelement
- 30
- Deckelelement
- 32
- Terminal
- 34
- Kühlplatte
- 36
- Deckelabschnitt
- d
- Dicke der Isolationsfolie / Materialstärke
- h
- Höhe
- T
- Temperatur(verlauf)
