DE102022208964A1

DE102022208964A1 - Prozessanordnung mit einer Batteriezelle sowie Verfahren zur Fertigung einer solchen Prozessanordnung

Info

Publication number: DE102022208964A1
Application number: DE102022208964.2A
Authority: DE
Inventors: Kartik Jamadar
Original assignee: Volkswagen AG
Current assignee: Volkswagen AG
Priority date: 2022-08-30
Filing date: 2022-08-30
Publication date: 2024-02-29

Abstract

Die Erfindung betrifft eine Prozessanordnung mit einer Batteriezelle mit einem Elektroden-/Separatorstapel (1), in dem Anoden (A), Separatoren (S) und Kathoden (K) übereinander gestapelt sind, wobei jede Anode (A) über eine Anoden-Ableiterfahne (5) mit einem Anoden-Zellableiter (9) verbunden ist und jede Kathode (K) über eine Kathoden-Ableiterfahne (7) mit einem Kathoden-Zellableiter (11) verbunden ist, wobei die Batteriezelle mit ihrem Kathoden-Zellableiter (11) und mit ihrem Anoden-Zellableiter (9) in einen Lade-/Entladestromkreis (13) schaltbar ist zur Durchführung eines Lade-/Entladevorgangs, und wobei der Elektroden-/Separatorstapel (1) in Stapelrichtung unterteilbar ist in übereinander gestapelte Elektrodenpaare (E1 bis E5), von denen jedes Elektrodenpaar (E1 bis E5) aus einer Anode (A), einer benachbarten Kathode (K) und einem zwischengeordneten Separator (S) besteht. Erfindungsgemäß ist die Prozessanordnung einen Balancing-Regelkreis aufweist, in dem eine Steuereinheit (25) eingebunden, die eine Ist-Spannung (U1 bis U5) jedes Elektrodenpaars (E1 bis E5) während des Lade-/Entladevorgangs erfasst. Mittels der Steuereinheit (25) sind die Ist-Spannungen (U1 bis U5) der Elektrodenpaare (E1 bis E5) zueinander ausgleichbar.

Description

Die Erfindung betrifft eine Prozessanordnung mit einer Batteriezelle gemäß dem Oberbegriff des Anspruches 1 und ein Verfahren zur Fertigung einer Prozessanordnung gemäß Anspruch 10.
Eine gattungsgemäße Batteriezelle weist einen Elektroden-/Separatorstapel auf, in dem Anoden, Separatoren und Kathoden übereinandergestapelt sind. Jede Anode ist über eine Anode-Ableiterfahne mit einem Anoden-Zellableiter verbunden, während jede Kathode über eine Kathoden-Ableiterfahne mit einem Kathoden-Zellableiter verbunden ist. Die Batteriezelle ist mit ihrem Kathoden-Zellableiter und mit ihrem Anoden-Zellableiter in einen Lade-/Entladestromkreis schaltbar, um einen Lade-/Entladevorgang durchzuführen. Der Elektroden-/Separatorstapel ist in der Stapelrichtung in übereinander gestapelte Elektrodenpaare unterteilbar. Jedes Elektrodenpaar besteht aus einer Anode, einer benachbarten Kathode sowie einem zwischengeordneten Separator.
In einer Batteriezelle sind die Elektrodenpaare (Anode, Kathode und zwischengeordneter Separator) parallel geschaltet. Aufgrund dieser Parallelschaltung weisen die Elektrodenpaare normalerweise im Lade-/Entladevorgang die gleiche Spannung auf, die je nach Anoden- und Kathodenchemie und SOC-Zustand zwischen 3 und 5 Volt liegt. Es ist jedoch nicht gewährleistet, dass alle Elektrodenpaare den gleichen Beitrag zur Kapazität leisten. Wenn ein Elektrodenpaar beim Entladen mehr Kapazität abgibt oder beim Laden mehr Kapazität aufnimmt, dann altert dieses Elektrodenpaar schneller als anderen Elektrodenpaare im Elektroden-/Separatorstapel. Es gibt im Stand der Technik bislang keine Möglichkeit, dies zu kontrollieren, da ein Ausgleich bzw. Balancing nicht auf Elektrodenebene erfolgt.
Wenn ein Elektrodenpaar eine höhere Entlade- oder Ladekapazität hat, verliert oder gewinnt es auch schneller an Spannung (auch wenn die Elektroden parallel geschaltet sind). Wenn das Elektrodenpaar seine Spannung unterhalb der niedrigeren Entladespannung verliert, besteht die Gefahr der Bildung von Kupferdendriten oder des Austretens von Elektrolyt durch Löcher in der Kupfersubstratfolie. Das bedeutet, dass, obwohl die Elektrodenpaare parallel geschaltet sind, die Wahrscheinlichkeit groß ist, dass einige Elektrodenpaare eine andere Spannung aufweisen als andere dazu parallel geschaltete Elektrodenpaare.
Wenn ein Elektrodenpaar während des Ladens eine höhere Kapazitätsladung erhält, besteht das Risiko, dass dieses Elektrodenpaar eine höhere Spannung als die höhere Ladespannung erhält (obwohl alle Elektroden parallel geschaltet sind). Es ist möglich, dass das Elektrodenpaar mit der hohen Spannung die höchstzulässige Spannung überschreitet. Dies kann zum Aufbrechen der Kathodenstruktur, zur Freisetzung von Wärme und Sauerstoff und schließlich zu einem thermischen Durchgehen führen.
Ein Zellbalancing kann dieses Problem nicht verhindern, da davon ausgegangen wird, dass alle Elektrodenpaare im Elektroden-/Separatorstapel der jeweiligen Batteriezelle stets die gleiche Spannung aufweisen und den gleichen Beitrag zur Kapazität leisten. Jedoch besteht die Möglichkeit, dass sich Elektrodenpaare innerhalb der Zelle im Vergleich zu anderen Elektrodenpaaren unterschiedlich verhalten. Um die Alterung der Elektrodenpaare zu verringern und zu verhindern, dass die Elektrodenpaare die niedrigste zulässige Entladespannung oder die höchste zulässige Ladespannung erreichen, ist ein Balancing bzw. Ausgleich auf der Elektrodenebene erforderlich. Dies ist bei der derzeitigen Batterietechnologie nicht möglich.
Der Strombeitrag der einzelnen Elektrodenpaare im Elektroden-/Separatorstapel der Batteriezelle ist nicht gleich. Das bedeutet, dass einige im Elektrodenpaare der jeweiligen Batteriezelle einen höheren Strombeitrag leisten und andere Elektrodenpaare einen geringeren Beitrag zur Stromabgabe (Kapazität) oder Stromaufnahme (Kapazität) leisten. Während der Entladung bewegen sich Elektronen (d.h. der elektrische Strom) zur jeweiligen Kathode und werden von den Lithiumionen aufgenommen, die mittels lonentransfer durch den Separator von der Anode kommen. Es kann nicht garantiert werden, dass der Stromfluss in jeder Kathode gleich groß ist. Während der Entladung bewegen sich Elektronen (Strom) von den Anoden zu den Kathoden, wodurch ein Strom durch die elektrische Last im Entladestromkreis fließt. Es gibt keine Möglichkeit zu garantieren, dass der Strom von jeder Anode gleich groß ist.
Die Ableiterfahnen der Elektroden werden im Stand der durch Laser- oder Ultraschallschweißen miteinander verschweißt. Bei thermischen Schweißverfahren, wie dem Laserschweißen, entsteht eine Wärmeeinflusszone, die das aktive Material in der Nähe der Schweißnaht beeinträchtigen kann. Beim thermischen Schweißen entstehen auch Oxide, die weniger leitfähig sind als das Grundmaterial, wie Kupfer für die Anode und Aluminium für die Kathode. Für das Laserschweißen von Kupfer ist außerdem eine hohe Leistung von mehr als 6 MW erforderlich.
Dies erfordert eine hohe Energie für die Herstellung von Elektroden und Zellen. Das Festkörperschweißen hat wie das Ultraschallschweißen den Nachteil, dass bei dünnen Folien Mikrorisse entstehen. Das heißt, wenn man dieses Schweißen der Elektrode vermeiden kann, dann wird die Qualität der Verbindung des Zellableiters mit der Elektrode verbessert.
Wenn die Zelle einem Testverfahren unterzogen werden soll, dann wird sie im Stand der Technik zusammen mit allen Elektroden getestet. Insofern werden Defekte in einer einzelnen Elektrode im Elektroden-/Separatorstapel der Batteriezelle nicht erkannt. Manchmal kann ein kleiner Defekt in der Elektrode zu einem Problem in der Zelle oder im Modul führen. Dieser kann im Stand der Technik nicht ermittelt werden, da kein Balancing einzelner Elektrodenpaare im Elektroden-/Separatorstapel der Batteriezelle erfolgt.
Nachfolgend sind die Nachteile eines herkömmlichen Zell-Balancing und einer Verschweißung der Ableiterfahnen des Elektroden-/Separatorstapels mit den Zellableitern dargelegt: Wenn ein Elektrodenpaar (Anode und Kathode sowie zwischengeordneter Separator) aufgrund der Alterung an Spannung verliert, wird die Spannung verringert. Das bedeutet, dass die gesamte Zellenspannung diese niedrigere Spannung aufweist. Das bedeutet, dass andere Elektrodenpaare Strom zum Elektrodenpaar mit der niedrigeren Spannung ableiten. Das heißt, es fließt Strom von einem Elektrodenpaar zu einem anderen Elektrodenpaar, um die Spannung auszugleichen. Wenn das Elektrodenpaar mit der niedrigeren Spannung eine schnellere untere Entladung erreicht hat, besteht die Gefahr der Bildung von Kupferdendriten und von Löchern im Kupfersubstrat und schließlich des Austretens von Elektrolyt. Manchmal kann ein Elektrodenpaar aufgrund der schnelleren Einlagerung von Lithium-Ionen eine höhere Kapazität haben. Dieses Elektrodenpaar hat eine höhere Spannung als andere Elektrodenpaare. Dieses Elektrodenpaar leitet nicht nur Strom an die Last, sondern auch an das andere Elektrodenpaar mit niedriger Spannung. Das bedeutet, dass es immer zu einer Selbstentladung vom Elektrodenpaar mit höherer Spannung zum Elektrodenpaar mit niedrigerer Spannung kommt. Wenn ein Elektrodenpaar während des Ladevorgangs eine Spannung erreicht, die über der zulässigen höheren Spannung liegt, da sie die Kapazität schneller erhöhen kann, besteht das Problem, dass die Kathodenstruktur kollabiert und anschließend Sauerstoff durch exotherme Reaktion freigesetzt wird. Dies erhöht die Gefahr eines thermischen Durchgehens für dieses bestimmte Elektrodenpaar. Das thermische Schweißen (Laserschweißen) von Ableiterfahnen führt zu einer Oxidbildung mit verringerter Leitfähigkeit und Wärmeeinflusszone. Festkörperschweißen, wie Ultraschallschweißen, verursacht Mikrorisse und auch schlechtere Schweißeigenschaften, wenn sich auf der Ableiterfahnen-Oberfläche eine Fett- oder Oxidschicht befindet.
Aus der US 2015 0145 482 A1 ist eine Lithium-Ionen-Batterie mit einer Vielzahl von parallel zueinander ausgerichteten Lithium-Ionen-Zellen bekannt.
Die Aufgabe der Erfindung besteht darin, eine Prozessanordnung beziehungsweise eine Batteriezelle bereitzustellen, in der im Lade-/Entladevorgang die Stromflüsse durch die Elektrodenpaare innerhalb der Batteriezelle zueinander ausgleichbar sind.
Die Aufgabe ist durch die Merkmale des Anspruches 1 oder 10 gelöst. Bevorzugte Weiterbildungen der Erfindung sind in den Unteransprüchen offenbart.
Die Erfindung geht von einer Prozessanordnung beziehungsweise einer Batteriezelle, insbesondere Lithium-Ionen-Batteriezelle, mit einem Elektroden-/Separatorstapel aus. Im Elektroden-/Separatorstapel sind Anoden, Separatoren und Kathoden übereinandergestapelt. Jede Anode ist über eine Anoden-Ableiterfahne mit einem Anoden-Zellableiter verbunden, während jede Kathode über eine Kathoden-Ableiterfahne mit einem Kathoden-Zellableiter verbunden ist. Die Batteriezelle ist mit ihrem Kathoden-Zellableiter und mit ihrem Anoden-Zellableiter in einen Lade-/Entladestromkreis schaltbar, um einen Lade-/Entladevorgang durchzuführen. Der Elektroden-/Separatorstapel kann in der Stapelrichtung in übereinander gestapelte Elektrodenpaare unterteilt werden. Jedes Elektrodenpaar besteht aus einer Anode, einer benachbarten Kathode sowie einem zwischengeordneten Separator. Gemäß dem kennzeichnenden Teil des Anspruches 1 weist die Prozessanordnung beziehungsweise die Batteriezelle einen Balancing-Regelkreis auf. Im Balancing-Regelkreis ist eine Steuereinheit eingebunden, die eine Ist-Spannung jedes Elektrodenpaars während des Lade-/Entladevorgangs erfasst. Mit Hilfe der Steuereinheit können die Ist-Spannungen der Elektrodenpaare zueinander ausgeglichen werden. Hierzu kann jedem Elektrodenpaar ein von der Steuereinheit ansteuerbarer Aktor zugeordnet sein. Bei einer Abweichung der Ist-Spannung in zumindest einem der Elektrodenpaare von einem Soll-Spannungswert kann die Steuereinheit über den Aktor den Lade-/Entlade-Stromfluß durch das Elektrodenpaar einstellen, das heißt erhöhen beziehungswiese Reduzieren. Auf diese Weise kann die Ist-Spannung des betreffenden Elektrodenpaars auf den Soll-Spannungswert geregelt werden.
Bei der vorliegenden Idee sind die Ableiterfahnen der Elektroden im Vergleich zum Stand der Technik unterschiedlich verbunden. Dadurch wird es ermöglicht, die Spannung in jedem Elektrodenpaar zu messen und den Stromfluss (und indirekt auch die aufgebaute Spannung) in jedem Elektrodenpaar individuell zu steuern. Die einzelnen Ableiterfahnen werden nicht zusammengeschweißt. Stattdessen sind sie in Aufnahmenuten geführt und mit Zellableiter-Kontaktelementen geklemmt. Das bedeutet, dass jede einzelne Ableiterfahne unabhängig von den anderen Ableiterfahnen ist. Die Spannung wird in jedem Elektrodenpaar gemessen. Hierzu sind zwei Spannungs-Messkontakte in elektrischer Verbindung mit jeder der Elektroden. Der eine Spannungs-Messkontakt befindet sich oberhalb und der andere Spannungs-Messkontakt befindet sich unterhalb der Ableiterfahne. Die Spannungs-Messkontakte können sich sowohl an der Kathodenseite als auch an der Anodenseite befinden. Die Spannungs-Messkontakte sind mit einem Spannungsmessgerät verbunden, um die Ist-Spannung in jedem Elektrodenpaar zu erfassen.
Durch verschiedene Mechanismen, die später erläutert sind, kann der Kontakt zwischen dem Zellableiter und der jeweiligen Ableiterfahne unterbrochen werden. Auf diese Weise wird das zugeordnete Elektrodenpaar vom Lade-Entladestromkreis zumindest teilweise entkoppelt. In der Steuereinheit werden die erfassten Ist-Spannungen der Elektrodenpaare miteinander verglichen. Mit Hilfe der Steuereinheit wird auf dieser Grundlage ein Balancing durchgeführt, bei dem die gleiche Spannung für alle Elektrodenpaare in der Batteriezelle erreicht werden, indem es entweder den Strom durch die Elektrodenpaare gezielt reduziert oder erhöht. Die Einstellung des Stroms durch die Elektrodenpaare erfolgt beispielhaft mit Hilfe einer mechanischen Feder. Alternativ dazu kann in beliebig anderer Weise der Strom durch die Elektrodenpaare geändert werden. Beispielsweise kann ein Batteriemanagementsystem (BMS) auf der Grundlage von Spannungseingangsdaten den Stromfluss zu jedem Elektrodenpaar steuern. Es gibt viele verschiedene Möglichkeiten, den Stromfluss zwischen dem Zellableiter-Kontaktelement und der Ableiterfahne der jeweiligen Elektrode zu ändern.
Erfindungsgemäß besteht keine Notwendigkeit, die Ableiterfahnen zu verschweißen, wie es der Stand der Technik der Fall ist. Die Elektroden-Ableiterfahne werden erfindungsgemäß vielmehr durch mechanische Kraft mit dem zugeordneten Zellableiter-Kontaktelement verbunden und durch mechanische Federn gehalten. Durch die Steuerung des Kontakts zwischen dem Zellableiter-Kontaktelement und dem Elektroden-Ableiterfahne kann der Stromfluss zu diesem bestimmten Elektrodenpaar gesteuert werden.
Die beiden Zellableiter der Batteriezelle erhitzen beim schnellen Laden und Entladen. Von daher können die Zellableiter durch einen Wassermantel oder durch Luftkühlung gekühlt werden.
Erfindungsgemäß kann jede Ableiterfahne in die Aufnahmenuten bzw. -schlitze im Zellableiter eingesetzt werden. Im Zellableiter können zudem die Spannungs-Messkontakte (oben und unten) zum Messen der Spannung und ein Zellableiter-Kontaktelement vorhanden sein. Das Zellableiter-Kontaktelement wird durch eine Feder von oben auf die Ableiterfahne gedrückt, die wiederum auf einer Gegenhalterplatte aufliegt. Die Feder kann von einem Aktor der Steuereinheit angesteuert werden Sobald die Spannung im Elektrodenpaar höher ist als die der anderen Elektrodenpaare, wird die von der Feder ausgeübte Federkraft mit Hilfe des Aktors reduziert. Auf diese Weise wird ein Kontakt des Zellableiter-Kontaktelements nicht der Ableiterfahne gelöst und der Stromfluss durch diese Elektrodenpaar unterbrochen. Der Zweck der Spannungs-Messkontakte ist es, die Ableiterfahne von oben und von unten zu kontaktieren. Das bedeutet, dass der Spannungs-Messkontakt oben eine negative Spannung und der Spannungs-Messkontakt unten eine positive Spannung abgibt. Die Differenz zwischen den beiden Spannungen ist die Spannung zwischen der Anode auf der Oberseite und der Kathode auf der Unterseite. Das Gleiche gilt für die Spannung zwischen der Anode unten und der Kathode oben. Sobald der Spannungsunterschied zwischen der Oberseite der Anodenoberfläche und der Unterseite der entsprechenden Kathode berechnet ist, vergleicht die Steuereinheit das Spannungsergebnis mit dem Durchschnitt der Spannung jedes Elektrodenpaars. Wenn die Spannung höher ist als die Durchschnittsspannung, gibt die Steuereinheit ein Signal an den Aktor, der die Federn drückt oder freigibt. Dadurch wird die leitende Platte in Richtung Ableiterfahne gedrückt oder freigegeben. Dadurch wird der Strom, der von dem Zellableiter-Kontaktelement zur Ableiterfahne fließt, verringert oder erhöht. Auf diese Weise werden alle Elektrodenpaare auf dieselbe Spannung gebracht.
Es gibt verschiedene Mechanismen zur Steuerung des Stromflusses zwischen dem Zellableiter-Kontaktelement und der Ableiterfahne. Die Steuerung kann beispielhaft mechanisch erfolgen, etwa mit einer Feder oder einem verschiebbaren Stellelement. Alternativ dazu kann auch eine elektrische Methode des Spannungsausgleichs verwendet werden. Dies geschieht zum Beispiel durch die Aktivierung von Schaltern, die den Strom zu parallelen Widerständen umleiten. Es ist auch möglich, den Widerstand der Leiterplatte zu erhöhen oder zu verringern, indem das Zellableiter-Kontaktelement erwärmt oder ihre Länge erhöht wird. Auf diese Weise wird auch der Strom zwischen dem stromführenden Zellableiter-Kontaktelement und der Ableiterfahne verringert oder erhöht. Der Zellableiter ist wasser- oder luftgekühlt, um eine konstante Temperatur zu erhalten. Auf diese Weise hat jedes Zellableiter-Kontaktelement den gleichen Widerstand.
In einer ersten Option kann der Stromfluss zwischen dem Zellableiter-Kontaktelement und der Ableiterfahne mit Hilfe eines Aktors gesteuert werden, der mit der oben erwähnten Feder zusammenwirkt. Dabei ist jede der Ableiterfahnen des Elektroden-/Separatorstapels mit einem Zellableiter-Kontaktelement verbunden. Jedes Zellableiter-Kontaktelement ist unabhängig von einer anderen Zellableiter-Kontaktelementen. Das Zellableiter-Kontaktelement wird durch die Feder betätigt, die durch eine mechanische Kraft gelöst oder gedrückt wird. Diese Kraft wird vom Aktor aktiviert, er wiederum von der Steuereinheit angesteuert wird. Der Die Steuereinheit reagiert auf eine Spannungsdifferenz, die mit dem Spannungsmessgerät gemessen wird. Der Aktor kann sich außerhalb des Zellableiters befinden.
In einer zweiten Option kann mit Hilfe des Aktors ein Stellelement verschoben werden. In diesem Fall wird keine Feder zum Drücken oder Lösen des Kontakts benötigt. Hier wird der Stellelement durch die Aktor-Betätigung zwischen einer elektrisch leitenden Stellung und einer elektrisch nicht leitenden Stellung verschoben. In der elektrisch leitenden Stellung ist das Zellableiter-Kontaktelement über das Stellelement mit der Ableiterfahne verbunden. In der elektrisch nicht leitenden Stellung ist das Zellableiter-Kontaktelement außer Kontakt mit der Ableiterfahne.
In einer dritten Option kann ein rotierendes Stellelement verwendet werden. Hier hat der Stellelement eine halb leitende und eine halb isolierende Oberfläche. Der Aktuator dreht das Stellelement. Sobald die leitende Oberfläche des Stellelements und das Zellableiter-Kontaktelement in Kontakt sind, wird Strom übertragen. Wenn die isolierende Oberfläche des Stellelements in Kontakt mit dem Zellableiter-Kontaktelement ist, wird kein Strom übertragen. Auf diese Weise findet ein Gleichgewicht statt. Das rotierende Stellelement ist im Vergleich zu den anderen Optionen kompakter und benötigt weniger Platz als das gleitende Stellelement.
Zudem besteht ein Aspekt der Erfindung darin, wie die Ableiterfahnen mit dem Zellableiter verbindbar sind. Dies kann in zwei Prozessen erfolgen. Im ersten Prozess kann jede Ableiterfahne in den Zellableiter eingesetzt werden. Dies ist jedoch schwierig, da sich die Ableiterfahne beim Einsetzen in die den Zellableiter verbiegen kann. Im zweiten Prozess können die Kontaktteile des Zellableiters im Sockelbereich platziert werden. Sobald die Stapelung abgeschlossen ist, werden alle Kontaktbereiche zusammengeschraubt. In diesem Fall werden die Kontaktteile des Zellableiters während des Stapelns auf die jeweilige Ableiterfahne gelegt.
Normalerweise werden die Ableiterfahnen der Elektroden (beim derzeitigen Stand der Technik) durch Laser- oder Ultraschallschweißen mit einer Metalllasche verbunden. Auf der Anodenseite wird eine Lasche aus einer Nickel-Kupfer-Legierung verwendet. Auf der Kathodenseite wird eine Aluminiumlasche verwendet. Erfindungsgemäß besteht jedoch keine Notwendigkeit für den Einsatz solcher Laschen, da die Ableiterfahnen der Elektroden direkt mit dem Zellableiter-Kontaktelement, den Spannungs-Messkontakten und anderen Teilen des Zellableiters verbindbar sind.
Nachfolgend sind die wesentlichen Unterschiede der Erfindung gegenüber dem Stand der Technik nochmals dargelegt: Die Ableiterfahne sind nicht geschweißt, wie es dem Stand der Technik entspricht. Jede Elektrode wird in einen separaten Schlitz bzw. einer Aufnahmenut des Zellableiters eingesetzt. Die Spannung jedes Elektrodenpaares wird gemessen. Diese Spannung wird mit einem Spannungsmessgerät gemessen und dann entsprechende Spannungssignale der Steuereinheit zugeführt. Die Steuereinheit aktiviert die Aktoren, die den Kontakt zwischen dem Zellableiter-Kontaktelement und der Ableiterfahne einstellen. Auf diese Weise wird der Strom angepasst und somit die Spannung und Kapazität gesteuert.
Der Zellableiter befindet sich auf der Kathoden- und der Anodenseite. Von jedem Elektrodenpaar werden über Signalleitungen Spannungssignale zum Spannungsmessgerät geleitet. Die von der Steuereinheit ansteuerbaren Aktoren können sich bevorzugt außerhalb der Zellableiter befinden. Auf diese Weise funktionieren die Aktoren unabhängig von den Zellableitern. Die Zellableiter sind bevorzugt wasser- oder luftgekühlt, um im Zellbetrieb einen konstanten Widerstand aufrechtzuerhalten. Erfindungsgemäß wird jedes Elektrodenpaar wird ausgeglichen bzw. ausbalanciert. Das bedeutet, dass jedes Elektrodenpaar die gleiche Spannung aufweist, was zu einer konstanteren Zellspannung mit der Zeit führt. Es fließt kein Strom vom Elektrodenpaar mit der höheren Spannung zum Elektrodenpaar mit der niedrigeren Spannung. Jede Zelle ist dabei in mehrere Elektrodenpaaren unterteilt, die jeweils Unterzellen bilden.
Die erfindungsgemäße Prozessanordnung ist insbesondere geeignet für Zell- oder Modultests, bei denen ein Ausfall der Spannung an jedem Elektrodenpaar ausgeglichen werden kann. Im tatsächlichen Batteriebetrieb ist es dagegen schwierig, da das BMS viele Spannungsdaten handhaben muss (2 Spannungsdaten pro Elektrode), die schnell analysiert und beantwortet werden müssen. Sobald die Zelle mit der erfindungsgemäßen Prozessanordnung getestet worden ist, können vorteilhaft die Aktoren von der Batteriezelle entfernt werden. Auf diese Weise kann im folgenden Zellen-Betrieb nach wie vor die Spannung der Elektrodenpaare gemessen werden, jedoch aufgrund der fehlenden Aktoren kein Elektrodenausgleich mehr durchgeführt werden. Falls sich ein Elektrodenpaar unregelmäßig verhalten, kann das BMS Maßnahmen ergreifen, um die betreffende Zelle zu verwerfen. Das bedeutet, dass die individuelle Spannung jedes Elektrodenpaars stets auch für die Sicherheit und die Lebensdauer nützlich ist.
Nachfolgend sind die Vorteile der Erfindung zusammengefasst. So erfolgt ein Balancing der Batteriezelle auf Elektrodenebene. Das bedeutet, dass alle Elektroden in der Batteriezelle den gleichen Beitrag zum SOC und zur Kapazität leisten. Das Elektroden-Balancing kann ohne externe Widerstände und Kondensatoren erreicht werden. Es wird keine Energie verschwendet wie beim passiven Abgleich mit Widerständen. Nicht nur die Zelle, sondern auch alle Elektroden, werden automatisch in Bezug auf ihren SOC und ihre Lade-/Entladekapazität überwacht und gesteuert. Es ergibt sich eine geringere Alterung der Zelle und damit eine hohe Lebensdauer der Zelle. Während eines Zell- und Modultests wird das Verhalten der Zelle und des Moduls in Bezug auf das Verhalten jeder einzelnen Elektrode getestet. Jeder Ausfall einer Elektrode wird bei diesem Test berücksichtigt. Die Zellableiter sind erfindungsgemäß nicht mit den Ableiterfahnen verschweißt, sondern vielmehr mechanisch gefügt. Damit können Schweißfehler aufgrund einer Wärmeeinflusszone und aufgrund einer Metalloxid-Bildung vermieden werden. Die Spannung jedes einzelnen Elektrodenpaares ist jederzeit überwachbar und steuerbar. Dies hilft dem BMS, einige Zellen auszusondern, wenn eine Elektrode in der Zelle eine unregelmäßige Leistung aufweist. Es besteht kein Problem, dass einige Elektroden die niedrigste Spannung erreichen. Es besteht zudem kein Problem, dass einige Elektroden eine höhere Grenzspannung erreichen. Dadurch wird das Sicherheitsproblem im Zusammenhang mit der höheren Spannung verringert. Die Fehler bei der Beschichtung, dem Beschnitt und der Stapelung, die in der Elektrode vorhanden sind, können leicht ermittelt werden. Auf diese Weise besteht die Möglichkeit, den Elektroden- und Zellenherstellungsprozess zu verbessern. Der Abgleich bzw. das Balancing erfolgt durch Unterbrechung/Reduzierung des Stroms oder Erhöhung der Stromzufuhr. Der Strom geht nicht durch den Bypass-Widerstand als Wärme verloren. Dies erhöht die Effizienz des Ausgleichs und hilft beim schnellen Laden. Ein Balancing auf Zellebene ist nicht erforderlich, da jede Elektrode ausgeglichen ist. Da die Zellableiter wasser- oder luftgekühlt sind, kann die an der Ableiterfahne entstehende Wärme schneller abgeführt werden. Der Prozess der Verbindung von Zellableiter und Ableiterfahne ist schneller als das Ultraschall- und Laserschweißen der Elektrode durchführbar. Dies führt zu einer schnelleren Zellproduktion.
Nachfolgend sind relevante Aspekte der Erfindung nochmals im Einzelnen hervorgehoben. So kann der Anoden-Zellableiter und/oder der Kathoden-Zellableiter für jede Ableiterfahne eine eigene Anschlussstelle aufweisen, die funktionell sowie örtlich unabhängig von den anderen Ableiterfahnen-Anschlussstellen ist. In jeder Anschlussstelle kann die Ableiterfahne in elektrischer Verbindung und insbesondere in mechanisch lösbarer Verbindung mit einem zugeordneten Zellableiter-Kontaktelement sein. Mit Hilfe der Stelleinheit kann der elektrische Kontakt zwischen der Ableiterfahne und dem Zellableiter-Kontaktelement beziehungsweise die Leitfähigkeit und damit der Stromfluß durch das Elektrodenpaar eingestellt werden.
In einer Ausführungsvariante kann der Aktor ein Federelement aufweisen, dass das Zellableiter-Kontaktelement mit einer Federkraft gegen die Ableiterfahne drückt. Mit Hilfe des Aktors kann die Federkraft des Federelementes variiert werden, um den Kontakt beziehungsweise die Leitfähigkeit zwischen dem Zellableiter-Kontaktelement und der Ableiterfahne einzustellen.
In einer alternativen Ausführungsvariante kann der Aktor ein Stellelement aufweisen, dass in einer Kontaktebene zwischen dem Zellableiter-Kontaktelement und der Ableiterfahne angeordnet ist. Durch Verstellung des Stellelementes innerhalb der Kontaktebene kann die Größe eines stromführenden Querschnitts zwischen dem Zellableiter-Kontaktelement und der Ableiterfahne und damit der Stromfluss durch das Elektrodenpaar eingestellt werden.
Die Erfassung der Ist-Spannungen der Elektrodenpaare innerhalb des Elektroden-/Separatorstapels kann prozesstechnisch einfach wie folgt durchgeführt werden: So kann jedes der Elektrodenpaare zusammen mit der Steuereinheit in einem Spannungsmess-Schaltkreis eingebunden sein. Im Spannungsmess-Schaltkreis kann mit Hilfe von Messkontakten die Spannung zwischen der Kathode und der Anode des jeweiligen Elektrodenpaars abgegriffen werden.
In der Steuereinheit kann aus sämtlichen erfassten Ist-Spannungen der Elektrodenpaare ein Mittelwert berechnet werden. Dieser Mittelwert bildet den Soll-Spannungswert, auf dem die Steuereinheit die Ist-Spannungen regelt.
Der oben dargelegte Balancing-Regelkreis stellt ein aktives Balancing-System innerhalb einer Batteriezelle bereit.
Nachfolgend sind Ausführungsbeispiele der Erfindung anhand der beigefügten Figuren beschrieben.
Es zeigen:

1 bis 13 eine Prozessanordnung gemäß unterschiedlichen Ausführungsbeispielen der Erfindung.

In den 1 und 2 ist eine Prozessanordnung mit einer Batteriezelle mit weggelassenem Zellgehäuse dargestellt. Die Batteriezelle weist einen in der 2 in Alleinstellung gezeigten Elektroden-/Separatorstapel 1 auf, in dem Anoden A, Separatoren S und Kathoden K übereinandergestapelt sind. Jede der Elektroden A, K ist aus einer Ableiterfolie 3 mit beidseitiger Elektrodenbeschichtung 5 ausgebildet. Zudem ist jede Ableiterfolie 3 seitlich nach außen mit einer Anoden-Ableiterfahne 5 beziehungsweise mit einer Kathoden-Ableiterfahne 7 verlängert. In den 1 und 2 ragen sämtliche Anoden-Ableiterfahnen 5 von der rechten Stapelseite nach außen, während sämtliche Kathoden-Ableiterfahnen 7 von der linken Stapelseite nach außen abragen. Die Anoden-Ableiterfahnen 5 sind mit einem Anoden-Zellableiter 9 verbunden, während die Kathoden-Ableiterfahnen 7 mit einem Kathoden-Zellableiter 11 verbunden sind. In der 1 ist die Batteriezelle mit ihren beiden Zellableitern 9, 11 sowie mit einem Ladegerät/Verbraucher 15 in einem Lade-/Entladestromkreis 13 geschaltet.
Wie aus den 1 und 3 weiter hervorgeht, besteht jeder der Zellableiter 9, 11 aus einer Anzahl von Zellableiter-Kontaktelementen 17, die in einem (gestrichelt umrandeten) Kunststoffgrundkörper 19 integriert sind. Jedes Zellableiter-Kontaktelement 17 ist jeweils mit genau einer Ableiterfahne 5, 7 in elektrischer sowie mechanisch lösbarer Verbindung. In der 3 ist die mechanisch lösbare Verbindung durch ein Federelement 21 realisiert, dass das Zellableiter-Kontaktelement 17 mit einer Federkraft F gegen eine Ableiterfahne 5 drückt. Die Ableiterfahne 5 liegt mit ihrer, dem Zellableiter-Kontaktelement 17 gegenüberliegenden Seite auf einer Gegenhalterplatte 23 des Zellableiters 9, 11.
Wie aus der 2 hervorgeht, ist der Elektroden-/Separatorstapel 1 in übereinander gestapelte Elektrodenpaare E1 bis E5 unterteilt. Jedes Elektrodenpaar E1 bis E5 besteht aus einer Anode A, einer Kathode K sowie einem zwischengeordneten Separator S. Ein Kern der Erfindung besteht darin, dass jedes Elektrodenpaar E1 bis E5 zusammen mit einem Spannungsmessgerät 24 (1) in einer Spannungsmess-Schaltung 26 integriert ist. Dadurch kann im Lade-/Entladevorgang die Ist-Spannung U1 bis U5 in jedem der Elektrodenpaare E1 bis E5 erfasst werden.
Das Spannungsmessgerät 24 leitet die erfassten Ist-Spannungen U1 bis U5 zu einer Steuereinheit 25 weiter, das gemäß der 1 Bestandteil eines aktiven Balancing-Regelkreises ist, in dem die Steuereinheit 25 auf der Grundlage der erfassten Ist-Spannungen U1 bis U5 der Elektrodenpaare E1 bis E5 die Ist-Spannungen der Elektrodenpaare E1 bis E5 zueinander ausgleicht. Regelziel des Balancing-Regelkreises ist somit ein Ausbalancieren der Ist-Spannungen der Elektrodenpaare E1 bis E5 auf einen Soll-Spannungswert. Dieser ist in der Steuereinheit 25 der Mittelwert aus sämtlichen erfassten Ist-Spannungen U1 bis U5.
In jedem der Spannungsmess-Schaltungen 26 wird mit Hilfe von Messkontakten 27 die Ist-Spannung U1 bis U5 zwischen der Kathode K und der Anode A des jeweiligen Elektrodenpaars E1 bis E5 abgegriffen.
Die Steuereinheit 25 kann Aktoren 29 ansteuern, die in der 1 durch Pfeile angedeutet sind. Im vorliegenden Fall kann jeder der Aktoren 29 (3 oder 4) den oberen Federfußpunkt des Federelementes 21 verstellen, wodurch die auf das Zellableiter-Kontaktelement 17 einwirkende Federkraft F variierbar ist. Auf diese Weise kann die elektrische Leitfähigkeit zwischen dem Zellableiter-Kontaktelement 17 und der Ableiterfahne 5 und damit der Stromfluß durch das betreffende Elektrodenpaar eingestellt werden, um dessen Ist-Spannung auf dem Soll-Spannungswert zu regeln. In der 3 sind die beiden Messkontakte 27 der Spannungs-Schaltung 26 über eine Spanneinheit 31 mit Spannfedern 33 in Druckanlage mit beiden Seiten der Anoden-Ableiterfahne 5 einer Anode A gebracht.
In der 4a ist ein Zusammenbauprozess der Batteriezelle angedeutet. Zunächst wird ein erster Separator S auf eine Ablagefläche gelegt. Zudem wird ein Spannungs-Meßkontakt 27 und eine isolierende Gegenhalterplatte 23 (zusammen als Baugruppe) auf den Boden gelegt. Danach erfolgt ein erster Prozessschritt, bei dem die Anode A auf den ersten Separator S und darunter die Komponenten des Zellableiters 9 gestapelt werden.
Nachdem die Anode A platziert worden ist, wird ein weiterer Separator S auf die Anode A gestapelt, findet ein zweiter Prozessschritt statt. Zudem startet ein zweiter Prozessschritt, in dem ein Spannungs-Messkontakt 27, ein Zellableiter-Kontaktelement 17 und die Feder 21 (zusammen als Baugruppe) oben auf der Anode A angebracht werden. Die ersten und zweiten Prozessschritte werden jedes Mal wiederholt, wenn eine weitere Anode A auf einen Separator S gestapelt wird. Sobald der Elektroden-/Separatorstapel 1 fertiggestellt ist, werden alle Unterbaugruppen des Zellableiters 9 (oberhalb und unterhalb jeder Anode A) mit einem gemeinsamen Kunststoffkörper 37 verbunden und dann miteinander mittels zumindest einer Schraube 39 verschraubt. Die Schraube 39 wird in den Kunststoffkörper 37 eingeführt, der die Teilkomponenten zusammenhält. Auf diese Weise werden die Teilkomponenten während des Stapelvorgangs auf die Ableiterfahnen 5 gelegt. Sobald der Elektroden-/Separatorstapel 1 fertiggestellt ist, wird der Zellableiter 9 Sockel endgültig verschraubt. Dadurch werden die Ableiterfahnen 5 im im Zellableiter 9 platziert. Die obige Prozessabfolge ist lediglich anhand der Anodenseite beschrieben. In gleicher Weise kann die Prozessabfolge auch auf der Kathodenseite durchgeführt werden.
In den 5 bis 7 ist eine alternative Ausgestaltung des Aktors 29 gezeigt. Demnach weist der Aktor 29 ein querverschiebbares Stellelement 35 auf, das in einer horizontalen Kontaktebene zwischen dem Zellableiter-Kontaktelement 17 und der Ableiterfahne 5, 7 angeordnet ist. Durch Verstellung des Stellelements 35 innerhalb der Kontaktebene K kann die Größe eines stromführenden Querschnitts zwischen Zellableiter-Kontaktelement 17 und Ableiterfahne 5 und damit der Stromfluss durch das betreffende Elektrodenpaar eingestellt werden. Wie aus den 6 und 7 hervorgeht, ist das Stellelement 35 zwischen einer elektrisch leitenden Position (6) und einer elektrisch nicht leitenden Position (7) verschiebbar. Das Stellelement 35 und das Zellableiter-Kontaktelement 17 weisen an ihren zugewandten Seiten jeweils leitfähige Bereiche 37 und nicht leitfähige Bereiche 39 auf. In der 6 (elektrisch leitenden Position) sind das Stellelement 35 und das Zellableiter-Kontaktelement 17 mit ihren leitfähigen Bereichen 37 in elektrischen Kontakt zueinander. In der 7 (elektrisch nicht leitenden Position) ist dagegen der leitfähige Bereich 37 des Stellelements 35 in Kontakt mit dem nicht leitfähigen Bereich 39 des Zellableiter-Kontaktelements 17, so dass durch das betreffende Elektrodenpaar kein Strom fließt.
In den 8 bis 13 ist eine weitere alternative Ausgestaltung des Aktors 29 gezeigt. Demnach weist der Aktor 29 kein querverschiebbares Stellelement 35, sondern ein drehbar gelagertes Stellelement 35 auf. Durch Drehung des Stellelements 35 kann die Größe eines stromführenden Querschnitts zwischen Zellableiter-Kontaktelement 17 und Ableiterfahne 5 und damit der Stromfluss durch das betreffende Elektrodenpaar eingestellt werden. Wie aus den 8 bis 13 hervorgeht, ist das Stellelement 35 zwischen einer elektrisch leitenden Position (8 bis 10) und einer elektrisch nicht leitenden Position (11 bis 13) drehbar. Das Stellelement 35 weist leitfähige Bereiche 37 und einen nicht leitfähigen Bereich 39 auf. In den 8 bis 10 (elektrisch leitende Position) ist das Stellelement 35 mit seinen leitfähigen Bereichen 37 in elektrischen Kontakt mit dem Zellableiter-Kontaktelement 17 und mit der Ableiterfahne 5, so dass sich ein mit Pfeilen gezeigter Stromfluss I einstellt. In der 11 bis 13 (elektrisch nicht leitende Position) ist dagegen der nicht leitfähige Bereich 37 des Stellelements 35 in Kontakt mit dem Zellableiter-Kontaktelement 17, so dass durch das betreffende Elektrodenpaar kein Strom fließt.
Der Hauptunterschied bei dieser Variante besteht darin, dass keine Feder zum Drücken oder Auslösen bereitgestellt werden muss. Hier dreht der Aktor 29 das stiftförmige Stellelement 35 zwischen der elektrisch leitenden Position und der elektrisch nicht leitenden Position. Das Stellelement 35 weist die bereits erwähnten elektrisch leitenden Bereiche 37 sowie den elektrisch nicht leitenden Bereich 39 auf. Eine Hälfte des Stellelement-Umfangs wird gemäß der 9 oder 12 vom elektrisch leitenden Bereich 37 belegt, während die andere Hälfte des Stellelement-Umfangs vom elektrisch nicht leitenden Bereich 39 belegt ist. Der Ableiter 5 ist dabei sowohl in der elektrisch leitenden Position (8 bis 10) als auch in der elektrisch nicht leitenden Position (11 bis 13) in elektrischem Kontakt mit einem der beiden elektrisch leitenden Bereichen 37 des Stellelements 35.
Sofern die elektrisch leitenden Bereiche 37 des Stellelements 35 sowohl in Kontakt mit dem Ableiter 5 als auch in Kontakt mit dem Zellableiter-Kontaktelement 17 sind (8, 9 oder 10), fließt der Strom I vom Zellableiter-Kontaktelement 17 zur Ableiterfahne 5. Sofern das Stellelement 35 in seine nichtleitende Position (11 bis 13) gedreht wird, ist nicht mehr der elektrisch leitende Bereich 37, sondern der elektrisch nicht leitende Bereich 39 des Stellelements 35 in Kontakt mit dem Zellableiter-Kontaktelement 17, so dass kein Strom vom Zellableiter-Kontaktelement 17 zur Ableiterfahne 5 fließt.
Das Basismaterial des Stellelements 35 ist metallisch und damit leitfähig. Nur durch die isolierende Beschichtung (d.h. der elektrisch nicht leitende Bereich 39) auf einer Halbseite kann man die Stromübertragung blockieren. Der Vorteil der in den 8 bis 13 gezeigten Variante besteht darin, dass die Ableiterfahnen 5 für jede Elektrode gleich groß sein können. Die Ableiterfahnen 5 werden auch nicht verschoben. Die weiteren Bauteile und Komponenten, die in der Variante der 8 bis 13 verwendet werden, können identisch wie im vorangegangenen Ausführungsbeispiel sein.
Bezugszeichenliste

1: Elektroden-/Separatorstapel
3: Ableiterfolie
4: Elektrodenbeschichtung
5: Anoden-Ableiterfahnen
7: Kathoden-Ableiterfahnen
9: Anoden-Zellableiter
11: Kathoden-Zellableiter
13: Lade-/Entladestromkreis
15: Ladegerät/Verbraucher
17: Zellableiter-Kontaktelement
19: Kunststoffgrundkörper
21: Federelement
23: Gegenhalterplatte
24: Spannungsmessgerät
25: Steuereinheit
27: Messkontakte
29: Aktor
31: Spanneinheit
33: Spannfedern
35: Stellelement
37: Kunststoffkörper
39: Schraube
E1 bis E5: Elektrodenpaare
U1 bis U5: Ist-Spannungen
F: Federkraft
I: Stromfluss

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

US 20150145482 A1 [0012]

Claims

Prozessanordnung mit einer Batteriezelle mit einem Elektroden-/Separatorstapel (1), in dem Anoden (A), Separatoren (S) und Kathoden (K) übereinander gestapelt sind, wobei jede Anode (A) über eine Anoden-Ableiterfahne (5) mit einem Anoden-Zellableiter (9) verbunden ist und jede Kathode (K) über eine Kathoden-Ableiterfahne (7) mit einem Kathoden-Zellableiter (11) verbunden ist, wobei die Batteriezelle mit ihrem Kathoden-Zellableiter (11) und mit ihrem Anoden-Zellableiter (9) in einen Lade-/Entladestromkreis (13) schaltbar ist zur Durchführung eines Lade-/Entladevorgangs, und wobei der Elektroden-/Separatorstapel (1) in Stapelrichtung unterteilbar ist in übereinander gestapelte Elektrodenpaare (E1 bis E5), von denen jedes Elektrodenpaar (E1 bis E5) aus einer Anode (A), einer benachbarten Kathode (K) und einem zwischengeordneten Separator (S) besteht, dadurch gekennzeichnet, dass die Prozessanordnung einen Balancing-Regelkreis aufweist, in dem eine Steuereinheit (25) eingebunden ist, die eine Ist-Spannung (U1 bis U5) jedes Elektrodenpaars (E1 bis E5) während des Lade-/Entladevorgangs erfasst, und dass mittels der Steuereinheit (25) die Ist-Spannungen (U1 bis U5) der Elektrodenpaare (E1 bis E5) zueinander ausgleichbar sind.
Prozessanordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass jedem Elektrodenpaar (E1 bis E5) ein von der Steuereinheit (25) ansteuerbarer Aktor (29) zugeordnet ist, und dass bei einer Abweichung der Ist-Spannung (U1 bis U5) in zumindest einem der Elektrodenpaare von einem Soll-Spannungswert die Steuereinheit (25) über den Aktor (29) den Lade-/Entlade-Stromfluß durch das Elektrodenpaar (U1 bis U5) einstellt, das heißt erhöht beziehungsweise reduziert, um die Ist-Spannung (U1 bis U5) des Elektrodenpaars auf den Soll-Spannungswert zu regeln.
Prozessanordnung nach Anspruch 1 oder Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass der Zellableiter (9, 11) für jede Ableiterfahne (5, 7) eine eigene Anschlussstelle aufweist, die funktionell und oder örtlich unabhängig von anderen Anschlussstellen ist, und dass in jeder Anschlussstelle die Ableiterfahne (5,7) in elektrischer Verbindung und insbesondere in mechanisch lösbarer Verbindung mit einem zugeordneten Zellableiter-Kontaktelement (17) ist, und dass insbesondere mittels des Aktors (29) die Leitfähigkeit zwischen dem Zellableiter-Kontaktelement (17) und der Ableiterfahne (5, 7) und damit der Stromfluss durch das Elektrodenpaar (E1 bis E5) einstellbar ist.
Prozessanordnung nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass der Aktor (29) ein Federelement (21) aufweist, das das Zellableiter-Kontaktelement (17) mit einer Federkraft (F) gegen die Ableiterfahne (5, 7) drückt, und dass insbesondere mittels des Aktors (29) die Federkraft (F) des Federelements (21) variierbar ist zur Einstellung der Leitfähigkeit zwischen Zellableiter-Kontaktelement (17) und Ableiterfahne (5, 7).
Prozessanordnung nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass der Aktor (29) ein Stellelement (35) aufweist, das insbesondere in einer Kontaktebene zwischen dem Zellableiter-Kontaktelement (17) und der Ableiterfahne (5, 7) angeordnet ist, und dass durch Verstellung des Stellelements (35) in der Kontaktebene die Größe eines stromführenden Querschnitts zwischen Zellableiter-Kontaktelement (17) und Ableiterfahne (5, 7) und damit der Stromfluss durch das Elektrodenpaar (E1 bis E5) einstellbar ist, und/oder dass das Stellelement (35) zwischen einer elektrisch leitenden Position und einer elektrisch nicht leitenden Position verstellbar ist.
Prozessanordnung nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass das Stellelement (35) und das Zellableiter-Kontaktelement (17) jeweils zumindest einen leitfähigen Bereich (37) und zumindest einen nicht leitfähigen Bereich (39) aufweist, und dass insbesondere in der elektrisch leitenden Position das Stellelement (35) und das Zellableiter-Kontaktelement (17) mit ihren leitfähigen Bereichen (37) in elektrischen Kontakt zueinander sind, und/oder dass in der elektrisch nicht leitenden Position der leitfähige Bereich (37) des Stellelements (35) in Anlage mit dem nicht leitfähigen Bereich (39) des Zellableiter-Kontaktelements (17) ist, so dass durch das betreffende Elektrodenpaar kein Strom fließt.
Prozessanordnung nach Anspruch 5 oder 6, dadurch gekennzeichnet, dass das Stellelement (35) als ein Flachprofil oder plattenförmig ausgebildet ist, und dass das Stellelement (35) mittels Linearbewegung innerhalb der Kontaktebene querverschiebbar ist Zellableiter-Kontaktelement (17) und der Ableiterfahne (5, 7) angeordnet ist, und dass durch Verstellung des Stellelements (35) in der Kontaktebene die Größe eines stromführenden Querschnitts zwischen Zellableiter-Kontaktelement (17) und Ableiterfahne (5, 7) und damit der Stromfluss durch das Elektrodenpaar (E1 bis E5) einstellbar ist.
Prozessanordnung nach Anspruch 5 oder 6, dadurch gekennzeichnet, dass das Stellelement (35) ein drehbar gelagertes Stellelement (35) ist, und dass durch Drehung des Stellelements (35) die Größe eines stromführenden Querschnitts zwischen Zellableiter-Kontaktelement (17) und Ableiterfahne (5) und damit der Stromfluss durch das betreffende Elektrodenpaar einstellbar ist, und dass insbesondere das Stellelement (35) zwischen einer elektrisch leitenden Position und einer elektrisch nicht leitenden Position drehbar ist, und/oder dass insbesondere das drehbare Stellelement (35) zumindest einen leitfähigen Bereich (37) und einen nicht leitfähigen Bereich (39) aufweist, wobei in der elektrisch leitenden Position das drehbare Stellelement (35) mit seinem leitfähigen Bereich (37) in elektrischen Kontakt mit dem Zellableiter-Kontaktelement (17) und mit der Ableiterfahne (5) ist, so dass sich ein Stromfluss (I) einstellt, oder dass in der elektrisch nicht leitende Position der nicht leitfähige Bereich (37) des drehbaren Stellelements (35) in Kontakt mit dem Zellableiter-Kontaktelement (17), so dass durch das betreffende Elektrodenpaar kein Strom fließt.
Prozessanordnung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass jedes der Elektrodenpaare (E1 bis E5) zusammen mit der Steuereinheit (25) in einem Spannungsmess-Schaltkreis (26) eingebunden ist, in dem mittels Messkontakten (27) die Ist-Spannung (U1 bis U5) zwischen der Kathode (K) und der Anode (A) des Elektrodenpaars (E1 bis E5) abgegriffen wird, und oder dass die Steuereinheit (25) aus sämtlichen Ist-Spannungen (U1 bis U5) der Elektrodenpaare (E1 bis E5) einen Mittelwert berechnet, der den Soll-Spannungswert bildet.
Verfahren zur Fertigung einer Prozessanordnung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei in dem Verfahren zunächst ein erster Separator (S) auf eine Ablagefläche gelegt wird, und zudem ein Spannungs-Messkontakt (27) und eine isolierende Gegenhalterplatte (23) zusammen als Baugruppe auf die Ablagefläche gelegt wird, mit einem ersten Prozessschritt, in dem die Anode (A) auf den ersten Separator (S) und darunter die Komponenten des Zellableiters (9) gestapelt werden, wobei nach dem Platzieren der Anode (A) ein weiterer Separator (S) auf die Anode (A) gestapelt wird, und einem zweiten Prozessschritt, in dem ein Spannungs-Messkontakt (27), ein Zellableiter-Kontaktelement (17) und die Feder (21) zusammen als Baugruppe oben auf der Anode (A) angebracht werden, und wobei die ersten und zweiten Prozessschritte werden jedes Mal wiederholt, wenn eine weitere Anode (A) auf einen Separator (S) gestapelt wird, und wobei insbesondere, sobald der Elektroden-/Separatorstapel (1) fertiggestellt ist, alle Unterbaugruppen des Zellableiters (9) oberhalb und unterhalb jeder Anode (A) mit einem gemeinsamen Kunststoffkörper (37) verbunden und dann miteinander mittels zumindest einer Schraube (39) verschraubt werden, und dass insbesondere die obige Prozessabfolge nicht auf der Anodenseite durchführbar ist, sondern auch auf der Kathodenseite durchführbar ist.