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Die Erfindung betrifft eine Batterie nach den Merkmalen des Oberbegriffs des Anspruchs 1 und ein Verfahren zur Herstellung einer Batterie.
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Aus dem Stand der Technik ist, wie in der
DE 10 2008 032 068 A1 beschrieben, ein elektrochemisches Speicherelement bekannt. Das Speicherelement enthält zwei elektrochemische Zellen. Eine mit dem Kathodenstromsammler verbundene Anschlussfahne der einen Zelle ist relativ zu einer mit dem Anodenstromsammler verbundenen Anschlussfahne der benachbarten Zelle so positioniert, dass sich die durch bewegte elektrische Ladungen in den Anschlussfahnen erzeugten magnetischen Felder überlagern und kompensieren.
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Der Erfindung liegt die Aufgabe zu Grunde, eine gegenüber dem Stand der Technik verbesserte Batterie und ein gegenüber dem Stand der Technik verbessertes Verfahren zur Herstellung einer Batterie anzugeben.
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Die Aufgabe wird erfindungsgemäß gelöst durch eine Batterie mit den Merkmalen des Anspruchs 1 und ein Verfahren zur Herstellung einer Batterie mit den Merkmalen des Anspruchs 4.
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Vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung sind Gegenstand der Unteransprüche.
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Eine Batterie weist eine Mehrzahl elektrisch miteinander verschalteter Batteriezellen auf. Erfindungsgemäß sind die elektrischen Verschaltungen der Batteriezellen derart in mindestens einem Paar übereinander angeordneter Lagen angeordnet, dass sich elektromagnetische Felder, welche bei Stromfluss durch die elektrischen Verschaltungen in den Lagen emittiert werden, gegenseitig kompensieren, insbesondere auslöschen oder zumindest schwächen. Der Stromfluss erfolgt insbesondere während eines Ladens und/oder Entladens der Batterie.
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In einem erfindungsgemäßen Verfahren zur Herstellung einer Batterie, insbesondere zur Herstellung der oben genannten Batterie, werden eine Mehrzahl von Batteriezellen derart in mindestens einem Paar übereinander angeordneter Lagen elektrisch miteinander verschaltet, dass sich elektromagnetische Felder, welche bei Stromfluss durch die elektrischen Verschaltungen in den Lagen emittiert werden, gegenseitig kompensieren. Wie bereits zur Batterie erwähnt, erfolgt der Stromfluss insbesondere während eines Ladens und/oder Entladens der Batterie.
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Es ist insbesondere vorgesehen, dass die elektrischen Verschaltungen in den Lagen des mindestens einen Paars bei der Batterie komplementär zueinander angeordnet sind bzw. im Verfahren komplementär zueinander angeordnet werden. Beispielsweise sind bzw. werden die elektrischen Verschaltungen in der einen Lage des Paars gespiegelt zur Anordnung der elektrischen Verschaltungen in der anderen Lage des Paars angeordnet.
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In einer möglichen Ausführungsform der Batterie sind mehrere solche Lagenpaare vorgesehen, d. h. die elektrischen Verschaltungen der Batteriezellen sind dann derart in mehreren Paaren übereinander angeordneter Lagen angeordnet, dass sich die elektromagnetischen Felder, welche bei Stromfluss durch die elektrischen Verschaltungen in den Lagen des jeweiligen Paars emittiert werden, gegenseitig kompensieren, insbesondere auslöschen oder zumindest schwächen. Auch hier erfolgt der Stromfluss insbesondere während eines Ladens und/oder Entladens der Batterie.
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Korrespondierend sind auch in einer möglichen Ausführungsform des Verfahrens mehrere solche Lagenpaare vorgesehen, d. h. die Mehrzahl von Batteriezellen werden derart in mehreren Paaren übereinander angeordneter Lagen elektrisch miteinander verschaltet, dass sich die elektromagnetischen Felder, welche bei Stromfluss durch die elektrischen Verschaltungen in den Lagen des jeweiligen Paars emittiert werden, gegenseitig kompensieren, insbesondere auslöschen oder zumindest schwächen. Auch hier erfolgt der Stromfluss insbesondere während eines Ladens und/oder Entladens der Batterie.
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Bei der oben beschriebenen Ausführungsform der Batterie bzw. des Verfahrens mit mehreren Lagenpaaren ist entsprechend insbesondere vorgesehen, dass die elektrischen Verschaltungen in den Lagen des jeweiligen Paars bei der Batterie komplementär zueinander angeordnet sind bzw. im Verfahren komplementär zueinander angeordnet werden. Beispielsweise sind bzw. werden die elektrischen Verschaltungen in der einen Lage des jeweiligen Paars gespiegelt zur Anordnung der elektrischen Verschaltungen in der anderen Lage des jeweiligen Paars angeordnet.
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In einer möglichen Ausführungsform des Verfahrens wird ein Zellformat der Batteriezellen derart vorgegeben, dass eine vorgegebene Gesamthöhe eingehalten wird, und es wird eine Anzahl der Batteriezellen derart vorgegeben und die Batteriezellen werden derart elektrisch miteinander verschaltet, dass eine vorgegebene Batteriespannung, insbesondere Batterienennspannung und/oder ein vorgegebener Batteriestrom, insbesondere Batterienennstrom und/oder eine vorgegebene Batteriekapazität, insbesondere Batterienennkapazität, eingehalten werden.
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Die Batterie ist insbesondere eine Hochvoltbatterie, insbesondere eine Antriebsbatterie für ein Fahrzeug, d. h. sie ist insbesondere zur elektrischen Energieversorgung mindestens einer elektrischen Antriebsmaschine zum Antrieb des beispielsweise als Elektrofahrzeug oder Hybridfahrzeug ausgebildeten Fahrzeugs vorgesehen.
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Für derartige Batterien sind bisher bereits eine Vielzahl von Verschaltungsvarianten für die auch als Einzelzellen bezeichneten Batteriezellen bekannt, um eine erforderliche elektrische Energie über eine Lebensdauer der Batterie bereitstellen zu können. Mit ansteigendem Strom, insbesondere beim Laden und beim insbesondere durch einen Fahrbetrieb des Fahrzeugs erfolgenden Entladen der Batterie, erhöhen sich auch die dadurch emittierten Magnetfelder, d. h. die elektromagnetischen Felder, aufgrund der durch die elektrischen Verschaltungen aufgespannten Flächen und können in Summe vorgegebene Grenzwerte, beispielsweise ICNIRP-Grenzwerte, bezüglich elektromagnetischer Unverträglichkeit (EMVU) für Passagiere in einem Innenraum des Fahrzeugs überschreiten. Die aus dem Stand der Technik bekannten elektrischen Verschaltungen sind einlagig ausgestaltet.
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Durch die oben beschriebene paarweise und somit zweilagige oder mehrlagige und durch zwei teilbare Ausgestaltung der elektrischen Verschaltungen wird eine Magnetfeldkompensation erreicht, da sich nun die elektromagnetischen Felder des jeweiligen Paars in sich kompensieren. Dadurch kann eine Überschreitung der vorgegebenen Magnetfeldgrenzwerte, d. h. der Grenzwerte bezüglich der elektromagnetischen Unverträglichkeit (EMVU), für die Passagiere im Innenraum des Fahrzeugs vermieden werden. Des Weiteren werden dadurch auch Störbelastungen aufgrund der elektromagnetischen Felder beispielsweise für elektronische Komponenten des Fahrzeugs vermieden oder zumindest reduziert.
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Durch den beschriebenen optimierten Aufbau der Batterie können somit sowohl Energieziele als auch EMVU-Ziele miteinander vereinbart werden. Etwaige Nachteile durch Höhenbegrenzungen der Batterie, d. h. durch eine vorgegebene Höhe beispielsweise eines Batteriegehäuses oder eines Bauraums für die Batterie, die nicht überschritten werden darf, können durch eine entsprechende Auswahl von Zellformaten der Batteriezellen, wie oben beschrieben, ausgeglichen werden. Dadurch kann die vorgegebene Höhe eingehalten werden und es können auch für die Batterie vorgegebene Werte bezüglich Batteriestrom, Batteriespannung und/oder Batteriekapazität sichergestellt werden.
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Unter dem Begriff „Lage“ ist im Sinne dieser Patentanmeldung insbesondere eine, insbesondere virtuelle, Schicht oder Ebene zu verstehen.
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Ausführungsbeispiele der Erfindung werden im Folgenden anhand von Zeichnungen näher erläutert.
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Dabei zeigen:
- 1 schematisch ein Beispiel in einer Lage angeordneter elektrischer Verschaltungen von Batteriezellen einer Batterie,
- 2 schematisch ein weiteres Beispiel in einer Lage angeordneter elektrischer Verschaltungen von Batteriezellen einer Batterie,
- 3 schematisch ein Beispiel eines aus den in einer Lage angeordneten elektrischen Verschaltungen von Batteriezellen einer Batterie resultierenden elektromagnetischen Feldes,
- 4 schematisch ein Beispiel in einem Paar übereinander angeordneter Lagen angeordneter elektrischer Verschaltungen von Batteriezellen einer Batterie,
- 5 schematisch ein Beispiel in einem Paar übereinander angeordneter Lagen angeordneter elektrischer Verschaltungen von Batteriezellen einer Batterie, und
- 6 schematisch ein Beispiel eines aus den in einem Paar übereinander angeordneter Lagen angeordneter elektrischer Verschaltungen von Batteriezellen einer Batterie resultierenden elektromagnetischen Feldes.
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Einander entsprechende Teile sind in allen Figuren mit den gleichen Bezugszeichen versehen.
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Anhand der 1 bis 6 werden im Folgenden eine Batterie 1 und ein Verfahren zu deren Herstellung beschrieben. Die Batterie 1 weist eine Mehrzahl elektrisch miteinander verschalteter Batteriezellen auf. In den 1 und 2 sowie 4 und 5 sind insbesondere diese elektrischen Verschaltungen 2 der Batteriezellen schematisch dargestellt, in den 1 und 2 jeweils in einer Draufsicht von oben und in den 4 und 5 jeweils in einer Explosionsdarstellung.
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Die Batterie 1 ist insbesondere eine Hochvoltbatterie, insbesondere eine Antriebsbatterie für ein Fahrzeug.
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Bei derartigen Batterien 1 werden die elektrischen Verschaltungen 2 der Batteriezellen bisher ausschließlich einlagig ausgeführt, um einen Bauraum unterhalb des Fahrzeugs entsprechend gering zu halten. Aufgrund der geometrischen Ausdehnung entlang eines Fahrzeugunterbodens entstehen durch die zelltechnischen elektrischen Verschaltungen 2 untereinander zwischen einem Hin- und Rückleiter entsprechende Flächen F1, F2, F3, die Magnetfelder, d. h. elektromagnetische Felder, emittieren können. Ein Wert dieser Emissionen ist durch gesetzliche Anforderungen begrenzt.
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Die 1 und 2 zeigen beispielhaft zwei Ausführungsformen der Batterie 1 mit den elektrischen Verschaltungen 2 der Batteriezellen in nur einer Lage L1. Aufgrund der Anordnung der Batteriezellen und der elektrischen Verschaltungen 2 der Batteriezellen entstehen bei der Ausführungsform gemäß 1 drei Flächen F1, F2, F3 und bei der Ausführungsform gemäß 2 zwei Flächen F1, F2, die elektromagnetische Felder emittieren. In 3 ist beispielhaft ein daraus resultierendes elektromagnetisches Feld MF dargestellt.
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Um dieses resultierende elektromagnetische Feld MF zu reduzieren, ist bei der hier beschriebenen Lösung vorgesehen, dass die elektrischen Verschaltungen 2 der Batteriezellen nicht einlagig, sondern zweilagig aufgebaut und insbesondere komplementär zueinander angeordnet sind. Die 4 und 5 zeigen beispielhaft zwei Ausführungsformen hierfür.
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In beiden Ausführungsformen sind die elektrischen Verschaltungen 2 in zwei Lagen L1, L2, d. h. in einem Paar von Lagen L1, L2, übereinander angeordnet. In der Ausführungsform gemäß 4 entstehen aufgrund der Anordnung der Batteriezellen und der elektrischen Verschaltungen 2 der Batteriezellen in beiden Lagen L1, L2 jeweils drei Flächen F1, F2, F3 und bei der Ausführungsform gemäß 5 in beiden Lagen L1, L2 jeweils zwei Flächen F1, F2, die elektromagnetische Felder emittieren können. Die elektrischen Verschaltungen 2 sind in den übereinander angeordneten Lagen L1, L2 insbesondere jeweils derart angeordnet, dass die Flächen F1, F2, F3 komplementär zueinander angeordnet sind, d. h. die erste Fläche F1 der ersten Lage L1 ist gespiegelt zur ersten Fläche F1 der zweiten Lage L2 angeordnet, die zweite Fläche F2 der ersten Lage L1 ist gespiegelt zur zweiten Fläche F2 der zweiten Lage L2 angeordnet und bei der Ausführungsform gemäß 4 ist auch die dritte Fläche F3 der ersten Lage L1 gespiegelt zur dritten Fläche F3 der zweiten Lage L2 angeordnet.
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In dieser Anordnung heben sich die elektromagnetischen Felder ohne Berücksichtigung von Streufeldern gegenseitig auf oder schwächen sich zumindest gegenseitig, so dass die elektromagnetischen Emissionen vermieden oder zumindest reduziert werden.
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6 zeigt beispielhaft das daraus resultierende elektromagnetische Feld MF, welches wesentlich kleiner ist als im Beispiel gemäß 3 bei nur einlagiger Anordnung der elektrischen Verschaltungen 2 der Batteriezellen.
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Etwaige Nachteile aufgrund einer vergrößerten Höhe, die aus dem Paar oder mehreren Paaren von übereinander angeordneten Lagen L1, L2 der elektrischen Verschaltungen 2 resultieren könnte, können beispielsweise durch die Verwendung von zwei kleineren Zellformaten im Vergleich zu einem bisher verwendeten größeren Zellformat der Batteriezellen ausgeglichen werden. Auf diese Weise kann eine Gesamthöhe der Batterie 1, welche beispielsweise durch eine Höhe eines Batteriegehäuses und/oder eines Bauraums für die Batterie 1 am Fahrzeug vorgegeben ist, weiterhin eingehalten werden. Als Zelltypen und/oder Zellformate kommen beispielsweise Rundzelle, Hardcase-Zelle, Pouchzellen, Flachzellen und/oder andere Typen und/oder Formate in Betracht.
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Die Flächen F1, F2, F3, in denen die elektromagnetischen Felder emittiert werden, werden insbesondere unabhängig vom Zelltyp aufgespannt und skalieren mit möglichen Verschaltungsformen, die jedoch abhängig sind vom Bauraum, vom Zellformat, von einer Lebensdauer der Batterie 1, von einer Zugänglichkeit, von einer Energiedichte, von einem Kühlungskonzept und/oder von anderen Faktoren. Es wird jedoch keine Zellverschaltung, insbesondere keine einlagige Zellverschaltung, möglich sein, die keine Flächen F1, F2, F3 aufspannt, die elektromagnetische Felder emittieren. Daher ist die hier beschriebene Lösung und die dadurch erreichte gegenseitige Auslöschung oder zumindest Schwächung der elektromagnetischen Felder durch die komplementäre Anordnung der elektrischen Verschaltungen 2 in mindestens einem Paar übereinander angeordneter Lagen L1, L2 besonders vorteilhaft. Bei der beschriebenen Auslöschung oder Schwächung bleiben insbesondere Streufelder unberücksichtigt.
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Bei der hier beschriebenen Lösung ist somit vorgesehen, dass die elektrischen Verschaltungen 2 der Mehrzahl von Batteriezellen der Batterie 1 derart in mindestens einem Paar übereinander angeordneter Lagen L1, L2 angeordnet sind, dass sich die elektromagnetischen Felder, welche bei Stromfluss durch die elektrischen Verschaltungen 2 in den Lagen L1, L2 emittiert werden, gegenseitig kompensieren, insbesondere auslöschen oder zumindest schwächen. Der Stromfluss erfolgt insbesondere während eines Ladens und/oder Entladens der Batterie 1.
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Im Verfahren zur Herstellung der Batterie 1 werden entsprechend eine Mehrzahl von Batteriezellen derart in mindestens einem Paar übereinander angeordneter Lagen L1, L2 elektrisch miteinander verschaltet, dass sich die elektromagnetischen Felder, welche bei Stromfluss durch die elektrischen Verschaltungen 2 in den Lagen L1, L2 emittiert werden, gegenseitig kompensieren.
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Es ist insbesondere vorgesehen, dass die elektrischen Verschaltungen 2 in den Lagen L1, L2 des mindestens einen Paars bei der Batterie 1 komplementär zueinander angeordnet sind bzw. im Verfahren komplementär zueinander angeordnet werden. Beispielsweise sind bzw. werden die elektrischen Verschaltungen 2 in der einen Lage L1, L2 des Paars gespiegelt zur Anordnung der elektrischen Verschaltungen 2 in der anderen Lage L2, L1 des Paars angeordnet.
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In einer hier nicht dargestellten Ausführungsform der Batterie 1 sind mehrere solche Lagenpaare vorgesehen, d. h. die elektrischen Verschaltungen 2 der Batteriezellen sind dann derart in mehreren Paaren übereinander angeordneter Lagen L1, L2 angeordnet, dass sich die elektromagnetischen Felder, welche bei Stromfluss durch die elektrischen Verschaltungen 2 in den Lagen L1, L2 des jeweiligen Paars emittiert werden, gegenseitig kompensieren, insbesondere auslöschen oder zumindest schwächen.
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Entsprechend sind auch in einer möglichen Ausführungsform des Verfahrens mehrere solche Lagenpaare vorgesehen, d. h. die Mehrzahl von Batteriezellen werden derart in mehreren Paaren übereinander angeordneter Lagen L1, L2 elektrisch miteinander verschaltet, dass sich die elektromagnetischen Felder, welche bei Stromfluss durch die elektrischen Verschaltungen 2 in den Lagen L1, L2 des jeweiligen Paars emittiert werden, gegenseitig kompensieren, insbesondere auslöschen oder zumindest schwächen.
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Bei dieser hier nicht dargestellten Ausführungsform der Batterie 1 bzw. des Verfahrens mit mehreren Lagenpaaren ist entsprechend insbesondere vorgesehen, dass die elektrischen Verschaltungen 2 in den Lagen L1, L2 des jeweiligen Paars bei der Batterie 1 komplementär zueinander angeordnet sind bzw. im Verfahren komplementär zueinander angeordnet werden. Beispielsweise sind bzw. werden die elektrischen Verschaltungen 2 in der einen Lage L1, L2 des jeweiligen Paars gespiegelt zur Anordnung der elektrischen Verschaltungen 2 in der anderen Lage L2, L1 des jeweiligen Paars angeordnet.
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Wie oben bereits angedeutet, kann beispielsweise das Zellformat der Batteriezellen derart vorgegeben werden, dass eine vorgegebene Gesamthöhe eingehalten wird, und eine Anzahl der Batteriezellen derart vorgegeben und die Batteriezellen derart elektrisch miteinander verschaltet werden, dass eine vorgegebene Batteriespannung und/oder ein vorgegebener Batteriestrom und/oder eine vorgegebene Batteriekapazität eingehalten werden.
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Die hierin in Bezug auf eine Batterie beschriebenen Merkmale und deren Vorteile können sich ebenso auf ein hierin beschriebenes Verfahren zur Herstellung einer Batterie beziehen und umgekehrt.
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Bezugszeichenliste
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- 1
- Batterie
- 2
- Verschaltung
- F1, F2, F3
- Fläche
- L1, L2
- Lage
- MF
- resultierendes elektromagnetisches Feld
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- DE 102008032068 A1 [0002]
