WO2014048619A1 - Batteriezelle mit integrietem isolationsrahmen - Google Patents

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WO2014048619A1
WO2014048619A1 PCT/EP2013/066093 EP2013066093W WO2014048619A1 WO 2014048619 A1 WO2014048619 A1 WO 2014048619A1 EP 2013066093 W EP2013066093 W EP 2013066093W WO 2014048619 A1 WO2014048619 A1 WO 2014048619A1
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battery cell
insulating frame
cell according
winding element
housing
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PCT/EP2013/066093
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Oliver Gerundt
Andreas Heinze
Rene Deponte
Markus Feigl
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Robert Bosch Gmbh
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    • H01M50/409—Separators, membranes or diaphragms characterised by the material
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    • Y02P70/50—Manufacturing or production processes characterised by the final manufactured product

Definitions

  • the present invention relates to a battery cell, in particular a lithium-ion battery cell.
  • the invention further relates to a motor vehicle with such a battery cell.
  • Battery cells sometimes also referred to as accumulator cells, serve for the chemical storage of electrically provided energy. Even today, battery cells are used to power a variety of mobile devices. In the future, battery cells will be used, among other things, to supply energy to mobile devices
  • Electric vehicles or hybrid vehicles both on land and on water, or for stationary intermediate storage of electricity derived from alternative energy sources.
  • a plurality of battery cells is usually assembled into battery packs.
  • battery cells with a prismatic primarily battery cells with a prismatic
  • a battery cell in particular a lithium-ion battery cell having a winding element, an electrolyte, two current collectors and a housing.
  • the winding element has at least one wound stack of a first film coated with anode material, a second film coated with cathode material, and two plastic films serving as diaphragms.
  • One of the current collectors is arranged on a first side of the winding element and electrically conductively connected to the first film.
  • the second current collector is arranged on a second opposite side of the winding element and electrically conductively connected to the second film.
  • the housing is made of metal and surrounds the winding element including the pantograph disposed thereon.
  • the proposed battery cell is characterized in that the winding element including the pantograph disposed thereon on the one hand and the housing on the other hand by an intermediate insulating frame, which surrounds the winding element including the pantograph disposed thereon on at least three sides, are electrically isolated from each other.
  • the insulation frame in this case has a bottom and two side walls, wherein the side walls are opposite and each of the side walls is connected at one end to the ground.
  • a plurality of components such as a winding element, two current collectors and a plurality of smaller components are accommodated in a housing.
  • a housing In the case of a usually liquid electrolyte is filled.
  • the housing serves, on the one hand, to prevent electrolyte from escaping from the battery cell and, on the other hand, to prevent foreign substances, in particular moisture, from reaching the inside of the battery cell, where they could cause considerable damage.
  • the housing is usually made of metal in order to withstand the chemically aggressive electrolyte can.
  • Components usually each with individually assigned electrically insulating
  • protective elements For example, an insulating element between the winding element and the bottom of the housing is provided, two additional components
  • Isolation elements are each between the winding element and side walls of the
  • housing provided and further two insulation elements are provided between each one of the pantograph and an adjacent side wall of the housing.
  • the plurality of isolation elements must be manufactured, stored and ultimately mounted to the components of the battery cell.
  • the insulation frame may have a suitable geometry, so that all electrical insulation requirements between internal components of the battery cell on the one hand and the housing are met on the other hand, and so that also the insulation frame both easy to manufacture and easy to install.
  • the insulation frame has a substantially U-shaped geometry with a bottom floor and two side walls, which are each connected to one of the opposite ends of the floor.
  • the insulating frame itself is preferably made of an electrically insulating material or at least coated with such a material, in this way an electrical contact between said components and the metallic housing can be avoided.
  • each of the two side walls is designed to be pivotable relative to the bottom of the insulation frame.
  • Each of the sidewalls may be designed to be foldable from a first orientation, in which it is arranged in a plane parallel to the floor, in a second orientation, in which it is arranged in a plane transverse to the floor, preferably perpendicular to the floor be.
  • the insulation frame can be easily mounted around the winding element including the pantograph disposed thereon around.
  • the winding element can, for example, first on the unfolded insulation frame, in which both side walls are arranged in a plane parallel to the ground, are arranged. Thereafter, the two sidewalls can be folded upwardly in an orientation transverse to the ground so as to extend along and surround the sides of the winding element or pantographs disposed thereon.
  • a cantilevered end of each side wall can in each case be fastened to one of the current collectors mounted laterally on the winding element.
  • the second cantilevered end is directly attached to the current collector, which in turn is mounted to the winding element.
  • the cantilevered end of the sidewall may be secured to the pantograph by, for example, hook pins or suitable latching elements.
  • An inner contour of the insulation frame can be adapted to an outer contour of the winding element including the current collector arranged thereon).
  • such an adapted insulation frame can contribute to the overall stability of the battery cell and mechanically protect the internal components, for example, in the event that the housing of the battery cell is damaged or deformed during an accident.
  • An outer contour of the insulation frame can contribute to the overall stability of the battery cell and mechanically protect the internal components, for example, in the event that the housing of the battery cell is damaged or deformed during an accident.
  • Isolation frame can be adapted to an inner contour of the housing.
  • Insulation frame can thus be inserted without play between the housing and the components to be accommodated therein.
  • through-holes may be formed. These passage recesses can enable a thermal coupling of the electrolyte accommodated in the housing to the bottom of the housing and thus enable an efficient heat dissipation or cooling of the battery cell from the outside.
  • stiffening ribs can slightly increase the volume required by the insulation frame within the housing, they can be used to significantly increase the rigidity and mechanical stability of the insulation frame, and thus in particular in mechanically weak areas such as areas between two adjacent passage openings in the floor ultimately lead to an increase in its safety and electrical insulation properties.
  • the insulation frame may consist of a readily processable material such as plastic. Since the insulating frame is disposed inside the housing, it should be made of a material which is chemically resistant to the aggressive electrolyte.
  • the insulation frame may be made of polypropylene.
  • the insulation frame can be provided as an injection molded part. Injection molding is particularly suitable to provide plastic parts such as the insulation frame proposed here with high accuracy and in large quantities at relatively low cost. In particular, allow it
  • Injection molding process also to produce plastic parts with complex geometries.
  • an insulating frame can be produced, which is formed on the one hand in one piece and on the other hand
  • Hinge areas can be realized with a greatly reduced material thickness, so that with the help of these hinge portions, the side walls can be pivoted in relation to the bottom of the insulation frame.
  • the described features of the battery cell and configurations of the components of the battery cell, in particular of the insulating frame, are particularly suitable for use in battery cells whose housing has a prismatic shape.
  • Characteristics may be suitably combined or exchanged with each other, in this way to further embodiments and possibly
  • Fig. 1 shows an exploded view of a lithium-ion battery cell.
  • Fig. 2 shows a perspective view of an insulation frame for a
  • Battery cell according to the invention with outwardly folded side walls.
  • Fig. 3 shows a perspective view of an insulation frame for a
  • Battery cell according to the invention with upwardly folded side walls.
  • FIG. 4 shows internal components of a battery cell according to the invention with a surrounding insulation frame.
  • FIG. 5 shows a motor vehicle with a battery according to an embodiment of the present invention.
  • the figures are only schematic and not to scale. Like reference numerals designate the same or similar features in the figures. Embodiments of the invention
  • Fig. 1 shows a conventional lithium-ion battery cell in an exploded view. It can be seen that the battery cell consists of a plurality of individual components, which are kept separately and must be assembled consuming during manufacture. Only the understanding of
  • the battery cell 1 comprises a winding element 3 with a wound stack 5 of a copper foil coated with anode material and an aluminum foil coated with cathode material, and intervening plastic films serving as diaphragms.
  • the copper foil and the aluminum foil along the winding axis in the opposite direction slightly staggered stacked, so that the copper foil on a narrow side and the aluminum foil on a
  • a current collector 7 consisting of copper is welded, so that this current collector is electrically connected to the anode of the winding element.
  • a second current collector 9 made of aluminum is welded to make electrical contact with the cathode of the winding element 3.
  • the winding element 3 provided with the current collectors 7, 9 is then to be accommodated in a housing 11 which, from an upwardly open container 13 and a hermetically sealing the opening 14 of the container 13
  • Cover assembly 15 consists.
  • the lid assembly 15 has, inter alia, a cover plate 23 which is to close the opening 14 of the container 13 upwards and which is welded at the edge with an inner wall of the container 13, wherein a plurality of smaller components shown in the figure is used to openings in the cover plate 23 to hermetically seal and thereby implement a number of functions, such as a lead out of electrical contacts, overpressure protection or over-temperature protection.
  • Winding element 3 and a bottom of the container 13 is a flat
  • Insulating element 21 is arranged. Overall, therefore, five separate
  • Winding element 3 and the current collector 7, 9 ultimately introduced into the container 13 and the housing 11 can be closed by means of the cover assembly 15.
  • an insulating frame 23 is shown, which can take over the task of these five separate insulation elements as a single component and is easy to manufacture and assemble.
  • the insulation frame is made of an electrically non-conductive plastic such as polypropylene and can as
  • Injection molded component can be produced. It has a bottom 25 and two side walls 27. Dimensions of the bottom 25 and the side walls 27 are chosen such that the insulation frame 23 can be largely free of play fit into the interior of the container 13 and thereby comes into contact with the bottom and side walls.
  • the two side walls 27 of the insulating frame 23 are connected via hinges 29 with the lateral ends of the bottom 25.
  • the hinges 29 are also part of the integral isolation frame 23 and are formed as thinned, film-like flexible areas about which a side wall 27 can pivot in relation to the floor 25.
  • Each of the side walls 27 can thus be pivoted from an orientation in which, as shown in FIG. 2, it extends substantially parallel to the plane of the bottom 25, in an orientation in which it is as shown in FIG , transversely, preferably at a 90 ° angle, to the plane of the bottom 25 extends.
  • the inner contour of the bottom 25 is advantageously adapted to the outer contour of the winding element 3.
  • the two side walls 27 are folded upwards, as indicated by the arrows in Fig. 2.
  • the side walls come into abutment with the sides of the winding element 3 and the pantographs 7, 9 attached thereto.
  • hook pins 31, which are provided on the cantilevered ends of the side walls 27, the side walls 27 can be attached to the current collectors 7, 9 become.
  • large-area through-holes 33 are provided in the bottom 25 of the insulating frame 23. Through these passage openings 33, the electrolyte filled in the housing 11 of the battery cell 1 can come into contact with a bottom surface of the housing 11, so that the entire battery cell can be better cooled.
  • FIG. 4 shows an overall arrangement consisting of a winding element 3, current collectors 7, 9 attached thereto and an insulating frame 23 surrounding these components on three sides. Due to the integral nature of the insulation frame 23, this overall arrangement can be easily assembled and subsequently introduced into a container 13 of a battery cell 1 become.
  • FIG. 5 shows a motor vehicle 100 with a battery 102 which is composed of a plurality of the battery cells 1 described above.

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Abstract

Es wird eine Batteriezelle, insbesondere eine Lithium-Ionen-Batteriezelle, beschrieben, bei der ein Wickelelement, zwei Stromabnehmer und ein Elektrolyt in einem metallischen Gehäuse aufgenommen sind. Um das Wickelelement (3) sowie die daran angebrachten Stromabnehmer (7, 9) vor ungewolltem elektrischen Kontakt mit dem Gehäuse zu schützen, werden diese Komponenten von einem einteilig ausgeführten Isolationsrahmen (23) an drei Seiten umgeben. Seitenwände (27) des Isolationsrahmens (23) können dabei in Relation zu einem Boden (25) des Isolationsrahmens (23) über Klappscharniere (29) verschwenkt werden, so dass das Wickelelement (3) und die Stromabnehmer (7, 9) zunächst im aufgeklappten Zustand auf dem Boden (25) angeordnet werden können und dann Seitenwände (27) herangeklappt und mit Hilfe von Hakenstiften (31) an den Stromabnehmern (7, 9) befestigt werden können. Der Isolationsrahmen kann einfach im Spritzgussverfahren hergestellt werden.

Description

Beschreibung
Batteriezelle mit integriertem Isolationsrahmen Gebiet der Erfindung Die vorliegende Erfindung betrifft eine Batteriezelle, insbesondere eine Lithium-Ionen- Batteriezelle. Die Erfindung betrifft ferner ein Kraftfahrzeug mit einer solchen Batteriezelle.
Stand der Technik Batteriezellen, teilweise auch als Akkumulatorzellen bezeichnet, dienen zur chemischen Speicherung von elektrisch zur Verfügung gestellter Energie. Bereits heute werden Batteriezellen zur Energieversorgung einer Vielzahl mobiler Geräte eingesetzt. Zukünftig sollen Batteriezellen unter anderem zur Energieversorgung von mobilen
Elektrofahrzeugen oder Hybridfahrzeugen, zu Land wie auch zu Wasser, oder zur stationären Zwischenspeicherung von aus alternativen Energiequellen stammender elektrischer Energie eingesetzt werden.
Hierzu wird meist eine Vielzahl von Batteriezellen zu Batteriepaketen zusammengesetzt. Um hierbei ein zur Verfügung stehendes Paketvolumen möglichst effizient auszunutzen, werden für solche Zwecke vornehmlich Batteriezellen mit einer prismatischen,
beispielsweise einer Quader-artigen Form eingesetzt.
Wegen ihrer möglichen hohen Energiedichte, thermischen Stabilität und fehlendem Memory- Effekt wird für anspruchsvolle Anwendungen wie beispielsweise
Speicherlösungen für Kraftfahrzeuge meist eine Lithium-Ionen-Akku-Technologie eingesetzt, welche aufgrund der hohen wirtschaftlichen Bedeutung einer zukünftigen Elektromobilität derzeit intensiv weiterentwickelt wird. Es existieren bereits viele verschiedene Typen von Batteriezellen, insbesondere Lithium- Ionen-Batteriezellen, und ferner insbesondere Batteriezellen mit prismatischer Form. Allerdings weisen solche herkömmlichen Batteriezellen meist einen komplexen Aufbau auf, bei dem zum Zusammenbau der gesamten Batteriezelle eine Vielzahl
unterschiedlicher Einzelteile eingesetzt wird. Eine solche Vielzahl von Einzelteilen mit unterschiedlichen Formen, Funktionen und bestehend aus unterschiedlichen Materialien erfordert den Einsatz verschiedenster Herstellungstechnologien und Gerätschaften.
Außerdem muss die Vielzahl unterschiedlicher Einzelbauteile bei der Fertigung der Batteriezelle stets in ihrer Gesamtheit zur Verfügung stehen, was eine Koordination der Fertigung der Einzelbauteile sowie eine geeignete Bevorratung erfordert. All dies kann zu erhöhten Kosten bei der Fertigung der Batteriezelle beitragen.
Offenbarung der Erfindung
Mit Hilfe von Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung kann unter anderem die Anzahl von zum Zusammenbau einer Batteriezelle notwendigen Einzelbauteilen verringert werden und/oder ein Zusammenbau einer Batteriezelle vereinfacht werden. Es wird eine Batteriezelle, insbesondere eine Lithium-Ionen-Batteriezelle vorgeschlagen, die ein Wickelelement, einen Elektrolyten, zwei Stromabnehmer und ein Gehäuse aufweist. Das Wickelelement weist wenigstens einen gewickelten Stapel aus einer mit Anodenmaterial beschichteten ersten Folie, einer mit Kathodenmaterial beschichteten zweiten Folie und zwei als Diaphragmen dienenden Kunststofffolien auf. Einer der Stromabnehmer ist an einer ersten Seite des Wickelelements angeordnet und mit der ersten Folie elektrisch leitfähig verbunden. Der zweite Stromabnehmer ist an einer zweiten gegenüberliegenden Seite des Wickelelements angeordnet und mit der zweiten Folie elektrisch leitfähig verbunden. Das Gehäuse besteht aus Metall und umgibt das Wickelelement einschließlich der daran angeordneten Stromabnehmer. Die
vorgeschlagene Batteriezelle zeichnet sich dadurch aus, dass das Wickelelement einschließlich der daran angeordneten Stromabnehmer einerseits und das Gehäuse andererseits durch einen zwischengelagerten Isolationsrahmen, der das Wickelelement einschließlich der daran angeordneten Stromabnehmer an zumindest drei Seiten umgibt, elektrisch voneinander isoliert sind. Der Isolationsrahmen weist hierbei einen Boden und zwei Seitenwände auf, wobei sich die Seitenwände gegenüberliegen und jede der Seitenwände jeweils an einem Ende mit dem Boden verbunden ist. Ausführungsformen der erfindungsgemäßen Batteriezelle liegen unter anderem die folgenden Ideen und Erkenntnisse zugrunde:
In herkömmlichen Batteriezellen wird eine Vielzahl von Komponenten, wie beispielsweise ein Wickelelement, zwei Stromabnehmer sowie mehrere kleinere Bauteile in einem Gehäuse aufgenommen. In das Gehäuse wird auch ein meist flüssiger Elektrolyt eingefüllt. Das Gehäuse dient dabei dazu, einerseits zu verhindern, dass Elektrolyt aus der Batteriezelle austritt, und andererseits zu verhindern, dass Fremdstoffe, insbesondere Feuchtigkeit, ins Innere der Batteriezelle gelangen, wo sie erheblichen Schaden anrichten könnten. Das Gehäuse besteht dabei meist aus Metall, um dem chemisch aggressiven Elektrolyt widerstehen zu können.
Um zu vermeiden, dass elektrisch leitfähige Teile der in dem Gehäuse aufgenommenen Komponenten in Kontakt mit dem ebenfalls elektrisch leitfähigen Gehäuse gelangen und auf diese Weise unerwünschte Strompfade oder schlimmstenfalls ein Kurzschluss in der Batteriezelle entstehen, sind bei herkömmlichen Batteriezellen die einzelnen
Komponenten meist mit jeweils einzeln zugeordneten elektrisch isolierenden
Schutzelementen versehen. Beispielsweise ist ein Isolationselement zwischen dem Wickelelement und dem Boden des Gehäuses vorgesehen, zwei zusätzliche
Isolationselemente sind jeweils zwischen dem Wickelelement und Seitenwänden des
Gehäuses vorgesehen und weitere zwei Isolationselemente sind zwischen jeweils einem der Stromabnehmer und einer angrenzenden Seitenwand des Gehäuses vorgesehen. Die Vielzahl von Isolationselementen muss hergestellt, gelagert und letztendlich an den Komponenten der Batteriezelle montiert werden.
Es wird nun vorgeschlagen, diese Vielzahl von Isolationselementen durch einen einzigen, einteiligen Isolationsrahmen zu ersetzen. Der Isolationsrahmen kann dabei eine geeignete Geometrie aufweisen, so dass alle elektrischen Isolationserfordernisse zwischen innenliegenden Komponenten der Batteriezelle einerseits und dem Gehäuse andererseits erfüllt werden und so dass außerdem der Isolationsrahmen sowohl einfach hergestellt als auch einfach montiert werden kann.
Hierzu weist der Isolationsrahmen eine im Wesentlichen U-förmige Geometrie auf mit einem unten liegenden Boden und zwei Seitenwänden, die jeweils mit einem der gegenüberliegenden Enden des Bodens verbunden sind. Mit dem Boden und den zwei Seitenwänden kann der Isolationsrahmen das Wickelelement sowie die daran
angebrachten Stromabnehmer an zumindest drei Seiten umgeben und dadurch vermeiden, dass diese in Kontakt mit dem Gehäuse gelangen. Da der Isolationsrahmen selbst vorzugsweise aus einem elektrisch isolierenden Material besteht oder zumindest mit einem solchen Material beschichtet ist, kann auf diese Weise ein elektrischer Kontakt zwischen den genannten Komponenten und dem metallischen Gehäuse vermieden werden.
In einer vorteilhaften Ausgestaltung der beschriebenen Batteriezelle ist jede der beiden Seitenwände relativ zu dem Boden des Isolationsrahmens verschwenkbar ausgeführt. Jede der Seitenwände kann dabei aus einer ersten Orientierung, in der sie in einer Ebene parallel zu dem Boden angeordnet ist, in eine zweite Orientierung, in der sie in einer Ebene quer zu dem Boden, vorzugsweise senkrecht zu dem Boden, angeordnet ist, klappbar ausgeführt sein.
Durch eine solche verschwenkbare bzw. klappbare Ausgestaltung der an dem Boden angebrachten Seitenwände kann erreicht werden, dass der Isolationsrahmen einfach um das Wickelelement einschließlich der daran angeordneten Stromabnehmer herum montiert werden kann. Das Wickelelement kann dabei beispielsweise zuerst auf dem aufgeklappten Isolationsrahmen, bei dem beide Seitenwände in einer Ebene parallel zu dem Boden angeordnet sind, angeordnet werden. Anschließend können die beiden Seitenwände nach oben in eine Orientierung quer zu dem Boden geklappt werden, so dass sie sich entlang der Seiten des Wickelelements bzw. der daran angeordneten Stromabnehmer erstrecken und diese umgeben.
Ein freitragendes Ende jeder Seitenwand kann dabei jeweils an einem der seitlich an dem Wickelelement angebrachten Stromabnehmer befestigt werden. Während ein erstes Ende der Seitenwand an dem Boden des Isolationsrahmens gehalten ist, ist somit das zweite, freitragende Ende direkt an dem Stromabnehmer befestigt, welcher wiederum an dem Wickelelement montiert ist. Es ergibt sich somit ein einfach handhabbares Paket, so dass das Wickelelement und die beiden Stromabnehmer zusammen mit dem sie umgebenden Isolationsrahmen einfach handgehabt und letztendlich in das Gehäuse eingeschoben werden können. Das freitragende Ende der Seitenwand kann beispielsweise durch Hakenstifte oder geeignete Verrastelemente an dem Stromabnehmer befestigt werden.
Eine Innenkontur des Isolationsrahmens kann an eine Außenkontur des Wickelelements einschließlich der daran angeordneten Stromabnehmer angepasst sein). Dadurch kann der Isolationsrahmen das Wickelelement sowie die Stromabnehmer eng umschließen, so dass es allenfalls zu einem geringfügigen Raumverlust innerhalb des Gehäuses durch ^
den Isolationsrahmen kommt. Außerdem kann ein derart angepasster Isolationsrahmen zur Gesamtstabilität der Batteriezelle beitragen und die innenliegenden Komponenten beispielsweise für den Fall, dass das Gehäuse der Batteriezelle während eines Unfalls beschädigt oder deformiert wird, mechanisch schützen. Eine Außenkontur des
Isolationsrahmens kann an eine Innenkontur des Gehäuses angepasst sein. Der
Isolationsrahmen kann sich somit spielfrei zwischen dem Gehäuse und den darin aufzunehmenden Komponenten einfügen lassen.
Insbesondere in dem Boden des Isolationsrahmens können Durchgangsausnehmungen ausgebildet sein. Diese Durchgangsausnehmungen können eine thermische Ankopplung des in dem Gehäuse aufgenommenen Elektrolyten an den Boden des Gehäuses ermöglichen und so eine effiziente Wärmeabfuhr bzw. Kühlung der Batteriezelle von außen ermöglichen. Zur Erhöhung einer mechanischen Stabilität kann der Isolationsrahmen
Versteifungsrippen aufweisen. Solche Versteifungsrippen können zwar das von dem Isolationsrahmen benötigte Volumen innerhalb des Gehäuses geringfügig vergrößern, sie können aber insbesondere in mechanisch schwachen Bereichen, wie beispielsweise Bereichen zwischen zwei nebeneinander liegenden Durchgangsausnehmungen in dem Boden, für eine erhebliche Erhöhung der Steifigkeit und mechanischen Stabilität des Isolationsrahmens und damit letztendlich zu einer Erhöhung von dessen Sicherheit und elektrischen Isolationseigenschaften führen.
Der Isolationsrahmen kann aus einem leicht verarbeitbaren Material wie beispielsweise Kunststoff bestehen. Da der Isolationsrahmen innerhalb des Gehäuses angeordnet wird, sollte er aus einem Material gefertigt sein, welches chemisch resistent gegen den aggressiven Elektrolyten ist. Beispielsweise kann der Isolationsrahmen aus Polypropylen gefertigt sein. Der Isolationsrahmen kann als Spritzgussteil bereitgestellt werden. Spritzgussverfahren eignen sich besonders, um Kunststoffteile wie beispielsweise den hier vorgeschlagenen Isolationsrahmen mit hoher Genauigkeit und in großen Stückzahlen bei verhältnismäßig geringen Herstellungskosten bereitzustellen. Insbesondere erlauben es
Spritzgussverfahren, auch Kunststoffteile mit komplexen Geometrien herzustellen.
Beispielsweise kann mit Hilfe eines Spritzgussverfahrens ein Isolationsrahmen hergestellt werden, der einerseits einstückig ausgebildet ist und bei dem andererseits
Scharnierbereiche mit einer stark verringerten Materialstärke realisiert werden können, so dass mit Hilfe dieser Scharnierbereiche die Seitenwände in Relation zu dem Boden des Isolationsrahmens verschwenkt werden können.
Die beschriebenen Merkmale der Batteriezelle und Ausgestaltungen der Komponenten der Batteriezelle, insbesondere des Isolationsrahmens, sind insbesondere für den Einsatz bei Batteriezellen geeignet, deren Gehäuse eine prismatische Form aufweist.
Es wird darauf hingewiesen, dass mögliche Merkmale und Vorteile einer
erfindungsgemäßen Batteriezelle hierin mit Bezug auf unterschiedliche
Ausführungsformen beschrieben sind. Ein Fachmann versteht, dass die einzelnen
Merkmale in geeigneter Weise miteinander kombiniert oder ausgetauscht werden können, um auf diese Weise zu weiteren Ausführungsformen und möglicherweise
Synergieeffekten zu gelangen. Kurze Beschreibung der Zeichnungen
Nachfolgend werden Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung mit Bezug auf die beigefügten Zeichnungen beschrieben, wobei weder die Beschreibung noch die
Zeichnungen als die Erfindung einschränkend auszulegen sind.
Fig. 1 zeigt eine Explosionszeichnung einer Lithium-Ionen-Batteriezelle.
Fig. 2 zeigt eine perspektivische Ansicht eines Isolationsrahmens für eine
erfindungsgemäße Batteriezelle mit nach außen geklappten Seitenwänden.
Fig. 3 zeigt eine perspektivische Ansicht eines Isolationsrahmens für eine
erfindungsgemäße Batteriezelle mit nach oben geklappten Seitenwänden.
Fig. 4 zeigt innenliegende Komponenten einer erfindungsgemäßen Batteriezelle mit einem umgebenden Isolationsrahmen.
Figur 5 zeigt ein Kraftfahrzeug mit einer Batterie gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung. Die Figuren sind lediglich schematisch und nicht maßstabsgetreu. Gleiche Bezugszeichen bezeichnen in den Figuren gleiche oder gleich wirkende Merkmale. Ausführungsformen der Erfindung
Fig. 1 zeigt eine konventionelle Lithium-Ionen-Batteriezelle in einer Explosionsansicht. Es ist zu erkennen, dass die Batteriezelle aus einer Vielzahl einzelner Komponenten besteht, die separat vorgehalten werden und während der Fertigung aufwendig zusammengebaut werden müssen. Es werden hierin lediglich die für das Verständnis von
Ausführungsformen der Erfindung notwendigen Bauteile und deren Merkmale
beschrieben, auf eine Beschreibung der übrigen Bauteile der Batteriezelle wird verzichtet. Die Batteriezelle 1 weist ein Wickelelement 3 mit einem gewickelten Stapel 5 aus einer Kupferfolie, welche mit Anodenmaterial beschichtet ist, und einer Aluminiumfolie, welche mit Kathodenmaterial beschichtet ist, sowie dazwischen liegenden Kunststofffolien, die als Diaphragmen dienen, auf. Zur elektrischen Kontaktierung werden die Kupferfolie und die Aluminiumfolie entlang der Wickelachse in entgegengesetzter Richtung leicht versetzt übereinander gestapelt, so dass die Kupferfolie auf einer Schmalseite und die Aluminiumfolie auf einer
gegenüberliegenden Schmalseite über einen jeweiligen Rand des Wickelelements geringfügig überstehen. An einen überstehenden Bereich 4 der Kupferfolie wird ein aus Kupfer bestehender Stromabnehmer 7 angeschweißt, so dass dieser Stromabnehmer mit der Anode des Wickelelements elektrisch verbunden ist. An einen gegenüberliegenden überstehenden Bereich der Aluminiumfolie wird ein aus Aluminium bestehender zweiter Stromabnehmer 9 angeschweißt, um einen elektrischen Kontakt zu der Kathode des Wickelelements 3 herzustellen.
Das mit den Stromabnehmern 7, 9 versehene Wickelelement 3 soll anschließend in einem Gehäuse 11 aufgenommen werden, das aus einem nach oben offenen Behälter 13 sowie einer die Öffnung 14 des Behälters 13 hermetisch dicht verschließenden
Deckelanordnung 15 besteht. Die Deckelanordnung 15 weist dabei unter anderem eine Deckplatte 23 auf, die die Öffnung 14 des Behälters 13 nach oben verschließen soll und die am Rand mit einer Innenwand des Behälters 13 verschweißt wird, wobei eine in der Figur dargestellte Vielzahl kleinerer Bauteile eingesetzt wird, um Öffnungen in der Deckplatte 23 hermetisch zu verschließen und dabei eine Reihe von Funktionen zu implementieren, wie beispielsweise ein Herausführen von elektrischen Kontakten, einen Überdruckschutz oder einen Übertemperaturschutz. „
Bevor das Wickelelement 3 mit den daran angebrachten Stromabnehmern 7, 9 jedoch in den Behälter 13 eingeführt wird, werden jedoch an den Seiten des Wickelelements 3 wie auch an den gefährdeten Oberflächen der Stromabnehmer 7, 9 geeignet ausgebildete Isolierungselemente 17, 19 angebracht. Auch zwischen einer Unterseite des
Wickelelements 3 und einem Boden des Behälters 13 wird ein flächiges
Isolierungselement 21 angeordnet. Insgesamt müssen somit fünf separate
Isolierungselemente 17, 19, 21 vorgehalten und installiert werden, bevor das
Wickelelement 3 und die Stromabnehmer 7, 9 letztendlich in den Behälter 13 eingebracht und das Gehäuse 11 mit Hilfe der Deckelanordnung 15 verschlossen werden kann.
In den Fig. 2 und 3 ist ein Isolationsrahmen 23 gezeigt, der die Aufgabe dieser fünf separaten Isolierungselemente als einzelnes Bauteil übernehmen kann und dabei leicht herzustellen und zu montieren ist. Der Isolationsrahmen besteht aus einem elektrisch nicht leitfähigen Kunststoff wie beispielsweise Polypropylen und kann als
Spritzgussbauteil hergestellt werden. Er weist einen Boden 25 und zwei Seitenwände 27 auf. Abmessungen des Bodens 25 sowie der Seitenwände 27 sind dabei derart gewählt, dass sich der Isolationsrahmen 23 weitgehend spielfrei in das Innere des Behälters 13 einpassen lässt und dabei in Anlage mit dessen Boden- und Seitenwänden kommt. Die beiden Seitenwände 27 des Isolationsrahmens 23 sind über Klappscharniere 29 mit den seitlichen Enden des Bodens 25 verbunden. Die Klappscharniere 29 sind ebenfalls Teil des einstückigen Isolationsrahmens 23 und sind als verdünnte, folienartige flexible Bereiche ausgebildet, um die herum eine Seitenwand 27 in Relation zu dem Boden 25 verschwenken kann. Jede der Seitenwände 27 kann somit aus einer Orientierung, in der sie, wie in Fig. 2 dargestellt, sich im Wesentlichen parallel zu der Ebene des Bodens 25 erstreckt, in eine Orientierung verschwenkt werden, in der sie sich, wie in Fig. 3 dargestellt, quer, vorzugsweise im 90°-Winkel, zu der Ebene des Bodens 25 erstreckt.
In der in Fig. 2 dargestellten Konstellation kann das Wickelelement 3 mit samt den daran angebrachten Stromabnehmern 7, 9 einfach auf dem Boden 25 des Isolierungselements
23 angeordnet werden, wobei die Innenkontur des Bodens 25 vorteilhafterweise an die Außenkontur des Wickelelements 3 angepasst ist. Anschließend können die beiden Seitenwände 27 nach oben geklappt werden, wie mit den Pfeilen in Fig. 2 angedeutet. Die Seitenwände kommen dabei in Anlage mit den Seiten des Wickelelements 3 bzw. den daran angebrachten Stromabnehmern 7, 9. Mit Hilfe von Hakenstiften 31, die an den freitragenden Enden der Seitenwände 27 vorgesehen sind, können die Seitenwände 27 an den Stromabnehmern 7, 9 befestigt werden. Im Boden 25 des Isolationsrahmens 23 sind großflächige Durchgangsausnehmungen 33 vorgesehen. Durch diese Durchgangsausnehmungen 33 hindurch kann der in das Gehäuse 11 der Batteriezelle 1 eingefüllte Elektrolyt in Kontakt mit einer Bodenfläche des Gehäuses 11 kommen, so dass die gesamte Batteriezelle besser gekühlt werden kann.
Im Bereich des Bodens 25 des Isolationsrahmens 23 sind ferner Versteifungsrippen 35 vorgesehen, welche die mechanische Stabilität des Bodens deutlich erhöhen können, insbesondere im Bereich der schmalen Stege 37 zwischen benachbarten
Durchgangsausnehmungen 33.
Fig. 4 zeigt eine Gesamtanordnung bestehend aus einem Wickelelement 3, daran angebrachten Stromabnehmern 7, 9 und einem diese Komponenten an drei Seiten umgebenden Isolationsrahmen 23. Durch die Einstückigkeit des Isolationsrahmens 23 kann diese Gesamtanordnung einfach zusammengebaut und anschließend in einen Behälter 13 einer Batteriezelle 1 eingebracht werden.
Fig. 5 zeigt ein Kraftfahrzeug 100, mit einer Batterie 102, die aus mehreren der oben beschriebenen Batteriezellen 1 zusammengesetzt ist.

Claims

Ansprüche
1. Batteriezelle (1), insbesondere Lithium-Ionen-Batteriezelle, aufweisend:
ein Wickelelement (3) aus einem gewickelten Stapel (5) aus einer mit Anodenmaterial beschichteten ersten Folie, einer mit Kathodenmaterial beschichteten zweiten Folie und zwei als Diaphragmen dienenden Kunststofffolien,
einen Elektrolyten,
zwei Stromabnehmer (7, 9), von denen einer an einer ersten Seite des Wickelelements angeordnet und mit der ersten Folie elektrisch leitfähig verbunden ist und einer an einer zweiten Seite des Wckelelements angeordnet und mit der zweiten Folie elektrisch leitfähig verbunden ist,
ein metallisches Gehäuse (11), welches das Wckelelement (3) und die zwei
Stromabnehmer (7, 9) umgibt,
dadurch gekennzeichnet, dass
zwischen das Wckelelement (3) einschließlich der daran angeordneten Stromabnehmer (7, 9) einerseits und das Gehäuse (11) andererseits ein einteiliger Isolationsrahmen (23) zwischengelagert ist,
wobei der Isolationsrahmen (23) einen Boden (25) und zwei Seitenwände (27), die sich gegenüber liegen und jeweils an einem Ende mit dem Boden (25) verbunden sind, aufweist und
wobei der Isolationsrahmen (23) das Wickelelement (3) einschließlich der daran angeordneten Stromabnehmer (7, 9) an zumindest drei Seiten umgibt und gegenüber dem Gehäuse (11) elektrisch isoliert.
2. Batteriezelle nach Anspruch 1 , wobei jede der Seitenwände (27) relativ zu dem Boden (25) verschwenkbar ist.
3. Batteriezelle nach Anspruch 1 oder 2, wobei jede der Seitenwände (27) aus einer ersten Orientierung, in der sie in einer Ebene parallel zu dem Boden (25) angeordnet ist, in eine zweite Orientierung, in der sie in einer Ebene quer zu dem Boden (25) angeordnet ist, klappbar ist.
4. Batteriezelle nach einem der Ansprüche 1 bis 3, wobei ein freitragendes Ende jeder Seitenwand (27) jeweils an einem der Stromabnehmer (7, 9) befestigt ist.
5. Batteriezelle nach einem der Ansprüche 1 bis 4, wobei eine Innenkontur des
Isolationsrahmens (23) an eine Außenkontur des Wickelements (3) einschließlich der daran angeordneten Stromabnehmer (7, 9) angepasst ist.
6. Batteriezelle nach einem der Ansprüche 1 bis 5, wobei in dem Boden (25)
Durchgangsausnehmungen (33) ausgebildet sind.
7. Batteriezelle nach einem der Ansprüche 1 bis 6, wobei der Isolationsrahmen
Versteifungsrippen (35) zur Erhöhung der mechanischen Stabilität aufweist.
8. Batteriezelle nach einem der Ansprüche 1 bis 7, wobei der Isolationsrahmen (23) aus Kunststoff besteht.
9. Batteriezelle nach einem der Ansprüche 1 bis 8, wobei der Isolationsrahmen (23) ein Spritzgussteil ist.
10. Kraftfahrzeug (100) aufweisend eine Batteriezelle (1) gemäß einem der Ansprüche 1 bis 9.
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