WO2019238341A1 - Verfahren zum herstellen einer deckelbaugruppe für ein zellgehäuse einer prismatischen batteriezelle einer hochvoltbatterie eines kraftfahrzeugs, batteriezelle sowie hochvoltbatterie - Google Patents

Verfahren zum herstellen einer deckelbaugruppe für ein zellgehäuse einer prismatischen batteriezelle einer hochvoltbatterie eines kraftfahrzeugs, batteriezelle sowie hochvoltbatterie Download PDF

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WO2019238341A1
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cell
housing
terminal
cover plate
plastic
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PCT/EP2019/062400
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Ruediger Daub
Niclas EMRICH
Original Assignee
Bayerische Motoren Werke Aktiengesellschaft
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    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01M—PROCESSES OR MEANS, e.g. BATTERIES, FOR THE DIRECT CONVERSION OF CHEMICAL ENERGY INTO ELECTRICAL ENERGY
    • H01M50/00—Constructional details or processes of manufacture of the non-active parts of electrochemical cells other than fuel cells, e.g. hybrid cells
    • H01M50/50—Current conducting connections for cells or batteries
    • H01M50/543—Terminals
    • H—ELECTRICITY
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    • H01M50/00—Constructional details or processes of manufacture of the non-active parts of electrochemical cells other than fuel cells, e.g. hybrid cells
    • H01M50/10—Primary casings; Jackets or wrappings
    • H01M50/147—Lids or covers
    • H01M50/166—Lids or covers characterised by the methods of assembling casings with lids
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    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
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    • H01M2220/00—Batteries for particular applications
    • H01M2220/20—Batteries in motive systems, e.g. vehicle, ship, plane
    • Y—GENERAL TAGGING OF NEW TECHNOLOGICAL DEVELOPMENTS; GENERAL TAGGING OF CROSS-SECTIONAL TECHNOLOGIES SPANNING OVER SEVERAL SECTIONS OF THE IPC; TECHNICAL SUBJECTS COVERED BY FORMER USPC CROSS-REFERENCE ART COLLECTIONS [XRACs] AND DIGESTS
    • Y02—TECHNOLOGIES OR APPLICATIONS FOR MITIGATION OR ADAPTATION AGAINST CLIMATE CHANGE
    • Y02E—REDUCTION OF GREENHOUSE GAS [GHG] EMISSIONS, RELATED TO ENERGY GENERATION, TRANSMISSION OR DISTRIBUTION
    • Y02E60/00—Enabling technologies; Technologies with a potential or indirect contribution to GHG emissions mitigation
    • Y02E60/10—Energy storage using batteries

Definitions

  • the invention relates to a method for producing a cover assembly for a cell housing of a prismatic battery cell of a high-voltage battery
  • the invention also relates to a battery cell and a
  • the focus is particularly on high-voltage batteries or
  • High-voltage accumulators for electrically drivable motor vehicles for example electric or hybrid vehicles.
  • Such high-voltage batteries have a large number of battery cells, which are generally arranged in a cell network and are connected to form a battery module.
  • the battery cells can be prismatic battery cells which have a flat cuboid cell housing, in the housing interior of which a cell coil is arranged. Electrodes of the cell coil are electrically connected to cell terminals of the battery cell, which are passed through a cover plate of the cell housing and via which the cell coil can be electrically connected to a cell-external connection, for example a cell terminal of another battery cell. Since that
  • Cell housing is usually made of a metallic material, at least one of the cell terminals must be electrically isolated from the cell housing.
  • an insulation layer made of an electrically non-conductive plastic between two conductive components, for example between the cell terminal and the cover plate, which is adhesive-free and adheres to surface areas of the components by means of mechanical adhesion mechanically connects.
  • the insulation layer is, for example, a plastic film.
  • an interior of the housing should be sealed with respect to an exterior of the housing in order to prevent material exchange between the interior of the housing and the exterior of the housing. For example, it should be prevented that electrolyte from the
  • This object is achieved by a method, a battery cell and a high-voltage battery with the features according to the respective independent
  • a method according to the invention is used to produce a cover assembly for a cell housing of a prismatic battery cell of a high-voltage battery
  • At least one cell terminal with a first terminal area for electrical connection with a cell coil located in a housing interior of the cell housing and a second terminal area for electrical connection with an external cell connection as well as a cover plate with at least one through opening for covering the cell housing are provided.
  • an injection mold is provided in which, when the cover plate and the cell terminal are in the inserted state, the first terminal area is arranged in the through opening, an underside of the second terminal area and an upper side of the cover plate overlap in an overlap area, and an envelope-shaped cavity in the overlap area, between one Inner edge of the through opening and the first terminal element and between the underside of the cover plate and the injection mold is formed.
  • cover plate and the cell terminal are inserted into the injection mold and a plastic is injected into the cavity, which connects to the structural elements in a form-fitting manner to form an envelope-shaped plastic layer to seal the interior of the housing against an exterior of the housing.
  • the cover plate, a housing jacket and a base plate form the cell housing for the prismatic battery cell.
  • the cover plate and the base plate are designed in particular as rectangular, plate-shaped elements, so that a
  • the cell housing is special made of a metallic material, for example aluminum.
  • the cover plate has in particular two through openings for two cell terminals.
  • a first cell terminal is electrically connected to an anode of the cell coil and a second cell terminal is electrically connected to a cathode of the cell coil.
  • the cell terminal electrically connected to the anode is formed at least in regions from copper and the cell terminal electrically connected to the cathode is formed at least in regions from aluminum.
  • Each cell terminal is in particular monolithic and has a T-shaped cross section, the second terminal area being plate-shaped and the first terminal area being web-shaped and being arranged on an underside of the second terminal area.
  • the plate-shaped second terminal area is oriented essentially parallel to the top of the cover plate and the web-shaped first terminal area is oriented essentially perpendicular to the top of the cover plate.
  • At least one of the cell terminals is now overmolded with a plastic in an injection molding process.
  • one of the cell terminals in particular the anode-side cell terminal, is extrusion-coated with an electrically insulating plastic, while the other cell terminal, in particular the cathode-side cell terminal, is extrusion-coated with an electrically conductive plastic.
  • the anode-side cell terminal is electrically isolated from the cell housing, while the cathode-side cell terminal is at the potential of the cell housing.
  • the cell terminal is also mechanically attached to the cover plate.
  • the injection mold or the injection mold is produced in such a way that the plastic is not only in the overlap area between the underside of the second terminal area and the top of the cover plate and in the area between the inner edge the through opening and the first
  • Terminal area flows, but also covers the underside of the cover plate.
  • the plastic layer forms after the injection of the
  • these surface areas of the cell terminal and the cover plate are predetermined, which are formed adjacent to the cavity in the inserted state of the insert parts.
  • the structural elements are now generated in these surface areas.
  • the structural elements in particular have dimensions in the nanometer or micrometer range and can be formed, for example, as pores, capillaries, cuts and / or projections.
  • the surface structure is preferably produced at least partially with undercuts.
  • the method enables a particularly tight connection between the cover plate and the cell terminal to be established via the plastic.
  • a particularly tight connection is to be understood in particular to mean a connection which is at least helium leak-tight.
  • a particularly long-life high-voltage battery can thus be provided for a motor vehicle.
  • edges of the first terminal area facing the through-opening are bevelled. By slanting the first terminal area, a positive connection can be easily created.
  • the plastic injected into the cavity can be a thermoplastic or an elastomer or a thermoplastic elastomer.
  • a cavity is preferably used
  • Thermosets are plastics which, once hardened, can no longer be deformed by heating or other measures. Thermosets are particularly inexpensive and have a good quality
  • At least one of the structural elements in the surface area of the pressure plate adjacent to the cavity is formed as a channel between the top and the bottom of the pressure plate.
  • the at least one structural element is thus a hole in the cover plate, through which plastic can flow from one side of the pressure plate to the other side of the pressure plate during injection, so that the pressure plate can be reliably coated on both sides with the plastic.
  • the injection mold is tempered with a predetermined temperature profile during injection.
  • the injection mold is heated during the injection of the plastic, so that a temperature of the injection mold reaches a predetermined first
  • T emperature threshold exceeds.
  • the metal inserts are heated by heating the injection mold. In this way, the plastic can spread particularly well in the cavity and premature solidification of the plastic can be prevented. In the event that a thermoset is used as the plastic, this will be described.
  • Injection mold in particular only heated.
  • another plastic for example a thermoplastic or a thermoplastic elastomer, it can be provided that the injection mold is cooled after the injection, so that the temperature of the injection mold has a predetermined second
  • T emperature threshold falls below.
  • Coolant circuit can be arranged.
  • the injection molding process therefore represents one
  • the structural elements of the surface structure are particularly preferably produced by means of a laser. Using laser technology can be done in a particularly simple manner
  • the surface structure is produced from an oxide of a respective material of the cover plate and the cell terminal.
  • the surface structure is produced from an oxide of a respective material of the cover plate and the cell terminal.
  • Cell terminals can be generated quickly and easily, for example by means of the laser. It proves to be advantageous if a sealing ring is arranged in the cavity on the cell terminal, which is encapsulated when the plastic is injected into the cavity and blocks a connection path formed between the interior and exterior of the housing via an interface between the plastic and the cell terminal.
  • the sealing ring is arranged, in particular, on the anode-side, copper-containing cell terminal, in the event that a connection between plastic and copper is not sufficiently tight.
  • the sealing ring can for example
  • Prestressed sealing ring Prestressed sealing ring.
  • a sealing effect can be increased by the sealing ring and a possibly leaky point in the boundary layer between the plastic and the cell terminal area can be blocked. In this way it can be reliably prevented, for example, that moisture enters the cell housing sealed with the cover assembly or electrolyte escapes from the cell housing.
  • the invention also relates to a prismatic battery cell for a high-voltage battery of a motor vehicle with a cell housing having a cover assembly, which is produced by a method according to the invention or an advantageous embodiment thereof, the cover assembly being welded to a housing jacket of the cell housing and the first terminal area with a current arrester the
  • a high-voltage battery according to the invention for a motor vehicle comprises at least one prismatic battery cell according to the invention.
  • the high-voltage battery is in particular a traction battery for an electrically drivable motor vehicle, for example an electric or hybrid vehicle.
  • FIG. 1 shows a schematic illustration of an embodiment of a
  • Fig. 2 shows the battery cell according to FIG. 1 in a
  • FIG. 3 shows a sectional illustration of the battery cell according to the invention.
  • the battery cell 1 shows a prismatic battery cell 1 for a high-voltage battery, not shown here, of an electrically drivable motor vehicle.
  • the battery cell 1 is shown in an exploded view in FIG. 2.
  • 3 shows a section through the battery cell 1 along the section line AA '.
  • the battery cell 1 has a cell housing 2 with a housing jacket 3, a base plate 4 and a cover assembly 5.
  • Cell housing 2 is formed from a metallic material, for example aluminum.
  • a cell coil (not shown here) is arranged in a housing interior 6 of the cell housing 2.
  • the cover assembly 5 has a cover plate 7 and two cell terminals 8, 9.
  • the cell terminal 8 is connected, for example, to a cathode of the cell wrap in the interior 6 of the cell housing 2 and the cell terminal 9 is connected, for example, to an anode of the cell wrap in the interior 6 of the cell housing 2.
  • Cover plate 7 also has a degassing opening 10 for emergency degassing the battery cell 1 and a fill opening 11 for filling an electrolyte into the housing interior 6 during the manufacture of the battery cell 1.
  • the cell terminals 8, 9 have a first terminal area 12 and a second terminal area 13.
  • the second terminal area 13 is plate-shaped and in one
  • Housing exterior 14 also arranged the housing interior 6.
  • Terminal area 12 is web-shaped and arranged in the housing interior 6. For this purpose, the first terminal area 12 is through a through opening 15 in the
  • the first terminal area 12 is electrically connected to an electrode of the cell coil, for example via a current conductor.
  • the battery cell Via the second terminal area 13, which is electrically connected to the first terminal area 12, the battery cell can be connected to a cell-external connection, for example the cell terminal of another battery cell of the high-voltage battery.
  • the cell terminals 8, 9 can each be formed in one piece and have a T-shaped cross section.
  • At least one of the cell terminals 8, 9, for example the anode-side cell terminal 9, is to be electrically insulated from the cover plate 7.
  • the cell terminals 8, 9 are to be reliably attached to the cover plate 7. in the
  • the cell housing 2 should also be particularly tight. In particular, a mass transfer between the housing interior 6 and the housing exterior 14 via leaks in the through opening 15 is to be prevented.
  • the cell terminals 8, 9 are connected to the cover plate 7 via a plastic layer 16 produced by means of an injection molding process.
  • a raised area 17 of the plastic layer 16 shown in FIG. 2 is arranged in the assembled state of the cover assembly 5 in an overlap area 18 between an underside 19 of the second terminal area 13 and an upper side 20 of the cover plate 7.
  • the flat area 21 shown in FIG. 1 is arranged in the assembled state of the cover assembly 5 in an overlap area 18 between an underside 19 of the second terminal area 13 and an upper side 20 of the cover plate 7.
  • Plastic layer 16 is arranged in the assembled state on an underside 22 of the cover plate 7.
  • the structural elements 26 in the cover plate 7 can for example be partially designed as channels 27.
  • the structural elements 26 can also be pores, undercuts, projections or the like.
  • an edge of the first terminal area 12 facing the through opening 15 is additionally beveled.
  • a seal ring 33 may be the first
  • Terminal area 12 may be arranged.
  • a groove 34 can be provided in the first terminal area 12, into which the sealing ring 33 is inserted.
  • Sealing ring 33 is then encapsulated with the plastic.
  • the sealing ring 33 prevents a boundary layer between the plastic and the
  • Cell terminal 9 a mass transfer takes place between the housing interior 6 and housing exterior 14.
  • the sealing ring 33 is arranged above all on the anode-side cell terminal 9, which has copper, since a connection between plastic and copper can be critical with regard to long-term stability.
  • FIG. 4a, 4b, 4c show process steps for producing the cover assembly 5.
  • the cell terminals 8, 9 and the cover plate 7 are inserted into a first molded part 28 of an injection mold 29.
  • the inserted state is shown in Fig. 4b.
  • 4c shows that a second molded part 30 of the injection mold 29 with channels 31 is arranged on the first molded part 28 with the cover plate 7 and the cell terminals 8, 9.
  • the injection mold 29 is designed such that an envelope-shaped cavity 32 is formed, which is formed by an intermediate space between the underside 19 of the second terminal area 13 and the upper side 20 of the cover plate 7, by an intermediate space between the inner edge 23 of the through opening 15 and the first terminal area 12 and is formed by a space between the underside 22 of the cover plate 7 and the injection mold 29.
  • the liquefied plastic is now introduced into the injection mold 29 via the channels 31, which flows into the cavity 32 and fills it with the cavity 32 as well as one positive connection with the structural elements 26 is received.
  • the injection mold 29 can be tempered, for example heated, to ensure that the cavity 32 is completely filled before the plastic solidifies.
  • the injection mold 29 can be cooled after the injection process.

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Abstract

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Herstellen einer Deckelbaugruppe (5) für ein Zellgehäuse (2) einer prismatischen Batteriezelle (1) einer Hochvoltbatterie eines Kraftfahrzeugs, mittels eines Spritzgießwerkzeuges (29), in welches ein Zellterminal (25) sowie eine Deckelplatte (7), deren Oberflächenbereiche (24) mit einer Oberflächenstruktur (25) versehen sind, eingelegt werden mund ein Kunststoff derart eingespritzt wird, dass er sich mit dem Zellterminal (8, 9) einer dem Zellterminal (8, 9) zugewandte Oberseite (20) der Deckelplatte (7) und einer Unterseite (22) der Deckelplatte (7) verbindet. Die Erfindung betrifft außerdem eine Batteriezelle (1) sowie eine Hochvoltbatterie.

Description

Verfahren zum Herstellen einer Deckelbaugruppe für ein Zellgehäuse einer prismatischen Batteriezelle einer Hochvoltbatterie eines Kraftfahrzeugs, Batteriezelle sowie
Hochvoltbatterie
Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Herstellen einer Deckelbaugruppe für ein Zellgehäuse einer prismatischen Batteriezelle einer Hochvoltbatterie eines
Kraftfahrzeugs. Die Erfindung betrifft außerdem eine Batteriezelle sowie eine
Hochvoltbatterie.
Vorliegend richtet sich das Interesse insbesondere auf Hochvoltbatterien bzw.
Hochvoltakkumulatoren für elektrisch antreibbare Kraftfahrzeuge, beispielsweise Elektro- oder Hybridfahrzeuge. Solche Hochvoltbatterien weisen eine Vielzahl von Batteriezellen auf, welche in der Regel in einem Zellverbund angeordnet und zu einem Batteriemodul verschaltet sind. Die Batteriezellen können prismatische Batteriezellen sein, welche ein flachquaderförmiges Zellgehäuse aufweisen, in dessen Gehäuseinneren ein Zellwickel angeordnet ist. Elektroden des Zellwickels sind mit Zellterminals der Batteriezelle elektrisch verbunden, welche durch eine Deckelplatte des Zellgehäuses hindurchgeführt sind und über welche der Zellwickel mit einem zellexternen Anschluss, beispielsweise einem Zellterminal einer anderen Batteriezelle, elektrisch verbindbar ist. Da das
Zellgehäuse in der Regel aus einem metallischen Werkstoff gebildet ist, muss zumindest eines der Zellterminal gegenüber dem Zellgehäuse elektrisch isoliert werden. Dazu ist aus der DE 10 2015 208 652 A1 bekannt, zwischen zwei leitenden Bauteilen, also beispielsweise zwischen dem Zellterminal und der Deckelplatte, eine Isolationsschicht aus einem elektrisch nicht-leitenden Kunststoff anzuordnen, welche klebstofffrei mittels mechanischer Adhäsion an Oberflächenbereichen der Bauteile haftet und diese somit mechanisch verbindet. Die Isolationsschicht ist dabei beispielsweise eine Kunststofffolie.
Darüber hinaus soll ein Gehäuseinneres gegenüber einem Gehäuseäußeren dicht sein, um einen Stoffaustausch zwischen dem Gehäuseinneren und dem Gehäuseäußeren zu verhindern. Beispielsweise soll verhindert werden, dass Elektrolyt aus dem
Gehäuseinneren austritt und Feuchtigkeit in das Gehäuseinnere eintritt und dadurch eine Zellalterung der Batteriezellen beschleunigt wird. Es ist Aufgabe der vorliegenden Erfindung, ein Zellgehäuse einer prismatischen
Batteriezelle für eine Hochvoltbatterie eines Kraftfahrzeugs dahingehend zu verbessern, dass es besonders dicht ausgebildet ist.
Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß durch ein Verfahren, eine Batteriezelle sowie eine Hochvoltbatterie mit den Merkmalen gemäß den jeweiligen unabhängigen
Patentansprüchen gelöst. Vorteilhafte Ausführungen der Erfindung sind Gegenstand der abhängigen Patentansprüche, der Beschreibung sowie der Figuren.
Ein erfindungsgemäßes Verfahren dient zum Herstellen einer Deckelbaugruppe für ein Zellgehäuse einer prismatischen Batteriezelle einer Hochvoltbatterie eines
Kraftfahrzeugs. Bei dem Verfahren wird zumindest ein Zellterminal mit einem ersten Terminalbereich zum elektrischen Verbinden mit einem sich in einem Gehäuseinneren des Zellgehäuses befindlichen Zellwickel und einem zweiten Terminalbereich zum elektrischen Verbinden mit einem zellexternen Anschluss sowie eine Deckelplatte mit zumindest einer Durchgangsöffnung zum Abdecken des Zellgehäuses bereitgestellt. Außerdem wird ein Spritzgießwerkzeug bereitgestellt, bei welchem im eingelegten Zustand der Deckelplatte und des Zellterminals der erste Terminalbereich in der Durchgangsöffnung angeordnet ist, eine Unterseite des zweiten Terminalbereiches und eine Oberseite der Deckelplatte in einem Überlappungsbereich überlappen, und eine umschlagförmige Kavität in dem Überlappungsbereich, zwischen einem Innenrand der Durchgangsöffnung und dem ersten Terminalelement sowie zwischen der Unterseite der Deckelplatte und dem Spritzgießwerkzeug gebildet ist. Außerdem werden
Oberflächenbereiche der Deckelplatte und des Zellterminals, welche in dem eingelegten Zustand an die Kavität angrenzen, vorbestimmt und es wird zumindest bereichsweise eine Oberflächenstruktur mit Strukturelementen wird in den vorbestimmten
Oberflächenbereichen erzeugt. Schließlich werden die Deckelplatte und das Zellterminal in das Spritzgießwerkzeug eingelegt und ein Kunststoff wird in die Kavität eingespritzt, welcher sich unter Ausbildung einer umschlagförmigen Kunststoffschicht zum Abdichten des Gehäuseinneren gegenüber einem Gehäuseäußeren mit den Strukturelementen formschlüssig verbindet.
Die Deckelplatte, ein Gehäusemantel und eine Bodenplatte bilden das Zellgehäuse für die prismatische Batteriezelle. Die Deckelplatte und die Bodenplatte sind insbesondere als rechteckförmige, plattenförmige Elemente ausgebildet, sodass ein
flachquaderförmiges Zellgehäuse gebildet wird. Das Zellgehäuse ist dabei insbesondere aus einem metallischen Werkstoff, beispielsweise Aluminium, gebildet. Die Deckelplatte weist insbesondere zwei Durchgangsöffnungen für zwei Zellterminals auf. Die
Zellterminals werden also durch die Deckelplatte hindurchgeführt. Ein erstes Zellterminal wird mit einer Anode des Zellwickels elektrisch verbunden und ein zweites Zellterminal wird mit einer Kathode des Zellwickels elektrisch verbunden. Insbesondere sind das mit der Anode elektrisch verbundene Zellterminal zumindest bereichsweise aus Kupfer und das mit der Kathode elektrisch verbundene Zellterminal zumindest bereichsweise aus Aluminium gebildet.
Jedes Zellterminal ist insbesondere monolithisch ausgebildet und weist einen T-Stück- förmigen Querschnitt auf, wobei der zweite Terminalbereich plattenförmig ausgebildet ist und wobei der erste Terminalbereich stegförmig ausgebildet ist und an einer Unterseite des zweiten Terminalbereichs angeordnet ist. Im eingelegten Zustand der Einlegeteile, also des Zellterminals und der Deckelplatte, in dem Spritzgießwerkzeug ist der plattenförmige zweite Terminalbereich im Wesentlichen parallel zu der Oberseite der Deckelplatte orientiert und der stegförmige erste Terminalbereich ist im Wesentlichen senkrecht zu der Oberseite der Deckelplatte orientiert.
Zumindest eines der Zellterminals wird nun in einem Spritzgussverfahren mit einem Kunststoff umspritzt. Insbesondere wird eines der Zellterminals, insbesondere das anodenseitige Zellterminal, mit einem elektrisch isolierenden Kunststoff umspritzt, während das andere Zellterminal, insbesondere das kathodenseitige Zellterminal, mit einem elektrisch leitfähigen Kunststoff umspritzt wird. Dadurch wird das anodenseitige Zellterminal elektrisch von dem Zellgehäuse isoliert, während das kathodenseitige Zellterminal auf dem Potential des Zellgehäuses liegt. Durch das Umspritzen mit dem Kunststoff wird das Zellterminal außerdem mechanisch an der Deckelplatte befestigt. Um zusätzlich eine besonders hohe Dichtigkeit zwischen dem Gehäuseinneren und dem Gehäuseäußeren bereitzustellen, wird das Spritzgießwerkzeug bzw. die Spritzgussform derart hergestellt, dass der Kunststoff nicht nur in den Überlappungsbereich zwischen der Unterseite des zweiten Terminalbereiches und der Oberseite der Deckelplatte sowie in den Bereich zwischen dem Innenrand der Durchgangsöffnung und dem ersten
Terminalbereich fließt, sondern darüber hinaus auch die Unterseite der Deckelplatte bedeckt. Anders ausgedrückt bildet die Kunststoffschicht nach Einspritzen des
Kunststoffs in das Spritzgießwerkzeug nicht nur einen L-förmigen, an der
Durchgangsöffnung abknickenden Falz, sondern wird zu einem U-förmigen Falz bzw. Umschlag erweitert, welcher auch zumindest bereichsweise an der Unterseite der Deckelplatte haftet. Die Druckplatte wird also bereichsweise beidseitig mit dem Kunststoff beschichtet.
Um die Haftung zwischen Kunststoff und Zellterminal sowie Kunststoff und Deckelplatte zu verbessern, werden insbesondere diejenigen Oberflächenbereiche des Zellterminals und der Deckelplatte mit der Oberflächenstruktur versehen, welche in dem
Spritzgießwerkzeug der Kavität zugewandt sind. Dazu werden diese Oberflächenbereiche des Zellterminals und der Deckelplatte vorbestimmt, welche im eingelegten Zustand der Einlegeteile angrenzend an die Kavität ausgebildet sind. In diesen Oberflächenbereichen werden nun die Strukturelemente erzeugt. Die Strukturelemente weisen insbesondere Abmessungen im Nanometer- oder Mikrometerbereich auf und können beispielsweise als Poren, Kapillare, Schnitte und/oder Vorsprünge ausgebildet werden. Vorzugsweise wird die Oberflächenstruktur zumindest teilweise mit Hinterschneidungen hergestellt. Beim Einspritzen des Kunststoffs über das Spritzgießwerkzeug in die Kavität fließt der zu diesem Zeitpunkt noch flüssige Kunststoff über die Strukturelemente und verbindet sich beim Erstarren bzw. Aushärten des Kunststoffs mit diesen zumindest formschlüssig. Durch das Strukturieren der betreffenden Oberflächenbereiche des Zellterminals und der Deckelplatte kann insbesondere auf weitere Fügemittel, wie Klebstoff oder dergleichen, verzichtet werden, da der Kunststoff und die betreffenden Oberflächenbereiche eine besonders stabile, effektive und ganzflächige Verbindung ausbilden.
Durch das Verfahren kann eine besonders dichte Verbindung zwischen der Deckelplatte und dem Zellterminal über den Kunststoff hergestellt werden. Unter einer besonders dichten Verbindung ist insbesondere eine Verbindung zu verstehen, welche zumindest heliumleckdicht ist. Somit kann eine besonders langlebige Hochvoltbatterie für ein Kraftfahrzeug bereitgestellt werden.
Zusätzlich kann vorgesehen sein, dass der Durchgangsöffnung zugewandte Kanten des ersten Terminalbereichs abgeschrägt ausgebildet werden. Durch die Schrägung des ersten Terminalbereichs kann auf einfache Weise eine formschlüssige Verbindung erzeugt werden.
Der in die Kavität eingespritzte Kunststoff kann dabei ein Thermoplast oder ein Elastomer oder ein thermoplastischer Elastomer sein. Vorzugsweise wird in die Kavität ein
Kunststoff in Form von einem Duroplasten eingespritzt. Duroplaste sind Kunststoffe, die nach ihrer Aushärtung durch Erwärmung oder andere Maßnahmen nicht mehr verformt werden können. Duroplaste sind besonders kostengünstig und weisen eine gute
T emperaturbeständigkeit auf. Gemäß einer Ausführungsform der Erfindung wird zumindest eines der Strukturelemente in dem an die Kavität angrenzenden Oberflächenbereich der Druckplatte als ein Kanal zwischen der Oberseite und der Unterseite der Druckplatte ausgebildet. Das zumindest eine Strukturelement ist somit ein Loch in der Deckelplatte, durch welches Kunststoff beim Einspritzen von der einen Seite der Druckplatte zur anderen Seite der Druckplatte fließen kann, sodass die Druckplatte zuverlässig beidseitig mit dem Kunststoff beschichtet werden kann.
In einer Weiterbildung des Verfahrens wird das Spritzgießwerkzeug während des Einspritzens mit einem vorbestimmten Temperaturprofil temperiert. Insbesondere wird das Spritzgießwerkzeug während des Einspritzens des Kunststoffs beheizt, sodass eine Temperatur des Spritzgießwerkzeugs einen vorbestimmten ersten
T emperaturschwellwert überschreitet. Durch das Aufheizen des Spritzgießwerkzeugs werden die metallischen Einlegeteile erwärmt. So kann sich der Kunststoff besonders gut in der Kavität ausbreiten und ein vorzeitiges Erstarren des Kunststoffs kann verhindert werden. Im Falle, dass als der Kunststoff ein Duroplast verwendet wird, wird das
Spritzgießwerkzeug insbesondere nur geheizt. Im Falle, dass ein anderer Kunststoff, beispielsweise ein Thermoplast oder ein thermoplastisches Elastomer, verwendet wird, kann vorgesehen sein, dass das Spritzgießwerkzeug nach dem Einspritzen gekühlt wird, sodass die Temperatur des Spritzgießwerkzeugs einen vorbestimmten zweiten
T emperaturschwellwert unterschreitet. Nachdem sich der Kunststoff in Form von derm Thermoplasten oder dem thermoplastischen Elastomer ausreichend in der Kavität verteilt hat, kann das Spritzgießwerkzeug gekühlt werden, sodass der Kunststoff erstarren kann und die Kavität abdichten kann. Dazu kann das Spritzgießwerkzeug in einem
Kühlmittelkreislauf angeordnet werden. Der Spritzgussprozess stellt somit eine
Kombination aus thermischen Fügen und Spritzgussprozess dar.
Besonders bevorzugt werden die Strukturelemente der Oberflächenstruktur mittels eines Lasers hergestellt. Mittels Lasertechnik können auf besonders einfache Weise
Oberflächenstrukturen, insbesondere mit Hinterschneidungen, hergestellt werden.
Insbesondere wird die Oberflächenstruktur aus einem Oxid eines jeweiligen Werkstoffs der Deckelplatte und des Zellterminals hergestellt. Beispielsweise kann die
Oberflächenstruktur durch Oxidieren der Oberfläche der Deckelplatte und des
Zellterminals, beispielsweise mittels des Lasers, schnell und einfach erzeugt werden. Es erweist sich als vorteilhaft, wenn ein Dichtungsring in der Kavität an dem Zellterminal angeordnet wird, welcher beim Einspritzen des Kunststoffs in die Kavität umspritzt wird und einen über eine Grenzfläche zwischen dem Kunststoff und dem Zellterminal gebildeten Verbindungspfad zwischen Gehäuseinnerem und Gehäuseäußerem blockiert. Der Dichtungsring wird insbesondere an dem anodenseitigen, Kuper aufweisenden Zellterminal angeordnet, für den Fall, dass eine Verbindung zwischen Kunststoff und Kupfer nicht ausreichend dicht ist. Der Dichtungsring kann beispielsweise den
stegförmigen Terminalbereich umgebend ausgebildet sein. Insbesondere wird in dem ersten Terminalbereich eine Nut für den Dichtungsring hergestellt und der Dichtungsring wird in der Nut angeordnet. Durch den Druck im Spritzgussprozess wird der
Dichtungsring vorgespannt. Durch den Dichtungsring kann eine Dichtwirkung erhöht werden und eine möglicherweise undichte Stelle in der Grenzschicht zwischen dem Kunststoff und dem Zellterminalbereich blockiert werden. So kann auf zuverlässige Weise verhindert werden, dass beispielsweise Feuchtigkeit in das mit der Deckelbaugruppe abgeschlossene Zellgehäuse eintritt oder Elektrolyt aus dem Zellgehäuse austritt.
Die Erfindung betrifft außerdem eine prismatische Batteriezelle für eine Hochvoltbatterie eines Kraftfahrzeugs mit einem Zellgehäuse aufweisend eine Deckelbaugruppe, welche durch ein erfindungsgemäßes Verfahren oder eine vorteilhafte Ausführungsform davon hergestellt ist, wobei die Deckelbaugruppe mit einem Gehäusemantel des Zellgehäuses verschweißt ist und der erste Terminalbereich über einen Stromableiter mit dem
Zellwickel elektrisch verbunden ist.
Eine erfindungsgemäße Hochvoltbatterie für ein Kraftfahrzeug umfasst zumindest eine erfindungsgemäße prismatische Batteriezelle. Die Hochvoltbatterie ist insbesondere eine Traktionsbatterie für ein elektrisch antreibbares Kraftfahrzeug, beispielsweise ein Elektro- oder Hybridfahrzeug.
Die mit Bezug auf das erfindungsgemäße Verfahren vorgestellten Ausführungsformen und deren Vorteile gelten entsprechend für die erfindungsgemäße Batteriezelle sowie für die erfindungsgemäße Hochvoltbatterie.
Weitere Merkmale der Erfindung ergeben sich aus den Ansprüchen, der Figuren und der Figurenbeschreibung. Die vorstehend in der Beschreibung genannten Merkmale und Merkmalskombinationen sowie die nachfolgend in der Figurenbeschreibung genannten und/oder in den Figuren alleine gezeigten Merkmale und Merkmalskombinationen sind nicht nur in der jeweils angegebenen Kombination, sondern auch in anderen
Kombinationen oder in Alleinstellung verwendbar.
Die Erfindung wird nun anhand eines bevorzugten Ausführungsbeispiels sowie unter Bezugnahme auf die Zeichnungen näher erläutert.
Es zeigen: Fig. 1 eine schematische Darstellung einer Ausführungsform einer
erfindungsgemäßen Batteriezelle; und
Fig. 2 die erfindungsgemäße Batteriezelle gemäß Fig. 1 in einer
Explosionsdarstellung;
Fig. 3 eine Schnittdarstellung der erfindungsgemäßen Batteriezelle; und
Fig. 4a bis 4c Prozessschritte eines Verfahrens zum Herstellen einer
Deckelbaugruppe der erfindungsgemäßen Batteriezelle.
In den Figuren sind gleiche sowie funktionsgleiche Elemente mit den gleichen
Bezugszeichen versehen.
Fig. 1 zeigt eine prismatische Batteriezelle 1 für eine hier nicht gezeigte Hochvoltbatterie eines elektrisch antreibbaren Kraftfahrzeugs. In Fig. 2 ist die Batteriezelle 1 in einer Explosionsdarstellung gezeigt. In Fig. 3 ist ein Schnitt durch die Batteriezelle 1 entlang der Schnittlinie AA‘ gezeigt. Die Batteriezelle 1 weist ein Zellgehäuse 2 mit einem Gehäusemantel 3, einer Bodenplatte 4 und einer Deckelbaugruppe 5 auf. Das
Zellgehäuse 2 ist aus einem metallischen Werkstoff, beispielsweise Aluminium, gebildet. In einem Gehäuseinneren 6 des Zellgehäuses 2 wird ein hier nicht gezeigter Zellwickel angeordnet.
Die Deckelbaugruppe 5 weist eine Deckelplatte 7 sowie zwei Zellterminals 8, 9 auf. Das Zellterminal 8 wird beispielsweise mit einer Kathode des Zellwickels in Gehäuseinneren 6 des Zellgehäuses 2 verbunden und das Zellterminal 9 wird beispielsweise mit einer Anode des Zellwickels in Gehäuseinneren 6 des Zellgehäuses 2 verbunden. Die
Deckelplatte 7 weist hier außerdem eine Entgasungsöffnung 10 für eine Notentgasung der Batteriezelle 1 sowie eine Einfüllöffnung 1 1 für das Einfüllen eines Elektrolyten in das Gehäuseinnere 6 während der Herstellung der Batteriezelle 1 auf. Die Zellterminals 8, 9 weisen dabei einen ersten Terminalbereich 12 sowie einen zweiten Terminalbereich 13 auf. Der zweite Terminalbereich 13 ist plattenförmig ausgebildet und in einem
Gehäuseäußeren 14 außerdem des Gehäuseinneren 6 angeordnet. Der erste
Terminalbereich 12 ist stegförmig ausgebildet und in dem Gehäuseinneren 6 angeordnet. Dazu wird der erste Terminalbereich 12 durch eine Durchgangsöffnung 15 in der
Deckelplatte 7 hindurchgeführt. Der erste Terminalbereich 12 wird, beispielsweise über einen Stromableiter, mit einer Elektrode des Zellwickels elektrisch verbunden. Über den zweiten Terminalbereich 13, welcher elektrisch mit dem ersten Terminalbereich 12 verbunden ist, kann die Batteriezelle mit einem zellexternen Anschluss, beispielsweise dem Zellterminal einer anderen Batteriezelle der Hochvoltbatterie, verschaltet werden. Die Zellterminals 8, 9 können jeweils einstückig ausgebildet sein und eine T-Stück-förmigen Querschnitt aufweisen.
Dabei soll zumindest eines der Zellterminals 8, 9, beispielsweise das anodenseitige Zellterminal 9, elektrisch von der Deckelplatte 7 isoliert werden. Außerdem sollen die Zellterminals 8, 9 zuverlässig an der Deckelplatte 7 befestigt werden. Im
abgeschlossenen Zustand des Zellgehäuses 2, wie in Fig. 1 gezeigt, soll das Zellgehäuse 2 darüber hinaus besonders dicht sein. Insbesondere soll ein Stoffaustausch zwischen dem Gehäuseinneren 6 und dem Gehäuseäußeren 14 über undichte Stellen in der Durchgangsöffnung 15 verhindert werden. Dazu werden die Zellterminals 8, 9 über eine mittels eines Spritzgießverfahrens hergestellte Kunststoffschicht 16 mit der Deckelplatte 7 verbunden. Ein in Fig. 2 dargestellter, erhabener Bereich 17 der Kunststoffschicht 16 ist im zusammengesetzten Zustand der Deckelbaugruppe 5 in einem Überlappungsbereich 18 zwischen einer Unterseite 19 des zweiten Terminalbereichs 13 und einer Oberseite 20 der Deckelplatte 7 angeordnet. Der in Fig. 2 dargestellte flache Bereich 21 der
Kunststoffschicht 16 ist in dem zusammengesetzten Zustand an einer Unterseite 22 der Deckelplatte 7 angeordnet.
In Fig. 3 ist erkennbar, dass die Kunststoffschicht 16 im Bereich des Zellterminals 9 umschlagförmig ausgebildet ist. Es befindet sich also Kunststoff in dem
Überlappungsbereich 18, zwischen einem Innenrand 23 der Durchgangsöffnunfg15 und dem ersten Terminalbereich 12 sowie an der Unterseite 22 der Deckelplatte 7. Somit ist das Gehäuseinnere 6 besonders zuverlässig gegenüber dem Gehäuseäußeren 14 angedichtet. Der Kunststoff ist insbesondere ein Duroplast. Außerdem weisen
Oberflächenbereiche 24 der Deckelplatte 7 sowie des Zellterminals 8, 9, welche mit dem Kunststoff verbunden werden sollen, eine Oberflächenstruktur 25 mit Strukturelementen 26 auf. Diese Strukturelemente 26, welche beispielsweise mittels Laserstrukturierung hergestellt wurden, können eine form schlüssige Verbindung mit dem Kunststoff eingehen, sodass dieser besonders an den Oberflächenbereichen 24 haftet und eine insbesondere heliumleckdichte Verbindung bereitstellt. Die Strukturelemente 26 in der Deckelplatte 7 können beispielsweise teilweise als Kanäle 27 ausgebildet sein. Auch können die Strukturelemente 26 Poren, Hinterschneidungen, Vorsprünge oder dergleichen sein. Hier ist zusätzlich eine der Durchgangsöffnung 15 zugewandte Kante des ersten Terminalbereiches 12 abgeschrägt.
Außerdem kann, wie in Fig. 3 gezeigt, ein Dichtungsring 33 den dem ersten
Terminalbereich 12 angeordnet sein. Dazu kann in dem ersten Terminalbereich 12 eine Nut 34 vorgesehen sein, in welche der Dichtungsring 33 eingelegt wird. Dieser
Dichtungsring 33 wird dann mit dem Kunststoff umspritzt. Durch den Dichtungsring 33 wird verhindert, dass über eine Grenzschicht zwischen dem Kunststoff und dem
Zellterminal 9 ein Stoffaustausch zwischen Gehäuseinnerem 6 und Gehäuseäußerem 14 stattfindet. Der Dichtungsring 33 wird vor allem bei dem anodenseitigen Zellterminal 9, welches Kupfer aufweist, angeordnet, da eine Verbindung zwischen Kunststoff und Kupfer in Bezug auf eine Langzeitbeständigkeit kritisch sein kann.
Fig. 4a, 4b, 4c zeigen Prozessschritte zum Herstellen der Deckelbaugruppe 5. Dabei werden, wie in Fig. 4a gezeigt, die Zellterminals 8, 9 sowie die Deckelplatte 7 in ein erstes Formteil 28 eines Spritzgießwerkzeugs 29 eingelegt. Der eingelegte Zustand ist in Fig. 4b gezeigt. In Fig. 4c ist gezeigt, dass ein zweites Formteil 30 des Spritzgießwerkzeugs 29 mit Kanälen 31 auf dem ersten Formteil 28 mit der Deckelplatte 7 und den Zellterminals 8, 9 angeordnet sind. Das Spritzgießwerkzeug 29 ist derart ausgebildet, dass sich eine umschlagförmige Kavität 32 ausgebildet, welche durch einen Zwischenraum zwischen der Unterseite 19 des zweiten Terminalbereiches 13 und der Oberseite 20 der Deckelplatte 7, durch einen Zwischenraum zwischen dem Innenrand 23 der Durchgangsöffnung 15 und dem ersten Terminalbereich 12 und durch einen Zwischenraum zwischen der Unterseite 22 der Deckelplatte 7 und dem Spritzgießwerkzeug 29 gebildet ist. Die
Oberflächenbereiche 24, welche an die Kavität 32 angrenzen, wurden vor dem Einlegen der Deckelplatte 7 und der Zellterminals 8, 9 in das Spritzgießwerkzeug 29 zumindest bereichsweise mit der Oberflächenstruktur 25 versehen.
Über die Kanäle 31 wird nun der verflüssigte Kunststoff in das Spritzgießwerkzeug 29 eingebracht, welcher in die Kavität 32 fließt und dort mit die Kavität 32 ausfüllt sowie eine formschlüssige Verbindung mit den Strukturelementen 26 eingeht. Während der Prozessschritte 4a, 4b ,4c kann das Spritzgießwerkzeug 29 temperiert, beispielsweise geheizt werden, um zu gewährleisten, dass die Kavität 32 vor Erstarren des Kunststoffs vollständig ausgefüllt ist. Zum Beschleunigen der Verfestigung des Kunststoffs kann das Spritzgießwerkzeug 29 nach dem Einspritzvorgang gekühlt werden.
Bezugszeichenliste
Batteriezelle
Zellgehäuse
Gehäusemantel
Bodenplatte
Deckelbaugruppe
Gehäuseinneres
Deckelplatte
, 9 Zellterminals
0 Entgasungsöffnung
1 Einfüllöffnung
2 erster Terminalbereich
3 zweiter Terminalbereich
4 Gehäuseäußeres
5 Durchgangsöffnung
6 Kunststoffschicht
7 erhabene Bereiche
8 Überlappungsbereich
9 Unterseite des zweiten Terminalbereiches0 Oberseite der Deckelplatte
1 flacher Bereich
2 Unterseite der Deckelplatte
3 Innenrand
4 Oberflächenbereiche
5 Oberflächenstruktur
6 Strukturelemente
7 Kanäle
8 erstes Formteil
9 Spritzgießwerkzeug
0 zweites Formteil
1 Kanal
2 Kavität
3 Dichtungsring
4 Nut

Claims

Patentansprüche
1. Verfahren zum Herstellen einer Deckelbaugruppe (5) für ein Zellgehäuse (2) einer prismatischen Batteriezelle (1 ) einer Hochvoltbatterie eines Kraftfahrzeugs, mit den Schritten:
Bereitstellen zumindest eines Zellterminals (8, 9) mit einem ersten
Terminalbereich (12) zum elektrischen Verbinden mit einem sich in einem
Gehäuseinneren (6) des Zellgehäuses (2) befindlichen Zellwickel und einem zweiten Terminalbereich (13) zum elektrischen Verbinden mit einem zellexternen Anschluss;
Bereitstellen einer zumindest eine Durchgangsöffnung (15) aufweisenden Deckelplatte (7) zum Abdecken des Zellgehäuses (2);
Bereitstellen eines Spritzgießwerkzeuges (29), bei welchem im eingelegten Zustand der Deckelplatte (7) und des Zellterminals (8, 9)
• der erste Terminalbereich (12) in der Durchgangsöffnung (15) angeordnet ist,
• eine Unterseite (19) des zweiten Terminalbereiches (13) und eine Oberseite (20) der Deckelplatte (7) in einem Überlappungsbereich (18) überlappen, und
• eine umschlagförmige Kavität (32) in dem Überlappungsbereich (18),
zwischen einem Innenrand (23) der Durchgangsöffnung (15) und dem ersten Terminalelement (12) sowie zwischen der Unterseite (22) der Deckelplatte (7) und dem Spritzgießwerkzeug (29) gebildet ist;
Vorbestimmen von Oberflächenbereichen (24) der Deckelplatte (7) und des Zellterminals (8, 9), welche in dem eingelegten Zustand an die Kavität (32) angrenzen;
zumindest bereichsweises Erzeugen einer Oberflächenstruktur (25) mit
Strukturelementen (26) in den vorbestimmten Oberflächenbereichen (24);
Einlegen der Deckelplatte (7) und des Zellterminals (8, 9) in das
Spritzgießwerkzeug (29) und Einspritzen eines Kunststoffs in die Kavität (32), welcher sich zum Abdichten des Gehäuseinneren (6) gegenüber einem
Gehäuseäußeren (14) mit den Strukturelementen (26) formschlüssig verbindet.
2. Verfahren nach Anspruch 1 ,
dadurch gekennzeichnet, dass
der Durchgangsöffnung (15) zugewandte Kanten des ersten Terminalbereichs (12) abgeschrägt ausgebildet werden.
3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2,
dadurch gekennzeichnet, dass
in die Kavität (32) ein Kunststoff in Form von einem Duroplasten eingespritzt wird.
4. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche,
dadurch gekennzeichnet, dass
zumindest eines der Strukturelemente (26) in dem an die Kavität (32) angrenzenden Oberflächenbereich (24) der Druckplatte (7) als ein Kanal (27) zwischen der Oberseite (20) und der Unterseite (22) der Druckplatte (7) ausgebildet wird.
5. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche,
dadurch gekennzeichnet, dass
das Spritzgießwerkzeug (29) während des Herstellens der Deckelbaugruppe (7) mit einem vorbestimmten Temperaturprofil temperiert wird.
6. Verfahren nach Anspruch 5,
dadurch gekennzeichnet, dass
das Spritzgießwerkzeug (29) während des Einspritzens des Kunststoffs beheizt wird, sodass eine Temperatur des Spritzgießwerkzeugs (29) einen vorbestimmten ersten T emperaturschwellwert überschreitet.
7. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche,
dadurch gekennzeichnet, dass
die Strukturelemente (26) der Oberflächenstruktur (25) mittels eines Lasers hergestellt werden.
8. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche,
dadurch gekennzeichnet, dass
die Oberflächenstruktur (25) aus einem Oxid eines jeweiligen Werkstoffs der Deckelplatte (7) und des Zellterminals (8, 9) hergestellt wird.
9. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche,
dadurch gekennzeichnet, dass
ein Dichtungsring (33) in der Kavität (32) an dem Zellterminal (8, 9) angeordnet wird, welcher beim Einspritzen des Kunststoffs in die Kavität (32) umspritzt wird und einen über eine Grenzfläche zwischen dem Kunststoff und dem Zellterminal (8, 9) gebildeten Verbindungspfad zwischen Gehäuseinnerem (6) und Gehäuseäußerem (14) blockiert.
10. Verfahren nach Anspruch 9,
dadurch gekennzeichnet, dass
in dem ersten Terminalbereich (12) eine Nut (34) für den Dichtungsring (33) hergestellt wird und der Dichtungsring (33) in der Nut (34) angeordnet wird.
1 1. Prismatische Batteriezelle (1 ) für eine Hochvoltbatterie eines Kraftfahrzeugs mit
einem Zellgehäuse (2) aufweisend eine Deckelbaugruppe (5), welche durch ein Verfahren gemäß einem der vorhergehenden Ansprüche hergestellt ist, wobei die Deckelbaugruppe (5) mit einem Gehäusemantel (3) des Zellgehäuses (2) verschweißt ist und der erste Terminalbereich (12) über einen Stromableiter mit dem Zellwickel elektrisch verbunden ist.
12. Hochvoltbatterie für ein Kraftfahrzeug mit zumindest einer prismatischen Batteriezelle (1 ) nach Anspruch 1 1.
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