WO2022248144A1 - Rundzelle, batteriemodul und fahrzeug - Google Patents

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WO2022248144A1 PCT/EP2022/061111 EP2022061111W WO2022248144A1 WO 2022248144 A1 WO2022248144 A1 WO 2022248144A1 EP 2022061111 W EP2022061111 W EP 2022061111W WO 2022248144 A1 WO2022248144 A1 WO 2022248144A1
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round cell
round
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Alexander Müller
Patrick Wittmann
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Mercedes-Benz Group AG
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Definitions

  • the invention relates to a round cell of the type defined in more detail in the preamble of claim 1, as well as a battery module and a vehicle.
  • Battery-powered vehicles store the electricity required by electric motors in a so-called traction battery.
  • a traction battery can include one or more battery modules.
  • Such a battery module in turn typically includes a large number of individual galvanic cells.
  • a galvanic cell that is used particularly frequently to form traction batteries is the so-called round cell. This consists of a metal cup enclosing a cell coil and a lid sealing the cup against the environment. Typically, the cup and the lid each form a battery pole.
  • the cup can form both the positive pole and the negative pole of the round cell.
  • the lid can also have the plus or
  • the positive pole is usually made of aluminum and the negative pole is made of copper, steel or nickel-plated steel.
  • the round cells are connected via so-called cell connectors.
  • the cell connectors are mostly made of aluminum manufactured. Since copper and aluminum are difficult to connect, for example by means of welding, a process for connecting a plurality of round cells is particularly complex and expensive, and there is a risk that individual contacts will be of poor quality. This can lead to the contacts coming loose during operation or to an excessively high electrical resistance between two cells connected via a cell connector.
  • the present invention is based on the object of specifying an improved round cell which can be connected in parallel and/or in series with other round cells in a particularly reliable manner, which is particularly light and which can be installed easily and inexpensively.
  • this object is achieved by a round cell having the features of claim 1.
  • Advantageous refinements and developments as well as a battery module with such a round cell and a vehicle with such a battery module result from the dependent claims.
  • contact points of the positive pole and the negative pole that reach towards the outside of the cell comprise aluminum or an aluminum alloy.
  • the round cell according to the invention has a positive pole and a negative pole made from the same material.
  • aluminum is also used to form cell connectors.
  • the round cell according to the invention can thus be connected up in a particularly simple, cost-effective and reliable manner.
  • a cell connector can be welded to such a round cell. Any pairing of materials that occurs is always aluminum on aluminum. This enables a particularly simple welding process and enables reliable welded joints to be produced. This allows cell connectors to be designed in a geometrically simpler and more compact manner. Weight can be saved by reducing material.
  • An advantageous development of the round cell provides that the contact point of the negative pole, which reaches into the interior of the cell, comprises copper or a copper alloy.
  • the cell coil included in a round cell typically includes one or more copper foils.
  • a copper collector of the cell winding is connected to a negative pole containing aluminum inside the round cell.
  • a material transition of the negative pole lies within a cover assembly.
  • the negative pole can be made comparatively compact, which means that the weight of the round cell can be reduced.
  • Battery modules and traction batteries can thus be designed more easily, as a result of which the energy consumption of a vehicle during operation can be reduced.
  • An electrically non-conductive seal can be fitted between the cover assembly and the negative pole for insulation.
  • a further advantageous embodiment of the round cell also provides that the negative pole is made from at least two individual parts which are joined by friction welding or casting.
  • the part of the negative pole made of copper and the part of the negative pole made of aluminum can be connected particularly easily and reliably by friction welding and casting.
  • friction welding is suitable for large-scale production.
  • the negative pole is preferably set up to have an electrical resistance within a defined tolerance range for at least 10 years. Aging can increase the electrical resistance of individual electronic components over time. A power delivered by a battery module thus falls. Such a drop in performance must be prevented as far as possible.
  • Appropriate protective measures can slow down the aging process of the negative pole, i.e. the material combination of copper and aluminum. This prevents the resistance of the negative pole from increasing too quickly.
  • the specified tolerance range can correspond to a value of 0.1 ohms per year, for example.
  • the round cell according to the invention is designed in such a way that sufficient mechanical strength or resilience is ensured for the intended service life.
  • a battery module comprises at least one round cell as described above.
  • a vehicle preferably includes a battery module with at least one such round cell.
  • the vehicle can be any vehicle such as a car, van, bus, construction machine or the like.
  • the vehicle can be designed as a purely battery-powered vehicle or as a hybrid vehicle.
  • the hybrid vehicle in turn, can also be designed as a plug-in hybrid. In such a vehicle, the traction battery can be used reliably over a comparatively long service life range.
  • the only figure shows a schematic sectional view through a round cell according to the invention in a partially exploded view.
  • the only attached figure 1 shows a round cell 1 according to the invention.
  • This comprises a cup 4 which encloses a cell coil 5 in some areas.
  • the cup 4 has an opening on one end, which is closed by a cover assembly 2 .
  • the representation of the figure shows a partially exploded round cell 1, in which the cover assembly 2 is shown lifted from the cup 4.
  • the cup 4 and the cover assembly 2 are made of aluminum and form a positive pole +.
  • a negative pole - the round cell 1 is formed by two items 3.1 and 3.2.
  • the two individual parts 3.1 and 3.2 are let into the cover assembly 2 via a seal 6 for electrical insulation.
  • a first individual part 3.1 comprises aluminum or an aluminum alloy and is oriented towards the outside of the cell.
  • a second individual part 3.2 comprises copper or a copper alloy and is oriented in the direction of the interior of the cell.
  • the second item 3.2 is electrically conductively connected to a copper collector 7 of the cell coil 5 .
  • the contact between the copper conductor 7 and the second individual part 3.2 can be produced, for example, by welding.
  • a cell connector 8 comprising aluminum or an aluminum alloy is electrically conductively contacted with the first individual part 3.1. This contact can also be made, for example, by welding.
  • a cell connector 8 is also electrically conductively contacted with the positive pole + of the round cell 1.
  • the positive cell connector 8 is connected to the lid assembly 2 . In general, however, it is also possible for the positive pole + to be in contact with a corresponding cell connector 8 in the area of the cup 4 .
  • round cells 1 can be connected up in a particularly simple, cost-effective and reliable manner. Since both the positive pole + and the negative pole - include the same material, work steps for connecting a plurality of round cells 1 can be simplified. In addition, only pairs of materials made of the same material are required, which are easier to produce than pairs of materials made of different materials and which can also be designed to be more reliable both mechanically and electrically conductively.

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Abstract

Die erfindungsgemäß betrifft eine Rundzelle (1) mit einem Pluspol (+) und einem Minuspol (-), wobei der Pluspol (+) und der Minuspol (-) zumindest bereichsweise aus dem gleichen Material gefertigt sind. Die erfindungsgemäße Rundzelle ist dadurch gekennzeichnet, dass in Richtung eines Zelläußeren reichende Kontaktstellen des Pluspols (+) und des Minuspols (-) Aluminium oder eine Aluminiumlegierung umfassen.

Description

Rundzelle, Batteriemodul und Fahrzeug
Die Erfindung betrifft eine Rundzelle nach der im Oberbegriff von Anspruch 1 näher definierten Art sowie ein Batteriemodul und ein Fahrzeug.
Batterieelektrisch angetriebene Fahrzeuge speichern den von Elektromotoren benötigten Strom in einer sogenannten Traktionsbatterie. Eine solche Traktionsbatterie kann ein oder mehrere Batteriemodule umfassen. Ein solches Batteriemodul wiederum umfasst typischerweise eine Vielzahl einzelner galvanischer Zellen. Eine besonders häufig zur Ausbildung von Traktionsbatterien verwendete galvanische Zelle ist die sogenannte Rundzelle. Diese besteht aus einem einen Zellwickel umschließenden metallenen Becher und einem den Becher gegenüber der Umgebung abschließenden Deckel. Dabei bilden typischerweise der Becher und der Deckel jeweils einen Batteriepol aus.
Aus dem allgemeinen Stand der Technik sind verschiedene Ausführungsformen von solchen Rundzellen bekannt. Dabei kann der Becher sowohl den Pluspol als auch den Minuspol der Rundzelle ausbilden. Analog kann auch der Deckel den Plus- bzw.
Minuspol ausbilden. Es sind Rundzellen bekannt, bei denen sowohl der Becher, als auch der Deckel vernickelten Stahl umfassen. Häufig weisen der Plus- und der Minuspol jedoch verschiedene Werkstoffe auf, um eine günstig herzustellende Materialpaarung zwischen den von der Rundzelle umfassten Zellwickel sowie den jeweiligen Plus- und Minuspol hersteilen zu können. So ist meist der Pluspol aus Aluminium gefertigt und der Minuspol aus Kupfer, Stahl oder vernickeltem Stahl.
Zur Erhöhung einer Kapazität bzw. einer Spannung eines Batteriemoduls werden mehrere Rundzellen in Reihe bzw. parallel geschaltet. Eine Verbindung der Rundzellen erfolgt dabei über sogenannte Zellverbinder. Die Zellverbinder sind meist aus Aluminium gefertigt. Da Kupfer und Aluminium, beispielsweise mittels Schweißen, nur schwer verbindbar sind, ist ein Prozess zum Verschalten mehrerer Rundzellen besonders aufwändig, teuer und es besteht das Risiko, dass einzelne Kontaktierungen in unzureichender Qualität ausgeführt werden. Dies kann dazu führen, dass sich die Kontaktierungen während dem Betrieb lösen oder ein übermäßig hoher elektrischer Widerstand zwischen zwei über einen Zellverbinder verbundenen Zellen vorliegt.
Der vorliegenden Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine verbesserte Rundzelle anzugeben, welche besonders zuverlässig mit weiteren Rundzellen parallel und/oder in Reihe verschaltet werden kann, die besonders leicht ist und die einfach und kostengünstig verbaut werden kann.
Erfindungsgemäß wird diese Aufgabe durch eine Rundzelle mit den Merkmalen des Anspruchs 1 gelöst. Vorteilhafte Ausgestaltungen und Weiterbildungen sowie ein Batteriemodul mit einer solchen Rundzelle und ein Fahrzeug mit einem solchen Batteriemodul ergeben sich aus den hiervon abhängigen Ansprüchen.
Bei einer Rundzelle mit einem Pluspol und einem Minuspol, wobei der Pluspol und der Minuspol zumindest bereichsweise aus dem gleichen Material gefertigt sind, umfassen erfindungsgemäß in Richtung eines Zelläußeren reichende Kontaktstellen des Pluspols und des Minuspols Aluminium oder eine Aluminiumlegierung.
Die erfindungsgemäße Rundzelle weist einen Pluspol und einen Minuspol auf, die aus demselben Material gefertigt sind. Typischerweise wird Aluminium auch zur Ausbildung von Zellverbindern genutzt. Somit lässt sich die erfindungsgemäße Rundzelle besonders einfach, kostengünstig und zuverlässig verschalten. Beispielsweise kann ein Zellverbinder mit einer solchen Rundzelle verschweißt werden. Eine dabei auftretende Werkstoffpaarung erfolgt immer durch Aluminium auf Aluminium. Dies ermöglicht einen besonders einfachen Schweißvorgang und ermöglicht die Herstellung zuverlässiger Schweißverbindungen. Dies erlaubt es Zellverbinder geometrisch einfacher und kompakter auszuführen. Durch Reduktion von Material lässt sich damit Gewicht einsparen. Eine vorteilhafte Weiterbildung der Rundzelle sieht vor, dass die in ein Zellinneres reichende Kontaktstelle des Minuspols Kupfer oder eine Kupferlegierung umfasst. Der von einer Rundzelle umfasste Zellwickel umfasst typischerweise eine oder mehrere Kupferfolien. Bei der erfindungsgemäßen Rundzelle erfolgt eine Verbindung eines Kupferableiters des Zellwickels zu einem Aluminium aufweisenden Minuspol innerhalb der Rundzelle. Somit wird eine vergleichsweise schwierige Kontaktierung von Mischmaterialien aus einem Produktionsprozess eines Batteriemoduls in einen Herstellungsprozess von Batteriezellen verlagert. Kommt es zu einer fehlerhaften Verbindung der Mischmaterialien, so stellt dieses im Falle einer einzelnen unzureichend hergestellten Rundzelle ein geringeres Behinderungspotenzial für den Herstellungsprozess dar. So kann eine einzelne Rundzelle einfacher und schneller ausgetauscht werden als ein Batteriemodul. Zudem kann eine fehlerhafte Kontaktierung schneller aufgefunden werden. So kann jede Rundzelle nach ihrer Herstellung auf eine korrekte Funktionsweise überprüft und bei Bedarf ausgetauscht werden. Bei einem Batteriemodul sind hingegen aufwändig sämtliche Kontaktierungen zwischen Zellverbinder und Batteriepolen auf eine korrekte Ausführung hin zu überprüfen. Eine fehlerhafte Kontaktierung lässt sich aufgrund einer schwierigen Zugänglichkeit dann nur mit Aufwand beheben.
Entsprechend einerweiteren vorteilhaften Ausgestaltung der erfindungsgemäßen Rundzelle liegt ein Materialübergang des Minuspols innerhalb einer Deckelbaugruppe. Hierdurch lässt sich der Minuspol vergleichsweise kompakt ausführen, wodurch ein Gewicht der Rundzelle verringert werden kann. Somit lassen sich Batteriemodule und Traktionsbatterien leichter ausführen, wodurch ein Energieverbrauch eines Fahrzeugs im Betrieb gesenkt werden kann. Zur Isolation kann eine elektrisch nicht-leitende Dichtung zwischen Deckelbaugruppe und Minuspol angebracht werden.
Eine weitere vorteilhafte Ausgestaltung der Rundzelle sieht ferner vor, dass der Minuspol aus wenigstens zwei Einzelteilen gefertigt ist, welche durch Reibschweißen oder Gießen gefügt sind. Durch Reibschweißen sowie Gießen lassen sich der aus Kupfer bestehende Teil des Minuspols und der aus Aluminium bestehende Teil des Minuspols besonders einfach und zuverlässig verbinden. Insbesondere Reibschweißen eignet sich hierbei für eine Fertigung in Großserie. Bevorzugt ist der Minuspol dazu eingerichtet, einen innerhalb eines festgelegten Toleranzbereichs liegenden elektrischen Widerstand für wenigstens 10 Jahre aufzuweisen. Durch Alterung kann ein elektrischer Widerstand einzelner elektronischer Komponenten mit der Zeit zunehmen. Somit sinkt eine von einem Batteriemodul abgegebene Leistung. Einen solchen Leistungseinbruch gilt es nach Möglichkeiten zu verhindern. Durch entsprechende Schutzmaßnahmen lässt sich der Alterungsprozess des Minuspols, sprich der Materialpaarung aus Kupfer und Aluminium, verlangsamen. Somit wird verhindert, dass der Widerstand des Minuspols zu schnell zunimmt. Der festgelegte Toleranzbereich kann dabei beispielsweise einen Wert von 0,1 Ohm pro Jahr entsprechen. Ferner wird die erfindungsgemäße Rundzelle aus ausgeführt, dass auch eine ausreichende mechanische Festigkeit , beziehungsweise Belastbarkeit für die vorgesehene Lebensdauer gewährleistet wird.
Erfindungsgemäß umfasst ein Batteriemodul wenigstens eine im vorigen beschriebene Rundzelle.
Bevorzugt umfasst ein Fahrzeug ein Batteriemodul mit wenigstens solch einer Rundzelle. Bei dem Fahrzeug kann es sich um ein beliebiges Fahrzeug wie einen Pkw, Transporter, Bus, eine Baumaschine oder dergleichen handeln. Das Fahrzeug kann als rein batterieelektrisch angetriebenes Fahrzeug ausgeführt sein oder auch als Hybridfahrzeug. Das Hybridfahrzeug wiederum kann auch als Plugin-Hybrid ausgestaltet sein. Bei einem solchen Fahrzeug kann die Traktionsbatterie über einen vergleichsweise langen Lebensdauerbereich zuverlässig eingesetzt werden.
Weitere vorteilhafte Ausgestaltungen der erfindungsgemäßen Rundzelle ergeben sich auch aus dem Ausführungsbeispiel, welches nachfolgend unter Bezugnahme auf die Figur näher beschrieben wird.
Dabei zeigt die einzige Figur eine schematische Schnittansicht durch eine erfindungsgemäße Rundzelle in einer teilexplodierten Darstellung.
Die einzige beigefügte Figur 1 zeigt eine erfindungsgemäße Rundzelle 1. Diese umfasst einen Becher 4, der einen Zellwickel 5 bereichsweise umschließt. Der Becher 4 weist an einer Stirnseite eine Öffnung auf, die durch eine Deckelbaugruppe 2 verschlossen ist. Die Darstellung der Figur zeigt eine teilexplodierte Rundzelle 1, in der die Deckelbaugruppe 2 vom Becher 4 abgehoben dargestellt ist. Der Becher 4 sowie die Deckelbaugruppe 2 sind aus Aluminium gefertigt und bilden einen Pluspol + aus.
Ein Minuspol - der Rundzelle 1 wird von zwei Einzelteilen 3.1 und 3.2 ausgebildet. Zur elektrischen Isolation sind die beiden Einzelteile 3.1 und 3.2 über eine Dichtung 6 in die Deckelbaugruppe 2 eingelassen. Ein erstes Einzelteil 3.1 umfasst Aluminium oder eine Aluminiumlegierung und ist in Richtung eines Zelläußeren orientiert. Ein zweites Einzelteil 3.2 umfasst Kupfer oder eine Kupferlegierung und ist in Richtung eines Zellinneren orientiert. Das zweite Einzelteil 3.2 ist mit einem Kupferableiter 7 des Zellwickels 5 elektrisch leitend verbunden. Die Kontaktierung zwischen dem Kupferableiter 7 und dem zweiten Einzelteil 3.2 kann beispielsweise durch Schweißen hergestellt werden.
Analog ist ein Aluminium bzw. eine Aluminiumlegierung umfassender Zellverbinder 8 mit dem ersten Einzelteil 3.1 elektrisch leitend kontaktiert. Auch diese Kontaktierung kann beispielsweise durch Schweißen hergestellt werden. Zur elektrischen Verschaltung der Rundzelle 1 ist ebenfalls ein Zellverbinder 8 mit dem Pluspol + der Rundzelle 1 elektrisch leitend kontaktiert. In der Figur ist der positive Zellverbinder 8 an die Deckelbaugruppe 2 angeschlossen. Generell ist es jedoch auch möglich, dass der Pluspol + mit einem entsprechenden Zellverbinder 8 im Bereich des Bechers 4 kontaktiert ist.
Mit Hilfe der erfindungsgemäßen Rundzelle 1 ist ein besonders einfaches, kostengünstiges und zuverlässiges Verschalten von Rundzellen 1 möglich. Da sowohl der Pluspol + als auch der Minuspol - das gleiche Material umfassen, können Arbeitsschritte zum Verschalten mehrerer Rundzellen 1 vereinfacht werden. Zudem sind lediglich Materialpaarungen aus demselben Material erforderlich, welche einfacher herzustellen sind als Materialpaarungen aus unterschiedlichen Materialien und die zudem sowohl mechanisch als auch elektrisch leitend zuverlässiger ausgestaltet werden können.

Claims

Patentansprüche
1. Rundzelle (1) mit einem Pluspol (+) und einem Minuspol (-), wobei der Pluspol (+) und der Minuspol (-) zumindest bereichsweise aus dem gleichen Material gefertigt sind, dadurch gekennzeichnet, dass in Richtung eines Zelläußeren reichende Kontaktstellen des Pluspols (+) und des Minuspols (-) Aluminium oder eine Aluminiumlegierung umfassen.
2. Rundzelle (1) nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die in ein Zellinneres reichende Kontaktstelle des Minuspols (-) Kupfer oder eine Kupferlegierung umfasst.
3. Rundzelle (1) nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass ein Materialübergang des Minuspols (-) innerhalb einer Deckelbaugruppe (2) liegt.
4. Rundzelle (1) nach Anspruch 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, dass der Minuspol (-) aus wenigstens zwei Einzelteilen (3.1, 3.2) gefertigt ist, welche durch Reibschweißen oder Gießen gefügt sind.
5. Rundzelle (1) nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass der Minuspol (-) dazu eingerichtet ist einen innerhalb eines festgelegten Toleranzbereichs liegenden elektrischen Widerstand für wenigstens zehn Jahre aufzuweisen.
6. Batteriemodul, gekennzeichnet durch wenigstens eine Rundzelle (1) nach einem der Ansprüche 1 bis 5.
7. Fahrzeug, gekennzeichnet durch wenigstens ein Batteriemodul nach Anspruch 6.
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