DE102008059949B4

DE102008059949B4 - Batterie, Verfahren zur Herstellung einer Batterie und Verwendung der Batterie

Info

Publication number: DE102008059949B4
Application number: DE200810059949
Authority: DE
Inventors: Dr. Ing. Meintschel Jens; Dipl.-Ing. Dr. Schröter Dirk
Original assignee: Daimler AG
Current assignee: Mercedes Benz Group AG
Priority date: 2008-12-02
Filing date: 2008-12-02
Publication date: 2013-11-07
Anticipated expiration: 2028-12-03
Also published as: DE102008059949A1; WO2010063365A1

Abstract

Batterie (6) mit mehreren elektrisch miteinander verschalteten Einzelzellen (1), welche jeweils aus einem Elektrodenstapel (2) gebildet sind, dessen einzelne als Elektrodenfolien ausgebildete Elektroden unterschiedlicher Polarität durch einen als Separatorfolie ausgebildeten Separator voneinander isolierend getrennt sind, wobei zu einem Elektrodenstapel gehörige Elektroden gleicher Polarität elektrisch leitend miteinander zu einem Pol (P) verbunden sind, dadurch gekennzeichnet, dass ein nach außerhalb des Elektrodenstapels (2) geführter Randbereich der jeweiligen Elektrodenfolie einer Polarität eine Stromableiterfahne (2.1) bildet, wobei die Stromableiterfahnen (2.1) gleicher Polarität elektrisch leitend miteinander zu einem Pol (P) verbunden sind und dass die Pole (P) des Elektrodenstapels (2) jeweils elektrisch mit einer elektrisch leitfähigen Gehäuseseitenwand (9) verbunden sind, wobei die Gehäuseseitenwände (9) zwischen direkt benachbart angeordneten Einzelzellen (1) als eine gemeinsame Gehäusetrennwand (3) ausgebildet und die Einzelzellen (1) anhand dieser elektrisch miteinander verschaltet sind.

Description

Die Erfindung betrifft eine Batterie mit mehreren elektrisch miteinander verschalteten Einzelzellen gemäß dem Oberbegriff des Anspruchs 1, ein Verfahren zur Herstellung einer Batterie mit mehreren elektrisch miteinander verschalteten Einzelzellen gemäß dem Oberbegriff des Anspruchs 14 und eine Verwendung der Batterie gemäß Anspruch 23.
Nach dem Stand der Technik sind Hochvolt-Batterien, z. B. Lithium-Ionen-Batterien, für Fahrzeuganwendungen bekannt, die insbesondere aus mehreren elektrisch in Reihe und/oder parallel verschalteten Einzelzellen aufgebaut sind. Dabei können bei bipolaren Einzelzellen die elektrischen Kontakte, d. h. ein Plus- und ein Minuspol, direkt auf gegeneinander elektrisch isolierte Teile des Gehäuses gelegt sein.
Aus der DE 10 2005 042 916 A1 ist ein Lithium-Ionen-Akkumulator bekannt, welcher aus einem in einem Aluminiumgehäuse angeordneten Elektrodenstapel und einem diesen umgebenden Elektrolyt gebildet ist. In dem Elektrodenstapel sind als Separatorfolien ausgebildete Separatoren und als Elektrodenfolien ausgebildete Elektroden abwechselnd übereinander gestapelt und fixiert, wobei der Elektrodenstapel an zumindest einer Seite und/oder Kante zumindest eine Klebung aus einem organischen Kleber aufweist, die die Elektroden und Separatoren miteinander verklebt. Weiterhin sind die an entgegengesetzten Enden des Elektrodenstapels angeordneten Elektroden gleicher Polarität miteinander und mit einer Stromableiterfahne verschweißt, wobei die Verschweißung mittels eines Ultraschweißverfahrens erzeugbar ist. Weiterhin umfasst die Schrift ein Verfahren zur Herstellung des Elektrodenstapels.
Weiterhin offenbart die US 5 871 861 A1 einen Lithium-Ionen-Akkumulator, welcher aus einer Vielzahl von Einzelzellen gebildet ist, die gemeinsam mit einem Elektrolyt in ein Gehäuse eingebracht sind. Die Einzelzellen sind aus einem Elektrodenstapel gebildet, wobei zwischen positiven und negativen Elektroden jeweils ein Separator angeordnet ist. Dabei sind über den Elektrodenstapel hinausragende Enden der Elektroden jeweils einer Polarität zu einem einzelnen elektrischen Leiter vorzugsweise mittels eines Wolfram-Inertgas-Schweißverfahrens, Ultraschallschweißverfahrens oder Hochfrequenzschweißverfahrens miteinander verschweißt.
In der US 6 908 711 B2 ist eine elektrochemische Hochleistungs-Energiespeichereinheit beschrieben, welche zumindest eine stapelbare Batterie umfasst. Diese Batterie ist aus zumindest zwei Lithiumionen-Einzelzellen gebildet, wobei jede Einzelzelle wiederum aus einer Bipolarplatte, umfassend eine Anode, Kathode und einen Stromabnehmer, gebildet ist. Zur Erzeugung eines Batteriestapels sind die Batterien insbesondere übereinander angeordnet und elektrisch seriell und/oder parallel verschaltet, wobei zwischen den Batterien ein Separator angeordnet ist. Zu einer elektrischen Kontaktierung des Batteriestapels sind Anschlusselemente mit Endplatten der Batterien verpresst, verschweißt oder gebondet. Schweißverbindungen sind dabei beispielsweise mittels eines Ultraschall-, Widerstands- oder Laserschweißverfahrens erzeugbar.
Aus der US 7,320,846 B2 ist eine elektrische Batterie bekannt, welche aus mehreren übereinander gestapelten bipolaren Elektroden gebildet ist, wobei jede bipolare Elektrode eine negative Elektrode, eine positive Elektrode und einen dazwischen angeordneten Separatoren umfasst. Die bipolaren Elektroden sind elektrisch in Reihe geschaltet, wobei zwischen benachbarten bipolaren Elektroden jeweils ein Stromabnehmer angeordnet ist.
Ferner offenbaren die WO 85/05738 A1 , die US 2004/0241540 A1 , die US 2008/0292967 A1 und die CH 248315 A jeweils eine elektrische Batterie, welche mehrere gestapelte Elektroden und zwischen Elektroden unterschiedlicher Polarität angeordnete Separatoren aufweist.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine gegenüber dem Stand der Technik verbesserte Batterie anzugeben, welche mit geringem Material- und Kostenaufwand erzeugbar ist und sich durch geringe Abmessungen und gleichzeitig ein geringes Gewicht auszeichnet. Weiterhin liegt der Erfindung die Aufgabe zugrunde, ein gegenüber dem Stand der Technik verbessertes Verfahren zur Herstellung der Batterie anzugeben, welches einen geringen Material- und Kostenaufwand sowie geringe Abmessungen und gleichzeitig ein geringes Gewicht der Batterie ermöglicht.
Hinsichtlich der Batterie wird die Aufgabe erfindungsgemäß durch die im Anspruch 1 angegebenen Merkmale und hinsichtlich des Verfahrens durch die im Anspruch 14 angegebenen Merkmale gelöst.
Vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung sind Gegenstand der Unteransprüche.
Die erfindungsgemäße Batterie umfasst mehrere elektrisch miteinander verschaltete Einzelzellen, welche jeweils aus einem Elektrodenstapel gebildet sind, dessen einzelne als Elektrodenfolien ausgebildete Elektroden unterschiedlicher Polarität durch einen als Separatorfolie ausgebildeten Separator voneinander isolierend getrennt sind, wobei zu dem Elektrodenstapel gehörige Elektroden gleicher Polarität elektrisch leitend miteinander zu einem Pol verbunden sind. Dabei sind die Elektroden bzw. Elektrodenfolien vorzugsweise aus Kupfer und/oder Aluminium oder aus einer derartigen Legierung gebildet. Erfindungsgemäß sind die Elektroden jeweils aus einer Elektrodenfolie und der Separator ist jeweils aus einer Separatorfolie gebildet, wobei ein nach außerhalb des Elektrodenstapels geführter Randbereich der jeweiligen Elektrodenfolie einer Polarität eine Stromableiterfahne bildet, wobei die Stromableiterfahnen gleicher Polarität elektrisch leitend miteinander zu einem Pol verbunden sind. Weiterhin sind erfindungsgemäß die Pole des Elektrodenstapels jeweils elektrisch mit einer elektrisch leitfähigen Gehäuseseitenwand verbunden, wobei die Gehäuseseitenwände zwischen direkt benachbart angeordneten Einzelzellen als eine gemeinsame Gehäusetrennwand ausgebildet und die Einzelzellen anhand dieser elektrisch miteinander verschaltet sind. Aus der Verwendung einer Gehäusetrennwand für zwei Einzelzellen resultiert besonders vorteilhafter Weise eine Material- und Kostenersparnis. Weiterhin sind eine Gewichtseinsparung und geringere Abmessungen der Batterie erzielbar.
Die Zellengehäuse der ersten und/oder der letzten Einzelzelle sind dabei insbesondere aus einer Gehäuseseitenwand, einer Gehäusetrennwand und einem zwischen diesen angeordneten, randseitig umlaufenden sowie elektrisch isolierenden Rahmen gebildet. Die Zellengehäuse der verbleibenden Einzelzellen sind aus zwei Gehäusetrennwänden und einem zwischen diesen angeordneten, randseitig umlaufenden sowie elektrisch isolierenden Rahmen gebildet. Die direkte elektrische Kontaktierung der Einzelzellen über die Gehäuse- oder Zellseitenwände bzw. Gehäuse- oder Zelltrennwände ermöglicht es, dass zusätzliche Anordnungen, wie beispielsweise Zellverbinder, zur elektrischen Verbindung der Einzelzellen entfallen können. Weiterhin kann durch die Anordnung des Elektrodenstapels in dem randseitig umlaufenden, insbesondere elektrisch isolierenden Rahmen in vorteilhafter Weise eine zusätzliche isolierende Anordnung eingespart werden. Auch ist die Handhabbarkeit der Einzelzelle ist erleichtert bzw. sicherer gestaltet.
Gemäß einer bevorzugten Weiterbildung der Erfindung sind die Pole des Elektrodenstapels mit der Gehäuseseitenwand und/oder der Gehäusetrennwand verpresst und/oder verschweißt. Durch die entstehende stoffschlüssige Verbindung wird eine elektrisch leitfähige Verbindung mit einem geringen Übergangswiderstand erzeugt, die eine hohe Strombelastbarkeit aufweist.
In einer Ausgestaltung der Erfindung ist die Gehäusetrennwand aus zumindest zwei form, kraft- und/oder stoffschlüssig miteinander verbundenen Blechen gebildet, welche insbesondere aus einem unterschiedlichen Material gebildet sind. Dabei entspricht das Material der Bleche insbesondere dem des mit diesem elektrisch verbundenen Pol des Elektrodenstapels, d. h. Kupfer und/oder Aluminium oder eine derartige Legierung, so dass zum einen ein geringer Übergangswiderstand zwischen den Polen und den Gehäusetrennwänden und zum anderen eine vereinfachte Erzeugung der Schweißverbindung erzielbar ist.
Ferner ist zwischen den Polen des Elektrodenstapels und den Gehäuseseitenwänden und/oder zwischen den Polen des Elektrodenstapels und den Gehäusetrennwänden eine separate Folie aus einem Zusatzmaterial angeordnet. Alternativ ist auf der den Polen des Elektrodenstapels zugewandten Seite der Gehäuseseitenwände und/oder Gehäusetrennwände eine separate Schicht aus einem Zusatzmaterial aufgebracht, so dass die Anbindung der Polkontakte an die Gehäuseseitenwände bzw. die Gehäusetrennwände verbessert ist.
Um eine Abführung einer während des Betriebes der Batterie bzw. der Einzelzellen erzeugten Verlustwärme sicherzustellen, sind die Einzelzellen Wärme leitend mit einer Wärmeleitplatte verbunden sowie ober- und/oder unterseitig an dieser angeordnet.
Da die Wärmeleitplatte vorzugsweise aus einem sehr gut wärmeleitfähigen und deshalb insbesondere aus einem metallischen Material gebildet ist, ist zwischen den Einzelzellen und der Wärmeleitplatte ein elektrisch isolierendes und wärmeleitfähiges Material eingebracht.
Zu einer Vergrößerung der Wärmeabgabe der Einzelzellen an die Wärmeleitplatte weist die Gehäusetrennwand auf einer der Wärmeleitplatte zugewandten Seite ein zumindest abschnittsweise über die Länge der jeweiligen Einzelzelle hinausgehendes Seitenwandelement auf, das gegenüber der Gehäusetrennwand in Richtung zum Zelleninneren abgewinkelt ist. Dadurch wird eine größere Berührungsfläche der Gehäusetrennwände mit der Wärmeleitplatte erzielt.
In einer bevorzugten Weiterbildung der Erfindung ist die Wärmeleitplatte mit einem Kühlmedium, beispielsweise einer Fahrzeugklimaanlage oder ein separates Kühlmedium, beaufschlagbar, welches eine effiziente Kühlung der Batterie ermöglicht.
Gemäß einer gewinnbringenden Weiterbildung der Erfindung weisen die Gehäuseseitenwände und/oder die Gehäusetrennwände fahnenartige Verlängerungen auf, welche zu einer Kopplung mit einem elektronischen Bauelement dienen. Das elektronische Bauelement umfasst insbesondere Mittel zu einem Zellspannungsausgleich, einer Zellspannungsüberwachung und/oder elektrische Sicherungselemente. Somit übernimmt die Gehäusetrennwand gleichzeitig die Funktion einer Hochspannungskontaktierung zwischen den Einzelzellen, einer Wärmeableitung an die Wärmeleitplatte und einer Niederspannungskontaktierung zu dem elektronischen Bauelement.
Alternativ oder zusätzlich zu der Kühlung der Batterie mittels der Wärmeleitplatte ist eine Luftkühlung verwendbar, wobei zu diesem Zweck die Gehäuseseitenwände und/oder die Gehäusetrennwände in ihrer Breiten- und/oder Längenausdehnung größer als der elektrisch isolierende Rahmen ausgebildet sind und an zumindest einer Seite über den elektrisch isolierenden Rahmen hinausragend angeordnet sind. Dadurch vergrößert sich eine Fläche der Gehäuseseitenwände und/oder Gehäusetrennwände, welche mit Luft umströmbar ist.
Besonders bevorzugt sind zumindest die Einzelzellen und die Wärmeleitplatte mittels eines Spannelementes form- und/oder kraftschlüssig miteinander verbunden, so dass ein zusätzliches Batteriegehäuse zum Schutz, zur Positionierung der Einzelzellen zueinander und zur Fixierung der Einzelzellen in besonders vorteilhafter Weise entfallen kann.
Bei dem erfindungsgemäßen Verfahren zur Herstellung einer Batterie mit mehreren elektrisch miteinander verschalteten Einzelzellen, welche jeweils aus einem Elektrodenstapel gebildet werden, dessen einzelne als Elektrodenfolien ausgebildete Elektroden unterschiedlicher Polarität durch einen als Separatorfolie ausgebildeten Separator voneinander isolierend getrennt werden, werden Elektroden gleicher Polarität elektrisch leitend miteinander zu einem Pol zusammengefasst. Erfindungsgemäß wird ein Randbereich der jeweiligen Elektrodenfolie gleicher Polarität nach außerhalb des Elektrodenstapels geführt und bildet eine Stromableiterfahne, wobei die Stromableiterfahnen gleicher Polarität elektrisch leitend miteinander zu einem Pol verbunden werden. Weiterhin werden erfindungsgemäß die Pole des Elektrodenstapels jeweils elektrisch mit einer elektrisch leitfähigen Gehäuseseitenwand verbunden, wobei die Gehäuseseitenwände zwischen direkt benachbart angeordneten Einzelzellen als eine gemeinsame Gehäusetrennwand ausgebildet sind und anhand dieser elektrisch miteinander verschaltet werden.
In einer besonders bevorzugten Weiterbildung des erfindungsgemäßen Verfahrens wird die elektrisch leitfähige Verbindung der Pole und der Gehäuseseitenwände und/oder Gehäusetrennwände in einem geöffneten Zustand der Einzelzelle erzeugt.
Dabei wird ein Zellengehäuse der Einzelzelle aus einer elektrisch leitenden Gehäuseseitenwand und einer Gehäusetrennwand oder zwei Gehäusetrennwänden gebildet, wobei zwischen der Gehäuseseitenwand und der Gehäusetrennwand bzw. zwischen den Gehäusetrennwänden ein randseitig umlaufender sowie elektrisch isolierender Rahmen angeordnet wird.
Unter dem geöffneten Zustand wird insbesondere verstanden, dass die Gehäuseseitenwände bzw. die Gehäusetrennwände nicht an dem Rahmen befestigt sind, wobei der Elektrodenstapel in dem Rahmen angeordnet sein kann.
Durch die Erzeugung der elektrisch leitfähigen Verbindung der Polkontakte mit den Gehäuseseitenwänden bzw. den Gehäusetrennwänden im geöffneten Zustand der Einzelzelle besteht die Möglichkeit einer nachträglichen der Kontrolle der Fügestelle. Weiterhin können durch die vorgeschlagene Kontaktierung die Polkontakte des Elektrodenstapels ohne aufwändige Abdichtungsmaßnahmen vom Inneren der Einzelzelle nach außen geführt werden.
Dabei wird in einem ersten Schritt ein Pol des Elektrodenstapels elektrisch leitfähig mit einer Gehäuseseitenwand oder einer Gehäusetrennwand verbunden.
Anschließend, in einem zweiten Schritt, wird der über diesen Pol mit der Gehäuseseitenwand oder Gehäusetrennwand elektrisch verbundene Elektrodenstapel in dem Rahmen angeordnet und die Gehäuseseitenwand oder Gehäusetrennwand an dem Rahmen befestigt.
In einem dritten Schritt wird der verbleibende Polkontakt des Elektrodenstapels elektrisch leitfähig mit einer Gehäuseseitenwand oder einer Gehäusetrennwand verbunden, bevor in einem vierten Schritt die Gehäuseseitenwand oder Gehäusetrennwand, mit welcher der verbleibende Polkontakt elektrisch leitfähig verbunden ist, an dem Rahmen befestigt wird.
Die Erzeugung der elektrisch leitfähigen Verbindung der Pole mit den Gehäuseseitenwänden bzw. Gehäusetrennwänden sowohl vor der Anordnung als auch nach einer Anordnung des Elektrodenstapels in dem Rahmen kann zum einen insbesondere in einem Schweißverfahren erfolgen, wobei während des Schweißverfahrens eine oder mehrere Schweißnähte und/oder Schweißpunkte erzeugt werden. In bevorzugter Weise werden bei dem Schweißverfahren die Gehäuseseitenwand bzw. die Gehäusetrennwand sowie weiter in der Tiefe die den Pol bildenden Stromableiterfahnen des Elektrodenstapels partiell aufgeschmolzen, so dass mit einer Schweißnaht und/oder einem Schweißpunkt alle die Pole bildenden Stromableiterfahnen sowie die entsprechende elektrisch leitende Gehäuseseitenwand bzw. Gehäusetrennwand insbesondere in einem Schritt miteinander verschweißt. Durch die entstehende stoffschlüssige Verbindung wird eine elektrisch leitfähige Verbindung mit einem geringen Übergangswiderstand erzeugt, die eine hohe Strombelastbarkeit aufweist.
Zum anderen kann die elektrisch leitfähige Verbindung der Gehäuseseitenwände bzw. der Gehäusetrennwände und der Pole in einem kombinierten Schweiß-Press-Fügeverfahren, z. B. einem Ultraschall-Schweißverfahren, erzeugt werden. Dadurch wird zusätzlich zu den Vorteilen des Schweißprozesses einerseits durch die Verpressung ein sicherer Fügeprozess erzielt und andererseits durch das Ultraschall-Schweißverfahren ein Wärmeeintrag in den Elektrodenstapel vermieden oder zumindest vermindert.
Die Befestigung der Gehäuseseitenwände und/oder Gehäusetrennwände an dem Rahmen wird vorzugsweise mittels form-, stoff- und/oder kraftschlüssig Verbindungen, beispielsweise anhand von Kleb- und/oder Schweißverbindungen, erzeugt, so dass das Gehäuse in vorteilhafter Weise flüssigskeits- und/oder gasdicht ausgebildet ist und somit der Elektrodenstapel vor äußeren mechanischen und chemischen Einwirkungen geschützt ist.
Durch eine oder mehrere der genannten Maßnahmen ist es möglich, bei einer preiswerten Herstellung den Aufbau eines Zellengehäuses zu vereinfachen, die Vibrationssicherheit und damit die Stabilität, die Lebensdauer sowie dadurch wiederum auch die Verwendungsvielfalt zu erhöhen. Des Weiteren ist durch die einfache Kontaktierung an der geöffneten Einzelzelle eine Kontrolle der Fügestelle möglich, so dass insbesondere auch der Ausschuss während der Herstellung verringert wird. Ferner wird durch die stoffschlüssige Kontaktierung der Stromableiterfahnen zur Bildung der Polkontakte und der stoffschlüssigen Verbindung dieser mit den Gehäuseseitenwänden die Stromtragfähigkeit verbessert. Auch liegt keine Schwächung der Druckdichtigkeit des Zellengehäuses der Einzelzelle vor, da keine Kontaktdurchführung der Polkontakte erfolgt.
Die erfindungsgemäße Batterie eignet sich aufgrund ihrer Eigenschaften insbesondere zu einer Verwendung in einem Fahrzeug, insbesondere einem Hybridfahrzeug oder einem Elektrofahrzeug.
Ausführungsbeispiele der Erfindung werden im Folgenden anhand von Zeichnungen näher erläutert.
Dabei zeigen:
1 schematisch eine Explosionsdarstellung einer Einzelzelle mit einem Elektrodenstapel, einem elektrisch isolierenden Rahmen und einer Gehäusetrennwand,
2 schematisch die Einzelzelle gemäß 1 in einem montierten Zustand,
3 schematisch einen Zellverbund mehrerer Einzelzellen gemäß 1 in einer ersten perspektivischen Ansicht, wobei zwei Einzelzellen in einem geöffneten Zustand während einer elektrischen Verbindung von Polen des Elektrodenstapels mit einer Gehäusetrennwand dargestellt sind,
4 schematisch den Zellverbund gemäß 3 in einer zweiten perspektivischen Ansicht,
5 schematisch eine aus mehreren Einzelzellen gebildete Batterie mit einer Wärmeleitplatte,
6 schematisch eine Schnittdarstellung eines Abschnittes der Batterie gemäß 5 parallel zur Wärmeleitplatte,
7 schematisch eine Schnittdarstellung der Batterie gemäß 5 senkrecht zur Wärmeleitplatte, und
8 schematisch einen Zellverbund mehrerer Einzelzellen, welche zu einer Luftkühlung ausgebildet sind.
Einander entsprechende Teile sind in allen Figuren mit den gleichen Bezugszeichen versehen.
1 und 2 zeigen eine Einzelzelle 1 in einer Explosionsdarstellung bzw. in einem montierten Zustand.
Die Einzelzelle 1 umfasst einen in einem Zellengehäuse angeordneten Elektrodenstapel 2, wobei das Zellengehäuse eine Gehäusetrennwand 3 und eine zweite in den 3 bis 7 näher dargestellte weitere Gehäusetrennwand 3, insbesondere Flachseiten, und einen dazwischen angeordneten, randseitig umlaufenden sowie elektrisch isolierenden Rahmen 4 aufweist.
Die Gehäusetrennwand 3 weist eine fahnenartige Verlängerung 3.1 auf, wobei diese nach einem Zusammenfügen zu einer Batterie 6 gemäß 5 zu einer elektrischen Kopplung mit einem nicht näher dargestellten elektronischen Bauelement dienen, welches insbesondere Mittel für eine Zellspannungsüberwachung, einen Zellspannungsausgleich und/oder elektrischen Sicherungselemente umfasst.
Der Elektrodenstapel 2 ist dabei aus nicht näher dargestellten Elektrodenfolien gebildet, wobei in einem mittleren Bereich des Elektrodenstapels 2 Elektrodenfolien unterschiedlicher Polarität, insbesondere Aluminium- und/oder Kupferfolien und/oder Folien aus einer Metalllegierung, übereinander gestapelt und mittels eines nicht näher dargestellten, als Separatorfolie ausgebildeten Separators elektrisch voneinander isoliert sind.
In einem über den mittleren Bereich des Elektrodenstapels 2 überstehenden Randbereich der Elektrodenfolien, den Stromableiterfahnen 2.1, sind Elektrodenfolien gleicher Polarität elektrisch miteinander verbunden und bilden die Pole P des Elektrodenstapels 2.
Durch die elektrisch isolierende Ausführung des Rahmens 4 sind die aus den Stromableiterfahnen 2.1 gebildeten Polkontakte P unterschiedlicher Polarität elektrisch voneinander isoliert, so dass in vorteilhafter Weise auf zusätzliche Anordnungen zu einer elektrischen Isolation verzichtet werden kann.
Der Rahmen 4 weist weiterhin Materialausnehmungen 4.1 auf, welche zu einer Anordnung von Spannelementen 8 gemäß 5 zur Bildung einer Batterie 6 dienen.
In 3 und 4 sind mehrere Einzelzellen 1 in verschiedenen perspektivischen Ansichten dargestellt, wobei zwei Einzelzellen 1 in einem geöffneten Zustand während einer elektrischen Verbindung der Pole P eines Elektrodenstapels 2 mit einer Gehäusetrennwand 3 und eine Anordnung einer dazu verwendeten Schweißvorrichtung 5 dargestellt sind.
Zu einer Kontaktierung des Elektrodenstapels 2 nach außerhalb der Einzelzelle 1, sind dessen Pole P jeweils mit einer Gehäusetrennwand 3 elektrisch verbunden, wobei direkt benachbart angeordnete Einzelzellen 1 eine gemeinsam genutzte Gehäusetrennwand 3 aufweisen und anhand dieser elektrisch miteinander verbunden sind.
Die elektrisch leitfähige Verbindung der Pole P und der Gehäusetrennwände 3 wird im gezeigten geöffneten Zustand der Einzelzelle 1 erzeugt. Dabei stellt der dargstellte geöffnete Zustand insbesondere einen Zustand dar, in welchem die Gehäusetrennwände 3 nicht an dem Rahmen 4 befestigt sind und der Elektrodenstapel 2 durch den Rahmen 4 geführt bzw. in diesem angeordnet ist.
Zur Erzeugung dieser elektrisch leitfähigen Verbindung sind die Gehäusetrennwände 3 und die jeweiligen Pole P der Elektrodenstapel 2 miteinander verpresst und/oder verschweißt.
Das dargestellte Ausführungsbeispiel der Erfindung zeigt die Schweißvorrichtung 5, bei welcher es insbesondere um eine Ultraschall-Schweißvorrichtung handelt, die aus einer Sonotrode 5.1 und einem Amboss 5.2 gebildet ist.
Zur elektrisch leitfähigen Verbindung der Polkontakte P mit den Gehäusetrennwänden 3 werden die Stromableiterfahnen 2.1, welche die Pole P des Elektrodenstapels 2 bilden, übereinander gestapelt und plan auf den Innenseiten der jeweils zugehörigen Gehäusetrennwand 3 aufgelegt. Eine dabei notwendig relative Biegung der Stromableiterfahnen 2.1 zu dem mittleren Bereich des Elektrodenstapels 2 wird durch die Flexibilität der verwendeten Elektrodenfolien erreicht.
Zu einem Verschweißen der Stromableiterfahnen 2.1 zu den Polen P und zu einem gleichzeitigen Verschweißen dieser mit den Gehäusetrennwänden 3 werden die auf den Innenseiten der Gehäusetrennwände 3 aufliegenden Pole P und die Gehäusetrennwände 3 zwischen der Sonotrode 5.1 und dem Amboss 5.2 der Schweißvorrichtung 5 angeordnet und durch eine eingeführte Presskraft verpresst. Gleichzeitig erzeugt die Sonotrode 5.1 eine Schwingung mit einer Frequenz im Ultraschallbereich, so dass die Pole P und die Gehäusetrennwände 3 unter großer Reibung gegeneinander bewegt werden. Durch eine dabei entstehende große Reibungshitze entsteht eine nicht näher dargestellte Schweißnaht oder ein nicht näher dargestellter Schweißpunkt, so dass eine stoffschlüssige und elektrisch leitfähige Verbindung zwischen den Polen P und den Gehäusetrennwänden 3 entsteht.
Eine flächige elektrisch leitfähige Verbindung der Gehäusetrennwände 3 mit den Polen P wird insbesondere durch mehrere in Reihe und/oder parallel angeordnete Schweißnähte und/oder Schweißpunkte erzielt.
Neben dem Ultraschall-Schweißverfahren eignen sich zur Erzeugung alternativ weitere, nicht näher dargestellte, im Stand der Technik bekannte Schweiß-Press-Fügeverfahren. Dabei kann es sich beispielsweise um ein Kondensatorentladungs-Schweißen, ein Widerstands-Press-Schweißen, Laser-Press-Schweißen, ein elektrisches Punktschweißen oder ein elektrisches Rollnahtschweißen handeln.
Gemäß einer nicht näher dargestellten Weiterführung der Erfindung werden die Stromableiterfahnen 2.1 in einem gesonderten Verfahren vor der Erzeugung der elektrisch leitfähigen Verbindung mit den Gehäusetrennwänden 3 zu den Polkontakten P verpresst und/oder verschweißt.
In einer weiteren nicht näher dargstellten Ausgestaltung der Erfindung ist zwischen den Polen P, welche z. B. aus Kupfer gefertigt sind, und den Gehäusetrennwänden 3, welche z. B. aus Aluminium gefertigt sind, zusätzlich eine nicht näher dargestellte separate Folie, welche z. B. ebenfalls aus Kupfer oder aus Nickel gefertigt ist, eingebracht, um eine verbesserte Anbindung zwischen den Polen P und den Gehäusetrennwänden 3 während des Schweißvorganges zu erreichen. Diese Folie bzw. Schicht kann alternativ ebenfalls auf die den Polkontakten P zugewandten Seiten der Gehäusetrennwände 3 aufgebracht sein, wobei die Folie bzw. Schicht vorzugsweise auf die Gehäusetrennwände 3 aufgewalzt oder elektrochemisch aufgebracht ist.
Alternativ ist auch die Verwendung von aus Kupfer gefertigten Gehäusetrennwänden 3 möglich, wobei zwischen Polen P, welche aus Aluminium gefertigt sind, eine separate Folie aus Aluminium oder Nickel angeordnet ist. Weiterhin kann die Folie bzw. Schicht aus Aluminium oder Nickel wiederum auf die Gehäusetrennwände 3 aufgewalzt oder elektrochemisch aufgebracht sein.
In einer weiteren nicht näher dargestellten Weiterbildung der Erfindung sind die Gehäusetrennwände 3 jeweils aus zwei form-, kraft- und/oder stoffschlüssig miteinander verbundenen, beispielsweise zusammengewalzten, Blechen gebildet, wobei die einem aus Aluminium gebildeten Pol P zugewandte Seite vorzugsweise aus Aluminium und die einem aus Kupfer gebildeten Pol P zugewandte Seite vorzugsweise aus Kupfer gebildet ist.
In vorteilhafter Weiterbildung der Erfindung ist es weiterhin möglich, eine nicht näher dargestellte elektrisch isolierende Folie zwischen den Polen P und den Gehäusetrennwänden 3 anzuordnen bzw. die Gehäusetrennwände 3 einseitig mit einer elektrischen isolierenden Schicht auszuführen, so dass eine elektrische Kontaktierung der Pole P mit den Gehäusetrennwänden 3 erst bei dem Schweißvorgang entsteht. Diese isolierende Folie bzw. Schicht dient vorzugsweise weiterhin zum Schutz der Gehäusetrennwände 3 vor Korrosion, beispielsweise hervorgerufen durch einen Kontakt mit einem in der Einzelzelle 1 befindlichen Elektrolyt.
Nach der elektrischen Verbindung des Pols P des Elektrodenstapels 2 und der Gehäusetrennwand 3 wird der Elektrodenstapel 2 durch den Rahmen 4 geführt und die Gehäusetrennwand 3, welche bereits mit dem Pol P elektrisch verbunden ist, wird an dem Rahmen vorzugsweise stoff-, form- und/oder kraftschlüssig befestigt.
Eine derartige stoff-, form- und/oder kraftschlüssige Befestigung erfolgt in nicht näher dargestellter Weise z. B. mittels Kleben und/oder Verbindungselementen, um eine hohe Stabilität der Verbindung zwischen den Gehäusetrennwänden 3 und dem Rahmen 4 zu erreichen.
Bei den Verbindungselementen handelt es sich insbesondere um Nieten, den Rahmen 4 Zumindest randseitig umgreifende fahnenartige Verlängerungen der Gehäusetrennwände 3 und/oder an dem Rahmen angeformte Halteelemente. Zur Erzeugung der form- und/oder kraftschlüssigen Verbindung weisen die Gehäusetrennwände 3 und/oder der Rahmen 4 vorzugsweise nicht näher dargestellte, zu den jeweiligen Verbindungselementen korrespondierende Formen oder Aussparungen auf.
Aus der stoff-, form- und/oder kraftschlüssigen Befestigung der Gehäusetrennwände 3 an dem Rahmen 4 resultiert neben der hohen Stabilität eine dichte Ausführung des Zellengehäuses, so dass keine Fremdstoffe in dieses eindringen können. Weiterhin ist sichergestellt, dass ein nach der Befestigung der Gehäusetrennwände 3 an dem Rahmen 4 eingefülltes Elektrolyt nicht austreten kann und ein Umfeld der aus den Einzelzellen 1 gebildeten, nicht näher dargestellten Batterie schädigt. Zur Einfüllung des Elektrolyts weist der Rahmen 4 vorzugsweise eine nicht näher dargestellte Einfüllöffnung auf, welche nach dem Einfüllen verschließbar ist.
Nach der Befestigung der Gehäusetrennwand 3 an dem Rahmen 4 wird der verbleibende Pol P des Elektrodenstapels 2 elektrisch leitfähig mittels der Schweißvorrichtung 5 an einer weiteren, nicht näher dargestellten Gehäusetrennwand 3 befestigt, welche wiederum an einem nicht näher dargestellten Rahmen 4 einer darauf folgenden Einzelzelle 1 befestigt wird.
5 zeigt eine aus mehreren Einzelzellen 1 gebildete Batterie 6 mit einer Wärmeleitplatte 7. Zu einer Ableitung einer während des Betriebes der Batterie 6, insbesondere während eines Lade- und Entladevorganges dieser, erzeugten Verlustwärme sind die Einzelzellen 1 Wärme leitend mit der Wärmeleitplatte 7 verbunden und oberseitig an dieser angeordnet. In weiteren nicht näher dargestellten Weiterbildungen der Erfindung ist auch eine unterseitige Anordnung der Einzelzellen 1 an der Wärmeleitplatte 7 möglich.
Da die Wärmeleitplatte 7 vorzugsweise aus einem sehr gut wärmeleitfähigen und deshalb insbesondere aus einem metallischen Material gebildet ist, ist zwischen den Einzelzellen 1 und der Wärmeleitplatte 7 vorzugsweise ein nicht näher dargestelltes elektrisch isolierendes und wärmeleitfähiges Material, beispielsweise eine Wärmeleitfolie, eingebracht.
Weiterhin ist die Wärmeleitplatte 7 für eine hohe Wärmeabgabe vorzugsweise von einem Kühlmedium, beispielsweise einem Kältemittel einer Fahrzeugklimaanlage, durchströmbar, wobei die Wärmeleitplatte 7 Anschlusselemente 7.1 zur Einbindung in einen derartigen Kühlkreislauf aufweist.
Zu einer sicheren Anordnung der Einzelzellen 1 zueinander und an der Wärmeleitplatte 7 sind zwei Spannelemente 8, insbesondere Spannbänder, vorgesehen, welche den aus den Einzelzellen 1 gebildeten Zellverbund sicher an der Wärmeleitplatte 7 fixieren und einen Entfall eines zusätzlichen Batteriegehäuses ermöglichen.
Um eine Verschiebung der Spannelemente 8 zu vermeiden, weisen sowohl die Rahmen 4 der Einzelzellen 1 als auch die Wärmeleitplatte 7 zu den Spannelementen 8 korrespondierende Materialausnehmungen 4.1 und 7.2 auf.
6 zeigt eine Schnittdarstellung eines Abschnittes der Batterie 6 gemäß 5 parallel zur Wärmeleitplatte 7, welche die Anordnung der Einzelzellen 1 zueinander und die Anordnung der Elektrodenstapel 12 in den Zellgehäusen verdeutlicht.
In 7 zeigt eine Schnittdarstellung der Batterie 6 gemäß 5 senkrecht zur Wärmeleitplatte 7, wobei aus Vereinfachungsgründen lediglich ein Elektrodenstapel 2 die Wärmeleitplatte 7 dargestellt und die Wärmeleitplatte 7 nicht gezeigt ist.
Um eine weiter verbesserte Wärmeübertragung von den Einzelzellen 1 in die Wärmeleitplatte 7 zu erzielen, weisen die Gehäusetrennwände 3 auf einer der Wärmeleitplatte 7 zugewandten Seite jeweils ein zumindest abschnittsweise über die Länge der jeweiligen Einzelzelle 1 hinausgehendes Seitenwandelement 3.2 auf, welches gegenüber der Gehäusetrennwand in Richtung zum Zellinneren abgewinkelt ist. Dadurch wird eine größere Berührungsfläche der Zelltrennwände 3 mit der Wärmeleitplatte 7 erzielt.
Weiterhin wird aus der 7 ersichtlich, dass die letzte, d. h. die linke Einzelzelle 1 eine Zelltrennwand 3 mit abgewinkeltem Seitenwandelement 3.2 und eine Gehäuseseitenwand 9 ohne abgewinkeltes Seitenwandelement aufweist.
Auch die Gehäuseseitenwand 9 umfasst eine fahnenartige Verlängerung 9.1 zur elektrischen Verbindung mit dem elektronischen Bauelement und wird gemäß den Gehäusetrennwänden 3 mit dem Polkontakt P des Elektrodenstapels 2 und dem Rahmen elektrisch isolierenden Rahmen 4 verbunden.
8 zeigt eine alternative Ausführung, wobei der dargestellte, aus mehreren Einzelzellen 1 gebildete Zellverbund zu einer Luftkühlung vorgesehen ist. Zu diesem Zweck sind die Gehäusetrennwände 3 in ihrer Höhenausdehnung größer als der elektrisch isolierende Rahmen 4 der Einzelzellen 1 ausgebildet, so dass diese an einer Seite über den Rahmen 4 hinausragend angeordnet sind.
Zu einer Kühlung mit Luft umströmt diese die verlängerten Zelltrennwände 3, so dass die erzeugte Verlustwärme abführbar ist.
In weiteren nicht näher dargestellten Weiterbildungen der Erfindung können die Gehäusetrennwände 3 alternativ derart ausgebildet sein, dass sie über mehrere Seiten des Rahmens 4 hinausragen. Weiterhin ist eine Kombination aus Luftkühlung und einer Kühlung mittels der Wärmeleitplatte 7 möglich.
Bezugszeichenliste

1: Einzelzelle
2: Elektrodenstapel
2.1: Stromableiterfahne
3: Gehäusetrennwand
3.1: Fahnenartige Verlängerung
3.2: Seitenwandelement
4: Rahmen
4.1: Materialausnehmung
5: Schweißvorrichtung
5.1: Sonotrode
5.2: Amboss
6: Batterie
7: Wärmeleitplatte
7.1: Anschlusselement
7.2: Materialausnehmung
8: Spannelement
9: Gehäuseseitenwand
9.1: Fahnenartige Verlängerung

Claims

Batterie (6) mit mehreren elektrisch miteinander verschalteten Einzelzellen (1), welche jeweils aus einem Elektrodenstapel (2) gebildet sind, dessen einzelne als Elektrodenfolien ausgebildete Elektroden unterschiedlicher Polarität durch einen als Separatorfolie ausgebildeten Separator voneinander isolierend getrennt sind, wobei zu einem Elektrodenstapel gehörige Elektroden gleicher Polarität elektrisch leitend miteinander zu einem Pol (P) verbunden sind, dadurch gekennzeichnet, dass ein nach außerhalb des Elektrodenstapels (2) geführter Randbereich der jeweiligen Elektrodenfolie einer Polarität eine Stromableiterfahne (2.1) bildet, wobei die Stromableiterfahnen (2.1) gleicher Polarität elektrisch leitend miteinander zu einem Pol (P) verbunden sind und dass die Pole (P) des Elektrodenstapels (2) jeweils elektrisch mit einer elektrisch leitfähigen Gehäuseseitenwand (9) verbunden sind, wobei die Gehäuseseitenwände (9) zwischen direkt benachbart angeordneten Einzelzellen (1) als eine gemeinsame Gehäusetrennwand (3) ausgebildet und die Einzelzellen (1) anhand dieser elektrisch miteinander verschaltet sind.
Batterie (6) nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass ein Zellengehäuse einer Einzelzelle (1) aus einer Gehäuseseitenwand (9) und einer Gehäusetrennwand (3) oder zwei Gehäusetrennwänden (3) gebildet ist, wobei zwischen der Gehäuseseitenwand (9) und der Gehäusetrennwand (3) bzw. zwischen den Gehäusetrennwänden (3) ein randseitig umlaufender sowie elektrisch isolierenden Rahmen (4) angeordnet ist.
Batterie (6) nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Pole (P) des Elektrodenstapels (2) mit der Gehäuseseitenwand (9) und/oder der Gehäusetrennwand (3) verpresst und/oder verschweißt sind.
Batterie (6) nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Gehäusetrennwand (3) aus zumindest zwei form-, kraft- und/oder stoffschlüssig miteinander verbundenen Blechen gebildet ist.
Batterie (6) nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass zwischen den Polen (P) des Elektrodenstapels (2) und den Gehäuseseitenwänden (9) und/oder zwischen den Polen (P) des Elektrodenstapels (2) und den Gehäusetrennwänden (3) eine separate Folie aus einem Zusatzmaterial angeordnet ist.
Batterie (6) nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass auf der den Polen (P) des Elektrodenstapels (2) zugewandten Seite der Gehäuseseitenwände (9) und/oder Gehäusetrennwände (3) eine separate Schicht aus einem Zusatzmaterial aufgebracht ist.
Batterie (6) nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Einzelzellen (1) Wärme leitend mit einer Wärmeleitplatte (7) verbunden sowie ober- und/oder unterseitig an dieser angeordnet sind.
Batterie (6) nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass zwischen den Einzelzellen (1) und der Wärmeleitplatte (7) ein elektrisch isolierendes und wärmeleitfähiges Material eingebracht ist.
Batterie (6) nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass die Gehäusetrennwand (3) auf einer der Wärmeleitplatte (7) zugewandten Seite ein zumindest abschnittsweise über die Länge der jeweiligen Einzelzelle (1) hinausgehendes Seitenwandelement (3.2) aufweist, das gegenüber der Gehäusetrennwand (3) in Richtung zum Zelleninneren abgewinkelt ist.
Batterie (6) nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass die Wärmeleitplatte (7) mit einem Kühlmedium beaufschlagbar ist.
Batterie (6) nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Gehäuseseitenwände (9) und/oder die Gehäusetrennwände (3) fahnenartige Verlängerungen (9.1, 3.1) aufweisen, welche elektrisch mit einem elektronischen Bauelement gekoppelt sind.
Batterie (6) nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Gehäuseseitenwände (9) und/oder die Gehäusetrennwände (3) in ihrer Breiten- und/oder Längenausdehnung größer als der elektrisch isolierende Rahmen (4) ausgebildet sind, wobei die Gehäuseseitenwände (9) und/oder die Gehäusetrennwände
Batterie (6) nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass zumindest die Einzelzellen (1) und die Wärmeleitplatte (7) mittels eines Spannelementes (8) form- und/oder kraftschlüssig miteinander verbunden sind.
Verfahren zur Herstellung einer Batterie (6) mit mehreren elektrisch miteinander verschalteten Einzelzellen (1), welche jeweils aus einem Elektrodenstapel (2) gebildet werden, dessen einzelne als Elektrodenfolien ausgebildete Elektroden unterschiedlicher Polarität durch einen als Separatorfolie ausgebildeten Separator voneinander isolierend getrennt werden, wobei zu einem Elektrodenstapel gehörige Elektroden gleicher Polarität elektrisch leitend miteinander zu einem Pol (P) zusammengefasst werden, dadurch gekennzeichnet, dass ein Randbereich der jeweiligen Elektrodenfolie gleicher Polarität nach außerhalb des Elektrodenstapels (2) geführt wird und eine Stromableiterfahne (2.1) bildet, wobei die Stromableiterfahnen (2.1) gleicher Polarität elektrisch leitend miteinander zu einem Pol (P) verbunden werden und dass die Pole (P) des Elektrodenstapels (2) jeweils elektrisch mit einer elektrisch leitfähigen Gehäuseseitenwand (9) verbunden werden, wobei die Gehäuseseitenwände (9) zwischen direkt benachbart angeordneten Einzelzellen (1) als eine gemeinsame Gehäusetrennwand (3) ausgebildet sind und anhand dieser elektrisch miteinander verschaltet werden.
Verfahren nach Anspruch 14, dadurch gekennzeichnet, dass die elektrisch leitfähige Verbindung der Pole (P) und der Gehäuseseitenwände (9) und/oder Gehäusetrennwände (3) in einem geöffneten Zustand der Einzelzelle (1) erzeugt wird.
Verfahren nach Anspruch 15, dadurch gekennzeichnet, dass die elektrisch leitfähige Verbindung der Gehäuseseitenwände (9) und der Pole (P) bzw. der Gehäusetrennwände (3) und der Pole (P) in einem Schweißverfahren oder in einem kombinierten Schweiß-Press-Fügeverfahren erzeugt wird.
Verfahren nach Anspruch 14, dadurch gekennzeichnet, dass ein Zellengehäuse einer Einzelzelle (1) aus einer elektrisch leitenden Gehäuseseitenwand (9) und einer Gehäusetrennwand (3) oder zwei Gehäusetrennwänden (3) gebildet wird, wobei zwischen der Gehäuseseitenwand (9) und der Gehäusetrennwand (3) bzw. zwischen den Gehäusetrennwänden (3) ein randseitig umlaufender sowie elektrisch isolierender Rahmen (4) angeordnet wird.
Verfahren nach Anspruch 17, dadurch gekennzeichnet, dass in einem ersten Schritt ein Pol (P) des Elektrodenstapels (2) elektrisch leitfähig mit einer Gehäuseseitenwand (9) oder einer Gehäusetrennwand (3) verbunden wird.
Verfahren nach Anspruch 18, dadurch gekennzeichnet, dass in einem zweiten Schritt der über den einen Pol (P) mit der Gehäuseseitenwand (9) oder Gehäusetrennwand (3) elektrisch verbundene Elektrodenstapel (2) in dem Rahmen (4) angeordnet wird und die Gehäuseseitenwand (9) oder Gehäusetrennwand (3) an dem Rahmen (4) befestigt wird.
Verfahren nach Anspruch 19, dadurch gekennzeichnet, dass in einem dritten Schritt der verbleibende Pol (P) des Elektrodenstapels (2) elektrisch leitfähig mit einer Gehäuseseitenwand (9) oder einer Gehäusetrennwand (3) verbunden wird.
Verfahren nach Anspruch 20, dadurch gekennzeichnet, dass in einem vierten Schritt die Gehäuseseitenwand (9) oder Gehäusetrennwand (3), mit welcher der verbleibende Pol (P) elektrisch leitfähig verbunden ist, an dem Rahmen (4) befestigt wird.
Verfahren nach Anspruch 17, dadurch gekennzeichnet, dass die Gehäuseseitenwände (9) und/oder Gehäusetrennwände (3) form-, stoff- und/oder kraftschlüssig an dem Rahmen (4) befestigt sind.
Verwendung einer Batterie (6) gemäß einem der Ansprüche 1 bis 13 in einem Fahrzeug.
Verwendung nach Anspruch 23 in einem Hybridfahrzeug oder einem Elektrofahrzeug.