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Die vorliegende Erfindung betrifft den Bereich der elektrischen Energiespeicherung, beispielsweise im Hinblick auf die Herstellung einer elektrischen Batterie eines Elektro-, ”Plug in”-Hybrid- oder Hybridfahrzeuges. Insbesondere betrifft die Erfindung eine Batteriezelle nach dem Oberbegriff des Anspruchs 1 sowie eine aus mehreren elektrisch miteinander verbundenen Batteriezellen gebildete Batteriezellenanordnung.
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Eine wichtige Anforderung an elektrische Energiespeicher ist, ein Optimum des Produktes aus Spannung und Strom für eine geforderte elektrische Leistung zu finden. In diese Optimierungsbetrachtung gehen beispielsweise Material- und Kostenaspekte ein. Es versteht sich, dass sowohl eine Auslegung mit sehr großer Spannung (bei kleinem Strom) als auch eine Auslegung mit sehr großem Strom (bei kleiner Spannung) in der Praxis Probleme aufwirft. Dies betrifft z. B. die elektrische Isolation (bei großen Spannungen) und die Vermeidung von elektrischen Leitungsverlusten (bei großen Strömen).
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Insbesondere für automotive Anwendungen von elektrischen Energiespeichern als Antriebsenergiequelle eines Elektrofahrzeugs oder Hybridfahrzeuges ergibt eine optimale Systemauslegung eine Maximalspannung, die typischerweise im Bereich von 100 bis 1000 V liegt, und einen Maximalstrom, der typischerweise im Bereich von 50 bis 300 A für einen kontinuierlichen Stromfluss liegt, bei einem Pulsbetrieb jedoch auch darüber, und für Extremanwendungen bzw. für sehr kurze Zeiten auch etwa 1000 A erreichen kann. Im Fehlerfall können auch größere Ströme auftreten, bis z. B. eine Sicherheitselektronik oder eine Sicherung die Batterie abschaltet. Auch in diesem Fall sollten Zellverbindungen zwischen miteinander verbundenen Batteriezellen einer derartigen Belastung standhalten (und nicht die Schwachstelle des Systems darstellen).
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Zur Erzielung einer gewünschten Betriebsspannung einer elektrischen Batterie müssen in der Regel eine Vielzahl von Battrie-Einzelzellen (z. B. galvanische Zellen, Doppelschichtkondensatoren oder dergleichen) in elektrischer Reihenschaltung miteinander verbunden werden. Zur Erhöhung der Kapazität werden Einzelzellen oftmals auch parallel geschaltet, so dass aus einem Einzelzellentyp eine Batterie mit dem Mehrfachen der Kapazität der Einzelzelle durch Parallelschaltung und eine gewünschte Batteriespannung (z. B. Nennspannung oder Maximalspannung) durch Reihenschaltung dieser parallel geschalteten Einzelzellen erreicht werden kann.
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Für eine Minimierung von elektrischen Leitungsverlusten bzw. des elektrischen Innenwiderstandes einer Batterie kommt den einzelnen elektrischen Verbindungen zwischen den Batteriezellen eine erhebliche Bedeutung zu.
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Der Begriff ”Batteriezelle” soll im Rahmen der Erfindung jeden elektrischen Energiespeicher bezeichnen, der zur Herstellung einer elektrischen Batterie durch elektrische Verschaltung einer Mehrzahl solcher Batteriezellen vorgesehen ist.
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Es soll hierbei nicht ausgeschlossen sein, dass eine solche Batteriezelle einen inneren Aufbau besitzt, der sich wiederum als eine Verschaltung mehrerer ”Einzelzellen” darstellt. Ein auf internen betrieblichen Entwicklungen der Anmelderin beruhendes Konzept zur Herstellung einer Lithium-Ionen-Batterie besteht beispielsweise darin, aus zwei bis vier ”Einzelzellen” in Parallelschaltung eine ”Batteriezelle” auszubilden, und etwa 100 bis 200 solcher ”Batteriezellen” in Reihenschaltung anzuordnen.
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Ausgehend von einer Batteriezelle, umfassend einen Zellkörper mit eine Wandung des Zellkörpers durchsetzenden Anschlussfahnen zur elektrischen Kontaktierung der Batteriezelle, liegt der vorliegenden Erfindung die Aufgabe zugrunde, die elektrische Kontaktierung zu vereinfachen und/oder qualitativ zu verbessern.
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Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß dadurch gelöst, dass wenigstens eine der Anschlussfahnen, zumindest an deren freien Ende, mehrteilig aus mit Abstand zueinander verlaufenden Fahnenabschnitten ausgebildet ist.
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Mit dieser Maßnahme können gleichzeitig zwei Vorteile erzielt werden. Der erste, ”mechanische” Vorteil besteht darin, dass im Falle der Notwendigkeit einer mechanischen Bearbeitung der Anschlussfahne (insbesondere z. B. einem Umbiegen) hierfür aufzuwendende Kräfte bzw. mechanische Belastungen verkleinert werden können. Der zweite, ”elektrische” Vorteil besteht darin, dass bei der Herstellung der elektrischen Kontaktierung mehrere Einzelkontaktierungen (an den mehreren Fahnenabschnitten) vorgesehen werden können, deren Qualität bei vorgegebenem Kontaktierungsaufwand verbessert ist bzw. deren Kontaktierungsaufwand bei einer geforderten Kontaktierungsqualität (z. B. hinsichtlich niedriger Ausschussrate und/oder niedrigem elektrischen Kontaktwiderstand) verringert ist. In dem Fall, dass die Herstellung der elektrischen Kontaktierung (z. B. durch einen Verschweißungsvorgang) als solcher eine nicht unerhebliche mechanische Belastung darstellt, besteht zwischen den vorstehend genannten Vorteilen gewissermaßen ein innerer Zusammenhang.
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Der Zellkörper der Batteriezelle kann z. B. im Wesentlichen quaderförmig oder plattenförmig sein. Insbesondere kommt eine plattenförmig-quaderförmige Form in Betracht, wie dies z. B. für eine so genannte Folienflachzelle einer Lithium-Ionen-Batterie der Fall sein kann.
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Die Anschlussfahnen einer Batteriezelle, also insbesondere ein positiver Polanschluss (Anode) und ein negativer Polanschluss (Kathode), können die Wandung des Zellkörpers beispielsweise auf derselben Seite des Zellkörpers bzw. an derselben Wandungsfläche des Zellkörpers durchsetzen (und in den Außenraum ragen). Alternativ können Anschlussfahnen z. B. auch an einander entgegengesetzten Seiten des Zellkörpers durch dementsprechend einander entgegengesetzte Wandungsflächen hindurchtreten.
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Abgesehen von deren verschiedenen Anordnungspositionen am Zellkörper können Anschlussfahnen derselben Batteriezelle eine identische Formgestaltung besitzen. Bei einer bevorzugten Formgestaltung ist vorgesehen, dass eine Anschlussfahne sich als länglicher, in seiner Kontur im Wesentlichen rechteckiger Lappen einheitlicher Dicke von der betreffenden Zellkörperwandung in den Außenraum erstreckt. Der Abstand zwischen benachbarten Fahnenabschnitten kann z. B. kleiner als 50%, insbesondere kleiner als 25% der Breite eines Fahnenabschnittes sein, welcher dem betreffenden ”Ausschnitt” der Anschlussfahne benachbart ist.
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Die elektrische Kontaktierung einer bestimmten Anschlussfahne kann zu einer Anschlussfahne einer in einer Batteriezellenanordnung benachbart zu dieser Batteriezelle angeordneten weiteren Batteriezelle und/oder zu einem Batteriepol einer diese Batteriezelle enthaltenden Batterie vorgesehen sein.
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Die mehrteilige Ausbildung der Anschlussfahne bedeutet im einfachsten Fall, dass diese zwei Fahnenabschnitte besitzt. Falls diese Mehrteiligkeit nur am freien Ende der Anschlussfahne vorgesehen ist, so bedeutet dies, dass die beiden Fahnenabschnitte im proximalen Bereich der Anschlussfahne zusammenhängen.
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Ein solcher zusammenhängender Bereich erstreckt sich bevorzugt vom Inneren des Zellkörpers, durch die betreffende Wandungsfläche hindurch, bis in den Außenbereich des Zellkörpers.
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In einer anderen Ausführungsform besitzt die Anschlussfahne eine dreiteilige Ausbildung, also mit drei nebeneinander, jeweils mit Abstand zueinander angeordneten Fahnenabschnitten. Auch in diesem Fall (bzw. allgemein, wenn die Anschlussfahne mehr als zwei Fahnenabschnitte aufweist) erstreckt sich ein zusammenhängender Bereich der Anschlussfahne bevorzugt bis in den Außenraum des Zellkörpers. Da die elektrische Kontaktierung typischerweise ohnehin nur im distalen Bereich, also am freien Ende der Anschlussfahne erfolgt, schmälert der zusammenhängende Bereich der Anschlussfahne in ihrem proximalen Bereich (insbesondere innerhalb des Zellkörpers) nicht die mit der Erfindung erzielten Vorteile, und ist im Hinblick auf die mechanische Stabilität und den elektrischen Leitungswiderstand der Anschlussfahne sogar selbst von Vorteil.
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In einer Ausführungsform ist vorgesehen, dass die Anschlussfahne plastisch verformbar ist, oder bereits plastisch verformt ist. Damit kann die Anschlussfahne vorteilhaft in eine für deren elektrische Kontaktierung vorteilhafte räumliche Konfiguration gebracht werden. Insbesondere ist hierbei an den Fall zu denken, dass eine Batteriezellenanordnung aus einer Vielzahl von identischen Batteriezellen gebildet werden soll, wobei beispielsweise zur elektrischen Reihenschaltung dieser Batteriezellen jeweils paarweise die Anode einer Batteriezelle mit der Kathode einer benachbarten Batteriezelle elektrisch zu kontaktieren ist. Hierfür können orthogonal zur Aneinanderreihungsrichtung der Batteriezellen aus den einzelnen Zellkörpern abstehende Anschlussfahnen in einem mittleren Bereich rechtwinklig umgebogen werden, so dass die freien Enden der Anschlussfahnen und somit die einzelnen Fahnenabschnitte in Aneinanderreihungsrichtung verlaufen. In dieser Weise können die Anschlussfahnen von einander benachbarten Batteriezellen ”räumlich zusammengeführt” werden, insbesondere in eine gegenseitige Überlappungsstellung.
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Insbesondere wenn die Anschlussfahne aus einem metallischen Material gebildet ist, so kann eine Dicke der Anschlussfahne von weniger als 2 mm, insbesondere weniger als 1 mm beispielsweise den Vorteil einer einfachen Verformbarkeit (z. B. vorstehend erwähntes rechtwinkliges Umbiegen) bieten.
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In einer Ausführungsform stellt der Zellkörper eine so genannte Folienflachzelle dar, wie sie z. B. als Lithium-Ionen-Zelle in einer Batterie eingesetzt werden kann.
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Die Folienflachzelle kann z. B. eine Dicke im Bereich von 3 mm bis 40 mm, insbesondere 5 mm bis 15 mm besitzen. Die Höhe und Breite (orthogonal zur Dicke) einer solchen Folienflachzelle kann jeweils z. B. im Bereich des 3- bis 150-fachen der Dicke, insbesondere im Bereich des 10- bis 100-fachen der Dicke liegen.
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Bei einem derartigen, plattenförmig-quaderförmigen Zellkörper können Anode und Kathode darstellende Anschlussfahnen nebeneinander an einer Schmalseite (d. h. ”am Plattenrand”) angeordnet sein und z. B. ”parallel zur Plattenebene” aus dem Zellkörper herausragen. In diesem Fall sieht eine vorteilhafte Ausgestaltung vor, dass das Verhältnis von Breite zu Höhe des Zellkörpers größer als 1 ist (etwa um Platz für die Nebeneinanderanordnung von Anode und Kathode zu gewinnen).
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In einer Ausführungsform ist vorgesehen, dass die Fahnenabschnitte eine maximale Breite von weniger als 80 mm, insbesondere weniger als 70 mm besitzen. Eine derartige Maximalbreite ist insbesondere für metallische, mittels Ultraschallverschweißung elektrisch zu kontaktierende Fahnenabschnitte von Vorteil, weil die Breite einer Ultraschallverschweißung von metallischen Fahnenabschnitten in der Praxis begrenzt ist, bzw. bei größeren Breiten erhebliche Probleme aufwirft.
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Ganz allgemein werden beim Ultraschallschweißen die miteinander zu verbindenden Teile aneinandergefügt und mit Ultraschallenergie beaufschlagt, welche durch Reibung im Bereich der Grenzfläche der Fügepartner deren Aufschmelzen bewirkt. Eine hierfür vorgesehene Ultraschallschweißeinrichtung besitzt typischerweise ein als ”Sonotrode” bezeichnetes Schwinggebilde zur Einbringung der Ultraschallschwingung sowie einen ”Amboss” zur Lagerung der Fügepartner zwischen Sonotrode und Amboss. Die Ultraschallfrequenz beträgt typischerweise etwa 20 bis 40 kHz. Daraus ergibt sich in der Praxis eine gewisse Begrenzung der Sonotrodenfläche. Wird die Sonotrode in einer bestimmten Richtung zu lang, so kann der Ultraschallenergieeintrag nicht mehr auf der vollen Länge bzw. gleichmäßig über die volle Länge erfolgen. Diese prinzipielle physikalische Begrenzung der Schwingungstechnik kann mit der vorliegenden Erfindung jedoch vorteilhaft ”ausgetrickst” werden:
Falls bei einer Batteriezelle eine Anschlussfahne beispielsweise über eine Breite von 100 mm in Überlappung mit einer ebenso breiten Anschlussfahne einer benachbarten Batteriezelle ultraschallverschweißt werden soll, um mit dieser großen Breite einen niedrigen elektrischen Kontaktwiderstand zu erzielen, so käme in Betracht, eine 100 mm breite Sonotrode einzusetzen, was jedoch zu einem in der Praxis unzulänglichen bzw. unzuverlässigen Verschweißungsergebnis führen würde. Alternativ käme in Betracht, eine Sonotrode mit einer Breite von 50 mm einzusetzen und zwei unmittelbar einander benachbarte Verschweißungen nacheinander auszuführen. Problematisch wäre hierbei jedoch eine mögliche Beschädigung der ersten Schweißstelle durch den zweiten Schweißvorgang.
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Demgegenüber ermöglicht die erfindungsgemäße mehrteilige Ausbildung der Anschlussfahne aus mehreren Fahnenabschnitten (mit bevorzugt im Wesentlichen gleicher Breite), beispielsweise aus zwei mit geringem Abstand zueinander nebeneinander angeordneten Fahnenabschnitten von je etwa 50 mm Breite, eine problemlose Verschweißung. Daher kann eine Sonotrode mit einer Breite von 50 mm verwendet werden, um die Fahnenabschnitte nacheinander zuverlässig und mit hoher Qualität zu verschweißen. Prinzipiell denkbar ist sogar der gleichzeitige Einsatz mehrerer (hier: z. B. zwei) Sonotroden, um die Fahnenabschnitte gleichzeitig zu verschweißen. Der gegenseitige Abstand der Fahnenabschnitte gewährleistet eine ”mechanische Entkoppelung” und beseitigt somit die Gefahr einer gegenseitigen Beeinflussung der Verschweißungen bzw. Verschweißprozesse.
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Gemäß eines weiteren Aspekts der Erfindung wird eine Batteriezellenanordnung bereitgestellt, welche eine Reihe von elektrisch miteinander verbundenen Batteriezellen der oben beschriebenen Art umfasst.
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Eine derartige Batteriezellenanordnung kann als solche insbesondere als elektrischer Energiespeicher zur Antriebsenergiegewinnung bzw. Energiespeicherung bei einem Fahrzeug dienen, oder die Kernkomponente eines solchen elektrischen Energiespeichers bilden.
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In einer Ausführungsform umfasst die Batteriezellenanordnung mindestens 10, insbesondere mindestens 50 elektrisch miteinander verbundene, bevorzugt identisch ausgebildete Batteriezellen. Im Falle von plattenförmig-quaderförmigen Batteriezellen sind diese bevorzugt flächig aufeinander gestapelt, d. h. eine Stapelrichtung verläuft orthogonal zur Plattenebene.
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In einer Ausführungsform ist vorgesehen, dass wenigstens eine elektrische Verbindung zwischen zwei Anschlussfahnen einander benachbarter Batteriezellen im Bereich von hierfür umgebogenen freien Enden der beiden Anschlussfahnen hergestellt ist.
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In einer Ausführungsform ist vorgesehen, dass wenigstens eine elektrische Verbindung zwischen zwei Anschlussfahnen einander benachbarter Batteriezellen durch eine Verschweißung oder Verlötung von einander überlappenden Fahnenabschnitten der beiden Anschlussfahnen hergestellt ist.
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Bei der Verschweißung kann es sich insbesondere um eine Ultraschallverschweißung handeln. In diesem Fall kann ein als gemeinsames Auflager für mehrere der Fahnenabschnitte, insbesondere sämtliche der Fahnenabschnitte vorgesehener Amboss eingesetzt werden.
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Insbesondere im Falle einer Ultraschallverschweißung kann ein hierfür verwendeter Amboss auch als Hilfsmittel (Werkzeug) für ein Umbiegen des oder der betreffenden Fahnenabschnitte vor dem eigentlichen Verschweißungsvorgang dienen. Das Umbiegen der Stromableiter (Anschlussfahnen) ist jedoch auch für andere Verbindungsarten (z. B. Laserschweißen, Elektroschweißen, CMT-Schweißen, Löten etc.) oftmals von Vorteil, so dass auch in diesen Fällen ein verwendeter Amboss zusätzlich als Hilfseinrichtung für den Biegevorgang bzw. als Teil einer Biegevorrichtung benutzt werden kann.
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Vor diesem Hintergrund ist gemäß eines weiteren Erfindungssspekts ein Verfahren zum Umformen, insbesondere Umbiegen, von Anschlussfahnen einer Batteriezelle der oben beschriebenen Art vorgesehen, wobei ein sich über zumindest die gesamte Breite der Anschlussfahne erstreckender Amboss (oder dergleichen) an die Anschlussfahne herangeführt wird, und sodann unter Verwendung des Ambosses als Hilfsmittel die mehreren Fahnenabschnitte einzeln nacheinander umgeformt werden.
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Bei einem Verfahren zur Herstellung einer Batteriezellenanordnung kann beispielsweise wie folgt vorgegangen werden:
- a) Aneinanderreihen von mehreren Batteriezellen der oben beschriebenen Art.
- b) Positionieren eines Ambosses zwischen den Anschlussfahnen zweier benachbarter Batteriezellen, und Umbiegen der einzelnen Fahnenabschnitte (bevorzugt nacheinander), um die Fahnenabschnitte paarweise in eine gegenseitige Überlappungsstellung zu bringen, wobei der Amboss hierbei ein Auflager für den Umbiegeprozess bildet.
- c) Heranführen einer Sonotrode, und Ultraschallverschweißung der einander überlappenden Fahnenabschnitte, wobei die Verschweißung der mehreren Fahnenabschnittpaare bevorzugt nacheinander erfolgt.
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Die Verfahrensschritte b) und c) können sodann für die weiteren, in der betreffenden Batteriezellenanordnung gewünschten elektrischen Verbindungen wiederholt werden.
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Bei dem Verfahrensschritt c) kann alternativ zur Ultraschallverschweißung auch ein anderes, zur elektrischen Kontaktierung geeignetes Verfahren angewendet werden (z. B. eines der oben bereits erwähnten Verfahren wie Laserschweißen etc.).
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Vorteilhaft können mit der Erfindung elektrische Kontaktierungen, insbesondere Verschweißungen von Batteriezellen mit besonders breiten Anschlussfahnen bewerkstelligt werden. Durch die erfindungsgemäße Ausformung der Anschlussfahnen mit einem ”Ausschnitt” (vgl. Breite d in 5), können die Verbindungsstellen (Schweißstellen) in mehrere Teilabschnitte aufgeteilt werden. Da jedoch mehrere solche Teilabschnitte nebeneinander vorgesehen werden, kann eine insgesamt großflächige und somit einen geringen Übergangswiderstand bereitstellende Verbindung geschaffen werden.
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Die Erfindung ermöglicht eine kompakte und kostengünstige Bauweise von Batteriezellenanordnungen bzw. der daraus gebildeten Batterien mit erweiterten Anwendungsmöglichkeiten für die automobile und die allgemeine Batterietechnik. Wenngleich die Verwendung einer Batteriezelle bzw. einer Batteriezellenanordnung der oben beschriebenen Art für die Herstellung einer elektrischen Batterie eines Elektro- oder Hybridfahrzeuges (einschließlich ”Plug in”-Hybrid), bzw. als Komponente einer solchen Batterie ein besonders interessantes Einsatzgebiet darstellt, so kann die Erfindung darüber hinaus prinzipiell in allen technischen Bereichen eingesetzt werden, in denen elektrische Energiespeicher benötigt werden. Lediglich beispielhaft seien hier Energiespeicher im Bereich von Windkraftanlagen oder Solarenergieanlagen genannt. Insbesondere in diesen Bereichen der regenerativen Energieerzeugung werden oftmals elektrische Energiespeicher zur Zwischenspeicherung von ”Überschuss”-Energie benötigt.
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Die Erfindung wird nachfolgend anhand von Ausführungsbeispielen mit Bezug auf die beigefügten Zeichnungen weiter beschrieben. Es stellen jeweils schematisch dar:
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1 eine Frontansicht einer Batteriezelle von herkömmlicher Art,
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2 eine Seitenansicht der Batteriezelle,
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3 eine der 1 entsprechende Frontansicht während einer Ultraschallverschweißung zur elektrischen Kontaktierung der Batteriezelle,
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4 eine Seitenansicht zur weiteren Veranschaulichung der Ultraschallverschweißung,
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5 eine Frontansicht einer Batteriezelle gemäß eines Ausführungsbeispiels der Erfindung, dargestellt zum Zeitpunkt der Durchführung einer Ultraschallverschweißung an einer Anschlussfahne, und
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6 eine Draufsicht einer Batteriezellenanordnung aus mehreren Batteriezellen der in 5 dargestellten Art.
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Die 1 und 2 veranschaulichen eine Batteriezelle 10, beispielsweise eine Lithium-Ionen-Folienflachzelle, zur Verwendung für die Herstellung einer elektrischen Batterie eines Elektro- oder Hybridfahrzeuges.
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Die Batteriezelle 10 umfasst einen plattenförmig-quaderförmigen Zellkörper 12, eine als lappenförmige Anschlussfahne 14 ausgebildete Anode (z. B. aus vernickeltem Kupfer) und eine als identisch formgestaltete Anschlussfahne 16 ausgebildete Kathode (z. B. aus Aluminium).
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Die beiden Anschlussfahnen 14, 16 der Batteriezelle 10 durchsetzen an der Oberseite des Zellkörpers 12 eine obere Wandungsfläche, und dienen zur elektrischen Kontaktierung der Batteriezelle 10 innerhalb der damit herzustellenden Batterie.
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Die 3 und 4 veranschaulichen beispielhaft die Herstellung eines elektrischen Kontaktes zwischen der Anschlussfahne 14 (Anode) der Batteriezelle 10 und einer Anschlussfahne 16' (Kathode) einer (in einer Batteriezellenanordnung) benachbart angeordneten, identisch ausgebildeten weiteren Batteriezelle 10' (in 4 gestrichelt eingezeichnet).
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Diese Kontaktierung erfolgt durch ein Ultraschallschweißverfahren, bei welchem zunächst ein Amboss 18 wie dargestellt in einen Zwischenraum zwischen den Anschlussfahnen 14 und 16' von der Seite her eingebracht wird. Dann werden die freien Enden bzw. distalen Bereiche der Anschlussfahnen 14, 16', gleichzeitig oder nacheinander, rechtwinklig gegenüber den nach oben aus den Zellkörpern emporragenden proximalen Anschlussfahnenbereichen umgebogen. Sodann wird von oben her eine Sonotrode 20 auf die einander überlappenden freien Enden der Anschlussfahnen 14, 16' aufgesetzt, und die Ultraschallverschweißung durchgeführt.
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Die elektrische Kontaktierung der anderen Anschlussfahne 16 (Kathode), etwa wieder zu einer anderen (nicht dargestellten) Batteriezelle, kann in entsprechender Weise durchgeführt werden.
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Der Amboss 18 muss derart ausgelegt sein, dass er den Aufpressdruck der Sonotrode 20 und die Ultraschallschwingungen aushalten kann. Bedingt durch die Eigenschaften gängiger Materialien für den Amboss, dessen geometrische Ausprägung und den daraus folgenden mechanischen Eigenschaften, und den in der Praxis begrenzten Bauraum oberhalb der Zellkörper, und die Eigenschaften gängiger Sonotroden konnten bislang zuverlässige und hochqualitative Ultraschallverschweißungen von Anschlussfahnen der vorstehend erläuterten Art nur mit einer maximalen Breite von etwa 55 bis 60 mm erzeugt werden.
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Zur Verringerung des elektrischen Übergangswiderstandes zwischen den Anschlussfahnen 14 und 16' wäre es zwar wünschenswert, die Verschweißung breiter zu machen. Aus den genannten Gründen ist dies jedoch nicht möglich bzw. im Hinblick auf eine zuverlässige Verschweißung problematisch. Zu bedenken ist auch die nicht unerhebliche mechanische Belastung der Anschlussfahnen 14, 16' beim Umbiegen und beim Verschweißen.
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Bei der nachfolgenden Beschreibung eines weiteren, erfindungsgemäßen Ausführungsbeispiels anhand der 5 und 6 werden für gleichwirkende Komponenten die gleichen Bezugszahlen verwendet, jeweils ergänzt durch einen kleinen Buchstaben ”a” zur Unterscheidung der Ausführungsform. Dabei wird im Wesentlichen nur auf die Unterschiede zu dem bereits beschriebenen Ausführungsbeispiel eingegangen und im Übrigen hiermit ausdrücklich auf die Beschreibung des vorangegangenen Ausführungsbeispiels verwiesen.
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5 ist eine der 3 entsprechende Frontansicht einer Batteriezelle 10a mit einem Zellkörper 12a und (schattiert eingezeichneten) Anschlussfahnen 14a (Anode) und 16a (Kathode). Im Betrieb der Batteriezelle 10a führen diese Fahnen 14a, 16a den Entlade- bzw. Ladestrom.
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Eine Besonderheit der Anschlussfahnen 14a und 16a besteht darin, dass diese an ihren freien Enden bzw. distalen Anschlussfahnenbereichen jeweils aus mit einem Abstand d zueinander verlaufenden Fahnenabschnitten 14a-1, 14a-2 bzw. 16a-1, 16a-2 ausgebildet sind. In den proximalen Bereichen der Anschlussfahnen 14a, 16a ist jedoch ein zusammenhängender Bereich vorgesehen, über welchen die jeweiligen Fahnenabschnitte einstückig zusammenhängen. Dieser zusammenhängende Bereich erstreckt sich vom Inneren des Zellkörpers 12a wie dargestellt durch die oberseitige Wandung hindurch bis in den Außenraum des Zellkörpers 12a.
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Die jeweils zweiteilige Gestaltung der Anschlussfahnen 14a und 16a ermöglicht es vorteilhaft, eine erhöhte Gesamtbreite jeder elektrischen Kontaktierung (Verschweißung) ohne Beeinträchtigung der Zuverlässigkeit und Qualität vorzusehen. Aufgrund der mechanischen Entkoppelung der mehreren (hier: zwei) Fahnenabschnitte jeder Anschlussfahne 14a und 16a können die beiden Fahnenabschnitte problemlos z. B. nacheinander verschweißt werden. Zuvor kann ein einzeln nacheinander erfolgendes Umbiegen der Fahnenabschnitte vorgesehen sein. Damit kann vorteilhaft die durch den Umbiegevorgang entstehende mechanische Belastung verringert werden.
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Da die Kathode (Anschlussfahne 16a) an derselben Wandungsfläche (Oberseite des Zellkörpers 12a) wie die Anode (Anschlussfahne 14a) vorgesehen ist, bietet die Formgestaltung des Zellkörpers 12a im ”Querformat” einen Vorteil.
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5 veranschaulicht auch die Realisierung einer Ultraschallverschweißung der Anschlussfahne 14a bzw. derer Fahnenabschnitte 14a-1 und 14a-2 mit in Überlappungsstellung gebrachten Fahnenabschnitten 16a-1' und 16a-2' einer benachbart angeordneten Batteriezelle (nicht dargestellt).
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Ähnlich wie bereits mit Bezug auf die 3 beschrieben erfolgt die Ultraschallverschweißung mittels einer Sonotrode 20a und eines Ambosses 18a einer Ultraschallschweißeinrichtung (alternativ: anderes Kontaktierungsverfahren).
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In einer bevorzugten Ausführungsvariante erfolgen die Verschweißungen der beiden Fahnenabschnitte 14a-1 und 14a-2 mit den weiteren Fahnenabschnitten 16a-1' und 16a-2' nacheinander mit ein und derselben Sonotrode 20a, wobei bevorzugt der Amboss 18a derart ausgebildet ist und zuvor derart positioniert wurde, dass der einmalig positionierte Amboss für beide Verschweißungsprozesse genutzt werden kann.
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Der Amboss 18a muss hierfür eine Länge besitzen, die mindestens der Gesamtbreite der betreffenden Anschlussfahne entspricht. Im dargestellten Ausführungsbeispiel erstreckt sich der Amboss 18a beiderseits der betreffenden Anschlussfahne 14a noch ein Stück weit weiter. Dies besitzt den Vorteil einer stabileren Lagerbarkeit des Ambosses 18a, der im dargestellten Ausführungsbeispiel im positionierten Zustand an drei Stellen gelagert ist, nämlich durch in der Figur bei 22a-1 und 22a-2 symbolisierte Widerlager an den Enden des Ambosses 18a, und durch ein weiteres Widerlager 22a-3 im Bereich des Spaltes (Breite d) zwischen den beiden Fahnenabschnitten 14a-1 und 14a-2.
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Die Widerlager 22a-1 bis 22a-3 können Bestandteil einer insgesamt nicht dargestellten Ultraschallschweißeinrichtung sein, wobei der Amboss 18a permanent mit dem Widerlager 22a-1 verbunden ist und erst nach seinem seitlichen Einschieben zwischen die zu verschweißenden Anschlussfahnen mit den Widerlagern 22a-2 und 22a-3 verbunden (z. B. formschlüssig verbunden) wird. Hinsichtlich des in 5 rechten Widerlagers 22a-2 bietet es sich z. B. an, dieses mit einer z. B. konischen Vertiefung zu versehen, in welche beim Einschieben des Ambosses 18a ein an seinem rechten Ende befindlicher Fixierstift bzw. Dorn einläuft (Die Anordnung der Vertiefung und des Fixierstiftes können auch umgekehrt vorgesehen sein). Auch für das Widerlager 22a-3 kann eine Formschlussverbindung vorgesehen sein, beispielsweise eine Nut-und-Feder-Verbindung, etwa mit einer so genannten Schwalbenschwanznut an der Oberseite des Ambosses 18a, in welche eine korrespondierend am unteren Ende des Widerlagers 22a-3 angeordnete hinterschnittene Fixierleiste eingeschoben wird (orthogonal zur Zeichenebene von 5).
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Wie bereits mit Bezug auf 3 beschrieben, kann auch bei dem Ausführungsbeispiel gemäß 5 eine Nutzung des Ambosses 18a als Werkzeug (Auflager) beim rechtwinkligen Umbiegen der Anschlussfahne 14a (genauer gesagt der einzelnen Fahnenabschnitte 14a-1 und 14a-2) erfolgen.
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Falls abweichend vom dargestellten Ausführungsbeispiel zwischen zwei benachbarten Fahnenabschnitten einer Anschlussfahne kein Widerlager für den verwendeten Amboss vorgesehen ist, so kann der lichte Abstand (Breite d) im Vergleich zu den Breiten der Fahnenabschnitte wesentlich kleiner als in der Figur dargestellt gewählt werden (z. B. kleiner als 10%, insbesondere kleiner als 5% der Breite einer oder beider benachbarter Fahnenabschnitte). Der genaue Wert der Breite d spielt für die hier wesentliche ”mechanische Entkoppelung” der beiden Fahnenabschnitte eine untergeordnete Rolle.
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6 veranschaulicht die Bildung einer Batteriezellenanordnung 30a aus einer Vielzahl von elektrisch miteinander verbundenen Batteriezellen.
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Die Batteriezellen können ihrerseits eine Mehrzahl von ”Einzelzellen” beherbergen, beispielsweise eine elektrische Parallelanordnung von etwa 2 bis 10 solcher ”Einzelzellen”.
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Mit der Erfindung können eine Vielzahl von Vorteilen erzielt werden. So erlaubt eine Ultraschallverschweißung der Batteriezellen deren serielle und/oder parallele elektrische Verbindung, wobei die einzelnen elektrischen Kontakte rasch hergestellt werden können, und langlebig und mechanisch robust sind. Die Technik kann gut in eine Serienproduktion integriert werden. Aufgrund der Vielzahl der elektrischen Verbindungen (pro Batterie typischerweise mehrere 100) ist die Qualität und Zuverlässigkeit der elektrischen Kontaktierung besonders wichtig. Um die Strombelastbarkeit zu optimieren, sind die beschriebenen mehrteiligen Anschlussfahnen, welche wie erläutert eine Verschweißung über eine größere Gesamtbreite ermöglichen, insbesondere für die angestrebten Leistungsbereiche in Hybridfahrzeugen (einschließlich ”Plug-in-Hybrid”) und reinen Elektrofahrzeugen von überragendem Vorteil. Die Erfindung kann prinzipiell jedoch auch in stationären Anwendungen eingesetzt werden.
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Mit der besonderen Ausformung der Batteriezellverbindungen für besonders große Schweißverbindungen, wie anhand des oben erläuterten Ausführungsbeispiels veranschaulicht, können mehrere Probleme entschärft werden. Eine mehrfache Unterstützung bzw. Lagerung des Ambosses wirkt zur mechanischen Entlastung, was neue Designoptionen zulässt. Es können mehrere Schweißflächen vorgesehen werden, die einander allenfalls wenig beeinflussen, da die Schweißstellen entkoppelt sind. Es kann eine Optimierung der Ambosslänge für gute Schweißeigenschaften erfolgen. Ein gegebenenfalls erforderliches Umfalten von Fahnenabschnitten kann einzeln und somit für relativ schmale Abschnitte vorgesehen sein, was zur Verringerung eines Krafteintrages in die Batteriezelle führt. Die schmäleren Fahnenabschnitte verringern die notwendigen Kräfte für ein Umfalten der Fahnenabschnitte mittels eines Werkzeuges über eine Kante bzw. Formfläche (z. B. abgerundete Kante) des Ambosses.