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DE102023100564B4 - Traction battery wound cell - Google Patents

Traction battery wound cell

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DE102023100564B4 DE102023100564.2A DE102023100564A DE102023100564B4 DE 102023100564 B4 DE102023100564 B4 DE 102023100564B4 DE 102023100564 A DE102023100564 A DE 102023100564A DE 102023100564 B4 DE102023100564 B4 DE 102023100564B4
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Abstract

Traktionsbatterie-Wickelzelle (10) miteinem außenzylindrischen Wickelkern (20),einem auf den Wickelkern (20) aufgewickelten Folienverbund (300), der von einer Anodenfolie (31), einer Kathodenfolie (32) und zwei Isolatorfolien (341,342) gebildet ist, undeinem fluiddichten Zellengehäuse (40), das den Folienverbund (300) fluiddicht einhaust,wobei der Wickelkern (20) von einem hohlzylindrischen Anodenrohr (22) und einem hohlzylindrischen Kathodenrohr (24) gebildet ist, die durch einen elektrisch nicht-leitenden Trennringkörper (26) zu einem fluiddichten Axialkühlkanal (29) für eine Kühlflüssigkeit verbunden sind, undwobei die Kathodenfolie (32) mit dem Kathodenrohr (24) und die Anodenfolie (31) mit dem Anodenrohr (22) elektrisch verbunden ist.A traction battery wound cell (10) with an outer cylindrical winding core (20), a film composite (300) wound onto the winding core (20), which is formed by an anode foil (31), a cathode foil (32) and two insulator foils (341, 342), and a fluid-tight cell housing (40) which encloses the film composite (300) in a fluid-tight manner, wherein the winding core (20) is formed by a hollow cylindrical anode tube (22) and a hollow cylindrical cathode tube (24) which are connected by an electrically non-conductive separating ring body (26) to form a fluid-tight axial cooling channel (29) for a cooling liquid, and wherein the cathode foil (32) is electrically connected to the cathode tube (24) and the anode foil (31) is electrically connected to the anode tube (22).

Description

Die Erfindung bezieht sich auf eine Traktionsbatterie-Wickelzelle, die einen außenzylindrischen Wickelkern aufweist, auf den ein Folienverbund spiralförmig aufgewickelt ist.The invention relates to a traction battery wound cell having an outer cylindrical winding core onto which a foil composite is wound spirally.

Eine typische Traktionsbatterie für einen Pkw hat derzeit eine Kapazität in der Größenordnung von 100 kWh, so dass die Traktionsbatterie einen großen Kostenfaktor bei der Herstellung eines Kraftfahrzeugs darstellt. Batterie-Wickelzellen sind bekannt aus der CN 1 01 393 973 A und der CN 2 02 749 463 U , sind grundsätzlich preiswert herstellbar, und unter diesem Aspekt gut geeignet für eine Kfz-Traktionsbatterie. Sowohl beim Schnell-Aufladen als auch beim Entladen im Fahrbetrieb fließen hohe elektrische Ströme, die eine leistungsstarke Kühlung der Traktionsbatterie erfordern. Auch bei einer aktiven Flüssigkeits-Kühlung des fluiddichten Gehäuses einer Traktionsbatterie-Wickelzelle wird das Zentrum der Wickelzelle nur verhältnismäßig langsam entwärmt, so dass die maximale Leistung beim Aufladen und Entladen sehr begrenzt ist.A typical traction battery for a passenger car currently has a capacity of around 100 kWh, so the traction battery represents a major cost factor in the production of a motor vehicle. Battery wound cells are known from CN 1 01 393 973 A and the CN 2 02 749 463 U , are generally inexpensive to manufacture and, from this perspective, well-suited for automotive traction batteries. High electrical currents flow during both rapid charging and discharging while driving, requiring powerful cooling of the traction battery. Even with active liquid cooling of the fluid-tight housing of a traction battery wound cell, the center of the wound cell is cooled only relatively slowly, so the maximum power during charging and discharging is very limited.

Aus der DE 10 2011 010 664 A1 und der WO 2022/ 063 632 A1 ist eine zylindrische Traktionsbatterie-Wickelzelle bekannt, deren Zellenkern von einem hohlzylindrischen Rohr gebildet wird, so dass auch das Zentrum der Batteriezelle über das Rohr aktiv flüssigkeitsgekühlt werden kann. Die Anschlussanode und die Anschlusskatode der Traktionsbatterie-Wickelzelle werden von separaten Ringkörpern gebildet, die das Rohr umgeben.From the DE 10 2011 010 664 A1 and the WO 2022/ 063 632 A1 A cylindrical traction battery wound cell is known whose cell core is formed by a hollow cylindrical tube, allowing the center of the battery cell to be actively cooled by liquid via the tube. The terminal anode and terminal cathode of the traction battery wound cell are formed by separate annular bodies that surround the tube.

Aufgabe der Erfindung ist es demgegenüber, eine einfach aufgebaute Traktionsbatterie-Wickelzelle zu schaffen.The object of the invention is to create a traction battery wound cell with a simple structure.

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß gelöst mit einer Traktionsbatterie-Wickelzelle mit den Merkmalen des Anspruchs 1.This object is achieved according to the invention with a traction battery wound cell having the features of claim 1.

Die erfindungsgemäße Traktionsbatterie-Wickelzelle weist einen außenzylindrischen Wickelkern auf, auf den ein Folienverbund aufgewickelt ist, vorzugsweise spiralförmig aufgewickelt ist. Der Folienverbund wird von einer Anodenfolie, einer Kathodenfolie und zwei Isolatorfolien gebildet, die jeweils zwischen einer Anodenfolie und einer benachbarten Kathodenfolie liegen. Auf diese Weise liegen in radialer Richtung betrachtet eine Vielzahl an Anodenfolien-Lagen und Kathodenfolien-Lagen übereinander. Eine typische Kapazität einer derartigen Traktionsbatterie-Wickelzelle liegt im Bereich von wenigen Wattstunden.The traction battery wound cell according to the invention has an outer cylindrical winding core onto which a foil composite is wound, preferably spirally wound. The foil composite is formed by an anode foil, a cathode foil, and two insulator foils, each of which is located between an anode foil and an adjacent cathode foil. Thus, viewed in the radial direction, a plurality of anode foil layers and cathode foil layers lie one above the other. A typical capacity of such a traction battery wound cell is in the range of a few watt-hours.

Der gesamte zylinderringförmige Folienverbund ist von einem fluiddichten Zellengehäuse eingehaust. Hierdurch ist es möglich, dass die Traktionsbatterie-Wickelzelle auch von außen flüssigkeitsgekühlt werden kann, beispielsweise durch eine geeignete elektrisch nicht-leitende Kühlflüssigkeit, beispielsweise ein Kühlöl.The entire cylindrical foil composite is enclosed in a fluid-tight cell housing. This allows the traction battery wound cell to be cooled externally, for example, with a suitable electrically non-conductive coolant, such as cooling oil.

Der Wickelkern wird von einem hohlzylindrischen und elektrisch leitfähigen Anodenrohr und einem hohlzylindrischen und elektrisch leitfähigen Kathodenrohr gebildet, wobei die beiden Rohre ungefähr den gleichen Außendurchmesser und den gleichen Innendurchmesser aufweisen. Das Kathodenrohr und das Anodenrohr sind in axialer Richtung miteinander ausgerichtet und sind durch einen elektrisch nicht-leitenden Trennringkörper zu einem fluiddichten axialen Kühlkanal miteinander verbunden. Die Kathodenfolie ist elektrisch nur mit dem Kathodenrohr verbunden, und die Anodenfolie ist elektrisch nur mit dem Anodenrohr elektrisch verbunden. Die elektrische Konnektierung der Traktionsbatterie-Wickelzelle mit ihrer elektrischen Peripherie kann also unmittelbar jeweils über das Kathodenrohr und das Anodenrohr erfolgen. Separate Bauteile der Traktionsbatterie-Wickelzelle hierfür sind nicht erforderlich.The winding core is formed by a hollow cylindrical, electrically conductive anode tube and a hollow cylindrical, electrically conductive cathode tube. The two tubes have approximately the same outer diameter and the same inner diameter. The cathode tube and the anode tube are axially aligned and connected to each other by an electrically non-conductive separating ring body to form a fluid-tight axial cooling channel. The cathode foil is electrically connected only to the cathode tube, and the anode foil is electrically connected only to the anode tube. The electrical connection of the traction battery winding cell to its electrical periphery can therefore be established directly via the cathode tube and the anode tube, respectively. Separate components of the traction battery winding cell are not required for this purpose.

Vorzugsweise ist das Zellengehäuse vollständig als elektrischer Isolator ausgebildet, wodurch insbesondere für den Fall eines elektrischen Defektes innerhalb der Traktionsbatterie-Wickelzelle auf einfache Weise ein Berührungsschutz realisiert ist.Preferably, the cell housing is designed entirely as an electrical insulator, whereby contact protection is easily implemented, particularly in the event of an electrical defect within the traction battery winding cell.

Vorzugsweise weist das Zellengehäuse einen Gehäusezylinder auf, der von einer Kunststofffolie gebildet ist, die besonders bevorzugt ein Schrumpfschlauch ist. Auf diese Weise kann die Traktionsbatterie-Wickelzelle sehr einfach und preiswert hergestellt werden.The cell housing preferably has a housing cylinder formed from a plastic film, which is particularly preferably a shrink tube. This allows the traction battery wound cell to be manufactured very easily and inexpensively.

Vorzugsweise ist vorgesehen, dass das Anodenrohr einerseits und das Kathodenrohr andererseits jeweils axial aus dem Zellengehäuse herausragen. Auf diese Weise ist die elektrische Konnektierung der Traktionsbatterie-Wickelzelle vereinfacht, und kann beispielsweise durch eine einfache Kontaktklemme erfolgen, die den aus dem Zellengehäuse herausragenden Rohrstumpf unmittelbar kontaktieren kann.Preferably, the anode tube, on the one hand, and the cathode tube, on the other, each protrude axially from the cell housing. This simplifies the electrical connection of the traction battery wound cell and can, for example, be achieved using a simple contact terminal that can directly contact the tube stub protruding from the cell housing.

Vorzugsweise ist vorgesehen, dass die Anodenfolie und die Kathodenfolie jeweils aus Aluminium bestehen, wobei der von dem Zellengehäuse und dem Wickelkern definierte Ringraum mit einer Elektrolytflüssigkeit gefüllt ist.Preferably, the anode foil and the cathode foil are each made of aluminum, wherein the annular space defined by the cell housing and the winding core is filled with an electrolyte liquid.

Im Folgenden ist ein Ausführungsbeispiel der Erfindung anhand der Zeichnungen näher erläutert. Es zeigen:

  • 1 einen schematischen Längsschnitt einer Traktionsbatterie-Wickelzelle mit einem Wickelkern, der von einem Kathodenrohr und einem Anodenrohr gebildet wird und mit einem Folienverbund bewickelt ist,
  • 2 eine vergrößerte Darstellung eines Details II der Traktionsbatterie-Wickelzelle mit dem aus dem Zellengehäuse herausgeführten Anodenrohr, und
  • 3 eine vergrößerte Darstellung des Anodenrohrs der 1 und 2 beim Bewickeln mit dem Folienverbund.
An embodiment of the invention is explained in more detail below with reference to the drawings. They show:
  • 1 a schematic longitudinal section of a traction battery wound cell with a winding core surrounded by a cathode tube and a Anode tube is formed and is wrapped with a foil composite,
  • 2 an enlarged view of a detail II of the traction battery wound cell with the anode tube leading out of the cell housing, and
  • 3 an enlarged view of the anode tube of the 1 and 2 when wrapping with the film composite.

In der 1 ist schematisch im Längsschnitt eine Traktionsbatterie-Wickelzelle 10 dargestellt, die in einem Kraftfahrzeug mit einem elektrischen Traktionsantrieb als Teil einer Traktionsbatterie verbaut ist. Typischerweise sind mehrere Tausend derartiger Traktionsbatterie-Wickelzellen 10 zu der Traktionsbatterie physisch und elektrisch zusammengefasst.In the 1 A longitudinal section of a traction battery wound cell 10 is shown schematically. This wound cell is installed in a motor vehicle with an electric traction drive as part of a traction battery. Typically, several thousand such traction battery wound cells 10 are physically and electrically combined to form the traction battery.

Die im Wesentlichen außenzylindrische Traktionsbatterie-Wickelzelle 10 weist einen außenzylindrischen Wickelkern 20 auf, der von einem hohlzylindrischen Anodenrohr 22, einem hohlzylindrischen Kathodenrohr 24 und einem elektrisch nicht-leitenden Trennringkörper 26 gebildet wird, der das Anodenrohr 22 und das Kathodenrohr 24 fluiddicht miteinander verbindet und elektrisch voneinander trennt. Der im Querschnitt ungefähr T-förmige Trennringkörper 26 wird von einem Trennring-Kunststoffkörper 26' gebildet, und ist fluiddicht verklebt mit dem angrenzenden Anodenrohr 22 und dem gegenüberliegend angrenzenden Kathodenrohr 24. Der Wickelkern 20 bildet auf diese Weise einen fluiddichten Axialkühlkanal 29 für eine Kühlflüssigkeit, beispielsweise für ein Kühlöl. Das Anodenrohr 22 und das Kathodenrohr 24 bestehen jeweils aus einem elektrisch leitenden rostfreien Metallrohr 22', 24'. Der Wickelkern 20 ist rotationssymmetrisch in Bezug auf eine Zellen-Axiale A.The essentially externally cylindrical traction battery wound cell 10 has an externally cylindrical wound core 20 formed by a hollow cylindrical anode tube 22, a hollow cylindrical cathode tube 24, and an electrically non-conductive separating ring body 26, which connects the anode tube 22 and the cathode tube 24 in a fluid-tight manner and electrically separates them. The separating ring body 26, which is approximately T-shaped in cross-section, is formed by a separating ring plastic body 26' and is adhesively bonded in a fluid-tight manner to the adjacent anode tube 22 and the oppositely adjacent cathode tube 24. The wound core 20 thus forms a fluid-tight axial cooling channel 29 for a cooling liquid, for example, a cooling oil. The anode tube 22 and the cathode tube 24 each consist of an electrically conductive stainless metal tube 22', 24'. The winding core 20 is rotationally symmetrical with respect to a cell axial A.

Auf den außenzylindrischen Wickelkern 20 ist ein Folienverbund 300 spiralartig zu einer Vielzahl von Lagen aufgewickelt, im vorliegenden Ausführungsbeispiel zu insgesamt fünf Folienverbund-Lagen 301 - 305, die zusammen einen Lagenverband 30 bilden. Ein Folienverbund 300 besteht, wie in der 3 dargestellt ist, aus einer ersten Isolatorfolie 341, einer Anodenfolie 31, einer zweiten Isolatorfolie 342 und einer Kathodenfolie 32. Die vier Folien des Folienverbundes 300 sind jeweils miteinander verklebt, so dass der Folienverbund 300 als Ganzes spiralartig auf den Wickelkern 20 aufgewickelt wird, wie in der 3 angedeutet ist, die die Wickelzelle 10' während des Prozessschrittes der Bewicklung zeigt.A film composite 300 is wound spirally onto the outer cylindrical winding core 20 to form a plurality of layers, in the present embodiment to a total of five film composite layers 301 - 305, which together form a layer assembly 30. A film composite 300 consists, as shown in the 3 is shown, from a first insulator foil 341, an anode foil 31, a second insulator foil 342 and a cathode foil 32. The four foils of the foil composite 300 are each glued to one another, so that the foil composite 300 as a whole is wound spirally onto the winding core 20, as in the 3 which shows the winding cell 10' during the winding process step.

Ein fahnenartiger und radial innerer Endabschnitt 31' der Anodenfolie 31 ist über eine elektrische Konnektierung C22 elektrisch leitend ausschließlich mit dem Anodenrohr 22 verbunden, wie in 3 dargestellt. In analoger Weise ist ein entsprechender radial innerer Endabschnitt der Kathodenfolie 32 über eine elektrische Konnektierung C24 elektrisch leitend ausschließlich mit dem Kathodenrohr 24 verbunden.A flag-like and radially inner end section 31' of the anode foil 31 is electrically conductively connected exclusively to the anode tube 22 via an electrical connection C22, as shown in 3 shown. In an analogous manner, a corresponding radially inner end portion of the cathode foil 32 is electrically conductively connected exclusively to the cathode tube 24 via an electrical connection C24.

Die Traktionsbatterie-Wickelzelle 10 weist ein elektrisch nicht-leitendes Zellengehäuse 40 auf, das aus einem im Wesentlichen zylindrischen Kunststoff-Gehäusezylinder 42 und zwei Gehäuse-Ringscheiben 44,45 gebildet ist, die zusammen mit dem fluiddichten Wickelkern 20 einen fluiddichten Ringraum für den gesamten Lagenverband 30 bilden. Die ringscheibenförmigen Ringscheiben 44,45 bestehen jeweils aus einem Kunststoff-Ringkörper 44', 45'. Der Kunststoff-Gehäusezylinder 42 wird von einer Schrumpf-Kunststofffolie (42') gebildet.The traction battery wound cell 10 has an electrically non-conductive cell housing 40 formed from a substantially cylindrical plastic housing cylinder 42 and two housing annular discs 44, 45, which, together with the fluid-tight winding core 20, form a fluid-tight annular space for the entire layer assembly 30. The annular disc-shaped annular discs 44, 45 each consist of a plastic annular body 44', 45'. The plastic housing cylinder 42 is formed from a shrink-wrapped plastic film (42').

Ein anodischer Rohrstumpf 22" des Anodenrohrs 22 einerseits und ein kathodischer Rohrstumpf 24" des Kathodenrohrs 24 andererseits ragen jeweils aus dem Zellengehäuses 40 axial heraus, und können auf einfache Weise beispielsweise durch eine Kontaktklemme elektrisch kontaktiert werden.An anodic tube stub 22" of the anode tube 22 on the one hand and a cathodic tube stub 24" of the cathode tube 24 on the other hand each protrude axially from the cell housing 40 and can be electrically contacted in a simple manner, for example by a contact terminal.

Claims (6)

Traktionsbatterie-Wickelzelle (10) mit einem außenzylindrischen Wickelkern (20), einem auf den Wickelkern (20) aufgewickelten Folienverbund (300), der von einer Anodenfolie (31), einer Kathodenfolie (32) und zwei Isolatorfolien (341,342) gebildet ist, und einem fluiddichten Zellengehäuse (40), das den Folienverbund (300) fluiddicht einhaust, wobei der Wickelkern (20) von einem hohlzylindrischen Anodenrohr (22) und einem hohlzylindrischen Kathodenrohr (24) gebildet ist, die durch einen elektrisch nicht-leitenden Trennringkörper (26) zu einem fluiddichten Axialkühlkanal (29) für eine Kühlflüssigkeit verbunden sind, und wobei die Kathodenfolie (32) mit dem Kathodenrohr (24) und die Anodenfolie (31) mit dem Anodenrohr (22) elektrisch verbunden ist.A traction battery wound cell (10) comprising an outer cylindrical wound core (20), a foil composite (300) wound onto the wound core (20), which is formed by an anode foil (31), a cathode foil (32), and two insulator foils (341, 342), and a fluid-tight cell housing (40) that fluid-tightly encloses the foil composite (300), wherein the wound core (20) is formed by a hollow cylindrical anode tube (22) and a hollow cylindrical cathode tube (24), which are connected by an electrically non-conductive separating ring body (26) to form a fluid-tight axial cooling channel (29) for a cooling liquid, and wherein the cathode foil (32) is electrically connected to the cathode tube (24) and the anode foil (31) is electrically connected to the anode tube (22). Traktionsbatterie-Wickelzelle (10) nach Anspruch 1, wobei das Zellengehäuse (40) als elektrischer Isolator ausgebildet ist.Traction battery wound cell (10) according to Claim 1 , wherein the cell housing (40) is designed as an electrical insulator. Traktionsbatterie-Wickelzelle (10) nach einem der vorangegangenen Ansprüche, wobei das Anodenrohr (22) und das Kathodenrohr (24) jeweils axial aus dem Zellengehäuse (40) herausragen.Traction battery wound cell (10) according to one of the preceding claims, wherein the anode tube (22) and the cathode tube (24) each protrude axially from the cell housing (40). Traktionsbatterie-Wickelzelle (10) nach einem der vorangegangenen Ansprüche, wobei die Anodenfolie (31), die Kathodenfolie (32) und die beiden Isolatorfolien (341,342) zu dem Folienverbund (300) miteinander verklebt sind.Traction battery wound cell (10) according to one of the preceding claims, wherein the anode foil (31), the cathode foil (32) and the two insulator foils (341,342) are glued together to form the foil composite (300). Traktionsbatterie-Wickelzelle (10) nach einem der vorangegangenen Ansprüche, wobei die Anodenfolie (31) und die Kathodenfolie (32) aus Aluminium bestehen und wobei der von dem Zellengehäuse (40) und dem Wickelkern (20) definierte Ringraum mit einer Elektrolytflüssigkeit gefüllt ist.Traction battery wound cell (10) according to one of the preceding claims, wherein the anode foil (31) and the cathode foil (32) consist of aluminum and wherein the annular space defined by the cell housing (40) and the winding core (20) is filled with an electrolyte liquid. Traktionsbatterie-Wickelzelle (10) nach einem der vorangegangenen Ansprüche, wobei das Zellengehäuse (40) einen Gehäusezylinder (42) aufweist, der von einer Kunststofffolie (42') gebildet ist, die besonders bevorzugt ein Schrumpfschlauch ist.Traction battery wound cell (10) according to one of the preceding claims, wherein the cell housing (40) has a housing cylinder (42) formed by a plastic film (42'), which is particularly preferably a shrink tube.
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