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Die Erfindung betrifft eine Einzelzelle für eine elektrische Batterie mit einem aus zwei elektrisch voneinander isoliert miteinander verbundenen Hüllblechen gebildeten Zellengehäuse und einer innerhalb des Zellengehäuses angeordneten Elektrodenfolienanordnung, deren elektrische Pole jeweils mit einer der beiden Hüllbleche elektrisch verbunden sind.
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Die Erfindung betrifft weiterhin ein Verfahren zur Herstellung einer Einzelzelle für eine elektrische Batterie, wobei die Einzelzelle aus einer in einem Zellengehäuse angeordneten Elektrodenfolienanordnung gebildet wird, das Zellengehäuse aus zwei Hüllblechen gebildet wird, welche elektrisch voneinander isoliert miteinander verbunden werden, und elektrische Pole der Elektrodenfolienanordnung jeweils mit einer der beiden Hüllbleche elektrisch verbunden werden.
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Ferner betrifft die Erfindung eine elektrische Batterie, umfassend mehrere Einzelzellen.
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Aus dem Stand der Technik sind allgemein elektrische Batterien für Fahrzeuganwendungen bekannt, welche aus einer Mehrzahl von elektrisch seriell und/oder parallel geschalteten Einzelzellen, die sich mit einer zugehörigen Elektronik und Kühlung in einem gemeinsamen Batteriegehäuse befinden, gebildet sind.
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Die Einzelzellen sind als so genannte bipolare Rahmenflachzellen ausgebildet, bei welchen die Einzelzelle jeweils von zwei planaren metallischen Blechen umhüllt wird. Alternativ ist zumindest eines dieser Hüllbleche in Schalenform ausgebildet. Dabei sind aus den Hüllblechen gebildete Gehäusehälften durch einen elektrisch isolierenden Rahmen, welcher mehrschichtig ausgeführt sein kann, elektrisch voneinander isoliert und dienen gleichzeitig als elektrische Pole der Einzelzelle zum Einleiten und zur Entnahme elektrischer Leistung.
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Zusätzlich wird auch die Verlustwärme der Einzelzelle über entsprechend aufgedickte Hüllbleche an eine Schmalseite der Einzelzelle geleitet und an eine Temperiervorrichtung abgegeben, die von einem Temperiermedium durchströmt ist. Zur elektrischen Isolation der Hüllbleche und der metallischen Temperiervorrichtung ist zwischen den Hüllblechen und der Temperiervorrichtung ein Wärmeleitelement, beispielsweise eine Wärmeleitfolie, angeordnet. Zur Verbesserung eines Wärmeübergangs sind die Hüllbleche im Kontaktbereich mit der Temperiervorrichtung parallel zu dieser im rechten Winkel abgekantet, so dass sich so genannte Kühlfahnen ausbilden. Über diesen Wärmeleitpfad ist ferner eine Beheizung der Einzelzellen bei geringen Temperaturen mittels der Temperiervorrichtung möglich.
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Der elektrochemisch aktive Teil der Einzelzelle ist als Elektrodenstapel oder Elektrodenwickel ausgebildet, welcher aus Lagen von Kathoden- und Anodenfolien gebildet ist, zwischen welchen jeweils Lagen aus Separatorfolien angeordnet sind. Die Anoden- und Kathodenfolie sind an zumindest einer Randseite unbeschichtet ausgebildet und ragen aus dem Elektrodenstapel oder Elektrodenwickel als Stromableiterfahnen heraus, welche miteinander und mit einer Innenseite des Hüllblechs verbunden sind, um die Stromein- und Stromausleitung zu ermöglichen. Die elektrische Verbindung der Stromableiterfahnen miteinander und mit den Hüllblechen erfolgt mittels Pressverfahren, Schmelzschweißverfahren, mittels kraftschlüssiger Anbindungen oder Kombinationen dieser.
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Ein Verschluss der Einzelzelle erfolgt durch stoffschlüssige, aber elektrisch isolierende Verbindung der beiden spannungsführenden Hüllbleche mittels eines Heißpressverfahrens, einer so genannten Siegelung. Hierfür ist der Rahmen oder Abschnitte desselben zumindest im Bereich einer erzeugten Siegelnaht aus thermoplastischem Material ausgeführt oder ein Flanschbereich der Hüllbleche ist mit thermoplastischem Material versehen, welches in einer Heißpresse zumindest partiell aufgeschmolzen wird. Durch Erstarrung des thermoplastischen Materials bei sinkender Temperatur und unter Druck werden die beiden Hüllbleche stoffschlüssig miteinander verbunden.
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Der Erfindung liegt die Aufgabe zu Grunde, eine gegenüber dem Stand der Technik verbesserte Einzelzelle für eine elektrische Batterie, ein Verfahren zur Herstellung einer solchen Einzelzelle und eine elektrische Batterie anzugeben.
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Hinsichtlich der Einzelzelle wird die Aufgabe erfindungsgemäß durch die im Anspruch 1 angegebenen Merkmale, hinsichtlich des Verfahrens durch die im Anspruch 5 angegebenen Merkmale und hinsichtlich der elektrischen Batterie durch die im Anspruch 8 angegebenen Merkmale gelöst.
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Vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung sind Gegenstand der Unteransprüche.
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Die Einzelzelle für eine elektrische Batterie umfasst ein aus zwei elektrisch voneinander isoliert miteinander verbundenen Hüllblechen gebildetes Zellengehäuse und eine innerhalb des Zellengehäuses angeordneten Elektrodenfolienanordnung, deren elektrische Pole jeweils mit einer der beiden Hüllbleche elektrisch verbunden sind.
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Erfindungsgemäß ist zur Verbindung der Hüllbleche ein erstes Hüllblech in einem Randbereich über den vollständigen Umfang eines Randbereichs eines zweiten Hüllblechs derart um den Randbereich des zweiten Hüllblechs gebogen, dass die Hüllbleche in den Randbereichen zumindest formschlüssig miteinander verbunden sind, wobei zwischen den Hüllblechen in den Randbereichen ein elektrisch isolierendes Material angeordnet ist.
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Die erfindungsgemäße Einzelzelle zeichnet sich insbesondere dadurch aus, dass zum Verschluss des Zellengehäuses kein Wärmeeintrag erfolgt, so dass ein temperaturempfindlicher Elektrolyt schon vor dem vollständigen Fügen der Hüllbleche in das Zellengehäuses bei Raumtemperatur eingefüllt werden kann. Insbesondere kann zu diesem Zweck die Elektrodenfolienanordnung mit dem Elektrolyt getränkt werden. Hierzu ist im Gegensatz zu aus dem Stand der Technik bekannten Einzelzellen keine extra Einfüllöffnung mit einem Verschluss erforderlich. Weiterhin ist der Verschluss ist einer besonders geringen Zeit erzeugbar, wohingegen ein Hochheizen und nachfolgendes Abkühlen im verpressten Zustand nach dem Stand der Technik viel Zeit in Anspruch nimmt.
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Bei aus dem Stand der Technik bekannten Einzelzellen mit Siegelnaht besitzt die Siegelung nur eine spezifisch geringe Festigkeit. Gleichzeitig muss jedoch verhindert werden, dass Wasserdampf durch Diffusion in die Einzelzelle eingetragen wird. Aus diesem Grund ist die Siegelnaht durch Einstellung einer Mindestklebefläche und Mindestdiffusionslänge sehr breit ausgeführt auszuführen, wodurch sich ein großer Bauraum ergibt.
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Im Gegensatz hierzu erstreckt sich eine durch die Biegung im Randbereich der erfindungsgemäßen Einzelzelle erzeugte Naht, insbesondere Bördelnaht, zumindest teilweise senkrecht zu den Hüllblechen, woraus sich eine besonders bauraumsparende Bauweise ergibt. Durch den Formschluss der Verbindung wird dabei gleichzeitig eine hohe mechanische Festigkeit, insbesondere auch bei Belastung auf Zug, sichergestellt.
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Ausführungsbeispiele der Erfindung werden im Folgenden anhand von Zeichnungen näher erläutert.
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Dabei zeigen:
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1 schematisch eine Schnittdarstellung eines ersten Ausführungsbeispiels einer Einzelzelle für eine elektrische Batterie nach dem Stand der Technik,
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2 schematisch eine Schnittdarstellung eines zweiten Ausführungsbeispiels einer Einzelzelle für eine elektrische Batterie nach dem Stand der Technik,
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3 schematisch eine Schnittdarstellung eines dritten Ausführungsbeispiels einer Einzelzelle für eine elektrische Batterie nach dem Stand der Technik,
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4 schematisch eine Explosionsdarstellung eines ersten Ausführungsbeispiels einer erfindungsgemäßen Einzelzelle für eine elektrische Batterie,
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5 schematisch eine perspektivische Ansicht der Einzelzelle gemäß 4 im montierten Zustand,
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6 schematisch eine erste perspektivische Ansicht eines Ausschnitts der Einzelzelle im geöffneten Zustand gemäß 4 vor einem Fügen,
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7 schematisch eine zweite perspektivische Ansicht eines Ausschnitts der Einzelzelle im geöffneten Zustand gemäß 4 vor einem Fügen,
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8 schematisch eine perspektivische Ansicht eines Ausschnitts der Einzelzelle im geschlossenen Zustand gemäß 4 vor einem Fügen,
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9 schematisch eine perspektivische Ansicht eines Ausschnitts der Einzelzelle gemäß 4 nach einem Fügen,
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10 schematisch eine Schnittdarstellung der Einzelzelle im geöffneten Zustand gemäß 4 vor einem Fügen,
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11 schematisch eine Schnittdarstellung der Einzelzelle gemäß 4 nach einem Fügen,
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12 schematisch eine Schnittdarstellung eines Ausschnitts der Einzelzelle gemäß 4 im Randbereich von Hüllblechen vor einem Fügen,
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13 schematisch eine Schnittdarstellung eines Ausschnitts der Einzelzelle gemäß 4 im Randbereich von Hüllblechen nach einem Fügen,
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14 schematisch eine Schnittdarstellung eines weiteren Ausschnitts der Einzelzelle gemäß 4 im Randbereich von Hüllblechen nach einem Fügen,
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15 schematisch eine Schnittdarstellung eines Ausschnitts eines zweiten Ausführungsbeispiels der erfindungsgemäßen Einzelzelle im Randbereich von Hüllblechen nach einem Fügen,
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16 schematisch eine Schnittdarstellung eines dritten Ausführungsbeispiels der erfindungsgemäßen Einzelzelle nach einem Fügen, und
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17 schematisch eine Schnittdarstellung eines Ausschnitts der Einzelzelle gemäß 16 im Randbereich von Hüllblechen nach einem Fügen.
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Einander entsprechende Teile sind in allen Figuren mit den gleichen Bezugszeichen versehen.
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In den 1 bis 3 sind verschiedene Ausführungsbeispiele von Einzelzellen 1 für elektrische Batterien, insbesondere Hochvolt-Batterien für Fahrzeuganwendungen, nach dem Stand der Technik dargestellt.
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Die Einzelzellen 1 sind dabei als so genannte bipolare Rahmenflachzellen ausgebildet, bei welchen die Einzelzelle 1 jeweils von zwei metallischen Hüllblechen 2, 3 umhüllt ist. In einer Ausführung gemäß 1 sind beide Hüllbleche 2, 3 planar ausgebildet. In einer weiteren Ausführung gemäß 2 ist ein Hüllblech 2 planar und das andere Hüllblech 3 schalenförmig ausgebildet. In einer weiteren Ausführung gemäß 3 sind beide Hüllbleche 2, 3 schalenförmig ausgebildet.
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Aus den Hüllblechen 2, 3 gebildete Gehäusehälften sind durch einen umlaufenden und elektrisch isolierenden Rahmen 4, welcher mehrschichtig ausgeführt sein kann, elektrisch voneinander isoliert und dienen gleichzeitig als elektrische Pole der Einzelzelle 1 zum Einleiten und zur Entnahme elektrischer Leistung.
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Ein elektrochemisch aktiver Teil der Einzelzelle 1 ist in den dargestellten Ausführungsbeispielen als ein aus einer Elektrodenfolienanordnung 5 gebildeter Elektrodenstapel ausgebildet. Alternativ ist in nicht näher dargestellter Weise auch eine Ausbildung als Elektrodenwickel möglich.
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Die Elektrodenfolienanordnung 5 ist aus Lagen von Kathoden- und Anodenfolien gebildet, zwischen welchen jeweils Lagen aus Separatorfolien angeordnet sind. Die Anoden- und Kathodenfolie sind an zumindest einer Randseite unbeschichtet ausgebildet und ragen in nicht dargestellter Weise aus dem Elektrodenstapel als Stromableiterfahnen heraus, welche in ebenfalls nicht dargestellter Weise miteinander und mit einer Innenseite des jeweiligen Hüllblechs 2, 3 verbunden sind, um die Stromein- und Stromausleitung zu ermöglichen. Die elektrische Verbindung der Stromableiterfahnen miteinander und mit den Hüllblechen 2, 3 erfolgt mittels Pressverfahren, Schmelzschweißverfahren, mittels kraftschlüssiger Anbindungen oder Kombinationen dieser.
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Ein Verschluss der Einzelzelle 1 erfolgt durch stoffschlüssige, aber elektrisch isolierende Verbindung der beiden spannungsführenden Hüllbleche 2, 3 mittels eines Heißpressverfahrens, einer so genannten Siegelung. Hierfür ist der Rahmen 4 oder Abschnitte desselben zumindest im Bereich einer erzeugten Siegelnaht aus thermoplastischem Material ausgeführt oder ein Flanschbereich der Hüllbleche 2, 3 ist mit thermoplastischem Material versehen, welches in einer Heißpresse zumindest partiell aufgeschmolzen wird. Durch Erstarrung des thermoplastischen Materials bei sinkender Temperatur und unter Druck werden die beiden Hüllbleche 2, 3 stoffschlüssig miteinander verbunden. Besonders gute Haftungseigenschaften weißt als thermoplastisches Material beispielsweise Polypropylen mit Aminosäurenmodifikation auf.
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Die 4 bis 14 zeigen ein mögliches erstes Ausführungsbeispiel einer erfindungsgemäßen Einzelzelle 1 oder Ausschnitte dieser in verschiedenen Ansichten vor und nach einem Fügen der Hüllbleche 2, 3.
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Dabei ist die Einzelzelle 1 ebenfalls als Flachzelle ausgebildet, wobei beide Hüllbleche 2, 3 schalenförmig ausgebildet sind. Im Unterschied zu dem in 3 dargestellten dritten Ausführungsbeispiel nach dem Stand der Technik ist zur Verbindung der Hüllbleche 2, 3 das erste Hüllblech 2 in einem Randbereich 2.1 über den vollständigen Umfang eines Randbereichs 3.1 des zweiten Hüllblechs 3 derart gebogen, dass die Hüllbleche 2, 3 in den Randbereichen 2, 3 zumindest formschlüssig miteinander verbunden sind.
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Hierzu ist der Randbereich 3.1 des zweiten Hüllblechs 3 über den vollständigen Umfang als Falz ausgebildet, welcher im Wesentlichen senkrecht zu einer jeweiligen Seitenwand ausgebildet ist. Das erste Hüllblech 2 ist im im Wesentlichen senkrecht zur Grundfläche der Schale verlaufenden Randbereich 2.1 kegelförmig aufgeweitet und wird zur Verbindung der Hüllbleche 2, 3 über den Falz geschoben. Anschließend erfolgt die Umformung des ersten Hüllblechs 2 in dessen des Randbereich 2.1 als so genannte Bördelung, in welcher das Biegen mittels Pressstempeln anhand einer Linienberührung und/oder Rollenwerkzeugen anhand einer Punktberührung und unter Druck durchgeführt wird.
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Zwischen den Hüllblechen 2, 3, welche in ihren Seitenbereichen jeweils mit einer Stromableiterfahne 5.1, 5.2 der Elektrodenfolienanordnung 5 elektrisch verbunden, insbesondere verschweißt, sind, und der Elektrodenfolienanordnung 5 ist jeweils ein schalenförmiges und elektrisch nicht leitfähiges Isolationselement 7, 8 angeordnet, welches beispielsweise aus Kunststoff, insbesondere aus elektrolytbeständigem Kunststoff, wie beispielsweise Polypropylen oder Polyethylenterephthalat, gebildet ist. An jeweils einer Seitenwand des jeweiligen Isolationselements 7, 8 ist jeweils eine Aussparung zur Durchführung der Stromableiterfahnen 5.1, 5.2 zum jeweiligen Hüllblech 2, 3 vorgesehen.
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Um die Hüllbleche 2, 3, welche eine Anode und eine Kathode der Einzelzelle 1 bilden, elektrisch voneinander zu isolieren, ist zwischen den Hüllblechen 2, 3 in deren Randbereichen 2.1, 3.1 ein elektrisch isolierendes Material 6 angeordnet. Dieses Material 6 ist als vollständig umlaufende Dichtung ausgebildet und aus elektrolytbeständigem Kunststoff, insbesondere Polypropylen oder Polyethylenterephthalat, gebildet. Aufgrund der Elastizität des Materials 6 dient dieses gleichzeitig als Dichtung vor eindringenden Fremdstoffen. Dabei ist weist die Dichtung einen u-förmigen Querschnitt auf und ist derart über den Randbereich 3.1 des zweiten Hüllblechs 3 gestülpt, dass der falzförmige Randbereich 3.1 in die u-förmiges Aussparung der Dichtung ragt.
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Ist ein für das Material 6 verwendeter Kunststoff wasserdampfdurchlässig, so wird die zu erzeugenden Bördelnaht hinreichend breit ausgeführt, um einen für die Einzelzelle 1 lebensdauerschädlichen Eintritt von Wasserdampf in das Zellinnere zu verhindern.
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Um eine optimale Dichtwirkung des Materials 6 zu erzielen, wird ein Druck beim Biegen des Randbereichs 2.1 des Hüllblechs 2 derart gewählt, dass das elektrisch isolierende Material 6 elastisch vorgespannt wird. Somit wird eine für die Dichtwirkung erforderliche Verpressung durch Überdrücken, d. h. Umformen bzw. Bördeln, des umgebogenen Randbereichs 2.1 sichergestellt.
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Dabei ist das Material 6, d. h. die Dichtung, derart ausgebildet, dass dieses über den Überlappungsbereich der Randbereiche 2.1, 3.1 hinausragt und somit aus der Bördelnaht hinausragt. Dadurch wird eine der elektrischen Isolation dienende Kriechstrecke vergrößert.
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In 15 ist einer Schnittdarstellung ein Ausschnitt eines zweiten Ausführungsbeispiels der erfindungsgemäßen Einzelzelle 1 im Randbereich der Hüllbleche 2, 3 nach deren Fügen dargestellt.
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Im Unterschied zu dem in den 4 bis 14 dargestellten ersten Ausführungsbeispiel erstreckt sich das Isolationselement 7 in den Umformbereich der Randbereiche 2.1, 3.1, so dass das Isolationselement 7 und das Material 6 als ein gemeinsames Bauteil ausgebildet ist. Somit kann ein Bauteil eingespart werden.
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Die 16 und 17 zeigen in einer Schnittdarstellung ein drittes Ausführungsbeispiel der erfindungsgemäßen Einzelzelle 1 bzw. eines Ausschnitts dieser.
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Im Unterschied zu dem in den 4 bis 14 dargestellten ersten Ausführungsbeispiel ist das zweite Hüllblech 3 planar ausgebildet, so dass die Falzung im Randbereich 3.1 entfallen kann.
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Auch bei dieser Ausführung ist das als Dichtung ausgebildete Material 6 über den Randbereich 3.1 des zweiten Hüllblechs 3 gestülpt und das erste Hüllblech 2 in dessen Randbereich 2 gemäß der Darstellung umgeformt.
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Für alle dargestellten Ausführungsbeispiele der erfindungsgemäßen Einzelzelle 1 und für alle weiteren Ausführungsbeispiele derselben gilt, dass zusätzlich zur durch das Bördeln erzeugten formschlüssigen Verbindung auch ein stoffschlüssiges Fügeverfahren verwendet werden kann, um die Dichtwirkung zwischen den Randbereichen 2.1, 3.1 der Hüllbleche 2, 3 zu erhöhen. Derartige Fügeverfahren sind beispielsweise eine Klebung oder Heißsiegelung.
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Bezugszeichenliste
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- 1
- Einzelzelle
- 2
- Hüllblech
- 2.1
- Randbereich
- 3
- Hüllblech
- 3.1
- Randbereich
- 4
- Rahmen
- 5
- Elektrodenfolienanordnung
- 5.1
- Stromableiterfahne
- 5.2
- Stromableiterfahne
- 6
- Material
- 7
- Isolationselement
- 8
- Isolationselement
