DE102014018999A1

DE102014018999A1 - Batteriezelle für eine Hochvolt-Kraftfahrzeugbatterie

Info

Publication number: DE102014018999A1
Application number: DE102014018999.6A
Authority: DE
Inventors: Jens Meintschel; Dirk Schröter; Knut Welke
Original assignee: Daimler AG
Current assignee: Mercedes Benz Group AG
Priority date: 2014-12-18
Filing date: 2014-12-18
Publication date: 2016-06-23

Abstract

Die Erfindung betrifft eine Batteriezelle für eine Hochvolt-Kraftfahrzeugbatterie, mit einem Elektrodenpaket (18a; 18b), das wechselweise angeordnete Lagen aus Kathodenfolien (20a; 20b) und Anodenfolien (22a; 22b) sowie eine erste Kontaktfahne (23a; 23b) zur elektrischen Kontaktierung der Kathodenfolien (20a; 20b) und eine zweite Kontaktfahne (24a; 24b) zur Kontaktierung der Anodenfolien (22a; 22b) aufweist, wobei das Elektrodenpaket (18a; 18b) eine Seite (25a; 25b) aufweist, an der die erste Kontaktfahne (23a; 23b) und die zweite Kontaktfahne (24a; 24b) angeordnet sind, und ein Verfahren zur Herstellung einer solchen Batteriezelle (10a; 10b).

Description

Die Erfindung betrifft eine Batteriezelle für eine Hochvolt-Kraftfahrzeugbatterie und ein Verfahren zur Herstellung einer solchen Batteriezelle.
Aus der DE 10 2012 018 128 A1 ist bereits eine Batteriezelle für eine Hochvolt-Kraftfahrzeugbatterie mit einem Elektrodenpaket, das wechselweise angeordnete Lagen aus Kathodenfolien und Anodenfolien sowie eine erste Kontaktfahne zur elektrischen Kontaktierung der Kathodenfolien und eine zweite Kontaktfahne zur Kontaktierung der Anodenfolien aufweist, bekannt.
Der Erfindung liegt insbesondere die Aufgabe zugrunde, eine Leistungsdichte einer Batteriezelle weiter zu erhöhen. Sie wird durch eine erfindungsgemäße Batteriezelle entsprechend dem Anspruch 1 und ein erfindungsgemäßes Verfahren entsprechend dem Anspruch 8 gelöst. Weiterbildungen der Erfindung ergeben sich aus den abhängigen Ansprüchen.
Die Erfindung geht aus von einer Batteriezelle für eine Hochvolt-Kraftfahrzeugbatterie, mit einem Elektrodenpaket, das wechselweise angeordnete Lagen aus Kathodenfolien und Anodenfolien sowie eine erste Kontaktfahne zur elektrischen Kontaktierung der Kathodenfolien und eine zweite Kontaktfahne zur Kontaktierung der Anodenfolien aufweist.
Es wird vorgeschlagen, dass das Elektrodenpaket eine Seite aufweist, an der die erste Kontaktfahne und die zweite Kontaktfahne angeordnet sind. Indem die beiden Kontaktfahnen, die zur elektrischen Kontaktierung des Elektrodenpakets erforderlich sind, auf der gleichen Seite des Elektrodenpakets angeordnet sind, kann ein Bauraum auf einer gegenüberliegenden Seite eingespart werden. Dadurch kann ein Bauraumbedarf, der für eine Batteriezelle mit vorgegebener Leistung erforderlich ist, weiter gesenkt werden, oder es kann bei vorgegebenem Bauraum eine Leistung der Batteriezelle erhöht werden. Durch Anordnung der beiden Kontaktfahnen auf der gleichen Seite kann somit eine Leistungsdichte der Batteriezelle insgesamt erhöht werden, ohne dass eine Leistungsdichte des Elektrodenpakets geändert werden muss. Unter einem „Elektrodenpaket” soll dabei insbesondere eine Anordnung aus Kathodenfolien, Separatorfolien und Anodenfolien verstanden werden, die in Verbindung mit einem Elektrolyt zur Aufnahme, Speicherung und/oder Abgabe elektrischer Energie vorgesehen ist. Unter einer „Seite” soll insbesondere eine Seitenfläche des Elektrodenpakets verstanden werden, welche zur elektrischen Kontaktierung der Kathodenfolien und Anodenfolien vorgesehen ist. Insbesondere soll darunter eine Seitenfläche verstanden werden, welche parallel zu einem Querschnitt durch das Elektrodenpaket orientiert ist. Unter einer „Kontaktfahne” soll insbesondere ein Kontaktelement verstanden werden, das seitlich an dem Elektrodenpaket angeordnet ist und das entweder die Kathodenfolien oder die Anodenfolien kontaktiert. Vorzugsweise weisen die Kathodenfolien und die Anodenfolien einzelne Fahnen auf, die miteinander verbunden die Kontaktfahnen des Elektrodenpakets ausbilden. Alternativ können die Kontaktfahnen auch getrennt von den Kathodenfolien und Anodenfolien ausgebildet und lediglich mit diesen elektrisch verbunden sein. Unter „vorgesehen” soll insbesondere speziell ausgelegt und/oder ausgestattet verstanden werden.
Vorzugsweise sind die Kontaktfahnen gegeneinander versetzt angeordnet. Durch eine versetzte Anordnung der Kontaktfahnen kann ein an der Seite des Elektrodenpakets verfügbarer Bauraum besonders gut ausgenutzt werden. Durch die versetzte Anordnung können beide Kontaktfahnen außerdem einfach elektrisch voneinander getrennt werden. Die Anordnung der Kontaktfahnen an der gleichen Seite des Elektrodenpakets kann somit konstruktiv besonders einfach realisiert werden. Unter „gegeneinander versetzt” soll in diesem Zusammenhang insbesondere verstanden werden, dass die Seite des Elektrodenpakets in zumindest zwei Bereiche unterteilbar ist, in denen jeweils lediglich eine der Kontaktfahnen angeordnet ist. Weist das Elektrodenpaket mehr als eine Kontaktfahne zur Kontaktierung der Kathodenfolien oder der Anodenfolien auf, kann die Seite auch drei oder mehr Bereiche aufweisen, in denen jeweils eine der Kontaktfahnen angeordnet ist.
In einer besonders vorteilhaften Ausgestaltung sind die Kontaktfahnen in montiertem Zustand in zumindest eine Schlaufe gelegt. Durch die Schlaufen können die Kontaktfahnen eine Länge aufweisen, die größer ist als ein Abstand, der von den Kontaktfahnen überbrückt werden soll. Die große Länge der Kontaktfahnen kann dabei insbesondere vorteilhaft für eine Herstellung der Kontaktfahnen genutzt werden, wohingegen ein Bauraum der fertig montierten Batteriezelle klein gehalten werden kann. Unter einer „Schlaufe” soll in diesem Zusammenhang insbesondere verstanden werden, dass die Kontaktfahne zumindest eine Faltung aufweist, an der die Kontaktfahne um zumindest 135 Grad, vorzugsweise um zumindest 150 Grad und besonders bevorzugt um zumindest 165 Grad umgebogen ist. Unter „mäanderförmig” soll im Folgenden insbesondere verstanden werden, dass die Kontaktfahne zumindest Faltungen aufweist, an denen die Kontaktfahne wechselweise in entgegengesetzte Richtungen gebogen ist.
Vorzugsweise umfasst die Batteriezelle ein erstes Hüllelement, das mit der ersten Kontaktfahne elektrisch verbunden ist und das eine Schalenform aufweist, und ein zweites Hüllelement, das mit der zweiten Kontaktfahne elektrisch verbunden ist und das eine Schalenform aufweist. Indem beide Hüllelemente eine Schalenform aufweisen, weisen beide auch einen Schalenrand auf, an welche die Kontaktfahnen jeweils angebunden werden können. Die Seite des Elektrodenpakets, an der die Kontaktfahnen angeordnet sind, liegt dabei vorzugsweise einer Innenseite der Hüllelemente gegenüber. Durch eine solche sich parallel gegenüberliegende Anordnung der Innenseiten der Hüllelemente und der Seite des Elektrodenpakets können die Kontaktfahnen einfach in einen dazwischen liegenden Freiraum „hineingefaltet” werden. Die Bauraum sparende Ausgestaltung der Kontaktfahnen mit jeweils zumindest einer Schlaufe kann dadurch besonders gut erreicht werden. Unter einem „Schalenrand” soll insbesondere ein Teil des Zellgehäuses verstanden werden, der, bezogen auf den Boden, um zumindest 80 Grad umgekantet ist. Vorzugsweise ist zumindest eines der Hüllelemente in Form einer Schale ausgebildet und weist einen Boden und einen Schalenrand auf. Das zweite Hüllelement kann ebenfalls in Form einer Schale ausgebildet sein. Alternativ kann das zweite Hüllelement auch in Form eines ebenen Blechs ausgebildet sein.
In einer besonders bevorzugten Ausgestaltung sind die Kontaktfahnen und die Hüllelemente jeweils miteinander verschweißt. Durch eine Schweißverbindung kann eine elektrisch leitende Verbindung zwischen den Hüllelementen und den Elektroden einfach hergestellt werden.
In einer Ausgestaltung wird zudem vorgeschlagen, dass die Batteriezelle zumindest ein in die Schlaufe eingelegtes Einlegeelement aufweist, das zumindest in montiertem Zustand eine Presskraft bereitstellt, die zumindest ein Ende der Kontaktfahne gegen das korrespondierende Hüllelement drückt. Durch das Einlegeelement können die Hüllelemente und das Elektrodenpaket in ihre endgültigen Einbaulagen relativ zueinander gebracht werden, bevor die Kontaktfahnen mit den Hüllelementen verbunden werden. Das Einlegeelement stellt dann für die Kontaktfahnen eine Anpresskraft bereit, welche die Kontaktfahnen gegen die Innenseiten der Hüllelemente drückt. Durch die von dem Einlegeelement bereitgestellte Anpresskraft kann auf ein Anpresselement zur Herstellung der Schweißverbindung, wie beispielsweise eine Schweißelektrode, verzichtet werden. Für die Herstellung der Schweißverbindung kann dadurch beispielsweise ein Laserschweißverfahren verwendet werden. Das Herstellen der Schweißverbindung kann vereinfacht werden.
Weiter wird eine Kraftfahrzeug-Hochvoltbatterie mit zumindest einem Zellblock vorgeschlagen, der eine Mehrzahl von seriell und/oder parallel miteinander verschalteten Batteriezellen aufweist. Dadurch kann ein Zellblock und damit eine Kraftfahrzeug-Hochvoltbatterie mit einer hohen Leistungsdichte bereitgestellt werden.
Zudem wird ein Verfahren zur Herstellung einer erfindungsgemäßen Batteriezelle vorgeschlagen, bei dem Lagen aus Kathodenfolien und Anodenfolien wechselweise zu einem Elektrodenpaket mit einer ersten Kontaktfahne und einer zweiten Kontaktfahne angeordnet werden, wobei die Kontaktfahnen an einer Seite des Elektrodenpakets angeordnet sind. Dadurch kann eine Batteriezelle bereitgestellt werden, die eine hohe Leistungsdichte aufweist.
Vorzugsweise werden bei der Herstellung die Kontaktfahnen verformt, während das Elektrodenpaket in wenigstens ein Hüllelement in Form einer Schale eingelegt wird. Durch eine Verformung der Kontaktfahnen während der Herstellung kann erreicht werden, dass der Bauraum, den die Kontaktfahnen in montiertem Zustand einnehmen, besonders gering ist. Durch den geringen Bauraum kann die hohe Leistungsdichte realisiert werden.
Vorteilhafterweise werden die Kontaktfahnen während der Herstellung jeweils in zumindest eine Schlaufe gelegt. Da Schlaufen aufgrund ihrer Form einen besonders geringen Bauraum benötigen, kann der Bauraumbedarf der Batteriezelle besonders klein gehalten werden. Vorzugsweise wird die erste Kontaktfahne mit einem ersten Hüllelement und die zweite Kontaktfahne mit einem zweiten Hüllelement verschweißt.
Weitere Vorteile ergeben sich aus der folgenden Figurenbeschreibung. In den Figuren sind zwei Ausführungsbeispiele der Erfindung dargestellt. Die Figuren, die Figurenbeschreibung und die Ansprüche enthalten zahlreiche Merkmale in Kombination.
Der Fachmann wird die Merkmale zweckmäßigerweise auch einzeln betrachten und zu sinnvollen weiteren Kombinationen zusammenfassen.
Dabei zeigen:
1 einen Kraftfahrzeugantriebsstrang mit einer Kraftfahrzeugbatterie, die zumindest einen Zellblock mit einer Mehrzahl von Batteriezellen in gestapelter Bauweise aufweist,
2 eine Explosionsdarstellung einer der Batteriezellen,
3 die Batteriezelle während eines ersten Verfahrensschritts zur Herstellung,
4 die Batteriezelle während eines zweiten Verfahrensschritts beim einem Verschweißen von Kontaktfahnen eines Elektrodenpakets mit Hüllelementen der Batteriezelle,
5 eine Schnittdarstellung zu 4,
6 die Batteriezelle in perspektivischer Darstellung während eines zweiten Verfahrensschritts nach einem Umklappen des Elektrodenpakets und eines der Hüllelemente,
7 eine Schnittdarstellung zu 6 in gedrehter Ansicht,
8 die Batteriezelle in vollständig montiertem Zustand,
9 ein zweites Ausführungsbeispiel einer Batteriezelle, wobei die Batteriezelle ein zusätzliches Einlegeelement aufweist,
10 ein Elektrodenpaket der Batteriezelle aus 9 mit dem Einlegeelement,
11 die zusammengefügte Batteriezelle aus 9 in einer Schnittdarstellung und
12 die Batteriezelle aus 9 nach einem Verschweißen von Kontaktfahnen mit Hüllelementen durch ein Laserschweißverfahren.
Die 1 bis 8 zeigen schematisiert einen Kraftfahrzeugantriebsstrang mit einer Kraftfahrzeugbatterie 40a sowie eine Verbindung von Batteriezellen 10a der Kraftfahrzeugbatterie 40a im Detail. Der Kraftfahrzeugantriebsstrang umfasst einen Verbrennungsmotor 42a und einen Elektromotor 43a, die zum Antrieb von Antriebsrädern 44a vorgesehen sind. Die Kraftfahrzeugbatterie 40a ist insbesondere zur Abgabe von elektrischer Leistung an den Elektromotor 43a und zur Aufnahme von elektrischer Leistung, die der Elektromotor 43a in einem Generatorbetrieb erzeugt, vorgesehen. Die Kraftfahrzeugbatterie 40a ist als eine Hochvolt-Kraftfahrzeugbatterie ausgebildet.
Die Kraftfahrzeugbatterie 40a umfasst einen oder mehrere Zellblöcke 31a. Die Zellblöcke 31a umfassen eine Mehrzahl von Batteriezellen 10a, die zur Speicherung und Abgabe der elektrischen Leistung vorgesehen sind. Die Zellblöcke 31a sowie die Batteriezellen 10a in den Zellblöcken 31a sind elektrisch parallel und/oder seriell geschaltet, um eine für den Kraftfahrzeugantriebsstrang erforderliche Spannung und Leistung bereitstellen zu können. Die Batteriezellen 10a weisen jeweils eine Zellspannung im Niedervoltbereich auf, wobei die Zellspannung von einer verwendeten Zellchemie abhängt. Bei einer Ausbildung der Batteriezellen 10a als Lithium-Ionen-Batterien beträgt die Zellspannung beispielsweise 3,6 Volt. Grundsätzlich kann die Zellspannung aber auch andere Werte aufweisen. Die Kraftfahrzeugbatterie 40a weist je nach Verschaltung der Batteriezellen 10a eine Batteriespannung auf, die in Abhängigkeit von einer vorgesehenen Verwendung im Niedervoltbereich oder im Hochvoltbereich liegen kann. Ist die Kraftfahrzeugbatterie 40a als Starterbatterie ausgebildet, kann die Batteriespannung beispielsweise bei 12 Volt liegen. Insbesondere für eine Anwendung in einem Hybridantriebsstrang oder Elektroantriebsstrang kann die Kraftfahrzeugbatterie 40a auch für eine Batteriespannung von 120 Volt oder mehr vorgesehen sein.
Die Kraftfahrzeugbatterie 40a weist ein Batteriegehäuse 41a auf, das die Zellblöcke 31a mit den Batteriezellen 10a aufnimmt. Weiter umfasst die Kraftfahrzeugbatterie 40a eine Elektronik 39a, die insbesondere zur Überwachung der Batteriezellen 10a sowie zur Einstellung einer elektrischen Leistung, die den Batteriezellen 10a zugeführt oder den Batteriezellen 10a entnommen wird, vorgesehen ist. Außerdem umfasst die Kraftfahrzeugbatterie 40a eine Temperiereinrichtung 38a für die Batteriezellen 10a und/oder die Elektronik 39a, welche insbesondere zur Kühlung und/oder Heizung der Batteriezellen 10a vorgesehen ist. Die Zellblöcke 31a mit den Batteriezellen 10a, die Elektronik 39a und die Temperiereinrichtung 38a sind in dem gemeinsamen Batteriegehäuse 41a angeordnet (vgl. 1). Sämtliche Batteriezellen 10a sind analog ausgebildet. Eine nachfolgende Beschreibung der einzelnen Batteriezellen 10a ist auf sämtliche Batteriezellen 10a übertragbar.
Die Batteriezelle 10a ist als bipolare Rahmenflachzelle ausgebildet. Die Batteriezelle 10a weist zwei Hüllelemente 11a, 12a und einen Rahmen 13a auf, der die Hüllelemente 11a, 12a miteinander verbindet. Die Hüllelemente 11a, 12a und der Rahmen 13a bilden ein Zellgehäuse der Batteriezelle 10a aus. Die Hüllelemente 11a, 12a, die jeweils eine Zellgehäusehälfte ausbilden, sind aus einem elektrisch leitenden Material. Der Rahmen 13a, der die Hüllelemente 11a, 12a verbindet, ist elektrisch isolierend. Die Hüllelemente 11a, 12a bilden Pole der Batteriezelle 10a aus und sind zum Einleiten und/oder Entnehmen von elektrischer Leistung vorgesehen.
Die Batteriezelle 10a weist einen elektrochemisch aktiven Teil zur Speicherung elektrischer Energie auf, der ein Elektrodenpaket 18a und ein Elektrolyt umfasst. Die Hüllelemente 11a, 12a und der Rahmen 13a begrenzen einen Elektrolytraum 19a, der zur Aufnahme des Elektrodenpaketes 18a und des Elektrolyts vorgesehen ist. Die Hüllelemente 11a, 12a und der Rahmen 13a schließen den Elektrolytraum 19a in Richtung einer Umgebung vollständig ab. Der Rahmen 13a oder eines der Hüllelemente 11a, 12a kann eine Einfüllöffnung aufweisen, die dazu vorgesehen ist, das Elektrodenpaket 18a mit dem Elektrolyt zu tränken, nachdem die Hüllelemente 11a, 12a durch den Rahmen 13a miteinander verbunden wurden. Alternativ kann das Elektrodenpaket 18a auch mit dem Elektrolyt getränkt werden, bevor die Batteriezelle 10a verschlossen wird, wodurch auf die Einfüllöffnung verzichtet werden kann.
Die Temperiereinrichtung 38a der Kraftfahrzeugbatterie 40a ist zur Kühlung und/oder Erwärmung der Batteriezellen 10a vorgesehen. Die Temperiereinrichtung 38a umfasst eine Kühlplatte, die mit Kanälen für ein Fluid versehen ist. Die Kühlplatte wird in einem Betrieb von einem Klimakühlmittel oder einer Kühlflüssigkeit als Kühlfluid durchströmt. Die Hüllelemente 11a, 12a der Batteriezelle 10a sind an die Kühlplatte angebunden. Die Hüllelemente 11a, 12a sind an einer Schmalseite aufgedickt. Ein Wärmeaustausch zwischen der Kühlpatte, die alternativ oder zusätzlich auch als Heizplatte wirken kann, und der Batteriezelle 10a erfolgt über die Schmalseite der Hüllelemente 11a, 12a. Zwischen den Hüllelementen 11a, 12a und der Kühlplatte ist eine elektrisch isolierende Wärmeleitfolie angeordnet. Zur Verbesserung eines Wärmeübergangs sind die Hüllelemente 11a, 12a im Bereich der Kühlplatte parallel zu dieser um 90° abgekantet und bilden eine sogenannte Kühlfahne aus. Über die Kühlplatte ist bedarfsweise eine Heizung der Batteriezellen 10a, beispielsweise bei niedrigen Außentemperaturen, möglich. Hierzu wird die Kühlplatte, die vorzugsweise aus einem metallischen Material ist, von einem warmen Fluid durchströmt.
Der Elektrolyt besteht typischerweise aus organischen Lösungsmitteln, wie beispielsweise Dimethylcarbonat, Ethylencarbonat, Propylencarbonat, Diethylcarbonat oder aus Gemischen derselben sowie einem darin gelösten Leitsalz, wie beispielsweise LiPF₆. Der Elektrolyt kann zusätzlich Additive aufweisen. Das Elektrodenpaket 18a weist wechselweise angeordnete Lagen aus Kathodenfolien 20a, Separatorfolien 21a und Anodenfolien 22a auf. Die Kathodenfolien 20a und die Anodenfolien 22a werden jeweils durch eine der Separatorfolien 21a getrennt. Bei einer Lithium-Ionen-Zellchemie können die Kathodenfolien 20a und die Anodenfolien 22a beispielsweise beschichtete Alu- und Kupferfolien sein. Grundsätzlich ist aber auch eine andere Zellchemie denkbar.
Für das Elektrodenpaket 18a sind unterschiedliche Ausgestaltungen möglich. In dem dargestellten Ausführungsbeispiel sind die Lagen aus Kathodenfolie 20a, Anodenfolie 22a und Separatorfolie 21a gestapelt. Alternativ ist denkbar, Bänder aus einer Mehrzahl von Lagen zu wickeln oder flachzuwickeln. Weiter ist es denkbar, eine bandförmige Separatorfolie 21a in Z-Form zu falten und die Kathodenfolien 20a und Anodenfolien 22a in Form von Blättern seitlich in sich dadurch ausbildende Taschen einzuschieben. Auch ist es denkbar, zwei benachbarte Batteriezellen 10a teilweise einstückig auszuführen, indem zumindest eines der Hüllelemente 11a, 12a dazu vorgesehen ist, beidseitig jeweils einen Elektrolytraum 19a zu begrenzen.
Das Elektrodenpaket 18a weist zwei Kontaktfahnen 23a, 24a auf, über die die Kathodenfolien 20a und die Anodenfolien 22a elektrisch leitend mit den Hüllelementen 11a, 12a verbunden sind. Die Anodenfolien 22a und Kathodenfolien 20a weisen jeweils mindestens einen Rand auf, an dem sie unbeschichtet sind. An diesem Rand ragen die Anodenfolien 22a und die Kathodenfolien 20a in Form der Kontaktfahnen 23a, 24a aus dem Elektrodenpaket 18a heraus. Die Hüllelemente 11a, 12a weisen jeweils eine unbeschichtete Innenseite auf. Die Kathodenfolien 20a sind mit der Innenseite des Hüllelements 11a verbunden. Die Anodenfolien 22a sind mit der Innenseite des Hüllelements 12a verbunden. Für eine Verbindung der Kontaktfahnen 23a, 24a mit den Hüllelementen 11a, 12a sind unterschiedliche Arten denkbar, wie beispielsweise ein Press- oder Schmelzschweißverfahren, wie insbesondere ein Widerstandspunktschweißverfahren, ein Ultraschallschweißverfahren oder ein Laserschweißverfahren. Ebenfalls denkbar ist eine kraftschlüssige Anbindung der Anodenfolien 22a und/oder der Kathodenfolien 20a an die Hüllelemente 11a, 12a, beispielsweise mittels Nieten.
Die Hüllelemente 11a, 12a weisen eine Schalenform auf. Jedes der Hüllelemente 11a, 12a weist einen Boden 16a, 17a und einen Schalenrand 14a, 15a auf. Im Bereich der Böden 16a, 17a weisen die Hüllelemente 11a, 12a eine im Wesentlichen ebene Oberfläche auf. Im Bereich des Schalenrands 14a, 15a weisen die Hüllelemente 11a, 12a eine Oberfläche auf, die bezogen auf die Oberfläche im Bereich der Böden 16a, 17a um wenigstens 80 Grad umgekantet ist. Die Böden 16a, 17a weisen eine im Wesentlichen rechteckige Form auf. Ist das Elektrodenpaket 18a wie in dem dargestellten Ausführungsbeispiel in Form eines Elektrodenstapels ausgebildet, sind die Lagen aus Kathodenfolien 20a, Separatorfolien 21a und Anodenfolien 22a in montiertem Zustand parallel zu den Böden 16a, 17a gestapelt. Die Schalenränder 14a, 15a definieren dann eine maximale Höhe, die das Elektrodenpaket 18a aufweisen kann. Die Hüllelemente 11a, 12a sind als Blechbiegeteile ausgebildet. Die Innenseiten der Hüllelemente 11a, 12a, an die die Kontaktfahnen 23a, 24a angebunden sind, sind durch den Schalenrand 14a, 15a des jeweiligen Hüllelements 11a, 12a ausgebildet.
Die Batteriezelle 10a weist zwei Isolierelemente 29a, 30a auf. Die Isolierelemente 29a, 30a bilden eine Innenisolierung aus, welche zwischen dem Elektrodenpaket 18a und den Hüllelementen 11a, 12a angeordnet ist. Die Isolierelemente 29a, 30a bilden den Rahmen 13a aus. Alternativ kann der Rahmen 13a auch getrennt von den Isolierelementen 29a, 30a ausgebildet werden. Das gesamte Elektrodenpaket 18a ist von den Isolierelementen 29a, 30a umschlossen. Lediglich im Bereich der Kontaktfahnen 23a, 24a weisen die Isolierelemente 29a, 30a jeweils eine Ausnehmung aus, durch die die Kontaktfahne 23a, 24a in montiertem Zustand hindurchgeführt ist.
Das Elektrodenpaket 18a weist lediglich eine Seite 25a auf, an der die Kontaktfahnen 23a, 24a angeordnet sind. Die Kontaktfahnen 23a, 24a sind also an der gleichen Seite 25a angeordnet. Die Seite 25a, an der die Kontaktfahnen 23a, 24a angeordnet sind, ist als eine Schmalseite ausgebildet. Die Seite 25a ist kürzer als zwei Seiten 27a des Elektrodenpakets 18a, welche an die Seite 25a angrenzen. Die Kontaktfahnen 23a, 24a erstrecken sind entlang der Seite 25a. Die Kontaktfahnen 23a, 24a weisen jeweils eine Breite auf, die kleiner ist als eine halbe Breite der Seite 25a.
Die Kontaktfahnen 23a, 24a sind versetzt gegeneinander angeordnet. Die Seite 25a weist einen Mittenpunkt 28a auf, auf den bezogen die Kontaktfahnen 23a, 24a spiegelsymmetrisch zueinander angeordnet sind. Der Mittenpunkt 28a der Seite 25a bildet einen geometrischen Mittelpunkt der Seite 25a aus. Der Mittenpunkt 28a trennt die Seite 25a in zwei gleich große Hälften. Die Kontaktfahnen 23a, 24a sind jeweils in einer der Hälften angeordnet.
Die Kontaktfahnen 23a, 24a sind in montiertem Zustand in Schlaufen gelegt. Die Kontaktfahnen 23a, 24a weisen eine erste Faltung, an der die Kontaktfahnen 23a, 24a um 180 Grad umgebogen sind. und eine zweite Faltung, an der Kontaktfahnen 23a, 24a um 180 Grad umgebogen sind, auf. Die Faltungen einer Kontaktfahne 23a, 24a sind jeweils in unterschiedliche Richtungen umgebogen. Die Kontaktfahnen 23a, 24a sind dadurch jeweils mäanderförmig gefaltet. Ein Winkel, den die Faltungen aufweisen, hängt dabei insbesondere von Abständen zwischen dem Elektrodenpaket 18a und den Innenseiten der Hüllelemente 11a, 12a ab, mit denen die Kontaktfahnen 23a, 24a verbunden sind. Die Kontaktfahnen 23a, 24a und die Hüllelemente 11a, 12a sind durch Schweißverbindungen miteinander verbunden.
In einem ersten Verfahrensschritt eines Verfahrens zur Herstellung der Batteriezellen 10a werden die Isolierelemente 29a, 30a in das jeweils zugehörige Hüllelement 11a, 12a eingelegt. Das Elektrodenpaket 18a mit den Kontaktfahnen 23a, 24a wird in einem Winkel von 90 Grad zu dem Hüllelement 11a angeordnet (3). Der Winkel von 90 Grad ist dabei auf eine endgültige Einbaulage des Elektrodenpakets 18a in montiertem Zustand bezogen. In dem ersten Verfahrensschritt weisen die Kontaktfahnen 23a, 24a lediglich die erste Faltung auf. Die Faltungen weisen in dem ersten Verfahrensschritt noch einen Winkel von 90 Grad auf (4).
In einem zweiten Verfahrensschritt werden die Enden der Kontaktfahnen 23a, 24a mit dem jeweiligen Hüllelement 11a, 12a verschweißt. Durch den Winkel von 90 Grad der ersten Faltung weisen die Kontaktfahnen 23a, 24a eine Haupterstreckungsrichtung auf, die sich parallel zu der Innenseite der Hüllelemente 11a, 12a erstreckt. Die Kontaktfahnen 23a, 24a werden mit ihren Enden flächig in Kontakt mit den Innenseiten der Hüllelemente 11a, 12a gebracht. Als Schweißverfahren ist in dem dargestellten Ausführungsbeispiel ein Ultraschallweißverfahren vorgesehen. Für das Schweißverfahren wird eine Schweißeinrichtung verwendet, welche einen ruhenden Amboss 32a und eine hochfrequent bewegte Sonotrode 33a aufweist. Zum Verschweißen werden das Ende der Kontaktfahne 23a und das Hüllelement 11a zwischen den Amboss 32a und die Sonotrode 33a eingespannt. Ist eine zweite Schweißeinrichtung vorgesehen, können die beiden Kontaktfahnen 23a, 24a und das jeweilige Hüllelement 11a, 12a gleichzeitig verschweißt werden (5). Die beiden Hüllelemente 11a, 12a sind in dem dritten Verfahrensschritt in einem Winkel von 180 Grad zueinander angeordnet. Das Elektrodenpaket 18a ist dadurch zu beiden Hüllelementen 11a, 12a in dem Winkel von 90 Grad angeordnet, der für die Herstellung der Schweißverbindung vorgesehen ist.
In einem dritten Verfahrensschritt wird das Elektrodenpaket 18a um 90 Grad relativ zu dem Hüllelement 11a umgeklappt. Das Elektrodenpaket 18a wird dadurch in eine Position gebracht, in der es, bezogen auf das Hüllelement 11a, parallel versetzt zu seiner endgültigen Montageposition ist (vgl. 6). Das zweite Hüllelement 12a ist in 6 zur Vereinfachung nicht dargestellt. Das zweite Hüllelement 12a wird in dem dritten Verfahrensschritt um insgesamt 180 Grad umgeklappt. Das zweite Hüllelement 12a wird dadurch in eine Position gebracht, in der es ebenfalls parallel versetzt zu seiner endgültigen Montageposition angeordnet ist. Die beiden Hüllelemente 11a, 12a sind nach dem dritten Verfahrensschritt beabstandet zueinander angeordnet. Das Elektrodenpaket 18a ist zwischen den Hüllelementen 11a, 12a angeordnet.
In dem dritten Verfahrensschritt werden die zweiten Faltungen in die Kontaktfahnen 23a, 24a eingebracht. Die Hüllelemente 11a, 12a werden jeweils um einen Winkel von 90 Grad relativ zu dem Elektrodenpaket 18a umgeklappt. Die zweiten Faltungen der Kontaktfahnen 23a, 24a weisen nach dem dritten Verfahrensschritt ebenfalls einen Winkel von 90 Grad auf, wobei die zweiten Faltungen bezogen auf die ersten Faltungen in entgegengesetzte Richtung gebogen sind. Die Kontaktfahnen 23a, 24a sind nach dem dritten Verfahrensschritt stufenförmig oder Z-förmig gebogen (vgl. 7).
In einem vierten Verfahrensschritt werden die Hüllelemente 11a, 12a gegeneinander gedrückt. Die Hüllelemente 11a, 12a und das Elektrodenpaket 18a werden dadurch in ihre endgültige Montageposition bewegt. Die Faltungen der Kontaktfahnen 23a, 24a werden in dem vierten Verfahrensschritt um weitere 90 Grad umgebogen. Der Winkel der Faltungen beträgt dann jeweils 180 Grad. Die Kontaktfahnen 23a, 24a sind dadurch mäanderförmig gebogen (vgl. 8).
Die vorgenannten Winkel, in welchen die Hüllelemente 11a, 12a und das Elektrodenpaket 18a zueinander angeordnet werden, sowie die Winkel, welche die Faltungen in den einzelnen Verfahrensschritten aufweisen, beziehen sich auf das dargestellte Ausführungsbeispiel. Die Winkel hängen insbesondere von einer konstruktiven Ausgestaltung der Hüllelemente 11a, 12a und des Elektrodenpaketes 18a ab. Für die Winkel kann grundsätzlich ein Winkelbereich von zumindest 20 Grad aufgespannt werden. Innerhalb dieses Winkelbereichs können die Winkel der Faltungen und/oder die Winkel, in welchen die Hüllelemente 11a, 12a und das Elektrodenpaket 18a zueinander angeordnet werden, von den vorgenannten Winkeln abweichen. Sofern in dem Ausführungsbeispiel ein Winkel von 90 Grad genannt ist, soll darunter insbesondere ein Winkelbereich zwischen 70 Grad und 110 Grad verstanden werden. Sofern in dem Ausführungsbeispiel ein Winkel von 180 Grad genannt ist, soll darunter insbesondere ein Winkelbereich zwischen 140 Grad und 220 Grad verstanden werden.
In den 9 bis 12 ist ein weiteres Ausführungsbeispiel der Erfindung gezeigt. Die nachfolgenden Beschreibungen beschränken sich im Wesentlichen auf die Unterschiede zwischen den Ausführungsbeispielen, wobei bezüglich gleich bleibender Bauteile, Merkmale und Funktionen auf die Beschreibung des Ausführungsbeispiels der 1 bis 8 verwiesen werden kann. Zur Unterscheidung der Ausführungsbeispiele ist der Buchstabe a in den Bezugszeichen des Ausführungsbeispiels in den 1 bis 8 durch den Buchstaben b in den Bezugszeichen des Ausführungsbeispiels der 9 bis 12 ersetzt. Bezüglich gleich bezeichneter Bauteile, insbesondere in Bezug auf Bauteile mit gleichen Bezugszeichen, kann grundsätzlich auch auf die Zeichnungen und/oder die Beschreibung des Ausführungsbeispiels der 1 bis 8 verwiesen werden.
In den 9 bis 12 ist ein weiteres Ausführungsbeispiel einer Batteriezelle 10b für eine Hochvolt-Kraftfahrzeugbatterie gezeigt. Die Batteriezelle 10b umfasst ein Elektrodenpaket 18b, das wechselweise angeordnete Lagen aus Kathodenfolien 20b, Separatorfolien 21b und Anodenfolien 22b aufweist. Das Elektrodenpaket 18b weist eine erste Kontaktfahne 23b zur elektrischen Kontaktierung der Kathodenfolien 20b und eine zweite Kontaktfahne 24b zur Kontaktierung der Anodenfolien 22b auf. Das Elektrodenpaket 18b weist eine Seite 25b auf, an der die erste Kontaktfahne 23b und die zweite Kontaktfahne 24b angeordnet sind. Zur Innenisolierung umfasst die Batteriezelle 10b zwei Isolierelemente 29b, 30b.
Die Batteriezelle 10b weist zwei Hüllelemente 11b, 12b auf, die einen Elektrolytraum 19b zur Anordnung des Elektrodenpakets 18b aufspannen. Die Kontaktfahnen 23b, 24b verbinden das Elektrodenpaket 18b mit den Hüllelementen 11b, 12b. In montiertem Zustand weisen die Kontaktfahnen 23b, 24b zwei Schlaufen auf. Ein Verfahren zur Herstellung der Batteriezelle 10b erfolgt im Wesentlichen analog zu dem vorangegangenen Ausführungsbeispiel.
Im Unterschied zu dem vorangegangenen Ausführungsbeispiel weist die Batteriezelle 10b ein in eine der Schlaufen eingelegtes Einlegeelement 26b auf, das in montiertem Zustand eine Presskraft bereitstellt, die die Enden der Kontaktfahnen 23b, 24b gegen das jeweils korrespondierende Hüllelement 11b, 12b drückt. Das Einlegeelement 26b ist in der ersten Schlaufe angeordnet. Es erstreckt sich über die gesamte Seite 25b des Elektrodenpakets 18b (vgl. 10).
Das Einlegeelement 26b ist aus einem elastisch komprimierbaren Material. Das Einlegeelement 26b wird mit dem Elektrodenpaket 18b verbunden, bevor die Batteriezelle 10b montiert wird. Wird während der Herstellung der Batteriezelle 10b das Elektrodenpaket 18b relativ zu den Hüllelementen 11b, 12b umgeklappt, gelangt das Einlegeelement 26b in den Schlaufen der Kontaktfahnen 23b, 24b in seine endgültige Position. Durch das Umklappen wird das Einlegeelement 26b komprimiert. In montiertem Zustand drückt es dann die Enden der Kontaktfahnen 23b, 24b, die für die Verbindung mit den Hüllelementen 11b, 12b vorgesehen sind, gegen die Innenseiten der Hüllelemente 11b, 12b (vgl. 11).
Die Kontaktfahnen 23b, 24b sind analog zu dem vorangegangenen Ausführungsbeispiel an die Hüllelemente 11b, 12b angeschweißt. Im Unterschied zu dem vorangegangenen Ausführungsbeispiel wird eine Schweißverbindung zwischen den Kontaktfahnen 23b, 24b und den Hüllelementen 11b, 12b hergestellt, nachdem die Hüllelemente 11b, 12b und das Elektrodenpaket 18b in ihre endgültige Montageposition gebracht wurden. Zur Herstellung der Schweißverbindung kann beispielsweise ein Laserschweißverfahren verwendet werden. Hierbei werden die Hüllelemente 11b, 12b im Bereich von Schweißstellen an einer Außenseite erwärmt. Im Bereich der Schweißstellen werden die Kontaktfahnen 23b, 24b durch das Einlegeelement 26b an die Innenseiten der Hüllelemente 11b, 12b angedrückt und verbinden sich bei einem Wärmeeintrag über die Außenseiten stoffschlüssig mit den Hüllelementen 11b, 12b (vgl. 12).
Bezugszeichenliste

10: Batteriezelle
11: Hüllelement
12: Hüllelement
13: Rahmen
14: Schalenrand
15: Schalenrand
16: Boden
17: Boden
18: Elektrodenpaket
19: Elektrolytraum
20: Kathodenfolie
21: Separatorfolie
22: Anodenfolie
23: Kontaktfahne
24: Kontaktfahne
25: Seite
26: Einlegeelement
27: Seite
28: Mittenpunkt
29: Isolierelement
30: Isolierelement
31: Zellblock
32: Amboss
33: Sonotrode
38: Temperiereinrichtung
39: Elektronik
40: Kraftfahrzeugbatterie
41: Batteriegehäuse
42: Verbrennungsmotor
43: Elektromotor
44: Antriebsräder

ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

DE 102012018128 A1 [0002]

Claims

Batteriezelle für eine Hochvolt-Kraftfahrzeugbatterie, mit einem Elektrodenpaket (18a; 18b), das wechselweise angeordnete Lagen aus Kathodenfolien (20a; 20b) und Anodenfolien (22a; 22b) sowie eine erste Kontaktfahne (23a; 23b) zur elektrischen Kontaktierung der Kathodenfolien (20a; 20b) und eine zweite Kontaktfahne (24a; 24b) zur Kontaktierung der Anodenfolien (22a; 22b) aufweist, dadurch gekennzeichnet, dass das Elektrodenpaket (18a; 18b) eine Seite (25a; 25b) aufweist, an der die erste Kontaktfahne (23a; 23b) und die zweite Kontaktfahne (24a; 24b) angeordnet sind.
Batteriezelle nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Kontaktfahnen (23a, 24a; 23b, 24b) gegeneinander versetzt angeordnet sind.
Batteriezelle nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Kontaktfahnen (23a, 24a; 23b, 24b) in montiertem Zustand in zumindest eine Schlaufe gelegt sind.
Batteriezelle nach einem der vorhergehenden Ansprüche, gekennzeichnet durch ein erstes Hüllelement (11a; 11b), das mit der ersten Kontaktfahne (23a; 23b) elektrisch verbunden ist und das eine Schalenform aufweist, und ein zweites Hüllelement (12a; 12b), das mit der zweiten Kontaktfahne (24a; 24b) elektrisch verbunden ist und das eine Schalenform aufweist.
Batteriezelle nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass die Kontaktfahnen (23a, 24a; 23b, 24b) und die Hüllelemente (11a, 12a; 11b, 12b) jeweils miteinander verschweißt sind.
Batteriezelle zumindest nach den Ansprüchen 3 und 4, gekennzeichnet durch zumindest ein in die Schlaufe eingelegtes Einlegeelement (26b), das zumindest in montiertem Zustand eine Presskraft bereitstellt, die zumindest ein Ende der Kontaktfahne (23a; 23b) gegen das korrespondierende Hüllelement (11b, 12b) drückt.
Kraftfahrzeug-Hochvoltbatterie mit zumindest einem Zellblock (31a), der eine Mehrzahl von seriell und/oder parallel miteinander verschalteten Batteriezellen (10a; 10b) nach einem der vorhergehenden Ansprüche aufweist.
Verfahren zur Herstellung einer Batteriezelle (10a; 10b) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass Lagen aus Kathodenfolien (20a; 20b) und Anodenfolien (22a; 22b) wechselweise zu einem Elektrodenpaket (18a; 18b) mit einer ersten Kontaktfahne (23a; 23b) und einer zweiten Kontaktfahne (24a; 24b) angeordnet werden, welche an einer Seite (25a; 25b) des Elektrodenpakets (18a; 18b) angeordnet sind.
Verfahren nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass die Kontaktfahnen (23a, 24a; 23b, 24b) verformt werden, während das Elektrodenpaket (18a; 18b) in wenigstens ein Hüllelement (11a, 12a; 11b, 12b) in Form einer Schale eingelegt wird.
Verfahren nach Anspruch 8 oder 9, dadurch gekennzeichnet, dass die Kontaktfahnen (23a, 24a; 23b, 24b) jeweils in zumindest eine Schlaufe gelegt werden.
Verfahren zumindest nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, dass die erste Kontaktfahne (23a; 23b) mit einem ersten Hüllelement (11a; 11b) und die zweite Kontaktfahne (24a; 24b) mit einem zweiten Hüllelement (11a; 11b) verschweißt wird.