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Die Erfindung betrifft eine Batteriezelle mit Anschlusspolen, von denen wenigstens einer eine Vertiefung aufweist.
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Es besteht ein wachsender Bedarf an Energiespeichersystemen, welche sowohl in stationären als auch in mobilen Anwendungen zahlreichen Einsatz finden. Als entsprechende Beispiele können u.a. Notstromsysteme oder Elektro-/Hybridfahrzeuge angeführt werden.
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Der elektrische Energiespeicher umfasst dabei zum Beispiel mehrere wiederaufladbare Speicherelemente mit als Batteriezellen ausgebildeten Speicherzellen. Die einzelnen Batteriezellen der Batterien werden in Serie und/oder parallel geschaltet, um an die jeweilige Anwendung angepasste Leistungs- und/oder Energiedaten zu erhalten.
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Im Bereich der Kontaktierung von Batterien, beispielsweise von einer Lithium-Ionen-Batterie in einem Fahrzeug, müssen hohe Ströme übertragen werden. Dies erfordert zum einen hohe Querschnitte der Leitungsträger und zum anderen eine hohe Zuverlässigkeit der Verbindungstechnik sowohl hinsichtlich dauerstabiller mechanischer Festigkeit als auch Elastizität.
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Für die elektrische Anbindung einer Batteriezelle erfolgt eine Kontaktierung über die Batteriezellterminals, d.h. den Plus- sowie den Minuspol als Anschlusspole der Batteriezelle. Der Aufbau einer Batterie erfolgt durch die Verbindung der Batterie-Zellen zu einem sogenannten Stack. Dazu werden die Anoden/Kathoden der Einzelzellen elektrisch miteinander verbunden werden. Die Ausbildung der Batteriezellterminals erfolgt bei einer Li-Ionen-Batterie typischerweise aus einem Aluminiumwerkstoff für die Anode sowie einem Kupferwerkstoff für die Kathode.
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Die Batteriezellterminals verbinden den chemischen Energiespeicher der Zelle, den sogenannten Jelly-Roll, mit dem elektrischen Stromkreis und sind gegenüber dem Zellgehäuse exponiert; üblicherweise werden sie in rechteckiger Form ausgebildet. (vgl.
1). Allerdings sind aus dem Stand der Technik auch andere Formen bekannt. So beschreibt die
US 2010/151312 ein Batteriezellterminal, bei welchem die Anschlusspole seitliche Kerben aufweisen, die den Querschnitt der stegartig ausgebildeten Anschlusspole reduziert. Die auf diese Weise entstehende Verjüngung bildet eine Biegestelle aus, die eine seitliche Biegung des Anschlusskontaktes zwecks Kontaktierung einer Nachbarzelle ermöglicht.
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Häufig, insbesondere bei Lithium-Ionen Zellen, werden die Zellgehäuse der Batteriezellen als Hardcase aus Aluminium ausgeführt. Um elektrochemische Korrosion am Aluminium-Hardcase zu vermeiden, wird das Potential des Zellgehäuses üblicherweise auf das Potential eines der beiden Batteriezellterminals gelegt. Daraus resultiert allerdings ein potentialbehaftetes Zellgehäuse, welches wiederum eine Isolation benötigt gegenüber anderen Zellgehäusen. Eine derartige Isolation ist zwingend beispielsweise bei einer Reihenschaltung der Batteriezellen innerhalb einer Batterie. Die Isolation kann dabei durch verschiedene Verfahren erzielt werden, die u.a. die Anwendung von unterschiedlichen Lacken oder Kunststoff-Schichten bedingen.
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Nicht nur, aber auch für das Aufbringen einer Isolation in einem Produktionsprozess ist es hilfreich, die Batteriezelle auf einfache Art und Weise einspannen zu können, sodass sie beispielsweise automatisiert durch einen Roboter gegriffen bzw. gehalten werden kann.
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Offenbarung der Erfindung
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Die erfindungsgemäße Batteriezelle mit den in Anspruch 1 genannten Merkmalen bietet den Vorteil, dass sie einen einfachen und wenig fehleranfälligen Umgang bei Vorgängen wie beispielsweise dem mechanischen Aufnehmen der Batteriezelle erlaubt.
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Erfindungsgemäß ist eine Batteriezelle mit Anschlusspolen vorgesehen, wobei wenigstens ein Anschlusspol eine Aufnahmevorrichtung mit einer Vertiefung aufweist und sich die Vertiefung des wenigstens einen Anschlusspols zur Aufnahme eines in die Vertiefung eingreifenden Greifwerkzeugs quer zu einer senkrecht aus der Batteriezelle herausführenden zentralen Achse des Anschlusspols erstreckt. Die Batteriezelle besitzt also Anschlusspole, von denen wenigstens einer eine zentrale Achse aufweist, die senkrecht aus der Batteriezelle herausgeführt ist, wobei der wenigstens eine Anschlusspol eine Aufnahmevorrichtung mit einer Vertiefung in einer Richtung auf die zentrale Achse zu aufweist, welche zur Aufnahme eines in die Vertiefung eingreifenden Greifwerkzeugs geeignet ist, so dass die Batteriezelle über das in die Vertiefung der Aufnahmevorrichtung eingreifende Greifwerkzeug aufnehmbar ist.
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Gegenstand der Erfindung ist somit eine Batteriezelle mit verbesserter Terminalgeometrie zum Einspannen der Batteriezelle beispielsweise durch einen Roboter innerhalb einer automatisierten Produktionslinie. Gegenstand der Erfindung ist ferner eine Batterie, die aus derartigen Batteriezellen aufgebaut ist.
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Ein Vorteil der Erfindung ist, dass sie sowohl zuverlässig und robust als auch einfach zu realisieren ist und eine gute Kraftübertragung von einem Greifwerkzeug auf die Batteriezelle ermöglicht. Die Anschlusspole einer Batterie werden üblicher Weise senkrecht aus der Batteriezelle herausgeführt. Dabei weisen sie einen zumeist runden oder rechteckigen Querschnitt mit einem geometrischen Schwerpunkt auf. Als zentrale Achse eines Anschlusspoles wird diejenige Achse bezeichnet, die senkrecht aus der Batteriezelle herausführt und gleichzeitig durch den geometrischen Schwerpunkt des Anschlusspoles verläuft. Kräfte, die über einen Anschlusspol entlang dieser zentralen Achse wirken, werden von dem Anschlusspol mechanisch gut aufgenommen und aufgrund der senkrechten Einwirkung auf die Batteriezelle gut auf diese übertragen. Ein Anschlusspol, der eine Aufnahmevorrichtung mit einer Vertiefung in Richtung der zentralen Achse aufweist, welche zur Aufnahme eines in die Vertiefung eingreifenden Greifwerkzeugs geeignet ist, ermöglicht es dem Greifwerkzeug, axial Kräfte auf den Anschlusspol und somit die Batteriezelle auszuüben. Dabei ist die Vertiefung von Vorteil, da sie ein Abrutschen des Greifwerkzeugs verhindert.
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Dabei bietet die Erfindung nicht nur den Vorteil einer guten Kraftübertragung des Greifwerkzeugs auf die Batteriezelle. Sie bietet auch den Vorteil, dass sie ein sicheres Greifen der Batteriezelle ermöglicht, ohne dass das Gehäuse der Batteriezelle mit dem Greifwerkzeug in Berührung steht. Eine Eigenschaft, die für das gegebenenfalls vollständige Ummanteln des Batteriegehäuses mit einer Isolationsschicht von großem Vorteil ist, da alle Flächen des Batteriegehäuses gleichzeitig für ein Aufbringen einer Lack- oder Kunststoffschicht zugänglich sind.
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Darüber hinaus bietet die Erfindung den Vorteil, dass das Greifen eines Greifwerkzeugs in Form des durch die Vertiefung geometrisch unterstützten Eingreifens bei entsprechender, beispielsweise keilförmiger Ausgestaltung fehlertolerant und selbstjustierend ist und somit gut automatisiert werden kann.
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Vorteilhaft ist die Aufnahmevorrichtung durch die Vertiefung in den Anschlusspol ausgebildet. Eine derartige Ausführung erfordert keine zusätzlichen Bauteile, und ist einfach zu realisieren. Durch eine Ausbildung der Anschlussvorrichtung in Form einer Vertiefung, die direkt in den Anschlusspol eingebracht wird, entfallen nicht nur Mehrkosten für ein zusätzliches Bauteil, es entfallen auch Maßnahmen, die gegebenenfalls erforderlich wären, um eine Kraftübertragung von der Aufnahmevorrichtung auf den Anschlusspol zu bewerkstelligen.
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Vorteilhaft weist zumindest ein Anschlusspol eine Isolation auf, wobei die Aufnahmevorrichtung in Ergänzung oder auch alternativ zu einer Vertiefung in den Anschlusspol durch eine Vertiefung in die Isolation des Anschlusspols ausgebildet ist. Dabei ist vorteilhaft beispielsweise die Isolation als eine aufgetragene Kunststoffschicht ausgebildet. Die Vertiefung in die Isolation oder auch den Anschlusspol selbst ist vorteilhaft beispielsweise als eine sägezahnartige Vertiefung oder durch mehrere sägezahnartige Vertiefungen ausgebildet, in die ein Greifwerkzeug mit einem oder mehreren korrespondierenden Zähnen eingreifen kann.
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Vorteilhaft erfolgt die Ausführung der Vertiefung in Form einer eingebrachten Kante, in Form einer zylinderförmigen Nut, in Form eines Keils, in Form eines Loches oder in Form einer rechteckigen Vertiefung quer zur zentralen Achse des Anschlusspols. Eine derartige Vertiefung ist einfach, beispielsweise spanend, durch Bohren oder Fräsen, herzustellen und bietet einen guten Formschluss. Darüber hinaus besitzt eine keilförmige Vertiefung den Vorteil, eine fehlertolerante Positionierung des Greifwerkzeugs durch einen selbstjustierenden Greifvorgang zu unterstützen.
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Vorteilhaft ist die Aufnahmevorrichtung durch ein zusätzlichen Bauteils ausbildbar, welches dazu mit dem Anschlusspol fest verbunden ist. Dieses weist vorteilhaft einen zum Anschlusspol verschiedenen Umfang auf, so dass aus radialer Sicht entlang der zentralen Achse die Strecke von der Oberfläche des Anschlusspols bis zu der zentralen Achse des Anschlusspols, bei einer runden Ausführung des Anschlusspols ist dies der Radius, variiert. Dabei wird durch die Variation dieser Strecke, beziehungsweise durch die Variation des Radius, eine relative Vertiefung ausbildet.
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Weiterhin vorteilhaft erzeugt das zusätzliche Bauteil dabei entlang der zentralen Achse des Anschlusspols einen Materialüberstand gegenüber dem Anschlusspol, so dass der Anschlusspol aus radialer Sicht gegenüber dem Materialüberstand eine Vertiefung darstellt. Durch ein Eingreifen in die Vertiefung, welches einem Greifen unter den Materialüberstand entspricht, kann das Greifwerkzeug mit dem zusätzlichen Bauteil zur Kraftübertragung auf den Anschlusspol eine formschlüssige Verbindung eingehen.
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In einer vorteilhaften Ausführung ist das zusätzliche Bauteil eine Unterlegscheibe oder ein Plättchen, durch welches beispielsweise die Kontur des Anschlusspols abschnittsweise verstärkt wird.
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Weiterhin vorteilhaft wird die Vertiefung von mehreren Seiten oder umlaufend ausgebildet, wodurch eine zur zentralen Achse symmetrische und somit drehmomentfreie Kraftübertragung vom Greifwerkzeug auf den Anschlusspol möglich ist.
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Für ein automatisiertes, robustes Handling der Batteriezelle ist vorteilhaft wenigstens ein Anschlusspol der Batteriezelle derart massiv ausgestaltet und derart mechanisch mit der Batteriezelle verbunden, dass ein zerstörungsfreies Aufnehmen der Batteriezelle über den Anschlusspol möglich ist.
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Gegenstand der Erfindung ist ferner eine mehrzellige Batterie, bei der jede der Batteriezellen als erfindungsgemäße Batteriezelle ausgeführt ist und diese durch Lacke oder Kunststoffschichten voneinander isoliert sind. In einer mehrzelligen Batterie sind die zumeist metallisch leitend ausgeführten Hardcases der einzelnen Batteriezellen gegeneinander zu isolieren, da sie üblicherweise auf dem Potential eines der Anschlusspole der jeweiligen Batteriezelle liegen. Vorteilhaft weist eine derartige Batterie ausschließlich erfindungsgemäße Batteriezellen auf, da diese für das Aufbringen einer Isolationsschicht vorteilhaft über einen Anschlusspol gehalten werden können. Vorteilhaft kann die erfindungsgemäße Batteriezelle an einem Anschlusspol eingespannt werden, sodass das Hardcase der Batteriezelle rundherum für die Aufbringung einer Lack- oder Kunsstoffbeschichtung zugänglich ist.
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Die Erfindung wird im Folgenden anhand der Abbildungen von Ausführungsbeispielen näher erläutert. Es zeigen:
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1 ein Beispiel einer Batteriezelle nach dem Stand der Technik
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2 ein erstes Ausführungsbeispiel einer erfindungsgemäßen Batteriezelle mit einer rechteckigen Vertiefung
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3 ein zweites Ausführungsbeispiel einer erfindungsgemäßen Batteriezelle mit einer Vertiefung in Form einer zylinderförmigen Nut
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4 ein drittes Ausführungsbeispiel einer erfindungsgemäßen Batteriezelle mit einer keilförmigen Vertiefung
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5 ein viertes Ausführungsbeispiel einer erfindungsgemäßen Batteriezelle mit einer zweiseitigen Vertiefung
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6 ein fünftes Ausführungsbeispiel einer erfindungsgemäßen Batteriezelle mit einer durch ein zusätzliches Bauteil gebildeten Vertiefung
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7 ein sechstes Ausführungsbeispiel einer erfindungsgemäßen Batteriezelle mit einer in eine Isolationsschicht eingebrachten Vertiefung
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1 zeigt ein Beispiel einer Batteriezelle 1 nach dem Stand der Technik mit zwei Anschlusspolen 2. Die Anschlusspole 2 sind beide auf einer Seite aus dem Batteriegehäuse herausgeführt und sind rechteckig ausgeführt.
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2 zeigt ein erstes Ausführungsbeispiel einer erfindungsgemäßen Batteriezelle 1 mit zwei Anschlusspolen 2, von denen einer eine Aufnahmevorrichtung 3 aufweist. Die Aufnahmevorrichtung 3 ist in Form einer Vertiefung 4 ausgebildet, wobei die Vertiefung 4 die Form einer rechteckigen Vertiefung 4 aufweist. Durch den geometrischen Mittelpunkt des Anschlusspols 2 verläuft eine zentrale Achse 8, die senkrecht aus der Batteriezelle 1 herausgeführt ist. Die Orientierung der Vertiefung 4 in den Anschlusspol 2 ist derart, dass die Vertiefung 4 senkrecht zur zentralen Achse 8 des Anschlusspols 2 und in Richtung auf die zentrale Achse 8 angeordnet ist. Die Vertiefung 4 ist zur Aufnahme eines Greifwerkzeugs geeignet, zum Beispiel einer Zange, deren Zangenkopf auf der einen Seite als schmales Rechteck und auf der anderen Seite flach ausgebildet ist. Ein an die Vertiefung 4 angepasstes Greifwerkzeug ist in der Lage, eine Kraft entlang der zentralen Achse 8 auf den Anschlusspol 2 und damit auf die Batteriezelle 1 auszuüben. Die Batteriezelle 1 kann bei entsprechend konstruktiver Auslegung mit Hilfe des in die Vertiefung 4 eingreifenden Greifwerkzeugs aufgenommen werden.
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3 zeigt ein zweites Ausführungsbeispiel einer erfindungsgemäßen Batteriezelle 1. Das Ausführungsbeispiel der 3 unterscheidet sich von dem der 2 in der Ausgestaltung der Aufnahmevorrichtung 3. Während in 2 die Aufnahmevorrichtung 3 in Form einer rechteckigen Vertiefung 4 ausgebildet ist, erfolgt die Ausbildung der Aufnahmevorrichtung 3 in 3 durch eine Vertiefung 4´ in Form einer zylinderförmigen Nut. Die Zylinderachse der zylinderförmigen Nut liegt dabei parallel zu einer Seitenfläche des Anschlusspols 2 und senkrecht zur zentralen Achse 8. Ferner entspricht die Tiefe der Vertiefung 4´ maximal dem Radius eines der zylinderförmigen Vertiefung 4´, so dass sich die Breite der Vertiefung 4´ in Richtung der zentralen Achse 8 stets verjüngt. Im Falle eines runden Anschlusspols 2 kann die Vertiefung 4´ sowohl zylinderförmig als auch als Segment eines Torus erfolgen, wobei der Radius des Torus minimal dem Radius des runden Anschlusspols 2 entspricht. Ist die Vertiefung 4´ auch an einem runden Anschlusspol 2 zylinderförmig ausgeführt, entspricht in einer bevorzugten Ausführung die Zylinderachse der Vertiefung 4´ einer Tangente des runden Anschlusspols 2.
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4 zeigt ein drittes Ausführungsbeispiel einer erfindungsgemäßen Batteriezelle 1. Das Ausführungsbeispiel der 4 unterscheidet sich von denjenigen der 2 und 3 in der Ausgestaltung der Aufnahmevorrichtung 3. Diese ist in 4 in Form einer im Querschnitt keilförmigen Vertiefung 4´´ ausgeführt. Die Ausrichtung der keilförmigen Vertiefung 4´´ entspricht derjenigen der 2 bzw. 3. Dabei ist Spitze der keilförmigen Vertiefung 4´´ in Richtung der zentralen Achse 4´´ ausgerichtet. Im Falle eines runden Anschlusspols 2 erfolgt die Vertiefung 4´´ in Form eines dreiseitigen, geraden Prismas oder in Form eines Ringsegments mit keilförmigen Querschnitt.
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5 zeigt ein viertes Ausführungsbeispiel einer erfindungsgemäßen Batteriezelle 1. Das Ausführungsbeispiel der 5 unterscheidet sich von denjenigen der 2 bis 4 darin, dass die Vertiefung 4 zweiseitig ausgebildet ist. In Analogie zu der in 5 gezeigten zweiseitigen Ausbildung der Vertiefung 4 kann die Vertiefung 4 auch mehrseitig oder umlaufend ausgebildet sein. Im Falle einer um einen runden Anschlusspol 2 umlaufenden Vertiefung 4´ mit zylinderförmigen Querschnitt weist die Vertiefung 4´ die Form eines Torus auf. Im Falle einer um einen runden Anschlusspol 2 umlaufenden Vertiefung 4´´ mit keilförmigen Querschnitt weist die Vertiefung 4´´ die Form eines Ringes mit dreieckigem Querschnitt auf.
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6 zeigt ein fünftes Ausführungsbeispiel einer erfindungsgemäßen Batteriezelle 1. Das Ausführungsbeispiel der 6 unterscheidet sich von denjenigen der 2 bis 5 darin, dass die Aufnahmevorrichtung 3 zusammen mit dem Anschlusspol 2 durch ein zusätzliches Bauteil 5 ausgebildet ist, welches mit dem Anschlusspol 2 fest verbunden ist. Das zusätzliche Bauteil 5, bei dem es sich um eine Platte oder eine Scheibe handeln kann, erzeugt gegenüber dem Anschlusspol 2 einen Materialüberstand 7. Dadurch kann ein Greifwerkzeug unter den Materialüberstand 7 greifen und eine formschlüssige Verbindung zu dem zusätzlichen Bauteil 5 bilden, so dass eine Kraftübertragung von dem Greifwerkzeug auf den Anschlusspol 2 entlang der zentralen Achse 8 erfolgen kann.
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7 zeigt ein sechstes Ausführungsbeispiel einer erfindungsgemäßen Batteriezelle 1. Das Ausführungsbeispiel der 7 unterscheidet sich von denjenigen der 2 bis 5 darin, dass die Aufnahmevorrichtung 3 nicht durch eine Vertiefung 4 in den Anschlusspol 2, sondern in eine den Anschlusspol 2 entlang der zentralen Achse 8 seitlich ummantelnde Isolierung 6 eingebracht ist. In Analogie zu den in den 2 bis 5 beschriebenen Ausführungsformen der Erfindung kann die Vertiefung 4 in die Isolierung 6 auch als Vertiefung 4´ in Form einer zylinderförmigen Nut oder als Vertiefung 4´´ in Form einer keilförmigen Nut, mehrseitig oder umlaufend ausgeführt sein.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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