Titel

BATTERIEZELLE UND MODULGEHÄUSE MIT POSITIONIERVORRICHTUNG, SOWIE ENTSPRECHENDES BATTERIEMODUL AUS BATTERIEZELLE UND MODULGEHÄUSE

Die vorliegende Erfindung betrifft eine Batteriezelle mit einem Zellgehäuse und einer darin angeordneten Elektrodenanordnung. Ferner betrifft die vorliegende Erfindung ein Modulgehäuse zur Aufnahme wenigstens einer Batteriezelle. Darüber hinaus betrifft die vorliegende Erfindung ein Batteriemodul mit einem Modulgehäuse und wenigstens einer im Modulgehäuse angeordneten

Batteriezelle. Des Weiteren betrifft die vorliegende Erfindung eine Batterie mit mindestens einem Batteriemodul sowie ein Kraftfahrzeug mit einer

Antriebsvorrichtung und einer Antriebsenergie übertragend mit der

Antriebsvorrichtung verbundenen Batterie.

Stand der Technik

Batteriezellen, Modulgehäuse, Batteriemodule, Batterien und Kraftfahrzeuge der eingangs genannten Art sind allgemein bekannt. Bei der Montage der

Batteriemodule wird wenigstens eine Batteriezelle, und falls eine einzelne Batteriezelle nicht in der Lage ist, eine ausreichende Menge elektrischer Energie zu liefern, eine Vielzahl von Batteriezellen im Modulgehäuse angeordnet. Um die wenigstens eine Batteriezelle oder mehrere Batteriezellen im Modulgehäuse fixieren zu können, werden die Batteriezellen beispielsweise miteinander oder die wenigstens eine Batteriezelle oder die miteinander verspannten Batteriezellen im Modulgehäuse verpresst. Dabei kann es zu einem Kurzschluss zwischen der Batteriezelle oder den Batteriezellen und dem Modulgehäuse oder zwischen den Batteriezellen selbst kommen. Kurzschlüsse gefährden die Betriebssicherheit einer das Batteriemodul aufweisenden Batterie sowie eines die Batterie aufweisenden Kraftfahrzeuges. Aufgrund der oftmals hohen Menge an gespeicherter elektrischer Energie besteht ebenfalls Gefahr für Leib und Leben eines Benutzers der Batterie oder des Kraftfahrzeuges, da der Kurzschluss ein Explodieren der Batterie hervorrufen kann. Offenbarung der Erfindung

Erfindungsgemäß wird eine Batteriezelle der eingangs genannten Art bereitgestellt, deren Zellgehäuse wenigstens einen auf einer Außenseite des Zellgehäuses fußenden Positioniervorsprung aufweist. Ferner wird

erfindungsgemäß ein Modulgehäuse der eingangs genannten Art bereitgestellt, wobei eine Seite des Modulgehäuses zumindest eine Positionieraufnahme für einen Positioniervorsprung einer Batteriezelle aufweist, die sich ins Innere des Modulgehäuses öffnet. Darüber hinaus wird erfindungsgemäß ein Batteriemodul der eingangs genannten Art bereitgestellt, dessen Modulgehäuse ein

erfindungsgemäßes Modulgehäuse und dessen wenigstens eine Batteriezelle eine erfindungsgemäße Batteriezelle ist, wobei die zumindest eine

Positionieraufnahme und der wenigstens eine Positioniervorsprung

komplementär zueinander ausgeformt sind und der Positioniervorsprung in der Positionieraufnahme angeordnet ist. Darüber hinaus wird erfindungsgemäß eine Batterie der eingangs genannten Art bereitgestellt, deren Batteriemodul ein erfindungsgemäßes Batteriemodul ist. Schließlich wird erfindungsgemäß ein Kraftfahrzeug der eingangs genannten Art bereitgestellt, dessen Batterie eine erfindungsgemäße Batterie ist. Vorteile der Erfindung

Der Positioniervorsprung und die Positionieraufnahme ermöglichen eine formschlüssige Verbindung zwischen der Batteriezelle und dem Modulgehäuse, wobei die formschlüssige Verbindung ein Verschieben der Batteriezelle innerhalb des Modulgehäuses zumindest parallel zur mit dem Positioniervorsprung versehenen Seite der Batteriezelle verhindert. Die Batteriezelle kann durch die formschlüssige Verbindung beabstandet zu anderen Batteriezellen oder zu weiteren Seiten des Modulgehäuses gehalten sein, sodass ein Kontakt mehrerer Batteriezellen miteinander oder der wenigstens einen Batteriezelle mit einer Seite des Modulgehäuses verhindert ist. Kurzschlüsse werden hierdurch sicher vermieden, was die Betriebssicherheit der Batterie und des Kraftfahrzeuges deutlich erhöht.

Die erfindungsgemäße Lösung kann durch verschiedene, jeweils für sich vorteilhafte, beliebig miteinander kombinierbare Ausgestaltungen weiter verbessert werden. Auf diese Ausgestaltungsformen und die mit ihnen verbundenen Vorteile wird im Folgenden eingegangen.

So kann das Zellgehäuse mit zwei Positioniervorsprüngen ausgeformt sein, wobei die beiden Positioniervorsprünge an derselben Außenseite des

Zellgehäuses angeordnet sind. Auch das Modulgehäuse kann mit zwei

Positionieraufnahmen ausgeformt sein, die beide an derselben Seite und insbesondere einer Innenseite des Modulgehäuses angeordnet sind. Die beiden Positioniervorsprünge und die beiden Positionieraufnahmen können wiederum jeweils komplementär zueinander ausgebildet sein, sodass jeweils einer der

Positioniervorsprünge in eine der Positionieraufnahmen einsetzbar ist.

Insbesondere kann jeder der Positioniervorsprünge in eine der

Positionieraufnahmen eingesetzt sein. Durch Bereitstellung mehr als eines Positioniervorsprungs in Kombination mit mehr als einer Positionieraufnahme ist nicht nur ein Verschieben der Batteriezelle innerhalb des Modulgehäuses, sondern auch ein Verdrehen um eine senkrecht zur Seite der Batteriezelle mit den Positioniervorsprüngen verlaufende Achse verhindert. Ferner kann die Batteriezelle einfach in das Modulgehäuse eingesteckt werden, wobei der wenigstens eine Positioniervorsprung und die zumindest eine

Positionieraufnahme eine Sollposition der Batteriezelle eindeutig vorgeben.

Entlang einer Stapelrichtung, in der mehrere Batteriezellen hintereinander im Batteriemodul angeordnet sind, können die Positionieraufnahmen so

beabstandet zueinander angeordnet sein, dass die Batteriezellen beabstandet zueinander in das Modulgehäuse eingesetzt sind.

Um nicht nur ein Verschieben oder ein Verdrehen der Batteriezelle im

Modulgehäuse verhindern zu können, sondern auch sicherzustellen, dass die Batteriezelle mit einer vorgegebenen Orientierung im Modulgehäuse angeordnet ist, kann der wenigstens eine Positioniervorsprung ausgebildet sein, nur in einer Ausrichtung oder Orientierung in die Positionieraufnahme einsetzbar zu sein.

Beispielsweise kann der Positioniervorsprung einen kreisbogenförmigen Querschnitt aufweisen und zusammen mit der Positionieraufnahme eine

Kodiereinrichtung ausbilden, die gewährleistet, dass die Batteriezelle nur in der vorbestimmten Ausrichtung in das Modulgehäuse einsetzbar ist. Alternativ oder zusätzlich können die Positioniervorsprünge und die Positionieraufnahmen unterschiedlich ausgebildet sein. Insbesondere können die Positioniervorsprünge der Batteriezelle und die Positionieraufnahmen für die beiden

Positioniervorsprünge die Kodiereinrichtung ausbilden. Hierzu kann wenigstens einer der Positioniervorsprünge nur in eine der Positionieraufnahmen, nicht jedoch in die andere der beiden Positionieraufnahmen einsteckbar sein. Die Positioniervorsprünge können beispielsweise unterschiedlich ausgeformte

Querschnitte aufweisen. Alternativ oder zusätzlich können die

Positioniervorsprünge unterschiedlich dick ausgebildet sein, sodass der dickere der beiden Positioniervorsprünge nicht in die komplementär zum dünneren der beiden Positioniervorsprünge ausgebildeten Positionieraufnahme einsteckbar ist.

Das Modulgehäuse kann ausgestaltet sein, mehrere Batteriezellen

aufzunehmen. Damit alle Batteriezellen sicher im Modulgehäuse aufnehmbar sind, kann das Modulgehäuse für mindestens eine und insbesondere für jede der Batteriezellen zumindest eine Positionieraufnahme bereitstellen. Einige der Batteriezellen können mit einer Positionieraufnahme und/oder einem

Positioniervorsprung und andere der Batteriezelle ohne Positionieraufnahmen oder -vorsprünge ausgestattet sein oder wenigstens einen Positioniervorsprung und zumindest eine Positionieraufnahme aufweisen. Batteriezellen mit wenigstens einer Positionieraufnahme haben im Vergleich zu Batteriezellen ohne Positionieraufnahme oftmals in ihrem Inneren weniger Platz für die

Elektrodenanordnung, wodurch die Kapazität der Batteriezellen mit

Positionieraufnahme vergleichsweise niedriger sein kann.

Da das Modulgehäuse mit der zumindest einen Positionieraufnahme ausgebildet ist, kann es auch Batteriezellen ohne Positioniervorsprung aufnehmen. Alternativ kann das Modulgehäuse für zumindest eine der Batteriezellen einen von einer Seite des Modulgehäuses ins Innere des Modulgehäuses vorspringenden Positioniervorsprung und die Batteriezelle zumindest eine sich vom Inneren der Batteriezelle weg öffnenden Positionieraufnahme aufweisen. Mit einem solchen Modulgehäuse sind jedoch keine Batteriezellen ohne Positionieraufnahme verwendbar, da derartige Batteriezellen aufgrund der fehlenden

Positionieraufnahme nicht weit genug in das Modulgehäuse einsetzbar sind.

Oftmals sollen die Batteriezellen miteinander verspannt werden, um

beispielsweise die Lebensdauer der Batteriezellen zu erhöhen. Die miteinander verspannten Batteriezellen bilden ein Batteriezellenpaket aus, das mehrere und insbesondere zumindest der Anzahl der Batteriezellen des Batteriezellenpaketes entsprechende Menge an Positioniervorsprüngen oder -aufnahmen aufweisen kann. Durch die Vielzahl von Positioniervorsprüngen oder -aufnahmen ist auch ein relativ schweres Batteriezellenpaket sicher gegen Verschiebungen oder

Verdrehungen parallel zur Seite der Batteriezelle mit dem Positioniervorsprung oder der -aufnähme im Modulgehäuse sicherbar.

Um zu vermeiden, dass die miteinander verpressten Batteriezellen einander elektrisch leitend kontaktieren und somit einen Kurzschluss hervorrufen können, kann zwischen den Batteriezellen jeweils ein Abstandselement, beispielsweise eine Abstandsplatte vorgesehen sein, welche die Batteriezellen elektrisch voneinander isoliert. Selbst wenn über das Zellgehäuse überstehende

Schweißnähte vorhanden sind, können die miteinander verpressten

Batteriezellen durch das Abstandselement sicher voneinander isoliert im

Modulgehäuse angeordnet sein. Ist ein Verpressen der Batteriezellen nicht notwendig, so können die Positionieraufnahmen im Modulgehäuse so angeordnet sein, dass auch überstehende Schweißnähte nicht zu einem Kontakt zwischen benachbarten Batteriezellen miteinander führen können.

Die Batteriezelle ist bevorzugt eine wiederaufladbare Batteriezelle und basiert beispielsweise auf Lithium-Technologie und ist vorzugsweise eine Lithium-Ionen- Batteriezelle. Das Kraftfahrzeug ist bevorzugt zumindest teilweise oder sogar vollständig elektrisch antreibbar.

Zeichnungen

Im Folgenden ist die Erfindung beispielhaft anhand von Ausführungsbeispielen mit Bezug auf die schematischen Zeichnungen erläutert. Die unterschiedlichen Merkmale der Ausführungsformen können dabei unabhängig voneinander kombiniert werden, wie es bei den einzelnen vorteilhaften Ausgestaltungen bereits dargelegt wurde. Es zeigen:

Figur 1 eine perspektivische Darstellung eines Ausführungsbeispiels einer erfindungsgemäßen Batteriezelle,

Figur 2 eine perspektivische Darstellung einer Seite eines erfindungsgemäß ausgestalteten Modulgehäuses, und Figur 3 eine perspektivische Ansicht eines erfindungsgemäßen Batteriemoduls.

Ausführungsformen der Erfindung

Zunächst sind Aufbau und Funktion einer erfindungsgemäßen Batteriezelle mit Bezug auf das Ausführungsbeispiel der Figur 1 beschrieben.

Figur 1 zeigt die Batteriezelle 1 schematisch in einer perspektivischen

Vorderansicht, wobei Anschlusskontakte der Batteriezelle 1 von einem

Zellgehäuse 2 der Batteriezelle 1 verdeckt sind. Das Zellgehäuse 2 ist im

Wesentlichen prismatisch oder zylindrisch beziehungsweise quaderförmig ausgebildet und weist zum Beispiel sechs Außenseiten auf. Eine Außenseite 3 ist mit wenigstens einem Positioniervorsprung 4 versehen, der auf der Außenseite 3 fußt und sich entlang seiner Längsrichtung 5 von der Außenseite 3 weg erstreckt. Die Längsrichtung 5 ist vorzugsweise senkrecht zur Außenseite 3 orientiert. Im in der Figur 1 dargestellten Ausführungsbeispiel ist der Positioniervorsprung 4 als ein Zylinder mit einer kreisförmigen Grundfläche dargestellt. Alternativ kann der Positioniervorsprung 4 jedoch auch einen anderen und beispielsweise

polygonalen oder kreisbogenförmigen Querschnitt aufweisen, wobei der

Querschnitt senkrecht zur Längsrichtung verläuft.

Optional kann die Batteriezelle 1 zumindest einen weiteren Positioniervorsprung 6 aufweisen, der ebenfalls auf der Außenseite 3 angeordnet ist und sich parallel zur Längsrichtung 5 vom Zellgehäuse 2 weg erstreckt. Der weitere

Positioniervorsprung 6 ist im Ausführungsbeispiel der Figur 1 wie der

Positioniervorsprung 4 als Zylinder mit einer kreisförmigen Grundfläche dargestellt. Auch der weitere Positioniervorsprung 6 kann einen von der runden Form abweichenden und beispielsweise polygonalen oder kreisbogenförmigen Querschnitt aufweisen.

Die Positioniervorsprünge 4, 6 können unterschiedlich zueinander ausgebildet sein. Im Ausführungsbeispiel der Figur 1 weisen die Positioniervorsprünge 4, 6 quer zu ihrer Längsrichtung 5 unterschiedliche Dicken auf. Optional oder zusätzlich können die Positioniervorsprünge 4, 6 unterschiedliche

Querschnittsformen oder parallel zur Längsrichtung 5 bemessene Längen aufweisen.

Figur 2 zeigt ein erstes Ausführungsbeispiel eines erfindungsgemäßen

Modulgehäuses, wobei lediglich eine Seite des Modulgehäuses dargestellt ist. Für Elemente, die in Funktion und/oder Aufbau den Elementen des

Ausführungsbeispiels der Figur 1 entsprechen, sind im Folgenden die gleichen Bezugszeichen verwendet.

Beispielsweise kann die in der Figur 2 gezeigte Seite 10 ein Boden des

Modulgehäuses sein. Die Seite 10 ist mit wenigstens einer Positionieraufnahme 1 1 ausgebildet, in die der wenigstens eine Positioniervorsprung 4 der

Batteriezelle 1 in der Längsrichtung 5 einsetzbar ist. Die Positionieraufnahme 11 öffnet sich hierzu entgegen der Längsrichtung 5 und insbesondere ins Innere des Modulgehäuses. Weist die Batteriezelle 1 mehr als einen Positioniervorsprung 4, 6 und insbesondere zwei Positioniervorsprünge 4, 6 auf, so kann die Seite 10 mit mehreren und insbesondere einer weiteren Positionieraufnahme 12 ausgebildet sein. Die beiden Positionieraufnahmen 1 1 , 12 können so angeordnet sein, dass die Positioniervorsprünge 4, 6 der Batteriezelle 1 jeweils in eine der

Positionieraufnahmen 1 1 , 12 eingesetzt werden können.

Durch die Verwendung eines Positioniervorsprungs 4 mit einer

Positionieraufnahme 11 kann die Batteriezelle 1 im Modulgehäuse gegen

Verschiebungen senkrecht zur Längsrichtung 5 gesichert sein. Werden mehrere und insbesondere mindestens zwei Positioniervorsprünge 4, 6 und die gleiche Anzahl an Positionieraufnahmen 1 1 , 12 für die Batteriezelle 1 verwendet, so kann die Batteriezelle 1 im Modulgehäuse hierdurch nicht nur gegen

Verschiebungen, sondern auch gegen eine Rotation um eine parallel zur

Längsrichtung 5 verlaufende Achse gesichert sein. Die wenigstens eine Positionieraufnahme 11 ist vorzugsweise komplementär zum zumindest einen Positioniervorsprung 4 ausgebildet, sodass die

Positionieraufnahme 11 den Positioniervorsprung 4 formschlüssig aufnehmen kann. Insbesondere kann die wenigstens eine Positionieraufnahme 11 quer zur

Längsrichtung 5 so bemessen sein, dass der zumindest eine

Positioniervorsprung 4 ohne Weiteres und im Wesentlichen spielfrei aufnehmbar ist.

Sollen mehrere Batteriezellen 1 im Modulgehäuse angeordnet werden, so kann die Seite 10 je Batteriezelle 1 zumindest eine Positionieraufnahme 1 1 und mehrere, insbesondere zwei Positionieraufnahmen 11 , 12 aufweisen, sodass alle Batteriezellen 1 durch formschlüssige Verbindungen im Modulgehäuse sicherbar sind.

Sind die Positioniervorsprünge 4, 6 unterschiedlich ausgeformt, so kann beispielsweise die Positionieraufnahme 11 komplementär zum

Positioniervorsprung 4 und die Positionieraufnahme 12 komplementär zum Positioniervorsprung 6 ausgestaltet sein. Ist der Positioniervorsprung 4 ausgeformt, um nur in die Positionieraufnahme 1 1 , nicht jedoch in die

Positionieraufnahme 12 einsetzbar zu sein, so bilden die Positioniervorsprünge 4, 6 und die Positionieraufnahmen 11 , 12 eine Kodiereinrichtung aus, die gewährleistet, dass die Batteriezelle 1 nur in einer vorbestimmten Ausrichtung in das Modulgehäuse einsetzbar ist. Hierdurch ist eine falsche Anordnung der Anschlusspole der Batteriezelle 1 und somit ein falsch gepolter Anschluss der Batteriezelle 1 vermeidbar.

Zur Ausbildung der Kodiereinrichtung können die Positioniervorsprünge 4, 6 und die Positionieraufnahmen 1 1 , 12 alternativ oder zusätzlich so angeordnet sein, dass die Batteriezelle 1 nur in der vorgegebenen Orientierung in das

Modulgehäuse einsetzbar ist. Beispielsweise können die Positioniervorsprünge 4, 6 und die Positionieraufnahmen 1 1 , 12 in Ecken eines Polygons, etwa eines Dreiecks, angeordnet sein. Die wenigstens eine Positionieraufnahme 1 1 kann als ein Sackloch mit einem

Boden ausgebildet sein oder sich als eine durchgehende Öffnung durch die Seite 10 erstrecken. Sind mehrere und insbesondere zwei Positionieraufnahmen 11 , 12 vorgesehen, so können diese nicht nur quer zur Längsrichtung 5, sondern auch in der Längsrichtung 5 unterschiedlich bemessen sein. Insbesondere kann eine der Positionieraufnahmen 11 , 12 in der Längsrichtung 5 eine andere Tiefe aufweisen, als die andere der Positionieraufnahmen 11 , 12. Weisen die

Positioniervorsprünge 4, 6 unterschiedliche Längen auf, so kann durch die unterschiedliche Tiefe der Positionieraufnahmen 1 1 , 12 ebenfalls die

Kodierfunktion bereitgestellt sein. Figur 3 zeigt ein erstes Ausführungsbeispiel eines erfindungsgemäßen

Batteriemoduls in einem Teilschnitt, wobei das Modulgehäuse und dessen Seite 10 sowie eine der dargestellten Batteriezellen 1 teilweise geschnitten und die weiteren Batteriezellen 1 ungeschnitten dargestellt sind. Für Elemente, die in Funktion und/oder Aufbau den Elementen der bisherigen Ausführungsbeispiele entsprechen, sind dieselben Bezugszeichen verwendet.

Im Modulgehäuse 20 des in der Figur 3 dargestellten Batteriemoduls 21 bildet die Seite 10 einen Boden des Modulgehäuses 20 aus, der ein Volumen zur

Aufnahme von Batteriezellen 1 in der Längsrichtung 5 begrenzt. Im

Modulgehäuse 20 des Ausführungsbeispiels der Figur 3 sind fünf Batteriezellen 1 angeordnet, deren Anschlusskontakte 22, 23 in der Längsrichtung 5 vor dem Zellgehäuse 2 der jeweiligen Batteriezelle 1 angeordnet sind, wobei sich die Anschlusskontakte 22, 23 von einer Außenseite 24 des Zellgehäuses 2 entgegen der Längsrichtung 5 weg erstrecken. Selbstverständlich kann das Batteriemodul 21 ausgebildet sein, eine andere Anzahl von Batteriezellen 1 aufzunehmen, wobei wenigstens eine der Batteriezellen 1 eine erfindungsgemäß ausgestaltete Batteriezelle 1 ist.

Der wenigstens eine Positioniervorsprung 4 ist in der Positionieraufnahme 11 angeordnet. Der Positioniervorsprung 4 und die Positionieraufnahme 11 verbinden die Batteriezelle 1 und das Modulgehäuse 20 formschlüssig miteinander, sodass die Batteriezelle 1 nicht quer zur Längsrichtung 5 im

Modulgehäuse 20 verschiebbar ist. Ferner ist die Batteriezelle 1 mit dem weiteren Positioniervorsprung 6 dargestellt, der in der Positionieraufnahme 12 angeordnet ist. Somit ist die Batteriezelle 1 nicht nur gegen eine Verschiebung, sondern auch gegen eine ungewollte Rotation um eine sich parallel zur

Längsrichtung 5 erstreckende Rotationsachse im Modulgehäuse 20 gesichert.

Damit die Batteriezellen 1 als ein Batteriezellenpaket 25 zusammengefasst werden können, weist das Batteriemodul 21 eine Einspannvorrichtung 26 auf, die die Batteriezellen 1 miteinander verspannt. Die Einspannvorrichtung 26 verspannt die Batteriezellen 1 insbesondere entlang einer quer zur Längsrichtung 5 verlaufenden Stapelrichtung 27, entlang der die Batteriezellen 1 hintereinander angeordnet sind.

Um zu vermeiden, dass benachbarte Batteriezellen 1 einander elektrisch leitfähig kontaktieren können, ist zwischen benachbarten Batteriezellen 1 ein

Abstandselement 28, beispielsweise eine Abstandsplatte, angeordnet, die zusammen mit den Batteriezellen 1 zum Batteriezellenpaket 25 verpresst ist und die die benachbarten Batteriezellen 1 voneinander elektrisch isoliert. Zwischen allen aufeinanderfolgenden Batteriezellen 1 kann jeweils ein Abstandselement 28 vorgesehen sein.