Daimler AG

Einzelzelle für eine Batterie

Die Erfindung betrifft eine Einzelzelle für eine Batterie mit einem innerhalb eines Zellengehäuses angeordneten Elektrodenstapel, wobei das Zellengehäuse zwei elektrisch leitende Gehäuseseitenwände und einen dazwischen angeordneten, randseitig umlaufenden sowie elektrisch isolierenden Rahmen aufweist, wobei Polkontakte des Elektrodenstapels elektrisch leitend mit den Gehäuseseitenwänden verbunden sind und eine Befestigung der Gehäuseseitenwände an dem Rahmen vorgesehen ist.

Aus der P810600 (Amtl. Az. 10 2007 063 181.4) ist eine Einzelzelle, insbesondere eine Flachzelle, für eine Batterie mit einem innerhalb eines Zellengehäuses angeordneten Elektrodenstapel bekannt. Das Zellengehäuse weist zwei sich gegenüberliegende Gehäuseseitenwände sowie einen elektrisch isolierenden Rahmen auf. Insbesondere bei bipolaren Einzelzellen erfolgt eine Kontaktierung direkt zu den gegenüberliegen Gehäuseseitenwänden, insbesondere Flachseiten, des Zellengehäuses. Auf diese Weise sind Stromabieiterfahnen einer Polarität direkt mit einer Gehäuseseitenwand, vorzugsweise einer Flachseite, des Zellengehäuses verschweißt, verpresst und/oder verklebt. Die Gehäuseseitenwände sind mit dem Rahmen stoffschlüssig verbunden, beispielsweise geschweißt und/oder verklebt. Nachteilig dabei ist, dass die stoffschlüssige Befestigung der Gehäuseseitenwände an dem randseitig umlaufenden Rahmen aufgrund von Druckunterschieden innerhalb des Zellengehäuses stark belastet ist.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine verbesserte Einzelzelle für eine Batterie anzugeben, die insbesondere die im Stand der Technik angegebenen Nachteile bei reduzierten Herstellkosten überwindet.

Die Aufgabe wird erfindungsgemäß durch die in Anspruch 1 angegebenen Merkmale gelöst. Vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung sind Gegenstand der Unteransprüche.

Die Einzelzelle für eine Batterie weist einen innerhalb eines Zellengehäuses angeordneten Elektrodenstapel, insbesondere Elektrodenfolien auf. Das Zellengehäuse umfasst zwei elektrisch leitende Gehäuseseitenwände und einen dazwischen angeordneten, randseitig umlaufenden sowie elektrisch isolierenden Rahmen. Dabei sind Polkontakte des Elektrodenstapels elektrisch leitend mit den Gehäuseseitenwänden verbunden. Die Gehäuseseitenwände sind an dem Rahmen befestigt. Erfindungsgemäß ist die Befestigung der Gehäuseseitenwände und des Rahmens kraft- und formschlüssig durch miteinander korrespondierende Verbindungselemente ausgeführt. Als Verbindungselemente dienen beispielsweise Nieten, im Rahmen integrierte Nieten, den Rahmen zumindest randseitig umgreifende fahnenartige Verlängerungen der Gehäuseseitenwände und/oder an den Rahmen angeformte Halteelemente.

In einer möglichen Ausgestaltung der erfindungsgemäßen Einzelzelle sind die Gehäuseseitenwände zusätzlich stoffschlüssig mit dem Rahmen verbunden, insbesondere verklebt. Dadurch ist das Zellengehäuse in besonders vorteilhafter Weise gegenüber einem Austritt von Elektrolyt über eine gesamte Lebensdauer der Einzelzelle dicht ausgeführt.

Mittels einer derartigen Befestigung ist auf vorteilhafte Weise eine mechanische Belastbarkeit einer Einzelzelle, insbesondere einer Flachzelle erhöht, wodurch eine Empfindlichkeit beispielsweise gegenüber Stößen und/oder Vibrationen reduziert ist. Zusätzlich ist anhand der Befestigung sichergestellt, dass bei einem in dem Zellengehäuse vorherrschenden Innendruck sich dieses nicht verformt.

Besonders bevorzugt sind die zur Befestigung der Gehäuseseitenwände an den Rahmen dienenden Nieten aus einem Kunststoff, beispielsweise Polypropylen oder Polyethylen, gebildet, der in besonders vorteilhafter Weise eine elektrisch isolierende Eigenschaft aufweist. Dabei sind die Nieten beispielsweise mit Hilfe von Wärme ausformbar.

Um die Nieten in den Rahmen sowie die Gehäuseseitenwände einzuführen, sind die Gehäuseseitenwände in vorteilhafter Weise mit Bohrungen versehen, die vorzugsweise als Durchgangslöcher ausgeführt sind.

Bei einer Befestigung mittels Nieten, die in den Rahmen integriert sind, sind die Bohrungen in den Gehäuseseitenwänden vorzugsweise gebördelt. Dadurch ist eine Auflagefläche der Niete, insbesondere nach Ausformen dieser, vorteilhaft vergrößert.

Sind die Gehäuseseitenwände dergestalt an dem Rahmen befestigt, dass diese als fahnenartige Verlängerung den Rahmen randseitig umgreifen, weist die jeweilige gegenüberliegende Gehäuseseitenwand Einschnitte auf, die vorzugsweise mit der fahnenartigen Verlängerung korrespondieren. Dabei sind die fahnenartigen Verlängerungen sowie die dazu korrespondierenden Einschnitte wenigstens an sich gegenüberliegenden Randseiten der Gehäuseseitenwände angeordnet.

In einer weiteren möglichen Ausführungsform der Befestigung weist der Rahmen angeformte Halteelemente auf. Dabei sind die Halteelemente als fahnenartige Verlängerungen des Rahmens ausgeführt und zumindest an sich gegenüberliegenden Rahmenseiten angeordnet. Diese Halteelemente umgreifen in bevorzugter Weise die Gehäuseseitenwände randseitig.

Der in dem Zellengehäuse angeordnete Elektrodenstapel ist bevorzugt aus einzelnen Elektroden, vorzugsweise Elektrodenfolien gebildet. Darüber hinaus bildet ein nach außerhalb des Elektrodenstapels geführter Randbereich der jeweiligen Elektrodenfolie Stromabieiterfahnen, wodurch eine aufwändige Kontaktierung von Elektrodenfolie und Stromabieiterfahne entfällt. Gleichzeitig ist diese Art der Kontaktierung sehr sicher gegen zumindest viele, insbesondere äußere Einflüsse wie Stöße oder Vibrationen.

In besonderer Weise erfolgt, insbesondere bei bipolaren Einzelzellen, die Kontaktierung direkt zu den gegenüberliegen Gehäuseseitenwänden des Zellengehäuses. Auf diese Weise sind Stromabieiterfahnen einer Polarität zu einem Polkontakt des Elektrodenstapels zusammengefasst und direkt mit einer Gehäuseseitenwand des Zellengehäuses, insbesondere einer Flachzelle, verschweißt und/oder verpresst sind. Dabei sind die Gehäuseseitenwände unterschiedlicher Polarität elektrisch voneinander isoliert.

Der randseitig umlaufende Rahmen weist zwei elektrisch voneinander isolierte und voneinander beabstandete Materialrücknahmen auf. In diesen Materialrücknahmen sind die Stromabieiterfahnen jeweils einer Polarität angeordnet. In sinnvoller Weise ist die in Richtung der Stapelung der Elektroden gemessene lichte Höhe einer Materialrücknahme kleiner oder gleich der entsprechenden Erstreckung der unbeeinflusst übereinander gestapelten zugehörigen Stromabieiterfahnen und deren parallel zur Gehäuseseitenwand einer Elektrodenfolie gemessene Tiefe größer oder gleich der entsprechenden Erstreckung der zugehörigen Stromabieiterfahnen. Hierdurch sind die Stromabieiterfahnen sicher in den Materialrücknahmen gehaltert und können bei

insbesondere dichter Verbindung zwischen Rahmen und Gehäuseseitenwand elektrisch leitend mit diesen verpresst sein.

Durch eine Anordnung des Elektrodenstapels in einem randseitig umlaufenden, insbesondere elektrisch isolierenden Rahmen, kann in vorteilhafter Weise eine zusätzliche isolierende Anordnung eingespart werden. Weiterhin ist die Handhabbarkeit der Einzelzelle erleichtert bzw. sicherer gestaltet.

Anhand einer oder mehrerer der genannten Maßnahmen ist es möglich, bei einer preiswerten Herstellung den Aufbau eines Zellengehäuses der Einzelzelle für eine Batterie zu vereinfachen und insbesondere die Dichtigkeit des Zellengehäuse gegenüber einem Durchtritt von Fremdstoffen in das Zellengehäuse und einem Austritt von Stoffen aus dem Zellengehäuse zu verbessern. Weiterhin werden die Vibrationssicherheit und damit die Stabilität, die Lebensdauer sowie dadurch wiederum auch die Verwendungsvielfalt erhöht. Auch liegt keine Schwächung der Druckdichtigkeit des Zellengehäuses der Einzelzelle vor, da keine Kontaktdurchführung der Polkontakte erfolgt.

Die erfindungsgemäße Einzelzelle einer Batterie, insbesondere einer Fahrzeugbatterie, ist in einem Fahrzeug mit Hybridantrieb und/oder in einem mit Brennstoffzellen betriebenen Fahrzeug, insbesondere für ein Kraftfahrzeug zur Personenbeförderung, einsetzbar.

Ausführungsbeispiele der Erfindung werden anhand von Zeichnungen näher erläutert.

Dabei zeigen:

Fig. 1 perspektivisch eine schematische Ansicht einer Rahmenflachzelle mit an einem randseitig umlaufenden Rahmen vernieteten

Gehäuseseitenwänden,

Fig. 2 eine Explosionsdarstellung der in Figur 1 gezeigten Rahmenflachzelle,

Fig. 3 schematisch eine Schnittdarstellung einer in Figur 2 und 3 gezeigten

Rahmenflachzelle mit an einem Rahmen vernieteten Gehäuseseitenwänden,

Fig. 4 perspektivisch eine schematische Ansicht einer Rahmenflachzelle mit in einem Rahmen integrierten Nieten,

Fig. 5 eine Explosionsdarstellung einer in Figur 4 dargestellten Rahmenflachzelle mit in einem Rahmen integrierten Nieten,

Fig. 6 eine Schnittdarstellung einer in einen Rahmen integrierten Niete,

Fig. 7 perspektivisch eine schematische Ansicht einer Rahmenflachzelle mit in einem Rahmen integrierten Nieten und nach innen gebördelten Bohrungen einer Gehäuseseitenwand,

Fig. 8 eine Explosionsdarstellung einer in Figur 9 gezeigten Rahmenflachzelle,

Fig. 9 eine Schnittdarstellung mit im Rahmen integrierten Nieten sowie nach innen gebördelten Bohrungen,

Fig. 10 perspektivisch eine Rahmenflachzelle mit zumindest randseitig umgreifenden fahnenartigen Verlängerungen wenigstens einer Gehäuseseitenwand ,

Fig. 11 eine Schnittdarstellung einer in Figur 10 gezeigten Rahmenflachzelle mit fahnenartigen Verlängerungen einer Gehäuseseitenwand,

Fig. 12 eine Explosionsdarstellung einer in Figuren 1 , 11 und 15 gezeigten

Rahmenflachzelle mit fahnenartigen Verlängerungen von Gehäuseseitenwänden sowie dazu korrespondierenden Einschnitten,

Fig. 13 perspektivisch eine schematische Darstellung einer Rahmenflachzelle mit am Rahmen angeordneten Halteelementen, und

Fig. 14 eine Schnittdarstellung mit am Rahmen angeformten

Befestigungselementen.

Einander entsprechende Teile sind in allen Zeichnungen mit den gleichen Bezugszeichen versehen.

In Figuren 1 und 2 ist eine Einzelzelle 1 für eine Batterie dargestellt. Die Einzelzelle 1 ist als eine Flachzelle, insbesondere als eine Rahmenflachzelle ausgeführt.

Die Einzelzelle 1 weist ein Zellengehäuse 2 auf, welches aus zwei elektrisch leitenden Gehäuseseitenwänden 2.1 und 2.2 und einen randseitig umlaufenden sowie elektrisch isolierenden Rahmen 3 gebildet ist.

Erfindungsgemäß sind die Gehäuseseitenwände 2.1 und 2.2 kraft- und/oder formschlüssig mittels miteinander korrespondierender Verbindungselemente an dem Rahmen 3 befestigt.

In einer möglichen Ausführungsform sind die Verbindungselemente als Niete 4 ausgeführt, über welche die Gehäuseseitenwände 2.1 und 2.2 an dem Rahmen 3 befestigt sind. Bevorzugt sind die Nieten 4 aus einem Kunststoff, wie zum Beispiel Polypropylen oder Polyethylen, gebildet.

Für die Befestigung weisen die Gehäuseseitenwände 2.1 und 2.2 sowie der Rahmen 3 in Figur 2 gezeigte Bohrungen 5 auf, die in besonders vorteilhafter Weise als Durchgangslöcher ausgeführt sind. Dabei sind die Bohrungen in den Gehäuseseitenwänden 2.1 und 2.2 derart ausgebildet, dass diese jeweils eine von außen nach innen ausgeführte trichterförmige Absenkung 5.1 aufweisen.

Um die Gehäuseseitenwände 2.1 und 2.2 an dem Rahmen 3 zu befestigen, wird in die jeweilige Bohrung 5 der Gehäuseseitenwände ein Niet 4 eingeführt. Zur Erzielung einer form- und kraftschlüssigen Verbindung der Gehäuseseitenwände 2.1 und 2.2 am Rahmen 3 wird das aus Bohrung 5 und eingeführtem Niet 4 gebildete Verbindungselementepaar erwärmt, so dass der Niet 4, insbesondere der Nietkopf 4.1 , mittels der Wärmezufuhr derart in der Bohrung 5 ausformbar ist, dass der Nietkopf 4.1 an den Wänden der trichterförmigen Absenkung 5.1 formschlüssig und reibschlüssig anliegt bzw. sich anfügt.

Dabei können die Gehäuseseitenwände 2.1 und 2.2 zusätzlich zu der form- und kraftschlüssigen Befestigung mittels der Nieten 4 Stoff schlüssig mit dem Rahmen 3 verbunden, insbesondere geklebt sein. Dadurch ist das Zellengehäuse 3 dicht ausgeführt.

Darüber hinaus ist in dem Zellengehäuse 2 der Einzelzelle 1 ein Elektrodenstapel 6 angeordnet. Der Elektrodenstapel 6 ist dabei insbesondere aus in Figur 3 dargestellten

Elektrodenfolien 6.1 gebildet, wobei in einem mittleren Bereich des Elektrodenstapels 6 Elektrodenfolien 6.1 unterschiedlicher Polarität, insbesondere Aluminium- und/oder Kupferfolien und/oder Folien aus einer Metalllegierung, übereinander gestapelt und mittels eines nicht näher dargestellten Separators, insbesondere einer Separatorfolie, elektrisch voneinander isoliert sind.

In einem über den mittleren Bereich des Elektrodenstapels 6 überstehenden Randbereich der Elektrodenfolien 6.1 , den Stromabieiterfahnen 6.1.1 , sind Elektrodenfolien 6.1 gleicher Polarität elektrisch miteinander verbunden. Dabei werden die Stromabieiterfahnen 6.1.1 elektrisch leitend miteinander verpresst und/oder verschweißt und bilden die Polkontakte P des Elektrodenstapels 6.

Der den Elektrodenstapel 6 randseitig umlaufende Rahmen 3 weist zwei voneinander beabstandete, sich gegenüberliegende Materialrücknahmen 3.1 auf, die dabei so ausgebildet sind, dass die aus den Stromabieiterfahnen 6.1.1 gebildeten Polkontakte P in den Materialrücknahmen 3.1 anordbar sind. Die lichte Höhe der Materialrücknahmen 3.1 ist insbesondere so ausgebildet, dass sie der entsprechenden Erstreckung der unbeeinflusst übereinander gestapelten Stromabieiterfahnen 6.1 entspricht oder geringer als diese ist. Die Tiefe der Materialrücknahmen 3.1 entspricht im Wesentlichen der entsprechenden Erstreckung der Stromabieiterfahnen 6.1.1 oder ist größer ausgebildet als diese. Dabei sind die Bohrungen 5 in einem Bereich der Materialrücknahmen 3.1 angeordnet, wobei in diesem Bereich Erhebungen ausgeformt sind, wodurch der Rahmen 3 direkt an den Gehäuseseitenwänden 2.1 und 2.2. anliegt.

Durch die elektrisch isolierende Ausführung des Rahmens 3 sind die aus den Stromabieiterfahnen 6.1.1 gebildeten Polkontakte P unterschiedlicher Polarität elektrisch voneinander isoliert, so dass in vorteilhafter Weise auf zusätzliche Anordnungen zu einer elektrischen Isolation verzichtet werden kann.

In Figur 3 ist ein Ausschnitt einer Schnittdarstellung insbesondere des in den Bohrungen 5 eingeführten Nietes 4 dargestellt.

Figur 4 zeigt in einer alternativen Ausführungsform der Befestigung der Gehäuseseitenwände 2.1 und 2.2 an dem Rahmen 3 eine Einzelzelle 1 mit in den Rahmen 3 integrierten Nieten 7. Dabei sind die integrierten Nieten 7 bereits vor einer Montage der Einzelzelle 1 am Rahmen 3 angeordnet, insbesondere angeformt. Hierzu ist

der Rahmen 3 beispielsweise als ein Formteil gebildet und bevorzugt in einem Gussverfahren herstellbar.

Um eine form- und kraftschlüssigen Verbindung der Gehäuseseitenwänden 2.1 und 2.2 am Rahmen 3 herzustellen, wird das in dem Rahmen integrierte Niet 7, insbesondere der Nietkopf 7.1 erwärmt, so dass dieser mittels Wärmezufuhr derart in der Bohrung 5 ausformbar ist, dass der Nietkopf 7.1 in der Bohrung 5 formschlüssig und reibschlüssig und anliegt.

Auch hierbei werden die Nieten 7, insbesondere die Nietköpfe 7.1 zur Befestigung der Gehäuseseitenwände 2.1 und 2.2 an dem Rahmen 3 mit Hilfe von Wärme derart ausgeformt, dass eine formschlüssige sowie kraftschlüssige Verbindung zwischen Rahmen 3 und den Gehäuseseitenwänden 2.1 und 2.2 sichergestellt ist.

In Figur 5 ist eine Explosionsdarstellung der in Figur 4 dargestellten Einzelzelle 1 gezeigt.

Figur 6 zeigt einen Ausschnitt einer Schnittdarstellung einer Einzelzelle 1 mit in dem Rahmen 3 integrierten Nieten 7.

Die Figuren 7 bis 9 zeigen eine weitere alternative Ausführungsform zur Befestigung mit in dem Rahmen 3 integrierten Nieten 7. Dabei sind die Bohrungen 5 derart ausgeführt, dass diese eine nach innen gerichtete Bördelung 8 aufweisen. Die Bördelungen 8 dienen einer Vergrößerung der Auflagefläche der Niete 7, insbesondere nach dem Ausformen.

In den Figuren 10 bis 12 ist eine weitere Ausführungsform der Befestigung von den Gehäuseseitenwänden 2.1 und 2.2 an dem Rahmen 3 dargestellt. Hierbei weisen wenigstens zwei sich gegenüberliegende Seiten wenigstens einer Gehäuseseitenwand 2.1 und 2.2 den Rahmen 3 zumindest randseitig umgreifende fahnenartige Verlängerungen 2.3 auf.

Für ein randseitiges Umgreifen des Rahmens 3 werden die fahnenartigen Verlängerungen 2.3 gebogen. Die gegenüberliegende Gehäuseseitenwand 2.1 und 2.3 sowie der Rahmen 3 weisen in besonders bevorzugter Weise Einschnitte 2.4 auf, mit denen die fahnenartigen Verlängerungen 2.3 nach dem Umbiegen korrespondieren. Dadurch nimmt eine Dicke sowie eine Höhe der Einzelzelle 1 vorteilhaft nicht zu.

In Figur 13 ist eine Ausführungsform der erfindungsgemäßen Befestigung dargestellt, wobei als Befestigungselemente Klemmen 9 verwendet werden und den Rahmen 3 sowie

die Gehäuseseitenwände 2.1 und 2.2 umgreifen. Die Klemmen 9 können in bevorzugter Weise aus einem Kunststoff gebildet sein, der in vorteilhafter Weise elektrisch isoliert.

Die Figur 14 zeigt eine weitere mögliche Ausführungsform der Befestigung der Gehäuseseitenwände 2.1 und 2.2 an dem Rahmen 3 der als Rahmenflachzelle ausgebildeten Einzelzelle 1. Dabei ist der Rahmen 3 derart ausgeformt, dass die Gehäuseseitenwände von Haltenasen 3.3 gehalten werden. Die Haltenasen 3.3 sind zumindest an zwei sich gegenüberliegenden Rahmenseiten 3.4 angeordnet.

Für eine formschlüssige Befestigung umgreifen die angeformten Haltenasen 3.3 eine Gehäuseseitenwand 2.1 und 2.2. Die Haltenasen 3.3 sind in vorteilhafter weise beidseitig an dem Rahmen 3 ausgebildet bzw. angeformt.

Dabei können die Haltenasen 3.3 derart ausgeformt sein, dass sich diese beispielsweise über eine gesamte Breite der Einzelzelle 1 erstrecken. Hierbei können die Gehäuseseitenwände 2.1 und 2.2 seitlich eingeschoben werden, so dass die Haltenasen 3.3 als eine Art Schiene ausgeführt sind.

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Bezugszeichenliste

1 Einzelzelle

2 Zellengehäuse

2.1 Gehäuseseitenwand

2.2 Gehäuseseitenwand

2.3 fahnenartige Verlängerung

2.4 Einschnitte

3 Rahmen

3.1 Materialrücknahmen

3.2 Halteelement

3.3 Haltenasen

3.4 Rahmenseite

4 Niete

4.1 Nietkopf

5 Bohrungen

5.1 Absenkung

6 Elektrodenstapel

6.1 Elektrodenfolie

6.1.1 Stromabieiterfahne

7 integriertes Niet

8 Bördelung

9 Klemmen

P Polkontakt