AT519849B1 - Batteriemodul mit temperaturüberwachung - Google Patents

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AT519849B1 ATA50275/2017A AT502752017A AT519849B1 AT 519849 B1 AT519849 B1 AT 519849B1 AT 502752017 A AT502752017 A AT 502752017A AT 519849 B1 AT519849 B1 AT 519849B1
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Abstract

Die Erfindung betrifft ein Batteriemodul (100) mit zumindest zwei, vorzugsweise mit einer Vielzahl von Batteriezellen (110), wobei jede Batteriezelle (110) einen im Wesentlichen flächigen, insbesondere quaderförmigen Batteriekörper mit zwei parallel zueinander angeordneten, voneinander über vier Kantenflächen (111A, 111B) beabstandeten Seitenflächen aufweist, und zumindest ein in einer flexiblen Leiterplatte (130) angeordneter Temperatursensor (140A, 140B) vorgesehen ist, der in direktem Messkontakt mit einer Kantenfläche (111A, 111B) zumindest einer Batteriezelle (110) steht.

Description

Beschreibung [0001] Die Erfindung betrifft ein Batteriemodul mit zumindest zwei, vorzugsweise mit einer Vielzahl von Batteriezellen, wobei jede Batteriezelle einen im Wesentlichen flächigen, insbesondere quaderförmigen Batteriekörper mit zwei parallel zueinander angeordneten, voneinander über vier Kantenflächen beabstandeten Seitenflächen aufweist, wobei zumindest ein in einer flexiblen Leiterplatte angeordneter Temperatursensor vorgesehen ist, der in direktem Messkontakt mit einer Kantenfläche zumindest einer Batteriezelle steht, und die flexible Leiterplatte über einen im Wesentlichen länglichen Grundkörper mit einer Auflagefläche sowie über zumindest eine Kontaktfahne verfügt, die den zumindest einen Temperatursensor enthält.
[0002] Die Temperaturmessung von Batteriezellen ist ein wesentlicher Bestandteil bei der Überwachung der Funktionsfähigkeit von Batteriemodulen. Insbesondere, wenn die Batteriezellen sogenannte Pouchzellen sind, die sich häufig bei einer Fehlfunktion überhitzen und in der Folge aufblähen bis zum Zerplatzen, ist eine Überwachung der Temperatur wesentlich, um eine Beschädigung des mit dem Batteriemodul betriebenen Geräts und/oder Fahrzeugs zu vermeiden.
[0003] Des Weiteren kann über die Temperaturüberwachung der Zustand der Batterie beobachtet und diagnostiziert werden. Wird eine Zelle beispielsweise zu heiß, wird die Stromabgabe gedrosselt, man spricht hier von einem sogenannten Derating. Somit spielt die Temperaturmessung nicht nur eine Rolle in der Batteriesicherheit, sondern auch in der GesamtsystemPerformancekontrolle.
[0004] Üblicherweise erfolgt die Temperaturüberwachung an den Seitenflächen der Batteriezellen, wobei unter Seitenflächen im Rahmen dieser Offenbarung jene Flächen zu verstehen sind, die im Wesentlichen parallel zu der Mittelebene der jeweiligen flächigen Batteriezelle verlaufen. Diese Art der Temperaturmessung erfordert jedoch einen hohen Platzbedarf, weil der Temperatursensor zwischen den einzelnen Batteriezellen angeordnet werden muss. Darüber hinaus ist ein Platzieren an dieser Stelle insofern problematisch, als dass die Zellen selbst übereinander gestapelt werden und somit die Temperatursensoren während des Stapelns eingebracht werden müssen. Dies hat zur Folge, dass sich die Assemblierung dieser Temperatursensoren hinsichtlich der Kabel und der richtigen Positionierung als schwierig erweist und es hier bei bekannten Anordnungen zu Problemen kommt.
[0005] Aufgrund der Wärmeausdehnung dieser Zellen während des Betriebs besteht des Weiteren das Problem, dass aufgrund sich ändernder Distanzen gegebenenfalls ein Temperatursensor den Kontakt zu der zu messenden Oberfläche verlieren kann beziehungsweise eine Zelle beschädigt werden kann.
[0006] In der US 9,190,643 B2 wird daher eine Batterie vorgeschlagen, wobei die normal zu den Seitenflächen ausgerichteten Kantenflächen zweier Batteriezellen in einem Rahmen einander gegenüberliegend angeordnet sind. Zwischen den beiden Kantenflächen ist in dem Rahmen eine Ausnehmung vorgesehen, in die ein Schutzschaltungsmodul mit einem Temperatursensor einsetzbar ist.
[0007] Eine ähnliche Anordnung ist auch der WO 2013/047994 A2 zu entnehmen, bei der jeder Batteriezelle ein eigener Temperatursensor zugeordnet ist.
[0008] Nachteilig an diesen Vorrichtungen ist, dass zwischen jedem Batteriezellenpaar Kabel des Temperatursensors herausgeführt werden müssen.
[0009] Weitere Vorrichtungen zur Überwachung der Temperatur von Batteriezellen können beispielsweise der WO 2016/209466 A1, der WO 2016/091689 A1, der CN 205 861 226 U, der DE 10 2010 043 885 A1 oder der US 2016/0079638 A1 entnommen werden.
[0010] In der DE 10 2011 016 373 A1 ist ein Batterieblock mit mehreren Batteriezellen beschrieben, wobei ein Schaltungsträger mit zumindest einer elektronischen Überwachungsschaltung vorgesehen ist. Hierbei ist der Schaltungsträger als Flexleiterplatte mit biegsamen Kontak /8
AT 519 849 B1 2020-04-15 österreichisches patentamt telementen ausgebildet, an welchen Temperatursensoren angeordnet sind. Nachteilig an dieser Vorrichtung ist, dass sie eine äußerst präzise Fertigung der Flexleiterplatte und Positionierung der Temperatursensoren erfordert, um eine zuverlässige Temperaturüberwachung zu erlauben. Ebenso ist diese Anordnung der Temperatursensoren an den Batteriezellen empfindlich gegenüber mechanische Beanspruchung, beispielsweise Erschütterungen.
[0011] Es ist daher Aufgabe der Erfindung, eine Temperaturüberwachung eines Batteriemoduls mit zumindest zwei, vorzugsweise mit einer Vielzahl von flächigen Batteriezellen bereitzustellen, die eine einfache Montage der hierfür notwendigen Temperatursensoren bei gleichzeitiger hoher Reproduzierbarkeit der Temperaturmessung und der daraus folgenden Betriebssicherheit erlaubt.
[0012] Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß durch ein Batteriemodul der eingangs erwähnten Art dadurch gelöst, dass die flexible Leiterplatte über die zumindest eine Kontaktfahne in federndem Kontakt mit der Kantenfläche der zumindest einen Batteriezelle steht, und die zumindest eine Kontaktfahne vorzugsweise eine Kontaktoberfläche ausweist, über die der zumindest eine Temperatursensor mit der Kantenfläche der zumindest einen Batteriezelle in Messkontakt steht, wobei die zumindest eine Kontaktfahne einen ersten Abschnitt aufweist, dessen Längsachse im Wesentlichen normal auf die Längsachse des länglichen Grundkörpers der flexiblen Leiterplatte ausgerichtet ist, sowie die zumindest eine Kontaktfahne einen zweiten Abschnitt aufweist, an dem der zumindest eine Temperatursensor angeordnet ist, wobei die Längsachse des zweiten Abschnitts im Wesentlichen parallel zu der Längsachse des länglichen Grundkörpers der flexiblen Leiterplatte ausgerichtet ist, und zwischen erstem Abschnitt und zweitem Abschnitt ein Federabschnitt angeordnet ist.
[0013] Flexible Leiterplatten, sogenannte FPC (Flexible Printed Circuit) bestehen üblicherweise aus isolierenden Folien, auf die entsprechende Schaltungen mit zugehörigen Leiterbahnen aufgebaut sind. Erfindungsgemäß ist vorgesehen, dass auf einer derartigen FPC zumindest ein Temperatursensor angeordnet ist, der auf eine Kantenfläche zumindest einer Batteriezelle des Batteriemoduls aufliegt, um die Temperatur dieser Batteriezelle zu überwachen.
[0014] Hierbei ist vorgesehen, dass die flexible Leiterplatte über einen im Wesentlichen länglichen Grundkörper mit einer Auflagefläche sowie über zumindest eine Kontaktfahne, die den zumindest einen Temperatursensor enthält, verfügt. Mithilfe dieser Kontaktfahne kann eine genaue Positionierung des Temperatursensors an der gewünschten Stelle erzielt werden. Ebenso kann vorgesehen sein, dass zusätzlich auch auf dem länglichen Grundkörper entsprechende Temperatursensoren angeordnet sind.
[0015] Um eine sichere und reproduzierbare Temperaturmessung zu erzielen ist es erforderlich, dass der Temperatursensor sicher auf der zu messenden Oberfläche, nämlich der Kantenfläche der Batteriezelle angeordnet ist. Daher ist erfindungsgemäß vorgesehen, dass die flexible Leiterplatte in federndem Kontakt mit der Kantenfläche der zumindest einen Batteriezelle steht.
[0016] So steht die zumindest eine Kontaktfahne in federndem Kontakt mit der Kantenfläche der zumindest einen Batteriezelle, wobei die zumindest eine Kontaktfahne vorzugsweise eine Kontaktoberfläche aufweist, über die der zumindest eine Temperatursensor mit der Kantenfläche der zumindest einen Batteriezelle in Messkontakt steht.
[0017] Der federnde Kontakt zwischen Kontaktfahne und Kontaktoberfläche der Batteriezelle wird dadurch hergestellt, dass die zumindest eine Kontaktfahne einen ersten Abschnitt aufweist, dessen Längsachse im Wesentlichen normal auf die Längsachse des länglichen Grundkörpers der flexiblen Leiterplatte ausgerichtet ist, sowie die zumindest eine Kontaktfahne einen zweiten Abschnitt aufweist, an dem der Temperatursensor angeordnet ist, wobei die Längsachse des zweiten Abschnitts im Wesentlichen parallel zu der Längsachse des länglichen Grundkörpers der flexiblen Leiterplatte ausgerichtet ist, und zwischen erstem Abschnitt und zweitem Abschnitt ein Federabschnitt angeordnet ist, wobei der Federabschnitt vorzugsweise als Umschlag des ersten Abschnitts ausgebildet ist. Die Kontaktfahne ist hierbei eine Verzweigung der FPC, die quer zu Längsachse des ersten Abschnitts umgebogen ist, um dadurch einen Federabschnitt zu
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AT 519 849 B1 2020-04-15 österreichisches patentamt bilden.
[0018] In einer alternativen Variante der Erfindung ist an dem Batteriemodul zumindest ein Anpresselement anordenbar, das mit der flexiblen Leiterplatte und/oder der zumindest einen Kontaktfahne zusammenwirkt. Dieses zumindest eine Anpresselement ist bevorzugterweise an einem Gehäuseelement, wie beispielsweise einem Abdeckelement angeordnet. Dieses Abdeckelement kann beispielsweise Teil eines Gehäuses sein oder aber für sich allein an dem Batteriemodul angeordnet sein. Aufgabe dieses zumindest einen Anpresselementes ist es, eine stabile Fixierung des Temperatursensors an der zu messenden Oberfläche zu gewährleisten.
[0019] Weiter verbessert wird diese Fixierung des Temperatursensors dadurch, dass die zumindest eine Kontaktfahne und/oder die flexible Leiterplatte auf der Kantenfläche der zumindest einen Batteriezelle aufgeklebt ist. Sofern zumindest ein Anpresselement vorgesehen ist, unterstützt dieses Anpresselement den Klebevorgang.
[0020] Um die Montage der flexiblen Leiterplatte auf dem Batteriemodul zu erleichtern, ist in einer weiteren Ausführung der Erfindung vorgesehen, dass die FPC über Ausbuchtungen verfügt, die mit Zentriereinrichtungen auf dem Batteriemodul Zusammenwirken.
[0021] Im Folgenden wird anhand eines nicht einschränkenden Ausführungsbeispiels mit zugehörigen Figuren die Erfindung näher erläutert. Darin zeigen [0022] Fig. 1 ein erfindungsgemäßes Batteriemodul mit Gehäusedeckel in einer Schrägansicht, das Batteriemodul aus Fig. 1 ohne Gehäuse, eine Detailansicht der flexiblen Leiterplatte des Batteriemoduls aus Fig. 2, und das Batteriemodul aus Fig. 2 mit einer Abdeckplatte, eine Detailansicht der Anpresselemente aus Fig. 4.
[0023] Fig. 2 [0024] Fig. 3 [0025] Fig. 4 [0026] Fig. 5 [0027] In der Fig. 1 ist ein wiederaufladbares Batteriemodul 100 mit einem Gehäusedeckel 101 dargestellt.
[0028] Wie in der Fig. 2 gezeigt, weist das Batteriemodul 100 eine Vielzahl von Batteriezellen 110 auf, die mit ihren Seitenflächen zueinander angeordnet sind. Die Batteriezellen 110 sind hierbei zwischen zwei Endplatten 120 angeordnet, die gleichzeitig als Compression-Pads dienen und so für den nötigen Toleranzausgleich der Batteriezellen 110 sorgen. Derartige Batteriemodule 100 werden üblicherweise zu einer Batterie zusammengesetzt (nicht dargestellt); selbstverständlich kann auch nur ein einziges Modul 100 pro Batterie vorgesehen sein.
[0029] In der Fig. 2 sind die Batteriezellen 110 derart abgebildet, dass jene Kantenfläche, die im Wesentlichen parallel zu der Längsachse der jeweiligen Batteriezelle 110 verläuft, sichtbar ist. Auf diesen Kantenflächen ist eine flexible Leiterplatte (FPC) 130 gemäß der Erfindung angeordnet. Diese FPC 130 weist einen länglichen Grundkörper 131 auf, der in dieser Ausführung der Erfindung im Wesentlichen entlang der Längsachsen der Batteriezellen 110 an deren Kantenflächen angeordnet ist. An dem länglichen Grundkörper 131 sind Ausbuchtungen 131A angeordnet, die mit dem Batteriemodul 100 derart Zusammenwirken, dass eine korrekte Position der FPC 130 während des Montagevorgangs ermöglicht wird. Hierfür sind an dem Batteriemodul 100 Zentriereinrichtungen 112, beispielsweise in Form von Fortsätzen, vorgesehen.
[0030] Des Weiteren verfügt die FPC 130 über zwei Kontaktfahnen 132A, 132B, die in Detail der Fig. 3 entnommen werden können. Auf den Kontaktfahnen 132A, 132B ist jeweils ein Temperatursensor 140A, 140B angeordnet. Diese Kontaktfahnen 132A, 132B sind direkt auf der Kantenfläche 111A, 111B zweier benachbarter Batteriezellen 110 angebracht.
[0031] Die Kontaktfahnen 132A, 132B verfügen hierbei jeweils über einen ersten Abschnitt 133A, 133B, die unterschiedlich lang ausgeführt sind, und deren Längsachse L1 im Wesentlichen normal zu der Längsachse L2 des länglichen Grundkörpers 131 der FPC 130 ausgerichtet ist. Der Temperatursensor 140A, 140B ist hierbei an einem zweiten Abschnitt 134A, 134B an
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AT 519 849 B1 2020-04-15 österreichisches patentamt geordnet, dessen Längsachse L3 wiederum normal auf die Längsachse L1 des ersten Abschnitts 133A, 133B der Kontaktfahne 132A, 132B und damit auch im Wesentlichen parallel zu der Längsachse L2 des länglichen Grundkörpers 131 der FPC 130 ausgerichtet ist.
[0032] Zwischen dem ersten Abschnitt 133A, 133B und dem zweiten Abschnitt 134A, 134B ist ein Federabschnitt 135A, 135B vorgesehen, der bei dieser Ausführungsvariante als Umschlag der Kontaktfahne 132A, 132B ausgebildet ist. Hierbei ist vorgesehen, dass eine Kontaktfläche der Kontaktfahne 132A, 132B in unmittelbarem Kontakt mit der Kantenfläche 111 A, 111 B der Batteriezelle 110 steht, wobei diese Kontaktfläche im unverbauten Zustand der FPC 130 jener Auflagefläche gegenüberliegend angeordnet ist, mit der die FPC 130 auf dem Batteriemodul 100 aufliegt.
[0033] Um einen verbesserten Kontakt der Temperatursensoren 140A, 140B zu erzielen, ist in dieser Variante der Erfindung - wie in den Figs. 4 und 5 dargestellt - zusätzlich vorgesehen, dass das Batteriemodul 100 über eine Abdeckplatte 150 verfügt, mit der die Kantenflächen 111A, 111B der Batteriezellen 110 abgedeckt werden. Diese Abdeckplatte 150 verfügt über Anpresselemente 151A, 151B, die in direktem Kontakt mit den darunterliegenden Kontaktfahnen 132A, 132B und hier insbesondere mit den jeweiligen zweiten Abschnitten 134A, 134B der Kontaktfahnen 132A, 132B stehen. Damit wird ein gleichmäßiger Kontakt der Temperatursensoren 140A, 140B mit den Kantenflächen 111A, 111B der Batteriezellen 110 gewährleistet, was wiederum zu einer reproduzierbaren und stabilen Temperaturüberwachung der einzelnen Batteriezellen 110 und in der Folge des Batteriemoduls 100 führt.
[0034] Zur weiteren Verbesserung der Kontaktierung kann vorgesehen sein, dass die FPC 130 und/oder die Kontaktfahnen 132A, 132B auf den Kantenflächen 111, 111A, 111B aufgeklebt sind, wobei bevorzugterweise vorgesehen ist, dass die Anpresselemente 151A, 151B die Kontaktfahnen 132A, 132B während des Klebevorgangs auf dem Untergrund, nämlich auf den Kantenflächen 111, 111A, 111B fixieren.
[0035] Es versteht sich, dass die gegenständliche Erfindung nicht auf das oben beschriebene Ausführungsbeispiel beschränkt ist. Insbesondere kann die Form der FPC und/oder deren Anordnung auf dem Batteriemodul, die Anzahl und Form der Kontaktfahnen je nach Anwendung unterschiedlich sein. Ebenso können mehr als eine FPC an einem Batteriemodul vorgesehen sein. Des Weiteren können auch mehr als ein Temperatursensor je Kontaktfahne und/ oder FPC vorgesehen sein.

Claims (6)

  1. Patentansprüche
    1. Batteriemodul (100) mit zumindest zwei, vorzugsweise mit einer Vielzahl von Batteriezellen (110), wobei jede Batteriezelle (110) einen im Wesentlichen flächigen, insbesondere quaderförmigen Batteriekörper mit zwei parallel zueinander angeordneten, voneinander über vier Kantenflächen (111A, 111B) beabstandeten Seitenflächen aufweist, wobei zumindest ein in einer flexiblen Leiterplatte (130) angeordneter Temperatursensor (140A, 140B) vorgesehen ist, der in direktem Messkontakt mit einer Kantenfläche (111A, 111B) zumindest einer Batteriezelle (110) steht, und die flexible Leiterplatte (130) über einen im Wesentlichen länglichen Grundkörper (131) mit einer Auflagefläche sowie über zumindest eine Kontaktfahne (132A, 132B) verfügt, die den zumindest einen Temperatursensor (140A, 140B) enthält, dadurch gekennzeichnet, dass die flexible Leiterplatte (130) über die zumindest eine Kontaktfahne (132A, 132B) in federndem Kontakt mit der Kantenfläche (111A, 111B) der zumindest einen Batteriezelle (110) steht, und die zumindest eine Kontaktfahne (132A, 132B) vorzugsweise eine Kontaktoberfläche aufweist, über die der zumindest eine Temperatursensor (140A, 140B) mit der Kantenfläche (111A, 111B) der zumindest einen Batteriezelle (110) in Messkontakt steht, wobei die zumindest eine Kontaktfahne (132A, 132B) einen ersten Abschnitt (133A, 133B) aufweist, dessen Längsachse (L1) im Wesentlichen normal auf die Längsachse (L2) des länglichen Grundkörpers (131) der flexiblen Leiterplatte (130) ausgerichtet ist, sowie die zumindest eine Kontaktfahne (132A, 132B) einen zweiten Abschnitt (134A, 134B) aufweist, an dem der zumindest eine Temperatursensor (140A, 140B) angeordnet ist, wobei die Längsachse (L3) des zweiten Abschnitts (134A, 134B) im Wesentlichen parallel zu der Längsachse (L2) des länglichen Grundkörpers (131) der flexiblen Leiterplatte (130) ausgerichtet ist, und zwischen erstem Abschnitt (133A, 133B) und zweitem Abschnitt (134A, 134B) ein Federabschnitt (135A, 135B) angeordnet ist.
  2. 2. Batteriemodul (100) nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Federabschnitt (135A, 135B) als Umschlag des ersten Abschnitts (133A, 133B) ausgebildet ist.
  3. 3. Batteriemodul (100) nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass an dem Batteriemodul (100) zumindest ein Anpresselement (151A, 151B) anordenbar ist, das mit der flexiblen Leiterplatte (130) und/oder der zumindest einen Kontaktfahne (132A, 132B) zusammenwirkt.
  4. 4. Batteriemodul (100) nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass das zumindest eine Anpresselement (151A, 151B) an einem Gehäuseelement, insbesondere an einem Abdeckelement (150) angeordnet ist.
  5. 5. Batteriemodul (100) nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass die zumindest eine Kontaktfahne (132A, 132B) und/oder flexible Leiterplatte (130) auf der Kantenfläche (111A, 111B) der zumindest einen Batteriezelle (110) aufgeklebt ist.
  6. 6. Batteriemodul (100) einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass die flexible Leiterplatte (130) über Ausbuchtungen (131A) verfügt, die mit Zentriereinrichtungen (112) auf dem Batteriemodul (100) und/oder Gehäuseelement (150) Zusammenwirken.
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