AT522358B1 - Vorrichtung mit mehreren, in einer Fügerichtung hintereinander angeordneten Batteriemodulen - Google Patents

Vorrichtung mit mehreren, in einer Fügerichtung hintereinander angeordneten Batteriemodulen Download PDF

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Abstract

Es wird eine Vorrichtung mit mehreren, in einer Fügerichtung (F) hintereinander angeordneten Batteriemodulen (1), die jeweils einen von einer Gruppe von Batteriezellen (3) in Fügerichtung (F) durchsetzten Grundkörper (2) aufweisen beschrieben. Um eine Vorrichtung der eingangs beschriebenen Art so auszugestalten, dass die elektrische Verbindung der Batteriemodule von deren mechanischen Verbindung entkoppelt wird, wird vorgeschlagen, dass zwischen benachbarten Batteriemodulen (1) ein Distanzrahmen (4) vorgesehen ist, der wenigstens einen gegen die Grundkörper (2) der Batteriemodule (1) abgestützten Distanzhalter (5) und Durchbrüche (6) zum mehrfachen elektrischen Kontaktieren der Batteriemodule (1) umfasst.

Description

Beschreibung
[0001] Die Erfindung bezieht sich auf eine Vorrichtung mit mehreren, in einer Fügerichtung hintereinander angeordneten Batteriemodulen, die jeweils einen von einer Gruppe von Batteriezellen in Fügerichtung durchsetzten Grundkörper aufweisen.
[0002] Aus dem Stand der Technik sind Vorrichtungen bekannt, die Batteriemodule seriell miteinander verschalten. Diese Batteriemodule umfassen je eine Gruppe von Batteriezellen, die die Batteriemodule in Fügerichtung durchsetzen, wobei deren Längsachse in Fügerichtung verläuft. So werden beispielsweise in der DE102015013377A1 die Batteriezellen benachbarter Batteriemodule über elektrisch leitende Kontaktfedern, die an einer Platte angeordnet sind, sowohl elektrisch als auch mechanisch miteinander verbunden. Nachteilig ist daran jedoch, dass bei einer solchen Lagerung von Batteriezellen im Batteriemodul die Qualität der elektrischen Kontaktierung zu Lasten mechanischer Flexibilität und Stabilität erfolgt.
[0003] Eine im Stand der Technik übliche stoffschlüssige Verbindung der Batteriezellen mit der Kontaktfeder führt bei einer solchen Ausführungsform nämlich unter mechanischer Belastung zu einer mechanischen Uberbestimmung der Lagerung, da durch die sich ändernde Relativposition der Batteriemodule Kräfte in die Batteriezellen über deren stoffschlüssige elektrische Verbindung mit der Platte über die Kontaktfeder eingeleitet werden. Weder die Batteriezellen noch die Platte sind jedoch in ihrer Beschaffenheit darauf ausgelegt, solche mechanischen Belastungen aufzunehmen.
[0004] Alternativ dazu ist es beispielsweise aus der DE202015006545U1 bekannt, anstelle einer stoffschlüssigen Verbindung eine mechanisch flexiblere Verbindung zu benützen, wie beispielsweise einen auf einer Kontaktplatte angeordneten Vorsprung, der auf eine Batteriezelle drückt. Dadurch können sich aber die Pole der Batteriezelle gegenüber dem Vorsprung lateral bewegen, wodurch sich die Qualität des elektrischen Kontakts verschlechtert.
[0005] Der Erfindung liegt somit die Aufgabe zugrunde, Batteriemodule so miteinander zu verbinden, dass deren elektrische Verbindung von deren mechanischen Verbindung entkoppelt wird.
[0006] Die Erfindung löst die gestellte Aufgabe dadurch, dass zwischen benachbarten Batteriemodulen ein Distanzrahmen vorgesehen ist, der wenigstens einen gegen die Grundkörper der Batteriemodule abgestützten Distanzhalter und Durchbrüche zum mehrfachen elektrischen Kontaktieren der Batteriemodule umfasst. Der Distanzhalter beabstandet benachbarte Batteriemodule, sodass sich diese in Fügerichtung nicht aneinander annähern können und so ein definierter Mindestabstand zwischen den Batteriemodulen eingehalten wird, wobei die einzelnen Batteriezellen der benachbarten Batteriemodule durch die Durchbrüche des Distanzrahmens hindurch direkt oder beispielsweise durch flexible Leiter oder Kontaktfedern elektrisch verbunden werden, sodass die Batteriezellen innerhalb des Gefüges quer zur Fügerichtung bei entsprechender Lagerung bewegbar bleiben. Insbesondere bei Batteriemodulen, deren Batteriezellen zumindest teilweise aus dem Grundkörper hervorragen, können ohne Distanzrahmen unerwünschte mechanische Kräfte auf einzelne Batteriezellen einwirken. In der erfindungsgemäßen Vorrichtung werden im Gegensatz dazu auftretende mechanische Kräfte in Fügerichtung in den Distanzhalter eingeleitet und in weiterer Folge verhindert, dass sich die von diesen mechanischen Kräften erzeugte Belastung auf die Batteriezellen überträgt und diese beschädigt. In einer bevorzugten Ausführungsform stehen jeweils nur eine Batteriezelle mit je einer anderen Batteriezelle eines benachbarten Batteriemoduls in Verbindung, um nicht nur die Batteriezellen mehrerer aneinandergrenzender Batteriemodule, sondern auch die Batteriezellen eines Batteriemoduls voneinander mechanisch zu entkoppeln. Dadurch können sich etwaige auf eine Batteriezelle wirkende Kräfte nicht über ein mechanisches Verbindungselement auf andere Batteriezellen fortpflanzen. Der Distanzhalter kann gegenüber der Grundkörper auch quer zur Fügerichtung in ein oder zwei Raumrichtungen anschlagsbegrenzt sein, sodass nicht nur Kräfte in Fügerichtung von diesem aufgenommen werden können, sondern auch quer zur Fügerichtung wirkende Lateralkräfte.
[0007] Um bei einer gemeinsamen Temperierung der Batteriemodule über ein Temperierfluid
eine mechanisch entkoppelte Fluidverbindung zwischen den Batteriemodulen zu ermöglichen, wird vorgeschlagen, dass die Grundkörper der Batteriemodule einen Strömungskanal für ein Temperierfluid ausbilden und dass der Distanzrahmen einen Fluidkanal aufweist, der den Fluidauslass eines Batteriemodules mit dem Fluideinlass eines benachbarten Batteriemodules verbindet. Eine gemeinsame Temperierung der Batteriemodule bedeutet, dass das Temperierfluid eine Gruppe von Batteriemodulen direkt parallel oder seriell durchläuft, also vom Strömungskanal eines Batteriemodules direkt in den Strömungskanal des benachbarten Batteriemoduls weitergeleitet wird. Der Fluidkanal stellt dabei eine fluiddichte Verbindung zwischen den benachbarten Batteriemodulen über den Distanzrahmen her und verbindet die Fluidanschlüsse, also Fluideinlass und Fluidauslass benachbarter Batteriemodule. Der Fluidkanal kann dabei in einen als Offnung ausgebildeten Fluideinlass und Fluidauslass der aneinander angrenzenden Batteriemodule eingesetzt werden. Besonders einfache Konstruktionsbedingungen ergeben sich dabei, wenn der Fluidkanal gegenüber den Öffnungen der Fluidanschlüsse mittels einer umlaufenden Dichtung fluiddicht abgeschlossen wird.
[0008] Der Fluidkanal kann mechanisch vom Distanzrahmen entkoppelt werden, indem der Fluidkanal quer zur Fügerichtung schwimmend am Distanzrahmen gelagert ist. So können Krafteinwirkungen auf den Distanzrahmen oder das Batteriemodul, die quer zur Fügerichtung erfolgen, ausgeglichen werden sodass die mechanische Belastung die Abdichtung zwischen dem Fluidkanal und den Fluidanschlüssen nicht beeinträchtigt oder gar fluiddynamische Bauteile beschädigt. Durch die schwimmende Lagerung des Fluidkanals bleibt nämlich der Fluideinlass und -auslass, sowie der Fluidkanal auch bei Krafteinwirkung zueinander ausgerichtet.
[0009] Eine fertigungstechnisch einfache, und kostengünstige Ausführung kann realisiert werden, indem der Fluidkanal über wenigstens eine spritzgegossene Feder mit dem Distanzrahmen verbunden ist. Durch die Fertigung um Spritzgussverfahren kann die schwimmende Lagerung einfach als integraler Bestandteil des Distanzrahmens ausgeführt sein und es ist kein Einbau weiterer Bauteile nötig, wodurch sich Anschaffungs- und Fertigungskosten der Vorrichtung reduzieren. In einer bevorzugten Ausführungsform umfasst der Distanzrahmen einen Fluidkanal der mittels einer Federzunge in einem Durchbruch, der einen größeren Querschnitt als der Fluidkanal aufweist, gelagert ist.
[0010] Die Assemblierung des Distanzrahmens mit den Batteriemodulen, sowie deren Entlüftung bei der Inbetriebnahme kann vereinfacht werden, indem je Batteriemodul wenigstens zwei dem Distanzrahmen zugewandte Fluidanschlüsse vorgesehen sind und dass der Distanzrahmen für diese Fluidanschlüsse einen durchgängigen Fluidkanal mit geringem Strömungswiderstand und einen unterbrochenen oder einen höheren Strömungswiderstand aufweisenden Fluidkanal umfasst. Bei den Fluidanschlüssen kann es sich entweder um Fluideinlässe oder Fluidauslässe handeln, da ein Einlass bzw. Auslass nur von der Strömungsrichtung des Temperierfluids definiert wird. Der unterbrochene oder einen höheren Strömungswiderstand aufweisende Fluidkanal kann im einfachsten Fall verschlossen sein, beziehungsweise nur mit einer im Verhältnis zum Querschnitt des Fluidkanals viel kleineren Öffnung strömungsverbunden sein. Eine kleinere Öffnung mit höherem Strömungswiderstand hat den Vorteil, dass der Strömungskanal unabhängig von der Raumlage des Batteriemodules besser entlüftet werden kann und dennoch eine definierte Strömungsrichtung ausgebildet wird. Wird der Distanzrahmen dabei punkt- oder zumindest spiegelsymmetrisch in Bezug auf die Fluidkanäle ausgebildet, so kann die gewünschte Strömungsrichtung in den benachbarten Batteriemodulen durch ein Wenden des Distanzrahmens vorgegeben werden, ohne dass unterschiedliche Distanzrahmen vorgesehen werden müssten.
[0011] Neben einer seriellen elektrischen Verschaltung der Batteriezellen benachbarter Batteriemodule durch den Distanzrahmen hindurch kann eine parallele elektrische Verschaltung der Batteriezellen eines Batteriemodules fertigungstechnisch einfach und flexibel umgesetzt werden, indem zwischen wenigstens einem Batteriemodul und dem Distanzrahmen ein Ausnehmungen für einzelne Batteriezellen aufweisendes Parallelblech zum mantelseitigen, parallelen Kontaktieren der Batteriezellen vorgesehen ist. Dieses Parallelblech ermöglicht eine parallele elektrische Verbindung aller oder einzelner Gruppen von Batteriezellen eines Batteriemoduls, und zwar unabhängig von der Kontaktierung der einander gegenüberliegenden Zellpole der Batteriezellen
benachbarter Batteriemodule und unabhängig vom Fügeprozess der Batteriezellen in den Grundkörper. Eine besonders geringe Aufbauhöhe kann dabei dadurch erreicht werden, dass der Distanzrahmen Aufnahmen für Kontaktzungen bzw. Kontaktfedern des Parallelbleches aufweist.
[0012] Um trotz der vorgeschlagenen Entkopplung der mechanischen und elektrischen Verbindung die mechanische Stabilität der erfindungsgemäßen Vorrichtung zu verbessern, wird vorgeschlagen, dass die Durchbrüche des Distanzrahmens Aufnahmen für Kontaktvorrichtungen zum seriellen Verbinden einzelner Batteriezellen bilden. Diese Kontaktvorrichtungen können einen im Wesentlichen spielfrei in den Aufnahmen des Distanzrahmens eingesetzten Hohlkörper aufweisen, in dem eine die benachbarten Batteriezellen verbindende Kontaktfeder so gelagert ist, dass eine relative Bewegung der Batteriezellen quer zur Fügeachse in einem vorgegebenen Ausmaß ermöglicht bleibt.
[0013] Um mehrere Batteriemodule mit zwischenliegenden Distanzrahmen nach dem Fügen einfach von außen gegen Zugkräfte zu sichern können die Grundkörper benachbarter Batteriemodule Rastöffnungen aufweisen, in die den Distanzrahmen überspannende Rastverbinder eingreifen. Dadurch können Zugkräfte, das bedeutet Kräfte, die die Batteriemodule in Fügerichtung voneinander entfernen, in die Rastverbinder eingeleitet werden und führen nicht zum Auseinanderziehen der Vorrichtung. Die Rastöffnungen befinden sich vorzugsweise auf der Außenseite der Grundkörper der Batteriemodule, sodass die Rastverbinder von außen, auch nachträglich, eingesetzt werden können. Zusätzlich kann der Rastverbinder, beispielsweise durch eine Ausführung als Endlosband, eine beliebige Anzahl an Batteriemodulen sichern. Die Rastverbindung ermöglicht dabei zusätzlich eine Assemblierung ohne Werkzeug, da der Rastverbinder nur gesteckt werden muss.
[0014] Eine besonders zuverlässige Rastverbindung zwischen benachbarten Batteriemodulen kann hergestellt werden, indem die Rastverbinder in die Rastöffnungen eingreifende Rastkörper aufweisen, die in Auszugsrichtung gerichtete Fixierkrallen bilden. Eine Fixierkralle ist hierbei ein Bauteil, welches den Rastverbinder in der Rastöffnung gegen Kräfte in Auszugsrichtung, bezogen auf die Vorrichtung also quer zur Fügerichtung verspannt und so ein Lösen der Rastverbindung verhindert. In einer bevorzugten Ausführung ist die Fixierkralle ein vom Rastverbinder ausgebildetes Blatt welches unter Vorspannung den Rastverbinder gegen die Rastöffnung verspreizt.
[0015] In der Zeichnung ist der Erfindungsgegenstand beispielsweise dargestellt. Es zeigen [0016] Fig. 1 Eine Explosionsdarstellung einer erfindungsgemäßen Vorrichtung,
[0017] Fig. 2 eine Draufsicht auf diese Vorrichtung, sowie
[0018] Fig. 3 einen Schnitt entlang der Linie Ill - Ill der Fig. 2 in einem kleineren Maßstab und [0019] Fig. 4 einen Schnitt entlang der Linie IV - IV der Fig. 2 in einem größeren Maßstab.
[0020] Eine erfindungsgemäße Vorrichtung weist in einer Fügerichtung F hintereinander angeordnete Batteriemodule 1 mit einem Grundkörper 2 auf, der von Batteriezellen 3 durchsetzt ist. Zwischen benachbarten Batteriemodulen 1 ist in Fügerichtung F ein Distanzrahmen 4 vorgesehen, der Distanzhalter 5 und Durchbrüche 6 zum mehrfachen elektrischen Kontaktieren der Batteriezellen 3 umfasst.
[0021] Die Batteriemodule 1 können fluidgekühlt sein, wobei der Grundkörper 2 der Batteriemodule 1 einen Strömungskanal ausbildet, welcher über Fluidanschlüsse 7 mit Temperierfluid versorgt wird. Benachbarte Batteriemodule 1 können über den Distanzrahmen 4 fluiddicht verbunden werden, wofür Fluidkanäle 8 vorgesehen sind, die je nach Strömungsrichtung des Temperierfluides hohen oder geringen Strömungswiderstand aufweisen und in die Fluidanschlüsse 7 eingesetzt werden können. Diese Fluidkanäle 8 erstrecken sich in Fügerichtung F zu beiden Seiten des Distanzrahmens 4.
[0022] Da es im Betrieb zu thermischen Ausdehnungen oder mechanischen Störeinwirkungen kommen kann, sind die Fluidkanäle 8 im Distanzrahmen 4 schwimmend gelagert. Dies kann beispielsweise über eine spritzgegossene Federzunge 9 am Distanzrahmen 4 umgesetzt werden. Um die Strömungsbedingungen des Temperierfluids im Grundkörper 2 eines Batteriemoduls 1 zu
verbessern, können je zwei Fluidanschlüsse 7 auf einander gegenüberliegenden Endabschnitten des Strömungskanals vorgesehen sein, wobei der Distanzrahmen 4 ebenfalls jeweils zwei Fluidkanäle 8 je Endabschnitt des Strömungskanals und damit auch des Distanzrahmens 4 aufweist.
[0023] Zum mantelseitigen, parallelen Kontaktieren der Batteriezellen 3 kann am Distanzrahmen 4 wenigstens ein Parallelblech 10 vorgesehen sein, welches über eingestanzte Befestigungslöcher 11 am Distanzrahmen 4 verklemmt werden kann und ebenfalls über Ausnehmungen 12 verfügt, die die Batteriezellen 3 mantelseitig zumindest teilweise umfassen.
[0024] Wie insbesondere der Fig. 3 entnommen werden kann, können in den Durchbrüchen 6 des Distanzrahmens 4 Aufnahmen für Kontaktvorrichtungen 13 vorgesehen sein, die Batteriezellen 3 benachbarter Batteriemodule 1 dergestalt verbinden, dass eine stabile mechanische und gleichzeitig eine flexible elektrische Kontaktierung der Batteriezellen 3 gewährleistet werden kann.
[0025] Eine solche Kontaktvorrichtung 13 kann eine Buchse 14 umfassen, die formschlüssig in einen Durchbruch 6 eingesetzt wird. In diese Buchse 14 wird eine Batteriezelle 3 eingesetzt, die über ein Kontaktelement 15, das in Fügerichtung an der anderen Seite der Buchse 14 angeordnet ist, eine benachbarte Batteriezelle 3 seriell elektrisch kontaktiert. Die Batteriemodule 1 können miteinander über die den Distanzrahmen überspannende Rastverbinder 16 verspannt werden. Diese Rastverbinder 16 greifen über Rastkörper 17, die in Auszugsrichtung gerichtete Fixierkrallen 18 aufweisen, in Rastöffnungen 19 ein, die in den Grundkörper 2 der Batteriemodule 1 eingelassen sind.

Claims (9)

Patentansprüche
1. Vorrichtung mit mehreren, in einer Fügerichtung (F) hintereinander angeordneten Batteriemodulen (1), die jeweils einen von einer Gruppe von Batteriezellen (3) in Fügerichtung (F) durchsetzten Grundkörper (2) aufweisen, dadurch gekennzeichnet, dass zwischen benachbarten Batteriemodulen (1) ein Distanzrahmen (4) vorgesehen ist, der wenigstens einen gegen die Grundkörper (2) der Batteriemodule (1) abgestützten Distanzhalter (5) und Durchbrüche (6) zum mehrfachen elektrischen Kontaktieren der Batteriemodule (1) umfasst.
2. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Grundkörper (2) der Batteriemodule (1) einen Strömungskanal für ein Temperierfluid ausbilden und dass der Distanzrahmen (4) einen Fluidkanal (8) aufweist, der den Fluidauslass (7) eines Batteriemodules (1) mit dem Fluideinlass (7) eines benachbarten Batteriemodules (1) verbindet.
3. Vorrichtung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass der Fluidkanal (8) quer zur Fügerichtung (F) schwimmend am Distanzrahmen (4) gelagert ist.
4. Vorrichtung nach Anspruch 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, dass der Fluidkanal (8) über wenigstens eine spritzgegossene Feder (9) mit dem Distanzrahmen (4) verbunden ist.
5. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 2 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass je Batteriemodul (1) wenigstens zwei dem Distanzrahmen (4) zugewandte Fluidanschlüsse (7) vorgesehen sind und dass der Distanzrahmen (4) für diese Fluidanschlüsse (7) einen durchgängigen Fluidkanal (8) mit geringem Strömungswiderstand und einen unterbrochenen oder einen höheren Strömungswiderstand aufweisenden Fluidkanal (8) umfasst.
6. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass zwischen wenigstens einem Batteriemodul (1) und dem Distanzrahmen (4) ein Ausnehmungen (12) für einzelne Batteriezellen (3) aufweisendes Parallelblech (10) zum mantelseitigen, parallelen kontaktieren der Batteriezellen (3) vorgesehen ist.
7. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass die Durchbrüche (6) des Distanzrahmens (4) Aufnahmen für Kontaktvorrichtungen (13) zum seriellen Verbinden einzelner Batteriezellen (3) bilden.
8. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass die benachbarten Batteriemodule (1) Rastöffnungen (19) aufweisen, in die den Distanzrahmen (4) überspannende Rastverbinder (16) eingreifen.
9. Vorrichtung nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass die Rastverbinder (16) in die Rastöffnungen (19) eingreifende Rastkörper (17) aufweisen, die in Auszugsrichtung gerichtete Fixierkrallen (18) bilden.
Hierzu 4 Blatt Zeichnungen
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