CN116745955A - 电池模块、模块化的电池系统以及用于装配模块化的电池系统的方法 - Google Patents

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Abstract

电池模块(10)包括模块壳体(11)，其中，在模块壳体(11)之内布置有至少两个电池组(12、13)。电池组(12、13)各自包括至少一个、优选地至少两个蓄能器元件(120、130)，蓄能器元件各自具有至少一个正电极和至少一个负电极。电池组(12、13)的至少两个蓄能器元件(120、130)串联地和/或并联地相互连接。电池模块(10)的特征在于，电池组(12、13)中的每个电池组提供最大60伏的直流电压。此外，模块壳体(11)具有至少两个正的功率连接触点(125、135)和至少两个负的功率连接触点(126、136)，功率连接触点被分配给电池组(12、13)，以使得可从所述电池壳体(11)之外截取由电池组(12、13)提供的直流电压。在正的和负的功率连接触点之间可截取的直流电压为最大60伏。

Description

电池模块、模块化的电池系统以及用于装配模块化的电池系 统的方法
技术领域
本发明涉及一种具有模块壳体的电池模块，在模块壳体中布置至少两个电池组。电池模块尤其是适合用于构造高压电池系统。此外，本发明涉及一种模块化的电池系统，尤其是模块化的高压电池系统，以及一种用于装配这种模块化的电池系统的方法。
背景技术
电池模块通常是可重复充电的电蓄能器，该电蓄能器例如可以应用在车辆应用中或者静态的蓄能器系统中。在电池模块中，通常将多个蓄能器电芯连接在一起，以由此能够提供相应的应用所需的电流和电压。在此也可以规定，在电池模块之内各个单个的蓄能器电芯合并成两个或多个电池组。
例如，WO 2017/063858 Al阐述了一种用于存储电能的电芯模块，在其中，在模块壳体的内腔中布置两个或多个电芯，这些电芯各自具有至少一个正电极和至少一个负电极。在此，模块壳体具有至少三个外部的电连接极。
在设置成用于储存例如在KWh范围内的能量的相对大型的电池模块中，将多个蓄能器电芯串联和/或并联地相互连接。对于具有高的能含量的车辆电池和蓄能器系统来说，适宜的是，将单个的电池模块连接成所谓的高压堆叠，以由此形成模块化的电池系统。在电压较高时，可以设计尺寸更小的导线横截面。此外，通常，后端连接的功率电子装置可以通过高压系统更高效地工作。因此，例如可以节省连接在逆变器之前的DC/DC转换器。因此，总地来说，在大的功率范围内，高压电池系统带来不同的技术和经济性优点。
在尤其是在高压范围内的电池模块和模块化的电池系统中，已知的问题是来源于意外接触系统的相反的极的风险。通常，≥60V直流的触摸电压被视为危险的，从而将60V直流以下的范围定义成低压范围，并且将60V直流以上的范围定义成高压范围。在高压范围中，通常必须设置特别的措施以保证触摸保护。尤其是，在高压范围内，为操作和使用相应的元件设置特别的绝缘和保护措施。在此，在高压范围内，必须始终防止触摸电池模块或电池系统的引导电压的部件。这也适用于储存和运输以及在使用期间和使用之后，即，也在报废的区域中。此外，由于潜在地处于高压下的老化的电池模块在高压范围内，回收难以进行。因此，与高压系统相关的是更高的技术成本。这种类型的电池模块或电池系统的由此更复杂的安装伴随着成本的提高，并且安装工人必须在特殊的防护装备下工作。
发明内容
在该背景下，本发明的目的是，提供一种电池模块和一种模块化的电池系统，在其中，在未安装的状态中不出现触摸危险的电压，并且该电池模块和模块化的电池系统仍然毫无疑问地尤其适合在高压系统中的应用。此外，电池模块也应适合用于在低压范围内的应用。
该目的通过从权利要求1和8中得到的电池模块和模块化的电池系统实现。此外，该目的通过一种用于装配电池系统的方法实现，该方法是权利要求14的主题。从从属权利要求中得到电池模块和模块化的电池系统以及用于装配电池系统的方法的优选的设计方案。
首先，根据本发明的电池模块的突出之处在于以下特征：
a.电池模块具有模块壳体；以及
b.在模块壳体之内布置至少两个电池组；以及
c.各个电池组各自包括至少一个、优选地至少两个蓄能器元件，蓄能器元件各自具有至少一个正电极和至少一个负电极；以及
d.电池组的至少两个蓄能器元件串联地和/或并联地相互连接。
尤其是，电池模块的突出之处在于以下特征e.至g.:
e.电池组中的每个电池组提供最大60伏的直流电压；以及
f.模块壳体具有至少两个正的功率连接触点和至少两个负的功率连接触点，这些功率连接触点被分配给电池组，以使得可从电池壳体之外截取由电池组提供的直流电压；以及
g.在正的和负的功率连接触点之间可截取的直流电压为最大60伏。
本发明的方案在于，理想地，在模块壳体之内不出现＞60V的电压，并且尤其是，通过连接仅仅两个功率连接触点也不可截取＞60V的电压。这通过以下方式实现，即，限制电池组的最大电压。因此，通过分配给单个电池组的两个连接触点，不可截取＞60V的电压。
本发明同样包括这样的实施方式，即，在其中，在模块壳体之内将两个或更多电池组相互电连接，其中，为相互连接的电池组分配共用的正的功率连接触点和共用的负的功率连接触点。由于根据本发明在共用的正的功率连接触点和共用的负的功率连接触点之间可截取的直流电压无论如何都不应超过60V，在这种情况中应注意的是，例如通过合适地选择单个电池组的数量或额定电压，从电池组的连接中不出现在功率连接触点处的这种类型的电压。例如，如果单个的电池组各自提供18V的电压，则不应将多于三个这种组串联地相互连接。由此，结果是在可从外部触及的功率连接触点处不可能出现触摸危险的电压。
但非常可能的是，在电池组的相应的功率下通过在外部将功率连接触点电连接提供＞60V的电压。基本上排除了意外地同时接触多于两个功率连接触点，从而根据本发明的电池模块在操作中非常安全。
在最简单的情况中，电池模块为每个电池组具有刚好一个正的功率连接触点和负的功率连接触点。因此，具有两个电池组的电池模块在这种情况中总共具有四个外部的功率连接触点，分别每个组两个。
优选地，电池组通过在模块壳体之内的电导体与分配该给电池组的功率连接触点相连接。
尤其优选的是，包括在电池模块中的电池组(如果将电池组串联的话)整体地提供＞60V的电压。但根据本发明，仅仅能通过将电池模块的功率连接触点电连接，实现这种连接。
根据本发明的电池模块提供了灵活地将其电池组连接的可能性。该电池模块可以单独地或者以与其它电池模块，尤其是其它根据本发明的电池模块连接在一起的方式安装在不仅低压系统中而且高压系统中。在此，根据本发明的电池模块集安全技术方面的优点于一身，因为在装配电池模块之前不可能从电池模块中产生触摸危险的电压。尽管如此，根据本发明的电池模块可以用于在单独的电池模块中或者也整体地在模块化的电池系统中产生高的电池电压，其中，如开头解释的那样，出于经济-技术的原因，这种电池电压常常非常有利。
在本发明的思想中的电池组的突出之处在于，电池组包括多个蓄能器元件，为了实现60V直流的最大电压，将这些蓄能器元件相互电连接。该蓄能器元件与另一电池组的蓄能器元件电分离并且必要时也空间分离。仅仅可以通过功率连接触点建立电连接。优选地，将一个电池组的相互电连接的蓄能器元件与另一电池组的蓄能器元件电隔绝。这尤其是可以通过空间上断开(这例如实现气隙)和/或通过绝缘材料，例如塑料板等实现。
优选地，电池组各自具有用于包括在电池组内的蓄能器元件的支架。在几个实施方式中，电池组也可以包括自己的壳体，该壳体包围蓄能器元件。优选的是，每个电池组具有正的输出极和负的输出极，并且仅仅可以通过输出极取用包括在电池组内的蓄能器元件上。
优选地，电池组在壳体之内在空间上彼此间隔开。附加地或备选地，电池组可以彼此电隔绝。为此，必要时可以设置用于在壳体内部隔绝单个的电池组的附加的装置，例如已经所述的绝缘材料。
原则上可行的是，通过一组的蓄能器电芯相应地相互电连接，在用于所有蓄能器电芯的共用的支架内实现两个或必要时更多电池组。即，在该实施方式中，在一个空间单元之内设置两个或更多电池组。
但以优选的方式规定，每个电池组形成一个空间单元。尤其优选地，每个电池组具有用于相应的电池组的蓄能器元件的自己的支架。优选地，在电池模块的壳体之内单个的电池组在空间上彼此分离，从而由此在电池模块之内以尤其简单的方式实现电池组的彼此电隔绝。
在本申请的思想中，每个电化学的蓄能器元件包括至少一个电化学的、能够储存电能的电芯，优选地刚好一个电化学的、能够储存电能的电芯。在多个电芯的情况中，电芯可以串联地和/或并联地相互连接。优选地，应用在根据本发明的电池模块中的蓄能器元件各自包括自己的壳体，例如薄膜壳体或金属壳体，在该壳体中布置至少一个电化学的电芯。
电化学的蓄能器电芯始终包括至少一个正电极和至少一个负电极，至少一个正电极和至少一个负电极通过隔膜相互分离。在电化学的电芯工作时，进行提供能量的电化学反应，该反应由两个彼此电耦合、但是空间上彼此分离的子反应组成。在负电极处进行在相对较低的氧化还原电势下发生的子反应，在正电极处进行在相对较高的氧化还原电势下发生的子反应。在放电时，在负电极处通过氧化过程释放电子，该电子引起通过外部负载朝向正电极的电子流，由正电极吸收相应量的电子。因此，在正电极处进行还原过程。同时，为了电荷平衡的目的，在电化学的电芯之内出现与电极反应对应的离子流。该离子流横穿隔膜并且大多通过液态的电解质保证。
在二次(可再次充电的)电化学蓄能器电芯(该蓄能器电芯以尤其优选的方式应用在本发明中)中，该放电反应是可逆的，即，存在将在放电时进行的化学能到电能的转换逆转的可能性。
在根据本发明的电池模块的电池组之内，原则上可以根据相应的要求以任意方式将单个的蓄能器元件相互连接，即，尤其是串联和/或并联，但始终按照这样的规定，即，通过这种连接不超过上述的最大电压。
在安装根据本发明的电池模块或可能安装在使用根据本发明的电池模块的情况下的模块化的电池系统时，可以将功率连接触点相互连接，从而可以提供例如在低压范围内的期望的电压，但是也可以尤其有利地提供在高压范围内的期望的电压。
在制造、交付、运输和安装电池模块或可能的在使用根据本发明的电池模块的情况下的模块化的电池系统时，根据本发明的电池模块提供显著的优点，因为在最终安装之前，不可能出现危险的触摸电压。因此，对于安装工人来说，不需要复杂的措施，例如特殊的保护装备和其它安全措施用以在高压下工作。此外，不需要通常必须为高压系统中的触摸保护设置的技术措施。由此，一方面可显著更简单且可靠地进行在电池模块或相应的模块化的电池系统的安装方面的工作。另一方面，通过省去技术的高压保护措施可以节省显著的成本。
功率连接触点尤其是可以通过金属的构件实现。在此，功率连接触点可例如构造成极螺栓，引导到相应的电池组的电导体焊接、钎焊或以其它方式电耦接到该极螺栓处。如果模块壳体包括金属的组件，则可以规定，设置相应的极通过部用以使功率连接触点相对于壳体电隔绝。这种类型的技术措施对于本领域技术人员来说是已知的，并且不需要进一步解释。
在安装时，可以以不同方式将根据本发明的电池模块的功率连接触点相连接。例如，由此可以将电池模块的电池组串联地和/或并联地相互连接。但也尤其可行的是，将一个电池模块的功率连接触点与另一电池模块的功率连接触点电连接，由此实现，将属于不同电池模块的电池组串联地和/或并联地相互连接。因此，根据本发明的电池模块可非常灵活地应用，并且在一定程度上可以作为通用的模块用于在低压范围内和高压范围内的不同应用。
总地来说，得到多种功率连接触点连接的方案。对于低压应用，在功率连接触点连接时，例如通常感兴趣的是并联的配置方案，由此实现容量的提高。对于高压应用，在功率连接触点连接时主要使用串联的配置方案用以提高电压。串联和并联连接的组合也可以是有利的。此外，也彼此独立实现与外部电源、放电仪或其它电池系统连接。
以尤其优选的方式，根据本发明的电池模块的突出之处在于以下附加特征中的至少一个：
a.模块壳体优选地构造成棱柱形；
b.模块壳体的电的功率连接触点位于模块壳体的至少两个侧上，尤其是模块壳体的相对的侧上；
c.模块壳体针对每个电池组具有正的和负的电的功率连接触点，功率连接触点中一个功率连接触点位于模块壳体的侧中的一侧上并且另一个功率连接触点位于模块壳体的侧中的另一侧上，尤其是模块壳体的相对的侧上。
优选地，以相互组合的方式实现上述特征a.和b.，在几个实施方式中，也以相互组合的方式实现上述特征a.、b.和c.。
模块壳体的棱柱形的设计方案是尤其有利的，因为由此可以提供可非常灵活地应用的电池模块。在空间利用方面，棱柱形的形状非常适宜，并且例如可以特别有利地应用在多个电池模块堆叠的布置方案中。此外，在电池模块中，棱柱形的形状，尤其是立方体或方形的形状已经非常普遍，从而根据本发明的电池模块在几何条件方面与传统的电池模块兼容。
尤其是，在根据本发明的电池模块堆叠的布置方案中，模块壳体的电的功率连接触点布置在模块壳体的不同侧上、尤其是相对的侧上是非常有利的，因为由此不同的电池模块的不同功率连接触点的连接非常简单可行。此时，在尤其是两种原则上的设计方案是尤其有利的。
在第一设计方案中，模块壳体包括一侧和另一侧，优选地模块壳体的相对的侧，所有负的功率连接触点布置在所述一侧上，所有正的功率连接触点布置在所述另一侧上。
在另一原则上的设计方案中，模块壳体包括一侧，负的功率连接触点的一部分和正的功率连接触点的一部分布置在该侧上。在模块壳体的另一侧、优选地相对的侧上，布置所有其余的正的功率连接触点和所有其余的负的功率连接触点。在此，优选地可以规定，正的和负的功率连接触点以交替的顺序布置在相应的侧上。尤其是，在形成范例的情况下的规则的顺序可以是优选的。但在正的和负的功率连接触点在相应的侧上的其它布置方案也是可行的，例如可以将相应的侧的所有正的或所有负的功率连接触点合并在该侧的确定的区域中，并且将相应剩余的功率连接触点合并在另一确定的区域中。
根据正的或负的功率连接触点布置在模块壳体的哪个侧上，可以使被分配了功率连接触点的相应的电池组或电池组的复合体在模块壳体的内部中的定向相应地对齐。即，例如可以规定，在其中所有负的功率连接触点位于模块壳体的一侧上并且所有正的功率连接触点位于模块壳体的相对的侧上的实施方式中，相应的电池组或电池组的复合体以极性平行的方式并排布置在电池壳体之内。在其中不仅正的而且负的功率连接触点位于电池模块的相应的侧、尤其是相对的侧上的实施方式中，适宜地可以规定，被分配了相应的功率连接触点的单个的电池组或电池组的复合体以极性反平行的方式并排布置。这种实施方式具有的特别的优点是，在模块壳体的外侧上，在电池组或电池组的复合体的相应的极与功率连接触点之间的路径短，由此在制造中和材料消耗中以及电池模块的稳定性中获得优势。
在其中所有正的功率连接触点位于电池模块的一侧上并且所有负的功率连接触点位于另一、优选地相对的侧上的根据本发明的电池模块的实施方式，尤其适合用于电池组或电池组的复合体的并联连接。此时，位于电池模块之内的电池或电池组的复合体可以并联地相互连接，或者不同电池模块的电池组或电池组的复合体可以并联地相互连接，其中，组合也是可行的。
原则上，在其中所有正的功率连接触点位于电池模块的一侧上并且所有负的功率连接触点位于另一、优选地相对的侧上的实施方式中，串联或确切地说串联连接也是可行的，其中，此时连接技术可能稍微更复杂。
在其中正的和负的功率连接触点以一定程度上混合的方式位于模块壳体的优选的相对侧上的根据本发明的电池模块的实施方式，以特别的方式适合电池组或电池组的复合体的串联连接。在安装时，此时不仅可以将在一个电池模块之内的电池组或电池组的复合体，而且可以将不同电池模块的电池组或电池组的复合体串联地相互连接。
尤其是在电池模块被堆叠时(为了该应用，电池模块优选地设计成方形的)，电池模块的正的和负的电的功率连接触点的这种类型的连接尤其有利，因为此时用于连接的路径非常短，从而连接技术简单可行。
例如，电的功率连接触点可以构造成插接连接件的公或母部分。例如，所有负的功率连接触点可以构造成公的，并且所有正的功率连接触点可以构造成母的。在另一实施方式中，在模块壳体的一侧上的所有功率连接触点可以是公的，并且在模块壳体的一侧上的所有功率连接触点可以是母的。
在根据本发明的电池模块的尤其优选的实施方式中，相应地，电池模块的突出之处在于以下附加特征：
a.在模块壳体的一侧上的电的功率连接触点构造成插接连接件的公部分，并且在模块壳体的另一侧、尤其是相对的侧上的电的功率连接触点构造成插接连接件的母部分。
通过该设计方案进一步为安装工人简化了连接技术。
当然也可行的是，所有功率连接触点构造成母的，并且相邻的电池模块的功率连接触点借助于双公的插接连接器相连接接。因此，相反地也可行的是，所有功率连接触点构造成公的，并且相邻的电池模块的功率连接触点借助于双母的插接连接器相连接接。
功率连接触点的设计方案可以与以下情况无关，即，模块壳体的相应的侧上仅仅存在正的功率连接触点，还是仅仅存在负的功率连接触点，还是不仅存在正的而且存在负的功率连接触点。因此，通过相应的功率连接触点相应地分布在模块壳体的侧上的相应的设计方案，可以提供用于堆叠布置的可非常简单地插接在一起的电池模块，可以不需要复杂地连接单个触点的情况下以简单的方式将电池模块插接在一起用以连接。
模块壳体自身可以由不同的材料构成。例如，由于其绝缘的性能及其低的重量和简单的可加工性，为此特别合适的是塑料。在其它设计方案中，可以设置例如由铸铝制成的金属的壳体，或者由相应的板制成的边-折弯壳体。此外，组合材料，所谓的混合壳体也是可行的。由金属制成的壳体毫无疑问可以是优选的，因为金属的壳体具有导热性能。例如，可以借助于导热的材料实现冷却，该材料的冷却作用被导出到壳体处。
如已经所述，在由金属制成的模块壳体中，大多需要至少将功率连接触点的导电的组件与模块壳体电隔绝。
在根据本发明的电池模块的尤其优选的设计方案中，电池模块的突出之处在于以下附加特征中的至少一个：
a.电池组的蓄能器元件是柱形的圆电芯；
b.由支架，尤其是由塑料制成的支架保持电池组的蓄能器元件。
优选地，以相互组合的方式实现上述两个特征a.和b.。
柱形的圆电芯通常具有圆形的基础面。与同样具有圆形的基础面的纽扣电芯相比，柱形的圆电芯的突出之处在于，其高度通常大于其直径。柱形的圆电芯尤其适合作为用于根据本发明的电池模块的电池组的蓄能器元件，因为一方面，柱形的圆电芯能够提供所需的电压。另一方面，当将柱形的圆电芯合并成电池组时，柱形的圆电芯由于其形状给出尤其易于冷却的优点，因为在单个的柱形的圆电芯之间必然产生空腔，该空腔有利于冷却或概言之温度交换。在其它实施方式中也可以优选的是，将棱柱形地成型的蓄能器元件用于电池组。根据相应的需求，必要时可以采取其它措施用于蓄能器元件的冷却。
在电池组之内，蓄能器元件优选地布置在多个并联的行中。在柱形的圆电芯的情况中，柱形的圆电芯沿着其纵轴线平行地定向。因此，例如可以合并12行各自具有14个并排布置的柱形的圆电芯，并且例如由塑料制成的支架包围。
为了在电芯组之内实现单个的蓄能器元件期望的电的连接，支架可以具有相应的电导体和触点。
在电芯组之内，蓄能器电芯以及尤其是圆电芯可以在一个或必要时多个平面中形成规则的范例，其中，蓄能器电芯以及尤其是圆电芯优选地布置成彼此具有尽可能小的距离。
尤其优选地，每个电芯组具有正的和负的电的连接极，连接极优选地也可以是支架的一部分。为了电池组的电连结，可以将该连接极与对应的功率连接触点相连接。
优选地，蓄能器元件是锂离子电芯。以已知的方式，锂离子电芯的电极可以可逆地吸收并且再次释放锂离子。
总地来说优选的是，在单个的电池组中，各自使用全都具有相同结构的蓄能器元件。但原则上也可行的是，在电池组之内使用不同的蓄能器元件。
电池模块例如可以包括分别提供约50V的直流电压的两个电池组。此时，每个电池组包括多个蓄能器元件，尤其是柱形的锂离子圆电芯。例如，可以使用具有每个单电芯4.2V的切断电压的柱形的圆电芯。该柱形的圆电芯例如可以布置成行，每行14个圆电芯，其中，例如设置12个这种行。随后，将在该电池组之内的蓄能器元件相互连接，以使得例如实现约50V的最大直流电压。
以尤其优选的方式，根据本发明的电池模块的突出之处在于以下附加特征：
a.模块壳体具有至少一个另外的连接触点，用于耦接至少一个通讯导线和/或至少一个保险导线。
在模块壳体处的这种另外的连接触点给出多种优点。尤其是，通过在模块壳体处的所述一个或必要时多个另外的连接触点可以进行数据传输，例如，与电池管理系统相结合需要该数据传输。尤其是，在多个电池模块连接的情况中，在电池模块之间的以及与上级装置的数据传输可能是必须并且合理的。因此，所述一个另外的连接触点或多个另外的连接触点例如可以构造成数据插接连接器。
针对数据传输通道，替代地或附加地，所述至少一个另外的连接触点可以用于设置保险导线(安全线safety line)。借助于这种保险导线(该保险导线环绕穿过电池系统的所有电池模块和/或电池模块的所有电池组)，可以在故障情况中断开系统。由此，实现附加的冗余的安全功能，从而可以在故障情况中切断系统。但在电池组或电池模块中发现故障时，也可以首先规定，以通讯的方式通过软件解决该问题，并且仅仅在可能仍然存在问题时，才通过保险导线切断系统。
优选地，为电池模块的每个电池组，优选地也为电池组的每个单个的蓄能器元件分配电池管理系统，其中，在几个优选的实施方式中，为每个电池组分配自己的电池管理系统。该电池管理系统通常用于控制和/或调节电池组和蓄能器元件的正常运行。为此，电池模块和/或必要时单个的电池组和/或根据本发明的电池模块的蓄能器元件可以配备有电子的和/或传感式的结构元件，该结构元件实现获取不同的参数(电池荷电状态、温度、电芯电压、电芯电流，等)以及必要时实现数据处理和/或数据传输。通过监控这种类型的参数，例如通过在电压过高和过低时、在温度过高或过低时切断，或者在电池模块的相应的电池组中平衡单个的蓄能器电芯的荷电状态，可以保证根据本发明的电池模块的可靠运行。
以尤其有利的方式，可以将电池管理系统与以上解释的保险导线组合，其中优选地，每个电池模块或必要时每个电池组可以通过其相应的电池管理系统断开保险导线。
此外，根据本发明的电池模块可以与多级-逆变器装置相结合地使用。原因是，此类的电池模块或由这种电池模块组成的系统通常用作直流电源。借助于多级-逆变器，也可以将这种系统也连接到交流电网上。在这种逆变器中，在不同长的时间段上时间上错开地将系统的单个的电池模块或概言之单个的单元的电压相加。如果与其总电压相比单个的单元的电压足够小，例如可非常近似地产生正弦形的电压变化过程。
通常，由多个电池模块支持多级-逆变器技术。相反地，在根据本发明的电池模块中，可以直接将多级-逆变器技术集成到根据本发明的电池模块的模块壳体中，以使得根据多级-逆变器技术运行在电池模块之内的单个的电池组。由此，该技术也可经济地应用在较小的功率范围内，例如与所谓的全集成的交流电池相结合地用于在网和离网的多种应用，但是或者例如也可用作用于电运行的车辆的“备用燃料罐”。
此外，本发明也包括一种模块化的电池系统，尤其是模块化的高压电池系统，其突出之处在于以下特征：
a.电池系统由至少两个根据以上阐述的电池模块构成；
b.通过所述电池模块的模块壳体的正的和负的电的功率连接触点，电池模块中一个电池模块的至少两个电池组和/或来自不同电池模块的至少两个电池组相互电连接。
如已经结合根据本发明的电池模块解释的那样，将多个电池模块合并成电池系统实现了多种可能的连接。电池模块的电池组可以通过功率连接触点相互连接，其中，此时完全也可以形成＞60伏的电压。但也尤其可行的是，为此将来自两个或多个不同电池模块的电池组相互连接。此时，不仅可以实现串联连接而且可以实现并联连接以及并联和串联连接的组合。由此，可以提供不仅用于低压范围而且用于高压范围的电池系统。
电池系统的单个的电池模块可以非常灵活地用作构建块，以实现提供用于不同应用领域的电压。因此，例如可以提供具有48V作为标准电压的系统。同样可行的是，在最终激活电池系统之前的制造、交付、运输和装配时不可能出现触摸危险的电压的情况下，实现在高压范围内的模块化的电池系统。
以尤其优选的实施方式，根据本发明的模块化的电池系统的突出之处在于以下附加特征：
a.电池系统的电池模块被堆叠；并且
b.在堆叠之内，相邻的电池模块的模块壳体其上布置有负的和/或正的功率连接触点的侧朝向彼此。
对于电池模块的堆叠适宜的是，电池模块的壳体具有彼此平行的侧。因此优选地，模块壳体设计成棱柱形，并且例如表现为方形的形状。在电池模块堆叠时可以规定，在单个的电池模块之间设置间隔垫，从而在电池模块的壳体之间形成自由空间，该自由空间在冷却方面可以是有利的。此外，在单个的电池模块的功率连接触点之间的连接技术方面，这种间隔也可以是有利的。
优选地，在堆叠之内的相邻的电池模块或其电池组通过在朝向彼此的侧上的负的和/或正的功率连接触点相互电连接。
以尤其优选的方式，根据本发明的模块化的电池系统的突出之处在于以下附加特征：
a.在堆叠之内，相邻的电池模块的功率连接触点直接相互接触，其中优选地，功率连接触点直接或间接地相互电连接。
例如，在单个的功率连接触点之间的电接触可以通过在使用插槽和插头触点或概言之在使用母的和公的连接触点的情况下的插接连接件实现。同样，其它插接连接器或其它直接或直接的连接触点也是可行的。在此，通过相应地构造触点，可以实现在电池模块的模块壳体之内单个的电池组或电池组的复合体的连接，和/或在不同的以及尤其是相邻的电池模块中的电池组或电池组的复合体的连接。
就此而言，在第一优选的实施方式中，模块化的电池系统可以具有以下附加特征中的至少一个：
a.电池模块各自包括第一侧以及第二侧，所有负的功率连接触点布置在第一侧上，所有正的功率连接触点布置在第二侧上；
b.在堆叠之内，电池模块布置成如此，使得在相邻的电池模块中，相邻的电池模块中一个电池模块的第一侧面对相邻的电池模块中另一个电池模块的第二侧；
c.相应的电池模块的电池组至少部分地并联地相互连接。
在此优选地，以相互组合的方式实现特征a.和b.，并且尤其优选地以相互组合的方式实现特征a.、b.和c.。在电池系统或电池模块的该设计方案的其它细节方面，也参考以上阐述。
在根据本发明的模块化的电池系统的另一优选的实施方式中，电池系统的突出之处在于以下附加特征中的至少一个：
a.电池模块各自包括第一侧以及第二侧，负的功率连接触点的一部分和正的功率连接触点的一部分布置在第一侧上，所有其余的正的功率连接触点和所有其余的负的功率连接触点布置在第二侧上；
b.在堆叠之内，电池模块布置成如此，使得在相邻的电池模块中，相邻的电池模块中一个电池模块的第一侧面对相邻的电池模块中另一个电池模块的第二侧；
c.相应的电池模块的电池组至少部分地与相应的相邻的电池模块的电池组和/或同一电池模块的电池组串联地连接。
在此优选地，彼此共同地实现上述特征a.和b.。上述特征a.、b.和c.的组合是尤其优选的。在电池系统或电池模块的该设计方案的其它细节方面也参考上述阐述。
在根据本发明的模块化的电池系统的相当尤其优选的设计方案中，电池系统的突出之处在于以下附加特征：
a.电池系统具有用于激活和/或取消激活形成电池系统的电池模块的电池组的连接的至少一个开关。
通过用于激活和/或取消激活形成电池系统的电池模块的电池组或电池组的复合体的连接的开关，实现另一安全级，在装配电池系统期间直至最后的激活的步骤，该安全级可靠地避免出现可能的危险的触摸电压。原则上，用于激活和/或取消激活的开关可以以任意方式设计，例如以附加的继电器或另一插接器的形式，例如以所谓的维护插接器的形式，在接通电池组时，该开关闭合最后的电桥。尤其是，电池模块也可以具有用于激活和/或取消激活连接的可手动操作的开关。以尤其有利的方式，具有这种开关的电池系统的设计方案适合用于高压电池系统。
在根据本发明的电池系统的另一优选的设计方案中，该系统设定成用于多级-逆变器技术。在此，在具有多个模块的或者必要时也在单个的模块层上的总系统方面，也可以通过如以上已经解释的对单个的电池组的相应的操控实现多级-逆变器技术。因此，在本发明的该方面的其它细节方面也参考以上阐述。
此外，本发明包括一种用于装配电池系统，尤其是高压电池系统的方法，该方法包括以下方法步骤：
提供至少两个根据以上阐述的电池模块；以及
a.装配电池模块以形成电池系统；以及
b.将单个的电池模块的电池组彼此和/或相互连接。
所获得的该装配方法的优点在于，如以上解释的那样，在系统的单个的电池模块中不出现危险的触摸电压。以上已经解释了从中获得的在尤其是安装工人或装配工的安全性方面优点，以及通过可能地省去安全技术的措施而从中获得的优点，从而在方法方面也进行参考。
在尤其优选的且有利的设计方案中，该方法的突出之处在于以下附加的方法步骤：
a.通过操纵电池系统的至少一个开关对电池组的连接进行最终激活，其中，设置用于激活和/或取消激活形成电池系统的电池模块的电池组的连接的至少一个开关。
从现有技术中已知的这样的方法，即，通过该方法可以由单个的电池模块构造用于高压范围的电池系统。在此，例如使用分别提供50V电压的电池模块(低压模块)。通过八个这种类型的电池模块堆叠和电池模块的串联连接，可以提供400V的高压。由于单个的电池模块的电压过低以至于不能出现的危险的触摸电压，操作单个模块没有危险。但如果将两个模块串联地相互连接，则存在风险。根据本发明，通过激活至少一个开关解决该问题。
根据本发明的电池模块具有的优点是，单个的电池模块不仅可用作低压模块而且可用作高压模块。在经济性方面，相同的电池模块的通用的应用性非常令人感兴趣，因为需要更少的方案来满足顾客要求。在安装电池模块之前，可作为低压模块安全地操作单个的电池模块，尤其是在制造、安装以及回收方面。此外，根据本发明的电池模块的特别的优点在于，仅仅需要数量很少的电池模块用以构造高压电池系统。本发明的电池模块提供了用于多种的应用的灵活性和可配置性。即，实现了在电池模块之内的电池组或电池组的复合体并联和/或串联连接，并且可由安装工人从外部配置。
甚至实现，彼此独立地运行在唯一的电池模块之内的单个的电池组或电芯组的复合体。这例如可以用于冗余地设计的备用系统。根据本发明的电池模块也可以用于小型的系统，例如用于低压系统。总地来说，具有根据本发明的电池模块的系统集传统的堆叠的电池系统的优点集于一身，但其中，尽可能消除了传统的系统的缺点。
从以下结合附图对实施例的阐述中并且从权利要求中得到本发明的其它特征和优点。在此，单个的特征分别可以单独地或者相互组合地实现。
附图说明
在图中示意性地：
图1示出了根据本发明的具有两个电池组的电池模块的图示；
图2示出了根据本发明的电池模块的另一图示；
图3示出了根据图2的实施方式的电池模块的功率连接触点的可行的连接的图示；
图4示出了根据本发明的电池模块的另一图示；
图5示出了根据图4的实施方式的电池模块的功率连接触点的可行的连接的图示；
图6示出了根据图4的实施方式的电池模块的功率连接触点的设计方案；
图7示出了根据本发明的模块化的电池系统的结构的图示；
图8示出了根据本发明的具有保险导线的模块化的电池系统的结构的图示；以及
图9示出了根据本发明的模块化的电池系统(B、C)与传统的模块化的电池系统(A)的结构对比。
具体实施方式
图1示出了穿过根据本发明的电池模块10的实施方式的横截面。在方形的模块壳体11之内布置两个电池组12和13。两个电池组各自包括多个单个的蓄能器元件120或130。在该实施例中，蓄能器元件120、130是以锂离子为基础的柱形的圆电芯。在此，分别在一行中布置14个圆电芯120或130，其中，电池组总共具有12个这种行。以节省空间的方式，柱形的圆电芯120、130以规则的范例彼此平行地布置。分别由电芯架121或131保持这种布置方案，其中，这些电芯架121、131包围柱形的圆电池120、130。适宜地，电芯架121、131由塑料材料制成，从而电芯架同时将两个电芯组12和13彼此隔绝。在相应的电芯组12和13之内，将单个的蓄能器元件120、130并联地和/或串联地相互连接。但两个电芯组12和13自身未相互连接。电芯组12和13的相应的正极12a和13a和负极12b和13b通过独立的电导体引导到功率连接触点125、126、135和136处。电芯组12和13分别提供60V的直流电压。由此，单纯地通过意外地同时触摸四个功率连接触点中的两个功率连接触点不能截取触摸危险的电压。
但如果通过合适的电导体将功率连接触点125和136相连接(串联连接)，则在功率连接触点126和135处可截取120V的触摸危险的电压。相应地适用于在功率连接触点126和135电连接的情况中，由此在功率连接触点125和136处可截取120V的电压。
电芯组12、13中的每个电芯组可以具有自己的、在此未详细示出的电池管理系统。
图2示出了根据本发明的电池模块10的变型方案，在该变型方案中，在模块壳体11之内布置两个电池组12和13或必要时布置更多的电芯组。通过模块壳体的虚线的部分指出了可能的更多的电芯组。此外示出了电池组12和13的正的功率连接触点125和135以及负的功率连接触点126和136，在该实施例中，正的功率连接触点和负的功率连接触点位于模块壳体11的相对的侧上。由此，原则上可以以任意方式将电芯组12和13相连接。在此，电芯组可以相互连接或与其它电池模块的电池组相连接或者也与外部的电源或放电仪相连接，必要时也彼此独立。
图3示出了根据图2的实施方式的电池模块10的电池组12、13的可能的连接200。在此，电池组12、13通过功率连接触点125、126、135、136并联地相互连接。在电池模块的该实施方式中，原则上串联或确切地说串联连接也是可行的，通过串联或确切地说串联连接可以实现更高的电压。但此时，连接技术稍微更复杂。
图4示出了根据本发明的电池模块10的另一可行的实施方式，该电池模块具有两个或必要时更多的电池组12、13。在该设计方案中，电芯组12和13将电极交替，从而在模块壳体11的一侧上存在第一电池组12的正的功率连接触点125和相邻的电池组13的负的功率连接触点136。相应地，在模块壳体的相对的侧上，同样存在电池组12的负的功率连接触点126和相邻的电池组13的正的功率连接触点135。在多于两个组时，正的和负的功率连接触点以交替的顺序布置在两侧上。通过根据本发明的电池模块的这种实施方式，可尤其简单可行地实现串联或串联连接。
图5示出了在图4中的电池模块10的实施方式中的串联的连接200。例如，可以将通常的短路插接器(维护插接器Service Plugs)或其它内部的或外部的开关或接触刀用于该连接200。
图6示出了电池模块10的优选的实施方式，电池模块的电池组12、13(与图4和5中的实施方式相似)以相反的极性定向。在该变型方案中，在模块壳体11的一侧上的正的和负的连接触点125和136设计成公的插接触点201，并且在模块壳体11的相对的侧上的负的和正的功率连接触点126和135设计成母的触点202。如果将这种结构形式的两个电池模块彼此堆叠，则可无问题地实现将不同电池模块的电池组12、13串联的连接，如在图7中示出的那样。
图7示出了根据本发明的模块化的电池系统100，其中，将根据图6的实施方式的单个的电池模块10彼此堆叠。例如，电池系统100可以通过两个或更多电池模块10构成。在电池模块10堆叠时，不同电池模块在堆叠中上下布置的电池组12和13形成串联。此时，相应位于上方的模块的母的触点202接触布置在下方的电池模块的插入触点201。显然，也可以相应地互换地布置母的触点202和公的触点201。此外，其它接触装置，例如接触面和/或接触弹簧等也是可行的。
在此，本发明的特别的优点在于，每个电池模块10包含多个彼此独立的、连接可变的电芯组12、13。由此，可以显著减少为了实现整个模块化的电池系统100的一定的堆叠电压所需的电池模块的数量。
例如，连接件220适合用于实现用于最终激活串联的开关。例如，连接件220可以构造成附加的开关，插接件，继电器等，以用于闭合最后的电桥，从而在单个的电池模块10完成装配和连接之后，才闭合串联并且由此最终最开启高压系统100。
除了功率连接触点之外，有利地，在单个的电池模块中还设置其它的接触可能性，尤其是在此未详细示出的、用于数据和/或通讯导线和/或一个或必要时多个保险导线的连接的其它连接触点。为此，在每个电池模块10中，可以设置一个附加的模块化的插接件或必要时多个附加的模块化的插接件，通过该插接件实现多种其它触点和连接部。
图8示出了模块化的电池系统100的另一设计方案，在该实施例中，该模块化的电池系统由分别具有两个电池组12、13的三个电池模块10构成。这三个电池模块10彼此堆叠，并且三个电池模块10的电池组12、13全都串联地相互连接。以这种方式，通过分别具有两个电池组(其分别提供不大于50V的直流电压)的三个电池模块，可以提供具有超过300V的额定电压的模块化的电池系统。
在该实施方式中，附加地设置保险导线210，该保险导线环绕地穿过所有电池模块10，其中，电池组12、13中的每个电池组可以利用该保险导线210。如果在电池组12、13中的一个电池组中出现故障，可以直接断开该保险导线210，从而可以在故障情况中立即切断电池系统100。
图9示出了与传统的模块化的电池系统500(如在部分图A中示出)相比根据本发明的模块化的电池系统100(如在部分图B或C中示出)的特别的优点。代表根据本发明的电池模块的单个的电池模块10和传统的电池模块50都不具有触摸危险的电压(例如最大50伏)，并且可以被称为低压电池模块。在此，根据本发明的模块化的电池系统100通过显著更少的单个的电池模块10构成，并且同时提供与传统的模块化的电池系统500相同的高电压(例如400V)。在传统的模块化的高压电池系统500中，例如需要8个单个的电池模块50，电池模块分别提供例如50V的直流电压并且串联连接。在根据本发明的模块化的电池系统100中，为了实现同样400V的直流电压，在图B中示出的实施例中，仅仅需要4个根据本发明的电池模块10。在该实施例中，电池模块10中的每个电池模块包括两个电池组，电池组分别具有可从外部截取的最大50V的电压。通过电池模块10的单个的电池组相互串联，在模块数量减半的同时实现400V的总电压。在部分图C中示出的根据本发明的模块化的电池系统100的实施例中，为了实现400V的总电压，仅仅需要两个电池模块10。电池模块10中的每个电池模块包括分别具有可从外部截取的50V的电压的4个电池组，4个电池组全都串联。
原则上，可以在一个电池模块中集成任意多个彼此独立的电芯组。通常，二的幂是优选的，例如两个、四个或八个。但显然，每个电池模块奇数数量的电池组也是可行的，例如三个、五个、或十一个电池组。
除了高压应用之外，也可实现根据本发明的电池模块的低压应用，通过根据本发明的电池模块例如可以实现不同的电压标准，例如48V。

Claims (15)

1.一种电池模块(10)，所述电池模块具有以下特征：
a.所述电池模块(10)具有模块壳体(11)；并且
b.在所述模块壳体(11)内布置有至少两个电池组(12，13)；并且
c.所述电池组(12，13)各自包括至少一个蓄能器元件、优选地至少两个蓄能器元件(120，130)，所述至少一个蓄能器元件各自具有至少一个正电极和至少一个负电极；并且
d.电池组(12，13)的所述至少两个蓄能器元件(120，130)串联地和/或并联地相互连接；
其中，所述电池模块(10)的特征在于以下附加特征：
e.所述电池组(12，13)中的每个电池组提供最大60V的直流电压；并且
f.所述模块壳体(11)具有至少两个正的功率连接触点(125，135)和至少两个负的功率连接触点(126，136)，所述至少两个正的功率连接触点和所述至少两个负的功率连接触点被分配给所述电池组(12，13)，以使得由所述电池组(12，13)提供的直流电压能够从所述电池壳体(11)之外截取；并且
g.能够在正的功率连接触点和负的功率连接触点之间截取的直流电压为最大60V。
2.根据权利要求1所述的电池模块，其具有以下附加特征中的至少一个：
a.所述模块壳体(11)被构造成棱柱形；
b.所述模块壳体(11)的电的功率连接触点(125，135，126，136)位于所述模块壳体的至少两个侧上，尤其是位于所述模块壳体的相对的侧上；
c.所述模块壳体(11)对于每个电池组(12，13)具有正的电的功率连接触点(125，135)和负的电的功率连接触点(126，136)，所述正的电的功率连接触点和所述负的电的功率连接触点中的一个功率连接触点位于所述模块壳体(11)的各侧中的一侧上，并且所述正的电的功率连接触点和所述负的电的功率连接触点中的另一个功率连接触点位于所述模块壳体的各侧中的另一侧上，尤其是位于所述模块壳体的相对的侧上。
3.根据权利要求1或权利要求2所述的电池模块，其具有以下附加特征：
a.所述模块壳体(11)包括一侧和另一侧，所有负的功率连接触点(126，136)布置在所述一侧上，所有正的功率连接触点(125，135)布置在所述另一侧上。
4.根据权利要求1或权利要求2所述的电池模块，其具有以下附加特征：
a.所述模块壳体(11)包括一侧和另一侧，所述负的功率连接触点(126)的一部分和所述正的功率连接触点(135)的一部分布置在所述一侧上，所有其余的正的功率连接触点(125)和所有其余的负的功率连接触点(136)布置在所述另一侧上，其中优选地，所述正的功率连接触点和所述负的功率连接触点以交替的顺序布置在所述侧上。
5.根据权利要求3或权利要求4所述的电池模块，其具有以下附加特征：
a.在所述模块壳体(11)的一侧上的电的功率连接触点(125，136)被构造成插接连接件的公部分(201)，并且在所述模块壳体的另一侧上的电的功率连接触点(126，135)、尤其是位于所述模块壳体的相对的侧上的电的功率连接触点被构造成所述插接连接件的母部分(202)。
6.根据前述权利要求中任一项所述的电池模块，其具有以下附加特征中的至少一个：
a.所述电池组(12，13)的蓄能器元件(120，130)是柱形的圆电芯；
b.电池组(12，13)的所述蓄能器元件(120，130)由支架(121，131)、尤其是由塑料制成的支架保持。
7.根据前述权利要求中任一项所述的电池模块，其具有以下附加特征：
a.所述模块壳体(11)具有至少一个另外的连接触点，用于耦接至少一个通讯导线和/或至少一个保险导线(210)。
8.一种模块化的电池系统(100)、尤其是模块化的高压电池系统，所述电池系统具有以下特征：
a.所述电池系统由至少两个根据权利要求1至7中任一项所述的电池模块(12，13)构成；并且
b.通过所述电池模块的模块壳体(11)的正的电的功率连接触点和负的电的功率连接触点(125，135，126，136)，所述电池模块(10)中的一个电池模块的至少两个电池组(12，13)和/或来自所述电池系统的不同电池模块(10)的至少两个电池组(12，13)相互电连接。
9.根据权利要求8所述的模块化的电池系统，其具有以下附加特征：
a.所述电池系统(100)的电池模块(10)被堆叠；并且
b.在所述堆叠之内，相邻电池模块(10)的模块壳体的其上布置有负的功率连接触点和/或正的功率连接触点(126，136，125，135)的侧朝向彼此。
10.根据权利要求9所述的模块化的电池系统，其具有以下附加特征：
a.在所述堆叠之内，相邻电池模块(10)的功率连接触点(125，135，126，136)直接相互接触，其中优选地，所述功率连接触点直接或间接地相互连接。
11.根据权利要求9或权利要求10所述的模块化的电池系统，其具有以下附加特征中的至少一个：
a.所述电池模块(10)各自包括第一侧以及第二侧，所有负的功率连接触点(126，136)布置在所述第一侧上，所有正的功率连接触点(125，135)布置在所述第二侧上；
b.在所述堆叠之内，所述电池模块(10)布置成如此，使得在所述相邻电池模块(10)中，所述相邻电池模块中的一个电池模块的第一侧朝向所述相邻电池模块中的另一个电池模块的第二侧；
c.相应的电池模块(10)的电池组(12，13)至少部分地相互并联连接。
12.根据权利要求9或权利要求10所述的模块化的电池系统，其具有以下附加特征中的至少一个：
a.所述电池模块各自包括第一侧以及第二侧，所述负的功率连接触点(126)的一部分和所述正的功率连接触点(135)的一部分布置在所述第一侧上，所有其余的正的功率连接触点(125)和所有其余的负的功率连接触点(136)布置在所述第二侧上；
b.在所述堆叠之内，所述电池模块(10)布置成如此，使得在相邻电池模块中，所述相邻电池模块中的一个电池模块的第一侧朝向所述相邻电池模块中的另一个电池模块的第二侧；
c.相应的电池模块(10)的电池组(12，13)至少部分地与相应的相邻电池模块的电池组和/或至少部分地与同一电池模块的电池组串联连接。
13.根据权利要求8至12中任一项所述的模块化的电池系统，其具有以下附加特征：
a.所述电池系统(100)具有至少一个开关(220)，用于激活和/或取消激活形成所述电池系统(100)的电池模块(10)的电池组(12，13)的连接。
14.一种用于装配电池系统(100)、尤其是高压电池系统的方法，所述方法具有以下方法步骤：
a.提供至少两个根据权利要求1至7中任一项所述的电池模块(10)；以及
b.装配所述电池模块以形成电池系统(100)；以及
c.将单个的所述电池模块(10)的电池组(12，13)彼此和/或相互电连接。
15.根据权利要求14所述的方法，其具有以下附加的方法步骤：
a.通过操纵所述电池系统的开关(220)进行所述电池组的连接的最终激活。
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