DE102008054968A1 - Batteriesystem und Verfahren zur Herstellung eines Batteriesystems - Google Patents

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Abstract

Die Erfindung betrifft ein Batteriesystem und ein Verfahren zur Fertigung eines Batteriesystems mit mehreren Batteriezellen (20) und einem Batteriegehäuse, wobei mehrere Batteriemodule (10) zur Aufnahme von jeweils mindestens zwei Batteriezellen (20) vorgesehen sind, die unabhängig voneinander in das Batteriegehäuse einbringbar sind, wobei jedes Batteriemodul (10) mindestens zwei Anschlüsse (16, 18) zur Anbindung an mindestens ein weiteres Batteriemodul (10) aufweist.

Description

  • Die Erfindung betrifft ein Batteriesystem mit mindestens zwei Batteriezellen und einem Batteriegehäuse zur Aufnahme der Batteriezellen.
  • Stand der Technik
  • Ein derartiges Batteriesystem ist bekannt und wird vermehrt bei Fahrzeugen, insbesondere in Hybrid- und Elektrofahrzeugen, und stationären Anwendungen, wie beispielsweise Windkraftanlagen verwendet. Das Batteriesystem besteht dabei aus einzelnen Zellen, den Batteriezellen, die eine für die verwendete Materialkombination der Zelle charakteristische Spannung liefern. Um aus diesen Batteriezellen ein Batteriesystem aufzubauen, das die geforderten Leistungs- und Energiemengen liefern kann, werden die einzelnen Batteriezellen elektrisch in Serie und/oder parallel geschaltet. Ein Batteriesystem umfasst dabei mehrere miteinander elektrisch verschalteter Batteriezellen. Zwischen den einzelnen Batteriezellen befindet sich in der Regel ein Wärmetransferelement, welches einen batterieinternen Wärmetransfer zwischen den Batteriezellen und einer Wärmetransporteinrichtung ermöglicht, wobei die Wärmetransporteinrichtung eine das Batteriesystem als ganzem zugeordnete Einrichtung zur Zufuhr von Wärme zu den Batteriezellen und/oder zur Abfuhr der Wärme von der Batteriezellen ist. Sowohl bei der Nutzung von Batteriesystemen in stationären Anwendungen, wie beispielsweise Windkraftanlagen, als auch bei deren Verwendung in Fahrzeugen, wie Hybrid- und/oder Elektrofahrzeugen, werden hohe Zuverlässigkeitsanforderungen an die einzelnen Batteriezelle gestellt.
  • Offenbarung der Erfindung
  • Das erfindungsgemäße Batteriesystem umfasst Batteriezellen und ein Batteriegehäuse zur Aufnahme der Batteriezellen, wobei mehrere Batteriemodule vorgesehen sind, welche jeweils mindestens zwei Batteriezellen aufweisen und unabhängig voneinander in das Batteriegehäuse einbringbar sind, wobei jedes Batteriemodul mindestens einen Anschluss, insbesondere einen elektrischen Anschluss, und gegebenenfalls zusätzlich eine Steckverbindung zur Anbindung an ein weiteres Batteriemodul aufweist, über die zwei Batteriemodule miteinander verbunden werden können. Auf diese Weise können Batteriemodule separat voneinander durch Lösen der elektrischen Verbindung und gegebenenfalls durch ein zusätzliches Trennen einer Steckverbindung voneinander gelöst und schnell und unkompliziert ausgetauscht werden. Dabei weist ein Batteriemodul bevorzugt mindestens eine Modulschale, vorzugsweise eine untere Modulschale und eine obere Modulschale, auf, wodurch der Einbau und/oder der Ausbau von Batteriezellen in Batteriemodule erleichtert werden. Das Batteriesystem ist vorteilhafterweise ein über viele Zyklen elektrisch ladbarer und wieder entladbarer elektrischer Energiespeicher (Akkumulator), der einzelne galvanische Zellen, die Batteriezellen, aufweist, die eine für die verwendete Materialkombination der jeweiligen Zelle charakteristische Spannung liefern. Dabei ist eine einzelne Batteriezelle die kleinste Einheit des Batteriesystems und weist jeweils einen Plus- und Minus-Pol auf. Um eine geforderte Leistungs- und Energiekapazität des Batteriesystems zu erreichen, werden die einzelnen Batteriezellen elektrisch in Serie und/oder parallel geschaltet. Alternativ ist es möglich, die Batteriezellen innerhalb eines Batteriemoduls über die Modulhalbschale elektrisch miteinander zu verbinden, so dass die einzelnen Batteriezellen bereits nach dem Einsetzten in ein Batteriemodul über die Modulschalen verschaltet sind und der Schritt einer separaten Verdrahtung von einzelnen Batteriezellen wegfallen kann. Die Batteriezellen werden dabei so angeordnet, dass das Batteriemodul und/oder das Batteriesystem einerseits möglichst kompakt ist und andererseits die notwendigen Maßnahmen durchgeführt werden können, die für ein ausreichendes Thermomanagement erforderlich sind.
  • Vorzugsweise ist ein Verschalten der einzelnen Batteriemodule erst beim Einsetzten der Batteriemodule in das Gehäuse des Batteriesystems notwendig. Die Batteriezellen innerhalb der Batteriemodule und die Batteriemodule in einem Bat teriesystem können somit jeweils unabhängig voneinander ausgebaut, repariert und/oder ausgetauscht werden, damit das Batteriesystem effizient im Sinne einer hohen Lebensdauer genutzt werden kann.
  • Vorzugsweise sind mindestens zwei Anschlüsse des Batteriemoduls elektrische Anschlüsse, so dass die Batteriemodule lediglich über diese mindestens zwei Anschlüsse miteinander verschaltet werden müssen, wodurch ein schneller Ein- und Ausbau der Batteriemodule möglich ist sowie ein kompakter und effizienter Aufbau des Batteriesystems ermöglicht wird.
  • Ferner können die Batteriemodule jeweils eine Elektronik/Steuerung zur Erfassung der Zellspannungen und/oder der Zelltemperatur der einzelnen Batteriezellen aufweisen, so dass eine Steuerung und/oder Regelung des Heizens und/oder Kühlens des jeweiligen Batteriemoduls mittels der Wärmetransporteinrichtung ermöglicht wird, wobei insbesondere die Steuerungs-/Regelungseinrichtung, eine Vorrichtung zur Batterieladezustandserkennung und/oder Batterietemperaturerkennung aufweist. Besonders bevorzugt können die einzelnen Batteriemodule und/oder das gesamte Batteriesystem eine den Strom und/oder die Spannung begrenzende Sicherheitsvorrichtung aufweisen, wobei die Sicherheitsvorrichtung insbesondere eine den Strom bei Überlast abschaltende Sicherungseinrichtung umfasst. Vorteilhaft weist dabei ein Batteriemodul eine Gesamtspannung auf, die unter einem in einer Norm festgelegten Grenzwerts von 120 V liegt, ab dem die Handhabung von einer elektrotechnischen Fachkraft durchgeführt werden muss. Vorzugsweise befindet sich die Gesamtspannung eines Batteriemoduls in einem Bereich von 5 V bis 60 V. Auf diese Weise können sowohl bei der Fertigung eines Batteriemoduls als auch beim Verschalten von mehreren Batteriemodulen an das Personal geringere Anforderungen gestellt werden, als beim Verschalten des vollständigen Batteriesystems, wodurch Fachpersonal bestmöglich eingesetzt und Kosten eingespart werden können.
  • In einer besonders bevorzugten Ausführungsform weist das Batteriesystem mindestens eine Wärmetransporteinrichtung zum Heizen und/oder Kühlen des Batteriesystems auf, wobei vorteilhaft die untere Modulschale die Wärmetransporteinrichtung ausbildet und auf diese Weise auch als eine Art Batteriesockel dienen kann, wodurch eine kompakte und gewichtsreduzierte Bauweise des Batteriesystems erreicht werden kann. Ferner können die Batteriemodule derart ausgebildet sein, dass sie als eine Mantelfläche die Batteriezellen im Wesentlichen vollumfänglich umgeben. Dabei bilden die Batteriemodule vorzugsweise jeweils mindestens ein Wärmetransportelement aus und/oder weisen Schnittstellen, wie beispielsweise Einlässe, bzw. Auslässe für einen Luft-/Wasserstrom, auf, um einen Wärmetransfer zwischen den Batteriezellen und der Wärmetransporteinrichtung zu ermöglichen. Durch eine Integration der Wärmetransportelemente in die Modulschalen wird ermöglicht, dass die Wärmetransportelemente die einzelnen Batteriezellen und/oder das gesamte Batteriemodul als eine Mantelfläche im Wesentlichen vollumfänglich umgeben und dadurch die nebeneinander und hintereinander angeordneten Batteriezellen von den Wärmetransportelementen, bzw. den Modulschalen derart eingespannt werden, dass der thermische Übergangswiderstand zwischen Wärmetransportelement und Batteriezellen gering ist. Das Wärmetransportelement oder die Wärmetransportelemente ermöglichen einen Batterieinternen Wärmetransfer zwischen den Batteriezellen und der Wärmetransporteinrichtung, wobei die Wärmetransporteinrichtung eine dem Batteriesystem als ganze zugeordnete Einrichtung zur Zufuhr zum und/oder zur Abfuhr von dem Batteriesystem ist.
  • Vorzugsweise weist das Batteriemodul auch separate Anschlüsse für die Anbindung an ein Wärmetransfersystem und/oder ein Schutz-/Überwachungssystem auf, wodurch das Batteriemodule schnell und unkompliziert sowohl in das Batteriesystem eingebunden als auch an das Thermomanagement und die Schutz- und Überwachungsmaßnahmen angebunden werden kann und umgekehrt. Als Wärmetransportmedium ist dabei insbesondere ein flüssiges Medium, also eine Flüssigkeit, oder ein gasförmiges Medium, also ein Gas vorgesehen, wobei das Gas bevorzugt die Umgebungsluft der Batterie ist und über eine Pumpeinrichtung, bzw. mit einem Lüfter dem Batteriesystem zugeführt werden kann.
  • Vorzugsweise ist vorgesehen, dass die Modulschalen so ausgebildet sind, dass sie zusätzlich zum Wärmetransportelement – zumindest in einem Bereich – ein elektrisch isolierendes Wärmetransportelement aufweisen, so dass die ausgebildeten Wärmetransportelemente zwischen den Batteriezellen sowohl elektrisch isolierend, als auch thermisch leitfähig sind. Für derartig elektrisch isolierende Wärmetransportelemente können beispielsweise Wärmeleitpads aus unterschiedliche Materialien, insbesondere aus einer Silikongummi-Folie, bevorzugt mit einer Glasfasergewebe-Einlage, eine Glimmerscheibe, eine Keramikscheibe, vorzugsweise aus einer Aluminiumoxidkeramik, eine Silikonmatte und/oder eine Kunststofffolie, insbesondere eine Kaptonfolie verwendet werden, wobei die Kunststofffolie bevorzugt eine Paraffin-Beschichtung zur Füllung von mit Luft gefüllten Hohlräumen durch Aufschmelzen im Betrieb und/oder mit einer selbstklebenden Beschichtung aufweist.
  • Das Batteriesystem ist insbesondere ein Batteriesystem für ein Hybridfahrzeug und/oder ein Elektrofahrzeug und/oder für eine Windkraftanlage, wobei bevorzugt eine Nickel-Metallhydrid-Batteriesystem oder eine Lithium-Ionen-Batteriesystem vorgesehen ist.
  • In der Praxis wird ein erfindungsgemäßes Batteriesystem in mehreren Schritten, modular aufgebaut, wobei mehrere Batteriemodule vor dem Einbau in das gesamte Batteriesystem einzeln gefertigt, anschließend in ein Batteriegehäuse eingebaut und zu einem zusammenhängenden Batteriesystem elektrisch miteinander verbunden werden.
  • Vorteilhafterweise werden nur genau so viele Batteriezellen oder weniger in einem Batteriemodul eingebaut, dass die Gesamtspannung eines Batteriemoduls unter dem Normwert liegt, ab dem die Handhabung von einem elektrotechnischen Fachkraft durchgeführt werden muss. Zurzeit schreiben die maßgebenden Normen diese Handhabung ab einer Gleichspannung von 120 V vor, so dass die Gesamtspannung eines einzelnen Batteriemoduls unter 120 V, vorzugsweise in einem Bereich von 5 V bis 60 V liegt. Auf diese Weise können sowohl bei der Fertigung der einzelnen Batteriemodule als auch bei der Verknüpfung von mehreren Batteriemodulen an das Personal geringere Anforderungen gestellt werden, als bei der Fertigung des vollständigen Batteriesystems, solange die Gesamtspannung der Module unter dem Normwert von 120 V liegt. Das Hinzuziehen einer elektrotechnischen Fachkraft ist somit erst bei einer Verbindung von mehreren Batteriemodulen, bei einer Gesamtspannung ab 120 V notwendig, wodurch Kosten eingespart und Fachpersonal bestmöglich eingesetzt werden kann.
  • Durch ein erfindungsgemäßes Batteriesystem mit mehreren separaten Batteriemodulen werden die Montage- und Demontagearbeiten, sowie der Arbeitsaufwand der für die Erstellung der Schnittstellen der Einzelspannungserfassung und der Temperaturerfassung der Batteriezellen, der Durchführung der Zell-Balance sowie für das Thermomanagement und gegebenenfalls für die Schutzmaßnahmen erforderlich sind, reduziert.
  • Kurze Beschreibung der Zeichnungen
  • Nachfolgend wird die Erfindung unter Bezugnahme auf die anliegenden Zeichnungen anhand eines bevorzugten Ausführungsbeispiels näher erläutert. Dabei ist zu beachten, dass die Figuren nur einen beschreibenden Charakter haben und nicht dazu gedacht sind, die Erfindung in irgendeiner Form einzuschränken.
  • Es zeigen:
  • 1 eine schematisch perspektivische Darstellung eines Batteriemoduls eines Batteriesystems gemäß einer Ausführungsform der Erfindung.
  • 2 eine schematisch perspektivische Darstellung des Batteriemoduls aus 1 mit einer zusätzlichen Batteriemoduloberschale gemäß einer Ausführungsform der Erfindung.
  • Beschreibung der Abbildungen
  • Die 1 und 2 zeigen ein erfindungsgemäßes Batteriemodul 10 mit einer unteren Batteriemodulschale 12 (1) und eine obere Batteriemodulschale 14 (1 und 2). Dabei sind die Batteriemodulschalen 12, 14 derart gestaltet, dass für jede Batteriezelle 20 eine Aussparung vorgesehen ist, in die die Batteriezelle 20 im Wesentlichen formschlüssig eingesetzt ist. Jede Batteriezelle 20 wird somit im Wesentlichen vollumfänglich von den Batteriemodulschale 12, 14 umgeben. Jede Batteriezelle 20 weist einen Plus-Pol und einen Minus-Pol weist. Zwischen den Batteriezellen bilden die Batteriemodulschalen 12, 14 mindestens ein Wärmetransportelement 18 aus, um einen Wärmetransfer zwischen den Batteriezellen 20 und einer Wärmetransporteinrichtung 19 zu ermöglichen, wobei auch die Wärmetransporteinrichtung 19 erfindungsgemäß durch die untere Batteriemodulschale 12 gebildet wird. Bei dem dargestellten Batteriemodul 10 ist die Wärmetransporteinrichtung 19 als ein Batteriesockel, der die Batteriezellen 20 trägt, angeordnet. Dadurch dass die Batteriemodulschalen sowohl als Wärmetransportelement 18 als auch als Wärmetransporteinrichtung 19 ausgebildet sind, ist ein permanenter thermischer Kontakt zwischen den Batteriezellen 20, der Wärmetransporteinrichtung 19 und dem Wärmetransportelement 18 gegeben, so dass im Betrieb des Batteriesystems die entstehende Abwärme der Batteriezellen 20 über die Wärmetransportelemente 18 und deren Verbindung zu der Wärmetransporteinrichtung 19 übertragen wird. Somit sind die Wärmetransportelemente 18 untereinander thermisch gut leitend verbunden, wodurch sich innerhalb der Batteriemodulschalen 12, 14 ergibt eine gute thermische Anbindung zwischen den Wärmetransportelementen 18, der Wärmetransporteinrichtung 19 und den Batteriezellen 20 ergibt. Dadurch wird gewährleistet, dass alle Batteriezellen 20 des jeweiligen Batteriemoduls 10 nahezu die gleiche Temperatur aufweisen, so dass der Temperaturunterschied zwischen jeder einzelnen der Seitenflächen der Batteriezellen 20 und der Wärmetransporteinrichtung 19 und auch der einzelnen Seitenflächen untereinander im gesamten Arbeits-Temperaturbereich des Batteriesystems nur wenige Kelvin (K) beträgt.
  • Innerhalb des Batteriemoduls 10 sind die Batteriezellen 20 in Reihe geschaltet, wobei die Batteriezellen 20 vorteilhafterweise direkt über die Modulschalen 12, 14 elektrisch miteinander in Kontakt stehen, so dass einzelne Batteriezellen 20 schnell und unkompliziert eingesetzt, und ausgetauscht werden können. Erfindungsgemäß weist ein Batteriemodul 10 mindestens zwei Anschlüsse 16, 17, insbesondere zwei elektrische Anschlüsse auf, welche die Anbindung an weitere Batteriemodule 10 erleichtern, so dass eine schnelle Anbindung zwischen den einzelnen Batteriemodulen 10 ermöglicht wird. Über eine nicht dargestellte Elektronik kann die Zellspannung, die Zelltemperatur und/oder die Durchführung einer Zell-Balance, d. h. eine Symmetrierung der Zellspannungen, bzw. der Ladezustände zwischen den Batteriezellen 20 innerhalb eines Batteriemoduls 10 ermöglicht werden.

Claims (13)

  1. Batteriesystem mit mehreren Batteriezellen (20) und einem Batteriegehäuse zur Aufnahme der Batteriezellen (20), dadurch gekennzeichnet, dass mehrere Batteriemodule (10) zur Aufnahme von jeweils mindestens zwei Batteriezellen (20) vorgesehen sind, wobei die Batteriemodule (10) unabhängig voneinander in das Batteriegehäuse einbringbar sind und jedes Batteriemodul (10) mindestens zwei Anschlüsse (16, 18) zur Anbindung an mindestens ein weiteres Batteriemodul (10) aufweist.
  2. Batteriesystem nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das Batteriemodul (10) mindestens eine Modulschale (12, 14), vorzugsweise eine untere Modulschale (12) und eine obere Modulschale (14), aufweist.
  3. Batteriesystem nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Anschlüsse (16, 18) elektrische Anschlüsse sind.
  4. Batteriesystem nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Batteriezellen (20) innerhalb eines Batteriemoduls (10) über die Modulschalen (12, 14) elektrisch miteinander verbunden sind.
  5. Batteriesystem nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass ein Batteriemodul (10) jeweils eine Elektronik zur Erfassung der Zellspannungen und/oder der Zelltemperatur und/oder zur Steuerung der Zell-Balance der einzelnen Batteriezellen (20) innerhalb eines Batteriemoduls (10) aufweist.
  6. Batteriesystem nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass das Batteriemodul (10) eine Gesamtspannung von ≤ 120 V aufweist, wobei die Gesamtspannung insbesondere in einem Bereich von 20 V bis 60 V liegt.
  7. Batteriesystem nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass das Batteriemodul (10) mindestens eine Wärmetransporteinrichtung (19) zum Heizen und/oder Kühlen des Batteriemoduls (10) und/oder des gesamten Batteriesystems aufweist.
  8. Batteriesystem nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass die untere Modulschalen (12) die Wärmetransporteinrichtung (19) bilden.
  9. Batteriesystem nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass das Batteriemodul (10) als eine Mantelfläche die Batteriezellen (20) im Wesentlichen vollumfänglich umgibt.
  10. Batteriesystem nach einem der Ansprüche 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet, dass das Batteriemodul (10) Anschlüsse für die Anbindung an ein Wärmetransfersystem und/oder ein Überwachungssystem aufweist.
  11. Batteriesystem nach einem der Ansprüche 7 bis 10, dadurch gekennzeichnet, dass die Batteriemodule (10) jeweils mindestens ein Wärmetransportelement (18) aufweisen, um einen Wärmetransfer zwischen den Batteriezellen (20) und der Wärmetransporteinrichtung (19) zu ermöglichen.
  12. Batteriesystem nach einem der Ansprüche 1 bis 11, dadurch gekennzeichnet, dass das Batteriesystem ein Batteriesystem für ein Hybridfahrzeug, ein Elektrofahrzeug und/oder eine Windkraftanlage ist.
  13. Verfahren zur Fertigung eines Batteriesystem nach einem der Ansprüche 1 bis 12, mit den Schritten: Fertigen von mehreren Batteriemodulen (10), wobei ein Batteriemodul (10) mindestens zwei Modulschalen (12, 14) zur Aufnahme mehrere Batteriezellen (20) aufweist und die Gesamtspannung eines Batteriemodules (10) bei ≤ 120 V, vorzugsweise in einem Bereich von 20 V bis 60 V liegt; Einbau der gefertigten Batteriemodule (10) in ein gemeinsames Batteriegehäuse.
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