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Die Erfindung betrifft ein Modul zur Speicherung von elektrischer Energie mit wenigstens zwei Speicherzellen nach der im Oberbegriff von Anspruch 1 näher definierten Art. Außerdem betrifft die Erfindung ein Verfahren zum Herstellen eines derartigen Moduls sowie eine Traktionsbatterie für ein zumindest teilweise elektrisch angetriebenes Fahrzeug.
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Vorrichtungen oder Module zur Speicherung von elektrischer Energie mit wenigstens zwei Speicherzellen sind aus dem allgemeinen Stand der Technik bekannt. Typischerweise werden derartige Vorrichtungen einzeln oder zu einer größeren Batterie verschaltet zur Speicherung von elektrischer Energie eingesetzt. Die Aufbauten, welche z. B. bei Lithium-Ionen-Batterien eingesetzt werden, weisen typischerweise eine vergleichsweise hohe Energiedichte auf, sodass in den Anordnungen aus den einzelnen Speicherzellen, welche zu einem Modul oder zu einer Batterie zusammengefasst sind, vergleichsweise viel elektrische Energie gespeichert werden kann. Derartige Batterien werden daher auch als Hochleistungsbatterien oder Hochvoltbatterien bezeichnet. Aufgrund der vergleichsweise hohen Speicherdichte werden sie insbesondere zur Speicherung von elektrischer Antriebsleistung in elektrischen oder teilweise elektrisch angetriebenen Fahrzeugen eingesetzt.
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Diese Traktionsbatterien sind im Allgemeinen aus einer Vielzahl von Batterieeinzelzellen aufgebaut, welche häufig als Rundzellen oder als im Wesentlichen prismatische Flachzellen aufgebaut sind. Beim Aufbau als Rundzellen werden diese normalerweise in ein Außengehäuse integriert und in der gewünschten Art elektrisch miteinander verschaltet. Zur Kühlung der Rundzellen sind verschiedene Kühler denkbar, insbesondere wellenförmige flüssigkeitsdurchströmte Kühler, welche zwischen einzelne Lagen von Rundzellen angeordnet werden. Beim Aufbau aus im Wesentlichen prismatischen Flachzellen werden diese typischerweise zu einem Stapel aufgestapelt, welcher dann wiederum in einem Außengehäuse untergebracht wird. Zur Kühlung eines solchen Stapels werden dann beispielsweise einseitig an dem Stapel anliegende gekühlte Flächenkühler eingesetzt.
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Unabhängig davon, ob die Batterieeinzelzellen als Flachzellen oder Rundzellen ausgebildet sind, sind diese im allgemeinen so aufgebaut, dass sie eine einzelne Speicherzelle umfassen, welche aus einer Elektrodenanordnung besteht, die typischerweise Anodenfolien, Kathodenfolien und Separatorfolien aufweist. Diese Elektrodenanordnung ist dann entweder zu einem flachen Folienstapel aufgestapelt oder wird nach dem Aufstapeln aufgewickelt, sodass ein Folienwickel entsteht. Die Elektrodenanordnung wird dann in einem flachen oder zylindrischen beziehungsweise becherförmigen Gehäuse angeordnet. Diese wird mit Elektrolyt verfüllt und entsprechend verschlossen. Die Batterieeinzelzellen werden dann formatiert und als fertige Batterieeinzelzellen mechanisch zu einem Batteriemodul oder einer Batterie zusammengefasst. Danach erfolgt das Verschalten der Batterieeinzelzellen in der gewünschten Art und Weise, beispielsweise in Form einer Reihenschaltung, sodass die erforderliche Spannung für den elektrischen Antriebs eines zumindest teilweise elektrisch angetriebenen Fahrzeugs vorliegt.
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Dieser Aufbau ist dabei vergleichsweise aufwändig in der Herstellung und benötigt entsprechend viel Material für die Gehäuse der Batterieeinzelzellen und die elektrische Verbindung, welche typischerweise durch ein Verschrauben von Polen oder dergleichen entsteht. Eine solche Traktionsbatterie baut vergleichsweise groß und schwer und verursacht einen entsprechend hohen Kostenaufwand.
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Es ist daher die Aufgabe der hier vorliegenden Erfindung, diese Nachteile zu vermeiden und ein Modul zur Speicherung von elektrischer Energie zu schaffen, welches einen einfachen, effizienten, kostengünstigen und leichten Aufbau zur Speicherung von elektrischer Energie bereitstellt.
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Erfindungsgemäß wird diese Aufgabe durch ein Modul mit den Merkmalen im kennzeichnenden Teil des Anspruchs 1 gelöst. Weitere vorteilhafte Ausgestaltungen des erfindungsgemäßen Moduls ergeben sich dabei aus den abhängigen Unteransprüchen.
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Die erfindungsgemäße Lösung sieht es also vor, dass das Modul so aufgebaut wird, dass die Elektrodenanordnungen der wenigstens zwei Speicherzellen nicht durch eine Ummantelung mit jeweils einem eigenen Einzelzellengehäuse einzeln zu den Speicherzellen vervollständigt werden, sondern dass diese einzelgehäusefreien Elektrodenanordnungen in einem gemeinsamen Gehäuse angeordnet sind. Dies bedeutet, dass die Elektrodenanordnungen ohne eigenes Gehäuse in das gemeinsame Gehäuse des Moduls eingelegt werden. Damit lässt sich die aufwändige, teure und schwere Einzelverpackung der Speicherzellen einsparen. Ferner lässt sich der Produktionsprozess wesentlich vereinfachen. Dies spart sowohl Materialkosten als auch Herstellungskosten ein, und es kann ein außerordentlich kompaktes und leichtes Modul aufgebaut werden.
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In einer besonders bevorzugten Ausführungsform des erfindungsgemäßen Moduls ist es dabei vorgesehen, dass die Folien in der Elektrodenanordnung aufgewickelt sind. Eine solche Elektrodenanordnung in Form eines Folien- bzw. Zellwickels hat dabei entscheidende Vorteile, da ein derartiger Zellwickel vergleichsweise leicht zu handhaben ist und im aufgewickelten Zustand ohne eigenes Gehäuse um diesen herum eine vergleichsweise hohe Stabilität aufweist. Auch werden hierbei die Folien nicht so leicht gegeneinander verschoben, wie sie dies bei prinzipiell auch möglichen Aufbauten der Elektrodenanordnung als Folienstapeln tun würden. Insgesamt lässt sich eine Elektrodenanordnung aus aufgewickelten Folien daher besser handhaben, sodass dies bei der Herstellung eines Moduls mit wenigstens zwei der Elektrodenanordnungen in einem gemeinsamen Gehäuse von entscheidendem Vorteil ist.
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In einer weiteren sehr günstigen Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Moduls ist es außerdem vorgesehen, dass das gemeinsame Gehäuse mehrere Kammern aufweist. Diese Kammern des gemeinsamen Gehäuses können beispielsweise durch nur teilweise in das Innere des Gehäuses ragende Zwischenwände offen zueinander ausgebildet sein oder sie sind so ausgebildet, dass durch dünne Zwischenwände mehrere Kammern im Inneren des gemeinsamen Gehäuses entstehen. Dieser Aufbau ermöglicht es, die Elektrodenanordnungen so zu platzieren, dass diese einzeln oder in vergleichsweise geringer Anzahl in den einzelnen Kammern angeordnet sind oder bei innerhalb des Gehäuses lediglich abgeteilten aber noch verbundenen Kammern nach dem Einbringen die Kammern gegeneinander abdichten. Dadurch wird verhindert, dass der später in das gemeinsame Gehäuse eingefüllte Elektrolyt zwischen verschiedenen Speicherzellen Spannungen in einer solchen Höhe erfährt, dass dieser sich zersetzt. Beim Einsatz von Lithium-Ionen-Batterien liegen diese Spannungen beispielsweise bei ca. 4 V, sodass durch die Kammern und die geschickte Anordnung der Elektrodenanordnungen, sodass diese den Weg für den Elektrolyt versperren, dafür gesorgt werden muss, dass lediglich zwei bis maximal drei Zellen von demselben Elektrolyt umströmt werden und eine entsprechende Abdichtung gegenüber dem Elektrolyt der benachbarten Zellen gegeben ist.
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In einer vorteilhaften Weiterbildung des erfindungsgemäßen Moduls ist es darüber hinaus vorgesehen, dass die Elektrodenanordnungen der einzelnen Speicherzellen untereinander kontaktiert sind, und dass aus dem gemeinsamen Gehäuse jeweils nur zwei elektrische Pole, welcher in Kontakt mit jeweils einer der Speicherzellen stehen, herausgeführt sind. Dieser Aufbau sieht also vor, dass die Elektrodenanordnungen elektrisch untereinander kontaktiert sind, beispielweise in Reihe zueinander verschaltet sind. Aus dem Modul muss dann lediglich ein Pluspol und ein Minuspol herausgeführt werden, sodass dieses sehr einfach abgedichtet werden kann, da hier lediglich zwei Durchführungen für die beiden Pole notwendig sind.
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In einer günstigen Weiterbildung des erfindungsgemäßen Moduls ist es ferner vorgesehen, dass das Gehäuse dampfundurchlässig ausgeführt ist. Ein solches dampfundurchlässiges Gehäuse des Moduls erfüllt sämtliche Anforderungen an ein Batteriegehäuse, sodass das Modul selbst nicht in einem weiteren Außengehäuse oder dergleichen platziert werden muss. Auch dies sichert ein einfaches und leichtes Modul, welches mit vergleichsweise geringem Bauraum kostengünstig hergestellt werden kann. Als dampfundurchlässiges Material kann dabei beispielsweise ein Metall verwendet werden oder ein Kunststoff, welcher mit einer Dampfsperre versehen ist.
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In einer vorteilhaften Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Moduls ist es darüber hinaus vorgesehen, dass eine Niedervoltkontaktierung der einzelnen Elektrodenanordnungen über ein Gitter auf der einen Seite der Elektrodenanordnungen und auf der anderen Seite durch das Auflegen/Aufdrücken von Kontaktelementen auf die Elektrodenanordnungen erfolgt. Eine solche Niedervoltkontaktierung beispielsweise mit einem Batteriemanagementsystem, welches z. B. Einzelzellspannungen in den Elektrodenanordnungen überwacht und/oder einen Ladungsausgleich zwischen den einzelnen Speicherzellen realisiert, kann dabei so aufgebaut werden, dass beispielsweise ein Stanzgitter in den Bodenbereich des gemeinsamen Gehäuses eingelegt wird. Die Elektrodenanordnungen werden dann auf dieses Gitter aufgedrückt, wobei die Folien des einen Pols mit dem Gitter in Berührung kommen. Das Gitter lässt sich dann beispielsweise über ein Verbindungselement, welches insbesondere einstückig mit dem Gitter ausgeführt sein kann und im Randbereich des Gehäuses nach oben läuft, mit einem elektrischen Aufbau eines Batteriemanagementsystems kontaktieren. Dieser kann insbesondere auf einer Platine angeordnet sein, welche mit Kontakten in den geeigneten Bereichen von oben auf die Elektrodenanordnungen gelegt und aufgedrückt wird. Damit kommt der jeweilige Kontakt durch Auflegen beziehungsweise Aufdrücken auf die Elektrodenanordnung mit dem anderen Pol der jeweiligen Elektrodenanordnungen in Kontakt. Damit lässt sich über diese Niedervoltkontaktierung der einzelnen Elektrodenanordnungen beispielsweise eine Einzelzellspannung in den jeweiligen Elektrodenanordnungen messen, oder andere für ein Batteriemanagementsystem erforderliche Werte können abgegriffen werden. Sowohl das Gitter als auch die Platine mit den Kontaktelementen lässt sich dabei mit in das gemeinsame Gehäuse integrieren, sodass durch die Niedervoltkontaktierung wenig zusätzlicher Aufwand bei der Herstellung entsteht.
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Das Modul in dem erfindungsgemäßen Aufbau in einer der hier genannten Varianten ist dabei prinzipiell für verschiedene Batterietechnologien anwendbar. Es ist gemäß einer besonders günstigen und vorteilhaften Ausgestaltung jedoch für Speicherzellen in Lithium-Ionen-Technologie vorgesehen, da hier die Vorteile bei der Herstellung und dem Aufbau gegenüber den bisherigen Lithium-Ionen-Zellen als Batterieeinzelzellen mit jeweils eigenem Gehäuse besonders deutlich sind.
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Ein erfindungsgemäßes Verfahren zur Herstellung eines derartigen Moduls ist im kennzeichnenden Teil von Anspruch 8 beschrieben.
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Das erfindungsgemäße Verfahren sieht es vor, dass die Elektrodenanordnung aufgewickelt wird, wonach die aufgewickelten Elektrodenanordnungen in das gemeinsame Gehäuse eingebracht, beispielsweise eingepresst werden. Danach erfolgt eine elektrische Kontaktierung der einzelnen Elektrodenanordnungen in dem gemeinsamen Gehäuse. Erst dann wird das gemeinsame Gehäuse mit Elektrolyt befüllt, wonach die einzelnen Speicherzellen formatiert werden und wonach das Modul verschlossen wird. Dieses Verfahren ist besonders einfach und effizient und kann insgesamt in einem Trockenraum erfolgen, sodass die Herstellung des erfindungsgemäßen Moduls besonders schnell und kostengünstig möglich ist. Insbesondere im Vergleich zu herkömmlichen Modulen, insbesondere Lithium-Ionen-Batteriemodule aus Batterieeinzelzellen, ist die Herstellung sehr viel einfacher und kann sehr schnell durchgeführt werden. Durch den Verzicht auf zusätzliche Gehäuse der Batterieeinzelzellen lässt sich außerdem Gewicht einsparen, sodass die Leistungsdichte eines solchen Moduls gegenüber herkömmlichen Batterien gesteigert werden kann.
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Die eingangs genannte Aufgabe der Erfindung wird ferner durch eine Traktionsbatterie gemäß Anspruch 9 gelöst. Eine vorteilhafte Weiterbildung ist im abhängigen Unteranspruch angegeben.
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Die erfindungsgemäße Traktionsbatterie, welche für ein zumindest teilweise elektrisch angetriebenes Fahrzeug vorgesehen ist, ist aus wenigstens einem der Module nach einer der oben genannten Ausführungsvarianten aufgebaut. Insbesondere beim Einsatz für Traktionsbatterien in Fahrzeugen, bei denen die Leistungsdichte eine entscheidende Rolle spielt, um eine möglichst große Reichweite beziehungsweise eine möglichst große Reichweite einer rein elektrischen Fahrt eines Hybridfahrzeugs gewährleisten zu können, ist der Aufbau aus den erfindungsgemäßen Modulen von besonderem Vorteil. Dabei kann prinzipiell ein einziges Modul mit einer entsprechend großen Anzahl an Elektrodenanordnungen, typischerweise zwischen 30 und 150 Stück, vorgesehen sein.
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In einer besonders günstigen und vorteilhaften Weiterbildung der Traktionsbatterie ist es vorgesehen, dass diese so aufgebaut ist, dass sie aus wenigstens zwei Modulen in der erfindungsgemäßen Ausgestaltung besteht, wobei jedes der Module wenigstens sechs Speicherzellen umfasst. Dieser modulare Aufbau der Traktionsbatterie kann von entscheidendem Vorteil sein wenn es darum geht, bestehende Bauräume in Fahrzeugen auszunutzen. Aufgrund des modularen Aufbaus ist man nicht gezwungen, die Batterie in einem einzigen Bauvolumen unterzubringen, sondern kann diese über mehrere kleine Bauvolumina verteilen. Wenn jedes der einzelnen Module dabei in der erfindungsgemäßen Art aufgebaut ist und wenigstens sechs Speicherzellen umfasst, entsteht so insgesamt dennoch ein sehr kostengünstiger und im Hinblick auf das Packing in dem Fahrzeug sehr effizienter Aufbau, da auch jedes einzelne Modul die oben genannten Vorteile hat und darüber hinaus eine bestmögliche Ausnutzung von vorhandenem Bauraum möglich ist, ohne dass die Fahrzeugarchitektur hierfür verändert werden müsste.
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Weitere vorteilhafte Ausgestaltungen des erfindungsgemäßen Moduls sowie des Verfahrens zu seiner Herstellung werden aus dem Ausführungsbeispiel deutlich, welches nachfolgend unter Bezugnahme auf die Figuren näher beschrieben ist.
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Dabei zeigen:
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1 eine Prinzipskizze der Einzelelemente eines erfindungsgemäßen Moduls;
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2 das erfindungsgemäße Modul in einem montierten Zustand; und
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3 das erfindungsgemäße Modul in einem montierten Zustand mit Anschlusselementen für einen Niedervoltanschluss.
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In der Darstellung der 1 ist ein gemeinsames Gehäuse 1 in einer Prinzipdarstellung zu erkennen. Das gemeinsame Gehäuse 1 ist im hier vorliegenden Fall quaderförmig ausgebildet und soll, wie aus der Prinzipdarstellung der 1 zu erkennen ist, nach oben offen ausgebildet sein. Das Gehäuse 1 weist außerdem Trennwände 2 auf, welche insbesondere eine deutlich geringere Wandstärke aufweisen als die Außenwände des gemeinsamen Gehäuses 1. Die Trennwände 2 sind dabei insbesondere so angeordnet, dass sie das gemeinsame Gehäuse 1 in vorliegend neun taschenartige Abschnitte bzw. Kammern unterteilen. In der 1 ist außerdem prinzipmäßig angedeutet eine Elektrodenanordnung 3 zu erkennen, welche in diesem Fall als aufgewickelte Anordnung von Anodenfolien, Separatorfolien und Kathodenfolien ausgebildet sein soll. Diese aufgewickelte Elektrodenanordnung 3 wird häufig auch als Zellwickel 3 bezeichnet.
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In der Darstellung der 2 ist das Gehäuse 1 nochmals in einem ebenfalls geöffneten Zustand zu erkennen. Die einzelnen Zellwickel 3 sind dabei jeweils in die taschenartigen Kammern zwischen den Trennwänden 2 des Gehäuses 1 eingefügt worden. Da die Zellwickel 3 trotz der mechanisch sehr labilen einzelnen Folien insgesamt eine relativ hohe mechanische Festigkeit aufweisen, können diese einzelnen in die zwischen den Trennwänden 2 liegenden Kammern des Gehäuses 1 eingepresst werden. Dies erfolgt insbesondere so, dass die Zellwickel 3 die untereinander verbundenen Kammern so gegeneinander abdichten, dass hier kein Austausch eines Elektrolyts, welcher später noch eingefüllt werden wird, auftreten kann, da ein solcher Austausch von Elektrolyt über mehrere Zellwickel 3 hinweg zu Spannungen von mehr als 4 V in dem Elektrolyten führen könnte, welche diesen oxidieren. Die einzelnen mit den Zellwickeln 3 versehenen Kammern zwischen den Trennwänden 2 des Gehäuses 1 werden dann elektrisch miteinander kontaktiert, beispielsweise durch eine Reihenschaltung, wie es in der Darstellung der 2 durch die Verbindungen 4 angedeutet ist. Insgesamt entsteht durch das elektrische Verbinden der einzelnen Zellwickel 3 über die elektrischen Verbindungen 4 eine Reihenschaltung, sodass an dem Gehäuse 1 an lediglich zwei elektrischen Polen 5, 6, einem Pluspol und einem Minuspol, die Gesamtspannung des entstandenen Moduls 7 abgegriffen werden kann. Durch den Verzicht auf eigenständige Batterieeinzelzellen mit einem eigenen Gehäuse und stattdessen dem Einbau der einzelnen Zellwickel 3 in ein gemeinsames Gehäuse 1 entsteht ein sehr kompakter und kostengünstiger Aufbau, welcher sehr einfach in der Herstellung ist, da das Einbringen der Zellwickel 3 in das Gehäuse sowie das Verbinden der Zellwickel innerhalb des Gehäuses bereits den gesamten Montageaufwand für das Modul 7 darstellt. Das Gehäuse 1 wird anschließend lediglich mit dem Elektrolyten gefüllt und die Speicherzellen, welche sich aus den einzelnen Elektrodenanordnungen 3 bilden, werden entsprechend formatiert. Das Gehäuse 1 muss dann noch verschlossen werden, um ein fertiges Modul 7 zur Verfügung zu haben. Je nach Anzahl der Elektrodenanordnungen beziehungsweise Zellwickel 3 in dem Gehäuse 1 entsteht so ein Modul 7, welches eigenständig verwendet werden kann oder welches in Kombination mit weiteren Modulen 7 insgesamt zu einer noch größeren Batterie beispielsweise zu einer Traktionsbatterie für ein zumindest teilweise elektrisch angetriebenes Fahrzeug zusammengefügt werden kann. Der Aufwand hinsichtlich des Materials, des Gewichts und des Bauraums lässt sich so ebenso optimieren, wie der Aufwand hinsichtlich der Herstellung. Insgesamt entsteht damit ein sehr kompaktes Modul 7 mit hoher Leistungsdichte und geringen Herstellungskosten.
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In der Darstellung der 3 sind neben den beschriebenen Elementen, in diesem Fall in einer Prinzipdarstellung eines geschlossenen Moduls 7, außerdem Niedervoltkontaktierungen 8 beziehungsweise Schwachstromanschlüsse 8 zu erkennen. Diese können dazu dienen, die einzelnen Zellwickel 3 mit einem Batteriemanagementsystem zu verbinden. Ein solches Batteriemanagementsystem kann beispielsweise in Form einer Platine aufgebaut sein, welche innerhalb oder außerhalb des gemeinsamen Gehäuses 1 oberhalb der Zellwickel 3 angeordnet ist. Es kann über entsprechende Kontakte, welche auf der einen Seite der Zellwickel 3 aufliegen beziehungsweise auf diese aufgedrückt werden, mit diesen verbunden sein. Wenn die Zellwickel 3 auf ihrer anderen Seite, beispielsweise unten in dem Gehäuse 1 auf einem Stanzgitter aufstehen, dann kann durch eine Verbindung der Platine des Batteriemanagementsystems mit diesem Stanzgitter ein elektrischer Kontakt in dem Batteriemanagementsystem mit jeder einzelnen Speicherzelle beziehungsweise jedem einzelnen Zellwickel 3 realisiert werden. Dadurch lassen sich Messungen, beispielsweise von einzelnen Zellspannungen, realisieren. Das Batteriemanagementsystem kann so insbesondere für den Ausgleich der Spannungen unter den einzelnen Speicherzellen sorgen, um so insbesondere für eine gleichmäßige Alterung der Speicherzellen beziehungsweise Elektrodenanordnungen 3 zu sorgen.
