DE102011076981A1 - Batteriesystem, Kraftfahrzeug mit diesem Batteriesystem und Verfahren zur Herstellung einer Betriebsbereitschaft bei einem Kraftfahrzeug mit diesem Batteriesystem - Google Patents

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Abstract

Es wird ein Batteriesystem (10) umfassend wenigstens ein Batteriemodul (16) vorgeschlagen, wobei das Batteriesystem (10) ferner eine Andockstation (12) umfasst, an der das wenigstens eine Batteriemodul (16) separat entnehmbar angeordnet ist. Bevorzugt weist die Andockstation Versorgungs- und oder Leistungsanschlüsse für das Batteriesystem (10) auf.

Description

  • Die vorliegende Erfindung betrifft ein Batteriesystem aus mehreren Untereinheiten und ein Kraftfahrzeug mit diesem Batteriesystem sowie ein Verfahren zur Herstellung einer Betriebsbereitschaft bei einem Kraftfahrzeug mit diesem Batteriesystem.
  • Stand der Technik
  • Es ist bekannt, Batteriesysteme aus mehreren Untereinheiten aufzubauen. Eine einzelne Untereinheit ist dabei wenigstens aus einer einzelnen Speicherzelle gebildet. Eine einzelne Untereinheit kann auch mehrere zu einem Batteriemodul zusammengefasste Speicherzellen oder mehrere derartige Batteriemodule zusammengefasst zu einem Batteriepack aufweisen. Demnach besteht ein Batteriesystem aus mindestens zwei miteinander verschalteten Speicherzellen.
  • Ein Batteriesystem als Teil eines Antriebssystems eines Kraftfahrzeugs zu verwenden, ist ebenfalls bekannt. Um dem Batteriesystem dabei Energie aus einer fahrzeugexternen Quelle zuzuführen, sind im Wesentlichen zwei Konzepte bekannt. In einem ersten Konzept ist das Batteriesystem fest im Kraftfahrzeug verbaut und verbleibt während eines Aufladevorgangs im Kraftfahrzeug. Für die Dauer der Aufladezeit steht das Kraftfahrzeug dann nicht zum Gebrauch zur Verfügung. In einem zweiten Konzept ist das Batteriesystem so ausgeführt, dass alle Speicherzellen in einem einzigen Batteriepack zusammengefügt sind, der dem Kraftfahrzeug entnehmbar angeordnet ist. Durch einen Austausch des entladenen Batteriepacks gegen einen baugleichen aufgeladenen Batteriepack ist das Kraftfahrzeug in kurzer Zeit wieder einsatzbereit, jedoch weist ein derartiger Batteriepack erhebliches Volumen und Gewicht auf. Zudem birgt die hohe Spannung des Batteriepacks beim Austausch Gefahren in sich.
  • Offenbarung der Erfindung
  • Erfindungsgemäß wird ein Batteriesystem zur Verfügung gestellt, welches wenigstens ein Batteriemodul bestehend aus wenigstens einer Speicherzelle und eine Andockstation umfasst, an der das wenigstens eine Batteriemodul separat entnehmbar angeordnet ist. Bevorzugt sind die Speicherzellen dabei Lithium-Ionen-Zellen.
  • Die Batteriemodule bilden damit einzeln entnehmbare Untereinheiten des Batteriesystems. Diese Anordnung in Batteriemodule ermöglicht es vorteilhaft, einzelne Batteriemodule des Batteriesystems separat zu entnehmen beziehungsweise das erfindungsgemäße Batteriesystem mit einer variablen Anzahl von Batteriemodulen zu betreiben.
  • Die separate Handhabung der einzelnen Batteriemodule vereinfacht einen Austausch entladener oder defekter Speicherzellen, da nicht alle Speicherzellen in einer einzigen Einheit angeordnet sind. So sind beim Austausch vorteilhaft nur ein geringeres Volumen und ein geringeres Gewicht zu berücksichtigen. Zudem weisen die einzelnen Batteriemodule jeweils eine geringere Spannung auf, als das gesamte System. Dadurch ist Stromunfällen vorteilhaft vorgebeugt. In bevorzugter Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Batteriesystems ist daher vorgesehen, dass die einzelnen Batteriemodule eine Nennspannung von weniger als 60 Volt aufweisen.
  • Da nicht alle Speicherzellen in einem einzigen Batteriemodul angeordnet sind, führt ein Defekt einer Speicherzelle nicht unweigerlich zur Notwendigkeit eines Austausches aller Speicherzellen.
  • In einer bevorzugten Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Batteriesystems ist vorgesehen, dass die Andockstation elektrische Leiter aufweist und die an der Andockstation angeordneten Batteriemodule elektrisch miteinander über die Andockstation verschaltet sind.
  • Zusätzliche Anordnungen zur elektrischen Verschaltung der Batteriemodule können hiermit vorteilhaft entfallen. Die Andockstation weist dazu bevorzugt entsprechende Leiterbahnen und Schalteinrichtungen auf.
  • In einer weiteren bevorzugten Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Batteriesystems ist vorgesehen, dass die Batteriemodule identische Bauformen aufweisen.
  • Hiermit ist vorteilhaft der Einbau eines jeden Batteriemoduls an jeder Stelle des Andockbereichs der Andockstation möglich. Es ist somit vorteilhaft ein modulares System geschaffen, in dem die Anzahl der Gleichteile erhöht ist und die unterschiedlicher Teile verringert.
  • In einer weiteren bevorzugten Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Batteriesystems ist vorgesehen, dass die Andockstation wenigstens zwei Andockplätze aufweist und die Batteriemodule jeweils an einem Andockplatz anzuordnen oder angeordnet sind und der Andockplatz Versorgungsanschlüsse und/oder Leistungsanschlüsse aufweist und die Versorgungsanschlüsse und/oder Leistungsanschlüsse mit modulseitigen Versorgungs- und/oder Leistungsanschlüssen der Batteriemodule in Wirkverbindung bringbar oder in Wirkverbindung sind.
  • Hiermit ist vorteilhaft die gesamte Anbindung der Batteriemodule an die Andockstationen ermöglicht, ohne zusätzliche Verbindungssysteme einsetzen zu müssen. Zudem können bei einer Montage beziehungsweise Demontage der Batteriemodule zusätzliche Arbeitsschritte entfallen.
  • In einer weiteren bevorzugten Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Batteriesystems ist vorgesehen, dass die Batteriemodule jeweils eine Kühlplatte und als Versorgungsanschlüsse Modulkühlmittelanschlüsse aufweisen und die Andockplätze der Andockstation dazu jeweils passgemäße Kühlmittelanschlüsse aufweisen.
  • Hiermit ist die Temperierung der einzelnen Batteriemodule vorteilhaft möglich, und zusätzliche Temperierungseinrichtungen können entfallen. Zudem können bei einer Montage beziehungsweise Demontage der Batteriemodule zusätzliche Arbeitsschritte entfallen.
  • In einer weiteren bevorzugten Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Batteriesystems ist vorgesehen, dass die Batteriemodule als Versorgungsanschluss jeweils wenigstens einen Modulentgasungsanschluss aufweisen und die Andockplätze der Andockstation dazu jeweils wenigstens einen passgemäßen Entgasungsanschluss aufweisen.
  • Hiermit ist das Ableiten der Ausgasungen der einzelnen Batteriemodule vorteilhaft möglich, und zusätzliche Entgasungseinrichtungen können entfallen. Zudem können bei einer Montage beziehungsweise Demontage der Batteriemodule zusätzliche Arbeitsschritte entfallen.
  • In einer weiteren bevorzugten Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Batteriesystems ist vorgesehen, dass die Batteriemodule als Versorgungsanschluss jeweils wenigstens einen Modulsteuerungsanschluss aufweisen und die Andockplätze der Andockstation dazu jeweils wenigstens einen passgemäßen Steuerungsanschluss aufweisen.
  • Hiermit ist die Steuerung und Überwachung der einzelnen Batteriemodule vorteilhaft möglich. Zudem können bei einer Montage beziehungsweise Demontage der Batteriemodule zusätzliche Arbeitsschritte entfallen. Alternativ ist auch eine Überwachung und/oder Steuerung per Funk vorgesehen.
  • In einer weiteren bevorzugten Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Batteriesystems ist vorgesehen, dass die Batteriemodule Verbindungselemente zur Anordnung weiterer Batteriemodule aufweisen.
  • Hiermit ist vorteilhaft die Möglichkeit für eine einfache Anordnung weiterer Batteriemodule geschaffen beziehungsweise können benachbarte Batteriemodule mittels der Verbindungselemente zusätzlich fixiert werden.
  • In einer weiteren bevorzugten Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Batteriesystems ist vorgesehen, dass die Andockstation Fixiermittel zur reversiblen Fixierung der Batteriemodule umfasst.
  • Hiermit ist es vorteilhaft ermöglicht, die Batteriemodule werkzeugfrei zu montieren beziehungsweise zu demontieren. Das erleichtert einen Austausch der Batteriemodule.
  • Bevorzugt sind hierzu Steckverbindungen, Rasteinrichtungen, Klickvorrichtungen, Klemmvorrichtungen, Verspannungsvorrichtungen oder Schienensysteme vorgesehen.
  • Erfindungsgemäß wird weiterhin ein Kraftfahrzeug mit der erfindungsgemäßen Batterie in den zuvor genannten Ausgestaltungen bereitgestellt, wobei die Batterie mit einem Antriebssystem des Kraftfahrzeugs verbunden ist.
  • Die Vorteile des erfindungsgemäßen Batteriesystems als Bauteil kommen so auch dem Kraftfahrzeug als Baugruppe zugute. Das Kraftfahrzeug kann zudem mit einer Garnitur von Batteriemodulen betrieben werden, während eine weitere Garnitur von Batteriemodulen stationär geladen wird. So können vorteilhaft längere Standzeiten des Kraftfahrzeugs vermieden werden.
  • In einer bevorzugten Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Kraftfahrzeugs ist vorgesehen, dass das Kraftfahrzeug mit einer Mindestanzahl von Batteriemodulen betreibbar ist und die Mindestanzahl kleiner ist, als eine Maximalanzahl der an die Andockstation gleichzeitig anschließbaren Batteriemodule ist.
  • Hiermit ist es vorteilhaft ermöglicht, die Andockstation für mehr Batteriemodule auszulegen, als ab Werk mit ausgeliefert werden. Durch Nachkauf oder Miete weiterer Batteriemodule können die Leistung und die Reichweite des Kraftfahrzeugs bedarfsgerecht erhöht werden. So ist vorteilhaft ein günstigerer Grundpreis des Kraftfahrzeugs zu realisieren.
  • Erfindungsgemäß wird weiterhin ein Verfahren zur Herstellung einer Betriebsbereitschaft bei einem Kraftfahrzeug mit einem Batteriesystem in den zuvor genannten Ausgestaltungen bereitgestellt. Dabei werden entladene oder defekte Batteriemodule einzeln aus der Andockstation entnommen und ersetzt.
  • Vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung sind in den Unteransprüchen angegeben und in der Beschreibung ausgeführt.
  • Der Begriff Batteriesystem schließt in dieser Anmeldung auch Batterien, Akkumulatoren, Akkumulatorbatterien, Akkumulatorsysteme, insbesondere Lithium-Ionen-Systeme oder Lithium-Polymer-Ionen-Systeme mit ein.
  • Zeichnungen
  • Die vorliegende Erfindung wird anhand der Zeichnungen und der nachfolgenden Beschreibung näher erläutert. Es zeigen:
  • 1 den schematischen Grundaufbau eines erfindungsgemäßen Batteriesystems,
  • 2 eine Detailansicht eines Batteriemoduls des erfindungsgemäßen Batteriesystems.
  • Ausführungsformen der Erfindung
  • Im Folgenden wird ein Batteriesystem beschrieben, welches als kleinste Untereinheit eine Energiespeicherzelle aufweist. Mehrere in einer Richtung angeordnete Speicherzellen werden dabei zu Batteriemodulen konstruktiv zusammengefasst. Mehrere Batteriemodule können wiederum konstruktiv zu einem Batteriepack zusammengefasst werden.
  • In 1 ist beispielhaft und nicht beschränkend der schematische Grundaufbau eines erfindungsgemäßen Batteriesystems 10 gezeigt. Das Batteriesystem 10 weist wenigstens eine Andockstation 12 mit einem Andockbereich 22 auf. Der Andockbereich weist erfindungsgemäß wenigstens zwei Andockplätze 42 zur Aufnahme einzelner Batteriemodule 14 auf. Die beispielhaft in 1 gezeigte Ausführung verfügt über zwölf Andockplätze 42, von denen fünf nicht belegt sind. An sieben der Andockplätze 42 sind Batteriemodule 16 angeschlossen.
  • Ein Batteriemodul 16 stellt in dieser Erfindung eine für sich austauschbare Einheit dar. Dabei weisen alle Batteriemodule 16 des Batteriesystems 10 bevorzugt eine standardisierte Bauform auf. Zudem ist ein Batteriemodul 16 bevorzugt mit einer Kühlplatte 20 versehen, durch welche zur Temperierung der Speicherzellen 18 ein Kühlmittel geleitet werden kann und den Speicherzellen 18 damit bevorzugt Wärme entzogen oder auch zugeführt werden kann.
  • Die Batteriemodule 16 des Batteriesystems 10 umfassen erfindungsgemäß wenigstens eine prismatische Speicherzelle 18. In 1 wird ein Batteriepack 14 aus mehreren Batteriemodulen 16 gebildet, wobei jedes Batteriemodul 16 jeweils rein beispielhaft und nicht beschränkend aus sechs miteinander verschalteten Speicherzellen 18 gebildet wird. Ein Batteriemodul 16 kann dabei erfindungsgemäß auch mehr oder weniger als sechs Speicherzellen 18 aufweisen. Die Anzahl der Speicherzellen 18 richtet sich nach den geforderten Leistungs- und Energieparametern des Batteriemoduls 16 und den Leistungs- und Energieparametern der einzelnen Speicherzellen 18. Auch die Anzahl der Batteriemodule 16 richtet sich nach den geforderten Leistungs- und Energieparametern des Batteriepacks 14 und den Leistungs- und Energieparametern der einzelnen Batteriemodule 16. Die Anzahl der Batteriepacks 14 richtet sich entsprechend nach den geforderten Leistungs- und Energieparametern des gesamten Batteriesystems 10.
  • Die Andockstation 12 weist einen Andockbereich 22 auf, an dem die Batteriemodule 16 angeordnet sind. In diesem Andockbereich 22 ist pro Batteriemodul 16 ein Andockplatz 42 mit Versorgungs- und Leistungsanschlüssen vorgesehen. Bevorzugt sind dabei wenigstens ein Entgasungsanschluss 24 zum Ableiten von Ausgasungen des angeschlossenen Batteriemoduls 16, ein Steuerungsanschluss 26 zur Steuerung und Überwachung des angeschlossenen Batteriemoduls 16, Leistungsanschlüsse 28 zur Entnahme oder Einbringung elektrischer Energie des angeschlossenen Batteriemoduls 16 und Kühlmittelanschlüsse 30 zur Versorgung des angeschlossenen Batteriemoduls 16 mit Kühlmittel angeordnet.
  • Die Andockstation 12 weist entsprechende Versorgungs- und Leistungsleitungen auf, die in den jeweiligen Anschlüssen münden. So sind bevorzugt in der Andockstation 12 elektrische Leitungen zum elektrischen Verschalten der Batteriemodule 16 miteinander angeordnet. Zudem weist die Andockstation 12 bevorzugt Kühlmittelleitungen, Entgasungsleitungen und Steuerungsleitungen auf. Alternativ kann eine Steuerung und Überwachung der einzelnen angeschlossenen Batteriemodule 16 erfindungsgemäß auch durch eine Signalübertragung per Funk erfolgen. Die Andockstation 12 ist dabei bevorzugt mit einem Antriebssystem eines Kraftfahrzeugs wirksam verbunden.
  • Die in 1 gezeigte Andockstation 12 weist zwölf Andockplätze 42 zur Anordnung für zwölf Batteriemodule 16 auf. Die Maximalanzahl der an der Andockstation 12 anzuordnenden Batteriemodule 16 ist damit hier beispielhaft auf zwölf begrenzt. Von den zwölf Andockplätzen 42 sind in 1 beispielhaft sieben belegt. Das heißt, an sieben Andockplätzen 42 ist ein Batteriemodul 16 angeschlossen. Das erfindungsgemäße Batteriesystem 10 ist bei einer Anwendung insbesondere als Leistungsbatterie in einem Kraftfahrzeug bevorzugt so ausgelegt, dass die geforderten Leistungs- und Energieparameter des Batteriesystems mit einer Mindestanzahl an Batteriemodulen 16 erreicht sind. Die Mindestanzahl ist dabei bevorzugt kleiner als die Maximalanzahl. Erfindungsgemäß kann das Batteriesystem auch mehrere Andockstationen 12 umfassen.
  • Die an die Andockstation 12 angeschlossenen Batteriemodule 16 sind bevorzugt über eine Steckverbindung, Rasteinrichtungen, Klickvorrichtung, Klemmvorrichtung, Verspannungsvorrichtung oder ein Schienensystem mit der Andockstation 12 verbunden.
  • In 2 ist beispielhaft und nicht beschränkend eine Detailansicht eines Batteriemoduls 16 des zuvor beschriebenen erfindungsgemäßen Batteriesystems 10 gezeigt. Abgebildet ist die in montiertem Zustand dem Andockbereich 22 der Andockstation 12 zugewandte Seite des Batteriemoduls 16. Erfindungsgemäß kann das eine Vorder-, Hinter-, Ober- oder Unterseite des Batteriemoduls 16 sein.
  • Die dem Andockbereich 22 der Andockstation 12 zugewandte Seite weist die packseitigen Anschlüsse 34 bis 40 für die in 1 gezeigten andockstationsseitigen Anschlüsse 24 bis 30 auf. Die Packanschlüsse 34 bis 40 sind in ihrer Gestalt und in ihrer Position korrespondierend zu den Anschlüssen 24 bis 30 der Andockstation 12 ausgebildet. So weist ein Batteriepack 14 bevorzugt wenigstens einen Modulentgasungsanschluss 34 zum Ableiten von Ausgasungen, einen Modulsteuerungsanschluss 36 zur Steuerung und Überwachung, Modulleistungsanschlüsse 38 zur Entnahme oder Einbringung elektrischer Energie und/oder Modulkühlmittelanschlüsse 40 zur Versorgung mit Kühlmittel auf.
  • Zusätzlich sind an den Batteriemodulen 16 bevorzugt Verbindungselemente 32 vorgesehen, um weitere Batteriemodule 16 zu positionieren beziehungsweise um sich gegenseitig zu fixieren.
  • Das erfindungsgemäße Batteriesystem 10 ist in allen seinen Ausgestaltungen bevorzugt in einem Kraftfahrzeug implementiert. Bevorzugt als Leistungsbatterie in einem Elektro- oder Hybridfahrzeug.
  • Das Batteriesystem 10 soll hierbei insbesondere extern vom Kraftfahrzeug erzeugte elektrische Energie speichern und diese für den Betrieb des Kraftfahrzeugs zur Verfügung stellen. Das erfindungsgemäße Batteriesystem 10 ist dabei so gestaltet, dass ein Ladevorgang des erfindungsgemäßen Batteriesystems außerhalb des Kraftfahrzeuges stationär stattfinden kann. Während dieses Ladevorgangs kann das Kraftfahrzeug mit anderen bereits geladenen Batteriemodulen 16 betrieben werden. In einem erfindungsgemäßen Verfahren ist dazu vorgesehen, die Batteriemodule 16 einzeln aus der Andockstation 12 zu entnehmen beziehungsweise einzusetzen.

Claims (12)

  1. Batteriesystem (10) umfassend wenigstens ein Batteriemodul (16) bestehend aus wenigstens einer Speicherzelle (18), dadurch gekennzeichnet, dass das Batteriesystem (10) ferner eine Andockstation (12) umfasst, an der das wenigstens eine Batteriemodul (16) separat entnehmbar angeordnet ist.
  2. Batteriesystem (10) nach Anspruch 1, wobei die Andockstation (12) elektrische Leiter aufweist und die an der Andockstation (12) angeordneten Batteriemodule (16) miteinander über die Andockstation (12) elektrisch verschaltet sind.
  3. Batteriesystem (10) nach Anspruch 1 oder 2, wobei die Batteriemodule (16) identische Bauformen aufweisen.
  4. Batteriesystem (10) nach einem der vorherigen Ansprüche, wobei die Andockstation (12) wenigstens zwei Andockplätze (42) aufweist und die Batteriemodule (16) jeweils an einem Andockplatz (42) anzuordnen oder angeordnet sind und der Andockplatz (42) Versorgungsanschlüsse und/oder Leistungsanschlüsse aufweist und die Versorgungsanschlüsse und/oder Leistungsanschlüsse mit modulseitigen Versorgungs- und/oder Leistungsanschlüssen der Batteriemodule (16) in Wirkverbindung bringbar oder in Wirkverbindung sind.
  5. Batteriesystem (10) nach Anspruch 4, wobei die Batteriemodule (16) jeweils eine Kühlplatte (20) und als Versorgungsanschlüsse Modulkühlmittelanschlüsse (40) aufweisen und die Andockplätze (42) der Andockstation (12) dazu jeweils passgemäße Kühlmittelanschlüsse (30) aufweisen.
  6. Batteriesystem (10) nach Anspruch 4 oder 5, wobei die Batteriemodule (16) als Versorgungsanschluss jeweils wenigstens einen Modulentgasungsanschluss (34) aufweisen und die Andockplätze (42) der Andockstation (12) dazu jeweils wenigstens einen passgemäßen Entgasungsanschluss (24) aufweisen.
  7. Batteriesystem (10) nach einem der Ansprüche 4 bis 6, wobei die Batteriemodule (16) als Versorgungsanschluss jeweils wenigstens einen Modulsteuerungsanschluss (36) aufweisen und die Andockplätze (42) der Andockstation (12) dazu jeweils wenigstens einen passgemäßen Steuerungsanschluss (26) aufweisen.
  8. Batteriesystem (10) nach einem der vorherigen Ansprüche, wobei die Batteriemodule (16) Verbindungselemente (32) zur Anordnung weiterer Batteriemodule (16) aufweisen.
  9. Batteriesystem (10) nach einem der vorherigen Ansprüche, wobei die Andockstation (12) Fixiermittel zur reversiblen Fixierung der Batteriemodule (16) umfasst.
  10. Kraftfahrzeug mit einem Batteriesystem (10) nach einem der Ansprüche 1 bis 9, wobei die Andockstation des Batteriesystems (10) mit einem Antriebssystem des Kraftfahrzeugs verbunden ist.
  11. Kraftfahrzeug nach Anspruch 10, wobei das Kraftfahrzeug mit einer Mindestanzahl von Batteriemodulen (16) betreibbar ist und die Mindestanzahl kleiner ist, als eine Maximalanzahl der an die Andockstation (12) gleichzeitig anschließbaren Batteriemodulen (16) ist.
  12. Verfahren zur Herstellung einer Betriebsbereitschaft bei einem Kraftfahrzeug mit einem Batteriesystem (10) nach einem der Ansprüche 1 bis 9, wobei entladene oder defekte Batteriemodule (16) einzeln aus der Andockstation (12) entnommen und ersetzt werden.
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