DE102013013408A1

DE102013013408A1 - Sicheres generisches modulares Batteriesystem

Info

Publication number: DE102013013408A1
Application number: DE102013013408.0A
Authority: DE
Inventors: Jens Bockstette; Achim Kampker; Olaf Elsen; Michael Warflinger
Original assignee: Futavis GmbH
Current assignee: Futavis GmbH
Priority date: 2013-08-07
Filing date: 2013-08-07
Publication date: 2015-03-05
Anticipated expiration: 2033-08-08
Also published as: DE102013013408B4

Abstract

Anordnung eines sicheren generischen modularen Batteriesystems und Verfahren zum kostengünstigen Aufbau desselben. Batterien für Fahrzeuge, Transportmittel, Stationäre Einrichtungen sind kostspielig, da sie aufgrund der Zellvarianz und Anforderungsvarianz individuell sind und gleichzeitig hohe Sicherheitsanforderungen erfüllen müssen. Gesucht ist ein sicheres, kostengünstiges, generisches System, welches es ermöglicht für alle gängigen Batteriezelltypen lediglich durch den Einsatz von Halbzeugen oder Ähnlichem einen Energiespeicher fertigen zu können. Das hier vorgestellte Energiespeichersystem muss demnach die Hochvoltsicherheitsanforderungen während der Montage der Batterie mindestens nach IP2x erfüllen, solange die Batterie eine Gesamtspannung > 60 V erreichen kann. Die gesamte Batterie muss durch kostengünstige Halbzeuge oder Ähnlichem zu fertigen sein, die sich einfach und individuell erweitern lassen, um ein kostengünstiges System zu schaffen. Mögliche Anwendungsgebiete sind Traktionsbatterien für Elektromobile, genauso wie stationäre Batterien, die beispielsweise zur Speicherung von Solarenergie genutzt werden und allgemein alle Gebiete, in denen mobil oder stationär elektrische Energie gespeichert werden soll.

Description

Die Erfindung betrifft Batterien, die aus einer oder mehreren Batteriezellen bestehen, die innerhalb der Batterie zu einem oder mehreren Batteriemodulen zusammengefasst sind. Derartige Batteriemodule umfassen eine oder mehrere elektrische Zellen, die vorzugsweise aus einer galvanischen Zelle bestehen. Die Batterie oder das Batteriemodul findet dabei Anwendung bei Primärbatterien, also nicht wiederaufladbaren Batterien, und bei Sekundärbatterien, also wiederaufladbaren Batterien. Gegebenenfalls sind die Batteriezellen gegeneinander durch beispielsweise Spannbänder oder Zuganker verspannt.
Die Verbindung der Batteriemodule untereinander geschieht teilweise über Hochvoltkabel oder andersartige Verbindungen, wie z. B. Leiterbolzen.
Durch den vielfältigen Einsatz elektrischer Energiespeicher werden unzählige Formen und Größen von Batterien benötigt. Typischerweise wird für jeden Anwendungsfall eine eigene Batteriekonstruktion notwendig, da die Batteriesysteme derzeit in der Regel nicht durch beispielsweise ein durchgängiges modulares Batteriesystem anpassbar oder skalierbar sind.
Zur Montage der Hochvoltverbindungen sind zurzeit diverse aufwendige Schutzmaßnahmen, wie z. B. persönliche Hochvoltschutzkleidung, notwendig, um den Arbeiter vor elektrischem Schlag oder sonstigen Gefahren zu schützen.
Aus der DE 10 2010 013 034 A1 ist bekannt, dass die Spanneinrichtung vorzugsweise Teile des Gehäuses mit nutzt, um eine volumen- und gewichtsoptimierte Konstruktion abzubilden, die die beispielsweise bei der Verspannung entstehenden Kräfte vorteilhaft aufnehmen kann. Ferner ist aus der WO002010086119A1 bekannt, dass Batteriemodule durch die Nutzung von mindestens vier Kontakten (d. h. zwei Anschlüssen aus zwei Polen) untereinander verbunden werden können.
Batterien für Fahrzeuge, Transportmittel, Stationäre Einrichtungen sind kostspielig, da sie aufgrund der Zellvarianz und Anforderungsvarianz individuell sind und gleichzeitig hohe Sicherheitsanforderungen erfüllen müssen. Gesucht ist ein sicheres kostengünstiges generisches System, welches es ermöglicht für alle gängigen Batteriezelltypen lediglich durch den Einsatz von Halbzeugen oder Ähnlichem einen Energiespeicher fertigen zu können.
Das hier vorgestellte Energiespeichersystem muss demnach die Hochvoltsicherheitsanforderungen während der Montage der Batterie mindestens nach IP2x erfüllen, solange die Batterie eine Gesamtspannung > 60 V erreichen kann. Die gesamte Batterie muss durch kostengünstige Halbzeuge oder Ähnlichem zu fertigen sein, die sich einfach und individuell erweitern lassen, um ein kostengünstiges System zu schaffen.
Die Aufgabe wird durch die Gegenstände der unabhängigen Patentansprüche gelöst. Ferner sind in den Unteransprüchen bevorzugte Ausführungsformen und vorteilhafte Weiterbildungen angegeben.
Das System bietet elektrisch sicheren Schutz für den Arbeiter während der Montage bei gleichzeitig hoher systemischer Flexibilität. Zudem werden Baugruppen multifunktional genutzt, was die Kosten senkt und gleichzeitig die Leistungs- und Energiedichte steigert.
Das System wird vorzugsweise rein aus Halbzeugen aufgebaut und kann damit kostensenkend produziert werden.
Die Erfindung wird anhand der nachfolgenden Figuren näher erläutert. Hierin zeigt:
1. ein Batteriemodul sicherer Batteriespannung,
2. zwei Batteriemodule mit Berührschutz zwischen den Modulen, der entfernt wird, sobald die Zugänglichkeit der Hochvoltbereiche nicht mehr gegeben ist,
3. das beispielhafte Fügen von Batteriemodulen sicherer Spannungslage durch umlaufenden Rahmen und durch das Erhitzen und Abkühlen von einer Substanz zur Unterstützung der elektrischen Leitfähigkeit (vorzugsweise Leitkleber, Lötpaste oder ähnliche Systeme) durch elektrischen Kurzschuss über Stromleiter,
4. eine Batterie bestehend aus drei Modulen (ohne Seitenwand und Deckplatte) mit Rahmensystem,
5. eine geschlossene Batterie mit Bodenplatte, umlaufender Seitenwand und Deckplatte.
Bei der Erfindung handelt es sich um ein sicheres System zum Aufbau von Energiespeichern durch einzelne Batteriemodule (1), dadurch gekennzeichnet, dass die Batteriemodule eine sichere Spannungslage aufweisen, wobei die Batteriezellen (2) zwischen mindestens zwei Platten (3) verspannt werden, die über Profile (4), die als Zuganker dienen und elektrisch isoliert miteinander verbunden sind, gehalten werden. Die Profile dienen gleichzeitig der elektrischen Verbindung zu weiteren Batteriemodulen.
Vor der Montage werden die Profile mit Substanzen (vorzugsweise Lötlack, Lötpaste, Leitkleber, o. ä.) beschichtet, die durch entsprechende Behandlung (vorzugsweise Erwärmen mit nachfolgendem Abkühlen, UV-Licht, o. ä.) eine dauerhafte elektrische Verbindung sicherstellen. Zudem wird durch eine nicht leitende Abdeckung (5) der elektrischen Kontakte eine manuelle, potentiell gefährliche Berührung der Kontakte ausgeschlossen.
Die Batteriezellen werden mit Stromschienen verbunden und entsprechende Datenerfassungen implementiert. Weitere Abdeckungen (6) schützen vor Berührung der Batteriekontakte. Während der Batteriemontage werden mehrere Module entsprechend ihrer Verschaltung zueinander ausgerichtet und zusammengeschoben. Die nicht elektrisch leitenden Abdeckplatten (5) werden entfernt, wenn sichergestellt ist, dass die Module derart eng beieinander stehen, so dass der Monteur/in nicht mehr zwischen die Module greifen und einen elektrischen Kontakt manuell berühren kann.
Anschließend werden die Module durch einen äußeren Rahmen (7), der auf einer Bodenplatte aufgebracht ist, oder eine Vorrichtung oder eine sonstige verspannende Einrichtung derart zusammengeführt, dass die bestrichenen Profile aufeinandergedrückt werden und durch die oben erwähnte Behandlung eine elektrisch leitende Verbindung entsteht und so die Batteriezellmodule dauerhaft elektrisch verbunden werden.
Ein Verfahren der Erwärmung ist beispielsweise das Kurzschließen über das Profil (8).
Durch einen oberen Rahmen wird die Querstabilität der Batterie gewährleistet. Der obere Rahmen (9) wird mit Distanzstangen am unteren Rahmen derart verschraubt (10), geschweißt oder durch ähnliche Fügeverfahren auf konstanten Abstand gehalten, sodass die Querstabilität gewährleistet ist.
Auf die Bodenplatte wird eine umlaufende Seitenwand (12) mit zwei oder mehreren Dichtprofilen derart aufgebracht, dass zusammen mit einer Deckplatte (11) ein geschlossenes, mindestens Schutzklasse IP67 genügendes Gehäuse entsteht.
Die gleichzeitige Nutzung der Rahmenelemente als Zuganker und Stromleiter stellt gegenüber dem Stand der Technik eine Neuheit dar. Darüber hinaus bietet das vorgestellte Baukastensystem als weitere Neuheit sicheren Schutz für den Arbeiter während der Montage. Dabei ist die Verbindung der Module durch eine stoff- bzw. kraftschlüssige Verbindung, die im Einbauzustand erfolgt und für die die gegebenenfalls notwendige Energie ebenso im Einbauzustand durch Erwärmung o. ä. eingebracht werden kann, dem gegenwärtigen Stand der Technik nicht bekannt. Durch Erweiterung bereits bekannter Rahmensysteme um die Modularität durch das Baukastenkonzept entsteht ein flexibles Verspannungskonzept, das dem Gedanken eines sicheren generischen modularen Baukastensystems für Energiespeicher insbesondere hinsichtlich der Variantenvielfalt und Kostenminimierung gerecht wird.
Die Erfindung bietet große Vermarktungschancen, da sie die im wachsenden Markt der elektrischen Speichersysteme auftretenden Probleme der Kosten, der großen benötigten Variantenvielfalt und der notwendigen Arbeitssicherheit während der Montage aufgreift und eine Lösung anbietet. Potentielle Projekte bieten sich insbesondere im Themenfeld Elektromobilität; vielfältige andere Anwendungsbereiche, darunter z. B. Systeme zur Speicherung von Solarenergie, sind sowohl im industriellen als auch im privaten Umfeld denkbar und durch die Erfindung abgedeckt.
Bezugszeichenliste

1: Batteriemodul
2: Batteriezelle
3: Modulplatte
4: Profile (des Modulrahmens)
5: Nicht leitende Abdeckung
6: Weitere Abdeckungen
7: Äußerer Rahmen
8: Kurzschluss über Profil (des Modulrahmens)
9: Oberer Rahmen
10: Distanzstange
11: Deckplatte
12: Umlaufende Seitenwand

ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
Diese Liste der vom Anmelder aufgeführten Dokumente wurde automatisiert erzeugt und ist ausschließlich zur besseren Information des Lesers aufgenommen. Die Liste ist nicht Bestandteil der deutschen Patent- bzw. Gebrauchsmusteranmeldung. Das DPMA übernimmt keinerlei Haftung für etwaige Fehler oder Auslassungen.
Zitierte Patentliteratur

DE 102010013034 A1 [0005]
WO 002010086119 A1 [0005]

Claims

Batteriesystem, das zur Speicherung elektrischer Energie genutzt werden kann, wobei mindestens eine Batteriezelle (2) enthalten ist, wobei der Aufbau vorzugsweise derart strukturiert ist, dass mehrere Batteriezellen zu Batteriemodulen (1) zusammengefasst sind und ein Batteriesystem aus mindestens einem Batteriemodul besteht, dadurch gekennzeichnet, dass die seitlichen Rahmenelemente (4) des Batteriemoduls gleichzeitig als Zuganker und elektrische Leiter dienen.
Batteriesystem nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass durch Abdeckungen (5), die entfernt werden, sobald die Zugänglichkeit der Hochvoltbereiche nicht mehr gegeben ist, Schutz vor Hochspannung gewährleistet ist.
Batteriesystem nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass ein flexibles Rahmensystem genutzt wird, wobei die Module durch ein Spannsystem (7) zusammengedrückt werden und die Gesamtstabilität der Batterie durch Verspannung des Rahmensystems selber gewährleistet wird.
Verfahren zum elektrischen Verbinden von Batteriemodulen, dadurch gekennzeichnet, dass zwischen den Batteriemodulen eine elektrische Verbindung hergestellt wird, wobei Systeme zur Unterstützung der elektrischen Leitfähigkeit (vorzugsweise Leitkleber, Lötpaste oder ähnliche Systeme) genutzt werden, wobei die Energie für die gegebenenfalls für den Fügeprozess notwendige Erwärmung der Profile durch eine Öffnung (8) vorzugsweise kleiner gleich 12 mm an den Modulen eingeleitet wird (vorzugsweise durch elektrischen Kurzschluss), wobei durch die vorzugsweise Konstruktion die Schutzklasse mindestens Fingerschutz (IPxxB, IP2x) nicht verletzt wird.