DE102013020369A1

DE102013020369A1 - Batteriemodul für Rundzellen

Info

Publication number: DE102013020369A1
Application number: DE102013020369.4A
Authority: DE
Inventors: Jens Bockstette; Achim Kampker; Olaf Elsen; Michael Warflinger
Original assignee: Futavis GmbH
Current assignee: Futavis GmbH
Priority date: 2013-12-02
Filing date: 2013-12-02
Publication date: 2015-06-03

Abstract

Anordnung eines Batteriemoduls für mindestens eine Rundzelle. Durch die unterschiedlichen Zellanzahlen, -größen und -verschaltungen sind Batteriemodule für Rundzellen einer hohen Variantenvielfalt unterworfen. Gleichzeitig unterliegen sie vielfältigen Randbedingungen, wie z. B. spezielle Anforderungen an die elektrische Isolation und mechanische Belastbarkeit. Gesucht ist eine generische Anordnung eines Batteriemoduls für Rundzellen, die die beschriebene Variantenvielfalt und Komplexität kostengünstig abbilden kann. Das dargestellte Problem wird durch die Nutzung von zwei Halteplatten für die Rundzellen gelöst. Ferner besitzen die Halteplatten charakteristische Aussparungen für die Rundzellen und werden von einem Rahmen, der vorzugsweise aus Halbzeugen besteht, eingefasst, wodurch eine größtmögliche Variabilität erzielt wird. 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 Batteriemodule, die aus einer oder mehreren Rund-Batteriezellen bestehen. Derartige Batteriemodule finden Anwendung bei Primärbatterien, also nichtwiederaufladbaren Batterien, und bei Sekundärbatterien, also wiederaufladbaren Batterien.
Aus der DE 43 26 943 A1 ist bekannt, Rundzellen für Batteriesysteme zu nutzen. Die Rundzellen liegen dabei parallel ausgerichtet in einem gemeinsamen Batteriegehäuse. Ferner wird die elektrische Verschaltung der Röhrenzellen über Cu-Verbinder gelöst. Darüber hinaus ist aus der EP 2 339 672 B1 bekannt, Rundzellen durch Durchgangslöcher mechanisch zu halten.
Der im Patentanspruch 1 angegebenen Erfindung liegt das Problem zugrunde, dass Batteriemodule mit Rundzellen durch variierende Zellgrößen und der anwendungsabhängigen Anzahl der Batteriezellen pro Modul einer hohen Variantenvielfalt unterliegen. Problematisch wird dadurch die kostengünstige Produktion von Batteriemodulen in kleinen und mittleren Stückzahlen.
Gesucht ist daher eine Konstruktionssystematik, die mit kostenminimalen Mitteln alle benötigten Varianten eines Batteriemoduls mit Rundzellen abbilden kann. Konkret wird eine solche Systematik benötigt, die es auf generische Weise mit minimalem Anpassungsaufwand ermöglicht, ohne Werkzeugeinsatz montagegerechte Batteriemodule abzuleiten.
Eine Lösung des Problems wird durch Patentanspruch 1 vorgestellt.
Die mit der Erfindung erzielten Vorteile bestehen insbesondere darin, dass die Konstruktion mit jeweils nur geringem Änderungsaufwand praktisch alle möglichen Zellgrößen und Zellanzahlen pro Modul abdeckt. Dadurch wird eine kostengünstige Herstellung – auch für kleine und mittlere Stückzahlen – möglich. Im Detail kann die vorgestellte Konstruktion durch den Einsatz entsprechender Materialien den Anforderungen eines Batteriemoduls an elektrische Isolation, brandhemmendes Verhalten und minimales Gewicht nachkommen. Durch das vorgestellte Rahmenprinzip werden die auftretenden Kräfte – insbesondere die Kräfte zwischen mehreren Batteriemodulen – über den Rahmen abgeleitet, sodass die Batteriezellen weitestgehend mechanisch entlastet sind. Ferner bietet die Konstruktion die Möglichkeit die Produktion eines Batteriemoduls vollständig zu automatisieren.
Eine vorteilhafte Ausgestaltung der Erfindung ist in Patentanspruch 2 angegeben. Durch die Erreichbarkeit der Schraubkontakte von außen wird die Montage vereinfacht und die Durchführung derselben durch Roboter ermöglicht.
Eine weitere vorteilhafte Ausgestaltung der Erfindung wird in Patentanspruch 3 aufgezeigt. Durch die Nutzung von beispielsweise L- oder T-Profilen wird der benötigte Bauraum für die Rahmenkonstruktion minimiert, die Steifigkeit der Module selber (insbesondere in Kraftwirkungsrichtung) erhöht und durch die hohe Verfügbarkeit von beispielsweise Aluminium-L-Profilen die Material- und Werkzeugkosten gesenkt.
Patentanspruch 4 beschreibt eine vorteilhafte Ausgestaltung, bei der durch die mechanische Entkopplung der Batteriezellen mehrerer Batteriemodule keine Kräfte zwischen mehreren Batteriemodulen über die Zellen geleitet werden.
Eine weitere vorteilhafte Ausgestaltung der Erfindung ist in Patentanspruch 5 angegeben. Dadurch, dass der Rahmen an zwei gegenüberliegenden Seiten heraufgesetzt wird (vgl. 1, 3), wird Bauraum über der Halteplatte für zusätzliche Komponenten, wie z. B. der Slave-Platine oder Einrichtungen für die Niedervoltverkabelung, freigegeben sowie ggf. die Handhabung des Moduls vereinfacht, da der Rahmen gleichzeitig als Griff dienen kann.
Patentanspruch 6 zeigt eine vorteilhafte Ausgestaltung der Erfindung dadurch, dass durch in der Halteplatte integrierte oder an ihr befestigte Verbindungselemente von Batteriezelle zu Batteriezelle die Montage vereinfacht wird bzw. automatisiert werden kann, da die Halteplatte direkt auf die Zellen aufgesetzt werden kann und die Verbindungselemente anschließend ggf. von außen (vgl. Patentanspruch 2) an den Zellpolen befestigt werden können.
Eine weitere vorteilhafte Ausgestaltung der Erfindung ist durch Patentanspruch 7 beschrieben. Die Isolation der Zellkontakte während des Betriebes oder ggf. auch während der Montage wird durch geeignete Kunststoffplatten oder -folien gewährleistet. Die Vorteile dieser Ausgestaltung sind die sichere Funktionserfüllung (Isolation) bei geringer Komplexität der Konstruktion und Montage sowie die geringen Umsetzungskosten.
Ein Ausführungsbeispiel der Erfindung ist in der Zeichnung dargestellt und wird im Folgenden näher beschrieben.
Es zeigen:
1 eine Ausführung des Batteriemoduls (dargestellt ohne obere Isolation),
2 eine Ausführung der Halteplatte des Moduls,
3 eine Ausführung des Batteriemoduls (dargestellt mit der oberen Isolation).
Bei der Erfindung werden die Rundzellen zwischen zwei Platten gehalten (vgl. 1). Die Platten wiederum werden durch die Rahmenkonstruktion gegeneinander verspannt, sodass ein sicherer mechanischer Halt gegeben ist. Besondere Anforderungen an die Halteplatten, die teilweise aus den elektrischen Randbedingungen folgen, können einfach integriert werden; so sind beispielsweise Aussparungen für die Cu-Zellverbinder in der Halteplatte vorgesehen (vgl. 2). Weitere Vorbereitungen, wie z. B. Aussparungen für Temperatursensoren, können gleichsam in die Platte integriert werden ohne den mechanischen Halt der Rundzellen zu beeinträchtigen.
Wie oben angegeben, verspannt der Rahmen die Halteplatten gegeneinander und sichert den mechanischen Halt. Der Rahmen selbst kann verschiedenartig ausgestaltet sein. Vorteilhaft ist die Nutzung von Profilen als Rahmenelemente und die Verschraubung oder Verklebung derselben.
Die besondere Anordnung von Halteplatten und Rahmen stellt gegenüber dem Stand der Technik eine Neuheit dar, dessen Vorteil insbesondere in der Leichtigkeit und dem geringen benötigten Bauraum liegt. Der einfache Aufbau der Halteplatten sichert darüber hinaus eine kostengünstige Herstellung.
Die Erfindung bietet große Vermarktungschancen, da sie die im wachsenden Markt der elektrischen. Speichersysteme auftretenden Probleme der Kosten, der großen benötigten Variantenvielfalt und dem sicheren mechanischen Halt von Rundzellen bei gleichzeitig hohen Anforderungen an die elektrische Isolation 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: Modulrahmen
3: Hochgesetzte Seite des Modulrahmens
4: Batterierundzelle
5: Modulpol
6: Halteplatte (oben)
7: Elektrische Zellverbindung
8: Halteplatte (unten)
9: Aussparung für Zellpole
10: Aussparung für Zylinderflächen der Zellen
11: Aussparung für die äußere Erreichbarkeit der Zellpole
12: Modulisolation

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 4326943 A1 [0002]
EP 2339672 B1 [0002]

Claims

Batteriemodul, das zur Speicherung elektrischer Energie genutzt werden kann, wobei mindestens eine Batteriezelle enthalten ist, dadurch gekennzeichnet, dass die Rundzellen (4) von einer oberen (6) und einer unteren Halteplatte (8), die vorzugsweise jeweils eine Aussparung für den Zylinder (10) einer Rundzelle und jeweils eine (kleinere) Aussparung für die Polgeometrie (9) einer Rundzelle besitzt, gehalten werden.
Batteriemodul nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Pole der Batteriezellen (4) bei montierter Halteplatte (6 bzw. 8) von außen erreichbar sind (11), sodass beispielsweise in dem Fall, dass die Pole der Batteriezellen als Schraubkontakte ausgeführt sind, die Verschraubung von außen erfolgen kann.
Batteriemodul nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Halteplatten (6 bzw. 8) durch eine Rahmenkonstruktion (2), die vorzugsweise aus T- oder L-Profilen besteht, mechanisch eingefasst sind.
Batteriemodul nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass mehrere Batteriemodule über ein Kupferband oder andere elektrische Verbindungselemente, die geeignet sind die Kontakte der Batteriemodule (5) mechanisch zu entkoppeln, verbunden werden.
Batteriemodul nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Rahmen an zwei Seiten des Moduls nach oben versetzt ist (3), um die Kontaktierung mehrerer Module zu vereinfachen oder um die Niedervoltverkabelung zu vereinfachen oder um die manuelle Handhabung des Moduls zu vereinfachen oder um Raum über der Halteplatte (6) für weitere Komponenten wie z. B. der Slave-Platine zu schaffen oder um sonstige gegenüber einem nicht versetzten Rahmen günstigen Effekte zu erzielen.
Batteriemodul nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Halteplatten (6 bzw. 8) Aussparungen für die elektrischen Verbindungselemente von Batteriezelle zu Batteriezelle (7), wie z. B. Kupfer-Busbars, aufweisen, vorzugsweise ausgeführt in der Weise, dass die Verbindungselemente bei der Montage bereits in der Halteplatte befestigt oder integriert sind.
Batteriemodul nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass alle elektrischen Verbindungen durch eine geeignete Isolationsform wie z. B. einer Kunststoffplatte (12) oder -folie vor Berührung geschützt sind, vorzugsweise ausgeführt durch einen abnehmbaren oberen Teil und einen unteren Teil.