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Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf eine Vorrichtung zur Aufnahme von Batteriezellen, im Folgenden auch als Batteriepack bezeichnet, und auf ein Verfahren zur Montage oder Herstellung eines Batteriepacks.
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Batteriepacks werden in vielen verschiedenen elektrisch betriebenen Geräten eingesetzt, insbesondere in Elektrofahrzeugen, in elektrisch angetriebenen Fahrrädern, in akkubetriebenen Werkzeugen, tragbaren Computern und Telefonen usw. In diesen Batteriepacks werden meist wiederaufladbare Zellen eingesetzt. Heutzutage werden in derartigen Batteriepacks wiederaufladbare Batteriezellen auf Lithiumbasis verwendet. Wiederaufladbare Batterien zeichnen sich dadurch aus, dass sie nach einem ersten Entladeprozess wieder erneut aufgeladen werden können. Dies erfordert jedoch eine entsprechende Beschaltung zur Überwachung des Lade- und Entladeprozesses, die beispielsweise durch ein Batteriemanagementsystem übernommen wird. Beim Anschluss der einzelnen Zellen innerhalb eines Batteriepacks ist eine zuverlässige elektrische Verbindung zwischen den Anschlussstrukturen des Batteriepacks und den elektrischen Kontakten der Batteriezelle unerlässlich. Dieser Kontakt muss sowohl während des Betriebs, d.h. unter entsprechenden mechanischen als auch thermischen und elektrischen Belastungen als auch über die gesamte Lebensdauer des elektrischen Gerätes zuverlässig arbeiten.
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Weiter treten insbesondere bei großen Batteriepacks mit mehreren hundert Batteriezellen beim Laden und auch beim Entladen sehr große Ströme an den Anschlussbereichen des Batteriepacks auf. Wo große Ströme fließen, entsteht sehr viel Wärme, deren Übertragung auf die Batteriezellen vermieden werden muss, da Batteriezellen, insbesondere Lithiumionenzellen bei unkontrollierter Wärmezufuhr ausgasen können bzw. auch explodieren können. Daher werden im Stand der Technik verschiedenste Technologien eingesetzt, um eine Wärmeeinwirkung auf die Zellen während der Montage des Batteriepacks als auch während des Lade- und Entladeprozesses zu vermeiden. Für die Vermeidung eines Wärmestaus während des Lade- und Entladeprozesses werden bspw. zusätzliche Kühlungen eingesetzt. Es ist jedoch auch bekannt, die einzelnen Batteriezellen eines Batteriepacks so anzuordnen, dass sie ausreichend belüftet werden, sodass ein Entstehen von Wärme innerhalb des Batteriepacks oberhalb eines zulässigen Werts möglichst vermieden wird. Allerdings muss auch die Wärmeeinwirkung während des Montageprozesses insbesondere während des Verbindungsvorgangs berücksichtigt werden.
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Das Befestigen von Anschlussstrukturen des Batteriepacks an den einzelnen elektrischen Anschlüssen der Zellen wird häufig durch Punktschweißen oder Löten vorgenommen. Dies führt lokal zu sehr hohen Wärmeeinwirkungen auf die einzelnen Zellen, ist jedoch erforderlich, um eine zuverlässige elektrische Verbindung herzustellen. Ein weiterer Aspekt bei der Konstruktion von Batteriepacks ist, dass von den teilweise mehreren hundert Batteriezellen innerhalb eines Batteriepacks während der Betriebsdauer des Batteriepacks einzelne Batteriezellen aufgrund von Inhomogenitäten innerhalb der Zellen ausfallen können, wobei der Ausfall häufig durch einen erniedrigten Innenwiderstand hervorgerufen wird und demzufolge zu einem erhöhten Stromfluss zu den Anschlussstrukturen des Batteriepacks führt. Dieser erhöhte Stromfluss kann zu einer unkontrollierten Wärmeentwicklung in der Zelle und auch bei den benachbarten Zellen führen, was zu einer Kettenreaktion führen kann, sodass das ganze Batteriepack unkontrollierbar ausgast bzw. explodiert. Um derartige Einflüsse zu vermeiden, ist ein Batteriepack erforderlich, welches einfach herstellbar ist und durch seine Konstruktion eines oder mehrere der oben benannten Probleme vermeidet.
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Aufgabe der Erfindung ist es deshalb, ein Batteriepack anzugeben, welches einfach herstellbar ist, eine ausreichende Wärmeabfuhr während der Montage und während des Betriebs des Batteriepacks, eine zuverlässige elektrische Verbindung zwischen den Anschlussstrukturen und den Anschlusskontakten der Batteriezellen bereitstellt, als auch den Ausfall einer einzelnen Batteriezelle verkraftet.
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Die Aufgabe wird durch die Merkmale der unabhängigen Ansprüche gelöst.
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Die Erfindung basiert auf der Idee, in einem Batteriepack eine Anschlussstruktur und entsprechende elektrische Verbindungen zu den Anschlusskontakten der Batteriezellen bereitzustellen, die einerseits beim Laden eine gleichmäßige Verteilung des Ladestroms erlauben und beim Entladen den hohen Stromfluss der vielen einzelnen Batteriezellen zuverlässig zu Anschlussbereichen befördern, ohne die einzelnen Batteriezellen übermäßig mit Wärme zu belasten. Darüber hinaus wird durch die erfindungsgemäße Verbindung zwischen den elektrischen Anschlusskontakten der Batteriezellen und der Anschlussstruktur sichergestellt, dass im Falle eines Fehlers oder Ausfalls einer einzelnen Batteriezelle und eines extrem hohen Stroms durch den Fehlerfall eine zuverlässige Entkopplung der einzelnen Batteriezellen sichergestellt wird.
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Gemäß einer Lösung der obigen Aufgabe umfasst ein Batteriepack wenigstens zwei Batteriezellen. Jede Batteriezelle hat dabei einen elektrisch positiven und einen elektrischen negativen Anschlusskontakt. Den elektrisch positiven Anschlusskontakten der Batteriezellen ist jeweils eine erste Anschlussstruktur zugeordnet und den elektrisch negativen Anschlusskontakten der Batteriezellen ist eine zweite Anschlussstruktur zugeordnet. Da die Batteriezellen innerhalb des Batteriepacks beim Laden einen Strom empfangen, der vom Batteriemanagementsystem oder vom Ladegerät gesteuert wird, und beim Entladen einen hohen Strom abgeben, der durch die Lastanforderung bestimmt wird, weist jede Anschlussstruktur eine Stromfestigkeit auf, die der Summe der Einzelströme der angeschlossenen Batteriezellen des Batteriepacks entspricht. Die elektrische Verbindung zwischen der ersten Anschlussstruktur und den jeweiligen elektrisch positiven Anschlusskontakten der im Batteriepack enthaltenen Batteriezellen und zwischen der zweiten Anschlussstruktur und den jeweiligen elektrisch negativen Anschlusskontakten der im Batteriepack enthaltenen Batteriezellen wird jeweils durch ein Anschlusselement bereitgestellt. Dabei ist jeder der Anschlusskontakte jeder Batteriezelle entsprechend mit wenigstens einem Anschlusselement verbunden, wobei jedes Anschlusselement mit der zugeordneten Anschlussstruktur verbunden ist. D.h. die Stromfestigkeit der Anschlussstruktur ist wesentlich größer als die Stromfestigkeit des jeweiligen Anschlusselements.
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Erfindungsgemäß ist der Querschnitt des Anschlusselements, welches die elektrische Verbindung zwischen dem elektrischen Anschluss der Batteriezelle und der Anschlussstruktur herstellt, an einen vorbestimmten Maximalstrom einer einzelnen Batteriezelle angepasst. Dadurch wird sichergestellt, dass beim Entladen nur ein maximal vordefinierter oder zulässiger Strom durch die Batteriezelle fließen kann, da bei einem höheren Strom, der insbesondere im Fehlerfall durch einen niedrigen Innenwiderstand der Batteriezelle auftreten kann, das Anschlusselement schmilzt und somit eine Entkopplung der betroffenen Batteriezelle aus dem Batteriepack bewirkt. Andererseits wirken die Anschlusselemente mit dem definierten Querschnitt während des Ladeprozesses als Strombegrenzungselement, sodass nur ein begrenzter Strom in die Batteriezelle fließen kann. Dadurch wird eine Gleichverteilung des Stroms oder ein Ausgleich des Stroms erreicht, der zu den Batteriezellen fließt. Es wird verhindert, dass Batteriezellen, die näher an der Stromzuführung liegen, schneller geladen werden oder einen höheren Strom empfangen als Batteriezellen, die von diesem Anschlussbereich weiter entfernt sind.
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Vorzugsweise sind die im Batteriepack befindlichen Batteriezellen in einer Parallelschaltung verschaltet. Das heißt die jeweils positiven oder negativen Anschlusskontakte der Batteriezellen sind jeweils einer Anschlussstruktur zugeordnet. Dadurch wird erreicht, dass sich die elektrisch positiven Anschlusskontakte und die elektrisch negativen Anschlusskontakte jeweils auf einer Seite, beispielsweise der Ober- bzw. Unterseite des Batteriepacks befinden und der Lade- bzw. Entladestrom über eine erste Anschlussstruktur für die elektrisch positiven Anschlusskontakte und eine zweite Anschlussstruktur für die elektrisch negativen Anschlusskontakte zu bzw. abgeführt werden kann.
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In einer weiteren Ausgestaltung ist wenigstens eine Haltestruktur zur Aufnahme der wenigstens zwei Batteriezellen vorgesehen. Mittels dieser Haltestruktur wird eine physikalische Fixierung der Batteriezellen erreicht. Über die Haltestruktur werden die Batteriezellen mechanisch fixiert, sodass an den Anschlusselementen bzw. Anschlussstrukturen möglichst geringe mechanische Haltekräfte wirken und diese nicht unter mechanischer Spannung stehen.
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In einer besonderen Ausgestaltung sind die Batteriezellen als Rundzellen ausgebildet, die einen elektrisch positiven Anschlusskontakt auf einer ersten Stirnseite aufweisen und einen elektrisch negativen Anschlusskontakt auf der gegenüberliegenden Stirnseite aufweisen. Die Erfindung ist jedoch nicht auf derartige Rundzellen eingeschränkt. Es können ebenso Pouchzellen, als auch Flachzellen verwendet werden, die aus mehreren Rundzellen bestehen, wobei die elektrischen Anschlusskontakte der jeweils verwendeten Batteriezellen auch auf der gleichen Seite des Batteriepacks angeordnet sein können. Allerdings ergibt sich dann eine andere Anordnung der Anschlussstrukturen. Gegebenenfalls sind mehrere elektrisch voneinander getrennte Anschlussstrukturen auf einer Seite des Batteriepacks erforderlich.
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In einer weiteren besonderen Ausgestaltung ist eine erste und eine zweite Haltestruktur vorgesehen, die jeweils auf gegenüberliegenden Stirnseiten der Batteriezellen angeordnet sind, sodass jeweils die gegenüberliegenden Stirnseiten der Batteriezellen mit den entsprechenden elektrisch positiven und elektrisch negativen Anschlusskontakten in den beiden Haltestrukturen aufgenommen sind. Dazu weist die Haltestruktur vorzugsweise Aufnahmeöffnungen auf, die zur Aufnahme wenigstens eines Teils der äußeren Form jeder Batteriezelle des Batteriepacks vorgesehen sind. Durch diese Aufnahmeöffnung kann die Batteriezelle während des Montageprozesses in der Haltestruktur aufgenommen werden und wird dort ausreichend gut fixiert, sodass sie ihre Position nicht mehr verändern kann. Während der Befestigung der Anschlusselemente und der Anschlussstrukturen lässt sich die Position der elektrisch positiven und elektrisch negativen Anschlusskontakte somit nicht mehr verändern. Mittels der Ausgestaltung der Haltestruktur ist es ebenso möglich einen Abstand zwischen den einzelnen Batteriezellen zu definieren, in dem ein Abstand zwischen den Aufnahmeöffnungen so gewählt oder ausgebildet wird, dass eine ausreichende Belüftung zwischen den einzelnen Batteriezellen des Batteriepacks möglich ist. Die Aufnahmeöffnungen der ersten und zweiten Haltestrukturen weisen dazu jeweils eine vorbestimmte Tiefe auf, sodass die jeweiligen Batteriezellen dort ausreichend sicher eingesetzt werden können. Dabei ist die Aufnahmeöffnung so ausgestaltet, dass die Batteriezellen nicht herausfallen können. Durch die Aufnahmeöffnung wird somit eine Klemmverbindung bereitgestellt.
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Weiter weist jede der Haltestrukturen mehrere Anschlussöffnungen auf, wobei über bzw. durch die Anschlussöffnungen hindurch eine Kontaktierung der elektrischen Anschlusskontakte der Batteriezellen erfolgt. Dabei ist jede Anschlussöffnung der Haltestruktur einer Aufnahmeöffnung zugeordnet. Das heißt, das Anschlusselement wird durch die Anschlussöffnung zur Aufnahmeöffnung geführt und somit an den elektrischen Anschlusskontakt der Batteriezellen herangeführt. Dazu steht die jeweilige Anschlussöffnung mit der entsprechenden Aufnahmeöffnung in Verbindung. Zwischen der Anschlussöffnung und der Aufnahmeöffnung existiert somit ein Durchgangsloch. Um ein Herausfallen bzw. ein Herausrutschen der Batteriezellen aus der Aufnahmeöffnung in Richtung Anschlussöffnung zu verhindern, ist die Anschlussöffnung kleiner als die Aufnahmeöffnung.
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Darüber hinaus wird durch die kleinere Anschlussöffnung, die nach außen gerichtet ist, gleichzeitig ein mechanischer Schutz der Anschlussseite bzw. des elektrischen Anschlusses der Batteriezelle bereitgestellt, da durch wenigstens einen Vorsprung bzw. einen umlaufenden Rand der Aufnahmeöffnung ein Teil der Stirnseite der Batteriezellen abgedeckt wird und somit eine mechanische Beschädigung des elektrischen Anschlusses bzw. der Isolation der Zelle verhindert werden kann. Über die Stärke des Randes oder Vorsprungs in der Aufnahmeöffnung lässt sich ein Abstand zwischen Aufnahmeöffnung und Anschlussöffnung einstellen. Je größer dieser Abstand ist, desto höher ist die mechanische als auch thermische Sicherung des elektrischen Anschlusskontaktes der einzelnen Batteriezelle.
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Wie oben bereits dargestellt, weist jede Haltestruktur Aufnahmeöffnungen und Anschlussöffnungen auf. Die Anschlussöffnungen sind an einer Anschlussseite der Haltestruktur angeordnet, wobei die Aufnahmeöffnungen an einer Aufnahmeseite der Haltestruktur angeordnet sind. Die Aufnahmeseite mit den Aufnahmeöffnungen dient der Aufnahme der Batteriezellen, wobei die Anschlussseite für den elektrischen Zugang von außen zum elektrischen Anschlusskontakt der Batteriezellen vorgesehen ist. Das heißt, die Anschlussseiten der jeweiligen Haltestrukturen sind beim Batteriepack nach außen gerichtet. Die Aufnahmeseiten der Haltestrukturen sind dabei in Bezug auf das Batteriepack nach innen gerichtet. Das heißt, bei Betrachtung einer einzelnen Haltestruktur liegen sich Aufnahmeseite und Anschlussseite gegenüber und bilden somit eine Ober- und Unterseite der Haltestruktur. Dabei sind die Aufnahmeöffnungen auf der Aufnahmeseite der Haltestruktur angeordnet, um für die Batteriezellen einen strukturellen Halt bereitzustellen.
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Die Anschlussseiten der Haltestrukturen werden jeweils mit den Anschlussstrukturen bedeckt. Somit sind die ersten und zweiten Anschlussstrukturen jeweils auf einer Anschlussseite der ersten und zweiten Haltestruktur angeordnet, wobei die Batteriezellen zwischen der ersten und zweiten Haltestruktur angeordnet sind.
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Zur Zuführung des Ladestroms bzw. zum Abführen des Entladestroms weist jede der Anschlussstrukturen ein Batteriepackanschlussbereich auf. Der Batteriepackanschlussbereich ist dabei an einem Außenrand oder einer Außenkante der Anschlussstruktur angeordnet und steht vorzugsweise von dieser hervor bzw. über die Außenabmessung des Batteriepacks hinaus. Die Batteriepackanschlussbereiche dienen entweder dem Anschluss an ein Ladegerät bzw. an einen Verbraucher. Bei Verschaltung von mehreren Batteriepacks miteinander dienen sie der Verbindung von Batterieanschlussbereichen von mehreren Batteriepacks.
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Um einen gleichmäßigen Stromfluss durch die entsprechenden Anschlussstrukturen zu gewährleisten sind die Batteriepackanschlussbereiche diagonal überliegend bzgl. des Batteriepacks angeordnet. Das heißt ein Batteriepackanschlussbereich auf der elektrisch positiven Seite ist beispielsweise auf der linken oberen Seite angeordnet, wohingegen der Batteriepackanschlussbereich der elektrisch negativen Seite auf der Unterseite des Batteriepacks unten rechts angeordnet ist. Dadurch wird ein gleichmäßiger Stromfluss durch alle im Batteriepack enthaltenen Batteriezellen erreicht und somit eine punktuelle Überhitzung von einzelnen Batteriezellen durch eine ungleichmäßige Stromverteilung vermieden.
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Die Anschlussstrukturen sind aus einem elektrisch leitenden Material hergestellt und sind flächig ausgebildet. Vorzugsweise decken die Anschlussstrukturen die jeweiligen Haltestrukturen fast oder vollständig ab. Durch die flächige Ausbildung der Anschlussstruktur wird eine gleichmäßige Stromverteilung zu allen angeschlossenen Batteriezellen ermöglicht. Über den Querschnitt der Anschlussstruktur und die jeweilige Fläche, d. h. über das für die Leitung des Stroms erforderliche Volumen wird die maximale Stromleitungsfähigkeit definiert. Da in einem derartigen Batteriepack teilweise über hundert Batteriezellen platziert sind und jede Batteriezelle kurzzeitig hohe Ströme zur Verfügung stellen kann, müssen die jeweiligen Anschlussstrukturen eine ausreichend hohe Stromfestigkeit bereitstellen, die der Summe der einzelnen Ströme der einzelnen Batteriezellen entspricht. D. h. über die Anschlussstrukturen fließen im Lade- und insbesondere im Entladeprozess bei einer Maximalanforderung über 100A. Vorzugsweise ist die Anschlussstruktur aus einem Metall ausgebildet. Hier bietet sich eine Verwendung von Kupfer an. Es ist jedoch auch möglich, die Anschlussstruktur aus einem anderen elektrisch leitenden Material herzustellen. Das Anschlusselement, worüber die Verbindung von der Anschlussstruktur zum elektrischen Anschlusskontakt der Batteriezelle hergestellt wird, ist aus einem zweiten anderen Metall hergestellt, beispielsweise aus Nickel oder Aluminium. Hier eignet sich der Einsatz eines Hiluminbandes. Es ist jedoch auch möglich, ein anderes elektrisch leitendes Material für die Anschlusselemente zu verwenden.
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Die Anschlussstruktur weist Kontaktöffnungen auf. Dabei ist jeder Kontaktöffnung eine Anschlussöffnung der Haltestruktur zugeordnet. Vorzugsweise entsprechen die jeweiligen Kontaktöffnungen den zugeordneten Anschlussöffnungen, wobei es auch möglich ist, dass die Kontaktöffnung größer bzw. kleiner als die Anschlussöffnung der entsprechenden Haltestruktur ist. Somit gibt die Kontaktöffnung die jeweilige Anschlussöffnung der Haltestruktur und somit den darunter positionierten elektrischen Anschlusskontakt der jeweiligen Batteriezelle frei. Daher kann die Anschlussstruktur mittels des Anschlusselements durch die Anschlussöffnung hindurch in die Aufnahmeöffnung zum elektrischen Anschlusskontakt der Batteriezelle kontaktiert werden. Die Anschlussöffnungen können beliebige Formen aufweisen, vorzugsweise sind diese wie die Kontaktöffnungen im Wesentlichen rund ausgebildet.
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Die Anschlusselemente, die vorzugsweise streifenförmig ausgebildet sind, werden mittels eines Fügeverfahrens an der Anschlussstruktur befestigt und ragen jeweils in die entsprechende Kontaktöffnung hinein. Als besonders vorteilhaftes Verbindungsverfahren hat sich ein Reibschweißen bzw. ein Ultraschallschweißen der Anschlusselemente an der jeweiligen Anschlussstruktur bewährt, da bei einem derartigen Verfahren eine ausreichende mechanische und auch elektrische Verbindung zwischen Anschlussstruktur und Anschlusselement erzielt wird. Die Wärmeentwicklung beim Reibschweißen ist wesentlich geringer als bei einem Punktschweißverfahren bzw. einem Lötverfahren. Darüber hinaus, ist es beim Verbinden eines dickeren Materials mit einem dünneren schwierig mit einem Punktschweißverfahren eine zuverlässige mechanische und elektrische Verbindung zu erzielen, da die Energie vom dickeren material absorbiert wird. Beim Reibschweißen hingegen wird bei den zu verbindenden Materialien an den jeweiligen Oberflächen eine flächige Verbindung geschaffen. Dabei werden die beiden zu verbindenden Flächen unter Druck relativ zueinander bewegt, wodurch eine Erwärmung und Plastifizierung des Materials auftritt. Die zu verbindenden Flächen werden dann mit hohem Druck aneinander gepresst. Somit kann eine zuverlässige mechanische als auch elektrische Verbindung auch bei den verschiedenen Materialstärken und verschiedenen Materialien erreicht werden.
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Darüber hinaus ist es vorteilhaft, die Anschlussstrukturen mit den entsprechend verbundenen Anschlusselementen so vorzufertigen, dass diese vor der Montage des Batteriepacks mit den einzelnen Batteriezellen gefertigt werden kann. Nachdem die Anschlussstruktur mit den darauf befestigten Anschlusselementen, die jeweils in die Kontaktöffnungen hineinragen, auf der jeweiligen Haltestruktur platziert ist, lassen sich die elektrischen Verbindungen zwischen den positiven bzw. negativen Anschlusskontakten der jeweiligen Batteriezellen herstellen. Hier ist weiterhin ein Punktschweißen bzw. ein Löten möglich, um eine zuverlässige elektrische Verbindung des elektrischen Anschlusses der Batteriezelle mit den Anschlusselementen zu gewährleisten.
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Das Anschlusselement weist einen Querschnitt auf, der bei einem Strom oberhalb eines maximalen Lade- bzw. Entladestrom schmilzt, wodurch die Verbindung zwischen Anschlussstruktur und Anschlusselement unterbrochen und somit ein weiterer Stromfluss unterbunden wird. Darüber hinaus kann verhindert werden, dass sich eine Zelle im Fehlerfall übermäßig erhitzt und bei einer entsprechenden Kettenreaktion das ganze Batteriepack funktionsunfähig wird und gefährliche Situationen auftreten können.
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Zur thermischen Isolierung kann weiter eine wärmeisolierende Schicht zwischen der Anschlussstruktur und der Haltestruktur angeordnet werden, beispielsweise aus Teflon. Vorzugsweise ist die wärmeisolierende Schicht mit denselben Dimensionen und Öffnungen wie die Anschlussstruktur ausgebildet.
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Über den Querschnitt des Anschlusselements lässt sich beim Laden des Batteriepacks eine gleichmäßige Stromverteilung zu den einzelnen innerhalb des Batteriepacks angeschlossenen Batteriezellen erzielen. Beim Laden des Batteriepacks ist es notwendig, alle Batteriezellen des Batteriepacks gleichmäßig zu laden, d.h. mit der gleichen Stromstärke und nicht, wie im Stand der Technik, die Batteriezellen, die näher am Anschlussbereich des Batteriepacks liegen, stärker zu laden, da sich diese dann übermäßig erwärmen würden und zu unkontrollierbaren Reaktionen führen könnten. Durch die erfindungsgemäße Ausgestaltung des Batteriepacks und insbesondere durch die Anschlussstruktur und den darauf befestigten Anschlusselementen wird der Ladestrom vom Batteriepackanschlussbereich gleichmäßig zu allen Batteriezellen des Batteriepacks verteilt. Durch eine gezielte Auswahl oder Verringerung des Querschnitts des Anschlusselements wird die Strommenge, die zur Batteriezelle fließt, oder aus dieser entnommen wird, begrenzt und verteilt sich beim Laden auch auf andere Batteriezellen. Beim Entladen stellt der definierte Querschnitt des Anschlusselements sicher, dass bei einer unkontrollierten Entladung mit einem Stromfluss über dem festgelegten Maximalstrom einer Batteriezelle, das Anschlusselement schmilzt und somit vom restlichen Batteriepack entkoppelt wird.
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D. h. der Querschnitt des erfindungsgemäßen Anschlusselements stellt beim Entladen der Batteriezellen eine Sicherungsfunktion und beim Laden eine Begrenzungsfunktion dar.
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Bei Verbindungen der Batteriezellen gemäß dem Stand der Technik werden die einzelnen Batteriezellen meist über Kontaktstreifen angeschlossen, wobei insbesondere beim Laden die Batteriezellen, die nah am Batteriepackanschlussbereich liegen, einen größeren Strom erhalten, als die Batteriezellen, die vom Batteriepackanschlussbereich entfernt angeordnet sind. Somit können sich hier die nah am Batteriepackanschlussbereich angeordneten Batteriezellen über eine zulässige Temperatur hinaus erwärmen und ein oben beschriebenes Fehlverhalten bewirken.
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Da das gesamte Batteriepack kritischen Wärmeentwicklungen sowohl bei der Herstellung als auch während des Betriebes ausgesetzt sein kann, können die Haltestrukturen vorzugsweise aus einem temperaturbeständigen nicht elektrisch leitenden Material hergestellt sein, vorzugsweise aus Duroplast.
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Die Aufnahmeöffnung ist mit ihren Abmessungen, d.h. bei einer Rundzelle mit ihrem Innendurchmesser, an die jeweiligen Außenabmessungen, d.h. den Außendurchmesser, der jeweiligen Batteriezelle angepasst, um somit eine entsprechende Klemmwirkung auf die Batteriezelle nach dem Einsetzen der Batteriezelle in die Aufnahmeöffnung zu erzielen. Alternativ oder zusätzlich kann in die Aufnahmeöffnung eine vorbestimmte Menge Klebstoff eingebracht werden, um die Fixierung der Batteriezelle zu verbessern.
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Die Außenabmessungen der Anschlussstruktur entsprechen im Wesentlichen den Außenabmessungen der Haltestruktur.
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Das Zusammenhalten der Haltestrukturen mit den eingesetzten Batteriezellen bzw. mit den auf den Haltestrukturen befindlichen Anschlussstrukturen wird in erster Linie über die Verbindung zwischen Anschlusselement und Anschlussstruktur bzw. Anschlusselement und dem elektrischen Anschlusskontakt der Batteriezelle erzielt. Um jedoch diese elektrische Verbindung mechanisch möglichst zu entlasten, kann es vorteilhaft sein, zwischen der ersten und zweiten Haltestruktur jeweils ein Befestigungselement anzuordnen, um die in die Haltestrukturen eingesetzten Batteriezellen somit zusätzlich zwischen der ersten und zweiten Haltestruktur fest zusammen zu halten.
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Das Anschlusselement wird an der Anschlussstruktur an einer Anschlussstelle befestigt, vorzugsweise mittels Reibschweißen oder Ultraschallschweißen. Die Abmessungen der Anschlussstelle können jeweils der Quadratfläche der Breite des Anschlusselements entsprechen. Durch die somit flächige Verbindung des Anschlusselements mit der Anschlussstruktur wird eine sichere mechanische als auch eine elektrische Verbindung erreicht.
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Die Aufgabe wird auch durch ein Verfahren zur Herstellung eines Batteriepacks gelöst. Das Verfahren umfasst vorzugsweise die Schritte: Einsetzen von wenigstens zwei Batteriezellen in eine Haltestruktur, Verbinden einer Anschlussstruktur mit einem Anschlusselement, wobei für jede Batteriezelle wenigstens ein Anschlusselement an jeder Anschlussstruktur vorgesehen ist. Nach dem Verbinden des Anschlusselements mit der Anschlussstruktur wird die Anschlussstruktur mit den Anschlusselementen entsprechend so ausgerichtet, dass die Anschlusselemente mit den jeweiligen elektrischen Anschlusskontakten der Batteriezellen verbunden werden können. Dann wird die andere Seite der Batteriezellen analog mit der jeweiligen Anschlussstruktur und den Anschlusselementen verbunden.
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Im Folgenden werden anhand der beigefügten Figuren Ausführungsbeispiele der Erfindung näher beschrieben.
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In den Figuren zeigen:
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1 eine perspektivische Darstellung eines Batteriepacks gemäß der vorliegenden Erfindung.
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2 eine perspektivische Ansicht einer Haltestruktur.
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3a eine Schnittdarstellung einer Batteriezelle, die in einem Batteriepack gemäß der vorliegenden Erfindung aufgenommen ist.
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3b eine Schnittdarstellung einer Aufnahmeöffnung bzw. einer Anschlussöffnung einer Haltestruktur.
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4 eine Darstellung einer Anschlussstruktur von oben.
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5 eine Darstellung des Batteriepacks gemäß einer anderen Ausführungsform von oben.
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6 eine vergrößerte Darstellung eines Bereichs aus 5.
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7 einen Batteriepack aus dem Stand der Technik.
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1 zeigt eine perspektivische Darstellung eines Batteriepacks 10. Das Batteriepack 10 umfasst in diesem Ausführungsbeispiel 40 Batteriezellen 11, deren Stirnseiten jeweils in Haltestrukturen 12, 13 aufgenommen sind. Die Haltestrukturen 12, 13 sind jeweils von Anschlussstrukturen 14 bedeckt, wobei die untere Anschlussstruktur in dieser Darstellung nicht erkennbar ist. Die Anschlussstruktur 14 weist Kontaktöffnungen 16 auf. Weiter weist die Anschlussstruktur 14 Anschlusselemente 15 auf, die an der Anschlussstruktur 14 befestigt sind und jeweils in die Kontaktöffnungen 16 hineinragen. Die Anschlusselemente 15 sind jeweils über hier nicht näher bezeichnete Verbindungen mit den elektrischen Anschlusskontakten der Batteriezellen 11 verbunden. Die Anschlussstruktur 14 weist in ihrem vorderen linken Bereich einen Batteriepackanschlussbereich 17 auf, der über die Haltestruktur 12 hervorsteht. Auf der Unterseite ist ein Batteriepackanschlussbereich 18 zu erkennen, der sich von der unteren Anschlussstruktur 14 erstreckt und ebenso zum Anschluss an andere Batteriepacks bzw. an Ladegeräte oder Lasten dient.
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2 zeigt eine perspektivische Darstellung einer Haltestruktur 12, 13. Die Haltestruktur 12, 13 ist in 2 von der Aufnahmeseite dargestellt. Die Aufnahmeseite ist die Seite, an der die jeweiligen Aufnahmeöffnungen 21 angeordnet sind. In die Aufnahmeöffnungen 21 werden die Batteriezellen 11 eingesetzt. Die Haltestruktur 12, 13 zeichnet sich dadurch aus, dass vorzugsweise wenigstens ein Bodenelement bzw. Vorsprung 22 in die Aufnahmeöffnung 21 hineinragt und als Auflage für die eingesetzten Batteriezellen 11 dient. In der Haltestruktur 12, 13 gemäß 2 sind vier Vorsprünge 22 vorgesehen, die in die Aufnahmeöffnung 21 hineinragen. Ein weiteres Element, welches hier zwar erkennbar, aber nicht näher bezeichnet ist, ist die der Aufnahmeöffnung 21 gegenüberliegende Anschlussöffnung 23. Diese ist in 3b detailliert dargestellt. Die Anschlussöffnungen 23 der Haltestruktur 12, 13 liegen auf der Seite, die auch als Anschlussseite bezeichnet wird.
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In den 3a und 3b sind Schnittdarstellungen einer Batteriezelle 11 bzw. der Haltestrukturen 12, 13 mit den Anschlussstrukturen 14 dargestellt. Gemäß 3a ist eine Batteriezelle 11 in einer oberen und unteren Haltestruktur 12, 13 aufgenommen. Wie aus 3b zu erkennen ist, weist jede der Haltestruktur 12, 13 Aufnahmeöffnungen 21 und Anschlussöffnungen 23 auf. Somit wird eine Batteriezelle 11 jeweils mit ihrer Stirnseite in eine Aufnahmeöffnung 21 eingesetzt und der elektrische Anschlusskontakt der Batteriezelle 11 ist dann durch die Anschlussöffnung 23 erreichbar. Die elektrischen Anschlusskontakte 33 und 34 der Batteriezelle 11 liegen unterhalb der Oberseite bzw. Unterseite der Haltestruktur 12, 13. D.h. die elektrischen Anschlusskontakte 33 und 34 liegen tiefer als die Flächen der Haltestrukturen 12, 13, auf denen jeweils die Anschlussstrukturen 14 aufgelegt werden.
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Gemäß 3b weist der Bereich, in dem die Batteriezelle 11 aufgenommen wird, Vorsprünge 22 auf, die als einzelne Vorsprünge ausgebildet sein können bzw. auch als kreisrunder Flansch oder Rand in die Öffnung vorspringen können. Die Abmessungen der Aufnahmeöffnungen 21 sind dabei an die Außenabmessungen der Batteriezellen 11 angepasst. Über bzw. auf den Haltestrukturen 12 und 13 sind die Anschlussstrukturen 14 jeweils aus einem leitfähigen elektrischen Material angeordnet. Die Anschlussstrukturen 14 weisen jeweils Kontaktöffnungen 16 auf. Durch diese Kontaktöffnungen 16 werden Anschlusselemente 15 geführt, die an der Anschlussstruktur 14 vorzugsweise mittels eine Fügeverfahrens beispielsweise Reibschweißen bzw. Ultraschallschweißen befestigt sind. Das Anschlusselement 15 erstreckt sich somit in die Kontaktöffnung 16 und wird mittels eines üblichen Kontaktierungsverfahrens, wie Punktschweißen, Löten oder dgl. mit den elektrischen Anschlüssen 33 und 34 der Batteriezelle 11 verbunden.
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In 4 ist eine Anschlussstruktur 14 in einer Ansicht von oben dargestellt, die entsprechende Kontaktöffnungen 16 aufweist. Die Anzahl der Kontaktöffnungen 16 entspricht dabei der Anzahl der im Batteriepack 10 enthaltenen Batteriezellen 11. Die Größe der Kontaktöffnung 16 ist so bemessen, dass ein Anschlusselement 15 durch die Kontaktöffnung 16 hindurchgeführt werden kann und mit den elektrischen Anschlusskontakten 33, 34 der Batteriezelle 11 kontaktiert werden kann. Die Anschlussstruktur 14 gemäß 4 weist auch einen Batteriepackanschlussbereich 17, 18 auf, an den Zuleitungen von Ladegeräten oder Lasten angeschlossen werden können. Bei Zusammenschluss von mehreren Batteriepacks 10 werden die mehreren Batteriepacks jeweils an ihren Batteriepackanschlussbereichen 17, 18 miteinander verbunden. In einem derartigen Fall sind die einzelnen Anschlussstrukturen 14 jeweils für den Gesamtstrom des zusammen geschalteten Batteriepacks ausgelegt.
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5 zeigt ein weiteres Ausführungsbeispiel des erfindungsgemäßen Batteriepacks. Bei dieser Ausführungsform sind die Anschlusselemente 51 so ausgeführt, dass ein Anschlusselement 51 streifenförmig ausgebildet ist und jeweils in zwei benachbarte Kontaktöffnungen 16 hineinragt. Dieses streifenförmige Anschlusselement 51 ist an den Randbereichen der entsprechenden Kontaktöffnungen 16 jeweils an einer Anschlussstelle 52 mit der Anschlussstruktur 14 verbunden. Das streifenförmige Anschlusselement 52 erstreckt sich in die entsprechenden Kontaktöffnungen 16 und wird von dort mit den elektrischen Anschlusskontakten 33, 34 der entsprechenden Batteriezelle 11 verbunden. Wie in diesem Ausführungsbeispiel zu erkennen ist, liegen auf einer Seite des Batteriepacks 10 jeweils gleichartige elektrische Anschlusskontakte 33, 34 d.h. entweder die positiven oder die negativen Anschlusskontakte der Batteriezellen 11.
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6 zeigt eine vergrößerte Darstellung eines Bereichs aus 5, bei der eine Anschlussstruktur 14 über ein streifenförmiges Anschlusselement 51, welches in zwei Kontaktöffnungen 16 hineinragt, mit den entsprechenden Batteriezellen 11 verbunden ist. Von den Batteriezellen 11 ist beispielsweise der Anschlusskontakt 33 zu erkennen, wobei dieser Anschlusskontakt 33 mittels Lötstellen oder Schweißstellen 53 mit dem streifenförmigen Anschlusselement 51 verbunden ist. Das streifenförmige Anschlusselement 51 ist in diesem Ausführungsbeispiel mittels zwei Anschlussstellen 52 mit der Anschlussstruktur 14 verbunden. In einer weiteren Ausgestaltung ist es möglich, dieses streifenförmige Anschlusselement 51 jeweils nur an einer Anschlussstelle 52 mit der Anschlussstruktur 14 zu verbinden, um somit zu einem effizienteren und weniger aufwendigem Verbindungsverfahren zwischen der Anschlussstruktur 14 und dem streifenförmigen Anschlusselement 51 zu gelangen.
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7 stellt ein herkömmliches Batteriepack dar, bei dem mehrere Batteriezellen 11 parallel verschaltet sind. Wie einfach aus der Darstellung erkennbar ist, sind die einzelnen Batteriezellen 11 direkt mit streifenförmigen Anschlusselementen 71 und 72 miteinander verbunden, wobei die Verbindungsstellen 73 sowohl der Verbindung zwischen den Querverbindungen 72 und den Längsverbindungen 71 als auch dem darunterliegenden elektrischen Anschlusskontakt 33 der Batteriezelle 11 dienen. Somit wird die Wärme, die bei der Verbindung von Quer und Längsverbindungen 71 und 72 auftritt, auch unmittelbar auf den darunterliegenden Anschlusskontakt 33 geleitet, so dass die Batteriezelle 11 auch dieser Wärmeeinwirkung beim Montageprozess ausgesetzt ist. Durch zu viel Wärme kann auch die Isolation 35 der Batteriezelle 11 beschädigt werden.
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Beim Verbinden der Batteriezellen 11 wie in 7 treten große Wärmeeinwirkungen auf, die auf die Batteriezellen 11 übertragen werden und zu gefährlichen Situationen führen können. Darüber hinaus kann bei einem Ausfall einer Batteriezelle 11, diese zu einem Ausfall des gesamten Batteriepacks führen, da es möglicherweise zu einem Aufschmelzen der Querverbindung 72 oder der Längsverbindung 71 kommt. Damit wird die für den hohen Strom verantwortliche Batteriezelle 11 nicht zuverlässig von den anderen Batteriezellen 11 getrennt, so dass es hierdurch zu gefährlichen Kettenreaktionen führen kann und letztlich mehrere Batteriezellen 11 ausgasen und explodieren können.
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Beim Laden eines Batteriepacks gemäß 7 werden die Batteriezellen 11, die an der Stromzuführungsseite liegen stärker mit Strom versorgt, als bei einer Anschlussstruktur 14 gemäß der vorliegenden Erfindung. Über die streifenförmigen Quer- und Längsverbindungen 71 und 72 ist keine zuverlässige Verteilung des zugeführten Stroms möglich. Folglich erwärmen sich die an der Stromzuführung liegenden Batteriezellen 11 stärker, als die Batteriezellen 11, die weiter von der Stromzuführung entfernt liegen.
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Ein weiterer Vorteil der erfindungsgemäßen Ausgestaltung ergibt sich durch die thermische Entkopplung von Anschlussstruktur 14 und Anschlusskontakt 33, 34 der Batteriezelle 11. Durch den Abstand zwischen der Anschlussstruktur 14 und dem Anschlusskontakt 33, 34, wie es gut in 3a zu erkennen ist, kann sich eine Wärmeeinwirkung durch einen hohen Stromfluss in der Anschlussstruktur 14 oder durch die Herstellung der Verbindung an der Anschlussstelle 52 zwischen Anschlusselement 51 und Anschlussstruktur 14 nicht auf die Batteriezelle 11 übertragen. Der Abstand lässt sich über die Vorsprünge 22 bzw. den Rand der Haltestrukturen 12, 13 einstellen. D.h. bei großen Batteriepacks mit vielen Batteriezellen 11 und folglich einem hohen Strom auf der Anschlussstruktur 14 kann eine Haltestruktur 12, 13 verwendet werden, bei der der wenigstens eine Vorsprung 22 dicker ausgebildet ist, als bei einer Haltestruktur 12, 13, die für wenige Batteriezellen 11 ausgelegt ist. Folglich wird die Batteriezelle 11 von dem aus dieser Wärmeeinwirkung resultierendem Stress verschont und nur der Wärmeeinwirkung bei der Verbindungsherstellung zwischen Anschlusselement 15, 51 und Anschlusskontakt 33, 34 ausgesetzt und der Wärmeeinwirkung durch einen eigenen Stromfluss.
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Die Größe des erfindungsgemäßen Batteriepacks ist durch die Wahl der Anzahl Batteriezellen beliebig variierbar. Zudem kann die Form des Batteriepacks durch die Anzahl und die Anordnung der Batteriezellen auf den jeweiligen Anwendungsfall abgestimmt werden. Falls beispielsweise in einem Fahrzeug mehrere miteinander verbundene Batteriepacks Anwendung finden, besteht bei einem Ausfall einer oder mehrerer Batteriezellen die Möglichkeit, nur das Batteriepack mit den ausgefallenen Batteriezellen auszutauschen, was zu wesentlichen wirtschaftlichen Vorteilen führt.
