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GEBIET DER ERFINDUNG
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Gemäß zumindest einem Aspekt betrifft die vorliegende Erfindung Batteriemodulbaugruppen mit verbesserten thermischen Eigenschaften.
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HINTERGRUND
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Wiederaufladbare Batterien mit großer Kapazität werden derzeit zur Verwendung in Elektrofahrzeugen untersucht. Die schließliche Machbarkeit von Elektrofahrzeugen hängt von einer signifikanten Reduzierung der zugeordneten Kosten ab. Die Reduzierung der Kosten der Batteriebaugruppen ist besonders wichtig.
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Lithiumionenbatterien stellen einen wichtigen Typ der Batterietechnologie dar. Die meisten Batteriebaugruppen, einschließlich Baugruppen aus Lithiumionenbatterien, umfassen eine Mehrzahl einzelner elektrochemischer Zellen. Typischerweise weisen derartige elektrochemische Zellen eine Anode, eine Kathode und einen Separator auf, der zwischen der Anode und der Kathode angeordnet ist. Typischerweise weist die Anode eine Metalllage oder -folie (gewöhnlich Kupfermetall) auf, die mit einer Graphitlage überzogen ist. Ähnlicherweise weist die Kathode gewöhnlich eine Metalllage oder -folie (gewöhnlich Aluminiummetall) auf, die mit einer lithiumhaltigen Lage überzogen ist. Schließlich weisen die elektrochemischen Zellen einen Elektrolyt auf, der zwischen der Anode und der Kathode angeordnet ist. Anschlüsse erlauben, dass die erzeugte Elektrizität in einer externen Schaltung verwendet wird. Elektrochemische Zellen erzeugen Elektrizität über eine elektrochemische Reaktion.
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Für Anwendungen mit hoher Leistung und hoher Energie wird eine Mehrzahl von Batteriezellen verwendet und in ein Batteriemodul eingebaut. Überdies weisen derartige Batteriemodule eine Mehrzahl metallischer (z. B. Kupfer und/oder Aluminium) Kühlrippen auf, die zwischen Batteriezellen in einem parallel verdrahteten Batteriezellenpaar eingefügt sind. Kompressionsschaumpolster sind typischerweise zwischen einigen Batteriezellenpaaren eingefügt. Mit einer hohen Anzahl von Kühlrippen können kleine Temperaturunterschiede erreicht werden. Jedoch ist zur Reduzierung der Kosten der Batterie eine geringe Anzahl von Rippen gewünscht.
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Demgemäß besteht ein Bedarf nach verbesserten Batteriemodulbaugruppen und nach Verfahren zum Aufbau derartiger Batteriemodulbaugruppen.
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ZUSAMMENFASSUNG DER ERFINDUNG
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Die vorliegende Erfindung löst ein oder mehrere Probleme nach dem Stand der Technik dadurch, dass ein Batteriemodul mit einer verbesserten Temperaturleistungsfähigkeit bereitgestellt wird. Das Batteriemodul weist eine Mehrzahl von Batteriezellen auf. Jede Batteriezelle weist eine Anode, die einen aktiven Anodenbereich besitzt, eine Kathode, die einen aktiven Kathodenbereich besitzt, und einen ionenleitenden Separator auf, der zwischen dem aktiven Anodenbereich und dem aktiven Kathodenbereich angeordnet ist. Eine erste Teilmenge der Batteriezellen ist in parallel verdrahteten Batteriezellenpaaren angeordnet. Jedes parallel verdrahtete Batteriezellenpaar der ersten Teilmenge weist zwei benachbarte Batteriezellen mit einer zwischen den beiden benachbarten Batteriezellen angeordneten Kühlrippe auf. Vorteilhafterweise minimiert die vorliegende Ausführungsform Temperaturunterschiede zwischen parallel verschalteten Zellen, wodurch eine inhomogene Stromverteilung zwischen parallelen Zellen reduziert wird. Die Reduzierung derartiger Temperaturunterschiede resultiert in einer erhöhten Batterielebensdauer.
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Gemäß einer anderen Ausführungsform ist ein Batteriemodul vorgesehen, das eine erste Teilmenge von Batteriezellenpaaren und eine zweite Teilmenge von Batteriezellenpaaren umfasst. Jedes Batteriezellenpaar der ersten Teilmenge weist benachbarte Batteriezellen mit einer zwischen den benachbarten Batteriezellen angeordneten Kühlrippe auf. Jedes Batteriezellenpaar der zweiten Teilmenge weist benachbarte Batteriezellen auf, die verschieden von den benachbarten Batteriezellen der ersten Teilmenge sind, wobei eine bauliche Lage zwischen den benachbarten Batteriezellen der zweiten Teilmenge angeordnet ist. Bei dieser Ausführungsform sind Batteriezellenpaare in einer abwechselnden Konfiguration gestapelt, wobei jedes Batteriezellenpaar der zweiten Teilmenge zwischen Batteriezellenpaaren der ersten Teilmenge positioniert ist.
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KURZE BESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGEN
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Beispielhafte Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung werden aus der detaillierten Beschreibung und den begleitenden Zeichnungen besser verständlich, in welchen:
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1 eine schematische perspektivische Ansicht einer einzelnen Batteriezelle ist;
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2 eine schematische Draufsicht eines Batteriemoduls der vorliegenden Erfindung ist, die die Verdrahtung der Batteriezellenpaare zeigt, wobei Kühlrippen und Isolationslagen darin enthalten sind;
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3 ein schematisches Verdrahtungsdiagramm einer Mehrzahl von Batteriezellenpaaren der vorliegenden Erfindung mit Kühlrippen und thermisch isolierenden Lagen ist;
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4 eine schematische Draufsicht eines Batteriemoduls nach dem Stand der Technik ist, die die Verdrahtung der Batteriezellenpaare zeigt;
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5 Aufzeichnungen des Stromes für jede Zelle in parallel verdrahteten Zellenpaaren für eine Batteriemodulkonstruktion nach dem Stand der Technik bereitstellt; und
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6 Aufzeichnungen des Stromes für jede Zelle in parallel verdrahteten Zellenpaaren mit einer minimalen Temperaturdifferenz zwischen jeder Zelle bereitstellt.
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BESCHREIBUNG DER ERFINDUNG
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Es wird nun detailliert Bezug auf derzeit bevorzugte Zusammensetzungen, Ausführungsformen und Verfahren der vorliegenden Erfindung genommen, die die besten Arten zur Ausführung der Erfindung, die den Erfindern derzeit bekannt sind, bilden. Die Figuren sind nicht unbedingt maßstabsgetreu gezeichnet. Es sei jedoch zu verstehen, dass die offenbarten Ausführungsformen lediglich beispielhaft für die Erfindung sind, die in verschiedenen und alternativen Formen ausgeführt werden kann. Daher sollen spezifische Einzelheiten, die hier offenbart sind, nicht als beschränkend sondern lediglich als eine repräsentative Basis für irgendeinen Aspekt der Erfindung und/oder als eine repräsentative Basis zur Unterrichtung des Fachmanns interpretiert werden, um die vorliegende Erfindung auf verschiedene Weise anzuwenden.
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Ausgenommen in den Beispielen oder wo dies ausdrücklich anderweitig genannt ist, sind alle numerischen Mengen in dieser Beschreibung, welche die Mengen von Material oder Reaktionsbedingungen und/oder Verwendung bezeichnen, beim Beschreiben des breitesten Umfangs der vorliegenden Erfindung als durch das Wort „ungefähr” modifiziert zu verstehen. Die Anwendung innerhalb der genannten Zahlenbegrenzungen ist im Allgemeinen bevorzugt. Sofern nicht gegenteilig ausgeführt: sind Prozent, „Teile von” und Verhältniswerte pro Gewicht; beinhaltet die Beschreibung einer Gruppe oder Klasse von Materialien für einen vorgegebenen Zweck in Verbindung mit der Erfindung als geeignet oder bevorzugt, dass Mischungen von zwei oder mehr der Mitglieder der Gruppe oder Klasse gleichermaßen geeignet oder bevorzugt sind; ist die erste Definition eines Akronyms oder einer anderen Abkürzung hier auf alle nachfolgenden Verwendungen derselben Abkürzung und auf normale grammatikalische Abweichungen der anfänglich definierten Abkürzung anwendbar und wird, sofern nicht gegenteilig ausgeführt, die Messung einer Eigenschaft durch dieselbe Technik, wie zuvor oder nachfolgend für dieselbe Eigenschaft dargelegt, bestimmt.
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Es sei auch zu verstehen, dass diese Erfindung nicht auf die spezifischen Ausführungsformen und Verfahren, wie nachfolgend beschrieben ist, beschränkt ist, da selbstverständlich spezifische Komponenten und/oder Bedingungen variieren können. Ferner dient die hier verwendete Terminologie nur dem Zweck der Beschreibung bestimmter Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung und ist nicht dazu bestimmt, in irgendeiner Weise einzuschränken.
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Es muss auch angemerkt werden, dass, wie in der Beschreibung und den angefügten Ansprüchen verwendet ist, die Singularform ”ein”, ”eine”, ”einer” und ”der”, ”die”, ”das” Pluralbezüge umfassen, sofern der Kontext dies nicht anderweitig deutlich angibt. Beispielsweise ist ein Bezug auf eine Komponente im Singular dazu bestimmt, eine Mehrzahl von Komponenten zu umfassen.
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Mit Bezug auf 1 ist ein Schema, das eine Batteriezelle zeigt, die in einem Batteriemodul mit verbesserten Temperaturcharakteristiken verwendet wird, vorgesehen. Obwohl viele verschiedene Typen von Batteriezellen in der Praxis der vorliegenden Ausführungsform verwendet werden können, haben sich Lithiumionenbatteriezellen als besonders nützlich herausgestellt. Jede Batteriezelle 12 i weist eine Anode 14 i, die eine aktive Anodenlage 16 i besitzt, die auf einem Anodenträger 17 i angeordnet ist, sowie eine Kathode 18 i auf, die eine aktive Kathodenlage 20 i besitzt, die auf einem Kathodenträger 21 i angeordnet ist. Die Hochstellung i ist eine ganzzahlige Bezeichnung für die Komponenten. Typischerweise sind die Anodenträger 17 i und Kathodenträger 21 i Metallplatten (z. B. Aluminium, Kupfer, etc.). Ein Separator 13 i ist zwischen der aktiven Anodenlage 16 i und der aktiven Kathodenlage 20 i angeordnet. Eine Elektrolytzusammensetzung E1 ist zwischen der Anode 14 i und dem Separator 13 i angeordnet, während eine Elektrolytzusammensetzung E2 zwischen der Kathode 18 i und dem Separator 13 i angeordnet ist. Charakteristisch sind die Batteriezellen in Paaren angeordnet, die in einer parallelen Weise verdrahtet sind. Wie unten dargestellt ist, sind Kühlrippen und bauliche Lagen zwischen den Batteriezellen in Teilmengen der Paare von parallelen Batteriezellen angeordnet. Typischerweise sind die Batteriezellen 12 i gemeinsam über Anodenlaschen 26 i und Kathodenlaschen 28 i verdrahtet, wie nachfolgend detaillierter dargestellt ist.
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Mit Bezug auf die 2 und 3 sind Schemata, die die Konfiguration und Verdrahtung der Mehrzahl von Batteriezellen in einem Batteriemodul mit verbesserter Temperatursteuerung zeigen, vorgesehen. 2 ist eine schematische Draufsicht eines Batteriemoduls, die die Verdrahtung der Batteriezellenpaare mit darin enthaltenen Kühlrippen und Isolationslage zeigt. 3 ist ein schematisches Verdrahtungsdiagramm einer Mehrzahl von Batteriezellenpaaren mit Kühlrippen und thermisch isolierenden Lagen. Wie oben dargestellt ist, weist das Batteriemodul 10 einzelne Batteriezellen 12 i auf, wobei i eine Bezeichnung für die Komponenten ist. Für die Batteriezellen läuft die Bezeichnung i von 1 bis n, wobei n die Gesamtzahl von Batteriezellen repräsentiert. In einer Ausführung ist n eine ganze Zahl von 6 bis 30 Batteriezellen in einem Batteriemodul 10. Die Batteriezellen sind in Paaren angeordnet, die in einer parallelen Weise verdrahtet sind. Die Kühlrippe 22 i ist zwischen den Batteriezellen in einer ersten Teilmenge des Paares paralleler Batteriezellen PCj angeordnet. Für die Kühlrippen 22 i läuft die Bezeichnung i von 1 bis fmax. Ein Kompressionsschaum 24 i (eine bauliche Lage) ist zwischen einer zweiten Teilmenge der Paare paralleler Batteriezellen PHk angeordnet. Für die Kompression 24 i läuft die Bezeichnung i von 1 bis cmax. Die parallelen Paare von Batteriezellen sind typischerweise in Reihe angeordnet. Bei einer Ausführung besitzt das Batteriemodul 10 zwischen 6 und 30 Batteriezellen. Wenn es in Bezug auf Batteriezellenpaare ausgedrückt wird, besitzt das Batteriemodul 10 zwischen 3 bis 15 Batteriezellenpaare. Die Variante, die in den 2 und 3 gezeigt ist, ist so angeordnet, dass die Batteriezellenpaare in einer abwechselnden Weise gestapelt sind, wobei ein Batteriezellenpaar PHk von der zweiten Teilmenge zwischen zwei Batteriezellenpaaren PCj, PCj+1 von der ersten Teilmenge angeordnet ist. Bei dieser Variante weist das Batteriezellenpaar PCj Batteriezellen 12 4j-3 und 12 4j-2 auf, wobei j die Bezeichnung für das Batteriezellenpaar PCj ist, die von 1 bis jmax läuft (die Anzahl von Batteriepaaren in der ersten Teilmenge). Das Batteriezellenpaar PHk weist Batteriezellen 12 4k-1 und 12 4k auf, wobei k die Bezeichnung des Batteriezellenpaares PHk ist, die von 1 bis kmax läuft (der Anzahl von Batteriepaaren in den ersten Batteriepaaren in der zweiten Teilmenge). Bei einer Ausführung ist jmax größer als kmax und insbesondere ist jmax minus Eins gleich kmax. Die Anordnung der vorliegenden Ausführungsform sieht eine bessere Temperaturgleichförmigkeit zwischen jeder Batteriezelle der Batteriezellenpaare vor. Die Verdrahtung wird über Anodenlaschen 26 i und Kathodenlaschen 28 i über Kabel erreicht, die als schwarze Rechtecke in 2 dargestellt sind. Beispielsweise sind die Temperaturdifferenzen zwischen den Batteriezellen 12 1 und 12 2 vorteilhafterweise kleiner als etwa 5°C, und der Strom durch die Batteriezelle 12 1 beträgt 10 Prozent des Stromes durch die Zelle 12 2.
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Mit Bezug auf 4 ist ein Schema vorgesehen, das ein Batteriemodul nach dem Stand der Technik zeigt. Die oben dargestellten Ausführungsformen weisen besonders überlegene Temperatureigenschaften im Vergleich zu dem in 4 gezeigten Batteriemodul nach dem Stand der Technik auf. Bei der Konfiguration nach dem Stand der Technik ist die Kühlrippe 22 zwischen dem ersten Paar von Batteriezellen 12 1 und 12 2 und dem zweiten Paar von Batteriezellen 12 3 und 12 4 angeordnet, während ein Kompressionsschaum 24 zwischen dem zweiten Paar von Zellen 12 3 und 12 4 und dem dritten Paar von Zellen 12 5 und 12 6 angeordnet ist. Dieses Muster ist für jedes Paar von Batteriezellen wiederholt, wie in 4 gezeigt ist.
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Mit Bezug auf die 5 und 6 ist eine Temperaturleistungsfähigkeit für Batteriemodule nach dem Stand der Technik und oben dargestellte Ausführungsformen vorgesehen. 5 sieht die Leistungsfähigkeit paralleler Zellenpaare in dem Batteriemodul nach dem Stand der Technik vor. Es ist klar zu beobachten, dass die Batteriezellen in den parallelen Zellenpaaren bei einer Temperaturdifferenz von etwa 20°C arbeiten und eine Stromdifferenz zwischen den heißen und kalten Batteriezellen aufweisen. Im Gegensatz dazu arbeiten, wie in 6 gezeigt ist, die Batteriezellen in den parallelen Zellenpaaren der vorliegenden Erfindung mit einer minimalen Temperaturdifferenz (d. h. etwa 0°C) und weisen praktisch keine Stromdifferenz auf. Wie in den 5 und 6 gesehen werden kann, minimieren die oben dargestellten Ausführungsformen Temperaturdifferenzen zwischen parallel verschalteten Zellen, wodurch eine inhomogene Stromverteilung zwischen parallelen Zellen reduziert wird. Die Reduzierung derartiger Temperaturdifferenzen resultiert in einer erhöhten Batterielebensdauer.
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Während Ausführungsformen der Erfindung gezeigt und beschrieben worden sind, ist es nicht beabsichtigt, dass diese Ausführungsformen alle möglichen Formen der Erfindung veranschaulichen und beschreiben. Vielmehr ist der in der Anmeldung verwendete Wortlaut ein Wortlaut der Beschreibung anstatt der Beschränkung, und es sei zu verstehen, dass verschiedene Änderungen ohne Abweichung von dem Erfindungsgedanken und Schutzumfang der Erfindung durchgeführt werden können.
