DE102015117988A1

DE102015117988A1 - Kontaktierungs- und Verschaltungsanordnung für Batterien und Verfahren zur Herstellung einer derartigen Verschaltungsanordnung

Info

Publication number: DE102015117988A1
Application number: DE102015117988.1A
Authority: DE
Inventors: David Köhler
Original assignee: Dr Ing HCF Porsche AG
Current assignee: Dr Ing HCF Porsche AG
Priority date: 2015-10-22
Filing date: 2015-10-22
Publication date: 2017-04-27

Abstract

Die Erfindung geht aus von einer Kontaktierungs- und Verschaltungsanordnung für Batterien mit vorzugsweise zylindrisch ausgebildeten Batteriezellen (8), die an ihren beiden Stirnseiten Pole aufweisen, die elektrisch miteinander verbunden und zu mehreren Batteriemodulen zusammengefasst sind. Es wird vorgeschlagen, dass mindestens zwei Batteriemodule (2, 4) an einer ihrer beiden Stirnseiten elektrisch und mechanisch miteinander verbunden sind, so dass sie derart zueinander klapp- bzw. faltbar sind, dass ihre jeweiligen Längsachsen (a, b) im Wesentlichen zueinander fluchten.

Description

Die Erfindung betrifft eine Kontaktierungs- und Verschaltungsanordnung für Batterien, ein Batteriesystem, sowie ein Verfahren zur Herstellung einer derartigen Verschaltungsanordnung.
Aus dem Stand der Technik sind Batteriezellenanordnungen bekannt, bei der die einzelnen stabförmig ausgebildeten Batteriezellen – in Bezug auf ihre Längsachse gesehen – aufrecht nebeneinander angeordnet und dann entsprechend ihren Plus- und Minuspolen miteinander verschaltet sind. Eine derartige Anordnung hat den Vorteil, dass die Batteriezellen einfach zu fertigen und besser zu verschweißen sind.
Aus der DE 10 2006 015 566 A1 ist weiterhin ein flexibler Polverbinder zur Verbindung der elektrischen Pole von zwei Batteriezellen bekannt, bei der der Polverbinder aus einem Bündel von Leiterelementen besteht.
In der DE 20 2009 012 647 U1 ist ein Batteriezellenverbinder mit zwei Anschlussteilen und einem zwischen den beiden Anschlussteilen angeordneten Verbindungsstück beschrieben, wobei die Anschlussteile aus zwei verschiedenen, leitenden Materialen besteht.
In der JP-S 632 500 54 A2 ist ein flexibler Zellverbinder beschrieben, durch den die Batteriezellenanordnung flexibel gestaltet werden kann.
In der US 5,853,915 A1 ist eine faltbare Batterieanordnung beschrieben, bei der mehrere Gehäuse mit mehreren Zellen über flexible Verbinder mechanisch und elektrisch verbunden sind. So können die Gehäuse mit den Zellen beliebig gefaltet und in jede brauchbare Position zueinander gebracht werden. In der WO 2011 082 722 A1 ist wiederum ein flexibler Zellverbinder für ein Energiespeicher offenbart, der zwei Kontaktierungsabschnitte und einen dazwischen angeordneten und mit parallel verlaufenden Schlitzen versehenen Biegeabschnitt aufweist.
Aufgabe der Erfindung ist es, eine Kontaktierungs- und Verschaltungsanordnung für Batteriezellen bzw. Batteriemodule sowie ein Verfahren zur Herstellung einer derartigen Anordnung zu schaffen, bei der mehr Gestaltungsfreiheit im Hinblick auf die Integration in ein Elektrofahrzeug (e-Bike, Elektro- oder Hybridfahrzeug etc.) erreicht ist.
Die Aufgabe wird bei der eingangs erwähnten Batterieanordnung dadurch gelöst, dass mindestens zwei Batteriemodule an einer ihrer beiden Stirnseiten elektrisch und mechanisch so miteinander verbunden sind, dass sie zueinander klapp- bzw. faltbar sind und ihre jeweiligen Längsachsen im Wesentlichen zueinander fluchten.
Mit dieser Anordnung wird ein Batteriezellenpackage erreicht, das mehr Gestaltungfreiheit gewährleistet, so dass trotz begrenzter Bauräume beispielsweise in Elektro- oder Hybridfahrzeugen, in e-bikes oder anderen elektrisch angetriebenen oder elektrisch unterstützten Fahrzeugen eine Optimierung hin zu kompakten Bauweisen erreichbar ist. Vorteilhafte Ausführungsformen sind Gegenstand der abhängigen Ansprüche. Mit Hilfe von flexiblen Folienleitern, sog. FPC’s (Flexible Printed Circuit), die neben der Funktion der Stromleitung zur Zellspannungsmessung in diesem Fall auch die flexible und faltbare elektrische Verbindung übernehmen, kann eine flexible Anordnung der Batteriemodule im Gesamtverbund erreicht werden. Die Folienleiter selbst können kostengünstig hergestellt werden und die Leiterbleche, die für die Kontaktierung der Zellen innerhalb eines Batteriemoduls erforderlich sind, können bereits vor der Montage an die Folienleiter angeschweißt werden.
Werden mehr als zwei Batteriemodule in Längsrichtung hintereinander geschaltet, so werden diese Module wechselseitig an ihrer unteren und an ihrer oberen Stirnseite elektrisch miteinander verbunden. Die Batteriemodule können somit in beliebiger Anzahl aneinander gereiht werden.
Durch die Falttechnik, die durch das wechselseitige Verbinden der Batteriemodule auf ihrer unteren und oberen Stirnseite ermöglicht wird, können die einzelnen Zellen der Batteriemodule mit den Leiterblechen mittels unterschiedlicher Schweißverfahren kontaktiert werden. So kann zuerst die obere Stirnseite und danach die untere Stirnseite der Batteriezellen elektrisch leitend verschweißt werden.
Ausführungsbeispiele der Erfindung sind in der Zeichnung dargestellt und werden in der nachfolgenden Beschreibung näher erläutert. Es zeigen:
1 eine schematische Ansicht von zwei Batteriemodulen, die flexibel miteinander verbunden sind,
2 eine schematische Ansicht von mehreren Batteriemodulen, die flexibel miteinander verbunden sind,
3 eine Folienleiterplatine,
4 den Folienleiter gemäß 3 gefaltet,
5 Batteriemodule in einem ersten Bearbeitungszustand,
s6 einen vergrößerten Ausschnitt am Übergang von zwei Batteriemodulen,
7 die Batteriemodule in einem zweiten Bearbeitungszustand,
8 die Batteriemodule in einem dritten Bearbeitungszustand und
9 die Batteriemodule im gefalteten Endzustand.
In 1 sind zwei Batteriemodule 2 und 4 dargestellt, die – wie später noch näher beschrieben – elektrisch und mechanisch miteinander verbunden sind. Die beiden Batteriemodule 2, 4 bestehen im vorliegenden Ausführungsbeispiel aus jeweils acht einzelnen stab- bzw. zylinderförmigen Batteriezellen 8, die jeweils mit Hilfe eines unteren Gehäusedeckels 10 und 12 sowie eines oberen Gehäusedeckels 14 und 16 als Modul zusammengehalten sind.
Je nach Auslegung eines Batteriesystems, welches aus einzelnen Batteriemodulen aufgebaut ist, können beliebig viele Batteriemodule elektrisch und mechanisch miteinander verbunden werden. In 2 sind beispielsweise sechs Batteriemodule 18 bis 28 als Batteriesystem zusammengefasst. Hier sind nunmehr die einzelnen Batteriemodule 18 bis 28 wechselseitig an ihrer unteren und an ihrer oberen Stirnseite über flexible elektrische Leiter 30 bis 38 miteinander verbunden. In 1 ist der elektrische Leiter mit dem Bezugszeichen 29 versehen. Analog zu der in 1 dargestellten Ausführung sind die Batteriezellen 8 der einzelnen Batteriemodule 18 bis 28 (siehe 2) wiederum in jeweils einem unteren Gehäusedeckel 40 bis 50 und einem oberen Gehäusedeckel 52 bis 62 aufgenommen. Wie allgemein bekannt, werden die Batteriezellen 8 innerhalb der einzelnen Batteriemodule 2 und 4 bzw. 18 bis 28 untereinander entsprechend kontaktiert und z.B. in Reihe geschaltet. Als Pol- bzw. Zellverbinder innerhalb der einzelnen Batteriemodule kommen Leiterbleche 64 und 66 aus Kupfer oder Aluminium zum Einsatz, die jeweils die Plus- und Minuspole miteinander verbinden und durch eine entsprechende Isolierung voneinander getrennt sind. Bei den elektrischen Leitern 29 sowie 30 bis 38 kommen Folienleiter zum Einsatz, bei denen es sich um flexible Leiterplatten handelt, die aus dünnen flexiblen Folien, z.B. PET-(Polyester), bestehen und die vollflächig mit einer dünnen Kupferschicht (mit Materialstärken zwischen 18 bis 105µm) verklebt sind. Das Leiterbahnenbild des Kupfers wird dann durch einen Ätzprozess gefertigt. Die Leiterbahn des Folienleiters 29 ist in 1 exemplarisch mit dem Bezugszeichen 39 dargestellt. Die Folienleiter 29 sowie 30 bis 38 sind an den Leiterblechen 64, 66 zum Beispiel durch eine Nietverbindung befestigt. Derartige Komponenten werden beispielsweise von der Freudenberg Gruppe unter der Marke enmech, FPC (flexible printed circuit) vertrieben.
Mit Hilfe der Folienleiter 29, 30 bis 38 werden die elektrischen Spannungen und Temperaturen der Batteriezellen 8 erfasst und die elektrische Verbindung zwischen den Batteriemodulen 2, 4 sowie 18 bis 28 hergestellt.
Wie bereits erwähnt, sind die beiden Batteriemodule 2 und 4 über den Folienleiter 29 elektrisch miteinander verbunden. Die flexible Leiterbahn 39 (in 1 nur ausschnittsweise dargestellt) des Folienleiters 29 ermöglicht dabei, dass beide Batteriemodule 2 und 4 entlang der in 1 angedeuteten Achse 70 um bis zu 180º zueinander dreh- bzw. klappbar sind, so dass die Längsachsen a und b der beiden Batteriemodule 2 und 4 im Wesentlichen zueinander fluchten. Nach demselben Prinzip sind die einzelnen Batteriemodule 18 bis 28 gemäß 2 miteinander verbunden, nur mit dem Unterschied, dass die Leiterbleche 64, 66 der Batteriemodule 18 und 20, 22 und 24 sowie 26 und 28 jeweils an ihrer unteren Stirnseite über Leiterbahnen der Folienleiter 30, 34 und 38 miteinander verbunden sind, während die Batteriemodule 20 und 22, 24 und 26 an ihrer oberen Stirnseite über Leiterbahnen der Folienleiter 32 und 36 miteinander verbunden sind. Durch diesen Aufbau ist es – wie bereits bei dem zweimoduligen Batteriesystem gemäß 1 erläutert – möglich, die einzelnen (und ursprünglich stehend angeordneten) Batteriemodule 18 bis 28 so zu schwenken, dass ihre jeweiligen Längsachsen zueinander fluchten. Bei der Herstellung dieses aus sechs Batteriemodulen 18 bis 28 bestehenden Batteriesystems können als erstes die Folienleiter 32 und 36 auf der oberen Stirnseite mit ihren entsprechenden Leiterbahnen an die Leiterbleche 64, 66 angeschweißt werden, bevor dann die Folienleiter 30, 34 und 38 auf der unteren Stirnseite mit ihren entsprechenden Leiterbahnen an die Leiterbleche angeschweißt werden.
Anhand der 3 bis 9 ist nunmehr der Herstellungsprozess für ein Batteriesystem mit sechs Batteriemodulen in leicht abgewandelter Ausführungsform beschrieben. Ausgangspunkt für die Herstellung der elektrisch leitenden Verbindungen zwischen den einzelnen Batteriemodulen ist eine perforierte Folienleiterplatine 72 (siehe 3), die – wie in 4 dargestellt – in eine dreidimensionale Leiterstruktur 73 mit drei zusammenhängenden Leiterabschnitten 74 bis 78 überführt wird.
In 5 sind die sechs Batteriemodule in einem ersten Bearbeitungszustand dargestellt, bei dem die erste Reihe 99 der Gehäusedeckel 80 bis 90 für die zylinderförmigen Batteriezellen (nicht dargestellt) sowie die zweite Reihe 104 der Gehäusedeckel 92 bis 102 über die Leiterstruktur 73 miteinander verbunden werden. Dabei wird die Leiterstruktur 73 an den mit den Pfeilen dargestellten Stellen durch Ultraschall-Schweißen mit den Leiterblechen 64, 66 verbunden.
In 6 ist ein vergrößerter Ausschnitt am Übergang von den beiden Gehäusedeckeln 80 und 82 dargestellt. Dabei ist erkennbar, dass der Folien-Leiterabschnitt 74 breite Leiterbahnen 106 und 108 für den Stromfluss zwischen den Batteriemodulen aufweist, während die Messleitung 110 für die Spannungsabgriffe der Batteriezellen als schmale Leiterbahnen ausgebildet sind.
Ausgehend von der in 7 dargestellten Position, bei der die beiden Gehäusehälften 99 und 103 der herzustellenden Batteriemodule in einer gemeinsamen Ebene angeordnet und durch den Folienleiter 73 miteinander verbunden sind, werden in einem zweiten Fertigungsschritt die beiden Gehäusehälften 99 und 103 um 180º zueinander gefaltet, so dass eine Position erreicht wird, bei der die einzelnen Batteriezellen (nicht dargestellt) – bezogen auf ihre Längsachse – stehend angeordnet sind.
In einem dritten und letzten Fertigungsschritt werden die unteren Gehäusedeckel 80 bis 90 und die oberen Gehäusedeckel 92 bis 102 paarweise um 180º auseinandergeklappt, so dass sich sechs Gehäusemodule 92 und 80, 82 und 94, 96 und 84, 86 und 98, 100 und 88, sowie 90 und 102 herausbilden, deren vorherige lotrechte Ausrichtung (bezogen auf die Längsachse der nicht dargestellten Batteriezellen) in eine waagerechte bzw. liegende Position überführt wird.
Bei dem anhand von den 7 bis 9 erläuterten Herstellungsprozess eines Batteriesystems mit einer Längsausrichtung der einzelnen Batteriemodulen wird deutlich, dass aufgrund der beschriebenen zweistufigen Klapptechnik es möglich ist, nur in einem ersten Fertigungsschritt alle notwendigen elektrischen Verbindungen zwischen den einzelnen Batteriemodulen mit Hilfe des Folienleiters 73 herzustellen. Die vorgeschlagene Kontaktierungs- und Verschaltungsanordnung ist nicht nur auf den zuvor beschriebenen Batterietyp mit zylindrischen Batteriezellen eingeschränkt, sondern auch bei anderen Batterietypen anwendbar, wo eine Längsanordnung der entsprechenden Batteriemodule mehr Gestaltungsfreiraum für die Integration in das Fahrzeug o.ä. bietet. Die in Längsrichtung hintereinander verschalteten Batteriemodule werden arretiert und gegebenenfalls in einem gemeinsamen Gehäuse untergebracht, bevor sie zum Schluss an das Batterie-Management-System des Fahrzeugs o.ä. angeschlossen werden.
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 102006015566 A1 [0003]
DE 202009012647 U1 [0004]
JP 63250054 A2 [0005]
US 5853915 A1 [0006]
WO 2011082722 A1 [0006]

Claims

Kontaktierungs- und Verschaltungsanordnung für Batterien mit vorzugsweise zylindrisch ausgebildeten Batteriezellen (8), die an ihren beiden Stirnseiten Pole aufweisen, die elektrisch miteinander verbunden und zu mehreren Batteriemodulen zusammengefasst sind, dadurch gekennzeichnet, dass mindestens zwei Batteriemodule (2, 4) an einer ihrer beiden Stirnseiten elektrisch und mechanisch miteinander verbunden sind, so dass sie derart zueinander klapp- bzw. faltbar sind, dass ihre jeweiligen Längsachsen (a, b) im Wesentlichen zueinander fluchten.
Kontaktierungs- und Verschaltungsanordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Batteriemodule (2, 4, 18 bis 28) über flexible Leiter, insbesondere Folienleiter (29, 30 bis 38), elektrisch miteinander verbunden sind.
Kontaktierungs- und Verschaltungsanordnung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass mehrere Batteriemodule (18 bis 28) wechselseitig an ihrer unteren und an ihrer oberen Stirnseite über flexible Leiter, insbesondere Folienleiter (29, 30 bis 38, 73), elektrisch miteinander verbunden sind.
Kontaktierungs- und Verschaltungsanordnung nach Anspruch 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Folienleiter (29, 30 bis 38, 73) mit Leiterblechen (64, 66) verbunden sind, die wiederum die Pole der einzelnen Batteriezellen (8) eines Batteriemoduls (2, 4, 18 bis 28) untereinander verbinden.
Kontaktierungs- und Verschaltungsanordnung nach einem der Ansprüche 2 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass mit Hilfe der Folienleiter (29, 30 bis 38, 73) die elektrischen Spannungen und Temperaturen der Batteriezellen (8) erfasst werden.
Kontaktierungs- und Verschaltungsanordnung nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass der Folienleiter (73, 74) an der Verbindungsstelle zwischen zwei Batteriemodulen breite Leiterbahnen (106, 108) für den Stromfluss und schmale Leiterbahnen (110) für die Spannungs- und Temperaturmessung aufweist.
Batteriesystem mit mehreren elektrisch und mechanisch miteinander verbundenen Batteriemodulen (2, 4, 18 bis 28), dadurch gekennzeichnet, dass die Batteriemodule (2, 4, 18 bis 28) durch eine Kontaktierung- und Verschaltungsanordnung gemäß den Merkmalen aus den Ansprüchen 1 bis 6 verbunden sind.
Verfahren zur Herstellung von verschalteten Batteriemodulen mit folgenden Fertigungsschritten: 8.1 Verschweißen von zwei in einer Ebene angeordneten Gehäusehälften (99, 103), um eine elektrische Kontaktierung für verschaltete Batteriemodule herzustellen, wobei die Verbindung mit Hilfe flexibler Leiter, insbesondere Folienleiter (73) erfolgt; 8.2 Aufklappen der beiden Gehäusehälften (99, 103) um ca. 180º, so dass eine Position erreicht wird, bei der die einzelnen Batteriezellen, bezogen auf ihre Längsachse stehend angeordnet sind; 8.3 Paarweises Auseinanderklappen von unteren Gehäusedeckeln (80 bis 90) und oberen Gehäusedeckeln (92 bis 102) ca. um 180º, so dass sich entsprechende Gehäusemodule (92 und 80, 82 und 94, 96 und 84, 86 und 98, 100 und 88, sowie 90 und 102) herausbilden, deren vorherige lotrechte Ausrichtung bezogen auf die Längsachse in eine waagerechte bzw. liegende Position überführt wird.
Verfahren zur Herstellung von verschalteten Batteriemodulen nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass die in Längsrichtung hintereinander angeordneten Batteriemodule entsprechend arretiert in einem gemeinsamen Gehäuse untergebracht werden.