DE102015216181B3

DE102015216181B3 - Elektrischer Energiespeicher mit Speichermodulen unterschiedlichen Typs

Info

Publication number: DE102015216181B3
Application number: DE102015216181.1A
Authority: DE
Inventors: Sina Block; Jürgen Hildinger; Stefan Juraschek; Frank Möbius
Original assignee: Bayerische Motoren Werke AG
Current assignee: Bayerische Motoren Werke AG
Priority date: 2015-08-25
Filing date: 2015-08-25
Publication date: 2016-08-18
Anticipated expiration: 2035-08-26
Also published as: WO2017032499A1; US20180102527A1; CN107567664A; CN107567664B; US10944089B2

Abstract

Die Erfindung betrifft einen elektrischer Energiespeicher (3) mit mehreren elektrisch gekoppelten und austauschbaren Speichermodulen (1, 2), die jeweils eine Vielzahl von in Reihe oder parallel geschalteten Speicherzellen (5) aufweisen, wobei der Energiespeicher (3) Speichermodule (1) eines ersten Typs aufweist, die eine bestimmte Energiedichte aufweisen, wobei der Energiespeicher (3) Speichermodule (2) eines zweiten Typs aufweist, die eine höhere Energiedichte aufweisen als die Speichermodule (1) des ersten Typs, und in das räumliche Volumen eines Speichermoduls (1) des ersten Typs, zumindest zwei Speichermodule (2) des zweiten Typs passen. Darüber hinaus betrifft die Erfindung ein Kraftfahrzeug mit solch einem Energiespeicher.

Description

Die Erfindung betrifft einen elektrischen Energiespeicher, insbesondere für Kraftfahrzeuge, mit mehreren elektrisch gekoppelten und austauschbaren Speichermodulen, die jeweils eine Vielzahl von in Reihe oder parallel geschalteten Speicherzellen aufweisen.
Die Entwicklung von elektrischen Energiespeichern für Kraftfahrzeuge, insbesondere Hybrid- und Elektrofahrzeuge, schreitet rasch voran, so dass immer höhere Kapazitäten erreichbar sind.
Elektro- und Hybridfahrzeuge weisen in der Regel Energiespeicher auf, die für eine bestimmte Fahrzeugserie konzipiert wurden. Eine Fahrzeugserie wird für einen bestimmten Zeitraum produziert. Durch den Fortschritt bei der Energiespeicherentwicklung ist die Wahrscheinlichkeit hoch, dass eine nachfolgende Fahrzeugserie bereits mit einem weiterentwickelten Energiespeicher konzipiert wird. Für die vorherige Fahrzeugserie müssen jedoch aufgrund gesetzlicher Bestimmungen Ersatzteile über mehrere Jahre bereitgestellt werden. Dies erfordert, Speichermodule für den bisherigen Energiespeicher als Ersatz für ausgediente Speichermodule über Jahre hinweg bereitstellen zu müssen, obwohl dieser in neueren Fahrzeugserien nicht mehr eingesetzt wird. Als Ersatzteile werden jedoch nur noch eine kleine Stückzahl benötigt, wobei aufgrund der geringen Stückzahl die Fertigungskosten hoch sind. Die Speichermodule auf Vorrat zu produzieren ist ebenfalls problematisch, da auch gelagerte und ungenutzte Speichermodule altern.
Aus der DE 10 2013 114 892 A1 ist eine Traktionsbatterie für eine batterieelektrisch angetriebene mobile Arbeitsmaschine bekannt. Diese Traktionsbatterie weist einen Batterietrog auf, in dem mehrere Module angeordnet sind, wobei die Traktionsbatterie mit einer unterschiedlichen Anzahl von Modulen betrieben werden kann.
Die DE 37 90 276 C2 beschreibt ein Batteriefach zur Aufnahme langformatiger elektrischer Batterien.
Es ist daher eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung die vorstehend beschriebenen Probleme zumindest teilweise zu lösen. Diese Aufgabe wird mit einem Energiespeicher gemäß Anspruch 1 und einem Fahrzeug gemäß Anspruch 10 gelöst. Vorteilhafte Weiterentwicklungen sind Gegenstand der abhängigen Ansprüche.
Gemäß einem Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung wird ein elektrischer Energiespeicher bereitgestellt, mit mehreren elektrisch gekoppelten, insbesondere elektrisch in Reihe oder parallel geschalteten, und austauschbaren Speichermodulen, die jeweils eine Vielzahl von in Reihe oder parallel geschalteten Speicherzellen aufweisen, wobei der Energiespeicher Speichermodule eines ersten Typs aufweist, die eine bestimmte Energiedichte aufweisen, wobei der Energiespeicher Speichermodule eines zweiten Typs aufweist, die eine höhere Energiedichte aufweisen als die Speichermodule des ersten Typs, und in das räumliche Volumen eines Speichermoduls des ersten Typs, zumindest zwei Speichermodule des zweiten Typs passen. Durch dieses Ausführungsbeispiel wird eine Möglichkeit geschaffen, Speichermodule eines ersten Typs, beispielsweise einer Vorgängergeneration, mit Speichermodulen eines zweiten Typs, beispielsweise einer Nachfolgegeneration, zu kombinieren. Dabei können beispielsweise zwei Speichermodule des zweiten Typs ein Speichermodul des ersten Typs ersetzen. Durch diese Abstimmung der Dimensionen von erstem und zweitem Typ sind keine Anpassungen des restlichen Energiespeichers erforderlich, sondern es wird nur ein Speichermodul gegen zwei neue mit höherer Energiedichte ausgetauscht.
Gemäß einem weiteren Ausführungsbeispiel der Erfindung weisen die Speichermodule des ersten Typs größere Außenflächen auf als die Speichermodule des zweiten Typs. Das heißt eine gesamte Außenfläche eines Speichermoduls des ersten Typs ist größer als eine gesamte Außenfläche eines Speichermoduls des zweiten Typs.
Gemäß einem weiteren Ausführungsbeispiel der Erfindung haben die Speichermodule des ersten Typs ein höheres Gewicht als die Speichermodule des zweiten Typs.
Gemäß einem weiteren Ausführungsbeispiel der Erfindung ist eine Grundfläche von zwei nebeneinander angeordneten Speichermodulen des zweiten Typs im Wesentlichen gleich groß wie eine Grundfläche eines Speichermoduls des ersten Typs.
Gemäß einem weiteren Ausführungsbeispiel der Erfindung ist eine Länge der Speichermodule des ersten Typs im Wesentlichen doppelt so groß wie eine Länge der Speichermodule des zweiten Typs.
Gemäß einem weiteren Ausführungsbeispiel der Erfindung ist eine Länge der Speichermodule des ersten Typs im Wesentlichen gleich zur Länge der Speichermodule des zweiten Typs.
Gemäß einem weiteren Ausführungsbeispiel der Erfindung ist eine Breite der Speichermodule des ersten Typs im Wesentlichen gleich zur Länge der Speichermodule des zweiten Typs.
Gemäß einem weiteren Ausführungsbeispiel der Erfindung weist der Energiespeicher ferner eine Abdeckplatte zum elektrischen Verbinden der Speicherzellen des Speichermoduls des ersten Typs, und eine Abdeckplatte zum elektrischen Verbinden der Speicherzellen des Speichermoduls des zweiten Typs auf, wobei alle Abdeckplatten identische elektrische Anschlüsse zur elektrischen Kopplung der Speichermodule miteinander haben.
Gemäß einem weiteren Ausführungsbeispiel der Erfindung haben zwei Speichermodule des zweiten Typs zusammen im Wesentlichen die gleiche elektrische Kapazität wie Speichermodule des ersten Typs.
Darüber hinaus betrifft die Erfindung ein Kraftfahrzeug mit einem solchen Energiespeicher.
Nachfolgend werden bevorzugte Ausführungsbeispiele der vorliegenden Erfindung unter Bezugnahme auf die beigefügten Zeichnungen beschrieben. In diesen Zeichnungen ist Folgendes dargestellt:
1 zeigt schematisch einen elektrischen Energiespeicher gemäß einem Ausführungsbeispiel der Erfindung;
2 zeigt den allgemeinen bekannten Aufbau eines Speichermoduls;
3a zeigt schematisch ein Speichermodul eines ersten Typs;
3b zeigt schematisch ein Speichermodul eines zweiten Typs, und
4 zeigt eine Abwandlung des erfindungsgemäßen Energiespeichers.
1 zeigt schematisch einen elektrischen Energiespeicher 3 gemäß einem Ausführungsbeispiel der Erfindung. Der Energiespeicher 3 wird in Elektro- und Hybridfahrzeugen zum Speichern von elektrischer Energie eingesetzt. Aufgebaut ist der Energiespeicher 3 aus einer Vielzahl an Speichermodulen 1 und 2, welche Speichermodule 1 eines ersten Typs und Speichermodule 2 eines zweiten Typs umfassen. Sämtliche Speichermodule 1, 2 sind elektrisch in Serie oder parallel geschaltet. Die Speichermodule 1, 2 sind in einer Tragestruktur 4 angeordnet, wie beispielsweise einem Gehäuse, welche beispielsweise am Unterboden des Kraftfahrzeugs angeordnet ist. In dieser Tragestruktur 4 sind Speichermodul-Montagebereiche vorgesehen, die alle derart dimensioniert sind, dass ein Speichermodul 1 des ersten Typs dort hineinpasst. Jeder der Speichermodul-Montagebereiche ist so dimensioniert, dass wenigstens deren Grundflächen jeweils einer Grundfläche eines Speichermoduls 1 des ersten Typs entsprechen. Die Ausrichtung der Speichermodule 1, 2 kann derart sein, dass eine Längsrichtung der Speichermodule 1, 2 in einer Fahrzeugquerrichtung y verläuft, eine Breitenrichtung der Speichermodule 1, 2 in einer Fahrzeuglängsrichtung x verläuft und eine Höhenrichtung der Speichermodule 1, 2 in Richtung einer Fahrzeughochachse z verläuft. Die Längsrichtung der Speichermodule 1, 2 erstreckt sich dabei entlang der längeren Seite der Speichermodule. Dies ist vorzugsweise eine Stapelrichtung der in 2 gezeigten Speicherzellen. Die Ausrichtung der Speichermodule 1, 2 ist natürlich nur beispielhaft und es sind auch andere Ausrichtungen möglich.
2 zeigt den allgemeinen bekannten Aufbau eines Speichermoduls. Ein Speichermodul ist aus einer Vielzahl an Speicherzellen 5, d. h. Akkumulatoren, aufgebaut, die miteinander elektrisch in Reihe geschaltet sind und zusammen ein Speichermodul ausbilden. Eine serielle Schaltung der Speicherzellen 5 ist ebenfalls möglich. Ein Speichermodul bildet somit einen Block aus Speicherzellen 5. Die einzelnen Speicherzellen 5 sind nebeneinander so angeordnet, dass die Längsrichtungen der Speicherzellen 5 quer zur Längsrichtung des Speichermoduls verlaufen, welches durch die Speicherzellen ausgebildet wird. Elektrisch werden die einzelnen Speicherzellen miteinander über Abdeckplatten verbunden, die in 3a und 3b mit den Bezugszeichen 6 und 7 versehen sind. Diese Abdeckplatten verbinden die einzelnen Speicherzellen in Form einer Reihenschaltung auf der zu den Speicherzellen weisenden Seite und weisen auf der entgegengesetzten Seite elektrische Kontaktpunkte 8, 9 auf.
Die 3a und 3b zeigen schematisch die Speichermodule 1 des ersten Typs (3a) und die Speichermodule 2 des zweiten Typs (3b) detaillierter. Die Speichermodule 1 und 2 sind quaderförmig, wobei die Speichermodule 1 des ersten Typs und des zweiten Typs beispielsweise gleich lang sind (d. h. in Richtung ihrer längeren Seite). Beispielsweise können die Speichermodule 2 des zweiten Typs halb so breit wie die Speichermodule 1 des ersten Typs sein, so dass zwei nebeneinander platzierte Speichermodule 2 des zweiten Typs die gleiche Gesamt-Grundfläche ausbilden wie die Grundfläche eines Speichermoduls 1 des ersten Typs. Weitere Varianten sind möglich und werden später beschrieben. Die Höhe der Speichermodule 2 des zweiten Typs entspricht beispielsweise zweidrittel oder der Hälfte der Höhe der Speichermodule 1 des ersten Typs. Wesentlich ist, dass die Abmessungen und Ausrichtungen so gewählt werden, dass zwei nebeneinander angeordnete Speichermodule 2 des zweiten Typs in die Speichermodul-Montagebereiche der Tragestruktur 4 passen. Mit anderen Worten ausgedrückt, ein Speichermodul 1 des ersten Typs kann durch zwei Speichermodule 2 des zweiten Typs ersetzt werden. Im Falle der halben Höhe wäre es sogar möglich, ein Speichermodul 1 des ersten Typs mit vier Speichermodulen des zweiten Typs zu ersetzen, so dass diese das räumliche Volumen des Speichermoduls 1 des ersten Typs einnehmen. Die vier Speichermodule des zweiten Typs müssten dann so angeordnet werden, dass jeweils zwei nebeneinander angeordnete Speichermodule deckungsgleich übereinander gelegt werden. Die Abdeckplatte 6 verbindet die einzelnen Speicherzellen 5 des Speichermoduls 1 des ersten Typs elektrisch miteinander, vorzugsweise in einer Reihenschaltung. Die Abdeckplatte 7 deckt sämtliche, an einem Speichermodul-Montagebereich angeordneten Speichermodule 2 des zweiten Typs ab und verbindet sie elektrisch miteinander, vorzugsweise in einer Parallelschaltung, so dass die Speichermodule des zweiten Typs das gleiche Spannungsniveau haben, wie die Speichermodule des ersten Typs. Zusätzlich könnte die Abdeckplatte 7 ferner die Funktion haben, die einzelnen Speicherzellen 5 dieser Speichermodule miteinander elektrisch zu verbinden, vorzugsweise in Form einer Reihenschaltung. Alternativ wird diese Reihenschaltung mittels einer separaten Abdeckplatte realisiert.
Außerdem sind die Speichermodule 2 des zweiten Typs leichter als die Speichermodule 1 des ersten Typs, d. h. sie haben ein geringeres Gewicht. Eine Kapazität der Speichermodule des zweiten Typs ist im Wesentlichen die Hälfte wie die Kapazität der Speichermodule des ersten Typs. Ferner haben die Speichermodule 2 des zweiten Typs eine höhere Energiedichte als die Speichermodule 1 des ersten Typs.
Zum elektrischen Verbinden der Speichermodule 1, 2 in Form einer Parallel- oder Reihenschaltung aller Speichermodule des Energiespeichers 3 sind bei den Speichermodulen 1, 2 elektrische Anschlüsse vorgesehen. Die elektrischen Anschlüsse umfassen bei den Speichermodulen 1 des ersten Typs die elektrischen Kontaktpunkte 8 und/oder mit den elektrischen Kontaktpunkten 8 verbundene Verbindungselemente 10, die insbesondere durch mit Steckern oder Buchsen versehene Kabel gebildet werden. Entsprechend umfassen die elektrischen Anschlüsse bei den Speichermodulen 2 des zweiten Typs die elektrischen Kontaktpunkte 9 und/oder mit den elektrischen Kontaktpunkten 9 verbundene Verbindungselemente 11, die insbesondere durch mit Steckern oder Buchsen versehene Kabel gebildet werden. Erfindungsgemäß sind die elektrischen Anschlüsse der Speichermodule des ersten und zweiten Typs kompatibel, insbesondere identisch.
4 zeigt eine Abwandlung des vorstehend beschriebenen elektrischen Energiespeichers 3. Die vorstehende Beschreibung trifft auch auf dieses Ausführungsbeispiel zu, das sich nur darin unterscheidet, dass die Ausrichtung der Speichermodule 1, 2 derart ist, dass eine Längsrichtung der Speichermodule 1, 2 in einer Fahrzeuglängsrichtung x verläuft, eine Breitenrichtung der Speichermodule 1, 2 in einer Fahrzeugquerrichtung y verläuft und eine Höhenrichtung der Speichermodule 1, 2 in Richtung einer Fahrzeughochachse z verläuft. In 4 entspricht eine Länge der Speichermodule 1 des ersten Typs der doppelten Breite der Speichermodule 2 des zweiten Typs. Eine Breite der Speichermodule 1 des ersten Typs entspricht der Länge der Speichermodule 2 des zweiten Typs.
Ebenfalls ist eine Ausrichtung möglich, bei der eine Längsrichtung der Speichermodule 1, 2 in einer Fahrzeugquerrichtung y verläuft, eine Breitenrichtung der Speichermodule 1, 2 in einer Fahrzeuglängsrichtung x verläuft und eine Höhenrichtung der Speichermodule 1, 2 in Richtung einer Fahrzeughochachse z verläuft, wobei eine Länge der Speichermodule 1 des ersten Typs der doppelten Länge der Speichermodule 2 des zweiten Typs entspricht und eine Breite der Speichermodule 1 des ersten Typs der Breite der Speichermodule 2 des zweiten Typs entspricht. In diesem Fall wären zwei Speichermodule 2 des zweiten Typs in y-Richtung nebeneinander angeordnet.
Während die Erfindung detailliert in den Zeichnungen und der vorangehenden Beschreibung veranschaulicht und beschrieben wurde, ist diese Veranschaulichung und Beschreibung als veranschaulichend oder beispielhaft und nicht als beschränkend zu verstehen und es ist nicht beabsichtigt die Erfindung auf die offenbarten Ausführungsbeispiele zu beschränken. Die bloße Tatsache, dass bestimmte Merkmale in verschiedenen abhängigen Ansprüchen genannt sind, soll nicht andeuten, dass eine Kombination dieser Merkmale nicht auch vorteilhaft genutzt werden könnte.

Claims

Elektrischer Energiespeicher (3) mit mehreren elektrisch gekoppelten und austauschbaren Speichermodulen (1, 2), die jeweils eine Vielzahl von in Reihe oder parallel geschalteten Speicherzellen (5) aufweisen, wobei der Energiespeicher (3) Speichermodule (1) eines ersten Typs aufweist, die eine bestimmte Energiedichte aufweisen, dadurch gekennzeichnet, dass der Energiespeicher (3) Speichermodule (2) eines zweiten Typs aufweist, die eine höhere Energiedichte aufweisen als die Speichermodule (1) des ersten Typs, und in das räumliche Volumen eines Speichermoduls (1) des ersten Typs, zumindest zwei Speichermodule (2) des zweiten Typs passen.
Energiespeicher (3) gemäß Anspruch 1, wobei die Speichermodule (1) des ersten Typs größere Außenflächen aufweisen als die Speichermodule (2) des zweiten Typs.
Energiespeicher (3) gemäß einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die Speichermodule (1) des ersten Typs ein höheres Gewicht haben als die Speichermodule (2) des zweiten Typs.
Energiespeicher (3) gemäß einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei eine Grundfläche von zwei nebeneinander angeordneten Speichermodulen (2) des zweiten Typs im Wesentlichen gleich groß ist wie eine Grundfläche eines Speichermoduls (1) des ersten Typs.
Energiespeicher (3) gemäß einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei eine Länge der Speichermodule (1) des ersten Typs im Wesentlichen doppelt so groß wie eine Länge der Speichermodule (2) des zweiten Typs ist.
Energiespeicher (3) gemäß einem der Ansprüche 1 bis 4, wobei eine Länge der Speichermodule (1) des ersten Typs im Wesentlichen gleich zur Länge der Speichermodule (2) des zweiten Typs ist.
Energiespeicher (3) gemäß einem der Ansprüche 1 bis 4, wobei eine Breite der Speichermodule (1) des ersten Typs im Wesentlichen gleich zur Länge der Speichermodule (2) des zweiten Typs ist.
Energiespeicher (3) gemäß einem der vorhergehenden Ansprüche, ferner aufweisend eine Abdeckplatte (6) zum elektrischen Verbinden der Speicherzellen (5) des Speichermoduls (1) des ersten Typs, und eine Abdeckplatte (7) zum elektrischen Verbinden der Speicherzellen (5) des Speichermoduls (2) des zweiten Typs, wobei alle Abdeckplatten (6, 7) identische elektrische Anschlüsse zur elektrischen Kopplung der Speichermodule (1, 2) miteinander haben.
Energiespeicher (3) gemäß einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei zwei Speichermodule (2) des zweiten Typs zusammen im Wesentlichen die gleiche elektrische Kapazität wie ein Speichermodul des ersten Typs haben.
Kraftfahrzeug mit einem Energiespeicher (3) gemäß einem der vorhergehenden Ansprüche.