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Betrachtet wird ein Batteriemodul mit mehreren elektrisch miteinander verbundenen Einzelzellen. Die Anordnung solcher Batteriemodule in einem stabilen Gehäuse ergibt die Traktionsbatterie eines elektrisch angetriebenen Kraftfahrzeuges.
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Aus der
DE 10 2008 034 868 oder der
DE 10 2008 034 697 sind jeweils Batteriemodule mit mehreren elektrisch miteinander verbundenen Einzelzellen bekannt. Falls das Kraftfahrzeug mit diesem Batteriemodul einen Unfall hat, kann es dabei durch eine auf das Batteriemodul wirkende Kraft zu einem elektrischen Kontakt zwischen den beiden Polkontakten einer Einzelzelle kommen, womit sich die Gefahr eines elektrischen Kurzschlusses ergibt. Deshalb ist gemäß der
DE 10 2008 034 697 vorgesehen, zwischen den beiden Polkontakten der Einzelzellen ein Abstützelement anzuordnen. Aus der
DE 10 2008 034 868 ist es bekannt, eine den Einzelzellen zugeordnete Wärmeleitplatte mit Kraftübertragungselementen auszustatten, welche im Zusammenwirken mit darüber angeordneten flächigen Elementen, wie z.B. einem Batteriegehäuse oder einer elektronischen Baueinheit, eine von oben auf das Batteriemodul wirkende Kraft auf die Gesamtheit der Einzelzellen verteilt, und somit eine direkte Krafteinwirkung auf einen oder mehrere Polkontakte nur einer Einzelzelle vermeiden.
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Aufgabe der Erfindung ist es, eine besonders einfache und platzsparende Ausbildung für ein Batteriemodul anzugeben, die bei einer Krafteinwirkung auf das Batteriemodul einen elektrischen Kurzschluss verhindert.
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Die Aufgabe wird gelöst durch die Merkmale des Patentanspruchs 1.
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Die erfindungsgemäße Lösung ist sehr platzsparend, da nur eine relativ dünne Trägerplatte aus elektrisch nicht leitendem Material, als mechanischer Träger und elektrischer Isolator, und die direkt darauf aufliegenden zwei oder mehr elektrischen Zellverbinder, benötigt werden. Zudem ergibt sich eine besonders einfache Anordnung, indem lediglich noch die Polkontakte mit einer jeweiligen Polarität von jeweils zwei oder mehr Einzelzellen mit den jeweiligen Zellverbindern verbunden werden müssen, um die elektrische Leitung und die mechanische Festigkeit des Batteriemoduls herzustellen. Beispielsweise wird der Pluspol von zwei oder mehr ersten Einzelzellen mit dem ersten Zellverbinder und der Minuspol von zwei oder mehr – von den ersten Einzelzellen verschiedenen – zweiten Einzelzellen mit dem zweiten Zellverbinder verbunden.
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Damit ergibt sich in vorteilhafter Weise eine besonders sichere Verbindung. Gerade bei einer elektrischen Parallelschaltung von Einzelzellen, wie vorliegend durch die Verwendung der Zellverbinder realisiert, können nämlich hohe elektrische Ströme auftreten. Und hier wird nun ein elektrischer Kurzschluss zwischen den beiden benachbarten Zellverbindern durch den dazwischen angeordneten Steg sicher vermieden. Denn so wie die Trägerplatte selbst sind ja auch die Stege aus einem elektrisch nicht leitenden Material. Damit ergibt sich eine zuverlässige elektrische Trennung der Zellverbinder, die ja jeweils mit unterschiedlichen Polaritäten der jeweils zwei oder mehr Einzelzellen verbunden sind.
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Selbst wenn bei einem Unfall des Kraftfahrzeuges mit dem Batteriemodul die Trägerplatte stark deformiert wird, und sich die Zellverbinder somit verschieben, wird durch die Stege ein elektrischer Kontakt zwischen Zellverbindern mit unterschiedlicher Polarität nun sicher verhindert.
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Zudem können die erfindungsgemäß konfigurierten Stege materialsparend relativ klein und dünn gestaltet werden, da sie ja keine auf das Batteriemodul wirkende Kraft aufnehmen bzw. weiterleiten, sondern lediglich einen elektrischen Kontakt zwischen den jeweiligen Zellverbindern verhindern müssen.
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Eine konstruktiv besonders einfache Lösung ergibt sich bei Ausbildung der jeweiligen Einzelzellen als Flachzelle oder Pouchzelle mit jeweils fahnenartigen, d.h. flach und länglich ausgebildeten, Polkontakten und mit im Wesentlichen plattenförmig ausgebildeten Zellverbindern dann, wenn die Zellverbinder Schlitze aufweisen, zur Durchdringung für die jeweiligen Polkontakte der Einzelzellen. Damit ist für die jeweiligen Polkontakte nach dem Durchdringen der Trägerplatte lediglich noch eine weitere Durchdringung der entsprechenden Schlitze in den Zellverbindern notwendig, um eine Verbindung zu erzielen.
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Ein besonders einfach herzustellendes Batteriemodul ergibt sich dann, wenn für die Polkontakte der Einzelzellen ein Durchdringen der jeweiligen Schlitze der Zellverbinder, eine näherungsweise orthogonale Umlegung sowie eine elektrisch leitende und mechanisch feste Fixierung auf der – von den Einzelzellen abgewandten – Oberfläche der Zellverbinder vorgesehen ist. Damit wird eine besonders einfache und sichere elektrische und mechanische Verbindung innerhalb des Batteriemoduls erreicht.
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Eine weitere Erhöhung der elektrischen Sicherheit ergibt sich dann, wenn für den Fall dass ein Schlitz in einem Zellverbinder benachbart zu einem Steg der Trägerplatte vorgesehen ist, eine Umlegung der Polkontakte in Richtung vom Steg weg vorgesehen ist. Damit wird die elektrisch wirksame Höhe des Zellverbinders im Bereich des Stegs, d.h. benachbart zum nächsten Zellverbinder, minimiert.
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In einer besonders bevorzugten Ausführungsform der Erfindung sind bei den Einzelzellen die jeweiligen Polkontakte an zwei einander entgegengesetzten Enden ausgebildet, wobei zwei Trägerplatten derart vorgesehen sind, dass die jeweiligen Polkontakte an den einander entgegengesetzten Enden der Einzelzellen mit der ersten Polarität jeweils mit ersten Zellverbindern und mit der zweiten Polarität jeweils mit zweiten Zellverbindern elektrisch leitend und mechanisch fest verbunden sind. Anders ausgedrückt können bei Einzelzellen mit gegenüberliegenden Polkontakten, z.B. Pluspole auf der linken und Minuspole auf der rechten Seite der Einzelzellen, zwei näherungsweise gleiche Trägerplatten verwendet werden.
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Auf den beiden Trägerplatten liegen jeweils erste und zweite im Wesentlichen plattenförmig ausgebildete Zellverbinder direkt auf. Dabei ist vorgesehen, die Einzelzellen derart gruppenweise anzuordnen, dass innerhalb einer solchen Gruppe die Polkontakte mit gleicher Polarität jeweils in die gleiche Richtung weisen. Beispielsweise werden in einer ersten Gruppe eine erste Anzahl Einzelzellen derart angeordnet, dass die Pluspole zur ersten Trägerplatte hinweisen, demzufolge die Minuspole zur zweiten Trägerplatte hinweisen. Benachbart dazu werden in einer zweiten Gruppe eine zweite Anzahl Einzelzellen derart angeordnet, dass ihre Pluspole zur zweiten Trägerplatte hinweisen, demzufolge die Minuspole zur ersten Trägerplatte hinweisen.
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Durch diese Anordnung ergibt sich bei speziell ausgebildeten Einzelzellen, nämlich bei Flachzellen oder Pouchzellen mit jeweils an zwei einander entgegengesetzten Enden ausgebildeten fahnenartigen Polkontakten, eine überraschend einfache Möglichkeit diese miteinander zu verbinden. Lediglich durch die Verwendung zweier erfindungsgemäß konfigurierter Trägerplatten, auf denen jeweils erste und zweite Zellverbinder direkt aufliegen, ergibt sich eine elektrisch leitende und mechanisch feste Verbindung die auch noch besonders sicher ist.
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Mit anderen Worten ist die Verwendung von erster und zweiter Trägerplatte mit jeweils ersten und zweiten Zellverbindern ausreichend, um aus den speziell ausgebildeten Einzelzellen ein Batteriemodul herzustellen. Abhängig von der Ausbildung der ersten und zweiten Zellverbinder sind damit, unter Berücksichtigung der Werte der Einzelzellen, Batteriemodule mit einer gewünschten Spannung und Stromstärke realisierbar. Beispielsweise ergeben zwei Gruppen mit jeweils drei Einzelzellen, deren Pluspole und Minuspole jeweils mit ersten bzw. zweiten, jeweils auf den beiden Trägerplatten direkt aufliegenden, Zellverbindern verbunden sind, ein Batteriemodul mit dreifacher Stromstärke und gleicher Spannung wie die Einzelzellen.
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Ein besonders stabiles Batteriemodul ergibt sich dann, wenn die oder jede Trägerplatte mit angeformten Stegen aus Kunststoff einstückig gefertigt ist. Insbesondere bei Verwendung von Polypräphylen oder Polyethylen ergibt sich eine feste und stark dehnbare, aber dennoch nicht spröde Trägerplatte. Dabei wurde erkannt, dass eine Dicke von zwei bis drei Millimetern für die oder jede Trägerplatte und eine Breite von drei bis fünf Millimetern für den Steg bzw. die Stege ausreichend ist.
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Die Sicherheit wird noch weiter erhöht, wenn die oder jede Trägerplatte an ihrem äußeren Rand einen umlaufenden Rahmen aus einem elektrisch nicht leitenden Material mit einer Breite von drei bis fünf Millimetern aufweist. Dieser vorzugsweise lückenlose und einstückig mit der oder jeder Trägerplatte vorgesehene Rahmen verhindert das seitliche Eindringen fremder metallische Gegenstände bei einem Unfall des Kraftfahrzeuges mit dem Batteriemodul.
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Mit Vorteil wird vorgeschlagen, dass ein Deckel aus einem elektrisch nicht leitenden Material vorgesehen ist, welcher auf dem Rahmen und /oder auf den Stegen aufliegt. Dies erhöht die Sicherheit gegen ein Überrutschen der Zellverbinder über die Stege bei einem Unfall des Kraftfahrzeuges mit dem Batteriemodul. Dabei kann der Deckel relativ dünn und leicht gefertigt werden, vorzugsweise nur fünf Millimeter dick, da er lediglich den elektrischen Kontakt zwischen den Zellverbindern verhindern, und keine Kräfte aufnehmen bzw. weiterleiten muss. Dabei ist der Deckel vorzugsweise kraft- oder formschlüssig mit der Oberseite des Rahmens bzw. der Stege verbunden, z.B. durch Schweißen.
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Die Erfindung wird nun anhand einer Zeichnung näher dargestellt. Dabei zeigen
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1 einen Teil eines Batteriemoduls,
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2 schematisch einen Schnitt durch einen Teil einer ersten Ausführungsform,
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3 schematisch einen Schnitt durch einen Teil einer zweite Ausführungsform.
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1 zeigt einen Teil eines Batteriemoduls 1, aufweisend eine Mehrzahl von Einzelzellen 2a, 2b. Die Einzelzellen 2a, 2b sind als Flach- bzw. Beutelzellen ausgebildet, wobei die jeweiligen Polkontakte an zwei einander entgegengesetzten Enden der Einzelzellen 2a, 2b angeordnet sind. Die Einzelzellen 2a, 2b sind dabei gruppenweise nebeneinander angeordnet, beispielsweise innerhalb eines (nicht dargestellten) Schutzgehäuses. Die Kühlung der Einzelzellen 2a, 2b erfolgt beispielsweise durch eine (nicht dargestellte) Kühlplatte, welche unterhalb der Einzelzellen 2a, 2b positioniert ist und diese von unten abstützt.
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Vorliegend ist erkennbar, dass an der linken und an der rechten Seite des Batteriemoduls 1 jeweils eine Gruppe von vier Einzelzellen derart angeordnet ist, dass ihre Polkontakte mit erste Polarität, z.B. Pluspol 3, nach vorne hin weisen, während dazwischen eine weitere Gruppe von ebenfalls vier Einzelzellen so angeordnet ist, dass ihre Polkontakte mit zweiter Polarität, z.B. Minuspol 4, nach vorne hin weisen.
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Da in 1 lediglich eine Hälfte des Batteriemoduls 1 dargestellt ist, ergibt sich daraus, dass die Polkontakte mit zweiter Polarität, z.B. Minuspol 4, der jeweils an der linken und an der rechten Seite des Batteriemoduls 1 angeordneten Gruppen von vier Einzelzellen jeweils nach hinten hin weisen, und die Polkontakte mit erste Polarität, z.B. Pluspol 3, der dazwischen angeordneten weiteren Gruppe von ebenfalls vier Einzelzellen nach hinten hin weisen. Dies ist jeweils nicht in 1 dargestellt.
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An den jeweiligen Enden des Batteriemoduls 1 sind Trägerplatten 5 angeordnet, von denen wiederum nur die vordere in 1 dargestellt ist. Die Trägerplatten 5 sind aus Kunststoff gefertigt, z.B. aus Polyprophylen oder Polyethylen.
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Auf der Trägerplatte 5 liegen elektrische Zellverbinder 6.1, 6.2 direkt auf, welche im Wesentlichen plattenförmig ausgeführt sind. Die elektrischen Zellverbinder 6.1, 6.2 sind aus einem elektrisch gut leitenden Material hergestellt, z.B. aus Kupfer. Vorliegend sind die elektrischen Zellverbinder 6.1, 6.2 mit der Trägerplatte 5 verschraubt.
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Die elektrischen Zellverbinder dienen dazu, mehrere Polkontakte gleicher Polarität von mehreren Einzelzellen elektrisch miteinander zu kontaktieren und die Einzelzellen mechanisch zu fixieren. Vorliegend ist erkennbar, dass ein erster Zellverbinder 6.1 jeweils vier Polkontakte von vier Einzelzellen mit einer ersten Polarität kontaktiert, z.B. Pluspol 3. Ein zweiter Zellverbinder 6.2 kontaktiert demgegenüber vier Polkontakte von vier weiteren Einzelzellen mit einer jeweils zweiten Polarität, z.B. Minuspol 4.
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Dazu weisen die Zellverbinder jeweils Schlitze 11 auf, zum Durchdringen für die jeweiligen Polkontakte der Einzelzellen. Da die Polkontakte jeweils fahnenartig, d.h. flach und länglich ausgebildet sind, ist für die jeweiligen Polkontakte der Einzelzellen ein Durchdringen der jeweiligen Schlitze der Zellverbinder und der Trägerplatten 5 einfach darstellbar. Eine näherungsweise orthogonale Umlegung der jeweiligen Polkontakte der Einzelzellen sowie eine elektrisch leitende und mechanisch feste Fixierung auf der Oberfläche der Zellverbinder, beispielsweise mittels Löten, ergibt eine gut elektrisch leitende und mechanisch feste Verbindung.
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Das dargestellte Batteriemodul 1 ist für unterschiedliche Ausführungsformen einer erfindungsgemäßen Ausbildung geeignet.
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In 2 und 3 sind jeweils schematisch Schnitte durch eine Trägerplatte 5 gemäß zwei verschiedenen Ausführungsformen der Erfindung dargestellt.
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In einer ersten Ausführungsform gemäß 2 liegen zwei Zellverbinder 6.1 und 6.2 direkt auf einer Trägerplatte 5 auf. Die Zellverbinder 6.1 und 6.2 verbinden jeweils Polkontakte von verschiedenen Einzelzellen 2 miteinander. Hier verbindet der Zellverbinder 6.1 drei Polkontakte von drei Einzelzellen 2a mit jeweils einer ersten Polarität, z.B. Pluspol 3. Der Zellverbinder 6.2 verbindet drei Polkontakte von drei anderen Einzelzellen 2b mit einer anderen Polarität, z.B. Minuspol 4.
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Zudem ist am äußeren Rand der Trägerplatte 5 ein lückenlos umlaufender Rahmen 8 mit einer Breite von drei bis fünf Millimetern vorgesehen. Die Trägerplatte 5 weist eine Dicke von zwei bis drei Millimetern auf. Die Stege weisen eine Breite von drei bis fünf Millimetern auf.
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Die Trägerplatte 5 ist mit den angeformten Stegen 7 und Rahmen 8 einstückig aus Kunststoff ausgeführt.
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Erfindungsgemäß wird im Crashfall des Kraftfahrzeuges mit dem Batteriemodul 1 ein gefährlichen Kurzschluss zwischen den Zellverbindern 6.1 und 6.2 verhindert, wenn die Trägerplatte 5 deformiert wird. Denn wenn aufgrund einer Deformation der Trägerplatte 5 beispielsweise der Zellverbinder 6.1 in Richtung des Zellverbinders 6.2 geschoben wird, verhindert der Steg 7 zuverlässig einen elektrischen Kontakt zwischen den beiden Zellverbindern.
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Gemäß 3 ist zusätzlich ein Deckel aus einem elektrisch nicht leitenden Material vorgesehen, welcher auf dem Rahmen und /oder auf den Stegen aufliegt. Damit wird ein Überrutschen der Verbinder 6.1 bzw. 6.2 über den Steg 7 im Crashfall des Kraftfahrzeuges mit dem Batteriemodul 1 verhindert.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- DE 102008034868 [0002, 0002]
- DE 102008034697 [0002, 0002]
