DE102016207572A1

DE102016207572A1 - Batteriemodul, Batterie und Vorrichtung

Info

Publication number: DE102016207572A1
Application number: DE102016207572.1A
Authority: DE
Inventors: Stephan Gase; Petra Kanters
Original assignee: Robert Bosch GmbH
Current assignee: Robert Bosch GmbH
Priority date: 2016-05-03
Filing date: 2016-05-03
Publication date: 2017-11-09
Also published as: CN107394092A

Abstract

Die vorliegende Erfindung betrifft ein Batteriemodul (1) mit einer Mehrzahl von Batteriezellen (10), welche miteinander über erste und zweite Zellenkontakte (11, 12) zum Aufbau einer Modulspannung verschaltet sind, einem ersten und einem zweiten Modulabgriff (5, 6) zum Abgreifen der Modulspannung und mindestens einem ersten und mindestens einem zweiten Zwischenabgriff (21, 22) in elektrischem Kontakt mit Zellkontakten (11, 12) zum Abgreifen einer Zwischenspannung eines Teils der Batteriezellen (10) unterhalb der Modulspannung.

Description

Stand der Technik
Die vorliegende Erfindung betrifft ein Batteriemodul, eine Batterie und eine Vorrichtung. Die vorliegende Erfindung betrifft insbesondere ein Batteriemodul mit einer Mehrzahl von Batteriezellen, eine Batterie mit einer Mehrzahl von Batteriemodulen sowie eine Vorrichtung mit mindestens einem Aggregat und insbesondere ein Fahrzeug, Elektrofahrzeug oder Hybridfahrzeug.
Zur Versorgung von Vorrichtungen und ihren Aggregaten werden häufig Batterien zum Zuführen elektrischer Energie verwendet. Derartige Batterien können aus einem oder mehreren Batteriemodulen, die jeweils mehrere Batteriezellen umfassen, aufgebaut sein und als einzige oder zusätzliche Energiequelle fungieren.
Insbesondere im Fahrzeugbereich werden neben der durch die Batterie zur Verfügung gestellten Gesamtspannung auf Grund einer Vielzahl unterschiedlich ausgelegter Einzelverbraucher nicht nur eine sondern oft mehrere weitere Betriebsspannungen für die einzelnen Aggregate notwendig. Hierzu müssen bisher entweder entsprechend ausgelegte Einzelbatterien oder aber vorgeschaltete Einheiten vorgesehen werden, die jeweils die für ein jeweiliges Aggregat notwendige Betriebsspannung bereitstellen, sofern sich diese von der Gesamtspannung der zu Grunde liegenden Batterie unterscheiden.
Dies erfordert einen zusätzlichen apparativen Aufwand, verkompliziert den Montage- und Instandhaltungsprozess und erhöht auch im Hinblick auf die zu leistenden Investitionen die Kosten.
Weiterhin können Batterietauschkonzepte eine standardisierte Ladespannung erfordern. Aber individuelle Spannungsabgriffe ermöglichen dann wiederum variable Spannungen für spezifische Anwendungen.
Offenbarung der Erfindung
Das erfindungsgemäße Batteriemodul mit den Merkmalen des unabhängigen Anspruches 1 weist demgegenüber den Vorteil auf, dass neben der Gesamtspannung des Batteriemoduls aus der Verschaltung der im Batteriemodul vorgesehenen einzelnen Batteriezellen ein oder mehrere weitere Zwischenspannungen unterhalb der Gesamtspannung des Batteriemoduls zur Verfügung gestellt werden, so dass zusätzliche Maßnahmen zur Ausbildung weiterer Betriebsspannungen neben der Gesamtspannung des Batteriemoduls entfallen können. Dies wird erfindungsgemäß mit den Merkmalen des unabhängigen Anspruches 1 dadurch erreicht, dass ein Batteriemodul geschaffen wird mit einer Mehrzahl von Batteriezellen, welche miteinander über erste und zweite Zellenkontakte zum Aufbau einer Modulspannung verschaltet sind, mit einem ersten und einem zweiten Modulabgriff zum Abgreifen der Modulspannung und mit mindestens einem ersten und mindestens einem zweiten Zwischenabgriff in elektrischem Kontakt mit Zellkontakten der Batteriezellen zum Abgreifen einer Zwischenspannung eines Teils der Batteriezellen unterhalb der Modulspannung. Durch das Vorsehen mindestens eines Paares aus einem ersten Zwischenabgriff und einem zweiten Zwischenabgriff in elektrischem Kontakt mit Zellkontakten zum Abgreifen einer Zwischenspannung eines Teils der verschalteten Batteriezellen erfolgt die Bereitstellung einer weiteren Zwischenspannung unterhalb der Gesamtspannung des Batteriemoduls in einfacher Art und Weise, nämlich ohne dass es zusätzlicher Maßnahmen bedarf, die über die Bereitstellung und Montage der ersten und zweiten Zwischenabgriffe an den Batteriezellen hinausgehen.
Gemäß einer alternativen Sichtweise der Erfindung, können auch nur Mittel für das Bereitstellen mindestens einer Zwischenspannung ausgebildet sein, wobei die Spannung der restlichen Batteriezellen in Verbindung mit einer Teilspannung eines weiteren Modules in der Summe eine neue Gesamtspannung liefert.
Ebenfalls bezieht sich die Erfindung nicht nur auf Fahrzeuge, sondern auch auf eine generelle Verwendung von Batterien zur Energieversorgung, auf Stromspeicher für lokale Netze oder für die Hausversorgung, und/oder auf Energiespeicher für den Hausgebrauch, Stromspeicher für PV-Anlagen, Batterien für Häuser, etc.
Die Unteransprüche zeigen bevorzugte Weiterbildungen der Erfindung.
Die Flexibilität des erfindungsgemäßen Batteriemoduls lässt sich unter anderem steigern, indem das Batteriemodul mit einer Mehrzahl von Paaren erster und/oder zweiter Zwischenabgriffe in elektrischem Kontakt mit Zellkontakten von Batteriezellen zum Abgreifen einer entsprechenden Mehrzahl von – zueinander gleichen oder unterschiedlichen – Zwischenspannungen eines jeweiligen Teils miteinander verschalteter Batteriezellen ausgebildet ist.
Ein besonders einfacher Aufbau des erfindungsgemäßen Batteriemoduls stellt sich ein, wenn gemäß einer bevorzugten Ausführungsform die Batteriezellen gleich oder gleich wirkend ausgebildet sind, insbesondere als Lithiumionenzellen und/oder mit einer maximalen Zellspannung von 4,2 V, z.B. für NCA/NCM, oder von 3,6 V für LFP oder alternativ von 4,5 V, 4, 35 V bis 4, 6 V,.
Selbstverständlich können auch jegliche andere Batteriezelltypen und/oder von der üblichen Einzelzellspannung von 4,2 V abweichende Konzepte eingesetzt werden.
Die Spannung einer Zelle hängt von den verwendeten Materialien und insbesondere von der Zellchemie ab. Die maximalen Spannungswerte der Einzelzellen bestimmen die Granularität der Gesamtspannung des Batteriemoduls oder der Batterie. Wenn die Batteriezellen eines Modules aus klassischen Haushaltsbatterien z.B. vom Typ AAA oder AA bestünden, so wäre die Spannung der Zellen nur 1,2V-DC.
Von besonderem Vorteil ist es, wenn gemäß einer anderen bevorzugten Weiterbildung des erfindungsgemäßen Batteriemoduls die Gesamtspannung ein ganzzahliges Vielfaches der zu Grunde liegenden Zellspannung der einzelnen Batteriezellen ist.
Entsprechend lässt sich dann auch durch das Vorsehen entsprechender Zwischenabgriffe aus der Kombination der Batteriezellen und ihrer Verschaltung eine Mehrzahl von Zwischenspannungen bereitstellen.
Dabei können einzelne Zwischenabgriffe auch mehrfach belegt sein und/oder physikalisch mit einem ersten oder zweiten Modulabgriff übereinstimmen.
Bei einer besonders bevorzugten Ausgestaltungsform des erfindungsgemäßen Batteriemoduls wird eine maximale Modulspannung von 60 V oder 75 V als Gesamtspannung angestrebt, um auch aktuelle und neuartige Fahrzeugversorgungssysteme besonders flexibel und zuverlässig versorgen zu können.
Dabei ist es von besonderem Vorteil, wenn die Verschaltung der Batteriezellen und die Zwischenabgriffe so ausgebildet sind, dass eine oder mehrere Zwischenspannungen im Wesentlichen einem Wert aus der Gruppe von Werten entspricht bzw. entsprechen, die die Werte 12,5 V, 25 V, 50 V oder allgemein ganzzahlige Vielfache einer Zellspannung der Batteriezellen aufweist.
Gemäß einer anderen bevorzugten Ausgestaltungsform des erfindungsgemäßen Batteriemoduls lässt sich die Flexibilität des Modulaufbaus aus einzelnen Batteriezellen weiter steigern, wenn zwei oder mehr Batteriezellen über Zellverbinder miteinander elektrisch leitend verbunden sind, insbesondere über deren Zellkontakte.
Ferner lässt sich das Einsatzspektrum des erfindungsgemäßen Batteriemoduls aufweiten, wenn die Batteriezellen vollständig oder gruppenweise parallel und/oder seriell verbunden sind.
Einerseits können die vorgesehenen Zwischenabgriffe stationär ausgebildet sein, zum Beispiel in ähnlicher Weise wie die für den Abgriff der Modulspannung vorgesehenen Modulabgriffe.
Der Einsatz lässt sich aber weiter flexibel gestalten, wenn die Anordnung von Zwischenabgriffen variabel ausgebildet ist.
Bei einer Ausführungsform eines derart variabel ausgebildeten Zwischenabgriffsystems ist eine Bewegungseinrichtung vorgesehen, welche dazu ausgebildet ist, Zwischenabgriffe in Bewegung zu versetzen, um dadurch deren Position zu verändern und damit die Verschaltung nach außen hin variierbar zu gestalten.
Denkbar ist auch, die Zwischenangriffe selbst stationär auszubilden und dann über die Bewegungseinrichtung Anschlüsse zu dem oder den Zwischenabgriffen hin zu bewegen, um den Spannungsabgriff über das Ausbilden eines Kontaktes zu realisieren.
Es kann ferner alternativ oder zusätzlich vorgesehen sein, dass eine Schalteinrichtung ausgebildet ist, die ein Zu- und/oder Abschalten von Zwischenabgriffen ermöglicht. So können zum Beispiel eine Vielzahl von Zwischenabgriffen materiell und stationär ausgebildet sein, wobei sich deren Zuschalten oder Abschalten über die Schalteinrichtung und/oder über die Bewegungseinrichtung steuern lässt.
Die vorliegende Erfindung betrifft ferner eine Batterie mit einer Mehrzahl – insbesondere miteinander verschalteter – erfindungsgemäß ausgebildeter Batteriemodule.
Auf diese Art und Weise ergibt sich einerseits der Vorteil, eine nach außen hin notwendige Batteriegesamtspannung modulartig bereitstellen zu können, und andererseits die Möglichkeit, das Konzept der Mehrzahl von Zwischenspannungen in das Modulkonzept einer Batterie zu integrieren.
Ein weiterer Aspekt der vorliegenden Erfindung besteht in der Schaffung einer Vorrichtung, insbesondere eines Fahrzeugs, eines Elektrofahrzeugs oder eines Hybridfahrzeugs, jeweils mit mindestens einem Aggregat und mindestens einem Batteriemodul gemäß der vorliegenden Erfindung und/oder einer Batterie gemäß der vorliegenden Erfindung zur Versorgung des mindestens einen Aggregats.
Gleiches gilt auch für Energiespeicher in anderen Anwendungen, wie beispielsweise für den Hausgebrauch o.ä.
Kurzbeschreibung der Figuren
Unter Bezugnahme auf die beigefügten Figuren werden Ausführungsformen der Erfindung im Detail beschrieben.
1 ist eine schematische Darstellung, die einen möglichen Modulaufbau einer Batterie mit einer Mehrzahl von Spannungsabgriffen beschreibt.
2 bis 5 zeigen in schematischer Draufsicht Ausführungsformen des erfindungsgemäßen Batteriemoduls mit verschiedenen Verschaltungen der Batteriezellen und unterschiedlichen Abgriffskonfigurationen.
6 zeigt eine Ausführungsform des erfindungsgemäßen Batteriemoduls mit einer variablen Abgriffskonfiguration.
7 zeigt schematisch eine Ausführungsform einer erfindungsgemäßen Vorrichtung in Form eines Fahrzeugs und unter Verwendung einer erfindungsgemäßen Batterie aus einer Mehrzahl erfindungsgemäßer Batteriemodule.
Bevorzugte Ausführungsformen der Erfindung
Nachfolgend werden unter Bezugnahme auf die 1 bis 6 Ausführungsbeispiele der Erfindung im Detail beschrieben. Gleiche und äquivalente sowie gleich oder äquivalent wirkende Elemente und Komponenten werden mit denselben Bezugszeichen bezeichnet. Nicht in jedem Fall ihres Auftretens wird die Detailbeschreibung der bezeichneten Elemente und Komponenten wiedergegeben.
Die dargestellten Merkmale und weiteren Eigenschaften können in beliebiger Form voneinander isoliert und beliebig miteinander kombiniert werden, ohne den Kern der Erfindung zu verlassen.
1 zeigt in schematischer Draufsicht eine Ausführungsform einer erfindungsgemäßen Batterie 50.
Die in 1 dargestellte Batterie 50 besteht aus zwei identischen Batteriemodulen 1 mit jeweils einem ersten oder positiven Modulabgriff 5 und einem zweiten oder negativen Modulabgriff 6. Die Module 1 sind aus einer Mehrzahl von Batteriezellen 10 aufgebaut. Diese befinden sich im Inneren eines Gehäuses 4 des jeweiligen Batteriemoduls 1.
In 1 ist die Verschaltung der einzelnen Batteriezellen 10 miteinander sowie die Kontaktierung nach außen hin nicht explizit dargestellt. Diese werden im Zusammenhang mit den weiteren Figuren im Detail erläutert.
Beide Batteriemodule 1 sind auf Grund der Verschaltung der einzelnen Batteriezellen 10 in der Lage, nach außen hin eine Modulspannung von 72 V-DC bereitzustellen. Denkbar ist auch ein Beispiel mit einer Auslegung für 48V-DC Anwendungen mit einer noch ungefährlichen Spannung von weniger als 75V-DC pro Modul. Bei der Anordnung gemäß 4 wäre also nach außen hin durch Reihenschaltung der einzelnen Batteriemodule 1 von der Batterie 50 insgesamt eine Gesamtspannung von 144 V-DC abgreifbar.
Die Spannung der einzelnen Batteriezellen 10 ergibt sich aus einem ganzzahligen Teiler der Modulspannung durch die Batteriezellenanzahl.
Ein wesentlicher Aspekt besteht darin, dass mit einem Wert von weniger 75 V eine Zielgröße für eine maximale Modulspannung geschaffen wird, die noch als ungefährlich bewertet wird, und dass die Gesamtspannung der Batterie dann wiederum ein Vielfaches von 75 V sein kann. Damit kann bei der Herstellung der Batterie auf den Modulen ohne Gefahr gearbeitet werden.
Erfindungsgemäß ist eine Mehrzahl erster oder positiver und zweiter oder negativer Zwischenabgriffe 21 bzw. 22 vorgesehen, über welche entsprechende Zwischenspannungen unterhalb der jeweiligen Modulspannung von 72 V-DC abgreifbar sind, nämlich insbesondere die Spannungswerte 48 V-DC und 24 V-DC.
Bemerkenswert ist dabei, dass über die Modulverbindung 7 der zueinander benachbarten Batteriemodule 1 ein modulübergreifender Abgriff 8 realisiert werden kann, so dass auch über diesen Abgriff bei der Ausführungsform gemäß 1 eine Spannung von 48 V-DC bereitstellbar ist.
Die 2 bis 5 zeigen verschiedene Ausführungsformen einzelner Batteriemodule 1 gemäß der vorliegenden Erfindung.
Jedes der Module 1 besteht im Inneren des jeweiligen Gehäuses 4 aus einer Zellanordnung 3 einer Mehrzahl von miteinander verschalteter Batteriezellen 10. Nach außen hin liegen beim Batteriemodul 1 jeweils ein erster oder positiver Modulabgriff 5 und ein zweiter oder negativer Modulabgriff 6 zum Abgreifen der Gesamtspannung des Batteriemoduls 1 vor, wobei diese auch als Modulspannung bezeichnet wird.
Jede einzelne der Batteriezellen 10 der Zellanordnung 3 des Moduls 1 weist im Inneren des Gehäuses 14 ein elektrochemisches Element 13 zur Erzeugung und/oder Speicherung elektrischer Energie auf. Nach außen hin besitzt jede der Batteriezellen 10 der Zellanordnung 3 einen ersten oder positiven Zellkontakt 11 und einen zweiten oder negativen Zellkontakt 12. Der jeweilige Zellkontakt 11, 12 kann im technischen Kontext auch als Zellabgriff oder Zellanschluss bezeichnet werden.
Untereinander sind die einzelnen Batteriezellen 10 mittels so genannter Zellverbinder 20 miteinander verschaltet, und zwar durch das Verbinden von Zellkontakten 11, 12 mit Zellverbindern 20.
Die Ausführungsformen der Module 1 gemäß den 2 bis 5 unterscheiden sich untereinander durch die Ausgestaltung der Verschaltung über die Topologie der Zellverbinder 20 und durch die Anordnung der dabei über entsprechende erste oder positive und zweite oder negative Zwischenabgriffe 21 bzw. 22 abgreifbaren Zwischenspannungen und/oder durch die Verschaltung der einzelnen Batteriezellen 10 der Zellenanordnung 3 in paralleler und/oder serieller Art.
Bei der Ausführungsform gemäß 2 sind sämtliche Batteriezellen 10 über die Zellverbinder 20 strikt seriell miteinander verschaltet. Dies bedeutet im Einzelnen, dass auf jeder Seite des Moduls 1 eine alternierende Abfolge erster oder positiver und zweiter oder negativer Zellabgriffe 11 bzw. 12 direkt benachbarter Batteriezellen 10 vorliegt. Ein erster oder positiver Zellkontakt 11 einer vorangehenden Batteriezelle 10 ist mit einem zweiten oder negativen Zellkontakt 12 einer nachfolgenden Batteriezelle 10 über einen Zellverbinder 20 verbunden.
Zusätzlich ist in der in 2 dargestellten Anordnung für das Batteriemodul 1 eine Mehrzahl erster oder positiver Zwischenabgriffe 21 und ein zweiter oder negativer Zwischenabgriff 22 ausgebildet.
Wenn jede der Batteriezellen 10 der Zellanordnung 3 des Batteriemoduls 1 dieselbe Zellspannung U liefert, so ergibt sich durch die Serienschaltung der einzelnen Batteriezellen 10 der Zellanordnung 3 die in der 2 dargestellte Kaskade von abgreifbaren Zwischenspannungen in Zweierschritten mit den Werten 2 U bis 14 U, wobei die Modulspannung bei einer Gesamtzahl von 16 einzelnen Batteriezellen 10 im Batteriemodul 1 einen Wert 16 U zwischen dem ersten oder positiven Modulabgriff 5 und dem zweiten oder negativen Modulabgriff 6 liefert.
Durch das Vorsehen weiterer Zwischenabgriffe 21, 22 ließen sich auch die Werte 1 U, 3 U, 5 U, 7 U, 9 U, 11 U, 13 U, 15 U zu ungeradzahligen Vielfachen der Zellenspannung U als Zwischenspannungen abgreifen. Dies ist aus Gründen der Übersichtlichkeit in 1 graphisch nicht dargestellt.
Zu bemerken ist noch, dass der zweite oder negative Zwischenabgriff 22 bei der Anordnung gemäß 2 zusammenfallen kann mit dem zweiten oder negativen Modulabgriff 6. Dies ist jedoch nicht zwingend.
Bei den 3 bis 5 liegen unterschiedliche Verschaltungen der einzelnen Batteriezellen 10 der jeweiligen Zellanordnung 3 des Batteriemoduls 1 in gemischt serieller und/oder paralleler Form vor.
Bei der Anordnung gemäß 3 sind jeweils Gruppen von vier Batteriezellen 10 zueinander parallel geschaltet, um die Stromtragfähigkeit und damit die abgebbare Leistung zu steigern. Es entstehen vier Vierergruppen, die zueinander über entsprechende Zellverbinder 20 in Serie geschaltet sind.
Wenn jede einzelne Batteriezelle 10 eine Zellenspannung U generiert, so ergibt sich über die ersten und zweiten Modulabgriffe 5 bzw. 6 nach außen hin eine Modulspannung mit dem Wert 4 U.
Durch entsprechend vorgesehene Zwischenabgriffe 21 und 22 sind zum Beispiel Zwischenspannungen mit den Werten 2 U und 3 U möglich. Durch zusätzliches Vorsehen eines weiteren Zwischenabgriffspaares mit erstem und zweitem Zwischenabgriff 21 bzw. 22 kann selbstverständlich auch auf die einzelne Zellspannung U bei vierfach gesteigerter Kapazität zugegriffen werden.
Bei der Ausführungsform gemäß 4 sind jeweils Gruppen zu acht einzelnen Batteriezellen 10 miteinander über entsprechende Zellverbinder 20 parallel verschaltet. Die beiden Achtergruppen sind miteinander in Reihe geschaltet. Über entsprechende erste und zweite Zwischenabgriffe 21 und 22 lässt sich dann bei gesteigerter Leistung oder Kapazität die einzelne Zellspannung U abgreifen. Über die ersten und zweiten Modulabgriffe 5 und 6 erscheint nach außen hin die Modulspannung mit dem Wert 2 U.
Bei der Ausführungsform gemäß 5 sind sämtliche 16 einzelne Batteriezellen 10 der Zellanordnung 3 des Batteriemoduls 1 zueinander parallel geschaltet, nach außen erscheint ausschließlich die Zellspannung U als Modulspannung mit 16-fach gesteigerter Kapazität.
Bei der Anordnung gemäß 6 ist eine Mehrzahl von Zwischenabgriffen 21, 22 an der Zellanordnung 3 der einzelnen Batteriezellen 10 des Batteriemoduls 1 für einen negativen Abgriff ausgebildet. Die tatsächliche Kontaktierung erfolgt jedoch über eine zusätzliche Abgriffseinrichtung 25, welche entlang der Richtung des Pfeiles 26 bewegt werden kann. Je nach Stellung der zusätzlichen Abgriffseinrichtung 25 und seiner einzelnen Kontakte 27 in Bezug auf die zweiten oder negativen Zwischenabgriffe 22 ist eine entsprechende Zwischenspannung wählbar. Es sind noch entsprechende Isolationselemente 28 ausgebildet.
7 zeigt in schematischer Form nach Art eines Blockdiagramms eine erfindungsgemäße Vorrichtung in Form eines Fahrzeugs 100, bei welchem eine erfindungsgemäße Batterie 50 mit einer Mehrzahl von Batteriemodulen 10 gemäß der vorliegenden Erfindung ausgebildet ist. Über Versorgungsleitungen 51 und 52 werden verschiedene Aggregate 61 und 62, zum Beispiel für einen Antrieb 60, ggf. auf der Grundlage unterschiedlicher Betriebsspannungen mit elektrischer Energie versorgt. Über eine Steuereinrichtung 70 kann mittels eines Steuerelementes 73 und Steuerleitungen 71 und 72 auf die Versorgung durch die Batterie 50 und auf den Betrieb der Aggregate 61 und 62 und des Antriebs 60 Einfluss genommen werden. Der Antrieb 60 kann hier über das Antriebsaggregat 61 und einen Antriebsstrang 64 ein Rad 63 antreiben.
Diese und weitere Merkmale und Eigenschaften der vorliegenden Erfindung werden an Hand der folgenden Darlegungen weiter erläutert:
Es wird im Folgenden nun auch über die Höhe der Gesamtspannung pro Modul argumentiert und über eine Zwischenspannung am Batteriemodul. Grundsätzlich gelten erst ab 75V-DC die Auflagen der EU-Niederspannungsrichtlinie 2014/35/EU. Auch für Fahrzeuge gilt WD-ISO 6469-3 mit gefährlicher Spannungsklasse B2 ab 75 < U ≤ 1 500V-DC.
Die vorliegende Erfindung betrifft insbesondere ein Einheitsbatteriemodul 1 mit einer Mehrzahl von Spannungsabgriffen 21, 22.
Batterien 50 werden oft aus Batteriemodulen 1 aufgebaut. Diese Module 10 sollen z.B. eine maximale Modulspannung von 75V-DC statt 60V-DC bereitstellen, sind aber erfindungsgemäß mit Spannungsabgriffen 21, 22 beliebiger Höhe zwischen 0 bis 75V-DC ausgestattet. Damit kann mit dem gleichen Batteriemodultyp jede beliebige Spannung der Endbatterie 50 angepasst werden.
Als Folge davon stellt sich eine variable Batteriespannung mit gleichen Modulen 1 und damit reduziertem Gesamtaufwand ein.
Bisher werden oft einzelne Batteriezellen – z.B. aktuell bei Lithiumionenzellen 10 mit jeweils einer Zellspannung von maximal 4,2 V-DC – zu Batteriemodulen 1 mit in Summe höheren Spannungen kombiniert.
Bei einer Reihenschaltung dieser Batteriezellen 10 wird z.B. eine maximale Gesamtspannung von 60V-DC – z.B. in Spannungsklasse A nach ISO 6469-3 – nicht überschritten, um erhöhte Sicherheitsauflagen für Werte der dann gültigen Spannungsklasse B mit Spannungen von mehr 60V-DC nicht erfüllen zu müssen.
Es kann jedoch die Grenze der Spannungsklasse A nach ISO 6469-3 mit maximal 60V-DC Gesamtspannung um eine Klasse B1 für Spannungen bis 75 V-DC ohne Zusatzaufwand für elektrische Sicherheit erweitert werden.
Weiterhin gelten für eine gefährliche Spannung in der Elektrotechnik die Grenzwerte für den Spannungsbereich I nach IEC 60449. Die Grenzwerte dieser Norm liegen für Gleichspannung bei bis 120V-DC.
Ebenfalls unterliegen diese Batteriemodule 1, da sie außerhalb des Fahrzeuges 100 gefertigt werden, den Vorgaben der neuen Niederspannungsrichtlinie 2014/35/EU. Auch hier wird definiert, dass elektrische Betriebsmittel erst ab 75V-DC den erhöhten Sicherheitsauflagen entsprechen müssen.
Somit wird eine erhöhte Modulspannung von 75V-DC statt 60V-DC gesetzt. Für diese Spannungsklasse bis 75V-DC gelten noch keine erhöhten Sicherheitsauflagen, z.B. im Hinblick auf die Aspekte

– Schutz durch Verbauung,
– Sicherheit durch ein IT-Netz (Isolated Terra),
– Potentialausgleich und
– Isolationsüberwachung.

Damit können mehr Batteriezellen 10 bis maximal 75V-DC Gesamtspannung statt 60V-DC in einem Batteriemodul 1 kombiniert werden. Diese Werte entsprechen der Grenze für die dauernd zulässige Berührungsspannung und sind nicht lebensbedrohlich.
Ein Ziel der Erfindung ist insbesondere die Schaffung eines Einheitsmoduls 1 oder Basismoduls 1 für ein Batteriesystem 50 mit einer Gesamtspannung bis maximal 75V-DC, wobei dennoch alle gewünschten Spannungen für Gesamtbatterien 50 bereitgestellt werden können.
Dies wird insbesondere durch neue und zusätzliche Spannungsabgriffe 21, 22 möglich.
Durch diese neuen und zusätzlichen Spannungsabgriffe 21, 22 können mit einem oder mehreren Modulen 1 alle gewünschten Spannungsebenen abgedeckt werden. Dadurch verringert sich die Varianz in den Modulen 1. Dies führt zu sicheren, standardisierten und kostengünstigen Batteriepacks 50, die dennoch alle bisherigen Spannungslagen – insbesondere auch die gerade aufkommenden 48V-Bordnetze – bedienen können.
48V-DC Netze sind auch eine Spannungsvorgabe für neue DC-Netze, die in unterentwickelten neuen ländlichen Bereichen installiert werden. Ohne aufwendigen Schutz vor Hochspannung ist eine Erschließung von ländlichen Gegenden vor allem in Entwicklungsländern durch dezentrale 48V-DC Inselnetze möglich. Auch eine unabhängige dezentrale Stromerzeugung durch Solar- oder Windanlagen ist mit 48V-DC Netzen möglich.
In 1 ist ein theoretisches Beispiel mit 50V-DC gezeigt, welches analog auch für 48V-DC gilt.
Für das Beispiel 50V-DC gemäß 1 ist ein Spannungsabgriff 21, 22 der 75V-DC Batteriemodule 1 z.B. bei 50V-DC und 25V-DC notwendig. Bei Bedarf kann ein zusätzlicher Spannungsteiler so auch 50 V und zweimal 12,5 V bereitstellen. Dies wäre die klassische Bordnetzspannung bei Fahrzeugen 100.
Ein weiterer Vorteil der um 75V-DC höheren Modulspannung besteht darin, dass – wenn die Zahl der Batteriezellen in einem Modul erhöht werden kann – der Gesamtaufwand für die Batteriefertigung kleiner ist und die Batterie damit kostengünstiger wird. Bei Abgriff von 25V-DC und 50V-DC pro Batteriemodul, können kostengünstige Batteriemodule ohne Zusatzaufwand für elektrische Sicherheit gefertigt werden.
Ein Kernaspekt der Erfindung ist die Schaffung des so genannten Basismoduls 1 mit integrierten zusätzlichen Spannungsabgriffen 21, 22.
Es wird beschrieben durch eine Anzahl von Einzelzellen 10 bzw. durch die maximale Betriebsspannung oder Modulspannung, die 75V nicht überschreiten darf.
Bei Verwendung einer anderen Zellchemie können sich die Zellspannungen U der einzelnen Batteriezellen 10 ändern; jedoch nicht die maximale Gesamtspannung des Batteriemodules von 75 V-DC.
Das erfindungsgemäße Batteriemodul 1 ist so geschickt aufgebaut, dass innerhalb des Moduls 1 leicht unterschiedliche Parallel- und/oder Reihenschaltungen von Zellen 10 möglich sind und unterschiedliche Spannungsabgriffe 21, 22 von außen eingebracht werden können.
Es stellen sich unter anderem folgende Vorteile ein:

(a) Ein Basismodul 1 verringert die Varianz bei den Batteriemodulen 1. Batterien 50 werden damit durch die Nutzung von Gleichteilen einfacher herstellbar, sind sicherer und kostengünstiger, wobei sie bei der Skalierung des Spannungsniveaus der Endbatterie 50 flexibel bleiben.
(b) Bedingt durch die Anhebung der sicheren Niederspannung ergibt sich beim Basismodul 1 eine höhere Spannung. Handling, Transport, Zusammenbau bzw. Einbau ins Fahrzeug 100 werden kostengünstiger und sicherer. Brauchte man z.B. für ein 480V-Batteriepack bisher acht NV-Module mit je 60V Modulspannung, so erreicht man diese Spannung jetzt mit 7 NV-75V Modulen. Bezogen auf die absolute Zellanzahl sind die Modulkosten – z.B. für Modulgehäuse 4, Verbinder 20, Überwachung etc. – niedriger.
(c) Durch einen oder mehrere weitere Spannungsabgriffe 21, 22 bei 50V-DC, 25V-DC und/oder 12,5 V können auch aktuelle 48V-DC Anwendungen betrieben werden. Zwei 75V-DC Batteriemodule 1 in Reihe ergeben 150V-DC. Spannungsabgriffe bei 25V-DC ermöglichen die Bereitstellung von 3 × 50V-DC bei gleicher Energie und Leistung.

Damit kann ein Batteriepack 50 mit 50V-DC dargestellt werden, und zwar durch Parallelschaltung der drei 50V-DC-Blöcke. Oder drei einzelne 50V-DC-Verbraucher nutzen je eine eigene 50V-DC-Batterie.
Das so genannte Basismodul 1 wird beschrieben durch die Anzahl der Einzelzellen 10 und/oder durch die maximale Betriebsspannung des Moduls, die 75V nicht überschreiten darf.
Die Zellen 10 werden im Modul 1 z.B. in Reihe geschaltet. Dadurch sind Spannungsabgriffe 21, 22 in beliebiger Höhe möglich. Die Höhe der abgegriffenen Spannung ist mit der Granularität der Zellspannung U gesetzt. Der Aufwand eines Abgriffes ist minimal.
Mit Stromschienen können die abgegriffenen Teilspannungen der Module 1, zur jeweiligen Gesamtspannung der Endbatterie 50 verbunden werden.
Es ergibt sich eine maximale Varianz zwischen 0V-DC und 75V-DC trotz einheitlicher Module 1.
Es sind leistungsfähigere kostengünstigere Module 1 denkbar, da 75V-DC statt bisher 60V-DC aufgebaut werden.
Durch geschickte Kombination der 75V-Module 1 mit variablem Abgriff 21, 22, können unterschiedliche Systemspannungen und vielfache davon dargestellt werden, wie dies in den 2 bis 5 dargestellt ist.
Eine Überspannung pro Einzelzelle 10 über die maximal vorgegebene Zellspannung hinaus ist nicht möglich. Somit wird ein Betrieb von über 75V-DC auch im Fehlerfall nicht überschritten.
Bei der Fertigung der erfindungsgemäßen Module 1 werden neben den Batteriezellen 10 ggf. noch Sensoren, eine Überwachungseinheit, sowie mechanische Verbindungen wie Spannringe und Kühlplatten etc. installiert.
Bis zu der beschriebenen Spannungsgrenze von 60V-DC oder 75V-DC sind keine erhöhten Sicherheitsauflagen für die Batteriemodule 1 notwendig.
Trotz der Spannungsabgriffe 21, 22 ist kein Zusatzaufwand notwendig, da die Zellen 10 einzeln überwacht werden können.
Durch geschickte Kombination der 75V-DC Module 1, können unterschiedliche Systemspannungen – nämlich als Vielfache von 75V-DC – dargestellt werden.
Eine Anwendung des erfindungsgemäßen Modulkonzeptes ist möglich bei allen elektrischen Fahrzeugen 100 und Komponenten, die mit Batterien ausgestattet sind und betrieben werden, welche aus Modulen und/oder Zellen bestehen und erst im Verbund mehrerer Module gefährliche Spannungen bereitstellen.
Dies ist z.B. der Fall bei elektrischen Antrieben 60 unterschiedlicher Hybridisierungsgrade, z.B. mHEV, PHEV, BEV, REX für PKW und CV-Anwendungen.
Ein konkretes Einsatzgebiet ergibt sich für den 48V-DC-Mobility-Bereich: Schifffahrt, Luftfahrt, Automobile, EV-Charging, Eisenbahnen.
Anwendungen sind denkbar bei so genannten „Low Voltage Direct Current“, „Rural Homes“ und 48V-DC-Netzen in ländlichen noch nicht erschlossenen Gegenden.
Denkbar ist auch ein variabler Spannungsabgriff 25 oder eine variable Stromabnahme: Der Spannungsabgriff zwischen der maximalen Gesamtspannung pro Modul und den einzelnen Zellen 10, kann auch variabel realisiert werden. Über einen z.B. beweglichen Stromabnahmeschieber 25 kann der Spannungsabgriff in Schrittweite der Zellspannungen variabel geändert werden.
Eine mögliche Umsetzung ist in 6 dargestellt. Der variable Schieber 25 kann in der Höhe verstellt werden und je Stellung Zellen abtrennen oder additiv verbinden. Die Zwischenbereiche sind mit Isolatoren 28 ausgestattet.
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Nicht-Patentliteratur

EU-Niederspannungsrichtlinie 2014/35/EU [0063]
WD-ISO 6469-3 [0063]
ISO 6469-3 [0068]
ISO 6469-3 [0069]
IEC 60449 [0070]
Niederspannungsrichtlinie 2014/35/EU [0071]

Claims

Batteriemodul (1), mit: – einer Mehrzahl von Batteriezellen (10), welche miteinander über erste und zweite Zellenkontakte (11, 12) zum Aufbau einer Modulspannung verschaltet sind, – einem ersten und einem zweiten Modulabgriff (5, 6) zum Abgreifen der Modulspannung und – mindestens einem ersten und mindestens einem zweiten Zwischenabgriff (21, 22) in elektrischem Kontakt mit Zellkontakten (11, 12) von Batteriezellen (10) zum Abgreifen einer Zwischenspannung eines Teils der Batteriezellen (10) unterhalb der Modulspannung.
Batteriemodul (1) nach Anspruch 1, mit einer Mehrzahl von Paaren erster und zweiter Zwischenabgriffe (21, 22) in elektrischem Kontakt mit Zellkontakten (11, 12) von Batteriezellen (10) zum Abgreifen einer entsprechenden Mehrzahl von – zueinander gleichen oder unterschiedlichen – Zwischenspannungen eines jeweiligen Teils miteinander verschalteter Batteriezellen (10).
Batteriemodul (1) nach Anspruch 1 oder 2, bei welchem die Batteriezellen (10) gleich oder gleich wirkend ausgebildet sind, insbesondere als Lithiumionenzellen.
Batteriemodul (1) nach einem der vorangehenden Ansprüche, bei welchem die Zellspannung der Batteriezellen (10) kommensurabel zur Modulspannung ist.
Batteriemodul (1) nach einem der vorangehenden Ansprüche, bei welchem die Modulspannung 60 V und vorzugsweise 75 V ist.
Batteriemodul (1) nach einem der vorangehenden Ansprüche, bei welchem die Verschaltung der Batteriezellen (10) und die Zwischenabgriffe (21, 22) so ausgebildet sind, dass eine oder mehrere Zwischenspannungen im Wesentlichen einem Wert aus der Gruppe von Werten entspricht bzw. entsprechen, die die Werte 12,5 V, 25 V, 50 V aufweist.
Batteriemodul (1) nach einem der vorangehenden Ansprüche, bei welchem zwei oder mehr Batteriezellen (10) über Zellverbinder (20) miteinander elektrisch leitend verbunden sind.
Batteriemodul (1) nach einem der vorangehenden Ansprüche, bei welchem die Batteriezellen (10) vollständig oder gruppenweise parallel und/oder seriell verbunden sind.
Batteriemodul (1) nach einem der vorangehenden Ansprüche, bei welchem die Anordnung von Zwischenabgriffen (21, 22) variabel ausgebildet ist, insbesondere mit über eine Bewegungseinrichtung bewegbaren und/oder über eine Schalteinrichtung zu- oder abschaltbaren Zwischenabgriffen (21, 22).
Batterie (50) mit einer Mehrzahl – insbesondere miteinander verschalteter – Batteriemodule (1) nach einem der Ansprüche 1 bis 9.
Vorrichtung, insbesondere Fahrzeug (100), Elektrofahrzeug oder Hybridfahrzeug, mit mindestens einem Aggregat (61, 62) und mindestens einem Batteriemodul (10) nach einem der Ansprüche 1 bis 9 und/oder einer Batterie (50) nach Anspruch 10 zur Versorgung des mindestens einen Aggregats (61, 62).