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Die Erfindung betrifft ein Batteriemodul.
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Batteriemodule weisen üblicherweise eine Anzahl von n Batteriezellen auf, wobei jede Batteriezelle einen Pluspol und einen Minuspol aufweist. Dabei ist es bekannt, die Batteriezellen parallel zueinander anzuordnen, sodass erste Pole aller Batteriezellen entlang einer ersten Reihe angeordnet sind und zweite Pole aller Batteriezellen entlang einer zweiten Reihe angeordnet sind, wobei die Pole der Batteriezellen in einer Reihe verschieden sind und sich nach einem vorgegebenen Muster abwechseln. Beispielsweise alterniert die Polarität der Pole in einer Reihe bei einer Serienverschaltung der Batteriezellen, wobei dann die Pole verschiedener Batteriezellen durch Polverbinder miteinander verbunden sind. Im Falle der Serienverschaltung können dann die Polverbinder als kurze rechteckförmige Polverbinder ausgebildet sein, was hinsichtlich der Verluste sehr günstig ist. Im einfachsten Fall liegen dann aber die äußeren bzw. externen Anschlüsse des Batteriemoduls an gegenüberliegenden Stirnseiten. Dies ist teilweise nachteilig, da dann je nach Baulänge des Batteriemoduls die externen Anschlüsse unterschiedlich weit entfernt liegen. Dies muss dann bei der Planung der anzuschließenden Leitungen berücksichtigt werden. Daher wird es häufig angestrebt, dass die externen Anschlüsse an der gleichen Stirnseite liegen. Dazu muss dann ein Anschluss über einen Polverbinder von der einen Stirnseite zur anderen Stirnseite zurückgeführt werden. Dieser Polverbinder ist im Vergleich zu anderen Polverbindern sehr lang, was zu Stabilitätsproblemen in der Befestigung sowie großen Spannungsabfällen und einer ungleichmäßigen Temperaturverteilung in dem Batteriemodul führt.
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Der Erfindung liegt das technische Problem zugrunde, ein derartiges Batteriemodul, bei dem die externen Anschlüsse an einer gleichen Stirnseite angeordnet sind, zu verbessern.
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Die Lösung des technischen Problems ergibt sich durch ein Batteriemodul mit den Merkmalen des Anspruchs 1. Weitere vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung ergeben sich aus den Unteransprüchen.
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Das Batteriemodul umfasst eine Anzahl von n Batteriezellen, wobei jede Batteriezelle einen Pluspol und einen Minuspol aufweist, wobei die Batteriezellen parallel zueinander angeordnet sind, sodass erste Pole aller Batteriezellen entlang einer ersten Reihe angeordnet sind und zweite Pole aller Batteriezellen entlang einer zweiten Reihe angeordnet sind. Dabei sind die Polaritäten der Pole der Batteriezellen in einer Reihe verschieden und wechseln sich nach einem vorgegebenen Muster ab, wobei die Pole verschiedener Batteriezellen durch Polverbinder miteinander verbunden sind. Dabei sind die externen Anschlüsse für den Pluspol und den Minuspol des Batteriemoduls zu einer Stirnseite des Batteriemoduls herausgeführt. Dabei sind mindestens die nur die inneren Batteriezellen verbindenden Polverbinder U-förmig oder kammförmig ausgebildet, wobei über Schenkel der U-förmigen Polverbinder oder Zinken der kammförmigen Polverbinder ein Pol einer Batteriezelle kontaktiert ist, wobei der Abstand der Schenkel oder Zinken derart gewählt ist, dass mindestens ein Pol einer benachbarten Batteriezelle übersprungen wird. Die inneren Batteriezellen sind dabei die Batteriezellen, die nicht unmittelbar an der Stirnseite angeordnet sind. Vorzugsweise wird jeweils genau ein Pol übersprungen. Dies erlaubt es, dass die Abweichungen der Längen der Polverbinder reduziert werden, was wiederum zu vergleichmäßigten Spannungsabfällen und Temperaturverteilungen führt. Auch ist die Länge des längsten Polverbinders gegenüber einen über das ganze Batteriemodul zurückführenden Polverbinder reduziert, was auch die mechanische Befestigung vereinfacht. Durch die U-förmigen bzw. kammförmigen Polverbinder erfolgt die Kontaktierung der Batteriezellen nicht in einem Durchlauf von einer Stirnseite zur anderen, sondern in zwei Durchläufen, nämlich von einer Stirnseite zur anderen und wieder zurück. Die Anzahl n der Batteriezellen ist dabei vorzugsweise größer 6 und kann prinzipiell gerade oder ungerade sein.
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Es hat sich jedoch herausgestellt, dass die Vorteile der Erfindung besonders gut bei einer Anzahl von n = 12 oder Vielfachem von 12 zur Geltung kommen.
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In einer Ausführungsform sind die Batteriezellen als reine Serienschaltung verschaltet, wobei das Muster ein Modulo-4-Muster ist, wobei die beiden äußeren Pole der vier Batteriezellen in einer Reihe die gleiche Polarität aufweisen und die beiden inneren Pole in der Reihe die gleiche Polarität aufweisen, wobei die Polarität der äußeren und inneren Pole verschieden ist.
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In einer weiteren Ausführungsform sind dabei die nur die inneren Batteriezellen bzw. Pole verbindenden Polverbinder U-förmig ausgebildet, wobei ein Polverbinder zu einem externen Anschluss L- oder Doppel-L-förmig und ein Polverbinder an der den externen Anschlüssen gegenüberliegenden Stirnseite rechteckförmig ausgebildet ist. Vorzugsweise sind mit Ausnahme dieser beiden Polverbinder alle anderen Polverbinder U-förmig ausgebildet.
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In einer alternativen Ausführungsform sind die Batteriezellen als 2-p-Serienschaltung verschaltet, bei der jeweils zwei Batteriezellen parallel verschaltet sind, wobei dann die Parallelschaltungen in Reihe geschaltet sind, wobei das Muster ein Modulo-8-Muster ist, wobei die beiden äußeren Batteriezellen in einer Reihe des Modulo-8-Musters die gleiche Polarität aufweisen, wobei die Polarität nach innen alterniert, sodass die beiden innersten Batteriezellen in einer Reihe die gleiche Polarität aufweisen.
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In einer weiteren Ausführungsform sind die nur die inneren Batteriezellen bzw. Pole verbindenden Polverbinder kammförmig ausgebildet, wobei ein Polverbinder zu einem externen Anschluss als kombinierter U-förmiger und L- oder Doppel-L-förmiger Polverbinder und ein Polverbinder an der den externen Anschlüssen gegenüberliegenden Stirnseite rechteckförmig ausgebildet ist. Vorzugsweise sind mit Ausnahme dieser beiden Polverbinder alle anderen Polverbinder kammförmig.
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Die Erfindung wird nachfolgend anhand bevorzugter Ausführungsbeispiele näher erläutert. Die Figuren zeigen:
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1 ein Batteriemodul mit einer 1 p-Serienverschaltung mit U-.förmigen Polverbindern,
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2 ein Batteriemodul mit einer 2 p-Serienverschaltung mit kammförmigen Polverbindern,
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3 ein Batteriemodul mit einer 1 p-Serienverschaltung (Stand der Technik) und
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4 ein Batteriemodul mit einer 2 p-Serienverschaltung (Stand der Technik). Bevor die erfindungsgemäßen Ausführungsformen beschrieben werden, soll zunächst der Stand der Technik anhand der 3 und 4 näher erläutert werden.
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In der 3 ist ein Batteriemodul 1 mit zwölf Batteriezellen BZ1–BZ12 dargestellt, wobei die Batteriezellen BZ1–BZ12 zueinander parallel in einem Gehäuse 2 angeordnet sind. Das Batteriemodul 1 weist zwei externe Anschlüsse 3, 4 auf, an denen der Pluspol und der Minuspol des Batteriemoduls 1 anliegt. Dabei sind die beiden externen Anschlüsse 3, 4 an der gleichen Stirnseite 5 angeordnet. Die Batteriezellen BZ1–BZ12 weisen jeweils einen Pluspol P+ und einen Minuspol P– auf. Dabei sind erste Pole der Batteriezellen BZ1–BZ12 entlang einer ersten Reihe R1 angeordnet und die zweiten Pole der Batteriezellen BZ1–BZ12 entlang einer zweiten Reihe R2 angeordnet. Dabei wechseln sich die Polaritäten der Pole in einer Reihe R1, R2 ab. So liegt der Pluspol P+ der ersten Batteriezelle BZ1 in der ersten Reihe R1, wohingegen von der zweiten Batteriezelle BZ2 der Minuspol P– in der ersten Reihe R1 liegt.
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Über Polverbinder 7 sind dabei Pole verschiedener Batteriezellen BZ1–BZ12 miteinander verbunden, wobei jeweils ein Pol einer Batteriezelle mit einem Pol einer benachbarten Batteriezelle verbunden ist, sodass die Batteriezellen BZ1–BZ12 miteinander in Serie verschaltet sind. Über einen Polverbinder 7 ist dabei der Pluspol P+ der ersten Batteriezelle BZ1 mit dem externen Anschluss 3 des Batteriemoduls 1 verbunden.
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Über einen Polverbinder 7 ist der Minuspol P– der zwölften Batteriezelle BZ12 mit dem externen Anschluss 4 des Batteriemoduls 1 verbunden. Dabei ist dieser Polverbinder L-förmig ausgebildet, wobei sich dieser über die ganze Länge des Batteriemoduls 1 erstreckt. Alle anderen Polverbinder 7 sind hingegen rechteckförmig ausgebildet und relativ kurz. Dies führt zu unterschiedlichen Spannungsabfällen über den rechteckförmigen Polverbindern 7 und dem L-förmigen Polverbinder 7. Auch die Temperaturverteilung ist dadurch ungleichmäßig. Ein weiteres Problem ist die mechanische Befestigung eines solch langen Polverbinders 7. Dabei kann der Polverbinder 7 vom Minuspol P– der zwölften Batteriezelle BZ12 zum externen Anschluss 4 auch als Doppel-L-förmiger Polverbinder ausgebildet sein.
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In der 4 ist ein Batteriemodul 1 dargestellt, bei dem die zwölf Batteriezellen BZ1–BZ12 in einer 2 p-Verschaltung dargestellt sind. Bei einer 2 p-Verschaltung sind jeweils Batteriezellen parallel verschaltet und die Parallelschaltungen in Serie geschaltet. Dabei sind die Batteriezellen BZ1–BZ12 im Vergleich zu 3 etwas anders angeordnet. Die ersten beiden Batteriezellen BZ1 und BZ2 sind derart angeordnet, dass jeweils die beiden Pluspole P+ in der ersten Riehe R1 liegen, wobei dann die nächsten beiden Batteriezellen BZ3 und BZ4 mit ihren Minuspolen P– in der ersten Reihe liegen. Anschließend wiederholt sich das Muster. Dies stellt ein Modulo-4-Muster dar, da sich nach vier Batteriezellen BZ das Muster wiederholt. Dabei sind die Polverbinder 7 überwiegend rechteckförmig ausgebildet und erstrecken sich über jeweils vier Pole. Der Polverbinder 7, der die beiden Pluspole P+ der ersten beiden Batteriezellen BZ1, BZ2 verbindet, ist ebenfalls rechteckförmig ausgebildet und verbindet zusätzlich die beiden Pluspole P+ mit dem externen Anschluss 3. Die beiden Minuspole P– der beiden letzten Batteriezellen BZ11, BZ12 sind dann über einen Doppel-L-förmigen Polverbinder 7 zum externen Anschluss 4 für den Minuspol des Batteriemoduls 1 geführt. Auch hier stellen sich die gleichen Probleme wie bei der 1 p-Verschaltung gemäß 3.
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In der 1 ist ein erfindungsgemäßes Batteriemodul 1 dargestellt, wobei die Batteriezellen BZ1–BZ12 derart in dem Gehäuse 2 angeordnet sind, dass wieder ein Modulo-4-Muster entsteht, wobei jedoch die Pole der beiden äußeren Batteriezellen gleich und die beiden inneren Pole gleich sind, wobei die äußeren und inneren Pole unterschiedlich sind. Zur Verdeutlichung: Das Modulo-4-Muster in der ersten Reihe R1 ist für die ersten vier Batteriezellen BZ1–BZ4 P–; P+; P+; P–, d.h. die Polarität der beiden äußeren Batteriezellen BZ1 und BZ4 ist gleich (P–) und die Polarität der beiden inneren Batteriezellen BZ2 und BZ3 ist gleich (P+), wobei die Polarität der inneren und äußeren Batteriezellen in der Reihe R1 unterschiedlich ist.
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Die Batteriezellen BZ1–BZ12 sind dabei wieder über Polverbinder 7.1–7.13 verbunden. Dabei sind mit Ausnahme des Polverbinders 7.7, der an der den externen Anschlüssen 3, 4 gegenüberliegenden Stirnseite 6 angeordnet ist, und des Polverbinders 7.13 alle anderen Polverbinder 7.1–7.6 sowie 7.8–7.12 U-förmig ausgebildet. Insbesondere sind somit mindestens alle innenliegenden (nur die inneren Batteriezellen BZ2–BZ11 verbindenden Polverbinder) Polverbinder 7.2–7.5 und 7.8–7.11 U-förmig ausgebildet. Dabei sind die U-förmigen Polverbinder derart angeordnet, dass ihre Schenkel S1, S2 einen Pol einer Batteriezelle verbinden und die Basis B, die die beiden Schenkel S1, S2 verbindet, an einem Pol einer Batteriezelle vorbeigeführt wird, sodass dieser Pol übersprungen wird. Dies soll am Beispiel des Polverbinders 7.8 erläutert werden. Der Schenkel S1 kontaktiert den Pluspol P+ der Batteriezelle BZ9 und der Schenkel S2 kontaktiert den Minuspol P– der Batteriezelle BZ11, wobei die beiden Pole über die Basis B verbunden sind, wobei der Minuspol P– der Batteriezelle BZ10 übersprungen wird.
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Das Grundprinzip ist also nicht, in einem Durchlauf alle Pole der Batteriezellen BZ1–BZ12 von einer Stirnseite 5 zur gegenüberliegenden Stirnseite 6 miteinander zu verbinden und dann den letzten Pol über einen extrem langen Polverbinder 7 zurückzuführen, sondern den Kontaktierungsvorgang durch zwei Durchläufe zu realisieren, wobei hierzu meistens ein Pol übersprungen wird.
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Im dargestellten Beispiel ist hierzu der Pluspol P+ der zweiten Batteriezelle BZ2 über den Polverbinder 7.1 mit dem externen Anschluss 3 verbunden. Über den Polverbinder 7.2 wird der Minuspol P– der zweiten Batteriezelle BZ2 mit dem Pluspol P+ der vierten Batteriezelle BZ4 verbunden. Über den Polverbinder 7.3 wird der Minuspol P– der vierten Batteriezelle BZ4 mit dem Pluspol P+ der sechsten Batteriezelle BZ6 verbunden und so weiter, wie schließlich der Polverbinder 7.6 den Pluspol P+ der zwölften Batteriezelle BZ12 kontaktiert. Dies stellt den ersten Durchlauf dar, wobei anschließend die Verbindung zwischen den Batteriezellen zurückgeroutet wird. Der Polverbinder 7.7 verbindet dabei den Minuspol P– der zwölften Batteriezelle BZ12 mit dem Pluspol P+ der elften Batteriezelle BZ11. Der Minuspol P– der elften Batteriezelle BZ11 ist dann über den Polverbinder 7.8 mit dem Pluspol P+ der neunten Batteriezelle BZ9 verbunden und so weiter, bis schließlich der Polverbinder 7.12 den Pluspol P+ der ersten Batteriezelle BZ1 verbindet. Der Minuspol P– der ersten Batteriezelle BZ1 ist dann über den Doppel-L-förmigen Polverbinder 7.13 mit dem externen Anschluss 4 des Batteriemoduls 1 verbunden. Dies beendet den zweiten Durchlauf. Durch dieses Überspringen wird die Variation der Längen der Polverbinder 7.1–7.13 reduziert. Der Polverbinder 7.7 ist etwas kürzer als die U-förmigen Polverbinder 7.1–7.6, 7.8–7.12. Die Länge des Polverbinders 7.13 ist dabei abhängig von der Entfernung des Minuspols P– der Batteriezelle BZ1 zu dem externen Anschluss 4, die üblicherweise gering ist, insbesondere im Vergleich zu der sehr langen Polverbindern in 3 und 4.
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Somit werden die Probleme der Batteriemodule 1 gemäß 3 und 4 vermieden.
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In der 2 ist eine erfindungsgemäße Ausführungsform für eine 2 p-Verschaltung dargestellt. Dabei sind die Pole der Batteriezellen BZ1–BZ12 durch Polverbinder 7.14–7.20 kontaktiert und miteinander verbunden. Dabei sind die Polverbinder 7.14–7.16 und 7.18–7.19 kammförmig ausgebildet, wobei Zinken Z eines kammförmigen Polverbinders die Pole kontaktieren, wobei die Basis B die Zinken Z verbindet, aber an den Polen vorbeigeführt ist, sodass wieder wie in 1 bei der Kontaktierung jeweils ein Pol übersprungen wird. Auch hier erfolgt die Kontaktierung durch zwei Durchläufe. Über den Polverbinder 7.14 werden zunächst die beiden Pluspole P+ der Batteriezellen BZ2 und BZ4 miteinander und dem externen Anschluss 3 verbunden. Über den Polverbinder 7.15 werden dann die beiden Minuspole P– der Batteriezellen BZ2 und BZ4 miteinander und den Pluspolen P+ der Batteriezellen BZ6 und BZ8 verbunden und über den Polverbinder 7.16 der erste Durchlauf beendet. Über den rechteckförmigen Polverbinder 7.17 und die beiden Polverbinder 7.18 und 7.19 wird dann schließlich der Pluspol P+ der beiden Batteriezellen BZ1 und BZ3 kontaktiert. Über den Polverbinder 7.20 wird schließlich der Minuspol P– der beiden Batteriezellen BZ1 und BZ3 mit dem externen Anschluss 4 verbunden. Dabei ist der Polverbinder 7.20 als kombinierter U-förmiger und L-förmiger Polverbinder 7.20 ausgebildet.
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Das Muster der Anordnung der Pole in der ersten Reihe R1 oder der zweiten Reihe R2 ist dabei ein Modulo-8-Muster. Dabei weisen die beiden äußeren Pole von der ersten Batteriezelle BZ1 und der achten Batteriezelle BZ8 jeweils die gleiche Polarität auf (für die erste Reihe R1 jeweils –), die dann nach innen alternieren (für BZ2 und BZ7 jeweils t), so dass die beiden inneren Pole von den Batteriezellen BZ4 und BZ5 die gleiche Polarität aufweisen (für die erste Reihe R1 jeweils +).
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Entsprechend kann das Prinzip auch auf 3 p- oder 4 p-Verschaltungen erweitert werden.
