DE102017213476A1 - Battery module and battery module stack for a motor vehicle - Google Patents
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Abstract
Die vorliegende Erfindung betrifft ein Batteriemodul (10) für ein Kraftfahrzeug umfassend:
- zwei, zueinander parallel oder annähernd parallel angeordnete, Kontaktierungsplatten umfassend eine erste und eine zweite Kontaktierungsplatte (12, 13), und
- eine Mehrzahl von Batteriezellen (14), die nebeneinander und zwischen den beiden Kontaktierungsplatten angeordnet sind,
wobei
- jeweils eine Batteriezelle (14) ein Zellgehäuse (14.1) sowie eine Längsachse und zwei axial gegenüberliegende Enden aufweist,
- jeweils eine Batteriezelle (14) einen Pluspol (14.2) am ersten Ende und einen Minuspol (14.3) am zweiten Ende aufweist,
- der Pluspol (14.2) mit der ersten Kontaktierungsplatte (12) und der Minuspol (14.3) mit der zweiten Kontaktierungsplatte (13) jeweils direkt verbunden sind, und
- das Zellgehäuse (14.1) gegenüber der ersten Kontaktierungsplatte (12) elektrisch isoliert ist.
The present invention relates to a battery module (10) for a motor vehicle comprising:
- Two, parallel to each other or approximately parallel arranged, contacting plates comprising a first and a second contacting plate (12, 13), and
a plurality of battery cells (14) arranged side by side and between the two contacting plates,
in which
in each case a battery cell (14) has a cell housing (14.1) as well as a longitudinal axis and two axially opposite ends,
- Each one battery cell (14) has a positive pole (14.2) at the first end and a negative pole (14.3) at the second end,
- The positive pole (14.2) with the first contacting plate (12) and the negative pole (14.3) with the second contacting plate (13) are each directly connected, and
- The cell housing (14.1) opposite the first contacting plate (12) is electrically insulated.
Description
Die vorliegende Erfindung betrifft ein Batteriemodul für ein Kraftfahrzeug. Ferner betrifft die Erfindung einen Batteriemodulstapel für ein Kraftfahrzeug. Die Erfindung betrifft zudem ein Kraftfahrzeug mit einem Batteriemodulstapel.The present invention relates to a battery module for a motor vehicle. Furthermore, the invention relates to a battery module stack for a motor vehicle. The invention also relates to a motor vehicle with a battery module stack.
Eine Batterie wie sie in heutigen Anwendungen zum Antrieb eines Kraftahrzeugs, beispielsweise eines Elektrofahrzeugs oder Hybridfahrzeugs, häufig eingesetzt wird, besteht typischerweise aus Batterie-Einzelzellen. Mehrere solcher Einzelzellen sind jeweils elektrisch untereinander verbunden und zu der Batterie zusammengefasst. Beim elektrischen Verbinden der Einzelzellen können jedoch Leitungsverluste auftreten, welche die Performance der Batterie schwächen und die elektrische Reichweite des Fahrzeugs reduzieren.A battery commonly used in today's applications for driving a motor vehicle, such as an electric vehicle or hybrid vehicle, typically consists of single battery cells. Several such individual cells are each electrically connected to each other and summarized to the battery. When electrically connecting the individual cells, however, line losses may occur which weaken the performance of the battery and reduce the vehicle's electrical range.
Aus der
Die elektrische Verbindung über die Kontaktfeder kann jedoch mit Leitungsverlusten behaftet sein, aufgrund der lockeren Verbindung zwischen Pluspol und Kontaktfeder und der Positionierungsungenauigkeit der Einzelzelle gegenüber der Kontaktfeder bei der Montage der Batterie.However, the electrical connection via the contact spring may be subject to line losses, due to the loose connection between the positive pole and contact spring and the positioning inaccuracy of the single cell relative to the contact spring during assembly of the battery.
Es ist daher Aufgabe der vorliegenden Erfindung, die voranstehend beschriebenen Nachteile bei einer Batterie für ein Kraftfahrzeug zu beheben oder zumindest teilweise zu beheben. Insbesondere ist es Aufgabe der vorliegenden Erfindung, ein Konzept für ein Batteriemodul mit einer Mehrzahl von Batteriezellen und für einen Batteriemodulstapel bereitzustellen, wobei die elektrische Leitfähigkeit zwischen Elementen des Batteriemoduls verbessert und die Montage des Batteriemoduls und des Batteriemodulstapels erleichtert und effizienter gestaltet werden kann.It is therefore an object of the present invention to remedy the disadvantages described above in a battery for a motor vehicle or at least partially correct. In particular, it is an object of the present invention to provide a concept for a battery module with a plurality of battery cells and for a battery module stack, whereby the electrical conductivity between elements of the battery module improves and the assembly of the battery module and the battery module stack can be facilitated and made more efficient.
Voranstehende Aufgabe wird durch die unabhängigen Patentansprüche gelöst. Demnach wird die Aufgabe durch ein Batteriemodul mit den Merkmalen des Anspruchs 1, durch einen Batteriemodulstapel mit den Merkmalen des Anspruchs 9 und durch ein Fahrzeug mit den Merkmalen des Anspruchs 10 gelöst. Weitere Merkmale und Details der Erfindung ergeben sich aus den Unteransprüchen, der Beschreibung und den Zeichnungen. Dabei gelten Merkmale und Details, die im Zusammenhang mit dem Batteriemodul beschrieben sind, auch im Zusammenhang mit dem Batteriemodulstapel oder dem Fahrzeug und jeweils umgekehrt, sodass bezüglich der Offenbarung zu den einzelnen Erfindungsaspekten stets wechselseitig Bezug genommen wird bzw. werden kann.The above object is solved by the independent claims. Accordingly, the object is achieved by a battery module with the features of claim 1, by a battery module stack with the features of claim 9 and by a vehicle having the features of
Gemäß einem Aspekt wird die Aufgabe gelöst durch ein Batteriemodul, vorzugsweise für ein Kraftfahrzeug. Das Batteriemodul umfasst:
- - zwei, zueinander parallel oder annähernd parallel angeordnete, Kontaktierungsplatten umfassend eine erste und eine zweite Kontaktierungsplatte, und
- - eine Mehrzahl von Batteriezellen, die nebeneinander und zwischen den beiden Kontaktierungsplatten angeordnet sind.
- - Two, parallel to each other or approximately parallel arranged, contacting plates comprising a first and a second contacting plate, and
- - A plurality of battery cells, which are arranged side by side and between the two contacting plates.
Jeweils eine Batteriezelle weist ein Zellgehäuse sowie eine Längsachse und zwei axial gegenüberliegende Enden auf. Vorzugsweise kann die Batteriezelle rohrförmig oder etwa rohrförmig sein, wobei insbesondere Längsachsen von Batteriezellen zueinander parallel oder näherungsweise parallel sein können. Die Längsachsen der Batteriezellen können Drehachsen oder Symmetrieachsen der Batteriezellen bilden.In each case, a battery cell has a cell housing and a longitudinal axis and two axially opposite ends. Preferably, the battery cell may be tubular or approximately tubular, in particular longitudinal axes of battery cells may be parallel or approximately parallel to each other. The longitudinal axes of the battery cells can form axes of rotation or axes of symmetry of the battery cells.
Jeweils eine Batteriezelle weist einen Pluspol am ersten Ende und einen Minuspol am zweiten Ende auf. Der Pluspol kann als eine Erhebung einer Stirnfläche der Batteriezelle an dem ersten Ende ausgebildet sein.In each case, a battery cell has a positive pole at the first end and a negative pole at the second end. The positive pole may be formed as a protrusion of an end face of the battery cell at the first end.
Der Pluspol ist mit der ersten Kontaktierungsplatte und der Minuspol ist mit der zweiten Kontaktierungsplatte jeweils direkt verbunden. Hierbei ist eine direkte Verbindung als eine unmittelbare, unvermittelte Verbindung ohne Zwischenelement aufzufassen. Eine Verbindung zwischen Pluspol und erster Kontaktierungsplatte über ein dazwischen angeordnetes Zwischenelement, beispielsweise eine Feder, ist nicht als eine direkte Verbindung aufzufassen.The positive pole is connected directly to the first contacting plate and the negative pole is directly connected to the second contacting plate. Here, a direct connection is to be understood as an immediate, unmediated connection without an intermediate element. A connection between the positive terminal and the first contacting plate via an interposed intermediate element, for example a spring, is not to be regarded as a direct connection.
Das Zellgehäuse kann mit dem Minuspol verbunden und elektrisch leitend sein, wobei es in einem nicht in dem Batteriemodul montierten Zustand der Batteriezellen gegenüber der Pluspol elektrisch isoliert sein muss, um die grundsätzliche Funktionsfähigkeit der Batterie zu gewährleisten.The cell housing can be connected to the negative pole and be electrically conductive, wherein it must be electrically isolated from the positive pole in a not mounted in the battery module state of the battery cells to ensure the basic functionality of the battery.
Vorliegend ist gewährleistet dass, insbesondere in einem in dem Batteriemodul montierten Zustand der Batteriezelle, das Zellgehäuse gegenüber der ersten Kontaktierungsplatte elektrisch isoliert ist, und damit vorzugsweise gegenüber dem Pluspol elektrisch isoliert ist, wodurch Pluspol und Minuspol einer Batteriezelle in einem in dem Batteriemodul montierten Zustand der Batteriezelle voneinander elektrisch isoliert sind. Durch die Isolation der ersten Kontaktierungsplatte gegenüber dem Zellgehäuse ist auch der Minuspol der Batteriezelle gegenüber der ersten Kontaktierungsplatte elektrisch isoliert.In the present case, it is ensured that, particularly in a state of the battery cell mounted in the battery module, the cell housing is electrically insulated from the first contacting plate, and thus is preferably electrically insulated from the positive pole, whereby positive pole and negative pole of a battery cell in a state mounted in the battery module Battery cell are electrically insulated from each other. By the isolation of the first Contacting plate relative to the cell housing and the negative terminal of the battery cell is electrically insulated from the first contacting plate.
Gemäß einem weiteren Aspekt wird die Aufgabe gelöst durch einen Batteriemodulstapel, vorzugsweise für ein Kraftfahrzeug. Der Batteriemodulstapel umfasst mehrere axial aufeinander gestapelte, erfindungsgemäße Batteriemodule. Hierbei kann die erste Kontaktierungsplatte eines jeweiligen Batteriemoduls mit der zweiten Kontaktierungsplatte eines darüber liegenden Batteriemoduls
- i) übereinstimmen oder
- ii) elektrisch verbunden sein.
- i) agree or
- ii) be electrically connected.
In dem vorliegenden Dokument sind die Bezeichnungen „oben“, „unten“, „darüber“ oder „darunter“ aus der Perspektive eines Betrachters aufzufassen, der seitlich auf eine Vorrichtung (Batteriezelle, Batteriemodul oder Batteriemodulstapel) blickt, sodass sich „oben“ auf den Nordpol und „unten“ auf den Südpol der jeweiligen Vorrichtung bezieht. As used herein, the terms "up," "down," "over," or "below" are to be understood from the perspective of a viewer looking sideways at a device (battery cell, battery module, or battery module stack) so that "up" on top of the device North pole and "bottom" refers to the south pole of the respective device.
Damit befinden sich einerseits das erste Ende und der Pluspol am Nordpol der Batteriezelle und andererseits das zweite Ende und der Minuspol am Südpol der Batteriezelle. Die Anordnung eines zweiten Batteriemoduls über einem ersten Batteriemodul ist so zu verstehen, dass das zweite Batteriemodul an dem oder über dem Nordpol des ersten Batteriemoduls angeordnet ist.Thus, on the one hand are the first end and the positive pole at the north pole of the battery cell and on the other hand, the second end and the negative pole at the south pole of the battery cell. The arrangement of a second battery module over a first battery module is to be understood such that the second battery module is arranged at or above the north pole of the first battery module.
Gemäß einem weiteren Aspekt wird die Aufgabe gelöst durch ein Kraftfahrzeug, vorzugsweise ein Elektrofahrzeug oder Hybridfahrzeug, mit einem erfindungsgemäßen Batteriemodulstapel.According to a further aspect, the object is achieved by a motor vehicle, preferably an electric vehicle or hybrid vehicle, with a battery module stack according to the invention.
Das Merkmal des Batteriemoduls, wobei der Pluspol mit der ersten Kontaktierungsplatte und der Minuspol mit der zweiten Kontaktierungsplatte jeweils direkt verbunden sind bewirkt den technischen Effekt, dass ein elektrischer Strom auf einem Strompfad zwischen Pluspol und der ersten Kontaktierungsplatte verlustfrei oder mit nur geringen Leitungsverlusten fließen kann. Mit anderen Worten, der Strompfad weist eine hohe elektrische Leitfähigkeit bzw. einen niedrigen elektrischen Widerstand auf. Der genannte Effekt hat den Vorteil einer verbesserten Batterieperformance und einer höheren elektrischen Reichweite des Fahrzeugs in welchem die Batterie verbaut ist. Batterien, bei denen Pluspol und erste Kontaktierungsplatte nicht direkt, sondern mittelbar, beispielsweise über eine Kontaktfeder, verbunden sind, weisen demgegenüber höhere Leitungsverluste auf.The feature of the battery module, wherein the positive pole with the first contacting plate and the negative pole are directly connected to the second contacting plate causes the technical effect that an electric current can flow on a current path between the positive pole and the first contacting plate lossless or with only low line losses. In other words, the current path has a high electrical conductivity or a low electrical resistance. The said effect has the advantage of improved battery performance and a higher electrical range of the vehicle in which the battery is installed. Batteries in which positive pole and first contacting plate are not connected directly, but indirectly, for example via a contact spring, have higher line losses on the other hand.
Das Merkmal des Batteriemoduls, wobei das Zellgehäuse einer jeweiligen Batteriezelle gegenüber der ersten Kontaktierungsplatte elektrisch isoliert ist, insbesondere in einem in dem Fahrzeug montierten Zustand des Batteriemoduls, bewirkt den Effekt einer einfachen Struktur des Batteriemoduls, da keine Maßnahmen oder zumindest keine aufwändigen oder kostspieligen Maßnahmen zur Isolation des Zellgehäuses gegenüber der ersten Kontaktierungsplatte nötig sind. Der genannte Effekt hat den Vorteil einer Reduktion der Komplexität, der Baukosten und des Montageaufwands für das Batteriemodul.The feature of the battery module, wherein the cell housing of a respective battery cell is electrically insulated from the first contacting plate, in particular in a vehicle mounted state of the battery module, causes the effect of a simple structure of the battery module, since no action or at least no costly or expensive measures Isolation of the cell housing relative to the first contacting plate are needed. The mentioned effect has the advantage of reducing the complexity, the construction costs and the assembly costs for the battery module.
In einer bevorzugten Weiterbildung der Erfindung kann bei einem Batteriemodul vorgesehen sein, dass der Pluspol jeweils einer Batteriezelle mit der ersten Kontaktierungsplatte untrennbar verbunden ist. Eine untrennbare Verbindung ist herstellbar beispielsweise mittels Laserschweißen, also einer Laserschweißverbindung, oder mittels Bonden, oder mittels einer Pressverbindung, oder einer Stoßverbindung.In a preferred embodiment of the invention may be provided in a battery module, that the positive pole is in each case inextricably connected to a battery cell with the first contacting plate. An inseparable connection can be produced for example by means of laser welding, ie a laser welding connection, or by means of bonding, or by means of a press connection, or a butt joint.
Die untrennbare (nicht lösbare) Verbindung hat den Effekt, dass die Verluste des elektrischen Stroms auf dem Strompfad zwischen Pluspol und der ersten Kontaktierungsplatte weiter reduziert sind, da vorzugsweise die Kontaktfläche erhöht ist und der Übergangswiderstand zwischen, über eine untrennbare Verbindung sich kontaktierenden, Elementen geringer als bei locker aneinander anliegenden Elementen ist. Der genannte Effekt hat den Vorteil einer weiteren Verbesserung der Batterieperformance und Erhöhung der elektrischen Reichweite des Fahrzeugs.The inseparable (non-detachable) connection has the effect of further reducing the losses of the electric current on the current path between the positive pole and the first contacting plate, since preferably the contact area is increased and the contact resistance between elements which contact via an inseparable connection is lower as with loosely adjoining elements. The said effect has the advantage of further improving the battery performance and increasing the electric range of the vehicle.
Alternativ zur untrennbaren Verbindung kann auch eine lösbare elektrische Verbindung zum Einsatz kommen, beispielsweise eine formschlüssige und/oder kraftschlüssige Verbindung, sofern ausreichend hohe mechanische Kräfte auf die zu verbindenden Elemente wirken und/oder die Kontaktfläche hoch ist. Dann kann vorteilhafterweise der Kontaktwiderstand oder Übergangswiderstand ebenfalls reduziert werden. Vorzugsweise kann hierzu eine Steckverbindung verwendet werden.As an alternative to the inseparable connection, a detachable electrical connection may also be used, for example a positive and / or non-positive connection, provided that sufficiently high mechanical forces act on the elements to be connected and / or the contact surface is high. Then, advantageously, the contact resistance or contact resistance can also be reduced. Preferably, a plug connection can be used for this purpose.
Zur Realisierung einer formschlüssigen und/oder kraftschlüssigen Verbindung kann die erste Kontaktierungsplatte Öffnungen aufweisen, vorzugsweise an Schnittpunkten von Längsachsen jeweiliger Batteriezellen mit der ersten Kontaktierungsplatte. Ergänzend dazu kann der Pluspol jeweils einer Batteriezelle in jeweils eine Öffnung der ersten Kontaktierungsplatte in die axiale Richtung gehäuseabgewandt hineinragen, wodurch der Pluspol mit der ersten Kontaktierungsplatte kraftschlüssig und direkt verbunden ist.To realize a positive and / or non-positive connection, the first contacting plate may have openings, preferably at intersections of longitudinal axes of respective battery cells with the first contacting plate. In addition to this, the positive pole of each battery cell can protrude away from the housing in each case in an opening of the first contacting plate in the axial direction, as a result of which the positive pole is positively and directly connected to the first contacting plate.
Vorzugsweise kann eine formschlüssige und/oder kraftschlüssige Verbindung als eine Steckverbindung mit einem Buchsenstecker und einem in den Buchsenstecker steckbaren Stiftstecker ausgebildet sein, wobei der Pluspol jeweils einer Batteriezelle den Stiftstecker und die Öffnung der ersten Kontaktierungsplatte den Buchsenstecker bilden. Der als Öffnung ausgebildete Buchsenstecker kann im einfachsten Fall einen glatten Rand haben (gewöhnliche Ausführungsform oder Normalfall einer Öffnung bzw. eines Lochs). Preferably, a positive and / or non-positive connection may be formed as a plug connection with a female connector and a male plug which can be plugged into the female connector, wherein the positive pole of a respective battery cell form the male connector and the opening of the first contacting plate the female connector. The socket connector designed as an opening can in the simplest case have a smooth edge (ordinary embodiment or normal case of an opening or a hole).
Alternativ kann, bei einem glatten Öffnungsrand, der Buchsenstecker einen Innendurchmesser haben, der geringfügig kleiner als ein Außendurchmesser des Stiftssteckers ist, oder die lateralen Flanken des Pluspol können in axialer Richtung leicht schräg sein, sodass der Pluspol einen sich nach oben verjüngenden Kegelstumpf bildet.Alternatively, with a smooth opening edge, the female connector may have an inner diameter that is slightly smaller than an outer diameter of the male connector, or the lateral edges of the positive pole may be slightly skewed in the axial direction such that the positive pole forms an upwardly tapering truncated cone.
Gemäß beiden Ausführungsformen der Steckverbindung ist gewährleistet, dass i) der Stiftsstecker in einem Kontaktbereich mit dem Buchsenstecker Radialkräfte auf den Buchsenstecker ausübt, und/oder ii) der Kontaktbereich eine große Kontaktfläche aufweist, wodurch der elektrische Kontakt der Steckverbindung verbessert bzw. der entsprechende Übergangswiderstand reduziert ist.According to both embodiments of the connector, it is ensured that i) the pin connector exerts radial forces on the socket connector in a contact region with the socket connector, and / or ii) the contact region has a large contact surface, whereby the electrical contact of the connector is improved or the corresponding contact resistance is reduced is.
Alternativ kann ein Buchsenstecker (Öffnung der ersten Kontaktierungsplatte) einen aus flexiblen, elastischen Lamellen gebildeten Öffnungsrand aufweisen, sodass beim Einführen des Stiftssteckers in den Buchsenstecker die Lamellen elastisch gespreizt werden, aufgrund ihrer Elastizität eine radiale Kraft auf den Stiftsstecker ausüben und damit den Stiftsstecker in dem Buchsenstecker mechanisch in axialer Richtung arretieren oder fixieren. Trotz Arretierung gewährleistet die Elastizität der Lamellen einen gewissen axialen Bewegungsspielraum für den Stiftsstecker bzw. den Pluspol der Batteriezellen.Alternatively, a female connector (opening of the first contacting plate) have an opening edge formed of flexible, elastic lamellae, so that when inserting the pin connector into the female connector, the lamellae are elastically spread, exert a radial force on the pin connector due to their elasticity and thus the pin connector in the Lock or fix socket connector mechanically in axial direction. Despite the locking ensures the elasticity of the slats a certain axial movement for the pen plug or the positive pole of the battery cells.
Die von Lamellen auf den Stiftsstecker ausgeübte Kraft und die große Kontaktfläche bewirken eine Reduktion des elektrischen Übergangswiderstands der Steckverbindung, d.h. des Übergangswiderstandes zwischen Minuspol und der zweiten Kontaktierungsplatte, womit der Vorteil einer Verbesserung der Batterieperformance bzw. einer Erhöhung der elektrischen Reichweite des Fahrzeugs einhergeht.The force exerted by lamellae on the pin plug and the large contact area result in a reduction of the electrical contact resistance of the connector, i. the contact resistance between the negative pole and the second contacting plate, whereby the advantage of improving the battery performance and an increase in the electric range of the vehicle is accompanied.
In einer bevorzugten Weiterbildung der Erfindung kann ein Batteriemodul ein elektrisch nicht leitendes, vorzugsweise elastisches, Isolationselement umfassen, das zwischen dem Zellgehäuse jeweils einer Batteriezelle und der ersten Kontaktierungsplatte angeordnet ist.In a preferred embodiment of the invention, a battery module may comprise an electrically non-conductive, preferably elastic, insulating element, which is arranged between the cell housing in each case a battery cell and the first contacting plate.
Das Isolationselement bewirkt, aufgrund seiner elektrisch isolierenden Eigenschaft und seiner Lage, dass das Zellgehäuse gegenüber der ersten Kontaktierungsplatte elektrisch isoliert ist. Diese Wirkung hat den Vorteil, dass einerseits Herstellungstoleranzen für die Batteriezellen und Kontaktierungsplatten, und andererseits Montagetoleranzen hinsichtlich Anordnung bzw. Positionierung der Bauteile des Batteriemoduls zugelassen werden können. Das hängt damit zusammen, dass die Wahrscheinlichkeit für einen versehentlichen, durch Herstellungs- oder Montagetoleranzen bedingten, elektrischen Kontakt zwischen der ersten Kontaktierungsplatte und dem Zellgehäuse einer jeweiligen Batteriezelle, durch das Isolationselement erheblich reduziert werden kann. Dadurch können vorteilhafterweise die Kosten für Herstellung und Montage des Batteriemoduls und/oder Batteriemodulstapels reduziert werden.Due to its electrically insulating property and its position, the insulation element causes the cell housing to be electrically insulated from the first contacting plate. This effect has the advantage that, on the one hand, manufacturing tolerances for the battery cells and contacting plates, and, on the other hand, mounting tolerances with regard to arrangement or positioning of the components of the battery module can be permitted. This is due to the fact that the probability of an accidental, caused by manufacturing or assembly tolerances, electrical contact between the first contacting plate and the cell housing of a respective battery cell, can be significantly reduced by the isolation element. As a result, advantageously the costs for production and assembly of the battery module and / or battery module stack can be reduced.
Vorzugsweise kann ein Isolationselement plattenförmig, insbesondere als ein Elastomer oder ein elastisches Membran, ausgebildet sein. Alternativ kann das Isolationselement auch ringförmig ausgebildet sein, beispielsweise in Gestalt eines Isolationsrings bzw. einer Mehrzahl von Isolationsringen, und kann an dem ersten Ende einer jeweiligen Batteriezelle um den Pluspol herum angeordnet sein.Preferably, an insulating element can be plate-shaped, in particular as an elastomer or an elastic membrane. Alternatively, the insulating element can also be annular, for example in the form of an insulating ring or a plurality of insulating rings, and can be arranged at the first end of a respective battery cell around the positive pole.
Die Elastizität eines plattenförmigen oder ringförmigen Isolationselements bewirkt vorteilhafterweise, dass bei der Montage des Batteriemoduls die erste Kontaktierungsplatte gegen die Batteriezellen eingedrückt werden kann, bis eine sichere und stabile Struktur erzielt ist, ohne eine versehentliche Kontaktierung des Zellgehäuses einer jeweiligen Batteriezelle durch die erste Kontaktierungsplatte befürchten zu müssen.The elasticity of a plate-shaped or annular insulating element advantageously causes the first contacting plate to be pressed against the battery cells during assembly of the battery module until a secure and stable structure is achieved, without fear of accidental contacting of the cell housing of a respective battery cell with the first contacting plate have to.
Vorzugsweise können laterale Ausdehnungen eines, insbesondere plattenförmigen, Isolationselements lateralen Ausdehnungen der ersten oder zweiten Kontaktierungsplatte gleichen oder näherungsweise gleichen. Das bewirkt den Effekt, dass das Isolationselement den gesamten Zwischenraum zwischen den Batteriezellen unter ersten Kontaktierungsplatte abdeckt. Dieser Effekt kann vorteilhafterweise eine Erleichterung und Vereinfachung der Montage des Batteriemoduls bewirken, sowie eine Erhöhung der elektrischen Sicherheit aufgrund einer Reduktion der Wahrscheinlichkeit unerwünschter elektrischer Kontakte bzw. Kurzschlüsse.Preferably, lateral expansions of a, in particular plate-shaped, insulating element can be equal or approximately equal to lateral expansions of the first or second contacting plate. This causes the effect that the insulating element covers the entire gap between the battery cells under the first contacting plate. This effect can advantageously bring about a simplification and simplification of the assembly of the battery module, as well as an increase in electrical safety due to a reduction in the probability of undesired electrical contacts or short circuits.
Vorzugsweise kann ein Isolationselement Öffnungen aufweisen, insbesondere an Schnittpunkten der Längsachsen jeweiliger Batteriezellen mit dem Isolationselement, sodass jeweils eine Öffnung des Isolationselements sich über dem Pluspol jeweils einer Batteriezelle befindet, wodurch der Pluspol durch die Öffnung hindurchgeführt werden kann. Dies bewirkt vorteilhafterweise eine Erleichterung und Vereinfachung der Montage des Batteriemoduls sowie eine Erhöhung der elektrischen Sicherheit.Preferably, an insulation element may have openings, in particular at intersections of the longitudinal axes of respective battery cells with the insulation element, so that in each case an opening of the insulation element is located above the positive pole of each battery cell, whereby the positive pole can be passed through the opening. This advantageously causes a simplification and simplification of the assembly of the battery module and an increase in electrical safety.
Vorteilhafterweise kann ein Pluspol jeweils einer Batteriezelle durch jeweils eine Öffnung des Isolationselements hindurch in die axiale Richtung gehäuseabgewandt hinausragen. Dass bewirkt den Effekt, dass das Zellgehäuse durch das Isolationselement von der ersten Kontaktierungsplatte getrennt und damit elektrisch isoliert ist.Advantageously, a positive pole each protrude a battery cell through each opening of the insulating member in the axial direction facing away from the housing. This causes the effect that the cell housing is separated by the insulating element of the first bonding plate and thus electrically isolated.
Bei der Montage eines Batteriemodulstapels kann dieser axial zusammen gepresst werden. Dadurch kann die formschlüssige und/oder kraftschlüssige Verbindung mittels der geschilderten Steckverbindungen hergestellt werden. Das Isolationselement kann hinsichtlich Form und Ausdehnung exakt oder näherungsweise mit der ersten Kontaktierungsplatte übereinstimmen, sodass die Montage eines Batteriemoduls und/oder Batteriemodulstapels folgende Schritte umfassen kann:
- a) Bereitstellen einer zweiten Kontaktierungsplatte oder Auflegen der zweiten Kontaktierungsplatte auf die erste Kontaktierungsplatte eines darunter liegenden Batteriemoduls, für die Montage eines ersten Batteriemoduls;
- b) Aufstellen mehrerer Batteriezellen etwa senkrecht auf die Kontaktierungsplatte und etwa achsparallel auf die zweite Kontaktierungsplatte, sodass der Minuspol jeweils einer Batteriezellen die zweite Kontaktierungsplatte elektrisch kontaktiert;
- c) direktes Verbinden der Minuspole der Batteriezellen mit der zweiten Kontaktierungsplatte, insbesondere mittels einer nicht lösbaren Verbindung, vorzugsweise mittels Laserschweißen;
- d) Auflegen des plattenförmigen Isolationselements lose auf die Batteriezellen, sodass die Pluspole der Batteriezellen in die Öffnungen des Isolationselements eindringen können und/oder eindringen;
- e) Auflegen der ersten Kontaktierungsplatte lose auf das plattenförmige Isolationselement, wobei die Pluspole der Batteriezellen in die Öffnungen der ersten Kontaktierungsplatte eindringen können oder eindringen;
- f) Anpressen der ersten Kontaktierungsplatte axial an die zweite Kontaktierungsplatte;
- g) Wiederholen der vorhergehenden Schritte für das zweite sowie für jedes weitere Batteriemodul, das hinzugefügt werden soll.
- a) providing a second contacting plate or placing the second contacting plate on the first contacting plate of an underlying battery module, for mounting a first battery module;
- b) setting up a plurality of battery cells approximately perpendicular to the contacting plate and approximately axially parallel to the second contacting plate, so that the negative terminal of each of a battery cell electrically contacts the second contacting plate;
- c) directly connecting the negative terminals of the battery cells with the second contacting plate, in particular by means of a non-detachable connection, preferably by means of laser welding;
- d) placing the plate-shaped insulating element loose on the battery cells, so that the positive poles of the battery cells can penetrate into the openings of the insulating element and / or penetrate;
- e) placing the first contacting plate loose on the plate-shaped insulating member, wherein the positive poles of the battery cells can penetrate into the openings of the first contacting plate or penetrate;
- f) pressing the first contacting plate axially against the second contacting plate;
- g) repeating the previous steps for the second and each additional battery module to be added.
Das axiale Zusammenpressen im Schritt f) des in den Schritten a) bis e) erhaltenen Gebildes ermöglicht, dass der Pluspol jeweils einer Batteriezelle mit der zweiten Kontaktierungsplatte elektrisch leitend und direkt und/oder untrennbar bzw. nur schwer trennbar verbunden wird.The axial compression in step f) of the structure obtained in steps a) to e) makes it possible for the positive pole of each battery cell to be electrically conductively and directly and / or inseparably or only severably separably connected to the second contacting plate.
In einer bevorzugten Weiterbildung der Erfindung kann in dem Schritt c) die Verbindung zwischen dem Minuspol jeweils einer Batteriezelle und der zweiten Kontaktierungsplatte als eine Steckverbindung ausgeführt werden, als Alternative zu einer Verbindung mittels Schweißen, insbesondere Laserschweißen. Hierzu kann die zweite Kontaktierungsplatte Öffnungen aufweisen und der Minuspol der Batteriezelle kann als eine Erhebung der Stirnfläche der Batteriezelle an ihrem zweiten Ende ausgebildet sein, analog zum Pluspol. Ferner gilt für diese Steckverbindung das zuvor Gesagte für die Steckverbindung zwischen dem Pluspol und der ersten Kontaktierungsplatte. Vorteilhafterweise können bei einer derartigen Realisierung die Montage des Batteriemoduls und/oder Batteriemodulstapels erheblich vereinfacht und damit verbundene Kosten erheblich reduziert werden.In a preferred embodiment of the invention, in the step c), the connection between the negative pole of each of a battery cell and the second contacting plate can be designed as a plug connection, as an alternative to a connection by means of welding, in particular laser welding. For this purpose, the second contacting plate may have openings and the negative pole of the battery cell may be formed as a survey of the end face of the battery cell at its second end, analogous to the positive pole. Furthermore, the above applies to the plug-in connection between the positive pole and the first contacting plate for this connector. Advantageously, in such a realization, the assembly of the battery module and / or battery module stack considerably simplified and associated costs can be significantly reduced.
In einer bevorzugten Weiterbildung der Erfindung kann bei einem Batteriemodul vorgesehen sein, dass der Pluspol jeweils einer Batteriezelle über das erste Ende, vorzugsweise auch über das Isolationselement, in eine axiale Richtung gehäuseabgewandt hinausragt. Das bewirkt den Effekt, dass die den Pluspol darstellende Erhebung der Stirnfläche einer jeweiligen Batteriezelle an ihrem ersten Ende die erste Kontaktierungsplatte in axialer Richtung mechanisch stützt und zugleich einen Abstandhalter zwischen der ersten Kontaktierungsplatte und dem Zellgehäuse bildet. Das Zellgehäuse ist damit gegenüber der ersten Kontaktierungsplatte beabstandet und folglich auch elektrisch isoliert. Der genannte Effekt hat den Vorteil einer, einfach und preisgünstig erzielbaren, Reduktion der Komplexität und des Montageaufwands sowie der damit verbundenen Kosten für die Montage des Batteriemoduls.In a preferred embodiment of the invention may be provided in a battery module that the positive pole each protrudes a battery cell via the first end, preferably also on the insulating element, facing away from the housing in an axial direction. This causes the effect that the positive pole representing survey of the end face of a respective battery cell at its first end mechanically supports the first contacting plate in the axial direction and at the same time forms a spacer between the first contacting plate and the cell housing. The cell housing is thus spaced from the first contacting plate and therefore also electrically insulated. The mentioned effect has the advantage of being able to achieve, simply and inexpensively achievable, a reduction in the complexity and the assembly outlay as well as the associated costs for the installation of the battery module.
In einer bevorzugten Weiterbildung der Erfindung kann eine erste und/oder zweite Kontaktierungsplatte jeweils bereichsweise oder durchgehend elektrisch leitend sein. Das bewirkt den Effekt, dass Batteriezellen bereichsweise oder durchgehend parallel schaltbar oder geschaltet sind. Der Effekt hat den Vorteil, dass Batteriezellen entsprechender Bereiche in unterschiedlichen und separaten Gruppen oder Kammern aufstellbar oder zusammenfassbar sind, um entsprechende Gruppen oder Kammern unabhängig voneinander elektrisch schalten zu können, beispielsweise bedarfsabhängig elektrisch parallel oder in Serie.
Falls die erste und die zweite Kontaktierungsplatte jeweils durchgehend elektrisch leitend sind, dann sind alle dazwischenliegenden Batteriezellen durchgehend parallel geschaltet. In a preferred embodiment of the invention, a first and / or second contacting plate may be respectively partially or continuously electrically conductive. This causes the effect that battery cells are switchable or connected in regions or continuously parallel. The effect has the advantage that battery cells corresponding areas in different and separate groups or chambers can be set up or summarized in order to switch corresponding groups or chambers independently electrically, for example, depending on demand electrically in parallel or in series.
If the first and the second contacting plate are each continuously electrically conductive, then all intermediate battery cells are connected in parallel throughout.
In einer bevorzugten Weiterbildung der Erfindung kann eine erste und/oder zweite Kontaktierungsplatte elastisch sein und vorzugsweise aus einem leitfähigen und elastischen Material bestehen, insbesondere einem Metall oder Kunststoff, wobei das Material nach einer Verformung und nach Rücknahme der Verformungskraft in seine ursprüngliche Lage zurückgekehrt. Die erste und/oder zweite Kontaktierungsplatte kann in einem Kontaktbereich mit der Batteriezelle eine elastische Membran umfassen, das gegebenenfalls in einer der Batteriezelle abgewandten Richtung gewölbt ist und möglicherweise eine Öffnung aufweist. Zur Verbesserung der elektrischen Leitfähigkeit kann die erste und/oder zweite Kontaktierungsplatte in dem Kontaktbereich mit einer, die elektrische Leitfähigkeit verbessernde, Kontaktpaste eingeschmiert sein, die beispielsweise Kupfer-, Aluminium- oder Graphit- Pigmente umfasst.In a preferred embodiment of the invention, a first and / or second contacting plate may be elastic and preferably consist of a conductive and elastic material, in particular a metal or plastic, the material having returned to its original position after deformation and after withdrawal of the deformation force. The first and / or second contacting plate may comprise, in a contact area with the battery cell, an elastic membrane which is optionally curved in a direction away from the battery cell and possibly has an opening. To improve the electrical conductivity, the first and / or second contacting plate may be lubricated in the contact region with a, the electrical conductivity-improving, contact paste comprising, for example, copper, aluminum or graphite pigments.
Die Weiterbildung bewirkt den Effekt eines möglichen Ausgleichs thermischer oder toleranzbedingter Schwankungen einer axialen Länge jeweils einer Batteriezelle, vorzugsweise bei gleichzeitiger Reduktion des Übergangswiderstands im Kontaktbereich. Diese Wirkung hat den Vorteil, dass
- a) Herstellungstoleranzen für Batteriezellen und Kontaktierungsplatten und/oder Montagetoleranzen hinsichtlich Anordnung bzw. Positionierung der Bauteile des Batteriemoduls zugelassen werden können, und/oder
- b) eine verbesserte Batterieperformance und eine höhere elektrische Reichweite des Fahrzeugs ohne aufwändige Schweißung zwischen einer Batteriezelle und einer Kontaktierungsplatte erzielbar sind.
- a) manufacturing tolerances for battery cells and contacting plates and / or mounting tolerances with regard to arrangement or positioning of the components of the battery module can be allowed, and / or
- b) improved battery performance and a higher electrical range of the vehicle can be achieved without costly welding between a battery cell and a contacting plate.
In einer bevorzugten Weiterbildung der Erfindung können Batteriezellen derart angeordnet sein, dass
- i) eine äußere Umfangsfläche jeweils einer, von benachbarten Batteriezellen vollständig umgebenen, Batteriezelle äußere Umfangsflächen von mindestens vier benachbarten Batteriezellen berührt, und
- ii) eine äußere Umfangsfläche jeweils einer, von benachbarten Batteriezellen unvollständig umgebenen, Batteriezelle äußere Umfangsflächen von mindestens zwei benachbarten Batteriezellen berührt.
- i) an outer peripheral surface of a battery cell completely surrounded by adjacent battery cells touch outer peripheral surfaces of at least four adjacent battery cells, and
- ii) an outer peripheral surface of each of a, of adjacent battery cells incompletely surrounded, battery cell outer peripheral surfaces of at least two adjacent battery cells touches.
Die Bezeichnung einer Batteriezelle als vollständig umgeben von benachbarten Batteriezellen (Nachbarzellen) bedeutet, dass die Batteriezelle inmitten von Nachbarzellen eingebettet ist, wobei sich in einem 360° Umfeld um die Batteriezelle herum Nachbarzellen befinden. Die von Nachbarzellen vollständig umgebene Batteriezelle befindet sich nicht in einem Randbereich des Batteriezellenraums.The designation of a battery cell as completely surrounded by neighboring battery cells (neighboring cells) means that the battery cell is embedded in the middle of neighboring cells, with neighboring cells in a 360 ° surrounding the battery cell. The battery cell completely surrounded by neighboring cells is not located in an edge area of the battery cell space.
Demgegenüber bedeutet die Bezeichnung einer Batteriezelle als unvollständig umgeben (von Nachbarzellen), dass die Batteriezelle sich in einem Randbereich des Batteriezellenraums befindet, wobei lediglich in einem Umfeld von weniger als 360° um die Batteriezelle herum Nachbarzellen angeordnet sind. Dadurch hat diese Batteriezelle weniger Nachbarzellen und damit weniger Kontakte zu Nachbarzellen.In contrast, the designation of a battery cell as incompletely surrounded (by neighboring cells) means that the battery cell is located in an edge region of the battery cell space, wherein neighboring cells are arranged only in an environment of less than 360 ° around the battery cell. As a result, this battery cell has fewer neighboring cells and thus fewer contacts to neighboring cells.
Die Merkmale i), ii) bewirken die Effekte, dass einerseits Batteriezellen raumsparend nebeneinander bzw. aneinander angeordnet sind und, dass andererseits ein gegenseitiger Wärmeausgleich zwischen sich berührenden Batteriezellen erzielt wird, insbesondere weil das Zellgehäuse jeweils einer Batteriezelle aus einem thermisch leitenden Material hergestellt oder herstellbar ist, beispielsweise aus einem Metall oder Kunststoff. Ein Vorteil dieser Effekte besteht darin, dass der für die Batteriezellen verfügbare Raum mit hoher Effektivität und hoher Packungsdichte nutzbar ist, ohne redundante Zwischenräume; mit anderen Worten, die Batteriezellen sind raumoptimiert aufstellbar. Ein weiterer Vorteil besteht darin, dass eine ausgeglichene Temperierung der Batteriezellen erzielbar ist.The features i), ii) cause the effects that on the one hand battery cells are space-saving side by side or arranged together and that on the other hand, a mutual heat balance between contacting battery cells is achieved, in particular because the cell housing each made of a battery cell made of a thermally conductive material or produced is, for example, a metal or plastic. An advantage of these effects is that the space available for the battery cells can be utilized with high efficiency and high packing density, without redundant gaps; In other words, the battery cells can be set up in a space-optimized manner. Another advantage is that a balanced temperature of the battery cells can be achieved.
Vorzugsweise kann eine äußere Umfangsfläche jeweils einer, von benachbarten Batteriezellen (Nachbarzellen) vollständig umgebenen, Batteriezelle äußere Umfangsflächen von mindestens fünf, vorzugsweise von sechs, benachbarten Batteriezellen (Nachbarzellen) berühren. Mit zunehmender Zahl berührter Nachbarzellen nehmen Raumersparnis und Packungsdichte der Batteriezellen zu. Die maximale Zahl von Nachbarzellen, die von einer Batteriezelle berührt werden können, ist sechs (bei gleichem Durchmesser involvierter Batteriezellen). Folglich ist die maximale Packungsdichte bzw. Raumersparnis erreicht, wenn eine Batteriezelle sechs Nachbarzellen berührt.Preferably, an outer circumferential surface of each of a battery cell completely surrounded by adjacent battery cells (neighboring cells) may contact outer peripheral surfaces of at least five, preferably six, adjacent battery cells (neighboring cells). As the number of neighboring cells touched increases, the space savings and packing density of the battery cells increase. The maximum number of neighbor cells that can be touched by a battery cell is six (with the same diameter of battery cells involved). Consequently, the maximum packing density or space saving is achieved when a battery cell touches six neighboring cells.
Vorzugsweise kann die äußere Umfangsfläche jeweils einer, von benachbarten Batteriezellen unvollständig umgebenen, Batteriezelle äußere Umfangsflächen von mindestens drei oder vier benachbarten Batteriezellen berühren.Preferably, the outer peripheral surface of each one of a battery cell incompletely surrounded by adjacent battery cells, outer peripheral surfaces of at least three or four adjacent battery cells touch.
In einer bevorzugten Weiterbildung der Erfindung kann die äußere Umfangsfläche einer Batteriezelle die Umfangsfläche einer benachbarten Batteriezelle in einem linienförmigen oder streifenförmigen Kontaktbereich berühren. Insbesondere treten der linienförmigen Kontaktbereich im Idealfall und der streifenförmige Kontaktbereich in der Praxis auf. Der Kontaktbereich kann entlang seines Verlaufs Unterbrechungen aufweisen und daher aus aufeinanderfolgenden, linienförmigen oder streifenförmigen Kontaktbereichen bestehen, aufgrund möglicher Unebenheiten der Umfangsfläche einer Batteriezelle. Mit zunehmender Breite des Kontaktbereichs nimmt die Effektivität des Wärmeausgleichs zwischen sich kontaktierenden Batteriezellen zu.In a preferred development of the invention, the outer circumferential surface of a battery cell can touch the peripheral surface of an adjacent battery cell in a linear or strip-shaped contact region. In particular, the linear contact area occur in the ideal case and the strip-shaped contact area in practice. The contact region can have interruptions along its course and therefore consist of successive, linear or strip-shaped contact regions, due to possible unevenness of the peripheral surface of a battery cell. With increasing width of the contact region, the effectiveness of the heat balance between contacting battery cells increases.
In einer bevorzugten Weiterbildung der Erfindung kann jeweils ein Wärmeabführkanal gebildet sein zwischen einander zugewandten, von linienförmigen oder streifenförmigen Kontaktbereichen begrenzten Bereichen äußerer Umfangsflächen benachbarter, sich berührender Batteriezellen. Die entsprechenden Kontaktbereiche können jeweils einen Wärmeabführkanal begrenzen und vorzugsweise abdichten. Möglicherweise kann ein Kontaktbereich undicht sein, sodass ein in einem Wärmeabführkanal zirkulierendes Kühlmedium in einen benachbarten Wärmeabführkanal einfließt. Das Kühlmedium kann insbesondere eine Kühlflüssigkeit oder möglicherweise Luft umfassen oder sein.In a preferred development of the invention, in each case a heat removal channel can be formed between facing regions of outer peripheral surfaces of adjacent, contacting battery cells which are delimited by line-shaped or strip-shaped contact regions. The respective contact areas may each define and preferably seal a heat dissipation channel. Possibly, a contact area may be leaking, so that a cooling medium circulating in a heat dissipation channel flows into an adjacent heat dissipation channel. The cooling medium may in particular comprise or be a cooling liquid or possibly air.
Die Weiterbildung bewirkt den Effekt eines unmittelbaren Kontakts zwischen Kühlmedium und Batteriezellen sowie zwischen benachbarten, unmittelbar untereinander Wärme austauschenden Batteriezellen, ohne dass ein separater Kühlkanal benötigt oder verwendet wird. Ein Vorteil dieses Effekts ist eine effiziente, gleichmäßige Kühlung der Batteriezellen. Ein weiterer Vorteil ist eine Vereinfachung der Kühlkonstruktion (ein separater Kühlkanal entfällt) und eine damit verbundene Material- und Kostenersparnis.The development causes the effect of direct contact between the cooling medium and battery cells and between adjacent, directly mutually heat exchanging battery cells, without a separate cooling channel is needed or used. An advantage of this effect is efficient, uniform cooling of the battery cells. Another advantage is a simplification of the cooling structure (a separate cooling channel is eliminated) and associated material and cost savings.
Vorzugsweise kann der jeweilige Wärmeabführkanal von dem Kühlmedium durchströmbar sein, zum Kühlen anliegender Batteriezellen. Hierzu kann das Kühlmedium in den Wärmeabführkanal hineingepumpt oder eingepresst und am Ende des Wärmeabführkanals von dort ausgeführt werden. Vorteilhafterweise fördert die Zirkulation des Kühlmediums die Kühlung der Batteriezellen.Preferably, the respective heat removal channel can be flowed through by the cooling medium, for cooling adjacent battery cells. For this purpose, the cooling medium can be pumped or pressed into the heat removal channel and executed at the end of the Wärmeabführkanals from there. Advantageously, the circulation of the cooling medium promotes the cooling of the battery cells.
In einer bevorzugten Weiterbildung der Erfindung kann ein Batteriemodul ein Zirkulationssystem umfassen, mittels welchem das Kühlmedium jeweils einem Wärmeabführkanal zuführbar ist und aus diesem abführbar ist. Vorteilhafterweise ermöglicht das Zirkulationssystem einen autonomen oder autarken Betrieb des Batteriemoduls und/oder Batteriemodulstapels.In a preferred embodiment of the invention, a battery module may comprise a circulation system, by means of which the cooling medium can be fed to a heat removal channel and can be discharged therefrom. Advantageously, the circulation system allows autonomous or autonomous operation of the battery module and / or battery module stack.
In einer bevorzugten Weiterbildung der Erfindung kann ein Batteriemodul mindestens zwei, nebeneinander und zwischen den beiden Kontaktierungsplatten angeordnete, Kammern umfassen, wobei mindestens eine erste Kammer und mindestens eine zweite Kammer vorgesehen sind. Die Kammern können jeweils eine Mehrzahl von Batteriezellen und mindestens einen Wärmeabführkanal umfassen. Jeweils eine Kammer kann einem Bereich der ersten und einem Bereich der zweiten Kontaktierungsplatte zugeordnet sein, wobei der jeweilige Bereich durchgehend elektrisch leitend und gegebenenfalls gegenüber benachbarten Bereichen derselben Kontaktierungsplatte elektrisch isoliert ist.In a preferred development of the invention, a battery module can comprise at least two chambers arranged next to one another and between the two contacting plates, at least one first chamber and at least one second chamber being provided. The chambers may each comprise a plurality of battery cells and at least one heat removal channel. In each case one chamber can be assigned to a region of the first and a region of the second contacting plate, wherein the respective region is electrically insulated throughout and optionally electrically insulated from adjacent regions of the same contacting plate.
Vorteilhafterweise ermöglichen die separaten Kammern und die damit verbundene, bereichsweise Leitfähigkeit der Kontaktierungsplatten eine flexible elektrische Verschaltung (in Serie oder parallel) von Batteriemodulen dazugehörender Kammern untereinander.Advantageously, the separate chambers and the associated, region-wise conductivity of the contacting plates allow flexible electrical interconnection (in series or in parallel) of battery modules associated chambers with each other.
Vorzugsweise kann jeweils eine Kammer eine Wand umfassen, die in der Kammer angeordnete Batteriezellen lateral umlaufend und einschließend umschließt. Die Wand kann vorzugsweise aus einem thermisch leitenden und insbesondere elektrisch isolierenden Material, vorzugsweise aus Kunststoff, hergestellt sein.Preferably, one chamber each may comprise a wall enclosing laterally surrounding and enclosing battery cells arranged in the chamber. The wall may preferably be made of a thermally conductive and in particular electrically insulating material, preferably of plastic.
Die Eigenschaften der Wand bewirken den Effekt eines Wärmeaustauschs zwischen benachbarten Kammern, wobei in jeweils einer Kammer gruppierte oder zusammengefasste Batteriezellen unabhängig voneinander elektrisch geschaltet werden können. Der Vorteil dieses Effekts ist eine gleichmäßigere Kühlung oder Temperierung der Kammern und darin eingeschlossener Batteriezellen unter Beibehaltung der Flexibilität hinsichtlich einer elektrischen Verschaltung der Kammern, beispielsweise bedarfsabhängig parallel oder in Serie.The properties of the wall cause the effect of heat exchange between adjacent chambers, wherein in each case a grouped or summarized battery cells can be electrically switched independently. The advantage of this effect is a more uniform cooling or temperature control of the chambers and enclosed therein battery cells while maintaining the flexibility of an electrical interconnection of the chambers, for example, depending on demand in parallel or in series.
In einer bevorzugten Weiterbildung der Erfindung kann ein Zirkulationssystem dazu ausgebildet sein das Kühlmedium derart zu bewegen oder zu zirkulieren, dass das Kühlmedium der ersten Kammer zugeführt wird, aus dieser abgeführt und der zweiten Kammer zugeführt wird, und aus dieser wieder abgeführt wird. Sofern mehrere Wärmeabführkanäle in jeweils einer Kammer vorgesehen sind, so bewegt sich bzw. fließt das Kühlmedium durch die Wärmeabführkanäle der betreffenden Kammer einheitlich in eine Richtung. Das bewirkt den Effekt eines geschlossenen Kühlkreislaufs, wobei das Kühlmedium durch die Kammern hindurch und zwischen den Kammern zirkuliert. Der Effekt hat den Vorteil, dass damit eine kompakte Bauweise des Batteriemoduls oder Batteriemodulstapels und/oder eine gleichmäßige Temperierung der Batteriezellen ermöglicht werden.In a preferred development of the invention, a circulation system may be designed to move or circulate the cooling medium such that the cooling medium is supplied to the first chamber, removed therefrom and supplied to the second chamber, and discharged therefrom. If several Wärmeabführkanäle are provided in each case a chamber, so moves or flows through the cooling medium through the Wärmeabführkanäle the relevant chamber uniformly in one direction. This causes the effect of a closed cooling circuit, with the cooling medium circulating through the chambers and between the chambers. The effect has the advantage that thus a compact design of the battery module or battery module stack and / or a uniform temperature of the battery cells are made possible.
In einer bevorzugten Weiterbildung der Erfindung kann eine erste und/oder zweite Kontaktierungsplatte Öffnungen aufweisen, durch welche jeweils das Kühlmedium mittels des Zirkulationssystems den jeweiligen Wärmeabführkanälen zuführbar oder aus diesen abführbar ist. Das bewirkt den vorteilhaften Effekt, dass damit das Zirkulationssystem oder der Kühlkreislauf funktionsfähig und betriebsbereit ist.In a preferred embodiment of the invention, a first and / or second contacting plate having openings through which each of the cooling medium by means of the circulation system the respective Wärmeabführkanälen be supplied or is deducible from these. This has the beneficial effect of making the circulation system or cooling circuit functional and operational.
Vorzugsweise können Anschlüsse vorgesehen sein mittels welchen das Kühlmedium einer Kammer zuführbar und/oder aus dieser abführbar ist. Die Anschlüsse können oberhalb der ersten oder unterhalb der zweiten Kontaktierungsplatte angeordnet sein. Das bewirkt den vorteilhaften Effekt einer kompakten Bauweise des Batteriemoduls oder Batteriemodulstapels, weil das Zirkulationssystem bzw. der Kühlkreislauf und das Batteriemodul gemeinsam eine abgeschlossene, autonome oder autarke Einheit bilden, die in ein Batteriegehäuse bzw. Gesamtgehäuse unterbringbar ist. Preferably, connections can be provided by means of which the cooling medium can be supplied to a chamber and / or can be discharged therefrom. The connections can be arranged above the first or below the second contacting plate. This causes the advantageous effect of a compact design of the battery module or battery module stack, because the circulation system and the cooling circuit and the battery module together form a closed, autonomous or self-sufficient unit that can be accommodated in a battery case or overall housing.
Vorzugsweise können die Anschlüsse einen Zulauf oder mehrere, beispielsweise mindestens zwei, fünf oder zehn, Zuläufe umfassen, zum Zuführen der Kühlflüssigkeit in jeweils eine Kammer. Zudem die Anschlüsse einen Ablauf oder mehrere, vorzugsweise mindestens zwei, fünf oder zehn, Abläufe umfasst, zum Abführen des Kühlmediums von jeweils einer Kammer. Eine hohe Zahl von Anschlüssen bewirkt den Effekt einer starken bzw. feinen Verzweigung des Kühlkreislaufs. Der Vorteil dieses Effekts ist eine gute und gleichmäßige Verteilung der Wärmeabfuhr von den Batteriezellen und eine gleichmäßige Temperierung der Batteriezellen.Preferably, the ports may comprise one or more, for example, at least two, five, or ten feeds, for feeding the cooling fluid into each chamber. In addition, the connections comprise one or more, preferably at least two, five or ten, outlets for discharging the cooling medium from one chamber each. A high number of connections causes the effect of a strong or fine branching of the cooling circuit. The advantage of this effect is a good and uniform distribution of heat dissipation from the battery cells and a uniform temperature of the battery cells.
In einer bevorzugten Weiterbildung der Erfindung kann in jeweils einem Wärmeabführkanal ein Füllmaterial einbringbar oder eingebracht sein. Das eingebrachte Füllmaterial bewirkt den Effekt
- i) einer Reduktion des Strömungsquerschnitts in dem Wärmeabführkanal, was vorzugsweise mit einer Erhöhung der Strömungsgeschwindigkeit des Kühlmediums in dem Wärmeabführkanal einhergeht, und/oder
- ii) einer Reduktion der Menge des benötigten, zirkulierenden Kühlmediums.
- i) a reduction of the flow cross section in the heat removal channel, which is preferably accompanied by an increase in the flow rate of the cooling medium in the heat removal channel, and / or
- ii) a reduction in the amount of circulating cooling medium needed.
Vorzugsweise kann das Füllmaterial eine axiale Stange oder Hohlkugeln aus Glas oder Kunststoff umfassen. Das hat den Vorteil einer konstruktiv einfachen und preiswerten Möglichkeit zur Erhöhung der Kühleffizienz und zur Materialersparnis.Preferably, the filler material may comprise an axial rod or hollow spheres of glass or plastic. This has the advantage of a structurally simple and inexpensive way to increase the cooling efficiency and material savings.
In einer bevorzugten Weiterbildung der Erfindung kann ein Zirkulationssystem einen Wärmetauscher oder eine Kühlvorrichtung zum Abkühlen des Kühlmediums umfassen. Der Wärmetauscher kann in einem Innenbereich des Batteriemoduls oder Batteriemodulstapels angeordnet sein, beispielsweise in einem lateralen Bereich des Innenbereichs. In einem Batteriemodulstapel mit mehreren Batteriemodulen kann das Kühlmedium in das erste Batteriemodul eingeführt und aus dem axial gegenüberliegenden Batteriemodul abgeführt werden, wobei die abgeführte Flüssigkeit durch den Wärmetauscher zirkuliert und dort abgekühlt wird. Das so gebildete Zirkulationssystem einschließlich Wärmetauscher bewirkt den Vorteil eines erhöhten Kühleffekts und einer kompakten Bauweise des Batteriemoduls oder Batteriemodulstapels.In a preferred embodiment of the invention, a circulation system may comprise a heat exchanger or a cooling device for cooling the cooling medium. The heat exchanger can be arranged in an inner region of the battery module or battery module stack, for example in a lateral region of the inner region. In a battery module stack with a plurality of battery modules, the cooling medium can be introduced into the first battery module and removed from the axially opposite battery module, wherein the discharged liquid is circulated through the heat exchanger and cooled there. The circulation system thus formed, including heat exchangers, provides the advantage of an increased cooling effect and a compact design of the battery module or battery module stack.
Das Zirkulationssystem funktioniert auch dann, wenn der Batteriemodulstapel ein einziges Batteriemodul oder wenn jeweils ein Batteriemodul eine einzige Kammer umfasst.The circulation system will work even if the battery module stack includes a single battery module or if each battery module includes a single chamber.
In einer bevorzugten Weiterbildung der Erfindung kann eine Öffnung der zweiten Kontaktierungsplatte oder des Isolationselements jeweils direkt oder unmittelbar an dem jeweiligen Wärmeabführkanal anliegen. Das bewirkt den vorteilhaften Effekt, dass ein Ausströmen von Kühlmedium beim Übergang in den Wärmeabführkanal verhindert werden kann. Insbesondere das Isolationselement erfüllt eine abdichtende Aufgabe, ähnlich einer Dichtung zwischen Komponenten eines Systems von Fluidleitungen.In a preferred development of the invention, an opening of the second contacting plate or of the insulating element can each rest directly or directly on the respective heat dissipation channel. This causes the advantageous effect that leakage of cooling medium can be prevented at the transition into the heat dissipation. In particular, the insulating element performs a sealing task, similar to a seal between components of a system of fluid lines.
In einer bevorzugten Weiterbildung der Erfindung kann das Batteriemodul oder der Batteriemodulstapel ein Batteriegehäuse (Gesamtgehäuse) umfassen, vorzugsweise aus Aluminium, zum Unterbringen des Batteriemoduls oder Batteriemodulstapels. Das hat den Vorteil einer verbesserten und erleichterten Handhabung des Batteriemoduls und/oder Batteriemodulstapels.In a preferred development of the invention, the battery module or the battery module stack may comprise a battery housing (overall housing), preferably made of aluminum, for accommodating the battery module or battery module stack. This has the advantage of improved and easier handling of the battery module and / or battery module stack.
Vorzugsweise kann ein Batteriemodul oder Batteriemodulstapel elektrisch nichtleitende und gegebenenfalls mechanisch schockdämpfende Isolationsringe umfassen, welche den Batteriemodulstapel umfassend einschließen, die Kontaktierungsplatten gegenüber dem Batteriegehäuse elektrisch isolieren und einen Bewegungsspielraum für Batteriekomponenten gegenüber dem Batteriegehäuse reduzieren oder verhindern. Das hat den Vorteil, dass dadurch ein elektrisch sicherer Betrieb und eine verbesserte mechanische Stabilität und Erschütterungsfestigkeit ermöglicht oder gewährleistet werden.Preferably, a battery module or battery module stack may comprise electrically non-conductive and possibly mechanically shock-absorbing insulation rings which enclose the battery module stack, electrically insulate the contacting plates from the battery housing and reduce or prevent movement of battery components relative to the battery housing. This has the advantage that this enables or ensures electrically safe operation and improved mechanical stability and vibration resistance.
Das Fahrzeug mit einem Batteriemodulstapel weist dieselben Vorteile auf, die bereits voranstehend bezüglich des erfindungsgemäßen Batteriemoduls und Batteriemodulstapels beschrieben sind.The vehicle with a battery module stack has the same advantages as described above with regard to the battery module and battery module stack according to the invention.
Ein erfindungsgemäßes Batteriemodul wird nachfolgend anhand von Zeichnungen näher erläutert. Es zeigen jeweils schematisch:
-
1 in einer perspektivischen Darstellung eine bevorzugte Ausführungsform eines erfindungsgemäßen Batteriemoduls, -
2a in einer perspektivischen Darstellung eine Mehrzahl nebeneinander angeordneter Batteriezellen eines Batteriemoduls, -
2b in einer Seitenansicht eine einzelne Batteriezelle, -
3a in einer Draufsicht einen Ausschnitt eines Isolationselements, und -
3b in einer perspektivischen Darstellung eine erste Kontaktierungsplatte.
-
1 in a perspective view of a preferred embodiment of a battery module according to the invention, -
2a in a perspective view, a plurality of juxtaposed battery cells of a battery module, -
2 B in a side view a single battery cell, -
3a in a plan view of a section of an insulating element, and -
3b in a perspective view of a first contacting plate.
Elemente mit gleicher Funktion und Wirkungsweise sind in den gezeigten Figuren jeweils mit denselben Bezugszeichen versehen.Elements with the same function and mode of operation are each provided with the same reference numerals in the figures shown.
- - zwei, zueinander parallel oder annähernd parallel angeordnete,
Kontaktierungsplatten 12 ,13 umfassend eine erste und eine zweite Kontaktierungsplatte, und - - eine
Mehrzahl von Batteriezellen 14 , die nebeneinander und zwischen den beidenKontaktierungsplatten 12 ,13 angeordnet sind.
- - Two, mutually parallel or approximately parallel, contacting
plates 12 .13 comprising a first and a second contacting plate, and - - A plurality of
battery cells 14 , side by side and between the two contactingplates 12 .13 are arranged.
Ein Batteriemodul
Jeweils eine Batteriezelle
Der Pluspol
Das Zellgehäuse
In dem in dem Batteriemodul
- i) eine äußere Umfangsfläche jeweils einer,
von benachbarten Batteriezellen 14 vollständig umgebenen, Batteriezelle14.5 äußere Umfangsflächen von mindestens vier benachbarten Batteriezellen14 berührt, und - ii) eine äußere Umfangsfläche jeweils einer,
von benachbarten Batteriezellen 14 unvollständig umgebenen, Batteriezelle14.6 äußere Umfangsflächen von mindestens zwei benachbarten Batteriezellen14 berührt.
- i) an outer peripheral surface of each one of
adjacent battery cells 14 completely surrounded, battery cell14.5 outer peripheral surfaces of at least fouradjacent battery cells 14 touched, and - ii) an outer circumferential surface of one of
adjacent battery cells 14 incompletely surrounded, battery cell14.6 outer peripheral surfaces of at least twoadjacent battery cells 14 touched.
Eine von benachbarten Batteriezellen
Eine äußere Umfangsfläche jeweils einer in
An outer peripheral surface of each one in
Eine von benachbarten Batteriezellen
Eine äußere Umfangsfläche jeweils einer in
An outer peripheral surface of each one in
Zwischen einander zugewandten, von linienförmigen oder streifenförmigen Kontaktbereichen begrenzten Bereichen äußerer Umfangsflächen benachbarter, sich berührender Batteriezellen
Das Isolationselement
Das Isolationselement
Die Elastizität des Isolationselements
An Schnittpunkten der Längsachsen jeweiliger Batteriezellen
Gemäß
BezugszeichenlisteLIST OF REFERENCE NUMBERS
- 1010
- Batteriemodulbattery module
- 1212
- erste Kontaktierungsplattefirst contacting plate
- 12.112.1
- Öffnung der ersten Kontaktierungsplatte für einen Batteriezellen-PluspolOpening of the first contact plate for a battery cell plus pole
- 12.212.2
- Öffnung der ersten Kontaktierungsplatte für einen WärmeabführkanalOpening the first contacting plate for a heat dissipation
- 1313
- zweite Kontaktierungsplattesecond contacting plate
- 1414
- Batteriezellebattery cell
- 14.114.1
- Zellgehäusecell case
- 14.214.2
- Pluspol einer BatteriezellePositive pole of a battery cell
- 14.314.3
- Minuspol einer BatteriezelleNegative pole of a battery cell
- 14.514.5
- von benachbarten Batteriezellen vollständig umgebene BatteriezelleBattery cell completely surrounded by adjacent battery cells
- 14.614.6
- von benachbarten Batteriezellen unvollständig umgebene BatteriezelleBattery cell incompletely surrounded by adjacent battery cells
- 1616
- Isolationselement, angeordnet zwischen einer Batteriezelle und der ersten KontaktierungsplatteInsulation element, disposed between a battery cell and the first contacting plate
- 16.116.1
- Öffnung des Isolationselements für einen Batteriezellen-PluspolOpening of the insulation element for a battery cell plus pole
- 16.2 16.2
- Öffnung des Isolationselements für einen WärmeabführkanalOpening of the insulation element for a heat removal channel
- 1818
- WärmeabführkanalWärmeabführkanal
- 2020
- Kammer, Wand einer KammerChamber, wall of a chamber
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG QUOTES INCLUDE IN THE DESCRIPTION
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Zitierte PatentliteraturCited patent literature
- EP 3096372 A1 [0003]EP 3096372 A1 [0003]
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DE (1) | DE102017213476A1 (en) |
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