DE102018124365A1

DE102018124365A1 - Kontaktierung von Batteriezellen

Info

Publication number: DE102018124365A1
Application number: DE102018124365.0A
Authority: DE
Inventors: Lutz Lackenmacher; Andreas Lemke; Bastian Schaar; Frank Wesche; Marcus Klink; Bastian Gröger; Volkmar Henning
Original assignee: Volkswagen AG
Current assignee: Volkswagen AG
Priority date: 2018-10-02
Filing date: 2018-10-02
Publication date: 2020-04-02
Also published as: CN110993869B; CN110993869A

Abstract

Batteriemodul (2) zur Energieversorgung elektrischer Verbraucher, umfassend eine Mehrzahl von untereinander verschalteten Batteriezellen (28a, 28b, 28c, 28d) zur Bereitstellung elektrischer Energie, eine Mehrzahl von Verbindungselementen (16) zur Verschaltung der Batteriezellen (28a, 28b, 28c, 28d) und/oder des Batteriemoduls (2), wobei die untereinander verschalteten Batteriezellen (28a, 28b, 28c, 28d) elektrisch leitfähige, potentialfrei gebildete Zellgehäuse (18a, 18b, 18c, 18d) aufweisen, wobei die Zellgehäuse (18a, 18b, 18c, 18d) untereinander elektrisch leitend miteinander verbunden und zu einem Zellgehäuseverbund (18) zusammengefasst sind und wobei der Zellgehäuseverbund (18) elektrisch leitend mit dem Pol (12, 14) einer innerhalb des Batteriemoduls (2) angeordneten Batteriezelle (28a, 28b, 28c, 28d) verbunden ist, sodass das Zellpotential der verbundenen Batteriezelle (28a, 28b, 28c, 28d) über den gesamten Zellgehäuseverbund (18) abgreifbar ist, um die Länge der Verbindungswege zur Verschaltung von Batteriemodulen (2) zu minimieren.

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft ein Batteriemodul, ein Verspannelement und ein System zur Kontaktierung von Batteriezellen sowie ein Verfahren zur Verschaltung von Batteriemodulen.
Systeme und Verfahren zur Kontaktierung von Batteriezellen und zur Verschaltung von Batteriemodulen sind aus dem Stand der Technik bekannt. Nachteilig an den bekannten Systemen und Verfahren ist der häufig hohe Kontaktierungs- und Verschaltungsaufwand der Batteriemodule bei einer Verschaltung mit jeweils unterschiedlich positionierten Batteriepolen. Unterschiedlich positionierte Pole treten insbesondere bei der Verwendung von Batteriemodulen verschiedener Hersteller oder unterschiedlicher Zelltypen auf. Der hohe Kontaktierungs- und Verschaltungsaufwand ergibt sich hierbei insbesondere dadurch, dass zur gewünschten Verbindung der Pole lange Verbindungselemente verwendet werden müssen. Die Verwendung solcher Verbindungselemente ist aus mehreren Gründen nachteilig. Einerseits ist der Verschaltungs- bzw. Kontaktierungsprozess bei der Verwendung langer Verbindungselemente ungleich aufwändiger und erfordert mehr Verbindungsmaterial, sodass sich nicht nur Nachteile bezüglich der Material- und Herstellungskosten, sondern auch im Hinblick auf das Gewicht der Batteriemodule ergeben. Des Weiteren stellen insbesondere lange Verbindungselemente häufig den kritischsten Punkt im Hinblick auf Leitungsbrüche und Leitungswiderstände dar, was einer effizienten und langlebigen Kontaktierung und Verschaltung entgegenwirkt.
Aus dem Stand der Technik sind ferner Systeme bekannt, welche die genannten Probleme zumindest teilweise zu lösen versuchen. Die Druckschrift DE 10 2012 217 478 A1 betrifft eine Batteriezelle, umfassend ein Wickelelement aus einer mit einem Anodenmaterial beschichteten Kupferfolie und einer mit einem Kathodenmaterial beschichteten Aluminiumfolie. Ferner weist die Batteriezelle einen Elektrolyten sowie zwei Stromabnehmer auf, die mit der Kupferfolie sowie mit der Aluminiumfolie elektrisch leitfähig verbunden sind. Das Wickelelement und die Stromabnehmer sind hierbei innerhalb eines Gehäuses angeordnet, mit dem einer der Stromabnehmer in direktem mechanischen und elektrisch leitfähigen Kontakt steht.
Die Druckschrift DE 10 2013 200 394 A1 betrifft eine Batteriezelle mit einem prismatischen Gehäuse, umfassend zwei einander gegenüberliegende Gehäuseseiten, von denen eine Seite ganz oder teilweise auf Kathodenpotential und die andere Seite ganz oder teilweise auf Anodenpotential liegt.
Die Druckschrift DE 10 2014 092 004 A1 betrifft ferner eine Kraftfahrzeugbatterie mit einer Mehrzahl von in Serie und/oder parallel miteinander verschalteten Batteriezellen. Die Batteriezellen weisen hierbei ein Zellgehäuse auf, wobei zumindest das Zellgehäuse einer der Batteriezellen ein elektrisch leitendes Gehäuseteil aufweist, über welches das Zellgehäuse in einem montierten Zustand an ein Fahrzeugmassepotential angebunden ist.
Nachteilig an dem genannten Stand der Technik ist jedoch insbesondere, dass zwar eine vereinfachte und flexiblere Kontaktierung von Batteriezellen ermöglicht wird, mittels der genannten Vorrichtungen und Systeme jedoch keine einfache und nicht aufwändige Kontaktierung und Verschaltung eines Batteriemoduls umfassend eine Mehrzahl von miteinander verschalteten Zellen unabhängig von der Positionierung der Pole des betreffenden Batteriemoduls erfolgen kann.
Es ist daher die Aufgabe der vorliegenden Erfindung, die voranstehend beschriebenen Nachteile zumindest teilweise zu beheben, insbesondere ist es die Aufgabe der vorliegenden Erfindung, eine Vorrichtung, ein System sowie ein Verfahren zur Kontaktierung und Verschaltung von Batteriemodulen zur Verfügung zu stellen, die auf möglichst einfache, unaufwändige und kostengünstige Weise eine langlebige, flexible und energieeffiziente elektrische Verbindung der Pole verschiedener Batteriemodule bereitstellt.
Die voranstehende Aufgabe wird gelöst durch eine Vorrichtung mit den Merkmalen des Anspruchs 1, eine Vorrichtung mit den Merkmalen des Anspruchs 6, ein System gemäß Anspruch 8 sowie ein Verfahren gemäß Anspruch 10. Weitere Merkmale und Details ergeben sich aus den Unteransprüchen, der Beschreibung und den Zeichnungen. Technische Merkmale, die zu den erfindungsgemäßen Vorrichtungen offenbart werden, gelten dabei auch in Verbindung mit dem erfindungsgemäßen System und dem erfindungsgemäßen Verfahren und umgekehrt, sodass bezüglich der Offenbarung zu den einzelnen Erfindungsaspekten stets wechselseitig Bezug genommen wird bzw. werden kann. Zweckmäßige Ausgestaltungen der Erfindung sind in den abhängigen Ansprüchen ausgeführt.
Das erfindungsgemäße Batteriemodul zur Kontaktierung von Batteriezellen umfasst eine Mehrzahl von untereinander verschalteten Batteriezellen zur Bereitstellung elektrischer Energie und eine Mehrzahl von Verbindungselementen zur Verschaltung der Batteriezellen und/oder des Batteriemoduls. Hierbei weisen die untereinander verschalteten Batteriezellen elektrisch leitfähige, potentialfrei gebildete Zellgehäuse auf, wobei die Zellgehäuse untereinander elektrisch leitend miteinander verbunden und zu einem Zellgehäuseverbund zusammengefasst sind. Erfindungsgemäß ist der Zellgehäuseverbund des Batteriemoduls elektrisch leitend mit dem Pol einer innerhalb des Batteriemoduls angeordneten Batteriezelle verbunden, sodass das Zellpotential der verbundenen Batteriezelle über den gesamten Zellgehäuseverbund abgreifbar ist, um die Länge der Verbindungswege zur Verschaltung von Batteriemodulen zu minimieren.
Unter einer Kontaktierung ist im Rahmen der Erfindung die Herstellung eines elektrischen Kontaktes zu verstehen.
Unter einer elektrischen Leitfähigkeit wird im Rahmen der Erfindung eine Leitfähigkeit unter Standardbedingungen von zumindest größer als 5·10^-6 S/cm, insbesondere von zumindest größer 10⁴ S/cm verstanden.
Unter erfindungsgemäß potentialfrei gebildeten Zellgehäusen ist vorliegend zu verstehen, dass die Zellgehäuse vom Inneren der betreffenden Zellen potentialfrei geschaltet sind, d.h. vom Zellpotential der betreffenden Zellen getrennt werden, sodass keine elektrische Verbindung zwischen dem Zellgehäuse und dem Zellwickel besteht, bzw. die Anode und Kathode elektrisch vom Gehäuse isoliert ist.
Das erfindungsgemäße Batteriemodul zur Kontaktierung von Batteriezellen kann vorzugsweise in einem Kraftfahrzeug, insbesondere in einem Elektrofahrzeug oder einem Hybridfahrzeug zum Einsatz kommen und dort vorzugsweise innerhalb des Antriebs, insbesondere im Bereich der Batterie angeordnet sein. Ebenso ist ein Einsatz des erfindungsgemäßen Batteriemoduls in Schiffen, Flugobjekten oder auch stationären Systemen denkbar.
Die erfindungsgemäße Minimierung der Länge der Verbindungswege zur elektrischen Verbindung der Pole eines ersten Batteriemoduls mit den Polen eines zweiten Batteriemoduls kann gegenständlich insbesondere durch die Herstellung einer indirekten elektrischen Verbindung zwischen einem ersten Pol eines ersten Batteriemoduls und einem Pol eines zweiten Batteriemoduls über einen gegenständlichen Zellgehäuseverbund erfolgen. Dies wird dann beispielsweise dadurch erreicht, dass der gegenständliche Zellgehäuseverbund mit einem Pol eines ersten Batteriemoduls und einem Pol eines zweiten Batteriemoduls in elektrischer Verbindung steht und der Zellgehäuseverbund und die jeweiligen Pole somit dasselbe elektrische Potential besitzen. Vorzugsweise sind hierbei die in der Regel an der Außenseite eines Batteriemoduls angeordneten ersten und/oder letzten Batteriezellen eines Batteriemoduls mit dem Zellgehäuseverbund verbunden.
Gegenständlich ist erkannt worden, dass bei Gewährleistung einer sauberen elektrischen Isolation von Zellgehäusen gegenüber ihrem Zellinneren und einer elektrischen Verbindung zwischen mehreren Zellgehäusen zu einem Zellgehäuseverbund, letzterer zur Überführung eines elektrischen Potentials genutzt werden kann, sodass durch die Verschaltung der Pole zweier Batteriemodule über einen Zellgehäuseverbund eine deutlich höhere Flexibilität hinsichtlich der Verwendung von Batteriemodulen verschiedener Hersteller und Zelltypen gegeben ist, da mittels einer Verschaltung über einen Zellgehäuseverbund unabhängig von der Anordnung der Pole der zu verschalteten Batteriemodule stets kurze Verbindungswege und somit bei gegebener Anordnung der elektrischen Anschlüsse eine gleichzeitig langlebige, energieeffiziente, kostengünstige und flexible Verschaltung von Batteriemodulen gegeben ist.
Im Rahmen einer kompakten und sicheren Ausführung des gegenständlichen Batteriemoduls zur Kontaktierung von Batteriezellen, kann erfindungsgemäß insbesondere vorgesehen sein, dass die Batteriezellen in Form von prismatischen Batteriezellen gebildet sind. Eine mögliche kompakte Anordnung ergibt sich hierbei insbesondere durch eine mögliche Stapelung der innerhalb eines Batteriemoduls angeordneten Batteriezellen, wodurch sich auch die Kapazität und die Lebensdauer der Zelle verbessert.
Um eine einfache und schnelle Kontaktierung der Pole der Batteriezellen des Batteriemoduls zu gewährleisten, kann erfindungsgemäß ferner vorgesehen sein, dass Anschlüsse zur Kontaktierung der Pole der Batteriezellen des Batteriemoduls vorgesehen sind. Die Anschlüsse können hierbei insbesondere auf dem potentialfrei gebildeten Zellgehäuseverbund des Batteriemoduls angeordnet sein.
Um möglichst kurze Verschaltungswege zur Verschaltung einzelner Module von Batteriezellen zu gewährleisten und gleichzeitig eine größtmögliche Flexibilität für die Anordnung der Batteriemodule zu schaffen, kann gegenständlich ferner vorgesehen sein, dass die erfindungsgemäßen Anschlüsse zumindest teilweise auf einander gegenüberliegenden Flächen des Zellgehäuseverbundes angeordnet sind. Zwar ist es auch möglich, dass die Anschlüsse auf der gleichen Fläche des Zellgehäuseverbundes angeordnet sind, in einem solchen Fall sollten die Anschlüsse dann aber entfernt voneinander, vorzugsweise gegenüberliegend in den Randbereichen einer Fläche angeordnet sein. Die Randbereiche sind hierbei vorzugsweise im äußeren Bereich einer Fläche des gegenständlichen Zellgehäuseverbundes angeordnet und insbesondere in Form einer äußeren Umrahmung oder dergleichen gebildet. Die Größe eines Randbereiches einer Fläche kann hierbei vorteilhafterweise im Hinblick auf die Größe eines innerhalb eines Gehäuseverbundes anordenbaren Batteriemoduls bestimmt und/oder variiert werden. Ebenso ist auch denkbar, dass die Anschlüsse um 90° versetzt zueinander angeordnet sind, also beispielsweise ein Anschluss an einer Stirnseite und ein anderer Anschluss an einer Seitenfläche des Zellgehäuseverbundes angeordnet ist. Im Hinblick auf eine besonders materialsparende Anordnung kann ferner insbesondere vorgesehen sein, dass die Anschlüsse jeweils im Bereich einer ersten und einer letzten von seriell und/oder parallel miteinander verschalteten und innerhalb des Zellgehäuseverbundes anordenbaren Zellen eines Batteriemoduls angeordnet sind.
Hinsichtlich eines einfachen Ein- und Ausbaus bzw. Tausches von Batteriemodulen können die Anschlüsse vorteilhafterweise derart ausgebildet sein, dass eine lösbare elektrische Verbindung zwischen den Batteriezellen der Batteriemodule und den Anschlüssen herstellbar ist. Die an dem Zellgehäuseverbund angeordneten gegenständlichen Anschlüsse sind hierbei ebenfalls zumindest teilweise aus einem Kupfer- oder zumindest teilweise aus einem Aluminiumwerkstoff gebildet und vorzugsweise formschlüssig, kraftschlüssig oder stoffschlüssig mit dem Gehäuse verbunden. Über die Anschlüsse kann somit auf besonders einfache und nicht aufwändige Weise ebenfalls eine formschlüssige, kraftschlüssige oder stoffschlüssige elektrische Verbindung zwischen dem Zellgehäuseverbund und den Polen der Batteriezellen von Batteriemodulen hergestellt werden. Hierbei können die elektrischen Verbindungen in lösbarer Form, beispielsweise in Form von Steckverbindungen oder Schraubverbindungen, aber auch in unlösbarer Form, beispielsweise in Form von Lötverbindungen, Schweißverbindungen oder Quetschverbindungen gebildet sein. Im Rahmen einer flexiblen Kontaktierung können ferner vorteilhafterweise auch verschiedene Kontaktierungsarten nebeneinander vorliegen.
Ebenfalls Gegenstand der Erfindung sind elektrisch leitend ausgebildete Verspannelemente zur Kontaktierung von Batteriezellen eines Batteriemoduls, wobei die Batteriezellen insbesondere wie zuvor beschrieben ausgebildet sind. Dabei umfassen die Verspannelemente zumindest zwei gegenüberliegend voneinander angeordnete Druckplatten zur Druckverteilung sowie zumindest ein Spannband zum Druckaufbau auf die Druckplatten. Im Hinblick auf eine hohe elektrische Leitfähigkeit können die Verspannelemente hierbei zumindest teilweise aus einem Kupferwerkstoff oder zumindest teilweise aus einem Aluminiumwerkstoff gebildet sein.
Im Rahmen einer einfachen und schnellen Kontaktierung der Pole von Batteriezellen eines Batteriemoduls kann hierbei insbesondere vorgesehen sein, dass die Verspannelemente eine Mehrzahl von Anschlüssen zur Kontaktierung der Pole der Batteriezellen eines Batteriemoduls aufweisen. Die Anschlüsse zur Kontaktierung der Pole von Batteriezellen eines Batteriemoduls können hierbei ebenso ausgebildet sein, wie die voranstehend beschriebenen Anschlüsse des gegenständlichen Batteriemoduls und können somit ebenfalls zumindest teilweise aus einem Kupferwerkstoff oder zumindest teilweise aus einem Aluminiumwerkstoff gebildet sein.
Ferner können die Anschlüsse auf einander gegenüberliegenden Flächen bzw. entfernt voneinander in den Randbereichen der Verspannelemente angeordnet sein. Ebenso können die Anschlüsse vorteilhafterweise derart ausgebildet sein, dass eine lösbare oder unlösbare elektrische Verbindung zwischen den Batteriezellen und den Anschlüssen herstellbar ist.
Neben der Verwendung von Verspannelementen zur Kontaktierung der Pole der Batteriezellen eines Batteriemoduls ist es im Rahmen der Erfindung auch denkbar, andere elektrisch leitfähige und zumindest teilweise an dem Zellgehäuseverbund angeordnete Bauteile zur Stromführung einzusetzen, um die Länge der Verbindungswege zur Verschaltung von Batteriemodulen zu minimieren.
Ebenfalls Gegenstand der Erfindung ist zudem ein System zur Kontaktierung von Batteriezellen. Dabei umfasst das gegenständliche System zumindest ein voranstehend beschriebenes Batteriemodul sowie voranstehend beschriebene Verspannelemente, wobei der Zellgehäuseverbund über die Verspannelemente elektrisch leitend mit dem Pol einer innerhalb des Batteriemoduls angeordneten Batteriezelle verbunden ist, sodass das Potential der verbundenen Batteriezelle über die Verspannelemente und/oder den gesamten Zellgehäuseverbund abgreifbar ist, um die Länge der Verbindungswege zur Verschaltung von Batteriemodulen zu minimieren. Damit bringt das erfindungsgemäße System die gleichen Vorteile mit sich, wie sie bereits ausführlich in Bezug auf das erfindungsgemäße Batteriemodul bzw. die erfindungsgemäßen Verspannelemente beschrieben worden sind.
Im Hinblick auf eine geeignete Verschaltung zweier Batteriemodule kann ferner vorgesehen sein, dass das gegenständliche System zumindest ein weiteres Batteriemodul aufweist, wobei die Batteriemodule elektrisch zumindest teilweise über den Zellgehäuseverbund und/oder die Verspannelemente zumindest eines Batteriemoduls elektrisch miteinander verbunden sind.
Ebenfalls Gegenstand der Erfindung ist zudem eine Batterie, umfassend ein voranstehend beschriebenes Batteriemodul, voranstehend beschriebene Verspannelemente sowie insbesondere ein voranstehend beschriebenes System.
Des Weiteren wird ein Kraftfahrzeug, insbesondere ein Elektro- und/oder Hybridfahrzeug unter Schutz gestellt, das ein voranstehend beschriebenes Batteriemodul, voranstehend beschriebene Verspannelemente, vorzugsweise ein voranstehend beschriebenes System und/oder eine voranstehend beschriebene Batterie umfasst.
Ebenfalls Gegenstand der Erfindung ist zudem ein Verfahren zur Verschaltung von Batteriemodulen. Hierbei umfasst das gegenständliche Verfahren zur Verschaltung von Batteriemodulen den Schritt eines Herstellens einer ersten elektrischen Verbindung zwischen einem ersten Pol einer innerhalb eines ersten Batteriemoduls angeordneten Batteriezelle und einem Zellgehäuseverbund und/oder Verspannelementen des ersten Batteriemoduls sowie den Schritt eines Herstellens einer zweiten elektrischen Verbindung zwischen einem zweiten Pol einer weiteren Batteriezelle des ersten Batteriemoduls und einem zweiten Batteriemodul. Des Weiteren umfasst das erfindungsgemäße Verfahren den Schritt eines Herstellens einer dritten elektrischen Verbindung zwischen dem ersten Pol des ersten Batteriemoduls und einem zweiten Batteriemodul über den Zellgehäuseverbund und/oder Verspannelementen des ersten Batteriemoduls, um die Länge der Verbindungswege zur elektrischen Verbindung eines ersten und eines zweiten Batteriemoduls unabhängig von der Anordnung der zu verbindenden Pole der Batteriemodule zu minimieren.
Der zweite Schritt des erfindungsgemäßen Verfahrens - die Herstellung der zweiten elektrischen Verbindung - kann hierbei auch über den Zellgehäuseverbund eines zweiten Batteriemoduls hergestellt werden. Bei einer Kontaktierung bzw. Verschaltung der Batteriemodule können diese seriell, als auch parallel miteinander verschaltet werden, sodass der erste Pol der Batteriemodule sowohl den Minuspol als auch den Pluspol der Batteriemodule darstellen kann. Durch das erfindungsgemäße Herstellen der ersten und der dritten elektrischen Verbindung besitzt der Zellgehäuseverbund insbesondere das elektrische Potential eines der Pole des ersten Batteriemoduls. Alternativ oder kumulativ zu einer Kontaktierung bzw. zu einer elektrischen Verbindung von Batteriemodulen kann gemäß dem erfindungsgemäßen Verfahren auch eine sortenreine oder denkbare sortenunreine Kombination von Kontaktierungen bzw. elektrischen Verbindungen zwischen Batteriemodulen, Kondensatoren, Brennstoffzellen, Solarzellen oder dergleichen hergestellt werden.
Weitere Vorteile, Merkmale und Einzelheiten der Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung, in der unter Bezugnahme auf die Zeichnungen Ausführungsbeispiele der Erfindung im Einzelnen beschrieben sind. Dabei können die in den Ansprüchen und in der Beschreibung erwähnten Merkmale jeweils einzeln für sich oder in beliebiger Kombination erfindungswesentlich sein.
Es zeigen:

1 eine schematische Darstellung eines erfindungsgemäßen Batteriemoduls zur Kontaktierung von Batteriezellen,
2 eine schematische Darstellung des Batteriemoduls gemäß 1 in einer Schnittansicht entlang der Schnittlinie I-I,
3 eine schematische Darstellung eines ersten Ausführungsbeispiels eines erfindungsgemäßen Systems zur Kontaktierung von Batteriezellen, umfassend ein erfindungsgemäßes Batteriemodul,
4 eine schematische Darstellung eines zweiten Ausführungsbeispiels des erfindungsgemäßen Systems, umfassend ein erfindungsgemäßes Batteriemodul.

In den Figuren werden für die gleichen technischen Merkmale identische Bezugszeichen verwendet.
1 zeigt eine schematische Darstellung eines erfindungsgemäßen Batteriemoduls 2 zur Kontaktierung von Batteriezellen 28a, 28b, 28c, 28d. Das Batteriemodul 2 umfasst hierbei eine Mehrzahl von Batteriezellen 28a, 28b, 28c, 28d zur Bereitstellung elektrischer Energie, die über Verbindungselemente 16 miteinander verschaltet sind. Die Batteriezellen 28a, 28b, 28c, 28d weisen hierbei jeweils ein elektrisch leitfähiges Zellgehäuse 18a, 18b, 18c, 18d auf, das gegenüber dem Zellinneren 10 der Batteriezellen 28a, 28b, 28c, 28d potentialfrei gebildet ist, sodass keine elektrische Verbindung zwischen dem Zellgehäuse 18a, 18b, 18c, 18d der Batteriezellen 28a, 28b, 28c, 28d und dem Zellwickel besteht, bzw. die Anode und Kathode 12, 14 einer Batteriezelle 28a, 28b, 28c, 28d elektrisch vom Zellgehäuse 18a, 18b, 18c, 18d isoliert ist. Die einzelnen Zellgehäuse 18a, 18b, 18c, 18d sind derweil untereinander elektrisch leitend miteinander verbunden und zu einem vorliegend quaderförmigen Zellgehäuseverbund 18 zusammengefasst. Ferner ist der Zellgehäuseverbund 18 elektrisch leitend mit dem Pluspol 12 der Batteriezelle 28d verbunden, sodass das Zellpotential der Batteriezelle 28d über den elektrisch leitenden Zellgehäuseverbund 18 abgreifbar ist, um die Länge der Verbindungswege zur Verschaltung von Batteriemodulen zu minimieren. Es versteht sich hierbei, dass der Zellgehäuseverbund ebenso mit dem Minuspol 14 verbunden sein kann. Andernfalls müsste für eine Verschaltung des Batteriemoduls 2 mit einem weiteren Batteriemodul 2 ein Verbindungselement 16 über den gesamten Zellgehäuseverbund 18 gelegt werden, um eine derartige Verbindung zu generieren. Das Verbindungselement 16 müsste demnach entsprechend lang ausgeführt sein, was die eingangs erwähnten Nachteile mit sich bringen würde.
Hierbei wird erfindungsgemäß ausgenutzt, dass bei Gewährleistung einer sauberen elektrischen Isolation von Zellgehäusen 18a, 18b, 18c, 18d gegenüber ihrem Zellinneren 10 und einer elektrischen Verbindung zwischen mehreren Zellgehäusen 18a, 18b, 18c, 18d zu einem Zellgehäuseverbund 18, letzterer zur Überführung eines elektrischen Potentials genutzt werden kann. Somit kann die Verschaltung der Pole 12, 14 zweier Batteriemodule 2 über einen solchen Zellgehäuseverbund 18 erfolgen, was eine deutlich höhere Flexibilität hinsichtlich der Verwendung von Batteriemodulen 2 verschiedener Hersteller und Zelltypen verspricht, da mittels einer Verschaltung über einen Zellgehäuseverbund 18 unabhängig von der Anordnung der Pole 12, 14 der zu verschalteten Batteriemodule 2 stets kurze Verbindungswege und somit bei gegebener Anordnung der elektrischen Anschlüsse eine gleichzeitig langlebige, energieeffiziente, kostengünstige und flexible Verschaltung von Batteriemodulen 2 gegeben ist.
Die elektrischen Verbindungen werden hier über die vorliegend gegenüberliegend voneinander, jeweils in den Randbereichen der Oberseite des quaderförmigen Zellgehäuseverbundes 18 angeordneten Anschlüsse 6 hergestellt. Die Anschlüsse 6 können hierbei in Form von Steckverbindungen, Schraubverbindungen, Quetschverbindungen, Schweißverbindungen oder Lötverbindungen oder dergleichen gebildet sein und über Verbindungselemente 16 eine schnelle und einfache formschlüssige, kraftschlüssig oder stoffschlüssige Verbindung des Zellgehäuseverbundes 18 an die Pole 12, 14 des Batteriemoduls 2 ermöglichen.
2 zeigt eine schematische Darstellung des erfindungsgemäßen Batteriemoduls gemäß 1 in einer Schnittansicht entlang der Schnittlinie I-I. Das Zellinnere 10 der Batteriezellen 28a, 28b, 28c, 28d des Batteriemoduls 2 ist zur Isolation von den Zellgehäusen 18a, 18b, 18c, 18d jeweils durch eine Isolationsschicht 8 von den Zellgehäusen 18a, 18b, 18c, 18d bzw. dem Zellgehäuseverbund 18 isoliert. Die Zellgehäuse 18a, 18b, 18c, 18d bzw. der Zellgehäuseverbund 18 kann vorliegend zumindest teilweise aus einem Kupfer- oder zumindest teilweise aus einem Aluminiumwerkstoff gebildet sein. Die innerhalb der Zellgehäuse 18a, 18b, 18c, 18d angeordnete Isolationsschicht 8 ist ferner vorzugsweise in Form eines Kunststoffes, einer Keramik oder dergleichen gebildet und kann beispielsweise auch als Isolationslack, Isolationsfolie, Isolationsfarbe oder dergleichen ausgeführt sein.
3 zeigt eine schematische Darstellung eines ersten Ausführungsbeispiels eines erfindungsgemäßen Systems 1 zur Kontaktierung von Batteriezellen 28a, 28b, 28c, 28d, umfassend ein erfindungsgemäßes Batteriemodul 2. Gemäß diesem Ausführungsbeispiel sind an dem gegenständlichen Batteriemodul 2 noch zusätzliche Verspannelemente 20 zur Verspannung der Batteriezellen 28a, 28b, 28c, 28d des Batteriemoduls 2 angeordnet. Die Verspannelemente 20 sind hierbei vorliegend in Form von Druckplatten 20a zur Druckverteilung und von dem um die Druckplatten 20a herum angeordneten Spannband 20b gebildet. Die Verspannelemente 20 bewirken hierbei, dass sich die Volumina der Einzelzellen 28a, 28b, 28c, 28d nicht ungleichmäßig verformen, sobald sie unterschiedliche Ladungszustände aufweisen und tragen somit zur Haltbarkeit des Batteriemoduls 2 bei. Die Verspannelemente 20 sind gemäß der vorliegenden Ausführungsform ferner elektrisch leitend gebildet und weisen zwei auf gegenüberliegenden Seiten A, B des Zellgehäuseverbundes 18 angeordnete Anschlüsse 6 zur Kontaktierung der Pole 12, 14 des Batteriemoduls 2 auf. Die Anschlüsse 6 sind vorliegend elektrisch leitend mit dem Spannband 20b verbunden, sodass mittels des Spannbands 20b eine Kontaktierung des Batteriemoduls 2 über die Seite A des Zellgehäuseverbundes 18 auf einfache Weise auch ohne den Einsatz von langen Verbindungselementen 16 erfolgen kann.
4 zeigt eine schematische Darstellung eines zweiten Ausführungsbeispiels des erfindungsgemäßen Systems 1, umfassend ein erfindungsgemäßes Batteriemodul 2. Gemäß diesem zweiten Ausführungsbeispiel umfasst das gegenständliche System 1 ebenfalls in Form von Druckplatten 20a und einem Spannband 20b gebildete Verspannelemente 20. Über die Verspannelemente 20, d.h. vorliegend insbesondere über das Spannband 20b ist der Pluspol 12 der letzten Zelle 28d wie in dem ersten Ausführungsbeispiel an der Seite B über ein Verbindungselement 16 an dem Anschluss 6 mit dem Spannband 20b elektrisch verbunden. Im Gegensatz zu dem in 3 gezeigten Ausführungsbeispiel des gegenständlichen Batteriemoduls 2 wird nun allerdings der Abgriff zur Verbindung des Batteriemoduls 2 mit einem weiteren Batteriemodul 2 an der gegenüberliegenden Seite A nicht über einen an dem Spannband 20b angeordneten Anschluss 6, sondern einen direkt an dem Zellgehäuseverbund 18 angeordneten Anschluss 6 bereitgestellt. Eine solche Ausführung setzt somit voraus, dass das Spannband 20b und/oder die Druckplatten 20a eine elektrische Verbindung zu dem Zellgehäuseverbund 18 aufweisen.
Mittels des erfindungsgemäßen Systems 1 wird auf einfache und unaufwändige Weise eine flexible Verschaltung von Batteriemodulen 2 mit kurzen Verschaltungswegen unabhängig von der Anordnung der Pole 12, 14 der jeweiligen Batteriemodule 2 innerhalb eines Zellgehäuseverbundes 18 gewährleistet, was insbesondere eine flexible Auswahl von Batteriemodulen 2 unter Beibehaltung einer robusten, kostengünstigen und energieeffizienten Ausführung ermöglicht.
Neben einer Kontaktierung und Verschaltung von Batteriemodulen 2 können mittels des vorliegenden Systems 1 darüber hinaus auch andere Energiespeichermodule, wie Module von Kondensatoren, Brennstoffzellen, Solarzellen oder dergleichen miteinander und/oder mit Batteriemodulen 2 verschaltet werden.
Bezugszeichenliste

2: Batteriemodul
6: Anschlüsse
8: Isolierung
10: Zellinneres
12: Pluspol
14: Minuspol
16: Verbindungselemente
18: Zellgehäuseverbund
18a: Zellgehäuse
18b: Zellgehäuse
18c: Zellgehäuse
18d: Zellgehäuse
20: Verspannelemente
20a: Druckplatte
20b: Spannband
28: Batteriezellen
28a: Batteriezelle
28b: Batteriezelle
28c: Batteriezelle
28d: Batteriezelle

ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

DE 102012217478 A1 [0003]
DE 102013200394 A1 [0004]
DE 102014092004 A1 [0005]

Claims

Batteriemodul (2) zur Kontaktierung von Batteriezellen (28a, 28b, 28c, 28d), umfassend - eine Mehrzahl von untereinander verschalteten Batteriezellen (28a, 28b, 28c, 28d) zur Bereitstellung elektrischer Energie, - eine Mehrzahl von Verbindungselementen (16) zur Verschaltung der Batteriezellen (28a, 28b, 28c, 28d) und/oder des Batteriemoduls (2), - wobei die untereinander verschalteten Batteriezellen (28a, 28b, 28c, 28d) elektrisch leitfähige, potentialfrei gebildete Zellgehäuse (18a, 18b, 18c, 18d) aufweisen, - wobei die Zellgehäuse (18a, 18b, 18c, 18d) untereinander elektrisch leitend miteinander verbunden und zu einem Zellgehäuseverbund (18) zusammengefasst sind, dadurch gekennzeichnet - dass der Zellgehäuseverbund (18) elektrisch leitend mit dem Pol (12, 14) einer innerhalb des Batteriemoduls (2) angeordneten Batteriezelle (28a, 28b, 28c, 28d) verbunden ist, sodass das Zellpotential der verbundenen Batteriezelle (28a, 28b, 28c, 28d) über den gesamten Zellgehäuseverbund (18) abgreifbar ist, um die Länge der Verbindungswege zur Verschaltung von Batteriemodulen (2) zu minimieren.
Batteriemodul (2) nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Batteriezellen (28a, 28b, 28c, 28d) in Form von prismatischen Batteriezellen (28a, 28b, 28c, 28d) gebildet sind.
Batteriemodul (2) nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass Anschlüsse (6) zur Kontaktierung der Pole (12, 14) der Batteriezellen (28a, 28b, 28c, 28d) des Batteriemoduls (2) vorgesehen sind.
Batteriemodul (2) nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Anschlüsse (6) zur Kontaktierung der Pole (12, 14) der Batteriezellen (28a, 28b, 28c, 28d) des Batteriemoduls (2) auf einander gegenüberliegenden Flächen des Zellgehäuseverbundes (18) angeordnet sind.
Batteriemodul (2) nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Anschlüsse (6) derart ausgebildet sind, dass eine lösbare elektrische Verbindung zwischen den Batteriepolen (12, 14) der Batteriezellen (28a, 28b, 28c, 28d) eines Batteriemoduls (2) und den Anschlüssen (6) herstellbar ist.
Verspannelemente (20) zur Kontaktierung von Batteriezellen (28a, 28b, 28c, 28d) eines Batteriemoduls (2) nach einem der vorangehenden Ansprüche, umfassend: - zumindest zwei gegenüberliegend voneinander angeordnete Druckplatten (20a) zur Druckverteilung, - zumindest ein Spannband (20b) zum Druckaufbau auf die Druckplatten (20a) dadurch gekennzeichnet, - dass die Verspannelemente (20) elektrisch leitend ausgebildet ist.
Verspannelemente (20) nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass die Verspannelemente (20) eine Mehrzahl von Anschlüssen (6) zur Kontaktierung der Pole (12, 14) von Batteriezellen (28a, 28b, 28c, 28d) eines Batteriemoduls (2) aufweisen.
System zur Kontaktierung von Batteriezellen (28a, 28b, 28c, 28d)), umfassend: - ein Batteriemodul nach einem der Ansprüche 1 bis 5, - Verspannelemente (20) nach einem der Ansprüche 6 oder 7, dadurch gekennzeichnet, - dass der Zellgehäuseverbund (18) über die Verspannelemente (20) elektrisch leitend mit dem Pol (12, 14) einer innerhalb des Batteriemoduls (2) angeordneten Batteriezelle (28a, 28b, 28c, 28d) verbunden ist, sodass das Zellpotential der verbundenen Batteriezelle (28a, 28b, 28c, 28d) über die Verspannelemente (20) und/oder den gesamten Zellgehäuseverbund (18) abgreifbar ist, um die Länge der Verbindungswege zur Verschaltung von Batteriemodulen (2) zu minimieren.
System (1) nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass ein weiteres Batteriemodul (2) nach einem der Ansprüche 1 bis 5 vorgesehen ist, wobei die Batteriemodule (2) elektrisch zumindest teilweise über den Zellgehäuseverbund (18) und/oder die Verspannelemente (20) zumindest eines Batteriemoduls (2) elektrisch miteinander verbunden sind.
Verfahren zur Verschaltung von Batteriemodulen (28a, 28b, 28c, 28d), umfassend die Schritte: - Herstellen einer ersten elektrischen Verbindung zwischen einem ersten Pol (12, 14) einer innerhalb eines ersten Batteriemoduls (2) angeordneten Batteriezelle (28a, 28b, 28c, 28d) und einem Zellgehäuseverbund (18) und/oder Verspannelementen (20) des ersten Batteriemoduls,, - Herstellen einer zweiten elektrischen Verbindung zwischen einem zweiten Pol (12, 14) einer weiteren Batteriezelle (28a, 28b, 28c, 28d) des ersten Batteriemoduls (2) und einem zweiten Batteriemodul (2), - Herstellen einer dritten elektrischen Verbindung zwischen dem ersten Pol (12, 14) des ersten Batteriemoduls (2) und einem zweiten Batteriemodul (2) über den Zellgehäuseverbund (18) und/oder Verspannelemente (20) des ersten Batteriemoduls, um die Länge der Verbindungswege zur elektrischen Verbindung eines ersten und eines zweiten Batteriemoduls (2) unabhängig von der Anordnung der zu verbindenden Pole (12, 14) der Batteriemodule (2) zu minimieren.