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Die Erfindung betrifft ein Batteriemodul mit mehreren Batteriezellen.
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Stand der Technik
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Aus dem Stand der Technik ist es bekannt, mehrere Batteriezellen eines Batteriemoduls in Reihe zu schalten, sodass diese einen Batteriestrang bilden. Üblicherweise werden dabei gleichzeitig mehrere Batteriezellen blockweise parallelgeschaltet.
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Um einen modularen Aufbau des Batteriemoduls zu ermöglichen und dieses gegebenenfalls je nach Anforderungsprofil erweitern zu können, sind häufig metallische Verbinder vorgesehen, um die einzelnen Batteriezellen elektrisch leitend zu verbinden. Dabei ist zum einen eine möglichst einfache Ausgestaltung dieser metallischen Verbinder wünschenswert, da diese in großen Stückzahlen hergestellt werden und bspw. im Vergleich zu den Batteriezellen nur einen geringen Kostenbeitrag leisten sollen. Gleichzeitig ist deren Zuverlässigkeit jedoch wichtig für die gesamte Funktionalität des Batteriemoduls, da bei Ausfall eines Verbinders gegebenenfalls ein gesamter Batteriestrang ausfallen kann. In diesem Fall kann dann auf die Leistungsreserve des Betriebsstrangs nicht zurückgegriffen werden, was zum Beispiel beim Einsatz in einem Fahrzeug zu verringerter Reichweite führen kann.
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Dabei ist es bekannt, die Verbinder mit den Batteriezellen zu verschweißen, um eine zuverlässige Kontaktierung der Batteriezellen und der Verbinder zu gewährleisten. Das Verschweißen stellt jedoch einen zusätzlichen Produktionsschritt dar, der im zumindest tlw. zusammengebauten Zustand des Batteriemoduls durchgeführt wird.
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Offenbarung der Erfindung
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Gemäß einem ersten Aspekt der Erfindung ist ein Batteriemodul vorgesehen. Das Batteriemodul weist ein Batteriegehäuse mit mehreren Batteriezellen auf, die jeweils einen ersten und einen zweiten elektrischen Kontakt aufweisen. Vorzugsweise liegt der erste Kontakt dem zweiten Kontakt gegenüber. Weiterhin sind zumindest eine erste und eine zweite Batteriezelle durch ein Verbindungsmittel elektrisch leitend verbunden. Das Verbindungsmittel verbindet den ersten Kontakt der ersten Batteriezelle mit dem zweiten Kontakt der zweiten Batteriezelle, sodass die erste und zweite Batteriezelle zueinander, insbesondere zu einem Batteriestrang, in Reihe geschaltet sind. Ferner ist vorgesehen, dass das Verbindungsmittel einen Verbindungskörper mit zumindest einem ersten und einem zweiten Federelement aufweist. Das erste Federelement kontaktiert den ersten Kontakt der ersten Batteriezelle und das zweite Federelement den zweiten Kontakt der zweiten Batteriezelle.
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Das Batteriemodul kann zusammen mit mehreren Batteriemodulen zu einer Batterieeinheit verbindbar sein und bspw. an ein Batteriemanagementsystem anschließbar sein. Bei dem Batteriemodul kann es sich jedoch auch um eine Batterieeinheit handeln, die selbstständig als solche betreibbar ist. Bei den Batteriezellen kann es sich vorzugsweise um elektrochemische Energiespeicher handeln, die zusammenschaltbar sind, um eine Batteriespannung und/oder einen Batteriestrom an einem Anschluss der Batterie oder des Batteriemoduls bereitzustellen. Vorzugsweise handelt es sich bei den Batteriezellen um Rundzellen, die eine Längserstreckung entlang einer Zylinderachse aufweisen. Der erste Kontakt kann dabei vorzugsweise an einem ersten Ende der Längserstreckung der Batteriezellen angeordnet sein und der zweite Kontakt an einem zweiten Ende der Längserstreckung der Batteriezellen, welches dem ersten Ende gegenüberliegt. Bei dem ersten und zweiten Kontakt kann es sich insbesondere um elektrisch leitende Kontaktflächen handeln. Vorzugsweise handelt es sich bei dem ersten Kontakt um einen Pluspol und bei dem zweiten Kontakt um einen Minuspol der jeweiligen Batteriezelle. Unter dem Batteriestrang können vorzugsweise zwei oder mehr Batteriezellen verstanden werden, die zueinander in Reihe geschaltet sind. Vorzugsweise weist das Batteriemodul mehrere zueinander parallel geschaltete Batteriestränge auf.
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Das Verbindungsmittel kann vorzugsweise metallisch oder aus einem elektrisch leitenden Kunststoff ausgebildet sein. Vorzugsweise besteht das Verbindungsmittel aus einem Metall.
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Das erste und zweite Federelement erstrecken sich vorzugsweise vom Verbindungskörper in jeweils gegenüberliegende Richtungen. Insbesondere können die Federelemente kreisbogenförmig, u-förmig oder v-förmig ausgestaltet sein. Die elektrisch leitende Verbindung kann bspw. durch einen Strompfad vom ersten Federelement über den Verbindungskörper zum zweiten Federelement realisierbar sein. Der Verbindungskörper kann vorzugsweise form-, kraft- und/oder stoffschlüssig am Batteriegehäuse befestigt sein.
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Durch das erste und zweite Federelement kann in vorteilhafter Art und Weise ein Toleranzausgleich innerhalb des Batteriegehäuses und/oder des Batteriemoduls erzielt werden. Dabei können insbesondere Toleranzen der Batteriezellen, des Batteriegehäuses und/oder des Verbinders ausgeglichen werden. Vorzugsweise werden die erste und zweite Batteriezelle und/oder das Verbindungsmittel durch das erste und zweite Federelement gegeneinander und/oder gegen das Batteriegehäuse und/oder weitere Batteriezellen verspannt. Dadurch kann ein sicherer Sitz der Batteriezellen und des Verbindungsmittels im Batteriegehäuse gewährleistet werden, bei welchem eine zuverlässige Verbindung gleichzeitig realisiert ist. Gleichzeitig ist es dabei nicht notwendig, dass das Verbindungsmittel mit den Batteriezellen verschweißt wird, um die elektrische Verbindung herzustellen.
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Somit werden voranstehende, aus dem Stand der Technik bekannte Nachteile zumindest tlw. behoben. Insbesondere werden dadurch eine einfache und kostengünstige Herstellung des Batteriemoduls und eine zuverlässige elektrische Verbindung der Batteriezellen bei kompakter Bauweise ermöglicht. Weitere Merkmale und Details der Erfindung ergeben sich aus den jeweiligen Unteransprüchen, der Beschreibung und den Zeichnungen.
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Weiterhin kann bei einem erfindungsgemäßen Batteriemodul vorteilhafterweise vorgesehen sein, dass der Verbindungskörper plattenartig und/oder scheibenartig ausgestaltet ist. Durch die Platten und/oder scheibenartige Ausgestaltung des Verbindungskörpers kann ein einfaches Einsetzen in das Batteriegehäuse ermöglicht sein, ohne dass der Verbindungskörper in axialer Richtung zu den Batteriezellen einen großen Bauraum beansprucht. Somit fördert die platten- und/oder scheibenartige Ausgestaltung des Verbindungskörpers des Verbindungsmittels eine kompakte Bauweise, insbesondere in axialer Richtung. Gleichzeitig kann der Verbindungskörper bspw. als einfaches Stanzteil aus einem Blech oder einem plattenartigen Rohelement herstellbar sein. Somit kann es sich bei dem Verbindungsmittel insbesondere um ein Blechteil und/oder ein Stanzteil handeln. Dies begünstigt eine kostengünstige Herstellung des Verbindungsmittels.
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Weiterhin ist es bei einem erfindungsgemäßen Batteriemodul denkbar, dass der Verbindungskörper mit den Federelementen einstückig als Stanz-Biegeteil ausgestaltet ist. Insbesondere kann es sich bei den Federelementen um Ausklinkungen des Verbindungskörpers handeln. Insbesondere können die Federelemente an zwei Seiten der Federelemente mit dem Verbindungskörper verbunden sein, um eine zentrische Federwirkung zu begünstigen. Vorzugsweise umfasst das erste Federelement zwei Federabschnitte, zwischen denen das zweite Federelement angeordnet ist. Dadurch kann auf beiden Seiten des Verbindungskörpers eine auf die jeweilige Batteriezelle zentrisch wirkende Federkraft ermöglicht werden.
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Es ist ferner bei einem erfindungsgemäßen Batteriemodul denkbar, dass das Verbindungsmittel mehrere Verbindungskörper mit jeweils zumindest zwei Federelementen aufweist, wobei durch jeden Verbindungskörper zumindest zwei Batteriezellen in Reihe geschaltet sind, und wobei die Verbindungskörper elektrisch leitend miteinander verbunden sind, sodass mehrere Batteriezellen, insbesondere mehrere Batteriestränge, über den Verbindungskörper parallel geschaltet sind. Somit kann es sich bei dem Verbindungsmittel um einen Parallelverbinder mehrerer Batteriezellen oder Batteriestränge handeln. Vorzugsweise kann an dem Verbindungsmittel dabei ein Batteriestrom und/oder eine Batteriespannung abgegriffen werden. Dabei kann das gesamte Verbindungsmittel aus einem Blech und/oder aus einem plattenartigen Bauteil hergestellt sein. Insbesondere können sich die Verbindungskörper in einer Ebene befinden, von welcher aus sich die jeweiligen Federelemente in zwei Richtungen erstrecken. Dadurch kann in kostengünstiger Art und Weise ein Verbindungsmittel geschaffen werden, durch welches gleichzeitig eine Reihenschaltung von jeweils zwei Batteriezellen und eine Parallelschaltung weiterer Batteriezellen und/oder mehrerer Batteriestränge ermöglicht ist.
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Vorzugsweise kann bei einem erfindungsgemäßen Batteriemodul vorgesehen sein, dass das Verbindungsmittel einen gebogenen Anschlussbereich aufweist, welcher aus dem Batteriegehäuse hervorragt, um einen Anschluss des Verbindungsmittels außen am Batteriegehäuse zu ermöglichen. Durch den gebogenen Anschlussbereich kann das Verbindungsmittel aus einem Blech und/oder einem plattenförmigen Rohteil hergestellt sein und gleichzeitig eine vorteilhafte elektrische Verbindungsmöglichkeit bereitstellen, die zum Beispiel senkrecht oder in einem Winkel zur Erstreckungsrichtung des Rohteils liegt. Dadurch kann in vorteilhafter Art und Weise eine kompakte Bauweise ermöglicht werden, bei der zum Beispiel eine Flachsteckhülse auf den Anschlussbereich aufgesteckt wird, wobei sich der Anschlussbereich und/oder die Flachsteckhülse bspw. entlang einer Längserstreckungsrichtung der Batteriezellen erstrecken können. Gleichzeitig ist weiterhin eine einfache Einsetzmöglichkeit des Verbindungsmittels in das Batteriegehäuse gewahrt, bei welcher das Verbindungsmittel zum Beispiel seitlich in einen Grundkörper des Batteriegehäuses eingesteckt werden kann, um im Batteriegehäuse montiert zu werden.
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Ferner kann bei einem erfindungsgemäßen Batteriemodul vorteilhafterweise vorgesehen sein, dass das Batteriegehäuse einen Grundkörper und zwei Seitendeckel aufweist, wobei am Grundkörper und an den Seitendeckeln Aufnahmebereiche zur Aufnahme des Verbindungsmittels vorgesehen sind, vorzugsweise wobei zwischen den Seitendeckeln und dem Grundkörper jeweils ein Kühlkanal zum Kühlen der Batteriezellen ausgebildet ist. Vorzugsweise können die Seitendeckel mit dem Grundkörper formschlüssig verbunden sein. Bspw. können die Seitendeckel am Grundkörper verrastet sein. Dazu können die Seitendeckel und/oder der Grundkörper Rastnasen aufweisen. Insbesondere weist der Grundkörper und jeder der Seitendeckel zumindest einen Aufnahmebereich zur Aufnahme des Verbindungsmittels auf. Vorzugsweise ist das Verbindungsmittel formschlüssig in den Aufnahmebereichen aufgenommen. Dadurch kann eine einfache Montage bei der Herstellung des Batteriemoduls ermöglicht sein. Vorzugsweise kann das Batteriemodul somit in einer Steckbauweise aufgebaut sein. Dadurch können bestimmte zusätzliche Montageschritte entfallen, sodass die Herstellung des Batteriemoduls kostengünstig ist. Durch den Kühlkanal kann gleichzeitig eine weitere Funktion in das Batteriegehäuse integriert sein. Der Kühlkanal kann zum Leiten von Luft und/oder einem anderen Kühlmedium ausgebildet sein. Dazu kann der Kühlkanal bspw. durch den Grundkörper und/oder die Seitendeckel abgedichtet sein.
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Ferner kann bei einem erfindungsgemäßen Batteriemodul vorteilhafterweise vorgesehen sein, dass der Grundkörper eine Kabelführung und/oder zumindest eine Zellaufnahme zur Aufnahme einer der Batteriezellen aufweist. Somit können durch den Grundkörper unterschiedliche Funktionen in das Batteriegehäuse integriert sein. Bspw. kann die Kabelführung zu dem gebogenen Anschlussbereich des Verbindungsmittels führen. Dadurch können die Kabel zum Anschluss des Verbindungsmittels sicher verlegt sein und die weitere Montage des Batteriemoduls in der Batterieeinheit vereinfacht sein. Durch die Zellaufnahme können die Batteriezellen am Grundkörper zumindest tlw. gelagert sein. Somit kann der Grundkörper als Ausgangspunkt für die Montage des Batteriemoduls dienen, wobei der Grundkörper während der Montage mit zusätzlichen weiteren Komponenten bestückt wird. Somit ergibt sich ein einfacher Aufbau des Batteriemoduls und eine einfache Montage, sodass insgesamt die Herstellkosten für das Batteriemodul niedrig gehalten werden können.
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Weiterhin ist es bei einem erfindungsgemäßen Batteriemodul denkbar, dass das Batteriegehäuse mehrere Grundkörper aufweist, die aneinander befestigt sind, wobei jeweils zwei Grundkörper durch ein separates Klammerelement formschlüssig miteinander verbunden und/oder miteinander verspannt sind. Durch das Klammerelement kann eine Verspannung der Grundkörper untereinander durch ein Zusammenstecken realisierbar sein. Durch die Verspannung können dabei Toleranzen bei der Fertigung der Grundkörper und/oder weiterer Elemente ausgeglichen werden. Darüber hinaus kann bei der Verspannung vorgesehen sein, dass zwei benachbarte Seitendeckel gegeneinander gepresst werden, sodass auch Toleranzen bei den Seitendeckeln und/oder bei der Befestigung der Seitendeckel an den Grundkörpern ausgeglichen werden können. Somit ist es auch bei der Befestigung mehrerer Grundkörper aneinander nicht notwendig, diese stoffschlüssig miteinander zu verbinden oder einen ähnlichen Fertigungsschritt durchzuführen. Somit kann die gesamte Montage des Batteriemoduls vereinfacht sein.
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Vorzugsweise kann bei einem erfindungsgemäßen Batteriemodul vorgesehen sein, dass zwischen dem Verbindungsmittel und der ersten oder zweiten Batteriezelle ein zumindest bereichsweise elastisches Andruckmittel angeordnet ist, durch welches das Verbindungsmittel und die erste oder zweite Batteriezelle in entgegengesetzte Richtungen belastbar, d.h. insbesondere auseinanderdrückbar, sind. Durch das Andruckmittel können zwischen dem jeweiligen Federelement und der jeweiligen Batteriezelle definierte Verbindungseigenschaften erzielt werden. Insbesondere wird die Batteriezelle dabei entgegengesetzt zum Verbindungsmittel gedrückt bzw. das Verbindungsmittel in Richtung der jeweils anderen zu verbindenden Batteriezelle. Durch das Andruckmittel kann das auf der Seite des Andruckmittels gelegene Federelement zumindest tlw. entlastet werden. Insbesondere kann somit durch das Andruckmittel ein Toleranzausgleich erfolgen. Gleichzeitig können für die elektrische Verbindung definierte Randbedingungen hergestellt werden. Insbesondere kann somit ein Linienkontakt zwischen dem ersten oder zweiten Federelement und der ersten oder zweiten Batteriezelle definiert sein.
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Weiterhin ist es bei einem erfindungsgemäßen Batteriemodul denkbar, dass das Andruckmittel eine Öffnung aufweist, durch welche das erste oder zweite Federelement hindurchragt, wobei umlaufend um die Öffnung ein elastisches Andruckelement, insbesondere zum Belasten des Verbindungsmittels und der ersten oder zweiten Batteriezelle in entgegengesetzte Richtungen, angeordnet ist. Dadurch kann eine zentrische Belastung der Batteriezelle und des Verbindungsmittels durch das Andruckmittel erzielt werden. Vorzugsweise kann das Andruckmittel eine Platte aufweisen, auf welche das elastische Andruckmittel aufgebracht ist. Bspw. kann das elastische Andruckelement eine Weichkomponente aufweisen. Vorzugsweise ist das elastische Andruckelement ringartig ausgestaltet und um die Öffnung zentrisch angeordnet. Somit kann durch die Öffnung eine Kontaktierung des ersten oder zweiten Federelementes mit der Batteriezelle ermöglicht sein und gleichzeitig ein zentrischer Toleranzausgleich erfolgen. Vorzugsweise kann dadurch die Batteriezelle entlang ihrer Längsachse durch das Andruckmittel belastet werden.
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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 schematisch:
- 1 eine Detailansicht eines Ausschnittes eines erfindungsgemäßen Batteriemoduls in einem ersten Ausführungsbeispiel,
- 2 ein Verbindungsmittel des Batteriemoduls,
- 3 ein Grundkörper eines Batteriegehäuses des Batteriemoduls,
- 4 ein Andruckmittel des Batteriemoduls,
- 5 Komponenten des Batteriemoduls beim Zusammenbau,
- 6 das Batteriemodul beim Zusammenbau.
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1 zeigt einen Ausschnitt eines erfindungsgemäßen Batteriemoduls 1 in einer Querschnittsansicht. Dabei sind zwei Batteriezellen 2 in einem Batteriegehäuse 10 angeordnet und zueinander in Reihe geschaltet. Insbesondere handelt es sich bei den Batteriezellen 2 um Rundzellen, die koaxial zueinander angeordnet sind. Jede der Batteriezellen 2 weist einen ersten Kontakt 2.1 und einen zweiten Kontakt 2.2 auf. Insbesondere handelt es sich bei dem ersten Kontakt 2.1 um einen Pluspol und bei dem zweiten Kontakt 2.2 um einen Minuspol oder umgekehrt. Zwischen den Batteriezellen 2 ist ein Verbindungsmittel 20 angeordnet, durch welches eine elektrisch leitende Verbindung zwischen den Batteriezellen 2 bereitgestellt ist. Dazu weist das Verbindungsmittel 20 einen Verbindungskörper 23 auf, von welchem aus sich ein erstes und ein zweites Federelement 21, 22 erstrecken. Das erste Federelement 21 kontaktiert dabei den ersten Kontakt 2.1 einer ersten der beiden Batteriezellen 2 und das zweite Federelement 22 den zweiten Kontakt 2.2 einer zweiten Batteriezelle 2 der beiden Batteriezellen 2. Dabei erstrecken sich die Federelemente 21, 22 ausgehend vom Verbindungskörper 23 in unterschiedliche Richtungen, insbesondere um eine elektrisch leitende Verbindung über den Verbindungskörper 23 zu ermöglichen. Ferner sind durch die Federelemente 21, 22 die Batteriezellen 2 beide zumindest tlw. vorgespannt. Um eine definierte Federkraft und einen definierten Kontakt zwischen der zweiten Batteriezelle 2 und dem zweiten Federelement 22 zu erhalten, ist ferner ein Andruckmittel 30 zwischen der Batteriezelle 2 und dem Verbindungsmittel 20 angeordnet.
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Das Andruckmittel 30 ist dabei in 4 dargestellt und umfasst eine Platte, insbesondere aus Kunststoff, mit mehreren Öffnungen 31, durch welche jeweils zumindest ein Federelement 22 hindurchgesteckt ist. Weiterhin sind umlaufend um die Öffnungen 31 Andruckelemente 32 angeordnet, durch welche eine Batteriezelle 2 und das Verbindungsmittel 20 auseinandergedrückt werden können. Somit ist das Andruckelement 32 vorzugsweise derart ausgestaltet, dass über einen Toleranzausgleich eine definierte Verbindung des Verbindungsmittels 20 und der jeweiligen Batteriezelle 2 herstellbar ist. Durch die umlaufende Ausgestaltung des Andruckelementes 32 ist somit eine zentrische Vorspannkraft einbringbar.
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2 zeigt ferner eine isolierte Ansicht des Verbindungsmittels 20. Dabei weist das Verbindungsmittel 20 mehrere Verbindungskörper 23 auf, von denen jeweils Federelemente 21, 22 sich in gegenüberliegende Richtungen erstrecken. Ferner sind die Verbindungskörper 23 untereinander verbunden. Darüber hinaus weist das Verbindungsmittel 20 einen Anschlussbereich 24 auf, der, wie in 3 dargestellt, aus dem Batteriegehäuse 10 hervorragt, um einen Anschluss des Verbindungsmittels 20 aus einem Batteriegehäuse 10 zu ermöglichen. Insbesondere ist der Anschlussbereich 24 durch ein Umformverfahren hergestellt. Dadurch kann es sich bei dem Verbindungsmittel 20 um ein Stanzbiegeteil handeln. Wie dargestellt, kann es sich vorzugsweise bei den Federelementen 21, 22 ferner um Ausklinkungen handeln, die von den platten- oder scheibenartigen Verbindungskörpern 23 hervorstehen.
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3 zeigt dabei einen Grundkörper 11 des Batteriegehäuses 10, an welchem mehrere Verbindungsmittel 20 befestigt sind. Dazu weist der Grundkörper 11 für jedes Verbindungsmittel 20 einen Aufnahmebereich 16 auf, in welchen das jeweilige Verbindungsmittel 20 eingesteckt ist. Ferner umfasst der Grundkörper 11 eine Kabelführung 17, in welcher Kabel platzierbar sind, um mit den Anschlussbereichen 24 der Verbindungsmittel 20 verbunden zu werden. Durch die gebogene Ausgestaltung der Anschlussbereiche 24 können Flachsteckhülsen verwendet werden, die auch beim Anschluss in einer Ebene mit der Erstreckung in der Kabelführung 17 liegen. Zur Aufnahme der Batteriezellen 2 weist der Grundkörper 11 ferner Zellaufnahmen 14 auf.
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5 zeigt den Grundkörper 11 des Batteriegehäuses 10, an welchen in den Zellaufnahmen 14 zur, insbesondere formschlüssigen, Aufnahme von Batteriezellen 2 die Batteriezellen 2 angeordnet sind. Dabei sind mehrere Batteriezellen 2 durch die Verbindungsmittel 20 in Reihe geschaltet, wobei gleichzeitig mehrere Batteriezellen 2 jeweils blockweise parallel geschaltet sind, so dass ein oder mehrere Batteriestränge 3 gebildet sind. Die Batteriezellen 2 werden nach außen geschützt, indem ein Seitendeckel 12 an dem Grundkörper 11 befestigt wird. Insbesondere werden zwei Seitendeckel 12 am Grundkörper 11 montiert, vorzugsweise formschlüssig befestigt und/oder verrastet, um den Grundkörper 11 beidseitig zu verschließen.
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6 zeigt das Batteriemodul 1 mit einer Anordnung von mehreren Grundkörpern 11, die jeweils mit zwei Seitendeckeln 12 verkleidet sind. Die Grundkörper 11 werden dabei durch Klammerelemente 15 aneinander befestigt und verspannt, um einen Toleranzausgleich der Grundkörper 11 zu erzielen. Weiterhin ist zu sehen, dass jeder Seitendeckel 12 mit jeweils einem Grundkörper 11 einen Kühlkanal 13 ausbildet, durch welchen Luft in das Batteriegehäuse 10 eingeführt werden kann, um die Batteriezellen 2 zu kühlen.
