DE102020111098A1 - Komponententräger für Zellverbinder - Google Patents

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Urs Hunziker
Karl Rametsteiner
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Abstract

Die vorliegende Erfindung betrifft ein System (100) zum Verbinden von Batteriepolen (101, 102) von einzelständigen prismatischen Batteriezellen (151) eines Batteriemoduls (150), welches insbesondere eine Kapazität von mehr als 500 Wh aufweist. Das System (100) weist einen ersten elektrisch leitfähigen Zellverbinder (110), welcher zum Befestigen und elektrischen Verbinden von zwei beabstandeten Batteriepolen (101, 102) ausgebildet ist, und einen zweiten elektrisch leitfähigen Zellverbinder (120), welcher zum Befestigen und elektrischen Verbinden von zwei weiteren beabstandeten Batteriepolen ausgebildet ist, auf. Ferner weist das System (100) ein elektrisch isolierendes Trägerelement (130) auf, an welchem der erste Zellverbinder (110) und der zweite Zellverbinder (120) befestigt sind, um mittels des Trägerelements (130) eine tragende Struktur für den ersten Zellverbinder (110) und den zweiten Zellverbinder (120) bereitzustellen, wobei zur Befestigung des ersten Zellverbinders (110) und des zweiten Zellverbinders (120) an dem Trägerelement (130) der erste Zellverbinder (110) und der zweite Zellverbinder (120) ausschließlich bereichsweise in das Trägerelement (130) eingebettet sind, so dass Oberflächenbereiche des ersten Zellverbinders (110) und des zweiten Zellverbinders (120) frei von einer Abdeckung mit dem Trägerelement (130) sind. Eine Signalleitung (105) ist zumindest an einem der ersten und zweiten Zellverbinder (120) gekoppelt.

Description

  • Technisches Gebiet
  • Die vorliegende Erfindung betrifft ein System zum Verbinden von Batteriepolen von einzelständigen prismatischen Batteriezellen eines Batteriemoduls, welches eine Kapazität von mehr als 500 Wh aufweist, wobei insbesondere Zellverbinder mit einem Trägerelement eine tragende Struktur bilden. Ferner betrifft die Erfindung das Batteriemodul sowie ein Verfahren zum Verbinden von Batteriepolen von Batteriezellen eines Batteriemoduls, welches eine Kapazität von mehr als 500 Wh aufweist.
  • Hintergrund der Erfindung
  • Bei hochleistungsfähigen Batteriemodulen, insbesondere bei Antriebsbatterien, werden eine Vielzahl von einzelnen prismatischen Batteriezellen zu einem Batteriepack bzw. Batteriemodul zusammengeschlossen. Die jeweiligen Batteriepole der Batteriezellen werden dabei mit leitfähigen Zellverbindern verbunden.
  • Dabei können die Zellverbinder teilweise spitzige Enden und scharfkantige Seitenflächen aufweisen. Die zunehmende hohe Spannung, zu welcher Batterien gerade im Automotive- und Hausspeicherbereich seriell verkettet werden, führt zu einem Potentialfeld, welches in der Lage ist, negative Effekte (z.B. Dendritenwachstum, Koronaabbrand, Hillockbildung, usw.) auf die betroffenen Leiterbahnen zu haben. Gerade prismatische Batteriezellen, welche zu einem Batteriemodul zusammengefasst sind, zeigen in der hohen Leistungsklasse (ab 500 Wh pro Batteriemodul) diese Effekte. Bei Batteriemodulen in der Größenordnung ab 500 Wh, welche immer häufiger in einem Alugehäuse zur besseren Temperaturableitung eingebaut sind, kann ein hohes elektrisches Potential zwischen Pol und Zellgehäuse aufgebaut werden. Einerseits steigt die verkettete Spannung in den Bereich von z.B. 400V bis 800V gegenüber Masse und andererseits ist bei Flüssigkühlung das Kühlmittel auch Massepotential. Dabei werden auch Isolatoren verwendet. Je nachdem, an welcher Stelle der größere Isolationswert liegt (zwischen Kühlmittel und Alugehäuse oder zwischen Zellverbinder und Alugehäuse) entwickelt sich trotz der hochohmigen Isolation ein großer Spannungsunterschied und dadurch ein großes Potentialfeld. Dieses hohe Potentialfeld begünstigt die negativen Effekte auf die Zellverbinder und Sensorleitungen.
  • Zudem muss berücksichtigt werden, dass Batterien eine Volumenveränderung sowohl bei Temperaturänderungen als auch Ladezustandsabhängig erleben. Gerade bei Alterung von Batteriezellen dehnen diese sich aus. Dies bedeutet, dass die Verbindungssysteme genügend flexibel sein müssen, um diese Distanzänderungen abzufangen. Diese Flexibilität ist jedoch genau bei der Fertigung problematisch. Je flexibler die Verbindungssysteme sind, desto langsamer wird die automatische Fertigung, weil beim Positionieren der entsprechenden Verbindungskomponenten das Einschwingen der flexiblen Komponenten abgewartet werden muss, bis die automatisierten Verbindungsherstellungen fortgesetzt werden können. Insbesondere Verbindungssysteme, welche nur auf Elastizitätsmodellen von Verbindern basieren, erlauben normalerweise Schwingungen in allen Koordinatenrichtungen. Dies mittels einer Automatiksoftware zu modellieren und allenfalls zu kompensieren ist entweder zeitaufwändig (warten bis Ausgeschwungen) oder kostenintensiv (hohe Rechenleistung zur Modellierung notwendig). Es wird deshalb nach komplexitätsreduzierenden Mechanismen gesucht, welche eine automatische Fertigung ermöglichen oder vereinfachen.
  • Insbesondere die üblicherweise verwendeten Kabelbäume zur Zusammenführung der Sensorleitungen für die Zellenspannungsüberwachung stellen ein System mit zu vielen Freiheitsgraden für eine einfache automatische Fertigung / Montage dar.
  • Darstellung der Erfindung
  • Es ist eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung, Batteriezellen eines Batteriemoduls einfach und effizient zu verbinden.
  • Diese Aufgabe wird mit einem System zum Verbinden von Batteriepolen von prismatischen Batteriezellen eines Batteriemoduls, dem Batteriemodul sowie einem Verfahren zum Verbinden von Batteriepolen von Batteriezellen eines Batteriemoduls gemäß den Gegenständen der unabhängigen Ansprüche gelöst.
  • Gemäß einem ersten Aspekt wird ein System zum Verbinden von Batteriepolen von einzelständigen prismatischen Batteriezellen eines Batteriemoduls, welches eine Kapazität von mehr als 500 Wh aufweist, beschrieben. Das System weist einen ersten elektrisch leitfähigen Zellverbinder, welcher zum Befestigen und elektrischen Verbinden von zwei beabstandeten Batteriepolen ausgebildet ist, und einen zweiten elektrisch leitfähigen Zellverbinder, welcher zum Befestigen und elektrischen Verbinden von zwei weiteren beabstandeten Batteriepolen ausgebildet ist, auf. Ferner weist das System ein elektrisch isolierendes Trägerelement auf, an welchem der erste Zellverbinder und der zweite Zellverbinder befestigt sind, um mittels des Trägerelements eine tragende Struktur für den ersten Zellverbinder und den zweiten Zellverbinder bereitzustellen, wobei zur Befestigung des ersten Zellverbinders und des zweiten Zellverbinders an dem Trägerelement der erste Zellverbinder und der zweite Zellverbinder ausschließlich bereichsweise in das Trägerelement eingebettet sind, so dass Oberflächenbereiche des ersten Zellverbinders und des zweiten Zellverbinders frei von einer Abdeckung mit dem Trägerelement sind. Eine Signalleitung des Systems ist mit zumindest einem der ersten und zweiten Zellverbinder gekoppelt.
  • Gemäß einem weiteren Aspekt der vorliegenden Erfindung wird entsprechend ein Batteriemodul, welches eine Kapazität von mehr als 500 Wh aufweist, beschrieben. Das Batteriemodul weist ein oben beschriebenes System auf. Ferner weist das Batteriemodul zumindest zwei beabstandete erste Batteriepole (zum Beispiel einen ersten Batteriepol einer ersten Batteriezelle und einen weiteren ersten Batteriepol einer zweiten Batteriezelle) und zumindest zwei beabstandete zweite Batteriepole (zum Beispiel einen zweiten Batteriepol der ersten Batteriezelle und einen weiteren zweiten Batteriepol einer weiteren Batteriezelle), auf. Der erste elektrisch leitfähige Zellverbinder ist z.B mit den beabstandeten ersten Batteriepolen befestigt und verbindet diese elektrisch. Der zweite elektrisch leitfähige Zellverbinder ist z.B. mit den beabstandeten zweiten Batteriepolen befestigt und verbindet diese elektrisch.
  • Gemäß einem weiteren Aspekt der vorliegenden Erfindung wird ein Verfahren zum Verbinden von Batteriepolen von einzelständigen prismatischen Batteriezellen eines Batteriemoduls, welches eine Kapazität von mehr als 500 Wh aufweist, beschrieben. Gemäß dem Verfahren wird ein erster elektrisch leitfähiger Zellverbinder bereitgestellt, welcher zum Befestigen und elektrischen Verbinden von zwei beabstandeten Batteriepolen (insbesondere einem + Pol und einem -Pol) ausgebildet ist. Ferner wird entsprechend ein zweiter elektrisch leitfähiger Zellverbinder, welcher zum Befestigen und elektrischen Verbinden von zwei weiteren beabstandeten Batteriepolen ausgebildet ist, bereitgestellt. Der erste Zellverbinder und der zweite Zellverbinder werden an ein elektrisch isolierendes Trägerelement befestigt, um mittels des Trägerelements eine tragende Struktur für den ersten Zellverbinder und den zweiten Zellverbinder bereitzustellen. Der erste Zellverbinder und der zweite Zellverbinder werden mit dem Trägerelement befestigt, indem ausschließlich teilweise (d.h. nicht vollständig) der ersten Zellverbinder und der zweite Zellverbinder in das Trägerelement eingebettet wird, so dass Oberflächenbereiche des ersten Zellverbinders und des zweiten Zellverbinders frei von einer Abdeckung mit dem Trägerelement sind. Ferner wird gemäß dem Verfahren eine Signalleitung an zumindest einem der ersten und zweiten Zellverbinder gekoppelt (insbesondere zur mechanischen Befestigung der Signalleitung an dem Zellverbinder und/oder zum elektrischen Signalaustausch zwischen Signalleitung und Zellverbinder).
  • Das Batteriemodul definiert eine Baugruppe, welche mehrere prismatische Batteriezellen zusammenfasst und für diese eine mechanische Verbindung bereitstellt, sowie zumindest mittels der Zellverbinder eine elektrische Serienschaltung oder Parallelschaltung der Batteriezellen ermöglicht. Die einzelnen Batteriezellen können beispielsweise nebeneinander entlang einer Raumrichtung oder nebeneinander und/oder übereinander (d. h. entlang zweier Raumrichtungen) in einem Batteriemodul angeordnet werden.
  • Eine prismatische Batteriezelle definiert einen elektrischen Energiespeicher mit festem Gehäuse in zum Beispiel prismatischer bzw. quaderförmiger Bauart. Die Batteriezellen sind beispielsweise Lithium-Ionen Akkumulatoren. Jede Batteriezelle weist zwei Batteriepole, jeweils einen + Pol und eine - Pol, auf. Diese beiden Pole können auf derselben Seitenfläche der Batteriezelle angebracht sein. Die erfindungsgemäßen Zellverbinder sind insbesondere ausgelegt bzw. dimensioniert, um zum Verbinden von Batteriezellen mit einer Nominalspannung von unter 5.5 V einsetzbar zu sein. Die benachbarte zweite Batteriezelle weist entsprechend ebenfalls zwei Batteriepole, jeweils einen + Pol und einen - Pol, auf. Ein Zellverbinder wird insbesondere eingesetzt, um den + Pol (bzw. - Pol) einer Batteriezelle mit dem entsprechenden - Pol (bzw. + Pol) der benachbarten Batteriezelle zu verbinden. Die prismatischen Batteriezellen sind einzelständig. Dies bedeutet, dass jede Batteriezelle für sich eine abgeschlossene Einheit ausbildet und somit keine gemeinsamen Komponenten aufweist und keine fluidische Kopplung (z.B. über die Batterieflüssigkeit) mit einer anderen Batteriezelle aufweist.
  • Ein Zellverbinder stellt somit eine hochstromfeste Verbindung zwischen den Batteriepolen zweier benachbarter prismatischer Batteriezellen dar. Insbesondere bei starker Beanspruchung des Batteriemoduls müssen die Zellverbinder einen starken Spannungsabfall bei Belastung widerstehen. Die Zellverbinder bestehen dadurch aus einem robusten und gut leitfähigen Material, wie beispielsweise einem metallischen Material, wie Aluminium oder Kupfer. Die Zellverbinder bestehen ferner aus einem flächigen bzw. plattenähnlichen Material, zum Beispiel aus Metallblech. Entsprechend sind die Zellverbinder selbsttragend im Vergleich zu drahtähnlichem Material.
  • Die Zellverbinder weisen beispielsweise entsprechende Durchgangsöffnungen als Befestigungsabschnitte für einen jeweiligen Batteriepol auf. In einer Durchgangsöffnung kann entsprechend ein Batteriepol fixiert werden, beispielsweise mittels Klemmkräften.
  • Das Trägermaterial des Trägerelements besteht aus einem elektrisch isolierendem Material, wie beispielsweise einem (insbesondere spritzgussfähigem) Kunststoffmaterial. An dem Trägermaterial ist der erste Zellverbinder und der zweite Zellverbinder befestigt. Das Trägermaterial ist derart fest mit dem ersten Zellverbinder und dem zweiten Zellverbinder verbunden, dass zusammen eine selbsttragende Einheit geschaffen wird. Diese entsprechende selbsttragende Einheit kann insbesondere die Montage erleichtern, da ein einfaches Handling insbesondere bei der Verbindung der entsprechenden Batteriepole möglich ist.
  • Dabei wird erfindungsgemäß der erste Zellverbinder und der zweite Zellverbinder teilweise in das Trägerelement eingebettet. Unter dem Begriff „Einbetten“ wird im Folgenden verstanden, dass ein Zellverbinder zumindest teilweise von dem Material des Trägerelements umgeben ist und sozusagen in einen Körper des Trägerelements teilweise eingetaucht ist, sodass das Trägermaterial den Zellverbinder zumindest teilweise umschließt. Mit anderen Worten weist das Trägermaterial beispielsweise einen Aufnahmeschlitz auf, in welchem ein Bereich des Zellverbinders vorliegt, sodass das Trägermaterial zwei gegenüberliegende Oberflächen und die die Oberflächen verbindende Stirnseite des Zellverbinders umschließt und entsprechend eingebettet. Bevorzugt wird eine entsprechende Einbettung in einem Spritzgussverfahren umgesetzt, sodass keine spanende Fertigung, zum Beispiel zur Bildung des Aufnahmeschlitzes in dem Trägerelement, notwendig ist.
  • Unter der Definition des „ausschließlich bereichsweise Einbetten“ wird verstanden, dass die Zellverbinder nicht vollständig in das Trägerelement eingebettet sind und von dem Trägerelement eingehüllt sind. Insbesondere bleiben an dem Zellverbinder die Kontaktbereiche insbesondere in den entsprechenden Durchgangsöffnungen, in welchen die Batteriepole eingesteckt werden können, frei von einer Überdeckung des Trägermaterials, um eine elektrische Kontaktfähigkeit bereitzustellen. Ferner bleiben Oberflächenbereiche der Zellverbinder frei von dem Material des Trägerelements, um insbesondere eine bessere Wärmeabfuhr bereitzustellen. Beispielsweise überdeckt das Trägerelement weniger als 50 %, insbesondere weniger als 10 % und weiter insbesondere weniger als 5 % einer Oberfläche eines Zellverbinders. Entsprechend kann das Trägerelement einen gegenüberliegenden Oberflächenbereich abdecken.
  • Das Trägerelement kann einen Zellverbinder derart einbetten, dass beispielsweise entlang einer Seitenlänge das Trägerelement den Zellverbinder umgibt. Beispielsweise kann das Trägerelement umlaufend um den Zellverbinder verlaufen, wobei ein Zentrum des Zellverbinders, insbesondere in welchen die Durchgangsöffnung des Befestigungsbereichs vorgesehen ist, frei von einer Einbettung bzw. Abdeckung mit dem Trägerbereich ist.
  • Insbesondere kann eine Oberfläche eines Zellverbinders, welche von der Batteriezelle weg gerichtet ist, nur weniger als 50 %, insbesondere weniger als 10 % und weiter insbesondere weniger als 5 % von dem Trägerelement abgedeckt sein, sodass eine ausreichend stabile Einbettung geschaffen wird und gleichzeitig eine ausreichende Freifläche der Oberfläche, um eine thermische Wärmeabfuhr und beispielsweise eine Ankopplung eines Kühlkörpers zu ermöglichen. Gleichzeitig kann die Oberfläche, welche zu der Batteriezelle hingerichtet ist, mehr als 20 %, insbesondere mehr als 50 %, insbesondere vollständig von dem Trägerelement abgedeckt sein, um somit ein gutes Potentialshielding bereitzustellen.
  • Zudem wird eine Signalleitung an den ersten Zellverbinder oder den zweiten Zellverbinder gekoppelt. Die Signalleitung ist dabei an dem entsprechenden Zellverbinder befestigt und kann ferner elektrisch leitend an den Zellverbinder angeordnet sein. Somit können Signale, entweder von dem Zellverbinder selbst oder von einem dort zusätzlich angeordneten Sensor, über die Signalleitung übertragen werden. Die Signalleitungen können somit insbesondere Sensorleitungen darstellen, welche Verbindungsleitungen im Inneren eines Batteriemoduls darstellen und zur Überwachung von Messwerten eingesetzt werden. Zu den Messwerten gehörten beispielsweise Zellenspannung und Temperatur. Bei bestimmten Batteriemodulen kann über diese Leitungen eine aktive Lade-/Lastbalancierung erfolgen. Auch das Laden und Entladen von einzelnen Zellen kann ermöglicht werden.
  • Die Signalleitungen im Komponententräger können derart elektrisch isoliert sein, dass sie für eine Prüfspannung von über 400V, insbesondere über 800 V, insbesondere über 1600 V, geeignet sind. Der mittlere Querschnitt der Sensorleitungen kann über 0,1 mm^2 (Quadratmillimeter), insbesondere über 0,5 mm^2, weiter insbesondere über 1,2 mm^2 liegen. Das System kann insbesondere eine Zugentlastung für eine Sensorbaugruppe, an welcher die Signalleitungen angeschlossen sind, beinhalten.
  • Insbesondere verbindet jeder Zellverbinder entsprechende Batteriepole von zwei unterschiedlichen Batteriezellen. So kann der erste Zellverbinder einen - Pol einer ersten Batteriezelle mit einem + Pol einer benachbarten zweiten Batteriezelle verbinden. Der zweite Zellverbinder kann entsprechend einen + Pol der ersten Batteriezelle mit einem - Pol einer dritten benachbarten Batteriezelle verbinden. Die beiden elektrisch leitfähigen Zellverbinder werden durch das elektrisch isolierende Trägerelement verbunden, sodass eine robuste, steife und insbesondere selbsttragende Einheit aus Zellverbinder und Trägerelement bereitgestellt wird. Somit kann insbesondere bei einer automatisierten Herstellung großer Batteriemodule mit einer Vielzahl von Batteriezellen eine einfachere Handhabung der Zellverbinder und entsprechend eine schnellere und sicherere Verbindung der Zellverbinder mit den Batteriepolen bereitgestellt werden. Das erfindungsgemäße System kann diesbezüglich eine Vielzahl von Zellverbindern aufweisen, wobei jeweils zwei Zellverbinder mit einem entsprechenden Trägerelement mechanisch gekoppelt sind. Entsprechend kann in einem Arbeitsschritt eine Vielzahl von Batteriepolen gleichzeitig richtig positioniert und allenfalls verbunden werden. Im Vergleich zu einer herkömmlichen einzelnen Anbringung der jeweiligen Zellverbinder an zwei Batteriepolen, bewirkt das erfindungsgemäße System eine deutlich schnellere und robustere Verbindung einer Vielzahl von Batteriezellen.
  • Ferner führt das teilweise Einbetten der Zellverbinder zu einer reduzierten Koronabildung. Insbesondere prismatische Zellen, welche zu einem Batteriemodul zusammengefasst sind, zeigen in der hohen Leistungsklasse (ab 500 Wh pro Batteriemodul) Koronabildung. Koronabildung setzt typischerweise bei Feldern von 100kV/m ein, bei entsprechend günstigen Umfeldbedingungen schon bei deutlich tieferen Feldern. Wenn nun zwei prismatische Batteriezellen mit einem Zellverbinder verbunden werden, das umgebende Alugehäuse der Batteriezellen aber auf Massepotential liegt und die Zellverkettung auf einer Bordspannung von 800 V für den entsprechenden Batteriepol liegt, beginnen Koronaeffekte (und damit der Abbrand des entsprechenden Leiters bereits bei Isolationsdistanzen von ungefähr 8 bis 20 mm).
  • Eine Gegenmaßnahme gegen diese Effekte wäre die Umgebung des Leiters mit einem Isolator. Das kann zum Beispiel durch Coating oder Tauchlackieren geschehen. Da aber der Zellverbinder oder die Signalleitung nach der Herstellung noch elektrisch leitend verbunden sein müssen, ist eine vollständige Isolation ungeeignet.
  • Diese Problematik wird erfindungsgemäß dadurch gelöst, dass eine teilweise Einbettung der entsprechenden Leiter bzw. Zellverbinder bereits zu einer deutlichen Reduktion der Koronabildung führt. Erfindungsgemäß wird deshalb vorgeschlagen, die Zellverbinder nur teilweise in einen elektrischen Isolator des Trägerelements einzubetten. Wenn diese Einbettung nicht durch ein Coating oder Tauchverfahren, sondern durch ein Spritzgussverfahren generiert wird, kann der bei einem Coating oder Tauchverfahren typischen Problematik der zu starken Kantenverrundung (und dadurch Reduktion der Isolierstärke im Kantenbereich) entgegengewirkt werden. Es hat sich gezeigt, dass Spritzgussverfahren in besonderem Masse dazu geeignet sind, gestanzte Zellverbinder einzubetten, insbesondere, um den Verlauf von Potentialfeldern zu verbessern.
  • Ferner kann durch das erfindungsgemäße Teilumspritzen der Zellverbinder gegenüber einem vollumspritzten Zellverbinder ein Material des Trägerelements eingespart werden. Die dadurch erreichte Gewichtsreduktion führt zu einer hohen Stoßfestigkeit. Insbesondere bei kurzen Stößen, welche zu kurzen Beschleunigungen der Zellverbinder von über 2 G bzw. über 4 G bis über 9 G führen können, kann das Risiko von Ablösungen und oder von einem Aufreißen von Kaltverschweißungen an Kontaktzonen aufgrund der geringeren Masse reduziert werden.
  • Gemäß einer weiteren exemplarischen Ausführungsform ist der erste Zellverbinder, der zweite Zellverbinder und das Trägerelement innerhalb einer gemeinsamen Anordnungsebene angeordnet. Mit anderen Worten sind die Zellverbinder und das Trägerelement nebeneinander innerhalb der gemeinsamen Anordnungsebene angeordnet.
  • Gemäß einer weiteren exemplarischen Ausführungsform bilden der erste Zellverbinder und der zweite Zellverbinder ausgestanzte Flachkomponenten aus. Gemäß einer weiteren beispielhaften Ausführungsform bestehen der erste Zellverbinder und/oder der zweite Zellverbinder jeweils beispielsweise aus einem, insbesondere mehrlagigen, Blech. Bei einer ausgestanzten Flachkomponente bzw. einem Blech ist dessen Breite und Länge sehr viel größer als dessen Dicke sind. Der erste und zweite Zellverbinder kann beispielsweise aus einem Blech bestehend aus Aluminium oder Kupfer bestehen. Ferner können verschiedene Lagen unterschiedlicher Materialien einen Zellverbinder bilden. So können beispielsweise in verschiedenen Lagen unterschiedliche Materialien eingesetzt werden.
  • Gemäß einer weiteren beispielhaften Ausführungsform weist das Trägerelement einen ersten Trägerabschnitt, welcher den ersten Zellverbinder zumindest teilweise einbettet, und einen zweiten Trägerabschnitt auf, welcher den zweiten Zellverbinder zumindest teilweise einbettet. Der erste Trägerabschnitt und der zweite Trägerabschnitt sind mittels einer elektrisch isolierenden Verbindungsstruktur verbunden. Die Verbindungstruktur kann aus demselben Material wie der erste Trägerabschnitt oder der zweite Trägerabschnitt bestehen. Insbesondere kann in einem gemeinsamen Spritzgussschritt der erste Trägerabschnitt, der zweite Trägerabschnitt und die Verbindungstruktur geschaffen werden. Der erste Trägerabschnitt, der zweite Trägerabschnitt und die Verbindungsstruktur bilden eine selbsttragende Einheit und können robust hergestellt werden.
  • Gemäß einer weiteren beispielhaften Ausführungsform ist die Verbindungsstruktur zum Ausgleich einer Abstandsänderung zwischen dem ersten Zellverbinder und dem zweiten Zellverbinder verformbar ausgebildet. Die Verbindungsstruktur kann beispielsweise aus einem elastisch verformbaren Material hergestellt werden, um eine entsprechende Abstandsänderung zwischen zwei Zellverbindern auszugleichen, ohne zu brechen. Typischerweise verbindet das Trägerelement zwei Zellverbinder, welche mit zumindest einem Befestigungsbereich Batteriepole einer gemeinsamen Batteriezelle verbinden. Aufgrund von thermischer Ausdehnung oder aufgrund von Alterung dehnen sich Batteriezellen aus oder reduzieren ihre Ausdehnung. Um kein Verkeilen der beiden Zellverbinder aufgrund eines zu steifen Trägerelements zu verursachen, kann in vorteilhafter Art und Weise die Verbindungsstruktur zwischen zwei Trägerabschnitten elastisch verformbar ausgebildet werden.
  • Dabei kann die Verbindungsstruktur derart ausgebildet werden, dass entlang einer vorbestimmten Raumrichtung eine elastische Verformung möglich ist. Entlang einer ersten Raumrichtung (zum Beispiel x-Achse) werden die einzelnen Batteriezellen nebeneinander angeordnet und entsprechend mit den Zellverbindern verbunden. Eine zur ersten Raumrichtung orthogonale zweite Raumrichtung (zum Beispiel y-Achse) beschreibt eine Erstreckung der Batteriezelle in der Anordnungsebene. Eine dritte Raumrichtung (z-Achse), welche beispielsweise parallel zu der Normalen der Anordnungsebene ist und entlang welcher sich die Batteriepole von einem Zellverbinder erstrecken, steht insbesondere orthogonal zu der ersten Raumrichtung und der zweiten Raumrichtung.
  • Die für die Kontaktierung von Batteriezellen relevanten Längenänderungen sind bei der Assemblierung von Batteriemodulen vor allem in x-Richtung von Bedeutung. Entsprechend kann die Verbindungstruktur derart ausgebildet werden, dass diese entlang der ersten Raumrichtung (X-Richtung) zerstörungsfrei bzw. elastisch verformbar ist. Wegen der nicht nur in x-Richtung erfolgenden Längenäderungen wird dabei nicht eine rigide Bewegungsbeschränkung in x-Richtung gewählt, sondern ein System mit unterschiedlichen Elastizitätskonstanten (Koordinatenrichtungsabhängig). Dies bedeutet, dass in y- und z-Richtung die Bewegungskompensation mit steiferen Bewegungsmechanismen als entlang der x- Richtung. In y- und z- Richtung kann beispielsweise auf Grund von Materialwahl und Designkonzept ein relativ steifes Verhalten realisiert werden im Vergleich zu einer Verformungsmöglichkeit in x-Richtung. In x-Richtung kann ebenfalls ein mechanisches gleitendes System vorgeschlagen werden, welches die entstehenden Veränderungskräfte bevorzugt in diese Richtung umlenkt.
  • Gemäß einer weiteren beispielhaften Ausführungsform weist die Verbindungsstruktur einen schleifenförmigen, kurvenförmigen oder wellenförmigen, insbesondere mäanderförmigen, Verlauf auf. Die Verbindungsstrukur kann beispielsweise zusammen mit dem ersten Zellverbinder und dem zweiten Zellverbinder aus einem gemeinsamen Grundmaterial, wie z.B. einem plattenähnlichen Material bzw. einem Blech, mittels Schneidens oder Stanzens hergestellt werden. Der oben beschriebene Verlauf der Verbindungsstruktur verläuft insbesondere innerhalb der Anordnungsebene, in welcher ebenfalls der erste Zellverbinder und der zweite Zellverbinder angeordnet sind. Der oben beschriebene Verlauf ist derart ausgebildet, dass die Steifigkeit in x-Richtung kleiner ist als in y-Richtung und/oder z-Richtung. Somit können Ausdehnungen oder Schrumpfungen in x-Richtung ausgeglichen werden, ohne dass es zu Verspannungen und entsprechenden Defekten in der Verbindungsstruktur bzw. in den Zellverbindern kommt.
  • Gemäß einer weiteren beispielhaften Ausführungsform ist zur temporären Versteifung des ersten Trägerabschnitts oder des zweiten Trägerabschnitts ein Versteifungselement lösbar befestigbar. Das Versteifungselement führt dazu, dass während der Montage des Systems an Batteriepolen die Zellverbinder und das Trägerelement versteift und somit robuster sind, sodass die Handhabung insbesondere mittels automatisierter Werkzeuge einfacher ist und zu weniger Schäden an dem System während der Montage führt.
  • Beispielsweise kann entlang der Anordnungsebene ein Verstärkungsbalken an dem Trägerelement befestigt werden, um eine Versteifung herbeizuführen. Nachdem das System an den Batteriepolen befestigt ist, kann der Verstärkungsbalken entfernt werden. Insbesondere kann hierzu eine Sollbruchstelle zwischen dem Trägerelement einerseits und dem Verstärkungsbalken andererseits vorgesehen werden, sodass ein einfaches Entfernen mittels Wegbrechens des Verstärkungsbalkens vorgesehen werden kann.
  • Das Verstärkungselement führt insbesondere zu einer Versteifung des Systems in x-Richtung. Hierzu kann beispielsweise die in x-Richtung elastisch verformbare Verbindungsstruktur gegenüber einer Verformung in x-Richtung mittels des Versteifungselements versteift werden. Weist die Verbindungstruktur beispielsweise einen wellenförmig bzw. mäanderförmigen Verlauf auf, so kann beispielsweise zwischen zwei in x-Richtung gegenüberliegenden Schenkeln des Verlaufs der Verbindungstruktur ein Versteifungsbalken angeordnet werden, welche beispielsweise nach der Montage an den Batteriepolen weggebrochen werden kann.
  • Neben dem wegbrechbaren Steg bzw. Balken kann das Versteifungselement beispielsweise als C- förmige oder U- förmige Schiene ausgebildet werden und über oder unter die Zellverbinder und dem Trägerelement befestigt werden.
  • Zur Befestigung kann eine lösbare mechanische Verbindung zwischen den Versteifungselementen und den Zellverbindern und dem Trägerelement bereitgestellt werden, wobei auch eine lösbare stoffliche Verbindung, beispielsweise mittels eines lösbaren Klebers, vorgesehen werden kann.
  • Gemäß einer weiteren beispielhaften Ausführungsform weist zumindest der erste Trägerabschnitt und/oder der zweite Trägerabschnitt zumindest eine Aufnahmenut zum Aufnehmen der Signalleitung auf. Somit erhält das Trägerelement die zusätzliche Funktion zur stabilen und geschützten Führung der Signalleitung. Insbesondere kann die Signalleitung bereits vor der Montage des Systems an den Batteriepolen in die Aufnahmenut vorinstalliert werden oder nachträglich nach der Montage des Systems an den Batteriepolen. Insbesondere kann der erste und/oder zweite Trägerabschnitt eine Vielzahl von Aufnahmenuten für entsprechende Signalleitungen aufweisen.
  • Gemäß einer weiteren beispielhaften Ausführungsform weist das System fernerein Kopplungselement auf, welches zwischen dem ersten Trägerabschnitt und dem zweiten Trägerabschnitt, insbesondere lösbar, befestigt ist. Das Kopplungselement ist mit dem ersten Trägerabschnitt und dem zweiten Trägerabschnitt entlang einer Anordnungsrichtung nacheinander, insbesondere innerhalb einer Anordnungsebene, angeordnet, sodass entlang der Anordnungsrichtung (x-Richtung) das erste Trägerelement, das Kopplungselement und das zweite Trägerelement nacheinander angeordnet sind. Das Kopplungselement koppelt dabei z.B. den ersten Trägerabschnitt und den zweiten Trägerabschnitt eines Trägerelements oder einen ersten Trägerabschnitt eines ersten Trägerelements mit einem zweiten Trägerabschnitt eines zweiten Trägerelements, sodass eine robustere Struktur des Systems bereitgestellt wird. Das Kopplungselement besteht aus einem elektrisch isolierenden Material, wie beispielsweise Kunststoff, und kann beispielsweise ebenfalls mittels eines Spritzgussverfahrens hergestellt werden.
  • Gemäß einer weiteren beispielhaften Ausführungsform weist das Kopplungselement eine weitere Aufnahmenut zum Aufnehmen der Signalleitung auf. Somit erhält das Kopplungselement die zusätzliche Funktion zur stabilen und geschützten Führung der Signalleitung oder einer weiteren Signalleitung. Insbesondere kann das Kopplungselement und die Signalleitung bereits vor der Montage des Systems an den Batteriepolen in die weitere Aufnahmenut vorinstalliert werden. Beispielsweise kann das Kopplungselement an die Trägerabschnitte gekoppelt werden, bevor das System an den Batteriepolen installiert wird. Alternativ können zunächst die Trägerabschnitte an den Batteriepolen befestigt werden. Im Anschluss daran können die Kopplungselemente (beispielsweise zusammen mit den Signalleitungen) an den Trägerabschnitten befestigt werden. Nach der Montage der Kopplungsabschnitte liegen somit in x-Richtung und innerhalb der Anordnungsebene der erste Trägerabschnitt, das Kopplungselement und anschließend der zweite Trägerabschnitt vor. Somit kann das System im installierten Zustand eine tragende Struktur bilden, welche einerseits die Signalleitungen und andererseits die Zellverbinder trägt.
  • Damit wird durch die Konstruktion ein mechanisch vorgegebener Bewegungsweg für die Signalleitungen erzeugt. Ein Ausweichen/Abweichen von diesem Weg, der durch die Aufnahmenut vorgegeben wird, aufgrund der dafür benötigten höheren Kräfte ist unwahrscheinlich. Dies erhöht die Sicherheit der Spannungsführenden Signalleitungen (zum Beispiel Sensor- und Lastausgleichsleitungen).
  • In einer bevorzugten Ausführungsvariante werden die Zellverbinder und das Kopplungselement vor der Montage auf die prismatischen Zellen miteinander zusammengefügt und die Signal- bzw. Sensorleitungen an die Zellverbinder angeschlossen. Dies erlaubt vollständige Tests des Systems vor der Montage auf die Batteriezellen.
  • Das Trägerelement und/oder das Kopplungselement kann in einer weiteren beispielhaften Ausführungsform derart ausgestaltet werden, dass zwischen den Signalleitungen auch für höhere Spannungen eine große Kriechstrecke gebildet werden kann und einer Prüfspannung von über 400V, bevorzugt über 800V und in besonderen Fällen über 1600V genügt. Dies erlaubt den Betrieb von erfindungsgemäßen Batteriemodulen unter der Anwendung der relevanten Bestimmungen für Energiesysteme mit Betriebsspannungen über der elektrischen Schutzkleinspannung von unter 50V.
  • In einer weiteren Untervariante wird durch die Überhöhung von Isolatoren gegenüber Leitern ein Berührungsschutz erreicht. Dies kann insbesondere erzielt werden, indem die Aufnahmenuten in dem Trägerelement oder dem Kopplungselement tiefer sind als eine Höhe bzw. ein Querschnitt einer Signalleitung.
  • Die Zellverbinder aber auch die Sensorleitungen können aus einem Flachmaterial ausgestanzt und nachher eingebettet werden. Durch Kreieren von Mäandern, Schlaufen oder Biegungen, welche in der Anordnungsebene (x-y-Ebene) liegen, kann sowohl eine Dehnungskompensation als auch eine kostengünstige Produktion erreicht werden.
  • Das Herstellen von Zellverbindern aus gestanzten Blechen bringt eine fertigungstechnisch gute Ausgangslage mit sich, denn das Stanzen ist ein bewährter, günstiger, stabiler und großmengenfähiger Prozess. Auf der technischen Seite weisen gestanzte Bleche eine hohe Genauigkeit auf. Sonstige Biege- oder Prägeprozesse reduzieren diese Genauigkeiten, weshalb die erfindungsgemäße Lösung nur kleine oder sehr kleine Teile eines ganzen Zellverbinders entsprechend bearbeitet, d.h. Verformungen in der z-Ebene vornimmt.
  • In einer weiteren beispielhaften Ausführungsform werden die Signalleitungen mit einem größeren Querschnitt realisiert, als das für die reine Spannungsüberwachung der Einzelzellenspannung notwendig wäre. Dieser höhere Querschnitt erlaubt eine höhere Stromtragfähigkeit auf diesen Leitungen. Dadurch kann mittels eines BMS (Batterie-Management-System) über diese Leitungen der Unterschied zwischen Einzelzellen zumindest teilweise ausgeglichen werden (Umladung, Ergänzungsladung, Teilladung, usw. von Einzelzellen).
  • Gemäß einer weiteren beispielhaften Ausführungsform weist die Signalleitung eine integrierte Stromsicherung, insbesondere eine Schmelzsicherung, auf, wobei die Signalleitung insbesondere mit einem Sicherungsbereich mit einer definierten Querschnittsreduktion derart ausgebildet ist, dass die Querschnittsreduktion die Schmelzsicherung bereitstellt.
  • Die Querschnittreduktion kann beispielsweise mittels einer Einkerbung, einer Verdünnung durch Biegen (im Sinne von Tiefziehen, wodurch der Querschnitt sinkt) oder einem Ziehen hergestellt werden. Eine Einkerbung kann vorteilhaft im Sinne von Masshaltung sein.
  • Diese Reduktion wird an einem Ort platziert, an welchem eine Überhitzung nicht zu einer Entzündung des Isolationsmaterials führt. Diese Querschnittsreduktion kann im Kurzschlussfall der Sensorleitung als Schmelzsicherung dienen. Dadurch, dass damit die Sensorleitung an einer definierten (und in Bezug auf die umliegenden Komponenten sicheren) Lage ist, kann ein Überhitzen der Sensorleitung auf ihrer ganzen Länge vermieden werden. Alternativ kann anstelle einer Querschnittsreduktion auch ein Sicherungselement Verwendung finden. Zur Sicherstellung der thermischen Integrität des Komponententrägers und/oder zur Visualisierung einer Auslösung kann dieser Sicherheitsmechanismus im nicht eingebetteten Teil des Systems eingebaut sein. In einer beispielhaften Ausgestaltung kann das Sicherungselement nicht reversibel ausgebildet sein, damit im Ansprechensfall durch eine Servicetätigkeit überprüft werden muss, ob das Ansprechen des Sicherungselements zu einem größeren Schaden geführt hat.
  • Die Sicherungsfunktion bzw. die Querschnittreduktion kann insbesondere zumindest teilweise in einem nicht eingebetteten Teil des Komponententrägers liegen.
  • Gemäß einer weiteren beispielhaften Ausführungsform weist das Kopplungselement eine elektrische Steckervorrichtung auf zum Koppeln einer Signalkomponente, insbesondere einer weiteren Signalleitung. Die elektrische Steckervorrichtung ist insbesondere als Steckerbuchse ausgebildet, in welcher ein entsprechender elektrischer Stecker mechanisch befestigt werden kann. Somit können beispielsweise Signale zwischen Sensoren und externen Steuervorrichtungen übertragen werden.
  • Gemäß einer weiteren beispielhaften Ausführungsform weist das Kopplungselement mit zumindest dem ersten Trägerabschnitt oder dem zweiten Trägerabschnitt eine mechanische Steckverbindung auf, wobei die mechanische Steckverbindung mit zumindest einer Führungsschiene und einem komplementären, in die Führungsschiene steckbaren Gleitelement ausgebildet ist. Die Führungsschiene und das komplementäre Gleitelement (zum Beispiel ein Gleitstift) erstrecken sich insbesondere entlang einer Gleitrichtung, beispielsweise der x-Achse, entlang welcher Ausdehnungskompensationen gewünscht sind.
  • Entsprechend ist gemäß einer weiteren beispielhaften Ausführungsform die mechanische Steckverbindung derart ausgebildet, dass das Kopplungselement mit zumindest dem ersten Trägerabschnitt oder dem zweiten Trägerabschnitt entlang einer Steckrichtung gleitend gelagert sind.
  • Ein entsprechender Trägerabschnitt kann beispielsweise eine Vielzahl von in x-Richtung hervorragenden Gleitelementen aufweisen und zwischen den Gleitelementen entsprechende Nuten, welche als Führungsschienen fungieren. Das Kopplungselement weist entsprechende komplementäre Nuten und hervorragende Gleitelemente auf, sodass eine entsprechende Steckkopplung zwischen dem Kopplungselement und den Trägerabschnitten umgesetzt wird.
  • Gemäß einer weiteren beispielhaften Ausführungsform ist die mechanische Steckverbindung derart konfiguriert, dass eine Steckrichtung der Steckverbindung parallel zur Anordnungsrichtung ausgebildet ist.
  • Gemäß einer weiteren beispielhaften Ausführungsform ist die mechanische Steckverbindung ferner derart konfiguriert, dass entlang einer ersten Richtung (z.B. entlang der z-Achse) senkrecht zu der Anordnungsebene die mechanische Steckverbindung einen Freiheitsgrad aufweist und entlang einer der ersten Richtung entgegengerichteten zweiten Richtung (z.B. entlang der z-Achse) keinen Freiheitsgrad aufweist. Dies kann beispielsweise umgesetzt werden, indem die Führungsschienen ein offenes U-Profil aufweisen, sodass durch die offene Seite des U-Profils die entsprechenden Gleitelemente aus den Führungsschienen entnommen werden können.
  • Alternativ können die Führungsschienen ein geschlossenes O-Profil aufweisen und entsprechend als Bohrung ausgebildet sein. Somit besteht ausschließlich ein Freiheitsgrad entlang der Steckrichtung (zum Beispiel der x-Achse).
  • In einer weiteren beispielhaften Ausführungsform kann ein Abdeckungselement vorgesehen werden, welches auf das Trägerelement und/oder das Kopplungselement aufgelegt werden kann, um somit die offenen Aufnahmenuten für die Signalleitungen abzudecken. Das Abdeckungselement kann beispielsweise mechanisch mittels einer Clipverbindung oder mittels einer stofflichen Verbindung befestigt werden. Somit wird ein zusätzlicher Berührungsschutz erreicht.
  • Mittels der Steckverbindung werden zusätzlich die Freiheitsgrade für solche Bewegungen auf eine Vorzugsrichtung (x-Richtung) reduziert. Wegen der nicht nur in x-Richtung erfolgenden Längenänderungen wird dabei nicht eine rigide Bewegungsbeschränkung in x-Richtung gewählt, sondern ein System mit unterschiedlichen Elastizitätskonstanten (Koordinatenrichtungsabhängig). Dies bedeutet, dass in y- und z-Richtung die Bewegungskompensation mit steiferen Bewegungsmechanismen zwar ermöglicht wird aber nicht bevorzugt wird. In der praktischen Umsetzung bedeutet dies, dass in y- und z- Richtung auf Grund von Materialwahl und Designkonzept ein relativ steifes Verhalten realisiert wird. In x-Richtung wird jedoch ein gleitendes System vorgeschlagen, welches die entstehenden Veränderungskräfte bevorzugt in diese Richtung umlenkt.
  • Gemäß einer weiteren beispielhaften Ausführungsform weist zumindest der erste Zellverbinder einen ersten Befestigungsabschnitt und einen zweiten Befestigungsabschnitt auf. Der erste Befestigungsabschnitt ist zum Befestigen und elektrischen Verbinden eines ersten Batteriepols insbesondere einer ersten Batteriezelle, ausgebildet, und der zweite Befestigungsabschnitt ist zum Befestigen und elektrischen Verbinden eines zweiten Batteriepols, insbesondere einer zweiten Batteriezelle, ausgebildet. Entsprechend kann der zweite Zellverbinder einen entsprechenden ersten und zweiten Befestigungsabschnitt aufweisen.
  • Gemäß einer weiteren beispielhaften Ausführungsform sind der erste Befestigungsabschnitt und der zweite Befestigungsabschnitt mittels einer leitfähigen Verbindung miteinander verbunden. Die leitfähige Verbindung kann integral und monolithisch mit dem ersten und zweiten Befestigungsabschnitt ausgebildet sein. Insbesondere kann in einem Stanzprozess der Zellverbinder zusammen mit den Befestigungsabschnitten und der leitfähigen Verbindung hergestellt werden.
  • Gemäß einer beispielhaften Ausführungsform weist die leitfähige Verbindung einen, insbesondere bandförmigen, Leiter auf. Der bandförmige Leiter verläuft insbesondere innerhalb der Anordnungsebene, in welcher ebenfalls der erste Befestigungsabschnitt und der zweite Befestigungsabschnitt angeordnet sind. Der oben beschriebene Verlauf ist derart ausgebildet, dass die Steifigkeit in x-Richtung kleiner ist als in y-Richtung und/oder z-Richtung. Somit können Ausdehnungen oder Schrumpfungen in x-Richtung ausgeglichen werden, ohne dass es zu Verspannungen und entsprechenden Defekten in der Verbindungsstruktur bzw. in den Zellverbindern kommt.
  • Gemäß einer weiteren beispielhaften Ausführungsform weist der Leiter zum Ausgleich einer Abstandsänderung zwischen dem ersten Befestigungsabschnitt und dem zweiten Befestigungsabschnitt einen schleifenförmigen, kurvenförmigen oder wellenförmigen, insbesondere mäanderförmigen, Verlauf auf. Der oben beschriebene Verlauf ist derart ausgebildet, dass die Steifigkeit in x-Richtung kleiner ist als in y-Richtung und/oder z-Richtung. Somit können Ausdehnungen oder Schrumpfungen in x-Richtung ausgeglichen werden, ohne dass es zu Verspannungen und entsprechenden Defekten in der leitenden Verbindung bzw. in den Zellverbindern kommt.
  • Gemäß einer weiteren beispielhaften Ausführungsform weist das System ferner ein elektrisch isolierendes Isolationselement auf, welches insbesondere im Bereich der leitenden Verbindung an zumindest dem ersten Zellverbinder angeordnet ist, um eine elektrische Isolation zwischen dem ersten Zellverbinder und einer der Batteriezellen bereitzustellen. Bei prismatischen Batterien bestehen auch Außenhüllen von Batteriezellen aus leitendem Material (z.B. Alu). Mit der immer höher werdenden Bordspannung (über 200V oder gar über 600V) und der Möglichkeit von Flüssigkühlungen direkt an Zellaußenseite lässt sich mit dem erfindungsgemäßen Teilumspritzen eine zusätzliche Isolation zwischen Zellverbinder und dem Rand der Batteriezelle realisieren. Insbesondere wenn der Zellverbinder tief, d.h. nahe an der Batteriezelle montiert wird, kann so eine sehr gute Isolation zum leitenden Batteriegehäuse hergestellt werden, welches den normgemäßen Anforderungen entspricht. Auch lässt sich so die normgerechte Luftdistanz von ca. 2 mm , insbesondere ca. 4mm oder mehr im selben Spritgussschritt erreichen.
  • Der Zellverbinder wird mit anderen Worten zur Batteriezellenaußenseite hin isoliert, wobei diese Isolation eine Spannungsfestigkeit von über 200 V (insbesondere 600V) und/oder eine Leiterdistanz von über 2mm, insbesondere über 4mm zwischen Zellverbinder und Batteriezellenaußenseite herstellt. Ferner kann das Isolationselement integral und monolithisch an das Kopplungselement oder das Trägerelement gekoppelt sein. Das Isolationselement kann im Spritzgussverfahren, insbesondere zusammen mit dem Trägerelement, hergestellt werden.
  • Gemäß einer weiteren beispielhaften Ausführungsform weist der erste Befestigungsabschnitt und der zweite Befestigungsabschnitt jeweils eine Durchgangsöffnung zum Aufnehmen eines der Batteriepole auf, wobei der entsprechende Befestigungsabschnitt an der entsprechenden Durchgangsöffnung einen Klemmabschnitt mit zumindest einem elastisch verformbaren Klemmelement aufweist, welches aus der Anordnungsebene herausgebogen ist und in die erste Durchgangsöffnung derart hineinragt, dass bei Einbringen des ersten Batteriepols das Klemmelement zum Erzeugen einer Klemmkraft vorspannbar ist und eine Klemmverbindung zwischen dem ersten Befestigungsabschnitt und zumindest einer Seitenwand des ersten Batteriepols bereitstellbar ist.
  • Die Zellverbinder weisen beispielsweise entsprechende Durchgangsöffnungen als Befestigungsabschnitte für einen jeweiligen Batteriepol auf. In einer Durchgangsöffnung kann entsprechend ein Batteriepol fixiert werden, beispielsweise mittels Klemmkräften.
  • Zumindest der erste Befestigungsabschnitt und/oder der zweite Befestigungsabschnitt weisen an ihren Durchgangsöffnungen einen entsprechenden Klemmabschnitt auf, welcher ein elastisch verformbares Klemmelement aufweist. Das Klemmelement ist insbesondere aus der Anordnungsebene herausgebogen.
  • Das Klemmelement kann aufgrund seiner Dimensionierung und der Materialauswahl derart konfiguriert werden, dass die Rückstellkraft bzw. Klemmkraft derart groß ist, dass ein Verschieben des Batteriepols in Einsteckrichtung, d. h. senkrecht zu Anordnungsebene, unterbunden wird. Somit ist es nicht notwendig, zusätzliche Befestigungsvorkehrungen, wie beispielsweise Schweißen oder Kleben, anzuwenden, um eine Fixierung des Batteriepols in der Durchgangsöffnung zu erzielen.
  • Das Klemmelement kann beispielsweise an die Durchgangsöffnung befestigt werden oder integral mit dem Zellverbinder ausgebildet sein. Der Zellverbinder kann beispielsweise aus einem Blech ausgestanzt werden. Entsprechend kann das Klemmelement in dem Befestigungsabschnitt derart integral ausgebildet werden, indem das Klemmelement an zumindest drei Kanten von dem Zellverbinder herausgeschnitten wird und an einer Biegekante mit dem Zellverbinder integral befestigt ist. Anschließend kann das Klemmelement aus der Anordnungsebene durch Biegung um die Biegekante herausgebogen werden. Das Klemmelement kann beispielsweise in Richtung einer Batteriezelle aus der Anordnungsebene herausgebogen werden. Alternativ kann das Klemmelement auf eine gegenüberliegende Seite bezüglich der Batteriezelle herausgebogen werden.
  • An einer Seitenwand des Batteriepols, welche der Seitenwand, an welcher das Klemmelement anliegt, gegenüberliegt, kann beispielsweise ein rigides Gegenstück, d. h. ein nicht elastisch verformbarer Anschlag ausgebildet sein, sodass das Klemmelement im Befestigungspol gegen diesen Anschlag drückt und somit eine Klemmverbindung erzeugt. Alternativ kann, wie weiter unten im Detail beschrieben, ein gegenüberliegendes weiteres elastisch verformbares Klemmelement angeordnet werden, sodass der Batteriepol zwischen zwei elastisch verformbaren Klemmelementen eingeklemmt wird.
  • Durch die Seitenwandkontaktierung des Klemmelements an der Seitenwand des Batteriepols bleibt insbesondere die freie Stirnfläche bzw. Oberfläche des Batteriepols frei, sodass beispielsweise eine gute thermische Ableitung, beispielsweise an die Umgebung oder an ein angekoppeltes Kühlsystem, ermöglicht wird.
  • Die gebogenen seitlichen Kontaktierungszonen bzw. Kontaktelemente sind derart gestaltet, dass die Erhitzung der Übergangswiderstand bei der maximalen Stromstärke genügend klein gehalten wird und dies zu keinen störenden korrosiven Erscheinungen im Übergang zwischen den Kontakten führt. Optional kann die Oberseite des Zellverbinders nach der Kontaktierung mit einem zusätzlichen Coating versehen werden, welches bei Mikrorissen an den Biegestellen ein weiteres Fortschreiten der Korrosion verhindert und auch Oberflächenunebenheiten für die thermische Ankoppelung ausgleicht.
  • Die beschriebene erfindungsgemäße Klemmverbindung erlaubt somit die Herstellung von Zellverbindern, welche einen nur kleinen Spannungsabfall im hohen Belastungsbereich haben. So werden bei geeigneter Materialwahl und entsprechend sorgfältiger Konstruktion Spannungsabfälle über den Zellverbindern bei einer Belastung von 1C von weniger als 0.5 V, insbesondere weniger als 0.2 V, und in besonderen Fällen weniger als 0.1 V erreicht. Eine 10 minütige Strombelastbarkeit der Zellverbinder liegt bei über 30A, insbesondere über 50 A, weiter insbesondere über 90A, noch weiter insbesondere über 170 A.
  • Nebst den bereits erwähnten Vorteilen erlaubt die erfindungsgemäße Klemmverbindung konstruktionsbedingt ein einfaches Lösen von Zellverbindern im Service- oder Recyclingfall. Entweder durch die Verwendung von Entlastungsmechanismen, durch mechanische Kräfte oder durch Aufschneiden des Zellverbinders lässt sich der Zellverbinder ohne schädigende Belastung der Batterie wieder entfernen.
  • In einer weiteren besonders bevorzugten Ausführungsvariante werden die Federkräfte bzw. die Klemmkraft der Klemmelemente bei der Klemmverbindung zwischen Zellverbinder und Batteriepol grösser oder deutlich grösser konzipiert, als die durch die Dehnkompensation entstehenden Zugkräfte auf die Polverbindung. Dadurch wird verhindert, dass die Hochstromverbindungen gelöst und allfällige Kaltverschweißungen durch das Dehnungsverhalten der Zellverbinder bzw. der Batteriezellen aufgerissen werden. Das Klemmelement kann dabei derart konfiguriert werden, dass die Klemmkraft doppelt oder mehr als das fünffache größer ist als Zugkräfte der Dehnungskompensation der Batteriezellen.
  • In einer weiteren bevorzugten Ausführungsform wird die Kontaktzone zwischen Zellverbinder und Batteriepol strukturiert. Dies erhöht den punktuellen Druck während der Montage und reißt bei einem Aufschiebeprozess des Zellverbinders über dem Batteriepol allfällige Oxydschichten auf, wodurch die Bildung einer Kaltverschweißung begünstigt wird. Derselbe Effekt kann auch durch einen Zellverbinder erreicht werden, welcher mehrere Blechlagen aufweist, wobei dann die Kontaktierung derart ausgestaltet ist, dass die Blechenden scharfkantig auf die Oberfläche des Batteriepols auftreffen und so die erwähnte Kontaktierungsverbesserung erreichen.
  • Gemäß einer weiteren beispielhaften Ausführungsform ist die Klemmverbindung derart ausgebildet, dass das elastisch verformbare Klemmelement steifer ausgebildet ist als die leitfähige Verbindung zwischen dem ersten Befestigungsabschnitt und dem zweiten Befestigungsabschnitt. Somit kann sichergestellt werden, dass bei einer relativen Bewegung zwischen den Befestigungsabschnitten, welche von dem Leiter aufgrund seiner Verformbarkeit nicht unterbunden werden, die Klemmverbindung, d. h. insbesondere die in Bezug auf den Leiter steifer ausgebildeten Klemmelemente, sich nicht löst.
  • Gemäß einer weiteren beispielhaften Ausführungsform weist das System einen Sensor, insbesondere einen Temperatursensor, einen Spannungssensor oder einen Leistungssensor auf, welcher auf dem ersten Zellverbinder oder auf dem zweiten Zellverbinder angeordnet ist bzw. in diesem integriert ist. Der Sensor ist insbesondere an eine der Signalleitungen gekoppelt, um Signale zu empfangen oder weiterzugeben. Somit weist das System eine integrierte Zustandskontrolle des Systems selbst oder der angeschlossenen Batteriezellen auf.
  • Der Sensor kann beispielsweise fest auf einem Zellverbinder befestigt werden. Insbesondere, da das Verbindungssystem und die Steckverbindung zum Beispiel über Gleitkomponenten oder mäandrierte Verbindungsmechanismen eine Ausdehnung der Batteriezellen abfängt ist es möglich zum Beispiel einen Temperatursensor thermisch besser mit einer Einzelzelle zu koppeln. Dies erlaubt eine präzisere, zuverlässigere und langzeitstabile Temperaturmessung als bei einer normalen druckbasierenden (reibenden) Ankoppelung des Thermoelementes an die Batteriezelle. Die Kontaktierung dieses Sensors kann wiederum über das erfindungsgemäße Konzept der Sensorleitungen erfolgen.
  • Derselbe Mechanismus gilt auch für die Ankoppelung von anderen Sensoren an eine einzelne Batteriezelle, beispielsweise auch mit lokaler Intelligenz (z.B. Bussysteme zur Sensordatenübertragung, aktives Lade/Lastbalancing).
  • Das Trägerelement kann ebenfalls zusätzliche elektrische Sensoren (z.B. Wärmesensor) und/oder elektronische Komponenten (z.B. lokale Intelligenz oder aktive Lade-/Lastbalancierung) integrieren.
  • Gemäß einer weiteren beispielhaften Ausführungsform weist die Signalleitung einen U-förmigen Abschnitt auf, wobei das Trägerelement eine Zugentlastungsstruktur aufweist. Die Zugentlastungsstruktur ist derart ausgebildet, dass die Zugentlastungsstruktur in den U-förmigen Abschnitt eingreift, um die Signalleitung zu fixieren. Die Zugentlastungsstruktur bildet beispielsweise einen Vorsprung aus dem Trägerelement entlang einer ersten Richtung aus, welcher in den U-förmigen Abschnitt der Signalleitung eingreift. Somit kann beispielsweise bei einer Zugkraft senkrecht zu der ersten Richtung der U-förmige Abschnitt gegen den Vorsprung gedrückt werden, sodass der Vorsprung unterstützend wirkt und eine Zugentlastung bewirkt.
  • Die Zugentlastungsstruktur ist insbesondere integral mit dem Trägerelement ausgebildet und wird beispielsweise in einem Herstellschritt, insbesondere mittels Spritzgießens, zusammen mit dem Trägerelement hergestellt.
  • Die Signalleitung kann beispielsweise in die Zugentlastungsstruktur montiert bzw. eingelegt werden. Insbesondere kann eine Klemmverbindung zwischen dem Vorsprung der Zugentlastungsstruktur und dem U-förmigen Abschnitt vorgesehen werden, indem beispielsweise der U-förmige Abschnitt der Signalleitung auf den Vorsprung eingeklippt wird.
  • Ferner kann in einer weiteren beispielhaften Ausführungsform das Trägerelement und/oder das Kopplungselement extern aufgebrachte oder integrierte Kühlleitungen, durch welche ein Kühlmedium durchfließen kann, aufweisen. Beispielsweise sind die Kühlleitungen an einen externen Kühlmechanismus verbunden. Der Kühlmechanismus kann beispielsweise den unten beschriebenen Kühlkörper aufweisen, welcher in thermischen Kontakt mit den Zellverbindern und ferner insbesondere in direktem Kontakt mit den Batteriepolen ist.
  • Gemäß einer weiteren beispielhaften Ausführungsform des Batteriemoduls weist zumindest einer der ersten Batteriepole eine freie Poloberfläche auf. Der erste Batteriepol ragt von einem Grundkörper einer Batteriezelle hervor, wobei der erste Batteriepol in der ersten Durchgangsöffnung derart angeordnet ist, dass eine zum Grundkörper der Batteriezelle gerichtete erste Oberfläche des ersten Zellverbinders näher an dem Grundkörper vorliegt als die Poloberfläche. Insbesondere der erste Batteriepol ist in der ersten Durchgangsöffnung derart angeordnet, dass die Poloberfläche koplanar mit einer, der ersten Oberfläche gegenüberliegenden zweiten Oberfläche des ersten Zellverbinders ist, sodass eine gemeinsame Koppelfläche bereitstellbar ist. Die Koppelfläche erstreckt sich und liegt beispielsweise innerhalb der Anordnungsebene. Somit wird eine homogene Koppelfläche gebildet, an welcher in einfacher Art und Weise externe Komponenten, wie beispielsweise der unten beschriebene Kühlkörper, angeordnet werden können, sodass ein großer Flächenkontakt zwischen der Poloberfläche und dem Zellverbinder einerseits und der externen Komponente andererseits bereitgestellt wird.
  • Gemäß einer weiteren beispielhaften Ausführungsform weist das Batteriemodul einen Kühlkörper eines Kühlsystems auf, welcher auf der Poloberfläche zur thermischen Kopplung angeordnet ist. Der Kühlkörper liegt insbesondere flächig auf der Koppelfläche zur thermischen Kopplung auf. Der Kühlkörper kann beispielsweise Kühlleitungen aufweisen, welche mit einem Kühlmedium, beispielsweise einem flüssigen Fluid, durchströmt wird. Die Kühlleitungen des Kühlkörpers können beispielsweise mit Kühlleitungen, welche in dem Trägerelement und/oder dem Kopplungselemente integriert sind, gekoppelt werden.
  • Gemäß einer weiteren beispielhaften Ausführungsform ist der erste Befestigungsabschnitt an den ersten Batteriepol und/oder der zweite Befestigungsabschnitt an den zweiten Batteriepol angeschweißt. Dadurch können beispielsweise gegenüber einer ausschließlichen Klemmverbindung höhere Ströme übertragen werden. Die erfindungsgemäße Klemmverbindung ermöglicht beispielsweise zunächst in einem ersten Montageschritt eine kraftneutrale Positionierung der Zellverbinder an den Batteriezellen. Somit kann in einem zweiten Schritt beispielsweise aufgrund der exakten Positionierung eine robuste und positionsgenaue Schweißung durchgeführt werden.
  • Gemäß einer weiteren beispielhaften Ausführungsform wird eine Anordnung zur Herstellung eines oben beschriebenen Systems bereitgestellt. Die Anordnung weist ein flexibles, insbesondere aufrollbares Trägerband und eine Vielzahl von Kopplungselementen (oder Trägerelementen) auf, welche lösbar, insbesondere mittels einer Klebeverbindung, an dem Trägerband temporär befestigt sind. Die Kopplungselemente sind derart ausgebildet, dass entsprechend ein Kopplungselement mit dem ersten Trägerabschnitt und dem zweiten Trägerabschnitt entlang einer Anordnungsrichtung nacheinander, insbesondere innerhalb einer Anordnungsebene, anordbar sind, sodass entlang der Anordnungsrichtung das erste Trägerelement, das Kopplungselement und das zweite Trägerelement nacheinander angeordnet sind. Mit der Anordnung kann eine zügige Herstellung der Kopplungselemente zwischen den Trägerabschnitten bereitgestellt werden, indem die Kopplungselemente in einem definierten Abstand bereits auf dem aufgerollten Trägerband angeordnet sind.
  • Die Anordnung ist beispielsweise als Tape ausgebildet und bildet somit ein Zwischenprodukt aus. Tape im Sinne einer ,reeled production' bedeutet, dass einer der Komponententräger, d. h. das Trägerelement und/oder das Kopplungselement, entweder auf einem Transport- oder Trägerband temporär befestigt ist oder bereits als Endlosprodukt hergestellt wird, dann mit dem anderen Komponententräger (d. h. dem Trägerelement und/oder dem Kopplungselement) assembliert und auf eine Trommel aufgewickelt wird. Dies erlaubt eine effiziente automatische Fertigung im nachgelagerten Schritt der Aufbringung auf die Batteriezellen.
  • Gemäß einer weiteren beispielhaften Ausführungsform des Verfahrens wird das bereichsweise Einbetten der Zellverbinder in das Trägerelement mittels Umspritzung eines Materials des Trägerelements, insbesondere mittels eines Spritzgußverfahrens, durchgeführt. Beispielsweise werden die Zellverbinder zueinander positioniert und im Anschluss mit einem Material des Trägerelements umgossen bzw. umspritzt. Nach Verfestigung des Materials des Trägerelements wird somit eine robuste tragende Struktur gebildet.
  • Alternativ kann das Trägerelement und/oder das Kopplungselement mit additiven Fertigungsverfahren, beispielsweise mittels 3D Druck hergestellt werden. Ferner alternativ kann beispielsweise in das Trägerelement entsprechend ein Schlitz eingefräst oder eingeschnitten werden, wobei in dem Schlitz der entsprechende Zellverbinder befestigt werden kann. Die Befestigung wird beispielsweise durch eine Klemmwirkung oder zusätzlich durch eine stoffliche Verbindung sichergestellt.
  • Gemäß einer weiteren beispielhaften Ausführungsform des Verfahrens weist das Trägerelement einen ersten Trägerabschnitt auf, welcher den ersten Zellverbinder zumindest teilweise einbettet, und einen zweiten Trägerabschnitt auf, welcher den zweiten Zellverbinder zumindest teilweise einbettet. Der erste Trägerabschnitt und der zweite Trägerabschnitt sind mittels einer elektrisch isolierenden Verbindungsstruktur verbunden. Der erste Trägerabschnitt oder der zweite Trägerabschnitt weist zumindest eine Aufnahmenut zum Aufnehmen der Signalleitung auf.
  • Gemäß dem Verfahren wird das Befestigen der Signalleitung in der Aufnahmenut und insbesondere das Kontaktieren der Signalleitung mit einem der ersten oder zweiten Zellverbinder vor einer Montage des ersten Zellverbinders und/oder des zweiten Zellverbinders an einem der Batteriepole durchgeführt. Somit kann bereits vor der Montage des Systems auf den Batteriepolen eine fertige und robuste Struktur gebildet werden, welche einfach handhabbar ist. Ferner können umfassende Systemtests des Systems vor der Montage auf dem Batteriepol durchgeführt werden.
  • Zusammenfassend kann mit der vorliegenden Erfindung, in welcher die Zellverbinder ausschließlich bereichsweise in einem Trägerelement (beispielsweise im Spritzgussverfahren) eingebettet sind, die folgenden Anforderungen realisiert werden:
    • - Freiliegende Zellverbinder in der Zone der Befestigungsbereiche der Anschlusspole
    • - Zusätzliche Isolation zur Batteriezelle hin
    • - Zumindest teilweise Einbettung damit die Haftung Zellverbinderträgerelement (d.h. Leiter-Isolator) nebst der klebenden Haftung auch durch mechanische Klemmmechanismen unterstützt wird.
    • - Offenlassen der Zellverbinder in Richtung ‚Batterie abgewandt', damit dort eine gute Wärmeableitung erfolgen kann
    • - Potentialshielding in Richtung möglicher Zonen hoher Feldstärken durch das Trägerelement, welches in solchen Zonen lediglich am Leiter anhaften (oder gar nur aufliegen und die Potentialspitzen brechen) muss, die mechanische Langzeitanbindung kann durch die Zone erfolgen, in welcher der Leiter vom Isolator eingebettet (und damit sicher mechanisch verankert) ist.
    • - Umhüllen von scharfkantigen Stanzkanten der Zellverbinder durch das Trägerelement.
  • Um Kosten einzusparen können konventionelle Kabelbäume durch gestanzte Leitersysteme bzw. Zellverbinder ersetzt werden. Insbesondere wenn diese gestanzten Leitersysteme bzw. Zellverbinder ohne zusätzliche Biegeprozesse belastet sind (außer allenfalls für die Kontaktierung der Sensorleitungen in einem sehr kleinen Bereich), entsteht durch die inhärente Materialspannung (eines ursprünglich flachen Bleches), ein in verschiedene Koordinatenrichtungen stabiles System für die automatische Fertigung. Diese Einzelelemente bzw. Zellverbinder lassen sich dann in einem nächsten Schritt in isolierende Kunststoffe, d.h. mit dem Trägerelement, einbetten, was die konventionellen Isolierungen von bekannten Kabelbäumen überflüssig macht und zusätzlich (z.B. durch geeignete Positionierhilfen im Zellenverbinder oder im Trägerelement) eine automatisierte Fertigung ermöglichen oder zumindest unterstützen. Dabei hat sich gezeigt, dass insbesondere das Umspritzen dieser gestanzten Leiter bzw. Zellverbinder ein geeigneter Prozess ist, welcher sich auch problemlos mittels Kunststoffspritzgussmaschinen in hohen Volumina automatisch fertigen lässt.
  • Es wird darauf hingewiesen, dass Ausführungsformen der Erfindung mit Bezug auf unterschiedliche Erfindungsgegenstände beschrieben wurden. Insbesondere sind einige Ausführungsformen der Erfindung mit Vorrichtungsansprüchen und andere Ausführungsformen der Erfindung mit Verfahrensansprüchen beschrieben. Dem Fachmann wird jedoch bei der Lektüre dieser Anmeldung sofort klar werden, dass, sofern nicht explizit anders angegeben, zusätzlich zu einer Kombination von Merkmalen, die zu einem Typ von Erfindungsgegenstand gehören, auch eine beliebige Kombination von Merkmalen möglich ist, die zu unterschiedlichen Typen von Erfindungsgegenständen gehören.
  • Figurenliste
  • Im Folgenden werden zur weiteren Erläuterung und zum besseren Verständnis der vorliegenden Erfindung Ausführungsbeispiele unter Bezugnahme auf die beigefügten Zeichnungen näher beschrieben. Es zeigen:
    • 1 eine schematische Darstellung eines Systems zum Verbinden von Batteriepolen eines Batteriemoduls gemäß einer beispielhaften Ausführungsform.
    • 2 eine schematische Schnittdarstellung eines Systems zum Verbinden von Batteriepolen eines Batteriemoduls gemäß einer beispielhaften Ausführungsform.
    • 3 eine schematische Darstellung eines Systems zum Verbinden von Batteriepolen mit einem Versteifungselement gemäß einer beispielhaften Ausführungsform.
    • 4 eine schematische Darstellung von Kopplungselementen mit Signalleitungen gemäß einer beispielhaften Ausführungsform.
    • 5 eine schematische Darstellung einer mechanischen Steckverbindung gemäß einer beispielhaften Ausführungsform.
    • 6 eine schematische Darstellung eines Systems zum Verbinden einer Vielzahl von Batteriezellen eines Batteriemoduls gemäß einer beispielhaften Ausführungsform.
    • 7 eine schematische Darstellung einer Befestigung eines Zellverbinders an einen Batteriepol gemäß einer beispielhaften Ausführungsform.
    • 8 eine schematische Darstellung eines Zellverbinders mit einem Isolationselement gemäß einer beispielhaften Ausführungsform.
    • 9 eine schematische Darstellung eines Trägerbands für Kopplungselemente gemäß einer beispielhaften Ausführungsform.
    • 10 eine schematische Darstellung einer Befestigung eines Zellverbinders an einen Batteriepol gemäß einer beispielhaften Ausführungsform.
  • Detaillierte Beschreibung von exemplarischen Ausführungsformen
  • Gleiche oder ähnliche Komponenten in unterschiedlichen Figuren sind mit gleichen Bezugsziffern versehen. Die Darstellungen in den Figuren sind schematisch.
  • 1 eine schematische Darstellung eines Systems 100 zum Verbinden von Batteriepolen 101, 102 eines Batteriemoduls 100 gemäß einer beispielhaften Ausführungsform. 2 verdeutlicht in einer Schrittdarstellung die Einbettung des Zellverbinders 110 des Systems 100 aus 1.
  • Das System 100 weist einen ersten elektrisch leitfähigen Zellverbinder 110, welcher zum Befestigen und elektrischen Verbinden von zwei beabstandeten Batteriepolen 101, 102 ausgebildet ist, und einen zweiten elektrisch leitfähigen Zellverbinder 120, welcher zum Befestigen und elektrischen Verbinden von zwei weiteren beabstandeten Batteriepolen 101, 102 ausgebildet ist, auf. Ferner weist das System 100 ein elektrisch isolierendes Trägerelement 130 auf, an welchem der erste Zellverbinder 110 und der zweite Zellverbinder 120 befestigt sind, um mittels des Trägerelements 130 eine tragende Struktur für den ersten Zellverbinder 110 und den zweiten Zellverbinder 120 bereitzustellen, wobei zur Befestigung des ersten Zellverbinders 110 und des zweiten Zellverbinders 120 an dem Trägerelement 130 der erste Zellverbinder 110 und der zweite Zellverbinder 120 ausschließlich mit einem eingebetteten Bereich 104 in das Trägerelement 130 eingebettet sind, so dass Oberflächenbereiche des ersten Zellverbinders 110 und des zweiten Zellverbinders 120 frei von einer Abdeckung mit dem Trägerelement 130 sind. Eine Signalleitung 105 ist zumindest mit einem der ersten und zweiten Zellverbinder 120 gekoppelt.
  • Der elektrisch leitfähige Zellverbinder 110 ist mit einem ersten Befestigungsabschnitt 111 und einem zweiten Befestigungsabschnitt 112 ausgebildet, wobei der erste Befestigungsabschnitt eine erste Durchgangsöffnung zum Aufnehmen des ersten Batteriepols 101 aufweist und wobei der zweite Befestigungsabschnitt eine zweite Durchgangsöffnung zum Aufnehmen des zweiten Batteriepols 102 aufweist. Der erste Befestigungsabschnitt und der zweite Befestigungsabschnitt sind innerhalb einer Anordnungsebene 201 (siehe 2) angeordnet, wobei zumindest der erste Befestigungsabschnitt an der Durchgangsöffnung einen Klemmabschnitt 160 mit zumindest einem elastisch verformbaren Klemmelement 161 aufweist, welches aus der Anordnungsebene 201 (in Richtung Batteriezelle 151) herausgebogen ist und in die erste Durchgangsöffnung derart hineinragt, dass bei Einbringen des ersten Batteriepols 101 das Klemmelement 161 zum Erzeugen einer Klemmkraft vorspannbar ist und eine Klemmverbindung zwischen dem ersten Befestigungsabschnitt 111 und zumindest einer Seitenwand 203 des ersten Batteriepols 101 bereitstellbar ist.
  • Das Batteriemodul 150 definiert eine Baugruppe, welche mehrere prismatische Batteriezellen 151 zusammenfasst, sowie zumindest mittels der Zellverbinder 110, 120 eine elektrische Serienschaltung oder Parallelschaltung der Batteriezellen 151 erreicht wird. Die einzelnen Batteriezellen 151 sind z.B. entlang einer Raumrichtung (x-Achse) nebeneinander angeordnet. Jede Batteriezelle 151 weist insbesondere zwei Batteriepole 101, 102, jeweils einen + Pol 102 und einen - Pol 101, auf. Die benachbarte zweite Batteriezelle 151 weist entsprechend ebenfalls zwei Batteriepole 101, 102 auf. Die Zellverbinder 110, 120 werden eingesetzt, um den + Pol (bzw. - Pol) 101, 102 einer Batteriezelle 151 mit dem entsprechenden - Pol (bzw. + Pol) 101, 102 der benachbarten Batteriezelle 151 zu verbinden.
  • Das Trägermaterial des Trägerelements 130 besteht aus einem elektrisch isolierenden Material, wie beispielsweise einem (insbesondere spritzgussfähigem) Kunststoffmaterial. An dem Trägermaterial 130 ist der erste Zellverbinder 110 und der zweite Zellverbinder 120 befestigt. Das Trägermaterial ist derart fest mit dem ersten Zellverbinder 110 und dem zweiten Zellverbinder 120 verbunden, dass zusammen eine selbsttragende Einheit geschaffen wird.
  • Dabei wird erfindungsgemäß der erste Zellverbinder 110 und der zweite Zellverbinder 120 teilweise in einem eingebetteten Bereich 104 in das Trägerelement 130 eingebettet. Unter dem Begriff „Einbetten“ wird im Folgenden verstanden, dass die Zellverbinder 110, 120 zumindest teilweise von dem Material des Trägerelements 130 umgeben sind, sodass das Trägermaterial den Zellverbinder 110, 120 zumindest teilweise umschließt. Wie in 2 dargestellt weist das Trägermaterial 130 beispielsweise einen Aufnahmeschlitz auf, in welchem ein Bereich des Zellverbinders 110, 120 vorliegt, sodass das Trägermaterial zwei gegenüberliegende Oberflächen 206, 207 und die die Oberflächen verbindende Stirnseite des Zellverbinders 110, 120 umschließt und entsprechend eingebettet. Bevorzugt wird eine entsprechende Einbettung in einem Spritzgussverfahren umgesetzt.
  • Insbesondere bleiben an dem Zellverbinder 110, 120 die Kontaktbereiche insbesondere in den entsprechenden Durchgangsöffnungen, in welchen die Batteriepole 101, 102 eingesteckt werden können, frei von einer Überdeckung des Trägermaterials des Trägerelements 130, um eine elektrische Kontaktfähigkeit bereitzustellen.
  • Trägerabschnitte 131, 132 des Trägerelements 130 sind dabei beispielsweise mit einem U-förmigen Abschnitt bzw. eingebetteten Bereich 104 ausgebildet, in welchem die Zellverbinder 110, 120 eingebettet sind. Somit wird nur ein geringer Oberflächenbereich, beispielsweise zwischen 10 % und 30 % einer Gesamtfläche eines Zellverbinders 110, 120, mit dem Trägerelement 130 abgedeckt und eingebettet.
  • Zudem wird eine Signalleitung 105 an den ersten Zellverbinder 110 oder den zweiten Zellverbinder 120 gekoppelt. Die Signalleitung 105 ist dabei an dem entsprechenden Zellverbinder 110, 120 befestigt und kann ferner elektrisch leitend an den Zellverbinder 110, 120 angeordnet sein.
  • Der erste Zellverbinder 110, der zweite Zellverbinder 120 und das Trägerelement 130 sind innerhalb der gemeinsamen Anordnungsebene 201 angeordnet. Mit anderen Worten sind die Zellverbinder 110, 120 und das Trägerelement 130 nebeneinander innerhalb der gemeinsamen Anordnungsebene 201 angeordnet.
  • Der erste Zellverbinder 110 und der zweite Zellverbinder 120 bilden ausgestanzte Flachkomponenten aus.
  • Der erste Trägerabschnitt 131 und der zweite Trägerabschnitt 132 sind mittels einer elektrisch isolierenden Verbindungsstruktur 103 verbunden. Der erste Trägerabschnitt 131, der zweite Trägerabschnitt 132 und die Verbindungsstruktur 103 bilden eine selbsttragende Einheit.
  • Die Verbindungsstruktur 130 ist zum Ausgleich einer Abstandsänderung (insbesondere entlang der x-Achse) zwischen dem ersten Zellverbinder 110 und dem zweiten Zellverbinder 120 verformbar ausgebildet. Die Verbindungsstruktur 103 besteht aus einem elastisch verformbaren Material, um eine entsprechende Abstandsänderung zwischen zwei Zellverbindern 110, 120 auszugleichen, ohne zu brechen. Dabei kann die Verbindungsstruktur 103 derart ausgebildet werden, dass entlang einer vorbestimmten Raumrichtung eine elastische Verformung möglich ist. Entlang einer ersten Raumrichtung (zum Beispiel x-Achse) werden die einzelnen Batteriezellen 151 nebeneinander angeordnet und entsprechend mit den Zellverbindern 110, 120 verbunden. Eine zur ersten Raumrichtung orthogonale zweite Raumrichtung (zum Beispiel y-Achse) beschreibt eine Erstreckung der Batteriezelle in der Anordnungsebene 201. Eine dritte Raumrichtung (z-Achse), welche beispielsweise parallel zu der Normalen der Anordnungsebene 201 ist und entlang welcher sich die Batteriepol 101, 102 von einem Zellverbinder 110, 120 erstrecken, steht insbesondere orthogonal zu der ersten Raumrichtung (x-Achse) und der zweiten Raumrichtung (y-Achse).
  • Die Verbindungsstruktur 103 weist einen schleifenförmigen, kurvenförmigen bzw. wellenförmigen, insbesondere mäanderförmigen, Verlauf auf. Der Verlauf der Verbindungsstruktur 103 verläuft insbesondere innerhalb der Anordnungsebene 201, in welcher ebenfalls der erste Zellverbinder 110 und der zweite Zellverbinder 120 angeordnet sind. Der Verlauf ist derart ausgebildet, dass die Steifigkeit in x-Richtung kleiner ist als in y-Richtung und/oder z-Richtung. Somit können Ausdehnungen oder Schrumpfungen in x-Richtung ausgeglichen werden, ohne dass es zu Verspannungen und entsprechenden Defekten in der Verbindungsstruktur 102 bzw. in den Zellverbindern 110, 120 kommt.
  • Zur temporären Versteifung des ersten Trägerabschnitts 131 oder des zweiten Trägerabschnitts 132 ist ein Versteifungselement 109 lösbar befestigbar. Das Versteifungselement 109 führt dazu, dass während der Montage des Systems 100 an Batteriepolen 101, 102 die Zellverbinder 110, 120 und das Trägerelement 130 versteift und somit robuster sind, sodass die Handhabung insbesondere mittels automatisierter Werkzeuge einfacher ist und zu weniger Schäden an dem System 100 während der Montage führt.
  • Beispielsweise kann entlang der Anordnungsebene 201 ein Verstärkungsbalken 109 an dem Trägerelement 130 befestigt werden, um eine Versteifung herbeizuführen. Nachdem das System 100 an den Batteriepolen 101, 102 befestigt ist, kann der Verstärkungsbalken 109 entfernt werden. Insbesondere kann hierzu eine Sollbruchstelle zwischen dem Trägerelement 130 einerseits und dem Verstärkungsbalken 109 andererseits vorgesehen werden, sodass ein einfaches Entfernen mittels Wegbrechens des Verstärkungsbalkens 109 vorgesehen werden kann. Das Verstärkungselement 109 führt insbesondere zu einer Versteifung des Systems in x-Richtung.
  • Der erste Trägerabschnitt 131 und/oder der zweite Trägerabschnitt 132 weisen mehrere Aufnahmenuten 202 zum Aufnehmen von Signalleitungen 105 auf. Somit erhält das Trägerelement 130 die zusätzliche Funktion zur stabilen und geschützten Führung der Signalleitung 105.
  • Ferner weist die Signalleitung 105 einen mäanderförmigen Verlauf mit einem U-förmigen Abschnitt auf, wobei das Trägerelement 130 eine Zugentlastungsstruktur 113 aufweist. Die Zugentlastungsstruktur 113 ist derart ausgebildet, dass die Zugentlastungsstruktur 113 in den U-förmigen Abschnitt eingreift, um die Signalleitung 105 zu fixieren. Die Zugentlastungsstruktur 113 bildet beispielsweise einen Vorsprung aus dem Trägerelement 130 entlang einer ersten Richtung (zum Beispiel y-Richtung) aus, welcher in den U-förmigen Abschnitt der Signalleitung 105 eingreift.
  • Somit kann beispielsweise bei einer Zugkraft senkrecht zu der ersten Richtung (zum Beispiel in x-Richtung) der U-förmige Abschnitt gegen den Vorsprung gedrückt werden, sodass der Vorsprung eine Zugentlastung bewirkt.
  • Das System 100 weist ferner ein Kopplungselement 140 auf, welches zwischen dem ersten Trägerabschnitt 131 und dem zweiten Trägerabschnitt 132, insbesondere lösbar, befestigt ist. Das Kopplungselement 140 ist mit dem ersten Trägerabschnitt 131 und dem zweiten Trägerabschnitt 131 entlang einer Anordnungsrichtung nacheinander, insbesondere innerhalb einer Anordnungsebene 201, angeordnet, sodass entlang der Anordnungsrichtung (x-Richtung) das erste Trägerelement 130, das Kopplungselement 140 und das zweite Trägerelement 130 nacheinander angeordnet sind. Das Kopplungselement 140 koppelt dabei z.B. den ersten Trägerabschnitt 131 und den zweiten Trägerabschnitt 132 eines Trägerelements 130 oder einen ersten Trägerabschnitt 131 eines ersten Trägerelements 130 mit einem zweiten Trägerabschnitt 132 eines zweiten Trägerelement 130, sodass eine robustere Struktur des Systems 100 bereitgestellt wird.
  • Das Kopplungselement 140 weist eine weitere Aufnahmenut (zum Beispiel eine offene Nut oder eine als Bohrung ausgebildete geschlossene Nut) zum Aufnehmen der Signalleitung 105 auf.
  • Das Kopplungselement 140 weist ferner beispielsweise eine elektrische Steckervorrichtung 141 auf zum Koppeln einer Signalkomponente, insbesondere einer weiteren Signalleitung. Die elektrische Steckervorrichtung 141 ist insbesondere als Steckerbuchse ausgebildet.
  • Der erste Befestigungsabschnitt 111 und der zweite Befestigungsabschnitt 112 sind mittels einer leitfähigen Verbindung 106 miteinander verbunden. Die leitfähigen Verbindung 106 kann integral und monolithisch mit dem ersten und zweiten Befestigungsabschnitt 111, 112 ausgebildet sein. Insbesondere kann in einem Stanzprozess der Zellverbinder 110, 120 zusammen mit den Befestigungsabschnitten 111, 112 und der leitfähigen Verbindung 106 hergestellt werden.
  • Die leitfähige Verbindung 106 ist als bandförmiger Leiter ausgebildet. Der bandförmige Leiter verläuft insbesondere innerhalb der Anordnungsebene 201, in welcher ebenfalls der erste Befestigungsabschnitt 111 und der zweite Befestigungsabschnitt 112 angeordnet sind. Der Verlauf ist derart ausgebildet, dass die Steifigkeit in x-Richtung kleiner ist als in y-Richtung und/oder z-Richtung. Somit können Ausdehnungen oder Schrumpfungen in x-Richtung ausgeglichen werden, ohne dass es zu Verspannungen und entsprechenden Defekten in der leitfähigen Verbindung 106 bzw. in den Zellverbindern 110, 120 kommt. Der Leiter 106 weist zum Ausgleich einer Abstandsänderung zwischen dem ersten Befestigungsabschnitt 111 und dem zweiten Befestigungsabschnitt 112 einen schleifenförmigen, kurvenförmigen oder wellenförmigen, insbesondere mäanderförmigen, Verlauf auf.
  • Zumindest der erste Befestigungsabschnitt 111 und der zweite Befestigungsabschnitt 112 weisen an ihren rechteckigen Durchgangsöffnungen den entsprechenden Klemmabschnitt 160 auf, welcher in der beispielhaften Ausführungsform vier gegenüberliegende elastisch verformbare Klemmelemente 161 aufweist. Wie in 2 zu erkennen, sind die Klemmelemente 161 aus der Anordnungsebene 201 herausgebogen.
  • Die Kernelemente 161 können aufgrund ihrer Dimensionierung und der Materialauswahl derart konfiguriert werden, dass die Rückstellkraft bzw. Klemmkraft derart groß ist, dass ein Verschieben des Batteriepols 101, 102 in Einsteckrichtung (in z-Richtung), d. h. senkrecht zu Anordnungsebene 201, unterbunden wird.
  • Die Klemmkräfte der Klemmelemente 161 werden dabei derart konfiguriert, dass die Klemmkraft an zumindest zwei gegenüberliegenden Seitenwänden 203 eines Batteriepols 101, 102 ungefähr gleich ist. So entsteht eine kräfteneutrale und dadurch weitgehend verzugslose Verbindung zwischen Zellverbinder 110, 120 und Batteriepol 101, 102.
  • Entsprechend kann der Klemmabschnitt weitere elastisch verformbare Klemmelemente 161 aufweisen, welche an der Durchgangsöffnung gegenüberliegend zueinander angeordnet sind und aus der Anordnungsebene 201 herausgebogen sind, so dass der Batteriepol 101, 102 zwischen die Klemmelemente 161 einschiebbar ist und eine kraftsymmetrische Klemmkraft um den Batteriepol 101, 102 bereitstellbar ist.
  • Durch die Seitenwandkontaktierung des Klemmelements 161 an der Seitenwand 203 des Batteriepols 101, 102 bleibt insbesondere die freie Stirnfläche bzw. Poloberfläche 204 des Batteriepols 101, 102 frei, sodass beispielsweise eine gute thermische Ableitung, beispielsweise an die Umgebung oder an einen angekoppelten Kühlkörper 208 eines Kühlsystems, ermöglicht wird.
  • Ferner weist das System 100 einen Sensor 107, insbesondere einen Temperatursensor, einen Spannungssensor oder einen Leistungssensor auf, welcher auf dem ersten Zellverbinder 110 oder auf dem zweiten Zellverbinder 120 angeordnet ist bzw. in diesem integriert ist. Der Sensor 107 ist insbesondere an eine der Signalleitungen 105 gekoppelt, um Signale zu empfangen oder weiterzugeben.
  • Wie in 2 verdeutlicht wird, weist der Batteriepol 101, 102 eine freie Poloberfläche 204 auf. Der erste Batteriepol 101 ragt z.B. von einem Grundkörper 205 einer Batteriezelle 151 hervor, wobei der erste Batteriepol 101 in der ersten Durchgangsöffnung derart angeordnet ist, dass eine zum Grundkörper 205 der Batteriezelle 151 gerichtete erste Oberfläche 206 des ersten Zellverbinders 110 näher an dem Grundkörper 205 vorliegt als die Poloberfläche 204.
  • Insbesondere der erste Batteriepol 101 ist in der ersten Durchgangsöffnung derart angeordnet, dass die Poloberfläche 204 koplanar mit einer, der ersten Oberfläche 206 gegenüberliegenden zweiten Oberfläche 207 des ersten Zellverbinders 110 ist, sodass eine gemeinsame Koppelfläche bereitstellbar ist. Die Koppelfläche erstreckt sich und liegt beispielsweise innerhalb der Anordnungsebene 201. Somit wird eine homogene Koppelfläche gebildet, an welcher in einfacher Art und Weise externe Komponenten, wie beispielsweise der Kühlkörper 208, angeordnet werden können, sodass ein großer Flächenkontakt zwischen der Poloberfläche 204 und dem Zellverbinder 110 einerseits und der externen Komponente andererseits bereitgestellt wird.
  • Der Kühlkörper 208 liegt insbesondere flächig auf der Koppelfläche zur thermischen Kopplung auf. Der Kühlkörper 208 kann beispielsweise Kühlleitungen 209 aufweisen, welche mit einem Kühlmedium, beispielsweise einem flüssigen Fluid, durchströmt wird.
  • 3 zeigt eine schematische Darstellung eines Systems 100 zum Verbinden von Batteriepolen 101, 102 mit einem Versteifungselement 109 vor dem Befestigen an entsprechenden Batteriepolen101, 102.
  • 4 zeigt eine schematische Darstellung von Kopplungselementen 140 mit Signalleitungen 105 gemäß einer beispielhaften Ausführungsform. Die Signalleitungen 105 sind dabei in entsprechenden Aufnahmenuten der Kopplungselemente 140 angeordnet. Ferner sind Sensoren 107 an einem Ende von entsprechenden Signalleitungen 105 angeordnet. Die Anordnung in 4 kann beispielsweise vorgefertigt werden und auf einem entsprechenden Trägerband 901 (siehe 9) aufgerollt werden.
  • Parallel zur Herstellung der in 4 dargestellten Anordnung können beispielsweise die Zellverbinder 110, 120 zusammen mit dem Trägerelement 130 hergestellt werden. Zunächst werden dabei beispielsweise die Zellverbinder 110, 120 gestanzt und anschließend mit dem Trägerelement 130 im Rahmen eines Spritzgussverfahrens eingebettet. Zugleich kann im Spritzgussverfahren ebenfalls das Versteifungselement 109 an dem Trägerelement 130 angeordnet werden.
  • Vor Montage an einem Batteriemodul 150 können die in 4 dargestellte Anordnung bestehend aus den Kopplungselementen 140 zusammen mit den Signalleitungen 105 und Sensoren 107 an die Trägerelemente 130 gemäß der Anordnung aus 3 befestigt werden. Das so hergestellte System 100 ist mit dem Versteifungselement 109 verstärkt und kann somit in robuster Art und Weise auf eine Vielzahl von Batteriepolen 101, 102 von Batteriezellen 151 eines Batteriemoduls 150 in einem Verfahrensschritt befestigt werden.
  • 5 zeigt eine schematische Darstellung einer mechanischen Steckverbindung gemäß einer beispielhaften Ausführungsform. Das Kopplungselement 140 weist mit einem Trägerelement 131, 132 eine mechanische Steckverbindung auf, wobei die mechanische Steckverbindung mit zumindest einer Führungsschiene 502 und einem komplementären, in die Führungsschiene 502 steckbaren Gleitelement 501 ausgebildet ist. Die Führungsschiene 502 und das komplementäre Gleitelement 501 (zum Beispiel ein Gleitstift) erstrecken sich insbesondere entlang einer Gleitrichtung, beispielsweise der x-Achse, entlang welcher Ausdehnungskompensationen gewünscht sind. Das Kopplungselement 140 ist mit den Trägerabschnitten 131, 132 entlang einer Steckrichtung somit gleitend gelagert.
  • Ein entsprechender Trägerabschnitt 131, 132 kann beispielsweise eine Vielzahl von in x-Richtung hervorragenden Gleitelementen 501 aufweisen und zwischen den Gleitelementen 501 entsprechende Nuten, welche als Führungsschienen 502 fungieren. Das Kopplungselement 140 weist entsprechende komplementäre Nuten und hervorragende Gleitelemente 501 auf, sodass eine entsprechende Steckkopplung zwischen den Kopplungselementen 140 und den Trägerabschnitten 131, 132 umgesetzt wird.
  • Die mechanische Steckverbindung ist ferner derart konfiguriert, dass entlang einer Richtung (z.B. entlang der z-Achse) senkrecht zur Anordnungsebene 201 die mechanische Steckverbindung einen Freiheitsgrad aufweist und entlang einer der Richtung entgegengerichteten Richtung (z.B. entlang der z-Achse) keinen Freiheitsgrad aufweist. Dies kann beispielsweise umgesetzt werden, indem die Führungsschienen 502 ein offenes U-Profil aufweisen, sodass durch die offene Seite des U-Profils die entsprechenden Gleitelemente 501 aus den Führungsschienen 502 entnommen werden können.
  • 6 zeigt eine schematische Darstellung eines Systems 100 zum Verbinden einer Vielzahl von Batteriezellen 151 eines Batteriemoduls 150 gemäß einer beispielhaften Ausführungsform. Es wird deutlich, dass eine Vielzahl von Batteriezellen 151, welche insbesondere entlang einer Anordnungsrichtung (zum Beispiel x- Achse) angeordnet sind, vorgesehen werden können. Ferner können beispielsweise auch parallel geschaltete Batteriezellen 151 angeordnet werden. Das System 100 kann ferner an Randbereichen einen ersten Systemkontakt 601 und einen zweiten Systemkontakt 602 aufweisen, an welchen die entsprechende Batterieleistung des Batteriemoduls 150 entnommen werden kann.
  • In 6 werden insbesondere zwei Reihen von Zellverbinder 110, 120 gezeigt. Diese können in einer weiteren beispielhaften Ausführungsform zudem mittels elektrisch isolierender Rahmenelemente 603, 604 verstärkt werden, um einen robusten Träger- bzw. Montagerahmen zu bilden. Die Rahmenelenente 603 sind beispielsweise an den Trägerabschnitten 131 befestigt, um eine versteifende Rahmenstruktur mit beiden gegenüberliegenden Reihen von Zellverbindern 110, 120 zu schaffen. Ferner können alternativ oder zusätzlich weitere Rahmenelemente 604 angeordnet werden, welche an den Verbindungsstrukturen 103 der gegenüberliegenden Zellverbinder 110, 120 befestigt sind. Die Rahmenelemente 603, 604 können in einem gemeinsamen Spritzgussverfahren zusammen mit den Trägerelementen 130 hergestellt werden. Entsprechend können die Rahmenelemente 603, 604 aus demselben Material wie die Trägerelemente 130 hergestellt werden. Alternativ können die Rahmenelemente 603, 604 aus einem unterschiedlichen Material wie die Trägerelemente 130 hergestellt werden.
  • Somit wird eine robuste und selbstragende Rahmenstruktur gebildet, mit welcher zwei oder mehr Reihen von Batteriepolen 101, 102 in einem Montageschritt mit den Zellverbindern 110, 120 elektrisch und mechanisch gekoppelt werden können.
  • 7 zeigt eine schematische Darstellung einer Befestigung eines Zellverbinders 110 an einen Batteriepol 101 gemäß einer beispielhaften Ausführungsform. Die Klemmelemente 161 weisen jeweils einen Biegeabschnitt 162 und einen Kontaktabschnitt 163 auf, wobei der Biegeabschnitt 162 mit dem ersten Befestigungsabschnitt 111 integral verbunden ist und eine Biegung aus der Anordnungsebene 201 aufweist. Der Biegeabschnitt 162 ist mit dem Kontaktabschnitt 163 integral verbunden. Der Kontaktabschnitt 163 weist eine Klemmfläche auf, welche mit der Seitenwand 203 des ersten Batteriepols 101 kraftübertragend koppelbar ist. Je größer die Klemmfläche, desto besser kann Strom zwischen dem Klemmelement 161 und dem Batteriepol 101 übertragen werden.
  • Der Kontaktabschnitt 163 ist derart ausgebildet, dass die Klemmfläche des Kontaktabschnitts 163 im ungespannten Zustand von einem Rand der Durchgangsöffnung, insbesondere pyramidal oder konisch, in Richtung Zentrum der Durchgangsöffnung verläuft. Das Klemmelement 161 weist einen Endabschnitt 164 mit einem freien Ende auf, wobei der Kontaktabschnitt 163 zwischen dem Biegeabschnitt 162 und dem Endabschnitt 164 angeordnet ist. Der Endabschnitt 164 verläuft gegenüber der Klemmfläche des Kontaktabschnitts 163 derart, dass der Endabschnitt 164 kontaktfrei zu der Seitenwand 203 des ersten Batteriepols 101 ist, wenn die Klemmfläche mit der Seitenwand 203 des ersten Batteriepols 101 kraftübertragend gekoppelt ist. Da das freie Ende von der Seitenwand 203 weggebogen ist, können beispielsweise Montagehilfsmittel einfacher das Klemmelement 161 an dem freien Ende greifen und wegbewegen, um entsprechend eine Montagehilfe zu geben.
  • Ferner kann ein Spannring 165 um die Klemmelemente 161 angeordnet werden, um ein Lösen der Klemmverbindung zu verhindern. Der Spannring 165 ist insbesondere lösbar um die Klemmelemente 161 verspannt und drückt diese gleichmäßig in die Mitte der Durchgangsöffnung und somit gegen Seitenwände 203 eines eingeschobenen Batteriepols 101.
  • 8 zeigt eine schematische Darstellung eines Zellverbinders 110 mit einem Isolationselement 801 gemäß einer beispielhaften Ausführungsform. Das Isolationselement 801 besteht insbesondere aus einem elektrisch isolierenden Material, wie beispielsweise Kunststoff. Ferner kann das Isolationselement 801 integral und monolithisch an das Kopplungselement 140 oder das Trägerelement 130 gekoppelt sein. Das Isolationselement 801 ist insbesondere an der leitfähigen Verbindung 106 eines Zellverbinders 110 angeordnet. Insbesondere ist das Isolationselement 801 zwischen dem Zellverbinder 110 und dem Grundkörper 205 einer Batteriezelle 105 mit einem ausreichend großen Abstand 802 angeordnet.
  • 9 zeigt eine schematische Darstellung eines aufrollbaren Trägerbands 901 für Kopplungselemente 140 gemäß einer beispielhaften Ausführungsform. Eine Vielzahl von Kopplungselementen 140 (oder auch Trägerelementen 130) sind lösbar, insbesondere mittels einer Klebeverbindung, an dem Trägerband 901 temporär befestigt sind.
  • 10 zeigt eine schematische Darstellung einer Befestigung eines Zellverbinders 110 an einen Batteriepol 101, 102 gemäß einer beispielhaften Ausführungsform. In diesem Ausführungsbeispiel sind die Klemmelemente 161 nach außen gebogen. Der Zellverbinder 110 weist beispielsweise die erste Oberfläche 206 auf, welche in Richtung der Batteriezelle 151 gerichtet ist. Die Klemmelemente 161 sind in Richtung einer zweiten Oberfläche 207 des Zellverbinders 110 gebogen, welche der ersten Oberfläche 206 gegenüberliegt. Entsprechend kann beispielsweise der Zellverbinder 110 näher an der Batteriezelle 151 angeordnet werden. Gleichzeitig bilden die Klemmelemente 161 eine ausreichende Klemmfläche mit den entsprechenden Seitenwänden 203 der Batteriepole 101, 102 aus.
  • Ergänzend ist darauf hinzuweisen, dass „umfassend“ keine anderen Elemente oder Schritte ausschließt und „eine“ oder „ein“ keine Vielzahl ausschließt. Ferner sei darauf hingewiesen, dass Merkmale oder Schritte, die mit Verweis auf eines der obigen Ausführungsbeispiele beschrieben worden ist, auch in Kombination mit anderen Merkmalen oder Schritten anderer oben beschriebener Ausführungsbeispiele verwendet werden können. Bezugszeichen in den Ansprüchen sind nicht als Einschränkung anzusehen.
  • Bezugszeichenliste
    • 100
    System
    101
    Batteriepol
    102
    Batteriepol
    103
    Verbindungsstruktur
    104
    eingebetteter Bereich
    105
    Signalleitung
    106
    leitfähige Verbindung
    107
    Sensor
    108
    weitere Verbindungsstruktur
    109
    Versteifungselement
    110
    erster Zellverbinder
    111
    erster Befestigungsabschnitt
    112
    zweiter Befestigungsabschnitt
    113
    Zugentlastungsstruktur
    120
    zweiter Zellverbinder
    130
    Trägerelement
    131
    erster Trägerabschnitt
    132
    zweiter Trägerabschnitt
    140
    Kopplungselement
    141
    Steckervorrichtung
    150
    Batteriemodul
    151
    Batteriezelle
    160
    Klemmabschnitt
    161
    Klemmelement
    162
    Biegeabschnitt
    163
    Kontaktabschnitt
    164
    Endabschnitt
    165
    Spannring
    201
    Anordnungsebene
    202
    Aufnahmenut
    203
    Seitenwand
    204
    Poloberfläche
    205
    Grundkörper
    206
    erste Oberfläche
    207
    zweite Oberfläche
    208
    Kühlkörper
    209
    Kühlkanal
    501
    Gleitelement
    502
    Führungsschiene
    601
    erster Systemkontakt
    602
    zweiter Systemkontakt
    603
    Rahmenelement
    604
    weiteres Rahmenelement
    801
    Isolationselement
    802
    Abstand Grundkörper/Isolationselement
    901
    aufrollbares Trägerband

Claims (32)

  1. System (100) zum Verbinden von Batteriepolen (101, 102) von einzelständigen prismatischen Batteriezellen (151) eines Batteriemoduls (150), welches eine Kapazität von mehr als 500 Wh aufweist, das System (100) aufweisend einen ersten elektrisch leitfähigen Zellverbinder (110), welcher zum Befestigen und elektrischen Verbinden von zwei beabstandeten Batteriepolen (101, 102) ausgebildet ist, einen zweiten elektrisch leitfähigen Zellverbinder (120), welcher zum Befestigen und elektrischen Verbinden von zwei weiteren beabstandeten Batteriepolen ausgebildet ist, ein elektrisch isolierendes Trägerelement (130), an welchem der erste Zellverbinder (110) und der zweite Zellverbinder (120) befestigt sind, um mittels des Trägerelements (130) eine tragende Struktur für den ersten Zellverbinder (110) und den zweiten Zellverbinder (120) bereitzustellen, wobei zur Befestigung des ersten Zellverbinders (110) und des zweiten Zellverbinders (120) an dem Trägerelement (130) der erste Zellverbinder (110) und der zweite Zellverbinder (120) ausschließlich bereichsweise in das Trägerelement (130) eingebettet sind, so dass Oberflächenbereiche des ersten Zellverbinders (110) und des zweiten Zellverbinders (120) frei von einer Abdeckung mit dem Trägerelement (130) sind, und zumindest eine Signalleitung (105), welche an zumindest einem der ersten und zweiten Zellverbinder (110, 120) gekoppelt ist.
  2. System (100) gemäß Anspruch 1, wobei der erste Zellverbinder (110), der zweite Zellverbinder (120) und das Trägerelement (130) innerhalb einer gemeinsamen Anordnungsebene (201) angeordnet sind.
  3. System (100) gemäß Anspruch 1 oder 2, wobei der erste Zellverbinder (110) und der zweite Zellverbinder (120) ausgestanzte Flachkomponenten ausbilden.
  4. System (100) gemäß Anspruch 3, wobei der erste Zellverbinder (110) und/oder der zweite Zellverbinder (120) aus einem, insbesondere mehrlagigen, Blech bestehen.
  5. System (100) gemäß einem der Ansprüche 1 bis 4, wobei das Trägerelement (130) einen ersten Trägerabschnitt (131) aufweist, welcher den ersten Zellverbinder (110) zumindest teilweise einbettet, und einen zweiten Trägerabschnitt (132) aufweist, welcher den zweiten Zellverbinder (120) zumindest teilweise einbettet, wobei der erste Trägerabschnitt (131) und der zweite Trägerabschnitt (132) mittels einer elektrisch isolierenden Verbindungsstruktur (103) verbunden sind.
  6. System (100) gemäß Anspruch 5, wobei die Verbindungsstruktur (103) zum Ausgleich einer Abstandsänderung zwischen dem ersten Zellverbinder (110) und dem zweiten Zellverbinder (120) verformbar ausgebildet ist.
  7. System (100) gemäß Anspruch 6, wobei die Verbindungsstruktur (103) einen schleifenförmigen, kurvenförmigen oder wellenförmigen, insbesondere mäanderförmigen, Verlauf aufweist.
  8. System (100) gemäß einem der Ansprüche 5 bis 7, wobei zur temporären Versteifung des ersten Trägerabschnitts (131) oder des zweiten Trägerabschnitts (132) ein Versteifungselement (109) lösbar befestigbar ist.
  9. System (100) gemäß einem der Ansprüche 5 bis 8, wobei zumindest der erste Trägerabschnitt (131) oder der zweite Trägerabschnitt (132) zumindest eine Aufnahmenut (202) zum Aufnehmen der Signalleitung (105) aufweist.
  10. System (100) gemäß einem der Ansprüche 5 bis 9, ferner aufweisend ein Kopplungselement (140), welches zwischen dem ersten Trägerabschnitt (131) und dem zweiten Trägerabschnitt (132), insbesondere lösbar, befestigt ist, wobei das Kopplungselement (140) mit dem ersten Trägerabschnitt (131) und dem zweiten Trägerabschnitt (132) entlang einer Anordnungsrichtung nacheinander, insbesondere innerhalb einer Anordnungsebene (201), angeordnet sind, sodass entlang der Anordnungsrichtung das erste Trägerelement (130), das Kopplungselement (140) und das zweite Trägerelement (130) nacheinander angeordnet sind.
  11. System (100) gemäß Anspruch 10, wobei das Kopplungselement (140) eine weitere Aufnahmenut zum Aufnehmen der Signalleitung (105) aufweist.
  12. System (100) gemäß einem der Ansprüche 1 bis 11, wobei die Signalleitung (105) eine integrierte Stromsicherung, insbesondere eine Schmelzsicherung, aufweist, wobei die Signalleitung (105) insbesondere mit einem Sicherungsbereich mit einer definierten Querschnittsreduktion derart ausgebildet ist, dass die Querschnittsreduktion die Schmelzsicherung bereitstellt.
  13. System (100) gemäß Anspruch 12, wobei das Kopplungselement (140) eine elektrische Steckervorrichtung (141) aufweist zum Koppeln einer Signalkomponente, insbesondere einer weiteren Signalleitung (105).
  14. System (100) gemäß einem der Ansprüche 10 bis 13, wobei das Kopplungselement (140) mit zumindest dem erste Trägerabschnitt (131) oder dem zweite Trägerabschnitt (132) eine mechanische Steckverbindung aufweist, wobei die mechanische Steckverbindung mit zumindest einer Führungsschiene (502) und einem komplementären, in die Führungsschiene steckbaren Gleitelement (501) ausgebildet ist.
  15. System (100) gemäß Anspruch 14, wobei die mechanische Steckverbindung derart ausgebildet ist, dass das Kopplungselement (140) mit zumindest dem ersten Trägerabschnitt (131) oder dem zweiten Trägerabschnitt (132) entlang einer Steckrichtung gleitend gelagert sind.
  16. System (100) gemäß Anspruch 14 oder 15, wobei die mechanische Steckverbindung derart konfiguriert ist, dass eine Steckrichtung der Steckverbindung parallel zur Anordnungsrichtung ausgebildet ist.
  17. System (100) gemäß einem der Ansprüche 14 bis 16, wobei die mechanische Steckverbindung ferner derart konfiguriert ist, dass entlang einer ersten Richtung senkrecht zu der Anordnungsebene (201) die mechanische Steckverbindung einen Freiheitsgrad aufweist und entlang einer der ersten Richtung entgegengerichteten zweiten Richtung keinen Freiheitsgrad aufweist.
  18. System (100) gemäß einem der Ansprüche 1 bis 17, wobei zumindest der erste Zellverbinder (110) einen ersten Befestigungsabschnitt (111) und einen zweiten Befestigungsabschnitt (112) aufweist, wobei der erste Befestigungsabschnitt (111) zum Befestigen und elektrischen Verbinden eines ersten Batteriepols (101), insbesondere einer ersten Batteriezelle (151), ausgebildet ist, und wobei der zweite Befestigungsabschnitt (112) zum Befestigen und elektrischen Verbinden eines zweiten Batteriepols (102), insbesondere einer zweiten Batteriezelle (151), ausgebildet ist.
  19. System (100) gemäß Anspruch 18, wobei der erste Befestigungsabschnitt (111) und der zweite Befestigungsabschnitt (112) mittels einer leitfähigen Verbindung (106) miteinander verbunden sind.
  20. System (100) gemäß Anspruch 19, wobei die leitfähige Verbindung (106) einen, insbesondere bandförmigen, Leiter aufweist.
  21. System (100) gemäß Anspruch 20, wobei der Leiter zum Ausgleich einer Abstandsänderung zwischen dem ersten Befestigungsabschnitt (111) und dem zweiten Befestigungsabschnitt (112) einen schleifenförmigen, kurvenförmigen oder wellenförmigen, insbesondere mäanderförmigen, Verlauf aufweist.
  22. System (100) gemäß einem der Ansprüche 18 bis 21, ferner aufweisend ein elektrisch isolierendes Isolationselement (801), welches insbesondere im Bereich der leitenden Verbindung (106) an zumindest dem ersten Zellverbinder (110) angeordnet ist, um eine elektrische Isolation zwischen dem ersten Zellverbinder (110) und einer der Batteriezellen (151) bereitzustellen.
  23. System (100) gemäß einem der Ansprüche 18 bis 22, wobei der erste Befestigungsabschnitt (111) und der zweite Befestigungsabschnitt (112) jeweils eine Durchgangsöffnung zum Aufnehmen eines der Batteriepole aufweist, wobei der entsprechende Befestigungsabschnitt (111, 112) an der entsprechenden Durchgangsöffnung einen Klemmabschnitt (160) mit zumindest einem elastisch verformbaren Klemmelement (161) aufweist, welches aus der Anordnungsebene (201) herausgebogen ist und in die erste Durchgangsöffnung derart hineinragt, dass bei Einbringen des ersten Batteriepols (101) das Klemmelement (161) zum Erzeugen einer Klemmkraft vorspannbar ist und eine Klemmverbindung zwischen dem ersten Befestigungsabschnitt (111) und zumindest einer Seitenwand (203) des ersten Batteriepols (101) bereitstellbar ist.
  24. System (100) gemäß einem der Ansprüche 1 bis 23, ferner aufweisend einen Sensor (107), insbesondere einen Temperatursensor, einen Spannungssensor oder einen Leistungssensor, welcher auf dem ersten Zellverbinder (110) oder dem zweiten Zellverbinder (120) angeordnet ist.
  25. System (100) gemäß einem der Ansprüche 1 bis 24, wobei die Signalleitung (105) einen U-förmigen Abschnitt aufweist, wobei das Trägerelement (130) eine Zugentlastungsstruktur (113) aufweist, wobei die Zugentlastungsstruktur (113) derart ausgebildet ist, dass die Zugentlastungsstruktur (113) in den U-förmigen Abschnitt eingreift, um die Signalleitung (105) zu fixieren.
  26. Batteriemodul (150), welches insbesondere eine Kapazität von mehr als 500 Wh aufweist, wobei das Batteriemodul (150) aufweist ein System (100) gemäß einem der Ansprüche 1 bis 25, zumindest zwei beabstandete erste Batteriepole, zumindest zwei beabstandete zweite Batteriepole, wobei der erste elektrisch leitfähige Zellverbinder (110) mit den beabstandeten ersten Batteriepolen befestigt ist und diese elektrisch verbindet, wobei der zweite elektrisch leitfähige Zellverbinder (120) mit den beabstandeten zweiten Batteriepolen befestigt ist und diese elektrisch verbindet.
  27. Batteriemodul (150) nach Anspruch 26, wobei zumindest einer der ersten Batteriepole eine freie Poloberfläche (204) aufweist und der erste Batteriepol (101) von einem Grundkörper (205) einer Batteriezelle (151) hervorragt, wobei der erste Batteriepol (101) in der ersten Durchgangsöffnung derart angeordnet ist, dass eine zum Grundkörper (205) der Batteriezelle (151) gerichtete erste Oberfläche (206) des ersten Zellverbinders (110) näher an dem Grundkörper (205) vorliegt als die Poloberfläche (204), wobei insbesondere der erste Batteriepol (101) in der ersten Durchgangsöffnung derart angeordnet ist, dass die Poloberfläche (204) koplanar mit einer, der ersten Oberfläche (206) gegenüberliegenden zweiten Oberfläche (107) des ersten Zellverbinders (110) ist, sodass eine gemeinsame Koppelfläche bereitstellbar ist.
  28. Batteriemodul (150) gemäß Anspruch 27, ferner aufweisend ein Kühlkörper (208) eines Kühlsystem, welcher auf der Poloberfläche (204) zur thermischen Kopplung angeordnet ist, wobei der Kühlkörper (208) insbesondere flächig auf der Koppelfläche zur thermischen Kopplung aufliegt.
  29. Anordnung zur Herstellung eines Systems (100) gemäß einem der Ansprüche 1 bis 25, die Anordnung aufweisend ein flexibles, insbesondere aufrollbares Trägerband (901), eine Vielzahl von Kopplungselementen, welche lösbar, insbesondere mittels einer Klebeverbindung, an dem Trägerband (901) temporär befestigt sind, wobei die Kopplungselemente (130) derart ausgebildet sind, dass entsprechend ein Kopplungselement (140) mit dem ersten Trägerabschnitt (131) und dem zweiten Trägerabschnitt (132) entlang einer Anordnungsrichtung nacheinander, insbesondere innerhalb einer Anordnungsebene (201), anordbar sind, sodass entlang der Anordnungsrichtung das erste Trägerelement (130), das Kopplungselement (140) und das zweite Trägerelement (130) nacheinander angeordnet sind.
  30. Verfahren zum Verbinden von Batteriepolen von einzelständigen prismatischen Batteriezellen (151) eines Batteriemoduls (150), welches eine Kapazität von mehr als 500 Wh aufweist, das Verfahren aufweisend Bereitstellen eines ersten elektrisch leitfähigen Zellverbinders (110), welcher zum Befestigen und elektrischen Verbinden von zwei beabstandeten Batteriepolen ausgebildet ist, Bereitstellen eines zweiten elektrisch leitfähigen Zellverbinders (120), welcher zum Befestigen und elektrischen Verbinden von zwei weiteren beabstandeten Batteriepolen ausgebildet ist, Befestigen des ersten Zellverbinders (110) und des zweiten Zellverbinders (120) an ein elektrisch isolierendes Trägerelement (130), um mittels des Trägerelements (130) eine tragende Struktur für den ersten Zellverbinder (110) und den zweiten Zellverbinder (120) bereitzustellen, wobei der Schritt des Befestigens ein ausschließlich bereichsweises Einbetten des ersten Zellverbinders (110) und des zweiten Zellverbinders in das Trägerelement (130) aufweist, so dass Oberflächenbereiche des ersten Zellverbinders und des zweiten Zellverbinders frei von einer Abdeckung mit dem Trägerelement (130) sind, Koppeln einer Signalleitung (105) an zumindest einem der ersten und zweiten Zellverbinder (120).
  31. Verfahren nach Anspruch 30, wobei das bereichsweise Einbetten der Zellverbinder (110, 120) in das Trägerelement (130) mittels Umspritzung eines Materials des Trägerelements (130), insbesondere mittels eines Spritzgußverfahrens, durchgeführt wird.
  32. Verfahren gemäß einem der Ansprüche 30 oder 31, wobei das Trägerelement (130) einen ersten Trägerabschnitt (131) aufweist, welcher den ersten Zellverbinder (110) zumindest teilweise einbettet, und einen zweiten Trägerabschnitt (132) aufweist, welcher den zweiten Zellverbinder (120) zumindest teilweise einbettet, wobei der erste Trägerabschnitt (131) und der zweite Trägerabschnitt (132) mittels einer elektrisch isolierenden Verbindungsstruktur (103) verbunden sind, wobei zumindest der erste Trägerabschnitt (131) oder der zweite Trägerabschnitt (132) zumindest eine Aufnahmenut (202) zum Aufnehmen der Signalleitung (105) aufweist, wobei das Verfahren ferner aufweist Befestigen der Signalleitung (105) in der Aufnahmenut (202) und insbesondere Kontaktieren der Signalleitung (105) mit einem der ersten oder zweiten Zellverbinder (120) vor einer Montage des ersten Zellverbinders (110) und/oder des zweiten Zellverbinders an einem der Batteriepole.
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